CN114666678A - 抄表系统中的无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及测量装置与数据采集单元之间的无线通信方法。每个测量装置(7)被安装为测量或检测相应的公共事业设施处的值，至少一个数据采集单元(5)用于从多个测量装置(7)采集数据。该方法包括：将上行数据帧从至少一个测量装置(7)发送到数据采集单元(5)，在发送了至少一些上行数据帧后，由至少一个测量装置(7)提供用于从至少一个数据采集单元(5)接收下行帧的限时接入机会，对要从至少一个数据采集单元(5)发送到该至少一个测量装置(7)的下行帧进行分类，仅在当前占空比不超过占空比限制时才在接入机会期间将经分类的下行帧发送到至少一个测量装置(7)，其中，占空比限制取决于下行帧的类别的优先级。

Description

抄表系统中的无线通信方法

技术领域

本公开涉及一种抄表系统中的无线通信方法，特别是链路管理方法。

背景技术

已知电、水、煤气和/或热能的公用事业供应商(utility provider)使用自动抄表(AMR)系统或先进的仪表基础设施(AMI)系统来有效且可靠地管理客户账单。这种系统可以称为“专用”抄表系统。专用抄表系统的特征在于，例如，耗量表安装在多个家庭中，并且经由与专用数据采集单元的无线通信将消耗数据传达到前端系统(head-end-system，HES)。单个数据采集单元可以采集数千个耗量表读取的消耗数据。在城市或地区可以分布若干个数据采集单元，以覆盖位于其中的所有耗量表。耗量表使用免授权频段以尽可能节省耗量表的电池电量的方式与数据采集单元进行无线通信，因为在测量水、煤气和/或热能消耗的情况下，通常没有机会对耗量表电池进行充电或更换。然而，用于记录电力消耗的耗量表不需要由电池供电，因为它们连接到市电，即公共电力。

由于专用抄表系统在一个或多个特定频段(优选地，免授权ISM无线电波段)中使用专用低功率广域网(LPWAN)，因此这种使用可能在传输功率、带宽和占空比方面受到官方法规的限制。作为专用抄表系统的替代方案，通用抄表系统可以使用公共蜂窝通信网络代替专用数据采集单元来收集消耗数据。例如，耗量表可以包括通信模块(例如，调制解调器)以连接到由公共蜂窝通信网络提供的LPWAN，例如，窄带物联网(NB-IoT)网络或长期演进机器类型通信(LTE-M)网络。这种LPWAN中使用的频段具有较少的占空比限制，但它们需要支付授权费。此外，与“拥有”(包括租赁)数据采集单元基础设施的“专用”抄表系统相比，公共蜂窝通信网络是“通用”通信基础设施的一部分，其中，耗量表和HES之间的无线通信基础设施由外部方(例如，移动网络运营商(MNO))拥有、维护和控制。使用专用抄表系统，电、水、煤气和/或热能的公用事业供应商(UP)仅拥有(或租赁)、维护和控制抄表系统的所有部分。

特别地，本公开涉及一种用于专用抄表系统中的无线通信的链路管理的方法，该系统包括数据采集基础设施，即，用于数据采集网络的硬件和软件。

如上所述，对于这种专用抄表系统来说，尽可能节能地进行通信以便能够在10、15甚至20年的时间里进行定期(例如，每30分钟或每小时一次)抄表而无需对电池供电的耗量表中的电池进行再充电或更换是一项技术挑战。此外，要降低使用的频段中的干扰和拥塞风险。与任何类型的耗量表(包括非电池供电的耗量表，例如，电力耗量表)进行通信的另一个挑战是保持在官方法规设置的免授权ISM(工业、科学、医疗)无线电波段的功率和占空比限制内

根据国家或地区的官方法规，免授权ISM射频(RF)波段的占空比可能被严格限制到最大10％或更小，其中，占空比是发送方在RF波段中进行传输的时间百分比。占空比限制与下行传输(即，从数据采集单元到耗量表的通信)特别相关。从耗量表到数据采集单元的通信可以被称为上行传输。

下行通信完成不同的任务。例如，UP可以使用HES以经由数据采集单元与耗量表进行端到端通信，例如，发送配置命令、阀设置、更新、即时读取请求或其他信息查询。除了端到端通信之外，维护任务也由数据采集单元执行，例如，调整测量装置的实时时钟或执行链路管理。链路管理可以包括设置耗量表的射频(RF)传输的参数以在给定的RF链路质量下进行通信。可以传输的链路管理参数可以是例如功率级、前向纠错级、调制、RF传输带宽或RF信道选择。数据采集单元执行的链路管理可能取决于若干方面。例如，相比于更靠近数据采集单元定位的耗量表，位于到数据采集单元较大距离处的耗量表可能被给予更大的链路预算，例如，传输功率和/或上行占空比。更大的链路预算能够克服耗量表与数据采集单元之间的上行通信中较大的上行路径损耗。提供更大的链路预算伴随着测量装置更高的能耗，由于可能更长的传输持续时间而导致的更大的RF冲突风险。由于这些原因，普遍希望将归因(attributed)链路预算保持在尽可能低的水平。

因此，本公开的目的是在这方面提供用于无线通信，特别是用于在规定的占空比限制内的链路管理的改进的方法和产品。该目的可以不限于具有耗量表的抄表系统，而是可以适用于任何类型的用于测量或检测公共事业设施处的值的固定的测量装置。例如，这可以包括耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、遥控阀或其他类型的监测传感器。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种用于以下项之间的无线通信的链路管理的方法：

-多个测量装置，其中，每个测量装置被安装为测量或检测相应的公共事业设施处的值，以及

-至少一个数据采集单元，用于从多个测量装置采集数据，

其中，该方法包括：

-将上行数据帧从至少一个测量装置发送到数据采集单元，

-通过至少一些上行数据帧提供用于从至少一个数据采集单元接收下行帧的限时接入机会，

-通过调整每个未使用的或未成功使用的接入机会的计数器值来更新至少一个测量装置中的计数器值，

-在提供接入机会的那些上行数据帧中的至少一些中向至少一个数据采集单元传输紧急性指示符，其中，该紧急性指示符取决于计数器值，

-根据基于紧急性指示符的优先次序方案向至少一个测量装置发送下行帧。

优选地，测量装置用作以星形拓扑无线连接到数据采集单元的测量装置，即，许多测量装置连接到同一数据采集单元。测量装置可以是耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、遥控阀和/或其他类型的监测传感器。测量装置与数据采集单元之间的通信在这里是双向无线电通信。在当前的方案中，通信优选地使用免授权的ISM波段，例如，大约868MHz。在这些波段中，通信在最大传输占空比方面受到官方法规的限制，其中，占空比是发送方在RF波段中进行传输的时间百分比。尤其是受限的下行占空比是数据采集单元需要与许多测量装置进行通信时的限制因素。根据国家或地区的官方法规，下行占空比可能被限制到最大10％或更小。由于下行占空比是受限的，因此数据采集单元最终以其需要关注并优先考虑应该在其他测量装置之前为哪些测量装置提供哪些动作的情况结束。这是本文描述的方法改进无线通信的链路管理之处。

本文的任何通信优选地由测量装置发起。测量装置向数据采集单元发送上行帧并且打开其接收器以在相对于由测量装置发送的上行帧的限定时间点接收来自从数据采集单元的下行帧。该方法可以被称为“先说后听”(LAT)。限时接入机会的定时(即，“监听窗口”)可以在测量装置发送的上行帧中指示。监听窗口也可以被称为接入机会(AO)。测量装置不必在每个上行帧之后提供AO。AO之间的间隔可以基于双向通信中可接受什么延迟与测量装置中可接受什么能耗之间的折衷来确定。AO之间的较大间隔会导致较大的延迟，但它需要测量装置中较少的能耗，因为测量装置的无线电接收器不太活跃。AO之间的较短间隔降低延迟，但会增加测量装置中的能耗。

本文描述的方法聚焦于提供AO的那些上行数据帧。请注意，提供AO并不意味着测量装置必须“需要”下行数据帧作为响应或专门“请求”响应。它只是在数据采集单元需要访问测量装置的情况下打开了数据采集单元访问测量装置的可能性。优选地，该需要由数据采集单元或控制数据采集单元的HES确定。例如，HES可能希望经由数据采集单元向测量装置发送配置命令、维护任务、阀设置、更新、即时读取请求或其他信息。例如，维护任务可以是调整测量装置的实时时钟或执行链路管理。链路管理可以包括设置测量装置的RF传输的参数以在给定的RF链路质量下进行通信。可以传输的链路管理参数可以是例如功率级、前向纠错级、调制、RF传输带宽或RF信道选择。

本质上，数据采集单元可以自由决定是否将AO用于下行数据帧。因此，许多AO可能未被使用。链路管理由数据采集单元通过使用AO向测量装置传输下行命令来执行，该下行命令指示测量装置从现在开始使用特定参数进行通信。一旦测量装置被数据采集单元链路管理，它就使用数据采集单元接收到的参数继续其后续的上行操作，直到另一个调节机制否决接收到的参数。

