Система и способ анализа радиочастотного спектра точки доступа и устройства беспроводной сенсорной сети
Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для измерения и анализа радиочастотной (РЧ) помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства. Централизованный программный модуль (CSWM) собирает и анализирует значения от одного или нескольких беспроводных устройств ячеистой сети беспроводного полевого устройства, которые представляют собой измерения РЧ мощности, полученные распределенным РЧ каналом, и значения, которые представляют собой соответствующее время измерения РЧ мощности. Каждое беспроводное устройство ячеистой сети беспроводного полевого устройства измеряет РЧ мощность, полученную распределенным РЧ каналом, и соответствующее время измерения, сохраняя измерения, если они были осуществлены в отличное от приема сигнала время, приводящего к последующей передаче беспроводным устройством сигнала подтверждения, либо сигнала неподтверждения. Значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности и соответствующее время измерений, определяются с использованием сохраненных измерений полученной РЧ мощности и соответствующего времени, а затем удаляются. Эти значения сохраняются в беспроводном устройстве до тех пор, пока не будут успешно отправлены. Администратор сети координирует связь между беспроводными устройствами и координирует и синхронизирует соответствующее время РЧ измерения посредством ячеистой сети беспроводного полевого устройства. Технический результат - уменьшение потребления энергии в беспроводных полевых устройствах. 2 н. и 36 з.п. ф-лы, 9 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целом, настоящее изобретение относится к беспроводным сетям и, в частности, к измерению и анализу радиочастотной (РЧ) помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства.
Ячеистая сеть является гибкой сетевой архитектурой, которая становится все более распространенной в промышленных применениях. Ячеистая сеть содержит множество узлов и шлюзовой компьютер (шлюз), который соединяет высокоскоростную шину с ячеистой сетью. Ячеистые сети исключают множество ограничений других топологий сетей посредством обеспечения непосредственной связи между узлами внутри одной сети, исключая нежелательную маршрутизацию соединений со шлюзом. Программный продукт под названием администратор сети, обычно запускаемый на шлюзе, распределяет для каждого узла несколько каналов связи, которые чередуются для устранения критических элементов и неполадок связи. Время реакции сети улучшается путем обеспечения возможности формирования соседними узлами связных ретрансляторов непосредственно с целевым узлом и исключения неполадок или критических элементов, в то время как потребление питания сетью минимизируется посредством минимизации необходимого для ретрансляции связи количества передач. Использование нескольких каналов связи обеспечивает разнесение каналов, которое улучшает надежность сети.
Беспроводной ячеистой сетью является коммуникационная сеть, состоящая из нескольких беспроводных устройств (т.е. узлов), формирующих ячеистую топологию. В настоящей беспроводной ячеистой сети, которая может также называться самоорганизующейся сетью с ретрансляторами, каждое устройство должно иметь возможность отправлять сообщения как себе, так и другим устройствам в сети. Концепт передающихся по сети от узла к узлу сообщений является значимым, поскольку для этого могут быть использованы маломощные РЧ средства связи, а также ячеистая сеть может охватывать значительную физическую область, доставляя сообщения из одного конца в другой. Высокомощные средства радиосвязи не являются необходимыми в ячеистой сети в отличие от позиционных систем управления, которые используют удаленные устройства, которые устанавливают соединение непосредственно с централизованной базовой станцией.
Использование маломощных средств радиосвязи является существенным для систем беспроводных сетей, предназначенных для применений на основе сенсоров/актуаторов, например, ячеистой сети беспроводного полевого устройства. Множество устройств в сети должны питаться локально, поскольку энергосистемы общего пользования, такие как энергосистемы с напряжением 120 В переменного тока или питаемые шины передачи данных, не размещаются рядом или их размещение не разрешается в опасных зонах, где должны быть размещены контрольно-измерительные приборы, сенсоры и актуаторы, без значительных затрат на установку. «Питаемый локально» означает питаемый от локального источника питания, такого как портативный электрохимический источник (например, батарейки с длительным сроком службы или топливные элементы), или от маломощного аккумулирующего энергию источника питания (например, колебательного движения, солнечного элемента или термоэлектрического генератора). Общей характерной особенностью локальных источников питания является их ограниченная мощность, как запасенная, в случае батареи с длительным сроком службы, так и производимая, в случае термоэлектрического генератора. Экономическая потребность в низкой стоимости установки зачастую вызывает потребность в устройствах с химическим источником питания, осуществляющих передачу данных в качестве части беспроводной сенсорной системы. Эффективное использование ограниченного источника питания, такого как первичный источник тока, который не может быть повторно заряжен, является крайне важным для отлаженного функционирования беспроводного сенсорного устройства. Предполагается, что продолжительность работы батареи превышает пять лет и, предпочтительно, равняется сроку службы изделия.
Для экономии мощности некоторые сетевые протоколы беспроводного полевого устройства ограничивают объем трафика, который может быть обработан любым узлом или устройством, посредством переключение трансиверов в положение ВКЛЮЧЕНО на ограниченный промежуток времени для прослушивания сообщений. Таким образом, протокол может обеспечивать рабочий цикл трансиверов между состояниями ВКЛЮЧЕНО и ВЫКЛЮЧЕНО для уменьшения средней мощности. Некоторые сетевые протоколы беспроводного полевого устройства могут использовать общий рабочий цикл для сохранения мощности, вследствие чего вся сеть находится во ВКЛЮЧЕННОМ и ВЫКЛЮЧЕННОМ состояниях в одно время. Другие протоколы, такие как протоколы на основе множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA), могут использовать локальный рабочий цикл, в котором в заданное время планируется синхронное ВКЛЮЧЕНИЕ и ВЫКЛЮЧЕНИЕ только сообщающейся пары узлов, соединенных вместе. Администратор сети обычно распределяет канал связи для пары узлов, а также конкретный временной интервал для установки связи, РЧ канал, используемый трансиверами получателя и отправителя, если таковые являются необходимыми в данный момент времени (например, TDMA с протоколом переключения РЧ каналов, такой как WirelessHART®). Администратор сети синхронизирует рабочий цикл и распределяет несколько каналов связи, которые координируют соединение между узлами, которые генерируют управляющие сообщения, график работы средств радиосвязи и запросы на данные в соответствии с ситуацией.
Самоорганизующаяся способность ячеистых сетей к формированию альтернативных каналов для установки связи между устройствами и между устройствами и шлюзом предоставляет избыточные каналы для радиограмм. Это улучшает надежность связи посредством слежения за тем, чтобы существовал по меньшей мере один альтернативный канал для передачи сообщений, даже если другой канал блокируется, или скорость передачи снижается вследствие воздействия окружающей среды или РЧ помехи. Несмотря на это, даже с характерной для ячеистой сети надежностью устойчивой связи РЧ помеха от неизвестных источников может негативно влиять на работу сети. Использование альтернативных каналов во избежание помехи обычно приводит к большему количеству скачков вследствие уменьшенного диапазона и потери энергии при повторных передачах для доставки сообщения на шлюз или от шлюза. Если РЧ помеха является достаточно мощной, тогда все передачи на узел и от узла могут быть заблокированы на время действия РЧ помехи.
Источники РЧ помехи по своей природе обычно являются прерывистыми и кратковременными, что делает их обнаружение и идентификацию сложным и длительным процессом. Обнаружение и определение местонахождения источников РЧ помехи в реальном времени обеспечило бы осуществление быстрой идентификации и снижение негативного воздействия источников, таким образом улучшив надежность сети. Были предложены системы для наблюдения за помехой в беспроводных сетях связи, таких как мобильные сети, однако такие системы обычно являются несовместимыми с ячеистыми сетями беспроводного полевого устройства вследствие относительно высокомощных требований таких систем. Исследования РЧ расположений являются дорогостоящими, поскольку они требуют специализированного радиочастотного оборудования и специально обученного персонала. Даже в таком случае предоставленная информация является всего лишь текущей фотографией настоящей РЧ среды и может пропустить важные временные события РЧ помехи. В результате данные, полученные при исследовании расположения, быстро становятся устаревшими вследствие постоянных изменений в окружающей материальной основе и ее инфраструктуре, а также изменений, возникающих «снаружи основы».
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение включает систему измерения и анализа радиочастотной (РЧ) помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства. Централизованный программный модуль (CSWM) собирает и анализирует значения от одного или нескольких беспроводных устройств ячеистой сети беспроводного полевого устройства, которые представляют собой измерения РЧ мощности, полученные распределенным РЧ каналом, и значения, которые представляют собой соответствующее время измерения РЧ мощности. Каждое беспроводное устройство ячеистой сети беспроводного полевого устройства измеряет РЧ мощность, полученную распределенным РЧ каналом, и соответствующее время измерения, сохраняя измерения, если они были осуществлены в отличное от приема сигнала время, приводящего к последующей передаче беспроводным устройством либо сигнала подтверждения, либо сигнала неподтверждения. Сохраненные в каждом беспроводном устройстве измерения РЧ мощности и сохраненное соответствующее время измерения используются для определения значений, которые представляют собой измерения РЧ мощности, и значений, которые представляют собой соответствующее время измерений РЧ мощности, а затем удаляются. Эти характерные значения сохраняются в беспроводном устройстве до тех пор, пока от беспроводного устройства не будет получен сигнал подтверждения об успешной передачи характерных значений. Администратор сети координирует связь между беспроводными устройствами и координирует и синхронизирует соответствующее время РЧ измерения мощности посредством ячеистой сети беспроводного полевого устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 изображена схема, иллюстрирующая осуществление настоящего изобретения для измерения и анализа РЧ помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства.
На фиг. 2A-2D проиллюстрировано взаимосвязанное расположение подинтервалов во временном интервале для узлов передатчиков и узлов приемников.
На фиг. 3A-3C проиллюстрировано взаимосвязанное расположение «подинтервалов молчания» во временном интервале для узлов передатчиков и узлов приемников.
На фиг. 4 изображена схема, иллюстрирующая осуществление настоящего изобретения для измерения и анализа РЧ помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства с несколькими точками доступа не зависимо от того, частично или нет перекрываются области ячеистой сети, предоставленные точками доступа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение будет описано касательно измерения и анализа радиочастотной (РЧ) помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства с топологией ячеистой сети. Специалистам в данной области техники будет ясно, что настоящее изобретение в равной мере соответствует другим сетевым топологиям и не ограничивается исключительно описанными вариантами осуществления, и что настоящее изобретение включает все варианты осуществления, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.
Для определения источников РЧ помехи в настоящем изобретении применена доступная в беспроводных устройствах, таких как, например, устройствах со средствами радиосвязи, соответствующих IEEE 802.15.4 стандарту, возможность измерения обнаруженной РЧ мощности. Стандарт IEEE 802.15.4 регламентирует физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC) для беспроводного соединения с низкой скоростью передачи данных с фиксированными, портативными и перемещающимися устройствами с ограниченными потребностями потребления мощности. Очень ограниченные потребности потребления мощности гораздо меньше, например, потребностей сотового телефона. Средства радиосвязи совместимые со стандартом IEEE 802.15.4 и радиочастотой 2,4 ГГц передают и принимают любой из 16 РЧ каналов в промышленном, научном и медицинском диапазонах радиочастот 2,4 ГГц и могут измерять полученную любым из каналов РЧ мощность. В данном стандарте функция измерения полученной РЧ мощности имеет название обнаружение энергии (ED), но в большинстве случаев называется измерением индикатора мощности принимаемого сигнала (RSSI). Стандарт IEEE 802.15.4 описывает два применения для измерения RSSI. Первое является частью функции оценки состояния канала (CCA) для исключения нежелательной РЧ помехи, исходящей от элементов одной беспроводной сети. В качестве части некоторых режимов функции CCA отправляющее устройство измеряет RSSI в РЧ канале перед началом отправки, чтобы проследить, что распределенный канал передачи не заполнен другими внутрисетевыми передачами. Если значение измерения RSSI в РЧ канале превышает пороговый предел, указывающий на то, что соседнее устройство в сети уже осуществляет передачу на канал, тогда устройство, которое является потенциальной помехой, приостанавливает передачу на случайный промежуток времени для исключения появления помехи в уже занятом канале. Функция CCA обычно не используется вместе с множественным доступом с временным разделением каналов (TDMA) с протоколом переключения РЧ каналов, таким как WirelessHART®, поскольку все соединения обычно синхронизируются и координируются администратором сети, так что соседние устройства одновременно не могут использовать один и тот же РЧ канал для передачи.
