Результат интеллектуальной деятельности: Способ беспроводной связи между абонентами и базовыми станциями

Изобретение относится к сетям, состоящим из беспроводных приемопередающих устройств, объединяемых посредством беспроводной связи в единую сеть, и может быть использовано для беспроводной передачи информации и сбора данных, получаемых от различных датчиков и иных средств измерений, используемых для учета расхода различных ресурсов.

Передача по радиоканалу речи и данных используются во многих коммерческих, промышленных и военных применениях. В некоторых приложениях технологии радиосвязи, размер и требования питания передатчика и оборудования приема не являются решающим фактором. Например, радиостанция в крупном городе с пригородами может иметь большие ретрансляционные вышки, с которыми радиосигналы могут быть переданы на существенные расстояния. В других приложениях, например, когда передатчик и/или получатель - карманные устройства, используя компоненты коммерческого рынка, размер и требования питания оборудования становятся намного более критически важными. Т.е. поскольку оборудование становится меньшего размера, свободное место для источников питания, обычно - для батареи, становится соразмерно меньшим. С меньшим источником питания дальность радиосвязи уменьшается и/или уменьшается продолжительность жизни источника питания.

В приложениях, где возможности источника питания сильно ограничены, питание может быть сохранено при сужении ширины полосы пропускания приемника и уменьшении, таким образом, скорости передачи данных. Также питание в таких ситуациях может быть сохранено на том же уровне, и данные могут быть переданы на большую дальность за счет передачи в узкой полосе частот и с соответствующим уменьшением скорости передачи данных. Этот метод известен как узкополосная модуляция UNB (Ultra Narrow Band, далее - UNB). Особенность UNB - простой и дешевый передатчик, но очень сложный и дорогой приемник.

В системе UNB могут быть достигнуты большие дальности передачи данных и обеспечена превосходная спектральная эффективность. Эти методы, однако, требуют значительной вычислительной мощности и высокостабильные (термокомпенсированные) генераторы, что ограничивает их использование в недорогих применениях.

Другой способ увеличения дальности передачи данных, при одновременном уменьшении скорости передачи данных - использование широкополосных методов модуляции, например, широкополосной модуляции DSSS (direct sequence spread spectrum, далее DSSS), или широкополосной модуляции CSS (chirp spread spectrum, далее CSS). Особенность DSSS и CSS - невысокая стоимость и простота, недостаток - небольшая пропускная способность канала связи.

Широкополосные методы модуляции используются, чтобы улучшить защищенность от шума и интерференции в беспроводной связи. Различные протоколы Bluetooth® - примеры таких методов. Эти способы модуляции используют расширенный спектр и имеют низкое потребление и большую пропускную способность, но их дальность ограничивается несколькими метрами. Снижение скорости передачи данных позволяет значительно увеличить дальность.

Методы с использованием расширения спектра с помощью прямой последовательности также известны и могут обеспечить очень большую дальность связи. В некоторых случаях, как в системе GPS, они показали превосходную помехоустойчивость при большом расстоянии.

CSS упомянутые выше системы связи особенно полезны при развертывании сети с небольшим количеством конечных узлов, для передачи ограниченного объема данных с низкой мощностью и на большое расстояние. При большом числе узлов в сети связь может быть ограничена максимальной доступной пропускной способностью сети.

Сети CSS, DSSS или UNB и другие сетевые системы могут реализовать различные стратегии, избежать коллизий, или, по крайней мере, уменьшить их вероятность, и таким образом использовать лучше полезную мощность. Однако, эти системы не могут превысить теоретическую способность сети и всегда налагать стоимость с точки зрения потребляемой мощности и время работы от батареи по сравнению с прямым произвольным доступом (также известный как ALOHA).

Из уровня техники известен способ беспроводной связи между множеством конечных точек по множеству базовых станций, включающий отправку с помощью передатчика сообщения, включающего модулируемую CSS преамбулу, сопровождаемую телом данных, модулируемым в более узкой пропускной способности, или CSS или модуляцией UNB, получение указанного сообщения в приемнике, обнаружение частотного расширения спектра преамбулы, выравнивание приемником местного отсчета времени для привязки по времени передатчика с помощью указанных частотных расширений спектра преамбулы (см. Патент US 9647718, опубликован 09.05.2017).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая пропускная способность сети и невозможность полностью исключить коллизии между передаваемыми пакетами данных в сети.

Также из уровня техники известен способ управления множеством конечных точек множеством базовых станций, включающий отправку сообщения по меньшей мере на одну конечную точку и отправку ответного сообщения по меньшей мере на одну базовую станцию, отправку ответа от базовой станции к конечной точке после приема ответного сообщения, причем ответ содержит множество нисходящих каналов, по меньшей мере две последовательности, каждая из которых содержит положительное подтверждение и скорость увеличения и положительное подтверждение и скорость уменьшения, а также дополнительные управляющие последовательности (см. Патент US 9525454, опубликован 20.12.2016).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая пропускная способность сети и невозможность полностью исключить коллизии между передаваемыми пакетами данных в сети.

Известна из уровня техники система мониторинга здравоохранения, включающая множество сенсорных устройств с радиочастотными приемопередатчиками, множество базовых станций с радиочастотными приемопередатчиками для связи с одним или несколькими из указанных сенсорных устройств с целью получения контролируемых данных, центральный сервер, соединенный с множеством базовых станций с целью получения и записи контролируемых данных, при этом каждое сенсорное устройство связано с одной базовой станцией, расположенной в пределах досягаемости, и связано с другой базовой станции, которая находится в пределах диапазона, когда контакт с указанной первой базовой станцией потерян (см. публикацию международной заявки WO 2009109779, опубликовано 11.09.2009).

Недостатком известного решения является недостаточно высокая пропускная способность сети.

