CN108352849B - 用于无线传感器网络的模块化基站架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够满足大规模部署无线传感器网络所引起的挑战的网关架构(500)。用于无线传感器网络的这种网关内的主要模块(501、502、503、504)——例如数字无线电调制解调器(505)和模拟无线电接口模块(504)——采用可以连接在一起的各种分离的物理块的形式。该技术使得可以通过简单地更换现有的物理块或添加新的物理块来实施适应性强且可扩展的模块化网关，该网关可以快速且容易地配置或适用于任何情况。

Description

用于无线传感器网络的模块化基站架构
1、技术领域
本发明的领域是物联网的领域。更具体地，本发明涉及一种允许(特别是大规模地)部署无线传感器网络的网关架构，并且涉及这种网络与其他网络诸如例如因特网的互连。
2、现有技术
物联网正在迅速发展。这种发展伴随着延伸超出了家庭或企业的传统范围并且集成在更大的基础设施中的新应用的出现。具体地，“智慧城市”的概念属于这种发展的范畴。通过大规模部署无线传感器网络或其他通信对象，向个人或负责市政管理的管理机构提供新服务成为可能。可能性的范围是广泛的。以这种方式，街道照明可以例如通过在任何给定时间适配道路交通状况来优化。也可以通过使用每个停车位中集成的传感器实时通知驾驶员可用停车位来促进停车管理。这有助于例如减少车辆燃料消耗，并且从而有助于减少污染。
这些无线传感器网络的部署对移动电话运营商来说意味着特别有吸引力的发展机会。在实践中，移动电话运营商以理想的方式定位：首先，他们已经在大规模无线网络部署领域中发展了专业知识，并且其次他们已经拥有用于将这种网络部署到位的必要基础设施。例如，移动电话中使用的中继天线的安装地点(天线塔、杆、高点等)也可以用于容纳用于无线传感器网络的运作的天线和基站。这些基站的功能是从存在于其覆盖(无线电接入)区域内的无线传感器接收数据以及向该无线传感器传输数据，而且还将这些数据转发到用于处理数据的设施，例如可以在基于IP的网络(IP：“因特网协议”)上访问的服务器。基站还在无线传感器网络与其他网络例如广域网络诸如因特网之间实现了接口作用，并且因此也被描述为“网关”。
许多无线电接入技术可用于部署无线传感器网络。仅以说明的方式而非限制的方式，可以提及专门基于不同类型调制的LoRaTM、SigfoxTM或WM-bus(“无线仪表总线”)技术。这些技术可以使用各种类型的天线(扇形、极化、全向等)在不同的无线电频段(例如在私人频段，取决于获得的许可；或者在不受限制的频段，诸如ISM波段)运作。因此，存在多种可能的配置，并且优选的技术方案的确定通常源于对许多标准的评估。因而，部署区域的地形、待处理的传感器的密度、和目标服务质量以及所考虑地域的现行法规(例如美国与法国之间不受限制的频段不同)都是在部署无线传感器网络时要考虑的诸因素中的因素。
用于部署无线传感器网络的现有网关具有有限的可扩展性：通常，它们被设计为用于在单个无线电频段中管理单一类型的无线电接入技术。就天线的可能配置而言，这些网关通常仅提供有限的连接性，或者甚至可以规定所供应的天线的使用。最后，在大多数情况下，它们只能管理与另一网络(例如诸如因特网)的单一类型的接口(例如硬接线，或WiFi，或3G/4G)。虽然这些网关特别适合以小规模或中规模部署无线传感器网络——在相对固定且封闭式管理的应用的环境下——但是它们不再适用于在非常广泛且持续变化的区域中部署无线传感器网络——例如整个城市的规模——其中需要高度的响应性和适应性。因此，响应于网络升级的最低要求而必须完全被取代的这些现有的网关不能调解与物联网的专用网络的预定扩展相关联的各种问题：在单个地域内待管理的传感器的数量的不断大幅增加、待适应的无线电接入技术的多样性、所使用的频段的多样性、待管理的天线类型的多样性等。
因而需要一种用于无线传感器网络或其他通信对象的新型网关，其提供足够的适应性以允许大规模物联网的解决方案供应商以简单且快速的方式以适中的成本升级已经部署的网络；还需要将解决方案从一个地域简便地转换到另一个地域，而不管这些地域之间可能存在的差异(地形的、法规的等)如何，以便对这些新地域的规定和期望提供更容易的响应。
3、发明内容
所提出的技术通过用于无线传感器网络的模块化网关架构提供了一种消除现有技术中的这些问题中的至少一些问题的解决方案。
根据第一方面，所提出的技术涉及一种根据预先选择的无线电接入技术对数字信号进行调制和解调的数字无线电调制解调器，其中所述数字无线电调制解调器的特征在于其包括保护框架和布置在所述框架内的多个通信接口。
因而，根据所提出的技术的数字无线电调制解调器未集成在例如印刷电路中：该数字无线电调制解调器具有其自己的专用框架，在该框架中布置有不同的通信接口。以这种方式，数字无线电调制解调器在使用中提供了一定程度的灵活性：其构成独立的物理单元，可以与用于无线传感器网络的网关的部署一起容易地组装或拆卸。
在所提出的技术的实施方案的特定形式中，所述多个通信接口包括与辅助设备对接的至少第一通信接口以及与模拟无线电接口模块对接的至少第二通信接口。
数字无线电调制解调器因而具有至少两个通信接口。
第一通信接口允许其与辅助设备的连接，该辅助设备可以是相同类型的设备(即，另一个根据所提出的技术的数字无线电调制解调器)或另一类型的设备(例如控制设备、电力供应设备或用于管理与另一个通信网络的连接的设备)。在第一种情况下，数字无线电调制解调器通过所述设备的相应第一通信接口的配合而相互连接。在第二种情况下，根据所提出的技术的数字无线电调制解调器所连接的辅助设备本身包括允许其与数字无线电调制解调器上的所述至少一个第一通信接口的配合的至少一个通信接口。该第一通信接口采取例如SPI(“串行外围接口”)连接器的形式。以这种方式，如此连接的设备共享至少一个共同的数据总线。
