具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备的制作方法

本申请是国际申请日2012年08月30日、申请号为201280050925.6、发明名称为“具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备”的申请的分案申请。

本发明的实施例涉及一种具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备。本发明另外的实施例涉及一种在固定多用户系统中用于无线传输突发式数据包的混合方法。

背景技术：

在传输例如加热计、电表或水表的传感器数据的少量数据时，可使用无线电传输系统。这里，具有数据发射器的测量装置与传感器附接，传感器将传感器数据无线传输至数据接收器。

us7,057,525b2描述了一种具有两个装置的用于单向远程读出计数器或仪表的系统，一个装置生成用于移动接收的短传输包，并且另一个装置生成可从固定接收机远距离接收的窄带传输包。这里，两种发送的信号仅相对于信号带宽不同。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够增加范围的构思。

此目的通过根据权利要求1的具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备、根据权利要求8的具有电池供电的固定传感器设备和数据接收器的系统、根据权利要求13的用于传输传感器数据包的方法和根据权利要求14的计算机程序来实现。

本发明提供了一种具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备。该电池供电的固定传感器设备包括传感器、用于生成数据包的装置和用于传输数据包的装置。该传感器被实施为确定传感器数据并基于该传感器数据提供传感器数据包，其中，传感器数据包括小于1kb的数据量。用于生成数据包的装置被实施为将传感器数据包分成至少两个数据包，每个数据包比传感器数据包短。用于传输数据包的装置被实施为经由通信信道以小于50kb/s的数据速率和一时间间隔传输数据包。

在实施例中，传感器数据包被分成至少两个数据包，其中，经由通信信道以小于50kb/s的数据速率和一时间间隔传输数据包。与传统的传感器数据包经由通信信道以例如100kb/s数据速率传输的电池供电的固定传感器设备相比，数据接收器的snr(信噪比)增加，从而范围也增加。除此之外，通过将传感器数据包分成至少两个数据包并经由通信信道以一时间间隔传输该至少两个数据包，一方面降低了电池负载，另一方面降低了传输错误概率。

附图说明

下面参照附图对本发明的实施例进行更加详细的说明，附图中：

图1是根据本发明一个实施例的具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备的框图；

图2是根据本发明一个实施例的具有电池供电的固定传感器设备和数据接收器的系统的框图；

图3是根据本发明一个实施例的数据接收器的框图；

图4是示意性示出了根据本发明一个实施例的数据包被分配至不同传输频率；

图5是使用aloha法通信信道的时间能力利用(timecapacityutilization)；

图6在示图中示出了根据本发明一个实施例的用于增加电报传输中eb/n0的不同的可能性；

图7是根据标准化电报长度接收电报的概率的示图；

图8是根据本发明一个实施例的在传输n个数据包时的通信信道的时间能力利用；

图9是根据针对fn＝20、d∑x＝0.2和p(xfw)＝2.3·10^-10的数据包数量的电报错误概率的示图；

图10是根据针对fn＝20、d∑x＝0.5和p(xfw)＝1.0·10^-4的数据包数量的电报错误概率的示图；以及

图11是根据针对fn＝20、d∑x＝0.8和p(xfw)＝1.1·10^-2的数据包数量的电报错误概率的示图。

具体实施方式

在本发明实施例的以下描述中，图中相同或看似相同的元件被设置有相同的参考标号，使得在不同的实施例中相同的描述是可互换的。

图1示出了具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备100的框图。该电池供电的固定传感器设备100包括传感器102、用于生成数据包的装置104和用于传输数据包的装置106。传感器102被实施为确定传感器数据并且基于该传感器数据来提供传感器数据包，其中，该传感器数据的包括小于1kb的数据量。用于生成数据包的装置104从被实施为将数据包数据分成至少两个数据包，其中，两个数据包中的每一个都比传感器数据包短。用于传输数据包的装置106被实施为在通信信道上以小于50kb/s的数据速率和一时间间隔来传输数据包。

在实施例中，为了增加范围，以小于50kb/s(例如，40kb/s、30kb/s、20kb/s或10kb/s)的数据速率而不是例如100kb/s的数据速率通过窄带的方式传输传感器数据。如例如在图2中所示的具有单向数据传输(即，没有反向信道)的电池供电的固定传感器设备100(数据发射器)和数据接收器120的系统110中，数据接收器120上的snr增加，并且因此也增加了范围。但是，结果是比特持续时间增加，从而以低数据速率在本发明的系统110内传输的每比特能量增加。由于系统110内的电池不能长期处在负载以下，只能短时间提供较高的功率，长时间的比特持续时间是个问题。为了保证电池使用寿命长，只需发出短突发。这就是为什么窄带传感器数据包被分成较小数据包(部分包)以仅具有电池的短脉冲式负载。此外，数据包例如可以是可信道编码的，使得只有部分数据包而非所有的数据包需要解码该信息。

