CN102577574A - 用于在无线网络中发送数据的方法及其无线网络 - Google Patents

Abstract

用于在无线网络中从资源受限的发射机发送数据给接收机的方法，包括以下步骤：资源受限的发射机（21a,21b,21c）发送信道请求消息给接收机；响应于该请求，接收机（22）基于感测步骤的结果来确定通信信道可用性，并广播信道信息；资源受限的发射机（21a,21b,21c）侦听该信息，并在相应信道上发送数据，其中由接收机在从发射机接收到信道请求之前或之后执行感测步骤。本发明也涉及无线网络。

Description

用于在无线网络中发送数据的方法及其无线网络

技术领域

本发明涉及用于在无线网络中发送数据的方法。更确切地，本发明涉及用于在这样的网络中在资源受限的发射机与接收机之间建立通信链路的方法。

例如，本发明涉及人体传感器网络或个域网（personal area network）。

背景技术

无线传感器网络正越来越多地被用来在如同保健监护、楼宇自动化与照明或无线连接与控制的领域中实现应用。与无线应用和服务的爆炸式增长相并行，这已导致用于分配的可用的许可（licensed）频谱的稀缺。为了解决改善无线电频谱的利用的需求，正在考虑如同二次频谱（secondary spectrum）共享之类的更灵活的频谱共享模型。因此，下一代无线网络的增长部分将或许在辅助基础上操作在许可频谱上。这样的操作指的是其中二次系统被允许操作在已分配给许可系统（也被称为主系统）的相同的无线电频谱上的情形。二次系统被限制于操作在其传输不会导致对主系统造成的有害干扰超越某指定限制的条件下。这个要求能够利用频谱感测来满足，其中频谱感测涉及信道在它能够被二次系统使用之前是空闲的确定。

在个域网或在人体传感器网络中包括的在辅助基础上操作在许可频谱上的设备需要执行感测特性的操作协议。

人体传感器网络包括许多传感器节点，其用于测量生理参数并用于将这些生理参数发送到传感器集线器（hub）或网关。这样的网络的拓扑结构通常是非对称的，这是因为要求传感器节点是高效节能的，而传感器集线器或网关由于更大的硬件和软件能力而可能是更复杂的。此外，在这些网络中，数据流大部分是从传感器节点至集线器或网关的。

已提议了若干感测协议，其中如果将在辅助基础上在一对发射机-接收机之间建立通信链路，那么发射机首先执行感测来确定是否许可系统信号在该信道上是激活的。如果发现该信道是空闲的，那么发射机能够开始与接收机通信。在这些协议中接收机对于感测没有作用，因而这些协议可以被称为以发射机为中心。已注意到：如果这样的协议在一些无线网络中是高效的，就人体传感器网络而论，这些协议似乎是有问题的。

实际上，在人体传感器网络中，需要发送信息给传感器集线器或网关的传感器节点相对于其资源容量而言必须具有长寿命，这是因为这些节点通常被用来放置在人体上，并因而不能实现大容量电池，而且也不能以接线方式被供电。因此，如在以发射机为中心的网络中所需要的使得每一个传感器节点执行周期性感测对于传感器节点而言是高耗能的，并且需要频繁更换或加载这些节点，而这与人体传感器网络的正确操作几乎是不相容的。

此外，在被提议用于医疗机构区域网络的2.36-2.4GHz频段中实现二次频谱访问的解决方案的上下文中，能够注意到：利用合适的协议修改，可以重复使用基于IEEE 802.15.4 Physical（物理）/MAC层的无线电设备。在当前的标准规范中，采用零星信道评估，而不是持续地感测媒介。一旦找到空信道，则在那个信道上设置网络。不同的无线电设备通过载波侦听多路访问协议或其变体来争用那个信道。这样的机制适合于无牌（unlicensed）频谱的共存。然而，如果用于二次频谱访问，由于对于许可系统的干扰避免的监管约束，所以这种机制是有问题的。本发明的目的是使用所提议的协议作为MAC修改，以便与802.15.4 PHY相结合，可以使用无线电设备来满足二次频谱使用的监管约束。

