用于分配实现单播传输的时隙的系统和方法与流程

用于分配实现单播传输的时隙的系统和方法
1.本技术要求于2019年7月30日提交的申请号为62/880,355的美国临时申请的优先权。该引用的外部材料以及其它所有引用的外部材料的全部内容均通过引用并入本文。当通过引用并入的参考文献中的术语的定义或用法与本文提供的术语的定义不一致或相反时，以本文提供的术语的定义为准。
技术领域
2.本发明的领域是多播通信，例如用于舱内无线传感器网络、物联网、家庭自动化和低功率设备。


背景技术：

3.以下描述包括可有助于理解本发明的信息。这并不是承认本文提供的任何信息是现有技术或与当前要求保护的发明相关，或者明确或隐式地引用的任何专利公开是现有技术。
4.当前，对无线传感器网络(wsn)的新应用的需求不断增加。一个应用的示例性领域涉及车载通信，尤其是用于飞机的车载通信。随着飞机系统变得越来越互联，飞机中正在使用额外的传感器来确定座椅、电子设备和其他组件的状态和健康状况。随着对新应用的需求日益增多，通过互联网协议(ip)寻址，特别是通过互联网协议版本6(ipv6)和未来的协议，将wsn连接到互联网，以实现全ip通信，从而实现互操作性。
5.然而，包括电气和电子工程师协会(ieee)802.15.4在内的当前标准本身并不支持多播。相反，已经开发了利用链路层单播传输或链路层广播传输来实现ip多播的算法。虽然链路层单播传输由于基于确认的重传而提供高可靠性，但由于需要对每个多播订户进行单独传输并且需要高能耗，因此它们具有较差的端到端延迟。相比之下，广播传输由于向所有多播订户进行单次传输，因此端到端延迟和能耗低，但由于缺乏重传和确认，可靠性较低。
6.因此，虽然已经开发了各种技术来尝试解决上述问题，但每种技术都有其自身的问题。
7.例如，ieee 802.11aa标准确定了用于多播传输的各种机制。bt vijay和b.malarkodi于2017年在德里举行的2017年第8届计算、通信和网络技术国际会议(icccnt)上发表的“a study of ieee 802.11aa”中可以找到对该标准的研究。标准解决了通过多播通信传输流(例如，语音、音频和视频)的方法。
8.使用该标准，可以通过添加新的控制消息和机制来改进多个接入点(ap)之间的协调。此外，通过更好的信道选择，更有可能避免干扰，可以更好地评估无线网络性能。通过在ap之间安排和添加广播传输机会的其他方式，还可以在ap之间实现负载共享。使用带重试的组播(gcr)服务，多播帧会在不等待任何确认的情况下多次发送，这会导致传递概率增加。
9.然而，802.11aa标准是基于csma的非确定性方案，并且gcr服务根据重试次数增加开销，并且当链路质量良好时变得低效且不必要。
10.作为另一个示例，trm-mac协议可用于管理当前节点密度的可用时隙。在节点密度低的情况下，可以使用最小时隙。对于较大的节点密度，可以添加额外的时隙。trm-mac协议通过在能量和延迟之间进行权衡，可以在最小延迟的情况下实现更高的成功传输率。有关该协议的更多详细信息，请参阅bhatia和hansdah于2016年在计算机网络上发表的文章“trm-mac:a tdma-based reliable multicast mac protocol for wsns with flexibility to trade-off between latency and reliability”。如图1所示，mac帧被细分为三部分，无竞争周期1(cfp1)、无竞争周期2(cfp2)和竞争接入周期(cap)。
11.mac帧的cfp1中采用的信道访问机制是tdma，内部节点使用tmda来中继组播数据。这部分的时隙大小通常等于(以当前数据速率，t
data
)传输多播数据所需的时间。cfp1部分中的时隙数量取决于多播生成树(mst)中的内部节点数量以及用于为内部节点执行tdma时隙调度的算法。
12.在mac帧的cfp2中采用的信道访问机制也是tdma，并且由叶节点使用基于ack的方法来传输它们的确认(ack)消息。这部分的时隙大小通常等于发送ack消息(t
ack
