CN108141886A

CN108141886A - 用于连接对象与网关之间的无线通信的方法和设备

Info

Publication number: CN108141886A
Application number: CN201680056148.4A
Authority: CN
Inventors: 亨利·克罗哈斯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2036-10-04
Also published as: US11291056B2; BE1023514B1; BE1023514A1; ES2898530T3; EP3360384A1; HK1249695A1; EP3360384B1; WO2017060207A1; US20190059116A1; CN108141886B

Abstract

在包括多个连接对象、网关和中央服务器的无线通信网络中的通信方法。这些元件经由在频道上发送和接收的消息彼此通信。信道为了由网关周期性地传输标签消息而被保留，从而允许组织和优化网络使用和通信时间。

Description

用于连接对象与网关之间的无线通信的方法和设备

技术领域

本发明涉及射频网络中的通信协议，并且更具体地涉及允许在无线网络内以远距离和低功率进行这种类型通信的方法。在本发明应用于分层模型时，本发明涉及链路层(包括媒体访问控制MAC的层)的协议。本发明还涉及实现这些方法的设备。

背景技术

用于在包括连接对象、网关和中央服务器的无线网络中交换数据的方法是公知的。例如，专利申请US 2014/0111313公开了一种连接对象在连接至网关之前必须执行很多步骤的通信方法。这些步骤包括：

●侦听包含由至少一个网关传输的信标信号的周期性信号；

●使连接对象的内部时钟与信标信号同步；

●由连接对象借助于包含在周期性信号中的信标信号识别网关；

●选择具有最强信标信号的网关；

●由连接对象在加入请求时隙上发送消息；

●由网关识别连接对象以及在周期性信号中分配用于通信的时隙；

●由连接对象在加入确认时隙期间接收时隙；

●在所分配时隙上在连接对象与网关之间进行通信。

这种类型的协议呈现了许多限制。第一，对使用时间的管理远不是最优的，因为将周期性信号细分成时间窗口和时间子窗口延长了通信之间的延迟。第二，如果网关的数量增大，则周期性信号的持续时间增大(或子窗口的数量减小)，这相当地延长了通信之间的延迟(或者减小了可以由网关分配的子窗口的数量)。第三，可以由网关向连接对象分配的时隙数量受限以使周期性信号不会变得太长。因此，网络饱和的风险变得显著。第四，网络的频率使用受限并且未被优化的。第五，连接对象必须定期再同步以便能够在其时隙中进行通信，这消耗了能量。总之，此协议缺乏灵活性，几乎不适合于偶尔进行通信的对象，并且未优化对可以用于通信的时间的使用。

在LoRa通信协议(https://www.lora-alliance.org/)中描述了另一种用于在无线网络中交换数据的方法，所述方法描述了包括一组宏小区的网络，所述宏小区各自包括连接对象和宏网关(屋顶种类)。每个宏网关都能够在不同频率的信道上并且以不同传送速率(或吞吐量，也就是说，每单位时间传输的数字数据的量，以位/秒或八位字节/秒表示)(约8个信道和8个传送速率)同时接收多条消息。具有待发送消息的可连接的连接对象半随机地选择信道和压缩因子(取决于其与宏网关的距离)并发送其消息。此协议还呈现出许多缺陷。首先，使用时间未被组织：每个连接对象在想要时发送其数据，唯一条件是不超过任何法定使用限制。因此，考虑到大量连接对象潜在地链接至宏网关，消息冲突的概率可能变得很显著。其次，宏网关仅例外地发送信息。原因在于，当宏网关传输信号时，其使上行链路信号变得模糊，并且于是不能够接收消息。另一个原因是，在大多数情况下，公共频带中的传输时间和/或发射器对此频带的使用率受监管无线电机构的严格限制，并且由于这些宏网关旨在为大量对象服务，所以所述宏网关可以专用于单独对象的传输时间是极其有限的。因此，如果宏网关进行传输，则其将占用时间的一部分，这将减少可用于侦听上行链路消息的时间并且将造成耗尽由监管机构所分配的下行链路路径的占用时间资本。因此，这将增大等待连接对象进行通信的延迟以及消息冲突的风险。此外，如果宏网关定期传输消息，则其冒着迅速达到法定时间使用限制的风险。出于相同的原因，宏网关仅例外地向连接对象发送确认，这也可能造成问题。

换言之，网络的使用时间不是最优的并且网络饱和。当宏网关服务于可能包括大量连接对象的宏小区时，这种情况更有可能发生。

发明内容

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了本发明的优选实施例。

根据第一方面，本发明涉及使用在各自具有中心频率和带宽的多个信道的无线通信网络中的通信方法，所述网络包括多个连接对象和至少一个网关，所述连接对象和所述至少一个网关能够在所述信道中的每一个中传输和接收消息，这些信道中被称为信标信道的至少一个是为了由所述网关(120)周期性或拟周期性地传输信标消息而保留的单向通信信道。所述信标消息至少包括以下元素：前导、表明所述网关想要传递消息或者所述网关能够接收至少一条消息的指示、以及对用于交换至少一条消息的至少一个信道的指示。

可替代地，所述通信网络是使用各自具有中心频率和带宽的多个信道的无线通信网络，所述网络包括多个连接对象和至少一个网关，所述连接对象和所述至少一个网关能够在所述信道中的每一个中传输和接收消息，这些信道中被称为信标信道的至少一个是为了由所述网关周期性或拟周期性地传输信标消息而保留的。所述信标信道包括以下两个元素中的至少一个：前导、或者表明所述网关想要传递消息或者所述网关能够接收至少一条消息的指示、以及对用于交换至少一条消息的至少一个信道的指示。

