无线电通信系统和收发信机的制作方法

专利名称：无线电通信系统和收发信机的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电通信系统和收发信机。
背景技术：
可以通过安排一组相互之间通过射频(RF)装置进行通信以在
设备之间传输数据的设备来创建设备的网络。假如每个设备都在每个
设备的最大通信范围之内的话，每个设备都可以与网络中的每个其它
设备有效地通信。
与其中在同一时刻仅在两个设备之间发生通信的"点对点"系统
相比，本发明可以用于"点对多点"系统。在点对多点通信系统中，在 网络中的一个设备和两个或更多个其它i殳备之间同时发生通信。
可靠的"点对多点"通信系统允许创建共享网络变量。这是为网络 中所有设备所知的变量。例如，如果一个设备想要改变共享网络变量 的值，其必须要发送请求而且保证所有设备同时接收并处理所更新的 变量。如果不能做到同时更新，或者并非网络中的所有其它设备都接 收到该更新，那么该网络就不具有共享网络变量。
共享网络变量允许创建没有中央控制器的网络。所有有关网络运 行和控制的必要数据同时被网络中的每一个设备所知。该数据可以在 任何时间由网络中的任何设备更新，并且保证所有其它设备相应更新 它们的数据。这就使得当与具有中央控制器的网络进行比较时，网络 内设备的控制变得简单，更为灵活，且降低了成本。
5每个设备之间的单个通信活动在此被称为事务(transaction)。 在发送数据到一个或多个该数据的收发信机/接收机的设备(收发信机 /发射机)之间发生事务。事务还包括从收发信机/接收机发送到收发
§ 在本上下文中，为给定事务^送数据以在整个网络中共享的设备 被称为"收发信机/发射机"，而接收事务内返回的数据的设备被称为收 发信机/接收机。应当理解，在同一事务内，给定的收发信机/接收机 还可以发送确认信号。在下一事务中，该收发信机/接收机可以变成收 发信机/发射机。
当同时向多于一个的收发信机/接收机发送时(已知的广播或多 播)，知道所有的收发信机/接收机都已经成功接收到数据是非常重要 的。如果即使是有一个收发信机/接收机没有成功接收到数据(例如， 由于一个致使收发信机/接收机中的数据破坏的比特错误)，那么所有 其它收发信机/接收机都必须得到通知，并非所有的其它收发信机/接 收机都已成功接收到了数据。
这种网络通常使用一种编码将要发送的数据比特的方法。选择该 编码方法作为可用传输技术和诸如数据率和灵敏度的性能要求之间的 折衷。普遍使用的编码类型包括曼彻斯特编码和位填充技术。
在常规的点对点通信协议中，通常的程序是在接收数据之后的一 段时间使每个设备发送一个确认声明。这就有一个缺陷，即发送设备 必须确切知道网络内的接收设备的数量，并且知道怎样与它们中的每 一个联系。同 一数据段到多个接收设备的可靠传输要求该同 一数据的 多次传输，以及对确认每次传输的相应等待。该同一数据到很多接收 方的重复传输浪费了通信媒体的可用带宽。这种方法还要求发射机获
取并存储有关确切是哪个接收设备要接收给定传输的数据。这种方法 允许以不必要的复杂性和对通信媒体可用带宽的低效使用为代价来创
建共享网络变量。
可选地，点对多点的传输可以用来将数据同时发送给多个接收 方，而无需返回任何确认。这造成数据传输不可靠，并且发射机不能
6够确定是否所有的接收设备都已经成功接收到了数据。不可靠的数据 传输意味着不能创建共享网络变量。
当两个或多个设备在彼此的通信范围之外时，情况就比较复杂。 正如可以理解的那样，每个设备都具有其最大传输范围(由设计因素 决定，包括但不限于发射功率、接收机灵敏度、天线类型、以及信号 处理算法)。当有些设备在最大范围之外并且因此不能与对方通信时， 通信和同步通信就会更加复杂。
创建共享网络变量也会由于来自不同设备的传输之间的冲突的 发生而受到阻碍。沖突反过来影响数据在整个网络的成功传输。能够 检测到冲突的发生并进行适当的处理是非常重要的。这种适当的行动 可包括通知发送设备其发送被中断，以及通知网络中的其它设备发生 了冲突。
传统的减少冲突可能性的方法包括在传输之前监测媒体一段时 间。每个设备会在其传输过程中被延迟一段随机时间，或者是对网络 中每个设备唯一的时段。例如，这段时间可以通过使用该设备的设备 地址(对于要唯一寻址的设备该地址必须是唯一的)而做到对每个设 备唯一。这可以使用单个比特的持续时间来衡量，从而如果几个设备 希望正好在同一时刻开始传输的话，它们就会等待不同的时段。等待 最短时间的设备可以开始传输(并且其它设备会看到这种传输，接收 到该传输，并在稍后的时间重试它们自己的传输)。
这种方法明显的减少了冲突的可能性，然而，当使用其中不同网 络中的设备可能使用相同地址的多个网络时，该方法不是失效保护的 并且未必适当。
本发明的目的是提供一种用于改进RF多播通信系统中的设备之 间的通信的系统和协议，特别是如果两个或更多数据传输之间发生了 冲突。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于射频通信网络中的数据帧，该数据帧包括被编码以便当接收该数据帧的设备已经从另 一个源 接收到数据时被理解为冲突的数据。
根据本发明的第二方面，提供一种在设备的射频网络中检测两个
传输之间的冲突的方法，该方法包括
从笫 一设备发送根据本发明的第 一 方面的笫 一数据帧；
从第二设备发送根据本发明的第 一 方面的数据帧的第二数据帧；
以及
在接收第 一数据帧的同时，检测来自该第二数据帧的编码数据序 列，并将结果数据序列识别为指示冲突。
