CN102342029B - 用于磁场通信网络的无线通信方法和协调器的解调设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于磁场通信网络的无线通信方法和协调器的解调设备，能够在短时间内识别多个传感器节点。本发明的用于磁场通信网络的无线通信方法包括：步骤(a)向传感器节点发送用于请求响应的请求信号，其由磁场通信网络中的协调器执行；步骤(b)选择从传感器节点接收的任意一个响应信号；步骤(c)向对应于步骤(c)中选择的响应信号的传感器节点发送确认信号；步骤(d)选择从没有接收到步骤(c)的确认信号的传感器节点再次发送的任意一个响应信号；以及步骤(e)向对应于步骤(d)中选择的响应信号的传感器节点发送确认信号。

Description

用于磁场通信网络的无线通信方法和协调器的解调设备
技术领域
本发明涉及用于磁场通信网络的无线通信方法和协调器的解调设备。
背景技术
图1示出了电磁波的产生原理。
如所知道的那样，当交流电压施加到天线(例如：偶极子天线)上时，产生电场，并且交流电流流过天线，由此产生磁场。此时，当电磁场远离天线的距离为d(λ(波长)/2π)时，电磁场变为通过空间传播的电磁波。
此处，磁场区域涉及到天线的距离为λ/2π内的区域，在此区域内的通信被称为磁场通信。
不像现有的无线电频率识别(RFID)技术和泛在传感器网络(USN)技术，这种磁场通信技术使得能够在水面、地面和金属附近进行无线通信，并且这种磁场通信技术是能够克服现有无线通信技术的限制的核心技术。
因此，申请人在研究磁场通信的技术标准的过程中完成了本发明，以期望通过与磁场通信技术知识产权相关的国家和/或国际标准来增强国家竞争力并预先占领国际市场。
发明内容
技术问题
因此，为解决现有技术中的上述技术问题，本发明的一个目的在于提供一种用于磁场通信网络的无线通信方法和协调器的解调设备，其使得可以检测多个传感器节点。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于磁场通信网络的无线通信方法，该无线通信方法由磁场通信网络中的协调器执行，该无线通信方法包括：(a)向每个传感器节点发送用于请求响应的请求信号；(b)选择从传感器节点接收的任意一个响应信号；(c)向对应于步骤(b)中选择的响应信号的传感器节点发送确认信号；(d)选择从未在步骤(c)中接收到确认信号的传感器节点再次发送的任意一个响应信号；及(e)向对应于在步骤(d)中选择的响应信号的传感器节点发送确认信号。
优选地，步骤(b)包括：将从对应的传感器节点接收到的响应信号与时钟信号混合；对混合后的结果信号进行积分；将当前积分值与在结果信号的每个1/2数据符号周期中的当前积分值之前的积分值相比较，其中，当前积分值是积分步骤中的积分结果；及基于比较结果确定输出数据。
此外，优选地，步骤(a)在数据传输/接收期的请求期期间进行，数据传输/接收期包括：协调器可以向每个传感器节点发送信号的请求期、传感器节点可以向协调器或另一传感器节点发送信号的响应期以及表示数据传输/接收期结束的停滞期。
此外，优选地，步骤(c)和(e)在响应期期间进行。
此外，本发明提供了一种用于磁场通信网络的无线通信方法，该无线通信方法由磁场通信网络中的至少一个传感器节点执行，该无线通信方法包括：(a)接收请求信号，该请求信号由协调器发送且用于请求响应；(b)接收到请求信号时，向协调器发送响应信号；及(c)当未从协调器接收到确认信号时，再次发送响应信号。此外，优选地，步骤(b)和(c)在响应期期间进行。
此外，传感器节点可以在停滞期期间向/从协调器发送/接收数据。
此外，本发明提供了一种用于磁场通信网络的协调器的解调设备，包括：时钟生成单元，用于生成时钟信号；混波单元，用于将从传感器节点接收的节点信号与时钟信号混合混波；积分单元，用于对混合后的结果信号进行积分；及数据运算单元，用于将作为积分结果的当前积分值与在结果信号的每个1/2数据符号周期中的当前积分值之前的积分值相比较，并基于比较结果确定输出数据。
