用于工业应用的专用无线网络布置

摘要

基于通过IEEE 802.11标准定义的参数的用于工业环境的特定应用的无线通信网络，通过提供对所分配的运行频带的软件定义的控制以及对信道大小的软件定义的控制进行修改，从而允许信道大小相对较小以适于特定工业应用。特定应用的无线通信网络还控制通过该标准定义的其他参数，以将至少最佳的发送器功率、接收器灵敏度、传输延迟和ACK重传配置为适于特定工业应用的值。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月20日提交的美国临时专利申请号62/701,202的权益，并通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及非常适于工业应用的专用无线通信布置，更具体地，涉及用于修改标准IEEE 802.11协议的特定应用的、软件定义的运行参数，以满足特定环境的需求。

背景技术

对最佳无线连接性有多种需求集合。已经开发了许多技术来优化特定的标准集合(例如，距离、功率、速度)。图1示出了主要无线技术中的每种技术的示例性优选使用。比较容易理解的是，每个无线设备/应用在数据吞吐量、延迟、距离、移动性、功率等方面都有其自身的要求。显然，没有单一的技术能够满足所有不同的用例。

在回顾图1时，很明显，对于无许可证的高速无线LAN(WLAN)类别，无处不在的Wi-Fi(基于IEEE 802.11标准)是无可争议的选择。蓝牙和IEEE802.15.4的一些变体正被考虑用于短距离、低数据速率应用，而LoRA、SIGFOX和NB-IOT则被讨论为用于极长距离、低功率、低吞吐量传感器连接应用的竞争者。当前研究和开发的领域与工业物联网(IIoT)的各种无线连接选项相关联。尽管有各种定义的主题，但“物联网”(IoT)通常与以下主题相关联，即一个“智能”设备能够在无需人工干预情况下与另一“智能”设备通信(即机器对机器(M2M))。无论环境可能有多复杂，智能物品都越来越能够根据其当前环境调整其响应。“工业”物联网(IIoT)被认为是物联网中的专用的但多产的部分，其主要集中在传感器、计算机和智能设备需要一起运行的制造/工业环境中的M2M。LTE和5G公共网络由于其易于访问，而越来越多地被认为是IIoT应用的候选。但是，这些公共蜂窝网络没有提供必要的性价比。也就是说，由于公共网络在设计上是在大量用户之间共享的，因此公共网络展现出相对较低的速度、较低的QoS和较高的延迟，并且在大多数情况下仅在每月高额的定期费用的情况下可用。

因此，存在对于满足与IIoT相关联的各种应用/环境的多种需求的无线通信架构的需求。

发明内容

现有技术中存在的需求由本发明解决，本发明涉及非常适于工业应用(诸如IIoT)的专用无线通信布置，并且更具体地，涉及通过修改标准IEEE802.11协议(通常用于实现各种WiFi用途)而提供的特定应用的、软件定义的运行参数的实现，以满足特定环境的需求。

根据本发明的原理，已经认识到，用于无线通信的各种工业应用可能不是通过具有越来越高的速度(当前扩展超过1Gbit速率)和大小相对较大的信道的无处不在的WiFi性能驱动器来最佳地服务的。相反，工业应用倾向于优先考虑诸如传输距离(大约多个公里，可能长达20公里或更长)、在嘈杂的环境中通信以及可靠性之类的特征。因此，本发明特别针对于扩展主要核心IEEE 802.11能力以满足工业应用的特定需求，并根据具体情况配置最能满足每个单独应用需要的私有通信网络。例如，对快速移动的无人载具的网络进行控制要求控制站与每个载具之间的低延迟通信。诸如监视、公共安全等之类的高度敏感的应用需要使用特定的加密技术。在存在多个干扰源的仓库通信应用中，必须进行适当的信号编码。因此，针对所有可能的IIoT应用的“一体适用”的无线通信解决方案并不是可行的方法。