根据本发明的第三方面，提供一种包括至少三个设备的无线电通 信系统，在使用中，第一设备发送根据本发明的第一方面的第一数据 帧，第二设备发送根据本发明的第一方面的第二数据帧；以及第三设 备接收该第一和第二数据帧，并在接收该第一数据帧的同时，检测来 自该第二数据帧的编码数据，并将结果数据序列识别为指示冲突。
根据本发明的第四方面，提供一种用于包括至少两个其它收发信 机的无线电通信系统中的收发信机，在使用中，该其它收发信机的第 一个发送根据本发明的第一方面的第一数据帧，而第二个其它收发信 机随后发送根据本发明的第一方面的第二数据帧，在使用中， 一旦在 接收第 一数据帧的同时接收到来自第二数据帧的编码数据，则将该结 果数据序列识别为指示冲突。
根据本发明的第五方面，提供一种用于设备的射频网络中的通信 协议，该协议具有帧，该帧包括
用于发送数据的第一时隙；
第一时隙之后用于发送第一确认状态的第二时隙；
第二时隙之后用于发送第二确认状态的第三时隙；以及
第三时隙之后用于发送沖突指示的第四时隙。
根据本发明的第六方面，提供一种包括收发信机/发射机以及至 少两个收发信机/接收机的无线电通信系统，其中该收发信机/发射机 在第一时隙内发送数据到收发信机/接收机，并且其中一旦接收到该数
8据，则每个收发信机/接收机在笫 一时隙之后的第二时隙内返回第 一确 认状态，在第二时隙之后的第三时隙内返回第二确认状态，或者在第 四时隙内返回冲突确认。
根据本发明的第七方面，提供一种用于包括至少一个收发信机/ 发射机和至少 一个其它收发信机/接收机的无线电通信系统中的收发 信机/接收机，在使用中，该收发信机/接收机一旦在第一时隙内从所 述收发信机/发射机接收到数据分组，则在第 一 时隙之后的第二时隙内 发送第 一确认状态，在第二时隙之后的第三时隙内发送第二确认状态， 或者在第三时隙之后的第四时隙内发送冲突确认状态。
根据本发明的第八方面，提供一种用于包括至少一个其它收发信 机/接收机的通信系统中的收发信机/发射机，其中在使用中，该收发 信机/发射机在第 一 时隙内发送数据分组到该至少 一个收发信机/接收 机，并且在第 一 时隙之后的第二时隙内从一个或多个该收发信机/接收 机接收第 一确认状态，在第二时隙之后的第三时隙内从一个或多个该 收发信机/接收机接收第二确认状态，或者在第三时隙之后的第四时隙 内从一个或多个该收发信机/接收机接收沖突确认状态。
根据本发明的第九方面，提供一种用于设备的射频网络中的通信 协议，该协议具有帧，该帧包括用于发送数据的第一时隙，在第一时 隙之后用于指示转发标志的第二时隙，以及在第二时隙之后用于转发 第一时隙内所发送的数据的第三时隙，以及在第三时隙之后用于允许 两个或更多个传输之间的冲突确认的第四时隙。
根据本发明的第十方面，提供一种包括第一收发信机、第二收发 信机和转发器的无线电通信系统，该第 一和第二收发信机彼此间隔大 于它们各自最大传输范围中的至少一个的距离，并且该转发器位于该 第一和第二收发信机中间，其中一旦在第一时隙内从第一或第二收发
信机的其中之一接收到数据，该转发器在笫二时隙内发送转发器标志， 并且接着在第三时隙内发送在第一时隙接收到的数据。
根据本发明的第十一方面，提供一种用于包括至少两个收发信机 的无线电通信系统中的转发器，该至少两个收发信机彼此间隔大于其各自的传输范围中的至少一个的距离，在使用中，该转发器被置于该 至少两个收发信机中间，其中一旦在第一时隙内接收到数据，该转发 器在第二时隙内发送转发标志，在第三时隙内发送第 一时隙内接收到 的数据，以及如果在两个或更多个传输之间发生了冲突，则接着在第 四时隙内发送冲突确认。
根据本发明的第十二方面，提供一种用于包括至少一个其它收发 信机和转发器的无线电通信系统中的收发信机，该收发信机和该至少 一个其它收发信机彼此间隔大于它们各自的传输范围中的至少一个的 距离，在使用中，该转发器被置于该收发信机和该至少一个其它收发 信机中间，其中一旦在第二时隙内从该转发器接收到转发标志，该收 发信机暂停进一步的行动，直至该收发信机在第三时隙内从该转发器 接收到最初由该至少一个其它收发信机在第二时隙之前的第一时隙内 发送的数据。
根据本发明的第十三方面，提供一种至少包括第一收发信机、第 二收发信机和转发器的无线电通信系统，该第 一 收发信机和第二收发 信机间隔大于至少 一 个收发信机的最大传输范围的距离，该转发器被 置于该第一和第二收发信机中间，以便一旦从该第一收发信机接收到 数据传输，该转发器转发来自该第一收发信机的该数据传输，其中， 在该转发器转发来自该第一收发信机的数据传输之前， 一旦从该第二 收发信机接收到数据传输，则该转发器发送一个数据序列，指示每个 收发信机忽略正在进行的传输。
本发明的系统和协议具有许多用途，包含控制家用、工业和办公 器具的应用。


图l示出了根据本发明的数据帧结构；
图2A示出了网络中三个设备的示意性例子，第一设备发送图1 的数据分组；
图2B示出了第二设备发送图1的数据分组并引发冲突的示意性
10例子；
图2C为图2A和2B中发送的数据分组的时序图3示出了分布于这些网络l-3中的网络设备A-H;
图4示出了根据本发明优选实施例的一种网络结构；
图5示出了用于本发明的环境中的网络协议模型；
图6示出了根据本发明优选实施例的帧结构；
图7示出了部署在根据本发明的网络中的转发器和两个收发信
机；
图8示出了用于图7的配置中的帧结构； 图9示出了本发明中使用的收发信机设备的优选结构；以及 图IO示出了部分ISO 7层模型，其中执行图9的收发信机设备 的某些功能。
具体实施例方式
根据本发明的一个方面，任何发生的冲突都将通过使用由网络内 的设备传输的数据帧的编码而被检测。
