CN1954555A - 具有协调接收机分集的冗余无线节点网络 - Google Patents

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Abstract

无线节点网络通常以射频(RF)方式或以其他频率发射电磁信号。多个基础设施节点获取由各个无线节点发射的信号。组合这些信号以估计由如叶节点传感器的无线节点发射的实际信号。许多不同的分集技术可用于组合这些信号。在一个实施例中，最大比值组合、等增益组合、选择组合或切换组合用于组合这些信号。

Description

具有协调接收机分集的冗余无线节点网络
发明领域
本发明涉及无线节点网络，并且具体地说涉及具有协调接收机分集的冗余无线节点网络。
发明背景
如传感器的无线节点经由与中央控制器通信的多个基站或接入点而联网。传感器在低功率下工作以节约电池，从而延长需要替换电池的时间周期。这意味着由传感器产生的射频(RF)信号将具有极其弱的信号强度。在传感器网络到处都设有基站，而基站与传感器之间的无线链路很容易受阴影效应和衰落效应的影响，在室内无线环境中尤为如此。这些效应是由沿多条路径的RF传播和如传感器和基站之间的墙壁的物体导致的。这些效应对网络的范围和可靠性有不利影响。在传统无线传感器网络中，各个传感器只向一个基站报告，该基站接着将该信号传递到控制中心。传感器与基站之间的RF链路中的波动会影响性能。
发明内容
无线节点网络通常以射频(RF)方式或以其他频率发射电磁信号。多个基础设施节点获取由各个无线节点发射的信号。组合所接收的信号以估计由无线节点发射的实际信号。许多不同的分集技术可用于组合这些信号。
诸如叶节点(leaf node)的无线节点的使用在叶节点布局方面提供了大的灵活性，包括在无法容易走线的地方。在是线路供电的有线基础设施节点的情况下，基础设施节点布局可由功率利用率来指定。线路供电或者电池供电的无线基础设施节点也可用于在布局方面提供更大的灵活性。基础设施节点由安装者放置，以确保叶节点传输的冗余接收，从而确保分集。
在一个实施例中，将基础设施节点所接收的信号发射到组合这些信号的中央设备。在另一实施例中，基础设施节点协同工作，如通过主从类型的关系来组合这些信号。换句话说，主基础设施节点从一个或多个其他基础设施节点接收信号，该一个或多个其他基础设施节点从叶节点接收了信号。主基础设施节点然后将这些信号与它直接接收的信号(如果可以得到的话)一同进行组合。
在一个实施例中，最大比值组合用于组合所接收的信号。在各个基础设施节点所接收的信号可视为所发射的信号乘无线信道系数加噪声因子。为获得叶节点的信号估计，两个或者两个以上所接收的信号再次与它们各自的无线信道系数的复共扼相乘并相加，得到组合的信号，该信号具有提高的信噪比(SNR)，从而改善了估计过程。
在另外的实施例中，其他分集技术包括等增益组合、选择组合、切换组合和其他技术。分集组合技术可用于提高SNR，因此改善了信号估计过程。
附图说明
图1是根据本发明的实施例将分集用于叶节点的信号估计的无线节点网络的框图。
图2是无线传感器/叶节点的框图。
图3是两个基础设施节点从单个无线节点接收信号的实施例的框图。
图4是两个基础设施节点从单个无线节点接收信号的另一实施例的框图。
具体实施方式
在以下说明中，参照作为其一部分的附图，附图中通过举例示出可实施本发明的特定实施例。对这些实施例进行了充分详细的描述，以使本领域的技术人员可以实施本发明，应当理解，可以利用其他实施例，并且在不背离本发明范围的情况下，可以进行结构、逻辑和电气上的改变。因此，不应从限制的意义上理解以下说明，而本发明的范围由所附权利要求书来限定。
本文所述的功能或者算法用软件或硬件或者软件和硬件的组合来实现。软件包括存储在如存储器或者其他类型的存储设备的计算机可读媒介上的计算机可执行指令。术语“计算机可读媒介”还用于表示在其上传送软件的载波。此外，这样的功能对应于模块，它们是软件、硬件、固件或者其任何组合。根据需要在一个或多个模块中执行多个功能，而所述实施例仅是示例。在数字信号处理器、ASIC、微处理器或在如个人计算机、服务器或其他计算机系统的计算机系统上操作的其他类型的处理器上执行软件。
图1总体上示出了无线网络100。在一个实施例中，无线网络包括多个中间节点110、112、114、116、118、120、122、124和126，它们还被称为基础设施节点。这些基础设施节点耦合到中央控制135。与这些基础设施节点相关联的是多个无线节点140、142、144、146、148、150、152和154。在一个实施例中，这些无线节点可以是包含传感器的叶节点。
