用于在网络数据包的传送中避免冲突的方法技术

用于在以太网或串行通信模式中操作的通信网络上发送数据的系统，其中以太网或串行电缆通过空中无线电链路发送的无线电来替换。该系统包括计算机处理器，接收数据并将该数据组装为较小的OTA数据包用于跨域链路递送，以及操作协议，该协议提供了通过空中链路的相对侧上的无线电以重叠方式发送的OTA数据包的冲突避免。在优选模式中，该系统在902

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在网络数据包的传送中避免冲突的方法
[0001]申请人要求于2019年2月12日提交的题为COLLISION AVOIDANCE FOR NETWORK PACKETS的美国临时申请62/804,700的权益，其内容通过引用完整并入本文。

技术介绍

[0002]消除设备或设备与互联网之间的以太网电缆并通过无线连接替换有线连接的问题在许多年前就已经解决了。建立协议以允许许多设备无线连接到单个接入点，并且无线带宽速度急剧地增加。基于802.11协议，无线以太网或WiFi已成为连接各种不同的电子设备(包括但不限于家用电器、照明系统和安全设备)的标准手段，以便从任何地方提供连通性。
[0003]802.11协议还包括用于将两个有线网络连接在一起的桥接协议。这由两个彼此直接连接的接入点构成，其中一个接入点充当在其有线或无线局域网(WLAN)上所有设备的网关，并通过与具有外部世界的直接连接的另一个接入点提供与互联网的连接。然而，这些系统具有范围限制。
[0004]随着802.11数据速率的增加，使用更复杂的调制方案来利用更大的频谱带宽。这些高级调制方案在频谱内提供了更高的数据密度。然而，随着这些方案变得更加高级，无论数据速率如何，这些方案仍然从根本上需求特定数量的带宽和能量来发送数据的比特。该每比特能量，或E
b
/N0，是无线信号能到达多远的物理限制。发送器投入越多的能量来发送单个比特，发送器可以发送该比特的距离就越远。
[0005]通常，随着数据速率的增加，E
b
/N0减小，因为当数据的下一个比特正好在它后面到来时，发送数据的一个比特的时间更少。高级调制方案可以提供更好的E
b
/N0值，但最主要的限制是带宽和发送功率。如果发送功率增加，则用于发送每个比特的能量的量增加。如果带宽增加并且比特的传输在更宽的频谱上扩展，则用于发送每个比特的能量的量增加。然而，FCC和世界各地的其他机构对可以发送的内容进行管制，并对带宽和发送功率进行限制。
[0006]因此，如果设备由于其输出功率和带宽受到管制机构的限制而需要在更长的距离上发送数据(即，具有增加的范围)，那么增加范围的唯一方式是降低数据速率，如果发送功率和带宽保持恒定，则数据速率将增加E
b
/N0。不同的原理，但这一概念的延伸，是减少数据速率和带宽。在接收侧上，如果接收器被设计为接收非常窄的信号，则接收器可以采用非常窄的滤波器来拒绝包括热噪声在内的所有其他噪声。接收器的灵敏度取决于该信号高于噪声基底的程度，或C/N比。必要的C/N比是调制的函数，但是噪声水平或C/N比中的N是接收器看到的带宽的函数。带宽越宽，热噪声基底越高，由公式10
×
log10(k
×
T
×
B)定义，其中：
[0007]k＝玻耳兹曼常数
[0008]T＝温度
[0009]B＝接收滤波器的带宽
[0010]因此，在给定恒定的发送功率电平和调制方案的情况下，带宽越高，接收器的灵敏度越低，链路的范围越短。
[0011]可以采用更复杂的调制方案，提供处理增益以从噪声基底提取信号和在噪声基底
以下提取信号，但这些方案通常会降低有效数据速率并使发送侧和接收侧上的实施方式复杂化，从而添加实施方式的尺寸、重量、功率和成本。
[0012]鉴于各种规章和功能限制，如果链路所能到达的范围要急剧地增加，唯一可行的选项是降低数据速率。这与WiFi协议的当前发展相反，其中在相同或可能更小的范围内，更高的带宽是优选的。
[0013]虽然在WiFi协议中支持降低更长范围链路的数据速率，但即使是最低的数据速率也使用扩展到至少5MHz的更宽的带宽，这在频谱上不如其他调制有效。在最低数据速率为1Mbps的情况下，速率仍然高于一些小型连接设备的实际需要。此外，802.11协议添加了影响实际数据速率吞吐量的大量协议开销。虽然这并不像数据速率增加那样重要，但随着空中(无线)数据速率的降低，它变得更加明显，并不利于数据传送。
[0014]尽管WiFi被广泛采用，并且在典型的WiFi组件中可以看到高容量，但WiFi链路通常具有更高的成本，因为1)调制方案的复杂性需要额外的硅(芯片)来实现，2)运行WiFi和TCP/IP网络协议需要额外的内存和CPU能量，以及3)尽管有发送功率和带宽限制，但仍需要更昂贵的RF前端和天线方案来尝试增加范围。
[0015]因此，需要提供一种替换的无线链路，具有比用于连接低速以太网设备的802.11协议的当前实施方式可用的更高的范围。具体来说，需要一个无线以太网桥接或电缆替换链路，提供在很远的范围内操作的能力，诸如与几百英尺相比的英里。

