专利名称：异步网络中通信装置用多址协议和结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信网络，更具体地说，涉及异步通信网络中多址协议的应用。
背景技术：
在通信网络中，信息的异步传输是当在通信网络内的一个或多个通信装置之间传递信息时通常使用的技术。当低功率装置构成网络时，通常使用异步传输。这些低功率装置可使用低通信占空度帧结构，以使当未主动与其它网络装置通信时，使用的功率量降至最小，但是低通信占空度帧结构的使用通常意味着装置可用性被降低。在无线通信网络中，基本挑战是在使用低功率无线通信装置的同时，保持可用性高的通信。
Motorola的neuRFonTM是低功率、低成本、小尺寸和简单无线装置的例子。neuRFonTM装置网络是一种包含多个neuRFonTM装置的零配置、自组织异步网络。对于这种网络来说，功耗和成本是主要关心的两个因素。
为了降低功耗，必须把所述网络中所有装置的平均通信占空度降至最小。平均通信占空度指的是无线装置能够发送和接收消息的时间百分率。对于所述异步网络来说，平均通信占空度可能被设置成较低，以致发射器和预定接收器之间的不经常通信成为问题。例如，装置A可能试图联系装置B，但是由于其平均占空度较低，装置B可能不能接收消息。这会妨碍装置A建立联系。
图1中表示了典型的低平均通信占空度帧结构，其中举例说明了上述问题。利用该帧结构，低平均通信占空度装置使用1ms预热，1ms传输和从其组中的其它装置接收消息，在1秒周期的剩余998ms内睡眠。通信占空度约为0.1％，效率非常低。
图2中图解说明了这种方法的问题。图2表示包含数个低功率、低平均通信占空度装置的小型网络，每个装置被表示成一个小圆点。重新参见图2，装置A试图与装置B通话。如果采取图1中的低平均通信占空度帧结构，那么装置A和B只有0.1％的时间能够通话。如果我们进一步合理地假设装置A和B均没有获得对方的时间表，那么装置A建立与装置B的通信的概率约为0.1％，对于多数应用来说，该概率太小。
为了降低成本，低成本晶体和/或微电机系统(EMES)可被用作无线装置的频率发生器。这些技术的问题是它们的频率稳定性较差，使同步变得更加困难。消除对高精度频率同步的需要可使这种装置的成本保持较低。这样的协议使得能够以较低的成本和较低的功耗，建立采用这些低功率、低通信占空度装置的异步网络。
发明内容
提出使低功率、低通信占空度装置能够相互通信，同时不需要高精度频率同步的新协议的本发明能够解决上述问题。
在权利要求中陈述了本发明特有的新特征。但是，结合附图，参考例证实施例的下述详细说明，更更好地理解发明本身，以及优选的应用模式，和本发明的其它目的和优点，其中
图1是根据现有技术的低通信占空度帧结构。
图2是根据现有技术的低功率通信装置网络。
图3是根据本发明，图解说明低功率装置的内部功能的方框图。
图4是根据本发明的第一实施例，包含多个低功率装置和单一专用中介装置(MD)的网络。
图5根据本发明的第一实施例，图解说明了专用MD的内部功能性。
图6是根据本发明的低功率装置的低通信占空度帧结构。
图7是根据本发明的第一实施例，用于专用MD的高通信占空度帧结构。
图8是根据本发明的第一实施例，专用MD操作的流程图。
图9是根据本发明的第一实施例，当查询晚于通信请求出现时，两个低功率装置和一个专用MD之间的通信的计时图。
图10是根据本发明的第一实施例，当查询晚于通信请求出现时，两个低功率装置和一个专用MD之间的通信流程图。
图11是根据本发明的第一实施例，当查询早于通信请求出现时，两个低功率装置和一个专用MD之间的通信的计时图。
图12是根据本发明的第一实施例，当查询早于通信请求出现时，两个低功率装置和一个专用MD之间的通信流程图。
图13是根据本发明的第二实施例，包含多个低功率装置和用作MD的另一低功率装置的网络。
图14是根据本发明的第二实施例，可起MD作用的低功率装置的内部功能性。
图15根据本发明的第二实施例，图解说明了充当MD的低功率装置的低通信占空度帧结构。
图16是根据本发明的第二实施例，当查询晚于通信请求出现时，两个低功率装置和充当MD的第三低功率装置之间的通信的计时图。
图17是根据本发明的第二实施例，当查询晚于通信请求出现时，两个低功率装置和充当MD的第三低功率装置之间的通信流程图。
图18是根据本发明的第二实施例，当查询早于通信请求出现时，两个低功率装置和充当MD的第三低功率装置之间的通信的计时图。
图19是根据本发明的第二实施例，当查询早于通信请求出现时，两个低功率装置和充当MD的第三低功率装置之间的通信流程图。
图20是根据本发明的第二实施例，图解说明当不使用防撞策略时，充当MD的两个低功率装置之间的冲突的计时图。
图21是根据本发明的第二实施例，图解说明充当MD的两个低功率装置之间的防撞策略的计时图。
图22是根据本发明的第二实施例的防撞策略流程图。
图23是根据本发明的第三实施例，低功率装置的小型网络用的多路存取方案的计时图，其中每个装置可起MD的作用。
图24是根据本发明的第三实施例，低功率装置的小型网络用的多路存取方案的低通信占空度帧结构，其中每个装置可起MD的作用。
具体实施例方式
虽然本发明容许许多不同形式的实施例，不过附图中表示并且这里将详细描述的是具体实施例，同时要明白本公开内容应被看作本发明原理的例子，并不打算把本发明局限于表示和描述的具体实施例。在下面的说明中，相同的附图标记用于描述附图中相同、相似或者对应的部件。
于是，根据本发明，描述异步网络中通信装置用的多址协议和结构。该多址协议适用于异步通信网络中存在多个低功率通信装置的情况。这些低功率通信装置可以是neuRFonTM装置，或者能够实现低功率、低通信占空度和低成本信息传输的任何类似装置。现在参见图3，表示了低功率通信装置的内部操作的系统级方框图300。输入消息310由通信装置的消息接收器330接收，并由装置处理器350为处理作为准备。装置处理器340与控制器350、计时器360和存储器370交互作用，以便允许该通信装置接收和处理来自网络中其它通信装置的输入消息310。计时块360为该通信装置和网络中其它通信装置之间的同步创造条件，以及为内部装置功能提供计时基准。装置发射器380接收来自装置处理器340的消息，使消息为发射而作好准备，并把输出消息320传送给网络中的其它通信装置。在不脱离发送消息、接收消息和处理消息的低功率通信装置的精神和范围的情况下，可修改或组合图3的系统级方框图中图解说明的功能块。
