ТЕРМИНАЛ ДЛЯ СВЯЗИ СО СПУТНИКОМ СВЯЗИ
TERMINAL FOR COMMUNICATION WITH COMMUNICATION SATELLITE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к терминалу для связи со спутником связи. Более конкретно, но не исключительно, оно относится к сети, содержащей спутник связи и большое количество терминалов для связи со спутником связи.
Уровень техники
2
Все индустриально развитые страны должны в ближайшие годы сократить свои выбросы CO. Существует множество возможных вариантов замены генерации электричества с использованием природного топлива технологиями с использованием возобновляемых источников энергии, но такие источники могут действовать прерывисто. Многие технологии с использованием возобновляемых источников энергии зависят от преобладающих типов погоды. Если значительная доля энергоснабжения поступает из этих источников, то управление активной нагрузкой может являться важным во избежание нестабильностей в распределительной сети.
Также желательно найти альтернативу ручному сбору показаний коммунальных счетчиков в домовладениях. Одним из предложенных решений является установка в домовладении “интеллектуальных счетчиков”, которые могут быть считаны дистанционно.
"Интеллектуальные счетчики" также могут использоваться для автоматического управления микро-генерацией энергии из возобновляемых источников и для того, чтобы позволять осуществлять дистанционное переключение некритических нагрузок, таких как водонагреватели или зарядные устройства для аккумуляторов транспортных средств.
Для реализации считывания показаний счетчиков и управление активной потребительской нагрузкой "интеллектуальные счетчики" должны бы быть оснащены обратной линией связи. Были предложены различные решения для реализации таких обратных линий связи. Например, можно было бы использовать саму кабельную сеть питания для переноса сигналов связи. Одним из недостатков, который связан с этим решением, является неспособность давать распределенным нагрузкам и генераторам команду перейти в конкретное состояние для обеспечения безопасного восстановления после неисправности системы, которая может приводить к повреждению или к потере кабелей.
Настоящее изобретение предназначено для улучшения предшествующего уровня техники.
Сущность изобретения
Согласно изобретению предоставлен терминал, содержащий: первый приемопередатчик для связи, по меньшей мере, с одним устройством в сети ближней связи; второй приемопередатчик для связи с геостационарным спутником связи в сети, в которой развернуто множество прямых каналов для передачи данных со спутника связи в упомянутый терминал и множество обратных каналов для передачи данных из терминала в упомянутый спутник связи, причем второй приемопередатчик сконфигурирован для передачи данных из упомянутого, по меньшей мере, одного устройства в одном из упомянутого множества обратных каналов.
Второй приемопередатчик может быть сконфигурирован так, чтобы быть непрерывно логически соединенным с упомянутым геостационарным спутником связи. Множество прямых каналов и множество обратных каналов могут обеспечивать асимметричные скорости передачи данных.
Прямые каналы и обратные каналы могут содержать множество кадров, разделенных на множество временных слотов в предварительно определенной структуре кадра, и терминал может дополнительно содержать средство хранения для хранения одного или более адресов упомянутого терминала, причем этот один или более адресов содержат адрес группы, указывающий группу терминалов, к которой относится терминал, и характерный для терминала адрес в пределах группы; и средство управления для управления вторым приемопередатчиком для приема в предварительно определенный момент времени группового сообщения в прямом канале из упомянутого множества прямых каналов с упомянутого спутника связи, причем это групповое сообщение передают в соответствии с предварительно определенной структурой кадра, и оно указывает адрес группы, причем средство управления дополнительно сконфигурировано так, чтобы определять, совпадает ли адрес группы с сохраненным адресом терминала, и в ответ на положительное определение управлять вторым приемопередатчиком так, чтобы он прослушивал сообщение, характерное для терминала, переданное в упомянутый терминал в том кадре, в котором было передано упомянутое сообщение.
Групповое сообщение может указывать время до следующего группового сообщения с упомянутого спутника связи в упомянутом прямом канале, и средство управления может быть сконфигурировано для управления вторым приемопередатчиком для приема следующего группового сообщения. Средство управления может быть сконфигурировано для переключения второго приемопередатчика в режим сна в ответ на определение того, что адрес группы не совпадает с сохраненным адресом для терминала.
