專利名稱：用于更新分布式通信設備的位置信息的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明總得來說涉及通信網(wǎng)絡，具體涉及網(wǎng)絡中通信設備的位置信息的確定。
背景技術：
設計低功率通信設備的異步通信網(wǎng)絡用于多種應用。為了最小化使用的功率的量并且不和其它網(wǎng)絡設備活動通信，低功率設備通常使用低通信占空比(duty cycle)幀結構。但是，使用低通信占空比幀結構通常意味著降低設備的可用性。在無線通信網(wǎng)絡中，一個基本問題是在使用低功率無線通信設備時保持高可用性的通信。
在異步通信網(wǎng)絡的一個特殊應用中，在地理上散開的傳感設備用于監(jiān)控目的。通常，這種傳感設備的位置信息對于網(wǎng)絡內(nèi)的路由、配置、控制和數(shù)據(jù)管理都是有用的。當這種設備移動時，需要更新設備位置。但是，對于低成本的設備，位置信息的計算相當復雜，特別是在有大量設備時。理想狀況下，僅在需要時獲得位置信息，例如，僅為那些移動了的設備獲得位置信息。
通常，需要能夠知道每一設備的位置的低功率、低成本的無線設備的網(wǎng)絡?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡設計不能充分提供在這種網(wǎng)絡中維護位置信息的低成本、可靠的方法。因此，需要在分布式通信設備的網(wǎng)絡中維護更新的位置信息的新系統(tǒng)和方法。


在權利要求中提出了本發(fā)明特性的新穎特征。但是，將通過參考結合附圖的示意性實施例的詳細描述來更好的理解本發(fā)明本身，以及使用的優(yōu)選模式，和另外的目的及優(yōu)點。
圖1是根據(jù)本發(fā)明，包括多個低功率設備和另外的執(zhí)行調(diào)停設備的功能的低功率設備，以及用來基于測量獲得位置信息的處理器節(jié)點的網(wǎng)絡。
圖2是一方框圖，示出了根據(jù)本發(fā)明，操作為調(diào)停設備的低功率設備的功能模塊。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，用于低功率設備的低通信占空比幀結構。
圖4是根據(jù)本發(fā)明，用于將通信設備操作為調(diào)停設備的過程的流程圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明，用于操作處理器節(jié)點來計算設備網(wǎng)絡的位置信息的過程的流程圖。
具體實施例方式
雖然本發(fā)明有很多不同形式的實施例，這里在附圖中只示出并詳細描述特定的實施例，同時應該理解本公開應被視為本發(fā)明的原理的實例，并且不意在將本發(fā)明限定于所示和所述的特定實施例。在下面的描述中，相似的參考數(shù)字用于在幾個附圖中描述相同、相似或相應的部分。
通常，本發(fā)明提供用于更新在空間上散開的網(wǎng)絡中組織的通信設備的位置信息的方法，該方法對異步網(wǎng)絡特別有用。在一段時間中的多個情況下，一些通信設備中的每一個交替操作在三個截然不同的模式，包括休眠模式，普通或正常通信模式，以及管理模式。在正常通信模式中，通信設備醒來并執(zhí)行特定功能，并且在管理模式中，通信設備和網(wǎng)絡中的其它通信設備通信來收集并存儲位置確定信息。使用由一個或多個通信設備在管理模式中的多個操作情況下收集的位置確定信息來更新網(wǎng)絡上的所選設備的位置信息。在一個實施例中，在管理模式時，通信設備還管理其它通信設備的通信活動。
為了示出本發(fā)明的目的，在這里使用術語調(diào)停設備(MD)來表示操作在管理或調(diào)停模式中的通信設備，并且同義地使用術語。在管理模式中，操作通信設備來和其它聯(lián)網(wǎng)設備通信，并且收集和存儲用于確定位置信息的信息。在優(yōu)選的實施例中，基于由其它設備傳送的通信信號收集信號質(zhì)量估計。信號質(zhì)量估計用于確定相鄰的聯(lián)網(wǎng)設備的相對距離。
在優(yōu)選的實施例中，MD還執(zhí)行在它的通信范圍中在通信設備之間的調(diào)停者的角色，并且其能夠記錄并回放關于消息的信息。當兩個通信設備不能建立連接時這是最為有用的。在多次反射(multi-hop)網(wǎng)絡中可以使用多于一個的MD，其中每一MD為在MD的通信范圍中的一組低功率、低通信占空比通信設備調(diào)停。相比在組中的低功率通信設備，MD具有相對高的占空比，這樣能夠存儲并在異步網(wǎng)絡中的兩個或更多個低功率通信設備之間轉發(fā)消息。