数据采集单元执行的链路管理可能取决于几个方面。例如，相比于更靠近数据采集单元定位的测量装置，位于距数据采集单元较大距离处的测量装置可能被给予更大的链路预算，例如，传输功率和/或上行占空比。更大的链路预算能够克服测量装置与数据采集单元之间的上行通信中较大的上行路径损耗。提供更大的链路预算伴随着测量装置更高的能耗，由于可能更长的传输持续时间而导致的更大的RF冲突风险。由于这些原因，普遍希望将归因链路预算保持在尽可能低的水平。

然而，在某些情况下，数据采集单元可能误判所需的RF链路预算，并要求测量装置切换到过低的RF链路预算，导致测量装置发送无法被数据采集单元接收到的上行帧。在其他场景中，周围环境可能由于例如天气状况的变化而变化，导致上行帧没有到达数据采集单元。由于LAT通信是由测量装置发起的，因此如果其上行数据帧没有到达数据采集单元，则测量装置是不可访问的。

考虑到丢失的上行数据帧，上行数据帧中的数据可以包括一定的冗余，以便提供“无间隙”读取。例如，上行数据帧可能包括最近的10个调度读取的消耗数据，即，这将是90％的数据重叠或冗余。这可以解决导致单个数据丢失的零星和短暂波动。

但是，如果通信设置始终是次优的，则许多或所有上行数据帧都不会到达数据采集单元，这意味着很难或无法访问测量装置。为了防止这种情况，可以在每个测量装置中包括回落方案，如果在一定时间段内没有从数据采集单元接收到下行数据帧，则该回落方案触发测量装置主动增加其链路预算。在回落的情况下，可以增加上行方向和下行方向的链路预算。

回落方案是“紧急制动”类型，其只有在测量装置的上行帧确实没有到达数据采集单元的情况下才应被激活，因为回落会显著地增大能耗。为了防止测量装置在正常状况期间执行回落方案，数据采集单元可以以规律的间隔确认链路设置。该间隔对于测量装置而言可能是独立的的并且对于数据采集单元而言可能是未知的。

数据采集单元无法向所有测量装置的所有AO传输下行响应，因为这会导致下行信道拥塞。因此，数据采集单元对下行响应进行调度和排队。这样做的结果是，测量装置可能不合需要地执行回落方案，或者数据采集单元花费过多的下行占空比来以比必要的频率更频繁的频率确认测量装置的链路设置。第一种情况的后果是，数据采集单元需要处理更多的下行动作，因为它现在不仅需要确认测量装置的当前设置，而且还需要回复不合需要的回落操作。后一种情况留下较少的数据采集单元的下行占空比用于其他任务，例如，诸如由HES发起的任务。

根据本文描述的方法降低不合需要的回落动作的风险的方案是

-通过调整每个未使用的或未成功使用的AO的计数器值，更新测量装置内的计数器值，

-在提供AO的那些上行数据帧中的至少一些中传输紧急性指示符，其中，该紧急性指示符取决于计数器值，以及

-数据采集单元根据基于紧急性指示符的优先次序方案以下行帧进行响应。

例如，计数器值可以是随着测量装置提供的每个AO递减的倒计时值，在该测量装置中，没有从数据采集单元接收到下行数据帧形式的响应。或者，计数器值可以随着每个未使用的或未成功使用的AO而递增。需要注意的是，数据采集单元可以决定不使用AO发送下行帧，这导致未使用的AO。然而，计数器值也可以对针对其的下行帧传输由于某种原因而失败(这将导致未成功使用的AO)的使用的AO进行计数。因此，计数器值可以对测量装置提供的并且在其期间测量装置没有或没有成功接收到下行帧的每个AO进行计数。

可选地，紧急性指示符是计数器值本身。因此，数据采集单元可以解释计数器值并且基于接收到的计数器值来决定下行响应的紧急性，例如，设置紧急性阈值。或者，测量装置可以基于计数器值来确定紧急性。在这种情况下，紧急性指示符可以是标志、布尔信息或其他类型的紧急性值。在任何情况下，紧急性指示符优选地仅在计数器值已经达到某个紧急性阈值的情况下才被发送。如果上行数据帧不包含紧急性指示符，则数据采集单元可以将其解释为低紧急性。

可以仅在提供AO的那些上行数据帧中的一些或所有上行数据帧中的一些中发送紧急性指示符。数据采集单元将紧急性指示符用作紧急性级别来相应地对其下行动作进行优先级排序。数据采集单元还可以使用该信息来减少其对测量装置的一般下行活动。

可选地，该方法还可以包括：如果计数器值达到计数器阈值，则由至少一个测量装置调整传输参数。在这方面，回落可以是测量装置主动调整传输参数的特定形式。因此，如果计数器值已达到计数器阈值，则测量装置可以自启动回落。在倒计时值的情况下，计数器阈值可以为零。因此，计数器值给出有关测量装置何时将触发回落的指示。如果计数器值远离计数器阈值，即计数器值还没有达到紧急性阈值，则数据采集单元可以通过不将关联的AO用于响应来节省下行预算，即AO具有低紧急性，因此具有低优先级。例如，数据采集单元可能已经经历过在最坏的情况下，它通常需要传输多达10帧才能最终到达测量装置。因此，它可以将紧急性阈值设置为10。那么只要计数器值与阈值相差超过10(即，紧急性指示符指示计数器值尚未达到紧急性阈值或者根本没有接收到紧急性指示符)，数据采集单元就可以跳过对测量装置的下行活动。然而，如果紧急性指示符指示计数器值接近计数器阈值，例如等于或接近紧急性阈值10，则数据采集单元可能希望确保测量装置在触发回落之前接收到下行数据帧，即，AO现在具有高紧急性，因此具有高优先级，以便它们用于下行响应。

可选地，该方法还可以包括：如果计数器值达到第一计数器阈值，则由至少一个测量装置将上行预算增加到第一上行预算水平，而如果计数器值达到第二计数器阈值，则将上行预算增加到第二上行预算水平。因此，可能存在一个或多个回落阶段，以便根据计数器值在至少两个步骤中(即，“软回落”和“硬回落”)增加上行预算。软回落是将链路预算增加到第一水平的第一阶段回落。在软回落之后，硬回落可以在第二计数器阈值处跟随以进一步增加链路预算。紧急性指示符可以指示下一个回落是软回落还是硬回落，从而数据采集单元可以相应地对其响应进行优先级排序。在软回落之后和硬回落之前，测量装置可以增加提供的AO的频率，以在触发硬回落之前提供更高的可访问性。与硬回落相比，软回落在增大能耗或拥塞方面的后果不太严重。

可选地，优先次序方案还可以基于至少一个测量装置使用的当前上行预算。例如，与具有较低上行预算的测量装置的AO相比，具有更高上行预算的测量装置的AO(例如，由于软回落或硬回落)被使用的优先级更高。对于那些具有最高上行预算的测量装置，在能耗方面的节约潜力可能是最高的。尤其是硬回落后具有高上行预算的测量装置的AO，其具有高优先级来使数据采集单元快速执行链路管理并将上行预算降低到所需的最低水平。

可选地，如果至少一个测量装置接收到至少一个下行帧，则计数器值可以由至少一个测量装置重置为起始值。例如，在倒计时值的情况下，起始值可以是200。例如，在向上计数的情况下，起始值可以是0。每当测量装置接收到下行数据帧时，优选地由其管理链路，使得计数器值重置为其初始的起始值。这意味着计数器值对连续未使用的或未成功使用的AO的数量进行计数。一旦成功地使用了单个AO，计数器就被重置。

可选地，该方法还可以包括：通过从至少一个数据采集单元向至少一个测量装置发送下行帧来为至少一个测量装置设置最大计数距离。在倒计时值的情况下，最大计数距离可以等于起始值。当数据采集单元暂时处于下行通信负载或积压更高的情况下时，该特征尤其有利。例如，在电源故障(power glitch)后的启动场景中可能就是这种情况。在这种情况下，可能需要尽快对许多测量装置进行链路管理。在这种情况下，测量装置在其回落评估中应该更加耐心，直到下行通信负载或积压已经减少到正常水平。在这种情况下，建议暂时增大最大计数距离，例如，增大到400。如果测量装置通常在一周内倒计时，这可能对应于为200的计数距离，在这种情况下，数据采集单元可以将最大计数距离暂时设置为400。那么这将防止测量装置执行回落计划持续至少两周。如果数据采集单元后悔该决定，则它可以通过使用稍后的AO将最大计数距离设置回默认值。最大计数距离的设置可应用于一个或多个单独的测量装置、测量装置的某些组或子集，或所有测量装置。