发明内容

本发明的目的是提议一种用于在资源受限的发射机与接收机之间建立通信链路的方法，其克服上述的主要缺陷。

本发明的另一目的是提议一种适合于与低功率人体传感器节点一起使用的方法。

本发明的还一目的是提议一种能够被用作MAC修改的方法，以便与802.15.4 PHY相结合，可以使用无线电设备来满足二次频谱使用的监管约束。

本发明的另一方面涉及一种能够执行根据本发明的方法的无线网络，其包括至少一个资源受限的发射机和一个接收机。

由此，本发明提议一种以接收机为中心的协议，其中能够正确操作网络，而不需要资源受限的发射机在感测和确定对于通信的信道可用性中起任何作用。

因此，本发明提议一种用于在无线网络中从资源受限的发射机发送数据给接收机的方法，包括以下步骤：

资源受限的发射机发送信道请求消息给接收机，

响应于该请求，接收机基于感测步骤的结果来确定通信信道可用性，并广播信道信息，

资源受限的发射机侦听（listen to）该信息，并在相应信道上发送数据，

其中由接收机在从发射机接收到信道请求之前或之后执行感测步骤。

例如，无线网络是健康监测网络，而资源受限的发射机是人体传感器节点，其任务是监测患者生命体征并将这个数据发送给接收机，其中接收机是传感器集线器或网关。

人体传感器节点的特征在于：它们在功率和存储器方面提供有限资源。本发明不限于其中网络只包括一个节点的情形，而适合于任何数量的节点。

对于根据本发明的方法，提议若干实施例。稍后将结合附图更详细描述这些实施例。

在第一实施例中，感测网络的步骤由接收机在预定感测时隙期间周期性地执行。

在这个实施例中，在一种特定配置中，在感测时隙之后在短延迟期满之前执行发送信道请求的步骤。在还一种特定配置中，该方法包括以下步骤：如果在短延迟期满时没有信道请求被接收到，则接收机进入节能模式，直至下一个感测时隙。这两个特征使之有可能在提供特定时隙中减少接收机所耗费的能源量，其中在特定时隙中假定该接收机正在接收来自发射机的信道请求。除了这些时隙之外，接收机不应该接收任何消息，并且随后能够停止侦听通信信道，从而节约能源。

在本发明的第二实施例中，一旦从资源受限的发射机接收到信道请求，就执行感测网络的步骤。因为只在必要时才执行感测动作，所以这个实施例具有减少能源消费的优点。然而，由于在必须发送数据时已执行感测步骤，所以第一实施例在其中发射机定期发送数据的情况下是非常有利的，这是因为它允许节省时间。

为了在这个第二实施例中进一步节约能源，在一种特定配置中，在接收机已知的定期预分配时隙之一期间执行发送信道请求的步骤，这意味着：接收机仅在特定时隙期间才不得不侦听，而在没有接收到请求的情况下能够在预分配时隙之后进入节能模式，直至下一个预分配时隙。

在所有的实施例中，通过考虑资源受限的发射机以及网络中的其他设备的传输特性，执行由接收机进行的信道可用性的确定。

本发明的这些和其他方面从以下描述的实施例中将是显然的，并且本发明的这些和其他方面将参考以下描述的实施例来阐述。

附图说明

现在将参考附图、通过示例来更详细描述本发明，其中：

图1显示其中执行根据本发明的方法的无线网络，

图2是根据本发明的方法的第一实施例的时序图，

图3是根据本发明的方法的第二实施例的时序图。

具体实施方式

本发明涉及用于在无线网络中从资源受限的发射机发送数据给接收机的方法。在目前的说明书中，我们考虑图1所示的在患者监测应用中典型的无线传感器网络拓扑结构。许多人体传感器节点（21a，21b，21c）监测患者生命体征，并将测量到的信息经由短距离无线链路传送到传感器集线器/网关22。传感器集线器22随后将收集到的结果发送给处理单元23。

与上述的资源受限的发射机相对应的人体传感器节点在功率和存储器方面具有有限能力。实际上，这样的传感器通常是用来被无线放置在人体上的小型设备，并因而它们必须是电源独立的，而且必须具有小尺寸。

在现有网络中，在传感器节点与传感器集线器之间的通信通过使用符合IEEE 802.15.4的协议来执行。然而，本发明的目的是提议将例如在2.36-2.4GHz中在二次频谱基础上执行的感测协议。

在传感器集线器22与远程处理单元23之间的通信经由无线链路、例如经由遥测链路或WLAN来执行。

我们现在将描述根据本发明的方法的两个具体实施例。这些实施例将参考图2和3的时序图来描述。

在图2所示的第一实施例中，传感器集线器在预定的“感测”时隙期间定期地对邻近地区执行感测，以便确定可能可用于网络的人体传感器节点与接收机之间的通信的信道。人体传感器节点具有监测患者生命体征以及定期或在注意到需要立即发出警报的患者病情的一些异常时发送这个数据的任务。然后，当需要发送数据到传感器集线器（事件“触发（Trigger）”）时，将信道请求（Channel Request）（Ch_Req）信标发送到传感器集线器。这种传输可以采用时分多址方式在预分配给该传感器节点的时隙4中完成。

人体传感器节点知道何时感测时隙被安排（schedule），并随后仅在感测时隙之后立即发送Ch_Req。在传感器集线器一侧，感测时隙的后面跟随着时隙1，在该时隙中利用人体传感器节点来接收可能的Ch_Req信标。如果其实由传感器集线器在时隙1期间接收到Ch_Req，那么在时隙2期间以Ch_Alloc信标的形式广播有可能包括用于传输的时间资源的针对请求传感器节点的可用信道信息分配。由传感器集线器确定信道可用性可以考虑主系统即操作在同一地区中的许可设备以及诸如人体传感器节点之类的其他的无牌设备的传输特性。