Наиболее близким решением к предложенному способу является способ передачи данных для дистанционного считывания показаний датчиков, заключающийся в том, что компьютер - инициатор опроса через центральное устройство приемопередачи данных передает в диапазоне радиочастот адресный запрос в сеть объектовых устройств приемопередачи данных, объектовые устройства приемопередачи данных принимают этот запрос, и объектовое устройство, чей адрес совпадает с адресом в запросе, передает в диапазоне радиочастот данные связанных с ним датчиков, которые принимаются центральным устройством приемопередачи данных и далее передаются в компьютер для дальнейшей обработки, при этом все объектовые устройства приемопередачи разбиваются на группы, адресный запрос является групповым и его передача осуществляется с использованием шумоподобных радиосигналов с расширенным спектром и с коэффициентом расширения спектра больше 10, группа объектовых устройств приемопередачи данных, получившая этот запрос с номером своей группы, отвечает на него, причем все объектовые устройства приемопередачи данных этой группы отвечают одновременно, каждое на индивидуальной частоте внутри выделенной полосы радиочастот, используя для передачи узкополосные радиосигналы со скоростью передачи менее 480 бит/сек, центральное устройство приемопередачи данных осуществляет многоканальный прием этих сигналов в пределах выделенной полосы радиочастот, причем число каналов приема выбирается равным или большим числа объектовых устройств приемопередачи в одной группе (см. RU 2620369, опубликовано 26.05.2017).

Недостатком известного решения является невозможность построения сетей с большой зоной покрытия дистанционного считывания показаний датчиков.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение спектральной эффективности, увеличение дальности радиосвязи и зоны покрытия дистанционного считывания показаний датчиков.

Техническим результатом изобретения является увеличение пропускной способности сети, исключение коллизий между передаваемыми пакетами данных внутри сети, увеличение зоны покрытия дистанционного считывания показаний датчиков.

Технический результат изобретения достигается благодаря реализации способа беспроводной связи между абонентами и базовыми станциями, заключающемуся в том, что абоненты разделяют на группы, каждая из которых имеет подгруппы, включающие каждая по меньшей мере один абонент, базовые станции разделяют на группы, причем все базовые станции всех групп имеют одинаковое число каналов приема узкополосной модуляции UNB, а все базовые станции каждой группы имеют каналы передачи данных с одинаковыми временными и частотными характеристиками, посредством всех базовых станций периодически отправляют всем абонентам сообщения, включающие соответствующие номера групп абонентов, все абоненты принимают сообщения, декодируют их и при совпадении номера группы соответствующего абонента с номером группы в принятом им сообщении все абоненты этой группы отправляют ответные сообщения на базовые станции с использованием узкополосной модуляции UNB, причем отправку ответных сообщений осуществляют последовательно от всех подгрупп абонентов этой группы, при этом абоненты подгруппы осуществляют отправку ответных сообщений на разных частотах, базовые станции принимают ответные сообщения на всех соответствующих абонентам частотах, декодируют их и формируют базу данных ответных сообщений, которую используют для формирования последующих сообщений, включающих соответствующие номера групп абонентов, циклично повторяют периодическую отправку указанных последующих сообщений и повторяют прием ответных сообщений.

Кроме того, периодическую отправку сообщений всем абонентам могут осуществлять с использованием широкополосной модуляции CSS, или с использованием широкополосной модуляции DSSS.

Кроме того, периодическую отправку сообщений всем абонентам могут осуществлять с использованием узкополосной модуляции UNB, причем периодическую отправку указанных сообщений базовые станции каждой группы могут осуществлять одновременно на разных частотах, при этом все абоненты могут осуществлять прием сообщений одновременно на разных частотах.

Кроме того, периодическую отправку сообщений всем абонентам могут осуществлять одновременно от всех базовых станций на одинаковой частоте внутри каждой группы и на разных частотах между разными группами, а при приеме сообщений каждый абонент может осуществлять сканирование частоты отправки сообщений от базовых станций и может выбирать для приема указанных сообщений одну из частот с наилучшими условиями ее приема.

Кроме того, периодическую отправку сообщений всем абонентам могут осуществлять последовательно от всех групп базовых станций на одинаковой частоте, при этом отправку ответных сообщений в каждом цикле абоненты могут осуществлять после отправки сообщений всеми базовыми станциями.

Кроме того, каждый абонент при приеме сообщений может определять сдвиг своей частоты относительно частоты базовой станции и может корректировать свою частоту на величину этого сдвига.

Кроме того, последующие сообщения базовых станций могут включать информацию о подтверждении или не подтверждении приема базовыми станциями ответных сообщений при предыдущей отправке сообщений, при этом все абоненты каждой группы при принятии ими последующих сообщений от базовых станций, включающих информацию о подтверждении приема, отправляют очередные следующие ответные сообщения при совпадении номера группы в указанных последующих сообщениях, а при принятии ими последующих сообщений от базовых станций, включающих информацию о не подтверждении приема, повторно отправляют предыдущие ответные сообщения.

Кроме того, отправленные всем абонентам сообщения могут включать также число групп абонентов, при этом каждый абонент может синхронизировать время передачи ответного сообщения со временем приема указанных сообщений от базовых станций с учетом числа групп абонентов.

Кроме того, отправленные всем абонентам сообщения могут включать также число групп абонентов, при этом каждый абонент каждой группы после приема указанных сообщений может вычислять время передачи последующих сообщений для своей группы абонентов и может включаться в режим приема только на период времени передачи базовыми станциями указанных последующих сообщений для своей группы абонентов в очередном цикле с учетом числа групп абонентов.

Кроме того, каждая базовая станция может иметь по меньше мере один дополнительный канал приема, при этом по меньшей мере один абонент может отправлять дополнительное сообщение вне очереди внутри своей группы на частоте, по меньшей мере одного дополнительного канала приема, причем дополнительное сообщение может включать преамбулу и ID номер.

Кроме того, по меньшей мере один абонент может отправлять дополнительное сообщение на любой из частот каналов приема узкополосной модуляции UNB после окончания отправки всеми абонентами своей группы ответного сообщения, при этом дополнительное сообщение может включать преамбулу и ID номер.

Кроме того, отправку ответного сообщения абоненты могут осуществлять со скачкообразным изменением частоты после передачи каждого символа или каждой группы символов, входящих в ответное сообщение, используя для передачи набор из частот, соответствующих абонентам.