在異步網(wǎng)絡中可以將每一低功率通信設備操作為MD，同時隨機選擇網(wǎng)絡的低功率通信設備，將其臨時操作為該組的MD。這使得整個網(wǎng)絡保持為低功率、低成本的異步網(wǎng)絡，并且使得每一低功率無線設備除了在用作MD時，都保持為低通信占空比設備。因為低功率無線設備僅偶然是MD，每一低功率無線設備的平均通信占空比可以保持很低。在網(wǎng)絡中的所有通信設備中分配MD功能也使得通信設備為了增加網(wǎng)絡中的通信設備的平均通信占空比而使用能源礦業(yè)(energymining)。
在正常的異步網(wǎng)絡操作過程中，每一通信設備具有低通信占空比幀結構。設備的通信占空比可以適于網(wǎng)絡的設計參數(shù)，使得MD的參數(shù)的改變影響在MD的通信范圍中的每一通信設備的可用性。
根據(jù)本發(fā)明，圖1示出了包括一些根據(jù)本發(fā)明的低功率通信設備的網(wǎng)絡100。以活動通信模式示出了一些設備110，120，130，150，160，而且示出其它設備140操作在休眠模式。每一低功率通信設備110，120，130，140，150，160可以執(zhí)行MD的功能。如圖所示，通信設備130臨時執(zhí)行MD的功能。每一低功率通信設備以隨機順序執(zhí)行MD的功能。在優(yōu)選的實施例中，處理器節(jié)點180執(zhí)行計算設備的功能，這里計算設備用于計算網(wǎng)絡中的多種設備的相對或絕對位置。處理器節(jié)點180和執(zhí)行MD設備功能的設備(比如設備130)通信，來獲得位置確定信息，其中位置確定信息和從其它操作為MD的設備獲得的類似信息組合來產(chǎn)生網(wǎng)絡設備上的位置信息。
可以使用一些方法來選擇下一個MD。在一種方法中，當用作MD的低功率通信設備不能再用作MD時，可以隨機選擇MD。如果每一MD使用隨機產(chǎn)生的初始相位偏移t0，那么在網(wǎng)絡中的低功率通信設備上MD功能的分配應該是均勻的。這個選擇過程可以防止兩個低功率通信設備之間嘗試同時擔任MD的沖突，但是需要協(xié)調(diào)網(wǎng)絡中的低功率通信設備。第二種方法用在第二優(yōu)選實施例中，其使得每一低功率無線設備隨機確定何時擔任MD。在兩個用作MD的低功率通信設備的情況中，使用沖突避免策略來保證僅一個MD在低功率通信設備的通信范圍中。
現(xiàn)在參考圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例、具有MD功能的低功率通信設備的內(nèi)部操作的系統(tǒng)級模塊圖200。如圖所示，設備200支持兩個截然不同但是相容的功能位置確定信息的收集和存儲，以及通信活動協(xié)調(diào)。優(yōu)選地，在作為整個系統(tǒng)配置一部分的一個設備中實現(xiàn)兩個功能。但是，在不脫離本發(fā)明的重要方面的情況下，可以分開實現(xiàn)關于位置確定信息的收集和存儲的功能以及關于通信活動協(xié)調(diào)的功能。
在設備200中，消息接收器215接收輸入的消息205，并且提供信息到功能處理器225。功能處理器225包括特別用于整個設備功能的組件，比如用于傳感、測量、監(jiān)控、控制和/或其它功能的組件。需要消息發(fā)射機220和功能處理器225連接，并且消息發(fā)射機220提供傳送關于設備功能的數(shù)據(jù)或進行其它通信的性能。定時模塊245提供用于通信、同步和其它設備功能的信息。存儲器模塊225存儲用于設備的操作指令和數(shù)據(jù)，并且控制器235提供對設備的總控制。設備200還包括特別用于支持MD活動的組件或功能。例如，功能處理器225，控制器235，定時模塊245，以及存儲器模塊255，所有這些都包括組件230，240，250，260，并特別適于支持MD功能。存儲器組件260包括用于存儲位置確定信息的數(shù)據(jù)庫267。存儲器255包括消息記錄指令265和消息回放指令262來允許設備200執(zhí)行通信活動協(xié)調(diào)器的功能。使用消息記錄和回放指令265，262，當設備操作為MD時，通過記錄消息，回放消息，以及保存通信設備聯(lián)系信息，設備可以調(diào)停來自網(wǎng)絡中的通信設備的請求。數(shù)據(jù)庫267進一步包括用于位置確定信息的多個情況的存儲。優(yōu)選地，位置確定信息包括信號質(zhì)量信息，比如從特定設備接收的通信信號的接收信號強度信息(RSSI)或相關的獲得信息。為了確定信號特性，以及產(chǎn)生(例如)RSSI，信號質(zhì)量估計器290和消息接收器215相連接，并且操作來分析由設備接收的通信信號。RSSI對于估計在一設備和與該設備通信的另一設備之間的相對距離是有用的。注意到，信號指令信息可以包括其它數(shù)據(jù)，比如相關和碼元同步值。
