CN105657719A

CN105657719A - 传感器网关

Info

Publication number: CN105657719A
Application number: CN201510876102.4A
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·阿麦兰·劳尔·伊曼纽尔; 佩曼·阿米尼
Original assignee: Netgear Inc
Current assignee: Netgear Inc
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2016-06-08
Also published as: US20180270274A1; US10257236B2; US20160156673A1; US9998501B2

Abstract

传感器网关管理到传感器的无线通信以及在传感器和到因特网的连接之间的数据的交换。传感器网关处理器运行网络和无线协议栈，自动选择相同的信道作为接入点(AP)，并运行传感器软件以为传感器提供具有低功率、无线支持和深度睡眠支撑。传感器网关选择相同的信道作为家庭AP或网关，通过跟随最强信标，或者如果存在一个以上的强信标时，通过跟随家庭AP服务集标识符(SSID)。如果家庭AP和传感器网关被放置在附近并且在2.4GHz中的不同信道上，在这两个装置之间存在破坏性的干扰。通过在传感器网关上使用与家庭AP或网关相同的信道，这两个装置可以在相同的频带中共存而没有破坏性的干扰。

Description

传感器网关

技术领域

本发明涉及无线传感器。更具体地，本发明涉及传感器网关，其管理到传感器的无线通信以及传感器和到后端的连接之间的数据交换。

背景技术

无线传感器网络提供了收集数据的有效方式，并且也开启了新的传感机会。如果数据可以从传感器网络被有效地检索，无线传感器网络可以更加有用。然而，这样的网络通常工作在Wi-Fi频带并受到干扰。

Wi-Fi干扰是一个常见而且麻烦的问题。缺乏电线使得无线局域网(WLAN)具有如此大的吸引力，也是这个特征使得其它消费者装置能够导致Wi-Fi干扰。因为空气是由所有发射器共享的，由任何装置在与接入点(AP)的无线电设备的相同频率上的传输可以造成干扰。802.11无线网络操作在许多技术所使用的未授权频段上，如微波炉、视频监视摄像机、无绳电话，它们受到干扰。此外，共享相同信道的无线接入点可能互相干扰。干扰的影响是高度依赖于传输的强度和与干扰者的距离。最接近于干扰者并与干扰者在相同信道上的接入点受到的影响大于那些距离较远的。同信道干扰或相邻信道干扰可能是由于将无线电设备设置为具有重叠信道的频带。信道可能不都是被网络正在使用的——邻近的信号也可能导致干扰。

虽然已知各种共存技术用于减轻这种干扰的负面影响(参见于2013年11月25日提交的共同转让的美国专利申请序列号14/089,680，标题为“ChannelSteeringforImplementingCoexistenceofMultipleHomogeneousRadios”(用于实现多个同构无线电设备的共存的信道导引))，运行物理共存总线并不总是可能的。

希望提供提高无线网络带宽、减少无线网络干扰，并减少传感器功耗的技术。

发明内容

本发明的实施方式提供传感器网关，其管理到传感器的通信以及传感器和到后端，例如因特网，的连接之间的数据交换。传感器网关处理器运行网络和无线协议栈，自动选择与家庭接入点(AP)或网关相同的信道，并运行传感器软件以为传感器提供低功率、无线支持和深度睡眠支持。传感器网关通过跟随最强信标，或者如果存在一个以上的强信标时，通过跟随家庭AP服务集标识符(SSID)，选择与家庭AP或网关相同的信道。如果家庭接入点或网关和传感器网关被靠近放置并且在2.4GHz的不同信道上，在这两个装置之间存在破坏性的干扰。通过在传感器网关上使用与家庭AP或网关相同的信道，这两个装置可以在相同的频带中共存而没有破坏性的干扰。

附图说明

图1示出了根据本发明的传感器网关和家庭AP的方框示意图；

图2示出了在2.4G的IEEE20MHz掩模(mask)的曲线图；

图3示出了信道11到信道6的带内干扰的图表；

图4是示出了信道1到信道6的带内干扰的图表；

图5示出了根据本发明的无线传感器网关配置的方框示意图；

图6-9示出了对于家庭AP和/或网关以及传感器网关的不同布置的情形的方框示意图；

图10示出了以计算机系统的示例性形式的机器的方框示意图，其中用于使得机器实行一个或多个在本文中描述的方法的一组指令可以被执行。

具体实施例

本发明的实施方式提供了传感器网关，其管理到传感器的无线通信以及传感器和与后端，例如因特网，的连接之间的数据的交换。图1示出了根据本发明的传感器网关、相关联的传感器19和家庭AP或网关的方框示意图。在图1中，传感器网关10包括2.4GHz的无线电设备12和处理器11，其运行网络和无线协议栈，自动选择与家庭接入点(AP)或网关相同的信道，并运行传感器软件以为传感器提供低功率、无线支持和深度睡眠支持。在图1所述的本发明的实施方式中，以太网电缆13将传感器网关连接到家庭AP14用于其间的传感器数据的交换。

在本发明的一些实施方式中，传感器网关通过电缆被连接到家庭AP。本发明的其它实施方式使用在不同于传感器频带的一频带上的Wi-Fi以连接传感器网关到家庭AP。例如，5GHz频带可被用于连接至家庭AP，并且2.4GHz频带可被用于连接到传感器。在本发明的其他实施方式中，传感器工作在5GHz频带的低部并且到家庭AP的连接存在在5GHz频带的高部，反之亦然。在5GHz频带，共存总线是没有必要的，因为5GHz频带是宽带，可以使用滤波器以避免干扰。