有两种可能发生的沖突。第一种是在两个设备之间，这两个设备 在彼此的范围之内，由于某些原因在同一时刻开始发送数据。虽然使 用了各种传统的避免方法技术，诸如在传输之前监测媒体和根据每个 设备的设备地址交错设备的后续数据传输，仍然可能发生冲突。在此 情况下，数据传输就会在时间上彼此重叠。
另外一种类型的冲突，并且是更容易发生的一种，是在设备需要 将数据发送给分布于几个分开的网络上的其它设备的情形。例如在这 些网络中的两个网络上，有些设备可能相互靠近(即使位于不同的逻 辑网络)，而如果其它的设备在物理上位于它们各自的网络的相反侧 则可能在对方的范围之外。
这种排列具有更高的沖突发生可能性，因为多个设备共享同 一地 址(即使在不同的网络上)，并从而能够同时开始它们各自的传输。 此外，由于有些设备会在彼此的范围之外，要检测到冲突已经发生就更加困难，因为来自各自设备的数据传输将不会直接重叠。然而，在 这些情况下，位于两个极端设备之间的设备，也就是处于两个设备的 范围之内的设备，将会在接收过程中检测到冲突，并且这个事实有利 于处理冲突。
回到第 一 种情况，本发明以以下方式解决在彼此范围之内的两个 设备的传输之间的冲突的问题。
根据本发明的一个方面，由设备发送的每个数据帧包括特殊编码 的部分，优选是位于或接近其开始处，该部分在由已经接收另一传输 的设备接收时，会被理解为冲突。
图1示出了包括数据部分11，确认部分12和编码部分13的帧 10的示例性结构。示例帧IO还包括"数据结束"标记14。
该帧结构可用于如图2A、 2B中所示的示例性网络。在这个例子 中，如图2A中所示，设备A将发送包括将由设备C接收的编码部分 13和数据部分11的数据帧10。在此情况下，设备C还没有接收到另 一传输并且一旦从设备A接收到第一数据帧10，将会忽略编码部分 13并继续处理数据帧10中的数据11。如果由于某些原因，在数据帧 IO的传输过程中，设备B开始发送相应的数据帧10'到设备C，如图 2B中所示，设备C就会突然检测到来自数据帧10'的编码部分13'， 并且由于它已经接收了数据帧10,它将会将编码部分13'理解为冲突。 示意这种情形的时序图在图2C中示出。
一旦检测到冲突，设备C就继续接收冲突的数据帧直至其能够检 测到第二次传输的数据结束标记14'。此时，设备C将发送冲突确认 指示到设备B,其通知设备B数据传输已经被破坏并且应该重新发送 该数据分组。设备A在其传输完成时尚未从设备C接收到任何确认信 号(因为设备C还在继续从设备B接收数据传输)，其将此作为丟弃 的分組对待并将知道它将需要重新发送其传输。
以上描述的例子假设设备B的传输在设备A的传输之后完成， 然而，在设备A传输的数据帧10比设备B的数据帧长得多的情况下， 那么设备C将检测到来自设备A的传输的数据结束标记，而设备A将接收到沖突确认信号。在此情况下，设备B将不会接收任何确i人信
号并且将假设其数据分组被丢弃，将会稍后尝试重新发送其数据。
在一种不太可能的情况下，设备A和设备B均同时开始有效传 输(在符号的约%或更少的范围内)，将会发生以下三种结果中的其
中一种。
-A在两次传输中发送的数据将冲突，而且无论如何设备C 都会最终检测到冲突。这是因为由该两个设备传输的两个数据流中通 常有足够的不同，这将会被设备C理解为沖突。然而，这依赖于要存 在足够大的数据差异，但这并不是总能够得到保证。
-B来自两个分组的数据将冲突，但是设备C检测不到冲突 (例如，由于在两次传输之间没有足够的数据差异用于冲突的决定性 判断)，然而，冲突将会导致数据流的足够的破坏，从而当两次数据 传输中的最后一次完成时，设备C回应一个否定确认。
如果设备A和B都发送恰好相同长度的数据流，那么设备A和 B 二者将从设备C接收到否定确认并将稍后重试它们各自的传输。然 而，如果设备A和B的分组长度不同，那么发送较短传输的设备将等 待来自设备C的确认信号而另一个设备仍在发送。由于第一个设备不 能得到任何确认信号，其将假设其分组丟弃并将试图在稍后的时间重 传它的数据。发送较长传输的设备最终或者会接收到否定确认(如果 设备C能够检测到数据损坏，并检测到数据结束标记)，或者如果设 备C没有检测到数据结束标记，则设备C根本就不会确认，传输设备 由此将假设其分组被丢弃并且稍后会重试其传输。
-C 如果两个传输都在恰好同一时间发送恰好相同的数据 (实际上是非常不可能的)，那么两个传输将被设备C检测为单个传 输，并且会使用肯定确认来响应设备A和B，而每个设备就会假设其 数据已经被成功发送和接收，其确实是的。
可以用于冲突检测的示例性编码系统如下
0比特将被编码为OFF，ON对，而
1比特将被编码为ON，OFF对。因此，在0和1数据比特之间的冲突将被检测为ON, ON。例如， 后面跟有正常数据比特的单个比特的冲突；ON，ON，ON，OFF将指示后 面跟有比特1的单个比特冲突。后面跟有正常数据比特的多个连续比 特的冲突，ON，ON，ON，ON，OFF， ON将指示后面跟有0比特的两个沖 突比特。
应当理解，可检测的冲突总会导致接收ON，ON对。这是如上所 述仅能够编码比特O和1的曼彻斯特编码系统的违例(violation)。
正如可以理解的那样，帧将会以起始码开始并且结束码为帧标 记。这些可通过使用曼彻斯特编码违例来完成。在此情况下，利用了 以下事实的优点
-后面跟有数据比特(ON，OFF或OFF，ON )的编码违例(ON，ON ) 指示一个沖突；
-后面跟有多个沖突(多个ON，ON)的编码违例(ON，ON)仍然 是一个冲突。
