用于抄表系统中的无线通信的方法与流程

本公开涉及一种用于抄表系统中的无线通信的方法，特别是用于链路管理的方法。

背景技术：

1、众所周知，电力、水、燃气和/或热能的公用事业提供商使用自动抄表(automaticmeter reading，amr)系统或高级抄表基础设施(advanced meter infrastructure，ami)系统来有效和可靠地管理客户计费。这种系统可以被称为“专用”抄表系统。专用抄表系统的特征在于，例如，在多个家庭中安装耗量表，并且经由与专用数据收集单元的无线通信将消耗数据传送到前端系统(head-end-system，hes)。单个数据收集单元可以收集由数千个耗量表读取的消耗数据。若干数据收集单元可以分布在城市或区域上，以覆盖位于其中的所有耗量表。因为在测量水、燃气和/或热能消耗的情况下，通常没有机会对耗量表电池进行再充电或更换，所以耗量表使用免许可频带以尽可能多地节省耗量表的电池电量的方式与数据收集单元无线通信。然而，用于记录电力消耗的耗量表不需要是电池供电的，因为它们连接到市电，即，公用电力。

2、由于专用抄表系统在一个或多个特定频带(优选地，免许可ism无线电频带)中使用专用低功率广域网(low power wide area network，lpwan)，因此该使用可能在传输功率、带宽和占空比方面受到权威法规的限制。作为专用抄表系统的替代方案，通用抄表系统可以使用公共蜂窝通信网络而不是专用数据收集单元来收集消耗数据。例如，耗量表可以包括通信模块，例如调制解调器，以连接到由公共蜂窝通信网络(例如窄带物联网(nb-iot)网络或长期演进机器类型通信(lte-m)网络)提供的lpwan。在这种lpwan中使用的频带具有较少的占空比限制，但是它们受到许可费的限制。此外，与“拥有”(包括租赁)数据收集单元基础设施的专用抄表系统相比，公共蜂窝通信网络是通用通信基础设施的一部分，其中耗量表与hes之间的无线通信基础设施由外部方(例如，移动网络运营商(mno))拥有、维护和控制。使用专用抄表系统，电力、水、燃气和/或热能的公用事业提供商(utility provider，up)仅拥有(或租赁)、维护和控制抄表系统的所有部分。

3、本公开特别地涉及一种用于专用抄表系统中的无线通信的链路管理的方法，该专用抄表系统包括数据收集基础设施，即，用于数据收集网络的硬件和软件。

4、如上所述，这种专用抄表系统的技术挑战是尽可能节能地通信，以便能够在10、15或甚至20年的时间段内进行定期抄表(例如每30分钟或每小时)，而无需对电池供电的耗量表中的电池进行再充电或更换。此外，要降低所使用的频带中的干扰和拥塞的风险。与任何类型的耗量表(包括非电池供电的耗量表，诸如电力耗量表)进行通信的另一个挑战是保持在由权威法规设置的免许可ism(工业、科学、医疗)无线电频带的功率和占空比限制内。

5、根据国家或地区权威法规，免许可ism射频(rf)频带中的占空比可以被严格限制为最大10％或更小，其中占空比是发送方在rf频带中发送的时间的百分比。占空比限制与下行链路传输(即，从数据收集单元到耗量表的通信)特别相关。从耗量表到数据收集单元的通信可以被称为上行链路传输。

6、下行链路通信完成不同的任务。例如，up可以使用hes经由数据收集单元与耗量表进行端到端通信，例如发送配置命令、阀设置、更新、立即读取请求或其他信息查询。除了端到端通信之外，还由数据收集单元执行维护任务，诸如调节测量装置的实时时钟或执行链路管理。链路管理可以包括设置耗量表的射频(rf)传输的参数，以便以给定的rf链路质量进行通信。例如，可发送的链路管理参数可以是功率电平、前向纠错电平(level offorward error correction)、调制、rf传输带宽或rf信道选择。由数据收集单元执行的链路管理可以取决于若干方面。例如，位于距数据收集单元较远距离处的耗量表可以被给予比位于更靠近数据收集单元的耗量表更大的链路预算，例如传输功率和/或上行链路占空比。较大的链路预算可以使得能够克服耗量表与数据收集单元之间的上行链路通信中的较大上行链路路径损耗。提供更大的链路预算带来测量装置的更高的能量消耗、由于潜在地更长的传输持续时间而导致的更大的rf冲突风险。由于这些原因，普遍希望保持尽可能低的属性链接路预算。

7、因此，本公开的目的是在这方面提供用于无线通信的改进方法和产品，特别是用于调节占空比限制内的链路管理的改进方法和产品。该目的可以不限于具有耗量表的抄表系统，而是可以适用于用于测量或检测公用设施处的值的任何种类的固定测量装置。例如，这可以包括耗量计、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、远程控制阀或其他种类的监测传感器。

技术实现思路

1、根据本公开的第一方面，提供了一种用于以下之间的无线通信的链路管理的方法，

2、-多个测量装置，其中，测量装置中的每个测量装置被安装成测量或检测相应的公用设施处的值，以及

3、-至少一个数据收集单元，用于从多个测量装置收集数据，

4、其中，该方法包括：

5、-将上行链路数据帧从测量装置中的至少一个测量装置发送到数据收集单元，

6、-由上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧提供用于从至少一个数据收集单元接收下行链路帧的有时间限制的访问机会，

7、-通过针对每个未使用或未成功使用的访问机会调节计数器值来更新测量装置中的至少一个测量装置中的计数器值，

8、-在提供访问机会的那些上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧中向至少一个数据收集单元发送紧急指示符，其中，紧急指示符取决于计数器值，