通常，設備200能夠支持用于收集和記錄位置確定信息，以及用于發(fā)送和接收一些類型的MD消息的特定的功能，MD消息包括源通信設備標識符，目的通信設備標識符，消息，所需通信時間，消息重放請求，控制字，以及設備狀態(tài)消息。特定功能是除了表示網(wǎng)絡中的過剩低功率通信設備之外的。本領域技術人員將認可，在不脫離發(fā)送消息、接收消息和處理消息的低功率通信設備的精神和范圍的情況下，可以修改或組合圖2的系統(tǒng)級模塊圖200中所示的功能模塊。特別應該注意到，只要設備200可操作為網(wǎng)絡上的MD，可以進一步從通信設備200的非MD操作中組合或分離圖2所示的MD功能。
現(xiàn)在參考圖3，示出了代表性的低功率通信設備200的低通信占空比幀結構300。低通信占空比幀結構300包括周期性的超幀序列360。超幀360包括過多的模式。超幀360的過多的模式的第一模式是隨機延遲t0模塊335，隨機延遲具有持續(xù)時間t0 335，其中t0在0到單一發(fā)送或接收時間階段的持續(xù)時間之間。這個延遲使得網(wǎng)絡中的通信設備的每一超幀的開始時間隨機化，從而減少了多個設備同時執(zhí)行MD功能的可能性。MD模式340按時間順序在下一時間發(fā)生，其包括預熱模塊315，接收時隙310和發(fā)送時隙315。預熱模塊305在整個MD模式中只占非常小的百分比。在優(yōu)選實施例中，一個接收時隙310在一個發(fā)送時隙315之前，盡管也可以調(diào)換順序。而且，本領域普通技術人員將認可MD模塊340可以包括一些按照多種布置的發(fā)送和接收時隙。而且，盡管發(fā)送時隙315緊挨著接收時隙310在之前或之后發(fā)生，包括在發(fā)射器和接收器中的硬件將需要一些時間來在發(fā)送和接收模式之間切換。切換時間的持續(xù)時間可根據(jù)通信設備中硬件的切換速度，或者它可以由通信設備處理器中用戶指定的參數(shù)來確定。
在MD模式340終止之后，開始休眠模式345。在優(yōu)選實施例中，休眠模塊345小于整個MD 340持續(xù)時間的一半。在休眠模式345終止之后，開始規(guī)則的通信模式350。通信模式350進一步包括預熱模塊320，接收時隙325和發(fā)送時隙330。當和休眠模式345的持續(xù)時間相比時，通信模塊350的持續(xù)時間非常小。在通信模塊350結束的時候，低功率通信設備200重復休眠模式345和通信模式350，直到超幀360結束。
當?shù)谝怀瑤Y束時，重復上述的整個幀序列直到低功率通信設備200停止執(zhí)行通信設備的功能。在優(yōu)選實施例中，僅由低功率通信設備200做出停止執(zhí)行通信設備的功能的決定，盡管也有可能協(xié)調(diào)若干低功率通信設備中MD的角色。注意到，低功率通信設備200包括產(chǎn)生和存儲隨機或偽隨機數(shù)字的能力。這些數(shù)字可由MD處理器230產(chǎn)生，并且存儲在MD存儲器260中。
根據(jù)本發(fā)明，在一段時間中的多種情況下，在通信設備網(wǎng)絡中的每一設備可替換地操作在截然不同的第一、第二和第三模式。每一設備的操作可以是獨立的，因為模式的定時在設備之間并不同步，或者可以協(xié)調(diào)兩個或更多個設備的操作。在第一模式中，設備休眠一段特定的時間，在第二模式中設備醒來并執(zhí)行特定功能。在第三模式中，設備和其它聯(lián)網(wǎng)設備通信，并且收集和存儲位置確定信息。使用由一個或多個通信設備在第三模式下的多種操作情況中收集的位置確定信息，為在網(wǎng)絡中的所選設備計算或更新位置信息。在優(yōu)選實施例中，可操作特定設備來調(diào)?；蚬芾碓诘谌Ｊ綍r的調(diào)停通信階段中網(wǎng)絡的其它設備的通信，比如通過管理其它聯(lián)網(wǎng)設備的定時計劃活動。因此，在這里將第三模式稱為調(diào)?；蚬芾砟Ｊ健Ａ硪环矫?，設備在第二模式時不可以操作來調(diào)停其它通信設備的通信，但是可操作來執(zhí)行特定功能，比如監(jiān)控，測量，傳感，報告，和類似的功能。每一通信周期優(yōu)選包括對應于調(diào)停模式的調(diào)停通信階段，以及在正常操作模式中和多個休眠階段相互間隔的多個正常通信階段。優(yōu)選地，在進入調(diào)停模式時，每一通信設備隨機設置通信設備的第一通信周期的持續(xù)時間，并且基于和其它通信設備的通信來收集和存儲位置確定信息。