家庭AP通常包括2.4GHz的无线电设备17、处理器16，和以太网交换机18。家庭AP或网关还可以包括额外的无线电设备，如5GHz无线电设备15。虽然在此描述的本发明是结合2.4GHz频带，本领域技术人员将理解，本发明可以在任何频带的情况下实施，并因此，并不限制在2.4GHz频带。

传感器网关通过跟随最强信标，或者如果存在一个以上的强信标时跟随家庭AP或网关服务集标识符(SSID)，选择与家庭AP或网关相同的信道。如果家庭AP或网关和网关传感器被靠近放置并且在2.4GHz频带的不同信道上，在这两个装置之间存在破坏性的干扰。通过在传感器网关上使用与家庭AP或网关相同的信道，这两个装置可以在相同的频带中共存而没有破坏性的干扰。

传感器网关和家庭AP或网关都放置在相同的信道的一个关键原因是，他们可以互相监听。如果传感器网关和家庭AP或网关知道他们是在相同的信道上，他们可以发射回退信号来共享频带。如果他们在不同的信道上，例如一个是在信道6上而一个是在信道11上，那么它们不能监听到彼此。在这样的情况下，它们彼此干扰，因为发射时间没有被安排。然而，如果两者都在信道6上并且一个正在发射，则另一个可以监听到传输并回退。

传感器网关的实施方式还提供功率节省功能。例如，当网关在传感器和外部世界之间交换数据时，与传感器相关的软件在传感器网关上运行。在传感器网关上运行的软件管理在低功率传感器上所需的超功率节省功能，如低功率照相机。一些在传感器网关上被支持的低功率软件功能，在正常的AP上不被支持。例如，传感器网关只转发对传感器节点所必需的数据包并滤去那些不必要的数据包。在本发明的其它实施方式中，传感器网关不需要通常的保持活动(keep-alive)的数据包和其它周期性事务处理，其可能在正常的AP上是需要的，用于保持链路活动，从而在低功率传感器上节省电池电量。

传感器网关还缓冲来自传感器的数据，然后将数据发送到云后端。在本发明的实施方式中，云后端包括任何不同类型的服务器，如亚马逊弹性云计算(EC2)服务。因此，传感器不需要具有所有所需的软件API以直接连接到云后端。相反地，它仅需要将其数据发送到本地传感器网关。这节省了传感器上的功率并且也简化了传感器上的软件。

在本发明的实施方式中，传感器网关控制传感器将数据发送到网关的速率和/或网关发送数据到云后端的速率。如果传感器网关发现在网关中队列正被建立起来，并且它无法发送数据到云后端，因此，清除队列，传感器网关可以发送命令到传感器，并要求它们减慢它们将数据发送到网关的速率。该网关还可以选择丢弃来自一些传感器中的一些不必要的数据。例如，如果传感器是照相机，基于其发现的在网关和云后端之间的因特网管道，传感器网关可以告诉照相机使用哪个压缩参数来发送视频。网关可以改变的参数包括，例如，帧每秒(fps)、图象组(GOP)的大小、目标输出比特速率等等用于H264编解码器和/或用于其他视频编解码器的其他参数。

2.4GHz频带通常是操作的优选频带，因为出于范围和RF功率消耗方面的考虑。一些常见的家庭AP或网关实现并不支持传感器的睡眠要求。在本发明的实施方式中，传感器网关主机软件(守护进程(daemon)等等)从家或办公室内的传感器处接收传感信息，处理该信息，并发送所选择的处理信息到外部世界(云、点对点等等)。在本发明的实施方式中，在传感器网关上的软件与外部世界后端通信和/或包括API实现以与外部世界通信。

具有更适合于在基站上运行，而不适合在低功率传感器上运行的云管理方面，例如建立连接、管理连接参数、软件升级，当因特网连接速度较慢时缓冲，当服务器没有响应时缓冲，等等。此外，对于相对低成本的传感器，管理所有后端连接的软件的存储和处理的占用区过大。在此公开的网关消除了来自传感器的复杂性，并将其放到基站中。本发明的实施方式在现代家庭中提供了中央控制器，即网关，在该现代家庭中有多个传感器和控制器，被称为物联网(IOT)。在这样的设置中，网关处理否则将需要在每个传感器中实现的复杂的事务。

实施本发明还涉及安全和隐私。因为网关管理到云后端的连接，在家庭中存在中心点能够管理哪些数据出去到云后端以及哪些数据不到云后端。该网关还管理哪些控制和命令来自云后端，哪些应该被过滤掉。传感器通常是相对简单的装置，其对于许多物联网(IOT)应用而言不足够安全。

本发明的实施方式提供在网关上的本地存储，以便没有必要将所有的传感器数据存储在云后端。这对于不信任云后端具有他们的数据的用户以及想要将其数据存储在本地的用户而言是有价值。这也可以节省成本，因为云存储通常都有必须每月支付的服务费。在本发明的实施方式中，网关控制本地存储装置。如果没有网关，大多数传感器将不能够将数据直接写入到闪存或其它类型的本地存储器中。