在本发明的各种实施方式中，系统和方法是通过利用相对小的信道大小(例如，小到1.25Mhz，其他设想的信道大小为大约3Mhz至5Mhz)而不是利用IEEE 802.11标准中的20/40/80/160Mhz常规信道大小来实施的，因为与较新的WiFi系统相关联的非常高的吞吐量对于工业应用来说不是关键参数。下面将详细讨论使用小型信道所带来的各种好处。除了信道大小之外，本发明的各种实施方式还特别地定义了在控制站与工业设备(节点)之间建立的上行链路信道和下行链路信道的特性。包括通信能力以便被定义为通信意义上的“节点”的“工业设备”包括例如无人载具(例如，无人机、陆基巡视器)、机器人设备、安全设备、工业传感器等。在这些“工业设备”的情况下，实施从控制站到各个设备的上行链路命令和控制通信的“超可靠低延迟信道”(URLLC)配置是重要的优先事项，因为控制站用于向部署在现场的这些设备(例如，无人机、无人地面载具、矿业载具等)发送命令。此外，对多频率网状网络架构(包括自愈和自形成)的利用还扩展了工业应用的在从基站到给定节点的单个“跳跃”中的视线传输存在问题的情况下的通信范围的能力，并且还通过能够经由网状网络在不同路径上传输相同的命令/控制消息而提高了可靠性。

在优选实施方式中，本发明利用双向协议在控制站与每个工业设备/节点之间交换特定运行参数。例如，由美国的FFC最近实施的“共享频谱”要求供应商在开始以这些特定频谱发送之前，向中央当局请求“信道”和“发送功率”授权。在本发明的配置中使用双向协议以允许已经获得给定信道的授权和发送功率的控制站，随后与其私有通信网络内的其他节点(工业设备)共享该信息(并且根据需要更新信道分配和功率水平)。附加参数中的其他调整，包括但不限于“ACK”定时窗口、发送功率控制、信道选择、认证模式等，也可以针对特定工业应用单独定制，如下文将详细描述的。

换言之，本发明提出了一种“特定应用的”无线通信系统，该系统能够根据运行参数进行定制以满足不同工业应用的不同需求，其在下文中有时被称为“宽带工业互联网”(BII)系统架构。

本发明的BII系统架构设想为填补长距离、高吞吐量通信的空白。如下面将详细描述的，在用于每种特定工业应用的BII架构中分别控制各种物理层和MAC层参数，以实现抗干扰的、鲁棒的无线宽带通信，同时保留IEEE802.11标准的优点。

另外，通过利用将定义的通信链路频移到另一频带的能力(经由软件控制的频移，如我们的共同未决申请15/986,913中所述)，避免了对相邻信道的干扰。

本发明的示例性实施方式采取无线通信系统的形式，该无线通信系统包括控制站和响应于来自控制站的命令的至少一个“工业设备”。控制站本身包括用于与用户交互的通信接口和MIMO收发器，该MIMO收发器利用软件定义的控制来提供针对特定工业应用所选择的特定应用的运行频带和特定应用的信道大小。MIMO收发器配置成修改所选择的IEEE802.11运行参数以对就特定工业应用而言的性能进行优化，其中可用于修改的IEEE802.11运行参数组至少包括：传输功率、接收器灵敏度、网络架构、通信范围和ACK定时窗口。在控制站处包括配置有MIMO的天线布置。相应地，至少一个工业设备还包括用于与控制站的适当传输的MIMO天线配置。至少一个工业设备还包括：MIMO收发器，其利用软件定义的控制来匹配控制站MIMO收发器的特性；处理器，其对MIMO收发器接收到的信号作出响应以确定与工业设备相关联的命令；以及控制单元(响应于处理器)，其用于启动至少一个工业设备的活动并接收由工业设备响应于所述命令而收集的数据，其中，该工业设备的MIMO收发器还被配置成将所收集的数据发送至控制站。

本发明的另一示例性实施方式采取基于标准IEEE 802.11协议为由相关运行参数集合的配置文件定义的特定工业应用提供私有无线通信网络的方法。该方法包括：将标准WiFi运行频带移频到100MHz至100GHz范围内的目标频带，将该目标频带确认为特定工业应用所优选的；将信道大小从IEEE 802.11中定义的标准20/40/80/160MHz大小减小到足以支持特定工业应用的数据吞吐量的预确定值；以及自定义与特定工业应用相关联的相关运行参数的配置文件，从IEEE 802.11参数组中选择相关运行参数集合，该IEEE 802.11参数组包括：延迟、双向控制协议、视频传输速率、传输功率、接收器灵敏度、网络架构、通信范围、ACK定时窗口。

