在突发式分组数据无线通信网络中用于避免干扰的自动信道交换

摘要

在多节点无线分组跳频网络中,通过互相等待,所有的节点工作在同样频率。如果该频率受到过大的网络干扰,则建筑物计算机发送“时间弹”,即,将一种将所有节点在固定的时间变到一不同频率的指令。

说明书

本发明涉及无线网络领域，其中大量的节点与中央计算机通信。更具体地说，本发明涉及避免在这种系统中的干扰。

本发明是在美国申请No.08/448,286(申请日为1995年6月30日)基础上的改进，在此引用作为参考。该申请涉及分组跳频网络，其中信息从中央计算机无线传送到节点的网络。该中央计算机具有一弱的发射机，它不具备与所有节点的通信能力。因此，将各个节点作为转发机，以便将信息转发到其它节点。这种网络对于建筑物中的照明控制非常有用。

在这个申请中，通过让发射节点以较低的滑动频率滑动它的发射频率避免了干扰。然后，接收节点较快地滑动它的接收频率，以便扫描发射机。而后，根据跨越发射机所用的频率，该接收节点暂时冻结它的接收频率。之后，该接收机接收发给它的信息。因为传输发生在不同的频率，故固定在受干扰的一个频率上的可能性很小。

本发明的目的是提供一种在大的无线网络中避免干扰的改进方法。

通过得知，对于许多应用，特别是照明，中央计算机只需较少的与节点通信，比如一天几次，从而达到了上述目的。因此，中央计算机和所有的节点可应用单一的信道。响应该前信道之外的发射机的信道频率的过量使用，即使是即刻所有的节点中断。只需交换该信道。

本发明的另一方面是提供一种将所有的节点一起转换到新信道的机构，在这一方面，在转换之前将命令发出，即经过“时间弹”(time bomb)。“时间弹”一词将在下面定义。

本发明具有明显减少节点的复杂性和减少成本的优点。

现在，将通过参考附图的非限制性的实施例来描述本发明。

图1表示具有干扰区的无线多节点分组跳频网络。

图2表示具有重干扰区和更弱干扰区的无线多节点分组跳频网络。

图3a-3c表示发送和干扰的频率。

图4a-4c表示本发明实施例操作的流程图。

过去采取各种形式来避免干扰。最一般的种类叫做扩频。这种构思是扩展发射信号的频谱以便避免干扰频率。三个避免干扰的主要种类是CDMA、跳频和信道跳跃，请看A.Bertossi等人在IEEE Trans.OnNetworking,Vol.3,No.4,8/95 pp,441 et seq中发表的文章“在多跳分组无线网络中避免隐藏终端干扰的码分配”。所有这些避免干扰的技术集中在让网络中的一对节点在不同的信道上通信，可以是编码信道，频率信道，或时间信道。

本发明使用单个通信信道。为了知道为什么能使用单一的信道，看一个一般通信的实例是有用处的。例如，在照明系统中，在一天的开始，中央计算机可讲明，“今天预期是个好天气，因此，在早晨在具有东面窗子的房间应将灯光变暗，在下午在具有西窗的房间应将灯光弄暗，在其余时间的所有有窗房间应是中等亮度，在无窗的房间应是正常亮度”。因为中央计算机在那天只需将该信息发送一次，故中央计算机和转发节点通常能使用单一的信道来实现通信。因为要传输的信道很少，故可分组编码，并通过以时间交错方式将来自不同发射机的字符组散置而作为字符组发送。

为避免信道的争用，该转发节点在转发之前进行延迟，以使所有的节点都有机会通信。如果任一寻求通信的节点发现该信道在使用，该节点应有礼貌地等待自己的轮次，不要阻断其它节点的通信。

如果发现该单一信道由现今网络之外的发射机在使用，这些节点也可等待。然而，如果一些节点发现从统计上使用该单信道时间太多，则整个网络必须改变信道。由采用标识码的节点可识别现网络之外的发射机。

