CN1663184A - 具有扩展覆盖区的通信系统 - Google Patents

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CN1663184A CN03814299.6A CN03814299A CN1663184A CN 1663184 A CN1663184 A CN 1663184A CN 03814299 A CN03814299 A CN 03814299A CN 1663184 A CN1663184 A CN 1663184A
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Abstract

描述了一种具有主－次星形拓扑结构的无线电通信系统(20)，并且其中位于主站的无线电覆盖区(13)外部的另一次站/设备(24)能够通过位于所述主站(12)的无线电覆盖区内的第一次站(22)与所述主站通信。这是通过下述方式达到的：所述第一次站(22)向它自己和所述主站(12)登记所述一个或多个另一次站，在这之后，根据对在登记时分配的识别码的译码，在所述主站和所述一个或多个另一次站之间通过所述第一次站交换消息。

Description

具有扩展覆盖区的通信系统
技术领域
本发明涉及一种扩展无线电通信系统的无线电覆盖区的方法，并进一步涉及适合于实施所述方法的无线电设备/站。本发明尤其但不唯一适用于低成本和低数据率的主/从无线电通信系统。
背景技术
短程无线电网络具有一个主(或主控)站，所述主(或主控)站随后登记或者使次(或从)站与它自己相关，以形成主/从无线电通信系统和网络，在所述网络中，包含数据包的无线电消息在主站的控制下在多个站之间进行交换，所述短程无线电网络正在引来更多的关注。这种主/次站的互用性取决于每个具有预定和标准化无线电协议的设备，所述无线电协议例如是在由IEEETM采用的802系列的无线电标准中规定的那些协议。这种协议的一个众所周知的例子是蓝牙TM协议。在本专利申请的时候开发中的另一协议是由ZigBee联盟集团公司(www.zigbee.org)正在开发的协议。ZigBee联盟的主要目标是规定适合于低数据率、低功率应用的协议和无线电栈，以便结合ZigBee标准的无线电站或设备是低成本的并可互用。
希望这种低成本自我配置的无线电网络将开辟许多家庭用户和工业控制市场，例如在供热和照明应用中。在写本文的时候，ZigBee联盟集团公司旨在用少于$2的目标成本生产无线电站设备，这种设备具有充当微处理器的相对简单的微控制器以及有可用的有限量机载存储器。
然而，包括一个主站和多个相关的从站或次站的ZigBee无线电通信系统在准备此申请的时候具有有限的无线电覆盖区，所述无线电覆盖区与该主站的常规无线电广播范围直接相关，估计对于在2.4GHz ISM频带中规定的16个信道之一中通信的ZigBee系统而言，其在几十米的区域内。
因此，在控制和仪器使用的区域内，大的建筑物内的无线电通信系统和网络必须规划并仔细安装，以确保良好的无线电覆盖范围。如果被传送的次站在其主站的无线电覆盖区以外或者位于差的无线电接收区内，那么就存在问题，并因此不能从其主站接收消息或传送消息到其主站。
发明内容
因此本发明的目的是扩展通信系统的无线电覆盖区以缓和上述问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于扩展根据预定无线电协议工作的通信系统的无线电覆盖区的方法，所述系统包括一个具有无线电覆盖区的主站、在所述覆盖区内的第一次站以及位于所述主站的无线电覆盖区外部的另一次站，所述方法包括一个消息交换过程，其中：
第一次站从主站接收供另一次站用的消息；以及
发送所述消息到另一次站；以及
第一次站从另一次站接收供主站用的消息；以及
发送所述消息到主站。
根据本发明的第二方面，提供了一种根据预定无线电协议工作的通信系统，并且所述通信系统包括一个具有无线电覆盖区的主站、在所述覆盖区内的第一次站以及位于所述主站的无线电覆盖区外部的另一次站，第一次站具有用于从从主站接收供另一次站用的消息、用于发送所述消息到另一次站、用于从另一次站接收供主站用的消息以及用于发送所述消息到主站的装置。