Во втором применение некоторые алгоритмы сетевого управления используют мощность полученных сигналов для определения отдельного наилучшего РЧ канала для использования в качестве линии соединения между устройствами. Если показатели RSSI начнут снижаться, тогда администратор сети сможет выбрать другой РЧ канал для работы между устройствами, что гарантирует надежность продолжительной связи. В качестве альтернативы RSSI показатели всех РЧ каналов на линии суммируют, и выводят среднее значение для определения самых надежных линий связи, которые будут использоваться для маршрутизации сообщений по сети. Показатели мощности только полученных сигналов успешных или неуспешных передач, в зависимости от предопределенного условия возникновения ошибки, сохраняются беспроводными устройствами и передаются администратором сети, поскольку они представляют собой условия РЧ каналов, присутствующие при передаче внутрисетевого трафика, даже если они включают помеху от других РЧ источников.
Успешные передачи подтверждаются ответной передачей под названием сигнал подтверждения или ACK от принимающего узла передающему узлу. При получении ответа ACK передающий узел стирает первоначально переданное сообщение, а принимающий узел затем становится ответственным за передачу сообщения на следующий транзитный участок в ячеистой сети. Неуспешные передачи вследствие некоторых предопределенных условий возникновения ошибки приводят к сигналу неподтверждения или NACK, который передается от принимающего узла на передающий узел. При получении ответа NACK передающий узел повторно отправляет сообщение на другой РЧ канал или на другой узел во время следующего запланированного временного интервала, но не стирает первоначально переданное сообщение до тех пор, пока не получит ответ ACK от узла распределения.
Предопределенные условия возникновения ошибки, которые приводят к ответу NACK, отличаются для беспроводных протоколов. В некоторых протоколах условия, которые приводят к ответу NACK, включают, например, полный буфер сообщений в принимающем узле, ошибку контрольной суммы проверки целостности кадра и ошибку кода целостности сообщения. Неуспешные передачи, которые не приводят к ответу ACK или NACK, также являются различными для беспроводных протоколов и могут возникать вследствие, например, ошибки контрольной суммы проверки целостности кадра, ошибки кода целостности сообщения, неверного идентификатора сети, слабого сигнала или его искажения, вследствие чего принимающий узел не имеет возможности обнаружить, что сообщение не было отправлено. Некоторые условия возникновения ошибки, например ошибки контрольной суммы проверки целостности кадра, приводят к ответу NACK в некоторых беспроводных протоколах и к отсутствию ответа NACK в других беспроводных протоколах в зависимости от предопределенных условий возникновения ошибки для отдельного беспроводного протокола. Во всех случаях неуспешные передачи, которые не соответствуют предопределенным условиям возникновения ошибки протокола, игнорируются: ответ ACK или NACK не отправлен, и измерение RSSI, связанное с этим временным интервалом, стерто.
В настоящем изобретении использованы беспроводные устройства для измерения РЧ помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства, посредством записи и анализа измерений RSSI каждого РЧ канала, используемого на протяжении отдельного временного интервала, при этом измерения RSSI выполнены и записаны в отличное от приема сигнала время, что приводит к последующей передаче беспроводным устройством или ответа ACK или ответа NACK. В этот временной интервал под названием внутрисетевой временной интервал молчания фоновую или внешнюю РЧ помеху легче и точнее всего обнаружить. Существует три возможных внутрисетевых временных интервалов молчания: открытое ожидание, открытый канальный интервал и подинтервал молчания, как будет описано ниже.
Ячеистая сеть, использующая уровень канала данных TDMA с протоколом переключения каналов, таким как WirelessHART®, вместе со своей надежной конструкцией особенно хорошо подходит для измерения, сбора, отправки и анализа измерений RSSI с различных узлов. Временные интервалы распределены администратором сети для соединения канального уровня и синхронизируются через всю сеть за одну миллисекунду, обеспечивая точное управление временем измерения RSSI и последующей корреляцией данных измерения RSSI. Администратор сети также координирует распределение РЧ каналов посредство или прямого, или косвенного распределения канала для каждого выделенного канала связи во временном интервале. Устройства перепрограммируются для изменения РЧ каналов на основе абсолютного количества временных интервалов, которое увеличивается при прохождении через всю ячеистую сеть в качестве части механизма синхронизации времени, который управляется администратором сети, поэтому два канала связи обычно не могут использовать один и тот же РЧ канал в любом промежутке времени. Это переключение каналов является псевдослучайным, что означает, что устройства изменяют каналы в случайной последовательности, в конечном счете, используя все РЧ каналы в равной степени.
Измерения RSSI и время, соответствующее измерениям, полученным беспроводными устройствами настоящего изобретения во время внутрисетевых временных интервалов молчания, сохраняются в беспроводном устройстве, которое получает измерения до тех пор, пока они не будут использованы для определения значений, которые представляют собой измерения полученной РЧ мощности, и значений, которые представляют собой соответствующее время измерения. Определение значений, которые представляют собой измерения полученной РЧ мощности, включает, например, определение статистических значений, выполнение перевода единиц измерения, или может не включать никаких изменений по отношению к первоначальным измерениям RSSI. Статистические значения для каждого РЧ канала включают, например, среднее значение измеренной РЧ мощности, погрешность измеренной РЧ мощности, дисперсию измеренной РЧ мощности, начальное время интервала, конечное время интервала, максимальное значение измеренной РЧ мощности, интервал времени, когда было зафиксировано максимальное значение РЧ мощности, минимальное значение измеренной РЧ мощности, интервал времени, когда было зафиксировано минимальное значение РЧ мощности, и рабочий цикл. Значения, которые представляют собой измерения РЧ мощности, определяют на поканальной основе, в конечном счете, охватывая ISM диапазон, который представляет собой РЧ энергию вокруг определенного устройства. Эти значения, представляющие собой измерения РЧ мощности, обычно представляют собой исходные уровни измерений RSSI для каждого из каналов. Значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, которые превышают исходные уровни измерений RSSI, указывают источники РЧ помехи. Значения, которые представляют собой измерения полученной РЧ мощности и интервалы времени, соответствующие измерениям, периодически или по запросу передаются в виде отчета через ячеистую сеть на централизованный программный модуль (CSWM), который обычно запускается на шлюзе. Передача отчета каждым из устройств в шахматном порядке включена в расписание, поэтому она не осуществляет значительного воздействия на обычную работу сети. CSWM посредством РЧ канала объединяет отчеты о значениях, которые представляют собой измерения РЧ мощности, и коррелирует временные интервалы, соответствующие измерениям нескольких устройств. В сочетании с известным местоположением по меньшей мере трех устройств CSWM определяет время продолжительности помехи, квалифицирует источник или источники помехи (например, Wi-Fi канал 1), определяет местоположение источника или источников РЧ помехи и генерирует предупреждение, если значение помехи превышает определенный пользователем порог. Предпочтительно, что CSMW сообщает о любой информации о помехи и отправляет предупреждение отдельным программным приложениям, запущенным на хост-компьютере, или выводит на дисплей информацию, которая может быть использована системным оператором.
В случаях, если помеха является достаточно мощной, чтобы временно заблокировать способность беспроводного устройства к установке связи с остальной ячеистой сетью беспроводного полевого устройства, тогда беспроводные устройства все еще в состоянии обнаружить помеху и отправить отчет о значениях, которые представляют собой измерения полученной РЧ мощности и интервалы времени, соответствующие измерениям, в CSWM посредством работающих каналов связи в ячеистой сети беспроводного полевого устройства. Путем корреляции значений, которые представляют собой измерения РЧ мощности, и интервалов времени, соответствующих измерениям, полученным с ближайших беспроводных устройств, и путем объединения информации о местоположении по меньшей мере трех устройств настоящее изобретение может определить местоположение источника блокирующей РЧ помехи с использованием стандартных триангуляционных алгоритмов, даже если помеха является достаточно мощной, чтобы временно заблокировать беспроводное устройство.
Настоящее изобретение минимизирует необходимое количество энергии для обеспечения существенно непрерывного обнаружения и отправки отчета о РЧ помехе через сеть, когда осуществляется отправка только статистических данных, а не каждого записанного измерения, посредством передачи отчетов только с определенной периодичностью, например каждые 15 минут. Источники прерывистой и кратковременной РЧ помехи устанавливаются и идентифицируются, поскольку обнаружение является практически непрерывным. Как отмечалось выше, минимизация потребления энергии является существенной в сетях беспроводного полевого устройства. Измерения во время внутрисетевых временных интервалов молчания, описанных ниже, изменяются в зависимости от частоты записи и передачи измерений в CSWM с соответствующим изменением в потреблении энергии. Путем перемещения по измерениям при открытом прослушивании, открытом канальном интервале и подинтервале молчания потребность в более активном обнаружении и нахождении помехи может привести к большему потреблению энергии.
На фиг. 1 изображена схема, иллюстрирующая осуществление настоящего изобретения для измерения и анализа РЧ помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства. На фиг. 1 изображена система 10 управления и технологического контроля, которая содержит хост-компьютер 12, высокоскоростную сеть 14, шлюз 16 и ячеистую сеть 18 беспроводного полевого устройства. Ячеистая сеть 18 беспроводного полевого устройства содержит беспроводные устройства или узлы 20a-20i... 20N и точку 22 доступа. Шлюз 16 содержит администратор 24 сети и CSWM 26, несмотря на то, что они могут быть расположены попеременно или одновременно в хост-компьютере 12. Хост-компьютер 12 содержит программное приложение 29. Программным приложением 29 является, например, управляющее программное обеспечение или программное обеспечение наблюдения. Шлюз 16 соединяет ячеистую сеть 18 с хост-компьютером 12 посредством высокоскоростной сети 14. Точка 22 доступа является интерфейсом между шлюзом 16 и беспроводными устройствами 20a-20i... 20N. Выделенный канал 28 связи соединяет точку 22 доступа со шлюзом 16. В качестве альтернативы точка 22 доступа может быть интегрирована в шлюз 16, исключая необходимость в выделенном канале 28 связи. Точка 22 доступа и беспроводные устройства 20a-20i... 20N используют средства радиосвязи с возможностью измерения полученной РЧ мощности, такие как, например, средства радиосвязи, соответствующие стандарту IEEE 802.15.4. Точка 22 доступа и беспроводные устройства 20a-20i... 20N также используют схему для сохранения значений и выполнения базовых статистических вычислений, которая является хорошо известной в данной области техники. Точка 22 доступа и беспроводные устройства 20a-20i... 20N устанавливают связь друг с другом, как и беспроводная ячеистая сеть, используя TDMA с протоколом переключения каналов, таким как WirelessHART®. Опционально, точка 22 доступа или по меньшей мере одно из беспроводных устройств 20a-20i... 20N каждое содержит локальный пульт управления (LOI) 23 и 21, соответственно. LOI 23, 21 содержат дисплей и функцию ограниченного ввода обычно с небольшим количеством кнопок. Источник R1 РЧ помехи также изображен на фиг. 1.