有益效果
根据本发明，利用磁场的特性和协调器的解调方法，当多个节点同时响应协调器时，协调器能够检测多个信号。因此，利用磁场通信网络，可在恶劣环境下实现可靠通信，而不用担心多个节点之间的信号冲突。此外，由于协调器进行节点数据的选择性接收，其能够在短时间内有效地从多个节点接收数据。
附图说明
图1是示出了电磁波的生成原理的视图；
图2是示出了根据本发明的实施方式的磁场通信网络的结构的视图；
图3是示出了根据本发明的实施方式的数据传输/接收期的结构的视图；
图4是示出了根据本发明的帧的结构的视图；
图5是流程图，示出了根据本发明的实施方式的用于磁场通信网络的无线通信方法；
图6是流程图，示出了根据本发明的另一实施方式的用于磁场通信网络的无线通信方法；
图7是根据本发明的传感器节点的状态图；
图8是根据本发明的协调器的状态图；
图9是示出了根据本发明的实施方式的用于磁场通信网络的协调器的解调设备的框图；
图10是示出了根据本发明的另一实施方式的用于磁场通信网络的协调器的解调设备的示图；
图11和12是示出了根据本发明的又一实施方式的用于磁场通信网络的协调器的解调设备的示图；
图13是示出了当节点A、B和C同时响应时得到的响应信号的载波信号的图表；
图14是示出了接收I1信号的第一积分器的积分值的图表；
图15是示出了FM0编码信号的基本函数的图表；
图16是FM0编码信号的状态图；
图17是示意性地示出了根据本发明的实施方式的积分器和状态机的信号的视图；及
图18是示出了根据本发明的实施方式的解调方法的流程图。
具体实施方式
下文将结合根据本发明的优选实施方式的附图详细描述用于磁场通信网络的无线通信方法和协调器的解调设备。
图2是示出了根据本发明的实施方式的磁场区域网络(MFAN)的结构的视图。
在图2中，协调器(MFAN协调器(MFAN-C))10与距协调器10距离d(λ/2π)的传感器节点(MFAN节点(MFAN-Ns))通信并管理数据传输/接收期，距协调器10距离d(λ/2π)的传感器节点也就是位于磁场区域内的传感器节点(MFAN-Ns)。此外，传感器节点20之间的通信也是可能的。此外，尽管参与磁场通信网络的设备基于其功能被分成协调器(下文中称为引导者)和传感器节点，但每个设备可既作为引导者又作为传感器节点。
如图2所示，当协调器发送响应请求包时，每个传感器节点发送响应包，并且接收响应包的协调器立即发送确认包。此外，当协调器发送数据响应请求包时，相应的传感器节点向目标节点发送数据响应包，并且接收数据响应包的目标节点立即发送确认包。此外，在紧急情况(例如，探测到滑坡时)下，传感器节点能够在没有协调器的响应请求包的情况下先发送数据包。此处，接收该数据包的协调器(或传感器节点)发送确认包。
图3是示出了根据本发明的数据传输/接收期的结构的视图。
如图3所示，根据本发明的数据传输/接收期包括请求期、响应期和停滞期。请求期是协调器发送响应请求包的期间。响应期每个传感器节点能够响应于协调器的响应请求而发送响应包的期间，响应期可基于网络中包含的传感器节点的数量分为若干时段。此处，每个时段的长度根据响应包的长度和确认包的长度而有所不同。此外，停滞期是表示数据传输/接收期间结束的期间。一般而言，在停滞期时，所有的传感器节点均不发送数据。例外地是，当在停滞期发生紧急情况时，数据包可被发送到协调器(或另一传感器节点)。此外，停滞期直到协调器发送请求包时才结束。
图4是示出了根据本发明的帧的结构的视图。
如图4所示，根据本发明的帧的结构包括唯一的磁场区域网络识别(MFAN ID)域、帧控制域、指示源节点ID(数据发送到该源节点)的域、指示目的节点ID(数据在目的节点被接收)的域、包编号(序列号)域、有效载荷域、以及错误检验域(帧检验序列(FCS))。
