TWI642324B - 無線通訊系統、控制電路與控制方法 - Google Patents

無線通訊系統、控制電路與控制方法 Download PDF

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Abstract

一種無線通訊系統，由控制電路、一無線傳輸模組與所連接的一或多個無線通訊閘道器所組成，無線通訊閘道器以多通道之一接收一終端設備發出的訊息，經控制電路執行控制方法後，指示通過無線傳輸模組傳送訊息，無線通訊系統通過無線傳輸模組可處理來自多個無線通訊閘道器接收的訊息，以一個傳輸模組輸出，具有可擴充性與提升效率的好處。在其中控制方法中，由無線通訊閘道器接收到訊息，控制電路計算傳輸時間，產生傳輸請求，連同訊息進入傳輸佇列中，之後傳送傳輸請求與訊息至無線傳輸模組，由無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。

Description

無線通訊系統、控制電路與控制方法
說明書公開一種無線通訊系統，特別是指包括一輸出數據的無線傳輸模組以及接收數據的一或多個無線通訊閘道器的無線通訊系統，由系統中不同的裝置分別處理接收與傳送的工作。
傳統無線通訊技術通過閘道器(gateway)進行數據收發的工作，特別是運作在兩個網域之間的運行。根據習知技術的無線閘道器的電路設計，是在一個無線閘道器內設有處理自各式終端接收到的封包的閘道電路、處理閘道器運作的控制器與傳送訊息的收發器。而在一個網路系統中，可能設置有多個無線閘道器，用以處理更多終端產生的訊息。
在一特定無線網路系統中，如圖1所示處理終端設備訊息的習知網路系統的架構示意圖，設有多個無線閘道器101,102,103，可以為一種長距離廣域網路通訊集合器(LoRa concentrator)，這類長距離低功耗的通訊技術適用於物聯網傳輸技術(IoT)，具有雙向通訊的功能，連接網路中的終端設備A,B,C,D,E，終端設備A,B,C,D,E可為物聯網中的各式感測器與電子裝置，無線閘道器101,102,103處理每個終端設備A,B,C,D,E上傳的數據，終端設備A,B,C,D,E可以分別連結相同或不同的無線閘道器101,102,103，採用的傳輸協定如無線區域網路(WiFiTM)、藍芽通訊 (BluetoothTM)、Zigbee等，並能傳送數據至每個終端設備。無線閘道器101,102,103也通過網路伺服器110將訊息傳遞到後端應用服務設備111,112,113。
舉例來說，終端設備A,B,C,D,E如設於一個廠房各處的環境感測器，包括煙霧偵測、溫溼度感測、亮度偵測、電力感測、影像監視與各式電子節點，為了要接收廠房各處的終端設備A,B,C,D,E的訊號，應在主要幾個位置設置無線閘道器101,102,103，配置一網路伺服器110，用以收集來自不同閘道器的數據，並提供後端應用，應用服務設備111,112,113提供的應用例如電力監視、廠房溫濕度監控、人員移動監控、設備監控等，形成一個物聯網生態系。
在一習知的解決方案中，上述長距離廣域網路通訊集合器可以配合一種先聽後送(LBT)模組，組成一個通訊單元，多個通訊單元能延伸系統可涵蓋的範圍，提供多樣的應用。使得習知的長距離廣域網路通訊集合器具有先聽後送的功能，也就是讓無線通訊系統在處理訊號傳輸時，可以透過先聽後送功能先執行通道清空評估程序(CCA)，以得出空閒通道用於傳輸之用。