9、-根据基于紧急指示符的优先级排序方案，将下行链路帧从数据收集单元发送到测量装置中的所述至少一个测量装置。

10、优选地，测量装置用作以星形拓扑无线连接到数据收集单元的测量装置，即，许多测量装置连接到同一数据收集单元。测量装置可以是耗量计、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、远程控制阀和/或其他种类的监测传感器。测量装置与数据收集单元之间的通信在此是双向无线无线电通信。在当前解决方案中，通信优选地使用免许可ism频带，例如，大约868mhz。在这些频带中，通信在最大传输占空比方面受到权威法规的限制，其中，占空比是发送方在rf频带中进行传输的时间的百分比。特别地，当数据收集单元需要与许多测量装置通信时，有限的下行链路占空比是数据收集单元的限制因素。取决于国家或地区权威法规，下行链路占空比可以被限制为最大10％或更小。由于下行链路占空比是有限的，因此数据收集单元可能在其需要在其他测量装置之前对应该服务哪些测量装置的哪些动作进行聚焦和优先级排序的情况下结束。这是本文描述的方法改进无线通信的链路管理的地方。“优先级排序方案”在本文中应包括数据收集单元是否将下行链路帧发送到测量装置和/或以何种顺序将下行链路帧发送到测量装置中的哪一个的决定方案。换言之，优先级排序方案可以确定利用下行链路帧(如果有的话)来服务测量装置的顺序。测量装置需要下行链路帧越紧急(由其发送的紧急指示符指示)，数据收集单元可以在用下行链路帧服务其他测量装置之前优先向该测量装置发送下行链路帧的优先级越高。

11、本文中的任何通信优选地由测量装置发起。测量装置将上行链路帧发送到数据收集单元，并且在相对于由测量装置发送的上行链路帧的限定时间点打开其接收器以从数据收集单元接收下行链路帧。该方法可以被称为“先说后听”(listen-after-talk，lat)。可以在由测量装置发送的上行链路帧中指示有时间限制的访问机会的定时，即，“监听窗口”。监听窗口还可以被称为访问机会(access opportunity，ao)。测量装置不必在每个上行链路帧之后都提供ao。ao之间的间隔可以基于双向通信中可接受的延迟与测量装置中可接受的能量消耗之间的折衷来确定。ao之间的大间隔将导致大的延迟，但是其在测量装置中需要较少的能量消耗，因为测量装置的无线电接收器不太活跃。ao之间的较短间隔减少了延迟，但增加了测量装置中的能量消耗。

12、本文描述的方法集中于提供ao的那些上行链路数据帧。请注意，提供ao并不意味着测量装置必须“需要”下行链路数据帧作为响应或具体地“请求”响应。其简单地开启了数据收集单元访问测量装置的可能性(如果需要的话)。该需要优选地由数据收集单元或控制数据收集单元的hes确定。例如，hes可能想要经由数据收集单元向测量装置发送配置命令、维护任务、阀设置、更新、立即读取请求或其他信息。维护任务可以是例如调节测量装置的实时时钟或执行链路管理。链路管理可以包括设置测量装置的rf传输的参数，以便以给定的rf链路质量进行通信。例如，可发送的链路管理参数可以是功率电平、前向纠错电平(level of forward error correction)、调制、rf传输带宽或rf信道选择。

13、本质上，数据收集单元自由地决定是否将ao用于下行链路数据帧。因此，许多ao可以是未使用的。链路管理由数据收集单元通过使用ao向测量装置发送下行链路命令来执行，该下行链路命令指示测量装置从现在开始使用特定参数进行通信。一旦测量装置已经由数据收集单元“链路管理”，它就使用由数据收集单元接收的参数继续其随后的上行链路操作，直到另一调节机制否决接收的参数。

14、由数据收集单元执行的链路管理可以取决于若干方面。例如，位于距数据收集单元较远距离处的测量装置可以被给予比位于更靠近数据收集单元的测量装置更大的链路预算，例如传输功率和/或上行链路占空比。较大的链路预算可以使得能够克服测量装置与数据收集单元之间的上行链路通信中的较大上行链路路径损耗。提供更大的链路预算带来测量装置的更高的能量消耗、由于可能更长的传输持续时间而导致的更大的rf冲突风险。由于这些原因，通常希望保持属性链路预算尽可能低。

15、然而，在某些情况下，数据收集单元可能错误判断所需的rf链路预算，并请求测量装置切换到太低的rf链路预算，导致测量装置发送无法由数据收集单元接收的上行链路帧。在其他场景中，周围环境可能由于例如改变天气条件而改变，导致上行链路帧未到达数据收集单元。由于lat通信由测量装置发起，因此如果测量装置的上行链路数据帧未到达数据收集单元，则测量装置是不可访问的。

16、上行链路数据帧中的数据可以包括一定的冗余以考虑丢失的上行链路数据帧，以便提供“无间隙”读数。例如，上行链路数据帧可以包括最近10次调度读数的消耗数据，即，其将是90％的数据重叠或冗余。这可以解释导致个体数据丢失的零星和短暂波动。

17、然而，如果通信设置是永久次优的，则许多或所有上行链路数据帧不能到达数据收集单元，这意味着测量装置几乎不可访问或不可访问。为了防止这种情况，如果在特定时间段内没有从数据收集单元接收到下行链路数据帧，则可以在每个测量装置中包括回退方案，该回退方案触发测量装置主动增加其链路预算。在回退的情况下，可以针对上行链路方向和下行链路方向两者增加链路预算。

18、回退方案是一种类型的“紧急制动”，其仅在测量装置的上行链路帧确实没有到达数据收集单元的情况下才应该被激活，因为回退显著增加了能量消耗。为了防止测量装置在正常条件期间执行回退方案，可以由数据收集单元以规则的间隔确认链路设置。该间隔对于测量装置可以是单独的，并且对于数据收集单元可以是未知的。

19、数据收集单元不能向所有测量装置的所有ao发送下行链路响应，因为这将导致下行链路信道中的拥塞。因此，数据收集单元对下行链路响应进行调度和排队。其结果是测量装置可能不期望地执行回退方案，或者数据收集单元花费太多的下行链路占空比以比必要更频繁地确认测量装置的链路设置。第一种情况的结果是，数据收集单元留有更多的下行链路动作来处理，因为它现在不仅需要确认测量装置的当前设置，而且还需要恢复不期望的回退动作。后一种情况使得数据收集单元的下行链路占空比较少用于其他任务，诸如例如由hes发起的任务。