本发明的目的之一是解决如上所述的网络饱和问题，优化对时间和频率的使用。根据本发明的方法潜在地允许无限数量的连接对象与网关交换通信(在实践中，对象的数量受网络容量、也就是说通信所耗费的物理时间的限制)。此外，本发明使得能够减小消息冲突的数量并且允许在网络中简单且有效地添加网关。所提出的解决方案包括使用由网关在单向的且为了周期性地传输信标消息而保留的一个信标信道上传输的信标消息。这些信标消息使得能够向连接对象警告用于传输或接收消息的网关的可用性并且向连接对象通知将在其上进行交换的信道。所述信标消息还允许连接对象选择连接对象将与其具有良好通信的网关。此外，所述通信方法很简单，因为连接对象可以在连接对象接收到信标消息的瞬间起的任何时刻发送消息。因此，连接对象不再必须与特定网关相关联和/或保持完美同步的内部时钟。当连接对象想要传输或接收数据时，连接对象可以在信标信号上自动同步。连接对象可以自由选择网关并且可以容易地改变网关。因此，所使用的通信时间和频率是组织良好的并且具有成本效益。最后，借助于指示存在网关的信标消息，可以在没有外部干预的情况下组织其他网关，并且添加网关使得能够(在没有外部干预的情况下)增加网络的容量。

无线通信网络中的第一通信方法涉及多个连接对象与至少一个网关之间的通信。此方法是通过其实现以下操作的方法：

(A).连接对象向网关传送消息。为此，所述连接对象侦听一条或多条信标信道以检测至少一条信标消息的至少一部分。接下来，所述连接对象选择传输可由所述连接对象感知的信标消息的网关。所述连接对象接收由所选网关传输的所述信标消息。然后，所述连接对象通过查询包含在所述信标消息中的指示来验证所述网关想要传递消息或者所述网关能够接收至少一条消息。最后，所述连接对象在于所述信标消息中指示的至少一个信道上向所述所选网关传输消息。

(B).连接对象从网关处接收消息。为此，所述连接对象侦听一个或多个信标信道以接收至少一条信标消息。接下来，所述连接对象验证所述网关想要向其传递消息。最后，所述连接对象在于所述信标消息中指示的至少一个信道上接收消息。

可替代地，所述方法是通过其实现以下操作的方法：

(A).可连接的连接对象向网关传送消息。为此，所述连接对象侦听一个或多个信标信道以检测至少一条信标消息的至少一部分，所述信标消息的所述部分使得能够确定传送所述信标消息的所述信号的RSSI。接下来，所述连接对象根据所述RSSI选择网关，然后，所述连接对象接收由所选网关传输的所述信标消息，并且所述连接对象通过查询包含在所述信标消息中的指示来验证所述网关想要传递消息或者能够接收至少一条消息。最后，所述连接对象在于所述信标消息中指示的至少一个信道上向所述所选网关传输消息。

(B).可连接的连接对象从网关处接收消息。为此，所述连接对象侦听一个或多个信标信道以接收至少一条信标消息。接下来，所述连接对象验证所述网关想要向其传递消息。最后，所述连接对象在于所述信标消息中指示的至少一个信道上接收消息。

优选地，连接对象侦听一个或多个信标信道以检测至少一个前导的至少一部分，所述前导的所述部分使得能够确定传送所述信标消息的所述信号的RSSI。然后，所述连接对象根据所述RSSI选择网关。此前导的优点在于：一方面，避免丢失消息的有用部分；另一方面，允许容易地检测信号，所述前导例如由强大且容易检测的线性调频信号组成。在替代性方法中，信标消息也包括前导。

优选地，所述信标消息进一步包括至少一个连接对象的至少一个标识符，并且连接对象通过验证包含在所述信标消息中的所述至少一个标识符是其自己的来验证所述网关想要向其传递消息。这构成了使连接对象确保所述消息针对所述连接对象的简单且有效方法。

优选地，想要发送消息的连接对象根据所述RSSI选择其传送速率以使此速率在所述RSSI很高时较高并且在所述RSSI较低时较低。可以在每次发送时重复的由此使无线电信道随时间推移的波动中固有的随机因子最小化的此步骤允许通过在连接对象接近网关时使传送时间最小化来更好地使用有用时间。而且，那使得能够在连接对象进一步远离网关时保证以远距离和低功率进行良好的信号传输。传送速率或吞吐量被定义为每单位时间传输的数字数据量的测量结果。

优选地，连接对象在发送其消息之前等待作为所选传送速率的函数的一段时间。实际上，接收消息的网关可能必须扫描不同的传送速率以检测所述消息，所以在适当的时刻发送所述消息至关重要。

优选地，连接对象或网关在与用于所述传输或用于所述接收的信道相同的信道上传输或接收对射频传输的确认。此确认是由连接对象或已经接收到消息的网关在所述接收之后传输的。此步骤的目的是向发射器通知其消息确实已经被接收。此确认的目的是如果发射器未接收到任何确认，则其知道其消息还未被传递并且其可以在随后的时刻重试发送所述消息。

优选地，所述确认是对RF传输的确认并且在对消息的所述接收之后被直接发送。

优选地，所述确认是以等于或小于所述所接收或所传输消息的传送速率的传送速率来传输或接收的。这使得能够不必扫描所有传送速率以找到所述确认。

优选地，连接对象在其想要发送消息时选择的网关是具有最高RSSI的网关之一。目的是确保快速传送并优化网络使用时间。

优选地，连接对象在其想要发送消息时选择的网关是具有高服务质量(QoS)的网关。优选地，连接对象选择的网关是使得能够在良好状况下传送给定类型的业务量，是可用的，具有良好的吞吐量、良好的传输延迟、低丢包率的网关。可替代地，所选网关是具有高传输信噪比的网关。

优选地，所述网络进一步包括中央服务器，所述中央服务器能够向连接对象分配网关。出于各种原因：服务质量、经济性，可能有利的是将连接对象链接至网关。

根据第二方面，本发明由一种包括射频调制解调器的设备组成，其特征在于，所述设备实现上述程序。

无线通信网络中的第二通信方法涉及网关与连接对象之间的通信。在此方法中，信标消息可以在特定于每个网关的时间窗口中传输。此方法是通过其实现以下操作的方法：

(A).网关在其时间窗口中传输传送信标消息的信号。

(B).网关从连接对象处接收至少一条消息。在这种情况下，所述网关以侦听在所述信标消息中分配的一个或多个信道以检测消息而开始。接下来，所述网关接收其已经检测到的消息。

(C).网关在于所述信标消息中指示的至少一个信道上向至少一个连接对象发送至少一条消息。

优选地，所述信标消息进一步包括至少一个连接对象的至少一个标识符。想要向至少一个连接对象发送消息的网关在其信标消息中发送一个或多个连接对象的标识符以向所述一个或多个连接对象通知所述网关具有要向其传递的消息。