电池供电的固定传感器设备100的传感器102可以是传感器或计数器，例如，温度传感器、加热计、电或水的计数器或仪表，其中，传感器数据可以是传感器值或计数器读数。本发明的具有电池供电的固定传感器设备100(数据发射器)和数据接收器102的系统110不包括反向信道。这里的数据发射器100可在伪随机时间发出传感器数据，其中，数据接收器120可从多个(不同的)数据发射器100接收传感器数据。

图3示出了根据本发明一个实施例的数据接收器120的框图。数据接收器120包括用于接收数据包的装置122和用于读出传感器数据包的装置124。用于接收数据包的装置122被实施为接收至少两个数据包并且组合该至少两个数据包以确定传感器数据包。用于读出传感器数据包的装置124被实施为确定来自传感器数据包的传感器数据并把传感器数据分配给电池供电的固定传感器设备100。

为了同步数据接收器120中的数据包，用于生成电池供电的固定传感器设备100的数据包的装置104可以被实施为将同步序列分成部分同步序列以将部分同步序列中的一个提供给每个数据包。

这里，用于接收数据接收器120的数据包的装置122可以被实施为基于部分同步序列将数据包定位在接收数据流中以接收数据包。

为了同步数据接收器120中的数据包，因此可利用同步序列。同步序列为确定性的或伪随机二进制数据序列(例如prbs序列(伪随机比特流))，其与数据包中的实际有效载荷数据或传感器数据一起传输到数据接收器120。数据接收器120辨识同步序列。通过接收数据流和已知同步序列的相关性，数据接收器120可确定已知同步序列在接收数据流内的时间上的位置。这里，相关函数包括位于接收数据流中的同步序列上的相关峰值，其中，峰值越高或越大，则越好地接收与已知同步序列相对应的数据流。为了进一步使突发式数据包保持简短且用于同步，同步序列可分布在单独的短数据包上，使得单独的数据包表现出比通过多个数据包同步更差的同步特性。为了利用该同步效果，数据接收器120可知道连续数据包的时间点。可替换的，接收器120的用于接收数据的装置可以被实施为基于部分同步序列来确定数据包的时间间隔或时间上的距离以在接收数据流时定位部分同步序列。由于数据发射器100和数据接收器120是固定的从而在较长时间内保持不改变，数据接收器120可以被实施为通过学习方法来确定数据包的时间序列。

用于生成电池供电的固定传感器设备100的数据包的装置104可以被实施为另外地将传感器数据包分成至少三个数据包，其中，至少三个数据包中的每一个都比传感器数据包短。此外，用于传输生成电池供电的固定传感器设备100的数据包的装置106可以被实施为通过通信信道以第一传输频率传输至少两个数据包并且通过通信信道以第二传输频率传输至少三个数据包。

这里，接收器120的用于接收数据包的装置122可以被实施为以第一传输频率接收至少两个数据包和/或以第二传输频率接收至少三个数据包以及组合该至少两个数据包和/或该至少三个数据包以确定传感器数据包。

用于生成电池供电的固定传感器设备100的数据包的装置104可以进一步被实施为使用第一码速率(信息速率)编码该至少两个数据包和使用第二码速率(信息速率)编码该至少三个数据包，其中，第一码速率大于第二码速率。

另外，为了在现有的或其他系统中有力地抗干扰，数据包可分布在不同的传输频率或发射频率(信道)。例如，数据包可以被分布至n＝2、n＝3、n＝4、n＝5、n＝10或n＝20的信道。

图4示出了根据本发明一个实施例的数据包被分布至不同的发射频率上的分布的示意图。在图4中，数据包示例性地分成三个发射频率或频率信道。待传输的电报(传感器数据包)例如包括75比特的数据量，其中，数据包通过通信信道例如以20kb/s的数据速率传输。这里，每个数据包的长度例如是10ms(＝200字节)，其结果是总长度为220s的电报(更新速率大约是4分钟)。

在图4所示的实施例中，电池供电的固定传感器设备100的用于生成数据包的装置104被实施为将传感器数据包分成12个数据包以另外将传感器数据包分成6个数据包并且另外地将传感器数据包分成4个数据包。此外，电池供电的固定传感器设备100的用于传输数据包的装置106被实施为在第一传输频率(信道1)上传输4个数据包、在第二传输频率(信道2)上传输6个数据包和在第三传输频率(信道3)上传输12个数据包。

