用于仪表网络的多波段信道容量 |
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| 申请号 | CN201180054578.X | 申请日 | 2011-12-21 | 公开(公告)号 | CN103229570B | 公开(公告)日 | 2017-02-15 |
| 申请人 | 胜赛斯美国公司; | 发明人 | H·布里顿·桑德福特; | ||||
| 摘要 | 一种通信系统，该通信系统通过一系列通信信道中的一个，经由RF网关转发来自或到多个远程端点的数据消息到数据积累 站点 。该通信系统监控来自每一个单独的端点到网关的 信噪比 ，这些端点可以是 公共事业 仪表和相关的控制或监控点。基于服务 质量 和/或端点到网关通信的信噪比，系统给端点 指定 期望的通信信道。每一个期望的通信信道具有可变的数据传输速率和要求的SNR，每个信道的选择基于从端点到网关传输的信噪比。如果一个端点的信噪比发生变化，该系统基于更新的信噪比，给该仪表动态重新指定一个不同的通信信道。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于控制端点与网关之间数据通信的方法，包括步骤： |
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| 说明书全文 | 用于仪表网络的多波段信道容量[0001] 相关申请的交叉引用 技术领域[0003] 本发明涉及一种控制多个字段端点(在某些情况下公用事业仪表)与固定位置网关的网络之间的数据消息的无线电通信的方法，这些网关轮流与处于中心位置的网络控制器通信。更具体地说，本发明涉及一种通过每一个对通信信道优化多个端点的使用以增大总的有效消息传输容量以及在需要之处增加网关和端点之间的直达路径以使单层通信可以实现的方法。 背景技术[0004] 目前，自动抄表(AMR)系统允许仪表，例如电表、燃气表和水表，通过中间网关传送消费信息到后端服务器。典型地，中间网关与多个仪表使用RF通信，通过公共网络例如互联网，重新发送接收到的数据。尽管这样的系统，例如向美国申舒斯(SENSUS)公司购买的AMI系统，已经证明在一个中心、远程的位置，获取和处理仪表数据是有效的，这样的系统越来越普遍使用，提高了对AMI或智能电网系统的需求。作为一个例子，在一个包括200个网关和数百万个仪表的系统中，仪表和网关之间的通信导致网关每小时接收的消息超过一百万条。由于扩展的应用，未来智能电网系统预期每天交换超过十亿条消息。由于仪表与网关之间的高容量通信越来越多，需要更有效利用可用带宽以增强通信系统中各种设备之间通信的技术。另外，由于需要实时控制来保护输电网并对故障状态自动响应，响应时间延迟减到最小也很重要。这一点最好通过减少数据传递必须经过的节点数来实现。每次传递要求节点必须接收一条消息，解调该消息，进行纠错和可能的数据解密，对该消息重新打包，设置发送器硬件并重发该消息，每一步都需要处理时间。然而，网格系统依赖于节点之间的多次数据传递，使传递次数减到最少从而改善延时是本发明的一个目的。层数的最小值是1。因而，本发明的一个目的是用单一通信层提供可靠操作。 [0005] 目前，当一个仪表放置于一个网络系统中，指定给该仪表一个通信信道，通过该通信信道仪表与物理上与该仪表临近的每一个网关通信。当操作者安装这样一个系统时，每个仪表指定一个特定信道，通过该信道进行通信。尽管受过培训的人员尝试基于仪表到网关的邻近程度，或仪表与一个特定网关之间预期的信噪比，一旦仪表部署完成，通常通信信道频率不再改变，除非安装人员返回重新配置仪表，或在网络控制器后端需要附加设置。因此，尽管操作者可以根据部署尝试优化系统，如果区域的物理特性改变，或者其他变量被修改，系统会退出优化，这是不期望的。 发明内容[0006] 本发明涉及一种控制包含在通信系统中的大量终端(有时水表、燃气表或电表、负载控制器、PCT、通用显示器或类似的东西)与单层中间网关之间数据通信的系统和方法。