在下面的讨论过程中并通过参考随附附图，本发明的其他和另外的方面和优点将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图，

图1是各种无线通信服务产品的描绘，其绘制为数据范围与信号范围的函数；

图2示出了传统的现有技术的2x2 MIMO架构；

图3示出了根据本发明的BII的示例性运行范围，其跨越100mhz到100GHz(例如)，如软件定义的信道分配和相关参数所允许的；以及

图4是本发明的示例性特定应用的BII系统的框图，在此特定示例中，该系统特别地被配置用于工业应用，诸如控制无人飞行载具(UAV/无人机)，其基于使用软件定义的前端子系统模块将标准RF调制解调器的输出频移到另一运行频带；

图5是特定应用的BII系统的替代实施方式的框图，在这种情况下，使用计算机控制的“特殊频带”收发器来提供软件定义的运行频带频率选择和信道大小，利用IEEE802.11的MIMO和COFDM属性来在系统中节点之间配置可靠连接；

图6是本发明的又一实施方式的框图，在该情况下，将处理能力并入具有特殊频带收发器的通用模块内，以创建完全集成的替代方案；

图7是示出利用节点之间的跳跃来扩展根据本发明形成的示例性特定应用的私有网络的通信范围的简化图；以及

图8是示出对在根据本发明形成的特定应用的通信网络中使用的示例性控制站与工业设备(例如，无人载具、机器人设备等)之间的上行链路信道和下行链路信道中的频率多样性的利用的简化图。

具体实施方式

本发明的无线、宽带WAN技术利用无处不在的Wi-Fi的最先进的多输入多输出(MIMO)性能，并将其扩展到用于任何期望的频带，从而为在特定工业环境中要求可靠性和高吞吐量的应用提供经济高效的解决方案以实施私有无线网(例如，在相对长的距离(kms)内或在诸如具有多个无线电干扰源的仓库等之类的噪声位置处可靠地运行)。本发明的无线技术在下文中称为“用于工业互联网的宽带”，或简称为BII。

在其核心，BII使用与用于无线通信的IEEE 802.11标准相同的MIMO/COFDM技术。“MIMO”是指“多输入/多输出”，其利用单个发送器经由多个发送天线发送多个无线信号。相关联的接收器也利用多个天线元件，其中该组合允许通过利用多径传播在相同的无线信道上同时发送和接收多于一个数据信号。图2示出了2x2 MIMO配置。与此多信号MIMO布置耦合的是优选使用编码正交频分复用(COFDM)作为在两个方向上传输的无线信号的编码方案。COFDM是一种以处理高水平的多径传播和发送器组件与接收器组件之间的可变延迟的能力而闻名的调制方案，其中通过使用这种类型的编码可以很好地服务于工业无线通信应用的动态方面。

根据本发明的原理，IEEE 802.11标准的各种物理层和MAC层参数被微调以实现针对特定工业应用的抗干扰的且鲁棒的无线通信，同时保持MIMO物理拓扑并使用COFDM调制。特别地，本发明的BII架构结合了对用于软件定义的运行频带选择、信道大小和中心频率的扩展。BII波形能够在任何频带中运行。

这种频率灵活性允许本发明的方法在各个国家中使用，以及在任何特定行业的频带中部署。此外，可用于频带选择的频率捷变允许在检测到太多故障时实时监视传输成功率和信道重新分配。例如，可以通过使用本领域众所周知的降频技术来调整信道大小。

随着IIoT应用的需求越来越高，它们需要更复杂的网络功能。代替尝试利用单个无线网络解决方案，本发明的BII方法允许创建特定应用的无线通信配置，以使用下面描述的软件定义的参数来创建最适合于每个应用的功能集合。特别地，这些参数包括选自以下各者的各种组合：信道大小、延迟控制、视频流需求、多频率网状网络、用于对运行参数进行通信的双向协议、ACK定时窗口的调整、发送功率调整、动态信道选择、自动化测试模式功能等。当与提供频移、频带滤波和信道滤波的能力耦合时，如本发明所提供的对核心IEEE802.11能力的这些扩展允许为不同的工业应用定义特定应用的参数集合。以下段落提供了关于根据本发明修改的参数/扩展的附加细节，以提供用于各种工业应用的优化的无线通信解决方案。