第二通信接口允许数字无线电调制解调器连接至模拟无线电接口模块。以这种方式，通过这两个独立的物理块的组合，可以构成一无线电接口设备，该无线电接口设备通过添加天线而允许从至少一个远程传感器接收数据以及向该至少一个远程传感器传输数据。该第二通信接口也可以采取SPI(“串行外围接口”)连接器的形式，因而一旦它们相互连接，就允许在这两个元件之间构成数据总线。
在所提出的技术的实施方案的另一特定形式中，数字无线电调制解调器包括与辅助设备对接的至少两个第一通信接口，其中这些通信接口构成所述数字无线电调制解调器所采用的至少一个数据总线的终端，用于向至少一个辅助设备传输数据和/或从该至少一个辅助设备接收数据。
以这种方式，由于该至少两个第一通信接口的存在，可以互连多个根据所提出的技术的数字无线电调制解调器，而且还可以将多个数字无线电调制解调器与其他类型的可兼容辅助设备互连，使得如此连接的所有设备共享至少一个共同的数据总线。
在所提出的技术的实施方案的又一特定形式中，数字无线电调制解调器的特征在于，所述预先选择的无线电接入技术包括在包括以下的组中：
-LoRaTM技术；
-SigfoxTM技术；
-WM-BUS技术。
因而，根据所提出的技术的数字无线电调制解调器尤其适用于物联网发展的环境，即基于优化的通信协议的无线通信网络的部署，以使所采用的传感器和其他通信对象的耗电量最小化。
在所提出的技术的实施方案的另一特定形式中，该预先选择的无线电接入技术选自所述数字无线电调制解调器内的一系列预定义的无线电接入技术。
以这种方式，单个数字无线电调制解调器可以适应不同的无线电接入技术，并且因而可以通过简单的配置步骤在不同的环境中以不同的方式被采用。具体地，这允许优化制造成本，并且便于这些设备的安装。
根据第二方面，所提出的技术涉及一种模拟无线电接口模块，其包括保护框架、用于至少一个天线的连接装置以及与如上所述的数字无线电调制解调器对接的至少一个第三通信接口，其中所述用于至少一个天线的连接装置和所述至少一个第三通信接口布置在所述框架内。
因而，模拟无线电接口模块未被集成在例如印刷电路中：该模拟无线电接口模块具有专用框架，在该专用框架内布置与根据所提出的技术的数字无线电调制解调器对接的至少一个通信接口。以这种方式，根据所提出的技术的模拟无线电接口模块构成独立的物理块，因而在其使用中提供了明显程度的灵活性：该模拟无线电接口模块可以与一个或多个数字无线电调制解调器容易地断开和重新连接。该模拟无线电接口模块还包括用于至少一个天线的连接装置，从而使该模拟无线电接口模块适用于不同天线配置的管理。
根据又一方面，所提出的技术涉及一种用于从至少一个无线传感器接收数据以及向该至少一个无线传感器传输数据的无线电接口设备，该无线电接口设备包括至少一个上述类型的数字无线电调制解调器和上述类型的模拟无线电接口模块。模拟无线电接口模块与所述至少一个数字无线电调制解调器通过其第二通信接口和第三通信接口的配合而连接。
以这种方式，根据所提出的技术，可以通过相同类型的一个或多个数字无线电调制解调器(采用相同的无线电接入技术)与模拟无线电接口模块的组合来构成无线电接口设备。这些不同的物理块各自具有专用框架(包括辅助通信接口)的事实提供了具有高度模块性的解决方案。因而可以通过简单的选择待组合的一种类型的数字无线电调制解调器和一种类型的模拟无线电接口模块来实现对很多情况的非常简单的适配。数字无线电调制解调器类型的选择因而允许对待采用的无线电接入技术的限定(取决于由该数字无线电调制解调器所提供的功能，简单的软件配置可能就足够了)。模拟无线电接口模块类型的选择允许首先限定待用于无线电传输的频段，并且其次限定待使用的天线配置类型(扇形、极化或全向天线等)。
在实施方案的特定形式中，这种类型的无线电接口设备包括与相同的无线电接入技术相关联的多个根据所提出的技术的数字无线电调制解调器，其中构成所述多个数字无线电调制解调器的数字无线电调制解调器通过它们的第一通信接口相互连接。
因而可以进行多个相同类型的根据所提出的技术的数字无线电调制解调器的容易的相互连接，并且将如此形成的组合与单个模拟无线电接口模块相关联。以这种方式，可以通过简单地向现有设备添加辅助数字无线电调制解调器来增加无线电接口设备的负载容量：根据所提出的技术的解决方案因而允许例如在单个天线的覆盖范围内对给定地域内待管理的无线传感器的数量的增加作出非常简单的响应。
根据又一方面，所提出的技术涉及一种用于至少一个无线传感器网络与至少一个广域通信网络的互连的网关，其中所述网关的特征在于其包括：
-至少一个根据所提出的技术的无线电接口设备；
-与所述至少一个广域通信网络对接的至少一个辅助接口设备，其中所述辅助设备包括至少第四通信接口，其中所述辅助设备通过所述第四通信接口与所述无线电接口设备的数字无线电调制解调器上的第一通信接口的配合而与所述至少一个无线电接口设备连接。
以这种方式，通过无线电接口设备(它们本身通过数字无线电调制解调器与模拟无线电接口模块的简单组合获得)的简单组合，可以构成允许至少一个无线传感器网络与至少一个其他广域通信网络的互连的网关，其中至少一个可兼容的辅助设备管理对广域网络的接入。同时存在于辅助设备上和无线电接口设备内包括的数字无线电调制解调器上的通信接口通过构成共同的数据总线(例如SPI类型的)而允许所有这些元件的互连。也设置有可兼容通信接口的其他类型的辅助设备也可以允许接入该共享的数据总线，从而完成网关的构造：作为示例，可以参考用于向整个网关传递电力供应的辅助设备，或者用于监控网关中所包括的所有其他辅助设备和无线电接口设备的运作并且用于控制在所有这些不同元件之间执行的数据交换的辅助控制设备。
在实施方案的特定形式中，这种类型的网关包括多个根据所提出的技术的无线电接口设备，其中所述多个无线电接口设备中的所述无线电接口设备通过所述多个无线电接口设备的数字无线电调制解调器的第一通信接口的配合而相互连接。
