DE112018005454B4

DE112018005454B4 - Ein ultra-low-power-mesh-netzwerk

Info

Publication number: DE112018005454B4
Application number: DE112018005454.3T
Authority: DE
Inventors: Partha Sarathy Murali; Ajay MANTHA; Nagaraj Reddy ANAKALA; Subba Reddy Kallam; Venkat Mattela
Original assignee: Silicon Laboratories Inc
Current assignee: Silicon Laboratories Inc Austin Us
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2038-11-15
Also published as: US12034551B2; US11665008B2; CN111630902A; US20220209974A1; US20230283491A1; US20190149343A1; US20200336319A1; DE112018005454T5; CN111630902B; US11310063B2; WO2019099555A1; US10742429B2

Abstract

Mesh-Vorrichtung (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 300, 502, 504, 520, 522, 526, 528) zum Empfangen von Paketen, wobei die Mesh-Vorrichtung einen Aufweckempfänger (304, 1204), einen Mesh-Empfänger (308) und einen Sender aufweist (302), wobei der Aufweckempfänger (304, 1204) Aufweck-Frames mit einer ersten und einer zweiten Aufwecksequenz (434; 443) empfängt, die als eine erste (1108) und eine zweite (1110) Bitsequenz aus der Anwesenheit oder Abwesenheit von Hochfrequenz (HF)-Energie gebildet wird;wobei der Aufweckempfänger wirksam ist, um die erste Bitsequenz (1108), gefolgt von der zweiten Bitsequenz (1110) zu empfangen, wobei die erste Bitsequenz eine Empfänger-Fehlalarmrate von 10% oder mehr aufweist, wobei die zweite Bitsequenz (1110) eine höhere Bitrate als die erste Bitsequenz (1108) aufweist, wobei der Aufweckempfänger wirksam ist, um die erste Bitsequenz mit einem ersten Teil eines Aufweckmusters zu vergleichen, und nur dann, wenn die erste Bitsequenz mit dem ersten Teil des Aufweckmusters übereinstimmt, der Aufweckempfänger wirksam ist, um die zweite Bitsequenz mit einem zweiten Teil des Aufweckmusters zu vergleichen und bei einer Übereinstimmung der zweiten Bitsequenz (1110) mit dem zweiten Teil des Aufweckmusters den Mesh-Empfänger zum Empfangen von Paketen gemäß mindestens einem drahtlosen Protokoll zu aktivieren und auch den Sender zu aktivieren;wobei der Sender ein Bestätigungs-(ACK-)Paket an eine Station (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 300, 502, 504, 520, 522, 526) sendet, die das Aufweckpaket sendet;wobei der Mesh-Empfänger drahtlose Pakete empfängt und sie in eine Warteschlange stellt, wonach der Sender ein ACK-Packet sendet und der Mesh-Empfänger wieder in einen Schlafmodus geht.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Stationen und Verfahren zur Bereitstellung einer äußerst energiesparenden Konnektivität in einem Mesh-Netzwerk. Insbesondere stellt die Erfindung eine Ultra-Low-Power-Verbindungstechnik für Stationen bereit, die im Empfangsbereich voneinander positioniert sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Drahtlose Systeme nach dem Stand der Technik wie 802.11 bieten eine Kommunikation, bei der ein zentraler Knoten (ein „Zugangspunkt“) mit anderen Stationen über einen „Infrastrukturmodus“ gekoppelt ist. Diese Art von Infrastruktursystem ist darauf angewiesen, dass der Zugangspunkt ständig mit Strom versorgt wird, und die Stromeinsparung ergibt sich z.B. durch die Verwendung von Access Point Beacon Frames, bei denen der Zugangspunkt periodisch Beacon Frames zu erwarteten Zeiten sendet, so dass die Stationen in entsprechenden Zeitintervallen aufwachen und auf Beacon TDIM Frames hören, die anzeigen, ob Pakete zu dem Zeitpunkt verfügbar sind, an dem sie aus einem Schlafmodus herauskommen. Der Stromverbrauch wird dadurch um einen Faktor reduziert, der dem kleinen Prozentsatz der Zeit entspricht, die die Stationen im Vergleich zum Beacon-Intervall wach sind. Diese Art von Infrastruktur funktioniert gut, wenn der Zugangspunkt von einer externen Stromquelle gespeist werden kann, und erfordert, dass die Stationen innerhalb der Empfangsreichweite des Zugangspunktes gebündelt sind. 1 zeigt ein Beispiel für die Positionierung der Stationen S1 bis S8 und des Zugangspunktes AP1. Die typische Dämpfung der drahtlosen Signale ist wie folgt (2x bedeutet eine Verdoppelung des Trennungsabstands zwischen den Stationen):

Verlust einer Sichtlinie (LOS) 6dB/2x Abstand

Mehrwegeverlust einer LOS in Innenräumen 12dB/2x Abstand

Verlust pro Durchquerung eines Betonboden 15dB/Decke + LOS Verlust in Innenräumen
Demzufolge könnte der Verlust von AP1 bis S1 61 dB, AP1 bis S2 67 dB und AP1 bis S4 71 dB betragen, wenn das Netzwerk von 1A im offenen Raum ohne Barrieren und in der Draufsicht (horizontal im offenen Raum positioniert) untersucht würde, während bei den gleichen Dimensionen, wenn 1A in der Draufsicht mit den Linien, die Betonböden darstellen, und einschließlich des Mehrwegeverlusts in Innenräumen untersucht würde, der Verlust von AP1 bis S1 106 dB, von AP1 bis S2 157 dB und von AP1 bis S3 mehr als 200 dB betragen würde. Wenn das Verbindungsbudget in der Größenordnung von 140 dB liegt, befinden sich die meisten Stationen außerhalb der Reichweite des Zugangspunktes.
Eine andere Art von Netzwerk ist als Mesh-Netzwerk bekannt, bei dem die Stationen jeweils als Peers miteinander kommunizieren. Für hat diese Art von Netztopologie zur Folge, dass S1 mit AP1 und S2, S2 mit S1, S4, S5 und S3 usw. kommuniziert. Für das Mesh-Netzwerk gibt es eine Vielzahl von Überlegungen und Problemen. Ein Problem besteht darin, dass das Netzwerk eine Route von jeder Station zu einem Gateway wie AP1 finden muss, und ein anderes Problem besteht darin, dass es keine zentralisierte Zeitgebung oder Übertragung gibt, wie es der Infrastrukturmodus bietet.
Beide Arten von Netzwerken, Infrastruktur und Mesh, erfordern einen Zugang zum Internet im Allgemeinen, der durch eine als Gateway-Router bezeichnete Funktion bereitgestellt wird. Diese Funktion wird typischerweise über einen Zugangspunkt AP1 der 1A angeboten, oder sie kann alternativ über eine Mesh-Station mit Konnektivität zu einem Gateway-Router angeboten werden.
Batteriegespeiste Systeme nutzen eine endliche Menge an gespeicherter Joule-Energie, so dass das Joule-Produkt aus Leistung * Zeit nur durch eine Reduzierung der Leistung oder eine Reduzierung der Zeit, in der die Leistung verbraucht wird, eingespart werden kann. Betrachtet man das Problem aus der Perspektive einer festen Joule-Quelle und einer gewünschten Batterielebensdauer für eine bestimmte Batteriegröße, so reduziert sich das Problem auf eines von Tastverhältnis und Latenz. In den folgenden Abbildungen des Standes der Technik wird eine feste Quelle von zwei AAA-Batterien verwendet, die
1000 mAh @ 3V liefert. Dementsprechend beträgt die durchschnittliche Stromaufnahme bei 10 Jahren Betrieb aus dieser Speicherquelle maximal 10uA bei 3V, was nun zum Vergleich der Leistung verschiedener Systeme nach dem Stand der Technik herangezogen werden soll.
Nach dem Stand der Technik verwenden batteriegespeiste Netzwerkknoten in der Regel Bluetooth (bei einem typischen Hörstrom (listen current) von 6mA bei 3V), das einen geringeren Stromverbrauch als 802.11-WLAN bietet (bei einem typischen Hörstrom (listen current) von 60mA bei 3V). Für eine Batterielebensdauer von 10 Jahren bei Verwendung von zwei AAA-Batterien und im besten Fall mit synchronen Aufwachintervallen über alle Stationen könnte ein durchschnittlicher Strom von 10 µA bei Bluetooth (ab 5mA Dauerstrom) erreicht werden, indem das Bluetooth-Gerät für periodische und synchronisierte Hörintervalle (listen intervals) über alle Stationen eingeschaltet wird, mit einem Tastverhältnis von 1/500 und einer Einschaltdauer (Hörzeit (listen time)) von 1ms. Der entsprechende Ansatz könnte in WiFi mit einem Tastverhältnis von 1/6000 und einer Einschaltdauer (Hörzeit (listen time)) von 1ms verwendet werden, wobei beide den angegebenen durchschnittlichen Strombedarf von 10 µA erfüllen würden. Die Beschränkung auf 10 Jahre 1 Ah 3V unter Verwendung von zwei AA-Zellen wird als ein grundlegendes Basisbeispiel zum Verständnis der Erfindung und ihrer Vorteile verwendet, andere Kapazitäten der Stromquelle können unter Verwendung dieser Metriken auf die gleiche Weise berechnet werden.
Bei einem Mesh von 4 Stationen, bei dem eine Station mit jeder der vier anderen Stationen checken muss, wobei jeder Check ein Aufwachereignis von 1 ms erfordert, beträgt die Zeit für jeden Sprung (Hop) 1 ms * 500 * 4 = 2 s für Bluetooth und 1 ms * 6000 * 4 = 24 s für WiFi. Dementsprechend haben nur 10 Sprünge (Hops) durch ein Mesh-Netzwerk eine Latenzzeit von 20s (~4 min) für Bluetooth und 4 Minuten für WiFi, was für die meisten Zwecke inakzeptabel ist.
Mit vier Randknoten (die den Durchsatz um 4 reduzieren) und bei einem WiFi-Datendurchsatz von 10 Mbps Spitze (bei 1/6000 Tastverhältnis) und einem Bluetooth-Durchsatz von 250 Kbps (bei 1/500 Tastverhältnis) liefern die obigen Beispiele pro Tag Download-Daten von 18 MB für WiFi und 5,4 MB für Bluetooth, was diese Verwendungen auf sehr geringe Datenübertragungsanwendungen beschränken würde.

Ein weiteres Problem des Standes der Technik besteht darin, dass bei sich dynamisch verändernden Netzwerken ein erheblicher Stromverbrauch durch HF Advertising entsteht, im Falle von Bluetooth (Bluetooth Low Energy, bekannt als BLE), bei dem das Slave-Gerät ein Advertising-Intervall hat und das Master-Gerät ein Scan-Fenster und ein Scan-Intervall hat. Wie die untenstehende Tabelle zeigt, erfordern kurze Bluetooth-Verbindungszeiten, dass sowohl das Advertising-Fenster als auch das Scan-Intervall kurz sein müssen, was den Batterieverbrauch stark erhöht. Bei Bluetooth Long Range (BLR) wird das Problem gegenüber BLE durch die erhöhten BLR-Senderahmen und die Forderung nach einem niedrigen Tastverhältnis noch verschärft.