关于信道大小，各种降频/欠频(underclocking)技术可用于根据标准IEEE802.11的20/40/80/160MHz信道大小创建小至1.25MHz的信道大小(如稍后所述，定义灵活的、较小的信道大小的能力为在以前无法访问的频带中实施IIoT无线通信网络开创了可能性)。

由于用于无线通信网络的各种工业应用具有相对“低”的吞吐量需求(例如，用于流视频传输的1至100Mbps量级的数据吞吐量)，小的信道大小是足够的(并且实际上，与使用标准信道大小“浪费”带宽的很大一部分相比，频谱效率更高)。因此，使用小的信道大小导致在给定频带中可以使用更多信道，减少了在信道之间干扰的机会，并且允许网络支持更大数量的工业设备(即，“节点”)。较小的信道大小还提供了提高的接收器灵敏度和扩展的通信范围。例如，1.25MHz信道的范围是20MHz“标准”WiFi信道大小的约16倍长。如上所述，较小的信道大小还为利用不能采用标准较大WiFi信道的频带(诸如“TV空白频段”，TVWS频带，其最大信道大小为6Mhz)开创了可能性。

实际上，本发明的重要方面在于，用于传输的频带和选定频带的灵活的信道大小两者都是软件定义的元素。我们的共同未决申请15/986,913详细描述了用于提供频移的示例性方法，其通过引用并入本文。如图3所示，由本发明的BII系统配置的特定应用的波形可以在任何频带中运行，例如在100Mhz至100Ghz之间运行。

信道大小本身根据本发明进一步软件定义为具有介于1.25Mhz(通常不可用的窄带)与约40Mhz(例如)的宽带之间的任意值，基于特定应用的吞吐量要求来选择信道大小。定义信道大小的能力，与自动调整比特编码率的能力耦合，允许BII系统的每个特定应用的实现具有频谱效率，并且以该应用的最大可能信噪比(SNR)运行。如下面将要讨论的，一些国际市场只有少量频谱可用。缩小信道大小的能力为在这些市场中的IIoT应用创建无线通信配置开创了可能性。

如在我们的共同未决申请中详细描述的，频移到其他频带中可以通过如下方式：使用外部外差混频器将标准WiFi频移到另一(软件定义的)频带(通常称为“目标频带”)中。可以包括附加的频带滤波器以避免在目标频带中的干扰。

通过放大发送RF功率并使用低噪声放大器(LNA)集合来补偿接收器损耗，可以实现相对较长的距离。在相对较长的距离(例如，几公里)内保持通信链路的能力对于诸如航空、公共安全、矿业、农业等之类的领域中的许多IIoT应用来说是重要的。

通过禁用特定的帧/数据包协议，已经发现可以在本发明的BII架构的各种工业应用中显著地减少所选通信的延迟。例如，快速移动的载具需要来自监督载具的运行的控制站的可靠且低延迟的“命令和控制”通信。根据本发明，通过理解各种默认WiFi设置对于相对较短的“命令和控制”消息的传输不是最佳的，且因此禁用这些设置减少了发送的消息长度，与现有技术标准相比，延迟显著减少。结果，将控制站与每个载具(节点)之间的上行链路信道配置为“超可靠低延迟信道”(URLLC)传输信道，这是通过禁用以下链路设置中的一者或更多者实现的：软件重试、硬件重试、帧聚合、HT能力、特定MCS(和传统)速率。由于可靠性在大多数工业应用中是至关重要的，因此与多径传输、前向纠错和ACK重传相关的MIMO的方面很容易用于此目的。

本发明的BII特定应用的无线通信系统实现双向协议，以在网状网络中的节点之间交换特定运行参数。有利地，如IEEE 802.11中定义的帧数据包包括将消息包括在帧信标中的机制。虽然如此定义，但这些信标消息很少被使用。因此，通过以这种预先存在的能力发送关于所选频移的频带和所选频带的信道大小的软件定义的信息，BII系统有效地将其能力广播给可以在给定IIoT应用内通信的其他无线节点。