20、根据本文描述的方法的降低不期望的回退动作的风险的解决方案是：

21、-通过针对每个未使用或未成功使用的ao调节计数器值来更新测量装置内的计数器值，

22、-在提供ao的那些上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧中发送紧急指示符，其中，紧急指示符取决于计数器值，以及

23、-数据收集单元根据基于紧急指示符的优先级排序方案以下行链路帧进行响应。

24、例如，计数器值可以是随着由测量装置提供的每个ao而递减的倒计时值，在所述每个ao中没有从数据收集单元接收到下行链路数据帧形式的响应。可替代地，计数器值可以随着每个未使用或未成功使用的ao而递增。应当注意，数据收集单元可以决定不使用ao来发送下行链路帧，这导致未使用的ao。然而，计数器值还可以对下行链路帧传输已失败(由于将导致未成功使用的ao的某种原因)的所使用的ao进行计数。因此，计数器值可以对测量装置提供的每个ao进行计数，并且在此期间测量装置没有接收到或没有成功接收到下行链路帧。

25、任选地，紧急指示符是计数器值本身。因此，数据收集单元可以解释计数器值，并基于接收到的计数器值来决定下行链路响应的紧急性，例如设置紧急阈值。可替代地，测量装置可以基于计数器值来确定紧急性。在这种情况下，紧急指示符可以是标志、布尔信息或另一种紧急值。在任何情况下，紧急指示符优选地仅在计数器值已经达到某个紧急阈值时才被发送。如果上行链路数据帧不包含紧急指示符，则数据收集单元可以将其解释为低紧急性。

26、紧急指示符可以仅在提供ao的那些上行链路数据帧中的一些上行链路数据帧中或在所有上行链路数据帧中的一些上行链路数据帧中发送。数据收集单元使用紧急指示符作为紧急级别以相应地优先化其下行链路动作。数据收集单元通常还可以使用该信息来减少其到测量装置的下行链路活动。

27、任选地，该方法还可以包括：如果计数器值达到计数器阈值，则由测量装置中的至少一个测量装置调节上行链路预算和/或传输参数。具体地，一旦计数器值达到计数器阈值，就可以调节上行链路预算。回退(优选地包括上行链路预算的增加)可以是测量装置在这方面主动调节传输参数的特定形式。因此，如果计数器值已经达到计数器阈值，则可以由测量装置自启动回退。在倒计时值的情况下，计数器阈值可以是零。因此，计数器值给出关于测量装置何时将触发回退(例如，切换到更高的上行链路预算)的指示。如果计数器值远离计数器阈值，即，计数器值尚未达到紧急阈值，则数据收集单元可以通过不使用相关联的ao进行响应来节省下行链路预算，即，ao具有低紧急性并因此具有低优先级。例如，数据收集单元可能经历过，在最坏的情况下，它通常需要传输多达10帧才能最终到达测量装置。因此，它可以将紧急阈值设置为10。然后，只要计数器值大于10远离阈值，即，紧急指示符指示计数器值尚未达到紧急阈值或者根本没有接收到紧急指示符，它就可以跳过到测量装置的下行链路活动。然而，如果紧急指示符指示计数器值接近计数器阈值，例如处于或接近紧急阈值10，则数据收集单元可能想要确保测量装置在其触发回退之前接收到下行链路数据帧，即，ao现在具有高紧急性并因此具有高优先级，使得它们用于下行链路响应。

28、任选地，该方法还可以包括：如果计数器值达到第一计数器阈值，则由测量装置中的至少一个测量装置将上行链路预算增加到第一上行链路预算级别，并且如果计数器值达到第二计数器阈值，则由测量装置中的至少一个测量装置将上行链路预算增加到第二上行链路预算级别。因此，可以存在一个或多个回退阶段，使得上行链路预算根据计数器值以至少两个步骤增加，即，“软回退”和“硬回退”。软回退是将链路预算增加到第一级别的第一阶段回退。在软回退之后，硬回退可以在第二计数器阈值处，以用于甚至更多地增加链路预算。紧急指示符可以指示下一个回退是软回退还是硬回退，使得数据收集单元可以相应地对其响应进行优先级排序。在软回退之后并且在硬回退之前，测量装置可以增加所提供的ao的频率，以在硬回退被触发之前提供更高的可访问性。与硬回退相比，在软回退的情况下，在增加的能量消耗或拥塞方面的后果不太严重。

29、任选地，优先级排序方案还可以基于由测量装置中的至少一个测量装置使用的当前上行链路预算。例如，由于例如软回退或硬回退而具有较高上行链路预算的测量装置的ao的优先级可以比具有较低上行链路预算的测量装置的ao要使用的优先级更高。对于具有最高上行链路预算的那些测量装置，在能量消耗方面的节省潜力可以是最高的。特别是在硬回退之后具有高上行链路预算的测量装置的ao可以具有高优先级，以使数据收集单元快速执行链路管理并将上行链路预算降低到所需的最小级别。

30、任选地，如果所述测量装置中的至少一个测量装置接收到至少一个下行链路帧，则可以由测量装置中的至少一个测量装置将计数器值重置为起始值。例如，在倒计时值的情况下，起始值可以是200。例如，在向上计数的情况下，起始值可以是0。每当测量装置接收到下行链路数据帧时，优选地由其进行链路管理，使得计数器值被重置为其初始的起始值。这意味着计数器值对连续未使用或未成功使用的ao的数量进行计数。一旦成功地使用了单个ao，计数器就被重置。

31、任选地，该方法还可以包括：通过从至少一个数据收集单元向测量装置中的至少一个测量装置发送下行链路帧，设置测量装置中的至少一个测量装置的最大计数距离。在倒计时值的情况下，最大计数距离可以等于起始值。当数据收集单元暂时处于其具有高下行链路通信负载或积压的情况下时，该特征是特别有利的。例如，在电源故障之后的启动场景中可能就是这种情况。在这种情况下，许多测量装置可能需要尽快进行链路管理。在这种情况下，测量装置在其回退评估中应该更加耐心，直到下行链路通信负载或积压已经降低到正常水平。在这种情况下，建议临时增加最大计数距离，例如增加到400。如果测量装置通常在一周内倒计时，这可以对应于200的计数距离，则数据收集单元在这种情况下可以临时将最大计数距离设置为400。那么这将防止测量装置执行回退方案至少两周。如果数据收集单元对该决定感到遗憾，则它可以通过使用稍后的ao将最大计数距离设置回默认值。最大计数距离的设置可以应用于一个或多个单独的测量装置、测量装置的某些组或子集，或者应用于所有测量装置。

