CN102480751A - 无线传感器网络接入点和设备rf频谱分析系统及方法 - Google Patents

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Abstract

用于测量和分析无线现场设备网格网络附近和内部的射频功率的系统。中央软件模块(CSWM)收集和分析来自无线现场设备网格网络的一个或多个无线设备的、代表对分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值以及代表接收RF功率的对应的测量时间的值。每个无线设备在与导致无线设备发射肯定确认信号或者否定确认信号的信号的接收期间不同的时间测量分配的RF信道上的接收RF功率。根据存储的接收RF功率的测量结果和对应的测量时间来确定代表接收RF功率的测量结果和接收RF功率的对应的测量时间的值，然后将其丢弃。在成功报告这些值之前，这些值都存储在无线设备内。网络管理器协调无线设备之间的通信，并且同步整个无线现场设备网格网络中的接收RF功率的对应的测量时间。

Description

无线传感器网络接入点和设备RF频谱分析系统及方法
技术领域
本发明一般地涉及无线网络，以及更具体地涉及测量和分析在无线现场设备网格网络附近和内部的射频(RF)干扰。
背景技术
网格网络是一种在工业应用中日益普遍的灵活的网络架构。网格网络包括大量节点和网关计算机(网关)，网关将高速总线连接到网格网络。网格网络通过允许同一网络内的相邻节点彼此直接通信，避免了其他网络拓扑的许多限制，从而避免了不必要的到网关的通信路由。称为网络管理器的软件程序(通常运行在网关上)为每个节点分配多个通信路径，这些通信路径可互换以补偿瓶颈和链路故障。通过允许相邻节点形成直接到目标节点的通信中继，以及通过绕过故障或瓶颈进行路由，提高了网络响应时间，同时通过最小化中继通信所需的传输数目最小化了网络功率用量。使用多个通信路径提供了路径分集，其提高了网络可靠性。
无线网格网络是由以网格拓扑组织的多个无线设备(即，节点)构成的通信网络。在真实的无线网格网络(其也可以称为自组织多跳网络)中，每个设备必须能够路由针对其自己的消息以及针对网络中的其他设备的消息。网络中的节点到节点的消息跳送(hopping)的概念是有益的，因为可以使用较低功率的RF无线电装置，而且网格网络能够横跨相当大的物理区域，从一端到另一端递送消息。与利用远程设备直接与中央基站通信的点到点系统形成对比，在网格网络中不需要高功率的无线电装置。
对于针对基于传感器/致动器的应用设计的无线网络系统(诸如无线现场设备网格网络)而言，使用较低功率的无线电装置是必须的。网络中的许多设备必须本地供电，因为在不引起大的安装代价的情况下，供电设施(诸如120VAC供电设施或者供电数据总线)不位于仪器、传感器和致动器必须位于的危险位置附近、或者不允许进入仪器、传感器和致动器必须位于的危险位置。“本地供电”意味着由本地电源供电，诸如是便携式电化学电源(例如，长寿命的电池或者燃料电池)或者是低功率能量收集电源(例如，振动、太阳能电池，或者热电发电机)。本地电源的公共特性是它们的有限的功率容量，或者是如在长寿命电池的情况下存储的有限的功率容量，或者是如在热电发电机的情况下产生的有限的功率容量。通常，低安装成本的经济需求驱动了对电池供电设备的需求，所述设备作为无线传感器网络的一部分进行通信。对受限电源(诸如不能再充电的原电池)的有效利用对于无线传感器设备的良好工作是至关重要的。期望电池能维持五年以上，并且优选地维持与产品寿命一样长的时间。
为了节省功率，一些无线现场设备网络协议通过仅将其收发器打开有限的时间量以侦听消息，限制任何节点或设备在任何时间段期间能够处理的业务量。因此，为了降低平均功率，该协议可以允许实现收发器在“开(ON)”和“关(OFF)”状态之间的占空因素。一些无线现场设备网络协议可以使用全局占空因素来节省功率，使得在同一时间整个网络都处于ON或OFF。其他协议，诸如基于时分多址TDMA的协议，可以使用局部占空因素，其中在预定的时间仅链接在一起的通信节点对以同步方式被调度为打开或关闭。通常，网络管理器向一对节点分配链路、以及用于通信的特定时隙、收发器将使用的RF信道、在该时刻根据需要谁将进行接收、和谁将进行发射(例如，利用RF信道跳变协议的TDMA，诸如)。网络管理器同步占空因素并且分配多个通信路径，从而协调节点之间的通信，生成控制信号、通信调度和数据查询以适合处境。
网格网络的形成用于设备之间的以及设备和网关之间的通信的备选路径的自组织能力提供了用于无线消息的冗余路径。通过确保即使其他路径受到阻塞或者由于环境影响或由于RF干扰而恶化，都存在至少一条供消息行进的备选路径，这增强了通信可靠性。然而，尽管具有网格网络固有的鲁棒的通信可靠性，来自未知源的RF干扰仍会使网络性能恶化。由于减小的范围以及浪费能量的重传，使用备选路径绕过干扰通常导致更多跳数以使得消息去往或来自网关。如果RF干扰足够严重，只要RF干扰持续，去往和来自节点的所有传输可能都被阻塞。
RF干扰源经常本质上是间歇的和短暂的，使得它们的检测和识别很困难且耗费时间。实时地检测和定位RF干扰源将允许对源的快速识别和缓减，从而进一步提高网络可靠性。已经提出用于监视无线通信网络(诸如蜂窝电话网络)中的干扰的系统，然而由于这些系统的相对高的功率要求，这样的系统通常不适合于无线现场设备网格网络。RF现场调查是昂贵的，因为它们需要专用的RF设备和专门训练的人员。即使如此，提供的信息仅是真实RF环境的某个时间的快照，并且可能错过重要的瞬时RF干扰事件。最后，由于周围的物理工厂和工厂基础设施中的持续变化，以及“工厂围墙外”出现的变化，来自现场调查的数据很快过时。
发明内容
本发明包括一种用于测量和分析无线现场设备网格网络附近和内部的射频(RF)干扰的系统。中央软件模块(CSWM)收集和分析来自无线现场设备网格网络的一个或多个无线设备的、代表在分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值以及代表对应的RF功率的测量时间的值。无线现场设备网格网络的每个无线设备测量分配的RF信道上的接收RF功率和对应的测量时间，存储在与导致无线设备后续发射肯定确认信号或者否定确认信号的信号的接收期间不同的时间进行的测量。每个无线设备中存储的RF功率的测量结果和存储的对应的测量时间被用于确定代表RF功率的测量结果的值和代表对应的RF功率的测量时间的值，然后被丢弃。这些代表值存储在无线设备内，直到无线设备接收到确认这些代表值的成功报告的信号。网络管理器协调无线设备之间的通信，并且协调和同步整个无线现场设备网格网络中的对应的RF功率的测量时间。
附图说明
图1是示出本发明的用于测量和分析无线现场设备网格网络附近和内部的RF干扰的实现的示图。
图2A-2D示出了针对发射机节点和接收机节点的时隙内的子时隙的互补安排。
图3A-3C示出了针对发射机节点和接收机节点的时隙内的“寂静子时隙”的互补安排。
图4是示出本发明的用于测量和分析具有多个接入点的无线现场设备网格网络附近和内部的RF干扰的实现的示图，无论接入点服务的网格网络的区域是否部分重叠。
具体实施方式
将在测量和分析具有网格网络拓扑的无线现场设备网络附近和内部的射频(RF)干扰方面描述本发明。本领域技术人员将认识到，本发明同等适合于其他网络拓扑，并且不是仅限于所描述的实施例，相反，本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
本发明使用在无线设备可获得的接收RF功率测量能力来检测RF干扰源，所述无线设备诸如是那些服从IEEE 802.15.4标准的无线电装置的无线设备。IEEE 802.15.4标准定义了用于与具有极高限制的功耗要求的固定设备、便携设备和移动设备的低数据速率的无线连接的物理层(PHY)和介质接入控制(MAC)层。该极高限制的功耗要求例如是远小于蜂窝电话的功耗要求。符合IEEE 802.15.42.4GHz标准的无线电装置在2.4GHz的工业、科研和医疗(ISM)无线电频带内的16个RF信道中的任何一个上进行发射和接收，并且能够测量任何信道上的接收RF功率。在该标准中，接收RF功率测量功能被称为能量检测(ED)，但是更经常被称为接收信号强度指示符(RSSI)测量。IEEE 802.15.4标准描述了RSSI测量的两个应用。第一个是作为纯信道评估(Clear ChannelAssessment)功能的一部分，以避免相同无线网络的成员的不必要的RF干扰。作为CCA功能的一些模式中的部分，发送设备在刚好要开始发射之前测量RF信道上的RSSI，以确保分配的传输信道上没有其他网内传输。如果RF信道上的RSSI测量高于阈值，这指示网络中的附近设备已经在信道上进行发射，则可能成为干扰的设备将发射延迟一个随机的时间间隔，以避免引起对已经被占的信道的干扰。CCA功能通常不与诸如
Figure BDA0000113155610000051
之类的利用信道跳变协议的时分多址(TDMA)一起使用，因为所有的通信通常由网络管理器进行同步和协调，使得没有邻近设备会在相同时间在相同RF信道上进行发射。
