CN103108417A

CN103108417A - 一种基于Zigbee的以太网无线发射网关

Info

Publication number: CN103108417A
Application number: CN2013100679982A
Authority: CN
Inventors: 尹武; 戴宏剑
Original assignee: Shenzhen Wisesea Electronic Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Wisesea Electronic Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明提供了一种基于Zigbee的以太网无线发射网关，其包括以太网模块、协议转换模块、Zigbee基带处理模块以及射频模块；射频模块包括至少两天线单元，Zigbee基带处理模块包括将Zigbee基带处理模块处理数据分割为多个数据链路的多路分解器。本发明的基于Zigbee的以太网无线发射网关能够应用于基于Zigbee技术的通讯网络，通过多个天线单元和信道进行数据的发射，保证了数据发射的可靠性与完整性，能够提高网关的无线数据发射能力、抗干扰能力，进一步的提高数据吞吐量和覆盖范围，进而提高了包括该基于Zigbee的以太网无线发射网关的网络的可靠性与稳定性。

Description

一种基于Zigbee的以太网无线发射网关

技术领域

本发明属于通讯领域，具体涉及一种应用于通讯网络的基于Zigbee的以太网无线发射网关。

背景技术

网关工作在两种或者两种异构网络的边界，负责网络的协议转换和数据转发。通过网关的协议转换盒数据包重组功能，使具有不同的通信协议、不同的软硬件环境的两种***之间能实现双向通信。随着Zigbee技术的发展，其应用***越来越多，Zigbee网络和其他传统网络(以太网、移动通信网如GPRS/GSM/CDMA/LTE等)互联互通的需求日益强烈。

Zigbee(短距离、低功率的无线通信技术)是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线网络技术，依据其特点广泛的应用于物联网领域，成为物联网主要的网络构建方式，能够在数千个微小的物联网节点之间相互协调通信，由于各个节点间能够相互通信，因此能够形成多条传输路径，保障数据能够传输到数据中心。

以太网是现今局域网的核心协议之一，IEEE802.3标准给出了其物理层连线、电信号和介质访问层等规范。在以太网中，计算机采用CSMA/CD机制获取信道进行通信，网桥、交换机和路由器是重要的联网设备。无数的以太网通过防火墙接入Internet，将全世界的电脑构成一个逻辑上的整体。

由于以太网和Zigbee具有不同的协议规范，以太网中设备就无法和Zigbee网络中的设备通信。要解决这种异构网络的通信问题，就需要协议转换。而目前Zigbee型以太网网关的Zigbee模块均采用单路接收模式，再由射频模块与放大器进行信号的传输以及简单的控制线路组成。在这种发射端构建网络时，发射端的通信受限于发射端的数据传输能力，会引起数据丢失等情况的出现，如果加大无线信号的发射功率，则会造成能量的巨大使用，并且在发射端性能方面的改善也是有限的，最终还是影响到网关对数据的处理能力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于Zigbee的以太网无线发射网关，该基于Zigbee的以太网无线发射网关通过多条数据接收线路的方式减少了数据在无线多径环境下传输过程中的严重丢失，并可提高信噪比和数据吞吐量，从而实现发射端链路性能的提高，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于Zigbee的以太网无线发射网关，包括以太网模块、与所述以太网模块输出端相接的协议转换模块、对所述协议转换模块输出数据进行处理的Zigbee基带处理模块、以及接收所述Zigbee基带处理模块输出信号的射频模块；所述射频模块包括至少两天线单元，所述Zigbee基带处理模块包括将所述Zigbee基带处理模块处理数据分割为多个数据链路的多路分解器。

进一步地，所述Zigbee基带处理模块为SOC。

进一步地，所述Zigbee基带处理模块包括依次连接的扩频器、编码器和调制器，所述多路分解器与所述调制器的输出端相连接。

进一步地，所述Zigbee基带处理模块还包括同步FIFO模块，所述同步FIFO模块连接所述多路分解器的输出端。

进一步地，所述射频模块包括D/A转换器，所述D/A转换器与所述天线单元的数目相同。

进一步地，所述射频模块还包括功率放大器，所述D/A转换器处理后数据经所述功率放大器放大后输出给所述天线单元。

进一步地，所述功率放大器与所述天线单元的数目相同。

进一步地，所述Zigbee基带处理模块还包括与所述数据链路相连接的功率分配单元、以及与所述功率分配单元相连接的信道估测单元。

进一步地，所述以太网模块包括以太网接口以及以太网控制器，所述以太网控制器连接于所述协议转换模块的输出端，所述以太网接口连接于所述以太网控制器的输出端。

进一步地，所述协议转换模块包括用于数据处理和数据控制的微处理器、电源模块、用于控制时钟的晶振单元以及用于数据存储的Flash和SDRAM；所述电源模块和所述晶振单元的输出端均与所述微处理器相连接，所述Flash和SDRAM分别与所述微处理器相连接，所述微处理器的输入端与所述Zigbee基带处理模块的输出端相连接。