图1表示本发明运用的一类简单网络，这是在建筑物中的无线照明控制网络。中央计算机101向节点a-t发出命令。一般这里将该中央计算机称为建筑物计算机，因为网络的该最佳实施例是一个建筑物范围的照明控制网络。然而，如果该网络不是一个建筑物范围的网络，或如果该网络扩展到多于一个建筑物，则中央计算机的名字比建筑物计算机更适合。在任何情况下，将该设备称为“中央计算机”或“建筑物计算机”对本发明并不重要，因此，这里认为该词是可互换的。

在图中，所示的节点互连，但其链路是无线的。该建筑物计算机发射机的功率不足以达到建筑物中的所有节点。因此，各种中间节点转发来自建筑物计算机的任何信息。每个节点具有一个它能发送的发送范围102。

图2表示与图1相似的一个网络，其中引入了干扰J。该干扰丁很强地干扰区域202＇而对用户区202的干扰较弱。干扰J干扰的频率范围为图3a中所示的f_J周围，而网络数据出现频率f₁上。

图3c表示网络和干扰数据的叠加。在图3a-c中，用箭头所示的频率代表可用于传输的窄带(影线部分)的中心。为了容易描述，我们谈的是单频，而实际上是在中心频率附近的一个窄频带。

图4a-e是流程图，描述处理干扰的方法。图4a-c和4e发生在节点中，而图4d发生在建筑物计算机中。尽管这里是以软件的实施例表示了建筑物计算机和节点的操作，但它们的功能也可由硬件完成。

在401，开始在频率f₁上的空闲状态中的节点功能，将发送关断并起动接收。然后，在406，该节点检查接收信号强度指示器(RSSI)是否是高，比如，在-75dBm到最大值的范围内。如果不是，控制返回到401。如果在406的测试输出是正的，则控制进入407，该节点测试该接收信号是否为一有效分组。

如果该信号是一有效分组，则控制进入405，在这里产生回答。一个可能的回答是忽略该分组，在这种情况，控制返回到401。否则在404，根据该信息是否为现节点的指定信息或是否要转发，起动确认或重复信号。在步骤403，发送该回答。在步骤402，关断发送将控制返回到401。

如果该信号不是一有效分组，控制进入408，判定是否检测到了干扰。然后，在409该节点测试是否该干扰的持续时间超过了门限，比如，5分钟。该门限可直接根据持续时间或过量干扰的一些其它统计判定来表示。一种统计判定要求当与预定的时间间隔比较时，干扰的时间周期的统计显著性的估价。这种统计判定的一个例子是计算被干扰的时间间隔的百分比。如果进行了统计计算，必须将该节点构成或编程，以保持该时间间隔的轨迹，并执行该节点被干扰多少的统计计算。如果该干扰的持续时间未超过该门限，则控制返回到401。如果该干扰的持续时间超过了该门限，则控制进入到连接图4b的A。

在413，该节点检查是否该干扰停止了传输，如果没有，在414，该节点延迟。比如100μs。如果该干扰停止了，在415起动发送，并在步骤416在频率f₁上发送干扰状态报告。该干扰状态可表示干扰的持续时间和水平。该干扰状态报告还可表示在现节点的附近什么信道是空闲的。在417关断发送，控制返回到图4a的B。

在B之后，控制返回到411，在此该节点检验是否将该干扰状态报告发送了多于7次。如果没有，该节点在410延迟，并返回到A。如果发送该干扰状态报告已多于7次，则控制返回到401。所有7次，该分组都具有同样的I,D，以保证接收节点以相同的方式处理它们。

在这里的各种流程图的描述中，对于值给出了数字的实例，包括延迟，门限，重复数量，时间的长度，和信号电平。所有的数值或范围只是建议。实际的数值或范围是设计选择的事情。在本领域的普通技术人员可将这些值设置在证明有效适用的任何水平上。

