CN100384259C - 用于分布通信信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一通信网络(100)含协调设备(10)，每个协调设备(10)在集群区(30)中传输信标消息。相邻协调设备(1，2)定义重叠区(60)，其中存在所述相邻协调设备的每个信标消息。相邻协调设备(1，2)也可定义非重叠区(204)，其中存在每个信标消息。一种分配通信信号的方法包括在所述协调设备(1，2)的传输区(30)中提供节点(50)、(51，52)。所述节点(50)或节点(51，52)至少检测所述相邻协调设备(1，2)的一个信标消息，确定存在情形(302)，并向相邻协调设备警告所述情形。通过按一校正量(304)调整通信信号(如信标定时)来校正所述情形(302)。

Description

用于分布通信信号的方法和设备

技术领域

本发明涉及电子通信领域。本发明涉及一种用于分布通信信号的方法和设备。

背景技术

全局时间同步是格型网络中的固有问题。图1示出一范例格型网络的一部分。该格型网络部分100包括多个协调设备10以及大量从节点20，且通常从节点要比协调设备的数目多得多，并由它们共同构成该通信网络。从节点20优选的是表示通过协调设备10的网络100相互通信的设备。节点20可为便携式的或可固定在某一位置。如这里所述，若节点20为可移动的，则该节点可为便携式的、固定的或为便携式的但主要保持在给定位置上。因此，可将每个节点20标识为在给定协调设备10的传输范围之内或之外。则，根据这里的用法，节点20的标识指该节点20在给定协调设备10的传输范围之内或之外的状态。

每个协调设备10有一内部计时器，用于处理内部通信和数据以及用于协调与网络100中其他从节点20的通信。通过以定时信标形式传输的时间数据来协调不同协调设备10中的信标。通常每个协调设备10全向传输，但不必需如此。因此，环绕图1中每个设备10的虚线圆圈表示每个协调设备10的传输覆盖区示例。可将这些示意性圆圈所覆盖的区域称为集群30或信标集群。

在设计这种通信网络100时，应考虑到一些重要特征，尤其是功率消耗和消息开销。由于在电子通信网络中需要低功率通信，因此每个集群30具有有限的传输范围。因此，可通过经由传输集群30和接收集群30间的不同集群中继数据来实现非相邻集群之间的通信。这种结构产生一问题，即如何同步不同集群，以便一个集群的传输不会与另一集群的通信行为相干扰或在时间上发生重叠。

由于这种限制，对无线对等网络信标集群进行分布以使得一个集群不与相邻集群相干扰，不是一件易事。集中式同步技术如高功率广播和帧分隔分别是两种实现时既需要极大传输功率且消息开销又达到极限的技术。分布式同步技术如回溯(post-facto)同步也需要极大开销，且只能保证通信时间“瞬时”同步。在最小化通信干扰方面没有得到任何重视。

为更好理解格型网络100中固有的同步问题，现在参照图2，其图示出一简单无线对等网络，该网络具有在不同相邻情形202、204下表示的两个集群30。在情形202下，集群30形成重叠区60，且在情形204下，集群30为不相重叠的。在任一情形下，由分别位于每个集群30中心的协调设备1、2协调每个集群30的操作。每个协调设备1、2周期性地传输信标消息，其为各自集群30中的任何数量的节点40提供定时信息。通常，要参与网络通信，该网络中每个节点40必须能够对来自至少一个协调设备1、2的信标消息进行解调。由于格型网络通常以对等方式组织，所以许多协议允许协调设备1、2随机选择它们何时传输各自的信标消息。在一显然可能的事件时，即两个相邻协调设备1、2选择相同随机数，或选择与相邻协调设备1、2所选择的数目在时间上十分接近的数目，这种几乎同时的传输可在各自覆盖区重叠处产生覆盖禁区(coverage null)。

在该上下文中，正如协调设备1、2，相邻是指一种情形，其中任一协调设备可直接互通，或通过由节点和其他协调设备组成的网络间接互通。例如，相邻可包括一种情形，即由两个协调设备1、2在它们之间定义或创建一重叠覆盖区60，其中边缘节点50与这两个协调设备通信。此外，相邻也可发生在两个协调设备1、2没有重叠覆盖区、但每个在各自覆盖区中有常规节点51、52且这两个节点能相互通信的情况下。相邻也可包括一情形，即不同覆盖区中的节点相互间不直接通信，而是通过其他节点和/或协调设备互通。

