专利名称：用于更新分布式通信设备的位置信息的系统和方法
技术领域：
本发明总得来说涉及通信网络，具体涉及网络中通信设备的位置信息的确定。
背景技术：
设计低功率通信设备的异步通信网络用于多种应用。为了最小化使用的功率的量并且不和其它网络设备活动通信，低功率设备通常使用低通信占空比(duty cycle)帧结构。但是，使用低通信占空比帧结构通常意味着降低设备的可用性。在无线通信网络中，一个基本问题是在使用低功率无线通信设备时保持高可用性的通信。
在异步通信网络的一个特殊应用中，在地理上散开的传感设备用于监控目的。通常，这种传感设备的位置信息对于网络内的路由、配置、控制和数据管理都是有用的。当这种设备移动时，需要更新设备位置。但是，对于低成本的设备，位置信息的计算相当复杂，特别是在有大量设备时。理想状况下，仅在需要时获得位置信息，例如，仅为那些移动了的设备获得位置信息。
通常，需要能够知道每一设备的位置的低功率、低成本的无线设备的网络。现有的网络设计不能充分提供在这种网络中维护位置信息的低成本、可靠的方法。因此，需要在分布式通信设备的网络中维护更新的位置信息的新系统和方法。
在权利要求中提出了本发明特性的新颖特征。但是，将通过参考结合附图的示意性实施例的详细描述来更好的理解本发明本身，以及使用的优选模式，和另外的目的及优点。
图1是根据本发明，包括多个低功率设备和另外的执行调停设备的功能的低功率设备，以及用来基于测量获得位置信息的处理器节点的网络。
图2是一方框图，示出了根据本发明，操作为调停设备的低功率设备的功能模块。
图3示出了根据本发明的第二实施例，用于低功率设备的低通信占空比帧结构。
图4是根据本发明，用于将通信设备操作为调停设备的过程的流程图。
图5是根据本发明，用于操作处理器节点来计算设备网络的位置信息的过程的流程图。
具体实施例方式
虽然本发明有很多不同形式的实施例，这里在附图中只示出并详细描述特定的实施例，同时应该理解本公开应被视为本发明的原理的实例，并且不意在将本发明限定于所示和所述的特定实施例。在下面的描述中，相似的参考数字用于在几个附图中描述相同、相似或相应的部分。
通常，本发明提供用于更新在空间上散开的网络中组织的通信设备的位置信息的方法，该方法对异步网络特别有用。在一段时间中的多个情况下，一些通信设备中的每一个交替操作在三个截然不同的模式，包括休眠模式，普通或正常通信模式，以及管理模式。在正常通信模式中，通信设备醒来并执行特定功能，并且在管理模式中，通信设备和网络中的其它通信设备通信来收集并存储位置确定信息。使用由一个或多个通信设备在管理模式中的多个操作情况下收集的位置确定信息来更新网络上的所选设备的位置信息。在一个实施例中，在管理模式时，通信设备还管理其它通信设备的通信活动。
为了示出本发明的目的，在这里使用术语调停设备(MD)来表示操作在管理或调停模式中的通信设备，并且同义地使用术语。在管理模式中，操作通信设备来和其它联网设备通信，并且收集和存储用于确定位置信息的信息。在优选的实施例中，基于由其它设备传送的通信信号收集信号质量估计。信号质量估计用于确定相邻的联网设备的相对距离。
在优选的实施例中，MD还执行在它的通信范围中在通信设备之间的调停者的角色，并且其能够记录并回放关于消息的信息。当两个通信设备不能建立连接时这是最为有用的。在多次反射(multi-hop)网络中可以使用多于一个的MD，其中每一MD为在MD的通信范围中的一组低功率、低通信占空比通信设备调停。相比在组中的低功率通信设备，MD具有相对高的占空比，这样能够存储并在异步网络中的两个或更多个低功率通信设备之间转发消息。
在异步网络中可以将每一低功率通信设备操作为MD，同时随机选择网络的低功率通信设备，将其临时操作为该组的MD。这使得整个网络保持为低功率、低成本的异步网络，并且使得每一低功率无线设备除了在用作MD时，都保持为低通信占空比设备。因为低功率无线设备仅偶然是MD，每一低功率无线设备的平均通信占空比可以保持很低。在网络中的所有通信设备中分配MD功能也使得通信设备为了增加网络中的通信设备的平均通信占空比而使用能源矿业(energymining)。
在正常的异步网络操作过程中，每一通信设备具有低通信占空比帧结构。设备的通信占空比可以适于网络的设计参数，使得MD的参数的改变影响在MD的通信范围中的每一通信设备的可用性。
根据本发明，图1示出了包括一些根据本发明的低功率通信设备的网络100。以活动通信模式示出了一些设备110，120，130，150，160，而且示出其它设备140操作在休眠模式。每一低功率通信设备110，120，130，140，150，160可以执行MD的功能。如图所示，通信设备130临时执行MD的功能。每一低功率通信设备以随机顺序执行MD的功能。在优选的实施例中，处理器节点180执行计算设备的功能，这里计算设备用于计算网络中的多种设备的相对或绝对位置。处理器节点180和执行MD设备功能的设备(比如设备130)通信，来获得位置确定信息，其中位置确定信息和从其它操作为MD的设备获得的类似信息组合来产生网络设备上的位置信息。