因而，第一网关可以包括多个根据所提出的技术的无线电接口设备的串，并且因而适用于更多的情况。以这种方式，例如，可以在单个网关中组合基于异构无线电接入技术的无线电接口设备。这种连接的灵活性还允许构成能够管理若干个不同频段的网关。这还允许例如为了获得优越的地域覆盖范围的分区部署。自然地，所有这些示例仅以说明的方式而非限制的方式提供，并且本领域技术人员将意识到由根据所提出的技术构成的网关所提供的多种配置选项。
上述实施方案的不同形式能够相互组合以用于本发明的部署。
4、附图说明
本发明的进一步的特征和优点将通过仅以说明的方式而非限制的方式提供的本发明的实施方案的优选形式的以下描述以及随附附图而明确，在附图中：
-图1示出了用于部署无线传感器网络的网关中的主要模块的简化视图；
-图2a和图2b示出了所提出的技术的实施方案的特定形式的数字无线电调制解调器的不同视图；
-图3a和图3b示出了所提出的技术的实施方案的特定形式的模拟无线电接口模块的不同视图；
-图3c和图3d示出了所提出的技术的实施方案的另一特定形式的模拟无线电接口模块的不同视图；
-图4a示出了根据所提出的技术的实施方案的特定形式的在进行安装模拟无线电接口模块与数字无线电调制解调器的示例，从而构成无线电接口设备；
-图4b示出了根据所提出的技术的实施方案的另一特定形式的安装模拟无线电接口模块与多个互连的数字无线电调制解调器的块的示例，从而构成无线电接口设备；
-图5a至图5c以实施方案的特定形式示出了通过根据所提出的技术的数字无线电调制解调器、辅助设备和模拟无线电接口模块的组合获得的用于部署无线传感器网络的网关的不同示例。
5、具体实施方式
所提出的技术涉及一种用于在无线布置中部署传感器网络或其他通信对象的新型基站架构。在整个文件中，这种类型的基站还被描述为“网关”，并且无差别地使用术语“无线传感器网络”来表示无线传感器的网络或——可能更复杂的——无线通信对象的网络。所提出的架构基于将网关的关键的传统功能分成不同的物理块，每个物理块具有其自己的专用框架，在每个框架内布置有不同的通信接口，使得这些不同的物理块能互连。这种设计不仅允许“定制”网关的简单且快速的构成，因而允许满足许多不同类型的需求；而且可以赋予这些网关高度的模块性和可扩展性。所提出的架构允许一个物理块非常简便地被另一物理块替换，或者将另外的物理块添加到已经构成的网关。为此目的，这种架构特别适合于大规模无线传感器网络的部署(但是它也可以用于小规模部署无线传感器网络的情况)。
5.1、网关的组成元素的描述
参考图1，示出了用于无线传感器网络的网关中部署的主要模块的简化示意图。这种类型的网关(100)包括：
-与无线传感器网络对接的第一接口模块(110)；
-与另一网络对接的至少一个第二接口模块(120)，该另一网络例如本地IP网络或广域网络诸如因特网；
-控制模块(130)，其被设计为控制上述接口模块。
与无线传感器网络对接的第一接口模块(110)构成网关的无线接入设备。它被设计为经由无线电传输通道在网关与无线传感器之间执行数据交换。它包括以下主要子模块：
-天线(111)，其被设计为辐射或捕获用于传送待交换的数据的无线电波；
-模拟无线电接口模块(112)，其构成前端模拟射频系统，负责在无线电传输所采用的频段中对由天线传递或供应给天线的模拟信号执行处理功能(这些处理功能可以涉及滤波、频率转换、功率放大等)；模拟无线电接口模块还执行模数转换功能(在接收到来自传感器的数据时)和数模转换功能(在向传感器传输数据时)；
-数字无线电调制解调器(113)，其根据所采用的无线电接入技术特别地允许数字信号的调制和解调，例如通过数字信号处理器(DSP)。
在用于无线传感器网络的大多数现有网关中，这些元件通常由存在于同一电子电路板上的电子电路来实现，或者至少集成在相同的框架中(除了天线之外，天线或者固定至所述框架，或者通过布置在所述框架内的专用连接器连接至所述框架)。这种先进的集成使得这些网关适合于满足非常具体的要求(用于使用给定无线电接入技术，在给定频段内)，但是不能满足与部署大规模无线传感器网络相关联的适应性和可扩展性的要求。
5.2、所提出的技术的一般原则
本文描述的技术致力于通过以下来至少部分地解决该问题，首先无线电接口设备的模拟模块(即构成前端模拟系统的模拟无线电接口模块)和数字模块(即数字无线电调制解调器)的不同框架(或外壳)的物理分离；其次用于多个无线电接口设备不仅是彼此之间还有与辅助设备诸如控制设备或与广域网络对接的接口设备的简单连接的装置的部署。所提出的技术的一般原理因而涉及将用于无线传感器网络的网关中部署的主要模块分离为可以相互组合的独立的物理块。通过该技术，因而可以通过简单地替换现有的物理模块或添加新的物理模块来部署用于无线传感器网络的模块化且可扩展的网关，该网关可以快速且容易地配置或调整以对任何类型的情况作出响应。
5.3、数字无线电调制解调器
为此目的，根据所描述的技术的第一方面，提出了一种用于数字信号的调制和解调的设备(在本文的其余部分中还描述为数字无线电调制解调器)。该数字无线电调制解调器被配置为使用预先选择的无线电接入技术例如LoRaTM、Sigfox TM或WM-Bus技术进行运作，所有这些技术都特别适用于无线传感器网络的部署。调制解调器包括框架，该框架保护调制解调器运作所需的电子器件，并且从而构成独立的物理块。多个通信接口布置在所述框架内，从而允许数字无线电调制解调器非常简单地连接至系统的其余部分或与系统的其余部分断开。这里以及在文件的其余部分中，术语“通信接口”被理解为包括用于多个电子设备的相互物理互连的物理类型的接口。这些通信接口可以例如采取串行连接器(诸如SPI(串行外围接口)连接器)的形式，这些串行连接器允许构成在所有如此互连的设备之间共享的共同的数据总线。
在所提出的技术的实施方案的特定形式中，数字无线电调制解调器包括与辅助设备对接的至少第一通信接口以及与模拟无线电接口模块对接的至少第二通信接口。