圖4是根據(jù)本發(fā)明，由執(zhí)行MD功能的通信設備使用的過程的流程圖。在步驟410，在優(yōu)選隨機選擇的特定時間的情況下，以及對于第一時間階段，通過執(zhí)行用于其它通信設備中的通信活動的協(xié)調(diào)角色來操作設備。優(yōu)選地，網(wǎng)絡或網(wǎng)絡中的子組的通信設備協(xié)同操作，這樣在特定時間僅一個設備執(zhí)行MD設備的功能。在這個角色中，設備從其它設備接收通信。獲得信號指令估計并且為從其它設備接收的通信信號作記錄。在優(yōu)選實施例中，分析屬于每一接收的通信的接收信號強度信息，并且記錄在確定相關位置中有用的相關信息。例如，使用現(xiàn)有技術，可以估計在MD設備和另一聯(lián)網(wǎng)設備之間的相對距離的估計。以這種方式，在步驟420，設備收集并存儲關于其它通信設備的位置確定信息。在第一時間階段終止之后，并且對于接下來的第二時間階段的持續(xù)時間，在步驟430延緩或放棄協(xié)調(diào)角色。當在第二時間階段中時，通過測試發(fā)送標準的值，在步驟435，設備確定是否應該將位置確定信息發(fā)送到處理器節(jié)點。發(fā)送標準可以是，例如，簡單的定時器，或位置確定信息本身的函數(shù)。如果沒有滿足發(fā)送標準，在步驟440中，設備操作在正常操作模式，包括無活動或休眠的階段，以及對于剩余的第二時間階段執(zhí)行特定的設備功能(比如監(jiān)控，傳感，跟蹤，以及類似的功能)的階段。而且，在第二時間階段過程中，設備和在具有協(xié)調(diào)角色的范圍中的其它通信設備通信。之后，設備重新開始在協(xié)調(diào)角色中操作，即步驟410。
如果在步驟435滿足發(fā)送標準，在步驟450，設備將收集的位置確定信息上載或發(fā)送到處理器節(jié)點，用于為聯(lián)網(wǎng)設備計算位置信息，之后，在步驟460，在剩余的第二時間階段中操作在正常操作模式。之后設備重新開始操作在協(xié)調(diào)角色，即步驟410。
圖5是根據(jù)本發(fā)明，由處理器節(jié)點使用的過程的流程圖。在步驟510，處理器節(jié)點從多個MD設備接收位置確定信息。在步驟520，處理器節(jié)點比較位置確定信息，比如在多個操作為MD的情況的持續(xù)時間過程中，由MD設備從另一設備接收的通信信號的接收信號強度，這里的操作為MD的情況的持續(xù)時間過程比如在如圖4所示的第一和第三時間階段之間。在一個情況中，當比較顯示出接收信號強度和在至少兩個操作為MD的情況下接收的通信信號不同時，處理器節(jié)點確定特定設備位置改變，這是步驟525，530，之后返回到步驟510。在另一情況中，當比較顯示出在和一個或多個先前的操作為MD的情況過程中收集的位置確定信息相比，在操作為MD的特定情況過程中收集的位置確定信息在相當多數(shù)量的設備上不同時，處理器節(jié)點檢測出MD設備本身的位置相對于網(wǎng)絡中的其它設備發(fā)生了改變，這是步驟535，540，之后返回到步驟510。在又一情況中，處理器節(jié)點檢測到特定設備或MD的相對位置沒有改變；在這個情況中，處理器節(jié)點返回，從多種MD設備接收位置確定信息，即步驟510。本領域普通技術人員可以了解，可以執(zhí)行被發(fā)送到處理器節(jié)點的位置確定信息的平均或其它數(shù)學操作來改進位置改變確定的可靠性。這種操作可以在MD設備，在處理節(jié)點，或在兩者上執(zhí)行。響應于檢測到的位置改變，更新對于特定設備的位置信息。
相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供可觀的優(yōu)點。通過采用分布式的信息收集模型，可以以有效和高效的方式為異步聯(lián)網(wǎng)設備獲得位置信息。位置信息收集處理可以和整個通信活動管理或調(diào)停組合，來建立更為強大的和更為靈活的通信網(wǎng)絡，使用低功率、低復雜度的通信設備。
