用于工业应用的专用无线网络布置制造技术

基于通过IEEE 802.11标准定义的参数的用于工业环境的特定应用的无线通信网络，通过提供对所分配的运行频带的软件定义的控制以及对信道大小的软件定义的控制进行修改，从而允许信道大小相对较小以适于特定工业应用。特定应用的无线通信网络还控制通过该标准定义的其他参数，以将至少最佳的发送器功率、接收器灵敏度、传输延迟和ACK重传配置为适于特定工业应用的值。业应用的值。业应用的值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于工业应用的专用无线网络布置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2018年7月20日提交的美国临时专利申请号62/701,202的权益，并通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及非常适于工业应用的专用无线通信布置，更具体地，涉及用于修改标准IEEE 802.11协议的特定应用的、软件定义的运行参数，以满足特定环境的需求。

技术介绍

[0004]对最佳无线连接性有多种需求集合。已经开发了许多技术来优化特定的标准集合(例如，距离、功率、速度)。图1示出了主要无线技术中的每种技术的示例性优选使用。比较容易理解的是，每个无线设备/应用在数据吞吐量、延迟、距离、移动性、功率等方面都有其自身的要求。显然，没有单一的技术能够满足所有不同的用例。
[0005]在回顾图1时，很明显，对于无许可证的高速无线LAN(WLAN)类别，无处不在的Wi-Fi(基于IEEE 802.11标准)是无可争议的选择。蓝牙和IEEE802.15.4的一些变体正被考虑用于短距离、低数据速率应用，而LoRA、SIGFOX和NB-IOT则被讨论为用于极长距离、低功率、低吞吐量传感器连接应用的竞争者。当前研究和开发的领域与工业物联网(IIoT)的各种无线连接选项相关联。尽管有各种定义的主题，但“物联网”(IoT)通常与以下主题相关联，即一个“智能”设备能够在无需人工干预情况下与另一“智能”设备通信(即机器对机器(M2M))。无论环境可能有多复杂，智能物品都越来越能够根据其当前环境调整其响应。“工业”物联网(IIoT)被认为是物联网中的专用的但多产的部分，其主要集中在传感器、计算机和智能设备需要一起运行的制造/工业环境中的M2M。LTE和5G公共网络由于其易于访问，而越来越多地被认为是IIoT应用的候选。但是，这些公共蜂窝网络没有提供必要的性价比。也就是说，由于公共网络在设计上是在大量用户之间共享的，因此公共网络展现出相对较低的速度、较低的QoS和较高的延迟，并且在大多数情况下仅在每月高额的定期费用的情况下可用。
[0006]因此，存在对于满足与IIoT相关联的各种应用/环境的多种需求的无线通信架构的需求。