传感器网关的功率节省功能利用了以下事实：传感器相较于正常的站点(STA)较不频繁地唤醒。因为传感器的这个唤醒性状，家庭AP或网关通常与它们失联。然后传感器必须，在唤醒之后，重新加入AP或网关。这使得传感器的电量被不必要地消耗。传感器网关适应传感器的较不频繁的唤醒时间表。因此，在本发明的实施方式中，传感器网关通过增加传感器的超时数值以较不频繁地断开传感器。

该传感器网关还可以减少认证、加密密钥交换和其它安全相关联的机制的所需要的与传感器的数据包交换。这可以通过更长时间地保持一些信息而不是每次传感器断开和重新连接时重新完成所有的步骤来实现。

该传感器网关还可以分配IP地址给传感器并保留该IP地址，使得该传感器不需要在每次断开和重新连接时通过DHCP协议。

在本发明的实施方式中，用于与传感器通信的由传感器网关使用的Wi-Fi协议被修改，以便传感器可以使用较少的能量，从而它们的电池持续更长的时间。在典型的Wi-FiAP中，传感器必须每一秒唤醒一次，并发送保持活动数据包等等，其浪费功率。传感器网关改变该协议。考虑一照相机的电量能够操作六个月。如果没有这些修改，电池将持续不超过一天。

对Wi-Fi协议有若干改变以实现本发明的这一方面。常规的802.11接入点具有间隔，在该间隔中，其预期客户端唤醒并检查AP的任何下行链路流量。如果AP信号到客户端那里是下行链路流量时，客户端从睡眠中唤醒并且发信号到AP以发送流量到客户端。在常规的周期中，客户端被预期以在正常的802.11AP中检查AP，该常规的周期适用于大多数的存在最大延迟要求的应用场合中。客户端检查的信息，该信息用于发现是否其需要唤醒，被称为流量指示地图(TIM)和递送流量指示地图(DTIM)，其每一个都在AP发射的每一个信标中被发射。AP信标通常每100毫秒被发射一次并且低功率客户端必须唤醒以检查四个信标中的一个信标，这意味着传感器必须每400毫秒唤醒一次。

根据本发明布置的传感器中的一些，包括照相机，并不具有对于数据和语音而言是普遍的延迟要求。因此，它们并不需要与手机、笔记本电脑，或其它正常的数据客户端一样经常检查AP。因此，网关不期望这些传感器经常检查任何下行链路流量。因此，客户端可以唤醒，例如，每秒一次，每十秒一次，或更不频繁。

当客户端没有收到其唤醒以接收一个信标或几个信标时，其变为功率节省模式并打开无线电设备，直到其监听到信标。所以，如果正常的AP错过了几个信标，客户端唤醒以接收，直到它发现信标。因为正常AP的信标间隔为100毫秒，客户端可能需要长达100毫秒的时间处于唤醒状态以同步到信标，但100毫秒对于低功率客户端是一段很长的时间。

在本发明的实施方式中，网关发送信标比每100毫秒一个信标更为频繁。在本发明的一些实施方式中，网关每25毫秒发送一信标。通过发送更多的信标，对于停止同步的客户端或由于存在干扰而未接收信标的客户端而言唤醒时间被减少。因此，当客户端唤醒以同步到信标，下一个信标被发射，并且从而被客户端接收，最多为25毫秒，相较于普通AP的100毫秒。

因为所有的AP都以相同的周期发射信标，来自两个AP的信标有机会可以彼此冲突。例如，如果用户的AP和他们邻居的AP同时结束发射信标，信标可能会在客户端上冲突并且客户端可能无法监听任何信标。本发明的实施方式通过使用信标周期不是100ms/X或100ms*X，来处理此问题。例如，如果信标周期在用户的网关上是31毫秒，并且信标与邻居的信标冲突，则下一个信标绝对不冲突。

用于提供如本文所公开的传感器网关的进一步原因是为了缓冲传感器数据并向外发送数据到网络。从而传感器网关缓冲数据用于后端，并且节省传感器否则必须使用的用于发送其数据到后端的功率。

在传感器AP上的信标定时比正常的AP或网关的信标定时更精确。信标以更高的数据速率被发射以使得传感器，例如照相机，唤醒时间更短。在正常AP上的信标以1Mbps在2.4G频带和以6Mbps在5GHz频带被发射。本发明的实施方式将2.4GHz频带的信标数据速率增加至2Mbps，并且因此，信标持续时间是正常的AP的信标持续时间的一半。将信标数据速率增加到更高的速率是可能的。增加信标数据速率的一个副作用是降低了范围，但是具有更高的功率输出的功率放大器补偿了由于使用更高的数据速率所导致的范围损失。信标内容被重新排序使得重要的数据首先来到并且传感器可以更快地进入睡眠状态。在本发明的实施方式中，传感器网关可能不轮询传感器的STA以查看是否传感器在那里。相反地，传感器网关等待传感器发送保持活动或其他形式的消息以表明STA仍然在那里。