然而，在编码违例(ON，ON )之后跟随另一个特殊违例 (OFF，OFF)的情形中，由于沖突或由于之后跟随有效数据比特的冲 突，这永远不会发生。在此情况下，序列ON，ON，OFF， OFF被用作引 入(lead-in)。如果检测到这种情况，接收机将此识别为指示嵌入到 正被传输的数据流中的特殊标签的标记。如果该序列后面跟有 OFF，ON对，其代表帧的开始。如果该序列后面跟有ON，OFF，则代 表帧的结束。
序列
ON，ON，OFF， OFF，OFF， OFF和ON，ON，OFF， OFF，ON，ON是非法的。
根据本发明的另外一个特征，该特征对于更新网络中或分布式网 络中的其它设备尤其有用，是接收设备(C) 一旦检测到由设备A和 B发送的两个数据帧之间的初始冲突，则发送一个信号的特征。这个 信号将被设备C范围内的其它设备理解为冲突，并且这些设备反过来 发送相同的信号给它们各自范围内的设备。以这种方式，网络或分布式网络范围内的所有设备都将被通知在网络中的某个地方发生了冲 突，这些设备甚至可以在物理上位于沖突首先发生的设备的范围之夕卜。
实际上，设备C 一旦检测到设备A和B的传输之间的初始冲突， 将停止一短段时间的接收，发送使冲突能在其它设备中被检测到的长 突发，然后重新开始其接收功能。当设备C检测到沖突时，沖突之后 的数据检测被中断，那么从向前的冲突检测的观点来看，设备C试图 检测的其它信息是帧结束标记。应当理解，帧结束标记可不总是在每 种情况下都可识别，然而，设备C将试图定位这个标记。
有较小的可能性是在由设备C发送长突发冲突信号的传输期间， 数据结束标记将由设备A或B(其曾经最后传输结束)发送并被设备 C遗漏。在此情况下，该传输不会得到确认并会被发送该分组的设备 认为是丢弃的分组，而且每个设备将会在稍后的阶段试图重发该数据。
图3示出了三个网络的典型示例，这三个网络在分离时大多在相 互临近的范围内工作。网络1由设备A、 B、 C和D组成，而网络2 由设备E和F组成。网络3由设备G和H组成。如上所述，如果在 设备C发生来自设备A和B发起的传输的冲突，设备C将发送将被 设备D和E接收的冲突信号，因为D和E会在设备C的范围之内， 然而，由于在设备C范围之外，网络2中的设备F和网络3种的G 和H无法接收这个信号。根据本发明，由于来自设备C的冲突信号被 设备D接收， 一旦设备D接收到来自设备C的冲突信号，将反之发 送能够被设备F和E检测到的类似冲突信号。与之类似，设备E也将 检测到来自设备C的沖突信号，因为设备E在设备C的范围之内， 并且将发送也会被设备G和H接收到的其自己的冲突信号。以这种方 式，沖突信号在整个网络上传播，直至一个网络/各网络内的所有设备 都已被告知在网络l中的设备C处发生最初冲突。
本发明的原理现在将在特定网络结构的上下文中描述，该特定网 络结构是两个共同未决申请的主题。
图4中示出了一种典型的网络架构，其中网络200由节点1、 2 和3构成，节点1、 2和3是收发信机设备并可在给定通信事务中充当
15发射机和/或接收机。网络200可以通过网关210与其它网络20通信。 本发明的协议设计是基于ISO 7层模型并且有些术语与ISO所使 用的相同。本发明中所使用的协议是无连接的，意味着一旦单个数据 传输已经发生，不希望在此之前或之后有其它的相关数据传输。
本发明的协议模型基于IS0 7层模型并在图5中示出。对于在两 个节点上分布的应用，每个协议层具有到另 一个节点内的对等层的虚 拟连接。正如可以看到的那样，每个层得到由上一层提供的数据，将 其作为数据单元处理并添加自己的协议控制信息(PCI)字段。在每 一层，协议数据单元(PDU)或者是数据，或者是由下一更高层提供 的包。PDU的名字前冠有其应用的层(例如，SPDU为会话PDU)。 物理层涉及ISO系统中的机械和电气网络接口 。在本发明的系统 中，物理层指的是用于在通信媒体上发送和接收比特的硬件和固件元 件。
在ISO系统中，链路层用于数据链路控制(例如，组帧、数据透 明性、差错控制)。在本发明中，链路层用于将字节划分为比特、比 特填充(如果需要的话)、组帧、沖突检测、优先排序、错误检测、 肯定/否定确认生成、校验、转发和重传。
ISO系统中的网络层用于网络路由、寻址、呼叫建立和清除，而 在本发明中，网络层用于网络路由、寻址、事务建立和清除。
在ISO系统中，传输层用于端到端的消息传输、连接管理、差错
控制、分段和流控制。本发明的环境中没有使用传输层。
ISO系统中的会话层用于应用实体的对话和同步控制，但是没有
在本发明的环境中使用。
表示层在ISO系统中用于传送语法协商，以及数据表示转换，而
在本发明的环境中，表示层用于应用数据的可选加密。
ISO系统中的应用层用于文件传输、访问管理、文档和消息交换、
作业传输和操纵，而在本发明的环境中，应用层支持发送和接收应用
最后，用户应用层不但在ISO中使用，而且在本发明的环境中使用，用于任何需要实现特定功能或行为的需要。 本发明所具有的特征主要属于链路层。
在本发明的协议中，使用能够可选地由主要比特和次要比特组 成。如果两个设备同时发送主要比特和次要比特，那么接收机和发射 机(监测它们自己的传输)将仅检测主要比特。这个过程在共同未决 的专利申请中描述。然而， 一般来讲，该协议将不使用主要比特和次 要比特，而且冲突必须使用如前所述的本发明的方法处理。
通过由发射机首先监测媒体一段时间而获得媒体访问，所述一段 时间对于网络中的每个设备是不同的，并且如果没有检测到已有传输， 发射机将尝试通过发送前置码流而要求媒体访问。这种前置码以至少 一个可检测比特开始。对媒体访问的要求定义了事务的开始。事务包 含所有的数据传送，数据的确认和转发。网络中的所有节点必须连续 监测媒体，并且如果它们检测到事务发生，它们将延迟任何对要求媒 体访问的尝试直至当前事务完成。