說明書揭露一種無線通訊系統、其中的控制電路與控制方法，無線通訊系統包括一或多個無線通訊閘道器，各無線通訊閘道器包括一閘道控制器與一無線閘道收發器，可以多通道技術連線一或多個終端設備，接收各終端設備發出的訊息；系統包括一無線傳輸模組，設有一無線收發器與一控制器，用以傳送訊息，以及一控制電路，通過連接線路連接所述的無線通訊閘道器以及無線傳輸模組，控制電路執行一控制方法，使得無線通訊系統可以通過無線通訊閘道器負責接收各式終端設備的訊息，再通過控制電路運作後，以無線傳輸模組負責傳送訊息。無線傳輸模組可 以處理多個無線通訊閘道器的訊息，具有擴充性，實現一對多通道無線通訊技術。
無線通訊系統執行的控制方法包括自其中之一無線通訊閘道器接收到訊息，控制電路可以根據訊息封包大小與訊息中的傳輸時間序計算一傳輸時間，並產生一傳輸請求，連同訊息進入一傳輸佇列中。接著，控制電路根據傳輸時間自傳輸佇列中取得傳輸請求與訊息，將相關傳輸請求與訊息傳送至無線傳輸模組，由無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。
根據實施例之一，所述無線通訊閘道器可為一長距離廣域網路通訊集合器(LoRa concentrator)，原本為一支援雙向傳輸與接收的集合器，而所述的無線傳輸模組則為支援此長距離廣域網路通訊的一先聽後送模組(LBT module)，在此無線通訊系統中，長距離廣域網路通訊集合器設定為單向接收的集合器，配合單向傳輸的先聽後送模組，先聽後送模組通過控制電路而處理長距離廣域網路通訊集合器接收的訊息。
在一實施例中，控制電路用以控制無線通訊系統與無線通訊閘道器的運作，通過無線通訊閘道器以多通道技術連線一或多個終端設備，接收各終端設備發出的訊息，而無線傳輸模組用以傳送訊息。控制電路設有一處理單元，用以執行一控制方法；有一無線通訊閘道器控制介面，用以接收無線通訊閘道器自終端設備產生的訊息；設有一無線傳輸模組控制介面，用以傳送經處理單元處理的訊息至無線傳輸模組，由無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。
在控制裝置執行的控制方法實施例中，控制電路接收其中之一無線通訊閘道器自某一終端設備接收的訊息，接著根據訊息封包大小與訊息中的傳輸時間序計算傳輸時間，並產生一傳輸請求，連同訊息進入傳輸佇列中。控制電路接著根據傳輸時間自傳輸佇列中取得傳輸請求與訊息，傳送傳輸請求與訊息至無線傳輸 模組，由無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。
為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
A,B,C,D,E‧‧‧終端設備
101,102,103‧‧‧無線閘道器
110‧‧‧網路伺服器
111,112,113‧‧‧應用服務設備
201,202‧‧‧無線通訊閘道器
205‧‧‧無線傳輸模組
251‧‧‧無線收發器
252‧‧‧控制器
20‧‧‧控制電路
301‧‧‧天線單元
302‧‧‧無線閘道收發器
303，‧‧‧閘道控制器
304‧‧‧連接單元
401‧‧‧處理單元
402‧‧‧無線通訊閘道器控制介面
403‧‧‧無線傳輸模組控制介面
51‧‧‧無線通訊閘道器
52‧‧‧控制電路
53‧‧‧無線傳輸模組
步驟S501~S523‧‧‧無線通訊系統的控制流程
圖1顯示處理終端設備訊息的習知網路系統的架構示意圖；圖2顯示一處理終端設備訊息的無線通訊系統的架構實施例示意圖；圖3顯示無線通訊系統中無線通訊閘道器的電路方塊實施例圖；圖4顯示無線通訊系統中控制電路的電路方塊實施例圖；圖5顯示無線通訊系統的控制方法流程實施例圖。