Сообщения отсылаются от хост-компьютера 12 на шлюз 16 по высокоскоростной сети 14. Сообщение, предназначенное для одного из беспроводных устройств 20a-20i... 20N ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства, отправляется со шлюза 16 на точку 22 доступа ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства через выделенный канал 28 связи. Затем точка 22 доступа передает сообщение или непосредственно, или последовательно на одно из беспроводных устройств 20a-20i... 20N ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства через один из нескольких различных каналов. Подобным образом сообщение от одного из беспроводных устройств 20a-20i... 20N ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства передается обратно по ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства от узла к узлу через один из нескольких каналов до тех пор, пока не будет достигнута точка 22 доступа. Затем точка 22 доступа отправляет сообщение на шлюз 16 через выделенный канал 28 связи. Сообщения, предназначенные для хост-компьютера 12, передаются от шлюза 16 на хост-компьютер 12 по высокоскоростной сети 14. Интервал времени, распределения канала связи и распределения РЧ канала между узлами, которые являются необходимыми для координирования соединений внутри ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства, распределяют администратором 24 сети. Распределения временного интервала и РЧ канала и распределения канала связи для ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства отправляются со шлюза 16 на точку 22 доступа через выделенный канал 28 связи. Точка 22 доступа передает распределения интервала времени, РЧ канала и канала связи или непосредственно, или последовательно на беспроводные устройства 20a-20i... 20N.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения для обнаружения РЧ помехи, если измерения RSSI были выполнены и записаны во время внутрисетевого временного интервала молчания, то это называется «открытым прослушиванием». Открытое прослушивание включает временные интервалы, когда принимающий узел ожидает сигнал, но отправление передающим узлом не осуществляется. Это может произойти, если передающий узел не содержит сообщений для передачи, когда наступает распределенный временной интервал. В TDMA с протоколом переключения каналов, таким как WirelessHART®, администратор сети планирует несколько временных интервалов, во время которых распределяется пара узлов для канала связи для передачи сообщения. Это повышает надежность сети с целью гарантирования того, что сообщение будет отправлено. Если распределение первого канала связи не сработает, тогда второе или третье должно сработать. Однако сообщения часто отправляются с первого раза, подтверждаются и затем стираются отправным узлом. Вследствие этого остаются каналы связи открытого прослушивания, где принимающий узел будет прослушивать и получать измерения RSSI по мере прослушивания, но передающему узлу будет нечего отправлять. Обычно, поскольку на передачу в этот временной интервал через отдельный РЧ канал не имеется запланированных устройств в ячеистой сети беспроводного полевого устройства, то измерения RSSI укажут исходные уровни РЧ шума или присутствие РЧ помехи, а не внутрисетевой трафик. Передающий узел, который не содержит сообщений для отправки в данный временной интервал, может также активировать свое средство радиосвязи и выполнять измерения RSSI через распределенный РЧ канал. Таким образом, два устройства, связанных с каналом связи, могут использовать информацию о канальном уровне для получения координированных измерений RSSI, выполненных через один и тот же РЧ канал в один и тот же временной интервал из двух различных местоположений.
Открытое прослушивание обычно включает эти временные интервалы, если принимающий узел ожидает сигнал, а передающий узел его отправляет, но ни ответ ACK, ни ответ NACK не отправляется обратно по вышеописанным причинам. С позиции принимающего узла временной интервал являлся внутрисетевым временным интервалом молчания, поскольку распознаваемая внутрисетевая передача не обнаруживается. Измерения RSSI, осуществленные в данных условиях, не могут указывать исключительно исходные уровни РЧ шума, поскольку передающий узел осуществлял передачу через распределенный РЧ канал, но такие измерения RSSI предоставляют важную информацию об источнике РЧ помехи, которая могла вызвать сбой передачи.
На фиг. 2A и 2B проиллюстрировано взаимосвязанное расположение подинтервалов в интервале времени для узла передатчика и узлов приемника, соответственно, во время приема сигнала, приводящего к передаче приемным беспроводным устройством или ответа ACK, или ответа NACK. Термин «Tx» означает передачу, а термин «Rx» - прием, как показано на фиг. 2A-2D и 3A-3B. Каждый выделенный интервал времени имеет распределенный узел передатчика и распределенный узел приемника. Интервалы времени состоят из расположенных в определенном порядке подинтервалов различных продолжительностей и типов, которыми обуславливается продолжительность действий, предпринятых передатчиком и приемником в заданном интервале времени. Расположение между связанными узлами является комплиментарным и непрерывно повторяется. Как показано на фиг. 2А временной интервал 30а передатчика начинается с подинтервала 32а сдвига Tx, за которым следует подинтервал 34a Tx. За подинтервалом 34a Tx следует подинтервал 36а Tx-Rx, за которым, в свою очередь, следует подинтервал 38а прослушивания ACK/NACK, и пустой подинтервал 42а Tx. На фиг. 2 В изображено, что временной интервал 50а приемника начинается с подинтервала 54a прослушивания Tx, за которым следует подинтервал 56а Rx-Tx, подинтервал 58a Tx ACK/NACK и пустой подинтервал 60а Rx. Временной интервал 30а передатчика и временной интервал 50а приемника являются временными интервалами одной сети, как видно на примере узла-передатчика и узла-приемника соответственно.
В начале временного интервала 50а приемника узел-приемник активирует средство радиосвязи и осуществляет прослушивание любой передачи от узла-передатчика во время подинтервала 54а прослушивания Tx. В это время в начале временного интервала 30а передатчика узел-передатчик находится в пассивном режиме, приостанавливая любую передачу на продолжительность подинтервала 32а сдвига Tx. Продолжительность подинтервала 32а сдвига Tx равняется, по меньшей мере, максимальному времени ошибки во временной синхронизации сети. Это гарантирует, что узел-передатчик не начнет передачу до тех пор, пока узел приемника не будет готов к прослушиванию. После подинтервала 32а сдвига Tx активируется узел-передатчик, и он осуществляет передачу во время подинтервала 34а Tx. Продолжительность подинтервала 34а Tx является достаточной для размещения пакета данных, включающего все биты заголовка и заключительной части, которые дополняют данные. Продолжительность подинтервала 54а прослушивания Tx определяется продолжительностью подинтервала 34a Tx плюс, по меньшей мере, двойное время продолжительности ошибки во временной синхронизации сети. Это гарантирует, все подинтервалы 34а Tx будут находиться в подинтервале 54а прослушивания Tx независимо от направления максимальной ошибки единого времени сети. Во время подинтервала 54а прослушивания Tx приемник осуществляет измерение RSSI с применением функции ED, описанной выше, и сохраняет измерение, а также время измерения и РЧ канал. После подинтервала 34а Tx узел передатчика переключает средство радиосвязи с передачи на прием во время подинтервала 36а Tx-Rx, и затем начинает прослушивание ответа ACK или ответа NACK от принимающего узла во время подинтервала 38а прослушивания ACK/NACK. Если принимающий узел успешно принимает пакет данных во время подинтервала 54а прослушивания Tx, тогда осуществляется переключение средства радиосвязи с приема на передачу во время подинтервала 56а Rx-Tx, и затем осуществляется отправка ответа ACK на узел приемника во время подинтервала 58а ACK/NACK Tx. В качестве альтернативы, если принимающий узел неуспешно принимает пакет данных вследствие предопределенного условия возникновения ошибки во время подинтервала 54а прослушивания Tx, тогда осуществляется переключение средства радиосвязи с приема на передачу во время подинтервала 56а Rx-Tx, а затем осуществляется отправка ответа NACK на узел передатчика во время подинтервала 58а Tx ACK/NACK. В любом из случаев после подинтервала 58а Tx ACK/NACK узел-приемник фиксирует сохраненную информацию RSSI для использования в алгоритмах сетевого администрирования для определения наилучшего отдельного РЧ канала, который будет использоваться для установки связи между устройствами, выключает средство радиосвязи и ожидает на протяжении пустого подинтервала 60а Rx начала следующего временного интервала. Подинтервал 38а прослушивания ACK/NACK является достаточно продолжительным и соответствует, по меньшей мере, продолжительности подинтервала 56а Rx-Tx и подинтервала 58а Tx ACK/NACK. Это гарантирует, что все подинтервалы 58а Tx ACK/NACK будут находиться в пределах подинтервала 38а прослушивания ACK/NACK. После подинтервала 38а прослушивания ACK/NACK узел передатчика выключает средство радиосвязи и ожидает на протяжении пустого подинтервала 42а Tx начала следующего временной интервал.
На фиг. 2С-2D проиллюстрировано взаимосвязанное расположение подинтервалов внутри временного интервала для узла-передатчика и узла-приемника соответственно для варианта осуществления открытого прослушивания, если передатчик не содержит сообщений для передачи. Поскольку передатчик, в качестве исходного беспроводного устройства, не содержит сообщений для передачи, то это не приводит к последующему осуществлению передачи приемником, в качестве беспроводного устройства распределения, ни ответа ACK, ни ответа NACK. На фиг. 2С проиллюстрирован временной интервал 30b передатчика, который начинается с подинтервала 32b сдвига Tx, за которым следует открытое прослушивание 62 Tx, за которым следует пустой подинтервал 42b Tx. На фиг. 2D изображен временной интервал 50b приемника, который начинается с подинтервала 54а прослушивания Tx, за которым следует пустой подинтервал 60b Rx. Временной интервал 30b передатчика и временной интервал 50b приемника являются временными интервалами одной сети, как видно из узла-передатчика и узла-приемника соответственно.
В начале временного интервала 50b приемника узел-приемник активирует средство радиосвязи и осуществляет прослушивание любой передачи от узла-передатчика во время подинтервала 54b прослушивания Tx, как изображено на фиг. 2B. На данном этапе узел приемника не знает, что передатчик не содержит сообщений для отправки, и осуществляет измерение RSSI с применением функции ED, описанной выше, и сохраняет измерение, а также время измерения и РЧ канал. Принимающий узел, которые неуспешно принял пакет данных во время подинтервала 54b прослушивания Tx, не осуществляет переключение средства радиосвязи с приема на передачу. Вместо этого осуществляется выключение средства радиосвязи, фиксирование сохраненной RSSI информации для использования в обнаружении РЧ помехи и ожидание на протяжении пустого подинтервала 60b Rx начала следующего временного интервала. В это время в начале временного интервала 30b передатчика узел передатчика приостанавливает любую активность на продолжительность подинтервала 32b сдвига Tx. Продолжительность подинтервала 32b сдвига Tx равняется, по меньшей мере, максимальной ошибке во временной синхронизации сети. После подинтервала 32b сдвига Tx во время открытого прослушивания 62 Tx узел-передатчик, который не содержит сообщений для передачи, включает средство радиосвязи и осуществляет измерение RSSI с применением функции ED, описанной выше, сохраняя измерение, а также время измерения и РЧ канал. После открытого прослушивания 62 Tx узел передатчика фиксирует сохраненную информацию RSSI для использования в обнаружении РЧ помехи, выключает средство радиосвязи и ожидает на протяжении пустого подинтервала 42b Tx начала следующего временного интервала.