若相邻协调设备1、2传输相互冲突的信标，则位于重叠区中的任何节点(如图2中的边缘节点50)将不能解调信标消息，且实际上将与该网络分离，由此在该重叠区域中产生覆盖禁区。若相邻协调设备1、2传输的信标在非重叠区中相互冲突，则位于非重叠区中的任何节点(如图2中的常规节点51、52)将不能解调信标消息，且相互间将分离而无法通信。为防止出现这种分离，来自相邻集群的信标消息必须错开以便它们不相互重叠。

有许多算法和技术可用于使这些信标间隔开，但它们通常需要全局同步，借此，一个节点(即该例子中的协调设备1、2、10)负责“主”时钟，且其他每个节点根据该主时钟调整其各自的时钟。然而，对多跳网络而言，这种算法产生的消息开销达到极限，因为必须不间断地将同步消息发送到该网络中的每个节点。另一选择是使用高功率发射机，通过扩大其覆盖区以包括该网络中的每个节点来维持全局同步。第二种选择就硬件而言，费用是无法接受的，且无法保证处处覆盖到。此外，由于无线传感器网络依赖于长电池寿命，任何传输网络必须采用节能且同时有效的定时算法，将由同步差异所引起的传输干扰最小化。

在由Elson，J.和Romer，K.发表于Proceedings of the First Workshopon Hot Topics in Networks(October 2002，Princeton，New Jersey，USA)中的文章“Wireless Sensor Networks：A New Regime for TimeSynchronization”证实对动态、对等无线传感器网络而言，能源效率是一极大关注。可是，作者的结论是适用于因特网中的网络时间协议的传统时间同步方法并不适用于无线传感器网络。作者提出无线传感器网中的每个节点维持一不规律时钟，对其每个局部同等方辅以相对频率和相位信息。尽管该文件讨论了当前系统及其需求和缺点，它没有提供解决该问题的方法，因为用他们的话来说，“在已开发的WSN(无线传感器网络)中，目前还没有任何已证实的时间同步解决方案”([t]here are not yet any proven solutions for time synchronization indeployed WSNs[wireless sensor networks].Id.at§4)。

在由Elson，J.、Girod，L.和Estrin，D.发表于Proceedings of the FifthSymposium on Operating Systems Design and Implementation(December2002，Boston，MA，USA)中的文章“Fine-Grained network TimeSynchronization using Reference Broadcasts”提出一新方案，其中节点使用物理层广播向其相邻点发送基准信标，称之为基准广播同步或RBS。RBS的基准广播不包含一显式时间戳。相反，接收机使用其到达时间作为比较其各自时钟的基准点。这一过程产生一高精度时钟协定，而使用最小能量产生精度缓慢降低的跨广播域的时钟。RBS设计的基本特性是它使一组接收机相互同步，这与其中发射机和接收机同步的传统协议相反。

题为“System and Method for Transmission Scheduling UsingNetwork Membership Information and Neighborhood Information”的美国专利公开文献2002/0167960A1中公布了一种方法和系统，其目的是向信道提供无冲突的包传输。

因此，需要一种改进的通信网络，其克服了上面提到的与先前格型网络有关的问题。

发明内容

考虑到上述及其他目的，根据本发明，提供了一种方法，其通过在与边缘节点、或与来自至少两个不同集群的节点(常规节点)的集群重叠区中检测相邻协调设备的信标消息，来检测通信信号法。根据本发明，这些节点实际上是作为通信代理工作的。因此，从包含至少两个常规节点以及至少一个边缘节点的组中选择代理。之后，根据本发明，该代理在信标消息中检测预定特征，并响应于此，向至少两个协调设备发送提示。

根据本发明，通过使用边缘节点或常规节点确定信标消息内部的预定特征，如相邻协调设备的重叠、漂移、接近、或漂移速率，来分析通信信号。通过按校正量调整信标消息的定时来校正相邻协调设备的信标消息的信标漂移、信标接近、或信标重叠，借此来执行通信信号分布。还可以如下来执行通信信号分布：用边缘节点在重叠区中检测相邻协调设备的信标消息、通过该边缘节点确定相邻协调设备中是否至少有两个存在重叠警告情形，以及通过按校正量调整相邻协调设备的信标消息的定时来校正所述两个相邻协调设备的重叠警告情形。此外，还可如下来完成通信信号分布：向至少一个相邻协调设备警告在信标重叠之前的已迫近信标重叠、或当前正发生的信标重叠，和为该警告提供边缘节点或来自不同相邻集群中的节点。