Кроме того, базовые станции для каждой подгруппы абонентов могут использовать связанные с ней псевдослучайные алгоритмы скачков частоты для абонентов каждой подгруппы.

Кроме того, периодическую отправку сообщений и формирование базы данных ответных сообщений базовые станции могут осуществлять с использованием сервера.

Кроме того, базу данных ответных сообщений посредством по меньшей мере одного канала связи могут передавать по меньшей мере одному потребителю информации.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема передачи информации от множества абонентов через множество базовых станций заказчикам информации от абонентов; на фиг. 2 схематично показан обмен информацией между базовыми станциями и абонентами при работе групп базовых станций на разных частотах; на фиг. 3 схематично показан обмен информацией между базовыми станциями и абонентами при работе групп базовых станций на одной частоте, но в разное время; на фиг. 4 показана структура сообщения (посылки, пакета данных) базовой станции; на фиг. 5 показана структура ответного сообщения (посылки, пакета данных) абонента; на фиг. 6 схематично показан обмен информацией между базовыми станциями и абонентами при работе групп базовых станций на разных частотах и при использовании базовыми станциями узкополосной модуляции UNB; на фиг. 7 показана структура служебного сообщения в составе сообщения (посылки, пакета данных) базовой станции; на фиг. 8 схематично показан обмен информацией между базовыми станциями и абонентами при передаче абонентами экстренных сообщений в асинхронном режиме; на фиг. 9 схематично показан обмен информацией между базовыми станциями и абонентами при передаче абонентами экстренных сообщений в синхронном режиме; на фиг. 10 показана структурная схема абонента; на фиг. 11 схематично показан обмен информацией между базовыми станциями и абонентами при передаче абонентами ответных сообщений (посылок, пакета данных) со скачкообразным изменением частоты.

В представленном ниже подробном описании изобретения даны ссылки на фигуры, которые показывают посредством иллюстрации определенные реализации, в которых может быть осуществлено изобретение. Эти воплощения описаны в достаточных деталях, чтобы позволить квалифицированным специалистам реализовать изобретение. Нужно подразумевать, что различные реализации изобретения, несмотря на то, что они отличаются, не обязательно являются взаимно исключающими. Например, определенная функция, структура или характеристика, описанная ниже в связи с одной реализацией, может быть реализована в других воплощениях, не отступая от объема изобретения. Кроме того, нужно подразумевать, что расположение отдельных элементов в каждом раскрытом воплощении могут быть изменены, не отступая от объема изобретения. Следующее подробное описание не должно быть взято в ограничивающем смысле, и объем данного изобретения определяется только добавленными требованиями, соответственно интерпретируемыми, вместе с полным спектром эквивалентов, на которые направлены требования.

Способ беспроводной связи между абонентами (множеством абонентов, конечных точек) и базовыми станциями (множеством базовых станций) осуществляется с помощью системы, в которую входят: базовые станции (БС) 1, 2, 3, 4, абоненты 5 (конечные точки), сервер 6 данных, заказчики 7 информации (данных от абонентов 5), каналы 8 связи между базовыми станциями 1-4 и сервером 6, каналы 9 связи между сервером 6 и заказчиками 7.

Базовые станции 1-4 образуют сотовую сеть 10 базовых станций 1-4. В качестве абонентов 5 (конечных точек) могут быть любые устройства, сенсоры, например, датчики температуры, датчики потребляемой тепловой или электрической энергии, датчики потребления газа, датчики потребления воды, а также любые другие датчики (сенсоры), снабженные маломощными приемопередатчиками для передачи показаний указанных датчиков. В качестве каналов 8 связи могут быть использованы любые доступные каналы связи - проводные или беспроводные, например, радиоканалы, Интернет или другие возможные каналы, обеспечивающие передачу данных на расстоянии. В качестве каналов 9 связи могут быть использованы также как проводные, так и беспроводные каналы связи, например, GSM, 3G, 4G, Интернет или другие возможные каналы, обеспечивающие передачу данных на расстоянии. В качестве заказчиков 7 информации выступают любые организации, занимающиеся учетом тепловой и электрической энергии, учетом воды, газа и т.п., а также любые иные лица, которые могут быть заинтересованы в получении данных (информации) от указанных абонентов 5.

Способ беспроводной связи между абонентами 5 и базовыми станциями 1-4 заключается в следующем. Все базовые станции 1-4 разделяют на группы, причем количество (число) k групп может быть любым в зависимости от площади обслуживаемой территории и от того, сколько разных базовых станций используется в сети 10. В предлагаемом описании изобретения далее по тексту используется четыре типа разных базовых станций (БС 1, БС 2, БС 3, БС 4), т.е. всего используется четыре группы базовых станций (k=4), в каждую из которых входит определенное количество одинаковых базовых станций в зависимости от площади территории местности, на которой они располагаются и которую необходимо обслужить сетью 10 (фиг. 1). При этом в первую группу (k1) базовых станций входят все одинаковые БС 1, во вторую группу (k2) входят все одинаковые БС 2, в третью группу (k3) входят все одинаковые БС 3 и в четвертую группу (k4) входят все одинаковые БС 4. Однако, в сеть 10 может входить и меньшее число k групп (например, k=2, т.е. в небольшой сети 10 используются одинаковые БС 1 и одинаковые БС 2, либо k=3, т.е. в сети 10 используются одинаковые БС 1, одинаковые БС 2 и одинаковые БС 3). Также в сеть 10 может входить и большее число k групп базовых станций (например, k=5 или 6 и т.д. в зависимости от площади обслуживаемой территории, количества обслуживаемых абонентов 5, размера сети 10). Сотовая сеть 10 базовых станций 1 -4 соединена через каналы 8 связи с сервером 6 данных.

Базовые станции 1-4 образуют соты (ячейки) сотовой сети 10, причем каждая сота сети 10 образована четырьмя базовыми станциями 1-4 (в случае, если k=4, как описано в приведенном описании и показано на фиг. 1). В вариантном исполнении изобретения, как пример одной из практических реализаций сети 10, может быть от трех и более базовых станций в одной соте. Также в вариантном исполнении изобретения для небольших сетей 10 может быть использована одна или несколько одинаковых базовых станций.