說明書揭示一種無線通訊系統，如圖2所示無線通訊系統的系統架構實施例圖，主要組成元件包括一或多個無線通訊閘道器201,202、一個無線傳輸模組205以及控制電路20。此例顯示為兩個無線通訊閘道器201,202以及一個無線傳輸模組205，實際實施時，由一個無線傳輸模組205處理多個無線通訊閘道器201,202對終端設備的收發訊息，然而。數量並非限制系統可以實施的範圍，可以在特定需求下可以採用多個無線傳輸模組205。無線通訊閘道器201,202主要電路為閘道控制器與無線閘道收發器(如圖3所示)，無線通訊閘道器201,202支援多通道雙向通訊，用以連線各式終端設備，然而在此無線通訊系統中，主要使用其中單向多通道接收訊息的功能，而不受到雙向通訊中接收與傳送時共享同一數據處理電路而需要等待的影響，傳送訊息的工作則通過無線 傳輸模組205。
無線通訊閘道器201,202用以連線各式終端設備，例如感知器、電子裝置、家電設備等，實施例可應用為一種長距離廣域網路通訊集合器(LoRa concentrator)，與終端設備連線的通訊協定並非限定特定技術，例如可採用無線區域網路(WiFiTM)、藍芽(BluetoothTM)，或一種低功率廣域網路(LPWAN)的無線通訊技術。
用以連結一或多個無線通訊閘道器201,202的無線傳輸模組205，通過內部無線收發器251與控制器252運作執行訊息傳送的目的。控制器252接收自控制電路20的傳輸指令，其中包括傳輸請求與訊息，由控制器252決定一傳輸通道，經無線收發器251送出訊息。
根據實施例之一，其中無線傳輸模組205可為一種支援長距離廣域網路通訊的先聽後送(Listen Before Talk，LBT)模組，此類先聽後送的無線通訊模組運作時，需要等待系統中控制電路20傳送傳輸指令後，經接收到傳輸指令並解析當中傳輸時間資訊(time stamp)與傳輸通道(channel)等的資訊，可以根據控制電路20所指定的通道傳輸訊息(如回應終端裝置的ACK)。先聽後送的機制藉由一種通道清空評估程序(CCA)以感測通道是否可用，並在一毫秒至十毫秒等明確時間範圍內調整傳輸時間，如此，採用先聽後送機制的無線通訊系統可以透過先聽後送功能預先感測通道並評估其是否為空閒(free/non-free)而可用於傳輸的狀態，以進行觸發傳輸功能。
更進一步地，為了擴充無線通訊系統的涵蓋範圍與應用，例如物聯網(IoT)應用中會有處理大量感測器訊號的需求，需要足夠數量與更大涵蓋範圍的無線通訊閘道器，此無線通訊系統可以利用擴充無線通訊閘道器應付需求，或者也要通過增加無線傳輸模組來處理無線通訊閘道器多訊息多通道傳輸產生的數據。
控制電路20為無線通訊系統的主要控制電路，可以電路模組、積體電路、軟體與硬體整合的方式實現，通過如匯流排，或其他有線或無線形式的連接線路連接一或多個無線通訊閘道器201,202以及至少一個無線傳輸模組205，控制電路20可自其中之一無線通訊閘道器201或202接收到訊息後，判斷一傳輸時間，指示無線傳輸模組205送出訊息。
無線通訊系統中各主要元件電路實施例如下圖例描述，圖3所示為無線通訊系統中無線通訊閘道器的電路方塊實施例圖。
圖示以無線通訊閘道器201為例，每個無線通訊閘道器201設有天線單元301、無線閘道收發器302、閘道控制器303與連接單元304。無線通訊閘道器201主要運作於多個不同網段之間，以多通道技術連線一或多個終端設備，接收各終端設備發出的訊息，以天線單元301接收終端設備產生的射頻訊號，由無線閘道收發器302整合了原本無線通訊閘道器201的接收與發送的功能，處理自終端設備傳送射頻訊號，取得當中的訊息與時間資訊(time stamp)等。閘道控制器303控制無線通訊閘道器201的運作，包括控制天線單元301與無線閘道收發器302接收訊號的的時間，以及將取得的數據經連接單元304與相關連接線路傳送到控制電路20。