32、低的最大计数距离使得测量装置在来自数据收集单元的最新下行链路数据帧之后不久执行回退方案。这在rf条件快速变化的通信场景中是有利的。如果测量装置迷失，则快速执行回退方案以到达数据收集单元。然而，这具有以下缺点：数据收集单元需要相对经常地确认测量装置中的链路设置，以防止测量装置在正常条件下执行回退方案。这在具有很少测量装置的区域中或者在一些测量装置或一些类型的测量装置的连接性比其他测量装置或一些类型的测量装置的连接性更重要的情况下仍然是有用的，例如，对于工业仪表、警报传感器或远程控制阀。例如，远程控制的供水阀可能需要快速访问以在泄漏的情况下关闭阀并且打开阀以重新连接消费者。

33、在来自数据收集单元的最新响应之后，高的最大计数距离将回退方案延迟相对长的时间。这节省了可由数据收集单元用于其他目的的下行链路占空比预算，因为需要不太频繁地确认测量装置的链路设置，例如仅每月而不是每周。这在没有快速变化的相对稳定的rf条件的情况下可能是有用的。这种高的最大计数距离可能不太适合于关键测量装置，例如工业仪表或警报传感器，但是非常适合于不太关键的应用，例如家用耗量表。

34、通过使数据收集单元能够临时或永久地管理测量装置的最大计数距离，数据收集单元能够控制网络中的测量装置的行为并降低不必要的回退动作的风险。当设置最大计数距离时，数据收集单元能够考虑比在测量装置的范围内所可能的情况更宽的图像。与由制造商预先确定的固定最大计数距离相比，适应可变的最大计数距离具有以下优点：它能够动态地适应于主要条件和应用。

35、进一步结合本公开的第一方面，提供了一种用于测量或检测公用设施处的值的测量装置，其中，测量装置被配置为将上行链路数据帧无线地发送到至少一个数据收集单元，并且在每发送上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧之后，提供用于从至少一个数据收集单元接收下行链路帧的有时间限制的访问机会，其中，测量装置被配置为通过针对每个未使用或未成功使用的访问机会调节计数器值来更新计数器值，并且通过提供访问机会的那些上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧将紧急指示符发送到至少一个数据收集单元，其中，紧急指示符取决于计数器值。

36、任选地，测量装置可以被配置为：如果计数器值达到计数器阈值，则调节上行链路预算和/或传输参数。

37、任选地，测量装置可以是耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、远程控制阀和/或另一种监测传感器。

38、任选地，测量装置可以被配置为：如果计数器值达到第一计数器阈值，则将上行链路预算增加到第一上行链路预算级别，并且如果计数器值达到第二计数器阈值，则将上行链路预算增加到第二上行链路预算级别。

39、任选地，测量装置可以被配置为：如果测量装置接收到下行链路帧中的至少一个下行链路帧，则将计数器值重置为起始值。

40、任选地，紧急指示符可以是计数器值本身。因此，数据收集单元可以解释计数器值，并基于接收到的计数器值来决定下行链路响应的紧急性，例如设置紧急阈值。可替代地，测量装置可以被配置为基于计数器值来确定紧急性。在这种情况下，紧急指示符可以是标志、布尔信息或另一种紧急值。测量装置可以被配置为仅在计数器值已经达到某个紧急阈值时才发送紧急指示符。如果上行链路数据帧不包含紧急指示符，则数据收集单元可以将其解释为低紧急性。

41、进一步结合本公开的第一方面，提供了一种数据收集单元，用于从多个测量装置无线地收集数据，其中，测量装置中的每个测量装置被配置为测量或检测相应公用设施处的值，其中，数据收集单元被配置为从测量装置中的至少一个测量装置接收上行链路数据帧，其中，上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧均指示由测量装置中的至少一个测量装置提供的用于从数据收集单元接收下行链路帧的有时间限制的访问机会，其中，数据收集单元被配置为根据优先级排序方案将下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置，优先级排序方案基于在上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧中提供的紧急指示符，其中，紧急指示符基于计数器值，计数器值指示用于相应测量装置的未使用或未成功使用的访问机会的数目。

42、任选地，数据收集单元可以被配置为，通过将下行链路中的至少一个下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置，设置测量装置中的至少一个测量装置处的计数器值。

43、在下文中，描述本公开的第二方面，其中，第二方面提供了与上述第一方面独立的解决方案。然而，第二方面或其特征可以与第一方面或其特征组合，以实现用于改进专用抄表系统中的无线通信的链路管理的协同效应。然而，第二方面可以特别地应用为上述第一方面的替代方案。

44、结合本公开的第二方面，提供了一种用于以下之间的无线通信的链路管理的方法，

45、-测量装置，其中，测量装置被安装成测量或检测公用设施处的值，以及

46、-数据收集单元，用于从测量装置收集数据，

47、其中，该方法包括：

48、-经由主信道将主上行链路数据帧中的数据从测量装置发送到数据收集单元，

49、-在发送主上行链路数据帧之后，由测量装置提供用于从数据收集单元接收链路管理下行链路帧的有时间限制的主访问机会，

50、-在经由主信道接收主上行链路数据帧时评估主信号质量，

51、-经由一个或多个次级信道将一个或多个次级上行链路帧从测量装置发送到数据收集单元，

52、-在发送次级上行链路数据帧中的至少一些之后，由测量装置提供用于从数据收集单元接收链路管理下行链路帧的有时间限制的次级访问机会，

53、-在经由一个或多个次级信道接收一个或多个次级帧时，评估一个或多个次级信号质量，

54、-根据对主信号质量和一个或多个次级信号质量的评估，在主访问机会和一个或多个次级访问机会中选择一个，以用于将链路管理下行链路帧从数据收集单元发送到测量装置，以及

