CN101558583A - 具有用于tdma通信的多尺寸时隙的无线网状网络 - Google Patents

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Abstract

无线网状网络(10)使用通信帧(20A－20D)，所述通信帧可具有取决于分配到时隙的装置的通信速率性能VI的不同大小的时隙(30，32，34)。通信帧(20A－20D)被分为等长(ti)的多个时隙增量。时隙(30，32，34)由一个或多个时隙增量组成。

Description

具有用于TDMA通信的多尺寸时隙的无线网状网络
技术领域
本发明涉及在无线网状网络上利用时分多址(TDMA)通信协议进行通信的装置。本发明尤其涉及利用多尺寸时隙在具有不同通信速率性能的装置间通信的无线网状网络。
背景技术
无线数据通信和控制在未来的传感器自动化、过程控制、保安及安全监管中将成为支配性角色。无线数据通信和控制的一个重要需求是使在网络上通信的装置消耗的功率最小化。
在为低功率、基于传感器-致动器的应用而设计的无线网状网络系统中，网络中的许多装置必须由长寿命电池或低功率能量采集电源(energy-scavenging power source)来供电。电源输出口，例如120VAC设施，通常不靠近或可能不被允许进入仪器(传感器)和致动器必须以不引起巨大的安装费用的方式置于其中的危险区域。对于低安装成本的需求驱动着对于电池供电装置的需求，这些电池供电装置作为无线网状网络的一部分进行通信。有限电源的有效利用，例如不能再充电的原电池的有效利用，对于正常工作的无线装置来说是至关重要的。希望电池能维持使用大于5年，并且最好和产品的寿命一样长。
真实的无线网状网络，也被称为自组织多跳网络，其中每个装置(或节点)必须能够在网络中路由其自身或其他装置的消息。消息通过网络从一个节点跳到另一个节点的概念是有利的，因为可使用较低功率的RF无线电设备，并且网状网络能横跨一个大的物理区域从一端向另一端传送消息。在网状网络中，高功率无线电设备是不需要的，而在应用远程装置直接与中央基站对话的点对点系统中却恰恰相反。
网状网络协议允许形成备选路径，用于在装置间传递消息以及在装置与数据收集器、桥或连接到某些较高级高速数据总线的网关间传递消息。具有多个备选、冗余的无线消息路径，这通过保证至少有一个备选路径使消息流通而加强了数据可靠性，即使另一条路径由于环境影响或干扰而阻塞或恶化。
某些网状网络协议是确定性地路由的，因而每个装置都具有分配好的父节点以及至少一个备选父节点。在网状网络的层级中，类似于人类家庭，父亲有孩子，孩子有孙子，以此类推。每个装置(或节点)通过网络将针对其后代的消息中继到某个最终目的地，例如网关。父节点可以是电池供电或有限能源供电装置。节点拥有越多的后代，则它必须路由越多的通信量，而这反过来又直接增加了其自身的功率消耗并减少其电池寿命。
为了省电，某些协议通过仅在有限时间打开节点的无线电设备监听消息来限制任意节点在任意时期内可处理的通信量。因此，为了降低平均功率，协议可允许无线电设备在开-关状态间循环工作。某些协议使用全局工作循环来省电，这样整个网络同时处于开启和关闭状态。其他协议(如基于TDMA)使用局部工作循环，其中只有链接在一起的通信节点对在预定时间以同步方式被调度为打开和关闭。通常，通过给该节点对分配特定时隙进行通信、分配无线电设备所使用的RF频率信道以及在该时隙指定由谁进行接收(Rx)、由谁进行发送(Tx)来预先确定该链接。
当新的装置加入网络时，网络管理器向该新装置提供调度表，新装置将用该调度表来与网络中的其他装置对话。给网络中的每个装置提供用于为一个或多个“孩子”和一个或多个“父亲”传输数据的时隙(特定时间和无线电频率)。使用不同的时间和频率允许许多装置在同一空间传送消息而不会产生冲突。跳频还有助于保护网络中正传送的数据。受保护的自组织网络常常采用认证和加密，以进一步保护网络。
在TDMA网络中，时隙代表通信窗口。一系列时隙组成帧，这是一个重复的时间单位，其定义了网络的刷新速率。
典型的基于TDMA的无线网状网络把帧分解为相同持续时间的时隙，每个时隙随后被安排为支持从一个装置到另一个装置的通信。时隙被定义为用来打开无线电设备、核实信道处于开通状态(监听)、发送消息并监听应答的最小时间量。在该过程期间，无线电设备必须在收-发-收之间切换，这个转换时间是最小时隙中的一个要素，因为这是被发送的消息的分组大小。
随着时间的进展，无线网状网络出现了多种性能提升，因为硅无线电设备变得越来越好，例如，更快的转换时间，更高的通信速率、数据压缩速率，更小的时钟偏差等。所有这些提升和更多的提升将使时隙越来越小。无线网状网络的前向兼容性将成为一个问题，因为加入网络的新装置会具有比网络中其他装置好得多的通信速率性能。
发明内容