图2示出了在2.4G的IEEE20MHz掩模(mask)的图表。如果家庭AP或网关和传感器网关位于不同的2.4G信道上，存在来自家庭AP或网关到传感器网关的破坏性的干扰，并且反之亦然，这是由于到接收机的带外干扰导致的前端饱和和由于频谱掩模所造成的到接收机的带内干扰。另外，CSMA/CA系统不起作用，因为家庭网关和传感器网关不能解码彼此的数据包。例如，图3是显示了信道11到信道6的带内干扰的图表，其导致接收器灵敏度降低，因此，是破坏性的干扰；以及图4是显示了信道1到信道6的带内干扰的图表，其导致接收器灵敏度降低，因此，是破坏性的干扰。

在操作中，如果该家庭AP或网关以及传感器网关是彼此靠近的，传感器网关选择与家庭AP或网关相同的信道。要做到这一点，传感器网关查找最强信标，并且如果只有一个AP或网关信标比其它强一预定余量，例如，10dB，则最强信标被发射的信道被选择。

如果有两组或更多组强信标具有几乎相同的功率，则用户界面(UI)显示应被使用的SSID，并允许用户选择在家中的主AP或网关。在流量监控系统中具有更多的流量的基本服务集标识符(BSSID)被选择作为家庭AP或网关。如果近距离内没有发现家庭AP或网关，即信标功率小于阈值，则最空闲(cleanest)的2.4G信道被选择。

因为与家庭AP或网关具有LAN连接，因此通过这个连接了解家庭AP或网关是可能的，例如，家庭AP或网关MAC地址。MAC地址唯一地标识了属于家庭AP或网关的Wi-Fi信标。本发明实施方式执行LANMAC地址到Wi-FiMAC地址的部分匹配，以验证由传感器网关选择的信道是家庭AP或网关的信道。本发明的其它实施方式使用在家庭网关和传感器网关之间预定义的API，以通过从传感器网关发送命令到家庭网关，来获得Wi-FiMAC地址。

如以上所讨论的，传感器网关选择与家庭AP或网关相同的信道，即家庭AP或网关和传感器网关都在相同的2.4G信道上。载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)系统在家庭AP或网关和传感器网关之间仲裁。因此，不存在传感器网关和家庭AP或网关之间的破坏性干扰。

信道选择

以下讨论描述了AP或网关和传感器网关如何商定要使用的信道。当传感器网关启动时，它开始扫描信道，以识别附近的AP和/或网关。传感器网关扫描每个信道，查看在信道上的平均功率水平，并选择具有最强平均功率水平的信道作为将其自身设置为的信道。因此，传感器网关基于接收到的信号强度选择特定的信道。传感器网关选择与具有最强信号的AP或网关的信道相同的信道，因为在那个信道上的AP或网关更可能干扰传感器网关的操作，如果两者都想要同时在不同的信道上发射。

在一些情况下，可能有一个以上的AP和/或网关具有强接收信号。在这种情况下，传感器网关被手动设置到AP或网关的信道，该传感器网关与其协调其操作，如以上所讨论的。

一旦传感器网关进行了信道选择，其并不是在所有的时间都停留在相同的信道上。如果家庭AP或网关信道被改变，则自动信道机制发送广播数据包至每个与其相关联的客户端，使得它们与家庭AP或网关一起移动至新的信道。在它移动之前，家庭AP或网关发送信道切换通告。信道切换通告元素由AP在BSS中或由STA在IBSS中使用以通知何时被改变为新的信道以及新的信道的信道编号(参见IEEE802.11h)。在2007年联邦通信委员会(FCC，美国)开始要求在5GHz频带操作的信道52、56、60和64必须具有动态的频率选择(DFS)功能。这是为了避免在与一些雷达相同的频率范围内的通信。本发明的实施方式采用此机制用于与传感器网关一起使用。在本实施方式中，在接收到CSA之后，传感器AP切换其信道到AP或网关的新的信道。

在另一实施方式中，传感器网关周期性地扫描其当前的信道。如果它不再发现在这个信道上的AP或网关，它扫描另外的信道以查找具有最强平均信号的信道，然后切换到那个信道。它发送出信道切换通告以使得其被配置的传感器知道它将要到另一个信道上，从而它们可以跟随它。如果传感器网关不发送信道切换通告，则该传感器不知道传感器网关已经改变信道。在这种情况下，该传感器断开连接，并且重新查看以找到传感器网关。这浪费功率。在本发明的实施方式中，传感器具有内置的CSA机制。按照本发明，传感器不使用太多的功率用于发射或接收，因为它们不需要重新扫描和重新关联。因此，当传感器网关移动到另一个信道，传感器监听并改变它们的信道至传感器网关的信道。

下面是用于与本发明实施方式结合使用的示例性信道选择方案：

1.如果传感器网关信道扫描检测到一个或多个AP在靠近传感器网关的范围内操作，如来自每个AP所接收到的信号强度指示(RSSI)所估计的，那么传感器网关选择与具有最高RSSI的AP相同的信道。传感器网关还返回信道、SSID和BSSID到在三米之内的所有AP的应用层，并且指示其所选择的BSSID。