Advertising-Intervall (ms)	Scan- Fenster (ms)	Scan-Intervall (ms)	Durchschnittliche Verbindungszeit (s)	99% Verbindungszeit (s)
30	30	30	.02	0.04
60	30	30	.03	0.07
100	30	30	.06	0.11
30	11.25	1280	2.71	12.8
60	11.25	1280	5.54	23.04
100	11.25	1280	8.92	35.84
1280	30	30	0.67	1.37
1280	11.25	1280	162.5	323.84

Es ist erwünscht, eine Vorrichtung und ein Verfahren für Ultra-Low-Power-Mesh-Netzwerke bereitzustellen, die eine bidirektionale Konnektivität von einer Vielzahl von Peer-Stationen zu einem Gateway-Router mit einer höheren Datenrate als nach dem Stand der Technik ermöglichen.
Die Druckschrift WO 2018 / 040 909 A1 betrifft ein Verfahren zum Aufwecken eines Funkkommunikationsmoduls (RCM) einer Station mit einem Aufweckempfänger. Das Verfahren umfasst: Empfangen eines Aufwecksignals mit dem Aufweckempfänger; Aufwecken des RCM aus einem Schlafmodus; Übertragen eines zweiten Rahmens, wenn ein erster Rahmen innerhalb einer bestimmten Zeit nach dem Aufwecken des RCM empfangen wird und wenn eine Integrität des ersten Rahmens erfolgreich verifiziert wird; und Setzen des RCM in den Schlafmodus und des Weckempfängers in einen aktiven Modus, wenn der erste Rahmen nicht innerhalb der spezifizierten Zeit nach dem Aufwecken des RCM empfangen wird oder wenn der erste Rahmen innerhalb der spezifizierten Zeit nach dem Aufwecken des RCM empfangen wird, aber die Integrität des ersten Rahmens nicht erfolgreich verifiziert wird.
GEGENSTÄNDE DER ERFINDUNG
Ein erster Gegenstand der Erfindung ist eine Mesh-Vorrichtung und ein Verfahren zum Empfangen von Paketen, wobei die Mesh-Vorrichtung einen Aufweckempfänger und einen Mesh-Empfänger aufweist, wobei der Aufweckempfänger Aufweckrahmen empfängt, die optional ein erstes Aufwecksegment und ein zweites Aufwecksegment, gefolgt von einem optionalen Befehlsteil, umfassen, wobei der Aufweckempfänger die Aufwecksegmente mit entsprechenden Mustern vergleicht, und wenn die Aufwecksegmente mit den entsprechenden Mustern übereinstimmen, den Befehlsteil optional untersucht, wobei der Maschenempfänger danach aufweckt und WLAN-Pakete zulässt, der Mesh-Empfänger danach Pakete empfängt und sie in eine Warteschlange stellt, der Mesh-Empfänger danach eine Aufwachsequenz sendet, die an einen entfernten Knoten des Meshs basierend auf einem Routingziel gerichtet ist, der Knoten die Pakete von der Empfangswarteschlange überträgt und danach nach Bestätigung des Empfangs durch den entfernten Knoten wieder in einen Schlafmodus übergeht.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist eine Mesh-Vorrichtung und ein Verfahren zum Übertragen von Paketen, wobei die Mesh-Vorrichtung einen Sender in einem Aufweck-Sendemodus aufweist, der ein ganzes Paket sendet, um jeden 1-Wert zu bilden, und während eines Aufweck-Sendeintervalls für ein gleiches Zeitintervall nicht sendet, um einen 0-Wert zu bilden, um eine Sequenz von 1- und 0-Werten zu senden, die eine Aufweck-Sequenz bilden, nachdem eine entfernte Mesh-Station als Antwort auf die Aufweck-Sequenz aufgeweckt und mit einer Bestätigung geantwortet hat, wobei der Sender danach in einem Mesh-Sendemodus wirksam ist, um WLAN-Pakete zu senden, und nach Beendigung zurück in den Schlaf geht.
Ein dritter Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für Ultra-Low-Power-Kommunikationen, die auf einer Mesh-Vorrichtung mit einem Aufwecksender wirksam ist, wobei der Aufwecksender periodisch eine Aufwecksequenz aus 1en und 0en sendet, wobei jede 1 aus der Übertragung eines gesamten WLAN-Pakets gebildet wird und jede 0 durch Nicht-Übertragung während eines der Dauer eines WLAN-Pakets entsprechenden Intervalls gebildet wird, wobei die entfernte Station die Aufwecksequenz durch Senden eines Bestätigungspakets bestätigt.
Ein vierter Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Senden einer Aufwecksequenz an eine entfernte Station unter Verwendung eines WLAN-Senders, wobei der WLAN-Sender eine erste Sequenz aus 1en und 0en sendet, wobei jede 1 aus einem gesamten WLAN-Paket oder HF-Tastung (RF-Keying) gebildet wird und jede 0 durch ein Intervall der Nicht-Übertragung mit einer Dauer gleich der Dauer eines WLAN-Pakets gebildet wird, wobei das WLAN danach eine zweite Sequenz von 1en und 0en sendet, wobei jede 1 aus einem gesamten WLAN-Paket oder HF-Tastung (RF-Keying) gebildet wird, das/die kürzer als ein WLAN-Paket oder HF-Tastung (RF-Keying) der ersten Sequenz ist, und jede 0 durch ein Intervall der Nicht-Übertragung gebildet wird, das gleich der Dauer eines WLAN-Pakets der zweiten Sequenz ist.
Ein fünfter Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für Ultra-Low-Power-Kommunikationen, die auf einer Mesh-Vorrichtung mit einem Aufweckempfänger wirksam ist, wobei der Aufweckempfänger kontinuierlich und wirksam ist, um ein erstes Muster aus 1en und 0en zu erfassen, das aus ganzen WLAN-Paketen gebildet ist, gefolgt von einem zweiten Muster aus 1en und 0en, das aus ganzen WLAN-Paketen von kürzerer Dauer als die WLAN-Pakete des ersten Musters gebildet ist, wobei der Aufweckempfänger wirksam ist, um die erste Sequenz und die zweite Sequenz zu hören, wenn die erste Sequenz und die zweite Sequenz mit entsprechenden Schablonenmustern übereinstimmen, wobei der Aufweckempfänger als nächstes eine Unicast- oder Broadcast-Adresse und einen optionalen Befehl empfängt, der eine Kanalzuweisung oder Protokollzuweisung für einen empfangenden Mesh-Knoten enthält.
Kurzdarstellung DER ERFINDUNG
Ein als „Wake-Fi™“ bekannter Mesh-Netzwerkknoten verfügt über einen Sender, der in einem Aufweckmodus und einem Mesh-Sendemodus wirksam ist. In einem Aufweck-Sendemodus sendet der Knoten periodisch eine Aufwecksequenz an umgebende Mesh-Netzwerkknoten, die entweder knotenspezifisch (Unicast) oder universell (Broadcast) ist, wobei die Aufwecksequenz wirksam ist, um mindestens einen umgebenden Mesh-Netzwerkknoten zu aktivieren. Die Aufwecksequenz könnte auch einen optionalen Befehl enthalten, wie z.B. eine Mesh-Protokoll-Zuweisung, die den nachfolgenden Kommunikationen die Verwendung eines der 802.11-WLAN-Protokolle, des Bluetooth-Low-Energy-Protokolls, des Bluetooth-Lang-Range-Protokolls oder des Zigbee-Protokolls zuweist oder eine Kanalsprungzuweisung (channel hopping assignement), Frequenzzuweisung oder Kanalzuweisung zur Verwendung in nachfolgenden Kommunikationen enthält. Der Knoten überträgt das Aufweckmuster als eine Sequenz aus einer Reihe von 1- und 0-Werten unter Verwendung eines Low-Power-HF-Senders, um die Aufwecksequenz zu bilden, wobei jede 1 aus einem gesamten drahtlosen Paket fester Länge gebildet wird, wobei ein einzelnes Paket einen 1-Wert darstellt und die Abwesenheit der Übertragung einen 0-Wert darstellt und von gleicher Dauer wie das Paket des 1-Werts ist. Die für die Aufwecksequenz erzeugte HF muss keine Präzisionsfrequenz sein oder aus einem Paket gebildet werden, sondern einfach HF, die gemischt, gleichgerichtet und detektiert werden kann, wie z.B. HF von einem Ringoszillator oder einem anderen einfachen Low-Power-Verfahren. Die Aufwecksequenz hat optional eine erste eindeutige Sequenz, die mit einer niedrigen Datenrate übertragen wird, und eine zweite Sequenz, die mit einer vergleichsweise höheren Datenrate übertragen wird. Alternativ kann die Aufwachsequenz eine eindeutige Sequenz sein, die mit dem Aufwachmuster für mindestens einen umgebenden Knoten übereinstimmt. Nach der Bestätigung des Aufweckmusters mit einem drahtlosen Paket kann der Sender danach WLAN-Pakete zur Weiterleitung durch das Mesh-Netz senden.
Jeder Mesh-Netzwerkknoten verfügt auch über einen Ultra-Low-Power-Empfänger, der die Aufwachsequenz empfängt, die aus ganzen Paketen gebildet wird, die von einem anderen Mesh-Knoten übertragen werden. Nach Empfang der Aufwecksequenz und aller nachfolgenden optionalen Befehle weckt der Knoten auf und sendet eine Bestätigung als WLAN-Paket in einem Mesh-Übertragungsmodus. Nach dem Empfang des passenden Aufweckmusters schaltet der Mesh-Netzwerkknoten einen voll ausgestatteten Empfänger ein und empfängt und puffert alle folgenden Pakete, bestätigt den Empfang und schaltet sich bis zu einem nachfolgenden Sendeereignis zum Senden der Pakete durch das Mesh-Netzwerk aus.
In einem Advertising-Modus sendet jeder Mesh-Netzwerkknoten eine kurze periodische Advertisement aus, die alle umgebenden Stationen empfangen und zur Aktualisierung ihrer Konnektivitätstabelle verwenden, um die entsprechende Leistungsstufe der empfangenen Advertisement anzuzeigen.