为了使功耗保持最低，同时仍然实现可靠的通信，引入中介装置(MD)。MD用作网络内通信装置之间的介体，并且能够记录和重放与消息相关的信息。这在两个通信装置不能建立联系时最有用。在较大的网络中还可使用一个以上的MD，每个MD介体用于一组低功率、低通信占空度通信装置。和该组中的低功率通信装置相比，MD具有相对高的通信占空度，于是能够保存并在异步网络中的两个或者更多低功率通信装置之间转发消息。注意，MD功能性实际上可以是该组中的低功率通信装置的特征。这种情况下，每个低功率通信装置可起异步网络内的MD的作用，网络的低功率通信装置被随机选择，暂时起该组的MD的作用。这允许整个网络仍然是低功率、低成本的异步网络，并使每个低功率无线装置仍然是低通信占空度装置(除了当用作MD时之外)。由于低功率无线装置仅仅偶尔是MD，因此每个低功率无线装置的平均通信占空度仍然较低。在网络中的所有通信装置间分配MD功能性还允许通信装置使用能量开采(energymining)，以便提高网络中通信装置的平均通信占空度。
在正常的异步网络操作中，除了用作MD的那些通信装置之外，每个通信装置具有低通信占空度帧结构。MD的通信占空度适合于网络的设计参数，从而改变MD的参数会影响在MD的通信范围内的每个通信装置的可用性。
本发明公开用于连接在异步网络上的低功率无线装置的低功耗协议的方法和结构。参见图4，根据本发明的第一实施例，图中表示了包含一组440低功率通信装置410和专用MD 430的网络400的简化表现。网络400的每个低功率通信装置410具有低的通信占空度，于是依赖专用MD 430实现可靠通信。和非MD低功率装置410相比，专用MD 430具有高的通信占空度，可保存预定给组440内的任意低功率无线装置410的消息。
现在参见图5，表示了专用MD装置430的内部操作的系统级方框图500。专用MD装置430能够发送和接收几种消息，包括源通信装置ID，目的地通信装置ID，消息，所需通信的时间，消息重放请求，控制字和装置状态消息。输入消息510被专用MD装置430的MD消息接收器530接收，并由装置处理器540为处理作好准备。MD装置处理器540与控制器550、计时器560和存储器575交互作用，以便允许MD 430接收、保存、重放和处理来自网络中的其它通信装置的输入消息510。除了非专用存储器之外，存储器块575还包括消息重放580和消息记录存储器570，从而MD处理器540能够居中调停来自网络内的通信装置的请求，从而记录消息、重放消息和保存通信装置联系信息。计时块560为MD 430和网络中的其它通信装置之间的同步创造条件，以及为内部装置功能提供计时基准。装置发射器590接收来自装置处理器540的消息，准备消息以便发射，并把输出消息520传送给网络中的其它通信装置。本领域的技术人员会认识到在不脱离发送消息、接收消息和处理消息的低功率通信装置的精神和范围的情况下，可修改或组合在图5的系统级方框图500中图解说明的功能块。
现在参见图6，图中表示了网络的低功率、低通信占空度装置特有的典型低通信占空度帧结构600。低通信占空度帧结构600的单帧670帧包含预热块610、通信块620和睡眠块650。按时间顺序首先出现预热块610，预热块610占整个帧持续时间的百分率很小。预热块610之后是通信块620。通信块620占整个帧持续时间的百分率也较小。在通信块620结束之后，开始睡眠块650。睡眠块650占整个帧持续时间的百分率相对高，以便保持装置的低通信占空度特性。例证的数值是预热块610为1毫秒，通信块620为1毫秒，睡眠块650为998毫秒，不过在不脱离本发明的情况下，可较大地改变这些数值。在帧670结束时，关于下一帧重复这三个块610、620、650。对低通信占空度帧结构400中的所有帧保持该块顺序。在优选的第一实施例中，通信块620可被进一步细分成发射周期和接收周期，不过对本领域的技术人员来说，网络中的通信装置显然在通信块620内可具有多个发射和接收周期。按照第一优选实施例的正常操作，首先出现接收周期，之后是持续时间相同的发射周期。在某些情况下，例如通信装置之间的同步情况下，发射周期可出现于接收周期之前。
现在参见图7，图中表示了典型的高通信占空度帧结构700。根据第一实施例，该高通信占空度帧700由专用MD通信占空度帧表示。低通信占空度帧结构700的单帧725包括预热块710和通信块720。按照时间顺序首先出现预热块710，预热块710占整个帧持续时间的百分率很小。预热块710之后是通信块720。通信块720占整个帧持续时间的百分率相对大。在帧725结束时，开始睡眠周期750，睡眠周期750可持续数帧。例证的数值是预热块710为1毫秒，通信块720为2秒，睡眠周期750为100秒。在睡眠周期750结束时，对下一帧重复预热块710和通信块720。对高通信占空度帧结构700中的所有帧保持该块顺序。在优选的第一实施例中，通信块720可进一步细分成发射周期和接收周期，不过对本领域的技术人员来说，网络中的通信装置显然可在通信块720内具有多个发射和接收周期。按照第一优选实施例的正常操作，首先出现接收周期，之后是持续时间相同的发射周期。另外应注意通信块720的发射周期的长度应足够长，以使高通信占空度装置接收低占空度装置的两个完整发射周期。这将确保专用MD能够接收来自通信范围内的任意通信装置的传输。
现在参见图8，图中表示了根据第一优选实施例，把专用MD应用于通信装置A和通信装置B之间的通信的流程图800。在方框820中，装置A试图与装置B通信。如果B是可取得联系的，那么判定框830的判定结果为否，装置A建立与装置B的通信，如方框860中所示。装置A和装置B随后返回正常操作，如终止方框870中所示。如果判定框830中的回答为是，那么装置B不可用，装置A向专用MD传达联系信息，如方框840中所示。在方框850中，当装置B能够通信时，专用MD为装置B重放联系信息。装置B使用该联系信息与装置A同步。现在装置A能够与装置B通信，如方框860中所示。在装置A与装置B通信之后，这两个装置都返回正常操作，如方框870中所示。注意当装置B处于睡眠模式、发射模式、在范围之外或者其它类似原因时，装置A不能和装置B取得联系。