根据本发明的第三方面，提供了一个用在根据预定无线电协议工作的通信系统中的第一次站，并且所述通信系统拥有一个具有无线电覆盖区的主站以及位于所述主站的无线电覆盖区外部的另一次站，第一次站位于所述主站的无线电覆盖区内，并包括用于从主站接收供另一次站用的消息、用于发送所述消息到另一次站、用于从另一次站接收供主站用的消息以及用于发送所述消息到主站的装置。
优选地也提供了一个登记过程，其中：
另一次站发送包含登记信息的消息到第一次站，以及
第一次站发送所述登记消息到主站以向主站登记另一次站。
根据本发明，涉及在主站和位于所述主站的覆盖区外部的另一次站之间消息交换的通信经由位于主站的无线电覆盖区内的第一次站来建立。第一次站用来中继来自或到各个站的消息。优选地，第一次站登记或使另一次站与它自己相关，并且进一步传送所述登记消息到也登记所述另一次站的主站。在一个实施例中，所述登记涉及每个分配短识别码给另一次站的站，和联合或连接相应识别码的第一次站。随后根据在消息内包含的连接识别码通过第一次站路由消息。
在一个示例实施例中，主站位于建筑物内，并形成具有其它次站的照明系统的一部分，所述其它次站包括位于灯或光源以及相关灯开关内的第一次站。所述系统根据如ZigBee联盟规定的通信协议交换包括无线电数据包的消息。主站通过提供周期参考或“信标”信号使通信(消息的交换)与第一次站(以及在它的无线电覆盖区内和先前向它登记的任何其它次站)同步。第一次站为它自己保留在信标间的时间间隔的一部分，并在这个间隔期间接收或发送任何供另一次站用的消息。第一次站也用来为其默认应用服务，在这个例子中是作为灯镇流器中的照明控制器。
因此，在建筑物的基本设施中配备的主站具有其无线电覆盖区，所述无线电覆盖区通过在至少一个作为通信网络一部分的第一次站的基本设施内的供给有效地增加。上述第一站用来执行其以前安装的默认功能和应用，但是也能提供消息交换业务给另一次站，所述另一次站可以位于(或在将来的日子变得位于)主站的无线电覆盖区的外部。作为选择，次站周围的环境可以在将来的日子发生改变(例如在一个开敞式平面布置的办公室环境内)，由此产生一个除去不能与主站建立通信的次站的能力的无线电无效点或反射区，使该次站变成另一次站。在这样的例子中第一次站可以被采用，以使消息能够通过它自己在另一次站和主站之间交换。
因而，提供了一种灵活的基本设施，所述基本设施能够获得更大的覆盖区和更坚固的网络。而且，随着在次站和主站之间进行无线电通信的机会的增加，在不用大量的无线电覆盖范围规划的情况下，使在未来的日子次站的额外安装更容易。
附图说明
本发明现在将仅仅通过例子以及参考附图来进行描述，其中：
图1是具有一个主站和若干次站的无线电网络的示意框图。
图2是包括根据本发明的第一次站的无线电网络的示意图。
图3是由主站和第一次站存储的、用于和本发明的方法一起使用的表格的例子。
图4是表示体现本发明的一个方面的登记方法的流程图。
图5说明了表示根据本发明用于一种交换消息的方法的示例性步骤的流程图。
应该注意到，上述图是示意性的，并没有按比例绘制。为了清晰和方便起见，上述图各个部分的相对尺寸和比例已经以放大或缩小的尺寸在附图中示出。相同的参考标记通常用来指在已修改和不同实施例中对应或类似的部件。
具体实施例详述
在下面的例子中，在一幢建筑物内的无线照明网络用来说明本发明的原理，其中的网络和设备形成一个根据诸如由ZigBee联盟规定的ZigBee标准之类的无线电协议工作的通信系统。
一个已知的无线电网络10在图1中示意性地示出，并且它包括一个包含由微控制器或微处理器控制的收发机的主控或主站(M)12。主站12从电力线或其它合适的电源、例如发电机来加电，并且具有如图中r1指示的广播范围，其给出了由图中虚线圆指示的无线电覆盖区13。所述主站将关于多个次站14的信息存储在与微控制器连接的存储器中，每个次站具有一个唯一的64位标识符(在图中是S1、S2、S3)、一个收发机和一个微控制器以能够与主站12通信。所述次站(通常称为从站)先前已经通过枚举过程向网络主站12进行了登记，由此主站12接收次设备的唯一标识符，并向那个次设备提供更短的标识，例如8位无线电识别码(RIC1)。(所述枚举过程在2002年4月1 9日公布的申请人共同未决的国际专利申请WO0128156中进行了更充分的描述，并且读者现在可以阅读它，且其公开内容在此合并作为参考)。