优选地，想要接收消息的网关同时或顺序地扫描不同传送速率，并且侦听在所述信标消息中分配的一个或多个信道以检测消息。当连接对象接近网关并且连接对象使用高传送速率时，此步骤允许通过使传送时间最小化来更好地使用有用时间。而且，那使得能够在连接对象进一步远离网关并且使用低传送速率时保证以远距离和低功率进行良好的信号传输。

优选地，由所述连接对象发送的所述消息包括前导，并且所述网关扫描不同传送速率并且侦听在所述信标消息中分配的一个或多个信道以检测前导的至少一部分。此前导的优点在于：一方面，避免丢失消息的有用部分；另一方面，允许容易地检测信号，所述前导由强大且容易检测的线性调频信号组成。

优选地，网关可以在两个并行信标信道上传输其信标消息。优选地，在这两个信道上传送信标消息的所传输信号是正交的。

根据第三方面，本发明由一种包括射频调制解调器的设备组成，其特征在于，所述设备实现在关于第二方法的段落中所描述的程序(也就是说，包括以“第二方法”开头的段落与在所述第二方法之前的段落之间的段落)。

无线通信网络中的第三通信方法涉及至少两个网关之间的通信。在此方法中，信标消息可以在特定于每个网关的时间窗口中传输。此方法是通过其使时间窗口与网关相关联的方法。为此，所述网关在至少一个完整的周期期间侦听一个或多个信标信道。接下来，如果所述网关已经检测到前导的至少一部分并且至少一个时间窗口可用，则所述网关选择这些窗口之一并且所述网关开始传输其信标消息。如果所述网关已经检测到前导的至少一部分并且时间窗口不可用，则所述网关被设置为待命。如果所述网关未检测到前导，则所述网关选择时间窗口并且所述网关开始传输其信标消息。

优选地，由于时间窗口不可用而被设置为待命的网关在至少一个信标消息传输周期之后被重新激活，并且重新开始搜索可用时间窗口。

优选地，所述网络进一步包括中央服务器，所述服务器确定所述网关中的每一个的所述时间窗口的顺序。

优选地，所述服务器向网关分配时间窗口。

优选地，所述服务器向网关分配同伴信道，此同伴信道仅允许网关在由另一个网关使用的时间窗口中接收消息。

无线通信网络中的第四通信方法涉及网关的再同步。此方法是通过其实现以下操作的方法：网关在至少一个信标消息传输周期期间侦听来自其他网关的信标消息的至少一部分。接下来，所述网关根据所接收到的一条或多条信标消息来计算参考时间，并且最后，所述网关调整其时间窗口。

优选地，所述网络进一步包括中央服务器，所述服务器在预定数量的信标消息传输周期之后控制和发起对每个网关的同步。

附图说明

本发明的这些方面和其他方面将在对本发明的具体实施例的详细描述中参考附图予以阐明，在附图中：

-图1示出了无线通信网络的示例；

-图2a示出了868MHz ISM频带的简化示例；

-图2b示出了时间细分的示例；

-图2c示出了利用10符号前导来扫描两个频率的示例；

-图3示出了根据本发明的在连接对象与网关之间的通信方法的简图；

-图4示出了根据本发明的在网关与至少一个连接对象之间的通信方法的简图；

-图5示出了根据本发明的在多个网关之间的通信方法的简图；

-图6示出了根据本发明的在多个网关之间的同步方法的简图；

-图7示出了相对于网关实现根据本发明的方法的设备。

附图不是按比例的。一般地，在附图中，类似的元件通过类似的参考标记表示。附图中存在参考标记不能被认为是限制性的，包括当这些标记显示在权利要求书中时。

具体实施方式

图1示出了包括多个无线连接对象110、至少一个网关120的无线通信网络100的示例。优选地，所述网络包括多个网关。优选地，一个或多个网关连接至中央服务器130。此连接可以是局域网连接、有线(以太网)或无线(Wi-Fi)互联网连接。优选地，服务器是云型服务器。优选地，连接对象-网关网络是低功率广域无线网络LP-WAN。

标准术语“连接对象”应该被理解为实际上连接至网络或可连接至网络的对象。

在本发明中，连接对象并不链接至特定网关，换言之，连接对象并不以固定方式向网关注册。连接对象可以根据例如所接收到的信标信号的质量、新的更接近信标的存在、经济效益而改变网关。优选地，对象是与LP-WAN网络兼容的对象。众所周知，这种类型的连接对象并不传送很多数据，并且很少进行通信(通常每天几十个八位字节)。因此，所述连接对象并不消耗太多电能，并且只是偶尔占用通信带宽。相比之下，在网关的范围内，LP-WAN型连接对象的数量可能很高(通常为几十个、甚至几百个)。

优选地，网络使用由中心频率和带宽表征的多个频道。连接对象110和网关120可以在所述信道中的每一个中传输和接收消息。图2a示出了868MHz ISM频带的简化示例，百分比表示连接对象对法定授权的频带的时间占用率(占空比)。优选地，连接对象与网关之间的通信在此频带中进行。可替代地，可以使用任何其他频带。

优选地，所述信道中被称为信标信道的至少一个是为了由网关120周期性或拟周期性地传输信标消息而保留的单向信道。例如，在868MHz ISM频带中(工业、科学和医疗ISM频带是可用于工业、科学、医疗、家庭或类似应用的频带，不具有授权请求)，一个或多个信标信道可以位于可容许占用率为10％的869.40MHz至869.65MHz子带内。优选地，可能具有带宽为62.5kHz并且分别以频率869.46825MHz和869.58175MHz为中心的两个信标信道。可替代地，可能具有带宽为125kHz的一个信标信道，或者甚至带宽为41.7kHz的四个信标信道。这些信道可以具有不同的扩频因子(SF)。优选地，信标信道的数量将根据其频宽以及对频带或子带的经授权占用率的任何约束被调整为所使用的频率子带。