55、-在所选择的访问机会期间从数据收集单元接收到所述链路管理下行链路帧之后，使用相关联的信道作为用于在主上行链路数据帧中将数据从测量装置发送到数据收集单元的主信道。

56、由于对免许可ism无线电频带的权威法规，通常不能通过简单地增加传输功率来获得无线通信的长连接范围。例如，通过使用前向纠错(fec)方法和/或窄带传输或信号在时间和/或频率上的扩展来获得更长的范围。在任何情况下，较长的连接范围以降低的信息速率为代价。换言之，频谱效率降低。测量装置可以是耗量计、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、远程控制阀和/或其他种类的监测传感器。

57、测量装置与数据收集单元之间的长距离无线通信技术(例如，低功率广域网(lpwan))实现了广域覆盖，从而实现了大型lpwan小区，其中单个数据收集单元能够从数千个测量装置获得读数。然而，只有位于lpwan小区内最远位置的测量装置需要通过降低的频谱效率来支付最大连接范围。如果所有测量装置都使用最大范围模式(最低频谱效率)，则将向通信网络引入不期望的拥塞。通信网络内的数据帧之间的过度冲突以及与其他ism频带用户的干扰将被引入，同时测量装置中的功耗将不必要地高。

58、该问题的解决方案是测量装置支持具有不同级别的降低的频谱效率的多种通信模式和信道。因此，测量装置能够仅使用所需的频谱和能量来到达数据收集单元。这些不同的通信模式能够在不同的通信信道实现，这些通信信道可以具有不同的中心频率和/或带宽。如何命令测量装置选择最合适的模式或信道的过程是链路管理的一部分。

59、本文中的任何通信优选地由测量装置发起。测量装置将上行链路帧发送到数据收集单元，并且在相对于由测量装置发送的上行链路帧的限定时间点打开其接收器以从数据收集单元接收下行链路帧。该方法可以被称为“先说后听”(lat)。可以在由测量装置发送的上行链路帧中指示有时间限制的访问机会的定时，即，“监听窗口”。监听窗口还可以被称为访问机会(ao)。测量装置不必在每个上行链路帧之后都提供ao。大多数ao可以不被数据收集单元用于下行链路帧。

60、因此，数据收集单元可以使用ao将链路管理下行链路帧发送到测量装置，以主动执行链路管理，即，命令测量装置使用哪种通信模式和信道用于上行链路数据帧。

61、原则上，链路管理的一种方法可以是定义映射的上行链路和下行链路模式，在安装测量装置时从该映射的上行链路和下行链路模式中选择合适的对。这意味着上行链路模式的设置和等效下行链路模式的等效设置可以彼此相关联，并且每对提供用于上行链路和下行链路通信的对称链路预算。

62、这种方法存在某些问题。首先，上行链路和下行链路模式之间的对称性可能取决于测量装置和数据收集单元中的硬件配置。特别地，数据收集单元上的天线配置对模式对称性具有很大影响。由于对于给定的测量装置，数据收集单元的从属关系在其寿命期间可能会改变，因此对称性不一定随时间保持不变，因为数据收集单元的硬件配置可能会变化。另一个问题随着正在使用的频带而出现，因为上行链路和下行链路信道由于不同频带的调节规则之间的差异而通常不在相同的ism频带中。因此，上行链路和下行链路之间的信号质量对称性是位置特定的，并且取决于本地可用的相关频带中的干扰量。信号质量对称性甚至可以是时间相关的，因为频带使用随时间改变。

63、由于信道中存在时间变化，因此链路可能随时间劣化，使得上行链路数据帧不能在数据收集单元处被接收，或者来自数据收集单元的链路管理下行链路数据帧不能被测量装置接收。为了能够处理这种场景，可以应用如上结合第一方面所述的回退方案，其中，如果测量装置在一定时间内没有接收到链路管理下行链路数据帧，则应用某些规则以“回退”到先前或默认设置。

64、另外，链路管理可以包括不一定使用相同信道的多个信道。对于上行链路和下行链路两者都可以是这种情况。因此，改变频道通常可能需要

65、-一组非常严格的信道，其在系统推出时对所有网络元件都是已知的且后来不能改变，或者

66、-测量装置与数据收集单元之间的大量通信以交换关于所支持的信道的必要信息，这对于产生显著下行链路占空比负载和功耗的每个测量装置都是需要的。

67、本文描述的第二方面涉及允许随着时间在上行链路和下行链路两者中都进行最佳链路管理，同时使需要传送的数据量最小化。本文描述的第二方面对于其中测量装置具有多个信道频率和/或信道模式以供选择的系统是特别有利的。

68、这里的构思如下。首先，在经由主信道接收到主上行链路数据帧时，由数据收集单元评估主信号质量。主信道可以是用于将数据传送到数据收集单元的当前选择的信道。在发送主上行链路数据帧之前、并行或之后，测量装置经由一个或多个次级信道将一个或多个次级上行链路帧发送到数据收集单元。次级上行链路帧可以是具有很少或没有数据的任何类型的测试帧。然而，至少一些次级上行链路数据帧为数据收集单元提供ao以用于链路管理下行链路帧。数据收集单元还评估次级上行链路数据帧的信号质量，即，一个或多个次级信号质量。根据主信号质量和一个或多个次级信号质量，数据收集单元选择用于发送链路管理下行链路帧的ao：由主上行链路数据帧提供的ao或由次级上行链路数据帧之一提供的ao。优选地，它选择由具有最适当的信号质量的上行链路数据帧提供的ao。应当注意，最适当的信号质量可能不是最高信号质量。事实上，太高的信号质量是以链路预算为代价的，因此优选地根据链路预算选择最适当的信号质量。例如，选择由以较少的链路预算实现相同或较低的信号质量的上行链路数据帧提供的ao可能是有益的。因此，优选地，数据收集单元在主信号质量和一个或多个次级信号质量中选择由具有高于预定质量阈值的最低信号质量的上行链路数据帧提供的ao。如果选择了次级上行链路数据帧之一的ao，则测量装置在所选择的ao中接收链路管理下行链路帧，并自动切换到相应的次级信道作为新的主信道，用于向数据收集单元发送数据。