Все базовые станции 1-4 всех k групп имеют одинаковое число n каналов приема узкополосной модуляции UNB, при этом каждый отдельный канал приема из n каналов каждой базовой станции (БС 1, БС 2, БС 3, БС 4) имеет свою рабочую частоту f_1,n приема (т.е. все каналы приема любой базовой станции 1-4 имеют разную рабочую частоту в диапазоне частот f₁₁-f_1n). Все базовые станции каждой k группы имеют каналы передачи данных с одинаковыми временными и частотными характеристиками. В разных группах k1, k2, k3, k4 базовых станций указанные каналы передачи данных могут отличаться, т.е. либо имеют разные рабочие частоты f_2,k (поскольку в приведенном описании k=4, то канал передачи данных БС 1 работает на одной частоте f₂₁, канал передачи данных БС 2 на другой частоте f₂₂ и т.д. в диапазоне частот f₂₁-f₂₄), либо все базовые станции 1-4 всех k групп работают на одной из частот f_2,k, но разнесены по времени t (т.е. каналы передачи данных БС 1-4 работают на одной частоте, например, f₂₁, но в разное время, сначала все БС 1, потом все БС 2 и т.д.).

Абоненты 5 разделяют на группы (например, m групп, где m - число групп абонентов 5 в сети 10), причем каждая группа абонентов 5 образована из множества абонентов 5 (например, по несколько разных вышеописанных датчиков), а общее число m групп абонентов 5 может быть любым от одной группы и более в зависимости от площади территории, обслуживаемой сетью 10. Каждая группа абонентов 5 имеет подгруппы (например, r подгрупп, где r - число подгрупп в одной группе абонентов 5), причем каждая подгруппа абонентов 5 образована одним видом абонентов 5, т.е. одна подгруппа, например, №1 (r1) образована из датчиков, например, воды, другая подгруппа (№2, r2) образована, например, из датчиков газа, третья подгруппа (№3, r3) образована, например, из датчиков электрической энергии и так далее. Каждая подгруппа r абонентов 5 может включать или одного абонента 5, или двух абонентов 5, или любое большее количество (число) p абонентов 5. При этом каждый абонент 5 в одной подгруппе имеет свою отдельную рабочую частоту f_3,p (p - число абонентов 5 в одной подгруппе, а диапазон рабочих частот абонентов 5 в одной подгруппе составляет f₃₁-f_3p). Каждый абонент 5 имеет свой индивидуальный идентификационный номер ID, состоящий, например, из номера группы m абонентов 5, номера подгруппы r абонентов 5 и номера p самого абонента 5 в подгруппе r абонентов 5.

Далее, согласно предложенному изобретению, осуществление способа заключается в том, что посредством всех базовых станций 1-4 с использованием сервера 6 периодически (т.е. с определенными периодами от первой группы №1 абонентов 5 до последней группы №m абонентов 5) отправляют всем абонентам 5 одинаковые сообщения 11 (пакет данных 11.1, 11.2, 11.3, 11.4).

Сообщения 11 (пакет данных 11, посылка, фиг. 4) могут включать: преамбулу (маркер) 12, номер 13 группы k базовых станций (в приведенном примере описания номер 13 в конкретном сообщении 11 принимается либо как один, либо два, либо три, либо четыре, поскольку k=4), число 14 групп k базовых станций (в приведенном примере описания число 14 принимается равным четырем, поскольку k=4), число 15 групп m абонентов (число 15 может быть равно от одного до m, при этом m может быть равно любому максимально возможному числу групп абонентов 5 в сети 10 в зависимости от площади территории, обслуживаемой сетью 10), соответствующий номер 16 запрашиваемой группы m абонентов 5 (от №1 до №m), сообщение 17 (информацию) о подтверждении (или не подтверждении) приема базовыми станциями ответных сообщений 20 от абонентов 5 запрашиваемой группы m при предыдущем запросе этой группы абонентов 5, служебное сообщение 18 и контрольную сумму 19 (контрольная сумма - общепринятый в системах передачи информации термин, когда при пакетной передаче информации каждый пакет сопровождается дополнительным пакетом информации, образованным из передаваемого пакета по специальному алгоритму. Совместная обработка на стороне приема обоих пакетов позволяет обнаружить наличие ошибок в принятом пакете и в ряде случаев исправить их). Служебное сообщение 18, передаваемое в составе пакета данных 11 базовых станций 1-4, может содержать сообщение (информацию) для конкретного абонента 5 запрашиваемой группы m абонентов 5, или для всей запрашиваемой группы m абонентов 5. Один из возможных вариантов структуры служебного сообщения 18 в составе посылки базовой станции 1-4 приведен на фиг. 7. Служебное сообщение 18 может содержать, например: признак 21 сообщения, например, «0», если сообщение адресовано всем абонентам 5 конкретной подгруппы r, или «1», если сообщение адресовано одному абоненту 5 конкретной группы m; номер 22 подгруппы r (от №1 до №r); номер 23 абонента 5 в данной подгруппе r (от №1 до №p); сообщение 24 (любая информация, которую необходимо передать абоненту (абонентам), например, о необходимости оплаты услуг, изменении тарифов, отключения услуги и т.д.). Поскольку запросы абонентов 5 базовыми станциями 1-4 осуществляются циклически, то при первом запросе (при включении системы) будет отсутствовать информация (сообщение 17) о подтверждении (или не подтверждении) приема базовыми станциями 1-4 ответных сообщений 20, начиная со второго запроса и далее, эта информация будет передаваться. Не все перечисленные составляющие (12-19) пакета данных 11, передаваемого базовыми станциями 1-4, являются обязательными. При необходимости могут передаваться дополнительно и другие необходимые данные, входящие в сообщение 11.