In einem Kommunikationsmodus, wenn der Mesh-Netzwerkknoten Daten zu übertragen oder weiterzuleiten hat, bestimmt der Mesh-Knoten, welcher Mesh-Knoten sich auf dem besten Weg befindet und bester Empfänger ist, und wählt optional eine Mesh-Station aus, um den Stromverbrauch oder die Ressourcenauslastung auszugleichen, indem er eine Tabelle mit nahegelegenen Stationen verwendet, die für jede nahegelegene Station eine Signalstärke, ggf. die Anzahl der Sprünge (hops) zu einem Gateway, den Ladezustand der Batterie (um eine gleichmäßige Auslastung aller Geräte im Mesh zu gewährleisten) anzeigt, und den Aufwecksender veranlasst, einen Aufweck-Frame zu senden, der die Adresse oder das Aufweckmuster der nächsten Station enthält. Wenn der Mesh-Netzwerkknoten eine Bestätigung für die Aufwecksequenz von der entfernten Station empfängt (die unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsprotokolls wie WLAN, Bluetooth, Zigbee gesendet wurde), überträgt der Mesh-Netzwerkknoten einen oder mehrere Hochgeschwindigkeitsprotokoll-Frames (WLAN, Bluetooth, Zigbee) an die Zielstation.
Entweder periodisch mit der Übertragung von Advertising-Sequenzmustern (die von allen Stationen empfangen werden) oder alternativ, wenn der Aufweckempfänger des Mesh-Netzknotens eine Aufwecksequenz von einer benachbarten Station empfängt, prüft der Aufweckempfänger, ob sich die sendende Station in einer aktuellen Liste von Stationen befindet, und fügt entweder die benachbarte Station zur Liste der Stationen hinzu oder aktualisiert einen vorhandenen Eintrag für diese benachbarte Station, wobei die Liste der Stationen durch eine Kennung der fernen Station geordnet ist. Optional enthält die sendende Station eine Metrik, die ihre Entfernung von einem Gateway, ihren Ladezustand (SOC) und alle anderen Informationen angibt, die in den eigenen Ankündigungen Advertisements des Knotens an andere Knoten für ihre Entfernung zum Gateway und SOC-Informationen zur Berechnung von Routenmetriken verwendet werden, indem für den Fall der Gateway-Entfernung zur Anzahl der Sprünge (Hops) zum Gateway der Wert Eins hinzugefügt wird.
Figurenliste

1A zeigt die Positionen einer Gateway-Station und einer Vielzahl von Stationen entweder in einer Draufsicht ohne Barrieren oder alternativ eine Höhenansicht von Stationen in einem Gebäude.
1B zeigt ein Blockdiagramm einer Vielzahl von Stationen in einem Mesh-Netzwerk.
2A und 2B zeigen die Liste der Stationen, die von jedem der Knoten in 1B verwaltet werden.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Mesh-Knoten.
4 zeigt Wellenformen für die Sequenz von Übertragungen per einem Aufwecksender eines Knotens von 3.
4A, 4B und 4C zeigen Wellenformen für abwechselnde Aufweck-Sendesequenzen.
5A zeigt ein Zeitsequenzdiagramm für eine erste Mesh-Station, die an eine zweite Mesh-Station sendet.
5B zeigt eine Zeitsequenz für Daten, die das Mesh-Netzwerk von 1B durchlaufen.
Die 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G zeigen Zeitdiagramme für die Bewegung von Daten durch drei Stationen.
7 zeigt ein Flussdiagramm für einen Aufwachempfängerprozess.
8 zeigt ein Flussdiagramm für einen Aufwecksenderprozess.
9 zeigt ein Flussdiagramm für einen Mesh-Empfänger-Prozess.
10A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung von Netzknoten für die Paketzustellung und -verfolgung.
10A-1 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften Wohnsitz von 10A.
10B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wohngegend mit Verbraucher-Tags zur Überwachung und Verfolgung von Gegenständen.
10C zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wohngegend mit Infrastruktur-Tags zur intelligenten Stadtüberwachung von Versorgungseinrichtungen und Wohngegenständen.
10D zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wohngegend in einer intelligenten Stadtkonfiguration der Erfindung.
10E zeigt eine Draufsicht auf mehrere Wohnungen in einem Mesh-Netzwerk.
11A zeigt ein Zeitdiagramm für eine beispielhafte hierarchische erste und zweite Aufwecksequenz.
11B zeigt eine Tabelle der Fehlalarmraten für die erste und zweite Aufwecksequenz von 11A.
12 zeigt ein Beispiel-Blockdiagramm für einen Aufweckempfänger gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12A zeigt ein Blockdiagramm eines sicheren Aufwachmustergenerators zur Verwendung in einem Sender und einem Empfänger.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1B zeigt ein Beispiel eines Mesh-Netzes, das aus Mesh-Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Jede der Mesh-Stationen M1 102, M2 104, M3 106, M4 108, M5 110, M6 112, M7 114, M8 116 ist als 300 in dargestellt, die den Aufweck-Empfangsprozessor 304 zum Aufwecken des Mesh-Empfangsprozessors 308 aus einer HF-Sequenz und den Sendeprozessor 302 enthält, der in einem Aufweck-Sendemodus wirksam ist, um eine Aufwecksequenz, die aus getasteten HF-Mustern (oder alternativ aus ganzen WLAN-Paketen) als eine Sequenz von „1“-Werten für ein ganzes Paket oder eine HF-Dauer oder „0“, wenn für ein gleiches Zeitintervall nicht gesendet wird, gebildet wird, zu senden, wobei diese Sequenz an umgebende Mesh-Stationen als HF gesendet wird. In einem Mesh-Übertragungsmodus kann der Sendeprozessor 302 ACK- und Datenpakete als IEEE 802.11ac, IEEE 802.11n, IEEE 802.11g oder ein beliebiges IEEE 802.11 Frame-Format übertragen, oder er kann ACK- und Datenpakete als Zigbee übertragen, oder er kann ACK und Datenpakete als Bluetooth-Pakete, entweder als BLE- oder BLR-Pakete, übertragen.
Jede Station führt eine Liste benachbarter Stationen als Einträge, wobei jeder Eintrag mit dem zugehörigen Link als Referenz angezeigt wird, der Eintrag eine Bezeichnung der entfernten Station, eine Signalstärke für diese entfernte Station, einen Ladezustand (State of Charge, SOC), der die verbleibende Batterielebensdauer angibt, und eine Gateway-Pfadnummer (Gateway Path Number, GPn) enthält, die angibt, wie viele Sprünge (hops) zu einem entfernten Gateway erfolgen. Aus diesen Einträgen kann eine Metrik gebildet werden, die einen besten Routing-Pfad angibt, der auch sicherstellt, dass alle Mesh-Station-Batterien über die Lebensdauer der Mesh-Stationen gleichmäßig entleert werden. Die und zeigen eine beispielhafte Liste von Einträgen für jede Station M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7 und M8. Beim Empfang eines Aufweck-Frames von einer benachbarten Mesh-Station weckt sich die Empfangsstation auf und stellt sich optional auf ein bestimmtes drahtloses Protokoll ein (802. 11, Zigbee, Bluetooth) auf einem bestimmten Frequenzkanal oder zeitlichen Kanal, sendet ein ACK-Paket an die Aufweck-Sendestation unter Verwendung des ausgewählten Protokolls und Kanals, das optional die Aufweck-Sequenz begleitete, aktiviert ihren Mesh-Empfänger für das ausgewählte Protokoll und den ausgewählten Kanal, empfängt die gesendeten Frames von der sendenden Mesh-Station, stellt sie in eine Warteschlange und geht entweder zurück in den Schlafmodus oder sendet die an die vorgesehene nächste Mesh-Station gerichtete Aufweck-Sequenz entsprechend den Routing-Anweisungen, die sie aus ihrem eigenen Satz von Routingtabellen und allen Adressinformationen in den empfangenen Paketen ableitet.
4 zeigt ein Zeitdiagramm für ein Mesh-Übertragungsprotokoll nach einem Beispiel der Erfindung. Jede Mesh-Vorrichtung M1 bis M8 arbeitet autonom von jeder anderen Mesh-Vorrichtung. Wie zuvor für 3 beschrieben, verfügt jede Mesh-Vorrichtung über einen Aufwecksender zum Senden eines Aufweckmusters an umgebende Mesh-Vorrichtungen, wobei die Aufweckmeldung eine Aufwecksequenz von 1en und 0en umfasst, die aus einem Paket bzw. einer Paketlücke oder eines getasteten HF besteht, wobei auf jede dieser Sequenzen optional ein Befehl zum Einrichten von Protokoll, Kanal und allen anderen Parametern für die nachfolgenden Kommunikationen unter Verwendung des Mesh-Senders und des Mesh-Empfängers folgt, beginnend mit dem Mesh-Sender, der als Antwort auf seine Aufwecksequenz eine ACK an die Sendestation sendet.
Zu einem Zeitpunkt, zu dem eine Mesh-Vorrichtungen Daten an eine andere Station zu übertragen hat, sendet der Aufwecksender der Mesh-Vorrichtung eine Aufwecksequenz, wobei er ein ganzes Paket der Länge n verwendet, um einen Wert „1“ zu bilden, und für eine gleiche Zeitdauer nichts sendet, um einen Wert „0“ zu bilden. Durch Senden einer Sequenz von Paketen („1“-Wert) und Lücken („0“-Wert) kann die Wecksequenz gesendet werden, die optional nur eine Wecksequenz sein kann, die für alle Mesh-Stationen universell ist (z.B. so dass jede Station ihre Tabelle der Nachbarstationen erstellen oder aktualisieren kann), oder die Wecksequenz kann ein erstes Segment und ein zweites Segment mit unterschiedlichen Datenraten enthalten, oder es kann optional ein Befehl auf die Wecksequenz folgen, der das zuvor verwendete Protokoll als das danach zu verwendete Protokoll und die zuvor verwendeten Kanäle als die danach zu verwendeten Kanäle festlegt.
In einer hierarchischen Aufwachsequenz kann die Aufwachsequenz zwei oder mehr Aufwachsequenzen mit unterschiedlichen Bitintervallzeiten umfassen, z.B. kann die Aufwachsequenz eine erste Aufwachsequenz mit niedriger Rate umfassen, gefolgt von einer Aufwachsequenz mit höherer Rate, die jeweils aus einer Sequenz von Paketen und Lücken, wie zuvor beschrieben, gebildet werden, wobei jede 1 oder 0 einer nachfolgenden Aufwachsequenz eine 1 oder 0 Bitdauer t von t/2, t/4, t/8 oder t/16 im Vergleich zu der 1 oder 0 einer vorhergehenden Sequenz aufweist. Zum Beispiel könnte die Aufwecksequenz insgesamt 2 ms betragen, d.h. 8 Bits in 1 ms, gefolgt von 64 Bits in 1 ms. In einem anderen Beispiel der hierarchischen Aufwachsequenz könnte die erste Aufwachsequenz eine universelle Sequenz von 1en und 0en für das erste Aufwecksegment sein, gefolgt von einer zweiten Aufwachsequenz mit höherer Rate, wobei die zweite Aufwachsequenz eine für eine bestimmte Ziel-Mesh-Station spezifische Adresse enthält. Der Vorteil der hierarchischen Aufwecksequenz besteht darin, dass eine empfangende Mesh-Vorrichtung mit einer vergleichsweise niedrigen Rate abtasten kann, bis sie erfasst, dass eine Mesh-Station senden will, und danach das zweite Aufwecksegment mit einer höheren Abtastrate untersucht, um festzustellen, ob seine Adresse in der zweiten Aufwecksequenz spezifiziert ist und dass es aufwachen soll. Der hierarchische Ansatz für Aufwachsequenzen hat gegenüber dem ständigen Betrieb mit einer hohen Abtastrate Energieeinsparungsvorteile. Die Aufwecksequenzen können von einer Mesh-Station in regelmäßigen Abständen übertragen werden, z.B. einmal pro Sekunde oder einmal pro 0,1 Sekunde, oder dynamisch an die Verkehrs- oder Nutzungsrate angepasst werden.