存在于数字无线电调制解调器上的第一通信接口允许其与辅助设备的连接，该辅助设备可以是相同类型的设备(即，另一个根据所提出的技术的数字无线电调制解调器)或另一类型的设备(例如，控制设备、电力供应设备或用于管理与另一网络的另一类型的接口——例如以太网、WiFi或3G/4G——的设备)。在第一种情况下，数字无线电调制解调器通过分别存在于每个所述设备上的第一通信接口的配合而相互连接。在第二种情况下，数字无线电调制解调器所连接的辅助设备是“可兼容的”设备，设备本身包括至少一个通信接口，该至少一个通信接口允许其与根据所提出的技术的数字无线电调制解调器上的第一通信接口的配合。这些通信接口可以例如采取SPI连接器的形式，并且因而一旦设备连接，就有助于构成设备共享的共同的数据总线。
存在于数字无线电调制解调器上的第二通信接口允许其与可兼容的模拟无线电接口模块(如本文后面所述的)的连接。以这种方式，可以构成无线电接口设备，其通过简单地添加一个或多个天线而允许从至少一个远程无线传感器接收数据以及向该至少一个无线传感器传输数据。作为示例，该第二通信接口也可以采用SPI连接器的形式。
在所提出的技术的实施方案的特定形式中，数字无线电调制解调器包括与辅助设备对接的至少两个第一通信接口，从而允许其与至少两个辅助设备的通信。这些通信接口分别位于至少一个数据总线的终端处，从而允许所述数字无线电调制解调器与辅助设备交换数据。以这种方式，单个数字无线电调制解调器可以与多个辅助设备连接，该多个辅助设备可以是相同类型的其他设备(即其他根据所提出的技术的数字无线电调制解调器)或其他可兼容设备。因而可以构成多个设备的串，使得多个设备均共享至少一个共同的数据总线(例如，SPI总线)，从而允许在如此互连的所有设备之间相互交换数据。优选地，“可兼容的”辅助设备(而不是数字无线电调制解调器)也包括至少两个通信接口，该至少两个通信接口被设计为与根据所提出的技术的数字无线电调制解调器的第一通信接口配合，使得可以以任何顺序互连各种设备。
在所提出的技术的实施方案的另一特定形式中，在软件方面可以从所述数字无线调制解调器中的一组预定义的无线电接入技术(即，预先参数化的、预先注册的或可访问的)中选择在数字无线电调制解调器中部署的无线电接入技术。数字无线电调制解调器因而包括足够的用于管理多种类型的数字调制和解调的板上电子器件；在软件方面，可以配置其将采用的类型。以这种方式，单个数字无线电调制解调器可以适应不同的无线电接入技术，并且因而可以在不同的环境下以不同的方式使用。这还可以允许优化这些设备的制造成本。
5.4、模拟无线电接口模块
根据又一方面，所提出的技术还涉及一种模拟无线电接口模块。该模块——其用作适配无线电传输所采用的频段的前端模拟系统——被设计为与至少一个根据所提出的技术的数字无线电调制解调器一起使用。该模拟无线电接口模块包括框架，该框架包括用于其运作的必要电子器件，并且从而构成独立的物理块。该模拟无线电接口模块还包括布置在所述框架内的用于至少一个天线的连接装置，以及与上述类型的数字无线电调制解调器对接的至少一个第三通信接口。
该模拟无线电接口模块的功能是管理对无线电传输所采用的频段的适配，并为适应不同类型的天线(全向、极化或扇形)提供必要的连接性。此外，取决于根据所提出的技术的模拟无线电接口模块的实施方案的不同特定形式，该模块所适应的频段、第三通信接口的数量以及用于所述至少一个可用天线的连接装置的类型可以变化。所提出的技术从而提供了对以独立的物理块的形式配置的广泛范围的模拟接口模块的接入，模拟接口模块可以根据待采用的频段和待采用的天线的类型两者与一个或多个数字无线电调制解调器配合，以允许覆盖任何类型的情况。
5.5、无线电接口设备
根据又一方面，所提出的技术还涉及一种用于从至少一个无线传感器接收数据以及向该至少一个无线传感器传输数据的无线电接口设备。这种类型的无线电接口设备包括以下：
-至少一个根据所提出的技术的数字无线电调制解调器；
-根据所提出的技术的模拟无线电接口模块。
通过所述第二通信接口和第三通信接口的配合，模拟无线电接口模块与所述至少一个数字无线电调制解调器连接。
因而可以通过根据所提出的技术的至少一个数字无线电调制解调器与模拟无线电接口模块的组合来构成无线电接口设备。这些元件中的每一个均具有专用框架(包括辅助通信接口)的事实允许实现高度模块化的解决方案。因而通过简单地选择待组合的物理块，即选择待组合的数字无线电调制解调器以及选择待组合的模拟无线电接口模块，可以简便地适配大量情况。数字无线电调制解调器的选择因而允许限定待采用的无线电接入技术(取决于由该数字无线电调制解调器提供的功能，简单的软件配置可能就足够了)。模拟无线电接口模块的选择允许首先限定待用于无线电传输的频段，并且其次限定待采用的天线构造的类型(扇形、极化或全向天线等)。
在所提出的技术的实施方案的特定形式中，无线电接口设备包括多个根据所描述的技术的数字无线电调制解调器。在这种情况下，这些数字无线电调制解调器均是相同类型的(采用相同的无线电接入技术)，并且通过其第一通信接口相互连接。因此，简便地进行无线电接口设备的构成或缩放，使得其具有一致的尺寸以响应在由相同天线覆盖的给定地域内待管理的无线传感器的数量的增加。实际上，所提出的技术允许多个数字无线电调制解调器的简单的相互连接，以及由此形成的单元与单个模拟无线电接口模块的关联。以这种方式，可以通过向现有设备简单地添加辅助数字无线电调制解调器来增加无线电接口设备的负载容量。
5.6、用于无线传感器网络的网关
所提出的技术还涉及一种用于无线传感器网络的网关。该网关特别地允许至少一个无线传感器网络与至少一个其他广域通信网络的互连，并且为此目的包括用于与所述无线传感器的数据交换的至少一个上述类型的无线电接口设备，以及与广域通信网络对接的至少一个辅助接口设备。辅助设备是本文中已经介绍的类型的可兼容设备，并且因而包括至少一个通信接口，用于其与包括在无线电接口设备中的数字无线电调制解调器上的第一可用通信接口的连接。同样设置有可兼容通信接口的其他类型的辅助设备也可以集成在网关中：作为示例，可以参考用于向整个网关传递电力供应的辅助设备，或者用于监控包括在网关中的所有其他辅助设备和无线电接口设备的运作并且用于控制在所有这些不同元件之间执行的数据交换的辅助控制设备。
