CN109314975A

CN109314975A - 无线通信网络中的通信节点的操作方法、关联的通信节点、通信系统和存储系统

Info

Publication number: CN109314975A
Application number: CN201780036847.7A
Authority: CN
Inventors: 朗纳·斯图海于格; 英瓦尔·霍纳兰德
Original assignee: Automatic Storage Polytron Technologies Inc
Current assignee: Automatic Storage Polytron Technologies Inc
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2037-06-28
Also published as: JP2022191467A; JP2019525559A; US20190239237A1; WO2018002143A1; CA3014145A1; EP3479637A1; NO20161087A1; JP7389552B2; CN116684978A; CN109314975B; US11770846B2; US20230300872A1; TW201806438A; NO341951B1

Abstract

已经公开了一种无线通信网络中的通信节点的操作方法，其中，节点经由至少一个接入点与中央通信单元进行通信。该操作方法包括：‑在节点处从接入点接收无线信号；‑由节点基于所接收的无线信号确定信道质量信息；‑由节点确定根据所确定的信道质量排列的活动信道的顺序；并且‑由节点根据所确定的顺序选择用于发送无线信号的活动信道，并且‑由节点在所选择的、活动信道上发送无线信号。还公开了实现该方法的通信节点、以及通信系统和包括通信节点的存储系统。

Description

无线通信网络中的通信节点的操作方法、关联的通信节点、通信系统和存储系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术。

更具体地，本发明涉及无线通信网络中的通信节点的操作方法，其中，节点经由至少一个接入点与中央通信单元进行通信；并且涉及在这种无线通信网络中进行操作的通信节点。

本发明还涉及其中包括这种通信节点的无线通信系统和存储系统。

背景技术

包括包含以垂直堆叠形式堆叠的多个箱子的三维存储网格的存储系统被称为自动存储器。支撑轨道布置在网格结构上，并且多个车辆被布置为沿着网格结构上的轨道移动。

当由中央单元请求时，远程控制车辆从垂直堆叠方式拾取箱子，将箱子移动至期望位置并且将它们带至垂直端口并且进一步带至操作员。

为了能够实现这种存储系统的操作，提供了一种无线通信网络。每个车辆设置有通信节点，该通信节点经由可以位于整个系统的固定位置处的多个通信接入点与中央单元进行通信。

提供这种通信节点、它们的操作方法和整个通信系统带来一些挑战。

例如，该系统就物理布局和规模方面而言应该是通用的。使用中的车辆(具有关联的通信节点)的数量应该是灵活的。网格可以采用通过其中安装有存储系统的房屋的物理性质确定的各种形状。因此，车辆必须设置有应该能够处理各种各样的不同的物理拓扑的通信节点。

即使不可能对网格上的所有位置有视线，无线通信系统也应该随时都能够与所有车辆进行通信。可能存在如阻碍信号的支柱和墙壁一样的许多障碍。这种障碍还可以采用无线通信系统应该能够处理的反射。

即使在存在干扰背景无线电信号(例如Wi-Fi通信)的情况下，通信系统也应该能够方便地进行可靠地操作。通信系统应该进一步便于提供故障保护紧急停止功能。

另外，应该实现通信速率、时间和吞吐量要求的一般要求。

其他可能的要求和/或期望的属性包括：

无需节点到节点的通信；

无需多跳路由；

响应时间短；

更新的数据比完整数据更重要，即，与大延迟相比，更优选消息丢失；

由节点发送的数据量远远大于由节点接接收的数据量；

中央单元不应该担任网络管理器；

节点应该能够在接入点之间快速切换；

数据加载可能会随时间而变化很大；

不要求固定分配的节点容量。

存在各种标准化和其他先前已知的通信协议，这可以实现一些上述要求和期望属性。

然而，由于现有通信协议的短处和缺点，需要提供无线通信网络中的通信节点的改进的操作方法、改进的通信节点，改进的通信系统和改进的存储系统。

US-2014/086081 A1描述了一种包括节点、中央通信单元和接入点的通信系统，其中，确定信道质量且用于提供有序的信道列表。根据有序列表选择活动通信信道。通过包括在中央动态频谱管理引擎中的信道管理功能根据有序列表执行有序信道列表的供应和活动信道的选择。信道管理功能和动态频谱管理引擎被设置为通信系统中的中央元件。

发明内容

所附独立权利要求已经限定了本发明。从属权利要求已经限定了有利的实施方式。

因此，在本发明的一方面中，提供了一种无线通信网络中的通信节点的操作方法。在该方法中，节点经由至少一个接入点与中央通信单元进行通信，并且该方法包括：

-在节点处从接入点接收无线信号；

-由节点基于所接收的无线信号确定信道质量信息；

-由节点确定根据所确定的信道质量排列的活动信道的顺序；并且

-由节点根据所确定的顺序选择用于发送无线信号的活动信道，并且

-由节点在所选择的活动信道上发送无线信号。

在另一方面中，提供了一种在无线通信网络中操作的通信节点、该网络包括该节点、中央通信单元以及至少一个接入点。该节点被配置为：

-从接入点接收无线信号；

-基于所接收的无线信号确定信道质量信息；

-确定根据所确定的信道质量排列的活动信道的顺序；并且

-根据所确定的顺序选择用于发送无线信号的活动信道，并且

-由节点在所选择的活动信道上发送无线信号。

由本发明提供了一种无线通信系统，包括本文中公开的中央通信单元、至少一个接入点和至少一个通信节点。

最后，本发明涉及一种存储系统，包括：三维存储网格，包含以垂直堆叠形式堆叠的多个箱子；支撑轨道，在网格结构上；以及多个车辆，布置为沿着网格结构上的轨道移动；每个车辆被配置为经由至少一个接入点与中央通信单元通信，每个车辆包括本文中公开的通信节点。