较低的最大计数距离导致测量装置在来自数据采集单元的最近的下行数据帧之后不久执行回落方案。这在RF条件快速变化的通信场景中是有利的。如果测量装置丢失，则快速执行回落方案以到达数据采集单元。然而，这样做的缺点是数据采集单元需要相对频繁地确认测量装置中的链路设置，以防止测量装置在正常状况下执行回落方案。这在测量装置很少的区域中或在某些测量装置或某些类型的测量装置(例如，工业仪表、警报传感器或遥控阀)的连接性比其他测量装置的连接性更重要的情况下仍然有用。例如，遥控供水阀可能需要快速访问以在发生泄漏时关闭阀并且打开阀以重新连接消费者。

在来自数据采集单元的最新响应之后，较大的最大计数距离将回落方案延迟相对较长的时间。这节省了下行占空比预算，数据采集单元可以将其用于其他目的，因为不需要经常(例如，只是每个月而不是每周)确认测量装置的链路设置。这在没有快速变化的相对稳定的RF条件的情况下可能很有用。如此高的最大计数距离可能不太适合关键的测量装置(例如，工业仪表或警报传感器)，但非常适合不太重要的应用(例如，家用耗量表)。

通过使数据采集单元能够临时或永久地管理测量装置的最大计数距离，数据采集单元能够控制网络中测量装置的行为并降低不必要的回落动作的风险。在设置最大计数距离时，数据采集单元能够考虑比测量装置的范围内可能的范围更广的范围。与制造商预定的固定的最大计数距离相比，可调整的最大计数距离的优势在于它可以动态地适应当前的条件和应用。

进一步结合本公开的第一方面，提供了一种用于测量或检测公共事业设施处的值的测量装置，其中，该测量装置被配置为将上行数据帧无线地发送到至少一个数据采集单元，并且在每次发送至少一些上行数据帧之后，提供用于从至少一个数据采集单元接收下行帧的限时接入机会，其中，该测量装置被配置为通过调整每个未使用的或未成功使用的接入机会的计数器值来更新计数器值，并通过提供接入机会的那些上行数据帧中的至少一些将紧急性指示符传输到至少一个数据采集单元，其中，该紧急性指示符取决于计数器值。

可选地，如果计数器值达到计数器阈值，则测量装置可以被配置为调整传输参数。

可选地，测量装置可以是耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、遥控阀和/或其他类型的监测传感器。

可选地，测量装置可以被配置为：如果计数器值达到第一计数器阈值，则将上行预算增加到第一上行预算水平，而如果计数器值达到第二计数器阈值，则将上行预算增加到第二上行预算水平。

可选地，测量装置可以被配置为：如果测量装置接收到至少一个下行帧，则将计数器值重置为起始值。

可选地，紧急性指示符可以是计数器值本身。因此，数据采集单元可以解释计数器值并且基于接收到的计数器值来决定下行响应的紧急性，例如，设置紧急性阈值。或者，测量装置可以被配置为：基于计数器值来确定紧急性。在这种情况下，紧急性指示符可以是标志、布尔信息或其他类型的紧急性值。测量装置可以被配置为仅在计数器值已经达到某个紧急性阈值的情况下才发送紧急性指示符。如果上行数据帧不包含紧急性指示符，则数据采集单元可以将其解释为低紧急性。

进一步结合本公开的第一方面，提供了一种数据采集单元，用于从多个测量装置无线采集数据，其中，每个测量装置被配置为测量或检测相应的公共事业设施处的值，其中，该数据采集单元被配置为从至少一个测量装置接收上行数据帧，其中，至少一些上行数据帧各自指示由至少一个测量装置提供的用于从数据采集单元接收下行帧的限时接入机会，其中，该数据采集单元被配置为根据优先次序方案向至少一个测量装置发送下行帧，该优先次序方案基于在至少一些上行数据帧中提供的紧急性指示符，其中，该紧急性指示符基于计数器值，该计数器值指示相应的测量装置的未使用的或未成功使用的接入机会的数量。

可选地，数据采集单元可以被配置为通过将至少一个下行帧发送到至少一个测量装置，设置至少一个测量装置处的计数器剩余值。

在下文中，描述了本公开的第二方面，其中，该第二方面提供了独立于上述第一方面的方案。然而，第二方面或其特征可以与第一方面或其特征组合，以实现协同效应来改进专用抄表系统中无线通信的链路管理。然而，第二方面可以特别地用作上述第一方面的替代方案。

结合本公开的第二方面，提供了一种用于以下项之间的无线通信的链路管理的方法：

-测量装置，其中，该测量装置被安装为测量或检测公共事业设施处的值，以及

-数据采集单元，用于从该测量装置采集数据，

其中，该方法包括：

-经由主信道将主上行数据帧中的数据从测量装置发送到数据采集单元，

-在发送主上行数据帧后，由测量装置提供限时主接入机会，该限时主接入机会用于从数据采集单元接收链路管理下行帧，

-在经由主信道接收到主上行数据帧时评估主信号质量，

-经由一个或多个辅信道将一个或多个辅上行帧从测量装置发送到数据采集单元，

-在发送至少一些辅上行数据帧后，由测量装置提供限时辅接入机会，该限时辅接入机会用于从数据采集单元接收链路管理下行帧，

-在经由一个或多个辅信道接收到一个或多个辅帧时评估一个或多个辅信号质量，

-根据对主信号质量和一个或多个辅信号质量的评估，选择主接入机会和一个或多个辅接入机会中的一个以将链路管理下行帧从数据采集单元发送到测量装置，以及

-在选定的接入机会期间从数据采集单元接收到所述链路管理下行帧后，将关联的信道用作主信道，以用于将主上行数据帧中的数据从测量装置发送到数据采集单元。

由于有关免授权ISM无线电波段的官方法规，通常无法通过简单地增大传输功率来获得无线通信的长连接范围。更长的范围例如通过使用前向纠错(FEC)方法和/或窄带传输或信号在时间和/或频率上的扩展来获得。无论如何，更长的连接范围是以降低的信息速率为代价的。换言之，频谱效率降低。测量装置可以是耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、遥控阀和/或其他类型的监测传感器。

测量装置与数据采集单元之间的远距离无线通信技术(例如，低功耗广域网(LPWAN))能够实现广域覆盖，从而实现大型LPWAN小区，其中单个数据采集单元可以从数千个测量装置中获取读数。然而，只有位于LPWAN小区内最偏远位置的测量装置才需要以降低的频谱效率为代价的最大连接范围。如果所有测量装置都使用最大范围模式(最低频谱效率)，则会向通信网络引入不期望的拥塞。将引入通信网络内数据帧之间的过度冲突以及对其他ISM波段用户的干扰，同时测量装置中的功耗将不必要地高。

该问题的解决方案是测量装置支持多种通信模式和具有不同水平的降低的频谱效率的信道。因此，测量装置能够仅使用所需的频谱和能量来到达数据采集单元。这些不同的通信模式可以跨不同的通信信道实现，这些信道可能具有不同的中心频率和/或带宽。如何命令测量装置选择最合适的模式或信道或测量装置如何自行选择最合适的模式或信道的过程是链路管理的一部分。

本文的任何通信优选地由测量装置发起。测量装置向数据采集单元发送上行帧并且打开其接收器以在相对于由测量装置发送的上行帧的限定时间点接收来自数据采集单元的下行帧。该方法可以被称为“先说后听”(LAT)。限时接入机会的定时(即，“监听窗口”)可以在测量装置发送的上行帧中指示。监听窗口也可以被称为接入机会(AO)。测量装置不必在每个上行帧之后提供AO。大部分AO可能不会被数据采集单元用于下行帧。

因此，数据采集单元可以使用AO将链路管理下行帧发送到测量装置，以主动执行链路管理，即，命令测量装置将哪个通信模式和信道用于上行数据帧。

原则上，链路管理的一种方法可以是限定映射的上行模式和下行模式，在安装测量装置时从中选择合适的对。这意味着上行模式和等效下行模式的等效集合的设置可以彼此关联，并且每对为上行通信和下行通信提供对称的链路预算。

这种方法存在某些问题。首先，上行模式与下行模式之间的对称性可能取决于测量装置和数据采集单元中的硬件配置。特别是数据采集单元上的天线配置对模式对称性有很大影响。由于在测量装置的使用期内，对于给定的测量装置，数据采集单元的隶属关系可能改变，因此对称性不一定随时间是恒定的，因为数据采集单元的硬件配置可能变化。另一个问题来自处于使用中的频段，因为上行信道和下行信道通常由于不同波段的监管规则存在差异而不在同一ISM波段中。因此，上行链路与下行链路之间的信号质量对称性是位置特定的，并且取决于本地可用的相关频段中的干扰量。信号质量对称性甚至可能是时间相关的，因为频段用途随时间变化。

由于信道中存在时间变化，因此链路可能随时间而退化，使得无法在数据采集单元处接收到上行数据帧，或者测量装置无法接收到来自数据采集单元的链路管理下行数据帧。为了能够处理这种场景，可以应用如上文结合第一方面所描述的回落方案，其中，如果测量装置在一定时间内没有接收到链路管理下行数据帧，则应用某些规则以“回落”到先前的设置或默认设置。