现在参见图9，图中表示了根据第一实施例，在图8中描述的情况的更详细的计时图。如图8中所示，装置A 910试图与装置B 920通信，但是未成功，从而专用MD 930被用于在装置A 910和装置B920之间调停，直到装置B 920能够通信为止。装置A是具有包含接收时隙965和发射时隙970的通信周期的低占空度装置。装置B 920也是具有包含接收时隙985和发射时隙990的通信周期的低占空度装置。专用MD 930包含比装置A 910或装置B 920的通信周期都要长得多的通信周期。专用MD 930的通信周期类似地包含接收周期975和发射周期980。另外参见图10，图中表示了图9的计时图的流程图。图10的方框1020中的流程，以及图9的计时图假定装置A 910还未成功地直接与装置B 920通信。因此，装置A 910需要使用专用MD 930保存关于装置B 920的通信请求。如方框1030中所示，在装置A 910的通信周期的发射时隙970中，装置A 910把通信请求935发送给专用MD 930。在专用MD 930的通信周期的接收时隙975中，专用MD 930接收通信请求935。同样在接收周期975中，装置B 920进入其通信周期。当醒来时，装置B使用发射时隙990向专用MD 930发送查询940，以便检查消息。注意装置A 910和装置B 920都可在单一接收时隙975内与专用MD 930通信。专用MD 930的接收时隙975和发射时隙980的持续时间应被选为足够长，以致专用MD 930能够接收通信请求和查询消息。由于MD 930在接收来自装置B 920的查询940之间，先接收来自装置A 910的通信请求935，因此在专用MD 930的通信周期的发射时隙980期间，专用MD 930首先在装置A 910的下一通信周期中的接收时隙965内，向装置A910发送确认945，如方框1040所示。专用MD 930随后在专用MD930的通信周期的同一发射时隙980内，向装置B 920发送重放消息950，如方框1050中所示。在第一优选实施例中，网络中的每个通信装置的通信周期表现为固定的周期，因此专用MD 930能够与装置B920同步，装置B920不必发送同步信息。但是，第二实施例的其它实现要求网络中的每个通信装置向专用MD 930传送明确的同步信息，从而查询消息应包含同步信息。装置B 920现在具有能够在不使用专用MD 930的情况下，与装置A 910通信的足够信息。为了与装置A同步，装置B使用在装置A 910的通信请求935中提供的计时信息，并交换通信时隙，以致发射时隙990在装置B 920的接收时隙985之前。如方框1060中所示，随后在装置A的通信周期的接收时隙965中，装置B 920向装置A发送确认955。如方框1070中所示，装置A 910现在能够在装置A 910的发射时隙970和装置B 920的接收时隙985中，向装置B 920传递消息960。一旦完成装置A910和装置B 920之间的通信，装置A 910和装置B 920返回正常操作，如方框1080中所示。
上面参考图9和图10的论述举例说明了来自装置B 920的查询晚于来自装置A 910的通信请求的情况的通信操作和计时流序列。装置B 920的查询也可在装置A 910的通信请求之前。在图11的计时图和图12的流程图中图解说明了该情况。除了装置A 910首先试图在专用MD 930不可用的时间内，向专用MD 930传达通信请求1150(如方框1230中所示)之外，图12中所示的操作序列与图9中所示的操作序列相同。由于专用MD 930不可用，因此装置A 910必须等待，直到其间专用MD 930具有有效接收周期975的通信周期为止。这种延迟意味着装置B 920在装置A 910的通信请求935之前，向专用MD 930的接收时隙975发送查询940，如方框1240中所示。重要的是注意由于专用MD 930的发射时隙975和接收时隙980都和装置A 910或装置B 920的两个发射周期一样长，因此在专用MD 930的发射时隙内，专用MD能够向装置B 920发送重放消息950，并能够向装置A 910发送确认945。这允许如方框1060-1080中所示，进行装置A 910和装置B 920之间的握手。从而，专用MD 930的单一接收时隙975内通信请求935和查询940的排序和单一发射时隙980内重放950和确认945的排序不会影响装置A 910和装置B 920之间通信的建立。
代替使用专用MD 930，MD的功能可与所述一组低功率通信装置440中的每个低功率通信装置耦接。现在参见图13，根据本发明的第二实施例，表示了包含一组低功率通信装置的网络1300。该组低功率通信装置中的每个低功率通信装置可用作MD。在图13中，低功率通信装置1330用作MD。注意低功率通信装置1330不是专用MD 930。随机选择该组低功率通信装置中将用作MD的低功率通信装置。
可用于选择下一MD的方法有几种。当作为MD的低功率通信装置不能再作为MD时，可随机选择MD。如果每个MD使用随机产生的初始相移(phase offset)t0，那么MD功能性在网络内的低功率通信装置中的分配应是均匀的。这种选择可防止试图同时作为MD的两个低功率通信装置之间的冲突，但是它需要网络内低功率通信装置之间的协调。第二种方法，即在第二优选实施例中使用的方法是令每个低功率通信装置随机确定它何时作为MD。在两个低功率通信装置作为MD的情况下，将使用防撞策略来确保在低功率通信装置的通信范围内只有一个MD。