所附权利要求书中阐述了被认为是本发明所特有的其他特征。

尽管本发明在此处被图示和描述为以分布通信信号的方法和设备来具体实现，但绝不是要限制到所示细节，因为可对其作出各种修改和结构变化，而不会偏离本发明的实质，且仍在权利要求的等价范畴和范围内。

附图说明

在所附权利要求书中具体阐明了本发明的被认为是新颖的特征。结合附图参照下面的描述，可更好理解本发明及其目的和优点，其中几幅图中的相同标记数字表示相同元素，且

图1是具有协调设备和节点的通信网络的一部分的坐标映射；

图2是一简化的无线对等网络的概略图解，该网络具有处于不同相邻情形中的两个集群，且每个集群发送一定时信标；

图3是一组连续的时序图，图示出相对于彼此漂移和根据本发明校正后的图2中的网络信标时间；

图4是一简化的无线对等网络的概略图解，该网络具有三个集群，且每个集群发送一定时信标；

图5是一组连续的时序图，图示出相对于彼此漂移和根据本发明校正后的图4中的网络信标时间；

图6表示一简化的无线对等网络的概率图解，该网络具有七个集群，且每个集群发送一定时信标；

图7是一图表，图示出可由与图6中的集群相对应的协调设备中每一个相应的一个协调设备检测出的每一个相应的信标定时周期的初始时间位置；

图8是一图表，图示出在在根据本发明作校正后，可由与图6中的集群相对应的协调设备中每一个相应的一个协调设备检测出的每一个相应的信标定时周期的最终时间位置；

图9是一组连续的时序图，图示出四集群、低工作周期网络的信标时间；

图10是一组连续的时序图，图示出比图9所示的四集群网络的信标时间更频繁的信标时间；

图11是根据本发明的分布通信信号方法的流程图；以及

图12是根据一优选实施例的节点的方框图。

具体实施方式

尽管说明书是以定义本发明的被认为是新颖的特征的权利要求书作为结束，相信从结合附图的下面描述中会更好地理解本发明，其中相同标记编号接后。

下面首先详细参照附图，尤其是其中的图3，它图示出了在相邻情形202下与图2中的两集群网络相对应的信标时序图300。图3图示出集群30的协调设备1、2的信标时间随时间漂移得越来越近的情形。具体而言，在网络中的给定瞬间时刻t₁，其在此处被表示为“超帧”，协调设备1、2的信标时间在时间上彼此分离地开始。在对等格型网络中，信标时间漂移302通常是固有的，因为每个协调设备1、2没有与任何或所有其他协调设备1、2严格相同的内部时钟。根据这种特征，超帧t₂至t_n表示协调设备2的、向协调设备1的信标时段漂移的信标时段。

由于协调设备1、2不在彼此范围之内，所以它们无法彼此直接通信，以保持相互间隔离开。另一方面，它们确实享有可用来分隔它们信标的某些共同地方，具体来讲是边缘节点50。根据本发明，节点50检测协调设备1、2的信标，并与协调设备1、2通信。根据本发明，该通信用于提示对协调设备1、2中其一或两者作调整。根据所检测信标特征，例如可以以图3中所示的漂移校正304来进行调整。因此，超帧t_n+1表示协调设备2的一信标时段，该协调设备2已经通过将其时段相对于协调设备移回移出而得以校正。

边缘节点50被置于协调设备1和2的集群30的重叠区。在该位置上，边缘节点50可收到来自协调设备1和2的信标消息。有了这个信息，通过应用本发明，边缘节点50可确定信标消息的预定特征。例如，边缘节点50可注意到漂移、可确定漂移速率、和/或可确定来自协调设备1和2的信标消息的接近程度(即时间上的靠近度)。响应于确定了特征，边缘节点50可发送一提示，向协调设备1和2警告信标重叠或出现重叠之前的信标接近程度。通过令边缘节点50能够向协调设备2警告其信标正向协调设备1的信标漂移，协调设备2可将其自身时钟向前推进给定漂移量，并防止任何通信重叠。此外，在超帧t_n+1的情形中示出了校正后的情形304，其中协调设备1和2的信标消息在时间上不重叠。