此处，帧控制域包括帧类型、确认方法、第一分段包显示、末尾分段包显示和协议版本。
图5是流程图，示出了根据本发明的实施方式的用于磁场通信网络的无线通信方法。
首先，当引导者10在请求期发送联合响应包以检查包含在磁场区域网络中的传感器节点或为磁场区域网络中的传感器节点分配节点ID时，相应磁场区域网络中的所有传感器节点向引导者10发送响应包。
其后，引导者10选择从传感器节点接收的响应包中的任意一个，并向对应于选择的响应包的传感器节点20b发送确认包。此处，确认包可包括关于对应传感器节点的ID信息。此外，优选地，确认包在响应期间被发送。
同时，尽管接收确认包的传感器节点不再发送响应包，但其他传感器节点重新发送响应包。也就是说，即使传感器节点发送过响应包，如果该传感器节点在传感器节点发送响应包之后的预定时间内没有接收到确认包，则该传感器节点重新发送响应包。
因此，引导者10选择重新发送的响应包中的任意一个，并向对应于选择的响应包的传感器节点20a发送确认包。优选地，确认包在响应期间被发送。
基于根据本发明的实施方式的无线通信方法，磁场区域网络中的所有传感器节点可完全访问引导者10。
图6是流程图，示出了根据本发明的另一实施方式的用于磁场通信网络的无线通信方法。
在上述的访问过程完成之后，如果引导者10发送请求感知数据的数据请求包，则相应的磁场区域网络中的所有传感器节点向引导者10发送响应包(每个响应包包括感知数据)。
然后，引导者10选择从传感器节点接收的响应包中的任意一个，并向对应于选择的响应包的传感器节点20b发送确认包。此处，优选地，确认包在响应期间被发送。
同时，尽管接收确认包的传感器节点不再发送响应包，但其他传感器节点重新发送响应包。然后，引导者10再次选择发送的响应包中的任意一个，并向对应于选择的响应包的传感器节点20a发送确认包。此处，优选地，确认包在响应期间被发送。
根据本发明的无线通信方法，引导者10可从磁场区域网络中的所有传感器节点接收数据。
图7是根据本发明的传感器节点的状态图。
如图7所示，利用引导者10发送的RF信号(载波信号)打开根据本发明的传感器节点。当在这种开机状态接收到请求包时，接收到的请求包被分析。如果分析之后，其群组ID或节点ID与请求包中的群组ID或节点ID不匹配，则关闭电源。如果其群组ID或节点ID与请求包中的群组ID或节点ID匹配，则生成响应包，并且随后响应包被发送至引导者10。如果传感器节点在发送后的等待状态从引导者10接收到与其相关的确认包，则关闭电源。如果传感器节点接收到与另一传感器节点相关的确认包，则传感器节点再次生成响应包并发送生成的响应包。如果传感器节点在等待状态的预定时间内没有接收到确认包，则电源自然地关闭。此外，如果在等待状态接收到请求包，则状态变为包分析状态，并且响应期再次开始。
同时，当发生紧急情况时，连接到传感器节点的系统生成中断，电源打开。如果从此处的系统接收到数据，则传感器节点生成数据包并且随后将生成的数据包发送给引导者10或其他传感器节点。
图8是根据本发明的协调器的状态图。
如图8所示，根据本发明的引导者10在停滞期从主机(未示出)接收命令，该命令提供应当发送请求包的通知。根据这种发送命令，引导者向传感器节点发送请求包。随后，当从传感器节点接收到响应包时，引导者分析接收到的响应包并且然后将确认包发送给传感器节点。然后，如果没有传感器节点发送响应包，状态变为停滞期状态。同时，当在包分析状态发送引导者10请求的包时，超帧重新开始。
下面参照图9至图18详细描述根据本发明的协调器选择多个响应包的任意一个的方法。
图9是示出了根据本发明的实施方式的用于磁场通信网络的协调器的解调设备的框图，而图10是示出了根据本发明的另一实施方式的用于磁场通信网络的协调器的解调设备的示图。
如图9所示，根据本发明一种实施方式的解调器设备包括混波器110，时钟发生器210，积分器310，以及数据运算单元410。