圖4顯示無線通訊系統中控制電路的電路方塊實施例圖，此例顯示為控制電路20，其中主要元件包括處理單元401、無線通訊閘道器控制介面402與無線傳輸模組控制介面403。
處理單元401用以執行無線通訊系統所運行的控制方法；無線通訊閘道器控制介面402電性連接處理單元401，通過匯流排或其他無線或有線形式的線路連接無線通訊系統中一或多個無線通訊閘道器，接收其中之一無線通訊閘道器自一或多個終端設備產生的訊息；無線傳輸模組控制介面403電性連接處理單元401，通過匯流排或其他無線或有線形式的線路連接無線通訊系統中的無 線傳輸模組，控制電路20通過無線傳輸模組控制介面403傳送經處理單元401處理的訊息至無線傳輸模組。
在處理單元401執行的控制方法中，經無線通訊閘道器控制介面402自無線通訊系統中某個無線通訊閘道器接收到訊息，訊息可為需要傳遞的數據封包，當中包括詢答的訊號(SYN/ACK)，接著可以根據訊息封包大小與訊息中的傳輸時間序，或可加入系統處理封包所需時間，計算一傳輸時間，據此產生一傳輸請求，連同訊息進入傳輸佇列中，等待將訊息傳送出去。
之後，在處理單元401運行下，根據傳輸時間自傳輸佇列中取得傳輸請求與訊息，通過無線傳輸模組控制介面403傳送傳輸請求與訊息至無線傳輸模組，由無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。
如前述實施例，控制電路20連接的無線通訊閘道器可應用為長距離廣域網路通訊集合器(LoRa concentrator)，無線傳輸模組可為支援長距離廣域網路通訊的先聽後送模組(LBT module)，在一解決方案中，一個無線通訊系統可以連接多個長距離廣域網路通訊集合器與先聽後送模組所組成的通訊模組以延伸系統可涵蓋的範圍，提供多樣的應用，並使得習知的長距離廣域網路通訊集合器具有先聽後送的功能。因此控制電路20處理訊息收發時，需要處理多個長距離廣域網路通訊集合器的運作，包括決定傳輸時間與通道，傳輸時間也應考量先聽後送機制下所花費的時間，也就是考量運作感測通道並評估通道是否為空閒而可用於傳輸的狀態的處理時間。因此，系統可以順利運作在多個長距離廣域網路通訊集合器的網路環境下，當訊息封包傳輸到先聽後送模組時，能順利透過先聽後送功能預先感測通道並評估其是否為空閒而可用於傳輸的狀態，以進行觸發傳輸功能。
然而，在說明書所揭示的無線通訊系統中，在可應用的領域中，更進一步地，採用的長距離廣域網路通訊集合器原本為一支 援雙向傳輸與接收的集合器，且可以一低功率廣域網路無線通訊協定接收終端設備發出的訊息，而在此系統的應用中設定為單向接收的集合器，以配合單向傳輸的先聽後送模組。因此，通過控制電路20連接先聽後送模組以及多組的長距離廣域網路通訊集合器，可使得多組的長距離廣域網路通訊集合器通過系統連接另一個先聽後送模組，除了通過增加連接的長距離廣域網路通訊集合器或先聽後送模組的數量以擴充無線通訊系統的無線訊號涵蓋範圍，在更簡潔的電路設計下，更同樣具有先聽後送的機制。
如此，控制電路20控制長距離廣域網路通訊集合器處理接收訊息的工作，控制先聽後送模組處理傳送訊息的工作，可以解決一個通訊模組內同時處理接收與發送訊息產生的效率問題，並在通訊系統具有先聽後送的機制下，同時參考了因為先聽後送模組運作下需要的時間序，據此計算傳輸時間。
圖5接著顯示無線通訊系統的控制方法流程實施例圖，在此例中，無線通訊系統設有無線通訊閘道器51、控制電路52與無線傳輸模組53。
一開始，如步驟S501，由無線通訊閘道器51接收終端設備傳送的訊息，包括數據封包與詢答訊號。接著如步驟S503，無線通訊閘道器51的閘道控制器對控制電路52發出傳輸請求，控制電路52自無線通訊閘道器51接收到訊息，再如步驟S505，控制電路52根據訊息中的時間資訊，如一種時間戳記(timestamp)，判斷訊息中是否有傳輸時間序？訊息如一種啟始傳輸回應訊息的程序(ACK)，訊息封包內有時間序的相關資訊。