此外，链路管理可以包括多个信道，其中不一定使用相同的信道。这对于上行链路和下行链路而言都可能是这种情况。因此，改变信道可能经常需要：

-非常严格的信道组，其在系统推出时为所有网络元素所知，然后无法更改，或

-测量装置与数据采集单元之间的大量通信，以交换有关支持的信道的必要信息，这对于产生显著的下行占空比负载和功耗的每个测量装置而言是必需的。

本文描述的第二方面涉及允许随时间在上行链路和下行链路两者中进行最佳链路管理，同时最小化需要传送的数据量。本文描述的第二方面对于其中测量装置具有多个信道频率和/或信道模式可供选择的系统特别有利。

这里的想法如下。首先，数据采集单元在经由主信道接收到主上行数据帧时，对主信号质量进行评估。主信道可以是当前选择的用于将数据传达到数据采集单元的信道。在发送主上行数据帧之前、与之并行或之后，测量装置经由一个或多个辅信道将一个或多个辅上行帧发送到数据采集单元。辅上行帧可以是具有很少数据或没有数据的任何类型的测试帧。然而，至少一些辅上行数据帧为数据采集单元提供AO以用于链路管理下行帧。数据采集单元还评估辅上行数据帧的信号质量，即一个或多个辅信号质量。数据采集单元根据主信号质量和一个或多个辅信号质量选择用于发送链路管理下行帧的AO：主上行数据帧提供的AO或辅上行数据帧之一提供的AO。优选地，选择具有最合适的信号质量的上行数据帧提供的AO。需要注意的是，最合适的信号质量不一定是最高的信号质量。事实上，过高的信号质量是以链路预算为代价的，因此优选地，根据链路预算选择最合适的信号质量。例如，选择以较少的链路预算实现相同或较低的信号质量的上行数据帧提供的AO可能是有益的。因此，优选的是数据采集单元选择具有主信号质量和一个或多个辅信号质量中高于预定的质量阈值的最低信号质量的上行数据帧提供的AO。如果选择了辅上行数据帧中的一个的AO，则测量装置接收选定的AO中的链路管理下行帧，并自动切换到对应的辅信道作为用于将数据发送到数据采集单元的新的主信道。

上述解决方案的另一个优点是在下行方向自动测试新的主信道。因此，如果可用的链路预算不对称到链路管理下行帧未被测量装置接收到的程度，则新主信道的选择将是低效的。上述方案排除了这一点，因为测量装置不会切换到新的主信道，除非它在相应的AO期间接收到链路管理下行帧。

因此，数据采集单元只需为响应选择特定的AO，并且不需要数据交换来同意新的通信模式或信道。需要注意的是，数据采集单元无需读取或理解主上行数据帧或辅上行数据帧中的任何数据。事实上，主上行数据帧可能包含寻址到HES的端到端加密数据，而辅上行数据帧可能包含很少数据或没有数据。

可选的，可以选择具有主信号质量和一个或多个辅信号质量中最合适的信号质量的上行数据帧提供的AO。需要注意的是，最合适的信号质量并不总是最高的信号质量。过高的信号质量是以链路预算为代价的，因此优选地，根据链路预算选择最合适的信号质量。例如，选择以较少的链路预算实现相同或较低的信号质量的上行数据帧提供的AO可能是有益的。因此，优选的是数据采集单元选择具有主信号质量和一个或多个辅信号质量中高于预定的质量阈值的最低信号质量的上行数据帧提供的AO。链路管理下行帧的发送可以被延迟或排队，直到评估完一个或多个辅信号质量为止。在对链路管理下行帧进行排队方面，第二方面可以与上述第一方面相结合，以产生协同效应。决定利用链路管理服务哪个测量装置的优先次序方案也可以基于是否存在更合适的辅信号质量可用。反之亦然，计数器值可以指示存在足够的时间将链路管理下行帧排队更长时间以评估更多的辅信号质量。

可选地，该方法还可以包括：在测量装置已经在相应的接入机会中接收到链路管理下行帧后，经由辅信道中的一个将主上行数据帧中的数据从测量装置发送到数据采集单元。这意味着辅信道实际上用作用于发送数据的新主信道。

可选的，一个或多个辅上行帧可以比主上行数据帧短。由于发送作为测试帧的辅上行帧是上行预算投资，以查看是否存在更好的模式或信道可供使用，因此它应该尽可能小，以便允许在数据采集单元处进行信号质量评估。与此相反，主上行数据帧包含要传送到HES的数据。然而，考虑到主上行数据帧，一个或多个辅上行帧可以包含至少部分冗余信息。

可选地，一个或多个辅上行帧的发送频率可以低于主上行数据帧的发送频率。同样，由于发送作为测试帧的辅上行帧是上行预算投资，以查看是否存在更好的模式或信道可供使用，因此可以降低频率，例如，只有每10个主上行数据帧可以伴随一个或多个辅上行帧。

可选地，主信号质量和/或一个或多个辅信号质量可以基于信噪比(SNR)和/或信号干扰噪声比(SINR)来确定。

可选地，主信道和/或一个或多个辅信道彼此之间的不同可以在于如下组中的任意项，所述组包括：

-频段的中心频率，

-符号率，

-带宽，

-调制类型，以及

-调制参数。

可选地，主信道和/或一个或多个辅信道彼此之间的不同可以在于如下组中任一项的调制类型，所述组包括：

-二进制相移键控(BPSK)，

-高斯频移键控(GFSK)，

-高斯最小频移键控(GMSK)，以及

-线性调频调制或其变型。

可选地，主信道和/或一个或多个辅信道彼此之间的不同可以在于如下组中的任一项，所述组包括：

-使用直接序列扩频(DSSS)，

-使用啁啾扩频(CSS)，以及

-使用跳频扩频(FHSS)。

进一步结合本公开的第二方面，提供了一种数据采集单元，用于从多个测量装置无线采集数据，其中，每个测量装置被安装为测量或检测相应的公共事业设施处的值，

其中，该数据采集单元被配置为经由主信道从至少一个测量装置接收主上行数据帧中的数据，其中，该主上行数据帧指示由所述至少一个测量装置提供的限时主接入机会，该限时主接入机会用于从数据采集单元接收链路管理下行帧，

其中，该数据采集单元还被配置为在经由主信道接收到主上行数据帧时评估主信号质量，

其中，该数据采集单元还被配置为经由一个或多个辅信道从至少一个测量装置接收一个或多个辅上行帧，其中，辅上行帧中的至少一些指示由所述至少一个测量装置提供的限时辅接入机会，该限时辅接入机会用于从数据采集单元接收链路管理下行帧，

其中，该数据采集单元还被配置为在经由一个或多个辅信道接收到一个或多个辅帧时评估一个或多个辅信号质量

其中，该数据采集单元还被配置为根据对主信号质量和一个或多个辅信号质量的评估，选择主接入机会和一个或多个辅接入机会中的一个以将链路管理下行帧发送到至少一个测量装置，使得关联的信道之后被用作主信道以用于从至少一个测量装置接收主上行数据帧中的数据。

可选的，数据采集单元还可以被配置为选择具有主信号质量和一个或多个辅信号质量中的最合适的信号质量的上行数据帧提供的AO。需要注意的是，最合适的信号质量不一定是最高的信号质量。过高的信号质量是以链路预算为代价的，因此优选地，根据链路预算选择最合适的信号质量。例如，选择以较少的链路预算实现相同或较低的信号质量的上行数据帧提供的AO可能是有益的。因此，优选的是数据采集单元选择具有主信号质量和一个或多个辅信号质量中高于预定的质量阈值的最低信号质量的上行数据帧提供的AO。

可选地，数据采集单元可以被配置为在数据采集单元已经在关联的接入机会中将链路管理下行帧发送到至少一个测量装置后，经由辅信道中的一个从至少一个测量装置接收主上行数据帧中的数据。

可选地，数据采集单元可以被配置为基于信噪比(SNR)和/或信号干扰噪声比(SINR)来确定主信号质量和/或一个或多个辅信号质量。

可选地，主信道和/或一个或多个辅信道彼此之间的不同可以在于如下组中任一项，所述组包括：

-频段的中心频率，

-符号率，

-带宽，

-调制类型，以及

-调制参数。

可选地，主信道和/或一个或多个辅信道彼此之间的不同可以在于如下组中的任一项的调制类型，所述组包括：

-二进制相移键控(BPSK)，

-高斯频移键控(GFSK)，

-高斯最小频移键控(GMSK)，以及

-线性调频调制或其变型。

可选地，主信道和/或一个或多个辅信道彼此之间的不同可以在于如下组中的任一项，所述组包括：

-使用直接序列扩频(DSSS)，

-使用啁啾扩频(CSS)，以及

-使用跳频扩频(FHSS)。

在下文中，描述了本公开的第三方面，其中，该第三方面提供了独立于上述第一方面和第二方面的方案。然而，第三方面或其特征可以与第一方面和/或第二方面或其特征组合，以实现协同效应来改进专用抄表系统中的无线通信。