2.如果传感器网关已经选择了附近的AP的信道，它监控该AP的流量用于信道改变通告，并且如果信道被改变，则跟随那个AP。

3.对于来自主应用的命令，传感器网关可以被迫重新扫描信道用于最佳的可用的网络。

4.如果在任何时候，传感器网关改变其信道，它向在BSS内的所有站点广播信道改变通告。

5.自动信道选择在默认情况下是启用的。主应用禁用自动信道选择是可能的。

6.如在任何时间，传感器网关确定附近不再存在AP，则它不再跟随任何AP。

7.如果传感器网关改变其正在跟随的AP，则它将向应用层通告该改变。

8.如果传感器网关正在跟随一AP，然后不再跟随任何AP，它将向应用层通告该改变。

9.如果传感器网关被手动设置为跟随一AP，它始终跟随那个AP，即使有更靠近的AP，或者即使那个AP的RSSI已经显著下降到很低。

10.存在可编程的RSSI阈值以用以在X米范围，如三米，内检测AP，以允许RSSI阈值的调节，如果需要的话。该阈值是在非易失性随机存取存储器(NVRAM)内。如果阈值不存在在NVRAM中，-40dBm可以被用作RSSI代码中的默认值。

11.在附近没有AP的情况下，例如在传感器网关的三米范围内，则基于最少使用的/最少干扰的信道算法，传感器网关扫描可用的Wi-Fi信道使得最佳的信道能够使用。

传感器网关必须确定何时信道是空闲的(clear)并且信道必须空闲时间的某一百分比。传感器网关必须具有可用的带宽，以允许它与传感器通信。一旦获得传感器的许可，它缓冲传感器数据并通过与家庭AP或网关的LAN连接将其发送出去至后端。在传感器网关上可以存在政策以确定哪个传感器数据应当被发射出去到云后端，以及哪个传感器数据可以仅在本地被使用。这些政策可以由用户来设置，这取决于用户的隐私偏好。

由传感器网关和传感器的布置所提供的另一增强是优先级数据的使用。在IEEE802.11中对于不同的流量有不同的优先级，即从最低的优先级到最高的优先级排序，有背景、尽力而为(besteffort)流量、视频和语音。通常的流量是尽力而为流量。几乎所有的流量都是尽力而为。在这个方案中最高的优先级是语音。

本发明的实施方式发送具有优先级等级被标记为视频或音频的传感器数据包。像这样，本发明动态地标记不是视频或语音的数据，如同它是视频或语音一样，这取决于传感器的类型，以提供较高的优先级值到数据。要做到这一点，本发明利用了增强分布式信道接入(EDCA)。通过EDCA，高优先级流量相较于较低优先权流量而言具有更高的机会被发送：具有高优先权流量的站点在发送其数据包之前，平均而言，相较于具有低优先权流量的站点而言具有较短的等待时间。这是通过EDCA协议被实现的，这是CSMA/CA的衍生物，通过对较高优先级的数据包使用更短的仲裁帧间隔(AIFS)和更短的回退时间。确切的值取决于物理层，其被用于发射数据。此外，EDCA在被称为发射机会(TXOP)的期间内提供对信道的无竞争访问。TXOP是一有界时间间隔，在此期间，站点可以发送尽可能多的帧，只要传输的持续时间不延伸超出TXOP的最大持续时间。如果帧过大难以在单个TXOP中被发射，它被分成更小的帧。在EDCA中的优先级的水平被称为访问类别(AC)。竞争窗口(CW)可根据在每个访问类别中所期望的流量进行设置，具有较大流量的类别需要较宽的窗口。CWmin和CWmax值是从aCWmin和aCWmax值中分别计算得出的，其为由802.11e标准所支持的每个物理层所定义。

存在预定的EDCA值用于语音、视频、数据，以及背景，其被定义在IEEE802.11规范中。默认的EDCA相关的参数可以由传感器相关的应用层修改，如果要求。例如，如果没有被发射的高优先权的数据包具有不可被接受的延迟，应用层可以尝试改变一些EDCA相关的参数以实现可接受的延迟。其他物理层接收阈值设置也可以被改变，如果需要的话。如果在改变EDCA参数和其它接收机和发射器设置后，可接受的延迟不能被达到，应用层可发布信道改变，或者它可以触发自动的信道选择命令以找到更好的信道。

本发明的实施方式还确定该信道上的能量是否高于预定阈值，即能量检测阈值。如果能量水平低于阈值，且如果没有数据包在信道上被发送，信道是空闲的(clear)。该系统使用了网络分配矢量(NAV)，其是与无线网络协议，例如IEEE802.11和IEEE802.16(WiMAX)一起使用的虚拟载波监听机制。该虚拟载波监听是逻辑抽象，其限制了在空中接口处的物理载波监听的需要以节省功率。MAC层帧头包含持续时间字段，其规定了帧所需的传输时间，在该时间中介质是繁忙的。在无线介质上监听的站点读取持续时间字段并设置其NAV，其对于站点而言是一个指示，指出其在多长时间段内应该推迟访问该介质。NAV可以被认为是计数器，它以均匀的速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波监听指示是该介质是空闲的；非零时，指示正繁忙。当STA正在发射时，该介质被确定为繁忙。在IEEE802.11中，NAV表示发送STA打算维持介质繁忙的微秒的数(最大为32,767微秒)。

无线站点往往是电池供电的，所以为了节省功率，站点可进入功率节省模式。站点递减其NAV计数器，直到它变成零，到那时它被唤醒以再次传感该介质。那本发明实施方式设置一阈值以减少持续时间字段。以这种方式，传感器更为积极地访问传感器网关。传感器通常发送，例如，一个比特信息，指示例如传感器已经检测到有人已经打破了窗口的玻璃。在发明的一些实施方式中，将阈值全部移除并使得传感器试图多次访问传感器网关直到它得到通过。