特别地，该BII“控制协议”正如FCC现在提出的，在共享频谱应用方面是有利的。在这些情况下，FCC在特定许可频带(例如，3.5GHz公民频带无线电服务(CBRS)频带和sub-GHz的TVWS频带)中释放额外的频谱带，从而在许可用户与非许可用户之间“共享”频带。为了让实体使用这些“共享”频率，它必须首先从FCC管理的中央数据库中获得以特定频率(并具有特定的最大功率)进行通信的授权。因此，根据本发明，控制站可以获得对所确认的信道的授权并发送功率，并且随后以有效的方式将该信息传送给网络中的所有其他节点(即，工业设备)。

可以针对给定工业应用进行修改的其它参数/扩展与控制通信本身的各方面相关联。例如，可以设想的是，可以针对在“长距离”环境中运行的工业应用修改用于ACK传输的“定时窗口”。在常规WiFi应用中，ACK定时窗口被配置成适应约200米的传输距离。

显然，用于所选工业应用的10km距离将需求明显更长的窗口，并且本发明的系统允许调整该定时窗口以确保来自远程定位的节点的ACK响应的飞行时间足以使其到达控制站。

本发明的示例性特定应用的私有通信网络中的节点(工业设备)还可以被配置成持续监视来自网络中的相邻节点的接收信号功率(接收信号强度指示符RSSI)，并根据需要发送“功率调整”命令。因此，靠近其他节点的节点发送“刚好足够”的功率来保持良好的通信，通过减少邻近节点接收到的噪声来改善网络质量。控制站还可以被配置成在所分配的频带内扫描所有可用信道并选择干扰最小的信道，以随着运行环境的改变而更新信道选择(如上所述，信道更新将被发送到网络中的所有节点)。

虽然未详尽列出，但是可以通过使用根据本发明形成的特定应用的无线通信系统而受益的IIoT系统的示例性类型包括：航空、国防、无人载具(空中和/或地面)、公共安全、能源系统(石油、天然气或电力)，以及“农业”(包括矿业和林业)。根据本发明，这些中的每一者都包括特定于该实施的需求的集合以及对物理层和MAC层参数进行微调的能力，因此为每种情况都提供了最佳解决方案。

例如，提供与无人飞行载具(UAV，也称为无人机)的无线通信可以利用典型的清晰“视线”(LOS)，其因此仅展现少量的多径反射，并且可以使用较小的信道大小容易地提供可靠的通信。由于在相对长的距离内保持通信的能力可能是重要的，因此，本发明的BII架构的小信道大小(以及可能的被频移到不同频带的运行频率)扩展了基站与给定的无人机之间的可用距离。此外，与无人机的上行链路连接需要可靠且延迟低；因此，利用上述URLLC能力非常适合此应用。

在由布置在崎岖的地形上的多个载具、装备和人员所组成的野外作业(例如矿业、能源、农业)中，提供持续、可靠连接的通信系统是优先事项。

在此，将BII系统配置成优先处理高功率、长距离链路比其他考虑要优先。

如前所述，降频技术可用于调整COFDM信道大小，带宽通常针对特定应用的吞吐量要求来定义。定义信道大小的能力与自动调整COFDM比特率的能力耦合，允许本发明的BII系统具有频谱效率，并且以最大可能的SNR运行。实际上，这些扩展了开创了许多新的可能性，使BII成为多用途的无线技术。

图4是特定地配置用于“无人飞行载具”(UAV)应用的BII通信系统10的示例性实施的框图。如下文详细描述的，该应用包括用于控制一个或更多个UAV 14(例如无人机)的运动和运行的“地面”控制站12(或者可能是以网状拓扑联网的多个控制站)，在下文中，UAV有时也被称为“工业设备”或“节点”。在需求不断增长的推动下，UAV制造商正在迅速改善其系统在航程和能力方面的性能。然而，在寻找允许这些系统在长距离或噪声环境中保持全部功能的通信波形方面仍然存在问题。该应用的重要项目无特定顺序地包括：相对较小的大小/重量和主要在“近LOS”(NrLOS)环境中的长距离通信能力，以及频率捷变、扩展能力、加密的使用等。