在实施方案的特定形式中，根据所提出的技术的单个网关可以包括多个无线电接口设备，其通过包括在每个无线电接口设备中的数字无线电调制解调器内可用的第一通信接口的配合而相互连接。以这种方式，可以例如在单个网关中组合基于异构无线电接入技术的无线电接口设备。这种连接的灵活性还允许构成能够管理不同频段的网关。这还允许例如为了获得优越的地域覆盖范围的分区部署。自然地，所有这些示例仅以说明的方式而非限制的方式提供，并且本领域技术人员将意识到由根据所提出的技术构成的网关所提供的多种配置选项。
5.7、所提出的技术的实施方案的特定形式的描述
参考图2至图5的系列，描述了所提出的技术的示例性实施方案，其允许实现模块化且可扩展的网关的目的，该网关能够提供对由部署大规模无线传感器网络引起的问题作出响应。
5.7.1数字无线电调制解调器
参考图2a和图2b，呈现了根据所提出的技术的实施方案的特定形式的数字无线电调制解调器(200)的不同视图。在仅以说明的方式而非限制的方式提供的该示例中，该数字无线电调制解调器(200)包括具有整体上平行六面体设计的保护框架(201)，包括以下：
-在其表面中被描述为“上表面”(202)的一个表面上的两个凸SPI连接器(203、203’)；
-在被描述为“下表面”(204)的与所述上表面相反的表面上的两个凹SPI连接器(205、205’)，其被设计为当这些设备连接时，与根据所描述的实施方案的形式的另一数字无线电调制解调器的两个形SPI连接器(203、203’)配合。
凸SPI连接器(203、203’)和凹SPI连接器(205、205’)形成布置在框架内部的至少一个SPI(串行外围接口)数据总线的相应终端，数字无线电调制解调器采用该至少一个SPI数据总线来向其他辅助设备(其可以具体地是根据本文描述的实施方案的特定形式的其他数字无线电调制解调器)传输数据以及从该其他辅助设备接收数据。
此外，框架包括在其侧表面中被称为“后表面”(206)的一个表面上的至少一个另外的SPI连接器(207)和至少一个同轴连接器(208)。如下文所述，这些连接器被设计为与存在于模拟无线电接口模块上的辅助连接器配合。
5.7.2模拟无线电接口模块
参考图3a至图3d，现在将呈现模拟无线电接口模块的两个示例，其被设计为与一个或多个根据所描述的实施方案的特定形式的数字无线电调制解调器配合。
图3a和图3b示出了根据所提出的技术的实施方案的特定形式的被设计为与数字无线电调制解调器配合的模拟无线电接口模块(300)的第一示例的不同视图。在仅以说明的方式而非限制的方式提供的该示例中，该模块(300)包括具有大体上平行六面体设计的保护框架(301)，并且包括以下：
-在其表面中被描述为“后表面”(302)的一个表面上的至少一个同轴连接器(303)，其被设计为用于连接至少一个天线。
-在被描述为“前表面”(304)的与所述后表面相反的表面上的至少一个SPI连接器(305)和至少一个同轴连接器(306)，其中这些连接器(305、306)被设计为分别与存在于上述类型的数字无线电调制解调器的后表面上的相应辅助连接器配合。
该模拟无线电接口模块(300)的尺寸和构造被设计为使得，一旦与根据这里所示的实施方案的特定形式的数字无线电调制解调器连接，则通过这两个元件形成的单元构成具有整体上平行六面体的形状的联合块。为此目的，模拟无线电接口模块的前表面(304)具有与数字无线电调制解调器的后表面基本上相同的尺寸。
参考图3c和图3d，呈现了适用于在这里描述的所提出的技术的实施方案的特定形式的环境中使用的模拟无线电接口模块的另外的示例。在实施方案的该特定形式中，模拟无线电接口模块(300’)被设计为不再与单个数字无线电调制解调器配合，而是与多个数字无线电调制解调器(在所示的示例中为四个)配合。该模块的保护框架(301’)具有整体上平行六面体的形状，并且其前表面(304’)与并排布置的数字无线电调制解调器的四个后表面具有基本上相同的尺寸。该模块的尺寸和构造被设计为使得一旦与由四个数字无线电调制解调器组成的块连接，则由所有这些元件形成的单元构成具有整体上平行六面体形状的联合块。模拟无线电接口模块包括在其后表面(302’)上的至少一个同轴连接器，其被设计为用于连接至少一个天线；以及在其前表面上的至少一个连接器，该至少一个连接器被设计为与存在于与所述模块连接的数字无线电调制解调器中的至少一个数字无线电调制解调器的后表面上的至少一个相应的辅助连接器配合。
这些示例仅以示例的方式而非限制的方式提供，并且构造和尺寸被设计为用于与不同数量的数字无线电调制解调器连接的其他类型的模拟无线电接口模块也可以在所提出的技术的环境中部署(例如，与两个互连的数字无线电调制解调器配合的模拟无线电接口模块，或与四个互连的数字无线电调制解调器配合的模拟无线电接口模块)。为简化起见，“N维的模拟无线电接口模块”被限定为专门设计为用于同时与数量为N个的互连的数字无线电调制解调器连接的模拟无线电接口模块。在所提出的技术的实施方案的特定形式中，N维的模拟无线电接口模块的框架的尺寸和构造被设计为使得其前表面的尺寸基本上等于并排布置的数字无线电调制解调器的N个后表面的尺寸。这还允许保留无线电接口设备的整体上平行六面体的形状，即使当单个模拟无线电接口模块与多个数字无线电调制解调器连接时。
5.7.3无线电接口设备