可以使用一些方法来选择下一个MD。在一种方法中，当用作MD的低功率通信设备不能再用作MD时，可以随机选择MD。如果每一MD使用随机产生的初始相位偏移t0，那么在网络中的低功率通信设备上MD功能的分配应该是均匀的。这个选择过程可以防止两个低功率通信设备之间尝试同时担任MD的冲突，但是需要协调网络中的低功率通信设备。第二种方法用在第二优选实施例中，其使得每一低功率无线设备随机确定何时担任MD。在两个用作MD的低功率通信设备的情况中，使用冲突避免策略来保证仅一个MD在低功率通信设备的通信范围中。
现在参考图2，示出了根据本发明的第二实施例、具有MD功能的低功率通信设备的内部操作的系统级模块图200。如图所示，设备200支持两个截然不同但是相容的功能位置确定信息的收集和存储，以及通信活动协调。优选地，在作为整个系统配置一部分的一个设备中实现两个功能。但是，在不脱离本发明的重要方面的情况下，可以分开实现关于位置确定信息的收集和存储的功能以及关于通信活动协调的功能。
在设备200中，消息接收器215接收输入的消息205，并且提供信息到功能处理器225。功能处理器225包括特别用于整个设备功能的组件，比如用于传感、测量、监控、控制和/或其它功能的组件。需要消息发射机220和功能处理器225连接，并且消息发射机220提供传送关于设备功能的数据或进行其它通信的性能。定时模块245提供用于通信、同步和其它设备功能的信息。存储器模块225存储用于设备的操作指令和数据，并且控制器235提供对设备的总控制。设备200还包括特别用于支持MD活动的组件或功能。例如，功能处理器225，控制器235，定时模块245，以及存储器模块255，所有这些都包括组件230，240，250，260，并特别适于支持MD功能。存储器组件260包括用于存储位置确定信息的数据库267。存储器255包括消息记录指令265和消息回放指令262来允许设备200执行通信活动协调器的功能。使用消息记录和回放指令265，262，当设备操作为MD时，通过记录消息，回放消息，以及保存通信设备联系信息，设备可以调停来自网络中的通信设备的请求。数据库267进一步包括用于位置确定信息的多个情况的存储。优选地，位置确定信息包括信号质量信息，比如从特定设备接收的通信信号的接收信号强度信息(RSSI)或相关的获得信息。为了确定信号特性，以及产生(例如)RSSI，信号质量估计器290和消息接收器215相连接，并且操作来分析由设备接收的通信信号。RSSI对于估计在一设备和与该设备通信的另一设备之间的相对距离是有用的。注意到，信号指令信息可以包括其它数据，比如相关和码元同步值。
通常，设备200能够支持用于收集和记录位置确定信息，以及用于发送和接收一些类型的MD消息的特定的功能，MD消息包括源通信设备标识符，目的通信设备标识符，消息，所需通信时间，消息重放请求，控制字，以及设备状态消息。特定功能是除了表示网络中的过剩低功率通信设备之外的。本领域技术人员将认可，在不脱离发送消息、接收消息和处理消息的低功率通信设备的精神和范围的情况下，可以修改或组合图2的系统级模块图200中所示的功能模块。特别应该注意到，只要设备200可操作为网络上的MD，可以进一步从通信设备200的非MD操作中组合或分离图2所示的MD功能。
现在参考图3，示出了代表性的低功率通信设备200的低通信占空比帧结构300。低通信占空比帧结构300包括周期性的超帧序列360。超帧360包括过多的模式。超帧360的过多的模式的第一模式是随机延迟t0模块335，随机延迟具有持续时间t0 335，其中t0在0到单一发送或接收时间阶段的持续时间之间。这个延迟使得网络中的通信设备的每一超帧的开始时间随机化，从而减少了多个设备同时执行MD功能的可能性。MD模式340按时间顺序在下一时间发生，其包括预热模块315，接收时隙310和发送时隙315。预热模块305在整个MD模式中只占非常小的百分比。在优选实施例中，一个接收时隙310在一个发送时隙315之前，尽管也可以调换顺序。而且，本领域普通技术人员将认可MD模块340可以包括一些按照多种布置的发送和接收时隙。而且，尽管发送时隙315紧挨着接收时隙310在之前或之后发生，包括在发射器和接收器中的硬件将需要一些时间来在发送和接收模式之间切换。切换时间的持续时间可根据通信设备中硬件的切换速度，或者它可以由通信设备处理器中用户指定的参数来确定。