在本发明的一些实施方式中，如果传感器发现当它企图访问信道时该信道是繁忙的，该传感器可以选择一随机数而不是监听空闲信道并等待当信道是空闲时回退数达到零，传感器可以进入睡眠状态，在随机时间过后唤醒，如果当客户端唤醒时信道是可用的，则客户端立即发射，并且不执行回退。

实例

对具有(无线)和无(电缆)共存功能的传感器网关的操作的试验被执行。如果传感器网关跟随家庭AP或网关Wi-Fi信道，以太网电缆操作符合四台活动的照相机的性能要求。在这个示例中，四台照相机以2Mbps流动(streaming)。在以下表1-4中的数据来自到家庭AP或网关的背景流量～35％容许通话时间。该流量被用来模拟家庭流量。

该表1和表2的数据涉及到有线布置，如图1(上面讨论的)；在表3和4中的数据涉及无线、共存、布置，如图5。

图5示出了根据本发明的无线传感器网关配置的方框示意图。在图5中，传感器网关10a和家庭AP或网关14通过WLAN连接在2.4G频带的信道A上通过各自的无线电设备50，17进行通信。传感器网关还与各种传感器，即照相机52-55，通过WLAN连接在2.4G频带的信道B上通过无线电设备12a进行通信。传感器网关内的两个无线电设备通过同轴电缆总线51通信。

如表1所示，当传感器网关和家庭AP或网关都在同一个信道时结果是好的。

表1家庭AP+传感器网关，对于同一信道的电缆的结果

如表2所示，当传感器网关和家庭AP或网关在不同的信道上时结果是差的。

表2家庭AP+传感器网关，对于不同信道的电缆的结果

如表3所示，当传感器网关和家庭AP或网关在同一信道上时结果是混合的。

表3家庭AP+传感器网关，对于同一信道的无线的结果

如表4所示，当传感器网关和家庭AP或网关在不同信道上时结果是差的。

表4家庭AP+传感器网关，对于不同信道的无线的结果

以上于表1-4中所示的数据确认了当家庭AP或网关和传感器网关都在相同的2.4G信道上时，802.11MAC(CSMA/CAEDCA)帮助家庭AP或网关和传感器网关共存。如图所示，当家庭AP或网关和传感器网关在不同2.4G信道上时，系统不会很好的工作，由于来自家庭AP或网关到传感器网关的破坏性干扰，反之亦然。

以下情形显示了对于家庭AP和/或网关以及传感器网关的不同的安排：

在情形1中，如图6所示，家庭网关和传感器网关都在同一信道上，其中传感器网关跟随家庭网关信道。这样的布置避免了干扰。

在情形2中，如图7所示，家庭AP和传感器网关都在同一信道上，其中传感器网关跟随家庭AP信道。这样的布置避免了干扰。

在情形3中，如图8所示，家庭AP、家庭网关，和传感器网关都在同一信道上，其中传感器网关跟随家庭网关信道。在这种布置下，在家庭AP和传感器网关以及家庭网关和传感器网关之间在非常近的范围内具有破坏性的干扰，由于DDR噪声、PCIE噪音，以及USB噪声。

在情形4中，如图9所示，传感器网关不知道哪个家庭网关和家庭AP为活动的AP，除非由用户指定SSID。

计算机实现

图10是可用于实现本发明一些实施方式的某些特征的计算机系统的框图。该计算机系统可以是服务器计算机、客户端计算机、个人计算机(PC)、用户装置、平板PC、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、iPhone、iPad、黑莓、处理器、电话、web设备、网络路由器、交换机或桥接器、控制台、手持式控制台、(手持)游戏装置、音乐播放器、任何便携式、移动式、手持装置、可穿戴装置，或能够执行一组指令的任何机器，顺序的或以其他方式，以指定由机器执行的动作。

计算系统40可以包括一个或多个中央处理单元(“处理器”)45、存储器41、输入/输出装置44，例如键盘和指点装置、触摸装置、显示装置，存储装置42，例如：磁盘驱动器，和网络适配器43，例如网络接口，其被连接到互连46。

在图10中，互连被示为抽象，其表示任何一个或多个独立的物理总线、点对点的连接，或通过适当的桥、适配器或控制器相连接的独立的物理总线和点对点的连接。因此，互连可以包括，例如系统总线、外围部件互连(PCI)总线或PCI-Express总线、超传输或工业标准体系结构(ISA)总线、小型计算机系统接口(SCSI)总线、通用串行总线(USB)、IIC(12C)总线，或电气和电子工程师协会(IEEE)标准1394总线，也称为火线。

存储器41和存储装置42是计算机可读存储介质，其可以存储实现本发明的各种实施方式的至少部分的指令。此外，数据结构和消息结构可通过数据传输介质被存储或发射，例如通信链路上的信号。各种通信链路可以被使用，例如因特网、局域网、广域网，或点至到点的拨号连接。因此，计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，例如非暂时性介质和计算机可读传输介质。

存储在存储器41中的指令可被实现为软件和/或固件以编程一个或多个处理器以执行上述的操作。在本发明的一些实施方式中，这样的软件或固件最初可以被提供给处理系统40，通过经由计算系统从远程系统下载它，例如，通过网络适配器43。