69、上述解决方案的另一个优点是在下行链路方向上自动测试新的主信道。因此，如果可用链路预算不对称到测量装置未接收到链路管理下行链路帧的程度，则新主信道的选择将是低效的。上述解决方案排除了这一点，因为测量装置不切换到新的主信道，除非它在相应的ao期间接收到链路管理下行链路帧。

70、因此，数据收集单元简单地选择某个ao用于响应，并且不需要用于商定新的通信模式或信道的数据交换。应当注意，数据收集单元不需要读取或理解主上行链路数据帧或次级上行链路数据帧中的任何数据。事实上，主上行链路数据帧可以包含寻址到hes的端到端加密数据，并且次级上行链路数据帧可以包含很少数据或不包含数据。

71、任选地，可以选择由上行链路数据帧提供的ao，该上行链路数据帧具有主信号质量和一个或多个次级信号质量中的最适当的信号质量。应当注意，最适当的信号质量可能并不总是最高信号质量。太高的信号质量是以链路预算为代价的，因此优选地根据链路预算选择最适当的信号质量。例如，选择由以较少的链路预算实现相同或较低的信号质量的上行链路数据帧提供的ao可能是有益的。因此，优选地，数据收集单元在主信号质量和一个或多个次级信号质量中选择由具有高于预定质量阈值的最低信号质量的上行链路数据帧提供的ao。可以延迟或排队链路管理下行链路帧的发送，直到评估了一个或多个次级信号质量。就将链路管理下行链路帧排队而言，第二方面可以与上述第一方面以协同效应相结合。决定哪个测量装置服务于链路管理的优先级方案还可以基于是否存在更适当的次级信号质量可用。反之亦然，计数器值可以指示有足够的时间将链路管理下行链路帧排队更长时间以评估更多的次级信号质量。

72、任选地，该方法还可以包括：在测量装置已经在相应的访问机会中接收到链路管理下行链路帧之后，经由次级信道之一将主上行链路数据帧中的数据从测量装置发送到数据收集单元。这意味着次级信道实际上被用作用于发送数据的新的主信道。

73、任选地，一个或多个次级上行链路帧可以比主上行链路数据帧短。由于将次级上行链路帧作为测试帧发送是用于查看是否存在要使用的更好模式或信道的上行链路预算投资，因此它应该尽可能小以允许在数据收集单元处进行信号质量评估。与此相比，主上行链路数据帧包含要传送到hes的数据。然而，考虑到主上行链路数据帧，一个或多个次级上行链路帧可以包含至少部分冗余信息。

74、任选地，一个或多个次级上行链路帧的发送可以没有主上行链路数据帧的发送那么频繁。再次，由于将次级上行链路帧作为测试帧发送是用于查看是否存在要使用的更好模式或信道的上行链路预算投资，因此可以降低频率，例如，仅每第10个主上行链路数据帧可以伴随有一个或多个次级上行链路帧。

75、任选地，可以基于信噪比(signal-to-noise ratio，snr)和/或信号与干扰加噪声比(signal-to-interference-plus-noise ratio，sinr)来确定主信号质量和/或一个或多个次级信号质量。

76、任选地，主信道和/或一个或多个次级信道可以通过包括以下各项的组中的任一项而彼此不同：

77、-频带的中心频率，

78、-符号速率，

79、-带宽，

80、-调制类型，以及

81、-调制参数。

82、任选地，主信道和/或一个或多个次级信道可以通过包括以下各项的组中的任一项的调制类型而彼此不同：

83、-二进制相位键控移位(binary phase key shifting，bpsk)，

84、-高斯频移键控(gaussian frequency shift keying，gfsk)，

85、-高斯最小频移键控(gaussian minimum shift keying，gmsk)，以及

86、-啁啾调制或其变型。

87、任选地，主信道和/或一个或多个次级信道可以通过包括以下各项的组中的任一项而彼此不同：

88、-使用直接序列扩频(direct sequence spread spectrum，dsss)，

89、-使用啁啾扩频(chirp spread spectrum，css)，以及

90、-使用跳频扩频(frequency hopping spread spectrum，fhss)。

91、进一步结合本公开的第二方面，提供了一种用于从多个测量装置无线地收集数据的数据收集单元，其中，每个测量装置被安装成测量或检测相应的公用设施处的值，

92、其中，数据收集单元被配置为经由主信道从测量装置中的至少一个测量装置接收主上行链路数据帧中的数据，其中，主上行链路数据帧指示由测量装置中的所述至少一个测量装置提供的用于从数据收集单元接收链路管理下行链路帧的有时间限制的主访问机会，

93、其中，数据收集单元还被配置为在经由主信道接收主上行链路数据帧时评估主信号质量，

94、其中，数据收集单元还被配置为经由一个或多个次级信道从测量装置中的至少一个测量装置接收一个或多个次级上行链路帧，其中，次级上行链路帧中的至少一些指示由测量装置中的所述至少一个测量装置提供的用于从数据收集单元接收链路管理下行链路帧的有时间限制的次级访问机会，

95、其中，数据收集单元还被配置为在经由一个或多个次级信道接收一个或多个次级帧时评估一个或多个次级信号质量，

96、其中，数据收集单元还被配置为根据对主信号质量和一个或多个次级信号质量的评估，在主访问机会和一个或多个次级访问机会中选择一个，以用于将链路管理下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置，使得相关联的信道然后被用作用于从测量装置中的至少一个测量装置接收主上行链路数据帧中的数据的主信道。

97、任选地，数据收集单元还可以被配置为选择由上行链路数据帧提供的ao，该上行链路数据帧具有主信号质量和一个或多个次级信号质量中的最适当的信号质量。应当注意，最适当的信号质量可能不是最高信号质量。太高的信号质量是以链路预算为代价的，因此优选地根据链路预算选择最适当的信号质量。例如，选择由以较少的链路预算实现相同或较低的信号质量的上行链路数据帧提供的ao可能是有益的。因此，优选地，数据收集单元在主信号质量和一个或多个次级信号质量中选择由具有高于预定质量阈值的最低信号质量的上行链路数据帧提供的ao。