此外，单独信道中的数据可以不同的方式编码以对于不同的应用场景来说是最理想的。因此，信道3例如可以使用1/4速率编码，比通过使用更高的例如3/4的码速率的不频繁传输的信道1更加频繁地在此信道上传输数据包。在一个或另一个信道中具有干扰，仍可以解码相应的信道。在无干扰的情况下，所有信道的数据包可mle解码(mle＝最大似然估计)。在具有较小的发射器密度的乡下环境中，通过编码速率和高包传输速率可获得大的范围。如果发射器密度增加，结果是此信道内的冲突和干扰增加。在具有高发射器密度的城市环境中，信道1中的较低传输速率可能会导致较少的冲突，但也会由于较高的码速率而导致范围降低。但是，具有高发射器密度，因为许多冲突导致负载制约的范围限制而不需要高范围。负载制约的范围限制是指由于发生冲突，附近数据发射器(snr更好)编码越强，远处较弱数据发射器重叠越多。对于以较低编码速率和较高发射器密度传输的实施例来说，即使延迟较高但它可以是优势。

下面通过与现有技术进行比较来对本发明的改进和优势进行更加详细的说明。

图5示出了使用aloha法的通信信道的时间能力利用。这里，横坐标表示时间并且纵坐标表示频率。在aloha法中，在来自数据发射器的有效载荷数据在一个信道内被分成一个或多个数据包在所谓的电报中进行传输。此外，在相同的信道n＝0中、以及在具有i∈{1,..,n}、j∈{1,...,n}和k∈{1,...,n}的其他数据发射器xi、xj和xk中也传输数据包。如果一个数据发射器x的一个数据包的传输在时间上与从数据发射器a发出的数据包重叠，那么如在图5中所示，从数据发射器a传输的数据包会被干涉或干扰。可随机发生发出数据发射器c的数据包。

假定数据发射器a的数据包长度为ta，数据发射器xi的中的一个被假定为tx,i。一个单独的数据发射器xi的信道占用由作为传输时间τ与运行时间t的比例的相应的数据发射器所谓的占空度dx，i＝τ/t∈[0,1]来定义的。这里，数据发射器可具有发射器状态s是开(1)或关(0)，即s∈{0,1}。对于未受干扰的传输的概率可近似于

这里，d∑x＝kdx为干涉或干扰数据发射器x的总占空度。

对于在数据发射器120上接收传输来说，原则上需要根据所使用的调制和信道编码的eb/n0。这里，eb指代每比特的能量，n0指代噪声性能密度(标准化带宽中的噪声性能)。使用信号能量s，噪声性能n将snr定义如下：

这里，噪声性能(噪声功率)与某个带宽相关，n＝bn0可被应用具有带宽b。计算出信号性能s＝ebd。因此下面的等式

或

应用了数据速率d。随着数据接收器120与数据发射器a之间的距离增加，通常每比特接收能量eb减少。现在为了增加传输范围，原则上可用于不同的可能性。

例如，可增加传输性能，从而也增加每比特能量eb，从调整的角度来看可能不经常被应用。此外，可使用具有低eb/n0的调制或信道编码，其中，这受到shannon极限的限制。可替换地，可增加电报(传感器数据包)的传输持续时间，从而减少数据速率，并且增加下面所述的作为出发点的每比特能量eb。

在示图中，图6示出了根据本发明一个实施例的在增加电报(传感器数据包)传输中eb/n0的不同的可能性。这里，横坐标表示时间以及纵坐标表示频率。如在图6中所示，通过较低的符号率(发射器b)或通过使用较低的码速率(发射器c)或两种方式的组合(发射器d)可能会造成数据发射器a的数据速率降低。这样，针对传输所需时间更长，并且数据发射器100在相同传输性能和更长传输时间下才可发出更多能量。

例如，用于传输数据包的装置可以被实施为提供具有符号率小于1·10⁶符号/s或还小于5·10⁶符号/s、小于3·10⁶符号/s、小于2·10⁶符号/s或小于1·10⁶符号/s和/或码速率小于0.8或还小于0.5、0.3、0.25或0.1的数据包。

如果使用较低的码速率，通常对于传输来说需要较小的eb/n0。然而，与使用较慢的调制相比，所需带宽增加。在所有列出的情况中，传输变长。在使用

降低符号率的情况下，这导致传输概率降低。

图7示出了根据标准化电报长度接收电报(传感器数据包)的概率的示图。这里，横坐标表示标准化电报长度fn，并且fn＝ta/tx，以及纵坐标表示接收电报的概率p(a)。