结合本公开的第三方面，提供了一种无线通信方法，其在以下项之间

-多个测量装置，其中，每个测量装置被安装为测量或检测相应的公共事业设施处的值，以及

-至少一个数据采集单元，用于从该多个测量装置采集数据，

其中，该方法包括：

-将上行数据帧从至少一个测量装置发送到数据采集单元，

-在发送了至少一些上行数据帧后，由该至少一个测量装置提供用于从至少一个数据采集单元接收下行帧的限时接入机会，

-对要从该至少一个数据采集单元发送到该至少一个测量装置的下行帧进行分类，

-仅在当前占空比不超过占空比限制时才在接入机会期间将该经分类的下行帧发送到至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于下行帧的类别的优先级。

同样关于第三方面，本文的任何通信优选地由测量装置发起。测量装置向数据采集单元发送上行帧并且打开其接收器以在相对于由测量装置发送的上行帧的限定时间点接收来自数据采集单元的下行帧。该方法可以被称为“先说后听”(LAT)。限时接入机会的定时(即，“监听窗口”)可以在测量装置发送的上行帧中指示。监听窗口也可以被称为接入机会(AO)。测量装置不必在每个上行帧之后提供AO。测量装置可以是耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、遥控阀和/或其他类型的监测传感器。

数据采集单元需要使用AO向测量装置发送不同类型的下行帧。如之前结合本公开的第一方面和第二方面所描述的，数据采集单元应该执行链路管理。数据采集单元决定使用哪个AO向测量装置发送链路管理下行帧。数据采集单元可以针对多个测量装置执行链路管理，使得可以根据如结合第一方面所描述的优先次序方案对链路管理下行帧进行排队。

然而，数据采集单元也应该传输源自HES的下行帧，即在端到端通信的背景下。例如，公用事业供应商(UP)可能想要读取特定的测量装置或某组测量装置组或控制特定的遥控阀。为此，UP可以使用HES经由数据采集单元启动与测量装置的端到端通信。每当所述测量装置通过上行帧提供AO时，就可以发起端到端帧到某个测量装置的传输。端到端通信可以包括一个或多个请求/响应通信序列。如果端到端下行帧已经发送到测量装置，并且存在更多的端到端通信计划与所述测量装置进行，则数据采集单元中存在端到端下行帧的队列，这可以称为正在进行的下行流量(正在进行的会话)。还不是正在进行的会话的一部分的端到端帧可以被称为特权下行流量。

如果数据采集单元当前在应该传输端到端下行帧的时候而正忙于链路管理，则会出现问题。如果正在进行的下行流量或特权下行流量超过最大允许的下行占空比，则它们可能被暂停。未完成的端到端帧将在数据采集单元中保持缓冲很长时间，直到当前占空比再次允许它并给出针对其的下一个AO为止。

可以使用请求/响应协议对寻址的端到端通信进行加密和保护。因此，如果在某个AO中没有从数据采集单元接收到确认，则可以在测量装置中应用重传方案。然而，应尽可能避免重传，因为它们会消耗测量装置的电池电量。因此，正在进行的会话应尽快结束。

以下是端到端下行帧可能因最大允许的下行占空比而排队的情况的示例：

-当前存在寻址到提供AO的特定测量装置组的大量期望的端到端数据，并且使用所述AO所需的传输时间量将导致超出最大允许的下行占空比。

-数据采集单元已停止服务(例如，在维护、故障或电源故障之后)，可能需要所有允许的下行占空比进行更长时段的链路管理。

因此，在这些情况下，端到端流量可能延迟几天，这对于需要快速访问任何测量装置的UP来说是不可接受的。即使系统处于高负载情况，根据本文描述的第三方面的方法也允许高优先级的端到端下行流量，同时防止测量装置触发回落动作(例如，使用他们的最大上行预算)，并迅速完成正在进行的下行流量。此外，当没有特权下行流量未决时，仍然可以使用所有允许的占空比。

这里的方案是对要从数据采集单元发送到测量装置的下行帧进行分类，并且仅在当前占空比不超过占空比限制时才在AO中将经分类的下行帧发送到测量装置，其中，占空比限制取决于下行帧的类别的优先级。下行帧的粗略分类可以如下所示：

需要注意的是，该方案并不是简单地为不同类别的下行流量分配一定的带宽。这不会有效地利用可用的下行预算。相反，数据采集单元根据下行帧的类别的优先级应用不同的占空比限制。重要的是要理解，在先发送更高优先级的数据帧，然后再发送较低优先级的数据帧的意义上，不是简单地对下行帧进行优先级排序。本文公开的方法同时处理具有不同优先级的下行帧，只要当前占空比允许这样做。因此，只要当前占空比允许，即使数据采集单元中存在未决的更高优先级的下行流量，也会传输具有低优先级的下行流量。占空比限制是动态的，取决于是否存在更高优先级的下行帧等待传输。优选地，将当前未决的下行帧中最高优先级的占空比限制设置为最大占空比，同时保持与下限占空比限制的距离，即根据上述占空比限制调整每个下限占空比限制。这种动态行为提供了对可用占空比的有效利用。

可选地，该方法还可以包括：以规律的、偶发的或连续的方式确定当前占空比。每个数据采集单元可以连续计算其当前占空比。

可选的，可以在每次至少一个数据采集单元计划传输下行帧时确定当前占空比。例如，数据采集单元可以检查每个计划的下行帧是否其估计的传输持续时间适合下行预算。

可选地，该方法还可以包括：将下行帧分类为N个不同的类别，其中，优先级i和占空比份额DC_i与每个类别相关联，其中，i∈{0,…,N-1}，其中，要应用于第i个类别的占空比限制是最大占空比减去具有更高优先级的任何未决类别j的占空比份额DC_j的总和，其中，j∈{0,…,i-1}。优选地，当具有更高优先级的未决类别j的数量改变时，动态调整占空比限制。

以下限定可用于描述算法：

●最大占空比：允许数据采集单元使用的最大占空比，例如，官方法规设置的占空比限制。

●当前占空比[0-最大占空比]：在滑动时间窗口(例如，一小时)内确定的当前下行占空比。

●优先级[P0…PK]：下行流量的优先级，其中，K＝N-2为大于或等于1的整数值

P0-活动帧：例如，关键下行流量和正在进行的下行流量

P1：最高优先级帧(例如，特权下行流量的)

…

PK：最低优先级帧(例如，特权下行流量的)

维护：示例：维护下行流量

●占空比限制[L0…LK]：超过限制将会限制下行流量为相应的优先级或更高的优先级的经分类的下行流量，其中，K＝N-2是大于或等于1的整数值

L0：优先级P0限制

L1：优先级P1限制

…

LK：优先级PK限制

如果数据采集单元中不存在针对任何测量装置的未决的P1-PK下行流量，则数据采集单元可以仅受官方法规设置的最大占空比的限制。

然而，当特权下行流量(P1-PK)在数据采集单元中未决时，如果帧的传输在时间上发生冲突，则优先级选择算法优先选择更高优先级的下行流量而不是较低优先级的下行流量。此外，特权下行流量之间的优先级可以由UP在HES中设置。

可选地，如果不存在通过具有更高优先级的需要经分类的下行帧的另一个测量装置的另一个上行数据帧提供的在时间上至少部分重叠的其他接入机会，则才在接入机会期间将经分类的下行帧发送到至少一个测量装置。因此，除了解决冲突之外，还可以使用优先次序方案。

可选地，该方法还可以包括

-通过从前端系统(HES)向至少一个数据采集单元发送一个或多个端到端下行帧来发起端到端通信，

-由该至少一个数据采集单元接收端到端下行帧，

-对端到端下行帧进行分类，以及

-仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在接入机会期间将经分类的端到端下行帧传输到至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于端到端下行帧的类别的优先级。

可选地，该方法还可以包括：通过在该至少一个数据采集单元处从所述至少一个测量装置接收确认上行数据帧来终止端到端通信。

可选地，未终止的端到端通信的端到端下行帧可以被分类为最高优先级的下行帧。

可选地，端到端下行帧可以被分类为具有比维护下行帧更高的优先级。

进一步结合本公开的第三方面，提供了一种数据采集单元，用于从多个测量装置无线采集数据，其中，每个测量装置被安装为测量或检测相应公共事业设施处的值，其中，该数据采集单元被配置为接收由至少一个测量装置发送的上行数据帧，其中，至少一些上行数据帧各自指示由至少一个测量装置提供的用于从至少一个数据采集单元接收下行帧的限时接入机会，其中，该数据采集单元还被配置为仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在接入机会期间将经分类的下行帧发送到至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于下行帧的类别的优先级。

可选地，数据采集单元可以被配置为规率地、偶发地或连续地确定或接收当前占空比。

可选地，数据采集单元可以被配置为在每次计划传输下行帧时确定当前占空比。

可选的，数据采集单元可以被配置为：将下行帧分类为N个不同的类别，其中，优先级i和占空比份额DC_i与每个类别相关联，其中，i∈{0,…,N-1}，其中，要应用于第i个类别的占空比限制是最大占空比减去具有更高优先级的任何未决类别j的占空比份额DC_j的总和，其中，j∈{0,…,i-1}。优选地，当具有更高优先级的未决类别j的数量改变时，动态调整占空比限制。