)所需的时间，并且通常小于cfp1中的时隙大小。这部分中的时隙数再次取决于在mst中使用基于ack的方法的叶节点数以及用于执行tdma时隙调度的算法。
13.在mac帧的cap部分中采用的信道访问机制是优先级csma，其中具有本地id j的子节点使用基于nack的方法在mac帧的cap部分中传输nack消息，假设(a)它发现信道在由j-1-nrouters-nack)*t
cca
定义的一段时间内处于空闲状态，并且(b)它没有接收到数据。t
cca
是任何传感器节点执行畅通信道评估(cca)以确保没有其他节点已经在传输所需的时间，n个路由器是其父节点的内部子节点数。t
cca
的值通常小于t
data
、t
ack
和t
nack
。称这种机制为优先级csma的原因是与具有较大本地id值的节点相比，具有较小本地id值的节点具有更高的访问信道的优先级。这部分的长度将是(α-1)*t
cca
+t
nack
，其中α是在网络中的任何内部节点使用基于nack的方法的叶子节点的最大数量。
14.trm-mac可能是不利的，因为它没有提出优化cfp中的时隙分配的方法。此外，在存在隐藏节点的情况下，cca操作可能会失败，因此，所提出的优先级csma信道访问机制并不能完全避免nack消息之间的冲突。
15.作为另一个示例，可以使用基于优化的速率分配和在基于tdma的无线网状网络中调度，这在wang，mukta，和torng在2008ieee网络协议国际会议中发表的文章“optimization based rate allocation and scheduling in tdma based wireless mesh networks”中进一步进行了描述。在本文中，作者致力于优化考虑延迟和吞吐量的tdma协议的多播和单播通信。为了实现这一结果，他们引入了一种基于完美图构造的多传输率调度算法。它首先构建以网关为根的生成树，然后修剪树以容纳所有会话以实现完美图。
16.不幸的是，该算法使用广播时隙进行多播传输，这是不可靠的。它需要集中控制，可以减少特殊重用。此外，该算法实施起来相当复杂，需要一定的计算能力。该算法还可能需要更大的时隙，从而为整个时隙帧增加延迟。
17.本文的所有专利公开均以相同的程度通过引用并入，就好像具体和分别指示每个单独的专利公开或专利申请通过引用并入一样。当在并入的参考文献中术语的定义或用法与本文提供的术语的定义不一致或相反时，本文提供的该术语的定义适用，而参考文献中
该术语的定义则不适用。
18.因此，仍然需要减少单播传输中的端到端延迟。


技术实现要素：

19.本发明主题提供用于使用链路层单播模式减少低功率无线个域网(6lowpan)中的端到端延迟的装置、系统和方法。在这样的网络中，链路层(l2)的协议通常采用ieee 802.15.4，网络层(l3)的协议采用ipv6。
20.ieee 802.15.4提供了一种低功率节能协议。ieee 802.15.4协议具有广泛的应用范围，包括例如家庭自动化、工厂自动化、预测性维护以及实时监控。当使用其中一种时分多址(tdma)模式时，ieee 802.15.4也可以成为确定性，其中节点之间的通信被划分为时隙并被安排为超帧(sf)。然而，可以使用任何基于tdma的协议。
21.应当理解，虽然本文公开的系统和方法是结合ieee 802.15.4协议进行描述的，但是可以设想的是，本文公开的系统和方法可以与以后开发的协议一起使用，其中重新分配到多播组订户的传输可以减少端到端延迟。
22.当处于tdma模式之一时，可以通过在超帧中移动时隙来减少此类网络中的延迟。时隙的重新分配优选地基于多播组的成员资格，使得到组的每个多播订户的传输占用相邻的时隙。这可以有利地导致多播通信的优化的时隙分配和端到端延迟的改进。
23.本文描述的发明主题具有多种应用。例如，在飞机环境中，车载传感器可以分成单独的多播组。在这样的环境中，厨房可以形成第一多播组，每个座位等级可以形成单独的多播组，机载手推车可以形成为单独的多播组。
24.也可以基于应用来形成多播组。例如，乘客服务单元的氧气面罩释放可以形成一个单独的组。
