CN102209372A - 用于管理节点的低功耗磁场通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低频区域内能提高磁场区域网络的性能和效率的、用于管理节点的低功耗磁场通信方法。本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法是在低频无线网络内完成的，该低频无线网络包括MFAN-C和至少一个MFAN-N，其物理层由前导信号、信头和有效负载构成，该前导信号由启动序列和同步序列构成。启动序列在MFAN-N从休眠模式激活时只加到从MFAN-C传输的帧的前导信号上。启动序列使用ASK调制方式进行调制，同步序列使用BPSK调制方式进行调制。
Description
技术领域
本发明涉及在低频带内用于管理节点的低功耗磁场通信方法，该方法在低频区域内能提高磁场区域网络的性能和效率。
背景技术
众所周知，低频带磁场区域网络(MFAN)是用于在30KHz到300KHz的低频区域内使用磁场信号传输并接受信息的无线通信网络。无线通信的中心频率是128KHz，通常使用二进制相移键控(BPSK)作为调制方法。使用曼彻斯特编码和不归零电平(NRZ-L)编码来变化数据速率，能够在数米范围内提供数Kbps的数据速率。
同时，参与MFAN中的器件根据它们的作用分为两组：MFAN协调器(MFAN-C)和MFAN节点(MFAN-N)。每个MFAN中只有一个MFAN-C，该MFAN包括一个MFAN-C和与其连接的多个MFAN-N。MFAN-C管理MFAN-N的连接和断开。MFAN采用时分复用(TDMA)方法。MFAN-C管理MFAN内部的连接；每当MFAN-N连接到MFAN-C时，根据MFAN-C的判断分配时间资源。以上描述的MFAN技术能够用于服务领域，例如传感器网络、家庭网络、建筑、运输等。
关于这种MFAN，本发明的申请人已经申请了标题为“基于无线磁场通信的低频带PHY层”的韩国专利申请10-2008-131920(以下称为“在先申请”)。由于固定的数据速率或采取的编码方法，传统MFAN不能进行有效的通信，考虑到该问题，以上描述的在先申请提出了根据周边环境，使用可变的数据速率或选择合适的编码方法以配置可以进行无线通信的物理层(PHY)的方法。在以上提及的在先申请中，物理层帧格式由三个主要元素构成：前导信号、信头和有效负载。传输数据包时，首先传输前导信号，接下来传输信头，最后传输有效负载。从最低有效位(LSB)进行传输。如图1所示，前导信号执行跟传统的一般请求或响应格式的帧起始(SOF)段同样的功能。这种前导信号顺序地由从LSB到最高有效位(MSB)的字节构成；例如，它可以包括长度由使用者确定的序列，包括0位、4位、8位或12位′0′序列，4位′0000′序列，和4位′1010′序列。最后，由于使用者确定的序列具有0位时使用者确定的序列不存在，该前导信号可以由4位′0000′序列和4位′1010′序列构成。
在传统的低频带MFAN通信方法中，所有的MFAN-N通过检测从MFAN-C传输的载波频率来执行启动功能。
如上所述，根据传统的低频带MFAN通信方法，由于通过检测载波频率来启动MFAN-N，而不是通过单独的启动信号，会增加MFAN-N的功耗，例如，通过从其他MFAN-N传输至MFAN-C的载波频率频繁并不必要地启动MFAN-N。
更进一步，根据传统的低频带MFAN通信方法，即使MFAN-C的操作过程中多次发生错误，也没有适当的程序以停止该操作，因此，它具有增加功耗的缺点。
发明内容
为了解决以上描述的问题而提出了本发明，本发明的目的是提供能提高低频带MFAN通信的性能和效率的、用于管理节点的低功耗磁场通信方法。
为了达到以上描述的目的，本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法是在低频无线网络内完成的，该低频无线网络由MFAN-C和至少一个MFAN-N构成，其中物理层包括前导信号、信头和有效负载，前导信号由启动序列和同步序列构成。
在以上描述的配置中，优选启动序列在MFAN-N从休眠模式激活时只加到从MFAN-C传输的帧的前导信号上。
优选以上描述的启动序列使用振幅键控(ASK)调制方式进行调制，同步序列使用BPSK调制方式进行调制。