技术实现思路

[0016]本文公开的系统的目的是解决上述问题以及在尝试提供发送与接收设备之间的远程无线通信时出现的其他问题。具体地说，这里阐述的实施例的目的是为低带宽以太网设备提供远程无线链路，而不添加消耗可用无线带宽的开销数据。
[0017]在下面的详细描述中阐述了所公开的系统的附加目的、优点和新颖特征，并且本领域技术人员在阅读下面的描述和/或实现所公开的实施例时将理解所公开的系统的附加目的、优点和新颖特征。
[0018]为了实现这些陈述和其他目的，优选的实施例是配对的窄带发送器和接收器(收发器对)，通过采用低数据速率和窄带宽来获得其长范围。该收发器对直接连接到以太网，并用作电缆替换，无线和直接连接两个以太网端口。所描述的系统还具有接收和响应被称为个人助理的设备的能力，诸如Google Home或Assistant和Apple
’
s Siri或HomePod、Amazons Echo或Alexa以及其他语音激活的通信和控制设备。
[0019]在最优选的实施例中，为了获得更大的范围，用于部署在美国和北美的收发器对将在902
‑
928MHz ISM频带中操作。优选的实施例还包括防止收发器对的发送和接收组件之间发送的数据冲突的算法和协议。该系统还可以感知它是如何布线的，并将运行适当的软件来支持以太网或RS485串行数据。
附图说明
[0020]附图示出了结合本专利技术的特征的实施例，并且是说明书的一部分。与下面的描述一起，附图演示并解释了结合本专利技术的特征的实施例的原理。
[0021]图1是示出利用结合本专利技术的特征的无线系统替换以太网电缆的优选的实施例的
框图。
[0022]图2是示出用于图1的无线信号传输部分的跳跃序列的总体帧结构的示意图，示出用于递送的多个数据的数据包。
[0023]图3是示出图2的跳跃序列的每一个跳跃内的组件的示例的示意图。
[0024]图4示出结合本专利技术的特征的典型以太网数据包，该数据包被分解为较小的空中(OTA)数据包，然后在接收端上重新组合为完整的以太网数据包。
[0025]图5示意性地示出结合本专利技术的特征的示例，其中双方在没有发生冲突的情况下发送数据。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于在数据通信网络中发送以太网数据的系统，包括：消除一个或多个电缆连接并通过匹配的第一和第二无线电对之间的空中链路替换一个或多个所述电缆连接，所述无线电对中的每一个无线电具有与所述无线电连接的天线，匹配对中的所述第一和第二无线电中的一个无线电和与所述无线电连接的所述天线被配置为用作接收器，并且所述匹配对中的所述第一和第二无线电中的另一个无线电被配置为用作发送器，或者所述匹配对中的所述第一和第二无线电中的每一个无线电被配置为交替用作发送器和接收器，所述无线电在300
‑
3,000MHz之间的频率处操作，所述系统还包括a.第一和第二以太网接口，以及b.第一和第二以太网控制器，将以太网数据的数据包递送到连接到所述第一和第二以太网控制器的CPU，所述CPU控制所述空中无线电链路和与每一个无线电通信的天线的功能，所述CPU组装以太网数据的数据包用于跨越所述空中链路(OTA数据包)的传输，并确认接收到接收的组装的OTA数据包。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述无线电在902
‑