基础设施节点可通过如160所指示的高功率连接来耦合。高功率连接160的形式可以是如远程RF的无线连接，或者还可以是有线连接。这些基础设施节点还经由连接160耦合到中央控制135。以一个特殊的布置示出连接160，但不表明要限制为此类布置。任何提供合适通信能力的连接均在连接160的意义范围内。
无线节点如朝向所选基础设施节点发出的线170表示的那样发射信号。例如，无线节点140示出为如线170表示的那样在多个方向上发射信号。线170示出四个基础设施节点110、112、114和116接收由无线节点140发射的信号。图1中的各个无线节点被表示成让其信号由多于一个的基础设施节点接收。一些无线节点信号只由两个基础设施节点接收，如无线节点152。无线节点152仅让其信号由基础设施节点122和124接收。另外的无线节点可以让信号由多于两个的基础设施节点接收，如无线节点140、144、148。虽然网络100可以包含一些其信号不是由多于一个的基础设施节点接收的无线节点，但是不会使用分集来估计这样的无线节点的信号。
虽然在图1中为简洁起见示出有限数量的无线节点，但应当明白，各个基础设施节点均可接收来自比所表示的多得多的无线节点的信号。网络100中还可以使用更多的基础设施节点。
在一个实施例中，图2中在200处更详细示出的无线节点包括耦合到低功率收发信机220的传感器210。在另外的实施例中，收发信机220还可以仅具有发射能力。无线节点由电池230供电，或者可具有另一电源，如在一个实施例中具有太阳能电源。无线节点200以低功率进行发射。各个无线节点与至少一个基础设施节点相关联。换言之，它设在与相关联的基础设施节点足够接近的位置上，使得它以低功率发射的信号可由基础设施节点充分接收。在一个实施例中，无线节点是叶节点，但可处于网络内的任何位置上。
由传感器或无线节点发射的信号还由其他独立基础设施节点接收。这些基础设施节点彼此隔开，并且它们中不止一个可接收由与不同的独立基础设施节点相关联的传感器发射的信号。至少两个基础设施节点从一个无线节点接收信号。基础设施节点和相关联的无线节点的组合提供监视和或控制如工业生产过程的所需环境的能力。
参见图3，传感器/无线节点310发射由第一基础设施节点320和第二基础设施节点330接收的信号。这些基础设施节点还将所接收的信号发射到控制中心340。基础设施节点320和330均通过无线信道从传感器/无线节点接收信号，它们各自具有无线信道系数h1和h2，如在350和360处所示。无线信道系数是沿多条路径和如传感器/无线节点310和基础设施节点之间的墙壁的物体的信号传播的函数。无线信道系数可通过发送已知信号并测量在基础设施节点接收的信号来确定。
控制中心使用分集技术来组合所接收的信号。分集技术一直由具有多个天线的单独设备用于接收信号。这样的技术包括许多不同的用于组合所接收的信号的方式，以改善所发射的信号的估计。在本实施例中，所发射的信号由彼此隔开并与不同的无线节点集合相关联的独立基础设施节点接收。在一个实施例中，这些基础设施节点将所接收的信号发送到控制中心340，控制中心340实现最大比值组合。
在各个基础设施节点接收的信号r1或者r2是信道系数(h1或h2)乘所发射的信号加噪声因子n1或n2的函数。由此，在基础设施节点330接收的信号是r1＝h1×s+n1，而在基础设施节点320接收的信号是r2＝h2×s+n2。然后经由高功率无线链路或者硬线链路将所接收的信号发射到控制中心。
控制中心使用从基础设施节点发射的信号来计算所组合的信号rc。在一个实施例中，使用最大比值组合：
rc＝(h1′×r1+h2′×r2)，这里h1′(h2′)是h1(h2)的复共扼。所组合的信号的SNR等于r1和r2各自SNR的总和，即SNRrc＝SNRr1+SNRr2。提高的SNR改善了所发射的信号的估计过程。在另外的实施例中，可使用其他分集技术，如等增益组合、选择组合、切换组合和其他技术。
在一个实施例中，组合和估计由设在控制中心340中的模块提供。在图4的实施例中，组合和估计由其中一个基础设施节点提供，并然后被发射到控制中心。在图4中，传感器/无线节点410把信号发射到基础设施节点420和430。基础设施节点420还从基础设施节点430接收表示在节点420接收的信号的信号。在一个实施例中，这些基础设施节点是外部供电，或另外具有高电源。因此它们可以更高功率发射信号，甚或可以硬连线到一起。然后基础设施节点420向中央控制440提供估计。

