CN102369783A - 无线网状网中的全异无线电装置 - Google Patents

Abstract

一种无线网状网，利用有策略地安置的具有无线电装置的节点，通过使用高增益天线、MIMO技术、高功率发射机、高灵敏度接收机、上述组合等，所述无线电装置具有较高级的通信范围。除了扩展网络的物理覆盖区这一明显的效果以外，由具有较高级的范围的节点形成的较长距离链路的效果是通过减少跳数使无线网状网平坦，从而改进性能、延迟、可靠性、成本、功耗等因素。

Description

无线网状网中的全异无线电装置

技术领域

本发明涉及无线网状网系统。特别地，本发明涉及通过使用具有不同通信特征的所选节点而具有改进性能的无线网状网系统。

背景技术

在许多工业环境下，控制系统被用于监控库存、过程等。通常，这样的控制系统具有集中控制室，该集中控制室具有与现场设备通信的主机计算机，所述现场设备与控制室分开或在地理上远离控制室。

一般地，每个现场设备包括传感器，该传感器可以基于物理输入产生输出信号，或基于输入信号产生物理输出。现场设备中所使用的多种类型的传感器包括：各种分析设备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变仪、流传感器、远程位置调节器、制动器、螺线管、指示器等。传统上，已通过双线双绞线电流环路将模拟现场设备连接至过程子系统和控制室，每个设备通过单个双线双绞线环路连接控制室。典型地，双线间保持大约20至25伏的电压差，并且4到20毫安(mA)的电流流经环路。模拟现场设备通过将流经电流环路的电流调制为与所感测的过程变量成比例的电流，向控制室发送信号。在控制室的控制下执行动作的模拟现场设备受通过环路的电流的幅度的控制，过程子系统的端口在控制器的控制下调制所述幅度。

虽然过去现场设备仅仅能够执行一个功能，然而最近已在分布式控制系统中使用将数字数据叠加在电流环路上的混合系统。高速可寻址远程传感器(HART)协议将数字载波信号叠加在电路环路信号上。数字载波信号可用于发送辅助和诊断信息。通过载波信号提供的信息的示例包括主和辅过程变量、诊断信息(如，传感器诊断、设备诊断、布线诊断、过程诊断等)、操作温度、传感器温度、校准数据、设备ID号、配置信息等。相应地，单个现场设备可以具有各种输入和输出变量，并且可以实现各种功能。

另一方式使用数字通信总线将多个现场设备连接至控制室中的主机。与连接至数字总线的现场设备一起使用的数字通信协议的示例包括：Foundation Fieldbus、Profibus、Modbus和DeviceNet。可以通过向现场设备供电的相同的双线路径提供消息在主机计算机和多个现场设备之间的双向数字通信。

典型地，通过从控制室到远程应用铺设极长的干线电缆，向控制系统添加了远程应用。如果远程应用例如在半英里以外，那么铺设这样的长电缆所涉及的成本可能很高。如果必须向远程应用铺设多条干线电缆，成本将变得甚至更高。无线通信提供了令人满意的替代方案，并且已提出无线网状网，用于工业过程控制系统。然而，为了使成本最小化，还希望维持现有的控制系统和通信协议，以降低与改变现有系统以适应无线通信相关联的成本。

在针对基于低功率传感器/制动器的应用设计的无线网状网系统中，必须用长效电池或低功率能量净化电源为网络中的多个设备供电。典型地，功率出口(如120VAC功用)不位于附近，或者可以不被允许进入仪器(传感器/制动器)必须位于的危险位置，不招致昂贵的安装费用。低安装成本的经济需要驱动了电池供电的设备作为无线网状网的一部分通信的需求。对于正常工作的无线设备，对有限电源(如，不能再充电的原电池)的有效利用是至关重要的。期望电池持续5年，并且优选地，能够和产品的寿命一样长。