25.根据优选实施例的以下详细描述以及附图，本发明主题的各种目的、特征、方面和优点将变得更加明显，其中相同的附图标记表示相同的部件。
附图说明
26.图1示出了说明trm-mac协议的现有技术图。
27.图2示出了智能广播转发算法的流程图。
28.图3示出了智能广播转发算法的附加流程图。
29.图4示出了示出超帧中时隙的动态分配的图。
30.图5示出了示出超帧中的时隙移动的图。
31.图6示出了用于减少端到端延迟的方法的一个实施例。
具体实施方式
32.在以下讨论中，可以参考接入点、路由器、服务器、服务、接口、门户、平台或由计算设备形成的其他系统。应当理解，此类术语的使用被视为表示具有至少一个处理器的一个或多个计算设备，该处理器被配置为执行存储在计算机可读有形、非暂时性介质上的软件指令。例如，接入点可被配置为履行预编程的角色、职责或功能。
33.以下讨论提供了本发明主题的许多示例实施例。尽管每个实施例代表发明元素的
单个组合，但是也可认为发明主题包括所公开元素的所有可能的组合。因此，如果一个实施例包括元素a、b和c，而第二实施例包括元素b和d，那么即使没有明确地说明，也认为本发明的主题包括a，b，c和d的其他剩余组合。
34.图2和3示出了智能广播算法的一个实施例的流程图。于2020年7月30日提交的共同未决专利申请pct/us20/44318中进一步描述了这种概念。如图所示，该算法同时利用链路层单播和广播传输，并在多播通信中引入双向性。通过这种方式，多播数据包可以向上和向下遍历说明用于低功率网络的路由协议的rpl树，并且多播数据包不必一直遍历到根。
35.图2示出了用于转发数据包的示例性过程。如图所示，节点接收到目的地是多播组地址的数据包，并确定该数据包是否是从首选父节点接收的。
36.如果从首选父节点接收到数据包，则检查多播组是否在路由表中列出。如果是，则根据子节点的数量使用链路层单播或广播传输向下转发数据包，然后检查节点(节点(node)和节点(mote)在本文中可互换使用，表示无线传感器网络中的设备)是否是多播组的成员。如果路由表中没有列出多播组，则不转发数据包，并检查节点是否是多播组的成员。
37.如果节点是多播组的成员，则将数据包向上传送到网络堆栈并接受该数据包。如果不是，则丢弃该数据包。
38.如果未从首选父节点接收到该数据包，则检查该数据包是否从rpl树中的下方到达(即，从链路层单播传输接收)。如果是，则检查该多播组是否在路由表中列出。如果不是，则丢弃该数据包。
39.如果多播组在路由表中列出，则使用链路层单播向下转发数据包，其中不转发至从其接收数据包的子节点。然后检查节点是否是rpl根。如果是，则检查节点是否是多播组的成员。如果不是，则将数据包向上转发到首选父节点。
40.如果节点是多播组的成员，则将数据包向上传送到网络堆栈并且接收该数据包。如果不是，则丢弃该数据包。
41.因为网络中的所有微点(传感器)都知道拓扑，所以多播源可以是网络内的任何地方。处理器可以根据感兴趣的子节点的数量和占空比来确定在链路层使用单播还是广播。
42.为了提高在广播传输期间接收到的消息的可靠性，可以使用时隙信道跳频(tsch)来提供广播重传。如图3所示，一个数据包可以被重传预定的次数。因为不会收到确认，所以这种重传总是会发生。tsch中的时隙可以根据功能进行分类，以便有发送和接收广播重传的时隙。为了在这些重传期间减少接收方的能量需求，一旦成功接收到数据包，可以将可以接收广播重传的任何剩余时隙设置为睡眠模式。因此，接收方节点将在接收到数据包后进入睡眠模式，随后的重传将被忽略。因此，可以增加接收数据包的概率，同时降低接收方的能量需求。
43.对于单播传输，随着订户数量的增加，无线电传输的数量由于向每个订户单独传输数据包以及确认被发回而增加。因为多播通信的时隙可以分布在超帧上，所以可以增加端到端延迟。
44.这至少部分是由tdma模式引入的固有延迟引起的。例如，图4示出了节点b的示例性时隙调度。如第一个超帧(sf1)中所示，从节点b到订户1的传输时隙之后是从订户1接收的时隙，从节点b到其父节点a的传输时隙，从节点a接收的时隙，和从节点b到订户2的传输