附图说明

结合附图将描述本发明的各个方面和特征，附图被提供为说明性实例并且不将本发明局限于所公开的方面和特征。

图1是示出了存储系统的原理的示意图。

图2是示出了通信系统的原理的示意性框图。

图3是示出了通信节点的原理的示意性框图。

图4是示出了通信节点的操作方法的示意性流程图。

图5是示出了基本信标序列的原理的示意性时序图。

图6是示出了信道之间的时间偏移的原理的示意性时序图。

图7是示出了信标发送的阶段的原理的示意性时序图。

图8包括示出了通信序列的各个方面的四个示意性时序图。

具体实施方式

图1是示出了存储系统100的原理的示意图。

存储系统100包括包含以垂直堆叠形式堆叠的多个箱子的三维存储网格结构110。支撑轨道120以二维方式布置在网格结构110的顶部上，并且多个车辆130被布置为沿着布置在网格结构110的顶部上的轨道移动。

当由中央单元150请求时，车辆130被远程控制为从垂直堆叠方式拾取箱子，将箱子移动至网格结构110的顶部上的期望位置，并且将它们带至垂直提升器和/或端口并且进一步带至操作员。

为了实现这种存储系统100的操作，提供了无线通信网络。每个车辆130设置有经由可以位于整个系统100的固定位置处的多个通信接入点140(为简单起见，仅示出了一个接入点)与中央单元150进行通信的通信节点(在图1中未示出)。

图2是示出了通信系统的原理的示意性框图。

在图2中，示出了四个通信节点300a、300b、300c、300d。每个节点旨在包括在存储系统100中的车辆(诸如，在图1中示出的车辆130)中。应当理解，任何合适数量的通信节点可以设置在通信系统中，诸如，在1和250之间的任何数量。在一些情况下，可以使用多于250个通信节点。一些节点可以提供除了存储系统中的车辆的通信节点的其他目的。

每个节点300a、300b、300c、300d被配置为经由接入点140a、140b与中央单元150进行通信。如图所示，接入点140a提供与节点300a的无线通信，而接入点140b提供与节点300b、300c和300d的无线通信。无线通信优选地是无线电通信。应当理解，可以将任何合适数量的接入点设置在通信系统中，诸如，在1和10之间的任何数量。在一些情况下，可以使用多于10个接入点。应当理解，通信节点和接入点之间的关联可以在通信系统和存储系统100的操作期间动态地变化。

在一些情况下，接入点140a、140b和中央单元150之间的通信可以是有线的，例如，提供电连接或光学连接。在其他方面中，接入点140a、140b和中央单元150之间的通信可以是无线的，例如，通过无线电。

图3是示出了通信节点的原理的示意性框图。

通信节点300可包括内部总线310，即，该内部总线使诸如微处理器的处理装置340、诸如ROM或闪速存储器的非易失性存储器320、以及诸如RAM的易失性存储器330互连。非易失性存储器320可以包含以计算机程序的形式的一组处理指令，当由处理装置340执行时，该处理指令使得通信节点300执行本公开内容中指定的方法。易失性存储器330可以包含在处理指令的执行期间由处理装置使用的可变数据。无线通信装置370还互连至总线310，该总线借助于连接天线390提供外部接入点(图2中未示出)和通信节点300之间的双向无线电通信。I/O装置350还与总线310互连，该总线提供通信节点300和外部控制装置360之间的数据通信，该外部控制装置可包括布置为控制其中布置有通信节点300的车辆的移动的控制电路。外部控制装置360还可以包括提供与车辆的操作相关联的信号的传感器、变换器等，该车辆应该通过通信节点300经由关联的接入点通信至保持的通信系统以及中央单元。通信节点300进一步包括提供操作包括在通信节点300中的电路的电力的电源或电源处理单元380。

通信节点300例如可以布置为实现称为IEEE 802.15.4的说明书所限定的物理层协议。

图4是示出了通信节点的操作方法的示意性流程图。

示出的方法400可以实现为计算机程序，体现为可以包含在存储器(诸如，以上参考图3提到的非易失性存储器320)中的一组处理指令并且由通信节点300中的处理装置340执行。

方法400是无线通信网络中的通信节点的操作方法，其中，节点300经由至少一个接入点140与中央通信单元150进行通信。

该方法从启动步骤410开始。

首先，在接收步骤420中，从接入点140在节点300处接收无线信号。

进一步地，在信道质量确定步骤430中，由节点300基于所接收的无线信号确定信道质量信息。

进一步地，在顺序确定步骤440中，由节点300确定根据所确定的信道质量排列的活动信道的顺序。

接下来，在选择步骤450中，由节点根据所确定的顺序选择用于发送无线信号的活动信道。

接下来，在发送步骤460中，如在选择步骤450中所选择的，由节点在所选择的活动信道上发送无线信号。

在终止步骤470中可以重复或终止该方法。

有利地，无线通信网络是基于信标使能的载波侦听多路访问(CSMA)网络。

由节点在所选择的、活动信道上发送无线信号的发送步骤460可以有利地包括使用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)来发送消息。