После того, как все базовые станции 1-4 отправят всем абонентам 5 сообщения 11, все абоненты 5 принимают эти сообщения 11 и декодируют их. При совпадении номера группы m соответствующего абонента 5 с номером группы m в принятом им сообщении 11 от базовых станций 1-4, все абоненты 5 из этой группы m абонентов 5 формируют и отправляют (передают) ответные сообщения 20 (ответный пакет данных 20) на базовые станции 1-4 с использованием узкополосной модуляции UNB. Ответные сообщения 20 могут быть отправлены как на ближайшие базовые станции 1-4, расположенные максимально близко к соответствующему абоненту 5, так и на любые иные базовые станции 1-4 в сети 10. Отправку ответных сообщений 20 все абоненты 5 из указанной группы m абонентов 5 осуществляют последовательно от всех подгрупп r абонентов 5 этой группы m, причем абоненты 5 одной подгруппы r осуществляют отправку ответных сообщений 20 на разных частотах f_3,p в диапазоне частот f₃₁-f_3p (диапазон частот f₃₁-f_3p соответствует диапазону частот f₁₁-f_1n каналов приема узкополосной модуляции UNB базовых станций 1-4). Таким образом, ответные сообщения 20 на базовые станции 1-4 отправляют сначала все абоненты 5 из подгруппы №1 (r1, сообщения 20.1) своей группы m, каждый на одной из частот в соответствующем диапазоне f₃₁-f_3p, затем все абоненты 5 из подгруппы №2 (r2, сообщения 20.2, также каждый на одной из частот в соответствующем диапазоне f₃₁-f_3p), затем все абоненты 5 из подгруппы №3 (r3, сообщения 20.3, также каждый на одной из частот в соответствующем диапазоне f₃₁-f_3p) данной группы m и так далее до подгруппы №r (сообщения 20.r, фиг. 2, 3).

Структура ответных сообщений 20 (ответного пакета данных 20 абонентов 5) приведена на фиг. 5. Пакет данных 20 может содержать, например: маркер (преамбулу) 25, номер 26 системы (одновременно могут работать несколько систем, принадлежащих разным заказчикам, например, с разносом по времени; абоненты отвечают на запросы только своей системы), номер 16 группы m абонентов 5, номер 27 подгруппы r абонентов 5, номер 28 абонента 5 в подгруппе r (например, от №1 до №p), сообщение 29 абонента 5 и контрольную сумму 30 (по аналогии с контрольной суммой 19).

После отправки абонентами 5 ответных сообщений 20, все базовые станции 1-4 осуществляют n-канальный прием ответных сообщений 20 (пакетов данных 20.1-20.r) от абонентов 5 с использованием узкополосной модуляции UNB на всех частотах f₁₁-f_1n, соответствующих частотам f₃₁-f_3p абонентов 5.

В ответных сообщениях 20 от абонентов 5 передача маркера (преамбулы) 25, номера 26 системы, номера 16 группы m абонентов 5, номера 27 подгруппы r абонентов 5 и номера 28 абонента 5 в подгруппе r не являются обязательными. Начало передачи пакетов данных 20 абонентов 5 жестко привязано к моменту окончания передачи пакетов данных 11 базовых станций 1-4 (фиг. 2, 3), поэтому передача маркера (преамбулы) 25 не является обязательной. Базовые станции 1-4 по времени t1, t2, t3 и т.д. начала приема соответствующей подгруппы r абонентов 5 могут определить принадлежность принятого пакета данных 20 к одной из подгрупп (№1-№r), а по номеру частоты, на которой принят пакет данных 20, базовые станции 1-4 могут определить и номер 28 абонента 5 в подгруппе r. Таким образом, базовые станции 1-4 для каждого принятого ответного сообщения 20 от соответствующего абонента 5 и по контрольной сумме 30 могут вычислить идентификационный номер ID для соответствующего абонента 5, передавшего эти данные.

При принятии базовыми станциями 1-4 ответных сообщений 20 (20.1-20.r), базовые станции 1-4 осуществляют декодирование принятых ответных сообщений 20. Все принятые базовыми станциями 1-4 от абонентов 5 ответные сообщения 20, снабженные номерами ID, по каналам 8 связи передаются на сервер 6 данных, на котором по принятым ответным сообщениям 20 формируется база данных из принятых ответных сообщений 20 от абонентов 5. Указанная база данных используется для формирования последующих сообщений 11 базовых станций 1-4, при этом последующие сообщения также включают: преамбулу (маркер) 12, номер 13 группы k базовых станций, число 14 групп k базовых станций, число 15 групп m абонентов 5, соответствующий номер 16 запрашиваемой группы m абонентов 5, сообщение 17 (информацию) о подтверждении приема базовыми станциями ответных сообщений 20 от абонентов 5 запрашиваемой группы m при предыдущем запросе этой группы абонентов 5, служебное сообщение 18 и контрольную сумму 19. При этом обязательными составляющими последующих сообщений 11 являются: соответствующий номер 16 запрашиваемой группы m абонентов 5 и сообщение 17 (информация о подтверждении или не подтверждении приема).

Далее осуществление способа заключается в том, что базовые станции 1-4 с использованием сервера 6 циклично поочередно опрашивают все m групп абонентов 5, т.е. циклично повторяют периодическую отправку последующих сообщений 11, а также базовые станции 1-4 повторяют прием ответных сообщений 20 от абонентов 5. При этом каждый цикл состоит в поочередном опросе с определенными периодами сначала группы №1 абонентов 5, затем группы №2 абонентов 5, затем группы №3 абонентов 5 и так далее до группы №m абонентов 5.

После опроса базовыми станциями 1-4 одной группы m абонентов 5 и получения сведений (данных, ответных сообщений 20) базовыми станциями 1-4 от абонентов 5 одной группы m, от всех базовых станций 1-4 по каналам 8 связи на сервер 6 передаются указанные сведения, сервер 6 данных формирует файл (сообщение 17) подтверждения приема от абонентов 5 одной группы m после запроса этой группы m. Файл (сообщение 17) содержит p⋅r символов (по числу абонентов 5 в одной группе m абонентов 5). Каждому абоненту 5 одной группы m абонентов 5 в указанном файле соответствует один символ (один бит), например, соответствующий порядковому номеру абонента 5 в его группе m абонентов 5. Символ «0» соответствует отсутствию приема ответного сообщения 20 от абонента 5 при запросе его группы m, символ «1» соответствует успешному приему ответного сообщения 20 от абонента 5. Этот файл сервер 6 данных вместе с номером 16 группы m абонентов 5 передает всем базовым станциям 1-4. При следующем запросе этой группы m абонентов 5, базовые станции 1-4 передают этот файл в составе своего пакета данных 11, как сообщение 17 (фиг. 4) о подтверждении приема базовыми станциями 1-4 ответных сообщений 20 от абонентов 5 запрашиваемой группы m при предыдущем запросе этой группы m абонентов 5.