在真实的无线网状网中，每个设备必须能够为自身以及网状网中的其他设备路由消息(所谓网至边缘)。由于可以使用低功率无线电装置并且网状网可以跨越极大的物理区域将消息从一端传递至另一端，消息通过网络从无线电装置跳至无线电装置的概念是有益的。无需点到点系统中所需的大功率无线电装置，所述点到点系统采用直接与远处的集中式基站通话的远程设备。

网状网允许在设备间以及设备和数据收集器或桥或网关间形成用于消息收发的可替换路径，所述数据收集器或桥或网关连接至较高电平较高速度的数据总线。通过即使由于环境影响或干扰导致另一路径阻塞或恶化，也确保存在至少一条路径供消息使用，消息具有可替换的冗余路径增强了数据可靠性。

一些网状网协议是确定性路由的，从而每个节点具有所分配的父节点和至少一个可替换的父节点。在网状网层级中，和在人类的家庭中几乎一样，父母有孩子，孩子有孙子，等等。每个节点通过网络将其后代的消息中继至某一最终目的地，如网关。父节点可以是电池供电或有限能量供电的设备。节点具有的后代越多，其必须路由的业务就越多，进而直接增加了自身的功率消耗并缩短了电池寿命。

常规地，网状网中的所有节点采用相同质量的无线电装置(RF收发机)，每个无线电装置具有相同的链路预算(发射功率-接收灵敏度)。为了跨越较长的距离，有时需要许多节点来中继消息。在工业环境下，在特定位置安装无线电装置以形成这些链路在物理上是不可能的或者在环境上是禁止的。需要一种在工业环境中使用无线网状网的改进的方法。

发明内容

一种无线网状网，包括：第一多个节点，包括具有第一通信范围的无线电装置；以及第二多个节点，包括具有不同的第二通信范围的无线电装置。第一和第二多个节点能够与其通信范围内的任何其他节点通信。

附图说明

图1是示出了具有两个节点簇的传统网状网。

图2是示出了无线网状网的图，其中，两个节点簇由具有无线电装置的节点互联，所述无线电装置利用较高增益的八木(Yagi)天线。

图3是示出了无线网状网的图，其中，两个节点簇由具有无线电装置的节点互联，所述无线电装置利用较高增益的八木天线。

图3A是无线网状网的图，所述无线网状网与图3的网络相似，还包括位于两个簇之间的节点。

图4是示出了无线网状网的图，其中，具有无线电装置的节点将三个节点簇冗余地连接在一起，所述无线电装置利用较高增益的八木天线。

图5是示出了无线网状网的图，所述无线网状网包括具有较大范围的无线电装置的节点。

图6是示出了无线网状网的图，所述无线网状网包括较长距离的链路，所述链路由在一端包括一对收发机在另一端包括单个收发机的节点构成。

具体实施方式

本发明提供了一种构建现场设备的网状网的方法，对于这种网状网，在传统技术可能需要附加节点或者可能无法呈现出网状网操作所需连接。节点包括至少一个无线电装置和一个现场设备，尽管还可以具有多个无线电装置和现场设备。许多节点安装在固定位置，节点的对应现场设备被设计为在所述固定位置操作。当存在适于与现场设备一起操作的控制室时，控制室能够与至少一个节点通信，使得其能够通过网状网进行操作。

为了使网状网正常工作，需要至所有节点的完全连接，使得数据能够去往/来自所有现场设备。不总是能够在工业环境中安装附加节点以中继来自远程节点的通信，因为这可能是不可行的或者在环境上禁止在工业环境中安置附加节点。通过引入具有增加的通信范围或专门的天线的较高级的节点，克服可能妨碍连接的障碍。