在有利方面中，由节点执行的方法400可以进一步包括对通过从接入点接收的信标数据提供的信标时序信息进行锁定的步骤。

在有利方面中，该方法进一步包括由节点根据时隙模式通过信道进行迭代。

示出的方法400还可以包括结合接入点140提供或执行的步骤或元件。在一方面中，方法400可以进一步包括在信标发送模式下操作接入点140。在这种信标发送模式下，接入点将无线信标数据发送至节点300。接入点还可以在收听模式下操作。在收听模式下，接入点将从节点接收的数据中继至中央通信单元150。

在有利方面中，节点300和接入点140可以通过公共时钟信号同步。

从以下显现所公开的操作方法的更多可能的一般方面和关联优点：

方面1.任何数量的时间同步的AP可以根据它们目前分配的信道在专用时隙中发送信标帧。可以使用任何预定的模式。节点可以锁定至信标时序并且根据时隙模式连续重复通过所有信道。益处：节点将了解范围内的所有AP，并接收来自所有AP的信标和包含的数据。

方面2.在它的信标发送之间，AP将处于收听模式下，从节点中继所有输入帧。信标帧可以包含接收到先前信标以及输出数据以后的帧的确认。信标中的节点接收数据可以在专用确认阶段中或者通过正常数据帧来确认这个问题。

方面3.节点可以根据所接收的信号质量排列活动信道。当节点希望发送时，它可以根据排列在可用信道上连续执行CCA。一旦发现自由信道，可以开始发送，否则节点可以在重试之前执行随机延迟。益处：即使许多节点被认为是与它们优选的AP相同的AP，通信量也将自动分布在可用AP上。

方面4.当中央单元希望将帧发送至特定节点时，可以通过在节点范围内的任何AP路由该帧。在最简单的情况下，这个可以涉及将其路由通过AP，其中，该单元从该节点最后接收到消息。与它们相对于AP的速度相比，这个方法的精确性仅取决于节点发送消息的频率。益处：因为节点只需通过发送帧就可以自动维护中央单元中的路由表，因此无需路由算法。

方面5.如果由于任何原因AP希望移动至另一信道，则除了物理改变频率之外，所需的唯一动作是相应地改变它的信标时序。范围内的任何节点将其简单地解释为好像一个AP在范围外而另一个AP在范围内，使得该处理对于中央单元和节点来说完全是无缝接合且不可见的。益处：可以在几乎没有吞吐量损失的情况下完成信道选择，使AP能够以非常低的成本离开噪声信道。

方面6.节点在收听信标的同时在所有信道上执行能量测量。这个数据可以列举且添加至发送帧，给出关于彼此以及范围内的任何无关发送器的AP知识。益处：AP能够在其特定的地理位置处智能选择最佳的信道。这样可以动态避免规则和不规则的干扰，使得协议极其实用以及完全非侵入的。

参考图5、图6、图7和图8及其以下对应的描述可以更详细地示出和描述所公开的操作方法、通信节点、通信系统和存储系统。

未确认的帧

在一方面中，可以跳过从节点300发送至接入点140的消息直接确认。相反，确认可以一列节点地址的形式包括在信标中。这个方法可以显著减少总开销，其中，缺点是较大的信标，帧和确认之间的最大延迟等于信标周期，并且节点将不能够比信标频率更频繁地发送。

利用表明节点将以7Hz的最大频率发送的实例需求，任何高于此频率的信标频率将意味着节点能够发送它们想要的全部消息。假设信标频率在20至40H之间是可行的，那么信标周期将介于50和25ms之间。由于要求表明大部分消息应该在100ms内发送，我们发现，为了确认必须等待最多50ms仍然是我们可以接受的。

专用确认阶段

在一方面中，在信标之后的接入阶段期间某处的时间段可以专用于从在先前信标中接收到消息的节点的确认。与它们如果使用CSMA/CA相比，这保证节点能够发送它们的确认。在802.15.4标准下，这可以通过将GTS’分配至接收消息的节点来完成，其中，节点将发送它的确认，并且还可能发送是否具有一个待定的消息。这个的缺点将是GTS’必将在信标周期结束时，这意味着该确认将在最近可能的时间到达。同样该标准提供关于GTS’的大小的有限灵活性，实质上GTS’仅对单个确认而言过大，导致带宽浪费。这个可能的解决方案将是放弃802.15.4标准并且并且在信标之后立即制作GTS’专有解决方案。

信道敏捷性

在一方面中，可以期望使系统相对于信道更加动态并且自我管理，最终目标是将处理的全信道隐藏在协议本身内部。提出了一种解决方案，其中，所有信道将被分配相对于一些全局时序参考的唯一时间偏移。每个接入点将在专用于其指定信道的时序偏移之后发送其信标。