Все абоненты 5 соответствующей группы m абонентов 5, при принятии последующих сообщений 11 от базовых станций 1-4 (адресованных этой конкретной группе m абонентов 5), по содержащемуся в нем сообщению 17, подтверждающему (или не подтверждающему) прием базовыми станциями 1-4 ответных сообщений 20 от абонентов 5 соответствующей запрашиваемой группы m при предыдущем запросе этой группы m абонентов 5, передают очередное следующее ответное сообщение 20 при подтверждении приема предыдущего ответного сообщения 20 от соответствующего абонента 5 этой группы m, а при не подтверждении приема абоненты 5 повторяют отправку предыдущего своего ответного сообщения 20. Т.е., например, если абоненты 5 из группы №1 приняли сообщения 11 от базовых станций, в которых содержится информация 17, подтверждающая правильный прием предыдущего ответного сообщения 20 от абонентов 5 этой группы №1, то все абоненты 5 из этой группы №1 отправляют очередные следующие ответные сообщения 20 (при совпадении номера группы №1 в указанных последующих сообщениях 11), а если абоненты 5 из этой группы №1 приняли сообщения 11, в которых содержится информация 17, не подтверждающая правильный прием предыдущего ответного сообщения 20 базовыми станциями 1-4 от абонентов 5 этой группы №1 (это происходит уже при опросе группы №2 и т.д. абонентов 5), то все абоненты 5 из этой группы №1 повторно отправляют указанные предыдущие свои ответные сообщения 20 (при несовпадении номера группы №1 в указанных последующих сообщениях 11). Т.е. информация 17 о подтверждении определяет правильный прием ответного сообщения 20 от соответствующего абонента 5 при предыдущем его запросе. Эта информация является правильной, если сообщение 11 абонент 5 принял с совпадением номера 16 группы m, а если номер 16 группы m не совпал, то информация является не правильной, а именно не подтверждающей прием ответного сообщения 20 от абонента 5.

Все получаемые от абонентов 5 ответные сообщения 20 накапливаются на сервере 6, где формируется база данных ответных сообщений 20. Эти ответные сообщения (база данных) по существующим каналам 9 связи от абонентов 5 передаются потребителю информации, т.е. поступают заказчикам 7 информации.

Согласно предложенному способу, передача сообщений 11 (в том числе последующих сообщений 11) от базовых станций 1-4 возможна в двух вариантах.

1) Первый вариант проиллюстрирован на фиг. 2 и заключается в обмене информацией между всеми базовыми станциями 1-4 и всеми абонентами 5 при работе всех групп k базовых станций 1-4 одновременно, но на разных частотах f_2,k (т.е. на одинаковой частоте внутри каждой группы базовых станций и на разных частотах между разными группами базовых станций). В данном случае посредством всех базовых станций 1-4 всех групп k (в описанном варианте k=4) одновременно периодически отправляют всем абонентам 5 одинаковые сообщения 11 (пакет данных 11), причем все базовые станции 1 первой группы (k1) базовых станций отправляют сообщения 11 на частоте f₂₁, все базовые станции 2 второй группы (k2) базовых станций отправляют сообщения 11 на частоте f₂₂, все базовые станции 3 третьей группы (k3) базовых станций отправляют сообщения 11 на частоте f₂₃, а все базовые станции 4 четвертой группы (k4) базовых станций отправляют сообщения 11 на частоте f₂₄.

На интервале времени t₁-t₂ все базовые станции 1-4 включаются на передачу сообщений 11 (в том числе последующих) и все базовые станции 1-4 одновременно передают одинаковый пакет данных 11, структура которого приведена на фиг. 4.

После отправки всеми базовыми станциями 1-4 сообщений 11 всем абонентам 5, каждый абонент 5 при приеме сообщений 11 осуществляет сканирование всех частот f_2,k (в диапазоне f₂₁-f₂₄), на которых были отправлены сообщения 11 от базовых станций 1-4, и выбирает для приема сообщений 11 одну из частот f_2,k с наилучшими условиями ее приема в месте нахождения соответствующего абонента 5. Т.е. каждый абонент 5 принимает сообщение на частоте f_2,k, которая наиболее благоприятна для этого абонента 5, например, по близости расположения или по уровню сигнала и т.п.

Момент t₂ начала передачи пакета данных 20 в каждом цикле опроса абоненты 5 определяют по времени окончания передачи пакета данных 11 одновременно всеми базовыми станциями 1-4.

2) Второй вариант проиллюстрирован на фиг. 3 и заключается в обмене информацией между всеми базовыми станциями 1-4 и всеми абонентами 5 при работе всех групп k базовых станций последовательно друг за другом (группы базовых станций включаются поочередно друг за другом, т.е. сначала группа k1, затем k2, затем k3, а затем k4), при этом базовые станции 1-4 всех k групп отправляют одинаковые сообщения 11 на одинаковой частоте f_2k в некотором диапазоне частот (например, на частоте f₂₁). В данном случае на интервале времени t₁-t₂ (также с определенными периодами) одновременно посредством сначала всех базовых станций 1 первой группы (k1) базовых станций, затем одновременно посредством всех базовых станций 2 второй группы (k2), затем одновременно посредством всех базовых станций 3 третьей группы (k3), затем одновременно посредством всех базовых станций 4 четвертой группы (k4) отправляют всем абонентам 5 одинаковые сообщения 11 (одинаковый пакет данных 11, фиг. 4) на одной из частот f_2,k (например, на частоте f₂₁).