Приемопередатчик может быть сконфигурирован для приема упомянутого сообщения, характерного для терминала, и это сообщение, характерное для терминала, может содержать адрес терминала и данные, указывающие команды для выполнения действия. Данными, указывающими команды, может являться код, и запоминающее устройство содержит справочную таблицу, в которой хранится код и команды, соответствующие коду. Команды для выполнения действия могут содержать команды передачи данных из одного из упомянутых устройств, включения одного из упомянутых устройств, выключения одного из упомянутых устройств или переключения на другой прямой канал из упомянутого множества прямых каналов.
Средство управления может быть сконфигурировано для управления вторым приемопередатчиком для посылки ответа на упомянутое сообщение, характерное для терминала, в обратном канале из множества обратных каналов, причем упомянутый обратный канал соответствует упомянутому прямому каналу. Средство управления может быть сконфигурировано для управления вторым приемопередатчиком для посылки упомянутого ответа в предварительно определенном интервале после начала упомянутого сообщения, характерного для терминала, причем этот предварительно определенный интервал соответствует длительности того кадра в прямом канале, в котором было принято сообщение, характерное для терминала. Длительность ответа может быть равной длительности соответствующего сообщения, характерного для модема.
В сообщении, характерном для терминала, может быть указан новый адрес группы для упомянутого терминала, и запоминающее устройство может быть сконфигурировано для хранения нового адреса группы.
Средство управления может быть сконфигурировано для управления приемопередатчиком для передачи сообщения с произвольным доступом в обратном канале из множества обратных каналов в ответ на групповое сообщение, указывающее, что обратным каналом является канал с произвольным доступом. В альтернативном варианте или в дополнение к этому групповое сообщение может быть передано в определенном количестве временных слотов, и средство управления может быть сконфигурировано для управления приемопередатчиком для передачи сообщения с произвольным доступом в одном или в более временных слотов в обратном канале, соответствующем одному или более из определенного количества временных слотов группового сообщения в соответствующем прямом канале.
Упомянутым, по меньшей мере, одним устройством может являться коммунальный счетчик, и терминал может работать с возможностью передачи показания счетчика в упомянутом обратном канале.
Согласно изобретению также предоставлена сеть, содержащая терминал по любому из предыдущих пунктов формулы изобретения и, по меньшей мере, одно устройство для связи с упомянутым терминалом в упомянутой сети ближней связи. Этой сетью может являться сеть ближней беспроводной связи с самоорганизующейся структурой. Упомянутое, по меньшей мере, одно устройство может включать в себя коммунальный счетчик.
Второй приемопередатчик может содержать антенну с коэффициентом усиления между 0 дБи и 12 дБи для связи со спутником связи.
Согласно изобретению также предоставлена система, содержащая геостационарный спутник связи; множество пользовательских сетей, которые описаны выше, для связи со спутником связи в глобальной сети; и сетевой контроллер для управления глобальной сетью. Сетевой контроллер может быть сконфигурирован для группирования терминалов в упомянутом множестве пользовательских сетей во множество групп. Сетевой контроллер может быть обеспечен органом управления данными на земле. Система может быть сконфигурирована для сбора показаний коммунальных счетчиков по всему географическому региону. Эта система также может использоваться для обеспечения управления активной потребительской нагрузкой.
Согласно изобретению также предоставлен способ связи с геостационарным спутником связи в глобальной сети, в которой развернуто множество прямых каналов и множество обратных каналов, причем эти прямые и обратные каналы содержат множество кадров, разделенных на временные слоты, причем способ содержит этапы, на которых: принимают групповое сообщение в предварительно определенный момент времени в прямом канале, причем это групповое сообщение указывает адрес группы; сравнивают этот адрес группы с сохраненным адресом группы; и если групповое сообщение совпадает с сохраненным адресом, то прослушивают сообщения, характерные для терминала, в том кадре, в котором было принято упомянутое групповое сообщение.
Способ может содержать следующие дополнительные этапы, на которых: принимают сообщение, характерное для терминала, причем это сообщение, характерное для терминала, указывает характерный для терминала адрес и данные, указывающие команды; сравнивают характерный для терминала адрес с сохраненным характерным для терминала адресом; и если характерный для терминала адрес совпадает с сохраненным характерным для терминала адресом, то выполняют эти команды. Способ может содержать следующие дополнительные этапы, на которых: отмечают тот временной слот, в котором был передан характерный для терминала адрес, и передают ответ в упомянутый терминал во временном слоте на предварительно определенный интервал позже в обратном канале, соответствующем упомянутому прямому каналу, причем этот предварительно определенный интервал соответствует длительности кадра, в котором было принято сообщение, характерное для терминала.