在取得訊息中的傳輸時間序前，更包括一判斷訊息中是否有傳輸時間序的步驟，若訊息中具有傳輸時間序，即接著執行步驟S507，根據回應訊息封包大小計算傳輸時間，包括考量了系統處理所需的時間，如步驟S509。在此計算傳輸時間的實施例中，控制電路52中的處理單元可以根據訊息封包檢視此傳輸需求預計的 傳輸時間為何時，此傳輸時間會由控制電路52根據收到的封包時間加上預先定義的時間間隔得到預計的傳輸時間，比如考量了無線傳輸模組53運作的時間得到的傳輸時間。
接著控制電路52產生傳輸請求，連同訊息進入傳輸佇列中，傳輸請求是向無線傳輸模組53發送的訊息。反之，若訊息中沒有傳輸時間序，則是跳過步驟S507，直接產生傳輸請求，並直接將訊息傳送到傳輸佇列，等待傳送指令。
進入傳輸佇列的訊息為等待傳送的訊息，控制電路52若已得出傳輸時間，可以根據狀況自傳輸佇列中取出訊息。如在步驟S511，控制電路52根據傳輸時間自傳輸佇列中取得傳輸請求與訊息，接著如步驟S513，傳送傳輸指令，包括傳輸請求與訊息至無線傳輸模組53，並指示傳輸通道(channel)。於是，如步驟S515，由無線傳輸模組53接收到傳輸請求與訊息，決定一傳輸通道，通道為電路設定傳輸數據的某個頻段。
於決定某一傳輸通道作為傳送訊息的通道時，更包括一判斷傳輸通道是否為可用(空閒)的步驟，如步驟S517，當傳輸通道為不可用(否)，無線傳輸模組53中的控制器進行計時以及繼續判斷傳輸通道是否為可用的步驟，此時，如步驟S519，無線傳輸模組53中的控制器持續計時並比對時間門檻，判斷是否逾時(time out)？
在尚未逾時的情況下，無線傳輸模組53繼續判斷通道是否閒置，如步驟S517，直到逾時即終止傳輸，如步驟S521；在尚未逾時的情況下，若判斷傳輸通道為可用，即送出訊息，如步驟S523。
在一實施例中，以上步驟S517至S523實現先聽後送的機制，當無線通訊系統通過無線通訊閘道器51接收終端設備產生啟始傳輸的同步碼SYN，經控制電路52執行通道清空評估程序(CCA)，指示無線傳輸模組53感測某傳輸通道是否可用，使得採用先聽後送機制的無線通訊系統可以透過先聽後送功能預先感測通道並評 估其是否為空閒(free/non-free)而可用於傳輸的狀態，以進行觸發傳輸功能。經判斷通道為空閒時，即回應終端設備確認碼ACK。
是以，根據揭露書所記載無線通訊系統，設有一或多個無線通訊閘道器，用以接收訊息，設有一無線傳輸模組，可以決定在特定傳輸時間傳送訊息，設有一控制電路，執行在此系統架構下的控制方法，於接收訊息封包時，會取得其中時間資訊，並加入系統需要處理的時間，得出傳輸時間，除了具有擴充性以擴充無線通訊系統的無線訊號涵蓋範圍的優點之外，同時因為適用的先聽後送的機制而考量了先聽後送模組的工作時間，得到訊息傳輸時間，如此實現一對多通道無線通訊技術。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (10)

  1. 一種無線通訊系統，包括：一或多個無線通訊閘道器，包括一閘道控制器與一無線閘道收發器，以多通道技術連線一或多個終端設備，接收各終端設備發出的訊息；一無線傳輸模組，設有一無線收發器與一控制器，用以傳送訊息；以及一控制電路，通過一連接線路連接該一或多個無線通訊閘道器以及該無線傳輸模組，該控制電路執行一控制方法，該控制方法包括：自其中之一無線通訊閘道器接收到訊息；根據訊息封包大小與訊息中的一傳輸時間序計算一傳輸時間；產生一傳輸請求，連同訊息進入一傳輸佇列中；根據該傳輸時間自該傳輸佇列中取得該傳輸請求與訊息；以及傳送該傳輸請求與訊息至該無線傳輸模組，由該無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。