在如图4所示的本发明的特定实施方式中，控制站12被配置成利用前端子系统(FES)16，该前端子系统作为常规RF调制解调器18与天线20之间的“特定应用的”接口。在该示例中，FES 16为这种应用提供了从常规WiFi频带到所分配的频带的频带偏移(由软件定义)。FES 16还通过使用基于软件的技术(诸如“降频”)来定义相关联的信道大小。在运行中，系统用户能够通过经由通信接口22向控制站12内的计算机处理系统24输入命令来控制特定UAV 14(例如，UAV 14-1)的运行。

例如，用户可能希望让UAV 14-1对公用变电站的输电线路执行检查。用户为此运行输入(一个或更多个)适当的命令，并将UAV 14-1确认为执行检查的工业设备。计算机处理系统24识别UAV 14-1的ID，并且通过RF调制解调器18将(一个或更多个)命令转发到FES16。如上所述，FES 16由软件配置成定义针对与UAV 14-1通信所选择的特定运行频率和信道大小，然后将来自用户的(一个或更多个)控制命令以选定的运行频率发送至UAV 14-1处(经由所包括的天线布置作为RF信号波来发送)。本发明的这种特定实施方式的一方面是前端子系统16的功能为执行所需求的频移和信道大小确定(经由软件)以与UAV 14-1最佳地通信。

UAV 14-1(以及在示例性工业通信网络中部署的UAV 14-2和其他UAV)示出为包括类似的前端子系统16U(在相同的运行频带处运行并且使用相同的信道大小)，该子系统的功能为恢复命令信号，该命令信号随后由所包括的计算机处理单元24U解释。在此，“命令”可以包括诸如对UAV14-1进行移动/重定向以及请求UAV 14-1记录视频流之类的项目。因此，计算机处理单元24U指示所包括的设备控制器26提供对UAV 14-1的“飞行控制”，并指示所包括的照相机28记录公用变电站处的视频。该视频随后通过在UAV 14-1与控制站12之间创建的下行链路信道发送。应当理解，通常，每个UAV(或其他应用中的工业设备)除了(或代替)相机之外，还可以包括一个或更多个外围设备，其中该外围设备可以包括不同类型的环境传感器，或适于收集对网络的用户/所有者有用的信息的任何元件。

本发明的这种特定实施方式允许通过在控制站中的RF调制解调器的输出处并入前端子系统来将传统WiFi网络转换成特定应用的BII系统(其中，在常规WiFi中，RF调制解调器输出是通过网络发送的实际信号)。

大多数真实世界的UAV应用都远离“干净、无干扰、LOS环境”。相反，由于不断变化的链路条件，这些UAV应用往往是重大的RF挑战。例如，改变取向、倾斜和翻滚、多径反射、天线阴影等的效果都可以显著地改变基站与每个单独的远程UE之间的链路质量。

MIMO技术是IEEE 802.11标准的核心参数之一，它通过高级特征集合减轻了这些风险，所述高级特征包括但不限于：逐数据包速率适配、RF功率控制、卷积编码、前向纠错、ACK重发送、最大比率组合、空间复用和空时块编码。如以上结合图2所讨论的，2x2 MIMO架构提供了天线分集，并因此解决了由UAV的翻滚和俯仰引起的动态链路条件。使用小的信道大小的能力可以优化接收器。高水平的接收器灵敏度和SNR允许系统处理干扰并且长距离地运行。