在利用图1的网络的照明应用的一个示例实施例中，在吊灯和灯开关中提供了次站14，其中灯开关例如是电池供电的。在这种照明系统中，后面的枚举、所述开关和灯进行了一个配置步骤，在所述配置步骤中它们根据用户的偏好被逻辑地连接或配对。这样的配对过程使用户能够把一个设备(灯开关)和另一设备(灯)相连，并且在2002年4月19日公布的申请人共同未决的国际专利申请WO0128157中进行了更充分的描述，且感兴趣的读者现在可以为了完整性而去阅读它。因此，配对能使一个从或次站看来像是控制在网络中登记的另一个站，即使所述网络是主从拓扑结构，在所述主从拓扑结构中，从站(次站)只是直接与主控站(主站)通信，并且通常是简单的无线电设备，所述无线电设备具有有限的存储和处理资源，并因此对它们所属的网络具有有限的知识。
一个站是从站还是主站以及该站作何应用，取决于例如向每个从站的微控制器提供的任一专用码连同无线电协议栈，在这个例子正如ZigBee联盟所指定的协议栈。
其中正如图1所示的此种网络根据所述协议工作的一种模式是在一个单一频率信道上的“信标”，其中主站12在一个单一频率信道(ZigBee在2.4GHz ISM频带上规定了16个信道)上发出周期参考或信标信号，次站接收并作出反应。所述参考信号包含哪个数据供哪个次站使用或待决状态的指示，同时次站根据多址协议作出响应。例如可以利用载波检测多址(CSMA)方法，其中收发机在发射之前校验该频率信道是空闲的。然而，这并没有避免由第二收发机在第一收发机在校验该频率信道是空闲的之后准备发送的短暂间隔期间校验频率信道产生的碰撞。可以采用诸如随机指数退避方案之类的争用裁决方案以试图避免所述第一和第二收发机在相同时刻的重试。
当一个次站收发机在信标信号中检测到数据是待决状态的指示时，它发送包括其无线电识别码(RIC)(由主站在起始枚举期间分配)的数据请求消息给主站，并随后启动它的接收机。所述主(主控)站接收该数据请求，校验它是否具有用于该特定无线电识别码(RIC)的数据消息，如果它有，就发送一个数据包到该次站，该次站确认收到所述消息以完成该事务。另外，主站可以被置于枚举或登记模式，例如通过在主站上的用户输入按钮或通过来自次站的请求，同时主站发信号通知它正在接受信标信号中的新设备，并且新设备(例如照明遥控设备)可以加入该网络并随后根据用户的偏好和相关灯进行配对。
以这种方式建立和配置了可以工作的一个简单无线电网络，具有位于所述无线电覆盖区13内为已登记的次站服务的主站。
如果次站被定位在一个对来自主站的传输经历了差的无线电接收的区域内，例如在该区域内接收被障碍物阻挡或接收遭受了来自另一无线电源的干扰，那么就存在问题。于是该次站被认为是在主站的无线电覆盖区的外部并且不能加入或参与该网络。
图2说明了根据本发明构造的一个系统20，其中另一次站(S5)24距网络主站12(M)的距离比r1大，并因此在所述主站的无线电覆盖区的外部且因而不能与所述主站通信。然而对应于S3(在图1中)的次站在这个系统中已经被第一次站22(FSS)所代替。
第一次站22优选地通过恒定电源30来供电，例如如果第一次站22包括于吊灯的镇流器中则所述恒定电源30将是可用的。第一次站22包括(见图2的插图)连接到收发机34和存储器36的微处理器或微控制器32，并且作为灯控制设备向主站12登记，并可以和如前所述的一个合适的灯开关设备配对。占据了配备微控制器的ZigBee无线电协议栈40的较高层40a的应用码提供了这个功能(在这种情况下是作为灯镇流器的控制器)，但是另外向第一次站提供了一个登记和消息交换过程，所述登记和消息交换过程使第一次站22能够向主站12登记另一次站24，并在这之后在主站12和另一次站24之间中继消息。
在此实施例中，第一次站为它自己保留在主站信标(信标帧)间的时间周期的一部分，这具有的效果是：其它已登记的次站(S1，S2)在此保留周期期间不试图发送给主站12。在这周期期间，第一次站22发送它自己的参考信标信号，并为对第一次站的信标响应的任何另外的次站登记和交换消息。第一次站22事实上和另一次站24一起形成代理网络(SNW)，并提供了在如由图2的虚线圆13a示意性指出的无线电覆盖区13的一个有效扩展。
示例登记过程