系统优化用于仪表与网关之间传输数据的通信信道，以确保每个仪表以最大速率传输数据，同时确保最低“服务质量”和可靠性，甚至对于处于难以到达地点的端点，因而具有更低的信噪比(SNR)。 [0007] 在通信系统中仪表的初始安装过程中，每个仪表最初指定一个缺省通信信道，通过该通道进行仪表和网关之间的通信。由于仪表和网关之间的信噪比最初并不知道，并且较长的消息持续时间改善链路余量SNR，因而缺省通信信道被选择以具有相对长的消息持续时间。 [0008] 仪表安装到通信系统中后，该仪表与一个或多个网关之间传输通信消息。大多数情况下，每个仪表能够与通信系统中不只一个网关通信。网关配备测量信号质量的方法。这些方法可能包括信噪比、信号强度、静态或原始消息成功百分比或类似的东西。网关将这些信息转发到中央网络控制器。 [0009] 一系列消息在每个仪表与接收网关之间传送之后，网络控制器分析每一个网关接收到的来自每一个仪表的消息。特别地，在优选实施例中，系统确定在仪表与接收网关之间发送的消息的信噪比。网络控制器也分析原始通信成功百分比和/或在消息传递中的差距。 [0010] 收到期望数量的消息之后，或者经过预定的时间，系统确定每个端点与关联的最佳接收网关之间的信噪比。最佳接收网关是接收来自单个仪表消息，并具有最高信噪比的网关。 [0011] 基于每个网关接收到的消息的信噪比，系统确定指定给该仪表的通信信道是否是最合适的。如果仪表与网关之间的通信有相对较高的信噪比，系统指定一个通信信道给关联高SNR仪表的仪表。优选地，端点是可编程的，可从网络控制器通过指令编程，以与一个或多个网关通过多个不同通信信道进行通信。本发明的优选实施例通常使用三个网关接收信道的设置。这些信道由指定给它们的端点的类型来区分。到最佳服务器端点的高信号强度指定给一个信道，到最佳服务器端点的中等信号强度指定给另一个信道，到最佳服务器端点的低SNR指定给第三个信道。采用这种方式，弱SNR仪表不能与强SNR仪表相匹敌，因而增大噪声，其会降低弱仪表的可靠性并降低SNR，否则弱仪表可用于通信。 [0012] 另外，本发明教导当更高SNR可用时，使用高阶调制。众所周知，由于“香农限”的发现，SNR相关于最大的数据速率，该数据速率对应给定的误码率(BER)可靠性而发送。因此，优选实施例中的网络控制器，控制端点使用传达更高数据速率的调制，假如该端点已证明有足够的SNR支持该调制。本发明使用N-FSK实现数据速率的提高，其中N为2、4、8和16，且相同波段用于每一个N。本发明同样适用于其他调制形式，例如ASK、PSK等。因此，对于给定的带宽，有效数据速率提高，而唯一的代价是SNR。每个具有更高SNR的端点有效提高总的网络容量，因为在24小时内可以传送更多的消息。因此，优选的实施例也通过使用的频率信道隔离调制方式。多个不同通信信道中的每一个，具有不同的消息持续时间和传输速率。低SNR信道，例如，不能传输像强SNR信道一样大的数据容量。人们相信，保持要求的最低服务质量(BER)的同时，来自端点广泛分布式SNRs的最重要的最佳使用动态增大了网络有效消息容量。 [0013] 确定指定给每个仪表的通信信道是基于它与最佳服务器TGB之间的信噪比。如果信噪比高，系统指定具有最短消息持续时间的通信信道。每个通信信道包括信噪比的一个上阈值和一个下阈值，用于将通信信道指定给仪表。 [0014] 在系统的操作过程中，如果由单个仪表传输到网关的消息的信噪比发生变化，系统基于调整的信噪比重新指定通信信道。作为一个例子，如果信噪比提高，系统会指定具有更短消息持续时间和增大的传输速率的通信信道。同样地，如果信噪比降低，系统会选择具有更低通信速率和更长消息持续时间的通信信道。如果仪表已经指定具有最低通信速率和最长消息持续时间的通信信道，系统可以通过一个配备存储和转发能力的中间端点，可选地转发来自网关的轮询消息和送到网关的应答消息。 [0015] 按照本发明，系统基于从仪表发出的到最佳网关的消息的信噪比，为每一个仪表指定通信信道。