98、任选地，数据收集单元可以被配置为，在数据收集单元已经在相关联的访问机会中将链路管理下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置之后，经由次级信道之一从测量装置中的至少一个测量装置接收主上行链路数据帧中的数据。

99、任选地，数据收集单元可以被配置为基于信噪比(snr)和/或信号与干扰加噪声比(sinr)来确定主信号质量和/或一个或多个次级信号质量。

100、任选地，主信道和/或一个或多个次级信道可以通过包括以下各项的组中的任一项而彼此不同：

101、-频带的中心频率，

102、-符号速率，

103、-带宽，

104、-调制类型，以及

105、-调制参数。

106、任选地，主信道和/或一个或多个次级信道可以通过包括以下各项的组中的任一项的调制类型而彼此不同：

107、-二进制相位键控移位(bpsk)，

108、-高斯频移键控(gfsk)，

109、-高斯最小频移键控(gmsk)，以及

110、-啁啾调制或其变型。

111、任选地，主信道和/或一个或多个次级信道可以通过包括以下各项的组中的任一项而彼此不同：

112、-使用直接序列扩频(dsss)

113、-使用啁啾扩频(css)，以及

114、-使用跳频扩频(fhss)。

115、在下文中，描述本公开的第三方面，其中，第三方面提供了与上述第一方面和第二方面独立的解决方案。然而，第三方面或其特征可以与第一方面和/或第二方面或其特征组合，以实现用于改进专用抄表系统中的无线通信的协同效应。

116、结合本公开的第三方面，提供了一种以下之间的无线通信方法：

117、-多个测量装置，其中，测量装置中的每个测量装置被安装成测量或检测相应的公用设施处的值，以及

118、-至少一个数据收集单元，用于从多个测量装置收集数据，

119、其中，该方法包括：

120、-将上行链路数据帧从测量装置中的至少一个测量装置发送到数据收集单元，

121、-在发送上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧之后，由测量装置中的至少一个测量装置提供用于从至少一个数据收集单元接收下行链路帧的有时间限制的访问机会，

122、-对要从至少一个数据收集单元发送到测量装置中的至少一个测量装置的下行链路帧进行分类，

123、-仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在访问机会期间将经分类的下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于下行链路帧的类别的优先级排序。

124、同样结合第三方面，本文中的任何通信优选地由测量装置发起。测量装置将上行链路帧发送到数据收集单元，并且在相对于由测量装置发送的上行链路帧的限定时间点打开其接收器以从数据收集单元接收下行链路帧。该方法可以被称为“先说后听”(lat)。可以在由测量装置发送的上行链路帧中指示有时间限制的访问机会的定时，即，“监听窗口”。监听窗口还可以被称为访问机会(ao)。测量装置不必在每个上行链路帧之后都提供ao。测量装置可以是耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、远程控制阀和/或其他种类的监测传感器。

125、存在数据收集单元需要使用ao向测量装置发送的不同种类的下行链路帧。如之前结合本公开的第一和第二方面所描述的，数据收集单元应该执行链路管理。数据采集单元决定使用哪个ao向测量装置发送链路管理下行链路帧。数据收集单元可以对多个测量装置执行链路管理，使得链路管理下行链路帧可以根据如结合第一方面所描述的优先级排序方案来排队。

126、然而，数据收集单元还应该发送源自hes的下行链路帧，即，在端到端通信的情境中。例如，公用事业提供商(up)可能想要读取特定的测量装置或某些测量装置组，或控制特定的远程控制阀。为此，up可以使用hes经由数据收集单元开始与测量装置的端到端通信。每当由所述测量装置通过上行链路帧提供ao时，可以启动端到端帧到某个测量装置的传输。端到端通信可以包括一个或多个请求/响应通信序列。如果端到端下行链路帧已经被发送到测量装置并且存在与所述测量装置计划的更多端到端通信，则在数据收集单元中存在端到端下行链路帧的队列，其可以被称为正在进行的下行链路业务(正在进行的会话)。还不是正在进行的会话的一部分的端到端帧可以被称为特权下行链路业务。

127、如果数据收集单元在应该发送端到端下行链路帧时正忙于链路管理，则会出现问题。如果正在进行的下行链路业务或特权下行链路业务超过最大允许下行链路占空比，则可以暂停正在进行的下行链路业务或特权下行链路业务。未完成的端到端帧将在数据收集单元中长时间保持缓冲，直到当前占空比再次允许它并且给出它的下一个ao。

128、寻址的端到端通信可以使用请求/响应协议来加密和保护。因此，如果在某个ao中没有从数据收集单元接收到确认，则可以在测量装置中应用重传方案。然而，应该尽可能避免重传，因为它们消耗测量装置的电池电量。因此，应当尽快完成正在进行的会话。

129、以下是端到端下行链路帧可能由于最大允许下行链路占空比而排队的情况的示例：

130、-当前存在寻址到提供ao的特定测量装置组的大量期望的端到端数据，并且使用所述ao所需的传输时间量将导致超过最大允许下行链路占空比。

131、-数据收集单元已经停止服务(例如，在维护、损坏或电源故障之后)，可能需要所有允许的下行链路占空比用于更长时间段的链路管理。

132、因此，在这些情况下，端到端业务可能被延迟多达几天，这对于需要快速访问任何测量装置的up是不可接受的。即使系统处于高负载情况，根据本文描述的第三方面的方法也允许高优先级端到端下行链路业务，同时防止测量装置触发回退动作(例如，使用其最大上行链路预算)并快速完成正在进行的下行链路业务。此外，当没有特权下行链路业务待决时，仍然可以使用所有允许的占空比。

133、这里的解决方案是对要从数据收集单元发送到测量装置的下行链路帧进行分类，并且仅在当前占空比不超过占空比限制时才在ao中将经分类的下行链路帧发送到测量装置，其中，占空比限制取决于下行链路帧的类别的优先级排序。下行链路帧的粗分类可以如下：