时隙。假设每个时隙的持续时间是10毫秒，则到订户2的传输发生在到订户1的传输后的3个时隙或在第一次传输之后的30毫秒。这30毫秒被添加到端到端延迟上。因此，随着订户数量的增加，端到端延迟也可能增加。
45.为了减少这种延迟，优选的系统和方法基于多播组的成员资格移动超帧中的时隙。这样，所有的多播订户都可以占用相邻的时隙，从而优化了时隙的分配，减少了多播通信的端到端时延。
46.图5中示出了这种情况的一个示例。如图所示，超帧中的时隙可以基于订户(节点)到多播组的成员资格来移动(重新分配)，因此传输到多播组订户占用相邻的时隙。在此示例中，节点1和节点2是多播组的订户，因此时隙5的传输被转移到时隙2，从而与节点b在相邻时隙中的传输相邻。这将至少节省30毫秒的端到端延迟。在订户数量较多的情况下，例如在飞机等真实环境中，端到端延迟可以大大减少。
47.图6示出了根据所公开的实施例的用于减少使用ieee 802.15.4协议的链路层单播传输中的端到端延迟的示例性方法600。在步骤610，可以提供具有处理器和存储器的路由器。在一些实施例中，路由器是网络中接入点(ap)的组件。
48.在步骤620中，时分多址(tdma)超帧的时隙可以由路由器动态分配以用于传输到一组节点并从一组节点确认。该组节点可以包括多个节点，其包括第一节点、第二节点和第三节点。从而可以为从节点a到每个节点的传输分配不同的时隙。
49.在步骤630中，路由器或其他组件可以确定该组的任何节点是否是多播组的成员。
50.如果确定第二节点与第一节点都是相同多播组的成员，则在步骤640中可以移动或重新分配分配用于传输到第二节点的时隙，使得用于传输到第一和第二节点的时隙是相邻的。
51.如果确定第三节点也与第一节点都是相同多播组的成员，则在步骤650中可以移动或重新分配分配用于传输到第三节点的时隙，使得用于传输到第二和第二节点的时隙是相邻的。
52.一方面，一种用于减少使用ieee 802.15.4协议的链路层单播传输中的端到端延迟的系统包括具有存储在非暂时性计算机可读介质上的处理器和控制线程的路由器。预期处理器和控制线程可以在tdma超帧的时隙开始时启用收发器模块。尽管上面提到了ieee 802.15.4协议，但可以使用任何基于tdma的协议。
53.处理器可以被配置为动态地分配时隙以用于传输到一组节点中的每一个节点。处理器然后可以确定该组的每个节点是否是第一多播组的成员。如果该组中的一个节点是第一多播组的成员，则路由器可以移动用于传输到该节点的时隙，使得移动后的时隙与分配用于传输到第一多播组的订户的另一个时隙相邻。该过程可以继续，直到分配用于传输到作为第一多播组成员的组中的所有节点的时隙与那些时隙中的另一个时隙相邻。
54.在一些设想的实施例中，处理器可以被配置为确定该组的每个节点是否是第二多播组的成员。然后，处理器可以移动配置用于传输到第二多播组成员的每个节点的时隙，使得用于传输到第二多播组的每个成员的每个时隙被移动到与分配用于传输到第二多播组成员的时隙的另一个时隙相邻。
55.优选地，处理器根据包括该组节点的无线传感器网络的拓扑基于ieee 802.15.4定义超帧的结构。
56.本文描述的系统和方法可以进一步体现在存储在非暂时性计算机可读存储介质中的程序中。优选程序被配置为当程序由路由器的一个或多个处理器执行时执行一组操作以用于通过ip网络进行多播通信。
57.设想的操作包括动态地分配tdma超帧的时隙以用于从第一节点到第二节点以及从第一节点到第三节点的传输，其中为每个传输分配不同的时隙。例如，可以为从第一节点到第二节点的传输分配第一时隙。
58.另一个操作可以确定第三节点是否与第二节点是相同多播组的成员。如果是相同多播组的成员，则分配用于传输到第三节点的时隙可以基于第三节点对多播组的成员资格被重新定位或移动，使得重新分配的第二时隙与第一时隙相邻。
59.类似地，tdma超帧的第三时隙可以动态分配用于从第一个节点到第四个节点的传输。
60.另一个操作可以确定第四节点与第二节点相同是否为相同多播组的成员。如果是相同多播组的成员，则分配用于传输到第四节点的时隙可以基于第四节点对多播组的成员资格被重新定位或移动，使得重新分配的第三时隙与第二时隙相邻。