在第二应用中，一些网络管理算法使用接收信号的强度来确定在设备之间的链路上要使用的最佳的具体RF信道。如果RSSI读数开始减小，则网络管理器可以选择不同的RF信道用于设备之间的操作，以确保持续的链路可靠性。备选地，一个链路上的所有RF信道的RSSI读数被联合和平均，以确定用于消息在网络上路由的最强链路。仅成功传输或者由于预定错误条件造成的不成功的传输的接收信号强度被无线设备存储和报告给网络管理器，原因是它们代表在网内通信期间呈现的RF信道条件，即使其包括来自其他RF源的干扰能量。
成功传输由从接收节点到发射节点的返回传输(称为肯定确认信号或ACK)来确认。在接收到ACK响应时，发射节点删除原先发射的消息，接着接收节点负责将消息转发给网格网络中的下一跳。由于某些预定错误条件造成的不成功的传输导致从接收节点向发射节点发送否定确认信号或NACK。当接收到NACK响应时，发射节点将在它的下一个调度时隙上在不同的RF信道或不同的节点上重传消息，但是将不删除原先发射的消息，直到其接收到来自目的节点的ACK响应。
导致NACK响应的预定的错误条件在不同的无线协议中有所不同。在一些协议中，导致NACK响应的条件包括例如接收节点中的满的消息缓存器、帧校验和错误、以及消息完整性码错误。不导致ACK或NACK响应的不成功的传输在不同的无线协议中也有所不同，并且可以是例如由于帧校验和错误、消息完整性码错误、错误的网络ID、或者信号太弱或过于畸变使得接收节点难以检测到信号的确被发送。取决于针对具体无线协议的预定的错误条件，一些错误条件(例如帧校验和错误)在一些无线协议中导致NACK响应，而在另一些协议中不导致NACK响应。在所有情况下，不满足协议的预定的错误条件的不成功传输被忽略：不发送任何ACK或NACK，并且删除与该时间关联的RSSI测量。
本发明使用无线设备通过下述方式来测量在无线现场设备网格网络附近和内部的RF干扰：记录和分析在一段时间上使用的每个RF信道上的RSSI测量，该RSSI测量是在与导致无线设备后续发射ACK或者NACK响应的信号的接收期间不同的时间中进行和记录的。这是在所谓的网内寂静时间期间，在此期间最容易且精确地检测背景或者外部RF干扰。3个可能的网内寂静时间是开放侦听、开放信道时隙和寂静子时隙，将在下文描述。
使用利用信道跳变协议的TDMA数据链路层(诸如
Figure BDA0000113155610000061
)且具有其鲁棒设计的网格网络非常适合于测量、收集、报告和分析来自不同节点的RSSI测量。由网络管理器针对链路级通信分派时隙，并且在全网内时隙同步到1毫秒内，使得能够精确控制RSSI测量时间和后续的RSSI测量数据的相关性。网络管理器还通过直接或者间接地为时隙中的每个分派的链路分配信道来协调RF信道分配。作为由网络管理器控制的时间同步机制的一部分，设备被预编程为基于绝对时隙号(其在整个网格网络中递增)来改变RF信道，因此通常在任何时隙内没有两条链路使用相同的RF信道。该信道跳变是伪随机的，意味着设备以类似随机的顺序改变信道，最终同等地使用所有RF信道。
本发明的无线设备在网内寂静时间期间进行的RSSI测量和对应的测量时间被存储在进行测量的无线设备内，直到它们被用于确定代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。确定代表接收RF功率的测量结果的值例如包括确定统计值、执行单位转换、或者根本不对原始RSSI测量进行任何改变。每个RF信道的统计值例如包括测量的平均RF功率、测量的RF功率的标准偏差、测量的RF功率的方差、时间段的开始时间、时间段的结束时间、测量的最大RF功率、测量到最大RF功率的时间、测量的最小RF功率、以及测量到最小RF功率的时间、以及占空因素。逐个信道地确定代表RF功率的测量结果的值，最终覆盖ISM频带，从而代表某个具体设备的周围的RF能量。这些代表RF功率的测量结果的值通常代表每个信道的背景RSSI测量级别。代表接收RF功率的测量结果的值超过背景RSSI测量级别则指示RF干扰源。定期地或者根据要求在报告中将代表接收RF功率的测量结果和对应的测量时间的值通过网格网络发射给中央软件模块CSWM，该中央软件模块通常运行在网关上。来自每个设备的报告的发射以交错的方式进行调度，使得对网络的正常操作没有显著影响。CSWM通过RF信道将代表RF功率的测量结果的值的报告进行联合，并且将来自多个设备的对应的测量时间进行相关。与至少三个设备的已知位置一起，CSWM确定干扰的时间段，特性化一个或多个干扰源(例如，Wi-Fi信道1)，定位该一个或多个干扰源、以及如果干扰超过用户定义的阈值则生成警报。CSWM优选地将任何干扰信息和警报传送给运行在主计算机上的分离的软件应用或者系统操作员使用的显示器。
在干扰严重到足以临时使得一个无线设备丧失与无线现场设备网格网络中的其他无线设备进行通信的能力的情况下，附近的无线设备将仍能够检测干扰，并通过无线现场设备网格网络中仍然工作的链路向CSWM返回关于代表接收RF功率的测量结果和对应的测量时间的值的报告。通过将来自附近的无线设备的代表RF功率的测量结果和对应的测量时间的值相关，以及结合至少三个设备的已知位置，即使在干扰严重到足以临时禁用无线设备时，本发明也能够通过使用标准三角算法来确定禁用RF干扰源的位置。
通过仅报告统计信息而不是每个记录的测量结果，以及通过仅定期发射报告，例如每隔15分钟，本发明最小化了提供对整个网络上的RF干扰的基本连续的检测和报告所需的能量。因为检测是基本连续的，所以间歇和瞬时的RF干扰源被定位和识别。如上面提到的，在无线现场设备网络中，最小化能量使用率是关键的。下面描述的在网内寂静时间期间的测量结果在记录和向CSWM发射测量的频次方面存在变化，伴随能量使用率的对应变化。通过在开放侦听、开放信道时隙、以及寂静子时隙测量之间变化，能够相对于所需的能量使用率，平衡针对更积极的干扰检测和定位的需求。
图1是示出本发明的用于测量和分析无线现场设备网格网络附近和内部的RF干扰的实现的示图。图1示出了控制和过程监视系统10，其包括主计算机12、高速网络14、网关16、以及无线现场设备网格网络18。无线现场设备网格网络18包括无线设备或节点20a-20i...20N以及接入点22。网关16包括网络管理器24和CSWM 26，尽管网络管理器24和CSWM 26中的任意一个或二者可以驻留在主计算机12上。主计算机12包括软件应用29。软件应用29例如是控制软件或者监视软件。网关16通过高速网络14连接网格网络18和主计算机12。接入点22是网关16和无线设备20a-20i...20N之间的接口。专用链路28将接入点22连接到网关16。备选地，接入点22可以与网关16集成在一起，从而不需要专用链路28。接入点22和无线设备20a-20i...20N使用具有接收RF功率测量能力的无线电装置，诸如符合IEEE 802.15.4标准的无线电装置。接入点22和无线设备20a-20i...20N还使用用于存储值和执行基本统计计算的电路，诸如现有技术中已知的电路。接入点22和无线设备20a-20i...20N彼此通信，作为使用利用信道跳变协议的TDMA(诸如
Figure BDA0000113155610000081
)的无线网格网络。可选地，接入点22或至少一个无线设备20a-20i...20N均还分别包括本地操作员接口(LOI)23、21。LOI 23、21包括显示器和有限的输入功能，通常是少量的按钮。在图1中还示出了RF干扰源R1。
消息通过高速网络14从主计算机12传送到网关16。目的地为无线现场设备网格网络18的无线设备20a-20i...20N之一的消息通过专用链路28从网关16发送给无线现场设备网格网络18的接入点22。然后，接入点22直接地或者以逐跳的方式通过若干不同路径中的一条路径将消息发射给无线现场设备网格网络18的无线设备20a-20i...20N中的所述之一。类似地，来自无线现场设备网格网络18的无线设备20a-20i...20N之一的消息通过若干路径中的一条路径逐节点地往回路由通过无线现场设备网格网络18，直到它到达接入点22。接着，接入点22通过专用链路28将消息发送给网关16。目的地为主计算机12的消息通过高速网络14从网关16传送到主计算机12。由网络管理器24分派为了协调整个无线现场设备网格网络18上的通信所需的节点之间的时隙、链路分配、以及RF信道分配。针对无线现场设备网格网络18的时隙和RF信道分派和链路分配经由专用链路28从网关16发送到接入点22。接入点22直接地或者以逐跳的方式将时隙分配、RF信道分配和链路分配发射给无线设备20a-20i...20N。
本发明的用于在网内寂静时间期间执行和记录RSSI测量的情况下检测RF干扰的一个实施例是在“开放侦听”期间。开放侦听包括接收节点期待收到信号，但是发射节点没有发送信号的那些时间。这种情况的发生可能简单地因为发射节点在其分配的时隙到达时可能没有任何消息要发射。在利用信道跳变协议的TDMA(诸如
Figure BDA0000113155610000091
)中，网络管理器将调度给一对节点分配链路以传送消息的多个时间或时隙。这增强了网络可靠性，以确保消息通过网络。如果第一链路分配不工作，则第二或第三链路分配应该工作。然而，经常，消息在第一次尝试上的通过被确认，并且接着由发送节点删除消息。该可能留下开放侦听链路，其中接收节点将侦听以及在侦听时进行RSSI测量，但是发射节点将没有任何消息要发送。通常，因为在无线现场设备网格网络18中没有任何其他设备被调度在该时隙中在该具体RF信道上进行发射，因此RSSI测量将指示背景RF噪声级别或者RF干扰的存在，而不是网内业务。没有任何消息要在该时隙发送的发射节点也可以激活其无线电装置，并且在分配的RF信道上进行RSSI测量。因此，与一个链路关联的两个设备可以使用其链路级知识，在相同时间从两个不同位置在相同RF信道上进行协调的RSSI测量。