134、

135、应当注意，该解决方案不是简单地为不同类别的下行链路业务分配特定带宽。这将不是对可用下行链路预算的有效使用。取代地，数据收集单元根据下行链路帧的类别的优先级来应用不同的占空比限制。重要的是要理解，下行链路帧不是简单地按优先级排序，即首先发送较高优先级的数据帧，然后发送较低优先级的数据帧。本文公开的方法同时处理具有不同优先级的下行链路帧，只要当前占空比允许。因此，只要当前占空比允许，即使较高优先级的下行链路业务在数据收集单元中未决，也传输具有低优先级的下行链路业务。占空比限制是动态的，并且取决于是否存在等待传输的较高优先级下行链路帧。优选地，当前未决下行链路帧中的最高优先级的占空比限制被设置为最大占空比，同时保持到占空比下限的距离，即，根据上述占空比限制来适配每个占空比下限。该动态行为提供了对可用占空比的有效使用。

136、任选地，该方法还可以包括以规则的、偶发的或连续的方式确定当前占空比。每个数据收集单元可以连续地计算其当前占空比。

137、任选地，每当至少一个数据收集单元计划发送下行链路帧时，可以确定当前占空比。例如，数据收集单元可以针对每个计划的下行链路帧检查其估计的传输持续时间是否符合下行链路预算。

138、任选地，该方法还可以包括将下行链路帧分类为n个不同的类别，其中，优先级i和占空比份额dci与每个类别相关联，其中，i∈{0,…,n-1}，其中，要应用于第i个类别的占空比限制是最大占空比减去具有更高优先级的任何未决类别j的占空比份额dcj的总和，其中，j∈{0,…,i-1}。优选地，当具有更高优先级的未决类别j的数量改变时，动态地适配占空比限制。

139、以下定义可以用于描述算法：

140、·最大d.c.：允许数据收集单元使用的最大占空比，例如由权威法规设置的占空比限制。

141、·当前d.c.[0-最大d.c]：在滑动时间窗口(例如一小时)上确定的当前下行链路占空比。

142、·优先级[p0…pk]：下行链路业务的优先级，其中k＝n-2是大于或等于1的整数值

143、p0-活动帧：例如关键下行链路业务和正在进行的下行链路业务p1：最高优先级帧(例如特权下行链路业务的)

144、…

145、pk：最低优先级帧(例如特权下行链路业务的)

146、维护：示例：维护下行链路业务

147、·占空比限制[l0…lk]：超过限制将使下行链路业务限制为相应优先级或更高优先级的分类下行链路业务，其中k＝n-2是大于或等于1的整数值。

148、l0：优先级p0限制

149、l1：优先级p1限制

150、…

151、lk：优先级pk限制

152、如果对于数据收集单元中的任何测量装置不存在待决的p1-pk下行链路业务，则数据收集单元可以仅受由权威规定设置的最大占空比的限制。

153、然而，当特权下行链路业务(p1-pk)在数据收集单元中待决时，如果帧的传输在时间上冲突，则优先级选择算法偏向较高优先级下行链路业务而不是较低优先级下行链路业务。此外，可以由up在hes中设置特权下行链路业务中的优先级。

154、任选地，如果另一测量装置的另一上行链路数据帧不提供需要在时间上至少部分重叠的具有更高优先级的分类的下行链路帧的其他访问机会，则可以仅在访问机会期间将分类的下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置。因此，除了解决冲突之外，还可以使用优先级方案。

155、任选地，该方法还可以包括：

156、-通过从前端系统(hes)向至少一个数据收集单元发送一个或多个端到端下行链路帧来发起端到端通信，

157、-由至少一个数据收集单元接收端到端下行链路帧，

158、-对端到端下行链路帧进行分类，以及

159、-仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在访问机会期间将经分类的端到端下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于端到端下行链路帧的类别的优先级排序。

160、任选地，该方法还可以包括通过在至少一个数据收集单元处从测量装置中的所述至少一个测量装置接收确认上行链路数据帧来终止端到端通信。

161、任选地，可以将非终止端到端通信的端到端下行链路帧分类为最高优先级下行链路帧。

162、任选地，可以将端到端下行链路帧分类为比维护下行链路帧具有更高的优先级。

163、进一步结合本公开的第三方面，提供了一种用于从多个测量装置无线地收集数据的数据收集单元，其中，每个测量装置被安装成测量或检测相应公用设施处的值，其中，数据收集单元被配置为接收由测量装置中的至少一个测量装置发送的上行链路数据帧，其中，上行链路数据帧中的至少一些上行链路数据帧均指示由测量装置中的至少一个测量装置提供的用于从至少一个数据收集单元接收下行链路帧的有时间限制的访问机会，其中，数据收集单元还被配置为，仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在访问机会期间将经分类的下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于下行链路帧的类别的优先级排序。

164、任选地，数据收集单元可以被配置为定期地、偶发地或连续地确定或接收当前占空比。

165、任选地，数据收集单元可以被配置为在每次计划发送下行链路帧时确定当前占空比。

166、任选地，数据收集单元可以被配置为将下行链路帧分类为n个不同的类别，其中，优先级i和占空比份额dci与每个类别相关联，其中，i∈{0,…,n-1}，其中，要应用于第i个类别的占空比限制是最大占空比减去具有更高优先级的任何未决类别j的占空比份额dcj的总和，其中，j∈{0,…,i-1}。优选地，当具有更高优先级的未决类别j的数量改变时，动态地适配占空比限制。

167、任选地，数据收集单元可以被配置为：仅当另一测量装置的另一上行链路数据帧不提供需要在时间上至少部分重叠的具有更高优先级的分类的下行链路帧的其他访问机会时，才在访问机会期间将分类的下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置。

168、任选地，数据收集单元可以被配置为：从前端系统(hes)接收一个或多个分类的端到端下行链路帧，并且仅在当前占空比不超过占空比限制时，才在访问机会期间将经分类的端到端下行链路帧发送到测量装置中的至少一个测量装置，其中，占空比限制取决于端到端下行链路帧的类别的优先级排序。

169、任选地，数据收集单元可以被配置为通过从测量装置中的所述至少一个测量装置接收确认上行链路数据帧来终止端到端通信。

170、任选地，数据收集单元可以被配置为将正在进行的端到端通信的端到端下行链路帧分类为最高优先级下行链路数据帧。

171、任选地，数据收集单元可以被配置为将端到端下行链路帧分类为具有比维护下行链路帧更高的优先级。