На фиг. 2A и 2D проиллюстрировано взаимосвязанное расположение подинтервалов внутри временного интервала для узла-передатчика и узла-приемника для варианта осуществления открытого прослушивания, если сигнал ожидается принимающим узлом и отправляется передающим узлом, но ни ответ ACK, ни ответ NACK не отправляется вследствие неуспешной передачи, и сбой не соответствует предопределенным условиям возникновения ошибки используемого протокола. С точки зрения принимающего узла это является внутрисетевым временным интервалом молчания, поскольку распознаваемая внутрисетевая передача не обнаруживается. В начале временного интервала 50b приемника узел приемника активирует средство радиосвязи и осуществляет прослушивание любой передачи от узла-передатчика во время подинтервала 54b прослушивания Tx, как изображено на фиг. 2B, осуществляя измерения RSSI с применением функции ED, описанной выше, и сохраняя измерение, а также время измерения и РЧ канал. Принимающий узел, которые неуспешно принял пакет данных во время подинтервала 54b прослушивания Tx, не осуществляет переключение средства радиосвязи с приема на передачу. Вместо этого осуществляется выключение средства радиосвязи, фиксирование сохраненной информации RSSI для использования в обнаружении РЧ помехи и ожидание на протяжении пустого подинтервала 60b Rx начала следующего временного интервала. В это же время узел передатчика работает, как было описано выше со ссылкой на фиг. 2А. Временной интервал 30а передатчика и временной интервал 50b приемника являются временными интервалами одной сети, как видно из узла-передатчика и узла-приемника соответственно.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения для обнаружения РЧ помехи, если RSSI измерение записывается во время внутрисетевого временного интервала молчания, каждое из беспроводных устройств 20a-20i... 20N и точка 22 доступа ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства, запланированная для отправки или приема передачи во время распределенного временного интервала на распределенном РЧ канале измеряет на распределенном канале во время участка временного интервала, или «подинтервала», если сеть находится в пассивном режиме. На фиг. 3А и 3 В проиллюстрировано взаимосвязанное расположение «подинтервалов молчания» внутри временного интервала для узла-передатчика и узла-приемника, соответственно, для данного варианта осуществления. Каждый распределенный временной интервал содержит выделенный узел-передатчик и выделенный узел-приемник. Временные интервалы состоят из расположенных в определенном порядке подинтервалов различной продолжительности и типа, обуславливающих продолжительность действий, осуществляемых передатчиком и приемников во временном интервале. Расположение между связанными узлами является вспомогательным и непрерывно повторяется. Как изображено на фиг. 3А, временной интервал 30c передатчика начинается с подинтервала 32с сдвига Tx, за которым следует подинтервал 34с Tx. За подинтервалом 34с Tx следует подинтервал 36с Tx-Rx, за которым, в свою очередь, следуют подинтервал 38c прослушивания ACK/NACK, подинтервал 40 молчания Tx и пустой подинтервал 42c Tx. На фиг. 3В изображен временной интервал 50с приемника, который начинается с подинтервала 52 молчания Rx, за которым следует подинтервал 54с прослушивания Tx. За подинтервалом 54с прослушивания Tx следуют подинтервал 56с Rx-Tx, подинтервал 58с Tx ACK/NACK и пустой подинтервал 60с Rx. Временной интервал 30с передатчика и временной интервал 50с приемника являются временными интервалами одной сети, как видно из узла-передатчика и узла-приемника соответственно.
В начале временного интервала 50с приемника во время подинтервала 52 молчания Rx узел-приемник осуществляет измерение RSSI с применением функции ED, описанной выше, и сохраняет измерение, а также время измерения и РЧ канал. В это время узел-передатчик находится в пассивном режиме, приостанавливая любые передачи на продолжительность подинтервала 32с сдвига Tx. Продолжительность подинтервала 32с сдвига Tx равна, по меньшей мере, сумме максимальной продолжительности ошибки во временной синхронизации сети плюс время, затраченное узлом приемника на выполнение измерения RSSI, т.е. подинтервал 52с молчания Rx. Подинтервал 32с сдвига Tx приостанавливает передачу на достаточно продолжительное время для того, чтобы убедиться в том, что узел-передатчик не будет осуществлять передачу в то время, когда будет осуществляться измерение RSSI во время подинтервала 52 молчания Rx. Важно отметить, что, поскольку одинаковый подинтервал 32с сдвига Tx присутствует во всех распределенных временных интервалах для всех беспроводных устройств в сети, то все РЧ каналы сети находятся в пассивном режиме во время осуществления RSSI измерения подинтервала 52 молчания Rx. Измерения RSSI будут указывать на исходные уровни РЧ шума или на присутствие РЧ помехи. Поскольку сеть находится в пассивном режиме, то в это время получение узлом приемника сигнала не приведет к последующей передаче беспроводным устройством ответа ACK или NACK.
После подинтервала 52 молчания Rx узел-приемник осуществляет прослушивание любых передач от узла-передатчика во время подинтервала 54с прослушивания Tx. Тем временем, после подинтервала 32c сдвига Tx узел-передатчик осуществляет передачу во время подинтервала 34с Tx. Продолжительность подинтервала 34с Tx является существенной и размещает пакет данных, включающему все биты заголовка и заключительной части, которые дополняют данные. Продолжительность подинтервала 54с прослушивания Tx определяется с использованием продолжительности подинтервала 34с Tx плюс, по меньшей мере, двойная продолжительность ошибки во временной синхронизации сети. Это гарантирует, что независимо от направления максимальной ошибки временной синхронизации сети, все подинтервалы 34с Tx будут находиться в пределах подинтервала 54с прослушивания Tx. Во время подинтервала 54с прослушивания Tx приемник также осуществляет измерение RSSI, которое может быть использовано, как описано выше, для определения наилучшего отдельного РЧ канала, который будет использоваться для установки связи между устройствами (и опционально в сочетании с вариантом осуществления открытого прослушивания, описанного выше, для дополнительных измерений обнаружения РЧ помехи). После подинтервала 34с Tx узел-передатчик осуществляет переключение средства радиосвязи с передачи на прием во время подинтервала 36с Tx-Rx и затем начинает прослушивание сигнала подтверждения от принимающего узла во время подинтервала 38с прослушивания ACK/NACK для подтверждения успешной передачи пакета данных. Если принимающий узел успешно принимает пакет данных во время подинтервала 54с прослушивания Tx, тогда осуществляется переключение средства радиосвязи с приема на передачу во время подинтервала 56с Rx-Tx, а затем осуществляется отправка ответа ACK на узел-передатчик во время подинтервала 58c Tx ACK/NACK. В качестве альтернативы, если принимающий узел неуспешно принимает пакет данных вследствие предопределенного условия возникновения ошибки во время подинтервала 54с прослушивания Tx, тогда осуществляется переключение средства радиосвязи с приема на передачу во время подинтервала 56c Rx-Tx и осуществляется отправка ответа NACK на узел-передатчик во время подинтервала 58с Tx ACK/NACK. Подинтервал 38с прослушивания ACK/NACK является достаточно продолжительным и соответствует продолжительности подинтервала 56с Rx-Tx и подинтервала Tx ACK/NACK. Это гарантирует, что все подинтервалы 58с ACK/NACK будут находиться в пределах подинтервала 38с прослушивания ACK/NACK.
После подинтервала 38с прослушивания ACK/NACK во время подинтервала 40 молчания Tx узел-передатчик осуществляет измерение RSSI с применением функции ED, описанной выше, и сохраняет измерение, а также время измерения и РЧ канал. Подинтервал 38с прослушивания ACK/NACK приостанавливает подинтервал 40 молчания Tx на достаточное количество времени, чтобы гарантировать, что узел-приемник не будет осуществлять передачу ответа ACK или NACK во время осуществления измерения RSSI подинтервала 40 молчания Tx. Важно отметить, что, поскольку один и тот же временной интервал 30с передатчика и временной интервал 50с приемника является частью одного и того же временного интервала сети, который присутствует во всех беспроводных устройствах сети, то все каналы сети находятся в пассивном режиме во время осуществления измерения RSSI подинтервала 40 молчания Rx. Измерения RSSI подинтервала 40 молчания Tx будут указывать на исходные уровни РЧ шума или на присутствие РЧ помехи. Как и в случае с измерением RSSI подинтервала 52 молчания Tx, поскольку сеть находится в пассивном режиме во время измерения RSSI подинтервала 40 молчания Tx, то в это время узлом-передатчиком не будет получен сигнал, возникающий в результате передачи узлом-приемником или ACK ответа, или NACK ответа.
В качестве альтернативы подинтервал молчания Rx может быть запланирован во время пустого подинтервала 60с Rx после окончания подинтервала 38c прослушивания ACK/NACK. На фиг. 3А и 3С проиллюстрировано данное альтернативное взаимосвязанное расположение подинтервалов молчания во временном интервале для узла-передатчика и узла-приемника соответственно. Все осуществляется точно также как и в представленном выше описании со ссылкой на фиг. 3А и 3В, за исключением того, что подинтервал 52 молчания Rx был заменен подинтервалом 62 молчания Rx. Подинтервал 62 молчания Rx показан в самом конце подинтервала 38с прослушивания ACK/NACK, совпадая с подинтервалом 40 молчания Tx, но может находиться в любой части пустого подинтервала 60 Rx. Как и в случае с измерениями RSSI подинтервала 52 молчания Rx и подинтервала 40 молчания Tx, поскольку сеть находится в пассивном режиме во время измерения RSSI подинтервала 62 молчания Rx, то в это время узлом-передатчиком не будет получен сигнал, возникающий в результате передачи узлом-приемником ни ответа ACK, ни ответа NACK. Этот альтернативный вариант является особенно полезным при использовании TMDA протоколов, которые, кроме WirelessHART®, сначала передаются, а потом активируют приемники для прослушивания передач. Такие протоколы являются полезными в сетях с небольшим количеством передач. В таких сетях избыточная энергия, используемая для заголовка единичной передачи, которая является достаточно продолжительной, чтобы быть переданной после того, как приемники были включены, превышает количество энергии, которая была сохранена за более короткий промежуток времени, во время которого несколько приемников должны осуществлять прослушивание перед выключением. При использовании такого протокола подинтервал 52 молчания Rx не всегда будет выполняться в то время, когда сеть находится в пассивном режиме, но подинтервал 62 молчания Rx все еще будет выполняться в то время, когда сеть находится в пассивном режиме.