如果在使用过程中信噪比发生变化，系统基于调整的信噪比重新指定通信信道。 [0016] 可以用轮询-应答方式或者“自我发起”ALOHA方式，使用系统中的任何信道。 [0017] 本发明也描述了双向操作。本发明可选地控制第一个网关出站RF功率，这样只使用足够的功率抵达目标端点。这种RF功率的保留降低RF功率在远程端点接收器上的作用，该端点接收器由更接近它的第二个网关提供服务，不打算听到第一个网关的出站消息。现有技术描述了许多提供功率控制的方法，这些方法导致相当数量的复杂性(例如QUALCOMM使用的方法，消耗信道容量以提供端点RF输出功率的实时控制)。本发明使用一种简单的、主要静态的关系：由于信号相互作用，如果从端点到网关的链路余量有优势，那么从该网关到该端点通信需要相反的功率值。因此，当轮询消息从一个网关发送到那个端点时，其以降低的功率传输。另外，由于额外的SNR可用，可以更高的数据速率从网关传输轮询消息(正如以上讨论的对网关入站消息)。 [0018] 进一步地，优选的实施例指定从网关到该端点的出站信道，基于这种相反的功率关系。在这个区域中，所有“强”SNR端点监听可以可选地设置到更高数据速率调制的信道，即使网关传输较低的功率值，也能获得高服务质量。例如，如果端点有额外20db SNR高于解调设置的调制需要的SNR，那么网关可以低于出站功率20db传输。这实际上降低网关传输对端点的作用，这可能是距离的四倍。 [0019] 降低的出站功率允许重复使用更多的频率，这增大了总的网络容量，并且降低的噪声增加了到端点接收器的可用SNR，因而提高了传送的服务质量。类似的好处归于低SNR端点，这样网关可以使用更大的出站RF传输功率与难以到达的仪表通信，而不必使用网格状通信中间层。本发明更进一步，网关配有超出平衡起止链路余量所需功率的额外10dB出站功率。这允许网关到达建筑物内部，并发出轮询消息，端点借以能够答复网关。即使轮询网关听不到该答复，在优选的实施例中，所有网关随时监听所有频率。因而，不发送轮询消息的网关可以接收来自端点的答复，并将该答复转发给网络控制器。如果网关失效，这一点特别有用。 [0020] 本发明提供即时无缝恢复，因为从紧挨着失效网关的邻近区域任何网关可能发出轮询消息，而且此后任何邻近的网关可能听到这个答复。另外，如果更早的轮询事务失败，网络控制器轮询算法自动增加网关传输RF功率。另外，端点有几种轮询消息可以动态调用的答复模式。例如，在高SNR信道上失败的轮询，网络控制器自动重发该轮询，以答复低SNR调制，从而降低需要的SNR，因而增大有效链路余量。这是一个作用很大的动态保证服务质量的方法，即使网关失效或出现可能影响网络上的信号路径的情况。例如，在优选的实施例中，使用相同的信号带宽时，数据速率从25kb/s降低到4kb/s，可以提供15db的动态链路预算。数据进一步降低，可提供额外10db链路余量“延伸”。该特征在网状网络上不可行，并有助于消除对多层的需要，使单层操作可以实现。 [0021] 应当指出的是，网络控制器可能是家庭网、建筑网、邻里、城市、州或国家网络的一部分。 附图说明[0023] 附图示出了目前考虑的实现本发明的一种模式。附图中： [0024] 图1是用于向后端数据积累器转发来自多个仪表的仪表信息的通信系统示意图； [0025] 图2是用于仪表与中间网关通信的单个信道示意图； [0026] 图3是描述通信系统操作的一个实施例的流程图；以及 具体实施方式[0028] 图1示出了用于多个仪表12与后端数据积累站点或服务器14通信的通信系统10。在图1所示的实施例中，仪表12可以是任何类型的通用仪表，例如电表、燃气表或水表。数据积累服务器14可位于公共设施、第三方数据积累公司或任何其他位置，接收积累的仪表数据，并处理数据用于分析、记账或其他目的。图1所示的通信系统10可以是向美国申舒斯(SENSUS)公司购买的 通信系统。然而，其他不同类型的通信系统考虑在本发明的范围内。 [0029] 在图1所示的实施例中，每个仪表12传送信息或者到多个网关16中的一个，或者到一个中间仪表18。