事务是异步的它们可以在任意时刻发生，而且一个事务到下一 事务的开始的时间差不一定是比特周期的整数。
在本申请中，事务被特别定义为划分为几个包含不同类型数据的
子时隙的连续时段。事务开始于一段设置的时间的前置码，后面跟有 将要从收发信机/发射机发送到两个或多个收发信机/接收机的特定数 据。数据发送期间的时隙在长度上可变，并且包含用作帧校验序列的 部分。跟随数据传输的是两个时隙，在该时隙期间由收发信机/接收机 发送肯定和否定确认，其后跟随一个时隙，在该时隙期间由收发信机/ 接收机如上所述发送冲突指示，图6示出了该帧的结构。
如上所述，事务是异步的并且可以在任何时间启动。然而， 一旦 启动，该事务就具有基于时间的结构。事务中的特定标记用于显示可 变长度数据部分的开始和结束。在其间发送肯定和否定确认以及沖突 指示的时隙在时间上固定。通过仔细编码并将数据冗余编码到这些时 隙中，能够传送由一个或多个收发信机/接收机发送的肯定确认和由一 个或多个收发信机/接收机发送的否定确认。事务中涉及的所有设备都
17将看到这两种确认时隙。
期望肯定确认的收发信机/接收机将在肯定确认时隙期间发送特 殊码并将在否定确认时隙期间接收。
类似地，期望否定确认的收发信机/接收机将在肯定确认时隙期 间接收并将在否定确认时隙期间发送特殊码。
设备监测它们没有进行传输的时隙的事实确保了在两个确认时 隙的最后，每个设备或者检测到了肯定确认、否定确认或者同时检测 到二者，并因此能够计算出网络的整个确认状态。
例如，发送肯定确认的收发信机/接收机将能够检测某些其它的 发送否定确认的收发信机/接收机。
在事务的最后，所有的设备都不知道有多少肯定或否定确认，它 们所知道的是有一些肯定确认和一些否定确认。
如果在事务期间根本存在任何否定确认，那么所有的收发信机/ 接收机都知道这一点，并且会丢弃接收到的数据。类似地，收发信机/ 发射机也知道这一点并会试图重新运行该事务。
肯定确认的生成如下。
一旦接收到数据，节点将仅在以下时候生
成肯定确认
-数据时隙已经针对其嵌入的帧校验序列被校验并且发现是有效 的；以及
-数据时隙内出现的任何寻址信息匹配由该设备使用的寻址信 息；以及
-没有检测到冲突。
每个设备收发信机通常包含至少两种不同类型的地址，如下
-单元地址，允许该设备被唯一单独寻址；以及
-多播地址，允许同时寻址网络中的那些设备以更新共享网络变
另外，设备还可选地包括
-网络地址，允许物理设备由其所在的逻辑网络分组。 可能还有其它的变化，但是这三种地址类型是基本的，并且用作
18其它更多复杂寻址方案的基础。
否定确认产生中所涉及的过程如下。接收设备(收发信机/接收
据时隙被破坏时，才生成否定确认。
在设备确定数据时隙被破坏时，进一步检查数据时隙内的任何字 段没有用处。
如果满足生成肯定确认的条件而且如果没有其它的收发信机/接 收机已经生成否定确认，才能由收发信机/接收机进行由收发信机/发 射机发送的数据的接受。这样确保了所有的收发信机/接收机仅接收给 定消息一次。对于点对多点消息，这可能意味着消息被收发信机/接收 机丢弃，即使是消息看起来有效并被肯定确认。
以上描述了在其中可以利用本发明的 一般环境。以上所述的序列 只能当每个设备都在其它设备的范围之内时才被使用。应当理解的是， 每个设备将具有最大传输范围，超过该范围其就不能与其它设备通信。 最大传输范围是由设计因素决定的，设计因素包括但不限于发射功率、 接收机灵敏度、天线类型以及信号处理算法。对于较短范围(没有得 到许可证的)的设备，该范围通常从几十到最多几百米。这样一种设
备的典型最大传输距离是在20米的级别内。在一个或多个设备位于另 一个设备的最大传输范围之外的情况下(即不能直接与那个设备通 信)，在执行上述过程时就会遇到困难。特别是在收发信机/发射机发 送数据，某些或所有的其它收发信机/接收机将接收不到来自那个特定 收发信机/发射机的数据的情况下，从而使得不可能更新共享网络变 量。
根据本发明，修改上述的协议以允许设备之间的数据重传以便扩 展网络中使用的设备的有效传输范围。修改后的协议结合转发器使用， 转发器大致位于网络中设备的几何中心并在分布于它们的正常传输范 围之外的设备之间充当中继。
图7示出了网络中的设备X和Y的示例配置。设备X和Y分隔 大于它们各自传输范围中的每一个的距离。由此，如果设备X想要如上所述发送数据，设备Y将不能接收这些数据并不能够知道如何如上 所述地继续下去。然而，根据本发明，转发设备30被放置在设备X 和Y之间并充当转发器。这样，如果设备X发送数据，转发设备30
X的数据。当设备Y发送其确认时，这将被转发器接收到。转发器再 发送能被设备X和Y 二者接收到的全部确认状态。两个设备于是知道 信息被转发器转发了 ，并反过来被转发器范围内的所有设备接收或拒 绝。设备X和Y于是能够以正常的方式继续。
当然，例如设备Y不一定是收发信机/接收机而可以是收发信机/ 发射机。然而，在此情况下，由于超出了设备Y的范围的设备X (例 如，收发信机/接收机)不能够接收发送的数据，设备Y将发送信息到 网络。此外，部署在设备X和设备Y之间的转发设备30将接收由设 备Y发送的数据，并转发这些数据以便设备X和转发设备30范围内 的任何其它设备接收该转发。
应当理解的是，实际上并不需要直接将转发设备30放置在两个 设备之间而是可以放置在使网络内的设备都能到达的任何合适的位 置。
在某些情况下，有可能设备X具有到达设备Y的足够范围，然 而传输范围比设备X更短的设备Y不能与设备X通信。在此情况下， 转发设备30可以位于比设备X更靠近设备Y，以便允许来自设备Y 的传输到达转发设备30,然后该消息就会被转发并发送给设备X。