根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法，与使用载波频率传感的传统启动方法相比，由于仅通过启动信号使MFAN-N从休眠模式激活，从而降低了MFAN-N的功耗。更进一步，由于启动序列使用ASK调制方式进行调制，能够降低MFAN-N的功耗。另外，在MFAN-C或MFAN-N的操作过程中，当错误或地址不匹配的次数超过了预定数值时，通过停止操作可以降低功耗。
附图说明
图1图示说明了根据传统低频带MFAN通信方法的物理层帧格式；
图2图示说明了表现MFAN时间元素的超帧结构；
图3图示说明了表现MFAN物理元素的网络结构；
图4图示说明了根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的物理层帧格式；
图5图示说明了根据本发明MFAN的物理层的前导信号格式；
图6图示说明了ASK调制方法；
图7图示说明了BPSK调制方法；
图8图示说明了根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的前导信号的编码和调制方法；
图9示出了根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的MFAN-C的状态转变图；以及
图10示出了根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的MFAN-N的状态转变图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的优选实施例。MFAN的主要元素可以划分为时间元素和物理元素。包括请求期间、响应期间和无效期间的时间元素组成超帧；包括MFAC-C和MFAB-N的物理元素组成网络。物理层的最基本元素是节点。存在两种节点：控制网络的MFAN-C和作为组成元素的MFAN-N。
MFAN中首先确定的节点是MFAN-C；当MFAN-C在请求期间内传输请求数据包时开始超帧。MFAN-C执行的功能例如：在服务区域内对MFAN进行配置、关联、分隔和取消关联；以及对MFAN的传输和接收期间的管理。由于MFAN在服务区域内可以使用一个通道，因此只存在一个网络。MFAN内除了MFAN-C以外的所有其他节点成为MFAN-N。MFAN-C和MFAN-N之间建立单独的连接，也就是说，MFAN-C和每个MFAN-N做一对一连接；尽管MFAN中参与的节点划分为MFAN-C或MFAN-N，但是所有的节点都能执行MFAN-C或者MFAN-N的功能。
图2图示说明了表现MFAN时间元素的超帧结构。能被MFAN利用的时间元素是时分复用(TDMA)中的时间段。MFAN-C管理在响应期间传输数据的MFAN-N组，并且时间段由所选的组的MFAN中的MFAN-N进行自我管理。如图2所述，MFAN的超帧结构包括请求期间、响应期间、和无效期间；请求期间和响应期间的长度可变。当MFAN-C在请求期间内传输响应请求数据包时开始超帧。响应请求数据包包括准备在响应期间传输响应数据包的MFAN-N的信息，MFAN-N使用包括在响应请求数据包中的该信息在响应期间传输响应数据包。
请求期间是传输响应请求帧的时间段，响应请求帧包括准备好在MFAN-C的响应期间传输响应帧的MFAN-N的信息。
响应期间是根据MFAN-C的响应请求，准许MFAN-N传输响应帧的时间段；根据MFAN中MFAN-N的数量响应期间可以分为多个时间段。根据响应帧和收到确认帧的长度，每个时间段的长度是可变的。根据划分时间段的顺序确定段的数值；通过MFAN-C分配在每个时间段所要传输的MFAN-N。MFAN-C将响应期间分配给具体的组以将其利用；所分配组中的节点自主地在响应期间传输数据帧。
当预定时间段没有节点传输响应数据包时无效期间开始，其中节点可以在MFAN-C没有请求时传输数据。该期间维持到MFAN-C传输请求数据包为止。图3图示说明了表现MFAN物理元素的网络结构。MFAN的物理元素是包括MFAN-C和MFAN-N的节点，MFAN-N以星型网络环绕在MFAN-C附近。MFAN是能够在MFAN-C和环绕在其附近的每个单独MFAN-N之间进行数据通信的网络；MFAN的基本组成元素是节点。节点根据其作用分为MFAN-C和MFAN-N。MFAN-C管理所有的MFAN-N，网络中应当只存在一个MFAN-C。MFAN-C通过同时向所有MFAN-N广播响应请求数据包以控制MFAN-N。MFAN-N必须按照MFAN-C的控制来传输并接收响应数据包。在MFAN中，为了识别每个MFAN-N，使用如下的不同的地址系统：MFAN标识符、唯一标识符(UID)、组地址、和节点地址等等。