现在参见图14，图中根据本发明的第二实施例，表示了具有MD功能性的低功率通信装置的内部操作的系统级方框图1400。低功率通信装置1400能够支持发送和接收几种MD消息，包括源通信装置ID，目的地通信装置ID，消息，所需通信的时间，消息重放请求，控制字，和装置状态信息的专用功能。除了正常的操作模式之外，这种专用功能能够反映出网络中的一组低功率通信装置的特征。输入消息1410由通信装置1400的消息接收器1415接收，并由消息处理器1425为处理作为准备。消息处理器1425还包含与MD控制器1440，MD计时器1450和MD存储器1460的MD功能交互作用，以便允许通信装置1400在作为MD的时候，接收、保存、重放和处理来自网络中的其它通信装置的输入消息1405的MD处理功能性1430。注意除了具有虚线框中所示的附加MD功能性之外，通信装置1400还包含图5中图解说明的功能性。存储块1455的MD存储器1460还包括消息重放1470和消息记录1465存储器，从而MD处理器1430能够调停来自网络内的通信装置的请求，以便记录消息、重放消息和保存通信装置联系信息。当通信装置1400作为MD时，MD计时块1450为通信装置1400和网络中的其它通信装置之间的同步创造条件。装置发射器1420接收来自装置处理器1425的消息，使消息为发射作好准备，并把输出消息1410传送给网络中的其它通信装置。本领域的技术人员会认识到在不脱离发送消息、接收消息和处理消息的低功率通信装置的精神和范围的情况下，可修改或组合图14的系统级方框图1400中图解说明的功能块。特别地，应注意图14中所示的MD功能性还可与通信装置1400的非MD操作组合或隔离，只要装置1400可起网络的MD的作用即可。
现在参见图15，图中表示了用作MD的低功率通信装置1400的典型低通信占空度帧结构1500。低通信占空度帧结构1500包含数个操作周期，其中每个周期包含一组重复多次的帧。低通信占空度帧结构1500的该组帧中的第一帧包含随机延迟t0块1535，预热块1505和通信块1510。随机延迟具有持续时间t0 1535，t0介于0和单一发射或接收周期的持续时间之间。该延迟使网络中通信装置的起动时间随机化，从而降低多个装置同时用作MD的概率。按照时间顺序接下来出现预热块1505，预热块1505占整个帧持续时间的百分率很小。预热块1505之后是通信块1510。注意通信块1510和预热块1505直接跟在随机延迟t0 1535之后。但是，在下一操作周期的起动过程中，也可使通信块1510和预热块1505延迟任意量。换句话说，该系列周期内，通信块1510的计时并不局限于周期性的。通信块1510占整个帧持续时间的百分率较大，还包括接收时隙1525和发射时隙1530。在第二优选实施例中，一个接收时隙1525在一个发射时隙1530之前，不过也可交换该顺序。另外，本领域的普通技术人员会认识到通信块1510可包含呈各种排列形式的数个发射和接收时隙。另外，虽然发射时隙1530直接出现在接收时隙1525之前或之后，不过包含在发射器和接收器中的硬件需要一些时间在发射和接收模式之间转换。转换的持续时间可依赖于通信装置中硬件的转换速度，或者可依据通信装置处理器中用户规定的参数来确定。
在通信块1510结束之后，开始持续时间约为通信块1510一半的第二帧。第二帧包含一个睡眠块1515。睡眠块1515占整个帧持续时间的百分率很高。在第二帧结束时，低功率通信装置1400恢复始于所述一组帧中的第三帧的低通信占空度操作。图6中表示了低通信占空度帧结构1500。对于低通信占空度帧结构1500的所述一组帧中的数帧，产生低通信占空度操作。低通信占空度帧结构1500的第一周期的持续时间是在开始延迟块1535时，由通信装置1400产生的随机数。
在第一周期结束时，重复上面说明的整个成帧序列，直到低功率通信装置1400停止充当MD为止。在第二优选实施例中，停止充当MD的决定由低功率通信装置1400单独做出，不过也可在数个低功率通信装置之间协调MD的任务。注意低功率通信装置1400包含产生和保存随机或伪随机数的能力。这些数字可由MD处理器1430产生并保存在MD存储器1460中。
现在参见图16，图中表示了根据第二实施例，通过利用充当MD的装置C 1620，试图向装置B 1630发送通信请求的装置A 1610的详细计时图。如图9中所示，在装置B 1630的查询请求1660之前，装置A 1610首先试图与装置B 1630通信。图16中关于第二实施例表示的通信序列和图9中关于第一实施例所示的通信序列相同。图9和图16的差别在于装置C是充当MD的低功率通信装置。装置A 1610是具有包含接收时隙1665和发射时隙1670的通信周期的低占空度装置。装置B 1620也是具有包含接收时隙1685和发射时隙1690的通信周期的低占空度装置。装置C 1630包含比装置A 1610或装置B 1620的通信周期都长得多的通信周期。装置C 1630的通信装置类似地包含接收周期1675和发射周期1680。另外参见图17，图中表示了图16的计时图的流程图。图17的方框1730中的流程，以及图16的计时图假定装置A 1610还没有成功地直接与装置B 1620通信。因此，装置A 1610需要使用装置C 1630保存关于装置B 1620的通信请求。如方框1730中所示，在装置A 1610的通信周期的发射时隙1670内，装置A 1610向装置C 1630发送通信请求1635。在装置C 1630的通信周期的接收时隙1675内，装置C 1630接收通信请求1635。另外在接收周期1675内，装置B 1620进入其通信周期。当醒来时，装置B 1620使用发射时隙1690向装置C 1630发送查询1640，以便检查消息。注意，装置A 1610和装置B 1620都能够在单一接收时隙1675内与装置C 1630通信。装置C 1630的接收时隙1675和发射时隙1680的持续时间应被选为足够大，以致装置C 1630既能接收通信请求，又能接收查询消息。由于在来自装置B 1620的查询1640之前，MD 1630接收来自装置A 1610的通信请求1635，因此在装置C 1630的通信周期的发射时隙1680内，装置C 1630首先在装置A 1610的下一通信周期中的接收时隙1665内，向装置A1610发送确认1645，如方框1750中所示。装置C 1630随后在装置C 1630的通信周期的相同发射时隙1680内，向装置B发送重放消息，如方框1760中所示。