Согласно изобретению также предоставлена компьютерная программа, содержащая команды, которые при их исполнении процессором предписывают процессору выполнять вышеописанный способ.
Кроме того, согласно изобретению также предоставлена система для связи с множеством терминалов через геостационарный спутник связи, причем множество терминалов и спутник связи обмениваются информацией в глобальной сети, в которой развернуто множество прямых каналов и множество обратных каналов, содержащих множество кадров, разделенных на временные слоты, причем система содержит: средство передачи группового сообщения и последующего сообщения, характерного для терминала, через геостационарный спутник связи в терминал в одном из упомянутых прямых каналов, причем упомянутое групповое сообщение указывает адрес группы из множества терминалов, а упомянутое последующее сообщение, характерное для терминала, указывает характерный для терминала адрес терминала, принадлежащего к упомянутому множеству терминалов.
Система может дополнительно содержать средство приема ответа через обратный канал и упомянутый геостационарный спутник связи; средство определения временного слота, в котором был передан ответ, и определения того, что ответ был передан из упомянутого терминала, принадлежащего к упомянутому множеству терминалов, если интервал между временным слотом, в котором было передано сообщение, характерное для терминала, и временным слотом, в котором был передан ответ, соответствует длительности кадра, в котором было передано сообщение, характерное для терминала.
Кроме того, согласно изобретению предоставлен терминал для связи с геостационарным спутником связи в глобальной сети, причем в этой глобальной сети развернуто множество прямых каналов, по которым модем может принимать данные со спутника связи, и множество обратных каналов, по которым модем может передавать данные на спутник связи, причем средняя скорость передачи данных в каждом из прямых каналов является меньшей, чем 1 кбит/с, а средняя скорость передачи данных в каждом из обратных каналов является меньшей, чем 4 кбит/с.
Также предоставлена система, содержащая геостационарный спутник связи и множество терминалов, подобных описанным выше, в которой множество терминалов сконфигурированы так, чтобы они осуществляли связь с упомянутым спутником связи в одной соте радиосвязи глобальной сети и оставались логически соединенными со спутником связи в пределах этой соты. Каждый терминал может быть соединен, по меньшей мере, с одним коммунальным счетчиком. Множество терминалов может содержать более 30 миллионов терминалов. Оно также может содержать более 50 миллионов терминалов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показана система связи для географической области;
на Фиг. 2 показана связь между спутником связи и пользовательской сетью в системе связи;
на Фиг. 3 схематично проиллюстрированы компоненты модема в пользовательской сети;
на Фиг. 4 схематично проиллюстрированы компоненты устройства в пользовательской сети;
на Фиг. 5 схематично проиллюстрированы компоненты станции управления;
на Фиг. 6 схематично проиллюстрированы компоненты спутника связи;
на Фиг. 7 проиллюстрировано то, как модем и спутник связи осуществляют связь в основном режиме работы согласно некоторым вариантам осуществления изобретения;
на Фиг. 8 показана структура различных сообщений между модемом и спутником связи согласно некоторым вариантам осуществления изобретения;
на Фиг. 9 показано хронирование кадров, сообщений и ответов между модемом и спутником связи согласно некоторым вариантам осуществления изобретения;
на Фиг. 10 проиллюстрирован другой режим работы между модемом и спутником связи;
на Фиг. 11 проиллюстрировано то, как модем может посылать экстренные сообщения на спутник связи;
на Фиг. 12 проиллюстрирован другой способ посылки модемом экстренных сообщений на спутник связи;
на Фиг. 13 проиллюстрировано то, как модемы устанавливают связь со спутником связи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Со ссылкой на Фиг. 1, система 1 связи содержит спутник 2 связи, осуществляющий связь с определенным количеством пользовательских сетей 3, и станцию 4 управления. Например, система связи может охватывать страну или регион мира. Может существовать одна пользовательская сеть, по меньшей мере, для каждого домовладения или для группы домовладений в стране или в регионе мира. Спутник 2 связи движется по геосинхронной орбите. Он может быть расположен на экваторе, и, следовательно, также может являться геостационарным спутником. Следовательно, спутник обеспечивает непрерывный охват страны или региона мира, где находятся пользовательские сети 3. На Фиг. 1 показано только лишь небольшое количество пользовательских сетей, но предполагают, что в системе могут использоваться более 50 миллионов пользовательских сетей. Кроме того, может использоваться более чем одна станция управления.