中间仪表18从每个端点仪表12转发信息到一个或多个网关16。因而中间仪表18为不能直接与网关16中的一个通信的每个仪表12提供额外通信范围。 [0030] 如图1所示，每个仪表12与网关16中的一个之间，通过一个或多个无线通信路径20通信。仪表12与网关16之间的无线通信使用RF数据传输信号。 [0031] 每个网关16依次能够通过公共广域网(WAN)22通信。在所示的实施例中，公共WAN22是互联网。因而，众所周知，每个网关16能够通过公共WAN22与一个或多个数据积累站点14通信。 [0032] 除了中间仪表18，图1所示的通信系统10还包括转发器24，转发器24用于或者通过网关16或者直接通过公共WAN22传送来自单个仪表12的信息。 [0033] 如图1所示，每个仪表12最好能够与不只一个网关16通信，这样如果到达一个网关16的一条通信路径20由于任何原因中断，该仪表12仍然能够与另一网关16通信。每个仪表 12与网关16之间的冗余通信使得通信系统更健壮、更可靠。 [0034] 尽管图1所示的系统包括5个单个网关16，应当理解在相对较大的系统中，系统可能包括数十个或数百个单个网关16，每个网关16服务于多个仪表12。图1是简化的图，便于理解本发明。 [0035] 在图1所示的示意图中，单个仪表12与一个或多个网关16之间的通信可通过五个单个通信信道中的一个进行，这些信道由图1中的参考字母A-E表示，标记为参考数字26-34。每个单个信道26-34可以具有细微差别的通信协议，使得通信系统10能够优化单个仪表 12与多个网关16之间的通信。除了五个信道A-E，通信系统还包括划分为两个子信道的第六个信道36。信道36是从网关16到仪表的应答通信的优先信道以及仪表和网关16之间优先或警报通信的优先信道。优先信道由图1中的参考数字36和参考字母PR表示。 [0036] 现在参见图2，图2是每个信道及其操作特性示意图。尽管显示出每个通信信道的特定属性，应当理解每个信道的属性在操作过程中可以修改，落入本发明的范围内。 [0037] 通信带宽38是用于单个仪表12和网关16之间通信的整个带宽。在所示的实施例中，通信带宽38是150kHz。如上所述，通信带宽38划分为单个信道A-E和优先信道36，每个信道26-34有25kHz的带宽。 [0038] 在通信系统初始设置中，对包含在每个单个仪表12中的控制单元编程以通过缺省信道26与网关通信。仪表12包括与控制单元通信的收发器，使用RF通信技术发送和接收消息。控制单元可以有选择地编程，或者本地编程，或者使用RF通信远程编程。因而控制单元指定了从仪表12传输消息的方式。 [0039] 缺省信道26的通讯速率为8kb/s，这样仪表能够在大约107.6ms内传送一条消息到一个或多个网关。在这样的速率下，网关每秒可以接收九条消息。如40行所示，信道26在仪表12与网关16之间的通信信噪比低时尤其可取。 [0040] 如42行所示，通信信道28占用邻近的25kHz带宽，具有不同的调制技术。信道28的数据传输速率为16kb/s，这样传输每一条消息大约在56.7ms内。在这样的速率下，网关每秒接收大约十八条消息。从图2中可以看出，如果仪表通过信道B而不是信道A通信，转发每一条消息需要的时间大幅减小。然而，由于减小的传输时间，任何包含在信号中的噪音会有更大的影响。因而，信道B更适用于中等信噪比的传输。 [0041] 通信信道C占用下一个25kHz，数据传输速率为16或24kb/s。在这样的速率下，传输每一条消息大约是40.8ms，这样每个网关每秒接收大约二十四条消息。由于消息传输需要的时间再次减少，通过信道C传输更易受噪声影响。因而，同信道A或B相比，仪表与单个网关之间的通信信噪比更高时，使用信道C。 [0042] 信道D占用下一个25kHz，数据传输速率为16或24kb/s。当仪表沿信道D转发信息，每条消息大约25.5ms完成。由于每条消息完成需要的时间再次减少，消息更易受噪声影响。同信道C相比，对于信噪比稍高的消息，信道D很有用。 [0043] 最后，对于具有最高信噪比的通信，信道E是有用的。通过信道E的通信速率直到36kb/s，这样转发每一条消息在20.2ms内。在这样的通信中，网关每秒可以收到49.5条消息。信道E要求的高信噪比表明：通过信道E的通信特别适合物理上靠近网关的仪表，或者仪表与网关之间的通信相对通畅。 [0044] 图1所示的优先信道36分为两个子信道，由参考数字46和48表示。第一个子信道46是应答信道，每个仪表使用该应答信道，应答任何一个网关发出的轮询请求。应答信道46的数据传输速率较低，为4kb/s，每条消息大约215.2ms完成。由于轮询响应使用频率较低，相对较长的消息持续时间不像之前描述的其他信道那么至关重要。 [0045] 子信道48也占用12.5kHz，但反而使用更快的数据传输速率16kb/s，这样接收每条消息在24.5ms内，子信道48用于转发警报情况和其他从仪表12到网关16的紧急消息。 [0046] 由上述对用于仪表12与网关16之间传送消息的信道的描述，可以理解，单个信道的选择移动到右边，从信道26到最左边的信道34，减小发送每条消息需要的时间量，通常是可取的。然而，由于减小的传输时间，要求保证消息正确接收的信噪比表明：信道E仅与具有最高信噪比的仪表一起使用，而信道A与传输具有较低信噪比消息的仪表一起使用。本发明的系统配置为：以下述方式，在每个仪表12和网关16之间，选择通过哪个信道通信。 [0047] 参见图3，当系统初始设置时，包含在每一个仪表中的控制单元配置为：通过缺省信道A向网关传送仪表数据，如步骤50所示。如前所述参见图2，信道A为25kHz通信信道，具有最长消息持续时间。最长消息持续时间确保通信信道A对于传送低信噪比消息是尤其可取的。由于信道A是最健壮的，可以处理相对低SNR的传输，信道A指定给每个仪表作为缺省信道。 [0048] 一旦把单个仪表放置到通信系统10中，该仪表12通过图1所示的通信路径20传输消息。同样如图1所示，每个仪表12发出的消息可以被多个网关接收。如图3所示，在步骤52中每个仪表向网关发送消息，如步骤54表明，一个或多个网关接收这些消息。 [0049] 当每个网关16接收到一条消息，网关确定接收到的来自仪表的每条消息的信噪比。信噪比连同仪表数据一起，通过公共WAN22传送到数据通信站点14。在步骤56中确定的信噪比，为在每一个接收信息的网关16接收到的来自多个仪表的每一个消息确定。信噪比是一种度量，定义为信号功率与损害信号的噪声功率之比。信噪比越高，信号功率相对于包含在信号中的噪声越高。因而，由于信号接收器不太可能接收损坏的信号，当信噪比较高时消息可以在较短的时间段内传输。 [0050] 参见图1，当数据积累站点14通过网关16，接收来自每一个仪表12的数据，数据积累站点14可以确定哪个网关16接收到来自每一个仪表的一条消息，并确定哪个网关16接收该条消息信噪比最高。作为一个说明实例，图1中所示的最左边的仪表12与两个最左边的网关16通信。每个网关16向数据积累站点14转发收到的消息。数据积累站点14于是可以确定接收来自最左边仪表12的消息的两个网关中，哪一个网关接收该消息的信噪比最高。 [0051] 在步骤58中，系统选择对于接收到的来自仪表12的消息具有最高的信噪比的网关16。 [0052] 一旦系统在步骤58中确定哪一个网关16具有最高信噪比，系统于是可以计算在一个确定时间段内信噪比的平均值。信噪比在一个时间段的平均值，为仪表传输到网关的消息，提供了更精确的信噪比计算结果。 [0053] 一旦系统用最高信噪比选定了网关，系统分析从仪表到网关的数据传输的信噪比，如步骤60中表明的。如图2所示，将平均信噪比与信道26-34中每一个信道的上阈值和下阈值进行比较。更好地，信道26-34中的每一个信道具有最小阈值和最大阈值，对于通过每一个信道传输需要的信噪比。如上所述，由于每个信道具有减小的消息持续时间，为每个仪表选择适当的信道很重要。 [0054] 如步骤62表明的，一旦信噪比的值与每个信道的各种阈值进行比较，系统选定期望的信道。