技术实现思路

[0007]现有技术中存在的需求由本专利技术解决，本专利技术涉及非常适于工业应用(诸如IIoT)的专用无线通信布置，并且更具体地，涉及通过修改标准IEEE802.11协议(通常用于实现各种WiFi用途)而提供的特定应用的、软件定义的运行参数的实现，以满足特定环境的需求。
[0008]根据本专利技术的原理，已经认识到，用于无线通信的各种工业应用可能不是通过具有越来越高的速度(当前扩展超过1Gbit速率)和大小相对较大的信道的无处不在的WiFi性能驱动器来最佳地服务的。相反，工业应用倾向于优先考虑诸如传输距离(大约多个公里，
802.11运行参数以对就特定工业应用而言的性能进行优化，其中可用于修改的IEEE802.11运行参数组至少包括：传输功率、接收器灵敏度、网络架构、通信范围和ACK定时窗口。在控制站处包括配置有MIMO的天线布置。相应地，至少一个工业设备还包括用于与控制站的适当传输的MIMO天线配置。至少一个工业设备还包括：MIMO收发器，其利用软件定义的控制来匹配控制站MIMO收发器的特性；处理器，其对MIMO收发器接收到的信号作出响应以确定与工业设备相关联的命令；以及控制单元(响应于处理器)，其用于启动至少一个工业设备的活动并接收由工业设备响应于所述命令而收集的数据，其中，该工业设备的MIMO收发器还被配置成将所收集的数据发送至控制站。
[0015]本专利技术的另一示例性实施方式采取基于标准IEEE 802.11协议为由相关运行参数集合的配置文件定义的特定工业应用提供私有无线通信网络的方法。该方法包括：将标准WiFi运行频带移频到100MHz至100GHz范围内的目标频带，将该目标频带确认为特定工业应用所优选的；将信道大小从IEEE 802.11中定义的标准20/40/80/160MHz大小减小到足以支持特定工业应用的数据吞吐量的预确定值；以及自定义与特定工业应用相关联的相关运行参数的配置文件，从IEEE 802.11参数组中选择相关运行参数集合，该IEEE 802.11参数组包括：延迟、双向控制协议、视频传输速率、传输功率、接收器灵敏度、网络架构、通信范围、ACK定时窗口。
[0016]在下面的讨论过程中并通过参考随附附图，本专利技术的其他和另外的方面和优点将变得显而易见。
附图说明
[0017]现在将参考附图，
[0018]图1是各种无线通信服务产品的描绘，其绘制为数据范围与信号范围的函数；
[0019]图2示出了传统的现有技术的2x2 MIMO架构；
[0020]图3示出了根据本专利技术的BII的示例性运行范围，其跨越100mhz到100GHz(例如)，如软件定义的信道分配和相关参数所允许的；以及
[0021]图4是本专利技术的示例性特定应用的BII系统的框图，在此特定示例中，该系统特别地被配置用于工业应用，诸如控制无人飞行载具(UAV/无人机)，其基于使用软件定义的前端子系统模块将标准RF调制解调器的输出频移到另一运行频带；
[0022]图5是特定应用的BII系统的替代实施方式的框图，在这种情况下，使用计算机控制的“特殊频带”收发器来提供软件定义的运行频带频率选择和信道大小，利用IEEE 802.11的MIMO和COFDM属性来在系统中节点之间配置可靠连接；
[0023]图6是本专利技术的又一实施方式的框图，在该情况下，将处理能力并入具有特殊频带收发器的通用模块内，以创建完全集成的替代方案；
[0024]图7是示出利用节点之间的跳跃来扩展根据本专利技术形成的示例性特定应用的私有网络的通信范围的简化图；以及
[0025]图8是示出对在根据本专利技术形成的特定应用的通信网络中使用的示例性控制站与工业设备(例如，无人载具、机器人设备等)之间的上行链路信道和下行链路信道中的频率多样性的利用的简化图。
具体实施方式
[0026]本专利技术的无线、宽带WAN技术利用无处不在的Wi-Fi的最先进的多输入多输出(MIMO)性能，并将其扩展到用于任何期望的频带，从而为在特定工业环境中要求可靠性和高吞吐量的应用提供经济高效的解决方案以实施私有无线网(例如，在相对长的距离(kms)内或在诸如具有多个无线电干扰源的仓库等之类的噪声位置处可靠地运行)。本专利技术的无线技术在下文中称为“用于工业互联网的宽带”，或简称为BII。
[0027]在其核心，BII使用与用于无线通信的IEEE 802.11标准相同的MIMO/COFDM技术。“MIMO”是指“多输入/多输出”，其利用单个发送器经由多个发送天线发送多个无线信号。相关联的接收器也利用多个天线元件，其中该组合允许通过利用多径传播在相同的无线信道上同时发送和接收多于一个数据信号。图2示出了2x2 MIMO配置。与此多信号MIMO布置耦合的是优选使用编码正交频分复用(COFDM)作为在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种无线通信系统，包括：控制站，所述控制站包括：用于与用户交互的通信接口；MIMO收发器，所述控制站的MIMO收发器利用软件定义的控制来提供为特定工业应用所选择的特定应用的运行频带和特定应用的信道大小，所述控制站的MIMO收发器还被配置成修改所选择的IEEE 802.11运行参数以对就特定工业应用而言的性能进行优化，能够用于修改的IEEE 802.11运行参数组至少包括：传输功率、接收器灵敏度、网络架构、通信范围、ACK定时窗口；以及耦接到所述MIMO收发器的MIMO天线配置；以及至少一个工业设备，所述至少一个工业设备包括：MIMO天线配置；MIMO收发器，所述工业设备的MIMO收发器利用软件定义的控制来匹配所述控制站的MIMO收发器的特性；处理器，所述处理器响应于通过所述工业设备的MIMO收发器接收到的信号以确定与所述工业设备相关联的命令；以及响应于所述处理器的控制单元，所述控制单元响应于所述处理器，以用于响应于所述命令而启动所述至少一个工业设备的活动并接收通过所述工业设备收集的数据，其中，所述工业设备的MIMO收发器还被配置成将所收集的数据发送到所述控制站。2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述能够用于修改的IEEE 802.11运行参数组还包括：延迟、双向控制协议、视频传输速率。3.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述至少一个工业设备还包括外围组件，所述外围组件响应于来自所述控制单元的指令而捕获请求的数据以传输到所述控制站。4.根据权利要求3所述的无线通信系统，其中，所述外围组件包括视频相机。5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其中，所述外围组件包括多个传感器。6.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述控制站的收发器包括耦接至RF调制解调器的前端子系统，所述前端子系统提供所述RF调制解调器输出的频带偏移。7.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述控制站的收发器包括在软件定义的指定频带处运行的特殊频带收发器，所述特殊频带收发器耦接至相关联的处理设备以提供对所述指定频带的软件定义的信道大小控制。8.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述控制站的收发器包括集成的智能无线电模块，所述集成的智能无线电模块包括处理功能和收发功能。9.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述软件定义的信道大小被配置为在介于约1.25GHz至40GHz的范围内的选择值，对信道大小的选择是基于特定工业应用来确定的。10.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述软件定义的运行频带是选自特殊频带组的，所述特殊频带组至少包括：900MHz ISM频带、3.5GHz CBRS频带和TVWS频带。11.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述控制站和所述至少一个工业设备以MIMO拓扑的方式配置并且利用COFDM编码进行信号传输。
12.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述控制站与所述至少一个工业设备之间的上行链路信道被配置为URLLC信道，以保持在命令和控制信号的传输中的低延迟。13.根据权利要求12所述的无线通信系统，其中，将在IEEE 802.11的标准下配置的帧的所选参数禁用以实现URLLC。14.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述至少一个工业设备包括无人载具。15.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述至少一个工业设备包括机器人设备。16.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述至少一个工业设备包括多个工业设备，所有工业设备在相同的特定应用的频带内运行，并且使用相同的信道大小。17.一种控制站，所述控制站用于经由特定应用的运行频带和特定应用的信道大小而在私有无线通信网络中提供与多个工业设备的通信，所述控制站包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼梅什，
申请(专利权)人：涂鸦实验室新加坡私人有限公司，
类型：发明
国别省市：