Со ссылкой на Фиг. 2, каждая пользовательская сеть 3 содержит модем 5 для связи с геостационарным спутником 2 связи в глобальной сети (WAN). Пользовательская сеть также содержит несколько устройств 6, соединенных с модемом в локальной сети (LAN). LAN может являться беспроводная сеть с самоорганизующейся структурой, в том числе, сеть Bluetooth или сеть ZigBee, но не ограничиваясь этим. Ею также может являться проводная сеть. В одном из вариантов осуществления одно из устройств 6 может действовать в качестве пользовательского сетевого контроллера, управляющего связью в LAN.
В некоторых вариантах осуществления система 1 связи может обеспечивать систему управления коммунальными услугами для всех домовладений в конкретном регионе или в конкретной стране. Устройствами 6 могут являться определенное количество датчиков и интеллектуальных счетчиков для мониторинга предоставляемых коммунальных услуг в одном или более домовладений, и станцией 4 управления может являться единый защищенный орган управления данными, который может быть связан с одним или с более органов управления в сети. Система 1 связи может использоваться для дистанционного считывания показаний счетчиков расхода газа, электроэнергии и воды, но также может использоваться для обеспечения управления активной нагрузкой. Например, эта система может использоваться для дистанционного переключения некритичных по времени нагрузок для обеспечения возможности автоматического управления микрогенерацией. Предполагают, что в некоторых вариантах осуществления пользовательским сетевым контроллером является счетчик электроэнергии, поскольку он имеет постоянное электропитание от сети. Ниже будет приведено описание пользовательской сети, включающей в себя модем и множество коммунальных счетчиков, и будет приведено описание станции управления как органа управления данными. Однако, следует понимать, что это является только лишь одним из примеров, и что возможны многие другие варианты использования.
При этом следует понимать, что эти устройства могут включать в себя, помимо интеллектуальных счетчиков, иные датчики, а также устройства, обеспечивающие иные функции. Например, эти устройства могут включать в себя устройства охранной сигнализации и другие датчики для мониторинга состояния людей со слабым здоровьем в их домах или состояния скоропортящихся материалов. Кроме того, модемы и устройства не ограничены их установкой в домовладениях. Они могут быть установлены, например, на складах, на судах и в музеях, и могут обеспечивать мониторинг высокоценных предметов или таких условий, как, например, температура проводников линий электропередачи или локальная скорость ветра.
Со ссылкой на Фиг. 3, модем 5 содержит антенну 7 ближней связи, приемопередатчик 8 ближней связи для связи с LAN через антенну 7 ближней связи, антенну 9 спутниковой связи и приемопередатчик 10 спутниковой связи для связи со спутником 2 связи через антенну 9 спутниковой связи. Модем дополнительно содержит запоминающее устройство 11 для хранения данных и исполняемых компьютером команд. Модем 5 также содержит контроллер 12 для управления приемопередатчиком 8 ближней связи и приемопередатчиком 10 спутниковой связи. Кроме того, модем 5 содержит источник 13 питания. Источником питания может являться солнечная батарея, аккумулятор или комбинация из панели солнечной батареи и аккумулятора. Им также может являться соединение с источником питания от электрической сети.
Антенна 9 спутниковой связи и приемопередатчик спутниковой связи 10 могут работать в диапазоне UHF, L или S. На этих частотах антенна 9 спутниковой связи может представлять собой простой диполь или микрополосковый излучатель с большой шириной диаграммы направленности антенны, что значительно упрощает монтаж модема. Отсутствует необходимость в наличии антенны с высоким коэффициентом усиления. Эта антенна может представлять собой ненаправленную антенну, или она может иметь низкий коэффициент усиления. Могут использоваться иные частоты, такие как X, C или Ku, при условии, что антенна 9 спутниковой связи может иметь относительно низкий коэффициент усиления от 0 дБи до 12 дБи. В некоторых вариантах осуществления антенна 9 спутниковой связи и приемопередатчик 10 спутниковой связи осуществляют связь с использованием сигналов с частотой свыше 1 ГГц. В некоторых вариантах осуществления для сохранения простоты монтажа коэффициент усиления по азимуту не превышает 6 дБи, но коэффициент усиления по высоте может составлять до 12 дБи, поскольку для установки антенны по существу вертикально может использоваться простой спиртовый уровень, что в этом случае может означать "в пределах 30 градусов".