MFAN标识符是识别MFAN的唯一标识符，其值是唯一的，并不与其他MFAN标识符的数值相重叠；在MFAN存在的期间内该数值一直保持。UID是由64位构成的唯一标识符，其由组地址、IC制造商编码、和IC制造商序列号构成。通过该UID识别MFAN-N。组地址是MFAN-N分类的组标识符；由于传输数据包时可以通过组单元执行数据传输请求，因此组地址用于方法中以减少冲突；它的数值为0x00-0x2F。节点地址是代替UID以辨别节点的标识符；它是实现网络联接时由MFAN-C分配的16位地址。
图4图示说明了根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的物理层帧格式。如图4所示，根据本发明的MFAN，每个物理层帧与传统MFAN一样，包括三个元素：前导信号、信头、和有效负载。传输数据包时，首先传输前导信号，接下来传输信头，最后传输负载。传输从最低有效位(LSB)起进行。
图5是根据本发明的MFAN的物理层前导信号的格式。如图5所示，本发明的前导信号，与传统前导信号不同，包括两个部分：包括[0000_0000]8位的启动序列、以及包括[0000_0000_0000]12位和[1010]4位的同步序列。在以上描述的结构中，启动序列可以只存在于当MFAN-C想要MFAN-N从稍后描述的休眠模式进入激活状态时。同步序列可以用于数据包识别、符号定时、和负载频率估计。前导信号通过表2中定义的类型0的方法进行编码。
如图4所示，信头由两个数据区域构成，数据区域包括数据速率和编码、有效负载长度、和8位信头检验序列；其结构总结在表1中。由于信头从LSB开始传输，因此首先传输数据速率和编码的LSB，最后传输信头检验序列的MSB。信头通过表2中定义的类型0的方法进行编码。
有8种用于数据速率和编码的定义方法，如表2中总结的通过3位来表示。
根据本发明，与传统方法不同，在前导信号的启动序列和同步序列的调制中使用了不同的调制方案；也就是说，对启动序列使用ASK调制，对同步序列使用BPSK调制。图6图示说明了ASK调制方法。如图6所示，编码化的串行输入数据转化为表示两个ASK星座点中的一个的数值，其中ωc＝2πf_c，f_c是MFAN的载波频率。
图7图示说明了BPSK调制方法。如图7所示，编码化的串行输入数据转化为表示两个BPSK星座点中的一个的数值，其中ωc＝2πf_c，f_c是MFAN的载波频率。
图8图示说明了根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的前导信号的编码和调制方法。如图8所示，使用类型0对前导信号序列进行编码后，启动序列使用ASK调制，同步序列使用BPSK调制。对启动序列使用ASK调制的原因在于，容易辨别低功耗的启动信号。也就是说，如果对启动序列使用BPSK调制，对于MFAN-N必须驱动内部相位检测电路块以检测该启动信号，这会导致增加功耗；但是如果对启动序列使用ASK调制，通过使用信号振幅可以容易地检测启动序列，而不需要驱动内部相位检测电路块，从而有望减少功耗。
下文中，将根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法，描述MFAN-C和MFAN-N的状态转变图。
图9是根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的MFAN-C的状态转变图。如图9所示，MFAN-C在载波检测期间保持在待机状态，当MFAN-C从MFAN-N接收到数据包时则转变为数据包分析状态(S10)。此时，如果节点标识符与接收数据包的目标地址相同，MFAN-C的状态转变为数据包生成状态(S11)并生成数据接收确认(DA)数据包，然后该DA数据包传输至MFAN-N。完成以上描述的过程后，MFAN-C的状态返回到待机状态(S12)。
同时，在数据包分析状态中，如果MFAN-C的节点标识符与接收数据包的目标地址不匹配，或者在数据包中发生了错误，MFAN-C立即返回到待机状态(S13)。在数据包分析状态中，如果接收响应数据包中发生了错误，或者MFAN-C的节点标识符与接收响应数据包的目标地址不匹配，MFAN-C在数据包生成状态中重新生成响应请求(SQ)数据包，并将该SQ数据包重新发送至MFAN-N。如果这种错误持续发生，则重复所需次数(最大值N)的该过程，例如，如数据包分析状态的过程中所指定的3次(S14)。在这种状态中，如果重复过程的次数达到N+1，MFAN-C从数据包分析状态返回到待机状态(S13)，并得出结论：再重复重新发送SQ数据包是毫无意义的。