由传感器节点在时隙5期间侦听Ch_Alloc信标。一旦接收到这个信息，传感器节点使用与用于传感器集线器的侦听时隙3相对应的所分配的资源块6来发送其数据。

如果在时隙1期间没有Ch_Req被接收，则传感器集线器可以进入静音节能模式，直至下一个感测时隙。

在一个有利实施例中，利用周期性来安排这些感测时隙，以便满足人体传感器节点传输的QoS延迟要求。利用这样的周期性进行感测也意味着：即使没有Ch_Req，传感器集线器也执行感测。这在传感器节点很少被触发的情况下在传感器集线器上可能导致不必要的能耗。

为了提供适合于这种特殊情况的方法，提议根据本发明的方法的第二实施例。这个第二实施例将结合图3所示的时序图来描述。

在这个第二实施例中，传感器集线器并不定期执行感测。于是，当人体传感器节点需要发送数据（该图中的事件“触发”）时，从人体传感器节点向传感器集线器发送信道请求（Ch_Req）。在预分配给该传感器节点的时隙14中执行这种传输。这个预分配时隙14与时隙11相对应，其中在时隙11期间传感器集线器进入接收模式。该接收机即传感器集线器通过执行感测（“反应性感测”）以确定信道可用性来对Ch_Req作出反应。如同在第一实施例中一样，信道可用性的确定可以考虑主系统以及在附近的其他人体传感器网络的传输特性。在执行了感测步骤之后，传感器集线器广播Ch_Alloc信标，其包括针对请求传感器节点的可用信道信息分配。这种广播在紧跟在“反应性感测”时隙之后的时隙12期间完成。该传感器节点在时隙15侦听Ch_Alloc信标。一旦接收到该信标，传感器节点借助于所分配的资源块16来发送其数据。

如果没有Ch_Req在时隙11期间被传感器集线器接收到，那么传感器集线器进入静音节能模式，直至下一个时隙11，其中它必须侦听将由人体传感器节点发送的可能的Ch_Req信标。在一个特定实施例中，利用周期性来安排时隙11，其中在时隙11中可以从人体传感器节点接收可能的Ch_Req，以便满足人体传感器节点传输的QoS延迟要求。

这里描述的第二实施例具有的优点是：传感器集线器不需要如在感测协议中所要求的那样周期性地执行感测，而仅在需要时才执行感测，从而节省资源。然而，第一实施例的协议在其中传感器节点定期发送数据的配置中是非常有利的。

与现有技术方法相比，两个实施例呈现共同的优势，即感测动作由传感器集线器而不是由传感器节点来执行。这使之有可能节省传感器节点的资源，而传感器节点不必为这个动作浪费电力。

本发明更特别地专用于健康监测设备，但也适合于各种无线传感器网络，其包括人体传感器网络和个域网。特别地，所提议的感测协议可以应用于在辅助基础上为使用例如802.15.4无线电设备以操作在诸如2.36-2.4GHz之类的新的医疗频段上的人体传感器网络实现无线连接性，并将在下一代无线患者监测系统中找到应用。

在目前的说明书和权利要求书中，在元素前面的“一”或“一个”并不排除多个这样的元素的存在。进一步，词“包括”并不排除除了所列举的元素或步骤之外的其他元素或步骤的存在。

在权利要求书中在括号中包括参考符号旨在帮助理解，而不是用来限制。通过阅读本公开内容，对于本领域技术人员，其他的修改将是显然的。这样的修改可以涉及其他的特征，而这些其他的特征是无线电通信的领域和无线网络的领域中已知的并可以用于替换或补充在这里已经描述的特征。

Claims (10)

1.一种用于在无线网络中从资源受限的发射机发送数据到接收机的方法，包括以下步骤：

资源受限的发射机（21a, 21b, 21c）发送信道请求消息给接收机，

响应于请求，接收机（22）基于感测步骤的结果来确定通信信道可用性，并广播信道信息，

资源受限的发射机（21a, 21b, 21c）侦听信息，并在相应信道上发送数据，

其中由接收机在从发射机接收信道请求（4, 14）之前或之后执行感测步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其中资源受限的发射机（21a, 21b, 21c）是低功率传感器节点。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中由接收机在预定感测时隙期间周期性地执行感测网络的步骤（“感测”）。

4.如权利要求3所述的方法，其中在感测时隙之后在短延迟（1）期满之前执行（4）发送信道请求的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括以下步骤：如果没有信道请求在短延迟（1）期满时被接收到，接收机进入节能模式，直至下一个感测时隙（“感测”）。

6.如权利要求1或2所述的方法，一旦从资源受限的发射机接收到信道请求（Ch_Req），就执行感测（“反应性感测”）网络的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其中在接收机已知的定期预分配时隙（11）之一期间执行发送信道请求的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：如果没有请求被接收到，在预分配时隙之后，接收机进入节能模式，直至下一个预分配时隙。

9.如前述权利要求之中任何一项权利要求所述的方法，其中信道可用性的确定通过考虑资源受限的发射机和网络中的其他设备的传输特性来执行。

10.一种无线网络，包括：

资源受限的发射机（21a, 21b, 21c），其包括用于测量和发送数据给接收机的装置以及用于在必须发送数据时发送信道请求给接收机的装置；和

接收机（22），其包括用于通过感测来确定信道可用性的装置以及用于在接收到信道请求时发送信道信息给资源受限的发射机的装置。

Images