928MHzISM频带中操作。3.根据权利要求2所述的系统，其中，通过所述空中链路发送的所述OTA数据包在大于的距离处是能接收的。4.根据权利要求3所述的系统，其中，通过所述空中链路发送的所述OTA数据包在超过2英里的距离处是能接收的。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述以太网数据被划分为一个或多个OTA数据包，所述一个或多个OTA数据包的每一个都包括数据部分并且可选地包括报头部分。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述CPU包括用于由所述第一和第二无线电以重叠方式发送的OTA数据包的冲突避免的协议。7.根据权利要求6所述的系统，其中，用于发送的OTA数据包的冲突避免的所述协议包括为所述第一和第二无线电中的每一个无线电建立多个传输开始时间的集合，所述多个传输开始时间根据预先设置的时间表被间隔开，使得a.当所述第一或第二无线电中的一个无线电具有用于递送的以太网数据的OTA数据包并且到达一个所述无线电的传输开始时间时，所述系统退出空闲模式并且所述无线电中的一个无线电开始第一OTA数据包的传输，b.所述另一个无线电在接收到所述第一OTA数据包时，确认接收到所述第一OTA数据包，所述确认将一个所述无线电置于主机模式，并且将所述另一个无线电置于从机模式，c.在主机模式中的一个所述无线电继续串行地发送OTA数据包，并且从机无线电确认接收到每一个OTA数据包，直到发送最终OTA数据包或到达所述第一OTA数据包中阐述的所述OTA数据包的全部数量指示一个无线电传输的结束，d.在接收到最终发送的OTA数据包之后，如果所述另一个无线电具有以太网数据的OTA数据包用于递送并且到达所述另一个无线电的传输开始时间，则所述另一个无线电开始所述另一个无线电的第一OTA数据包的传输，并且在确认接收到所述第一OTA数据包之后，所述另一个无线电继续数据的传输，直到所有OTA数据包被递送，然后所述系统恢复到空闲模式。8.根据权利要求7所述的系统，其中，如果未接收到或未确认所述第一OTA数据包，并且
如果所述另一个无线电具有以太网数据的OTA数据包用于递送，并且到达所述另一个无线电的传输开始时间，a.所述另一个无线电开始所述另一个无线电的第一OTA数据包的传输，b.如果确认接收到所述第一OTA数据包，则所述确认将所述另一个无线电置于主机模式，并且将所述第一无线电置于从机模式，直到所有其他无线电OTA数据包被递送，并且c.未确认的来自所述第一无线电的所述第一OTA数据包和所述第一OTA数据包后用于串行传输的任何OTA数据包被排队，直到在下一个有效的的第一无线电开始时间发送。9.根据权利要求7所述的系统，其中，如果接收并确认所述第一OTA数据包，所述系统处于第一无线电主机模式，所述第一无线电继续串行传输OTA数据包，并且如果OTA数据包未被确认，则重新发送未被确认的OTA数据包，直到被确认或直到所述系统到达超时信号，在所述超时信号处，所述系统进入空闲模式。10.用于在数据通信网络中发送数据的系统，所述数据通信网络在以太网或串行通信模式中操作，包括：消除以太网电缆或串...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰，
申请(专利权)人：QTS控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：