图5是示出了基本信标序列的原理的示意性时序图。

一旦同步至序列，空闲节点将循环通过所有信道，检测来自范围内的全部接入点的信标。图5中的时序图500中呈现了这个的简单示意图，示出了使用七个信道并且它们的信标如何在时间上顺序定位的示例。在这个示意图中，信道1和5处于活动状态，而其余信道未被使用，意味着节点将收听而不是拾取任何信标，并且因此不会在其活动信道列表中包含该信道。它示出了当到达信道7，返回至信道1时序列如何回绕。将引入或破坏这种方法的全局时间参考的介绍是可行的且便利的，因为自动存储器(AutoStore)中使用的现有协议已经具有这种参考，因此仅需要微小调整以重新使用这个功能。现有的同步机构是以从连接至AP的POE供应的中央安全模块分给全部AP的130Hz信号的形式。借助于这种方法，显著减少对路由的需要。节点将自动检测AP何时进入或超出范围，并且相应地调整可利用AP的列表。当节点希望发送时，将信道循环暂停并且锁定到最适于发送的信道上，在此它将使用CSMA/CA发送它的消息，并且如果尝试成功，则等待包含确认的跟随信标。如果CCA失败，如果多于一个信道是可用的，则节点能够立即自由尝试直接接入另一个信道。因此流量负载将自动在可用AP之间传播。

当服务器希望将消息发送至节点时，它将该消息中继通过其中最后从该节点接收到消息的AP。这使得用于服务器的路由表极其简单且可以自我管理。

AP还可以任意改变信道而不必提前告知节点或服务器，节点将简单地假设一个AP在范围外同时另一个AP在范围内，使得该系统极其灵活。

利用这种方法的两个缺陷中的一个在于节点可能在一个信道上发送，同时在不同信道上的信标中接收消息。当节点穿越两个AP之间的界限，并且因此改变认为是其优选发送信道的内容时，这必然会发生。节点还可以简单地移动到发送AP的范围外。为了克服这个问题，最重要的是将全部重新发送责任转移至服务器。因此，没有接收用于消息确认的AP将仅向服务器报告消息失败。然后由服务器以在相同或不同AP上重新发送该消息。每个由于这个效应丢失的数据包使用这种方法可以在正确的信道上差不多直接重新发送，因为在大多数情况下连接至服务器中的节点的信道与第一发送故障同时更新。因为从节点到服务器的消息的数量远远大于相反进行的消息的数量(如表1.1中说明的每秒1-7vs.每三秒0-1)，因此还可以推断节点很可能在服务器尝试首先发送新消息之前在新的信道上发送消息，因此使得不太可能发生该事件。

第二个缺陷在于节点可能在AP已经移动至不同的AP之后的信道上发送。这可以通过使AP将一些信息添加至信道交换即将发生的信标来避免，防止节点发送，或者AP可以简单地接受将发生数据从这个事件丢失。假设信标周期为25-50ms，则节点可以安全地在下一个周期重新发送消息并且仍然良好地在100ms延迟要求内。因而，这个假象可以被认为是给出总体方法提供的益处的可接受的舍弃。

序列号

在这种情形下，与所有已确认的通信一样，看似失败的发送可能由原始消息没有被正确发送而引起，或者由该确认失败所引起，使得仅从发送器的角度来看该发送似乎是不成功的。这最好通过使用序列号进行处理，其中接收器检查该消息是不是先前消息的重新发送。在这种情况下，当节点以先前部分中呈现的无缝方式在AP之间移动时，很明显AP将不能够了解消息是否是重复的。这是因为它接收的任何消息可能之前已经尝试在不同信道上发送。理论上，节点可以在两个AP之间交换每个发送数据包。因此，序列号对包括在协议中毫无意义并且必须通过服务器和在节点上运行的应用添加在较高层上。这生成序列号奏效所需的直接的一对一链接。

寻址

在表1.1中，一般认为该系统应该能够处理250个单独的节点，这意味着一个字节寻址的数字就足够了。然而，这个要求主要与吞吐量相关，而与该系统支持的节点的数量无关。因而，非常期望的是能够寻址超过256个节点。这将确保该解决方案是未来可能的扩展和更改的证据。802.15.4标准在正常通信期间使用16位地址，并且如果需要，可以利用完整标准MAC地址后退至64位地址。即使在这种情况下对64位地址的需要将很可能永远不会引起任何兴趣，但是16位产生应该满足相关系统需求的非常合理的数量的节点。

表1.1：数字系统要求

扩展的校验和另一个可能因素包括对比802.15.4中使用的正常的16位更大的校验和的需要。理由在于具有被破坏的数据包的先前体验认为是真正命令。尽管只有1/65534的几率，但是如果无线电环境是嘈杂的且不是最理想的，发送的消息量甚至使得每年发生多次这种小几率，并且这种事件的后果可以损失惨重。不大可能的是在短时间内利用原有的新协议的这个问题将与这个之前的解决方案一样大，但是从选择安全而不是抱歉的点来说，意味着额外16位校验和的添加被认为是值得开销的。

网络ID

为了使信道循环工作，可能有用的是节点不被无关信标搞乱，该无关信标可以将它们带出序列时序之外。如果两个自动存储设施在彼此的无线电范围内，这可以发生。两个设施的AP将不是伴随的相同的全局时钟并且因此将彼此不同步。搜索信标的节点然后可以处于锁定在错误仓库的序列上的风险。为了克服该问题，可以采用网络ID。这将允许节点滤出它们没有任何兴趣的信标，并且也将允许AP从相邻网络滤出任何数据帧。在正常运行条件下，事件不应该经常发生，因为AP停留在不同信道上，并且很可能还不同步，意味着同步节点将不拾取任何假信标并且没有无关节点将在相邻AP的信道上发送。然而，节点松散同步的时刻并且必须搜索信标即将发生的冲突。