В предыдущих вариантах осуществления измерения, полученные во время внутрисетевого временного интервала молчания, временно сохраняются в беспроводных устройствах, которые собирают измерения и не удаляют их до тех пор, пока значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, не будут определены. Согласно фиг. 1 значения, представляющие собой измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, не удаляют до тех пор, пока они не будут успешно переданы в CSWM 26 в качестве отчета (RSSI отчета). Каждое из беспроводных устройств 20a-20i... 20N ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства и точки 22 доступа периодически, например, каждый 15 минут, определяют значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения временно сохраненных значений измерений RSSI и времени измерения для периода времени. Значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, определяются для каждого РЧ канала, измерение которого осуществляется в данный период времени. После того как значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения для каждого РЧ канала, определяются и временно сохраняются, каждое беспроводное устройство 20a-20i... 20N ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства отправляет отчет RSSI со значениями, которые представляют собой измерения полученной РЧ мощности, и значениями, которые представляют собой соответствующее время измерения, для каждого РЧ канала через ячеистую сеть 18 беспроводного полевого устройства от узла к узлу через один из нескольких каналов, пока он не дойдет до точки 22 доступа. В этом варианте осуществления точка 22 доступа затем отправляет отчеты RSSI через выделенный канал 28 связи на шлюз 16 и CSWM 26, который запущен на шлюзе 16. (В качестве альтернативы шлюз 16 направляет отчеты в CSWM 26, если CSWM 16 вместо этого запущен в другом месте, например, на хост-компьютере 12.) Подобным образом точка 22 доступа выполняет такие же измерения, определения и генерирование отчета RSSI, как и каждое из беспроводных устройств 20a-20i... 20N и периодически отправляет отчет RSSI через выделенный канал 28 связи на шлюз 16 и CSWM 26. Поскольку точки доступа обычно не являются устройствами с ограниченной энергией, то они могут собирать большее количество данных, а также отправлять большее количество данных чаще, чем обычное беспроводное устройство. CSWM 26 отвечает за успешный прием отчета RSSI от каждого беспроводного устройства 20a-20i... 20N и точки 22 доступа, отправляя ответное сообщение на каждое беспроводное устройство 20a-20i... 20N и точку 22 доступа, подтверждающее успешный прием отчета. В качестве альтернативы соседний узел каждого из беспроводных устройств 20a-20i... 20 N и точки 22 доступа отвечает за успешный прием отчета RSSI беспроводным устройством 20a-20i... 20N и точкой 22 доступа, отправляя ответное сообщение, подтверждающее успешный прием отчета или части отчета. В каждом случае при получении ответного сообщения, подтверждающего успешный прием, каждое беспроводное устройство 20a-20i... 20N и точка 22 доступа удаляет значения, представляющие собой измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, для каждого РЧ канала в течение периода времени. Тем временем каждое беспроводное устройство 20a-20i... 20N и точка 22 доступа уже начинают принимать новые измерения RSSI, генерировать новые значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и формировать новый отчет RSSI для нового периода времени.
Передача отчетов RSSI каждым из беспроводных устройств 20a-20i... 20N в одно и то же время приведет к выбору всех или части функций управления и технологического контроля системы 10 управления и технологического контроля в режиме офлайн, для того чтобы выдержать такую нагрузку на пропускную способность ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства. Вместо этого, администратор 24 сети устанавливает время для передачи отчетов (и косвенно время получения сообщений-подтверждений) каждым из беспроводных устройств 20a-20i... 20N в шахматном порядке, так что дополнительная нагрузка при передаче будет в пределах пропускной способности ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства.
Как только CSWM 26 получает RSSI отчет, по меньшей мере, от некоторых беспроводных устройств 20a-20i... 20N и точки 22 доступа, то сразу определяет базовые статистические значения измерения полученной РЧ мощности для каждого РЧ канала. Без присутствия активных источников помехи базовые статистические значения обычно близки к пороговому пределу уровня сигнала на приеме средств радиосвязи, используемых в устройствах (например, -90 дБм для большинства передатчиков по стандарту IEEE 802.15.4). Осуществляется сравнение полученных измерений РЧ мощности с соответствующими базовыми статистическими значениями. Полученные измерения РЧ мощности, превышающие соответствующие базовые статистические значения на заданную величину, указывают на источник РЧ помехи, вследствие чего CSWM 26 отправляет предупреждение через высокоскоростную сеть 14 программному приложению 29, запущенному на хост-компьютере 12. Заданная величина может являться пороговым пределом полученной РЧ мощности, определенным пользователем. Кроме того, CSWM 26 суммирует и коррелирует полученные измерение РЧ мощности, указывающие на источник РЧ помехи, по меньшей мере от трех беспроводных устройств и применяет стандартные триангуляционные вычисления, известные в данной области техники, для определения местоположения источника РЧ помехи. Например, беспроводное устройство 20a-20i... 20N отправляет только статистические значения и соответствующее время измерения, включая максимальные полученные значения РЧ мощности и время получения максимальных значений РЧ мощности для каждого РЧ канала. Беспроводные устройства 20h и 20i отправляют максимальные значения полученного измерения РЧ мощности, которые превышают ранее определенный пороговый предел РЧ мощности. Беспроводное устройство 20g следует за ближайшим и, несмотря на то, что отправленные им максимальные значения полученного измерения РЧ мощности не превышают ранее заданный пороговый предел РЧ мощности, они все равно являются слегка завышенными по сравнению с базовым значением. CSWM 26 сравнивает полученные максимальные значения РЧ мощности беспроводных устройств 20h, 20i, и 20g и, используя широко известные стандартные триангуляционные вычисления, определяет местоположение источника R1 РЧ помехи. Информация о местоположении источника R1 РЧ помехи отправляется вместе с предупреждением программному приложению 29, запущенному на хост-компьютере 12, через высокоскоростную сеть 14. В качестве альтернативы предупреждение и информация о местоположении источника R1 РЧ помехи отображаются на шлюзе 16 для дальнейшего использования системным оператором. В данном примере посредством передачи только статистической информации, а не каждого из измерений, и только периодической отправки, например каждые 15 минут, данный вариант осуществления минимизирует расход энергии любым единичным узлом, которая расходуется на обнаружение и определение местонахождения РЧ помехи внутри сети на регулярной, постоянной и существенно непрерывной основе.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения для обнаружения РЧ помехи измерения RSSI записываются во время внутрисетевого временного интервала молчания, т.е. во время «открытого канального интервала». Открытый канальный интервал представляет собой не распределенный во время временного интервала администратором сети РЧ канал. Во время этого открытого канального интервала для устройств в ячеистой сети беспроводного полевого устройства не распределяется администратором сети время передачи через РЧ канал. Другие каналы связи могут осуществлять установку связи во время одного и того же временного интервала через другие РЧ каналы, но через открытый канал установка связи не осуществляется. Во время открытых канальных интервалов одно или несколько беспроводных устройств, не распределенных для канала связи во время временного интервала, управляются администратором сети для осуществления измерения RSSI одного или нескольких открытых каналов. В случае если все радиочастотные каналы являются открытыми во время определенного открытого временного интервала, то администратор сети может осуществлять управление устройством (или устройствами) для осуществления измерений RSSI всех РЧ каналов. Поскольку устройство в ячеистой сети беспроводного полевого устройства не осуществляет передачу через открытые каналы во время временного интервала, то этот интервал является временным интервалом молчания для внутрисетевого трафика для этих открытых каналов.
Согласно фиг. 1 администратор 24 сети координирует измерения RSSI в ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства во время открытых канальных интервалов. Администратор 24 сети отправляет команды на каждое из беспроводных устройств 20a-20i... 20N ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства и точку 22 доступа для осуществления последовательности измерений RSSI, по меньшей мере, нескольких распределенных РЧ каналов во время временного интервала или временных интервалов, не предназначенных для передачи данных по сети, и сохранения значений измерения RSSI и времени измерений в устройствах, которые осуществляют измерения. После того как данные измерения RSSI и время измерения собраны, каждое беспроводное устройство 20a-20i... 20N и точка 22 доступа определяют значения, представляющие собой полученные измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерений временно сохраненных значений измерения RSSI и времени измерений для отрезка времени. Значения, представляющие собой измерения РЧ мощности, определяются для каждого РЧ канала, измеренного во время данного отрезка времени. После определения и временного сохранения значений, представляющих собой измерения РЧ мощности, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения для каждого РЧ канала, каждое беспроводное устройство 20a-20i... 20N ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства отправляет отчет RSSI, включающий значения, представляющие собой измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения для каждого из РЧ каналов, от узла к узлу внутри ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства через один из нескольких каналов, пока отчет не будет доставлен на точку 22 доступа. Затем точка 22 доступа отправляет отчет RSSI с каждого из беспроводных устройств 20a-20i... 20N в дополнение к своему собственному отчету RSSI через выделенный канал 28 связи на шлюз 16 и CSWM 26. CSWM 26 отвечает за успешный прием отчета RSSI от каждого из беспроводных устройств 20a-20i... 20N и точки 22 доступа посредством отправки ответного сообщения каждому из беспроводных устройств 20a-20i... 20N и точку 22 доступа, тем самым подтверждая успешное получение отчета. В качестве альтернативы соседний узел каждого из беспроводных устройств 20a-20i... 20 N и точки 22 доступа отвечает за успешное получение отчета RSSI беспроводными устройствами 20a-20i... 20 N и точкой 22 доступа посредством отправки ответного сообщения, которое подтверждает успешное получение отчета. В каждом случае при получении сообщения, подтверждающего успешный прием, каждое беспроводное устройство 20a-20i... 20N и точка 22 доступа удаляют значения, представляющие собой полученные измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, для каждого РЧ канала в течение запрошенной последовательности измерений RSSI. Администратор 24 сети устанавливает время передачи отчетов RSSI и получения сообщений-подтверждений в шахматном порядке, так что дополнительная нагрузка при передаче будет находиться в пределах пропускной способности ячеистой сети 18 беспроводного полевого устройства.
Если необходима информация о РЧ помехе, тогда данный вариант осуществления настоящего изобретения может составить карту РЧ помехи в ISM диапазоне внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства, ограничивая сбои в обычной работе сети. Это является особенно полезным во временных интервалах и в местах, где для установки связи распределено несколько временных интервалов, или для сохранения энергии, или если более частая установка связи является нежелательной. Вследствие ограниченного количества энергии, обычно доступного для локального питания беспроводных устройств в ячеистой сети беспроводного полевого устройства, данный вариант осуществления применяют скорее при необходимости, нежели на постоянной основе, как в случае с предыдущими вариантами осуществления.
Эти различные варианты осуществления хорошо подходят для обнаружения и определения местоположения кратковременной РЧ помехи, поскольку отчеты RSSI от беспроводных устройств включают значения, представляющие собой соответствующее время измерения РЧ помехи, которое координируется администратором 24 сети в системе 10 управления и технологического контроля с точностью до приблизительно одной миллисекунды, как, например, в WirelessHART®. CSWM 26 объединяет отчеты RSSI по меньшей мере от трех беспроводных устройств, указывая на источник РЧ помехи в пределах одного и того же временного интервала посредством сравнения соответствующего времени измерения РЧ помехи каждым из устройств, и использует стандартные триангуляционные вычисления, известные в данной области техники, для определения местоположения источника РЧ помехи. CSWM 26 сравнивает последовательности местоположений для идентификации нестационарного или мобильного источника РЧ помехи, например, путем нанесения данных RSSI на линию тренда, генерирования спектральных графиков посредством РЧ канала, выделения местоположения источника помехи на карте или изображения перемещения местоположения источника на карте во времени.
На фиг. 4 изображена схема, иллюстрирующая другой вариант осуществления настоящего изобретения для измерения и анализа РЧ помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства с несколькими точками доступа не зависимо от того, частично или не частично перекрываются области ячеистой сети, предоставленные точками доступа. Поскольку точки доступа имеет ограниченную возможность для ретранслирования данных по каналам связи в ячеистую сеть беспроводного полевого устройства или из нее, то более крупные системы управления и технологического контроля требуют наличия нескольких точек доступа для обработки увеличенного количества узлов в сети или для объединения других отдельных ячеистых сетей беспроводного полевого устройства, каждая из которых имеет свою точку доступа. Согласно одному из вариантов осуществления на фиг. 4 изображена система 100 управления и технологического контроля, которая содержит хост-компьютер 112, первую высокоскоростную сеть 114, шлюз 116, вторую высокоскоростную сеть 118 и ячеистую сеть 119 беспроводного полевого устройства. Ячеистая сеть 119 беспроводного полевого устройства содержит зоны 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства. Зона 120 ячеистой сети беспроводного полевого устройства содержит беспроводные устройства или узлы 130a-130i…130N и точку доступа 132. Зона 122 ячеистой сети беспроводного полевого устройства содержит беспроводные устройства или узлы 140a-140i…140N и точку доступа 142. Зона 122 ячеистой сети беспроводного полевого устройства частично перекрывает зону 120 ячеистой сети беспроводного полевого устройства, но может полностью перекрывать зону 120 или находиться отдельно от нее. Зона 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства содержит беспроводные устройства или узлы 150a-150i…150N и точку доступа 152. Хост-компьютер 112 содержит администратора 24 сети и CSWM 162, несмотря на то, что в качестве альтернативы любой из них или вместе они могут быть расположены на шлюзе 116. Хост-компьютер 112 также содержит программное приложение 164. Программным приложением 164 является, например, управляющее программное обеспечение или программное обеспечение для наблюдения. Источники R2 и R3 помехи также изображены на фиг. 4.