图4a和图4b示出了至少一个根据所提出的技术的数字无线电调制解调器与模拟无线电接口模块的组件的两个示例，以便构成用于从至少一个无线传感器接收数据以及向该至少一个无线传感器传输数据的无线电接口设备。图4a因而示出了一维的模拟无线电接口模块与单个数字无线电调制解调器的连接。图4b示出了三维的模拟无线电接口模块与包括三个数字无线电调制解调器的块的连接，这三个数字无线电调制解调器通过存在于其上表面和下表面上的凸SPI连接器和凹SPI连接器互连。在单个模拟无线电接口模块与多个互连的数字无线电调制解调器连接的情况下，如图4b所示，这些各种数字无线电调制解调器均是相同类型的，即它们采用单种无线电接入技术。模拟无线电接口模块的后表面上的其余可用的同轴连接器(401、401’)用于连接至少一个天线。如此构成的无线电接口设备的任一侧上的其余可用的SPI连接器(402、402’)用于将该无线电接口设备与其他无线电接口设备或其他可兼容的辅助设备(诸如控制设备或用于其他网络的接口设备，例如用于互联网的接口设备)连接。
如此构成的无线电接口设备因而可以适应给定频段下的给定无线电接入技术。也可以通过与其数字无线电调制解调器的组成数量相对应的尺寸来描述该设备(类似于结合模拟无线电接口模块所应用的限定)。因而，在本文的上下文中，三维的LoRaTM 868MHz无线电接口设备是由采用LoRaTM无线电接入技术的三个数字无线电调制解调器的组合构成的无线电接口设备，与在868MHz频段运作的单个模拟无线电接口模块相关联。该尺寸是无线电接口设备能够管理的负载(在无线传感器的数量方面)的指示。
5.7.4网关配置的示例
参考图5a至图5c，呈现了仅以说明的方式而非限制的方式提供的各种网关配置，其可以使用所提出的技术以高度简单的方式部署。
除了数字无线电调制解调器及其相关联的模拟无线电接口模块之外，这些配置还涉及其他辅助设备。这些可以是构成网关架构的必需的或可选的辅助设备。因而，在与图5a相关联的示例所表示的实施方案的一种特定形式中，根据所提出的技术的网关(500)包括辅助控制设备(501)，该辅助控制设备被设计为首先向整个网关传递电力供应，其中该设备例如与传统电力插座连接，或者经由使用PoE(以太网供电)技术的以太网电缆直接供电，并且其次用于控制所有其他辅助设备和无线电接口设备。也可以部署允许与其他本地网络或广域网络进行不同类型的互连(以太网、WiFi、3G/4G等)的辅助接口设备(502)。在这里描述的实施方案的特定形式中，这些辅助设备中的每一个均包括尺寸基本上等于根据所提出的技术的数字无线电调制解调器的尺寸的保护框架。与数字无线电调制解调器的框架一样，这些框架在其上表面和下表面上分别包括至少一个凸SPI连接器和至少一个凹SPI连接器，这些SPI连接器被设计为与另一设备上的SPI连接器配合，其中这些设备被组合。这些凸SPI连接器和凹SPI连接器形成布置在框架内部的至少一个数据总线的相应终端。因而，当多个设备相互组合时，各种SPI连接器的配合允许如此互连的所有设备通过如此建立的共同的通信总线彼此通信。
图5a示出了包括用于从无线传感器接收数据以及向该无线传感器传输数据的四个无线电接口设备(503a、503b、503c、503d)的网关的示例，其中这些无线电接口设备中的每一个包括单个数字无线电调制解调器，各自与单个模拟无线电接口模块相关联。无线电接口设备(503d)例如由数字无线电调制解调器(505)与模拟无线电接口模块(504)的组合构成。这种类型的配置可以包括例如在868MHz频段中适应LoRa无线电接入技术的三个无线电接口设备，其中每个无线电接口设备与扇形天线(三扇形)相关联；以及适应在169MHz频段内的WM-Bus无线电接入技术的无线电接口设备，与全向天线相关联。以这种方式，如此构成的网关能够适应两种类型的无线电接入技术，一种(LoRaTM)用于与所连接的对象进行通信，并且另一种(WM-Bus)用于与电量计或气量计进行通信，例如，用于执行远程读数。如果LoRaTM技术将在另一频段中运作，例如在将现有解决方案转换到不同的无线电通信规则生效的地域的情况下，只需将配置为用于868MHz频段的三个模拟无线电接口模块替换为配置为用于所需频段例如915MHz频段的三个其他模拟无线电接口模块，网关就可以很容易地适应这种新情况。如果在另一示例中LoRaTM技术将在433MHz频段中运作，并且由于任何原因，优选的是应该采用单个全向天线而不是三个扇形天线，配置为用于868MHz频段的三个模拟无线电接口模块可以非常简单地由配置为用于433MHz频段的三维的单个模拟无线电接口模块替换。该网关配置在图5b中示出，其示出了包括用于从无线传感器接收数据以及向该无线传感器传输数据的两个无线电接口设备的网关的示例：第一无线电接口设备，包括与同一模拟无线电接口模块相关联的三个数字无线电调制解调器；以及第二无线电接口设备，其中该无线电接口设备包括与单个模拟无线电接口模块相关联的单个数字无线电调制解调器。
最后，图5c示出了包括用于从无线传感器接收数据以及向该无线传感器传输数据的单个无线电接口设备的网关的示例，其中该无线电接口设备本身包括与单个模拟无线电接口模块相关联的四个数字无线电调制解调器。该无线电接口设备例如与全向天线相关联。在这种情况下，网关只管理单种无线电接入技术，但是大量数字无线电调制解调器能够管理大量传感器。
应该观察到，虽然图5a至图5c中呈现的网关均包括四个数字无线电调制解调器(在可变数量的无线电接口设备之间分配)，但这些只是以说明的方式而非限制的方式提供的示例：根据所提出的技术的网关包括一个或多个数字无线电调制解调器和一个或多个模拟无线电接口模块，其中一个数字无线电调制解调器总是与单个模拟无线电接口模块耦接，但是单个模拟无线电接口模块可以与多个数字无线电调制解调器耦接。
考虑到这些示例，本领域技术人员在模块化和可扩展性两方面将容易地理解所提出的技术提供的潜能。数字无线电调制解调器与模拟无线电接口模块的非常简便的组合以构成无线电接口设备的可能性，以及在相同网关内如此构成的多个无线电接口设备的组合的可能性，为随着大规模无线传感器网络的部署或维护而出现的各种潜在问题提供了一种极好的解决方案。该模块化网关架构可以适应现有的和即将出现的多种无线电接入技术，以及无线电传输所采用的多种频率，不同类型的天线以及对待处理的传感器的数量的适配。