开放侦听还包括接收节点期待信号且发射节点发送信号、但是出于上面描述的原因既没回送ACK响应也没回送NACK响应的那些时间。从接收节点的角度看，这看起来是网内寂静时间，因为检测不到任何可识别的网内传输。在这些情况下进行的RSSI测量可能不指示纯的背景RF噪声级别，因为发射节点确实在该分配的RF信道上发射了一些内容，但是这样的RSSI测量提供了关于可能已经引起传输故障的RF干扰源的重要信息。
图2A和2B示出了在导致接收无线设备发射ACK响应或者NACK响应的信号的接收期间的、分别针对发射机节点和接收机节点的时隙内的子时隙的互补安排。在参考图2A-2D以及3A-3B时，“Tx”表示发射，“Rx”表示接收。每个分派的时隙具有指定的发射机节点和指定的接收机节点。时隙由可变长度和类型的子时隙的安排组成，所述安排支配在该时隙内发射机和接收机采取的动作的定时。该安排在链接的节点之间是互补的，并且不断地重复。如图2A所示，发射机时隙30a开始于Tx偏移子时隙32a，后面跟着Tx子时隙34a。Tx子时隙34a后跟着Tx到Rx子时隙36a，继而在Tx到Rx子时隙36a后跟着ACk/NACK侦听子时隙38a和Tx空子时隙42a。图2B示出了接收机时隙50a，其开始于Tx侦听子时隙54a，其后跟着Rx到Tx子时隙56a，Tx ACK/NACK子时隙58a、以及Rx空子时隙60a。发射机时隙30a和接收机时隙50a实际上是分别从发射机节点和接收机节点观察的相同的网络时隙。
在接收机时隙50a的开始处，接收机节点打开其无线电装置，并且在Tx侦听子时隙54a期间侦听来自发射机节点的任何传输。在该时间期间，在发射机时隙30a的开始，发射机节点是寂静的，将任何传输延迟Tx偏移子时隙32a。Tx偏移子时隙32a的长度至少等于最大的网络时间同步误差。这确保了直到接收机节点准备好侦听时，发射机节点才开始发射。在Tx偏移子时隙32a之后，发射机节点的无线电装置被打开并且在Tx子时隙34a期间进行发射。Tx子时隙34a的长度足够容纳数据分组，包括伴随数据的所有的报头和尾部字节。Tx侦听子时隙54a的长度由Tx子时隙34a的长度加上至少两倍的网络时间同步误差来确定。这确保了，无论最大网络时间同步误差的方向如何，Tx子时隙34a将全部落在Tx侦听子时隙54a内。在Tx侦听子时隙54a期间，接收机使用上面描述的ED功能来执行RSSI测量，并且存储测量结果以及测量时间和RF信道。在Tx子时隙34a之后，在Tx到Rx子时隙36a期间发射机节点将其无线电装置从发射切换到接收，接着在ACk/NACK侦听子时隙38a期间开始侦听来自接收机节点的ACK或NACK响应。如果在Tx侦听子时隙54a期间接收机节点成功接收数据分组，则在Rx到Tx子时隙56a期间接收机节点将其无线电装置从接收切换到发射，接着在TxACK/NACK子时隙58a期间开始向发射机节点发送ACK响应。备选地，如果在Tx侦听子时隙54a期间接收机节点由于预定的错误条件没有成功接收数据分组，则在Rx到Tx子时隙56a期间接收机节点将其无线电装置从接收切换到发射，接着在Tx ACK/NACK子时隙58a期间开始向发射机节点发送NACK响应。在任何情况下，在TxACK/NACK子时隙58a之后，接收机节点保留存储的RSSI信息供在网络管理算法中使用以确定要用在设备之间的链路上的最佳的具体RF信道，关闭其无线电装置，并且在Rx空子时隙60a期间等待下一个时隙的开始。ACK/NACK侦听子时隙38a足够长以容纳至少Rx到Tx子时隙56a和Tx ACK/NACK子时隙58a的长度。这确保了Tx ACK/NACK子时隙58a全部落在ACK/NACK侦听子时隙38a内。在ACK/NACK侦听子时隙38a之后，发射机节点关闭其无线电装置，并且在Tx空子时隙42a期间等待下一个时隙的开始。
图2C-2D示出了在发射机节点没有任何消息要发送时的开放侦听实施例的分别针对发射机节点和接收机节点的时隙内的子时隙的互补安排。因为作为发起无线设备的发射机节点没有任何消息要发射，这不会导致作为目的地无线设备的接收机后续发射ACK或NACK响应。图2C示出了发射机时隙30b，其开始于Tx偏移子时隙32b，后面跟着Tx开放侦听62，该Tx开放侦听62后面跟着Tx空子时隙42b。图2D示出了接收机时隙50b，其开始于Tx侦听子时隙54a，后面跟着Rx空子时隙60b。发射机时隙30b和接收机时隙50b实际上是分别从发射机节点和接收机节点观察的相同的网络时隙。
在接收机时隙50b的开始处，接收机节点打开其无线电装置，并且在Tx侦听子时隙54b期间侦听来自发射机节点的任何传输，如针对图2B所描述的那样。在该点处，接收机节点不知道发射机没有任何消息要发送，并且使用上面描述的ED功能来执行RSSI测量，存储测量结果以及测量时间和RF信道。在Tx侦听子时隙54b期间没有成功接收到数据分组的接收机节点不将其无线电装置从接收切换到发射。相反，其关闭无线电装置，保留存储的RSSI信息供在检测RF干扰时使用，并且在Rx空子时隙60b期间等待下一个时隙的开始。在该时间期间，在发射机时隙30b的开始处，发射机节点将任何活动延迟Tx偏移子时隙32b。Tx偏移子时隙32b的长度至少等于最大的网络时间同步误差。在Tx偏移子时隙32b之后，在Tx开放侦听62期间，没有任何消息要发送的发射机节点打开其无线电装置，并且使用上面描述的ED功能来执行RSSI测量，存储测量结果以及测量时间和RF信道。在Tx开放侦听62之后，发射机节点保留存储的RSSI信息供在检测RF干扰时使用，关闭其无线电装置，并且在Tx空子时隙42b期间等待下一个时隙的开始。
图2A和2D示出了在开放侦听实施例中的分别针对发射机节点和接收机节点的时隙内的子时隙的互补安排，在所述开放侦听实施例中接收机节点期待信号并且发射机节点发送信号，但是由于传输不成功或者故障不满足使用的协议的预定的错误条件，既不发送ACK响应也不发送NACK响应。从接收节点的角度看，这看起来是网内寂静时间，因为检测不到任何可识别的网内传输。在接收机时隙50b的开始处，接收机节点打开其无线电装置，并且在Tx侦听子时隙54b期间侦听来自发射机节点的任何传输(如图2B所示)，使用上面描述的ED功能来执行RSSI测量，并且存储测量结果以及测量时间和RF信道。在Tx侦听子时隙54b期间没有成功接收数据分组的接收机节点不将其无线电装置从接收切换到发射。相反，其关闭无线电装置，保留存储的RSSI信息供在检测RF干扰中使用，以及在Rx空子时隙60b期间等待下一个时隙的开始。同时，发射机节点如上面针对图2A描述那样操作。发射机时隙30a和接收机时隙50b实际上是分别从发射机节点和接收机节点观察的相同的网络时隙。
在本发明的用于在网内寂静时间期间记录RSSI测量的情况下检测RF干扰的另一个实施例中，无线现场设备网格网络18中的调度为在分派的时隙期间在分派的RF信道上发送或接收传输的每个无线设备20a-20i...20N和接入点22在网络完全寂静的时隙部分(或“子时隙”)期间测量所分派的信道上的RSSI。图3A和3B示出了该实施例的分别针对发射机节点和接收机节点的时隙内的“寂静子时隙”的互补安排。每个分派的时隙具有指定的发射机节点和指定的接收机节点。时隙由可变长度和类型的子时隙的安排组成，所述安排支配在该时隙内发射机和接收机采取的动作的定时。该安排在链接的节点之间是互补的，并且不断地重复。如图3A所示，发射机时隙30c开始于Tx偏移子时隙32c，后面跟着Tx子时隙34c。Tx子时隙34c后跟着Tx到Rx子时隙36c，继而在Tx到Rx子时隙36c后跟着ACK/NACK侦听子时隙38c、Tx寂静子时隙40和Tx空子时隙42c。图3B示出了接收机时隙50c，其开始于Rx寂静子时隙52，其后跟着Tx侦听子时隙54c。Tx侦听子时隙54c后面跟着Rx到Tx子时隙56c、TxACK/NACK子时隙58c、以及Rx空子时隙60c。发射机时隙30c和接收机时隙50c实际上是分别从发射机节点和接收机节点观察的相同的网络时隙。
在接收机时隙50c的开始处，在Rx寂静子时隙52期间，接收机节点使用上面描述的ED功能来执行RSSI测量，并且存储测量结果以及测量时间和RF信道。在该时间期间，发射机节点是寂静的，将任何传输延迟Tx偏移子时隙32c。Tx偏移子时隙32c的长度至少等于最大的网络时间同步误差加上用于接收机节点进行其RSSI测量的时间(即Rx寂静子时隙52)的和。Tx偏移子时隙32c将传输延迟足够长的时间，以确保在Rx寂静子时隙52的RSSI测量的同时，发射机节点将不进行发射。重要地，因为对于网络中的所有无线设备，在所有分派的时隙中都存在相同的Tx偏移子时隙32c，所以网络在Rx寂静子时隙52的RSSI测量期间在所有RF信道上是完全寂静的。RSSI测量结果将指示背景RF噪声级别或者RF干扰的存在。因为网络是完全寂静的，所以这不是接收机节点接收导致无线设备后续发射ACK或NACK响应的信号的时间。