一种能够容纳具有不同通信速率性能的装置(或节点)的无线网状网络，使用包含不同大小的时隙的帧。这些帧被分为等长的时隙增量，并且每个时隙由一个或多个时隙增量组成。组成时隙的增量的数量基于分配到该时隙的装置的通信速率性能。
附图说明
图1是示出无线网状网络的框图。
图2是示出被分为N个相等大小时隙增量的帧的框图。
图3A-3D示出了含有不同长度的时隙的帧，这些时隙由一个或多个时隙增量形成。
具体实施方式
图1示出了自组织网状网络10，其包括网络管理器12和多个独立的装置或节点14A-14I。自组织网状网络10是无线通信网络，其中多个独立的节点14A-14I通过多个路径传送数据。
举例来说，网络管理器12可包括运行在网络网关或主机上的软件应用。网络管理器12可与某些节点(该示例中为节点14A，14B，14C和14F)直接通信(单跳)并能够与剩余装置间接通信(多跳)。
当每个节点14A-14I加入网络10时，网络管理器12给该节点提供与网络10中的其他节点对话所使用的调度表。给每个节点提供表示特定时间和无线电频率的时隙，这些时隙用来将数据传送到邻近的装置或传送来自邻近装置的数据，所述邻近装置是该节点的父节点或子节点。
在一个实施例中，节点14A-14I是分布式工业处理系统中的现场装置。现场装置可以是具有传感器的变送器，该传感器用来监控过程参数，例如压力、温度、流速或液位。备选的，现场装置可包括致动器，用于响应于在网络10上接收的控制命令信号而提供控制功能。
在本发明的一个实施例中，分配给用于通信的节点对的特定时隙是由工作管理器12基于最小时间量选出的，每个节点需要该最小时间量来打开无线电装置、核实信道处于开通状态、发送消息以及监听应答。不同节点可能具有不同的最小时间需求，特别是当某些节点使用更新更快的组件和电路时。
网络管理器12已经为每个节点存储了配置数据，包括表示该节点在一个时隙期间进行通信所需的最小时间段的信息。基于为将在特定时隙期间通信的每个节点所存储的信息，网络管理器12确定用于该特定节点对的时隙的持续时间。如果网络10包括具有不同通信速率的装置(需要不同的时隙持续时间)，则TDMA周期的每个帧可能包含具有不同持续时间的多个时隙。
通过将帧分为一系列等长的时隙增量，能够实现在网络10内容纳具有不同持续时间的时隙的能力，这些时隙增量与网络10所使用的最短期望时隙一样小或更小。图2示出了帧20，其已被分为一系列等长的时隙增量22。在图2所显示的例子中，帧20具有定义网络10的刷新速率的帧长度或时间Tf。每个时隙增量具有时间ti。在帧20中总共有N个时隙增量22。因此，帧时间Tf＝Nti，且时隙的持续时间为Mti，其中M为正整数且小于N。
图3A-3D说明了含有不同时隙组合的帧的例子。在图3A中，帧20A由多个等长的时隙30组成。每个时隙30由四个时隙增量组成。因此，帧20A中的每个时隙的长度或持续时间为4ti。
图3B示出了帧20B，其示出了由具有三种不同持续时间的多个时隙组成的帧。时隙30由四个时隙增量组成。时隙32由两个时隙增量组成，且时隙34由一个时隙增量组成。在图3B显示的例子中，通过具有ti、2ti和4ti的多个时隙来容纳不同通信速率的节点。时隙30是时隙34长度的四倍。结果是，在网络10上能够容纳具有宽速率范围的多个节点。另外，由于某些节点能够以高得多的速率与另一个节点通信，因此，在帧20B内可容纳比帧20A中容纳的更多数量的时隙(在帧20A中，所有时隙30的长度为4ti)。
图3C示出了帧20C，其具有混合的时隙32和34。当使用帧20C时，所有节点都能以最高速率(由时隙34代表)或该速率的一半(由时隙32代表)工作。
图3D示出了只含有时隙34的帧20D，该时隙34对应于一个时隙增量。当网络10上的所有节点都能以最高可能通信速率工作时，使用帧20D。
图3A-3D示出了可进行的多种不同时隙分配的例子。通过允许不同长度的时隙，网络10在帧期间内可提供与网络10中独立节点的通信能力相一致的时隙。这些时隙不受网络10内最慢节点所需的最小时间的限制。相反，那些能在更短时隙内与另一个节点通信的节点被允许进行通信，这允许有更多的时隙，时隙的数量取决于有多少节点能以较高的速率工作。
节点可以使用较长持续时间的时隙(例如时隙30)来与只能以较低的通信速率工作的父节点或子节点通信，也能用较短时隙32或34与能够以较高速率通信的另一个节点(父节点或子节点)通信，这取决于节点的物理位置。因此，所有时隙的持续时间，以及帧20中可用的时隙的总数，不受网络10内的最慢节点的支配。
通过使用可变持续时间的时隙，快速和慢速节点都能容纳在单个无线网状网络中。这为无线装置的不断发展提供了巨大的灵活性。通过使用小的时隙增量对帧进行划分，并随后基于一个或多个时隙增量确定时隙的持续时间，可以实现网络设计中的灵活性以及与更快的新装置的前向兼容性。
虽然本发明已经参考优选实施例进行了描述，但本领域技术人员将认识到，在脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上作出改变。