第一曲线150表示针对d∑x＝0.05来接收电报(传感器数据包)的概率p(a)；第二曲线152表示针对d∑x＝0.10来接收电报(传感器数据包)的概率p(a)；第三曲线154表示针对d∑x＝0.15来接收电报(传感器数据包)的概率p(a)；第四曲线156表示针对d∑x＝0.20来接收电报(传感器数据包)的概率p(a)；以及第五曲线158表示针对d∑x＝0.30来接收电报(传感器数据包)的概率p(a)。

从图7中可以看出，随着电报长度增加，接收电报(传感器数据包)的概率p(a)降低。此外，随着总占空度d∑x增加，接收电报(传感器数据包)的概率p(a)降低。然而，为了增加范围，需要延长电报(传感器数据包)的传输持续时间或降低数据速率。

在实施例中，传感器数据包被分成至少两个数据包，其中，通过通信信道以小于50kb/s的数据速率和一时间间隔或时间距离来传输数据包。如下所述，通过将传感器数据包分成至少两个数据包并且通过经由通信信道以一定时间间隔来传输该至少两个数据包，一方面降低了电池负载，另一方面降低了传输错误概率。

如例如在图8中所示，可借助多个(n)(大小相同的)数据包来传输电报(传感器数据包)。如果假定了理想的码，则当在数据接收器120采用码速率c时，零错误接收至少「cn]个数据包，使得可零错误可重构电报(传感器数据包)。这里，使用包错误概率p(pf)计算出的电报错误概率p(tf)，并且p＝1-p(pf)：

对于下面的考虑，假定传输的数据包均以随机时间传输。在下面进一步假定系统x已经在运行。该传输将是随机的，假定数据量对于系统x的所有数据发射器来说是恒定的，tx为系统x的每个数据发射器的传输持续时间。d∑x为系统x的所有的数据发射器的占空度的总和。

现在，操作另一个数据发射器a，其中，数据发射器a与电池供电的固定传感器设备100相关。数据发射器a被现有系统x传输干扰。数据发射器a将传输与系统x中数据量相同的数据量并使用相同的调制。

通过增加eb使数据传输a相对系统x的范围增加系数fn倍。因此，电报的传输持续时间延长系数fn倍。电报传输分成n个单独的数据包。tt为电报的整个传输持续时间，tp＝tt/n为数据包的传输持续时间。因此，得到下面的包错误率的结果：

据此，具有较高的fn，则包错误率的概率增大，并且具有较高的n，则包错误率的概率降低，并且与码速率c无关。

系统x的数据发射器可在数据发射器a传输电报所需的传输时间内传输fn电报。这样，在数据发射器a传输电报的时间内发射器x可传输电报的概率增大。

具有fn的传输电报(每条的错误概率为p(xf))的数据发射器x接收不到它们，该概率与重复码一样被计算为：

p(xfw)＝p(xf)^fn。

标准化成系统x的数据发射器的数据发射器a的带宽被计算为：

图9示出了根据针对fn＝20、d∑x＝0.2和p(xfw)＝2.3·10^-10的数据包的数量的电报错误概率的示图。第一曲线160描述了针对c＝1和bn＝0.05的电报错误的概率；第二曲线162描述了针对c＝0.5和bn＝0.1的电报错误的概率；第三曲线164描述了针对c＝0.33和bn＝0.15的电报错误的概率；第四曲线166描述了针对c＝0.25和bn＝0.20电报错误的概率；第五曲线168描述了针对c＝0.13和bn＝0.4的电报错误的概率；以及第六曲线170描述了包错误率p(pf)。

图10示出了根据针对fn＝20、d∑x＝0.5和p(xfw)＝1.0·10^-4的数据包的数量的电报错误概率的示图。第一曲线172描述了针对c＝1和bn＝0.05的电报错误的概率；第二曲线174描述了针对c＝0.5和bn＝0.1的电报错误的概率；第三曲线176描述了针对c＝0.33和bn＝0.15的电报错误的概率；第四曲线178描述了针对c＝0.25和bn＝0.20的电报错误的概率；第五曲线180描述了针对c＝0.13和bn＝0.4的电报错误的概率；以及第六曲线182描述了包错误率p(pf)。

图11示出了根据针对fn＝20、d∑x＝0.8和p(xfw)＝1.1·10^-2的数据包的数量的电报错误概率的示图。第一曲线184描述了针对c＝1和bn＝0.05的电报错误的概率；第二曲线186描述了针对c＝0.5和bn＝0.1的电报错误的概率；第三曲线188描述了针对c＝0.33和bn＝0.15的电报错误的概率；第四曲线190描述了针对c＝0.25和bn＝0.20的电报错误的概率；第五曲线192描述了针对c＝0.13和bn＝0.4的电报错误的概率；以及第六曲线194描述了包错误率p(pf)。