装置B 1620现有具有足以在不使用装置C 1630的情况下，实现与装置A 1610的通信的信息。为了与装置A同步，装置B使用在装置A 1610的通信请求1635中提供的计时信息，并交换通信时隙，以致发射时隙1690在装置B 1620的接收时隙1685之前。如方框1780中所示，随后在装置A的通信周期的接收时隙1665中，装置B1620向装置A发送确认1655。如方框1790中所示，装置A 1610现在能够在装置A 1610的发射时隙1670和装置B 1620的接收时隙1685中向装置B 1620传送消息1660。一旦装置A 1610和装置B1620之间的通信完成，装置A 1610睡眠随机产生的持续时间ta1661，装置B 1620睡眠随机产生的持续时间tb 1662。装置A 1610和装置B 1620随后返回正常操作，如方框1795中所示。
下面参考图16和图17的论述根据第二实施例，举例说明了来自装置B 1620的查询晚于来自装置A 1610的通信请求的情况的通信操作和计时流序列。装置B 1620的查询也可在装置A 1610的通信请求之前。在图18的计时图和图19的流程图中图解说明了这种情况。除了装置C 1630是充当MD的低功率通信装置，而不是图11中所示的专用MD 930之外，图18中所示的操作序列和图11中所示的操作序列类似。由于装置C 1630不可用，因此装置A 1610的第一通信请求1850不被接收，如方框1930中所示，装置A 1610必须等待，直到其间装置C 1630具有有效接收周期1675的通信周期为止，如方框1940中所示。该延迟意味着在装置A 1610的通信请求之前，装置B1620向装置C 1630的接收时隙1675发送查询1640，如方框1950中所示。重要的是注意由于装置C 1630的发射时隙1675和接收时隙1680都和装置A 1610或装置B 1620的两个发射周期一样长，因此在装置C 1630的发射时隙内，装置C能够向装置B 1620发送重放消息1650，向装置A 1610发送确认1645。这允许如方框1985-1990中那样进行装置A 1610和装置B 1620之间的握手。从而，装置C 1630的单一接收时隙1675内通信请求1635和查询1640的排序和单一发射时隙1680内重放1650和确认1645的排序不会影响装置A 1610和装置B 1620之间通信的建立。一旦装置A 1610和装置B 1620之间的通信完成，装置A 1610睡眠随机产生的持续时间ta 1661，装置B1620睡眠随机产生的持续时间tb 1662。
对于本发明的第二实施例，网络内的两个通信装置有可能同时独立决定充当MD。如果发生这种情况，那么这两个装置的发射周期有可能重叠，发生冲突。图20中图解说明了这种情形。装置A 2010先开始充当MD。稍后，第二装置B开始起MD的作用。当装置A2010的发射时隙2040和装置B 2020的发射时隙2060重叠时，这两个发射器相互干扰，通信能力降低。注意，只有当网络内的通信装置中的发射器占据重叠的频带，并且通信位速率/带度较高时，才存在冲突问题。如果利用扩展波形调制发射器数据，那么通信装置可占用相同的频带，冲突问题不大。根据优选的第二实施例，每个通信装置是利用相同发射频率的单信道装置，从而必须解决冲突问题。
现在参见图21的计时图，以及图22的流程图，根据本发明的第二实施例说明防撞策略。在装置B 2115之前，装置A 2105被随机选为MD。在开始装置A 2105的MD模式时，装置A在持续时间很短的发射时隙2122中传送通告消息2120(方框2210)，随后转换到通信周期2160的接收时隙2125(方框2220)。随后，装置B 2115被随机选为MD，在转换到通信周期2160的接收时隙2145之前，装置B 2115在持续时间很短的发射时隙2140中发出通告消息2120(方框2230)。在接收时隙2125内，装置A接收装置B 2125的通告消息2120(方框2240)，并在其下一发射周期2135内产生报警消息2130(方框2250)。装置B 2115在接收周期2145中接收该报警消息2130(方框2260)。随后装置B 2115睡眠任意量的时间t2，以便避免未来的冲突，并作为正常的低功率通信装置恢复操作(方框2270)。代替睡眠t2秒，装置B 2115也可等待，直到装置A 2105的MD通信周期结束为止。此时，装置B 2115起MD的作用，因为装置A 2105不在通信周期2160中。
根据第二优选实施例，随机初始偏移量t0 1535D 0和1个睡眠周期1545之间，延迟ta 1661和tb 1662的量值在0和1个睡眠周期1515之间，循环时间t1 1560满足不等式0.5T＜t1＜1.5T，这里T是充当MD的通信装置的通信周期的平均频率。
本发明的第二实施例为低功率通信装置的网络提供一种协议和结构，通过使用中介装置(MD)，提高装置间通信的可靠性。这种方法的一个问题是当网络中的通信装置的数目较小时的可靠性。例如，如果网络只包含五个通信装置，并且每个通信装置的MD通信周期为1000秒(t1)，那么平均等待时间约为200秒。降低等待时间的一种方法是强制所有节点在规定的时间窗口内通信。
参见图23，图中根据本发明的第三实施例，表示了网络中存在N个通信装置2310的多路存取方案。N个通信装置中的每个通信装置被强制在持续时间Tw秒的窗口2320内接收和发射信息。根据由网络中的通信装置的数目确定的网络规模，选择持续时间Tw。
例如，对于具有在1000秒的t1周期内操作的5个通信装置的网络来说，平均等待时间为200秒。如果通信周期t1被降低到300秒，那么平均等待时间减少三分之二。如果窗口2320的持续时间Tw小于通信装置的通信周期，那么通信周期的持续时间必须被减小到在窗口2320的范围之内。减小通信周期的持续时间会增大通信装置在不通知充当MD的通信装置的情况下，移动到通信范围之外的可能性。另外，也不可识别进入网络的新的通信装置，除非新通信装置的通信周期在窗口2320的范围之内。
根据本发明的第三实施例，图24中图解说明了对此的一种解决方案。图24的计时图2400表示了具有缩短的通信周期的通信装置，从而该通信装置能够与窗口2420通信。为了检查新的通信装置，或者认识现有通信装置的减少，当通信装置充当MD时，偶尔使用较长的通信周期2410。该较长的通信周期2410之后是图6的低功率通信占空度2430结构，和另外的短MD通信周期2420。除了较长的通信周期2410之外，通信装置基本上具有和第二实施例的图15中图解说明的相同低通信占空度帧结构。