事实上，以相同的方式构建网络中的所有设备是有利的。这意味 着每个设备，无论是充当收发信机/发射机、收发信机/接收机或是转 发设备，都以相同的方式构建并能够独立执行它们想要的功能。这样 在复杂度和制造成本方面就有显著的节省，因为仅需要制造一种设备。
在使用中，如果设备充当转发器， 一旦接收到第 一帧中的信息(见 图6)，转发器将立即在新的第二时隙中发送转发标志，并且接着在 新的第三时隙中转发在第一时隙中接收到的数据。网络于是以如上所 述正常运转，其中已经接收到所转发信息的作为收发信机/接收机的设
20备然后将如上所讨论的那样继续确认那些数据的成功或不成功接收，
而转发器将发布最终的全部转发状态以通知网络中的所有设备所转发
数据的成功或失败。
图8中示出了修改后的协议帧。与图6的帧相比较，清楚地显示出图8的修改后的转发标记事务与图6的非转发标记事务的区别。特别地，两个事务帧中均存在提供用于数据传输的第一时隙，然而，在图8的转发标记帧中，提供了第二时隙用于转发标记标志的传输。提供第三时隙，在该时隙内将转发在第一时隙内发送的数据。帧结构于是以与图6的帧结构相同的方式继续。特别是，提供了确认时隙以包含用于发送肯定确认的第 一子时隙、用于发送否定确认的第二子时隙以及用于发送冲突指示的第三子时隙。另外，在图8的转发标记帧中，还提供了附加时隙用于传输转发状态，向所有设备提供传输已被转发的证实。
以上所述的情况涉及转发器在可能有些设备可以在同 一 时刻开始传输的事实下甚至更为复杂。当所有设备都在彼此的范围内时，通常通过使每个设备在试图发送之前监测媒体一段唯一 的时间来避免冲突。当设备由于某些原因具有相同的延迟周期(例如，由于在不同的网络中但位于彼此的范围以内)时仍然会发生沖突。在这种情况下，网络中的有些设备有可能检测到冲突，但是其它的设备则具有其不能检测到冲突的足够大的范围。那些检测到沖突的设备能够在它们的确认时隙内通知出现冲突。然而，这种方法在某些情形下将变得不可靠。为了改进沖突检测和通知的可靠性，由所有检测到冲突的设备传播沖突。这种通过网络内的设备传播沖突确保了冲突的认识被快速散布。
在使用转发设备的情况下，在发送的设备和接收该传输的另一个设备之间存在一些延迟。在这段延迟时间内，有可能开始来自另一个超出原始发送设备范围之外的设备的传输。在这种情况下，转发器简单地如上所述发送冲突传播，并且如果可能的话将该冲突指示作为部分后续确认时隙发送。 一旦转发器已经启动了传输，就不能检测到冲突，但是范围之内的其它设备可以这么做并利用该确认时隙的沖突指示部分来通知该转发器。
例如，参考图7，如果设备X开始发送，在转发设备30接收到
有延迟。在这段时间内，设备Y可能开始发送其自己的数据，这在转发设备30开始转发那个传输之前会引发与设备X的传输的冲突。转发设备30检测并传播这个冲突。
简言之，以上描述了由任何设备检测沖突以及对其它设备看起来像是冲突的序列的慎重的传输。这致使被检测到的冲突通过网络传播。已经传播了该沖突的接收设备一直等到传输结束。如果它们能够的话，它们利用确认(第四)时隙的沖突指示字段向发送设备回指冲突。以这种方式，发送设备知道已经发生了沖突并且能够适当地重新发送。如果它们不能够向发送设备回指该冲突，接收设备根本就不发送任何确认。无论如何，接收设备都会知道沖突(或者是因为它们检测到了原始冲突，或者是它们检测到了传播的冲突)。类似地，发送设备知道发送不成功，因为它们或者同样得到了特定的指示，或者根本就没有得到确认。这种接近通过转发器扩展。
这种进一步的改进包括当任何传输开始了从一个设备到另外一个设备不同的一段时间时，监测媒体。这有助于减少冲突发生的可能性。将延迟的时间量通常是传输单个比特所花费的时间的整数倍。这是沖突避免周期。通过使该周期对网络中的每个设备唯一，在理论上就永远不会发生冲突。例如，这通过利用由例如比特的持续时间定标的设备的唯一地址作为监测媒体时将等待的时间而最为方便地完成。或者，可以随着检测到的每个连续冲突而增大延迟。如果检测到太多的连续沖突(例如，超过了预设的阈值数)，传输的尝试就被取消并通知操作员。
因此，冲突可能发生的唯一时间(理论上)是当两个设备使用相同的延迟周期时。如果几个不同的网络位于彼此的范围内，这种情况有可能会发生(作为如前讨论所的"相邻房间"问题已知)，并且使用本发明的冲突传播方法来解决。如上所讨论，实际上以相同的方式构建网络中的所有设备是有利的。这意味着，每个设备无论是其充当收发信机/发射机、收发信机/接收机或是转发设备，都将以相同的方式构建并且分别能够执行它们所希望的功能。这在复杂度和制造成本方面提供了显著的节省，因为只需要制造一种类型的设备。
收发信机设备100的优选实现使用无线电接收机、无线电发射机以及微处理器。这前面两项可以可选地组合为发射机/接收机，如图9所示，图9示出了包含微处理器110和发射机/接收机120的设备100。发射机/接收机120通过天线130发送和接收数据。
应理解的是，使用微处理器并非强制性的。例如，协议可以在专用集成电路、可编程逻辑设备或可编程门阵列中实现。使用微处理器较为方便，因为其允许容易的可更改的软件实现，并减少了总的部件数。然而，软件实现仅适用于低到中等的数据速率。
发射机/接收机120的功能是接收或发送信息。发射机/接收机的选择将由因素范围决定，包括(但不限于)
a. 产品将被销售的市场的管理环境。
每个国家都具有规则，其确定了包括允许的频率、发射功率电平和带宽的因素。适用于某些国家的发射机/接收机在其它国家中可能不符合规定。
对于在各个国家范围内具有广泛销售要求的产品，有可能需要选择适合于每个国家的几种不同的收发信机。