Сообщения передаются с хост-компьютера 112 на шлюз 116 через первую высокоскоростную сеть 114. Сообщение, предназначенное для узла в одной из зон 120, 122, 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства, отправляется со шлюза 116 на одну из точек 132, 142, 152 доступа, соответственно, через вторую высокоскоростную сеть 118. Затем одна из точек 132, 142, 152 доступа передает сообщение или непосредственно, или в пошаговом режиме на одно из беспроводных устройств 130a-130i... 130N, 140a-140i... 140N и 150a-150i... 150N одной из зон 120, 122, 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства, соответственно, через один из нескольких различных каналов. Ответные сообщения передаются по обратному каналу на хост-компьютер 112. Временной интервал, распределения канала связи и распределения РЧ каналов между узлами, которые являются необходимыми для координирования связей внутри ячеистой сети 119 беспроводного полевого устройства, распределяют администратором 24 сети, запущенным на хост-компьютере 112.
Варианты осуществления данного осуществления настоящего изобретения используют измерения RSSI, сделанные во время внутрисетевого временного интервала молчания, во время по меньшей мере одного из открытого прослушивания, открытого канального интервала и подинтервала молчания, как было описано выше со ссылкой на фиг. 1, 2A-2D и 3A-3B.
Значения RSSI измерения и время каждого из измерений и РЧ каналов временно сохраняется в устройстве, которое собирает измерения, и не удаляется до тех пор, пока не будут определены значения, представляющие собой полученные измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения. При повторном рассмотрении фиг. 1 видно, что значения, представляющие собой измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, не удаляются до тех пор, пока не будут успешно переданы в CSWM 162 в отчете (RSSI отчет) или, в качестве альтернативы, на соседний узел. Каждым беспроводным устройством и точкой доступа в ячеистой сети 119 беспроводного полевого устройства периодически, например каждые 15 минут, осуществляется определение значений, представляющих собой полученные измерения РЧ мощности, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения для отрезка времени. Значения, представляющие собой полученные измерения РЧ мощности, определяются для каждого РЧ канала, измерение которого осуществлялось во время этого отрезка времени. После определения значений, представляющих собой полученные измерения РЧ мощности, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения для каждого из РЧ каналов, каждое беспроводное устройство в зонах 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства передает отчет RSSI, включающий значения, представляющие собой полученные измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения для каждого из РЧ каналов, посредством зон 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства от одного узла к другому через один из нескольких каналов до тех пор, пока отчет не будет доставлен на одну из точек 132, 142 или 152 доступа. Затем точки 132, 142 и 152 доступа отправляют отчет RSSI с каждого беспроводного устройства в зонах 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства в дополнение к своему собственному отчету RSSI на шлюз 116 через вторую высокоскоростную сеть 118. Шлюз 116 отправляет отчет через первую высокоскоростную сеть 114 в CSWM 162, запущенном на хост-компьютере 112. CSWM 162 отвечает за успешный прием отчета RSSI от каждого беспроводного устройства в зонах 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства и точек 132, 142 и 152 доступа путем отправки ответного сообщения, которое подтверждает успешное получение каждого из отчетов RSSI. В качестве альтернативы соседний узел каждого из беспроводных устройств в зонах 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства и каждой точки 132, 142 и 152 доступа отвечает за успешное получение отчета RSSI путем отправки ответного сообщения, которое подтверждает успешное получение отчета. В любом из случаев при получении сообщения, подтверждающего успешное получение, каждое беспроводное устройство в зонах 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства и каждая точка 132, 142 и 152 доступа удаляет сохраненные значения, которые представляют собой полученные измерения РЧ мощности, и значения, которые представляют собой соответствующее время измерения для каждого из РЧ каналов для определенного отрезка времени. Администратор 160 сети устанавливает время передачи отчетов RSSI и получения сообщений-подтверждений в шахматном порядке, так что дополнительная нагрузка при передаче будет в пределах пропускной способности ячеистой сети 119 беспроводного полевого устройства.
Как только CSWM 162 получает отчет RSSI от каждого из беспроводных устройств в зонах 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства и каждой точки 132, 142 и 152 доступа, он сразу же определяет базовые статистические значения измерения RSSI для каждого РЧ канала. Без присутствия активных источников помехи базовые статистические значения обычно близки пороговому пределу уровня сигнала на приеме средств радиосвязи, используемых в устройствах (например, -90 дБм для большинства передатчиков по стандарту IEEE 802.15.4). Осуществляется сравнение полученных измерений РЧ мощности с соответствующими базовыми статистическими значениями. Полученные измерения РЧ мощности, превышающие соответствующие базовые статистические значения на заданную величину, указывают на источник РЧ помехи, вследствие чего CSWM 162 отправляет предупреждение программному приложению 164, запущенному на хост-компьютере 112. Что касается обнаружения и анализа источника помехи вблизи или в пределах отдельной зоны ячеистой сети беспроводного полевого устройства, такого как источник R2 РЧ помехи, то настоящий вариант осуществления работает таким же образом, как и первый вариант осуществления, описанный выше со ссылкой на фиг. 1. Например, беспроводные устройства 140b, 140f и 140g отправляют статистические значения и соответствующее время измерения, включая полученные максимальные значения РЧ мощности и время максимальных значений РЧ мощности для каждого РЧ канала (в качестве части отчетов RSSI), на шлюз 116 посредством точки 142 доступа (или точки 132 доступа через перекрытие между зонами 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства) и второй высокоскоростной сети 118, которые превышают ранее определенный пороговое значения полученной РЧ мощности. Шлюз 116 отправляет отчеты в CSWM 162 через первую высокоскоростную сеть 114. CSWM 162 сравнивает полученные максимальные значения РЧ мощности беспроводных устройств 140b, 140f, 140g и соответствующее время измерения, используя широко известные стандартные триангуляционные вычисления, и определяет местоположение источника R2 РЧ помехи. Информация о местоположении источника R2 РЧ помехи предпочтительно отправляется вместе с предупреждением программному приложению 164, запущенному на хост-компьютере 112. В качестве альтернативы предупреждение и информация о местоположении источника R2 РЧ помехи передаются через первую высокоскоростную сеть 114 и отображаются на шлюзе 116 для дальнейшего использования системным оператором.
В отличие от вариантов осуществления, описанных со ссылкой на фиг. 1, данный вариант осуществления также обнаруживает и устанавливает местоположении источников РЧ помехи за пределами одой зоны 120, 122 и 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства, таких как источник R3 РЧ помехи, используя информацию, полученною от беспроводных устройств или нескольких точек доступа ячеистой сети 119 беспроводного полевого устройства. Поскольку администратор 160 сети координирует распределения временных интервалов и РЧ каналов для всех беспроводных полевых устройств и точек доступа в ячеистой сети 119 беспроводного полевого устройства с точностью до одной миллисекунды, например, в WirelessHART®, то информация о РЧ помехе от беспроводных устройств или точек доступа, которые находятся в различных частях ячеистой сети 119 беспроводного полевого устройства, может быть точно объединена с обеспечением определения точного местоположения источника R3 РЧ помехи. В примере источника R3 РЧ помехи тремя беспроводными устройствами, обнаружившими наибольшее количество РЧ энергии, исходящей от источника, являются беспроводное полевое устройство 130h зоны 120 ячеистой сети беспроводного полевого устройства, точка 142 доступа зоны 122 ячеистой сети беспроводного полевого устройства и точка 152 доступа зоны 124 ячеистой сети беспроводного полевого устройства. Беспроводное устройство 130h посредством точки 132 доступа, точки 142 доступа и точки 152 доступа отправляет максимальные значения РЧ мощности и время максимальных значений РЧ мощности для каждого РЧ канала (в качестве части отчетов RSSI) на шлюз 116 через вторую высокоскоростную сеть 118, которые превышают ранее определенное пороговое значение полученной РЧ мощности. Шлюз 116 отправляет отчеты в CSWM 162 через первую высокоскоростную сеть 114. CSWM 162 сравнивает максимальные значения РЧ мощности и время максимальных значений РЧ мощности для каждого РЧ канала, полученные от беспроводного устройства 130h, точки 142 доступа, точки 152 доступа и, используя широко известные стандартные триангуляционные вычисления, определяет местоположение источника R3 РЧ помехи. Информация о местоположении источника R3 РЧ помехи отправляется вместе с предупреждением программному приложению 164, запущенному на хост-компьютере 112. В качестве альтернативы предупреждение и информация о местоположении источника R3 РЧ помехи отправляются через первую высокоскоростную сеть 114 и отображается на шлюзе 116 для дальнейшего использования системным оператором.
В данном варианте осуществления информация о РЧ помехе от беспроводных устройств или точке доступа из различных зон ячеистой сети беспроводного полевого устройства ячеистой сети беспроводного полевого устройства может быть точно объединена с обеспечением точного непрерывного определения местоположения РЧ помехи в пределах большей зоны, поскольку администратор сети координирует распределения временных интервалов и РЧ каналов для ячеистой сети беспроводного полевого устройства посредством системы управления и технологического контроля с точностью до одной миллисекунды.
Во всех вариантах осуществления настоящего изобретения стандартные триангуляционные вычисления, использующие информацию, полученную от трех беспроводных устройств (или точек доступа), являются оптимальными для определения местоположения источника помехи в двухмерном режиме, поскольку они идентифицируют единичное местоположение. Сочетание информации, полученной более чем от тех беспроводных устройств, улучшает точность определения местоположения согласно настоящему изобретению. Однако если два беспроводных устройства обнаруживают источник помехи, то информация, полученная от этих двух беспроводных устройств, является столь же полезной в сочетании с информацией о не РЧ характеристике. Например, одно из двух возможных местоположений источника РЧ помехи, определенных посредством измерений RSSI, указывающих на источник РЧ помехи, полученных с двух беспроводных устройств, исключается, если оно находится в защищенной зоне, которая является недоступной для потенциального источника РЧ помехи.
Как было упомянуто выше, CSWM может отображать на хост-компьютере или на шлюзе информацию о РЧ помехе, например, путем нанесения данных RSSI на линию тренда, генерирования спектральных графиков, включающих спектральную плотность и РЧ историю, выделения местоположения источника помехи на карте, иллюстрирования рабочего цикла источника помехи, изображения помехи RSSI посредством канала или узла, сравнения позвенно помехи RSSI и внутрисетевого RSSI с использованием канала, использования столбчатой диаграммы для иллюстрации стабильности канала в качестве функции помехи RSSI или изображения перемещения местоположения источника на карте во времени. CSWM также может отображать сочетания вышеописанного, отображая сетевую топологию (например, узлы, каналы связи, маршруты), перекрытую источниками помехи и помехи RSSI. Кроме того, CSWM может объединять значения, представляющие собой полученные измерения РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, для генерирования многоточечной градиентной карты, подобной теплокарте. Многоточечная градиентная карта отображает в различных цветах и оттенках значения, представляющие собой уровни полученных измерений РЧ мощности для распределенного РЧ канала в соответствующее время измерения или в соответствующий временной диапазон измерения для известных местоположений беспроводных устройств, осуществляющих измерения. Многоточечная градиентная карта может охватывать всю ячеистую сеть беспроводного полевого устройства или только ее часть, обеспечивая простое для интерпретации визуальное указание РЧ исходных уровней и уровней РЧ помехи.