在电信中，(无线电)信标是在频带中传输信号(信标)的发射器。此信标信号使得能够用信号通知发射器的存在并且关于发射器而引导接收器。此发射器可能与障碍物(灯塔)(即，危险)相关联。因此，信标消息是由网关(发射器)向连接对象和/或网关(接收器)传输的单向消息。

本领域的技术人员还熟知的是，保留(频率)信道意味着频带专用于特定用途。例如，以3023kHz为中心的频带是为航空紧急情况、协同搜索和救援行动、(空/海/陆)互连保留的国际频带。因此，本发明的信标信道是专用于由网关120周期性或拟周期性地传输信标消息的频道，也就是说，此频道排他且唯一地用于由网关发送信标消息。

图2b示出了根据以周期T对信标消息进行的周期性传输来细分时间的示例。在此图中，向右箭头表示对信标消息的传输，所述传输因此是单向的，双箭头表示下行链路消息(向右)或上行链路消息(向左)，这两个操作中仅一个能够在周期T期间执行，通信总是在箭头的左侧原点处开始，通信的持续时间能够是可变的。例如，n个网关120(P0，P1，...)依次传输其信标消息。优选地，每个网关都在其特定的时间窗口中传输其信标消息。一旦其信标消息被传输，网关就进行侦听以接收上行链路消息，或者传输针对连接对象110(Oi，j，k，m)的下行链路消息。优选地，传输的持续时间取决于待传输消息的大小并且可以是可变的。优选地，网关的最大数量取决于经授权占用率的可能约束以及信标信道的数量。例如，在限制为10％并且仅存在一个信标信道的情况下，如果对于循环周期T 500ms以及芯片处理时间Tp＝4ms，考虑了平均信标消息时间Tb＝50ms，则使得能够优化时间的网关的最大数量为十个网关。实际上，于是，以下等式适用：Tb/(Tb+Tp)/10＝50/(50+4)/10＝9.25％。

可替代地，两个网关可以在两个不同的信道上同时传输其信标消息，这使得能够使网关的最大数量翻倍。此外，这些同时进行传输的网关可以在正交信道上进行传输，所述正交信道彼此重叠，但由于其信号在物理层级别的正交性(例如，通过使用正交线性调频)而不会干扰。

两个网关120同时传输其信标消息的可能性愈发有趣，因为如基于物理层级别的LoRa传输协议的来自Semtech(升特)的SX127x芯片等一些射频(RF)收发器芯片例如可以通过分析信号的极少数符号而在非常短的时间内检测频道上的活动(信道活动检测(ChannelActivity Detection)，CAD)。这种CAD允许连接对象110仅利用1.8个符号来检测信号。优选地，在网络100中交换的消息包括大约十个符号的前导。图2c示出了利用10符号前导来扫描两个频道的示例，这些符号先于消息的有用数据。例如，在包括两个信标信道的网络的情况下，连接对象可以通过分析在第一信道上传输的前导的1.8个符号来检测此第一信道上的活动，然后其可以改变信道并且通过分析在第二信道上传输的前导的1.8个符号(如果信号被同时传输，则所述符号是符号2至3.8)来检测此第二信道上的活动。如SX127x芯片等芯片的这种CAD特征还使得能够在非常短的时间内以相同方式评估接收信号的接收强度(接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication)或RSSI)。

优选地，信标消息包括以下元素中的至少一些：

a)前导：例如，各自表示信号的符号的一系列线性调频信号。优选地，此系列包括5至20个信号。甚至更优选地，8至12个。

b)表明网关想要传递消息或者网关能够接收至少一条消息的指示：例如，可以通过上行链路(Uplink)位的存在来反映的指示：如果上行链路＝1(上行链路：网关能够接收至少一条消息)，如果上行链路＝0(下行链路：网关想要传递消息)。

c)对用于交换至少一条消息的至少一个信道的指示：例如，此指示可以通过一系列位(优选地，用于16个信道的4个位)反映，此系列位对与特定信道相关联的数字进行编码。例如，如果位对数字1进行编码，则那意味着消息交换将在与提前约定的并且例如在制造连接对象和网关时预定义的带宽和中心频率相对应的信道1上发生。

d)连接对象的标识符：例如，此标识符可以通过一系列位(优选地1至40个、或者优选地10至30个、或者优选地16个位)反映，如果上行链路位＝0，则此系列包括消息所针对的连接对象或一组连接对象的标识符。如果上行链路位＝1，则此部分信标消息可以例如使得能够向连接对象传输信息标记。

e)同伴信道指示：例如，此指示可以通过与用于指示用于交换至少一条消息的信道的系列具有相同长度的一系列位反映。此指示可以在网络中达到最大数量网关的情况下使用。可替代地，此指示可以在两个网关彼此非常接近的情况下使用。在这些示例性情况下，新网关可以变成传输信标信号的网关的无声同伴。同伴信道指示允许连接对象不仅向传输网关发送消息，而且向无声网关发送消息，这使接收能力翻倍。

f)对所使用信标信道的指示：例如，在仅存在两个信标信道的情况下，此指示可以通过位来反映。

g)对所使用时间窗口的指示：例如，此指示可以通过一系列位(优选地1至20个、或优选地2至10个、或优选地4个位)反映，所述一系列位与对所使用信标信道的指示相关联，允许网关对自身进行识别或被识别。

h)控制信息：例如，循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)。

i)组(集群)标识：当多个网络聚集在一起以形成更宽的网络时，中央服务器可以将所述多个网络分组成由通过一系列位编码的数字标识的子网络或集群。

图3示出了根据本发明的在连接对象110与网关120之间的通信方法的简图。第一步骤包括侦听至少一个信标信道310。第二步骤取决于通信的类型：连接对象想要向网关传输消息，或者连接对象想要验证网关可能想要向其传递消息，并且如果有必要的话从网关处接收此消息。在第一种情况下，想要向网关传输消息的连接对象执行检测至少一条信标消息的至少一部分的步骤。优选地，信标消息包括前导，并且被检测部分是前导的一部分。

优选地，信标消息的这一部分使得能够评估接收信号的接收强度(RSSI)320。RSSI使得能够提供关于接收信号的强度的指示。可替代地，可以使用用于评估信号的力量的其他方法。