61.优选地，节点通过使用ieee 802.15.4协议在低功率无线个人区域网络进行无线通信。
62.尽管中央实体可以向网络内的每个节点分发固定调度(即，超帧的时隙列表)以提高确定性，但是本文描述的发明概念解决了环境中的时隙分配问题，其中所述环境是指基于彼此之间的距离通过节点动态分配时隙。在这样的环境中，时隙可能是随机分配的，并且可能不会针对端到端通信进行优化，更具体地说，不会针对节点使用802.15.4单播传输来发送多播数据包的多播通信来进行优化。
63.如本文所用，并且除非上下文另有明确规定，否则术语“连接到”旨在包括直接连接(其中两个彼此连接的元件彼此接触)和间接连接(其中至少一个另外的元件位于两个元件之间)。因此，术语“连接到”和“与
…
连接”同义使用。
64.在一些实施例中，用于描述和要求保护本发明的某些实施例的表示成分的数量，诸如浓度、反应条件等性质的数字应理解为在某些情况下由术语“约”修饰。因此，在一些实施例中，在书面描述和所附权利要求书中阐述的数字参数是近似值，其可以根据特定实施例试图获得的期望特性而变化。在一些实施例中，应该根据报告的有效数字的数目并通过应用普通的舍入技术来解释数字参数。尽管说明本发明的一些实施例的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体示例中列出的数值应以尽可能精确地方式报告。在本发明的一些实施例中呈现的数值可能包含某些误差，这些误差必定是由它们各自的测试测量中的标准偏差导致的。
65.除非上下文指示相反的情况，否则本文阐述的所有范围应解释为包括其节点，并且开放式范围应解释为仅包括商业上可行的值。同样，除非上下文指示相反的情况，否则所有值列表都应视为包括中间值。
66.如本文的说明书和随后的权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则“一”，“一个”和“该”的含义包括复数指代。此外，如在本文的描述中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则“在
…
中”含有包括“在
…
内”和“在
…
上”。
67.本文中数值范围的列举仅旨在用作一种便捷的方式，用来分别指代该范围内的每
个单独的值。除非本文另外指出，否则将范围内的每个单独的值并入说明书中，就如同其在本文中单独列举一样。除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。针对本文的某些实施例提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并且不对以其他方式要求保护的本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为表示对实施本发明必不可少的任何未要求保护的要素。
68.对本文公开的本发明的替代元件或实施例的分组不应被解释为限制。可以单独提及和保护每个组成员，或者可以将每个组成员与本文中发现的组中的其它成员或其它元件进行任意组合来进行保护。出于方便和/或可专利性的原因，可以将一个或多个组成员包含在组中或从组中删除。当出现任何这样的包含或删除时，本说明书在此被认为包含经修改的组，从而实现所附权利要求中使用的所有马库什组的书面描述。
69.对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在不背离本文的发明构思的前提下，除了已经描述的修改之外，还可以进行更多的修改。因此，本发明的主题除了受到所附权利要求的精神限制之外，并不受其它限制。此外，在解释说明书和权利要求书时，应以与上下文一致的尽可能广泛的方式解释所有术语。尤其是术语“包括”和“包含”应解释为以非排他性的方式涉及元件、组件或步骤，表明可以同时存在或同时使用提及的元件、组件或步骤，未明确提及的元件、组件或步骤，或者提及的元件、组件或步骤可与未明确提及的元件、组件或步骤组合。在说明书和权利要求书涉及选自以下组中的至少其中一种时，组中包括a,b,c
…
和n，应将文本解释为仅要求来自组中的一个元件，而不是a加b，或b加n等。