本文所介绍的本发明的各种实施方式可以被实现，例如，通过可编程电路，例如一个或多个微处理器，用软件和/或固件编程，完全在专用硬连线(即非可编程)电路内，或者以这些形式的组合。专用硬连线电路可以是以，例如，一个或多个ASIC、PLD、FPGA等的形式。

虽然本发明是参照优选的实施方式在本文中被描述的，本领域技术人员将容易理解，其它应用可以替代此处阐述的那些，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明应仅由以下包括的权利要求所限制。

Claims

1.一种用于管理在多个传感器和后端连接之间的无线通信的方法，包括：

提供传感器网关，所述传感器网关在通信频带内在所选择的信道上与所述传感器无线通信，所述传感器网关通过家庭接入点(AP)或网关在所述传感器和后端连接之间交换信息，所述家庭接入点(AP)或网关参与在所述通信频带内在所选择的信道上的无线通信；以及

所述传感器网关自动地选择与所述家庭接入点(AP)或网关的信道相同的信道用于通信。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关执行软件以为所述传感器提供低功率、无线支持和深度睡眠支持。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器网关工作在2.4GHz频带。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关通过跟随最强的信标以选择与所述家庭AP或网关相同的信道。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

当存在一个以上的强信标时，所述传感器网关跟随所述家庭AP或网关服务集标识符(SSID)。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关和家庭AP或网关彼此监听；以及

所述传感器网关和家庭AP或网关的任一个发射回退信号以共享所述信道。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关执行软件以从所述传感器接收传感信息，处理所述信息，并且发送所选择地处理的信息到所述后端连接。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关执行软件以适应所述传感器的较低频率的唤醒时间表；

其中所述传感器使用更少的能量。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关执行软件以缓冲传感器数据。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关以较高的数据速率发射信标到所述传感器以减小所述传感器的唤醒时间。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关重新排序信标内容，其中重要的数据被首先发送以允许所述传感器更快地进入睡眠。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关等待传感器发送保持活动或其它形式的消息，而不是轮询所述传感器，以指示所述传感器是活动的。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

如根据相对的信标强度所确定的，当所述家庭AP或网关和传感器网关是彼此接近时，所述传感器网关选择与所述家庭AP或网关相同的信道；以及

当存在具有基本上相同的功率的两组或多组强信标时，用户为装置挑选在所述流量监控系统中具有更多的流量的基本的服务集标识符(BSSID)作为所述家庭AP或网关。

14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果在近距离没有家庭AP或网关时，所述传感器网关选择最空闲的信道，如由小于阈值的信标功率所指示的。

15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关使用具有所述家庭AP或网关的LAN连接，以了解所述家庭AP或网关MAC地址，其中所述MAC地址唯一地识别属于所述家庭AP或网关的所述Wi-Fi信标。

16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

使用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)系统以在所述家庭AP或网关和所述传感器网关之间进行仲裁。

17.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

当存在多个AP和/或网关具有强的接收的信号时，手动选择所述AP或网关的所述信道作为与所述传感器网关协调其操作的所述信道。

18.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关周期性地扫描当前的通道；

当所述传感器网关不再发现在所述当前的信道上的所述AP或网关时，所述传感器网关扫描其它信道以选择具有最强平均信号的信道，然后切换到那个信道。

19.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关发送信道切换通告以使得其被配置的所述传感器知道其将要到另一信道上，使得当所述传感器网关移动到所述另一信道时，所述传感器能够跟随所述传感器网关。

20.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关采用信道选择方案，其中任一以下步骤被执行：

当所述传感器网关信道扫描检测一个或多个AP或网关在靠近所述传感器网关的范围内操作时，如由来自每个AP的接收信号强度指示(RSSI)所估计的，然后所述传感器网关选择与具有最高RSSI的AP相同的信道，其中所述传感器网关还返回所述信道、SSID和BSSID到三米范围内的所有AP的应用层，以及指示已选择的所述BSSID；

当所述传感器网关已经选择了附近的AP或网关的所述信道时，它监控那个AP或网关的流量用于信道改变通告，并且如果所述信道已经改变，则跟随那个AP；

对来自主应用的命令，迫使所述传感器网关重新扫描信道用于最佳的可用网络；

如果在任何时候所述传感器网关改变其信道，它广播信道改变通告至所有在BSS内的站点；

在默认情况下启用自动信道选择，其中所述主应用能够禁用自动信道选择；

如果在任何时候所述传感器网关确定不再有位于附近的AP，则它不再跟随任何AP；

当传感器网关改变它正在跟随的所述AP时，它将所述改变向应用层通告；

当所述传感器网关正在跟随一AP，然后不再跟随任何AP，它向所述应用层通告所述变化；

当所述传感器网关手动地设置为跟随一AP，它始终跟随那个AP，即使有更靠近的AP，或者即使那个AP的RSSI已经显著下降到很低；

提供可编程的RSSI阈值以检测在X米范围内的AP以允许RSSI阈值的调整，如果需要的话；

在附近没有AP的情况下，所述传感器网关基于最少被使用的/最少被干扰的信道算法，扫描可用的Wi-Fi信道以使得最佳信道能够使用。

21.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在确定所述信道是空闲的之后，所述传感器网关发射，其中所述信道必须在预定的时间量内是空闲的。