本发明的基于Zigbee的以太网无线发射网关能够应用于基于Zigbee技术的通讯网络，可通过多个天线单元和信道进行数据的收集，保证了数据发射的可靠性与完整性，实现了基于Zigbee的以太网无线发射网关的工作功能，能够提高网关的无线数据发射能力、抗干扰能力，进一步的提高数据吞吐量和覆盖范围，进而提高了包括该基于Zigbee的以太网无线发射网关的网络的可靠性与稳定性。

附图说明

图1是本发明一种基于Zigbee的以太网无线发射网关实施方式1的模块图；

图2是本发明一种基于Zigbee的以太网无线发射网关实施方式2的模块图；

图3是本发明一种基于Zigbee的以太网无线发射网关实施方式3的模块图；

图4是图3所示实施方式多信道功率分配方案图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，所示为本发明一种基于Zigbee的以太网无线发射网关实施方式1的模块图，该基于Zigbee的以太网无线发射网关包括以太网模块、协议转换模块、Zigbee基带处理模块和射频模块。其中，以太网模块用于连接以太网络，协议转换模块则实现以太网与Zigbee网络间协议的转换。Zigbee基带处理模块与协议转换模块的输出端相连接，它包括依次连接的扩频器、编码器、调制器、多路分解器、数据链路和同步FIFO模块；其中，扩频器主要是利用扩频器数字电路产生的DS随机序列码调制信号，直接对数据采集模块输出的数字信号扩展频谱后输出扩频信号；编码器接收到扩频器扩频后的信号后。多路分解器把调制完成后的信号进行多路分解，把分解后的信号分别形成数据链路输出到同步FIFO模块，同步FIFO模块负责将数据同步输出给射频模块。射频模块包括与数据路径数目相同个数的D/A转换器、功率放大器和天线单元，D/A转换器有多个，将同步FIFO模块输出的多路数字信号转换成模拟信号并输出给功率放大器，经功率放大器放大后经天线单元发射出去。

多路分解器可以将数字信号分解为两路、三路、四路或者更多路，每一路可以是相同的数字信号，也可以是部分数字信号形成的数据包，具体依照传输的数字信号形成的数据大小确定。

通过该实施方式1，能够实现Zigbee网络与以太网络的连接，能够将以太网络的数据经Zigbee网络通过射频模块发射出去，采用多数据接收链路保证了该基于Zigbee的以太网无线发射网关数据发射能力，能够满足较大数据量传输要求。

参见图2，所示为本发明一种基于Zigbee的以太网无线发射网关实施方式2的模块图，该基于Zigbee的以太网无线发射网关与实施方式1相比，主要区别在于包括了协议转换模块和以太网模块的实施方式，其中，协议转换模块包括用于数据处理和数据控制的微处理器、用于提供电源的电源模块、用于控制时钟的晶振单元以及用于数据存储的Flash和SDRAM；电源模块和晶振单元的输出端分别与微处理器相连接，Flash和SDRAM分别与微处理器相互连接，微处理器的输出端与Zigbee模块内的扩频器相连接。微处理器可以选用ARM芯片，特别优选使用ARM9系列芯片。以太网模块包括以太网接口以及以太网控制器，以太网接口的输入端与以太网控制器相连接，以太网控制器的输入端与协议转换模块相连接。

参见图3，所示为本发明一种基于Zigbee的以太网无线发射网关实施方式3的模块图，该基于Zigbee的以太网无线发射网关与实施方式2相比，主要区别在于Zigbee基带处理模块进一步包括了信道估测单元和功率分配单元，在数据输出时，先进行信道估测后，根据信道估测后得到的结果参数进行信道选择，信噪比较高的信道将分配更多的功率，在功率分配模块通过对编码和调制方式或每个比特的平均功率大小的调整完成对数据链路模块调制信号功率的优化分配。具体的，信道估测单元利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征来对信道进行计算，根据计算结果，信噪比较高的信道将分配更多的功率。如在Zigbee中常使用RSSI(接收信号强度指示)算法来确定选用的信道，RSSI是利用软件与硬件结合方法来测试各个信道的发射参数，通过软件逐个对每条信道接收到的参数进行计算分析，即可得到传输性能最佳的信道。功率分配单元首先通过信道估测模块得到各个信道的信噪比，以信噪比和总能量为根据，对各个信道中的信号二进制比特信号的编码方式和调制类型或比特的平均功率大小进行选择和调整，从而可以决定各个信道分配功率的大小。数据链路对调制后的输入信号，通过功率分配模块的控制，对调制后的信号的二进制码的比特数据进行控制，完成对每个信号功率大小分配。其中，功率分配方式优先使用自适应灌水原理。通过信道估测和功率分配可以实现数据功率资源分配的合理化，提高整体通信***的传输效率。