同时，如图10所示，根据本发明的另一实施方式的解调设备包括第一混波器110和第二混波器120，时钟发生器210，第一积分器310和第二积分器320，第一数据运算单元410和第二数据运算单元420。
时钟发生器210产生CW信号(时钟信号)。
混波器110和120的每一个从节点接受CW信号和RF信号(例如，ASK信号)，对它们进行混合，并且然后输出结果信号。在此，输入第一混波器110的CW信号与输入第二混波器120的CW信号之间的相差为90°。即，CW信号(在此，之后将其称为CW-1信号)直接输入到第一混波器110，而通过90°相移器其相位被偏移的CW信号(在此，之后将其称为CW-2信号)输入到第二混波器120。在此，要输入混波器110和120中每一个的RF信号的比特数据为使用FM0方式或者米勒(miller)方式的编码信号。
积分器310和320中的每一个对结果信号进行积分，混合得到结果信号由相应的混波器完成。在此，使用每个积分器获得的积分值被接收自节点并在相应信号和输入参考信号之间具有最低相差的RF信号影响得最多。积分器310和320中的每一个的积分每1/2数据符号周期执行一次。
数据运算单元410和420储存使用积分器310和320中的每一个在其上执行积分的信号，对在每个预定符号周期中通过积分获得的信号值的变化进行运算，并且然后判别输出信号。数据运算单元包括控制器411，符号边缘检测器418，第一缓冲器412，第一比较器413，第二缓冲器414，第三缓冲器415，第二比较器416以及数据判别器417。
符号边缘检测器418对1/2数据符号周期进行检测。
积分器310的积分值在每1/2数据符号周期中被储存于第一缓冲器412，并且缓冲器412、缓冲器414和缓冲器415中的每一个在每1/2符号周期中对数据进行储存。
第一比较器413在每1/2符号周期中对储存于第一缓冲器412中得积分值和当前积分器310的积分值进行比较，并且然后输出标志值。
第二比较器416在每1个符号周期中对储存于第三缓冲器415中的第一比较器的结果标志值(即，第一比较器的结果标志值，其在一个符号周期之前已输出)和当前第一比较器413的结果标志值进行比较。
控制器411执行控制以便积分器310，比较器414和415，以及缓冲器413、415和416在使用符号边缘检测器48检测得的每1/2数据符号周期之内运转。并且，控制器411包括用于确定第一比较器413和第二比较器416的数据比较时间点的状态机(未示出)。
数据判别器417基于使用第二比较器416获得的比较结果判别数据。例如，当比特数据是在其上执行FM0编码的RF信号时，如果两个值(当前第一比较器的结果标志值以及第一比较器的结果标志值，在一个符号周期之前便已获得)相同，数据判别器417输出“0”，否则，如果基于使用第二比较器416获得的比较结果，两个值互不相同，则数据判别器417输出“1”。
当比特数据是在其上执行米勒(miller)编码的RF信号时，如果两个值(当前第一比较器的结果标志值以及第一比较器的结果标志值，在一个符号周期之前便已获得)相同，数据判别器417输出“1”，否则，如果基于使用第二比较器416获得的比较结果，两个值互不相同，则数据判别器417输出“0”。
图11和12是分别示出了根据本发明的又一实施方式的解调设备的示图，并且分别根据本发明的又一实施方式的解调设备的每一个可还包括AD转换器(ADC)。
下面将会参考图13至17详细描述根据本发明的解调设备的实施方式。
图13是示出了当节点A、B和C同时响应时得到的各个响应信号的载波信号的图表。在此，各个节点A、B和C的响应信号是在其上执行FM0编码和ASK调制的信号。