图5示出了本发明的替代实施方式，其中BII无线通信系统50利用MIMO和COFDM能力来解决UAV应用的这些特定工业挑战。在该实施方式中，系统50包括控制站52，该控制站利用“特殊频带”收发器54，该收发器提供软件定义的运行频率和软件定义的信道大小。以用户提供的“命令和控制”信号的形式的特殊频带收发器54的输入被经由通信接口56提供给控制站52的计算系统58。由计算系统58识别的特定UAV 60(例如，如图5所示的UAV 60-1)的命令被转发到特殊频带收发器54。特殊频带收发器54利用软件控制来定义优选用于与网络中的所有UAV 60通信的特定的运行频带和信道大小，并因此用于以所定义的运行频率向UAV 60-1发送用户命令(经由所包括的天线布置作为RF信号波发送)。每个UAV 60还包括特殊频带收发器54U，其中使用适当运行频带和信道大小的软件定义的分配的能力在控制站与每个UAV之间提供了可靠的通信。本发明的这种实施方式的一方面是，如果该通信网络的用户稍后确定在不同的频带处运行该网络，则特殊频带收发器54U可以简单地与被配置成在不同的、定义的频带处运行的另一收发器集合“交换(swapped out)”，以通过本发明的这种特定实施方式提供即插即用的能力。

UAV应用的另一优先事项是使通信系统的大小和重量最小化的能力。因此，如目前所需要的，在UAV上使用单个“智能无线电”来处理所有通信需求的能力减轻了使用多个数据链路的实施的复杂性。图6示出了本发明的又一实施方式，其中在该情况下，在控制站和每个UAV中都包括单个无线电组件，以提供双向通信从而有效地控制UAV的运行。

此处，系统70包括控制站72，该控制站包括由用户通过通信接口76控制的智能的、可编程特殊频带收发器74。每个UAV 78还包括智能收发器74U，该智能收发器用于接收来自控制站82的命令和控制信号(经由上行链路信道)并且在下行链路信道上将收集的数据(即，传感器数据，通常是实时流视频)发送到控制站72。至UAV 78的上行链路“命令和控制”需要高度可靠并且延迟低(为此通常将使用BII系统URLLC)，以最高优先级提供通信，并启用即使在非常嘈杂的环境下也确保进行可靠通信的RF参数。

从给定的UAV 78到控制站72的下行链路通常携带大量的传感器数据。流4K视频需要约20Mbps的吞吐量，而低分辨率视频约需要1Mbps的吞吐量。优化的流传感器信道可以用于以这些速率在长距离内发送。根据本发明的原理，将一个示例性“优化”信道有意地配置成限制失败数据包的“重试”次数。标准WiFi传输默认为对失败数据包使用30次重试。通过将此重试次数减少到少于5次(例如)，甚至发现只要少至两次重试就可以实现长距离的连续流传输。对于本发明的工业应用，已经确定视频/传感器数据传输中的偶发的数据包丢失不是非常关键，并且对于扩展通信范围而获得的益处大于对偶发的数据包丢失的补偿。

本发明的BII技术还可以实施自动发送功率控制(ATPC)能力。在此，发送器轮询接收器以获得对所接收的信号强度的指示。发送器能够使用此信息来相应地调整其发送功率。因此，避免了“噪声污染”，这是因为发送器使用刚好足以正常通信的功率。有利地，在发送设备与附近节点通信的情况下，控制发送功率的能力导致降低DC功率消耗，并且相对较低的发送器功率就足够了。此特征在如下UAV工业应用中特别有用：在所述应用中，一个或更多个UAV在任何给定的时间点都可能靠近基站。DC电源节省对于无人机很重要，因为机载电池电量有限。

尽管图4至图6示出了用于UAV应用的特定实施方式，但是应当理解，类似的组件配置可以用于任何其他工业应用，并且具有与特定工业应用相关的特定应用的软件定义的参数(其中示例性的其他工业应用包括无人地面载具(UGV)、远程运行机器人、安全/监视、军事等)。

本发明的BII系统还可以设置为在可靠性、通信范围等的特定工业要求方面提供额外的优点。特别地，允许节点之间的通信(如在特定网络拓扑中可用)进一步扩展了给定工业应用中的通信范围，否则该给定工业应用可能会限制“视线”(LOS)能力。也就是说，通过允许给定的传输从一个网络节点(即UAV)跳跃到下一网络节点，控制站将能够与远程定位的工业设备(诸如无人载具)或处于“嘈杂”制造位置的机器人设备进行通信。图7是示出该原理的简化图，其中控制站80正试图将命令/控制信号发送到UAV 82(网络中的一个已确认的节点)。在这种情况下，UAV 82恰好位于控制站80的LOS之外。所示网络还示出为包括附加的UAV/节点82a和82b，其中节点82a相对靠近控制站80。因此，目的地为UAV 82的命令传输可以“跳跃”通过节点82a和82b，并且由UAV 82可靠地恢复-该UAV可能与控制站80距离相当远。