在本实施方式中，多信道接收信号为

y = Σ_{k = 1}^{m} h_{k} p_{k} x_{k} + n_{i};

其中，k为发射天线的标号，m为发射天线的数目，h为信道，x为发射天线的信号，n_i为噪声。

多信道***吞吐量可表示为

f (p_{i}) = Σ_{i = 1}^{m} \log_{2} (1 + \frac{{| | S_{i} | |}^{2} λ_{i}^{2} p_{i}}{σ^{2}});

其中，σ²是白噪声变量，||S_i‖为各信道信号接收强度，λ_i为各信道特征值。传统的灌水功率分配算法或平均功率算法仅支持单信道功率分配或不能实现最佳资源优化性能，本实施方式考虑总分配功率，其在各信道的分配方式如下：

g_{i} (p_{i}) = P_{c} - Σ_{i = 1}^{m} p_{i} - Σ_{i = 1}^{m} λ_{i}^{- 1}

i＝1，2…m；

这里总功率P_c＝tr(QQ^H)，Q_i是各接收信道的信号序列矩阵。

为简化实施方案和提高可执行性，修正功率分配公式为：

p_{1} + \frac{1}{λ_{1}} = p_{2} + \frac{1}{λ_{2}} = p_{m} + \frac{1}{λ_{m}} \cdot \cdot \cdot = \frac{p_{c}}{m} = u;

其中，p_c＝{p₁，p₂，…p_m}为各信道的分配功率，其中u为灌水水平常数，根据***功率确定。

本实施方式的多信道功率分配方案如图4所示。

本发明中，基于Zigbee的以太网无线发射网关采用多天线、多信号通道对无线信号进行发射、处理，保证了数据发射的可靠性与完整性，能够很大程度的提高发射端的数据接收能力、抗干扰能力，进而提高了包括该基于Zigbee的以太网无线发射网关的通讯网络的可靠性与稳定性。

在本发明中，Zigbee基带处理模块可以采用SOC片上***，也可以采用MCU处理单元等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，包括以太网模块、与所述以太网模块输出端相接的协议转换模块、对所述协议转换模块输出数据进行处理的Zigbee基带处理模块、以及接收所述Zigbee基带处理模块输出信号的射频模块；所述射频模块包括至少两天线单元，所述Zigbee基带处理模块包括将所述Zigbee基带处理模块处理数据分割为多个数据链路的多路分解器。

2.根据权利要求1所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述Zigbee基带处理模块为SOC。

3.根据权利要求1所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述Zigbee基带处理模块包括依次连接的扩频器、编码器和调制器，所述多路分解器与所述调制器的输出端相连接。

4.根据权利要求3所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述Zigbee基带处理模块还包括同步输出同步FIFO模块，所述同步FIFO模块连接所述多路分解器的输出端。

5.根据权利要求1所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述射频模块包括D/A转换器，所述D/A转换器与所述天线单元的数目相同。

6.根据权利要求5所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述射频模块还包括功率放大器，所述D/A转换器处理后数据经所述功率放大器放大后输出给所述天线单元。

7.根据权利要求6所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述功率放大器与所述天线单元的数目相同。

8.根据权利要求1所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述Zigbee基带处理模块还包括与所述数据链路相连接的功率分配单元、以及与所述功率分配单元相连接的信道估测单元。

9.根据权利要求1所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述以太网模块包括以太网接口以及以太网控制器，所述以太网控制器连接于所述协议转换模块的输出端，所述以太网接口连接于所述以太网控制器的输出端。

10.根据权利要求1所述的基于Zigbee的以太网无线发射网关，其特征在于，所述协议转换模块包括用于数据处理和数据控制的微处理器、电源模块、用于控制时钟的晶振单元以及用于数据存储的Flash和SDRAM；所述电源模块和所述晶振单元的输出端均与所述微处理器相连接，所述Flash和SDRAM分别与所述微处理器相连接，所述微处理器的输入端与所述Zigbee基带处理模块的输出端相连接。