在图9到图11中可以看出，将通过前向纠错码保护的电报(传感器数据包)分成至少两个数据包来增加传输概率。在“时间分集”方面，这也应该考虑到。这是本发明向电报或传感器数据包提供前向纠错并将其分成至少两个数据包并且以伪随机时间将其传输的理念的基础。这里，为了增加范围，进行更久的电池供电的固定传感器设备100的传输(降低数据速率)。使用所概括的方法，抵消通常随之产生的传输安全性下降的问题。

因此，在实施例中，通过更小的窄带传输和额外的信道编码来增加范围。此外，为了提高传输安全性(其他系统的干扰)和降低电池的负载，窄带传感器数据包被分成多个短数据包。数据包还可以额外地在不同频带(跳频)上传输。除此之外，为了更好的同步，使用短同步序列。

本发明另一实施例提供了一种在具有单向数据传输的电池供电的固定传感器设备中传输传感器数据包的方法。在第一步中，使用传感器确定传感器数据并基于该传感器数据提供传感器数据包，其中，传感器数据包括小于1kb的数据量。在第二步中，生成数据包，其中，在生成数据包的时，传感器数据包被分成至少两个数据包，其中，至少两个数据包中的每一个都比传感器数据包小。在第三步中，经由通信信道以小于50kb/s的数据速率和一时间间隔传输该至少两个传输包。

本发明另一实施例涉及一种在使用固定数据发射器100和固定数据接收器120的领域中无线单向传输的方法，其中，数据接收器具有相对较长的时间用于接收数据。

尽管已经结合设备对一些方面进行了描述，但是很显然，这些方面还表示对应的方法的描述，使得设备的块或组件也可以认为是对应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，已经结合或描述成方法步骤的方面也表示对应的块或对应的设备的细节或功能。可通过例如微处理器、可编程计算机或电子电路的硬件设备(或使用硬件装置)来执行一些或所有的方法步骤。在有些实施例中，可通过上述一种装置执行一些或多个最重要的方法步骤。

根据某些实施要求，本发明实施例可以硬件或以软件来实施。该实施可使用数字储存介质来执行，例如其上储存有电子可读取控制信号的软盘、dvd、cd、rom、prom、eprom、eeprom或flash内存、硬盘或另外的磁性或光存储器来执行，该电子可读取控制信号与可编程的计算机系统协作(或者能够协作)使得执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

因此，根据本发明的一些实施例包括包括具有电子可读取控制信号的数据载体，该等电子可读取控制信号能够与可程序计算机系统协作，使得本文所述诸方法中的一个得以执行。

一般地，本发明的实施例可被实施为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码被操作为用于执行所述方法之一。

该程序代码例如可以存储在机器可读载体上。

其他实施例包括存储在机器可读取载体或非瞬时储存媒体上，用以执行本文所述诸方法中的一个的计算机程序。因此，换言之，本发明方法的实施例具有程序代码的计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时，该程序代码用以执行本文所述诸方法中的一个。

因此，本发明方法的另一实施例是数据载体(或数字储存介质，或计算机可读取介质)，包括记录在其上的用以执行本文所述诸方法中之一的计算机程序。

因此，本发明方法的另一实施例是代表用以执行本文所述诸方法中之一的计算机程序的数据流或序列信号。该数据流或序列信号例如可以被配置成经由数据通讯连接，例如经由因特网来传送。

另一实施例包括处理装置，例如计算机，或可程序逻辑装置，其被配置成或适应于执行本文所述诸方法中的一个。

另一实施例包括其上安装有用以执行本文所述诸方法中之一的计算机程序的计算机。

根据本发明的另一实施例包括提供来把执行本申请所述其中一种方法的计算机程序传输到接收器的装置或系统。传输例如可以电或光的方式执行。接收器例如可以是计算机、移动装置、存储器装置或类似的装置。装置或系统例如可以是把计算机程序传输到接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可使用可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列fpga)来执行本申请所述方法的一些或全部功能。在某些实施例中，现场可编程门阵列可与微处理器配合从而执行本申请所述诸方法中的一个。一般地，在一些实施例中，任何硬件装置都可以执行这些方法。同样可以是通用硬件，例如，计算机处理器(cpu)或专门用于该方法的硬件(例如，asic)。

上述实施例仅用于说明本发明的原理。应当理解，文中描述的布置和细节的修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。因此，其旨在仅由所附专利权利要求的范围限定，而不是由通过对文中的实施例的描述和说明而表示的具体细节来限定。