在MD模式340终止之后，开始休眠模式345。在优选实施例中，休眠模块345小于整个MD 340持续时间的一半。在休眠模式345终止之后，开始规则的通信模式350。通信模式350进一步包括预热模块320，接收时隙325和发送时隙330。当和休眠模式345的持续时间相比时，通信模块350的持续时间非常小。在通信模块350结束的时候，低功率通信设备200重复休眠模式345和通信模式350，直到超帧360结束。
当第一超帧结束时，重复上述的整个帧序列直到低功率通信设备200停止执行通信设备的功能。在优选实施例中，仅由低功率通信设备200做出停止执行通信设备的功能的决定，尽管也有可能协调若干低功率通信设备中MD的角色。注意到，低功率通信设备200包括产生和存储随机或伪随机数字的能力。这些数字可由MD处理器230产生，并且存储在MD存储器260中。
根据本发明，在一段时间中的多种情况下，在通信设备网络中的每一设备可替换地操作在截然不同的第一、第二和第三模式。每一设备的操作可以是独立的，因为模式的定时在设备之间并不同步，或者可以协调两个或更多个设备的操作。在第一模式中，设备休眠一段特定的时间，在第二模式中设备醒来并执行特定功能。在第三模式中，设备和其它联网设备通信，并且收集和存储位置确定信息。使用由一个或多个通信设备在第三模式下的多种操作情况中收集的位置确定信息，为在网络中的所选设备计算或更新位置信息。在优选实施例中，可操作特定设备来调停或管理在第三模式时的调停通信阶段中网络的其它设备的通信，比如通过管理其它联网设备的定时计划活动。因此，在这里将第三模式称为调停或管理模式。另一方面，设备在第二模式时不可以操作来调停其它通信设备的通信，但是可操作来执行特定功能，比如监控，测量，传感，报告，和类似的功能。每一通信周期优选包括对应于调停模式的调停通信阶段，以及在正常操作模式中和多个休眠阶段相互间隔的多个正常通信阶段。优选地，在进入调停模式时，每一通信设备随机设置通信设备的第一通信周期的持续时间，并且基于和其它通信设备的通信来收集和存储位置确定信息。
图4是根据本发明，由执行MD功能的通信设备使用的过程的流程图。在步骤410，在优选随机选择的特定时间的情况下，以及对于第一时间阶段，通过执行用于其它通信设备中的通信活动的协调角色来操作设备。优选地，网络或网络中的子组的通信设备协同操作，这样在特定时间仅一个设备执行MD设备的功能。在这个角色中，设备从其它设备接收通信。获得信号指令估计并且为从其它设备接收的通信信号作记录。在优选实施例中，分析属于每一接收的通信的接收信号强度信息，并且记录在确定相关位置中有用的相关信息。例如，使用现有技术，可以估计在MD设备和另一联网设备之间的相对距离的估计。以这种方式，在步骤420，设备收集并存储关于其它通信设备的位置确定信息。在第一时间阶段终止之后，并且对于接下来的第二时间阶段的持续时间，在步骤430延缓或放弃协调角色。当在第二时间阶段中时，通过测试发送标准的值，在步骤435，设备确定是否应该将位置确定信息发送到处理器节点。发送标准可以是，例如，简单的定时器，或位置确定信息本身的函数。如果没有满足发送标准，在步骤440中，设备操作在正常操作模式，包括无活动或休眠的阶段，以及对于剩余的第二时间阶段执行特定的设备功能(比如监控，传感，跟踪，以及类似的功能)的阶段。而且，在第二时间阶段过程中，设备和在具有协调角色的范围中的其它通信设备通信。之后，设备重新开始在协调角色中操作，即步骤410。
如果在步骤435满足发送标准，在步骤450，设备将收集的位置确定信息上载或发送到处理器节点，用于为联网设备计算位置信息，之后，在步骤460，在剩余的第二时间阶段中操作在正常操作模式。之后设备重新开始操作在协调角色，即步骤410。
图5是根据本发明，由处理器节点使用的过程的流程图。在步骤510，处理器节点从多个MD设备接收位置确定信息。在步骤520，处理器节点比较位置确定信息，比如在多个操作为MD的情况的持续时间过程中，由MD设备从另一设备接收的通信信号的接收信号强度，这里的操作为MD的情况的持续时间过程比如在如图4所示的第一和第三时间阶段之间。在一个情况中，当比较显示出接收信号强度和在至少两个操作为MD的情况下接收的通信信号不同时，处理器节点确定特定设备位置改变，这是步骤525，530，之后返回到步骤510。在另一情况中，当比较显示出在和一个或多个先前的操作为MD的情况过程中收集的位置确定信息相比，在操作为MD的特定情况过程中收集的位置确定信息在相当多数量的设备上不同时，处理器节点检测出MD设备本身的位置相对于网络中的其它设备发生了改变，这是步骤535，540，之后返回到步骤510。在又一情况中，处理器节点检测到特定设备或MD的相对位置没有改变；在这个情况中，处理器节点返回，从多种MD设备接收位置确定信息，即步骤510。本领域普通技术人员可以了解，可以执行被发送到处理器节点的位置确定信息的平均或其它数学操作来改进位置改变确定的可靠性。这种操作可以在MD设备，在处理节点，或在两者上执行。响应于检测到的位置改变，更新对于特定设备的位置信息。