在Rx寂静子时隙52之后，接收机节点在Tx侦听子时隙54c期间侦听来自发射机节点的任何传输。同时，在Tx偏移子时隙32c之后，发射机节点在Tx子时隙34c期间进行发射。Tx子时隙34c的长度足够长以容纳数据分组，包括伴随数据的所有的报头和尾部字节。Tx侦听子时隙54c的长度由Tx子时隙34c的长度加上至少两倍的网络时间同步误差来确定。这确保了，无论最大网络时间同步误差的方向如何，Tx子时隙34c将全部落在Tx侦听子时隙54c内。在Tx侦听子时隙54c期间，接收机还进行RSSI测量，其可以如上所述用于确定要用在设备之间的链路上的最佳的具体RF信道(以及，可选地，结合上述开放侦听实施例，用于另外的RF干扰检测测量)。在Tx子时隙34c之后，在Tx到Rx子时隙36c期间发射机节点将其无线电装置从发射切换到接收，接着在ACK/NACK侦听子时隙38c期间开始侦听来自接收节点的确认数据分组的成功接收的确认信号。如果在Tx侦听子时隙54c期间接收节点成功接收数据分组，则在Rx到Tx子时隙56c期间接收节点将其无线电装置从接收切换到发射，接着在Tx ACK/NACK子时隙58c期间向发射机节点发送ACK响应。备选地，如果在Tx侦听子时隙54c期间接收机节点由于预定的错误条件没有成功接收数据分组，则在Rx到Tx子时隙56c期间接收机节点将其无线电装置从接收切换到发射，接着在TxACK/NACK子时隙58c期间向发射机节点发送NACK响应。ACK/NACK侦听子时隙38c足够长以容纳Rx到Tx子时隙56c和TxACK/NACK子时隙的长度。这确保了ACK/NACK子时隙58c将全部落在ACK/NACK侦听子时隙38c内。
在ACK/NACK侦听子时隙38c之后，在Tx寂静子时隙40期间，发射机节点使用上面描述的ED功能来执行RSSI测量，并且存储测量结果以及测量时间和RF信道。ACK/NACK侦听子时隙38c将Tx寂静子时隙40延迟足够长的时间以确保在Tx寂静子时隙40的RSSI测量的同时，接收机节点将不发射ACK或NACK响应。重要地，因为相同的发射机时隙30c和接收机时隙50c是在网络中的所有无线设备中出现的相同的网络时隙的部分，所以网络在Tx寂静子时隙40的RSSI测量期间在所有RF信道上是完全寂静的。Tx寂静子时隙40的RSSI测量结果将指示背景RF噪声级别或者RF干扰的存在。如Rx寂静子时隙52的RSSI测量一样，因为在Tx寂静子时隙40的RSSI测量期间网络是完全寂静的，所以这不是发射机节点接收导致接收机节点发射ACK或NACK响应的信号的时间。
备选地，Rx寂静子时隙可以被调度在Rx空子时隙60c内在ACK/NACK侦听子时隙38c结束之后。图3A和3C示出了分别针对发射机节点和接收机节点的时隙内的寂静子时隙的备选互补安排。除了用Rx寂静子时隙62替换Rx寂静子时隙52之外，所有情况与上面针对图3A和3B的描述相同。Rx寂静子时隙62示出为恰好在ACK/NACK侦听子时隙38c的结束处，与Tx寂静子时隙40重合，但是Rx寂静子时隙62可以是Rx空子时隙60c内的任何地方。与Rx寂静子时隙52和Tx寂静子时隙40的RSSI测量一样，因为在Rx寂静子时隙62的RSSI测量期间网络是完全寂静的，所以这不是发射机节点接收导致接收机节点发射ACK或NACK响应的信号的时间。该备选对于下述TMDA协议特别有用，该TMDA协议与
Figure BDA0000113155610000141
不同，其先开始发射，然后激活接收机以侦听传输。这样的协议在具有非常少的传输的网络中是有用的。在这样的网络中，用于单个传输前导(其足够长以在接收机最终打开时还在发射)的额外功率大于来自许多接收机在关闭之前必须侦听的较短时间的能量节省的补偿。对于这种协议，Rx寂静子时隙52将不总是在网络完全寂静的时间期间，但是，Rx寂静子时隙62将仍然在网络完全寂静的时间期间。
在前面的实施例中，在网内寂静时间期间进行的测量被临时存储在执行测量的无线设备中，并且直到确定了代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值时才被丢弃。再次参考图1，代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值直到成功地在报告(RSSI报告)中发射给CSWM26时才会被丢弃。定期地，例如每隔15分钟，无线现场设备网格网络18的每个无线设备20a-20i...20N和接入点22根据该时间段临时存储的RSSI测量值和每个测量的时间来确定代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。代表接收RF功率的测量结果的值是针对该时间段期间测量的每个RF信道来确定的。在确定并临时存储针对每个RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值之后，无线现场设备网格网络18的每个无线设备20a-20i...20N在若干路径中的一条路径上逐节点地将由针对每个RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值构成的RSSI报告发送通过无线现场设备网格网络18，直到它们到达接入点22。在该实施例中，接入点22接着通过专用链路28将RSSI报告发送给网关16和运行在网关16上的CSWM 26。(备选地，如果CSWM 16改为运行在其他位置，例如运行在主计算机12上，则网关16将该报告转发给CSWM 26。)类似地，接入点22执行与每个无线设备20a-20i...20N执行的相同类型的测量、确定和RSSI报告生成，并且定期通过专用链路28将RSSI报告发送给网关16和CSWM 26。因为接入点通常不是能量受限的设备，所以它们自由地收集更多的数据，以及比典型的无线设备更频繁地报告更多的数据。CSWM 26通过向每个无线设备20a-20i...20N和接入点22发送确认报告的成功接收的返回消息，对成功接收来自每个无线设备20a-20i...20N和接入点22的RSSI报告做出响应。备选地，每个无线设备20a-20i...20N和接入点22的相邻节点通过发送确认报告或报告的一部分的成功接收的返回消息，对成功接收来自每个无线设备20a-20i...20N和接入点22的RSSI报告做出响应。在任一情况下，在接收到确认成功接收的返回消息时，每个无线设备20a-20i...20N和接入点22丢弃该时间段的针对每个RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。同时，每个无线设备20a-20i...20N和接入点22已经开始进行新的RSSI测量，生成新的代表接收RF功率的测量结果的值并且构建针对新的时间段的新的RSSI报告。
在基本相同的时间上发射每个无线设备20a-20i...20N的RSSI报告将导致控制和过程监视系统10的所有或部分的控制和过程监视功能离线(offline)，以适应无线现场设备网格网络18的传输容量上的这种负担。相反，网络管理器24以交错的方式调度每个无线设备20a-20i...20N发射报告(以及间接地，接收确认消息)的定时，使得添加的传输负担很好地处于无线现场设备网格网络18的传输容量内。
一旦CSWM 26接收来自无线设备20a-20i...20N中的至少一些无线设备以及来自接入点22的RSSI报告，其针对每个RF信道确定接收RF功率的测量结果的基线统计值。在没有激活的干扰源存在的情况下，基线统计值通常接近设备中使用的无线电装置的接收阈值界限(例如，针对大多数IEEE 802.15.4收发器是-90dBm)。其将报告的RF功率的测量结果与对应的基线统计值进行比较。与对应的基线统计值相比超过给定量的报告的RF功率的测量结果指示RF干扰源，并且使得CSWM 26通过高速网络14向运行在主计算机12上的软件应用29发出警报。该给定量可以是用户定义的接收RF功率阈值界限。另外，CSWM 26将来自至少三个无线设备的指示RF干扰源的报告的RF功率的测量结果进行组合和相关，并且使用现有技术已知的标准三角计算来确定RF干扰源的位置。例如，无线设备20a-20i...20N仅报告统计值和对应的测量时间，其包括针对每个RF信道的最大接收RF功率值和最大接收RF功率值的时间。无线设备20h和20i报告超过先前预定的RF功率阈值的接收RF功率的测量最大值。无线设备20g是下一个最接近的，尽管其报告的接收RF功率测量值不超过先前预定的RF功率阈值，但是其仍具有与基线值相比稍微抬高的报告的RF功率最大值。CSWM 26比较20h、20i和20g的接收RF功率最大值，并且使用已知的标准三角算法来确定RF干扰源R1的位置。与警报一起，通过高速网络14将RF干扰源R1的位置发送给运行在主计算机12上的软件应用29。备选地，该警报和RF干扰源R1的位置显示在网关16上，供系统操作员使用。在该例子中，通过仅发射统计信息而不是每个测量结果，以及仅定期进行报告(例如，每隔15分钟)，该实施例最小化了为了在定期的、进行中的、基本连续的基础上提供对整个网络中的RF干扰的检测和定位所需的对任何单个节点的能量影响。
本发明的用于在网内寂静时间期间记录RSSI测量的情况下检测RF干扰的另一个实施例是在“开放信道时隙”期间。开放信道时隙是一个RF信道在一个时隙中没有被网络管理器分配。在该开放信道时隙期间，网络管理器没有调度无线现场设备网格网络中的任何设备在该RF信道上进行发射。其他链路可能在该相同时隙期间在其他RF信道上通信，但是没有任何链路会操作在该开放信道上。在开放信道时隙期间，在该时隙期间没有分配给链路的一个或多个无线设备由网络管理器命令以在一个或多个开放信道上进行RSSI测量。在所有的RF信道在具体的开放时隙中都是开放的情况下，网络管理器可以命令一个或多个设备在所有RF信道上进行RSSI测量。因为无线现场设备网格网络中没有任何设备在该时隙期间在开放信道上进行发射，所以这是那些开放信道上的针对网内业务的寂静时间。