可选的，数据采集单元可以被配置为仅在如下情况下才在接入机会期间将经分类的下行帧发送到至少一个测量装置：不存在由需要具有更高优先级的经分类的下行帧的另一测量装置的另一上行数据帧提供的、在时间上至少部分重叠的其他接入机会。

可选地，数据采集单元可以被配置为从前端系统(HES)接收一个或多个经分类的端到端下行帧，并仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在接入机会期间将经分类的端到端下行帧传输到至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于端到端下行帧的类别的优先级。

可选地，数据采集单元可以被配置为通过从所述至少一个测量装置接收确认上行数据帧来终止端到端通信。

可选的，数据采集单元可以被配置为将正在进行的端到端通信的端到端下行帧分类为最高优先级的下行数据帧。

可选的，数据采集单元可以被配置为将端到端下行帧分类为具有高于维护下行帧的优先级。

附图说明

现在将参考以下附图通过示例的方式描述本公开的实施例，其中：

图1示出了本文公开的包括数据采集单元和测量装置的示例的抄表系统的示意图；

图2a和图2b示意性地示出了关于本文公开的第一方面的、根据数据采集单元与测量装置之间的LAT原理的双向通信的不同情况；

图3示意性地示出了关于本文公开的第一方面的回落动作的成功防止；

图4示出了在关于本文公开的第二方面的、数据采集单元接收到主上行帧后的方法步骤的流程图；

图5示出了关于本文公开的第二方面的、数据采集单元接收到辅上行帧后的方法步骤的流程图；

图6示意性地示出了关于本文公开的第三方面的基于优先次序方案的占空比限制；

图7示出了关于本文公开的第三方面的用于设置要应用的占空比限制的方法步骤的流程图；

图8示出了关于本文公开的第三方面的使用接入机会的方法步骤的流程图；以及

图9示意性地示出了关于本文公开的第三方面的冲突解决。

具体实施方式

图1示意性地示出了抄表系统1，其包括前端系统(HES)3、数据采集单元5和耗量表形式的测量装置7。该测量装置7可以是用于记录公共事业设施(例如，私人家庭、公共设施或工业设施)处的水、煤气和/或热能的消耗的耗量表。替代地，该测量装置7可以是警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、遥控阀或预计定期向HES 3发送信息的其它类型的监测装置。HES 3接收并且处理来自安装在多个公共事业设施中的多个测量装置7的信息和/或控制多个测量装置7的行为。

测量装置7使用免授权的ISM无线电波段9与数据采集单元5无线通信。HES 3经由因特网连接11(优选地，通过电线或光纤)连接到数据采集单元5。众多(例如，数千个)其他测量装置7可以以星形拓扑与一个数据采集单元5通信。HES3可以连接到多个分布式数据采集单元5。

测量装置7可以包括微控制器(例如，中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA))、永久性或易失性存储介质(例如，RAM)、无线电接口、电池以及优选地人机界面(HMI)，例如包括显示器、触摸屏、按钮和/或开关。用于测量或检测公共事业设施处的值的传感器模块可以集成到测量装置7中或者通过有线或无线方式连接到测量装置7。测量装置7可以包括计量单元和连接到计量单元的计量传输单元(MTU)。该值可以表示物理量，例如经过其上安装有传感器模块的管道的流体流量或热流量。测量装置7被配置为连续地、定期地或偶尔地存储带有或不带有时间戳的测量值或检测值。替代地或另外地，测量装置7可以被配置为处理(例如，求和)测量值或检测值并存储处理后的值(例如，诸如水、气或能源的消耗量等的累加值)。

测量装置7的微控制器被配置为根据数据传输时间表为无线电接口通电(例如，每小时或每天)。无线电接口可以至少部分地集成到微控制器中，或者是完全独立的电子模块。为了尽可能地节省电池电量，仅在需要建立ISM无线电连接9及向数据采集单元5传输数据时才对无线电接口供电。数据可以包括存储的带有或不带有时间戳的测量值、检测值或处理值和用于分别标识测量装置7或传感器模块或公共事业设施的标识数据中的全部或部分。可以使用对称或非对称加密方法和算法(包括消息验证代码)对数据进行加密和认证。

如图2a所示，测量装置7与数据采集单元5之间的通信根据“先说后听”(LAT)原则是双向的。这意味着通信始终由测量装置7发起。测量装置7将上行帧13发送到数据采集单元5，并打开其无线电接口以在相对于测量装置7发送的上行帧的限定时间点(T)从数据采集单元5接收下行帧。可以在测量装置5发送的上行帧13中指示限时接入机会的定时(T)，即，“监听窗口”。监听窗口也可以被称为接入机会(AO)。测量装置7不必在每个上行帧13之后提供AO。例如，第二、第三和第五上行帧13不提供AO，而第一、第四上行帧13提供AO。AO之间的间隔可以基于双向通信中可接受的延迟与测量装置7中可接受的能耗之间的折衷来确定。AO之间的较大间隔会导致较大的延迟，但这需要测量装置7中较少的能耗，因为测量装置7的无线电接收器不太活跃。AO之间的较短间隔降低延迟，但会增加测量装置7中的能耗。在图2a中所示的示例中，数据采集单元5使用第二给定的AO来将下行帧15发送到测量装置7。下行帧15可以是源自HES 3并经由数据采集单元5发送到测量装置7的端到端通信的一部分。或者，下行帧15可以是源自数据采集单元5的链路管理的一部分以保持或改进与测量装置7的当前通信

从图2b中可以看出，数据采集单元5不需要将任何给定的AO用于下行帧。事实上，大多数AO保持未被使用，因为在使用免授权的ISM无线电波段时，存在由官方法规设置的最大的允许下行占空比，例如10％。因此，数据采集单元5希望尽可能多地节省下行通信并保留多个AO未使用。然而，测量装置7不时地需要确认或任何形式的下行帧以获知数据采集单元是否接收到上行帧。如果测量装置7在一定量的时间内没有成功地接收到下行帧，或者提供的一定数量的AO还没有被使用或未成功地被使用，则不能相信其上行帧确实被数据采集单元5接收到。在这种情况下，测量装置7增加其上行预算(例如，以更高的功率进行发送)以到达数据采集单元5。这被称为“回落”。在正常操作中，为了节省测量装置7中的电池能量，链路管理仅将上行预算归因于需要到达数据采集单元5的测量装置7。最大上行预算可以仅由距离数据采集单元5最远或者由于其位置(例如，室内深处或地下)而具有高路径损耗的测量装置7使用，而其他测量装置7在正常操作中可以使用较低的上行预算。因此，回落在电池能量方面代价很高，应该防止。图2b中示出这种不期望的情况。测量装置7的上行帧13到达数据采集单元5，即，不需要回落。然而，数据采集单元5由于某种原因而没有进行响应。测量装置7通过回落计数器值(FC)对其提供的连续未使用的或未成功使用的AO的数量进行计数。在该示例中，FC是从起始值200开始的倒数值。测量装置7被编程为在FC下降到零时(即在它提供了200个连续未使用的或未成功使用的AO之后)，触发回落动作，即增加其上行预算。回落后，FC可以被重置为200。在回落后，测量装置7消耗不必要的电池电量以增加或甚至最大的上行预算进行发送。可以逐步执行回落，即，在执行至第二水平(例如，最大)的上行预算的硬回落之前，可以执行用于将上行预算增加到第一水平的软回落。

图3示出了根据本文公开的第一方面的防止这种回落的方案。图3中的上行帧13包含基于FC的紧急性指示符，并且数据采集单元5优先使用由指示测量装置7接近回落的上行帧13提供的AO。这里，紧急性指示符是FC本身。例如，测量装置7可能知道到达测量装置7通常不需要超过10个AO，因此紧急性阈值可以设置为10。因此，可以通过不使用由具有大于紧急性阈值10的FC的上行帧13提供的AO来节省下行预算。如果紧急性指示符指示FC等于10或小于10，则将AO用于下行帧。下行帧可以是针对测量装置7的简单确认以保持其设置，或者可以包含用于提高链路质量或节省上行预算的设置。在图3所示的示例中，响应FC＝10的下行帧15没有到达测量装置7，因此尝试使用关联的AO不成功。指示FC＝9的下一个上行帧13没有到达数据采集单元5，所以数据采集单元5不知道后面的AO。指示FC＝8的下一个上行帧13到达数据采集单元5，这导致数据采集单元5(可选地，以更高的传输功率)重复先前不成功的下行帧15。该下行帧15被测量装置7成功地接收，测量装置7将FC重置为200而不触发回落。数据采集单元5可以发送带有命令的下行帧15，以将FC起始值永久地或临时地设置为另一个值。如果某些情况使得数据采集单元5难以在FC起始值给定的最大计数距离内成功地捕获至少一个AO，则这是有用的。