图4c表示对于图4b的一替代实施例，尽管它也包含4b作为子程序。在图4c的实施例中，在A之后，在418检测干扰。然后，在419测量信号强度。在420，该节点检验该信号强度是否为中间强度。如果不是，即如果该信号强度是高，控制进入413。这里什么构成“低”、“中间”和“高”是设计选择的事情，但在下表中定义了适当的范围。

高-65dBm到最大值中间-75dBm到-65dBm低在-75dB之下

如果是，即如果该信号强度是中间值，则控制进入421，在这里该节点检验该干扰的持续时间是否大于某个门限。如果该干扰的持续时间大于该门限，则在424起动发送，并在423无需等待地发射干扰状态报告。换句话说，在这一点该节点已确定它不在最强干扰的区中，尽管该干扰，却有一个将接收该干扰状态报告的合适机会。接着，在422关断发送，控制返回到图4a中的B。如果该中间强度干扰不大于该门限，则在426，控制返回到401。

图4d表示在涉及干扰的建筑物计算机(“BC”)中执行的程序。

在427，接收第一干扰状态报告，在428,BC开始时间T_D的计数。在429，在现TD期间将前面干扰报告的总持续时间加在一起，即是来自各个报告的不重叠持续时间的和。如果该干扰的总持续时间不超过一门限，比如1个小时，在434，控制进入433，这里检验TD是否超过另一门限，比如1天。如果433导致一个否定的判断，则在431,BC等待下一个干扰报告，并在接收该报告时控制返回到429。如果433产生一个肯定的判定，则控制进入435，这里再等待下一个干扰，但在435之后控制返回到428而不是429，因为干扰报告之间的时间长度足够长，故没有担心的理由。在这种方法中，系统检验是否在一天之中干扰的总持续时间至少是一个小时。

当在434为肯定的判定时，控制进入435，在此BC选择可用的替代信道和熔丝时间，比如，5分钟×节点的数目。根据该熔丝时间，在436 BC置时间弹递减计时器。在437,BC发送该时间弹命令几次，比如7次。该时间弹命令将指出这些节点改变信道的时间和它们变化到的频率。建议的信息格式可为：

节点地址分组ID命令(“时间弹”)新频率熔丝时间检查-求和

在438,BC检查看是否所有的节点回答了。如果在时间TA，比如熔丝时间的1/4之后，一些节点还未回答，则在443发送时间弹中断命令。在442，如果所有的节点都未回答，则重发该时间弹中断命令。该中断命令可具有下面的格式：

节点地址分组I.D命令(“中断时间弹”)检查-求和在441,BC延迟，控制返回到436。

如果所有的节点都未回答，但TA已过去，则控制返回到437，在这里再将该时间弹发送几次。

如果所有的节点已回答了该时间弹，则在439BC改变到新的频率，并在440等待该时间弹点火。在455，检查新通信信道，看它是否正适当地工作着。如果没有，在444显示错误信息。然后请求用户选择方案，比如再开始信道交换或选择-信道。如新的信道功能正常，则在446恢复正常操作。

图4e是在节点中处理时间弹命令的流程图。在447接收时间弹命令。在448，该节点确认该时间弹命令。在449，该节点检验是否时间弹计数器已工作。如果是，在450忽略新的时间弹命令。如果没有工作，则在451置时间弹计数器。以这种方法，来避免两个时间弹同时出现。

在452，该节点检验是否完成了该时间弹计数，如果没有，则在453该节点延迟。比如，100μs，然后在454检验是否有一个时间弹中断。如果没有中断，控制进入452，如果有一中断，该节点向BC发出确认，控制进入457。如果在452完成了该时间弹计数，则控制进入455，在这里将接收和发送频率设置到时间弹命令中所规定的新的值，且控制进入457。在457，该节点返回到对新频率的正常收听方式。

一般，假设以高级语言(比如C或可视化基础)，将建筑物计算机编程。在节点中的处理器可是小的微处理器，比如Motorola HC11，最好将其以汇编语言直接编程。

尽管，这里以执行软件的编程处理器描述了该系统，但也可用硬件，比如ASICs，执行同样的功能。