这种方法的一个挑战是节点应该如何首先与网络相关联，因为它们只是通过无线电与该系统进行通信。为了克服此问题，可以将一个特定网络id设置为该节点将与任何网络同步的“无所谓不关心”值，这个值然后将是该协议使用的默认值。然后相当于该应用与具体网络上的服务器联系，请求它们是否应该关联。如果这不是网络id可以添加至黑名单并且迫使该节点进行新的信标扫描的情况。当发现正确网络时，这个网络id应该存储在非易失性存储器中以备将来之用，意味着关联流程仅必须第一次进行节点添加至网络。

广播

除了系统的正常操作之外，可以支持用于广播的特定模式。这个模式可以用于重新编程通过无线电链路的节点。这涉及AP将大程序文件广播至全部节点，在验证该文件之后，引导加载程序注意将其加载到模块上。因为它仅在该系统处于固定和空闲状况时使用，这个模式可以完全与正常操作分开。这个模式还是相对简单的，因为节点可以且应该锁定在一个信道上并且从该AP接收整个文件。因而这个特征的实现方式对于该文章没有任何意义，但是在定协议时必须考虑到这一点，以便在工作完成后获得统一的系统。

完全专有的解决方法可能是合适的，因为这将从头开始构建而不必调整到现有标准，该系统还不必被认为与任何其他系统或模块通信，实际上期望的是使得这种事件尽可能困难以避免错误。使用给出先前描述的策略的802.15.4是可行的，但是得到的协议不一定是最佳的，并且802.15.4提供的许多特征不是必需的并且可能添加不必要的开销。为了使协议的效率最大化，在MAC水平下完全专有的解决方法可以连同802.15.4中描述的PHY水平一起使用。这可以基于大部分无线电SoC支持802.15.4并且根据这个标准中的物理描述建立的事实完成。然而，在很多情况下MAC水平上的功能在软件中部分完成，意味着当需要时开发者可以容易地偏离该标准。

无线电模块

无线电硬件可包括Dresden Elektronik deRFmega 128-22C02。这个模块封装了AtMega128RFA1芯片并且包括RF屏蔽、机载EEPROM、机载晶体振荡器和机载同轴天线连接器。实际上，Atmega的所有引脚都可以在外部访问，使得芯片是即插即用硬件解决方法，同时还允许最大的灵活性。这个模块安装在常规无线电模块上。这个芯片还包含处理AP上的TCP/IP通信并且与存储系统中的车辆上的其余硬件通信的另一个微控制器。

AtMega128RFA1

AtMega128RFA1是包含直接访问无线电模块的动力微处理器的完整的片上系统。无线电模块具有易于使用的控制接口并且数据寄存器可以从软件直接访问。还具有指示所有重要无线电事件的几个专用中断。

收发器

收发器执行IEEE 802.15.4物理层调制方案、信道结构、物理报头、校验和计算和CCA。硬件还提供能量检测和链路质量指示。在MAC级别上，存在用于自动化确认、根据标准的CSMA/CA发送和重传以及自动化地址过滤的专用模式。其他硬件加速器包括AES 128位密码学、真随机数生成器以及高于802.15.4标准中支持的PSDU速率。支持500kb/s、1Mb/s和2Mb/s。

总之，芯片可以轻松实现直接构建的任何协议802.15.4标准，但是收发器的可控级别允许用户在需要时偏离标准。其中，SFD通过专用寄存器访问，允许无线电将其帧与最低可能的“预调制”水平上的802.15.4帧区分。

Mac符号计数器

802.15.4意味着使用符号计数器保持协议的时序，这个计数器应该能够在帧的计划接收之前环形收发器，并且能够精确执行如在该标准中规定的GTS和CSMA/CA补偿时隙。在atmega128RFA1中，这个计数器包含三个独立的比较器、以及专用补偿时隙计数器以及当使用802.15.4符合帧时的自动化信标时间戳的可能性。

RSSI和能量检测

当在任何接收模式下时，该芯片将利用当前的RSSI持续更新寄存器。这是对信道上的当前能量水平的测量，无论信号是否可被解码。然后可以直接读取该值或者反而可以使用更精确的能量检测寄存器。能量检测是硬件驱动的，并且计算超过8个符号的平均RSSI。然后通过中断发信号来完成这个流程。除了手动能量检测之外，根据有效SHR的接收始终自动开始，意味着一旦已经完全接收到帧，则ED寄存器将包含被接收的物理信号强度的指示。

最终的协议原理

按照先前提出的要求和讨论，提出了满足该协议的可能期望的性质的列表：

-以设定频率发送信标，其中信道之间的时间偏差等于一个这种信标的长度。

-全局时间参考用于全部AP，并且随后节点与之同步。

-节点扫描所有信道，除非它正在忙着发送否则接收全部信标。

-使用CSMA/CA在信标周期的接入窗口中发送数据帧。

-一个信道上的故障的CCA导致节点尝试接入其他可用信道。

-按照以下信标中的节点地址的列表发送数据帧的确认。

-专用确认阶段直接跟随由接收消息的节点使用的每个信标。

-在协议分级上没有重新发送，全部故障的发送被报告回至该应用。

-必要时，测量信道质量和信道变化。全部隐藏在协议内。

-广播方式允许AP将较大文件传送至全部连接节点。

-节点的16位寻址，AP仅由它们的信道识别。

-网络ID允许多个设施在近距离内。

-共计32位校验和。

-专门的帧标头使开销最小化。

图6中示出了基于这个特征列表的来自图5的信标序列的修改版本，图6包括示出了信道之间的时间偏差的原理的示意性时序图600。

专用确认阶段的添加将稍微收缩数据阶段，但是假定确认将以其他方式在接入窗口内发送，这在总体吞吐量上将完全无效。每个活动信道的总共接入窗口将等于减去2乘以一个子周期的长度的可用信道的数量。在正常情况下，802.15.4物理定义使用处于2.4GHz频带中的16个信道。这意味着该信道当时可用于14/16的发送，同时最后的2/16由信标和确认阶段占用。