下一个步骤包括优选地根据RSSI选择网关120 321。所选网关可以是展现出最高RSSI的网关。可替代地，所选网关是展现出充分的服务质量(QoS)并因此使得能够在良好状况下传送给定类型的业务量，是可用的，具有良好的吞吐量、良好的传输延迟或低丢包率的网关。可替代地，所选网关是展现出高传输信噪比的网关。

可替代地，中央服务器130可以将连接对象110链接至优先网关120。连接对象将始终尝试优先连接至此优选网关。在连接对象不设法这样做的情况下，其可以连接至展现出良好RSSI的网关。

这种优先链接的目的可能是不同的，但是经济目的可能突显。实际上，通常从连接对象的角度对网络使用进行支付。连接至网关的每个连接对象向网络100支付“接入费”。例如，连接成本可以是每连接对象每年0.5欧元。对于网关来说，网关的生产成本低廉，并且可以例如以50欧元的价格销售并且可以非常容易地安装(例如，经由电流插座或经由以太网插座进行供电)。然后，网关安装者可以相当容易地变成对射频(RF)网络的接入的提供商。然后，非常有利的是，能够将连接对象链接至特定网关以使服务提供商能够根据通过其自身网关的业务量来更好地得到支付。

一旦网关120已经被连接对象110选择，连接对象就接收整个信标消息并且验证网关能够接收消息322。为此，连接对象可以例如验证包含在信标消息中上行链路位的值。信标消息还包括对用于交换消息并且网关所侦听的至少一个信道的指示。

如果网关能够接收消息，则连接对象在其信标消息中在网关所指示的信道上向此网关传输消息324。

优选地，连接对象110根据RSSI选择其消息的传送速率323，使得如果RSSI很高则传送速率较高，并且如果RSSI很低则传送速率较低。例如，SX127x芯片使用在射频(RF)物理层级别进行扩频的技术，所述技术是所传输能量被有意地扩展或分布在频域中的传输方法。此技术的目的是确保良好的通信。实际上，最远的连接对象将使用较大的扩展，并且最接近的连接对象将使用较小的扩展。因此，在给定时间内，对于最远的连接对象，数据传送速率将较低，并且对于接近的连接对象，数据传送速率将较大。因此，被定义为扩展带宽与非扩展带宽之比的扩频因子(SF)是传送速率的间接测量结果。因此，RSSI越高，扩频越小，并且SF越低，传送速率越高。由于传送速率较高，因此低SF与更快传输同义。例如，传送速率的数量可能处于1与20之间。优选地，传送速率处于1与10之间。甚至更优选地，在4与8之间。优选地，SF的范围为从7至12。

优选地，对连接对象的消息的发送一结束，连接对象110就切换至侦听模式并且等待接收网关120传输的对射频RF传输的确认325。例如，此确认的目的是例如向连接对象指示已经正确进行RF传输。在另一个示例中，此确认可以包含关于中央服务器130正确传输消息的信息。

优选地，此确认是在与用于传输消息的信道相同的信道上接收的。优选地，确认是以等于或小于传输消息的传送速率的传送速率接收的。优选地，此确认是有用部分包括8个与32个位之间的短消息，优选地，有用部分包括16个位。

如果连接对象110未接收到任何确认，则其可以再次尝试在下一个周期T内发送其消息。连接对象可能未接收到确认的原因可能是不同的：干扰、通信信道的不稳定性、衰落、多个信号反射、不良通信、通信中断、使网关120失去其电源的电流中断等。然而，最常见的原因之一是消息冲突。如果两个连接对象同时传输其消息，则这些消息可能会发生冲突。然后，存在两种可能的场景：所述消息中的一条消息被很好地接收并且另一条消息未被很好地接收，或者所述消息均未被正确接收。在两种情况下，这两个连接对象中的至少一个将不会接收到其确认。在这种情况下，一个或多个连接对象将在随机数量的周期T(此数量例如处于1与3之间)之后重试发送其消息。如果发生新的冲突，则一个或多个连接对象将在大于前一个随机数量的随机数量的周期T之后(例如，在4与8之间)重试。通过使用避免达到公共频带的法定使用限制的多个通信信道使得传递确认的这种能力成为可能。此特征相对于LoRa协议以及专利申请US 2014/0111313中所描述的协议提供了显著的优势。在第一种情况下，尽管网关使用了多个信道，但是网关不能够在不迅速达到法定限制和/或阻塞到所述网关的上行链路消息的情况下对每个连接对象进行响应。在第二种情况下，对频道和时间细分的不良使用意味着连接对象最佳地必须等待其在下一个周期中的下行链路时隙以接收此确认，在包括大量连接对象的网络的情况下，这是很长的时间。

在连接对象110想要验证网关120可能想要向其传递消息并且如果需要的话从网关处接收此消息的情况下，所述网关以从不同网关处接收信标消息开始330。连接对象验证信标消息指示已经传输所述信标消息的网关具有要向连接对象传递的消息331。

优选地，信标消息包括特定于连接对象110的标识符。优选地，对于一组连接对象而言，此标识符可以是共同的。可替代地，所述标识符可以包括对于一组连接对象来说共同的一部分以及特定于每个连接对象的一部分。这使得能够向多组连接对象传递消息或向每个连接对象传递单独的消息。可替代地，可以使用允许直接或间接识别连接对象或一组连接对象的任何方式(在特定时间、以特定加密、在特定信道上等发送消息)。

优选地，来自网关120的信标消息指示在哪个信道上发送消息。优选地，来自网关的信标消息指示用于发送待传递消息的传送速率。如果消息针对连接对象110，则连接对象在由网关指示的信道上接收消息332。

优选地，已经正确接收到消息的连接对象110向网关120传输确认。优选地，此确认是在与用于传输消息的信道相同的信道上接收的。优选地，确认是以等于或小于传输消息的传送速率的传送速率接收的。优选地，此确认是有用部分包括8个与32个位之间的短消息，优选地，有用部分包括16个位。优选地，连接对象在接收到消息之后立即传输其确认。