11A zeigt ein Beispiel für eine hierarchische Aufwachsequenz, bei der nach dem Kanalrauschen 1107 eine erste Aufwachsequenz empfangen wird, die 1 ms lang ist und aus 8 Bits besteht, die mit einer Rate von 125µs pro Bit und mit einer ersten Sequenz-Fehlalarmrate (FAR) von 10% über die 8-Bit-Sequenz übertragen werden, was bedeutet, dass das eingehende Muster kreuzkorreliert wird, um eine Kreuzkorrelationssumme zu bilden, die mit einem Schwellenwert corr_threshold verglichen wird. In diesem Beispiel kann die erste 8-Bit-Aufwecksequenz 1108 mit einem universellen 8-Bit-Aufweckmuster kreuzkorreliert werden, wobei die Kreuzkorrelation eine +1 für jede Bit-Übereinstimmung und eine 0 für jede Nichtübereinstimmung erzeugt, wobei das Ergebnis am Ende der Kreuzkorrelation mit dem corr_threshold verglichen wird, um einen Trigger zu erzeugen, der den Aufweckprozessor anweist, die Abtastung der zweiten 1ms fortzusetzen, jedoch mit einer 8x höheren Abtastrate (und entsprechend höherem Stromverbrauch). Die anfänglich auf 125 µs eingestellte Abtastrate hat eine vorteilhaft niedrige Stromaufnahme, während die höhere Abtastrate und höhere Stromaufnahme nur dann auftritt, wenn der Schwellenwert für die Kreuzkorrelation der ersten Sequenz überschritten wird, wobei der Schwellenwert auf beispielsweise 10% FAR (Rate der falschen Erkennung der ersten Aufwecksequenz) eingestellt ist. Der Schwellwert corr_threshold kann je nach gewünschter Systemleistung zu höheren oder niedrigeren Fehlalarmraten variiert werden. Wenn die erste Aufwecksequenz nicht mit dem von der Vorrichtung gespeicherten Aufweckmuster übereinstimmt, fährt die Vorrichtung mit der Abtastrate von 1 ms fort, bis es eine Übereinstimmung findet. Die Stromaufnahme während der Zeit der Suche nach der passenden 8-Bit-Sequenz hat eine vorteilhaft niedrige Stromaufnahme von nur 1uA, und die erste 8-Bit-Sequenz 1108 kann ein gemeinsames Muster sein, das von allen Vorrichtungen erkannt wird. Die zweite Sequenz 1110 hat ebenfalls eine Dauer von 1ms und wird als 64 Bit bei 15,6 µs pro Bit übertragen, was zu einer 8-fachen Stromaufnahme während der zweiten Aufwecksequenz bei 8 µA führt. Wenn die zweite Aufwachsequenz nicht mit dem Aufwachmuster übereinstimmt (das die vorrichtungsspezifische Adresse oder die Multi-Cast-Adresse enthalten kann), kehrt die Vorrichtung zur niedrigeren Abtastrate der Suche nach der ersten Aufwachsequenz zurück. Dementsprechend haben die 64 Bits der zweiten Sequenz eine niedrige Fehlalarmrate von 10^-8, wodurch sichergestellt wird, dass, wenn nur 20% der Aufwachsequenz (der ersten und der zweiten Sequenz) an eine bestimmte Station gerichtet sind, der Stromverbrauch für diese Station dadurch 1 µA für 80% der Zeit und 8µA für 20% der Zeit beträgt, was zu einem durchschnittlichen Strom von 2,6 µA führt. Dies ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Fall, in dem ein einziges Aufweckmuster von 64 Bit verwendet wird, was zu einer Stromaufnahme von 8 µA für die Aufwecksequenz führt. In einem Beispiel für eine hierarchische Ausführungsform beträgt die erste Aufwachsequenz 8 Bits in 1ms und enthält keine Pseudozufallssequenz, wie in U.S. Pat. Nr. 9,477,292 beschrieben, das durch Verweis in ihrer Gesamtheit enthalten ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Aufwachsequenz 64 Bit lang, und mindestens ein Teil der zweiten Aufwachsequenz ist zeitverschlüsselt, so dass eine Sequenz möglicher nächster Pseudozufallssequenzen für das Aufwecken autokorreliert wird. Zusätzlich kann die zweite Aufwecksequenz eine Unicast-Adresse für ein einzelne Vorrichtung und eine Broadcast-Adresse für mehrere Vorrichtungen enthalten, und auf die zweite Aufwachsequenz können zusätzliche Befehle folgen, einschließlich einer Kanal- oder Protokollzuweisung.
Da die Bitrate des eingehenden Aufwachmusters sehr niedrig ist, kann der HF-Aufweckempfänger mit einer Rate der Bitrate der abgetasteten Bitsequenz ein- und ausgeschaltet werden. Für das vorliegende Beispiel mit 8 Bits in 1 ms gefolgt von 64 Bits in 1 ms kann der Empfänger wiederholt mit einer Rate von 8 kHz während des ersten Intervalls und 64 kHz während des zweiten Intervalls ein- und ausgeschaltet werden, wobei jeder Abtastwert zur Bildung eines laufenden Kreuzkorrelationsergebnisses mit dem Aufweckmuster verwendet wird, wie in U.S. Pat. Nr. 9,477,292 beschrieben.
Bei der Übertragung von Aufweckmustern im Zusammenhang mit Zugangspunkten (AP) nach dem Stand der Technik und anderen Geräten, die vor der vorliegenden Erfindung geschaffen wurden, besteht ein besonderer Vorteil des AufweckSender-Modus 302 darin, dass jede vorhandene WiFi-Vorrichtung nach dem Stand der Technik, dessen Firmware aktualisiert werden kann, Aufweckpakete gemäß der vorliegenden Erfindung bilden kann, da WLAN-Pakete mit beliebigem Dateninhalt leicht zu einer Aufwachsequenz geformt werden können, wobei die zur Bildung des „1“-Musters gewählte Paketlänge und die Nicht-Übertragung das „0“-Muster der ersten und zweiten Aufwecksequenz bilden, und sowohl die Mesh-Vorrichtung als auch die dem Stand der Technik entsprechende WiFi-Vorrichtung bereits vollständig zur Kommunikation unter Verwendung der dem Stand der Technik entsprechenden WLAN-Methoden und -Standards in der Lage sind, sobald die Mesh-Vorrichtung aufgewacht ist. Auf diese Weise kann die Firmware der WLAN-Vorrichtung nach dem Stand der Technik leicht aktualisiert werden, um die Aufwecksequenz als eine Reihe von Paketen und Paketlücken zu übertragen.
Die Wellenform 402 der 4 zeigt eine beispielhafte Aufwecksequenz, bei der die Aufwecksequenz in regelmäßigen Abständen für Mesh-Knoten-Advertisements (mesh node advertisements) übertragen wird, z. B. von 404 bis 406, von 408 bis 410 und von 412 bis 414, oder auf Bedarfsbasis, wenn ein Knoten Daten durch das Mesh zu übertragen hat. Alternativ können die Aufweckübertragungen mit einer seltenen Rate und danach auf einer Bedarfsbasis erfolgen, wenn Daten empfangen wurden, die an eine nachfolgende Mesh-Station weitergeleitet werden sollen.
Eine erweiterte Ansicht einer Aufwecksequenz 404 bis 406 ist in einer Wellenform 420 von 4A dargestellt, wobei jeder „1“-Wert 422 und 426 beispielsweise durch ein ganzes WLAN-Paket (von der Präambel bis zum CRC) gebildet wird und jeder „0“-Wert 424 dadurch gebildet wird, dass der Aufwecksender für die gleiche Zeitdauer wie die Zeitdauer des „1“-Wertepakets still bleibt, wobei die „1“-Werte und „0“-Werte in jeder Sequenz jeweils eine einheitliche Zeitlänge haben, wie zuvor beschrieben. Wellenform 420 zeigt eine einzelne Aufwecksequenz 434, wobei die Aufwecksequenz eine eindeutige Adresse für eine Empfangsstation (bei einer Unicast-Übertragung) oder eine gemeinsame Adresse für alle Stationen (bei einer Broadcast-Nachricht) ist.
Die Wellenform 440 von 4B zeigt eine Ausführungsform einer hierarchischen Aufwecksequenz, wobei die Aufwecksequenz 443 eine erste Aufwecksequenz 442 gefolgt von einer zweiten Aufwecksequenz 456 mit höherer Rate umfasst. Optionale Befehle 458 können für die Protokoll- und Kanalauswahl folgen, wie zuvor beschrieben.
4C zeigt eine weitere Variation, bei der die Aufwecksequenz 469 für alle Mesh-Stationen identisch sein kann und optional von einer Vorrichtungsadresse (Unicast oder Broadcast) 478 gefolgt werden kann und ebenfalls optional die Befehle 480 enthält.
5A zeigt ein Zeitdiagramm für Mesh-Stationen A 502, die unter Verwendung eines WLAN-Protokolls und vordefinierter Kanalzuweisungen Daten an die Mesh-Station B 504 senden. Station A 502 beginnt mit dem Senden einer Aufwecksequenz (1en und 0en als WLAN-Paket/Stille vom Aufwecksender 302 von 3) an die umliegenden Stationen. Station B hat eine Adresse, die der von Station A 502 gesendeten Aufwecksequenz entspricht, und antwortet mit einem Aufwecken während des Intervalls 508, aktiviert ihren Mesh-Sender für WLAN-Pakete und sendet eine Bestätigung 510 an Station A, die ebenfalls aufgeweckt wurde, um die Bestätigung als WLAN-Paket zu empfangen. Die Mesh-Station 502 sendet Pakete 512, die von Station B 504 bestätigt 514 werden, und Station A geht in einem Niedrigverbrauchsmodus zurück in den Schlafmodus und reagiert nur auf Aufweckpakete, die sie von umliegenden Stationen empfangen kann, wobei das Aufweckpaket so gebildet wird, dass es die Adresse von STN A enthält.