如上所述，系统尝试基于从仪表到网关的通信估算的信噪比，选择具有最低消息持续时间的信道。一旦系统为仪表选定了期望的信道，信道选择与该仪表的控制单元通信。在步骤64中，期望的信道指定给仪表。指定新信道后，系统返回到步骤52，包含在每一个仪表中的控制单元，开始在新指定的信道上向网关发送消息。这个过程不断重复，这样仪表的属性改变，或者在仪表和网关之间引入额外干扰，仪表更新以通过不同的信道传输信息。 [0055] 在图3所示的实施例中，考虑到比较SNR和每个信道的阈值，正如步骤60中表明的，可能仅以一个期望的时间间隔出现。作为一个例子，步骤60可能一天仅出现一次。因而，将新信道指定给仪表，不能超过每天一次，以降低系统操作的复杂性。由于仪表的物理配置和仪表与网关之间的干扰很少发生变化，人们已经发现每天仅有少于1%的仪表发生指定给仪表的信道变化。然而，按照本发明进行的系统操作，允许将每一个仪表配置为仪表与网关之间的干扰发生任何变化，仪表自动调整。 [0056] 如果在步骤60中，系统确定信噪比低于图2所示的信道A的最低阈值，系统于是确定单个仪表不能与网关直接通信。在这种情况下，如图1所示，每一个单个仪表的控制单元于是配置为与中间仪表18中的一个通信。 [0057] 正如图3中所描述的，如果系统确定仪表到最合适的网关的通信的信噪比大于当前指定给该仪表的信道的阈值，如图2所示，系统将该仪表移动到当前信道左边信道中的一个。指定的信道向图2中右边移动，增大波特率，减小消息传输时间，因而通过移动仪表到最合适的信道改善系统的操作。如果仪表以前指定为通过中间仪表18通信，该仪表可以重新配置为与网关16中的一个直接通信。 [0058] 作为一种选择，如果在步骤60中，系统确定指定给仪表的当前信道大于该仪表的信噪比，参见图2，系统将指定给该仪表的信道向左移动，以减小波特率并增大消息传输时间。如果仪表已经在信道A中，系统于是重新配置仪表到“伙伴”模式，在这种模式中，仪表与中间仪表18中的一个通信，而不是直接与网关16通信。 [0059] 强仪表情况 [0060] 图4表明一种实现，该实现中三个有代表性的仪表，位于包括三个塔架A，B和C的系统中。每个仪表的传输区域由等式πR2确定，其中半径R是离仪表的距离。因此，如果塔架A、B和C三个都处于强仪表的传输半径内，那么大约27个塔架会受到一定程度的信号强度的影响。现有技术系统通过在端点使用功率控制并尝试标准化在任何给定塔架(QUALCOMM)接收的功率降低了这种影响。这耗尽控制信道带宽，事实上当没有发生数据碰撞时，降低了信号在远处塔架的冗余度。 [0061] 本发明通过在接收消息的过程中，连续监听接收功率级，或类似的东西，避免无线传输碰撞中预期消息的丢失。如果碰撞消息发生在初始消息完成之前，并且碰撞消息具有足够的C到I解调的信号级，那么保留“放弃”第一个消息，并尝试解调第二条。在一个实施例中，两个DSP解调器尝试同时解调第一条和第二条碰撞消息，使用消息CRC或卷积编码的加密来验证哪个消息是成功的。 [0062] 弱仪表情况 [0063] 弱仪表对于强或中等SNR仪表，总是处于不利地位，强或中等SNR仪表总是由于更高的C到I和放弃在碰撞中获胜。为了对这些弱端点情况的统计数字标准化，具有弱SNR的端点，即使到它们最佳服务器塔架，放置在单独的信道，在那个信道中只有弱SNR仪表竞争。在没有时间参考的ALOHA系统中，会产生非时隙性能，除了经过相同级别的10-15dB的衰减的端点之间的碰撞的情况。如果一个信号衰减，为端点解调提供一个有用的C到I，即使没有定时信号放弃特征可以带来ALOHA性能提高到时隙。 [0064] 用于该方法的最低限度信道是一个低信噪比和一个高信噪比的信道。如前所述，可以考虑数据积累站点14每天优化端点配置，进一步地，可以考虑即使在重新配置过程中，少于1%的仪表基于信噪比的变化重新配置。 |
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