因为信标应该遵循精确的时序，因此当它们被认为发送时它们始终在发送是必需的，这意味着在这个发送之前进行CCA中不使用。在某些方面中，缺乏冲突避免测量可以在该区域导致其他网络的问题，Wi-Fi等，但是假设总共可用带宽在2.4GHz频带中，则合理的假设是该协议将能够找出没有与其他系统共享的信道。因此，直接发送不应该造成任何问题。如果存在碰撞，这个协议的最坏情况情形是节点不能解码信标，导致它们相信AP已经在范围外。这可以触发数据包丢失。还是这个事件，只要发生得不太频繁，将仅导致吞吐量的暂时减小。为了使确认阶段的效率最大化，理想的是将其分为其中节点直接发送它们的确认帧的专用时隙。我们需要多少时隙取决于我们放入一个信标中多少消息并且随后将进行进一步讨论。

最终的协议定义

在偏离802.15.4标准的实现方式中，必须定义常规标头和帧结构。帧标头

该协议可以利用表2.1中总结的四个不同的帧类型：

表2.1：帧描述。

可以使用标头中的两个位字段表示四个不同的帧类型。似乎不太可能需要更多帧类型，因为使用的类型非常一般并且很可能在大多数未来情形中是可再用的。

标头中的下一字段应该是网络id。多于两三个单独设施在彼此的范围内不太可能。然而，利用非常大的设施，将越来越实际的将其分为多个物理网格，因此极有可能单个设施包括多个单独网格的情况。在这种情况下，可以假设2-6个或甚至更多个网格在彼此的范围内，即使它们实际上是相同的总体设施的一部分。一些网络ID也应该留作特殊用途，其中，全部接收者都接受“无所谓”值。总之不可能存在对多于8个不同的ID的需要，意味着四个位，给出16个不同的ID应该是优选选择。

总之产生6位标头，以便使其成为完整字节，在末尾添加两个额外位。这些位然后可用于未来扩展或帧特定特征。例如，关于信道管理特征。在表2.2中看到全标头：

表2.2：帧标头定义。

帧布局

示例性芯片atmega128RFA1根据802.15.4标准支持硬件从动校验和生成和验证。在802.15.5中还定义了在发送期间还需要帧缓冲器中的第一字节作为PHR。这个字节包括帧长度和一个位以表示该帧是否遵从802.15.4标准。如在表2.3中看到的帧布局，帧缓冲器总共是128个字节长。当减去校验和以及其他开销时，然后一般帧的可用有效载荷最大为122个字节。有效载荷有多大取决于不同的帧类型采用的额外开销的类型并且在以下中进行了更加彻底的定义。

表2.3：全帧布局、括号中的值在发送和接收期间对于软件是不可见的。数据帧

数据帧由节点使用接入窗口中的CSMA/CA发送至AP，因为只有一个AP将在给定信道上收听，该信道无需任何目标地址，但是它必须包括发送节点的ID。还在数据的列表开始之前添加数据字节的数量。总之，这给出了在表2.4中看到的布局，并且如在此看到的，这允许119个字节的有效载荷。

表2.4：全数据帧布局。

确认帧

确认帧可以在确认阶段期间在专用时隙中由节点发送。在没有任何信道感测的情况下直接发送，以便保持精确时序。这个帧仅需要包含发送节点的ID，这是AP需要确认发给特定节点的消息被成功接收的全部内容。为了将该帧保持为尽可能如额外校验和跳过的一样小，仅留下16位硬件从动校验和。因为与信标和数据帧相比这个帧的破坏是完全不加批判的，因此这可以完成。AP仅将寻找实际上确实在先前信标中寻址的节点ID，意味着即使校验和正好是正确的，AP也不太可能接受具有随机ID的被破坏的帧。因此，节点ID本身有效地用作校验和。总之，这给出了表2.5中示出的帧布局。

表2.5：全确认帧布局。

信标帧

该信标可以包含在先前接入窗口中接收到的数据帧的确认列表、以及发给不同节点的不同数量的消息。为了优化协议的功能，最合理的方法可以是首先添加确认列表，然后添加与存在空间一样多的消息。这意味着在高通信量的情况下，首先遭受“AP至节点”吞吐量，这将导致节点不像它们应该接收命令一样频繁，这将再次导致节点更频繁地处于空闲，因此生成较少通信量“节点至AP”。因此通信流量是自动调节的。

为了使节点利用不同项目数正确解释该信标，需要信标标头。这应该包含该列表中的确认数量和随后消息的数量。这还将使其易于使节点不期望确认直接跳至消息列表。

表2.6：信标标头定义。

表2.7：信标帧布局。

表2.8：从信标周期减少的总时序开销。

确认列表

接入窗口越长，可能发送的数据帧越多，并且必须放入信标中的确认越多。在表2.9中，假设全部发送的消息包含8个字节有效载荷，则计算每个接入窗口的消息的绝对最大理论数量。然而，由于CSMA/CA的随机本质，这个数量是高度理论的。当制定字段的尺寸时，它还可以用作指示器。我们知道，在30Hz的信标频率下，数据帧的最大理论数量为33并且在25Hz下，该数量增加至40个帧。