5B zeigt ein Zeitdiagramm für Mesh-Kommunikationen, wobei sich die Sequenz von 5A bei jedem Ereignis für Station M8 520 wiederholt, die Pakete über die Mesh-Station an GW1 528 sendet. Die Sequenz der Aufwecksequenz 530, WLAN ACK 532, WLAN-Daten 534 und WLAN ACK 536 vervollständigt die Übertragung von Mesh-Station M8 bis M5 522. M5 522 sendet vor oder nach dem Senden von ACK 536 an M8 ein Aufweckpaket 538 an M2, das die gleiche WLAN-ACK-Sequenz von 540, TX DATA 542 und WLAN ACK 544 bei der Übertragung von M5 nach M2 initiiert. Die Übertragung von M2 nach M1 erfolgt in ähnlicher Weise beginnend mit Aufwecksequenz 546, und Mesh-Übertragungsprotokoll 550 sendet Hochgeschwindigkeitsdaten von M2 nach M1 unter Verwendung eines der beschriebenen Protokolle. Die Daten von der Mesh-Station M1 526 zum Gateway 528 werden im letzten Schritt erreicht, wobei das Gateway 528 durch Paket 554 aufgewacht werden kann, das als WLAN-Paket 556 bestätigt wird, und die Daten werden übertragen 558 und bestätigt 560.
6A bis 6G zeigt eine Zeitsequenz, die der Bewegung der Daten von M8 nach M5 und von M5 nach M2 von 5B entspricht. Die Wellenform 602 zeigt die Aufwecksequenz, die von 620 bis 622 an M5 gesendet und von M5 als Wellenform 604 empfangen wird. Sie zeigt das Empfangsereignis von 624 bis 626 der 1 und 0 Aufwecksequenz, die von Zeit 628 bis 630 bestätigt wird, gefolgt von der Datenübertragung von 632 bis 634, die die entfernte Station von 646 bis 648 bestätigt, was die Station M5 veranlasst, M2 von 640-642 aufzuwecken, wodurch der kanonische Zyklus von Aufwecken, Bestätigen, Datenübertragung, Bestätigen und Aufwecken der nächsten Station beendet wird, wie die Transaktionen von 601 (vertikale Achse) zeigen.
In einem Beispiel kann das Mesh-Netzwerk für den Betrieb als lokales Mesh konfiguriert werden (wie das Paketauslieferungsbeispiel in 10A, bei dem die Mesh-Station des Pakets über eine kurze Distanz mit einem nahegelegenen Lagerzugangspunkt 1027, einer Drohnen-Mesh-Station, einer Lieferwagen-Mesh-Station oder einer Residenz-Mesh-Station gekoppelt ist. In einem anderen Beispiel kann das Mesh-Netzwerk für Verbindungen mit größerer Reichweite konfiguriert werden, z.B. bei Verwendung als Nachbarschafts-Mesh von 10B oder als intelligente Stadt von 10C.
Für ein lokales Mesh erfordert der Aufweckempfänger Empfangsempfindlichkeiten, die denen ähnlich sind, die im WLAN IEEE-Standard 802.11n, 802.11ac, ZigBee oder Bluetooth verwendet werden, mit einer Empfängerempfindlichkeit für ein Verbindungsbudget von etwa 100-110dB, was eine Sendeleistung von etwa 10-20dBm und eine Empfängerempfindlichkeit von etwa -85 bis -95dBm impliziert. Der Abstand zwischen den Stationen in jedem Sprung (hop) einer lokalen Mesh-Station beträgt typischerweise 30 m - 200 m, je nach Hindernissen auf dem Weg. In einem Nachbarschafts-Mesh mit längeren Verbindungsabständen werden höhere Empfindlichkeiten ähnlich wie bei WLAN IEEE 802.11ah oder dem Bluetooth Long Range-Protokoll mit einem Verbindungsbudget von etwa 125-140dB verwendet, was eine Sendeleistung von 10-25dBm und eine Empfängerempfindlichkeit von -105 bis -120dBm bedeutet. Bei Verwendung dieser Metriken kann jeder Sprung im Nachbarschafts-Mesh typischerweise 200m bis 2km erreichen, abhängig von der Mehrweg-Reflexion und Pfadhindernissen.
Außerdem ist bei einem Nachbarschafts-Mesh die Anforderung an die Empfängerempfindlichkeit größer als bei einer lokalen Mesh-Konfiguration. Die erhöhte Empfängerempfindlichkeit für das Nachbarschafts-Mesh wird durch die Verwendung eines Empfängers mit geringerer Rauschzahl, größerem Antennengewinn und engeren Empfängerbandbreiten von etwa 100 kHz bis 400 kHz erreicht, wohingegen der Aufweckempfänger, der mit einer lokalen Mesh-Konfiguration funktioniert, eine lockere Empfangsbandbreite von etwa 2 MHz bis 10 MHz haben kann. Bei der Mesh-Kommunikation wird die Empfangsbandbreite typischerweise durch Mischen der empfangenen HF auf eine Zwischenfrequenz (ZF) und Filtern dieser Frequenz und anschließender Basisbandumwandlung der ZF erreicht. Im Falle des HF-Aufweckempfängers reicht es aus, wenn dieser die eingehende HF in eine Zwischenfrequenz umwandelt, die bei lokalen Mesh-Kommunikationen um etwa 2 MHz bis 10 MHz von der Trägerfrequenz versetzt ist, oder bei Nachbarschafts-Mesh-Kommunikationen um 500 Hz, wobei der Träger typischerweise 2,4 GHz oder 5 GHz bei 802.11 beträgt. Bei beiden Verfahren wird der Ausgang des ZF-Mischers auf die beschriebenen Bandbreiten gefiltert und die Hüllkurve detektiert, wie z.B. mit einer Diode oder einem Basisbandmischer und Filter.
12 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm für einen Aufweckempfänger 1204 nach der vorliegenden Erfindung. Drahtlose Aufwecksequenzen werden an der Antenne 1202 gemäß getasteten Ein/Aus-Mustern der HF-Leistung empfangen, die empfangen und verstärkt 1206 und an den Mischer 1208 angelegt werden, der mit einem lokalen Oszillator mischt, der um eine Frequenz wie etwa 100 kHz - 400 kHz für einen Nachbarschafts-(Langstrecken-)Empfänger oder 2 MHz -10 MHz für einen lokalen (Kurzstrecken-)Empfänger versetzt ist, und gefiltert 1212, auf Hüllkurven ausgewertet 1214, auf Schwellwerten 1214 ausgewertet werden, um ein binäres Muster zu erzeugen und zu speichern, das korreliert und akkumuliert 1218-1 wird. Der Korrelator erzeugt einen akkumulierten Spitzenwert an dem Punkt, an dem die ankommende Aufwecksequenz vom Schwellwertdetektor 1216 mit dem im Schlüssel 1220-1 gespeicherten Aufweckmuster übereinstimmt, mit einer Abtastrate von z.B. 8Khz, was den Schwellwertdetektor 1222-1 auslöst und dem Controller signalisiert, die Abtastung mit der Rate der zweiten Aufwecksequenz zu starten (64Khz für 64 Bits in 1ms). Als zusätzliche Energieeinsparung werden die Verarbeitungsschaltkreise 1206, 1208, 1210, 1212, 1214, 1216 nur lange genug eingeschaltet, um eine Abtastung für den Korrelator 1218-1 durchzuführen, wobei jede Komponente eine Einschwingzeit vor der Abtastzeit eingeschaltet wird. Da die ZF-Filterfrequenz 1212 eine längere Ansprechzeit für Nachbarschafts-Mesh-Anwendungen als für lokale Mesh-Anwendungen hat, wird das ZF-Filter durch den Controller 1226 entsprechend programmiert, und das Einschalt-Tastverhältnis 1228 wird etwas erhöht, um die längere Einschwingzeit zu kompensieren, die in Nachbarschafts-Mesh-Aufweckkonfigurationen als in lokalen Mesh-Aufweckkonfigurationen erforderlich ist. In einem Beispiel der Erfindung ist die Abtastrate (und die Einschaltrate der Verarbeitungselemente in 12) gleich der Bitrate. In einem anderen Beispiel der Erfindung werden die Abtastwerte als „gerade“ Abtastwerte mit 1x der Aufweckmuster-Bitrate und als „ungerade“ Abtastwerte mit 1x der Aufweckmuster-Bitrate, um 180 Grad zur Mitte der „geraden“ Abtastwerte verschoben, genommen. Auf diese Weise wird das Problem der Abtastübergänge vermieden.
Für ein Aufweckmuster, das durch eine aus einer Zeit abgeleitete Zufallssequenz für sichere Aufwecksequenzen gesichert ist, werden mehrere Korrelatoren und Schlüssel verwendet 1218-1/1220-1, 1218-2/1220-2, 1218-3/1220-3, einer für jeden möglichen Schlüssel, um den Fall von zeitlichen Grenzschlüsseländerungen abzudecken. 12A zeigt ein Beispiel für die Schlüsselgenerierung 1250, bei der jeder übereinstimmende Schlüssel sowohl an der sendenden als auch an jeder empfangenden Mesh-Station sicher erzeugt wird. Ein Vertrauensanker 1252 stellt sicher, dass der gemeinsam genutzte öffentliche Schlüssel 1254 authentisch ist, und der öffentliche Schlüssel 1254, der private Schlüssel 1256, der während eines Inbetriebnahmevorgangs sicher an alle Stationen weitergegeben wird. Das Inbetriebnahmeereignis kann die Zuweisung eines streng kodierten geheimen Schlüssels sein, der bei der Herstellung aller Mesh-Station-Vorrichtungen in die Vorrichtung eingebrannt wird, oder durch Verwendung eines zugewiesenen geheimen Schlüssels bei einem Konfigurationsereignis. Der öffentliche und der private Schlüssel sowie eine Zeituhr 1258 werden in eine Einwegfunktion 1260 eingegeben, die einen Ausgabekode erzeugt, aus dem der Algorithmus, der ihn erzeugt hat, nur schwer extrahiert werden kann. Bei der Einwegfunktion kann es sich um einen Hash oder um eine beliebige Funktion handeln, für die es schwierig ist, eine inverse Funktion zu finden, wodurch die Extraktion des privaten Schlüssels oder der Funktion zur Verwendung beim Spoofing des Netzes aus Erkenntnissen, die durch Untersuchung des Verhaltens der Einwegfunktion 1260 oder ihrer Ausgabesequenzen gewonnen wurden, verhindert wird. Der Ausgang der Funktion 1260 wird verwendet, um mindestens einen der ersten Schlüssel 1220-1, zweiten Schlüssel 1220-2 oder dritten Schlüssel 1220-3, die vom Empfangs-Aufweck-Korrelator verwendet werden, zu aktualisieren. Normalerweise verwendet ein Sender einen ersten zeitveränderlichen Schlüssel für die Unicast-Übertragung und einen zweiten zeitveränderlichen Schlüssel für die Multicast-Übertragung, oder es kann ein einziger Schlüssel mit der Unicast-/Multicast-Unterscheidung durch ein Folgefeld verwendet werden, wie zuvor beschrieben. Die Empfängerschlüssel 1220-1, 1220-2 und 1220-3 sind die vom Autokorrelator verwendeten Aufwecksequenzmuster, wie für 12 beschrieben, und werden auch als die vom Aufwecksender gesendete Aufwecksequenz verwendet. Wenn sich der sichere Schlüssel aufgrund eines Zeitinkrements ändert, schließt das Senderprotokoll die aktuelle Übertragung des sicheren Schlüssels ab, bevor es zu einem anderen sicheren Übertragungsschlüssel wechselt, so dass die eingehende Korrelationsfolge abgeschlossen werden kann, bevor der Controller 1226 einen neuen sicheren Schlüssel bereitstellt, und es muss bei jedem Aktualisierungsereignis des sicheren Schlüssels jeweils nur ein sicherer Schlüssel geändert werden.