Claims (20)

1.一种操作具有多个节点的无线网状网络的方法，所述多个节点能够发送和接收消息，所述方法包括：
将所述节点同步到通信周期，所述通信周期具有由多个等长时隙增量形成的帧；以及
基于被分配到时隙的节点的通信速率性能，对每个帧内的时隙进行分配以用于所述节点之间的通信，其中每个时隙由一个或多个时隙增量组成。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个时隙增量具有小于或等于所述网络将使用的最短期望时隙的持续时间。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述帧具有持续时间Tf＝Nti，其中ti为每个时隙增量的持续时间，N为帧内时隙间隔的数量。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述帧包括至少一个持续时间为ti的时隙。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述帧包括至少一个持续时间为2ti的时隙。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述帧具有至少一个持续时间为4ti的时隙。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述分配时隙的步骤基于针对每个节点已存储的配置数据。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述已存储的配置数据包括节点在一个时隙期间进行通信所需的最小时间段。
9.一种包括多个节点的无线网状网络，所述多个节点能够在重复通信帧内已分配的时隙期间发送和接收消息，其特征在于：
所述帧包括具有持续时间ti的N个时隙增量；以及
每个时隙具有持续时间Mti，M为小于N的正整数，其中每个时隙的持续时间是由分配到该时隙的每个节点进行通信所需的最小时间来确定的。
10.如权利要求9所述的无线网状网络，其中所述帧包括至少一个持续时间为ti的时隙。
11.如权利要求9所述的无线网状网络，其中所述帧包括至少一个持续时间为2ti的时隙。
12.如权利要求9所述的无线网状网络，其中所述帧包括至少一个持续时间为4ti的时隙。
13.如权利要求9所述的无线网状网络，其中所述帧包括具有不同持续时间的时隙。
14.如权利要求9所述的无线网状网络，还包括：
网络管理器，将选择的节点分配到所述时隙，并确定每个时隙的持续时间。
15.如权利要求14所述的无线网状网络，其中，所述网络管理器使用针对所述节点已存储的配置数据来决定所述时隙的持续时间。
16.一种无线网状网络，包括：
能够发送和接收消息的多个节点；以及
基于重复帧的通信周期对所述多个节点进行同步的网络管理器，其中每个帧包括分配给选择的节点的时隙，而且所述网络管理器能够取决于所述选择的节点的性能而向时隙分配不同的持续时间。
17.如权利要求16所述的无线网状网络，其中，所述帧包括持续时间为ti的N个时隙增量，而且每个时隙具有持续时间Mti，M为正整数。
18.如权利要求17所述的无线网状网络，其中，所述网络管理器基于所述选择的节点在时隙期间进行通信所需的最小时间，确定每一个时隙的持续时间。
19.如权利要求17所述的无线网状网络，其中，所述帧包括至少一个持续时间为2ti的时隙。
20.如权利要求17所述的无线网状网络，其中，所述帧包括至少一个持续时间为4ti的时隙。
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