作为第三实施例的一个例子，使用2秒的长通信周期2410，200毫秒的短通信周期2420和具有2毫秒的通信周期的正常低通信占空度模式。长通信周期2410的频率为1500秒，短通信周期的频率为300秒，正常通信周期的频率为1秒。这样得到约为0.4％的占空度。
注意这里描述的通信装置可以是NeuRFon装置，或者具有类似操作特征的任何适当通信装置。
虽然参考优选实施例具体表示和说明了本发明，不过本领域的技术人员会明白在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节方面做出各种改变。例如，本领域的普通技术人员会认识到可物理连接或无线连接低功率装置，而不会脱离本发明的精神和范围。在第一、第二和第三优选实施例中，分别在第一、第二和第三优选实施例中包含单信道通信装置。另外，对于每个优选实施例来说，若干通信装置中每个通信装置的发射时隙和接收时隙不重叠。对于所有三个实施例来说，占空度被定义为通信装置在发射时隙中或者在接收时隙中的时间百分比。另外，对于所有三个实施例来说，通信装置被假定为低通信占空度、低功率无线装置，不过并不总是需要如此。
虽然已结合具体实施例说明了本发明，不过鉴于前述说明，本领域的普通技术人员显然能够做出许多替换、修改、置换和变化。因此，本发明意图把所有这样的替换、修改和变化包含在附加权利要求的范围之内。
权利要求
1.若干通信装置中能够调停异步网络中所述若干通信装置之间的通信的第一通信装置，包括处理元件；与处理元件耦接，并由处理元件控制的接收器，当所述若干通信装置中的第二通信装置发射的消息未被所述若干通信装置中的第三通信装置接收时，所述接收器在第一通信装置的中介通信周期内接收来自第二通信装置的通信请求，其中通信请求包括来自第二通信装置的，用于促进第二和第三通信装置之间的通信的联系信息；和与处理元件耦接，响应接收器从第三通信装置接收查询，向第三通信装置传送联系信息的发射器。
2.按照权利要求1所述的装置，其中中介通信周期还包括一个接收时隙和一个发射时隙。
3.按照权利要求1所述的装置，其中第一通信装置的中介通信周期超过第二通信装置的第一睡眠周期和第三通信装置的第二睡眠周期。
4.按照权利要求1所述的装置，还包括保存通信请求的联系信息的存储元件。
5.按照权利要求1所述的装置，其中接收器接收的联系信息包括第二通信装置的第一标识符，第三通信装置的第二标识符，和第二通信装置的计时时隙信息。
6.按照权利要求1所述的装置，其中通信请求还包括消息。
7.按照权利要求1所述的装置，其中第一通信装置的中介通信周期足以接收来自第二通信装置的通信请求，以及向第三通信装置传送联系信息。
8.按照权利要求1所述的装置，其中通信请求还包括从第二通信装置到第三通信装置的消息。
9.按照权利要求1所述的装置，其中第一通信装置是无线装置，接收器和发射器是无线的。
10.按照权利要求9所述的装置，其中第一通信装置在所述若干通信装置中的第二和第三通信装置的通信范围之内。
11.按照权利要求1所述的装置，其中第一通信装置在中介模式下，在中介通信周期中，调停第二和第三通信装置之间的通信，在正常操作模式下，不调停第二和第三通信装置之间的通信。
12.按照权利要求1所述的装置，其中当第一通信装置加电时，处理元件随机设置第一通信装置的初始计时偏移量。
13.按照权利要求12所述的装置，其中相对于第一通信装置的时钟相位，设置初始计时偏移量。
14.按照权利要求11所述的装置，其中第一通信装置的处理元件在中介模式下，随机设置若干通信周期中包含中介通信周期的一个通信周期的持续时间，在正常操作模式下，设置若干正常通信周期和若干睡眠周期。
15.按照权利要求14所述的装置，其中所述若干正常通信周期由所述若干睡眠周期隔开。
16.按照权利要求14所述的装置，其中所述若干通信周期中每个通信周期的持续时间由处理元件随机设置。
17.按照权利要求11所述的装置，其中在中介模式下，处理元件使第一通信装置的发射器在中介通信周期的开始，传送通告消息。
18.按照权利要求11所述的装置，其中如果第一通信装置的接收器在中介通信周期内收到通告消息，那么发射器将通过发送报警消息作出响应。
19.一种调停异步网络的若干通信装置中的第一和第二通信装置之间的通信的方法，包括接收表示所述若干通信装置中的第一通信装置发送的第一消息未被所述若干通信装置中的第二通信装置接收的通信请求，其中通信请求包括用于促进第一和第二通信装置之间的通信的联系信息；响应接收所述通信请求，传送确认消息；接收关于预定给第二通信装置的消息是否被错过的查询；和响应接收所述查询，传送包含联系信息的重放消息。
20.一种第一通信装置调停异步网络的若干通信装置中的第二和第三通信装置之间的通信的方法，包括在第一通信装置的中介模式期间，随机设置第一通信装置的若干通信周期中包含中介通信周期的通信周期的持续时间，和在第一通信装置的正常操作模式期间随机设置若干正常通信周期和若干睡眠周期；在中介通信周期的接收部分内，第一通信装置接收表示第二通信装置发送的消息未被第三通信装置接收的通信请求，其中通信请求包括可用于促进第二和第三通信装置之间的通信的联系信息；响应接收所述通信请求，第一通信装置传送确认消息；第一通信装置接收关于预定给第三通信装置的消息是否已被错过的查询；和响应接收所述查询，第一通信装置传送包含联系信息的重放消息。
21.按照权利要求20所述的方法，其中通信周期的持续时间由第一通信装置的处理元件随机设置。
22.按照权利要求20所述的方法，其中所述若干正常的通信周期由所述若干睡眠周期隔开。
23.按照权利要求20所述的方法，其中所述若干通信周期中每个通信周期的持续时间由处理元件随机设置。
24.按照权利要求20所述的方法，还包括当第一通信装置加电时，随机设置第一通信装置的初始计时偏移量。
25.按照权利要求24所述的方法，其中相对于第一通信装置的时钟相位，设置初始计时偏移量。
26.按照权利要求20所述的方法，还包括第一通信装置在中介通信周期的开始，传送通告消息。
27.按照权利要求20所述的方法，还包括如果第一通信装置在中介通信周期内收到通告消息，第一通信装置通过发出报警消息作出响应。