雖然參考優(yōu)選實施例特別示出并描述了本發(fā)明，本領域普通技術人員應該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細節(jié)上做出多種修改。
權利要求
1.一種為空間分布式的通信設備更新位置信息的方法，所述方法包括步驟在多個通信設備中的每一個，以及在一段時間內(nèi)的多種情況下，交替地操作在截然不同的第一、第二和第三模式，其中，所述第一模式包括特定時間階段的休眠，所述第二模式包括醒來并執(zhí)行特定功能，所述第三模式包括和其它的多個通信設備通信以及收集并存儲位置確定信息；以及基于在所述第三模式中的多個操作情況下，通過多個通信設備中的至少一個收集的位置確定信息，為多個通信設備中的所選設備更新位置信息。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括步驟通過比較由多個通信設備中的至少一個在第三模式的多個操作情況過程中收集的位置確定信息，檢測多個通信設備中的特定設備的位置的改變；以及響應于檢測到的位置改變，為特定設備更新位置信息。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括步驟由多個通信設備中的所選設備，將用于位置改變了的通信設備的位置確定信息上載到中心處理器，用于確定多個通信設備的相對位置信息。
4.如權利要求1所述的方法，進一步包括步驟在操作在第三模式時，協(xié)調(diào)其它的多個通信設備的通信活動。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述協(xié)調(diào)步驟進一步包括步驟在操作在第三模式時，為其它的多個通信設備管理定時計劃活動。
6.如權利要求1所述的方法，進一步包括步驟操作多個通信設備，使得在特定時間僅多個通信設備中的一個工作在第三模式。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括步驟在多個通信設備中的至少一個中，選擇時間來通過獨立、隨機的處理在第三模式操作。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述位置確定信息包括用于從多個通信設備的另一個接收的通信信號的信號質(zhì)量信息。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述信號質(zhì)量信息包括接收信號強度信息。
10.一種操作多個通信設備的方法，所述方法包括下面的步驟在從多個通信設備中隨機選擇的特定設備，在一段時間中的多個情況下，交替地操作在用于協(xié)調(diào)多個通信設備中的通信活動的協(xié)調(diào)模式，以及非協(xié)調(diào)模式，其中，在非協(xié)調(diào)模式中，由多個通信設備中的另一個提供通信活動的協(xié)調(diào)，當操作在協(xié)調(diào)模式時，收集并存儲從其它的多個通信設備接收的位置確定信息；通過比較在協(xié)調(diào)模式下的不同操作情況過程中收集的位置確定信息，確定多個通信設備中的一個改變了位置；和基于由特定設備在協(xié)調(diào)模式下的至少兩個操作情況中收集的位置確定信息，更新多個通信設備的所選設備的位置確定信息。
全文摘要
為通信設備(110、120、130、140、150、160)的網(wǎng)絡收集關于位置的信息，每一通信設備可操作在協(xié)調(diào)模式和非協(xié)調(diào)模式。當在協(xié)調(diào)模式時，每一通信設備(110、120、130、140、150、160)收集并存儲位置確定信息(410，420)。使用由一個或多個通信設備(110、120、130、140、150、160)在協(xié)調(diào)模式中的多個操作情況下收集的位置確定信息，計算位置信息或為在網(wǎng)絡中的所選設備更新(510，520，530，540)。在一個實施例中，在協(xié)調(diào)模式時，每一設備操作來調(diào)停網(wǎng)絡的其它設備中的通信活動。
文檔編號H04W40/24GK1606888SQ02825530
公開日2005年4月13日 申請日期2002年12月10日 優(yōu)先權日2001年12月18日
發(fā)明者碕才, 小埃德加·H·考拉維, 黃堅 申請人:摩托羅拉公司