图3示出了存储在第一次站22和主站12的存储器36中的数据表的例子。在登记过程期间构造如图4所示的这些表，并且这些表将参考图3和图4进行描述。在登记过程的步骤60中，第一次站22存储从另一次站24接收的一个唯一标识符[RX(UI)]，并且在步骤62中将一个短的8位无线电识别码[RIC2]分配给另一次站24，并将该码和任何从所述另一次站获得的并且关于另一次站性能的其它设备信息存储在存储器36的表50中。在示出的例子中，第一次站22已经在表50中将RIC2‘1’分配给另一次站(U1为’S5’)。第一次站22随后向主站12请求登记，并在步骤64[TX(UI)]中将所述唯一标识符和在步骤60中从另一次站收集的任何其它信息发送给主站12。主站12在步骤66[RX(UI)]中接收此信息，并更新其具有用于已接收的设备标识符UI的录入项的网络表52(图3)，并且进一步将一个短无线电码分配(步骤68)给该标识符。在此例子中，图3的表52具有一个UI录入项’S5’和一个分配的短无线电码RIC1‘4’。在步骤70中，主站将分配的短无线电码RIC1发送到第一次站22，所述第一次站22如该过程的步骤72所示将接收的RIC1与RIC2码相链接，所述RIC2码被分配给另一次站24。这被表示在图3的示例表50中，其中该RIC1列已经用从主站12接收并由其分配的值进行了更新。最后在步骤74中，第一次站22发送它分配[TX(RIC2)]给另一次站24的码到另一次站，因此在该代理网络上用无线电码RIC2枚举另一次站24。
示例消息交换过程
通过跟随图4的过程58，第一次站22已经在存储器36中的表50中存储了无线电码(RIC1)以及还有无线电码(RIC2)，所述主站已将该无线电码(RIC1)分配给了另一次站，它也已将该无线电码(RIC2)分配给了另一次站24。另一次站随后通过把它的分配的RIC2和消息一起发送来将该消息指示为是源于它自己的。另一次站一接收到这样的消息，就查寻相关的RIC1，并通过空中将该消息和相关RIC1的值发送到主站12。消息交换过程的此上行链路部分通过图5的流程图80中的例子进行了说明。
类似地，由主站12产生、供另一次站24用的消息和识别码RIC1被主站发送。这个消息被第一次站22接收，所述第一次站22用存储在它的表50中的所链接的RIC2标识符替换RIC1标识符。该消息然后被第一次站22向前发送到另一次站24。消息交换过程的此下行链路部分通过图5的流程图84中的例子进行了说明。
因此，根据第一次站用具有存储在表50中的相关识别码替换和消息一起接收的识别码并向前发送该消息，消息在系统中进行了交换。
在上述实施例中，根据由主站12发送的一个信标信号和由第一次站22发送的另一个信标信号，消息的交换被同步。另外，作为例子，第一次无线电站被放置在灯镇流器中。这为第一次无线电站提供了永久的功率以允许可靠的信号传输，并且由于灯镇流器通常安装在天花板上，它提供了用于传输的大的覆盖区。因此，无线照明基本设施装置包括至少一个主站和至少一个第一次站，它使更多的无线设备能够被容易地安装而不用大量的无线电覆盖范围规划或广播范围估计。
例如，本发明有利地使包括热敏电阻和其它传感器的供热装置能够应用在建筑物的内部或周围，而不用进行详细和昂贵的无线电安装规划。如果包含一个无线电设备的传感器不能与主站通信，那么它可以与第一次站通信并从那儿到主站，这允许一个更快和更容易的安装。
在上面描述了一个采用星形或主/从拓扑结构的分组无线电系统，所述系统根据预定协议工作，并且其中在多个站之间的通信能够经由第一次站实现。主站覆盖区的有效增加产生了一个更坚固的通信系统。虽然上面的实施例描述了一个利用ZigBee无线电协议的系统，但是本领域的普通技术人员将认识到可以使用其它的分组无线电数据协议。
通过阅读本公开内容，其它的修改对本领域普通技术人员而言将是显而易见的。此种修改可以包括其它在主/次站、通信系统、基础设施及其部件部分的设计、制造和使用中已知的特征，并且可以代替或除了已经在此描述的特征而使用这些特征，而不背离本发明的精神和范围。
在本说明书和权利要求书中，在一个部件前的单词“一”或“一个”并不排除多个此种部件的存在。

Claims (17)