图4示出了关于本文公开的第二方面的、数据采集单元5接收到主上行帧后的方法步骤的流程图。在步骤401中，测量装置7可以经由主通信信道发送由到达数据采集单元5的主上行帧设置的规律的读取数据。在接下来的步骤403中，数据采集单元评估主上行帧的信号质量(即，主信号质量)。例如，可以确定和评估信噪比。例如，可以将主信号质量与预定的质量阈值或其他信号质量(例如，如下面针对图5所述的辅信号质量)进行比较。如果主信号质量不适合(例如，低于预定的质量阈值)，或其他信号质量更合适，则主上行帧提供的AO不用于链路管理响应。相反，在步骤405中，进行排队以等待辅上行帧(参见图5)。需要注意的是，最合适的信号质量不一定是最高的信号质量。事实上，过高的信号质量可能以链路预算为代价的，因此优选地，根据链路预算考虑最合适的信号质量。例如，如果辅上行帧中的一个以较少的链路预算实现相同或较低但足够的辅信号质量，则使主上行帧提供的AO排队可能是有益的。以较低的链路预算进行操作节省测量装置中的电池能量，减少无线电信道中的拥塞，并使数据采集单元免于与解调和解码在高链路预算信道中接收的数据帧相关的资源消耗计算。因此，优选的是，数据采集单元选择由如下上行数据帧提供的AO：该上行数据帧具有主信号质量和一个或多个辅信号质量中高于预定的质量阈值的最低信号质量。

在可选步骤407中，如果主信号质量足够(例如，高于预定的质量阈值或高于其他信号质量)，则主上行帧提供的AO可用于链路管理响应。即使主信道的信号质量足够或没有更多的合适的信号质量是可用的，也可能还有改进的空间。在可选步骤409中，在主上行帧提供的AO中，将链路管理下行帧发送到测量装置7。步骤407和409是可选的，因为提高主信道中足够的信号质量不是必需的。

如图5所示，在步骤501中，测量装置7将一个或多个辅上行帧发送到接收辅上行帧的数据采集单元5。优选地，发送辅上行帧的频率低于发送主上行帧的频率。例如，每10个主上行帧可以跟随一个或多个辅上行帧。辅上行帧是使用不同于主上行帧的其他通信模式或信道(即，辅信道)的一种测试帧。辅上行帧可以包含很少数据或不包含数据，但为数据采集单元5提供用于响应的AO。在接下来的步骤503中，检查在步骤405中是否对链路管理下行帧进行排队。如果在步骤405中没有对链路管理下行帧进行排队，则数据采集单元5可以忽略辅上行帧。但是，如果在步骤405中对链路管理下行帧进行了排队，则在步骤505中，评估一个或多个辅上行帧的信号质量(即，辅信号质量)，并与步骤403中确定的主信号质量和其他辅信号质量(如果适用的话)进行比较。如果辅信号质量比主信号质量或其他辅信号质量更合适(即，最合适)，则在步骤507中，使用辅上行帧提供的AO来发送排队的链路管理响应。这是测量装置7从现在起将关联的辅信道用作新的主信道来发送主上行帧的明确的指示。无需进一步的通信来找到信道协议。

图6示意性地示出了关于本文公开的第三方面的、基于优先次序方案的占空比限制。这里的方案是对从数据采集单元5发送到测量装置7的下行帧进行分类，并且仅在当前占空比没有超过占空比限制时才在AO中将经分类的下行帧发送到测量装置，其中，该占空比限制取决于下行帧的类别的优先级。下行帧的粗略分类如下所示：

一般来说，下行帧被分类为N个不同的类别，其中，

优先级i和占空比份额DC_i与每个类别相关联，其中，i∈{0,…,N-1}，其中，要应用于第i个类别的占空比限制是最大占空比减去具有更高优先级的任何未决类别j的占空比份额DC_j的总和，其中，j∈{0,…,i-1}。图6示出了N＝4个下行帧类别的示例。

以下限定用于描述算法：

●最大占空比：允许数据采集单元使用的最大占空比，例如，官方法规设置的占空比限制。

●当前占空比[0-最大D.C]：在滑动时间窗口(例如，一小时)内确定的当前下行占空比。

●优先级[P0…PK]：下行流量的优先级，其中，K＝N-2为大于或等于1的整数值

P0-活动帧：例如，关键下行流量和正在进行的下行流量

P1：(例如，特权下行流量的)最高优先级帧

…

PK：(例如，特权下行流量的)最低优先级帧

维护：示例：维护下行流量

●占空比限制[L0…LK]：超过限制将会限制下行流量为相应的优先级或更高的优先级的经分类的下行流量，其中，K＝N-2是大于或等于1的整数值

L0：优先级P0限制

L1：优先级P1限制

…

LK：优先级PK限制

图6示出了0％与最大占空比之间的完整可用占空比范围，最大占空比是由官方法规设置的。因此，取决于数据采集单元5的当前下行流量负载，当前占空比可以采用0％与最大占空比之间的任何值。对于每个下行流量，使用传输的持续时间来更新当前占空比。对于不同的下行帧，传输时间可能不同，即使对于相同的帧大小，传输时间也可能不同，这取决于数据采集单元所使用的用以到达测量装置的链路参数。

低于最大占空比的最高占空比限制L0由低于最大占空比的与P0帧的类别相关联的占空比份额限定，使得在当前占空比等于或高于L0的情况下，仅发送类别为P0的正在进行的端到端下行流量和关键下行流量。这意味着只要P0下行帧正在排队，就会被提交。这里的基本原理是，首先，完成任何正在进行的端到端下行流量以避免重传，其次，执行关键链路管理以避免回落活动。

低于L0的第二高占空比限制L1由与P1帧的类别相关联的低于L0的占空比份额限定，使得在当前占空比等于或高于L1的情况下，仅发送类别为P0或类别为P1的高优先级端到端下行流量。需要注意的是，在当前占空比在L1与L0之间时，P0与P1之间不存在优先级。

低于L1的第三高占空比限制L2由与P2帧的类别相关联的低于L1的占空比份额限定，使得在当前占空比等于或高于L2的情况下，仅发送类别P0、P1或P2，其中，P2是低优先级的端到端下行流量的类别。需要注意的是，在当前占空比在L2与L1之间时，P0、P1与P2之间不存在优先级。如果当前占空比高于L2，如图所示，则不发送维护下行流量，直到不再有P0、P1和P2下行流量要发送。如果当前占空比低于L2，则不应用优先级，并照常发送维护下行流量或任何其他下行流量。

图7示出了用于设置占空比限制L0-LK的方法步骤的流程图，当具有更高优先级的未决类别的数量改变时，动态地调整占空比限制L0-LK。在步骤701中，数据采集单元5接收来自HES 3的端到端通信或来自测量装置7的上行帧。在第一种情况下，存在未决的新的特权下行流量。在后一种情况下，上行帧可能包含链路管理对于避免回落动作至关重要的信息，例如通过根据本文公开的第一方面的计数器值。在任何情况下，数据采集单元5都可以更新优先次序方案和占空比L0-LK，如图7所示。在接下来的步骤703中，检查是否有任何P0下行流量未决，即关键下行流量或正在进行的端到端下行流量。如果不是这种情况，则在步骤705中，将L0设置为最大占空比。如果是这种情况，则在步骤707中，从最大占空比中减去为P0下行帧保留的某个占空比份额以设置L0。为P0下行帧保留的占空比份额可以是可配置的预定值。

在接下来的步骤709中，检查是否有任何P1下行流量未决，即，高优先级端到端流量。HES 3可以将端到端通信标记为“高优先级”。如果不是这种情况，则在步骤711中，将L1设置为L0。如果是这种情况，则在步骤713中，从L0中减去为P1下行帧保留的特定占空比份额以设置L1。为P1下行帧保留的占空比份额也可以是可配置的预定值。

类似地，在接下来的步骤715中，检查是否有任何P2下行流量未决，即，低优先级的端到端流量。HES 3可以将端到端通信标记为“低优先级”。如果不是这种情况，则在步骤717中，将L2设置为L1。如果是这种情况，则在步骤719中，从L1中减去为P2下行帧保留的特定占空比份额以设置L2。为P2下行帧保留的占空比份额也可以是可配置的预定值。当设置了K＝N-2个占空比限制时，优先次序方案更新以步骤721结束。

图8示出了使用接入机会的方法步骤的流程图。在步骤801中，数据采集单元5接收来自测量装置7的上行帧，其中，所述上行帧提供数据采集单元5可以用于响应测量装置7的AO。在接下来的步骤803中，检查当前占空比是否高于限制L0。如果是，则在步骤805中，仅允许P0下行帧使用AO。如果不是这种情况，则在步骤807中，检查当前占空比是否高于限制L1。如果是，则在步骤809中，仅允许P0和P1下行帧使用AO。如果不是这种情况，则在步骤811中，检查当前占空比是否高于限制L2。如果是，则在步骤813中，仅允许P0、P1和P2下行帧使用AO。如果不是这种情况，则允许任何下行帧使用AO与测量装置7进行通信。在步骤817中，AO的允许使用实际上是为了与测量装置7进行通信而执行的。