如图13所示，节点A的载波信号(节点A)的相位和使用时钟发生器210产生的CW-1信号的相位相同，节点B的载波信号(节点B)和在其上使用移相器220相位被翻转90°的CW-2信号相同，并且节点C的载波信号(节点C)是其相对于CW-1的相差小于相对于CW-2的相差的信号。并且，三个节点的载波信号的振幅相同。在这种情况下，输入第一积分器310的信号I1是以下方程1表示的信号，而输入第二积分器320的信号I2是以下方程2表示的信号：
I1＝(NodeA+NodeC)sCW1                    (1)
I2＝(NodeB+NodeC)sCW2                    (2)
图14是示出了使用接收信号I1的第一积分器获得的积分值的图表。
如图14所示，由于节点C的信号(节点C)与CW-1之间的相差大于节点A的信号(节点A)与CW-1之间的相差，所以信号(节点C*CW-1)的积分值小于信号(节点A*CW-1)的积分值。
图15是示出了FM0编码信号的基本函数的图表，而图16是FM0编码信号的状态图。
如图15所示，FM0编码信号的信号电平在整个符号的起始处发生变化。而且，当数据为“0”时，其信号电平在符号中部再次发生变化。
至于信号的这种特征，本发明在每1/2符号周期中对积分值中的增加/减少结果进行比较。
图17是示意性地示出了根据本发明的实施方式的积分器和状态机的信号的视图。
在下面的实施方式中，节点A发送数据“0010”，而节点C发送数据“1000”。并且，为了便于说明，将会基于100％ASK调制和16N载波(对于一个符号的载波数量)描述实施方式。然而，根据本发明的ASK调制的指数和N载波的值不限于此。
如图17所示，当输入节点A和节点C的信号时，控制器411的状态机(未示出)的值每隔一个符号翻转一次。
当状态机的值为0时，第一比较器413对积分器310的当前积分值和储存于第一缓冲器412中的积分值进行比较并储存结果标志。在第一符号处，当前积分值更大，‘+’被存储于第二缓冲器414中。
随后，当状态机的值为0时，第一比较器413对积分器310的当前积分值和储存于第一缓冲器412中的积分值进行比较。作为比较的结果，标志值为“+”值并且该“+”值储存于第二缓冲器414中。每当状态机的值变化时，即每1/2符号，储存于第二缓冲器414中的值被发送至第三缓冲器415。
第二比较器416对第一个比较器414的当前标志值和第一比较器414的标志值进行比较，第一比较器414的标志值(该值当前储存在第三缓冲器415中)在一个符号之前已经被储存。作为比较的结果，因为两个值相同，所以数据判别器417使用“0”执行译码。
在重复这些步骤之后，当状态机的值再次为“0”时，第二比较器416对两个值进行比较。因为当前标志值为“-”并且一个符号之前获取的标志值为“+”，所以，尽管两个标志值互不相同，仍然用“1”执行译码。
在上述步骤重复的时候，第一数据运算单元410对节点A的信号进行译码。
如上所述，在本发明中，以这种方式执行译码以对符号边缘处的积分值的增加/减少进行比较，以便选出最大的信号以及甚至是在若干节点同时响应以及信号发生重叠时对最大的信号进行译码。
而且，与上述程序中的情形相同，使用第二积分器320和第二数据运算单元420对节点B的信号进行译码。因此，甚至是在同时接收到两个节点信号的时候，仍然可以将其相互区分开来并且可以对其进行译码。
图18是示出了根据本发明的实施方式的解调方法的流程图。
如图18所示，根据本发明的解调方法包括混波，积分和数据运算步骤。
混波器接收CW信号和RF信号并且然后混合这两个信号。
积分器310对使用混波器在其上执行混合的结果信号进行积分。
第一比较器413对在当前积分步骤获得的积分值和在步骤S802中每1/2符号周期中前一个积分步骤中获得的积分值进行比较，并在步骤S803中判别和储存标志值。
第二比较器416对第一比较器的当前标志值和第一比较器的标志值进行比较，第一比较器的标志值在步骤S804中一个符号周期之前便已得到。
基于使用第二比较器416执行的第二比较步骤获得的比较结果，如果步骤S806中两个值相同，数据判别器417将输出数据设置为“0”，或者，如果步骤S807中两个值互不相同，数据判别器417将输出数据设置为“1”。