边缘节点50可包括处理器，其被编程以执行根据本发明的方法。例如，可对该处理器编程以检测相邻协调设备1、2的信标消息，并确定是否存在重叠情形。若存在这种情形，则从节点50发出一提示，向两个相邻协调设备1、2中至少其一警告该情形。该警告提示给协调设备1、2中至少其一发信号以对其定时作出校正调整。例如，协调设备1或2可按一校正量调整其各自信标消息的开始时间。

替换地，也可将第一和第二协调设备1、2分别置于第一和第二非重叠协调设备覆盖区30内，正如在图2的相邻情形204中所看到的。这里再次说明，根据本发明，所述至少两个协调设备1、2正在传输信标消息，且分别位于第一和第二协调设备覆盖区的至少两个常规节点51、52能够检测信标消息中的预定特征。响应于所检测出的特征，节点51、52中的至少一个将一提示发送给协调设备1、2中的至少一个。正如图3的时序图中所见，响应于该提示，所述第一和第二协调设备1、2中的至少一个根据该提示作出调整，例如漂移校正304。因此，重新确立了时间同步，以允许通信。

根据本发明的优选实施例，可在下面的示意性分布算法中解释该校正：

IF my_beacon_time-beacon_time(neighbor)＜Guard_Time

THEN my_beacon_time＝my_beacon_time+T_shift，

其中：

my_beacon_time为协调设备2；

beacon_time(neighbor)为协调设备1；

T_shift＝2*dT；以及

dT＝beacon_time(neighbor)+Guard_Time-my_beacon_time.

该分布算法适合任何规模的网络。同样，该算法不受到将T_shift定义为等于2倍dT的限制。应理解该例子是一优选实施例，且T_shift可等于或大于dT。

为说明本发明算法的灵活性，检查图4所示的三集群网络以及图5所示的相应信标时序图。在该例子中，假定集群协调设备1和集群协调设备2正向彼此漂移，类似于图3例子中的情况。此外，在该例子中，协调设备3的第三集群被定义为以与协调设备2的集群几乎相同的速率、并沿相同的方向进行漂移。据此，超帧t₂至t_n表示均正向协调设备1的信标时段漂移的协调设备2和3的信标时段。最后，该例子假定协调设备2和3彼此最初在时间上分隔大于Guard_Time的期间。

在每个超帧期间，该网络中至少一个协调设备运行分布算法，并作出任何必需的定时校正。对超帧t₁和t₂而言，3个协调设备1、2、3都不作任何校正，因为对每个协调设备所作的计算my_beacon_time-beacon_time(neighbor)大于Guard_Time。然而，在超帧t_n期间，边缘节点50通知协调设备2(直接或间接)my_beacon_time与beacon_time(neighbor)之间的差比Guard_Time小dT₂的时间。因此，在下一超帧期间，协调设备2调整其信标与协调设备1所传输的信标分开等于2倍dT₂的时间(2只是一个作为示意性实施例的倍数)。然而在作出调整时，边缘节点50在超帧t_n+1中检测到现在协调设备2和3正在相当危险地相互靠近。因此，边缘节点50通知协调设备3(直接或间接)调整其信标与协调设备2所传输的信标分开等于2倍dT₃的时间。具体而言，在下一超帧t_n+2期间，协调设备3调整其时钟，从而使协调设备3不受到干扰。尽管该例子十分简单，且只利用一边缘节点，但可将该概念扩展到多个集群以及多个边缘节点。

图6中示出一种更复杂的情形。这里，将7个集群30组织形成不同的信标覆盖重叠。像之前那样，假定协调设备1至7随机选取各自的信标时间，其可能或可能不与另一协调设备的相邻集群30的信标时间重叠。即使所有协调设备1至7选取了不同信标时间，但由于非理想的时钟漂移特性，相邻集群30的信标时间会随时间向彼此漂移。若每个协调设备1至7运行上面提到的根据本发明的时间分布算法，则可完全消除信标重叠。

为简单起见，只使用仿真的初始和最终时序图来解释对于图6中的七集群网络的根据本发明的算法。图7是图6中的七集群网络的初始时序图。在图7的例子中，假定所有协调设备1至7已随机选择它们各自的信标时间。x轴表示时间，且y轴表示感兴趣的协调设备区或集群号码。在该例子中，有3个感兴趣区，其中一些需要校正。将逐个进行讨论。