举例来说，下面列出的应用实例展示了所提出的技术对随着大规模传感器网络部署而可能出现的各种情况所提供的可能的响应：
-基于不同协议(例如，LoRaTM网络和WM-Bus网络)同时适应多个无线传感器网络的要求：使用所提出的技术，可以通过适合于待适应的每种无线电接入技术的至少一个无线电接口设备的简单组合来容易地实现多技术无线电接入载体介质(例如，包括一个或多个LoRaTM数字无线电调制解调器的无线电接口设备和包括一个或多个WM-Bus数字无线电调制解调器的无线电接口设备在网关内的组合)。
-使用相同无线电接入技术(例如，在433MHz和868MHz频段同时适应LoRaTM技术)管理用于无线电传输的多个频段的要求：使用所提出的技术，通过适合于待管理的每个频段的至少一个无线电接口设备的组合容易地实现多频段的适应(例如，通过包括433MHz模拟无线电接口模块的LoRaTM无线电接口设备和包括868MHz模拟无线电接口模块的LoRaTM无线电接口设备在网关内的组合)。
-从全向天线向三扇形三天线配置转换(反之亦然)的要求：使用所提出的技术，通过用于待覆盖的每个扇形的相同类型(采用相同无线电接入技术和相同频段)的无线电接口设备的组合来简单地部署扇形，其中这些无线电接口设备中的每一个均连接至专用扇形天线(例如，三个一维的Sigfox 915MHz无线电接口设备的组合)。相反地，也可以非常简单地执行从三扇形配置到单天线配置(全向天线)的转换，例如通过将与每个扇区的无线电接口设备相关联的一维的模拟无线电接口模块替换为全向天线将与其连接的单个三维的模拟无线电接口模块(因而，例如从带有三个一维的Sigfox 915MHz无线电接口设备的配置切换到带有单个三维的Sigfox 915MHz无线电接口设备的配置)。
-无线电接口设备可以适应的负载变化(在传感器的数量方面)的要求：使用所提出的技术，只需将目标无线电接口设备替换为相同类型(采用相同无线电接入技术和相同频段)的但是具有更小的尺寸(如果要管理更少的传感器)或更大的尺寸(如果要管理更多的传感器)的无线电接口设备，就可以调整容量。
-管理与另一广域网络的新型连接(例如，WiFi链路的管理)的要求：使用所提出的技术，通过简单地添加或替换可兼容的辅助设备，可以容易地实现网关连接性选项的可扩展性。
这些示例仅以说明的方式而非限制的方式提供，并且对于本领域技术人员而言显而易见的是，所提出的技术可以对多种情况提供适当的响应，包括其中有必要进行对多个参数的同时适配的复杂情况(例如，无线电接入技术的改变，伴随着频段和要采用的天线类型的改变，以及待管理的传感器的数量的改变)。
5.7.5、其他特征和优点
这里参考根据图2至图5所示的实施方案的特定形式呈现的网关架构来描述其他重要特征。
例如，可能有趣地注意到，不需要外部电缆来连接网关的各个组成物理块(数字无线电调制解调器、相关联的模拟无线电接口模块、辅助设备)：这些不同设备的框架的构造和尺寸被设计为允许通过存在于其各表面上的各种相应的辅助连接器的互锁来进行组装，其中最终组件呈现紧凑且整体上平行六面体的形式，这简化了其在任何类型的环境中的安装和集成。
在实施方案的某些特定形式中，所部署的各种框架还包括旨在确保根据所提出的技术的网关的组成块的有效相互附接特别是用于防止这些块的任何非故意断开的特征。
因此，数字无线电调制解调器和模拟无线电接口模块设置有辅助附接装置。例如，数字无线电调制解调器的框架可以包括一个或多个螺纹孔，这些螺纹孔被设计为容纳穿过所关联的模拟无线电接口模块的框架的辅助翼形螺钉。
数字无线电调制解调器还包括有助于其相互附接或其与辅助设备的附接的装置。这些装置可以采取例如在所述设备的框架上的突起的形式，在该突起中形成有孔，使得一旦网关的各个组成设备互锁，则如此构成的所有孔就相互对齐。然后，这些孔可以允许各种附接装置(螺纹杆和固定件、套环等)通过。
数字无线电调制解调器和辅助设备的框架包括在柜中或在传统保护性机架中附接根据所提出的技术构成的无线传感器网络的网关的装置。
在所提出的技术的实施方案的特定形式中，网关的不同组成物理块的框架，并且特别是模拟无线电接口模块的框架，还被设计为用作法拉第笼，以便保护这些模块免受它们可能暴露于其的任何电磁干扰。在实施方案的另一形式中，用作防护屏障并且起到这种法拉第笼的功能的板可以作为模拟无线电接口模块的盖提供安全性。

Claims (15)

1.一种根据预先选择的无线电接入技术对数字信号进行调制和解调的数字无线电调制解调器(200)，其中，所述数字无线电调制解调器的特征在于，所述数字无线电调制解调器包括具有整体上平行六面体设计的保护框架(201)和布置在所述保护框架(201)内的多个通信接口，其中所述多个通信接口包括：
与辅助设备对接的至少两个第一通信接口，
其中所述第一通信接口中的一个包括：
-在所述保护框架(201)的表面中的被描述为“上表面”(202)的一个表面上的两个凸SPI连接器(203、203’)；
其中所述第一通信接口中的另一个包括：
-在所述保护框架(201)的被描述为“下表面”(204)的与所述上表面(202)相反的表面上的两个凹SPI连接器(205、205’)，所述两个凹SPI连接器被设计为与另一数字无线电调制解调器的两个凸SPI连接器(203、203’)配合，使得当多个数字无线电调制解调器连接时：所述凸SPI连接器(203、203’)和凹SPI连接器(205、205’)构成布置在所述保护框架(201)内部的至少一个SPI数据总线的相应终端，所述数字无线电调制解调器采用所述至少一个SPI数据总线来向与所述数字无线电调制解调器连接的数字无线电调制解调器传输数据以及从与所述数字无线电调制解调器连接的数字无线调制解调器接收数据；
与模拟无线电接口模块对接的至少一个第二通信接口，其中所述第二通信接口包括：