此外，通过使用根据本发明的原理的软件定义的频移和信道分配，本发明的BII系统允许单独的节点使用用于上行链路和下行链路的不同的频率来进行通信(具有为冗余/自愈目的重新使用频率的能力)。已知使用频率分集来进一步提高网络弹性。图8示出了频率分集在控制站90与UAV(节点)92之间的传输中的应用。

BII的MAC完全符合特征丰富的IEEE 802.11及其平坦的IP架构。MAC层支持众多高级网络特征，包括但不限于：基础设施，ad-hoc和网状运行模式，以实现各种无线网络拓扑。MAC层支持256位AES加密，以解决无线数据安全性的问题。另外，MAC层为多媒体流量和QoS机制提供了队列，以减少对延迟敏感的应用的延迟。

由于具有偏移频带(和信道大小)的能力，BII可以根据本发明进行适应以在例如900MHz频带(其在美国的范围从902MHz至928MHz)中运行。该特定频带对于许多应用而言是有利的，因为900MHz的RF信号具有比其常规Wi-Fi的对应部分(在2.4GHz或5GHz下运行)传播更远距离的能力。900MHz频带被称为ISM频带，其代表“工业”、“科学”和“医疗”。更长的距离是经由两种不同的机制实现的：穿透和衍射。“穿透”是指900MHz波穿透通过建筑物墙壁、植被和其他障碍物的能力。实际上，运行在900MHz的信号可以传播通过多个建筑物的墙壁，使得该频带对于在发送方与接收方之间没有直接“视线”(LOS)的应用来说是绝佳的选择。“衍射”是指900MHz的波绕过物体和其他障碍向其传播方向行进的能力。由于这些传输特性，在900Mhz频带中的宽带通信对于实现距离、穿透和吞吐量的良好平衡是非常理想的。

900MHz频段在ITU的第二区域和全球其他一些国家是不需要执照的。在美国，FCC第15部分认证的无线电准许在该频带内进行无执照运行。因此，借助于使用本发明的BII技术，在该不需要执照的频带中实施的私有WBWAN避免了公共蜂窝网络的每月重复费用。

通过结合频移、定义/控制信道大小和使用信标填充的能力，本发明的BII系统能够将最先进的IEEE 802.11技术的优点带给为各种工业保留的“共享频谱带”中的任何一个“共享频谱带”，以使得宽带通信能够在未实践的频带使用。

在美国，除了上述900MHz的ISM频带外，这些共享频谱带中的一些共享频谱带还包括3.5GHz的CBRS频带；联邦频带；WMTS频带和MEDROATIO频带；用于向电视台上传新闻采集的广播辅助服务和本地电视传输；NATO、DoD和联邦政府使用的4.4GHz至5.0GHz频带。

综上所述，提供最先进的RF性能的本发明的BII系统的关键特征包括：长距离和高吞吐量；如图3所示的在100MHz至100GHz频率范围内的可用性；用于在困难的RF环境中改善链路质量的抗干扰的COFDM/MIMO；对NrLOS障碍物的卓越的多径性能；从BPSK直至64QAM的自适应无线电调制(具有连续的逐数据包优化以最大化地提高动态环境中的链路性能)；用于有效地重复使用频谱的灵活的软件定义的信道大小；用于全球应用的软件定义的运行频率(和频移)；用于双向流量的时分双工(TDD)；用于鲁棒数据传输的MIMO特征；用于适应噪声频谱问题的自动信道选择；动态天线分集；以及用于移动应用的快速切换(hand-off)。

在网络性能方面，根据本发明的原理形成的BII无线通信系统允许将超可靠低延迟信道(URLLC)用于“命令和控制”，以及在相同无线电链路上的优化的视频流信道、用于单播和多播视频流量的端到端IP架构、用于空中数据的256位AES加密、多频网格以及在共享频带运行中与中心频率协调器协调的能力。