上述程序在每1/2符号周期后执行，该1/2符号周期在步骤S801中使用符号边缘检测器418检测得到，并且程序在步骤S808中一直执行到输入信号结束为止。
在每个预定的符号周期中，包括以下步骤：在其中当前积分步骤的积分值与积分值(该积分值在前一个积分步骤中便已获得)进行比较的比较步骤，以及其中基于比较结果对输出数据进行判别的数据判别步骤。比较步骤和数据判别步骤在符号边缘检测步骤中检测得到的每个1/2符号周期中执行。
根据本发明的磁场通信网络的无线通信方法和协调器的解调设备不限于上述实施方式，并且在本发明的技术精神范围内可以进行修改并以不同方式实施。

Claims (8)

1.一种用于磁场通信网络的无线通信方法，该无线通信方法由磁场通信网络中的协调器执行，该无线通信方法包括：
(a)向每个传感器节点发送用于请求响应的请求信号；
(b)选择从接收到请求信号并同时发出响应信号的多个传感器节点接收的任意一个响应信号；
(c)向对应于步骤(b)中选择的响应信号的一个传感器节点立即发送与所述一个传感器节点相关的确认信号；
(d)选择从未在步骤(c)中接收到与自身相关的确认信号的其他传感器节点重新发送的响应信号中的任意一个响应信号，其中所述其他传感器节点在接收到与所述一个传感器节点相关的所述确认信号时再次生成响应信号并发送生成的响应信号；及
(e)向对应于在步骤(d)中选择的响应信号的传感器节点发送确认信号。
2.如权利要求1的无线通信方法，其中，步骤(b)包括：
将从对应的传感器节点接收到的响应信号与时钟信号混合；
对混合后的结果信号进行积分；
将当前积分值与在结果信号的每个1/2数据符号周期中的当前积分值之前的积分值相比较，其中，当前积分值是积分步骤中的积分结果；及
基于比较结果确定输出数据。
3.如权利要求2的无线通信方法，其中，步骤(a)在数据传输/接收期的请求期期间进行，数据传输/接收期包括：协调器向每个传感器节点发送信号的请求期、传感器节点向协调器或另一传感器节点发送信号的响应期以及表示数据传输/接收期结束的停滞期。
4.如权利要求3的无线通信方法，其中，步骤(c)和(e)在响应期期间进行。
5.如权利要求3的无线通信方法，其中，确认信号包括关于对应的传感器节点的识别的信息。
6.一种用于磁场通信网络的无线通信方法，该无线通信方法由磁场通信网络中的多个传感器节点执行，该无线通信方法包括：
(a)接收请求信号，该请求信号由协调器发送给传感器节点的每一个且用于请求响应；
(b)接收到请求信号时，多个传感器节点立即同时向协调器发送响应信号；及
(c)所述多个传感器节点中的一个传感器节点从协调器接收到与自身相关的确认信号，并且未从协调器接收到与自身相关的确认信号的其他传感器节点重新发送响应信号，其中所述其他传感器节点在接收到与所述一个传感器节点相关的确认信号时再次生成响应信号并发送生成的响应信号；
其中，步骤(b)和(c)在数据传输/接收期的响应期期间进行，数据传输/接收期包括：协调器向传感器节点发送信号的请求期、每个传感器节点向协调器或另一传感器节点发送信号的响应期以及表示数据传输/接收期结束的停滞期。
7.如权利要求6的无线通信方法，其中，传感器节点在停滞期期间向/从协调器发送/接收数据。
8.一种使用权利要求2限定的无线通信方法以用于磁场通信网络的协调器的解调设备，包括：
时钟生成单元，用于生成时钟信号；
混波单元，用于将从传感器节点接收的节点信号与时钟信号混合；
积分单元，用于对混合后的结果信号进行积分；及
数据运算单元，用于将作为积分的结果的当前积分值与在产生的信号的每个1/2数据符号周期中的当前积分值之前的积分值相比较，并基于比较结果确定输出数据。
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