用于分布式无线电通信网络的方法和系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2012年11月30日提交的标题为"METHODSANDSYSTEMSFORA DISTRIBUTEDRADIOCOMMUNICATIONSNETWORK"的美国专利申请号 13/690, 602 的利益和优 先权，该专利申请为了所有目的通过引用被全部并入本文。
技术领域
[0003] 本公开一般地涉及用于数据的分布式收集的方法和系统。特别是，本公开涉及用 于分布式无线电通信网络的方法和系统。
【背景技术】
[0004] 常规的数据收集网络（例如无线传感器网络（WSN))提供使用传感器节点的分布 式监测，传感器节点一般目的在于低成本和/或低功率。这样的网络的地理范围可能是有 限的，且某些网络可能在多个节点上（例如在网状配置中）使用多跳传输。由于不能使用 的节点和/或低信噪比的无线电，一些数据收集系统有时面临网络损害。由于被部署来支 持网络的节点的数量、搜集或处理数据的专用硬件和/或这些远程节点的维护/升级，某些 常规数据收集网络也面临增加的成本。在包括农业、天气预报、灾难管理和本国安全的多个 行业中，在广阔的区域上的环境数据的实时收集是关键促进因素。然而，包括网状网络、蜂 窝和卫星的现有无线技术对于普遍的监测应用没有这样的范围或是成本过高的。
【发明内容】
[0005] 在各个方面中，本申请涉及用于分布式无线电通信网络的方法和系统。这样的网 络可包括普遍的无线传感器网络或机器对机器（M2M)网络。可使用软件定义无线电（SDR) 来实现分布式无线电通信网络的某些实施方式。SDR可以以软件实现通常由硬件提供的功 能（例如混合、滤波、放大、调制/解调、检测和编码）。射频（RF)信号可经由模数（A/D) 和数模OVA)转换器与数字域来回转换。通过使用SDR，由天线接收的RF信号可在由A/D 转换器采样之前被滤波和/或放大。执行软件应用的处理器可处理来自A/D转换器的样本 并可重构所传输的信息。相反的过程可采用将被传输的信息，并可构造应用于D/A转换器 的所传输的波形的样本。D/A转换器的输出可接着在应用于天线之前被滤波和放大。数字 或模拟频率转换步骤可用于在样本和期望操作频率之间来回转换。在一些无线电通信应用 中，在与天线和/或RF电子器件遥远的特定位置处执行一些或所有接收机功能可能是期望 的。这可出现在一些接收功能的复杂性需要昂贵的处理系统（例如MM0/MIS0/SM0应用） 时。不是在接收机处执行这些功能，相反，收集RF信息的样本并将它们经由网络发送到中 央位置可能是有利的，例如SDR处理功能可位于该中央位置处和/或可在多个无线电装置 /天线当中被共享。
[0006] 在一些方面中且如本文公开的，某些SDR特征可集中在或选择性地被指派到和/ 或被委派到分布式无线电通信网络中操作的特定设备。在某些实施方式中，对特定SDR功 能的更新可指向寄载SDR功能的中央设备（或多个设备），而不是经由网络被分发到不同的 位置。这样的更新可通过网络且在一些情况下无线地被传输。与专用硬件或在每个节点处 的全特征化SDR的安装比较，这样的SDR配置可允许例如更可管理的维护和更新。本公开 也描述了处理损害（例如与电离层传播相关的多普勒和多径）的系统和方法，并可通过组 合在多个位置处接收的数据来提高通信链路裕度。
[0007] 在一个方面中，本公开描述了用于提供分布式无线电通信网络以实现无线传感器 网络（WSN)的系统，其中传感器节点可包括低成本传输和接收电子器件和小的低效天线。 节点可配备有测量环境的某个方面（例如温度、湿度或其它天气条件、在例如河或溪中的 水数量或质量、或土壤或其它地质成分的特征例如温度、湿气含量、盐度或其它参数）的各 种传感器。如所述的分布式无线电通信网络可通过以协作的方式使用多个天线来从节点接 收节点传输，节点的传输可能不能由单个天线和单个接收机检测。以类似的方式，可在使用 来自任一个网关天线的低功率传输时使用来自多个网关天线的非常低功率的信号将传输 从网络发送到节点。在另一方面中，本公开描述了分布式无线电通信网络的方法，其中节点 传输利用低于30MHz的频率，其中地波和电离层传播都可出现。电离层传播可涉及近垂直 入射（NVIS)天波或长路径天波模式。通过使用分布式天线的网络，节点传输可出现，并可 由于网关天线的分布式性质而通过一个或多个节点同时被接收，网关天线可位于离便于特 定的传播模式的传输节点的不同距离处。