Claims (23)

1.一种无线网络，包括：
发射信号的多个第一无线节点；
接收所发射的信号的多个独立基础设施节点，其中至少两个基础设施节点接收从单个第一无线节点发射的信号；以及
组合在所述多个独立基础设施节点接收的信号中的至少两个信号以估计由所述单个第一无线节点发射的信号的模块。
2.如权利要求1所述的无线网络，还包括从所述独立基础设施节点接收信号并包含组合所述信号的模块的中央控制器。
3.如权利要求2所述的无线网络，其中所述基础设施节点硬连线到所述中央控制器上。
4.如权利要求2所述的无线网络，其中所述基础设施节点包括用于与所述中央控制器通信的无线收发信机。
5.如权利要求1所述的无线网络，其中所述第一无线节点包括传感器，并且其中它们发射的信号表示检测的参数。
6.如权利要求1所述的无线网络，其中使用分集技术来组合所述信号。
7.如权利要求6所述的无线网络，其中与所述第一无线节点和所述基础设施节点之间的RF链路相关联的无线信道系数用于组合所述信号。
8.如权利要求7所述的无线网络，其中所述分集技术包括最大比值组合。
9.如权利要求1所述的无线网络，其中所述基础设施节点之一从其他基础设施节点接收信号，并组合由所述多个基础设施节点接收的信号。
10.一种用于无线网络的基础设施节点，所述基础设施节点包括：
接收从无线节点发射的信号的第一接收机；
从其他独立基础设施节点接收由所述其他独立基础设施节点接收的、表示从所述无线节点发射的信号的信号的第二接收机；以及
组合从所述无线节点接收的信号和来自所述其他独立基础设施节点的信号以估计由所述无线节点发射的信号的模块。
11.如权利要求10所述的基础设施节点，其中所述基础设施节点硬连线到中央控制器上。
12.如权利要求10所述的基础设施节点，还包括用于与中央控制器通信的无线收发信机。
13.如权利要求10所述的基础设施节点，其中使用分集技术来组合所述信号。
14.如权利要求13所述的基础设施节点，其中与所述无线节点和所述基础设施节点之间的RF链路相关联的无线信道系数用于组合所述信号。
15.如权利要求13所述的基础设施节点，其中从由最大比值组合、等增益组合、选择组合和切换组合构成的组中选择所述分集技术。
16.一种用于无线网络的基础设施节点，所述基础设施节点包括：
用于接收从无线节点发射的信号的装置；
用于从其他独立基础设施节点接收表示从所述无线节点发射的信号的信号的装置；和
用于组合从所述无线节点接收的信号和来自所述其他独立基础设施节点的信号以估计由所述无线节点发射的信号的装置。
17.一种无线网络，包括：
用于发射低功率无线信号的装置；
多个用于接收所发射的信号的装置，其中至少两个这样的装置接收从单个第一无线节点发射的信号；和
用于组合在所述多个用于接收所发射的信号的装置接收的信号中的至少两个信号以估计由所述单个第一无线节点发射的信号的装置。
18.一种在用于无线网络的基础设施节点处理信号的方法，所述基础设施节点执行所述方法，所述方法包括：
接收从无线节点发射的信号；
从其他独立基础设施节点接收表示从所述无线节点发射的信号的信号；以及
组合从所述无线节点接收的信号和来自所述其他独立基础设施节点的信号以估计由所述无线节点发射的信号。
19.一种在具有多个独立基础设施节点和多个节点的网络中处理信号的方法，所述方法包括：
从第一无线节点发射信号；
接收所发射的信号，其中至少两个基础设施节点从单个第一无线节点接收所发射的信号；以及
组合由所述多个独立基础设施节点中的至少两个独立基础设施节点接收的信号以估计由所述单个第一无线节点发射的信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中由从所述独立基础设施节点接收信号的中央控制器执行组合。
21.如权利要求19所述的方法，其中使用分集技术来组合所述信号。
22.如权利要求21所述的方法，其中与所述第一无线节点和所述基础设施节点之间的RF链路相关联的无线信道系数用于组合所述信号。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述分集技术包括最大比值组合。
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