参考图1，网络管理器24协调在开放信道时隙期间的无线现场设备网格网络18中的RSSI测量。网络管理器24向无线现场设备网格网络18的每个无线设备20a-20i...20N和接入点22发送指令，以在没有分配用于网络通信的一个或多个时隙期间在若干分配的RF信道中的至少一个信道上进行一系列RSSI测量，以及在执行测量的设备中存储RSSI测量值和测量时间。一旦收集了RSSI测量数据和测量时间，每个无线设备20a-20i...20N和接入点22根据该时间段的临时存储的RSSI测量值和每个测量的时间来确定代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。代表RF功率的测量结果的值是针对该时间段期间测量的每个RF信道来确定的。在确定并临时存储针对每个RF信道的代表RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值之后，无线现场设备网格网络18的每个无线设备20a-20i...20N在若干路径中的一条路径上逐节点地将由针对每个RF信道的代表RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值构成的RSSI报告发送通过无线现场设备网格网络18，直到它们到达接入点22。接入点22接着通过专用链路28将来自每个无线设备20a-20i...20N的RSSI报告以及其自己的RSSI报告发送给网关16和CSWM 26。CSWM 26通过向每个无线设备20a-20i...20N和接入点22发送确认报告的成功接收的返回消息，对成功接收来自每个无线设备20a-20i...20N和接入点22的RSSI报告做出响应。备选地，每个无线设备20a-20i...20N和接入点22的相邻节点通过发送确认报告的成功接收的返回消息，对成功接收来自无线设备20a-20i...20N和接入点22的RSSI报告做出响应。在任一情况下，在接收到确认成功接收的消息时，每个无线设备20a-20i...20N和接入点22丢弃针对所请求的一系列RSSI测量的针对每个RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。网络管理器24以交错的方式调度RSSI报告和接收确认消息的传输的定时，使得添加的传输负担很好地处于无线现场设备网格网络18的传输容量内。
在需要RF干扰信息时，本发明的实施例能够形成在整个无线现场设备网格网络上的ISM频谱上的RF干扰的图，同时限制网络的正常操作的中断。这在为了节省能量或者因为不需要更频繁的通信而使得很少的时隙被分配用于通信的时间和位置处特别有用。因为无线现场设备网格网络18中的本地供电的无线设备可用的能量通常是有限的，所以本实施例是在按需基础上使用的，而不是在前面的实施例的连续基础上使用。
这些不同的实施例特别良好地适合于检测和定位瞬时RF干扰，因为来自无线设备的RSSI报告包括代表对应的RF测量时间的值，所述值由网络管理器24在控制和过程监视系统10中协调到约1毫秒内的精确度(例如在
Figure BDA0000113155610000181
)。CSWM 26通过比较每个无线设备的对应的RF测量时间来组合来自至少三个无线设备的指示在相同时间帧内的RF干扰源的RSSI报告，并且利用现有技术已知的标准三角算法来确定RF干扰源的位置。CSWM 26通过例如在趋势线上绘制RSSI数据，生成RF信道的频谱图、在图上突出干扰源位置、或者通过示出位置随时间在图上的移动，比较一系列位置以识别瞬时或移动的RF干扰源。
图4是示出本发明的用于测量和分析具有多个接入点的无线现场设备网格网络附近和内部的RF干扰的另一个实施例的示图，无论接入点服务的网格网络的区域是否部分重叠。因为接入点具有将通信往无线现场设备网格网络内或外中继的有限能力，所以较大的控制和过程监视系统需要多个接入点来处理网络中的增长数目的节点，或者以其他方式来统一各自具有自己的接入点的分离的无线现场设备网格网络。根据一个实施例，图4示出了控制和过程监视系统10，其包括主计算机112、第一高速网络114、网关116、第二高速网络118、以及无线现场设备网格网络119。无线现场设备网格网络119包括无线现场设备网格网络区域120、122和124。无线现场设备网格网络区域120包括无线设备或节点130a-130i...130N以及接入点132。无线现场设备网格网络区域122包括无线设备或节点140a-140i...140N以及接入点142。无线现场设备网格网络区域122示出为与无线现场设备网格网络区域120部分重合，但是也可以是完全重合，或者与120完全分离。无线现场设备网格网络区域124包括无线设备或节点150a-150i...150N以及接入点152。主计算机112包括网络管理器160和CSWM 162，尽管备选地网络管理器160和CSWM 162中的任意一个或两者可以驻留在网关116上。主计算机112还包括软件应用164。软件应用164例如是控制软件或者监视软件。在图4中还存在干扰源R2和R3。
消息通过第一高速网络114从主计算机112传送到网关116。目的地为无线现场设备网格网络区域120、122和124之一中的节点的消息通过第二高速网络118从网关16分别发送给接入点132、142和152之一。接入点132、142和152之一接着将消息直接或以逐跳的方式通过若干不同路径中的一条路径将消息分别发射给无线现场设备网格网络区域120、122和124的无线设备130a-130i...130N、140a-140i...140N以及150a-150i...150N中的一个设备。返回消息按照相反路径回到主计算机112。由运行在主计算机112上的网络管理器160分派为了协调整个无线现场设备网格网络119上的通信所需的节点之间的时隙、链路分配、以及RF信道分配。
本发明的该实现的实施例使用了在网内寂静时间期间(在如上文参考图1、2A-2D以及3A-3B描述的开放侦听、开发信道时隙以及寂静子时隙中的至少一个期间)进行的RSSI测量。
RSSI测量值和每个测量的时间以及RF信道被临时存储在执行测量的设备中，并且直到确定了代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值时才被丢弃。再次参考图4，代表RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值直到成功地在报告(RSSI报告)中发射给CSWM 162或备选地发射给相邻节点时才会被丢弃。定期地，例如每隔15分钟，无线现场设备网格网络119的每个无线设备和接入点确定该时间段的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。代表接收RF功率的测量结果的值是针对在该时间段期间测量的每个RF信道来确定的。在确定针对每个RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值之后，无线现场设备网格网络区域120、122和124的每个无线设备在若干路径中的一条路径上逐节点地将由针对每个RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值构成的RSSI报告发送通过无线现场设备网格网络区域120、122和124，直到它们到达接入点132、142或152中的任何一个。接入点132、142或152接着通过第二高速网络118将来自无线现场设备网格网络区域120、122和124中的每个无线设备的RSSI报告以及它们自己的RSSI报告发送给网关116。网关116通过第一高速网络114将该报告转发给主计算机112上的CSWM 162。CSWM 162通过发送确认每个RSSI报告的成功接收的返回消息，对成功接收来自无线现场设备网格网络区域120、122和124中的每个无线设备和接入点132、142和152的RSSI报告做出响应。备选地，无线现场设备网格网络区域120、122和124的每个无线设备和接入点132、142和152的相邻节点通过发送确认报告的成功接收的返回消息，对成功接收RSSI报告做出响应。在任一情况下，在接收到确认成功接收的消息时，无线现场设备网格网络区域120、122和124中的每个无线设备和接入点132、142和152丢弃该时间段的针对每个RF信道的所存储的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。网络管理器160以交错的方式调度RSSI报告和接收确认消息的传输的定时，使得添加的传输负担很好地处于无线现场设备网格网络119的传输容量内。