优选地，当连接对象110没有要发送的消息时，其连续侦听一个或多个信标信道以验证网关120没有要向其传递的消息，或者甚至选择展现出最佳RSSI的网关。可替代地，当连接对象没有任何要发送的消息时，其可以被置于待命并且被周期性地再激活以验证网关没有任何要向其传递的消息。优选地，连接对象在预定义数量的周期T之后被再激活。可替代地，连接对象只有在已经传输消息之后才接收消息。优选地，连接对象在预定义数量的周期T之后(例如，在2个周期之后)接收此消息。

图4示出了根据本发明的在网关120与至少一个连接对象110之间的通信方法的简图。第一步骤包括由网关在周期T中的其传输时间窗口中传输信标消息410。接下来，网关可以接收一条或多条消息，或者其具有要向一个或多个连接对象传递的消息。

在第一种情况下，网关120侦听其已经在其信标消息中指示的一个或多个信道420。接下来，网关可能检测到消息422，然后接收所述消息423。优选地，网关120同时或顺序扫描不同传送速率以检测消息421。这些传送速率取决于消息的SF。由连接对象110发送的消息可以包括前导，并且网关检测前导的至少一部分。

当所接收到的消息已经以高传送速率(换言之，低SF)传输时，传输时间小于半周期T(传送时间<1/2T)，则有可能在同一周期T期间接收第二消息。为此，网关120从时间t＝1/2T开始搜索第二前导。如果网关检测到一个，则其接收第二消息。

优选地，网关传输对射频(RF)传输的确认424。例如，此确认是在接收到消息之后被直接发送的。所述确认还可以是在同一信道上、并且优选地以等于或小于所传输消息的传送速率的传送速率发送的。

在第二种情况下，网关120具有要向一个或多个连接对象110传递的消息。在这种情况下，网关在于同一信标消息中指示的信道上向在信标消息中标识的一个或多个连接对象传输消息431。可替代地，只有在连接对象或一组连接对象本身已经在预定义数量的周期T(例如，两个周期)之前发送了消息，网关才向所述连接对象或一组连接对象发送消息。优选地，信标消息包括所述连接对象或一组连接对象的标识符430。优选地，网关被设置成在已经传输其消息之后直接进行侦听并且等待接收对射频(RF)传输的一个或多个确认432。优选地，此确认是在同一信道上、并且优选地以等于或小于所传输消息的传送速率的传送速率接收的。

图5示出了根据本发明的在多个网关120之间的通信方法的简图。当网关连接至网络100时，必须向所述网关分配时间窗口。为此，网关在至少一个周期T期间侦听一个或多个信标信道510。优选地，网关侦听一个或多个信标信道足够数量的周期T以便能够侦听所有信标信道至少一个周期。一旦已经对一个或多个信标信道进行了侦听，网关就已经检测并接收到来自已经连接至网络的另一个网关的信标消息的至少一个前导的至少一部分520，或者网关还未检测到前导530。

在网关120已经检测并接收到来自已经连接至网络100的另一个网关的信标消息的至少一个前导的至少一部分520的情况下，网关验证存在至少一个可用的时间窗口521。如果至少一个时间窗口可用，则向网关分配此窗口540。接下来，网关在其窗口中传输其信标消息541。如果时间窗口不可用，则网关被置于待命522。优选地，被置于待命的网关在预定数量的周期T之后再次搜索空闲时间窗口。优选地，网关在至少一个周期T之后再次搜索空闲时间窗口。

在网关120尚未检测到任何前导530的情况下，向所述网关分配时间窗口540。接下来，网关在其窗口中传输其信标消息541。

优选地，第一次连接至网络100的网关120向中央服务器130标识其自身，并且优选地向中央服务器发送关于其已经检测到的周围网关的信息。

优选地，第一次连接至网络100的新连接对象110经由网关120例如通过向中央服务器130发送其标识符来向中央服务器标识其自身。优选地，连接对象经由网关接收中央服务器的短标识符以便在其随后的通信中标识自身并且具体地以便交换确认。

可替代地，中央服务器130可以安排时间窗口的顺序。其可以向网关120分配时间窗口。

当网络100包括用于优化时间使用的最大数量的网关120并且引入了新网关时，其找不到任何空闲时间窗口。中央服务器130可以将此网关指定为同伴网关。在这种情况下，新网关不传输信标消息，而是被设置为传输信标消息的另一个网关的附加接收器。中央服务器命令此传输网关在其信标消息中提供同伴信道信息以使连接对象110能够向同伴网关传输消息。在最好的情况下，这使得能够使网络的接收容量翻倍。

优选地，传输消息的连接对象110将为了其通信而在同伴信道与正常信道之间伪随机地进行选择，关于这些信道的信息在信标消息中进行传输。

图6示出了根据本发明的在多个网关120之间的同步方法的简图。优选地，中央服务器130在预定义数量的周期T之后监控并控制网关之间的同步610。优选地，此数量的周期为至少10个周期。

想要被同步的网关120以侦听来自其他网关的信标消息的至少一部分而开始620。在再同步期间，网关因此不会在至少一个周期T、并且优选地不超过四个周期T内传输其信标消息。接下来，从网关已经从其他网关听到信标消息的(部分)的时间起，其计算参考时间630。从此参考时间起，网关调整其时间窗口640以便在正确的时刻传输其信标消息。最后，网关重新开始在其时间窗口中传输其信标消息650。例如，如果考虑了网关的内部时钟的约5ppm的准确度，则对于128s的循环，偏差将为约0.6ms。考虑到其他不确定性，可以采用安全系数3，也就是说，在128s的循环内，偏差将为大约2ms，这构成了可接受的偏差。对于将在其时间窗口中传输其信标消息的网关来说，所有网关都有必要每128s(Tsync)循环再同步至少一次、优选地两次。如果考虑了一组十个网关，则那意味着每个网关每12个信标消息传输周期T关于其他网关同步(换言之，在12个信标消息传输周期中的一个时间，网关不传输其信标消息)，这给出了：12*T≈6.5s并且10*12*T≈64s≈1/2Tsync。

图7示出了实现与如上所述的网关有关的方法的设备。所述设备包括射频(RF)调制解调器(modem)。优选地，此设备包括以太网插头和/或Wi-Fi连接。所述设备可以例如经由电流插座或经由以太网电缆进行供电。优选地，所述设备使用SX127x芯片、并且甚至更优选地如专利申请US2014219329中所描述的SX1276芯片。优选地，此设备在868MHz ISM频带中进行操作。优选地，所述设备具有小于30cm的最大尺寸。