b. 功耗，连同任何其它决定可用功率值的考虑。
例如，具有高功耗的发射机/接收机可能不适用于电池运行。
c. 发射机/接收机在接收和发送模式之间切换所用的时间。
在本发明的通信协议中，在接收与发送之间切换的时间非常重要，因为该协议包含一组固定的时间片。依赖于所执行的全部事务，时间片可能需要被接收或者被发送。
在接收和发送之间切换的时间构成了开销(停滞时间)。长的切换时间的结果是浪费带宽。
23d. 接口类型。
有许多可用的发射机/接收机类型。提供数字数据输入和输出的类型给出与微处理器的最简单接口。
e. 数据速率。
发射机/接收机需要支持适用于所有产品需求的数据速率。这个数据速率可以在极低和极高之间的任何位置。
f. 物理尺寸，以及可用空间量。
g. 成本。
h. 设计工作量。
最少考虑，发射机/接收机需要
a. 发送数据输入，由微处理器使用以将通信状态置于无线媒体
上；
b. 接收数据输出，由收发信机使用以向微处理器指示无线媒体的状态；以及
c. 控制输入，由微处理器使用以选择发射机/接收机的运行的接收或发送模式。
控制输入可以在非常简单和非常复杂之间。在最为简单的极端情况下，它用于在接收与发送之间进行选择。有些发射机/接收机支持低功率"睡眠，，模式。其它的则允许为发射机/接收机运行行为进行复杂设置和配置。
对于所述的协议，控制输入的类型并非关键性的。
某些适当的发射机/接收机包括RFM ASH系列TR1000到TR3100， ChipconCC1000和Nordic NRF401、 NRF403。
微处理器110用于实现通信协议，利用发射机/接收机作为将通信状态置于无线媒体上的装置，并从无线媒体接收通信状态。
微处理器的类型和选择并非关鍵性的，只要其能够执行具有精确定时的操作。精确的程度仅需足够避免通信协议中生成比特误差。
该协议最好以面向比特的方式实现，因为这样允许容易地识别时间片开始的点。微处理器负责执行至少某些以下的功能
a. 用于发送和接收的数据编码和解码方案，例如曼彻斯特编码;
b. 接收机中发送时钟的恢复-例如通过同步到前置码；
c. 沖突检测；
d. 创建每个时间片，以及该时间片期间的适当发送或者接收以交换相关确认信息；
e. 实现可以由接收设备使用的差错检测方案，以确定所接收的传输是否有错误；
f. 实现可以由接收设备使用的错误校正方案，以校正传输期间的一定数量的接收错误；以及
g. 增加可用于改变事务结构的转发器功能，以为了扩展范围的目的而允许转发信息分组。
如前所述，用于描述在通信协议中使用的功能的公共方法是ISO7层模型。同时基于这种模型的软件结构并非强制性的，其使用简化了总体设计。利用这种模型，底部几层中实现的功能在图10中示出。
微处理器硬件提供了电气接口 (物理层)，而微处理器软件则执行所有较高层的功能。
特别地，链路层的软件MAC-B部分负责数据发送和接收的所有时间关键性功能，包括至少某些以下的功能
a. 启动新的传输(包括任何前置码的生成)；
b. 发送数据比特；
c. 发送帧标记；
d. 启动接收；
e. 同步到传输的数据流以及时钟恢复；
f. 数据比特的接收和解码；
g. 帧标记的接收和解码；
h. 通知沖突；
i. 启动每个时间片；以及
j.发送和接收时间片内的数据比特。
25链路层的软件MAC-F部分并不是如此的时间关鍵的。其负责较 高层面向消息的处理，包括以下中的至少一些
a. 从所接收的数据比特构建分组；
b. 分组错误校验；
c. 确定何时确认，以及将生成的确认的类型(使用MAC-B的 时间片服务)；
d. (可选的)基于分组结构，调度转发传输的操作；
e. 启动新的分组的传输；
f. 生成分组错误校验序列；
g. 传输分组，每次传输比特；
h. 检查确认和冲突，并确定是否应该重新发送分组以及该重传 应该在何时发生。
许多不同微处理器可用。有一些具有消除了用于时间关键功能例 如时间间隔生成，脉冲生成等的一些处理器负载的特殊可用硬件功能。 同时这些硬件功能并非强制性的，它们的使用大大简化了软件设计和
一些适合用于本发明中的孩i处理器包括Texas Instruments MSP430系列,Atmel Atmega系列和Hitachi H8/3644系列。
本发明 一个方面的有用特征涉及对包含由收发信机/发射机发送 的数据的可变长度时间片的结束的精确检测。
对于通信媒体来说希望要求一些形式的平衡传输以避免直流偏 移的累积。这种平衡要求当考虑通过中等到长时间周期时，媒体上ON 和OFF状态的数量相等。
有许多可用于将数据比特转换为媒体上的状态的编码方案。这些
的容易性而变化。
优选的编码方案是曼彻斯特编码，连同早先所述的编码违例的选 择性使用。
曼彻斯特编码总是在每个数据比特的中间具有状态转移(OFF
26到ON,或ON到OFF)，这大大简化了接收机中的数据恢复和同步 到发射机时钟上的过程。
在曼彻斯特编码中，状态对(OFF, OFF和ON, ON)是不允许的。
可以利用曼彻斯特编码，以便非法状态对用于传送有关重要点 (point of significance)的信息。
非法状态序列的准确选择并不是非常重要，只要其一直被使用。 优选地，应当保留曼彻斯特编码的直流平衡。
代表传输的可变部分的结束的适当编码将使用简单的非法序列 (ON,ON，OFF,OFF )。这保留了直流平衡，而且能够容易地被曼彻 斯特解码器所识别。
如果还需要传达附加信息，这个序列可以用作"引入"。这样，例 如，其它可能的序列可以是
(ON，ON，OFF，OFF，ON，OFF ) -第一重要点 (ON，ON，OFF，OFF，OFF，ON) -第二重要点