一旦CSWM 162接收来自无线现场设备网格网络区域120、122和124中的每个无线设备和接入点132、142和152的RSSI报告，其针对每个RF信道确定RSSI测量的基线统计值。在没有激活的干扰源存在的情况下，基线统计值通常接近设备中使用的无线电装置的接收阈值界限(例如，针对大多数IEEE 802.15.4收发器是-90dBm)。其将报告的RF功率的测量结果与对应的基线统计值进行比较。与对应的基线统计值相比超过给定量的报告的RF功率的测量结果指示RF干扰源，并且使得CSWM 162向运行在主计算机112上的软件应用164发出警报。对于检测和分析无线现场设备网格网络的单个区域附近或内部的干扰源，诸如RF干扰源R2，本实施例的操作与上文参考图1描述的第一实施例非常类似。例如，无线设备140b、140f和140g通过接入点142(或接入点132，通过无线现场设备网格网络区域122和124之间的重合)以及第二高速网络118向网关116报告统计值和对应的测量时间，其包括针对每个RF信道的超过先前定义的接收RF功率阈值的最大接收RF功率值和最大RF功率值的时间(作为RSSI报告的一部分)。网关116通过第一高速网络114将该报告发送给CSWM 162。CSWM 162比较140b、140f和140g的接收RF功率最大值和对应的测量时间，并且使用已知的标准三角算法来确定RF干扰源R2的位置。优选地，与警报一起，将RF干扰源R2的位置发送给运行在主计算机112上的软件应用164。备选地，该警报和RF干扰源R2的位置通过第一高速网络114进行发射并且显示在网关116上，供系统操作员使用。
与参考图1描述的实施例不同的是，本实施例还使用来自整个无线现场设备网格网络119上的无线设备或多个接入点的信息，检测和定位在单个无线现场设备网格网络区域120、122和124之外的RF干扰源，例如RF干扰源R3。因为网络管理器160以1毫秒内的精确度协调无线现场设备网格网络119中(诸如在
Figure BDA0000113155610000211
中)的所有无线设备和接入点的时隙和RF信道分配，所以来自无线现场设备网格网络119的不同部分的无线设备或接入点的RF干扰信息可以精确地进行组合以提供RF干扰源R3的精确位置。在RF干扰源R3的例子中，检测到的来自该源的RF能量最大的三个无线设备是无线现场设备网格网络区域120的无线现场设备130h、无线现场设备网格网络区域122的接入点142和无线现场设备网格网络区域124的接入点152。无线设备130h(经由接入点132)、接入点142和接入点152通过第二高速网络118向网关116报告针对每个RF信道的超过先前确定的接收RF功率阈值的最大RF功率值和最大RF功率值的时间(作为RSSI报告的一部分)。网关116通过第一高速网络114将该报告发送给CSWM 162。CSWM 162比较来自无线设备130h、接入点142和接入点152的针对每个RF信道的最大RF功率值和最大RF功率值的对应时间，并且使用已知的标准三角算法来确定RF干扰源R3的位置。与警报一起，将RF干扰源R3的位置发送给运行在主计算机112上的软件应用164。备选地，该警报和RF干扰源R3的位置通过第一高速网络114进行发送并且显示在网关116上，供系统操作员使用。
在该实施例中，因为网络管理器在整个控制和过程监视系统内以1毫秒内的精确度协调无线现场设备网格网络中的时隙和RF信道分配，所以来自无线现场设备网格网络的不同的单个无线现场设备网格网络区域的无线设备或接入点的RF干扰信息可以精确地进行组合以在连续的基础上在较大的区域上提供RF干扰源的精确位置。
在本发明的所有实施例中，对于定位两维上的干扰源而言，使用来自三个无线设备(或接入点)的信息的标准三角计算是理想的，因为它们识别了单个位置。组合来自多于三个设备的信息提高了本发明的位置精确度。然而，如果仅两个无线设备检测到干扰源，则来自两个无线设备的信息如果与非RF特性信息进行组合，则也差不多是有用的。例如，根据来自两个无线设备的指示RF干扰源的RSSI测量发现的两个可能的RF干扰源位置之一如果是在可能的RF干扰源难以到达的受保护区域，则可以根据规则剔除。
如上面提到的，CSWM能够通过下述方式在主计算机或者网关上显示RF干扰信息：例如在趋势线上绘制RSSI数据，生成包括频谱密度和RF历史的频谱图、在图上突出干扰源位置、示出干扰源的占空因素、示出按照信道或按照的RSSI、按照信道将逐个链路的干扰RSSI与网内RSSI进行比较、使用柱状图示出作为干扰RSSI的函数的路径稳定度、或者通过示出位置随时间在图上的移动。CSWM能够显示组合，以及示出覆盖有干扰源和干扰RSSI的网络拓扑(例如，节点、链路、路线)。另外，CSWM能够组合代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值，以生成多点梯度图，其与热红外分布图类似。多点梯度图可以针对执行测量的无线设备的已知位置，以各种颜色或阴影来显示代表在对应的测量时间处或对应的测量时间范围上的针对分配的RF信道的接收RF功率的测量结果的级别的值。多点梯度图覆盖无线现场设备网格网络的全部或者一部分，提供了对RF背景和RF干扰级别的易于理解的视觉指示。
对于本发明的所有实施例，RSSI报告是可配置的，从间歇报告(例如，参考开放侦听和寂静子时隙实施例描述的15分钟报告周期)到主动报告(诸如上面针对开放信道时隙实施例描述的那样，其中进行所请求的一系列RSSI测量并且以很小的延迟返回值)。应该理解，RSSI测量可以单独地或者以任何组合来使用上面描述的三个网内寂静时间，并且在所有例子中，可以针对使用的每个网内寂静时间单独配置(从间歇到主动)RSSI报告的频次和响应率。此外，还应该理解，RSSI报告请求还可以通过规定RF功率测量的预定范围以及丢弃在该预定范围外的所有RSSI读数来过滤用于创建RSSI报告的RSSI读数。所有的RSSI报告请求源自CSWM，并且由网络管理器进行协调和实现。
在所有的实施例中，具有本地操作员接口(LOI)的无线设备或者接入点能够显示由无线设备或接入点进行的任何实际的RSSI测量以及由无线设备或接入点根据RSSI测量如上所述确定的代表接收RF测量的值。根据上面描述的实施例，显示的信息仅是保留在本地存储器中的信息。
在所有实施例中，如果为了更好地识别RF干扰源的位置需要另外的RSSI测量，则可以使用手持无线设备，包括具有接收RF功率测量能力的无线电装置，诸如符合IEEE 802.15.4标准的无线电装置。手持无线设备与网络管理器协调以通过本地无线现场设备网格网络与网络管理器通信，以便识别与导致无线设备发射ACK或NACK响应的信号的接收期间不同的时间，诸如开放侦听、寂静子时隙、或者开放信道时隙。手持无线设备在本地无线现场设备网格网络中的手持无线设备的用户选择的RF信道上进行RSSI测量。在手持无线设备上显示实际的RSSI测量和统计值。
除了检测和定位RF干扰源，本发明还利用其逐个信道的RF频谱分析，通过确定每个RF信道的RF干扰强度和创建每个RF干扰的RF频谱特征图，来识别检测到的RF干扰源。通过比较RF干扰的RF频谱特征图和已知RF干扰源的RF频谱特征图，可以识别出RF干扰源。由CSWM完成针对干扰源的通用类型(诸如，Wi-Fi)的特性描述。本发明的CSMW还通过下述方式来识别检测到的RF干扰源：使用代表检测到的RF干扰的对应的测量时间的值来确定RF干扰的时间图样(例如，每90分钟或者每个星期四下午2点的RF干扰)。将该时间图样与已知RF干扰源的时间图样进行比较以识别出RF干扰源。如上面讨论的其他类型的RF干扰信息一样，CSWM能够在主计算机或者网关上显示干扰源类型和时间图样信息。
本发明使用了构成无线现场设备网格网络的无线设备中可用的接收RF功率测量能力来检测RF干扰源。本发明利用无线设备在网内寂静时间期间(诸如开放侦听、寂静子时隙或者开放信道时隙)进行每个RF信道上的多个RSSI测量。在这些时间期间，最可能容易和精确地检测背景或外部RF干扰。由无线设备根据接收RF功率测量来确定代表接收RF功率的测量结果的值，以及由网络管理器协调和实现，在定期报告中或者备选地响应于来自CWSM的特定请求，将这些值发送给CWSM。这实现了对有助于检测RF干扰源的精确RF干扰测量统计的有效收集，以及操作员调整系统以关注于针对特定位置、RF频带或者时间段进行数据收集和分析的灵活性。通过组合来自多个设备的针对每个RF信道的代表RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值，可以在任何时间间隔上逐个信道地分析背景噪声和整个网络的RF频谱。通过将这些分析与已知无线设备位置结合并且利用标准位置和三角算法，来发现RF干扰源的位置。另外，通过将所述分析和干扰源的通用类型(例如Wi-Fi)的RF特征图进行匹配，来发现RF干扰源的本质特性。
本发明通过仅报告统计信息而不是每个测量结果，最小化了为了提供对RF干扰的检测和定位所需的每个节点上的能量负担。通过在开放侦听、开放信道时隙、以及寂静子时隙测量之间变化，能够相对于所需的能量使用率，平衡针对更积极的干扰检测和定位的需求。而且，将数据收集和报告限制于少许节点或充足供电的节点，最小化了在大多数电池供电节点上的能量负担。另外，因为网络管理器在整个控制和过程监视系统内以1毫秒内的精确度协调针对所有的无线现场设备网格网络区域的时隙和RF信道分配，所以可以精确地组合来自不同的无线现场设备网格网络区域的无线设备或者接入点的RF干扰信息，以在连续的基础上提供较大区域上的RF干扰的精确位置。最后，通过以交错的方式协调RSSI报告和接收确认消息的传输，使得添加的传输负担很好地处于无线现场设备网格网络的传输容量内，对于网络操作的负面影响很小。