图9示意性地示出了关于本文公开的第三方面的、基于优先级方案的冲突解决。由于数据采集单元7处理与多个测量装置7的通信，如果不同耗量表的AO部分或完全重叠，则在要发送不同下行帧之间可能出现定时冲突。在图9的顶部图中，当前占空比低于L1，并允许P0、P1和P2下行帧。不同仪表A、B、C的AO不重叠，因此不会出现定时冲突。根据时间表，P2帧被发送到仪表C，然后P1帧被发送到仪表B，P0帧被发送到仪表A。然而，在图9的中间图中，仪表B的AO与仪表C的AO部分重叠。数据采集单元7无法开始向仪表B发送P1帧，因为向仪表C发送P2帧仍在持续中。在这种情况下，数据采集单元7优先将更高优先级的P1帧给仪表B，并拒绝使用仪表C的AO。在底部图中，仪表A和仪表B的AO部分重叠。同样，更高优先级的P0帧优先于P1帧，因此拒绝使用仪表B的AO。

在前面的描述中，提及了具有已知的、明显或可预见的等同物的整数或元素，则这些等同物被合并在本文中，就如同单独阐述一样。应当参考权利要求书来确定本公开的真实范围，应将权利要求解释为涵盖任何这种等同物。读者还应理解，被描述为可选的、优选的、有利的、方便的等的本公开的整数或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。

上述方面或实施例将被理解为本公开的示例性示例。应当理解，针对任何一个方面或实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他方面或实施例的一个或多个特征或任何其他方面或实施例的任何组合结合使用。尽管已经示出和描述了至少一个示例性方面或实施例，但是应当理解，其他修改、替换和变型对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离本文描述的主题的范围的情况下进行改变，并且本申请旨在涵盖在此讨论的特定实施例的任何改变或变化。

此外，“包括”不排除其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数形式。此外，已经参考上述示例性方面或实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。方法步骤可以按任何顺序应用或并行应用，或者可以构成另一个方法步骤的一部分或更详细的版本。应当理解的是，所有这些合理、恰当地落入对本领域所作出的贡献的范围内的修改应该落入在所授权的专利的范围内。可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出这些修改、替换和变型，本公开的精神和范围应由所附权利要求及其合法等同物来确定。

参考标记列表：

1 抄表系统

3 HES

5 数据采集单元

7 测量装置

9 ISM无线电连接

11 因特网连接

13 上行帧

15 下行帧

401 接收主上行帧

403 评估主信号质量

405 对链路管理下行帧排队

407 检查链路改进

409 使用主AO进行链路改进

501 接收辅上行帧

503 检查链路管理下行帧是否在排队

505 检查辅信号质量是否最合适

507 将辅AO用于链路管理下行帧

701 开始更新占空比限制L0-LK

703 检查P0帧是否未决

705 将L0设置为最大占空比

707 设置L0＝最大占空比-P0帧的占空比份额

709 检查P1帧是否未决

711 设置L1＝L0

713 设置L1＝L0-P1帧的占空比份额

715 检查P2帧是否未决

717 设置L2＝L1

719 设置L2＝L1-P2帧的占空比份额

721 结束更新占空比限制

801 接收提供AO的上行帧

803 检查当前占空比是否高于L0

805 只允许P0帧使用AO

807 检查当前占空比是否高于L1

809 只允许P0和P1帧使用AO

811 检查当前占空比是否高于L2

813 只允许P0、P1和P2帧使用AO

815 允许任何帧使用AO

817 将AO用于允许的帧

FC 计数器值

Claims (18)

1.一种如下装置之间的无线通信方法：

-多个测量装置(7)，其中，每个测量装置(7)被安装为测量或检测相应的公共事业设施处的值，以及

-至少一个数据采集单元(5)，用于从所述多个测量装置(7)采集数据，

其中，所述方法包括：

-将上行数据帧从至少一个测量装置(7)发送到数据采集单元(5)，

-在发送了至少一些上行数据帧后，由至少一个测量装置(7)提供限时接入机会AO，所述限时接入机会AO用于从至少一个数据采集单元(5)接收下行帧，

-对要从至少一个数据采集单元(5)发送到至少一个测量装置(7)的下行帧进行分类，

-仅在当前占空比不超过占空比限制时才在接入机会AO期间将经分类的下行帧发送到至少一个测量装置(7)，其中，所述占空比限制取决于下行帧的类别的优先级。

2.根据权利要求1所述的通信方法，还包括：以规律的、偶发的或连续的方式确定当前占空比。

3.根据权利要求2所述的通信方法，其中，每当至少一个数据采集单元(5)计划传输下行帧时，确定所述当前占空比。

4.根据前述权利要求中任一项所述的通信方法，还包括：将所述下行帧分类为N个不同的类别，其中，优先级i和占空比份额DC_i与每个类别相关联，其中，i∈{0,…,N-1}，其中，要应用于第i个类别的占空比限制是最大占空比减去具有更高优先级的任何未决类别j的占空比份额DC_j的总和，其中，j∈{0,…,i-1}。

5.根据权利要求4所述的通信方法，其中，当具有更高优先级的未决类别j的数量改变时，动态调整所述占空比限制。

6.根据前述权利要求中任一项所述的通信方法，其中，只有如下情况下才在接入机会AO期间将经分类的下行帧发送到至少一个测量装置(7)：不存在由需要具有更高优先级的经分类的下行帧的另一测量装置(7)的另一上行数据帧提供的、在时间上至少部分重叠的其他接入机会AO。

7.根据前述权利要求中任一项所述的通信方法，还包括：

-通过从前端系统HES向至少一个数据采集单元(5)发送一个或多个端到端下行帧来发起端到端通信，

-由至少一个数据采集单元(5)接收所述端到端下行帧，

-对所述端到端下行帧进行分类，以及

-仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在接入机会AO期间将经分类的端到端下行帧传输到至少一个测量装置(7)，其中，所述占空比限制取决于所述端到端下行帧的类别的优先级。

8.根据权利要求7所述的通信方法，其中，未终止的端到端通信的端到端下行帧被分类为最高优先级的下行帧。

9.根据权利要求7或8所述的通信方法，其中，所述端到端下行帧被分类为具有高于维护下行帧的优先级。

10.一种数据采集单元(5)，用于从多个测量装置(7)无线采集数据，其中，每个测量装置(7)被安装为测量或检测相应公共事业设施处的值，其中，所述数据采集单元(5)被配置为接收由至少一个测量装置(7)发送的上行数据帧，其中，至少一些上行数据帧分别指示由至少一个测量装置(7)提供的限时接入机会，所述限时接入机会用于从至少一个数据采集单元接收下行帧，其中，所述数据采集单元(5)还被配置为仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在接入机会AO期间将经分类的下行帧发送到至少一个测量装置(7)，其中，所述占空比限制取决于下行帧的类别的优先级。

11.根据权利要求10所述的数据采集单元(5)，其中，所述数据采集单元(5)被配置为规律地、偶发地或连续地确定或接收当前占空比。

12.根据权利要求11所述的数据采集单元(5)，其中，所述数据采集单元(5)被配置为：每当数据采集单元传输下行帧时，确定当前占空比。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的数据采集单元(5)，其中，所述数据采集单元(5)被配置为将下行帧分类为N个不同的类别，其中，优先级i和占空比份额DC_i与每个类别相关联，其中，i∈{0,…,N-1}，其中，要应用于第i个类别的占空比限制是最大占空比减去具有更高优先级的任何未决类别j的占空比份额DC_j的总和，其中，j∈{0,…,i-1}。

14.根据权利要求13所述的数据采集单元(5)，其中，所述数据采集单元(5)被配置为当具有更高优先级的未决类别j的数量改变时，动态调整所述占空比限制。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的数据采集单元(5)，所述数据采集单元(5)被配置为仅在如下情况下才在接入机会AO期间将所述经分类的下行帧发送到至少一个测量装置(7)：不存在由需要具有更高优先级的经分类的下行帧的另一测量装置(7)的另一上行数据帧提供的、在时间上至少部分重叠的其他接入机会AO。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的数据采集单元(5)，其中，所述数据采集单元(5)被配置为从前端系统HES接收一个或多个经分类的端到端下行帧，并仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在接入机会AO期间将所述经分类的端到端下行帧传输到至少一个测量装置，其中，所述占空比限制取决于所述端到端下行帧的类别的优先级。

17.根据权利要求16所述的数据采集单元(5)，其中，所述数据采集单元(5)被配置为将正在进行的端到端通信的端到端下行帧分类为最高优先级的下行数据帧

18.根据权利要求16或17所述的数据采集单元(5)，其中，所述数据采集单元(5)被配置为将所述端到端下行帧分类为具有高于维护下行帧的优先级。

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