同时，如果MFAN-C从更高阶系统中接收了某些系统指令，MFAN-C从待机状态返回到数据包生成状态(S15)并传输相应的请求数据包，然后返回到待机状态(S16)。在这种状态中，如果系统指令中发生了错误，或者MFAN-C的节点标识符与系统指令的目标地址不匹配，MFAN-C在传输完SQ数据包后返回到待机状态(S17)。
图10示出了根据本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法的MFAN-N的状态转变图。如图10所示，所有的MFAN-N持续检验载波。当电源开启时，MFAN-N进入休眠状态(S20)。在这种状态中，如果检测到启动信号(序列)，MFAN-N转变为激活状态(S21)。在这种状态中，如果接收到SQ数据包，MFAN-N进入数据包分析状态以分析接收到的SQ数据包。
此时，如果SQ数据包的目标地址、MFAN-N的节点标识符以及组标识符相匹配，MFAN-N的状态转变为数据包生成状态(S23)并向MFAN-C传输响应数据包，然后转变为待机状态(S24)。但是如果SQ数据包的目标地址、MFAN-N的节点标识符以及组标识符不匹配，MFAN-N立即返回到休眠状态(S25)。如果在待机状态中的载波检测(S26)过程期间MFAN-N收到自身节点的响应确认(SA)数据包，MFAN-N返回到休眠状态(S27)；但是如果它收到其他节点的响应确认(SA)数据包，则转变为数据包生成状态(S28)。
如果待机状态中超出了超时期间仍没有分配段数值，MFAN-N立即返回到休眠状态(S29)；但是如果分配了时间段数值，MFAN-N转变为数据包生成状态(S30)，并生成和重新传输响应数据包，直到连续经过的超时期间的次数达到最大值N；在待机状态中，如果连续经过的超时期间的次数达到N+1，MFAN-N返回到休眠状态(S31)以减少功耗，并得到结论：再重复重新生成响应数据包是毫无意义的。在待机状态中，如果MFAN-N在载波检测过程期间接收到SQ数据包，MFAN-N转变为数据包分析状态(S32)。同时，如果发生了系统中断，MFAN-N从休眠状态转变为激活状态(S33)。在这种情况下，如果MFAN-N从系统接收到数据，MFAN-N转变为数据包生成状态(S34)并生成数据包，然后将该数据包传输至MFAN-C；随后从数据包生成状态转变为待机状态(S35)。在这种状态中，如果MFAN-N接收到DA数据包，MFAN-N返回到休眠状态(S36)。
如果在超时期间没有接收到DA数据包，MFAN-N重新生成并向MFAN-C重新发送数据包，然后从数据包生成状态转变为待机状态(S37)；如果以上描述的情况连续发生，即直到超时期间经过仍没有接收到DA数据包，则重复所需次数(最大值N)的该过程，例如，如数据包生成状态的过程中所指定的3次。当重复过程的次数达到N+1，MFAN-N从待机状态返回到休眠状态(S38)。
缩写及解释：
AQ：关联请求
AS：关联响应
ASA：关联响应确认
ASC：关联状态检验
ASQ：关联状态请求
ASS：关联状态响应
ASSA：关联状态响应确认
DA：数据接收确认
DAQ：取消关联请求
DAS：取消关联响应
DASA：取消关联响应确认
DQ：数据请求
DS：数据响应
DSA：数据响应确认
LSB：最低有效位
MFAN：磁场区域网络
MFAN-C：磁场区域网络协调器
MFAN-N：磁场区域网络节点
SA：响应确认
SQ：响应请求
UID：唯一标识符
以上描述的优选实施例并非限制本发明的用于管理节点的低功耗磁场通信方法，对以上描述的实施例进行的各种改进对本领域技术人员来说是显而易见的，并没有背离本发明的范围与精神。
Claims (4)
1.一种在低频无线网络内完成的用于管理节点的低功耗磁场通信方法，该低频无线网络包括：
MFAN-C和至少一个MFAN-N，
其中物理层帧包括前导信号、信头和有效负载，
以及前导信号包括启动序列和同步序列。
2.根据权利要求1所述的用于管理节点的低功耗磁场通信方法，其中启动序列只加到正在从MFAN-C传输的帧的前导信号上，以将MFAN-N的状态从休眠状态变为激活状态。
3.根据权利要求2所述的用于管理节点的低功耗磁场通信方法，其中启动序列使用ASK调制方式进行调制，同步序列使用BPSK调制方式进行调制。
4.一种储存程序的计算机可读记录介质，
其中该程序能执行如权利要求1或3所述的用于管理节点的低功耗磁场通信方法。
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