表2.9：不同信标频率的时序和信标计算。

另一个因素是信标的最大大小。利用占用两个字节的每个确认，32个确认的列表将占用64个字节。从表2.9可以找出可用于整个信标阶段的符号的数量，并且考虑到这些符号的重要部分将用于开销并且在节点和AP之间同步，可以假设信标频率必须远低于30Hz，因此能够放入多于64个字节或真实数据。

基于此，显而易见的是，在任何实际情况下，需要五个位表示列表长度的最多32个确认应该是充足的。

消息列表

消息的最大数量必须以与确认的数量的类似方式评估。在此，必须考虑两个问题。首先，该承认阶段必须能够放入等于最大允许数量的消息的确认的数量。如表2.5中说明的，一个确认帧包含除了如表2.3中示出的组成另外五个字节的物理标头之外的五个字节的数据。总之，这意味着确认帧需要20个符号充分发送，除了这个确认时隙必须允许一些偏移之外，意味着最少25个符号应该用作任何计算的基础。如在表2.9中看到的，每个子周期将是具有30Hz信标频率长的130个符号。这可以允许五个确认。

其次，消息的最大数量必须放入信标帧中。每个消息将由节点ID、表示数据量的参数及其数据本身表示。使用表1.1中说明的要求，利用8个字节的平均消息大小，这意味着每个消息有11个字节。除了这个要求之外，说明了来自AP的输入和输出消息之间的比值将在3/1和21/1之间的某处。意味着每个输出消息可以被假设为伴有用于输入信息的至少三个承认。总之，这意味着来自AP的一个输出消息可以假设在信标中平均占用至少17个字节，并且在很多情况下，更多是因为更高数量的确认。

基于上述两个局限性，消息列表被设置为最多三个，使得列表长度可以仅利用两个位编码。这个给出了可以在随后阶段采用的一个额外保留位的信标标头。

消息唯一性

因此，该协议被设计成没有什么防止AP将发给相同节点的多个消息添加至单个信标。然而，将需要节点和AP能够处理上述消息的确认，添加不必要的复杂性。对多个同时发送的需要在使用该协议的情况下从未发生，并且通常假设在将它们添加至缓冲器之前该应用将连接消息，因为这样将节省合理的开销量。因而，简单规则被添加至协议定义，没有信标应该每个节点包含多于一个消息，并且任何广播消息应该是其信标内的唯一消息。这个限制意味着AP必须过滤消息以防止任何碰撞，但是该节点将不必在多于一个确认发送期间唤醒。

全信标标头

在表2.6中可以看出最终的信标标头。在表2.7中可以看到全信标帧。在此，变量a表示添加的确认的数量，m为消息的数量并且k_i为消息i中包含的数据字节的数量。

总和不可以增长到大于当前信标频率的最大信标大小。以下将进一步讨论该最大信标大小。

信标大小

信标帧通过信标频率在大小方面受限制。在表2.9中，可以看到不同频率下的信标周期的符号长度。该计算是基于62500 802.15.4符号每秒。一个这种符号表示四个位，意味着一个字节需要两个符号。

信道交换

图7是示出了信标发送的阶段的原理的示意性时序图。在图7中，示出了信标发送和连接阶段的草图。为了使节点准备接收信标，该节点必须在AP开始其发送之前调节新的信道。采用的时间必须从信标发送可用的时间减去。

收发器停留在新的信道上所需的时间可以是最多24μs。中断上的延迟表示为最多9μs。因为节点上的信道交换作为中断开始，可以估计的是所需的总时间为9+24μs+需要开始交换的计算时间。利用16μs的符号长度，这等于最小的2.1个符号。然后将其凑成3个符号将是合理的。

AP偏移

其次，在AP之间可能存在一段时间偏移的空间，它不可以被认为AP是完全同步的，随时降至单个符号。利用时序缓冲器，原地的两个AP可以在不导致任何问题的情况下偏移得如缓冲器的大小一样远。如果它们进一步偏移远离在节点调整至信道之前太早触发危险触发的AP，因此节点将不能够接收信标，并且随后没有节点将在该信道上发送，因为它们假设AP在范围外或已离线。这个缓冲器的大小仅取决于AP同步的精确性，意味着它很难提前估计。长度为10的缓冲器将允许AP在任何方向上从准确时间或80μs偏离5个符号。如果可以使同步远远好于此，则可以在随后阶段调整该值以允许更大的信标。

翻译

最后节点必须能够在下一个信标触发之前完成该信标的翻译，否则信标触发将延迟并且节点风险不同步，结果是断开。这个周期的长度在理论上将难以估计，并且最佳方式很可能是设置“最坏情况”的测试程序并且找出开始出故障的转折点。

开销

一旦不包括空中发送的部分被减去，则具有评估实际开销。如在表2.3中看到的，一般帧具有11个字节的开销。添加信标标头使得其成为12个字节、或24个符号。

应注意，并不是所有这个开销都位于帧的前部，因为它最后还包括校验和和FCS。当尺寸时序在程序本身中可变和不变时，必须考虑到这一点。合成大小

在表2.8中，根据图2.3中的阶段总结围绕每个信标的时序开销。翻译所需的时间最初被设置为10并且应该随后测试以找出最佳值。

校验和

常规校验和无需具有误差校正能力，因为大部分被破坏的帧一般将具有较大程度的破坏。因此使用帧中的全部字节的简单XOR。利用两个字节校验和，第一个是全部奇数索引字节的XOR同时第二个是全部偶数索引字节的XOR。如果帧仅包含一个字节的有效载荷，则第二个字节应该保持它的初始值零。应注意，PHR不包括在校验和中，因为当接收到帧时，这个字节没有插入帧缓冲器中。因而要包括在校验和中的第一个字节是常规帧标头。