28.一种适合于在具有若干通信网络装置和调停所述若干通信网络装置之间的通信的中介装置(MD)的异步网络中工作的通信装置，包括处理元件；由处理元件控制的发射器；和由处理元件控制的接收器；其中如果所述通信装置传送的第一消息未被所述若干通信网络装置中的某一通信网络装置接收，那么，发射器在该通信装置的第一通信周期内，传送包含用于促进所述通信装置和通信网络装置之间的通信的联系信息的通信请求，如果发射器传送的通信请求已被MD接收，那么在第一通信周期之后，接收器在该通信装置的第二通信周期内接收确认消息；其中如果该通信装置从睡眠周期醒来，那么发射器在第三通信周期内，传送询问该通信装置是否错过发送给该通信装置的第二消息的查询，并在第三通信周期之后通信装置的第四通信周期中，接收器接收重放消息，所述重放消息包含促进所述通信装置接收第二消息的联系信息。
29.按照权利要求28所述的装置，其中接收器接收确认消息使发射器在下一通信周期内，不再重新传送通信请求。
30.按照权利要求28所述的装置，其中接收器接收的重放消息由MD发送。
31.一种通信装置与异步网络的若干通信网络装置和一个中介装置(MD)相互作用的方法，包括如果所述通信装置传送的第一消息未被所述若干通信网络装置中的某一通信网络装置接收，那么在所述通信装置的第一通信周期中，传送包含可用于促进所述通信装置和所述通信网络装置之间的通信的联系信息的通信请求；如果所述通信请求已被MD接收，那么在第一通信周期之后，在所述通信装置的第二通信周期中接收确认消息，其中接收确认消息使所述通信装置在下一通信周期内，不再重新传送所述通信请求；如果所述通信装置从某一睡眠周期醒来，那么在第三通信周期内，传送询问所述通信装置是否错过发送给所述通信装置的第二消息的查询；在第三通信周期之后，通信装置的第四通信周期中，接收重放消息，所述重放消息包含促进所述通信装置接收第二消息的联系信息。
32.一种适于在具有若干通信网络装置和调停所述若干通信网络装置之间的通信的中介装置(MD)的异步网络中工作的通信装置，包括处理元件；由处理元件控制的发射器；和由处理元件控制的接收器；其中如果所述通信装置传送的消息未被所述若干通信网络装置中的某一通信网络装置接收，那么，发射器在所述通信装置的第一通信周期内，传送包含可用于促进所述通信装置和所述通信网络装置之间的通信的联系信息的通信请求，如果发射器传送的通信请求已被MD接收，那么接收器在第一通信周期之后，所述通信装置的第二通信周期内接收确认消息。
33.按照权利要求32所述的通信装置，其中接收器接收第一确认消息使发射器在下一通信周期内，不再重新传送通信请求。
34.一种通信装置和异步网络的若干通信网络装置和一个中介装置(MD)相互作用的方法，包括如果通信装置传送的消息未被所述若干通信网络装置中该消息发往的通信网络装置接收，那么在所述通信装置的第一通信周期内，传送包含可用于促进所述通信装置和所述通信网络装置之间的通信的联系信息的通信请求；如果所述通信请求已被MD接收，那么在第一通信周期之后，所述通信装置的第二通信周期内接收确认消息，其中接收第一确认消息使发射器在下一通信周期内，不再重新传送通信请求。
35.一种适于在具有若干通信网络装置和调停所述若干通信网络装置之间的通信的中介装置(MD)的异步网络中工作的通信装置，包括处理元件；由处理元件控制的发射器；和由处理元件控制的接收器；其中如果所述通信装置从某一睡眠周期醒来，那么发射器在第一通信周期内，传送询问所述通信装置是否错过发送给所述通信装置的消息的查询，在第一通信周期之后，所述通信装置的第二通信周期中，接收器接收重放消息，所述重放消息包含促进所述通信装置接收所述消息的联系信息。
36.按照权利要求35所述的装置，其中接收器接收的重放消息由MD发送。
37.一种通信装置和异步网络的若干通信网络装置和一个中介装置(MD)相互作用的方法，包括如果所述通信装置从某一睡眠周期醒来，那么在第一通信周期内，传送询问所述通信装置是否错过发送给所述通信装置的消息的查询；在第一通信周期之后，所述通信装置的第二通信周期中，接收重放消息，所述重放消息包含促进所述通信装置接收所述消息的联系信息。
38.一种异步通信网络，包括若干通信装置中的第一和第二通信装置；调停所述若干通信装置之间的通信的中介装置(MD)；其中如果第一通信装置传送的消息未被第二通信装置接收，那么第一通信装置向MD传送通信请求，响应所述通信请求，MD向第一通信装置传送确认消息，当从睡眠周期醒来时，第二通信装置向MD传送一个查询，响应所述查询，MD向第二通信装置传送包含促进第一和第二通信装置之间的通信的联系信息的重放消息，并在其间使第一和第二通信装置的通信同步的通信周期中，第一通信装置向第二通信装置传送所述消息。
39.一种调停异步通信网络的若干通信装置和一个中介装置(MD)之间的通信的方法，包括如果所述若干通信装置中的第一通信装置传送的消息未被所述若干通信装置中的第二通信装置接收，那么向MD传送通信请求；响应所述通信请求，MD向第一通信装置传送确认消息；当从睡眠周期醒来时，第二通信装置向MD传送一个查询；响应所述查询，MD向第二通信装置传送包含促进第一和第二通信装置之间的通信的联系信息的重放消息；在某一通信周期中，利用联系信息，使第一和第二通信装置之间的通信同步；和在该通信周期中，第一通信装置向第二通信装置传送所述消息。
40.一种异步通信网络，包括若干通信装置中的第一和第二通信装置；调停所述若干通信装置之间的通信的中介装置(MD)；其中如果第一通信装置传送的消息未被第二通信装置在第一通信装置的第一通信周期内接收，那么第一通信装置在第一通信装置的第二通信周期内向MD传送通信请求，MD在第一通信装置的第三通信周期内，向第一通信装置传送确认消息，当从睡眠周期醒来时，第二通信装置在第二通信装置的第一周期内传送查询，MD在第二通信装置的第二周期内，向第二通信装置传送包含促进第一和第二通信装置之间的通信的联系信息的重放消息，并在第一通信装置的与第二通信装置的第三通信周期同步的第四通信周期内，利用联系信息，第一通信装置向第二通信装置传送所述消息。
41.按照权利要求40所述的网络，其中第一通信装置接收所述确认消息使第一通信装置在第一通信装置的下一通信周期中，不再重新传送所述通信请求。