[0008] 在又一方面中，本公开目的在于用于提供分布式无线电通信网络的方法。该方法 可包括分别通过第一网关和第二网关中的每个接收包括来自多个地理上分散的节点中的 第一节点的数据的至少一部分的调制信号。该调制信号可作为射频（RF)信号从第一节点 被无线地传输，数据由第一节点在第一位置处收集或产生。服务器可从第一网关和第二网 关接收调制信号。如由软件定义无线电（SDR)软件配置的，服务器可执行对分别接收的调 制信号的处理以恢复数据。处理可包括对调制信号的解调。
[0009] 在某些实施方式中，第一网关可压缩由第一网关接收的调制信号，并可将压缩的 调制信号传递到服务器。服务器可执行包括单输入多输出（SIM0)和多输入多输出（MIM0) 处理中的至少一个的处理。服务器可执行包括下列项中的至少一项的处理：信号滤波、干扰 抑制、解压缩、加密、解密、前向纠错（FEC)、编码、解码、波束形成和天线分集处理。在一些实 施方式中，第一网关、第二网关和服务器经由通信网络被连接。
[0010] 在一些实施方式中，第一网关和第二网关中的至少一个可接收从电离层反射的RF 信号之一。第一网关和第二网关可接收作为RF信号经由下列项中的至少两项传输的调制 信号：从第一节点的直接路径、地波路径和电离层反射。第一节点可在大于10千米的传输 路径上将在3和30兆赫（MHz)之间的低功率RF信号传输到第一网关和第二网关中的至少 一个。服务器可使分别从第一网关和第二网关接收的调制信号时间同步以用于调制信号的 组合。服务器可识别干扰信号并可从接收自第一网关和第二网关的调制信号移除干扰信 号。
[0011] 在又一方面中，本公开目的在于用于提供分布式无线电通信网络的系统。该系统 可包括多个地理上分散的节点的第一节点。第一节点可在第一位置处搜集或产生数据。第 一网关和第二网关可分别接收包括来自第一节点的数据的至少一部分的调制信号。调制信 号可作为射频（RF)信号从第一节点无线地被传输。在某些实施方式中，服务器可从第一网 关和第二网关接收调制信号。服务器可由软件定义无线电（SDR)软件配置成执行分别接收 的调制信号的处理以恢复数据。处理可包括调制信号的解调。
[0012] 在一些实施方式中，第一网关压缩由第一网关接收的调制信号，并可将压缩的调 制信号传递到服务器。服务器可由SDR软件配置成执行包括单输入多输出（SM0)和多输 入多输出（MM0)处理中的至少一个的处理。在某些实施方式中，第一网关、第二网关和服 务器由通信网络连接。第一网关和第二网关中的至少一个可接收从电离层反射的RF信号 之一。第一网关和第二网关可接收作为RF信号经由下列项中的至少两项传输的调制信号： 从第一节点的直接路径、地波路径和电离层反射。
[0013] 在某些实施方式中，第一节点在大于10千米的传输路径上将在3和30兆赫（MHz 或兆赫兹）之间的低功率RF信号传输到第一网关和第二网关中的至少一个。服务器可 执行包括下列项中的至少一项的处理：信号滤波、干扰抑制、解压缩、加密、解密、前向纠错 (FEC)、编码、解码、波束形成和天线分集处理。服务器可使分别从第一网关和第二网关接收 的调制信号时间同步以用于调制信号的组合。在一些实施方式中，服务器识别干扰信号并 从接收自第一网关和第二网关的调制信号移除干扰信号。
【附图说明】
[0014] 通过参考结合附图的下面的描述，本公开的前述和其它目的、方面、特征和优点将 变得更明显和更好理解，其中：
[0015] 图1A是描绘了包括与远程机器通信的客户机的网络环境的实施方式的框图。
[0016] 图1B和1C是描绘了在本文所述的方法和系统方面有用的计算设备的实施方式的 框图。
[0017] 图2A是示出了分布式无线电通信网络的实施方式的框图。
[0018] 图2B是示出了被应用来组合来自多个网关的信号的一些步骤的例子的流程图。
[0019] 图2C是示出了被应用来消除干扰信号的影响的一些步骤的例子的流程图。
[0020] 图2D是描绘了无线传感器节点的一个实施方式的框图。
[0021] 图2E是描绘了无线传感器节点的另一实施方式的框图。
[0022] 图2F和2G是用于接收和处理节点传输的网关的实施方式的框图。
[0023] 图2H描绘了SDR服务器的一个实施方式的框图。
[0024] 图21描绘了终端用户应用的数据流程图的一个实施方式。
[0025] 图2J是描绘了分布式无线电通信网络的方法的流程图的一个实施方式的框图。
【具体实施方式】
[0026] 为了阅读下文各种实施例的描述，下述对于说明书的部分以及它们各自内容的描 述可能是有帮助的：
[0027] -A部分描述了可能对实施本文所述的实施方式有用的网络环境和计算环境；以 及
[0028] -B部分描述了分布式无线电通信网络的方法和装置的实施方式。