22.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关接收传感器数据包，所述传感器数据包被所述传感器动态地标记优先级等级，所述优先级等级取决于传感器的类型，以提供较高的优先级值到所述传感器的数据，相较于否则那个数据被分配的传统的分类。

23.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关在传输机会(TXOP)期间向所述传感器提供无竞争访问至所述信道，其中竞争窗口(CW)根据在每个访问类别所期望的流量被设置，具有对于有较大流量的类别所需的较宽的窗口。

24.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关使用网络分配矢量(NAV)以限制在所述空中接口处的所述传感器的物理载波监听的需要以节省功率。

25.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关设置阈值以减少持续时间字段，其指定对一帧的传感器所需的传输时间，在该段时间内所选择的信道是繁忙的。

26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括：

设置阈值为零，其中所述传感器反复地访问所述传感器网关若干次，直到通信被完成为止。

27.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

使用与所述传感器使用的频带不同的频带上的Wi-Fi将所述传感器网关与所述家庭接入点(AP)或网关连接。

28.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在5GHz频带的低部上对于所述传感器使用Wi-Fi，并在5GHz的高部建立在所述传感器网关和所述家庭接入点(AP)或网关之间的连接。

29.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

传感器网关只转发对于传感器节点是必须的数据包，并过滤不必要的数据包。

30.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关通过保持到所述传感器的链接是活动的，而无需保持活动的数据包或以其它方式在AP上所需的其它周期性处理，减少在所述传感器中的电池使用。

31.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

传感器网关缓冲来自所述传感器的数据，然后发送所述数据到所述后端连接；

其中所述传感器仅需要用于直接连接到所述传感器网关而不是到所述后端连接的软件API。

32.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关控制所述传感器发送数据到所述传感器网关的速率或所述传感器网关发送数据到所述后端连接的速率；

其中当所述传感器网关确定队列在所述传感器网关中被建立，并且所述传感器网关不能将数据发送到后端连接以清除队列时，所述传感器网关发送命令到传感器以减慢它们将数据发送到传感器网关的速率。

33.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

其中当所述传感器网关确定队列在所述传感器网关中正在建立并且所述传感器网关不可以发送所述数据到后端连接以清除所述队列时，所述传感器网关丢弃从所述传感器接收的不需要的数据。

34.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

其中当所述传感器网关确定队列在所述传感器网关中正在建立并且所述传感器网关不能将数据发送到后端连接以清除队列时，所述传感器网关指示所述传感器关于参数，其包括用来发送视频、帧每秒(fps)、图象组(GOP)的大小，和目标输出比特速率的任何一个压缩参数。

35.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关运行后端连接管理功能用于所述传感器，包括建立连接、管理连接参数、获得软件升级、当互联网连接速度缓慢时缓冲，以及当服务器没有响应时缓冲中的任一种。

36.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述传感器网关，而不是在所述传感器中实现传感器存储器和处理功能的至少一部分。

37.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关为所述传感器管理与所述后端连接的通信，以确认哪些数据、控制和命令被发送到所述后端连接，以及哪些数据、控制和命令不发送到所述后端连接。

38.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述传感器网关上提供本地数据存储和/或数据存储管理功能；

其中至少一些传感器数据不经由后端连接被存储。

39.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

通过增加所述传感器的超时数值，所述传感器网关不太频繁地断开与传感器的连接。

40.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关通过较长时间地保持某些信息而不是每次所述传感器断开和重新连接时重新完成所有的步骤，减少与所述传感器的数据包交换用于认证、加密密钥交换和其它与安全相关联的机制。

41.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关分配IP地址至传感器，并且保持所述IP地址；

其中所述传感器没有必要在每次断开和重新连接时通过DHCP协议。

42.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

减少所述传感器的延迟要求；

其中所述传感器每秒一次，每十秒一次，或更少地检查传感器网关。

43.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关以比每100毫秒一个信标更为频繁地发送信标；

其中对于已经停止同步的传感器或由于存在干扰而不接收信标的传感器，所述唤醒时间被减少。

44.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关使用信标周期不是100ms/X或100ms*X以防止与附近的装置的冲突。

45.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关增加信标数据速率。

46.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

使用在所述家庭AP或网关和所述传感器网关之间的预定义的API，通过从所述传感器网关发送命令到所述家庭AP或网关以获取Wi-FiMAC地址。

47.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述传感器网关提供政策以确定哪个传感器数据应该被发射出去至所述后端连接，以及哪个传感器数据可以仅在本地被使用。

48.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在传感器相关的应用层处修改默认的EDCA相关的参数，其中当未被发射的高优先权的数据包具有不可接受的延迟时，所述应用层改变EDCA相关的参数以获得可接受的延迟。

49.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

当在改变EDCA参数和其它接收机和发射器设置后不可接受的延迟不能被达到时，所述应用层发布信道改变或触发自动信道选择命令以找到更好的信道。

50.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

当所述传感器发现它试图访问信道时所述信道繁忙，所述传感器选择一随机数而不是监听空闲信道并等待当所述信道是空闲时回退数达到零，所述传感器将进入睡眠状态，在随机时间过后唤醒，并且如果当所述传感器唤醒时所述信道是可用的，则所述传感器立即发射，并且不首先执行回退。