已经使用符合IEEE 802.15.4标准的无线电装置的示例来描述了本发明。然而，应该理解，本发明包括具有接收RF强度测量功能的其他无线通协议。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以做出各种修改以及可以用等效物替代其中的元素。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可以对本发明的教导做出许多修改以适应具体的情形和设备。因此，主旨在于，本发明不限于所公开的具体实施例，相反本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (38)

1.一种用于测量和分析无线现场设备网格网络附近和内部的射频RF干扰的方法，所述方法包括：
协调RF信道分配，并协调和同步测量时间；其中网络管理器在整个所述无线现场设备网格网络内协调RF信道分配并协调和同步测量时间；
利用构成所述无线现场设备网格网络的多个无线设备中的至少一个无线设备来测量所分配的RF信道上的接收RF功率；
如果对所分配的RF信道上的RF功率的测量不是在导致所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备发射肯定确认信号和否定确认信号之一的信号的接收期间执行的，则在所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备内存储在所分配的RF信道上测量的接收RF功率的测量结果以及对应的测量时间；
在所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备内，根据所存储的RF功率的测量结果和所存储的对应的测量时间，确定代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值；
在根据所存储的接收RF功率的测量结果和所存储的对应的测量时间，确定代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值之后，丢弃在所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备内存储的接收RF功率的测量结果和对应的测量时间；
从所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备向中央软件模块CSWM报告代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值；
在所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备处接收确认代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值已成功报告的信号；以及
在接收到所述确认代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值已成功报告的信号时，在所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备内丢弃代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在网关和主计算机中的至少一个上运行CSWM和网络管理器中的每一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中向CSWM报告代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值包括：以交错的方式通过无线现场设备网格网络传输报告。
4.根据权利要求1所述的方法，其中向CSWM报告代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果和代表对应的测量时间的值以网络管理器可配置的频度(rate)发生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述对应的测量时间位于下述时隙的一部分期间：在所述时隙的所述一部分期间，调度在所分配的RF信道上的通信，并且所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备在所述时隙期间不发射肯定确认信号或否定确认信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述对应的测量时间是在下述时隙期间：在所述时隙期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在所分配的RF信道上的任何通信。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述对应的测量时间是在下述时隙的一部分期间：在所述时隙的所述一部分期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在任何RF信道上的任何通信。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述确认代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值已成功报告的信号源自相邻节点和所述CSWM中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：在多点梯度图上显示代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：在本地操作员接口上显示下述信息中的至少一个：
在所分配的RF信道上测量的接收RF功率的测量结果和对应的测量时间；以及
代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在CSWM处监视所报告的代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值。
当所监视的代表接收RF功率的测量结果的值中的至少一个超过预定值时，检测RF干扰；以及
从CSWM生成向系统操作员和运行在主计算机上的控制或监视软件应用中的至少一个通知所述RF干扰的警报。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在CSWM处，分析所报告的代表在检测到RF干扰的、所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值，
在CSWM处，根据经分析的值创建所述RF干扰的RF频谱特征图；
在CSWM处，将所述RF干扰的RF频谱特征图与多个RF频谱特征图进行比较，所述多个RF频谱特征图中的每一个标识已知的RF干扰源；
根据经比较的RF频谱特征图来识别RF干扰源。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在CSWM处，分析所报告的代表在检测到RF干扰的、所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值，
在CSWM处，根据经分析的值确定RF干扰的时间图样；
在CSWM处，将所述RF干扰的时间图样与多个RF时间图样进行比较，所述多个RF时间图样中的每一个标识已知的RF干扰源；
根据经比较的RF时间图样来识别RF干扰源。
14.根据权利要求1所述的方法，其中确定代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值包括：在所述多个无线设备中的所述至少一个无线设备内计算所存储的接收RF功率的测量结果和所存储的对应的测量时间的统计值，其中计算统计值包括：计算所存储的接收RF功率的测量结果的最大值、最小值、平均值、标准偏差值和方差值中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在CSWM处，比较来自所述多个无线设备中的至少两个无线设备的、针对所分配的RF信道的、所计算的统计值和对应的测量时间，其中所述多个无线设备中的所述至少两个无线设备位于CSWM已知的位置处；
在CSWM处，根据经比较的所计算的统计值和时间并且根据所述多个无线设备中的所述至少两个无线设备的已知位置来确定所分配的RF信道上的RF干扰源的两个可能位置；
在CSWM处，比较所分配的RF信道上的RF干扰源的两个可能位置的非RF干扰特性，以确定所述RF干扰源的位置；以及
向系统操作员和运行在主计算机上的控制或监视软件应用中的至少一个报告所述RF干扰源的位置。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在CSWM处，比较来自所述多个无线设备中的至少三个无线设备的、针对所分配的RF信道的、所计算的统计值和对应的测量时间，其中所述多个无线设备中的所述至少三个无线设备位于CSWM已知的位置处；
在CSWM处，根据经比较的所计算的统计值和时间并且根据所述多个无线设备中的所述至少三个无线设备的已知位置来确定所分配的RF信道上的RF干扰源的位置；以及