在以下层级中使用具有大功率的无线电节点的先前设计：本地节点向大功率无线电节点发送，大功率无线电节点接着与另一大功率无线电节点通信，该另一大功率无线电节点最终将消息传递至另一本地节点。典型地，大功率无线电节点使用不同的协议，或者甚至不同的通信介质。该多层网络需要更多跳来发送消息，这是由于消息必须从较低等级发送至较高等级，跨越较高等级，然后从较高等级向下返回较低等级。在平坦网络中，不存在层，不需要层级。每个节点能够与其无线电装置的范围内的任意其他节点直接通信。由于存在较少的跳，导致较低的延迟、较高的可靠性和较低的功耗，因此性能更好。

传统上，所谓平坦网络仅使用具有相同链路预算的节点。为了跨越某一距离，可以安置多个节点对消息进行中继。另一可选方案是：在多层层级系统中使用所选的较高功率的无线电节点。本发明允许大功率无线电节点与范围内的其他任意其他节点通信。得到的网络是平坦的，并且包括在工业环境中提供完全网络连接所需的较高级的无线电节点。

图1示出了可以安装在设备或进行环境读取的位置附近成簇的工业环境中的节点。簇10具有全向无线电节点12、14、16和18，全向无线电节点12、14、16和18分别具有范围R₁₂、R₁₄、R₁₆和R₁₈。类似地，簇20具有全向无线电节点22、24、26和28，具有范围R₂₂、R₂₄、R₂₆和R₂₈。节点可以完成向其范围内任何其他节点的传输。节点12可以向节点16和18发送传输；节点14可以向节点16和18发送，等等。节点12和14间不存在直接链路。通过其他节点路由在这些节点间发送的消息。例如，从节点12到节点14的消息可以首先从节点12到达节点16然后到达节点14，或者可以从节点12到达节点18再到达节点14。每当消息通过另一节点中继时，发生跳转。延迟与完成传输所需的跳数直接关联。该网络具有以下问题：由于网络间不存在中继消息的节点，无法在簇10和20之间发送消息。在工业环境中，可能无法在中间位置安装节点。这种情况可能是多种原因引起的。可能在物理上无法在中间位置安置工作的无线电装置；中间位置可能是敏感/危险区域，安装许可节点的成本高昂；或者系统的所有者可能不具有位置间的土地所有权，等。

图2示出了包括全向无线电节点32、34、36和38的簇30以及全向无线电节点52、54、56和58的簇50的无线网状网，其中，与图1的网络相类似地配置簇30和50。附加地，该网状网包括簇30中的节点42和簇50中的节点62，节点42和62采用具有八木天线的无线电装置，所述八木天线分别具有覆盖区域R₄₂和R₆₂。长4.5”直径为3.5”的小型的2.4GHz八木天线能够提供10dBi的前向增益，而对于标准偶极天线(360度全向)天线，55度波束宽度对应仅仅2.1dBi的增益。

图3示出了该网络，并示意了全部范围。针对每一必要传输，天线选择和节点布置允许至少一条路径。例如，通过从节点72跳至节点82跳至节点102跳至节点98，消息可以从节点72被发送至节点98。应答消息的返回路径可以遵循该相同的反向路径。如果两个节点能够在一个方向上通信，根据互易原理它们能够在相反方向上通信。

如果使用不同的返回路径来实现双向通信，网络也能够工作。例如，通过从节点98跳至节点94跳至节点102跳至节点82跳至节点72，消息可以从节点98被发送至节点72。

这些高增益天线的策略性布置和使用提高了针对所述节点的链路预算，并允许它们实现较长范围的连接而不必在簇70和簇90之间安置若干附加节点。基于安装网状网的物理环境，可以使用多种不同类型的天线。当位置妨碍附加节点的安装时，该布置是特别有用的。

在图3所示的示例中，存在三个范围要考虑。采用八木天线的两个节点间的八木-八木范围大于采用八木天线的节点和采用2dBi标准偶极全向天线的节点之间的八木-全向范围。继而，八木-全向范围大于采用2dBi标准偶极全向天线的两个节点间的全向-全向范围。