相比现有技术，本发明提供可观的优点。通过采用分布式的信息收集模型，可以以有效和高效的方式为异步联网设备获得位置信息。位置信息收集处理可以和整个通信活动管理或调停组合，来建立更为强大的和更为灵活的通信网络，使用低功率、低复杂度的通信设备。
虽然参考优选实施例特别示出并描述了本发明，本领域普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出多种修改。
权利要求
1.一种为空间分布式的通信设备更新位置信息的方法，所述方法包括步骤在多个通信设备中的每一个，以及在一段时间内的多种情况下，交替地操作在截然不同的第一、第二和第三模式，其中，所述第一模式包括特定时间阶段的休眠，所述第二模式包括醒来并执行特定功能，所述第三模式包括和其它的多个通信设备通信以及收集并存储位置确定信息；以及基于在所述第三模式中的多个操作情况下，通过多个通信设备中的至少一个收集的位置确定信息，为多个通信设备中的所选设备更新位置信息。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤通过比较由多个通信设备中的至少一个在第三模式的多个操作情况过程中收集的位置确定信息，检测多个通信设备中的特定设备的位置的改变；以及响应于检测到的位置改变，为特定设备更新位置信息。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括步骤由多个通信设备中的所选设备，将用于位置改变了的通信设备的位置确定信息上载到中心处理器，用于确定多个通信设备的相对位置信息。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤在操作在第三模式时，协调其它的多个通信设备的通信活动。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述协调步骤进一步包括步骤在操作在第三模式时，为其它的多个通信设备管理定时计划活动。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤操作多个通信设备，使得在特定时间仅多个通信设备中的一个工作在第三模式。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤在多个通信设备中的至少一个中，选择时间来通过独立、随机的处理在第三模式操作。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述位置确定信息包括用于从多个通信设备的另一个接收的通信信号的信号质量信息。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述信号质量信息包括接收信号强度信息。
10.一种操作多个通信设备的方法，所述方法包括下面的步骤在从多个通信设备中随机选择的特定设备，在一段时间中的多个情况下，交替地操作在用于协调多个通信设备中的通信活动的协调模式，以及非协调模式，其中，在非协调模式中，由多个通信设备中的另一个提供通信活动的协调，当操作在协调模式时，收集并存储从其它的多个通信设备接收的位置确定信息；通过比较在协调模式下的不同操作情况过程中收集的位置确定信息，确定多个通信设备中的一个改变了位置；和基于由特定设备在协调模式下的至少两个操作情况中收集的位置确定信息，更新多个通信设备的所选设备的位置确定信息。
全文摘要
为通信设备(110、120、130、140、150、160)的网络收集关于位置的信息，每一通信设备可操作在协调模式和非协调模式。当在协调模式时，每一通信设备(110、120、130、140、150、160)收集并存储位置确定信息(410，420)。使用由一个或多个通信设备(110、120、130、140、150、160)在协调模式中的多个操作情况下收集的位置确定信息，计算位置信息或为在网络中的所选设备更新(510，520，530，540)。在一个实施例中，在协调模式时，每一设备操作来调停网络的其它设备中的通信活动。
文档编号H04W40/24GK1606888SQ02825530
公开日2005年4月13日 申请日期2002年12月10日 优先权日2001年12月18日
发明者碕才, 小埃德加·H·考拉维, 黄坚 申请人:摩托罗拉公司