实现与连接对象相关的方法的设备包括射频(RF)调制解调器(modem)。优选地，所述设备包括如电池单元或电池等特定电源。优选地，所述设备使用SX127x芯片、并且甚至更优选地如专利申请US 2014/219329中所描述的SX1276芯片。优选地，此设备在868MHz ISM频带中进行操作。优选地，所述设备与LoRaWAN^TM MAC兼容。优选地，所述设备还与Sigfox^TMMAC兼容。

在专利申请US 2014/0111313中描述的现有技术描述了一种包括网关和连接对象的网络，其中，网关传输周期性信号，所述周期性信号包括：信标消息、用于与连接对象交换数据的时隙、加入请求时隙和加入确认。

这种网络使得不能够将大量连接对象连接至网关、并未最优地使用通信时间、并未利用使用多个数据交换信道的可能性、并且要求连接对象向网关注册。这些问题与周期性信号的结构有关，对于每个网关来说，所述周期性信号向链接至所述网关的每个连接对象分配上行链路和下行链路通信窗口，而无论此连接对象是否具有要传输的消息。为了保证合理的周期性信号周期(大约几十秒)，通信窗口的数量必须受限并且因此连接对象的数量也受限。网络不提供允许大量连接对象向网关传输消息的通信协议。根据本发明的方法借助于网关在为此目的而保留的信标信道中传输单向信标消息来解决这个问题。此信标信号使得能够在时间和频率上组织通信。尽管使用保留信标信道在电信中是公知的，但是并不明显的是，开发如本申请中所描述的信标消息，所述信标消息的结构(前导、对交换信道的指示、网关的可用性)使得能够最优地组织在像868MHz ISM频带的频带内进行的数据交换。这种组织允许连接对象仅在需要时才在信标消息中指定的信道上发送消息。因此，此连接对象不会不断地使用时间窗口并且仅在必要时才连接至网关。因此，有可能将无限数量的连接对象连接至网关。

根据本发明的方法还解决了如对时间的最佳组织以及对通信频率的使用等附属问题。所述方法还允许连接对象不必保持同步以避免在其时隙之外传输或接收数据，并且通过允许对象仅基于对信标信号的传输来这样做。还通过使用信标信道来促进了对网关的添加。实际上，新网关可以通过侦听信标信道来检测其他网关并且可以将结合到传输周期中，从而提高网络的容量。最后，信标信道允许网关关于彼此同步。

本发明的目的之一是解决网络饱和问题并且优化对时间的使用。此目的是借助于对网关在信标信道上传输并且周期性地传输的信标消息的使用来实现的。这些信标消息使得能够通过向连接对象通知用于传输或接收消息的网关的可用性来组织时间。这些消息还允许连接对象选择连接对象将与其具有良好通信的网关。通信程序也很简单，因为连接对象可以在从连接对象接收到信标消息的瞬间起的任何时刻发送消息。最后，网关在没有外部干预的情况下被组织，并且添加网关使得能够(在没有外部干预的情况下)增加网络的容量并且避免网络饱和。

已经关于具体实施例描述了本发明，所述具体实施例仅具有说明性的价值，并且不应被认为是限制性的。总体上，本发明不限于以上所展示和/或所描述的示例。具体地，本发明还涉及上述实施例的技术特征的组合。使用动词“包括(comprise)”、“包括(include)”、“由…组成(compose)”或任何其他变体及其词形变化并不以任何方式排除存在除了所提及的元件之外的元件。使用不定冠词“一个”、“一种”或定冠词“所述”并不排除存在多个这些元件。权利要求中的参考标记在其范围内不受限制。

综上所述，本发明还可以被描述如下。在包括多个连接对象110、网关120和中央服务器130的无线通信网络100中的通信方法。这些元件通过在频道上发送和接收的消息而彼此通信。信道为了由网关周期性地传输信标消息而被保留，这使得能够组织和优化对网络100的使用及其通信时间。

Claims

1.一种在使用各自具有中心频率和带宽的多个信道的无线通信网络(100)中的通信方法，所述网络(100)包括多个连接对象(110)和至少一个网关(120)，所述连接对象(110)和所述至少一个网关(120)能够在所述信道中的每一个中传输和接收消息，这些信道中被称为信标信道的至少一个是为了由所述网关(120)周期性或拟周期性地传输信标消息而保留的单向通信信道，所述信标消息包括：

·前导；

·表明所述网关(120)想要传递消息或者所述网关能够接收至少一条消息的指示；

·对用于交换至少一条消息的至少一个信道的指示；

所述通信方法是通过其实现以下操作的方法，

(A).连接对象(110)通过执行以下步骤向网关(120)传送消息：

1.侦听一个或多个信标信道(310)以检测至少一条信标消息的至少一部分；

2.选择传输可由所述连接对象感知的信标消息的网关(120)；

3.接收由所选网关(120)传输的所述信标消息并且由所述连接对象(110)验证此网关(120)能够接收消息(322)；

4.由所述连接对象(110)在于所述信标消息中指示的至少一个信道上向所述所选网关(120)传输消息(324)；

和/或

(B).连接对象(110)通过执行以下步骤从网关(120)处接收消息：

1.侦听一个或多个信标信道(310)以接收至少一条信标消息(330)；

2.由所述连接对象(110)验证所述网关(120)想要向所述连接对象传递消息(331)；

3.由所述连接对象(110)在于所述信标消息中指示的至少一个信道上接收消息(332)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，权利要求1的步骤(A)1在于侦听一个或多个信标信道以检测信标消息的至少一个前导的至少一部分，所述前导部分使得能够确定传送所述信标消息的所述信号的RSSI(320)，并且其中，在步骤(A)2中选择的所述网关是根据所述RSSI来选择的。

3.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述信标消息进一步包括至少一个连接对象(110)的至少一个标识符，并且其中，权利要求1的步骤(B)2在于由所述连接对象(110)验证包含在所述信标消息中的所述至少一个标识符是其自己的(331)。