在所述保护框架(201)的侧表面中被称为“后表面”(206)的一个表面上的至少一个另外的SPI连接器(207)和至少一个同轴连接器(208)，所述至少一个另外的SPI连接器和至少一个同轴连接器被设计为与存在于模拟无线电接口模块上的辅助连接器配合。
2.根据权利要求1所述的数字无线电调制解调器，其特征在于，所述预先选择的无线电接入技术选自所述数字无线电调制解调器内的一系列预定义的无线电接入技术。
3.根据权利要求1或2所述的数字无线电调制解调器，具有用于所述模拟无线电接口模块的附接装置的辅助附接装置。
4.根据权利要求3所述的数字无线电调制解调器，其中，所述数字无线电调制解调器的所述保护框架(201)包括一个或多个螺纹孔，所述一个或多个螺纹孔被设计为容纳穿过相关联的所述模拟无线电接口模块的保护框架(301)的辅助翼形螺钉。
5.根据权利要求1或2所述的数字无线电调制解调器，其中，所述数字无线电调制解调器包括有助于所述数字无线电调制解调器与其他数字无线电调制解调器或辅助设备的附接的装置。
6.根据权利要求5所述的数字无线电调制解调器，其中，有助于所述数字无线电调制解调器与其他数字无线电调制解调器或辅助设备的附接的装置包括在所述数字无线电调制解调器的所述保护框架(201)上的突起，在所述突起中形成有孔，使得一旦各个设备互锁，如此形成的所述孔与在所述其他数字无线电调制解调器中或在所述辅助设备中形成的孔对齐。
7.一种模拟无线电接口模块(300)，其特征在于，所述模拟无线电接口模块包括具有整体上平行六面体设计的保护框架(301)、用于至少一个天线的连接装置以及与根据权利要求1所述的数字无线电调制解调器对接的至少一个第三通信接口，其中所述用于至少一个天线的连接装置和所述至少一个第三通信接口布置在所述保护框架(301)内，其中所述用于至少一个天线的连接装置包括：
-在所述保护框架(301)的表面中的被描述为“后表面”(302)的一个表面上的至少一个同轴连接器(303)，所述至少一个同轴连接器被设计用于连接所述至少一个天线，
其中所述与数字无线电调制解调器对接的第三通信接口包括：
-在所述保护框架(301)的被描述为“前表面”(304)的与所述后表面相反的表面上的至少一个SPI连接器(305)和至少一个同轴连接器(306)，其中这些连接器(305、306)被设计为分别与布置在根据权利要求1所述的数字无线电调制解调器的后表面上的相应辅助连接器配合，
其中所述模拟无线电接口模块的所述保护框架(301)的尺寸和构造被设计为使得所述保护框架的所述前表面具有与被设计为并排布置的数字无线电调制解调器的N个后表面基本上相同的尺寸，其中N是大于或等于1的整数。
8.根据权利要求7所述的模拟无线电接口模块(300)，配置用于与根据权利要求1或2所述的数字无线电调制解调器连接，其中所述模拟无线电接口模块的所述保护框架(301)的所述前表面(304)具有与所述数字无线电调制解调器的所述后表面基本上相同的尺寸。
9.根据权利要求7所述的模拟无线电接口模块(300)，配置用于同时与数量为N个的根据权利要求1或2所述的数字无线电调制解调器连接，其中所述数字无线电调制解调器被设计为并排布置并互连，其中所述模拟无线电接口模块的所述保护框架(301)的所述前表面(304)具有与所述数字无线电调制解调器的N个后表面基本上相同的尺寸。
10.根据权利要求7所述的模拟无线电接口模块(300)，其中，所述模拟无线电接口模块的所述保护框架(301)被设计为使得所述保护框架用作法拉第笼。
11.一种用于从至少一个无线传感器接收数据以及向所述至少一个无线传感器传输数据的无线电接口设备，其中，所述设备的特征在于，所述设备包括：
-至少一个根据权利要求1或2所述的数字无线电调制解调器；
-根据权利要求7至9中的一项所述的模拟无线电接口模块，所述模拟无线电接口模块通过所述第二通信接口与第三通信接口的配合与所述至少一个数字无线电调制解调器连接。
12.根据权利要求11所述的无线电接口设备，其特征在于，所述无线电接口设备包括多个与单种无线电接入技术相关联的根据权利要求1或2所述的数字无线电调制解调器，其中所述多个数字无线电调制解调器的所述数字无线电调制解调器通过所述第一通信接口相互连接。
13.一种用于至少一个无线传感器网络与至少一个广域通信网络互连的网关(500)，其中，所述网关的特征在于，所述网关包括：
-至少一个根据权利要求11所述的无线电接口设备，用于与所述无线传感器交换数据；
-与所述至少一个广域通信网络对接的至少一个辅助接口设备(502)，其中所述辅助接口设备(502)包括至少一个第四通信接口，其中所述辅助接口设备(502)通过所述第四通信接口与所述无线电接口设备的数字无线电调制解调器的第一通信接口的配合而与所述至少一个无线电接口设备连接，其中所述辅助接口设备(502)包括具有与数字无线电调制解调器的保护框架(201)基本上相同的尺寸的保护框架，
其中所述第四通信接口包括在所述辅助接口设备(502)的保护框架的上表面和下表面上的至少一个凸SPI连接器和至少一个凹SPI连接器，所述至少一个凸SPI连接器和至少一个凹SPI连接器被设计为与数字无线电调制解调器或另一辅助接口设备(502)的SPI连接器配合，其中所述凸SPI连接器和凹SPI连接器构成布置在所述框架内部的至少一个数据总线的相应终端。
14.根据权利要求13所述的网关，其特征在于，所述网关包括多个根据权利要求11所述的无线电接口设备，其中所述多个无线电接口设备的所述无线电接口设备通过所述多个无线电接口设备的所述数字无线电调制解调器的所述第一通信接口的配合而相互连接。
15.根据权利要求13和14中的一项所述的网关，其中，所述数字无线电调制解调器的保护框架和所述辅助设备包括用于在柜中或在保护性机架中附接用于无线传感器网络的网关的装置。
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