同步

可以采用全局时序参考以维持接入点之间的精确的时序要求。这个信号的频率不必超过信标频率。因而，现有130Hz是不可用的。为简单起见，可以限定同步信号应该为1Hz。

功能描述

在图8中，示出了通信序列的四个实例。四个实例8(a)、8(b)、8(c)和8(d)是节点的发送和接收的示意图。

在图8的(a)中，示出了简单的接收。该节点接收信道5上的信标内的消息并且坚持锁定至整个随后确认阶段的信道以发送它的确认。

在图8的(b)中，节点尝试接入用于发送的信道1并且直接增加接入。如看到的，该节点不能够接收信道5上的信标，因为该信标此时正在信道1上发送。这将仅提出在信道5上接收的信标是否包含用于节点的消息、或广播的问题。然而，如早期讨论的，因此节点丢失直接编制消息的几率足够小，因为这是可接受的代价。在图8的(c)中，节点使信道1上的CCA出故障，并且在此时间点，信道5被信标和确认阶段阻断。此后，该节点执行随机超时并且在随后阶段重试其发送。在图8的(d)中，该节点改变信道的排列并且尝试首先在信道5上发送，失败了，但是因为在此直接重试的信道1目前是可用的，成功了。应注意，正如在图8的(b)中，这使得节点错过信道5上的信标。

本发明已经通过具体实例在本公开内容中进行描述。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种在无线通信网络中的通信节点(300)的操作方法，其中，所述节点(300)经由至少一个接入点(140)与中央通信单元(150)进行通信，所述操作方法包括：

-在所述节点(300)处从所述接入点(140)接收(420)无线信号；

-由所述节点基于所接收的无线信号来确定(430)信道质量信息；

-由所述节点确定(440)根据所确定的信道质量而排列的活动信道的顺序；并且

-由所述节点根据所确定的顺序来选择(450)用于发送所述无线信号的活动信道，并且

-由所述节点在所选择的活动信道上发送(460)所述无线信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述无线通信网络是基于信标使能的载波侦听多路访问的网络。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

由所述节点在所述所选择的活动信道上发送无线信号的步骤(460)包括使用载波侦听多路访问/冲突避免来发送消息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，进一步包括：

由所述节点(300)对通过从所述接入点接收信标数据提供的信标时序信息进行锁定。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

由所述节点(300)根据时隙模式通过所述信道进行迭代。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，进一步包括：

在信标发送模式和在收听模式下操作所述接入点(140)，在所述信标发送模式下，所述接入点(140)将无线信标数据发送至所述节点(300)，在所述收听模式下，所述接入点(140)将从所述节点(300)接收的数据中继至所述中央通信单元(150)。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中，所述节点(300)和所述接入点(140)由公共时钟信号同步。

8.一种在无线通信网络中进行操作的通信节点(300)，所述网络包括所述节点(300)、中央通信单元(150)和至少一个接入点(140)，所述节点(300)被配置为：

-从所述接入点(140)接收(420)无线信号；

-基于所接收的无线信号确定(430)信道质量信息；

-确定(440)根据所确定的信道质量排列的活动信道的顺序；并且

-根据所确定的顺序选择(450)用于发送无线信号的活动信道，并且

-由所述节点在所选择的活动信道上发送无线信号。

9.根据权利要求8所述的节点(300)，其中，所述无线通信网络是基于信标使能的载波侦听多路访问的网络。

10.根据权利要求9所述的节点(300)，进一步被配置为在所选择的活动信道上的所述活动信道上发送无线信号的步骤(460)中，使用载波侦听多路访问/冲突避免来发送消息。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的节点(300)，进一步被配置为：

对在通过从所述接入点(140)接收信标数据提供的信标时序信息进行锁定。

12.根据权利要求11所述的节点(300)，进一步被配置为：

根据时隙模式通过所述信道进行迭代。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的节点(300)，其中，所述接入点(140)被配置为在信标发送节点和收听模式下进行操作，在所述信标发送节点中，所述接入点(140)被配置为将无线信标数据发送至所述节点，在所述收听模式下，所述接入点(140)将从所述节点接收的数据中继至所述中央通信单元(150)。

14.根据权利要求13所述的节点(300)，

其中，所述节点(300)和所述接入点(140)由公共时钟信号同步。

15.一种无线通信系统，

包括中央通信单元(150)、至少一个接入点(140)和根据权利要求8至14中任一项所述的至少一个通信节点(300)。

16.一种存储系统(100)，包括：

-三维存储网格结构(110)，包含以垂直堆叠方式堆叠的多个箱子；

-支撑轨道(120)，在所述网格结构(110)上；以及

-多个车辆(130)，布置为沿着所述网格结构(110)上的轨道(120)移动；每个所述车辆(130)被配置为经由至少一个接入点(140)与中央通信单元(150)进行通信，

每个所述车辆(130)包括根据权利要求8至14中任一项所述的通信节点(300)。