4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，权利要求1的步骤(A)包括附加步骤：根据所述RSSI选择所述传送速率(323)以便使此速率在所述RSSI很高时较高并且在所述RSSI较低时较低，此步骤在步骤(A)3与(A)4之间执行。

5.如权利要求4所述的方法，其中，在执行步骤(A)4之前，所述连接对象(110)等待作为所选传送速率的函数的一段时间。

6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(A)和/或(B)分别包括在与用于所述传输或用于所述接收的信道相同的信道上接收和传输确认(325，333)的步骤，此步骤在对消息的所述传输或所述接收之后执行。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述确认是对射频传输的确认并且在对消息的所述接收之后被直接发送。

8.如权利要求4和5中任一项以及权利要求6和7中任一项所述的方法，其中，所述确认是以等于或小于所述所接收或所传输消息的传送速率的传送速率来传输或接收的。

9.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤(A)2中选择的所述网关(120)是具有最高RSSI的网关(120)。

10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤(A)2中选择的所述网关(120)是具有高服务质量(QoS)的网关(120)。

11.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网络(100)进一步包括中央服务器，所述中央服务器能够向连接对象分配网关(120)。

12.一种包括射频调制解调器的设备，其特征在于，所述设备实现如权利要求1至11中任一项所述的程序。

13.一种在使用各自具有中心频率和带宽的多个信道的无线通信网络(100)中的通信方法，所述网络(100)包括多个连接对象(110)和至少一个网关(120)，所述连接对象(110)和所述至少一个网关(120)能够在所述信道中的每一个中传输和接收消息，这些信道中被称为信标信道被称为信标信道的至少一个是为了由所述网关(120)周期性或拟周期性地传输信标消息而保留的单向通信信道，所述信标消息在特定于每个网关(120)的时间窗口中传输并且包括：

·前导；

·对用于交换至少一条消息的至少一个信道的指示；

所述通信方法是通过其实现以下操作的方法，

(A).网关(120)在其时间窗口中传输传送信标消息的信号(410)；

(B).网关(120)从连接对象(110)处接收至少一条消息：

1.所述网关(120)侦听在所述信标消息中分配的一个或多个信道以检测消息(420)：

2.所述网关(120)接收一条或多条消息(423)；

和/或

(C).网关(120)在于所述信标消息中指示的所述至少一个信道上向至少一个连接对象(110)发送至少一条消息(431)。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述信标消息进一步包括至少一个连接对象(110)的至少一个标识符，并且其中，在权利要求13的步骤(C)中向其发送消息的所述至少一个连接对象(110)由至少一个标识符标识。

15.如权利要求13和14中任一项所述的方法，其中，权利要求13的步骤(B)1由以下操作组成：所述网关(120)同时或顺序地扫描不同传送速率(421)并且侦听在所述信标消息中分配的一个或多个信道以检测消息(422)。

16.如权利要求15所述的方法，其中，由所述连接对象(110)发送的所述消息包括前导，并且其中，权利要求13的步骤(B)1由以下操作组成：所述网关(120)扫描不同传送速率并且侦听在所述信标消息中分配的一个或多个信道以检测前导的至少一部分。

17.如权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，步骤(B)和/或(C)分别包括在与用于所述接收或用于所述传输的信道相同的信道上传输和接收确认的步骤，此步骤在对消息的所述接收或所述传输之后执行(424，432)。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述确认是对所述RF传输的确认并且在对消息的所述接收之后被直接发送。

19.如权利要求15以及权利要求17和18中任一项所述的方法，其中，所述确认是以等于或小于所述所接收或所传输消息的传送速率的传送速率来传输或接收的。

20.一种包括射频调制解调器的设备，其特征在于，所述设备实现如权利要求13至19中任一项所述的程序。

21.一种在使用各自具有中心频率和带宽的多个信道的无线通信网络(100)中的通信方法，所述网络(100)包括多个连接对象(110)和一组网关(120)，所述连接对象(110)和所述网关(120)能够在所述信道中的每一个中传输和接收消息，这些信道中被称为信标信道的至少一个是为了由所述网关(120)周期性或拟周期性地传输信标消息而保留的单向通信信道，所述信标消息在特定于每个网关(120)的时间窗口中传输并且包括：

·前导；

·对用于交换至少一条消息的至少一个信道的指示；

所述通信方法是通过其通过执行以下步骤使时间窗口与网关(120)相关联的方法：

(A).由所述网关(120)在至少一个完整的信标消息传输周期期间侦听一个或多个信标信道(510)；

(B).所述网关(120)检测前导的至少一部分并且至少一个时间窗口可用(521)，所述网关(120)选择这些窗口之一(540)并且所述网关(120)传输其信标消息(541)；

(C).或者所述网关(120)检测前导的至少一部分并且时间窗口不可用(521)，所述网关(120)被设置为待命(522)；

(D).或者所述网关(120)未检测到前导，所述网关选择时间窗口(540)并且所述网关传输其信标消息(541)。

22.如权利要求21所述的方法，其中，在步骤(B)中被设置为待命的网关在至少一个信标消息传输周期之后被重新激活并且重新开始步骤(A)、(B)和/或(D)。

23.如权利要求21和22中任一项所述的方法，其中，所述网络(100)进一步包括中央服务器，所述服务器确定所述网关(120)中的每一个的所述时间窗口的顺序。

24.如权利要求21至23中任一项所述的方法，其中，所述网络(100)进一步包括中央服务器，所述服务器向所述网关(120)分配所述时间窗口。

25.如权利要求21至24中任一项所述的方法，其中，所述网络(100)进一步包括中央服务器，所述服务器向网关分配同伴信道，此同伴信道仅允许所述网关(120)在由另一个网关(120)使用的时间窗口中接收消息。

26.如权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，网关(120)是通过执行以下步骤来再同步的：

·在至少一个完整的信标消息传输周期内侦听来自其他网关(120)的信标消息的至少一部分(620)；

·所述网关(120)根据所接收到的一条或多条信标消息来计算参考时间(630)；

·所述网关(120)调整其时间窗口(640)。

27.如权利要求21至26中任一项所述的方法，其中，所述网络(100)进一步包括中央服务器，所述服务器在预定数量的信标消息传输周期之后控制和发起对每个网关(120)的同步(610)。