Для всех вариантов осуществления настоящего изобретения отправка отчетов RSSI является настраиваемой, начиная с прерывистой отправки, например 15-минутного цикла отправки отчетов, описанного со ссылкой на варианты осуществления с открытым прослушиванием и подинтервалом молчания, и заканчивая активной отправкой отчетов, например описанной выше для варианта осуществления с открытым канальным интервалом, где осуществляется запрашиваемая последовательность измерений RSSI, а значения выводятся с небольшой задержкой. Следует понимать, что измерения RSSI могут использовать три внутрисетевых временных интервала молчания, описанных выше, по отдельности или в любом сочетании, поэтому во всех случаях частота и скорость отклика отправки отчетов RSSI может настраиваться отдельно, от прерывистой до активной, для каждого примененного внутрисетевого временного интервала молчания. Следует также понимать, что запросы на отправку отчетов RSSI могут также фильтровать показатели RSSI, используемые для создания отчета RSSI, путем указания определенного диапазона измерений РЧ мощности и удаления всех показателей RSSI, которые не входят в определенный диапазон. Все запросы на отправку отчетов RSSI исходят от CSWM, а координируются и осуществляются администратором сети.
Во всех вариантах осуществления беспроводное устройство или точка доступа с локальным пультом управления (LOI) может отображать любые реальные измерения RSSI, осуществленные беспроводным устройством или точкой доступа, и любые значения, представляющие собой полученные измерения РЧ мощности, определенные из RSSI измерений, как описано выше, беспроводным устройством или точкой доступа. Отображается только сохраненная в локальной памяти информация согласно с вариантами осуществления, описанными выше.
Во всех вариантах осуществления, в которых дополнительные измерения RSSI являются необходимыми для лучшей идентификации местоположения источника РЧ помехи, может быть использовано портативное беспроводное устройство, содержащее средство радиосвязи с возможностью получения измерения РЧ мощности, такое как, например, средство радиосвязи, соответствующее стандарту IEEE 802.15.4. Портативное беспроводное устройство согласовывается с администратором сети для установки связи с администратором сети через локальную ячеистую сеть беспроводного полевого устройства для идентификации времени, отличного от времени приема сигнала, приводящего к передаче беспроводными устройства или ответа ACK, или ответа NACK, например при открытом прослушивании, подинтервалах молчания или открытых канальных интервалах. Портативное беспроводное устройство осуществляет измерения RSSI в локальной ячеистой сети беспроводного полевого устройства через РЧ канал, выбранный пользователем портативного беспроводного устройства. Реальные измерения RSSI и статистические значения отображаются портативным беспроводным устройством.
В дополнение к обнаружению и определению местоположения источников РЧ помехи настоящее изобретение с поканальным анализом РЧ спектра также идентифицирует источник обнаруженной РЧ помехи путем определения мощности РЧ помехи для каждого из РЧ каналов и путем создания РЧ спектральной сигнатуры для РЧ помехи. Источник РЧ помехи идентифицируется посредством сравнения РЧ спектральной сигнатуры РЧ помехи и РЧ спектральных сигнатур известных источников РЧ помехи. Определение обычных типов источников помехи, таких как Wi-Fi, осуществляется CSWM. CSWM настоящего изобретения также идентифицирует источник обнаруженной РЧ помехи путем использования значений, представляющих собой соответствующего времени измерения определенной РЧ помехи для определения временной структуры РЧ помехи, например, определение того, что РЧ помеха возникает каждые 90 минут или каждый четверг в 2:00. Временная структура сравнивается с временными структурами известных источников РЧ помехи для идентификации источника РЧ помехи. Что касается других типов информации о РЧ помехе, описанных выше, то CSWM может отображать на хост-компьютере или на шлюзе типы источника помехи и информацию о временной структуре.
В настоящем изобретении используют доступную в беспроводных устройствах, включающих ячеистую сеть беспроводного полевого устройства, возможность измерения полученной РЧ мощности для обнаружения источников РЧ помехи. Настоящее изобретение использует беспроводные устройства для осуществления нескольких RSSI измерений для каждого из РЧ каналов во время внутрисетевого временного интервала молчания, например открытого прослушивания, подинтервалов молчания или открытых канальных интервалов. Во время этих временных интервалов обнаружение исходной или внешней РЧ помехи является наиболее простым и точным. Значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, определяются беспроводными устройствами из измерений полученной РЧ мощности, и значения отправляются на CWSM в качестве периодического отчета или, в качестве альтернативы, в ответ на определенный запрос от CWSM, который координируется и осуществляется администратором сети. Это приводит к эффективному сбору точных статистических данных измерений РЧ помехи, которые являются полезными для обнаружения источников РЧ помехи, и к гибкости для адаптации оператором системы для фокусировки на сборе данных и анализе определенного местоположения, РЧ диапазона или периода времени. Путем объединения значений, представляющих собой измерения РЧ мощности, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения для каждого из РЧ каналов с нескольких устройств исходный шум и РЧ спектр всей сети может быть проанализирован в любой промежуток времени на поканальной основе. Местоположения источников РЧ помехи определяются путем объединения этого анализа с уже известными местоположениями беспроводных устройств и использования стандартного местоположения и триангуляционных алгоритмов. Кроме того, природа источника РЧ помехи определяется путем сопоставления анализа с РЧ сигнатурой обычных типов источников помех, таких как Wi-Fi.
Настоящее изобретение минимизирует расход энергии на каждый из узлов, необходимый для обнаружения и определения местоположения РЧ помехи, если осуществляется отправка только статистической информации вместо каждого измерения по отдельности. Путем перемещения по измерениям, выполненным во время открытого прослушивания, открытого канального интервала и подинтервала молчания потребность в более активном обнаружении и нахождении помехи может привести к большему потреблению энергии. Ограничение сбора данных и отправки отчетов до нескольких узлов или узлов, к которым подведено достаточно энергии, таких как точки доступа, также минимизирует расход энергии большинства узлов, питающихся от батарей. Кроме того, информация о РЧ помехе от беспроводных устройств или точек доступа из различных зон ячеистой сети беспроводного полевого устройства может быть точно объединена для обеспечения точного определения местоположения РЧ помехи на большей области на непрерывной основе, поскольку администратор сети координирует временные интервалы и распределения РЧ каналов для всех зон ячеистой сети беспроводного полевого устройства посредством системы управления и технологического контроля с точностью до одной миллисекунды. В результате, вследствие координирования передач отчетов RSSI и приема сообщений-подтверждений в шахматном порядке, так что дополнительная нагрузка при передаче находится в пределах пропускной способности ячеистой сети беспроводного полевого устройства, создается небольшое негативное воздействие на работу сети.
Настоящее изобретение было описано с использованием примера средств радиосвязи, которые соответствуют стандарту IEEE 802.15.4. Однако следует понимать, что настоящее изобретение охватывает другие беспроводные протоколы связи, которые поддерживают функцию измерения полученной РЧ мощности.
Поскольку изобретение было описано со ссылкой на иллюстративный вариант (варианты) осуществления, то специалистам в данной области техники будет ясно, что могут быть осуществлены различные измерения, и эквивалентные элементы могут быть заменены другими элементами без отступления от объема изобретения. Кроме того, множество модификаций может быть осуществлено для адаптации определенной ситуации или материала к идеям изобретения без отступления от его существенного объема. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается определенным раскрытым вариантом осуществления (вариантами осуществления), а также, что настоящее изобретение будет включать все варианты осуществления, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Способ измерения и анализа радиочастотной (РЧ) помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства, при этом способ включает этапы, на которых:
координируют распределения РЧ канала и координируют и синхронизируют время измерения; причем администратор сети координирует распределения РЧ канала и координирует и синхронизирует время измерения по ячеистой сети беспроводного полевого устройства;
измеряют полученную РЧ мощность через распределенный РЧ канал посредством по меньшей мере одного из нескольких беспроводных устройств, содержащих ячеистую сеть беспроводного полевого устройства;
сохраняют измерение полученной РЧ мощности, измеренной через распределенный РЧ канал, и соответствующее время измерения по меньшей мере одним из нескольких беспроводных устройств, если измерение РЧ мощности через распределенный РЧ канал осуществляли не во время приема сигнала, что приводит к передаче по меньше мере одним из нескольких беспроводных устройств одного из сигнала подтверждения и сигнала неподтверждения;
определяют по меньшей мере одним из нескольких беспроводных устройств значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, из сохраненных измерений РЧ мощности и сохраненного соответствующего времени измерения;
удаляют измерения полученной РЧ мощности и соответствующего времени измерения по меньшей мере одним из нескольких беспроводных устройств после определения значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения, из сохраненных измерений полученной РЧ мощности и сохраненного соответствующего времени измерения;
отправляют по меньшей мере одним из нескольких беспроводных устройств значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, на централизованный программный модуль (CSWM);
получают по меньшей мере одно из нескольких беспроводных устройств сигнал, подтверждающий успешную отправку значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения; и
удаляют значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, по меньшей мере одним из нескольких беспроводных устройств при получении сигнала, подтверждающего успешную отправку значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает запуск каждого из CSWM и администратора сети по меньшей мере на одном из шлюза и хост-компьютера.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отправка значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения, в CSWM включает передачу отчета по ячеистой сети беспроводного полевого устройства в шахматном порядке.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отправку значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения, в CSWM осуществляют со скоростью, настраиваемой администратором сети.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соответствующее время измерения находится в пределах части временного интервала, если планируют соединение через распределенный РЧ канал, и по меньшей мере одно из нескольких беспроводных устройств не осуществляет передачу сигнала подтверждения или сигнала неподтверждения в пределах этого временного интервала.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соответствующее время измерения находится в пределах временного интервала, если соединение через распределенный РЧ канал в ячеистой сети беспроводного полевого устройства не запланировано.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соответствующее время измерения находится в пределах части временного интервала, если соединение с любым из РЧ каналов в ячеистой сети беспроводного полевого устройства не запланировано в пределах части временного интервала.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнал, подтверждающий успешную отправку значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения, исходит по меньшей мере от одного из соседнего узла и CSWM.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает отображение на многоточечной градиентной карте значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности распределенного РЧ канала.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает отображение на локальном пульте управления по меньшей мере одного из следующего:
измерений полученной РЧ мощности, измеренной через распределенный РЧ канал, и соответствующего времени измерения; и
значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает этапы, на которых:
в CSWM контролируют отправленные значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения через распределенный РЧ канал;
обнаруживают РЧ помеху, если по меньшей мере одно из контролируемых значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности, превышает предопределенное значение; и
генерируют предупреждение, отправляемое с CSWM, оповещающего о РЧ помехе по меньше мере одно из системного оператора и программного приложения управления или контроля, запущенного на хост-компьютере.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что дополнительно включает этапы, на которых:
в CSWM анализируют отправленные значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения через распределенный РЧ канал, на наличие обнаруженной РЧ помехи;
создают РЧ спектральную сигнатуру в CSWM для РЧ помехи на основании проанализированных значений;
сравнивают РЧ спектральную сигнатуру РЧ помехи с несколькими РЧ спектральными сигнатурами в CSWM, где каждая из нескольких РЧ спектральных сигнатур идентифицирует известный источник РЧ помехи;
идентифицируют источник РЧ помехи на основании сравненных РЧ спектральных сигнатур.