Durch die Verwendung des hierarchischen ersten Aufweckmusters und des zweiten Aufweckmusters ist es möglich, längere Bitzeiten zu erhalten, ohne die Fehlalarmrate zu beeinträchtigen. Die erste Aufwecksequenz bestimmt in erster Linie die Bitdauer und damit die Abtastrate des Aufweckempfängers, und die zweite Aufwecksequenz der Hierarchie bestimmt in erster Linie die Fehlalarmrate. Aus diesem Grund ist in Nachbarschafts-Meshes mit potenziell längeren Links und niedrigerem SNR die Verwendung der hierarchischen ersten und zweiten Aufwecksequenz wichtiger, um die mittlere Leistung des Aufweckempfängers auf weniger als 10 µA zu minimieren und gleichzeitig die Mesh-Sprung-Latenz (mesh hop latency) auf < 2ms zu halten, wenn die Länge des Aufweckmusters etwa 2ms in der Gesamtlänge der ersten und zweiten Sequenz beträgt.
Es wurde bereits früher festgestellt, dass für den Stand der Technik, der auf dem 10 µA Niveau arbeitet, Bluetooth 5,4MB/Tag erreichen kann und WiFi 18MB/Tag erreichen kann. Die Verwendung der Bluetooth-Verbindung nach dem Stand der Technik bei 1ms/500ms würde jedoch zu einer Latenz von 2 Sekunden pro Sprung (hop) führen und Wifi bei 1/6000ms zu einer Latenz von 24 Sekunden pro Sprung (hop), wohingegen die Latenz der vorliegenden Erfindung für eine erste und zweite Aufwecksequenz von jeweils 1ms zu einer Latenz von deutlich weniger als 3ms pro Hop führt, was eine Latenzverbesserung von ~100x für Bluetooth und ~1000x für WiFi ergibt.
7 zeigt einen Prozessverlauf für einen Aufweckempfänger unter Verwendung der hierarchischen Aufwecksequenz. Der HF-Aufweckempfänger 304 in 3 kann die HF-Energie 704 durch Gleichrichtung der eintreffenden HF-Energie gegen einen Schwellenwert für Ultra-Low-Power Verbrauch detektieren (der Gleichrichter ist passiv und der Schwellenwert-Detektor benötigt minimale Leistung), indem die eintreffende HF zum Basisband mit Verstärkung und Detektion gemischt wird, um die Hüllkurve der HF zu detektieren, was empfindlicher ist, während es eine winzige Strommenge verbraucht, die nur geringfügig größer als die Gleichrichtung ist. Wenn die Energie des HF-Pakets durch eine dieser Methoden in Schritt 704 detektiert wird, erfolgt ein Niedrigraten-Präambel-Detektionsprozess 706 für die Dauer entsprechend 440 von 4, optional gefolgt von einem Hochraten-Präambel-Detektionsprozess 708 (für hierarchische Aufweckverarbeitung) entsprechend 456 von 4. Wenn die Aufwecksequenz der Unicast-Aufwecksequenz eines bestimmten Mesh-Empfängers entspricht, wacht der entsprechende Mesh-Empfänger 710 auf, ermöglicht er dem Mesh-Station-Sender 302 von 3 das Aufwachen zu bestätigen (unter Verwendung eines Mesh-WLAN-Pakets), empfängt er Mesh-Pakete von der benachbarten Station und sendet er eine Bestätigung, wonach er entweder in den Schlafmodus 712 zurückkehrt und auf das nächste Aufweckpaket 704 wartet oder sein eigenes Aufweckpaket an die Nächster-Sprung-Station (next hop station) sendet, wobei jede Station die Sprung-Sequenz (hop sequence) wiederholt, bis die Ziel-Mesh-Station oder das Gateway erreicht ist. Die Schritte 710 und 712 sind zur Referenz in gestrichelten Linien dargestellt, da diese Funktionen vom Aufwecksender und -empfänger und nicht vom Aufweckempfänger von 7 ausgeführt werden. Zusätzlich werden die RSSI-Daten der Stationen und andere Informationen, wie in den Tabellen der 2A und 2B beschrieben, für Stationen beibehalten, die zuvor Mesh-Stationen an den Aufweckempfänger gesendet haben, was periodisch dadurch erreicht werden kann, dass jede Station ein Broadcast-Paket sendet, so dass alle benachbarten Stationen aufwachen und ihre jeweiligen Stationstabellen, wie in den 2A und 2B gezeigt, aktualisieren können.
Die Mesh-Station der 3 zeigt den zuvor beschriebenen Sendeprozessor 302, der in der Lage ist, getastete HF-Aufwecksequenzen durch Ein- und Ausschalten des HF-Senders oder durch Verwendung ganzer Pakete, die zur Bildung von Aufwecksequenzen verwendet werden können, oder alternativ durch Verwendung von Paketen für bestimmte Protokolle einschließlich der 802.11-Familie von drahtlosen Paketen, Zigbee-Paketen oder Bluetooth-Paketen zu übertragen. Zusätzlich können die Sende-Ein/Aus-1/0-Sequenzen gebildet werden, indem der Sendeprozessor ein langes Basisbandpaket sendet, das auf eine Trägerfrequenz gemischt und übertragen wird, wobei die Ein-/Aus-Tastung durch Ein- und Ausschalten eines der folgenden Komponenten erfolgt: des HF-Verstärkers, des Mischers oder anderer HF-Kettenkomponenten, die die HF verstärken oder an die Antenne koppeln und dadurch das gewünschte 1/0-Muster der Aufwecksequenz bilden. Der Aufweckempfänger-Prozess 304 vergleicht eine ankommende Aufwecksequenz mit einer stationsspezifischen Empfängeradresse und einer Broadcast-Adresse, wodurch die Vorrichtung aus dem Schlafmodus herausgenommen wird, wenn eine Übereinstimmung erzielt wird. Optional verarbeitet der Aufweckprozessor 304 auch einen Befehl, z.B. eine Anweisung, um die Mesh-Station für den Betrieb mit einem bestimmten Protokoll oder Kanal zu aktivieren. Der Mesh-Empfänger 308 ist in der Lage, den spezifizierten Protokolltyp und Frequenzkanal zu empfangen und zu verarbeiten, wie im optionalen Befehlsteil der Aufwecksequenz angegeben, wie in 4 beschrieben wurde. Für bestimmte Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass die Mesh-Station 300 einen Standort über GPS bestimmt oder einen Standort mit Hilfe eines WiFi-Protokolls bestimmt oder eine Bewegung mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers erfasst, wie es die Standort- und Bewegungsfunktionen 314 ermöglichen. Ein IPv6-Subnetz-Router 316 ist für die Bildung und den Betrieb im Subnetz von Mesh-Stationen vorgesehen, und die Route/Nachbar-Tabelle 318 ist für das lokale Subnetz-Routing vorgesehen, das auf der Bereitstellung von SOC-Metriken basiert, so dass die Stationen über die Lebensdauer der lokalen Batterie gleichmäßig für den Stromverbrauch besteuert werden. Die Routingtabellen können auch Einträge enthalten, die die Routenkosten oder die verfügbare Bandbreite angeben, so dass eine gleichmäßige Auslastung der Mesh-Stationen erfolgen kann, indem Informationen zur Routennutzung in die Routentabellen aufgenommen werden, so dass diese in der Routenmetrik berücksichtigt werden.
8 zeigt einen Prozessablauf für den Sender in einem Mesh-Datenübertragungsmodus, der mit der Bildung des Aufweckmusters aus 1en und 0en unter Verwendung ganzer WLAN-Pakete oder getastetes HF in Schritt 802 beginnt, die dem Aufweckmuster einer Unicast-Zielvorrichtung entsprechen. Der Sender kann ein „Selbst-CTS“ auf dem Kanal aussenden, indem er ein dem Stand der Technik entsprechendes Verfahren verwendet, um zu verhindern, dass andere Stationen während des Intervalls, in dem der Sender die Aufwecksequenz sendet, senden. Nach der Übertragung des Selbst-CTS und des Aufweckmusters wird, wenn keine ACK empfangen wird, ein erneuter Übertragungsschritt 802 durchgeführt, oder, wenn die ACK empfangen wird, werden Mesh-Übertragungsdaten unter Verwendung des spezifizierten Protokolls 806 übertragen und schließlich wird entweder eine ACK empfangen und zu Schritt 802 zurückgekehrt, wenn die nächste Weck-Sendung überhaupt stattfindet, oder die vorherigen Daten 806 werden erneut übertragen, wenn keine ACK empfangen wurde.
8 kann für periodische Advertising verstanden werden, indem eine Sendesequenz übertragen wird, auf die alle Mesh-Stationen reagieren. Im Advertising-Modus werden Broadcast-Aufwecksequenzen periodisch an umgebende Mesh-Stationen übertragen (z.B. mit den hierarchischen Aufweckmustern der Wellenform 440), wobei die erste und zweite Sequenzerzeugung und -übertragung in Schritt 802 aufgerufen wird, der die erste Sequenz 440 und optional die zweite Sequenz 442 für das hierarchische Aufweckmuster erzeugt. Die Advertisements werden selten 802 übertragen, damit jede Vorrichtung seine Stationstabelle 318 der 3 aktualisieren kann, wobei die ACK 804 optional ist und keine Daten übertragen 806 oder empfangen 808 werden.
9 zeigt der Prozess für einen Mesh-Empfänger, der nur bei Empfang eines Aufweck-Frames eingeschaltet wird, der das aktuelle Mesh als Ziel bestimmt, z.B. durch Verwendung eines eindeutigen Aufweckmusters für diese Station. Der Mesh-Empfänger empfängt die Pakete, prüft sie (wie in Serie 601 der 6B-6E dargestellt) und leitet die Aufwecksequenz (wakeup, ack, transmit data, ack, sleep) in Schritt 904 ein.