42.按照权利要求40所述的网络，其中第二通信装置的第一周期出现于第一通信装置的第二通信周期之前。
43.按照权利要求40所述的网络，其中第二通信装置的第一周期出现于第一通信装置的第二通信周期之后。
44.按照权利要求40所述的网络，其中MD具有超过所述若干通信网络装置中每个通信装置的睡眠周期的通信周期。
45.一种调停异步通信网络的若干通信装置和一个中介装置(MD)之间的通信的方法，包括如果所述若干通信装置中的第一通信装置传送的消息在第一通信装置的第一通信周期内，未被所述若干通信装置中的第二通信装置接收，那么第一通信装置在第一通信装置的第二通信周期内向MD传送通信请求；响应所述通信请求，MD在第一通信装置的第三通信周期内，向第一通信装置传送确认消息；当从睡眠周期醒来时，第二通信装置在第二通信装置的第一通信周期内向MD传送查询；响应所述查询，MD在第二通信装置的第二通信周期内，向第二通信装置传送包含促进第一和第二通信装置之间的通信的联系信息的重放消息；在第一通信装置的第四通信周期和第二通信装置的第三通信周期中，利用联系信息，使第一和第二通信装置之间的通信同步；和在第一通信装置的第四通信周期及第二通信装置的第三通信周期内，第一通信装置向第二通信装置传送所述消息。
46.一种异步通信网络，包括均具有若干通信周期的若干通信装置，所述若干通信装置在中介模式下，在中介通信周期内，都能够调停所述若干通信装置之间的通信，在正常操作模式下，不能调停所述若干通信装置之间的通信，其中所述若干通信周期中的每个通信周期包括中介模式下的一个中介通信周期，和正常操作模式下的若干正常通信周期及若干睡眠周期；其中当进入中介模式时，所述若干通信装置中的第一通信装置随机设置第一通信装置的所述若干通信周期中的第一通信周期的持续时间，并在中介模式下，在第一通信周期的中介通信周期开始时传送通告消息；其中如果所述若干通信装置中的第二通信装置传送的消息未被所述若干通信装置中的第三通信装置接收，那么第二通信装置向第一通信装置传送通信请求，响应所述通信请求，第一通信装置向第二通信装置传送确认消息，当从睡眠周期醒来时，第三通信装置向第一通信装置传送查询，响应所述查询，第一通信装置向第三通信装置传送包含促进第二和第三通信装置之间的通信的联系信息的重放消息，并在其中使第二和第三通信装置的通信同步的同步通信周期内，第二通信装置向第三通信装置传送所述消息。
47.按照权利要求46所述的网络，其中在同步的通信周期之后，随机设置第二通信装置的下一通信周期的持续时间，随机设置第三通信装置的下一通信周期的持续时间。
48.按照权利要求46所述的网络，其中响应所述若干通信装置中的第四通信装置在第四通信装置的第二通信周期内接收通告消息，第四通信装置在第四通信装置的中介通信周期的发射部分内，传送使第一通信装置在第一通信装置的中介通信周期内延迟传送，直到第四通信装置完成传输为止的报警消息。
49.按照权利要求46所述的网络，其中当第一通信装置加电时，随机设置第一通信装置的初始计时偏移量。
50.按照权利要求49所述的网络，其中相对于第一通信装置的时钟相位，设置初始计时偏移量。
51.按照权利要求46所述的网络，其中所述若干正常通信周期由所述若干睡眠周期隔开。
52.按照权利要求46所述的网络，其中所述若干通信周期中每个通信周期的持续时间由第一通信装置的处理元件随机设置。
53.按照权利要求46所述的网络，其中所述若干通信装置中每个通信装置的通信周期的中介通信周期相互在Tw秒内。
54.按照权利要求53所述的网络，其中Tw的持续时间由异步网络中所述若干通信装置的通信装置数目确定。
55.按照权利要求46所述的网络，其中所述若干通信装置中一个或多个通信装置的每个中介通信周期包括在一个或多个相应通信周期内周期性排列的持续时间不断变化的若干中介通信子周期。
56.一种调停异步通信网络的若干通信装置之间的通信的方法，包括当进入中介模式时，所述若干通信装置中的第一通信装置随机设置第一通信装置的若干通信周期中的第一通信周期的持续时间，并在第一通信装置的中介模式的中介通信周期开始时传送通告消息；如果所述若干通信装置中的第二通信装置传送的消息未被所述若干通信装置中的第三通信装置接收，那么第二通信装置在第一通信装置的中介通信周期内，向第一通信装置传送通信请求；响应接收所述通信请求，第一通信装置在第一通信装置的中介通信周期内，向第二通信装置传送确认消息；当从睡眠周期醒来时，第三通信装置向第一通信装置传送查询；响应所述查询，第一通信装置向第三通信装置传送包含促进第二和第三通信装置之间的通信的联系信息的重放消息；和在其中使第二和第三通信装置的通信同步的同步通信周期内，第二通信装置向第三通信装置传送所述消息。
57.按照权利要求56所述的方法，还包括响应所述若干通信装置中的第四通信装置在第四通信装置的第二通信周期内接收通告消息，第四通信装置在第四通信装置的中介通信周期的发射部分内，传送使第一通信装置在第一通信装置的中介通信周期内延迟传送，直到第四通信装置完成传输为止的报警消息。
全文摘要
说明了一种用于连接在异步网络(440)上的低功率通信装置(410、420)的低功耗协议(400)。在该协议中，通信装置(410)被用作高通信占空度中间装置(MD－430)，从而允许其它通信装置(420)使用低通信占空度成帧结构。MD(430)起当一个装置不能通信时，两个装置(410、420)之间的消息的存储和取回服务的作用。当先前不可用的装置(420)可用时，该装置可向MD(430)报到，取回任何错过的消息，并相应地对这些消息作出响应。在通信网络(400)中，每个低功率通信装置(410、420)可被配置成在较短的时间内起MD(430)的作用。在网络(400)的所有通信装置(410、420、430)间均分这种责任，允许每个装置(410、420、430)保持较低的平均通信占空度。这种技术适用于低功率、低成本、零配置、自组织异步网络(400)。
文档编号H04L29/08GK1535453SQ02808241
公开日2004年10月6日 申请日期2002年3月7日 优先权日2001年3月9日
发明者石启材, 加 H 卡拉韦, 黄健, 小埃德加·H·卡拉韦 申请人:摩托罗拉公司