图3A示出了3个不同范围。图3A所示的无线网状网与图3所示的网络类似，只不过附加了位于簇70和90中间的节点101。节点101是全向无线电节点，在该示例中，节点101距簇70和90足够远，以致全向-全向天线范围不够大，不允许节点101与簇70的全向节点72、74、76、78或簇90的全向节点92、94、96、98中的任一个之间的直接通信。

节点82和101的组合的八木-全向范围R_82/101足以提供簇70和节点101间的链路。类似地，节点102和101的组合的八木-全向范围R_102/101足以提供簇90和101间的链路。节点82和102的组合的八木-八木范围大于八木-全向范围，并且能够提供簇70和90间的直接链路。

图4示出了具有节点簇110、130和150的无线网状网，以装备八木天线的节点118、122、138、142、158和162将节点簇110、130和150冗余地连接在一起。省去了全向无线电节点112、114、116、132、134、136、152、154和156的范围边线。每个节点具有足以向其簇内的其他节点发送而无法在簇间发送的增益。如果干扰或噪声破坏了连接簇110和130的链路之一(例如，节点118和142间的链路)，网络的完整连接仍可以保持。当诸如干扰等因素妨碍节点118和142间的直接链路时，可以通过从节点118跳至节点112跳至节点116跳至节点122跳至节点162跳至节点156跳至节点154跳至节点158跳至节点138跳至节点132跳至节点134跳至节点142，来发送消息。

八木天线具有极强的方向性，因此为了沿期望方向通信必须对它们进行定向。节点122未指向节点112，因此它们无法直接通信。节点122和156具有中间范围，因为它们形成八木-全向链路。它们可以或者可以不与彼此直接通信。节点158未指向节点156，因此它们无法直接通信。节点142未指向节点132，因此它们无法直接通信。

图5示出了具有大范围无线电节点182和大范围无线电节点202的无线网状网，所述大范围无线电节点182在簇170中具有覆盖区R₁₈₂，所述大范围无线电节点202在簇190中具有覆盖区R₂₀₂。可以以多种方式增加节点182和202的范围。一种方法是安装具有高功率发射机的无线电装置和更灵敏的接收机，以实现更高的链路预算。另一种方法是使用诸如MIMO等技术来增加范围。MIMO技术通过以空间分集提供增益来创造更高的链路预算。使用两个或更多个发射机同时从一个无线电装置发送相同的信号，并且对在另一无线电装置的两个或更多个单独的接收机上接收的信号进行相关。真实的MIMO技术具有多个接收机和多个发射机，在链路的两端具有多个天线。然而，为了获益，并非全部节点都需要被升级为MIMO技术。

图6中所示的更简单的方法在节点210中使用多个收发机(天线222和224)并且在其他节点212中使用单个收发机(天线226)，在其他节点214中使用单个收发机(天线228)。这种布置极大的有益于信号强度。当多个收发机节点210接收信号时，其使用单独天线上单独的收发机进行接收。由于天线彼此分开，从发送节点发送的信号到每根天线具有稍微不同的路径。由于路径损耗的变化，节点210可以挑选哪个接收机以最佳质量接收到信号。当发送信号时，节点210接着可以选择使用该最佳天线，来向原发送节点发回信号，所述最佳天线此时具有最佳路径。实质上，改进的接收将节点212的范围从R_212-1增加至R_212-2，对于无线电装置214，从R_214-1增加至R_214-2。由于在任意时间选择最佳路径的能力，改进还为节点210提供了更大的范围R₂₁₀。该技术通过信号和路径选择实现了增益。

传统网状网由全部具有相同链路预算的相同质量的节点构成。本发明描述了网状网，其中某些节点具有较高级的无线电装置或较高级的天线。由于能够以较少的跳数发送消息，减少了延迟。这提高了网状网的性能。使用变化的天线设计(例如，10dBi八木对2dBi偶极)，使用较高功率的发射机(例如，+15dBm对0dBm)，使用较高灵敏度的接收机(例如，-110dBm对-90dBm)或者以上组合，可以实现较高的链路预算。还可以使用除八木天线之外的方向性天线，如扇区天线或抛物线天线。