13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что дополнительно включает этапы, на которых:
в CSWM анализируют отправленные значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения через распределенный РЧ канал, на наличие обнаруженной РЧ помехи;
определяют временную структуру для РЧ помехи на основании проанализированных значений в CSWM;
сравнивают временную структуру для РЧ помехи с несколькими РЧ временными структурами в CSWM, при этом каждая из нескольких РЧ временных структур идентифицирует известный источник РЧ помехи;
идентифицируют источник РЧ помехи на основании сравненных РЧ временных структур.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, включает вычисление статистических значений по меньшей мере одним из нескольких беспроводных устройств сохраненных измерений полученной РЧ мощности и сохраненного соответствующего времени измерения, при этом вычисление статистических значений включает вычисление по меньшей мере одного из максимального значения, минимального значения, среднего значения, погрешности и значения расхождения сохраненных измерений полученной РЧ мощности.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что дополнительно включает этапы, на которых:
в CSWM сравнивают вычисленные статистические значения и соответствующее время измерения для распределенного РЧ канала, с применением по меньшей мере двух беспроводных устройств, при этом местоположения по меньшей мере двух из нескольких беспроводных устройств являются известными для CSWM;
определяют два возможных местоположения источника РЧ помехи в распределенном РЧ канале в CSWM на основании сравненных вычисленных статистических значений и времени и на основании известных местоположений по меньшей мере двух беспроводных устройств;
сравнивают характеристики не РЧ помехи двух возможных местоположений источника РЧ помехи в распределенном РЧ канале в CSWM для определения местоположения источника РЧ помехи; и
отправляют информацию о местоположении источника РЧ помехи по меньшей мере одному из системного оператора и программного приложения управления или контроля, запущенных на хост-компьютере.
16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что дополнительно включает этапы, на которых:
в CSWM сравнивают вычисленные статистические значения и соответствующее время измерения для распределенного РЧ канала, применяя по меньшей мере три беспроводных устройства, при этом местоположение по меньшей мере трех из нескольких беспроводных устройств является известным для CSWM;
определяют местоположение источника РЧ помехи на распределенном РЧ канале в CSWM на основании сравненных вычисленных статистических значений и времени и на основании известных местоположений по меньшей мере трех из нескольких беспроводных устройств; и
отправляют информацию о местоположении источника РЧ помехи по меньшей мере одному из системного оператора и программного приложения управления или контроля, запущенных на хост-компьютере.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что местоположения по меньшей мере трех из нескольких беспроводных устройства являются фиксированными местоположениями.
18. Система измерения и анализа радиочастотной (РЧ) помехи, которая имеет место вблизи и внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства, при этом система содержит:
централизованный программный модуль (CSWM) для сбора и анализа значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерений полученной РЧ мощности;
несколько беспроводных устройств, при этом каждое беспроводное устройство измеряет полученную РЧ мощность и соответствующее время измерения через распределенный РЧ канал; сохраняет измерение полученной РЧ мощности, если измерение было осуществлено не во время приема сигнала, приводящего к передаче беспроводным устройством одного из сигнала подтверждения или сигнала неподтверждения; применяет сохраненное измерение РЧ мощности и соответствующее время измерения для определения значений, представляющих собой измерения РЧ мощности, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения, для распределенного РЧ канала; при этом сохраненное полученное измерение РЧ мощности и соответствующее время измерения сохранены в беспроводном устройстве до тех пор, пока значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения для распределенного РЧ канала, не будут определены; при этом значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, сохранены в беспроводном устройстве до тех пор, пока не будет получен сигнал от беспроводного устройства, подтверждающий успешную отправку значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения; и
администратора сети для координирования соединений между несколькими беспроводными устройствами, который координирует распределения РЧ каналов и координирует и синхронизирует соответствующее время измерения внутри ячеистой сети беспроводного полевого устройства.
19. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждое беспроводное устройство сохраняет измерение полученной РЧ мощности, если измерение находится в определенном диапазоне измерений РЧ мощности.
20. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждое беспроводное устройство предоставляет значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, и распределенный РЧ канал для CSWM посредством передачи отчета по ячеистой сети беспроводного полевого устройства в шахматном порядке, координируемом администратором сети.
21. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждое беспроводное устройство предоставляет значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения, и распределенный РЧ канал для CSWM со скоростью, настраиваемой администратором сети.
22. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждое беспроводное устройство сохраняет измерение полученной РЧ мощности, если измерение осуществлено во время части временного интервала, когда запланировано соединение через распределенный РЧ канал и беспроводное устройство не передает сигнал подтверждения или сигнал неподтверждения во время данного временного интервала.
23. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждое беспроводное устройство сохраняет измерение полученной РЧ мощности, если измерение осуществляется во время временного интервала, когда соединение через распределенный РЧ канал по ячеистой сети беспроводного полевого устройства не запланировано.
24. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждое беспроводное устройство сохраняет измерение полученной РЧ мощности, если измерение осуществлено во время части временного интервала, при этом для части временного интервала не запланировано соединение через любой РЧ канал по ячеистой сети беспроводного полевого устройства.
25. Система по п. 18, отличающаяся тем, что администратор сети координирует соответствующее время измерения по ячеистой сети беспроводного полевого устройства, так что соответствующее время измерения находится в пределах по меньшей мере одного из:
части первого временного интервала, если запланировано соединение через распределенный РЧ канал и во время первого временного интервала беспроводное устройство не передает сигнал подтверждения или сигнал неподтверждения;
второго временного интервала, если соединение через распределенный РЧ канал ячеистой сети беспроводного полевого устройства не запланировано; и
части третьего временного интервала, если для части третьего временного интервала не запланировано соединение через любой РЧ канал ячеистой сети беспроводного полевого устройства.
26. Система по п. 18, отличающаяся тем, что администратор сети координирует соответствующее время измерения по ячеистой сети беспроводного полевого устройства, так что соответствующее время измерения находится в пределах по меньшей мере одного из:
первой части первого временного интервала, если для первой части первого временного интервала не запланировано соединение через любой РЧ канал по ячеистой сети беспроводного полевого устройства;
второй части первого временного интервала, если запланировано соединение через распределенный РЧ канал и во время первого временного интервала беспроводное устройство не передает сигнал подтверждения или сигнал неподтверждения;
второго временного интервала, если соединение через распределенный РЧ канал по ячеистой сети беспроводного полевого устройства не запланировано.
27. Система по п. 18, отличающаяся тем, что сигнал, подтверждающий успешную отправку беспроводным устройством значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, и значений, представляющих собой соответствующее время измерения полученной РЧ мощности, исходит по меньшей мере от одного из соседних узлов и CSWM.
28. Система по п. 18, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из нескольких беспроводных устройств дополнительно содержит локальный пульт управления, при этом локальный пульт управления способен отображать по меньшей мере одно из следующего:
измерения полученной РЧ мощности, измеренной через распределенный РЧ канал, и соответствующего времени измерения; и
значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал.
29. Система по п. 18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит портативное беспроводное устройство, которое осуществляет измерение полученной РЧ мощности и соответствующего времени измерения через выбранный пользователем РЧ канал, если измерение РЧ мощности через выбранный РЧ канал не осуществлено во время приема сигнала, приводящего к передаче портативным беспроводным устройством одного из сигнала подтверждения и сигнала неподтверждения; при этом администратор сети координирует связь между несколькими беспроводными устройствами и портативным беспроводным устройством и координирует и синхронизирует соответствующее время измерения для портативного беспроводного устройства.
30. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждый из CSWM и администратора сети запущен по меньшей мере на одном из шлюза и хост-компьютера.
31. Система по п. 30, отличающаяся тем, что CSWM отправляет команду по меньшей мере одному из шлюза или хост-компьютера с отображением на многоточечной градиентной карте значений, представляющих собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал.
32. Система по п. 18, отличающаяся тем, что CSWM дополнительно:
контролирует значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал;
обнаруживает РЧ помеху, если по меньшей мере одно из контролируемых значений превышает предопределенное значение; и
генерирует предупреждение, оповещающее по меньшей мере одно из системного оператора и программного приложения управления или контроля, запущенное на хост-компьютере.
33. Система по п. 32, отличающаяся тем, что CSWM дополнительно:
анализирует значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности через распределенный РЧ канал, для обнаружения РЧ помехи;
создает РЧ спектральную сигнатуру для РЧ помехи на основании проанализированных значений;
сравнивает РЧ спектральную сигнатуру с несколькими из РЧ спектральных сигнатур, при этом каждая из нескольких РЧ спектральных сигнатур идентифицирует известный источник РЧ помехи; и
идентифицирует источник РЧ помехи на основании РЧ спектральных сигнатур.
34. Система по п. 32, отличающаяся тем, что CSWM дополнительно:
анализирует значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, и значения, представляющие собой соответствующее время измерения через распределенный РЧ канал, для обнаружения РЧ помехи;
определяет временную структуру для РЧ помехи на основании проанализированных значений;
сравнивает временную структуру РЧ помехи с несколькими РЧ временными структурами, при этом каждая из нескольких РЧ временных структур идентифицирует известный источник РЧ помехи; и
идентифицирует источник РЧ помехи на основании сравненных РЧ временных структур.
35. Система по п. 18, отличающаяся тем, что значения, представляющие собой измерения полученной РЧ мощности, определенные каждым беспроводным устройством, являются статистическими значениями для распределенного РЧ канала, где статистические значения включают по меньшей мере одно максимальное значение, минимальное значение, среднее значение, погрешность и значение расхождения.
36. Система по п. 35, отличающаяся тем, что CSWM:
сравнивает статистические значения и соответствующее время измерения для распределенного РЧ канала по меньшей мере от двух беспроводных устройств, при этом по меньшей мере два из множества беспроводных устройств находятся в местоположениях, известных для CSWM;
определяет два возможных местоположения источника РЧ помехи в распределенном РЧ канале посредством сравненных статистических значений и времени и посредством известных местоположений по меньшей мере двух из нескольких беспроводных устройств;
сравнивает характеристики не-РЧ помехи двух возможных местоположений источника РЧ помехи через распределенный РЧ канал для определения местоположения источника РЧ помехи; и
отправляет информацию о местоположении источника РЧ помехи по меньшей мере одному из системного оператора и программного приложения управления или контроля, запущенных на хост-компьютере.
37. Система по п. 35, отличающаяся тем, что CSWM:
сравнивает статистические значения и соответствующее время измерения для распределенного РЧ канала по меньшей мере от трех беспроводных устройств, при этом по меньшей мере три из нескольких беспроводных устройств находятся в местоположениях, известных для CSWM;
определяет местоположение источника РЧ помехи в распределенном РЧ канале посредством сравненных статистических значений и времени и посредством известных местоположений по меньшей мере трех из нескольких беспроводных устройств; и
отправляет информацию о местоположении источника РЧ помехи по меньшей мере одному из системного оператора и программного приложения управления или контроля, запущенных на хост-компьютере.
38. Система по п. 37, отличающаяся тем, что местоположения по меньшей мере трех из нескольких беспроводных устройств, которые являются известными для CSWM, являются фиксированными местоположениями.