在图7中，协调区7显示协调设备3、4、6和7的信标时间。检查图6中的网络图发现协调设备3、4和6与协调设备7有共同的覆盖区。因此，为防止集群间干扰，必须从时间上将这4个协调设备分开。注意到协调设备3的当前信标时间与协调设备7的信标时间重叠。必须校正该重叠。协调区7还呈现出协调设备3的信标时间与协调设备4的信标时间危险地靠近，换言之，这些信标并没有至少分开Guard_Time。因此，为防止重叠，必须将协调设备3和4的信标在时间上安全分开。

最后，检查协调区5。如所期望的，协调区5“收听”来自协调设备1、2和6的信标。协调设备1的当前信标时间被显示为与协调设备6的当前信标时间重叠。然而，由于协调设备1和6的覆盖区不重叠，不需要执行任何校正动作。

图8示出在本发明的仅仅几次迭代后的最终时序图。通过以相应协调区的函数的形式从时间上将每个信标消息分隔，本发明的算法成功地防止重叠，而没有任何相当大的消息开销，不必连续发送同步消息给该网络中的每个节点，且不需高功率发射机。如先前提到的，以往技术中使用高功率发射机通过扩展其覆盖区以包括该网络中的每个节点来维持全局同步。因此，已获得重大受益。

如上面所述，当两个协调设备没有重叠覆盖区时，定时信标可有任意大小的定时重叠。图8示出设备1和4在x轴时间″9″处共享同一传输时间的情况。这是可接受的，因为协调设备1和4的集群物理上不相重叠。

对于可监视多个信标消息以便向信标协调设备1至7通知可能的干扰问题的节点50，使用从节点50获得的知识允许实现比以往技术中的分布式或集中式时间同步算法简单得多的分布式定时算法。

可将本发明的算法调整用于适合任何规模的网络。适配该算法的仅有参数包括“分隔帧大小”和Guard_Time。将分隔帧大小定义为分隔每个信标传输所需的时间量。对低工作周期操作而言，分隔帧时间可很大，如图9中所示。需要更频繁的通信的应用可配置很小的分隔帧，如图10中所示。

本发明的定时算法不仅限于包含边缘节点的节点网络。也可将该算法应用于一网络，其中相邻集群中的节点相互通信以共享与它们各自的集群有关的时间信息。在这种实施例中，独立节点51、52(可能是物理上足够靠近来相互通信的两个节点)可通知两个相邻的不同协调设备1、2之间的迫近重叠，以及分别与相邻协调设备10通信以协调它们集群的信标时间。

图11是一流程图150，其概括如何根据本发明以下列步骤进行通信信号调整：检测信标消息152、确定信标消息154中的特征、响应于特征156将提示发送给协调设备、以及响应于提示158在协调设备处作出调整。因此，在一格型网络中，由代理检测、确定、以及提示，从而使协调设备作出调整。参照图1、2和3，这意味着在图1的格型网络100中，由代理(即图2所示边缘节点50或常规节点51、52)检测、确定、以及提示，从而使协调设备1、2作出调整，如图3中的调整304。该方案自身在格型网络100不断重复，以为协调设备间提供改进的通信。

图12提供了根据本发明的优选实施例的节点的简化方框图160。包括检测器162和处理器164。可将检测器162和处理器164合并在代理中(即合并在边缘节点和常规节点中)，或与之操作性耦合。

可将本发明的控制通信信号的方法和装置应用于多种电子通信网络。一些示例性的无线传感器网络包括后勤、资产管理、存货管理、建筑物管理、家庭自动控制、灾难恢复以及战时情报。

尽管已图解和描述了本发明优选实施例，应理解本发明不局限于此。对于本领域中的技术人员而言，可出现许多修改、变化、变型、置换和等效物，而不会偏离如所附权利要求中所定义的本发明的实质和范畴。

Claims (2)

1.一种检测集群网络中的通信信号的方法，其包括：

利用第一节点检测第一协调设备的信标消息；

利用第二节点检测第二协调设备的信标消息，所述第一和第二节点在至少两个不同的集群中；以及

通过所述第一和第二节点中的至少一个确定在所述至少两个不同集群之间是否存在重叠警告情形。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

用所述第一和第二节点中的至少一个，确定所述第一和第二协调设备的信标消息的重叠、漂移、接近或漂移速率中至少其一，以及根据所述信标消息的重叠、漂移、接近和漂移速率中至少其一确定是否存在重叠警告情形；以及

通过按校正量调整所述第一和第二协调设备中至少一个的信标消息的定时，来校正所述重叠警告情形。

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