In einem anderen Aspekt der Erfindung mit hierarchischen Aufwecksequenzen verwendet die erste Sequenz oder die zweite Sequenz ein Aufweckmuster, das sich mit der Zeit ändert und allen Vorrichtungen in einem lokalen Mesh-Gerät bekannt ist. Eine Art von Sicherheitslücken, für die der Aufweckempfänger anfällig ist, ist eine Sicherheitslücke, bei der ein feindliches Mithörgerät die erste Aufwecksequenz und die zweite Aufwecksequenz lernt und einen „Batterieangriff“ auf die Mesh-Vorrichtungen startet, indem es wiederholt Aufwecksequenzen sendet und die Mesh-Empfänger veranlasst, im Aufweckzustand für nicht vorhandene Pakete Überstrom zu ziehen. Dem kann durch die Bereitstellung einer Reihe von zeitgestempelten Aufweckmustern begegnet werden, z.B. durch die Verwendung einer zeitsynchronisierten Reihe von einzigartigen Aufweckmustern, die nur den Mesh-Vorrichtungen bekannt sind, z.B. wenn der öffentliche (gemeinsam genutzte) Schlüssel von einem Anfangszustand aus an alle Knoten in einem Broadcast-Befehl gesendet wird. In einem Beispiel der Erfindung ist die erste Aufwecksequenz eine pseudo-zufällige Sequenz, die den Mesh-Sendern und Mesh-Aufweckempfängern bekannt ist. Dies ist jedoch möglicherweise nicht wünschenswert, da das Ziel der ersten Aufwecksequenz eine geringe Leistung und typischerweise eine kurze Sequenz ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Aufwecksequenz länger und wird für das zeitgestempelte Aufweckmuster verwendet, da der Empfänger anschließend aktiviert wird, nachdem die zweite Aufwecksequenz zu einer bestimmten Mesh-Vorrichtung passt.
10A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für ein Sendungsverfolgungs- und -liefersystem unter Verwendung der vorliegenden Erfindung. In einem Beispiel der Erfindung hat ein Distributionslager 1001 einen oder mehrere Lagerzugangspunkt-Knoten 1027 zur Kommunikation mit Mesh-Knoten innerhalb des Lagers und mit einem Transitpunkt-Knoten 1029, der erkennt, dass Sendungen, die mit Mesh-Vorrichtungen ausgestattet sind, das Lager zur Verteilung an Kunden verlassen haben. Die Sendungen können per Drohnen 1002, 1004, 1006, 1008, 1010 und 1022 sowie Lastwagen 1030 und 1032 geliefert werden, wobei jede Drohne oder jeder Lastwagen über einen lokalen Mesh-Netzwerkknoten, ein GPS- oder ein anderes Standortverfolgungssystem und ein drahtloses LTE-Kommunikationssystem verfügt, das den Standort und den Sendungsstatus an einen entfernten Verfolgungsserver überträgt, beispielsweise über das drahtlose LTE-Netzwerk 1007. Die drahtlosen Drohnen-Stationen 1002, 1004, 1006, 1008, 1010, 1022 sind in ähnlicher Weise mit einem GPS- oder Standortverfolgungssystem, einem Mesh-Knoten für die Kommunikation mit dem Paket oder den Paket-Mesh-Knoten, die sie transportieren, und einem drahtlosen LTE-Kommunikationssystem für die Kommunikation mit einem LTE-Netzwerk 1007 ausgestattet. Ein zugestelltes Paket 1015 kann von einem Wohnmesh- oder Zugangspunkt in Residenz 1014 erfasst werden, um die Zustellung an den Bewohner zu bestätigen, abgesehen von der Benachrichtigung durch die Zustelldrohne oder den Lieferwagen. Alternativ können die drahtlosen Drohnen-Stationen 1002, 1006, 1008, 1010, 1022 und die drahtlosen LKW-Stationen 1030 und 1032 jeweils lokal ein separates Mesh miteinander bilden, wenn sie sich in der Nähe befinden, wobei jede Station mit mindestens einer benachbarten Station kommuniziert, die in der Lage ist, Aktualisierungen über das LTE-Netzwerk 1007 oder ein Mesh-Gateway oder einen Zugangspunkt zurück zum Verteilungslager 1001 oder einem anderen Zugangspunkt bereitzustellen, wodurch Daten über Sendungslieferungen und den Lieferstatus an die verschiedenen Lieferziel-Kunden 1012, 1014, 1016, 1018, 1020, 1024, 1026 und 1028 übermittelt werden. In einer anderen alternativen Ausführungsform übertragen die mit Mesh-Knoten ausgestatteten Sendungen untereinander Standortinformationen, die zurück an das Lager 1001 übermittelt werden. Wie aus der Anzahl der sich bewegenden Mesh-Stationen der 10A ersichtlich ist, kann es wünschenswert sein, dass mindestens eine Mesh-Station über einen Beschleunigungsmesser, GPS-Empfänger oder WiFi-Ortsinformationen 314 verfügt, um anzuzeigen, wann sie unterwegs ist, so dass sie ihre Datenbank benachbarter Mesh-Knoten neu aufbauen und dem Zentrallager 1001, das Aktualisierungen für die verschiedenen Sendungsempfänger bereitstellt, periodisch Standortaktualisierungen bereitstellen kann.
10B zeigt ein Nachbarschafts-Mesh-Verfolgungsbeispiel, bei dem ein lokales Mesh-Netzwerk aus Stationen innerhalb eines bestimmten Haushalts gebildet wird, oder alternativ dazu ein Mesh-Netzwerk aus Mesh-Stationen in den Häusern 1050, 1052, 1054, 1056, 1058, 1062 und 1064. Haustiere 1074 und 1062 in der Nachbarschafts-Mesh-Station können innerhalb festgelegter Grenzen wandern, die durch die festen Stationsstandorte bestimmt werden, so dass, wenn sich ein Tier über seine festgelegte Grenze hinaus bewegt (basierend auf RSSI, GPS, Signalstärke zu einem oder mehreren Standorten oder Darstellung in der Nähe einer unerwarteten entfernten Mesh-Station), ein Alarm an seinen Besitzer gesendet werden kann, zusammen mit dem aktuellen Standort oder einer ständig aktualisierten Reihe von Standorten zur Bereitstellung eines Bewegungsvektors. In einem Beispiel tritt ein Auslöser für das Senden einer Standortmeldung auf, wenn das Mesh-Netzwerk, das bekannte Stationen untersucht, und der Received Signal Strength Indicator (RSSI), der dem normalen Bewegungsbereich des Tieres zugeordnet ist, die Nähe zu einer zuvor unbekannten Mesh-Station feststellt, nachdem es den Kontakt zu einer bekannten Mesh-Station verloren hat. Zum Beispiel können die Mesh-Stationen 1058 oder 1060 für Haustier 1062 in einem Hinterhof bekannt sein, der an die Mesh-Station 1058 angrenzt, während das verlorene Haustier 1074 mit dem Hinterhof 1056 assoziiert sein kann, so dass, wenn die Station 1056 die Kommunikation mit Haustier 1074 verliert oder das empfangende Gateway die Information erhält, dass Haustier 1074 nicht mit 1056, aber mit 1050 und 1052 kommuniziert, eine Warnung an den Besitzer gesendet werden kann, die den Standort des Haustiers angibt.
10C zeigt ein „intelligente Stadt“-Beispiel, bei dem die Mesh-Knoten jedes Haushalts 1050, 1052, 1056, 1058, 1060 und 1064 in lokaler Kommunikation mit Aspekten der zugehörigen städtischen Infrastruktur stehen, sowie städtische Dienste, die über ein Mesh-Netzwerk, das Teil der Wegweiser 1066, 1068 und 1070 ist, und die Mesh-Stationen 1075 und 1077 des Lichtmastes bereitgestellt werden. Weitere mobile oder feste Mesh-Stationen können dort platziert werden, wo sie für die Kommunikation mit anderen Mesh-Stationen benötigt werden, die sich vorübergehend präsentieren und Informationen austauschen können.
10D zeigt ein Beispiel für ein Haus 1064 aus 10C, das ein Sicherheitssystem oder ein Informationssystem für die Hausinfrastruktur enthalten kann. Ein zentraler Zugangspunkt 1080 kann in Kommunikation mit Mesh-Stationen 1081 zur Meldung der Messung von Stromversorgungsmessungen, mit der Mülltonnen-Mesh-Station 1082 zur Bestätigung der Müllabholung, mit der Mesh-Vorrichtung 1084 des Autos 1083 für die Fahrzeugsicherheit oder mit der Mesh-Vorrichtung 1086 an der Vordertür stehen, das gelieferte Sendungen erkennen kann. Zusätzliche Mesh-Geräte können für Sicherheitsalarmsysteme, Bewegungsmelder, Ofen- und HLK-Steuersysteme, Sicherheitskamerasysteme und andere Vorrichtungen eingesetzt werden, um eine effizientere Energienutzung und erhöhte Sicherheit zu gewährleisten.
10E zeigt ein Beispiel für ein spärliches Mesh-Netzwerk (sparse mesh network), bei dem nur die Residenz 1095 über ein Gateway 1093 verfügt, diese und die anderen Residenzen 1095A, 1095B und 1095C jedoch jeweils netzwerkfähige Mesh-Vorrichtungen haben, wie z. B. Kühlschrank 1091A, 1091B, 1092C, Waschmaschine 1092A, 1092B, 1092C, Trockner 1094A, 1094B, 1094C, Geschirrspüler 1090A, 1090B, 1090C und andere Mesh-Vorrichtungen, die mit IoT(Internet of Things) -fähiger Hardware aktiviert sind. Ein ständiges Problem bei diesen „intelligenten“ Geräten besteht darin, dass ein Einrichtungsprozess erforderlich ist, damit sie für ein Netzwerk bereitgestellt werden können. Dies ist der Stand der Technik für das „Anschließen“ oder das „Zuordnen“ zu einem drahtlosen Netzwerk und erfordert die Konfiguration der loT-Vorrichtungen, was häufig einen Computer und Kenntnisse über den Typ des Zugangspunkts SSID, Netzwerkschlüssel und Netzwerkschlüssel erfordert. Infolgedessen haben nur wenige Verbraucher mit solchen „intelligenten“ Geräten die Geduld oder die Zeit, sie mit einem Netzwerk zu verbinden, und Servicecodes und dergleichen, die ansonsten elektronisch lesbar sein könnten, erfordern einen Servicebesuch, um den Reparaturcode zu lesen, den die Vorrichtung zu liefern versucht. Im Beispiel der 10E hat nur eine Wohnung 1095A ein drahtloses Gateway 1093A, und vielleicht ist nur der Kühlschrank 1091A für die Verwendung des Gateways konfiguriert, oder vielleicht sind keine Geräte für die Verwendung des Gateways konfiguriert, aber das Gateway 1093 ist gemäß der vorliegenden Erfindung netzfähig. In dem Mesh-Netzwerk der 10E können nicht nur die anderen Geräte 1090A, 1092A und 1094A über die Mesh-Station des Kühlschranks 1091A mit dem Internet verbunden werden, um das Gateway 1093A zu erreichen, sondern auch die Geräte in den umliegenden Wohnungen 1095B und 1095C können sich diesem Mesh-Netzwerk anschließen, um ihre Daten über die Mesh-Vorrichtung 1091A oder zum Zugangspunkt Router 1093A zu senden, und solange für jeden der Mesh-Knoten eine Kette von zwei Stationen in gegenseitigem Empfangsbereich gebildet werden kann, wird für jedes Gerät oder Mesh-fähige Vorrichtungen ein Netzwerkpfad durch die Mesh-Vorrichtungen zu einem Gateway wie 1093A verfügbar sein.
