[發明專利]無線傳感器網絡接入點和設備RF頻譜分析系統及方法

有效

• 申請號: 201110383907.7
• 申請日: 2011-11-28
• 公開（公告）號: CN102480751A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發明（設計）人: 埃里克·達雷爾·羅特伏德;凱利·邁克爾·奧什;丹尼爾·克利福德·卡爾森;荻奧多·亨利·施奈爾;約瑟夫·奇特拉諾三世
• 申請（專利權）人: 羅斯蒙德公司
• 主分類號: H04W24/00
• 分類號: H04W24/00;H04B17/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 潘劍穎

技術領域

本發明一般地涉及無線網絡，以及更具體地涉及測量和分析在無線現場設備網格網絡附近和內部的射頻(RF)干擾。

背景技術

網格網絡是一種在工業應用中日益普遍的靈活的網絡架構。網格網絡包括大量節點和網關計算機(網關)，網關將高速總線連接到網格網絡。網格網絡通過允許同一網絡內的相鄰節點彼此直接通信，避免了其他網絡拓撲的許多限制，從而避免了不必要的到網關的通信路由。稱為網絡管理器的軟件程序(通常運行在網關上)為每個節點分配多個通信路徑，這些通信路徑可互換以補償瓶頸和鏈路故障。通過允許相鄰節點形成直接到目標節點的通信中繼，以及通過繞過故障或瓶頸進行路由，提高了網絡響應時間，同時通過最小化中繼通信所需的傳輸數目最小化了網絡功率用量。使用多個通信路徑提供了路徑分集，其提高了網絡可靠性。

無線網格網絡是由以網格拓撲組織的多個無線設備(即，節點)構成的通信網絡。在真實的無線網格網絡(其也可以稱為自組織多跳網絡)中，每個設備必須能夠路由針對其自己的消息以及針對網絡中的其他設備的消息。網絡中的節點到節點的消息跳送(hopping)的概念是有益的，因為可以使用較低功率的RF無線電裝置，而且網格網絡能夠橫跨相當大的物理區域，從一端到另一端遞送消息。與利用遠程設備直接與中央基站通信的點到點系統形成對比，在網格網絡中不需要高功率的無線電裝置。

對于針對基于傳感器/致動器的應用設計的無線網絡系統(諸如無線現場設備網格網絡)而言，使用較低功率的無線電裝置是必須的。網絡中的許多設備必須本地供電，因為在不引起大的安裝代價的情況下，供電設施(諸如120VAC供電設施或者供電數據總線)不位于儀器、傳感器和致動器必須位于的危險位置附近、或者不允許進入儀器、傳感器和致動器必須位于的危險位置。“本地供電”意味著由本地電源供電，諸如是便攜式電化學電源(例如，長壽命的電池或者燃料電池)或者是低功率能量收集電源(例如，振動、太陽能電池，或者熱電發電機)。本地電源的公共特性是它們的有限的功率容量，或者是如在長壽命電池的情況下存儲的有限的功率容量，或者是如在熱電發電機的情況下產生的有限的功率容量。通常，低安裝成本的經濟需求驅動了對電池供電設備的需求，所述設備作為無線傳感器網絡的一部分進行通信。對受限電源(諸如不能再充電的原電池)的有效利用對于無線傳感器設備的良好工作是至關重要的。期望電池能維持五年以上，并且優選地維持與產品壽命一樣長的時間。

為了節省功率，一些無線現場設備網絡協議通過僅將其收發器打開有限的時間量以偵聽消息，限制任何節點或設備在任何時間段期間能夠處理的業務量。因此，為了降低平均功率，該協議可以允許實現收發器在“開(ON)”和“關(OFF)”狀態之間的占空因素。一些無線現場設備網絡協議可以使用全局占空因素來節省功率，使得在同一時間整個網絡都處于ON或OFF。其他協議，諸如基于時分多址TDMA的協議，可以使用局部占空因素，其中在預定的時間僅鏈接在一起的通信節點對以同步方式被調度為打開或關閉。通常，網絡管理器向一對節點分配鏈路、以及用于通信的特定時隙、收發器將使用的RF信道、在該時刻根據需要誰將進行接收、和誰將進行發射(例如，利用RF信道跳變協議的TDMA，諸如)。網絡管理器同步占空因素并且分配多個通信路徑，從而協調節點之間的通信，生成控制信號、通信調度和數據查詢以適合處境。

網格網絡的形成用于設備之間的以及設備和網關之間的通信的備選路徑的自組織能力提供了用于無線消息的冗余路徑。通過確保即使其他路徑受到阻塞或者由于環境影響或由于RF干擾而惡化，都存在至少一條供消息行進的備選路徑，這增強了通信可靠性。然而，盡管具有網格網絡固有的魯棒的通信可靠性，來自未知源的RF干擾仍會使網絡性能惡化。由于減小的范圍以及浪費能量的重傳，使用備選路徑繞過干擾通常導致更多跳數以使得消息去往或來自網關。如果RF干擾足夠嚴重，只要RF干擾持續，去往和來自節點的所有傳輸可能都被阻塞。

RF干擾源經常本質上是間歇的和短暫的，使得它們的檢測和識別很困難且耗費時間。實時地檢測和定位RF干擾源將允許對源的快速識別和緩減，從而進一步提高網絡可靠性。已經提出用于監視無線通信網絡(諸如蜂窩電話網絡)中的干擾的系統，然而由于這些系統的相對高的功率要求，這樣的系統通常不適合于無線現場設備網格網絡。RF現場調查是昂貴的，因為它們需要專用的RF設備和專門訓練的人員。即使如此，提供的信息僅是真實RF環境的某個時間的快照，并且可能錯過重要的瞬時RF干擾事件。最后，由于周圍的物理工廠和工廠基礎設施中的持續變化，以及“工廠圍墻外”出現的變化，來自現場調查的數據很快過時。