当同时考虑方法和优点时，优选的协议实现是面向比特的、同步 的，并且采用非法编码来指示变量部分中的重要点。
这有利于在寻找可变部分的结束过程中提供基于时间的高级别 精确度，相对来说容易实现，消除对UART的表示特性的任何信赖， 而且无需转义序列或比特填充。另外，在寻找可变部分的结束过程中 的较高的基于时间的精确度也在确定所跟随的固定时间片的开始中创 建了高级别的精确度。
很容易简单地通过计数传输的状态或比特而发送固定时间片，所 接收的时间片需要曼彻斯特解码器(无需支持非法状态)，以及在接 收时间片周期期间没有发送任何信息的情况下需要计时器。
应当理解的是，已参考优选实施例进行以上描述，而且可以在本 发明的范围之内进行许多变化和修改。
权利要求
1. 一种包括第一收发信机、第二收发信机和转发器的无线电通信系统，所述第一和第二收发信机彼此分隔大于它们各自最大传输范围中的至少一个的距离，并且所述转发器位于所述第一和第二收发信机中间，其中，一旦在第一时隙内从所述第一或第二收发信机的其中之一接收到数据，所述转发器在第二时隙内发送转发器标志，并且接着在第三时隙内发送在所述第一时隙接收到的数据。
2. 根据权利要求1的无线电通信系统，其中，所述第一和第二 收发信机在第四时隙内发送确认或沖突指示，指示在所述第三时隙内 发送的所述数据的接收是成功还是不成功。
3. 根据权利要求2的无线电通信系统，其中，所述第一和第二 收发信机在所述第四时隙的三个子时隙中的第 一子时隙内发送肯定确 认，或者在所述第四时隙的三个子时隙中的第二子时隙内发送否定确 认，或者在所述第四时隙的所述三个子时隙中的第三子时隙内发送沖 突指示。
4. 根据权利要求3的无线电通信系统，其中，在第五时隙内， 所述转发器向所有收发信机发送用于所述转发的传输的整体状态。
5. —种用于包括至少一个其它收发信机和转发器的无线电通信 系统中的收发信机，所述收发信机和所述至少 一个其它收发信机彼此 分隔大于它们各自最大传输范围中的至少一个的距离，在使用中，所 述转发器被置于所述收发信机和所述至少一个其它收发信机中间，其 中一旦在所述第二时隙内从所述转发器接收到转发标志，所述收发信 机暂停进一步的操作，直至所述收发信机在第三时隙内从所述转发器 接收到最初由所述至少 一个其它收发信机在第二时隙之前的第 一时隙内发送的数据。
6. 根据权利要求5的收发信机，其中，所述收发信机发送指示 在所述第三时隙内发送的数据的接收成功或不成功，或在两个或更多 个传输之间发生冲突的确认。
7. 根据权利要求6的收发信机，其中，所述收发信机在所述第 四时隙的三个子时隙中的第一子时隙内发送肯定确认，或在所述第四 时隙的三个子时隙中的第二子时隙内发送否定确认，或在所述第四时 隙的三个子时隙中的第三子时隙内发送冲突确认。
8. 根据权利要求7的收发信机，其中，在第五时隙内，所述转 发器将向所有收发信机发送用于所述转发的传输的整体状态。
9. 一种至少包括第一收发信机、第二收发信机和转发器的无线 电通信系统，所述第 一收发信机和所述第二收发信机间隔大于至少一 个所述收发信机的最大传输范围的距离，所述转发器被置于所述第一 和第二收发信机中间，以便一旦从所述第一收发信机接收到数据传输， 所述转发器重传来自所述第一收发信机的所述数据传输，其中，在所 述转发器重传来自所述第一收发信机的所述数据传输之前， 一旦从所 述第二收发信机接收到数据传输，则所述转发器发送一个数据序列， 指示每个收发信机忽略正在进行的传输。
10. 根据权利要求9的无线电通信系统，其中，所述第一和第二 收发信机各自的传输由一个比特序列开头，所述序列被编码以便被接 收时间上重叠的传输的设备理解为冲突。
11. 根据权利要求10的无线电通信系统，其中，由所述转发器.编码以便当由接收设备接收时被理解为冲突的一个比特序列开始。
12. 根据权利要求11的无线电通信系统，其中， 一旦从所述转 发器接收到所述数据序列，每个接收机将立即仅发送一次被编码以便 被接收设备理解为冲突的相同比特序列，并且因而忽略进一步接收的 信息直到所述传输的结束。
13. 根据权利要求12的无线电通信系统，其中，当到达所述传 输的结束时，接收设备将发送指示检测到了沖突的确认，或者根本就 不发送任何确认。
14. 根据权利要求13的无线电通信系统，其中， 一旦发送设备 发现了指示冲突的确认或者根本没有发现确认，所述发送设备将在试 图转发其初始传输之前延迟一段时间。
15. 根据权利要求14的无线电通信系统，其中，由每个收发信 机选择一个随机数，并且根据其各自传输内的比特数而定标所述随机 数来计算所述延迟周期。
16. 根据权利要求15的无线电通信系统，其中，如果随后的传 输重试仍然沖突，则增大后续计算的延迟周期。
17. 根据权利要求16的无线电通信系统，其中，在预定数量的 不成功重试之后，所述无线电通信系统停止进一步的传输尝试。
18. 根据权利要求17的无线电通信系统，其中，在停止进一步 的传输尝试之后，所述无线电通信系统警告操作员其已经停止进一步 传输的事实。
全文摘要
一种用于非主要比特无线电网络中的通信系统和协议。所述无线电网络包括与其它收发信机通信以允许网络变量为所有收发信机共享的收发信机。所述协议允许所述网络处理来自不同收发信机的竞争传输之间的冲突。所述协议还处理在彼此传输范围之外的收发信机之间的通信。
文档编号H04B7/14GK101500245SQ20091000619
公开日2009年8月5日 申请日期2004年8月9日 优先权日2003年8月8日
发明者唐纳·M.·特雷斯, 艾什雷·G.·奎克 申请人:奇胜集成系统控股有限公司