In der vorliegenden Spezifikation versteht man unter ungefähr +/- 12dB für Signalpegel und +/- 50% für Entfernungs- oder andere lineare Messungen. Die Beispiele der Spezifikation werden zum Verständnis der Erfindung angeführt, deren Umfang nur durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Mesh-Vorrichtung (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 300, 502, 504, 520, 522, 526, 528) zum Empfangen von Paketen, wobei die Mesh-Vorrichtung einen Aufweckempfänger (304, 1204), einen Mesh-Empfänger (308) und einen Sender aufweist (302), wobei der Aufweckempfänger (304, 1204) Aufweck-Frames mit einer ersten und einer zweiten Aufwecksequenz (434; 443) empfängt, die als eine erste (1108) und eine zweite (1110) Bitsequenz aus der Anwesenheit oder Abwesenheit von Hochfrequenz (HF)-Energie gebildet wird; wobei der Aufweckempfänger wirksam ist, um die erste Bitsequenz (1108), gefolgt von der zweiten Bitsequenz (1110) zu empfangen, wobei die erste Bitsequenz eine Empfänger-Fehlalarmrate von 10% oder mehr aufweist, wobei die zweite Bitsequenz (1110) eine höhere Bitrate als die erste Bitsequenz (1108) aufweist, wobei der Aufweckempfänger wirksam ist, um die erste Bitsequenz mit einem ersten Teil eines Aufweckmusters zu vergleichen, und nur dann, wenn die erste Bitsequenz mit dem ersten Teil des Aufweckmusters übereinstimmt, der Aufweckempfänger wirksam ist, um die zweite Bitsequenz mit einem zweiten Teil des Aufweckmusters zu vergleichen und bei einer Übereinstimmung der zweiten Bitsequenz (1110) mit dem zweiten Teil des Aufweckmusters den Mesh-Empfänger zum Empfangen von Paketen gemäß mindestens einem drahtlosen Protokoll zu aktivieren und auch den Sender zu aktivieren; wobei der Sender ein Bestätigungs-(ACK-)Paket an eine Station (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 300, 502, 504, 520, 522, 526) sendet, die das Aufweckpaket sendet; wobei der Mesh-Empfänger drahtlose Pakete empfängt und sie in eine Warteschlange stellt, wonach der Sender ein ACK-Packet sendet und der Mesh-Empfänger wieder in einen Schlafmodus geht.
Mesh-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Drahtlospakete mindestens eines der folgenden Pakete sind: ein 802.11-Paket, ein Bluetooth-Paket oder ein Zigbee-Paket.
Mesh-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufwecksequenz mindestens eine der folgenden Sequenzen aufweist: eine Broadcast-Aufwecksequenz oder eine Unicast-Aufwecksequenz.
Mesh-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufwachsequenz einen Befehl (436, 458, 480) enthält, der mindestens einen Protokolltyp oder einen Kanal für den nachfolgenden Betrieb durch den Mesh-Empfänger und den Mesh-Sender identifiziert.
Mesh-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufwecksequenz sich nach einem zeitlichen Muster ändert, das sowohl einem Sender als auch einem Aufweckempfänger bekannt ist.
Mesh-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, wenn sich Pakete in einer Empfangswarteschlange befinden, der Sender eine Aufwecksequenz (602) sendet und nach Empfang einer Bestätigung der Aufwecksequenz (606) die Mesh-Vorrichtung alle Pakete in der Empfangswarteschlange (608) unter Verwendung eines drahtlosen Protokolls überträgt.
Mesh-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mesh-Vorrichtung nach Empfang einer Aufwecksequenz ein Mesh-Bestätigungs-Paket (606) sendet.
Mesh-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Bitsequenz (443) und die zweite Bitsequenz von gleicher Dauer sind (1108, 1110).
Aufwecksender (300) für Übertragungen (530, 538) von Aufwecksequenzen, die jeweils einen ersten Teil (1108) und einen zweiten Teil (1110) aufweisen, wobei der Aufwecksender umfasst: einen Sendeprozessor (302) zum Erzeugen eines ersten Teils der Aufwecksequenz und eines zweiten Teils der Aufwecksequenz, wobei der erste Teil der Aufwecksequenz so gewählt ist, dass er eine verringerte Anzahl von Bits aufweist, die zu einer Fehlalarmrate von 10% oder mehr führt, wobei der Sendeprozessor (302) mit einem Hochfrequenz (HF)-Paketsender (310, 312) gekoppelt und wirksam ist, um periodisch den ersten Teil der Aufwecksequenz, gefolgt von dem zweiten Teil der Aufwecksequenz zu übertragen, wobei der erste Teil und der zweite Teil jeweils eine Sequenz aus 1 und 0 aufweisen, wobei der zweite Teil eine höhere Bitrate als der erste Teil aufweist, wobei der Sender wirksam ist, um mindestens ein getastetes HF-Muster oder ein gesamtes Datenpaket für ein Intervall von 1 Bit und ein Intervall von einer Nicht-Übertragung für 0 Bit zu senden, wobei das O-Bit-Intervall gleich dem 1-Bit-Intervall für die jeweilige Bitrate des ersten Teils und des zweiten Teils ist; wobei die sequenziellen Intervalle der Übertragung und Nicht-Übertragung für den ersten Teil und den zweiten Teil dadurch die übertragene Aufwecksequenz (434; 443) bilden.
Aufwecksender nach Anspruch 9, wobei der erste Teil der Aufwecksequenz (442, 1108) eine Dauer hat, die im Wesentlichen gleich einer Dauer des zweiten Teil der Aufwecksequenz (456, 1110) ist.
Aufwecksender nach Anspruch 9 oder 10, wobei der erste Teil der Aufwecksequenz (422) eine universelle Sequenz für eine Vielzahl von Vorrichtungen ist und der der zweite Teil der Aufwecksequenz (456) spezifisch für eine bestimmte Vorrichtung ist.
Aufwecksender nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der zweite Teil der Aufwecksequenz (478) ein Broadcast-Muster und ein Unicast-Muster aufweist.
Aufwecksender nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das drahtlose Datenpaket mindestens eines der folgenden Pakete enthält: ein IEEE-802.11-Paket, ein Bluetooth-Paket oder ein Zigbee-Paket.
Verfahren für Ultra-Low-Power-Kommunikationen, die auf einer Mesh-Vorrichtung (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 300, 502, 504, 520, 522, 526, 528) mit einem Sender (302), einem Aufweckempfänger (304, 1204) zum Empfangen von Aufwecksequenzen (434; 443) mit niedriger Rate und einem Mesh-Empfänger (308) zum Empfangen von drahtlosen Datenpaketen mit hoher Rate wirksam sind, wobei die Aufwecksequenzen mit niedriger Rate einen ersten Teil mit einer ersten Bitrate (1108) und einen zweiten Teil mit einer zweiten Bitrate (1110) aufweisen, die größer als die erste Bitrate ist, wobei der erste Teil so ausgewählt ist, dass er eine Empfangs-Fehlalarmrate von 10% oder mehr aufweist; wobei der Aufwecksender periodisch eine Sequenz (443) von 1en und Oen sendet (802), wobei jede 1 aus einem gesamten Hochfrequenz (HF)-Paket gebildet wird und jede 0 durch Nicht-Übertragung während eines Intervalls gebildet wird, das der Dauer eines HF-Pakets entspricht; wobei der Sender bei Empfang (804) eines Bestätigungs-(ACK)-Pakets (606) durch den Mesh-Empfänger ein Datenpaket (608) sendet (806), das an die Mesh-Station gerichtet ist, die ein ACK-Paket sendet, wobei der Sender und der Mesh-Empfänger danach bei Empfang eines ACK-Pakets (808) von der entfernten Mesh-Station, die das Datenpaket empfängt, in einen Schlafmodus gehen.
Verfahren für Ultra-Low-Power-Kommunikationen, die auf einer Mesh-Vorrichtung (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 300, 502, 504, 520, 522, 526, 528) mit einem Aufweckempfänger (304, 1204), einem Mesh-Empfänger (308) und einem Sender (302) wirksam sind, wobei der Aufweckempfänger kontinuierlich und wirksam ist, um ein empfangenes Aufweckmuster (443) zu erfassen (704), das aus getastetem Hochfrequenz (HF) oder drahtlosen Paketen und Lücken gebildet ist, wobei das Aufweckmuster ein erstes Bitmuster mit einer ersten Bitrate (1108) und ein zweites Bitmuster mit einer zweiten Bitrate (1110) aufweist, die größer als die erste Bitrate ist, wobei das erste Bitmuster mit einer ersten Bitrate (1108) einer Anzahl von Bits aufweist, die ausreicht, um ein Paket mit einer Fehlalarmrate von 10 % oder mehr zu erkennen; wobei der Aufweckempfänger wirksam ist, um ein empfangenes Aufweckmuster mit einem Vorlagenmuster zu vergleichen (706, 708), wobei der Aufweckempfänger danach den Sender veranlasst, ein drahtloses Bestätigungs-(ACK)-Paket (606) zu senden (710), das mit mindestens einem von: einem drahtlosen IEEE-802.11-Paket, einem drahtlosen Bluetooth-Paket oder einem drahtlosen Zigbee-Paket konform ist; wobei der Mesh-Empfänger danach Daten (608) von einer entfernten Mesh-Station empfängt (710); wobei der Sender danach ein drahtloses ACK-Paket (610) mit hoher Rate sendet (710) und der Mesh-Empfänger und der Sender danach in einen Schlafmodus gehen (712).
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Bitmuster eine zeitveränderliche Reihenfolge (1258, 1256, 1260) umfasst, die einem Sender und einem Empfänger bekannt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei das erste Bitmuster eine Dauer hat, die ausreicht, um eine Fehlalarmrate von mehr als 10% zu erzeugen.