向系统操作员和运行在主计算机上的控制或监视软件应用中的至少一个报告所述RF干扰源的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个无线设备中的所述至少三个无线设备的位置是固定位置。
18.一种用于测量和分析无线现场设备网格网络附近和内部的射频(RF)干扰的系统，所述系统包括：
中央软件模块(CSWM)，用于收集和分析代表在分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值以及代表接收RF功率的对应的测量时间的值；
多个无线设备，每个无线设备测量分配的RF信道上的接收RF功率和对应的测量时间；如果对接收RF功率的测量不是在导致无线设备发射肯定确认信号和否定确认信号之一的信号的接收期间执行的，则存储所述接收RF功率的测量结果；利用所存储的接收RF功率的测量结果和对应的测量时间来确定针对所分配的RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值；其中所存储的接收RF功率的测量结果和对应的测量时间被存储在所述无线设备中，直到确定了针对所分配的RF信道的代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值；其中代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值被存储在所述无线设备中，直到接收到确认来自所述无线设备的代表所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表接收RF功率的对应的测量时间的值已成功报告的信号；以及
网络管理器，用于协调所述多个无线设备之间的通信，协调RF信道分配，以及协调和同步整个无线现场设备网格网络中的对应的测量时间。
19.根据权利要求18所述的系统，其中每个无线设备在所述接收RF功率的测量结果是在预定的RF功率测量范围内时存储所述接收RF功率的测量结果。
20.根据权利要求18所述的系统，其中每个无线设备以下述方式向CSWM提供代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值以及所分配的RF信道：以由网络管理器协调的交错方式通过无线现场设备网格网络传输报告。
21.根据权利要求18所述的系统，其中每个无线设备以网络管理器可配置的频度向CSWM提供代表接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值以及所分配的RF信道。
22.根据权利要求18所述的系统，其中每个无线设备在所述接收RF功率的测量结果是在下述时隙的一部分期间执行的情况下存储所述测量结果：在所述时隙的所述一部分期间，调度在所分配的RF信道上的通信，并且所述无线设备在所述时隙期间不发射肯定确认信号或否定确认信号。
23.根据权利要求18所述的系统，其中每个无线设备在所述接收RF功率的测量结果是在下述时隙期间执行的情况下存储所述测量结果：在所述时隙期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在所分配的RF信道上的任何通信。
24.根据权利要求18所述的系统，其中每个无线设备在所述接收RF功率的测量结果是在下述时隙的一部分期间执行的情况下存储所述测量结果：在所述时隙的所述一部分期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在任何RF信道上的任何通信。
25.根据权利要求18所述的系统，其中网络管理器协调整个无线现场设备网格网络的对应的测量时间，使得对应的测量时间是在下述中的至少一个期间：
第一时隙的一部分，在所述第一时隙的所述一部分期间，调度所分配的RF信道上的通信，并且所述无线设备在所述第一时隙期间不发射肯定确认信号或否定确认信号；
第二时隙，在所述第二时隙期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在所分配的RF信道上的任何通信；
第三时隙的一部分，在所述第三时隙的所述一部分期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在任何RF信道上的任何通信。
26.根据权利要求18所述的系统，其中网络管理器协调整个无线现场设备网格网络的对应的测量时间，使得对应的测量时间是在下述中的至少一个期间：
第一时隙的第一部分，其中在所述第一时隙的所述第一部分期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在任何RF信道上的任何通信；
第一时隙的第二部分，在所述第一时隙的所述第二部分期间，调度所分配的RF信道上的通信，并且所述无线设备在所述第一时隙期间不发射肯定确认信号或否定确认信号；
第二时隙，在所述第二时隙期间，整个无线现场设备网格网络中没有被调度在所分配的RF信道上的任何通信。
27.根据权利要求18所述的系统，其中所述确认来自无线设备的代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的接收RF功率的测量时间的值已成功报告的信号源自相邻节点和所述CSWM中的至少一个。
28.根据权利要求18所述的系统，其中所述多个无线设备中的至少一个无线设备还包括本地操作员接口，所述本地操作员接口能够显示下述信息中的至少一个：
在所分配的RF信道上测量的接收RF功率的测量结果和对应的测量时间；以及
代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值。
29.根据权利要求18所述的系统，还包括手持无线设备，所述手持无线设备在用户选择的RF信道上测量接收RF功率和对应的测量时间，其中对所选择的RF信道上的RF功率的测量不是在导致所述手持无线设备发射肯定确认信号和否定确认信号之一的信号的接收期间执行的；其中所述网络管理器协调所述多个无线设备和所述手持无线设备之间的通信，并且协调和同步所述手持无线设备的对应的测量时间。
30.根据权利要求18所述的系统，其中CSWM和网络管理器中的每一个运行在网关和主计算机中的至少一个上。
31.根据权利要求30所述的系统，其中CSWM命令网关和主计算机中的至少一个在多点梯度图上显示代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值。
32.根据权利要求18所述的系统，其中CSWM：
监视代表在所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值；
当所监视的值中的至少一个超过预定值时，检测RF干扰；以及
生成向系统操作员和运行在主计算机上的控制或监视软件应用中的至少一个通知所述RF干扰的警报。
33.根据权利要求32所述的系统，其中CSWM还：
分析代表在检测到RF干扰的、所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值，
根据经分析的值创建所述RF干扰的RF频谱特征图；
将所述RF频谱特征图与多个RF频谱特征图进行比较，所述多个RF频谱特征图中的每一个标识已知的RF干扰源；以及
根据经比较的RF频谱特征图来识别RF干扰源。
34.根据权利要求32所述的系统，其中CSWM还：
分析代表在检测到RF干扰的、所分配的RF信道上的接收RF功率的测量结果的值和代表对应的测量时间的值，
根据经分析的值确定RF干扰的时间图样；
将所述RF干扰的时间图样与多个RF时间图样进行比较，所述多个RF时间图样中的每一个标识已知的RF干扰源；
根据经比较的RF时间图样来识别RF干扰源。
35.根据权利要求18所述的系统，其中所述每个无线设备确定的代表接收RF功率的测量结果的值是针对所分配的RF信道的统计值，其中所述统计值包括：最大值、最小值、平均值、标准偏差值和方差值中的至少一个。
36.根据权利要求35所述的系统，其中CSWM：
比较来自所述多个无线设备中的至少两个无线设备的、针对所分配的RF信道的所述统计值和对应的测量时间，其中所述多个无线设备中的所述至少两个无线设备位于CSWM已知的位置处；
根据经比较的统计值和时间并且根据所述多个无线设备中的所述至少两个无线设备的已知位置，来确定所分配的RF信道上的RF干扰源的两个可能位置；
比较所分配的RF信道上的RF干扰源的两个可能位置的非RF干扰特性，以确定所述RF干扰源的位置；以及
向系统操作员和运行在主计算机上的控制或监视软件应用中的至少一个报告所述RF干扰源的位置。
37.根据权利要求35所述的系统，其中CSWM还：
比较来自所述多个无线设备中的至少三个无线设备的、针对所分配的RF信道的所述统计值和对应的测量时间，其中所述多个无线设备中的所述至少三个无线设备位于CSWM已知的位置处；
根据经比较的统计值和时间并且根据所述多个无线设备中的所述至少三个无线设备的已知位置来确定所分配的RF信道上的RF干扰源的位置；以及
向系统操作员和运行在主计算机上的控制或监视软件应用中的至少一个报告所述RF干扰源的位置。
38.根据权利要求37所述的系统，其中所述CSWM已知的多个无线设备中的所述至少三个无线设备的位置是固定位置。
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