Согласно данному варианту обмена информацией (фиг. 3) момент t₂ начала передачи пакета данных 20 в каждом цикле опроса абоненты 5 определяют по окончании передачи пакета данных 11 базовыми станциями последней группы k базовых станций (в предложенном описании, например, четвертой группы k4 базовых станций 4). В этом случае все базовые станции 1-4 должны передавать номер 13 своей группы k базовых станций и общее число 14 (количество) групп k базовых станций 1-4. Приняв пакет данных даже от какой-либо одной базовой станции, по номеру 13 группы базовой станции и по общему количеству (числу 14) групп k базовых станций 1-4, и зная длительность времени передачи пакета данных 11, абонент 5 может вычислить момент t₂ начала передачи пакета данных 20 абонентом 5.

В обоих вариантах (фиг. 2 и фиг. 3) синхронизация работы базовых станций 1-4 осуществляется от сервера 6. Сервер 6 последовательно выдает на все базовые станции 1-4 команды на циклический опрос всех групп m абонентов 5, начиная с группы абонентов №1 до группы абонентов №m. Затем циклический опрос повторяется. При этом, отправленные всем абонентам 5 сообщения 11 включают число 15 групп m абонентов 5, а каждый абонент 5 синхронизирует время передачи ответного сообщения 20 со временем приема сообщений 11 от базовых станций 1-4 с учетом числа 15 групп m абонентов 5. Кроме того, каждый абонент 5 каждой группы m после приема сообщений 11 может вычислить время передачи последующих сообщений 20 для своей группы m абонентов 5 и может включаться в работу в режим приема только на период времени t передачи базовыми станциями 1-4 последующих сообщений 20 конкретно для своей группы m абонентов 5 в очередном цикле с учетом числа 15 групп m абонентов 5.

При всех вариантах осуществления способа (фиг. 2, фиг. 3) абоненты 5 одной группы m абонентов 5 начинают передачу пакетов данных следующим образом: в моменты времени t₂ - подгруппа №1 абонентов 5 (сообщения 20.1), в моменты времени t₃ - подгруппа №2 абонентов 5 (сообщения 20.2), в моменты времени t₄ - подгруппа №3 абонентов 5 (сообщения 20.3) и так до последней подгруппы №r абонентов 5 (сообщения 20.r). Все подгруппы (№1-r) абонентов 5 имеют одинаковую длительность времени t передачи данных, поэтому, зная момент времени t₂ и номер 27 своей подгруппы r, абонент 5 может вычислить момент начала своей передачи ответного сообщения 20 (для включения в режим работы).

Фиг. 2, 3 показывают, что предлагаемый способ позволяет исключить коллизии между передаваемыми пакетами данных 11, 20 между базовыми станциями и абонентами 5 и увеличить пропускную способность сети 10 за счет того, что не все абоненты 5 одновременно передают свои пакеты данных.

Для исключения взаимных коллизий по частоте при передаче ответных сообщений 20, все абоненты 5 должны иметь высокую точность установки частоты передатчика. Достигается это, в первую очередь, использованием высокоточного генератора VCTCXO. Однако, в ряде случаев это может оказаться недостаточным, в этом случае используют в качестве эталона среднюю частоту f_2k передачи базовых станций 1-4, осуществляя автоматическую подстройку частоты f_3p передачи абонента 5. Для этого могут быть использованы известные методы, например, описанные в патентной заявке № US 2014219325 А1. При этом каждый абонент 5 при приеме сообщений 11 (в том числе последующих) от базовых станций 1-4 определяет сдвиг своей рабочей частоты относительно частоты f_2k соответствующей базовой станции 1-4 и корректирует свою рабочую частоту на величину этого сдвига путем корректировки частоты генератора VCTCXO, путем подачи на него необходимого корректирующего напряжения, или путем изменения частоты синтезатора.

Для периодической передачи (отправки) абонентам 5 пакетов данных 11 базовыми станциями 1-4 может использоваться широкополосная модуляция CSS. Использование CSS позволяет обеспечить большую дальность передачи данных от базовых станций 1-4 к абонентам 5 при простоте демодуляции и декодирования сигналов абонентами 5.

Кроме того, для передачи абонентам 5 пакетов данных 11 базовыми станциями 1-4 может использоваться широкополосная модуляция DSSS (например, как это сделано в микросхеме СС1350 SimpleLink™ Ultra-Low-Power Dual-Band Wireless MCU Texas Instruments Incorporated, которая в режиме использования DSSS позволяет обеспечить большую дальность связи). Использование DSSS позволяет обеспечить большую дальность передачи данных от базовых станций 1-4 к абонентам 5 при простоте демодуляции и декодирования сигналов абонентами 5.

Кроме того, для передачи абонентам 5 пакетов данных 11 базовыми станциями 1-4 может использоваться узкополосная модуляция UNB. Использование UNB позволяет обеспечить большую дальность передачи данных от базовых станций 1-4 к абонентам 5, однако, реализация демодуляции и декодирования сигналов UNB абонентами 5 более сложная, чем при использовании CSS и DSSS. При периодической отправке пакетов данных 11 с использованием узкополосной модуляции UNB, базовые станции 1-4 могут одновременно осуществлять отправку пакетов данных 11 на разных частотах, при этом абоненты 5 могут принимать пакеты данных 11 также одновременно на разных частотах.

Для увеличения объема информации, передаваемой от базовых станций 1-4 к абонентам 5, например, для передачи дополнительно команд управления, базовые станции 1-4 могут одновременно передавать несколько UNB пакетов данных 11. На фиг. 6 показан пример использования базовыми станциями 1-4 передачи одновременно четырех UNB пакетов данных на разных частотах. В этом случае один UNB пакет данных может быть адресован одной или нескольким подгруппам r абонентов 5, которые должны быть настроены на частоту приема своего пакета данных. Второй вариант - каждый абонент 5 принимает одновременно несколько UNB пакетов данных от базовых станций 1-4, например, применяя FFT. Этот вариант сложнее, но зато позволяет получать абонентам 5 больше информации от базовых станций 1-4, например, получать подтверждение в приеме ранее переданных сообщений 11 и одновременно получать команды управления от базовых станций 1-4.