1.一种用于扩展根据预定无线电协议(40)工作的通信系统(20)的无线电覆盖区(13)的方法，所述系统包括一个具有无线电覆盖区的主站(12)、在所述覆盖区内的第一次站(22)以及位于所述主站的无线电覆盖区外部的另一次站(24)，所述方法包括一个消息交换过程(80，84)，其中：
第一次站从主站接收供另一次站用的消息；以及
发送所述消息到另一次站；
以及
第一次站从另一次站接收供主站用的消息；以及
发送所述消息到主站。
2.根据权利要求1的方法，其中所述消息交换过程跟随一个登记过程(58)，其中：
另一次站(24)发送包含登记信息的消息到第一次站(22)，以及
第一次站(22)发送所述登记消息到主站以向主站登记另一次站(24)。
3.根据权利要求2的方法，其中所述登记信息包括一个识别所述另一次站(24)的唯一标识符，并且其中：
主站(12)通过分配与那个站的所述唯一标识符相关的第一标识符(68)来登记所述另一次站，并且发送(70)所述第一标识符到所述第一次站(22)，
以及其中所述第一次站(22)分配与所述第一标识符和所述唯一标识符相关的第二标识符(62)，并且发送所述第二标识符到所述另一次站(24)，
以及其中随后根据所述相关标识符消息被交换(80，84)。
4.根据权利要求3的方法，其中在所述主站(12)和所述第一次站(22)之间的通信根据由所述主站发送的第一周期信标信号而被同步。
5.根据权利要求4的方法，其中所述第一次站(22)保留在所述周期信标信号间的时间周期的一部分，并且其中所述第一次站在此保留的时间周期期间发送消息到所述另一次站(24)和从所述另一次站(24)接收消息。
6.根据任一前述权利要求的方法，其中所述预定无线电协议(40)是正如ZigBee无线电标准所规定的无线电协议。
7.一种根据预定无线电协议工作的通信系统，并且所述通信系统包括一个具有无线电覆盖区(13)的主站(12)、在所述覆盖区内的第一次站(22)以及位于所述主站的无线电覆盖区外部的另一次站(24)，第一次站具有用于从主站接收供另一次站用的消息、用于发送所述消息到另一次站、用于从另一次站接收供主站用的消息以及用于发送所述消息到主站的装置(32，34，50)。
8.根据权利要求7的通信系统，其中所述第一次站(22)进一步包括用于从所述另一次站(24)接收包含登记信息的消息的装置，以及用于发送所述登记消息到所述主站(12)以向所述主站登记所述另一次站的装置。
9.根据权利要求7或权利要求8的通信系统，其中在所述主站(12)和所述第一次站(22)之间的消息交换(84)根据由所述主站发送的一个周期信标信号而被同步。
10.根据权利要求9的通信系统，其中所述第一次站(22)保留在所述周期信标信号间的时间周期的一部分，并且其中所述第一次站在此保留的时间周期期间发送消息到所述另一次站(24)和从所述另一次站(24)接收消息。
11.根据权利要求7到10中的任一权利要求的通信系统，其中所述预定无线电协议(40)符合ZigBee无线电标准。
12.一个用在根据预定无线电协议(40)工作的通信系统(20)中的第一次站(22)，并且所述通信系统拥有一个具有无线电覆盖区的主站(12)以及位于所述主站的无线电覆盖区外部的另一次站(24)，所述第一次站(22)位于所述主站的无线电覆盖区内，并包括用于从主站接收供另一次站用的消息、用于发送所述消息到另一次站、用于从另一次站接收供主站用的消息以及用于发送所述消息到主站的装置。
13.如权利要求12的第一次站，进一步包括用于从所述另一次站接收包含登记信息的消息的装置，以及用于发送所述登记消息到所述主站以向所述主站登记所述另一次站的装置。
14.如权利要求12或权利要求13的第一次站，其中所述预定无线电协议符合所述ZigBee无线电标准。
15.一种用于扩展通信系统(20)的无线电覆盖区的方法，基本上如在上文参考附图所描述的以及在附图中所示出的。
16.一种具有扩展的无线电覆盖区(13，13a)的通信系统(20)，并且它被构造和安排用于基本上如在上文参考附图所描述的以及在附图中所示出的那样工作。
17.一种第一次站(22)，它被构造和安排用于基本上如在上文参考附图所描述的以及在附图中所示出的那样工作。
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