虽然已参照优选实施例对本发明进行了描述，然而所属领域技术人员将意识到，可以在不背离本发明的精神和范围的前提下在形式和细节方面做出修改。

Claims (20)

1.一种无线网状网，包括：

多个第一节点，每个第一节点包括现场设备以及具有第一通信范围的无线电装置；以及

第二节点，包括现场设备以及具有第二通信范围的无线电装置，其中，所述第二通信范围大于第一通信范围；

其中，所述第一节点和第二节点能够在它们的通信范围内与无线网状网的任何其他节点通信。

2.根据权利要求1所述的无线网状网，还包括：散布在多个第一节点之间的多个第二节点。

3.根据权利要求1所述的无线网状网，其中，第一节点的无线电装置具有全向天线。

4.根据权利要求1所述的无线网状网，其中，第二节点的无线电装置包括定向天线。

5.根据权利要求1所述的无线网状网，其中，与第一集合的节点的无线电装置相比，第二节点的无线电装置具有更高功率的发射机和更灵敏的接收机。

6.根据权利要求1所述的无线网状网，还包括：控制室，能够与第一节点和第二节点中的至少一个通信。

7.根据权利要求1所述的无线网状网，其中，至少一个节点包括多个现场设备。

8.根据权利要求1所述的无线网状网，其中，第二节点的无线电装置使用MIMO技术.

9.根据权利要求8所述的无线网状网，其中，第二节点的无线电装置包括两个收发机。

10.根据权利要求8所述的无线网状网，其中，所述MIMO技术使用不同数目的发射机和接收机。

11.一种无线网状网，包括：

第一节点簇，其中每个节点包括现场设备以及具有能够与第一簇中的其他节点通信的链路预算的无线电装置，并且至少一个较高链路预算的节点包括具有较高链路预算无线装置的无线装置，所述较高链路预算无线装置能够与不属于第一簇中的节点通信；以及

第二节点簇，其中每个节点包括现场设备以及具有能够与第二簇中的其他节点通信的链路预算的无线电装置；

其中，第一簇的较高链路预算的节点能够在第一簇和第二簇间形成无线链路。

12.根据权利要求11所述的无线网络，其中，所述第二节点簇包括至少一个较高链路预算的节点，所述至少一个较高链路预算的节点包括具有较高链路预算无线装置的无线装置，所述较高链路预算无线装置能够与不属于第二簇中的节点通信，并且第二簇的较高链路预算的节点能够在第一簇和第二簇间形成无线链路。

13.根据权利要求11所述的无线网状网，其中，所述较高链路预算的无线电装置使用以下至少一项：MIMO技术、高增益天线、定向天线、或者高功率发射机和高灵敏度接收机。

14.根据权利要求11所述的无线网状网，其中，所述第一簇包括多个节点，所述多个节点包括较高链路预算的无线电装置。

15.根据权利要求11所述的无线网状网，其中，所述第二簇包括多个节点，所述多个节点包括较高链路预算的无线电装置。

16.根据权利要求11所述的无线网状网，其中，至少一个现场设备被安装在固定位置。

17.根据权利要求11所述的无线网状网，其中，所述网络还包括：控制室，能够与第一簇和第二簇通信。

18.根据权利要求11所述的无线网状网，其中，至少一个节点包括多个现场设备。

19.一种无线网状网，包括多个节点簇，其中，每个节点与现场设备和具有能够与该节点的簇中的其他节点通信的链路预算的无线电装置相关联，并且每个簇包括至少一个节点，所述至少一个节点包括具有较高链路预算的无线电装置，所述较高链路预算能够建立至另一簇中的节点的链路，从而使簇互连。

20.根据权利要求19所述的无线网状网，其中，所述无线电装置包括：全向无线电装置、MIMO技术无线电装置、高增益天线无线电装置或采用高功率发射机和高灵敏度接收机的无线电装置的组合。

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