Вышеописанный способ предусматривает циклический опрос базовыми станциями 1-4 всех абонентов 5. При этом, повторный опрос абонента 5 возможен только после того, как будут опрошены все остальные абоненты 5. Могут быть случаи, когда абонент 5 должен передать сообщение на базовые станции 1-4 максимально быстро, например, в случае экстренной ситуации. Такие события достаточно редкие, но информация о них должна быть доставлена заказчику 7 максимально быстро. Для реализации этого в вышеописанном способе все базовые станции 1-4 (каждая БС 1, БС 2, БС 3, БС 4) должны быть снабжены (имеют) дополнительными каналами приема, одинаковыми для всех базовых станций 1-4 (при этом каждая базовая станция может иметь или один дополнительный канал приема, или два, или любое большее число s дополнительных каналов приема). В данном случае любой абонент 5 (либо сразу несколько любых абонентов 5) может передать (отправить) дополнительное сообщение 31 в любой момент времени (вне очереди внутри своей группы m) на любой из s частот (f_s1-f_ss) дополнительных каналов приема базовых станций 1-4 (фиг. 8). Абонент 5 передает преамбулу (маркер) 25, свой ID номер и сообщение (фиг. 5). Для повышения достоверности доставки экстренных сообщений от абонентов 5, оно может дублироваться в обычном цикле опроса абонентов 5 базовыми станциями 1-4.

Возможен второй вариант передачи сообщений 31 абонентом 5 (абонентами 5) в экстренной ситуации. В этом случае абонент 5 (или несколько абонентов 5) может передать сообщение вне очереди для своей группы m на любой из n частот (f₁₁-f_1n) каналов приема базовыми станциями 1-4 после окончания передачи ответных сообщений 20 абонентами 5 последней подгруппы (№r) любой группы m (фиг. 9). При этом абонент 5 передает преамбулу (маркер) 25, свой ID номер и сообщение (фиг. 5). Преамбула (маркер) 25 может не передаваться, т.к. момент t₆ окончания передачи последней подгруппы (№r) любой группы m привязан по времени к запросу (сообщению 11) соответствующей базовой станции 1-4 (фиг. 9).

Абоненты 5 (фиг. 10), как правило, являются малогабаритными устройствами, включающими в себя датчик 32, процессор 33, приемопередающее устройство 34 с антенной 35 и автономный элемент 36 питания (аккумулятор). Для таких устройств необходимо обеспечить минимальное потребление энергии. Основной потребитель энергии - приемопередающее устройство 34, поэтому оно должно включаться только на время передачи, или приема информации (сообщений 11) от базовых станций 1-4. Время опроса базовыми станциями 1-4 одной группы m абонентов 5 равно Тс (фиг. 8). Полный цикл опроса всех m групп абонентов 5 будет равно m⋅Tc. Для обеспечения минимального потребления энергии абонент 5 должен синхронизироваться с циклами опроса базовыми станциями 1-4 групп m абонентов 5. Для реализации режима экономии энергии абонентами 5, базовые станции 1-4 должны в своем пакете данных 11 передавать число 15 групп m абонентов 5 в цикле опроса. Для начальной синхронизации процессор 33 включает приемопередатчик 34 в режим приема на время не менее 2Тс. За это время абонент 5 осуществляет прием, по крайней мере, одного пакета данных И запроса базовых станций 1-4. По принятому пакету данных 11 определяется номер опрашиваемой в данный момент группы m абонентов 5 и общее количество групп m абонентов 5. По этой информации процессор 33 вычисляет необходимые моменты времени для включения своего приемопередатчика 34 в режим приема или передачи соответствующих его группе m абонентов 5, чем и достигается экономия потребляемой абонентами 5 энергии.

Для сокращения времени пребывания передатчика 34 абонента 5 на одной частоте, или для исключения несанкционированного приема информации от абонентов 5, абоненты 5 могут передавать ответные сообщения 20 со скачкообразным изменением частоты после передачи каждого символа, или после передачи нескольких символов сообщения (группы символов, входящих в ответное сообщение 20). При этом, для передачи ответного сообщения 20 может быть использован весь набор из p частот (в диапазоне частот f₃₁-f_3p). Фиг. 11 иллюстрирует вариант передачи ответных сообщений 20 подгруппы r из четырех абонентов 5 (для случая р=4). Фиг. 11 показывает передачу (отправку) абонентами 5 одной из подгрупп r (например, подгруппа №1 группы №2 абонентов 5) ответных сообщений 20.1.1, 20.1.2, 20.1.3 и 20.1.4 на частотах f₃₁, f₃₂, f₃₃ и f_3p. Абоненты 5 одной подгруппы r абонентов 5 используют p разных псевдослучайных алгоритмов скачков частоты, каждому алгоритму присвоен один из p номеров в соответствии с номером 28 абонента 5 в подгруппе r абонентов 5. Все p псевдослучайных законов скачков частоты для абонентов 5 одной подгруппы r абонентов 5 подобраны так, чтобы исключить коллизии между абонентами 5 одной подгруппы r абонентов 5, т.е. в любой момент времени любую частоту из диапазона f₃₁-f_3p может использовать только один абонент 5 из своей подгруппы r. Соответствующая базовая станция 1-4 для каждой подгруппы r абонентов 5 использует связанные с ней p псевдослучайных законов (алгоритмов) скачков частоты для абонентов 5 данной подгруппы r абонентов 5, для восстановления сообщений 20 абонентов 5, к которым затем добавляется его идентификационный номер (ID), образованный из номера группы m абонента 5, номера подгруппы r абонента 5 и номера абонента 5 в подгруппе r.

Таким образом, предложенный способ беспроводной связи между абонентами 5 и базовыми станциями 1-4, на основе передачи базовыми станциями 1-4 информации с использованием широкополосной модуляции CSS, или DSSS, или узкополосной модуляции UNB, и узкополосной модуляции UNB для передачи информации от абонентов 5, позволяет избежать коллизию между передаваемыми пакетами данных и увеличить пропускную способность сети. Предложенный способ позволяет управлять множеством конечных точек множеством базовых станций в беспроводных сетях, когда необходимо обеспечить максимальную дальность связи, следствием чего ограничивается пропускная способность сетевой системы.