  2. 如請求項1所述的無線通訊系統，其中該無線通訊閘道器為一長距離廣域網路通訊集合器，以及該無線傳輸模組為支援長距離廣域網路通訊的一先聽後送模組，於該無線通訊系統中，該先聽後送模組通過該控制電路而處理該一或多個長距離廣域網路通訊集合器接收的訊息。
  3. 如請求項2所述的無線通訊系統，其中設於該無線通訊系統的該長距離廣域網路通訊集合器設定為單向接收的集合器，並結合單向傳輸的該先聽後送模組。
  4. 如請求項3所述的無線通訊系統，其中，於計算該傳輸時間，更考量了該先聽後送模組感測通道並評估通道是否為空閒而可用於傳輸的狀態的處理時間。
  5. 如請求項1至4其中之一所述的無線通訊系統，其中該控制電路更包括：一處理單元，用以執行該控制方法；一無線通訊閘道器控制介面，電性連接該處理單元，用以接收該一或多個無線通訊閘道器自該一或多個終端設備產生的訊息；以及一無線傳輸模組控制介面，電性連接該處理單元，用以傳送經該處理單元處理的訊息至該無線傳輸模組。
  6. 如請求項5所述的無線通訊系統，其中該無線通訊系統通過增加連接的該無線通訊閘道器或該無線傳輸模組的數量以擴充該無線通訊系統的無線訊號涵蓋範圍。
  7. 一種控制電路，應用於一無線通訊系統，該無線通訊系統包括一或多個無線通訊閘道器，以多通道技術連線一或多個終端設備，接收各終端設備發出的訊息，以及一無線傳輸模組，用以傳送訊息，其中該控制電路通過一連接線路連接該一或多個無線通訊閘道器以及該無線傳輸模組，該控制電路包括：一處理單元，用以執行一控制方法；一無線通訊閘道器控制介面，電性連接該處理單元，用以接收該一或多個無線通訊閘道器自該一或多個終端設備產生的訊息；以及一無線傳輸模組控制介面，電性連接該處理單元，用以傳送經該處理單元處理的訊息至該無線傳輸模組；其中，該控制方法包括：自其中之一無線通訊閘道器接收到訊息；根據訊息封包大小與訊息中的一傳輸時間序計算一傳輸時間；產生一傳輸請求，連同訊息進入一傳輸佇列中；根據該傳輸時間自該傳輸佇列中取得該傳輸請求與訊息；以及傳送該傳輸請求與訊息至該無線傳輸模組，由該無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。
  8. 一種無線通訊系統的控制方法，該無線通訊系統包括一或多個無線通訊閘道器，以多通道技術連線一或多個終端設備，接收各終端設備發出的訊息，以及一無線傳輸模組，用以傳送訊息，一控制電路通過一連接線路連接該一或多個無線通訊閘道器以及該無線傳輸模組，該控制方法包括：該控制電路接收其中之一無線通訊閘道器自其中之一終端設備接收的訊息；根據訊息封包大小與訊息中的一傳輸時間序計算一傳輸時間；產生一傳輸請求，連同訊息進入一傳輸佇列中；根據該傳輸時間自該傳輸佇列中取得該傳輸請求與訊息；以及傳送該傳輸請求與訊息至該無線傳輸模組，由該無線傳輸模組決定一傳輸通道，以送出訊息。
  9. 如請求項8所述的控制方法，其中，於取得該訊息中的該傳輸時間序前，更包括一判斷訊息中是否有該傳輸時間序的步驟，若訊息中有該傳輸時間序，即繼續計算該傳輸時間；若訊息中沒有該傳輸時間序，即直接產生該傳輸請求，以及直接進入該傳輸佇列中。
  10. 如請求項8所述的控制方法，其中，於決定該傳輸通道後，更包括一判斷該傳輸通道是否為可用的步驟，當該傳輸通道為不可用，則進行計時以及繼續判斷該傳輸通道是否為可用的步驟，直到逾時即終止傳輸；若該傳輸通道為可用，即送出訊息。
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