[0029] A.计筧和网络环培
[0030] 在讨论当前的解决方案的特定实施方式之前，结合本文所述的方法和系统来描述 操作环境的方面以及相关系统部件（例如硬件元件）可能是有帮助的。参考图1A，描绘了 网络环境的实施方式。简要概述，网络环境包括经由一个或多个网络104与一个或多个服 务器106a-106n(也总地称为服务器106、节点106或远程机106)通信的一个或多个客户 端10la-10In(也总地称为本地机器101、客户端101、客户端节点101、客户机101、客户端 计算机101、客户端设备101、端点101或端点节点101)。在一些实施方式中，客户端101 具有用作寻求对服务器所提供的资源的访问的客户端节点和用作为其它客户端101a-101n 提供对所寄载的资源的访问的服务器的能力。
[0031] 虽然图1A示出了在客户端101和服务器106之间的网络104,但客户端101和服 务器106可以在同一网络104上。网络104可以是局域网（LAN)例如公司内联网、城域网 (MAN)或广域网（WAN)例如互联网或万维网。在一些实施方式中，在客户端101和服务器 106之间具有多个网络104。在这些实施方式之一中，网络104'（未示出）可以是专用网， 而网络104可以是公共网。在这些实施方式的另一个中，网络104可以是专用网，而网络 104'是公共网。在这些实施方式的又一个中，网络104和104'可以都是专用网。
[0032] 网络104可以是任何类型和/或形式的网络，并可包括下列项中的任一个：点对点 网络、广播网、广域网、局域网、电信网络、数据通信网络、计算机网络、ATM(异步传输模式） 网络、SONET(同步光网络）网络、SDH(同步数字体系）网络、无线网络和有线网络。在一些 实施方式中，网络104可包括无线链路，例如红外信道或卫星频带。网络104的拓扑可以是 总线、星形或环形网络拓扑。网络104可具有如本领域中的普通技术人员已知的能够支持 本文所述的操作的任何这样的网络拓扑。网络可包括利用用于在移动设备之间通信的任何 协议或标准--包括AMPS、TDMA、CDMA、GSM、GPRS、UMTS、WiMAX、3G或4G--的移动电话网 络。在一些实施方式中，可经由不同的协议传输不同类型的数据。在其它实施方式中，可经 由不同的协议传输相同类型的数据。
[0033] 在一些实施方式中，系统可包括多个逻辑上分组的服务器106。在这些实施方式的 一个中，服务器的逻辑组可被称为服务器群38或机器群38。在这些实施方式的另一个中， 服务器106可在地理上被分散。在其它实施方式中，机器群38可作为单个实体被管理。在 又一些其它实施方式中，机器群38包括多个机器群38。在每个机器群38内的服务器106 可以是异构的一一一个或多个服务器106或机器106可根据一种类型的操作系统平台（例 如由华盛顿州雷德蒙的微软公司制造的WINDOWS)来操作，而一个或多个其它服务器106可 根据另一类型的操作系统平台（例如Unix或Linux)来操作。
[0034] 在一个实施方式中，在机器群38中的服务器106连同相关联的存储系统可贮存在 高密度机架系统中，并位于企业数据中心中。在这个实施方式中，以这种方式合并服务器 106可通过将服务器106和高性能存储系统定位在局部化高性能网络上来提高系统可管理 性、数据安全性、系统的物理安全性和系统性能。集中服务器106和存储系统并将它们与高 级系统管理工具耦合允许服务器资源的更有效使用。
[0035] 每个机器群38的服务器106不需要在物理上接近在同一机器群38中的另一服务 器106。因此，在逻辑上被分组为机器群38的服务器106组可使用广域网（WAN)连接或城 域网（MAN)连接来互连。例如，机器群38可包括在物理上位于不同的大陆或大陆的不同地 区、国家、州、城市、校园或房间中的服务器106。如果使用局域网（LAN)连接或某种形式的 直接连接来连接服务器106,则可增加在机器群38中的服务器106之间的数据传输速度。 此外，异构机器群38可包括根据一种类型的操作系统来操作的一个或多个服务器106,而 一个或多个其它服务器106执行一种或多种类型的管理程序而不是操作系统。在这些实施 方式中，管理程序可用于仿真虚拟硬件、划分物理硬件、虚拟化物理硬件并执行提供对计算 环境的访问的虚拟机。管理程序可包括由加利福尼亚州帕罗奥多的VMWare有限公司制造 的那些管理程序；Xen管理程序一一开源产品，其发展由Citrix系统有限公司监督；由微软 提供的Virtual Sever或虚拟PC管理程序，或其他。
[0036] 为了管理机器群38,应监控在