В запоминающем устройстве 11 хранится адрес 14a, 14b модема 5. Модем принадлежит к одной или более групп. Он также может принадлежать к одной или более подгрупп в пределах этой группы. Кроме того, он имеет адрес в пределах группы или подгруппы. Группа может включать в себя все модемы, расположенные в конкретной части страны, а подгруппа может включать в себя все модемы, связанные с конкретным поставщиком коммунальных услуг. Однако, модемы, расположенные в конкретных частях страны и связанные с конкретным поставщиком коммунальных услуг, также могут быть разделены на множество различных групп. Модемы могут быть сгруппированы в зависимости от требований сети. Адрес модема может быть определен как адрес 14a группы и конкретный адрес модема 14b в группе. В альтернативном варианте, если группа разделена на подгруппы, то адрес может быть определен как адрес группы, адрес подгруппы и адрес модема в подгруппе. Один модем может иметь более одного адреса, так что его адресация может быть осуществлена через различные группы. В запоминающем устройстве 11 также могут храниться данные, соответствующие множеству режимов работы модема. Эти режимы определяют то, как модем осуществляет связь со спутником. В запоминающем устройстве 11 также могут храниться определенное количество кодов и сведения о соответствующих действиях, подлежащих выполнению в пользовательской сети 3. Вместо приема набора команд со спутника связи модем может принимать код, и модем может производить поиск команды, соответствующей этому коду, в запоминающем устройстве 11. Коды могут храниться в справочной таблице в запоминающем устройстве 11. Более подробное описание адресов 14a, 14b, режимов и действий будет приведено ниже.
Со ссылкой на Фиг. 4, устройство 6 в пользовательской сети может содержать антенну 15 ближней связи и приемопередатчик 16 для связи с модемом 5 через антенну 15 ближней связи. Устройство 6 также может содержать запоминающее устройство 17 для хранения данных и считываемых посредством компьютера команд. Кроме того, это устройство может содержать контроллер 18 и модуль 20 приложения. Модулем 20 приложения может являться приложение, выполняющее измерения. Например, если устройством является счетчик расхода воды, то модуль 20 приложения может регистрировать объем воды, потребленной в домовладении или в многоквартирном доме, в котором он установлен. Следует понимать, что счетчик расхода воды является лишь одним из примеров, и что приложение может, в дополнение к этому или в качестве альтернативы, выполнять иные задачи. Устройство 6 также может содержать источник 19 питания. В некоторых вариантах осуществления источник питания является средством сопряжения с основным электроснабжением домовладения. В других вариантах осуществления источником питания является панель солнечной батареи или аккумулятор, или комбинация их обоих. Устройство 6 принимает запрос об информации из модема через антенну 15 ближней связи и приемопередатчик, и посылает в ответ запрошенную информацию. Оно также может инициировать связь с модемом путем передачи сообщения в модем 5. Поскольку связь в пределах сети ближней связи является известной, то ее подробное описание здесь приведено не будет. Предполагают, что может использоваться любой подходящий протокол обмена сообщениями между модемом 5 и устройством.
Со ссылкой на Фиг. 5, станция управления или орган 4 управления данными могут содержать антенну 21 спутниковой связи и приемопередатчик 22 спутниковой связи. Орган 4 управления данными также может содержать запоминающее устройство 23 для хранения данных и считываемых посредством компьютера команд. Кроме того, оно может содержать базу 24 данных для хранения обо всех пользовательских сетях 3 в глобальной сети. Например, в ней может храниться адрес 14a, 14b каждого модема 5 в WAN и информация о типе счетчиков и других устройств 6, с которыми соединен каждый модем 5. В базе 24 данных также могут храниться ответы из пользовательских сетей 3 перед передачей этих ответов, при необходимости, в соответствующие учреждения и органы управления. Орган 4 управления данными также может содержать контроллер 25 для управления приемопередатчиком 22, запоминающее устройство 23 и базу 24 данных. Кроме того, контроллер 25 обеспечивает контроллер глобальной сети для глобальной сети. Сетевой контроллер управляет связью между спутником 2 и пользовательскими сетями 3, дает спутнику команду посылать сообщения в пользовательские сети и регистрирует принятые ответы. Орган управления данными также содержит один или более внешних интерфейсов 26 для связи с учреждениями и органами управления, заинтересованными в посылке данных в пользовательские сети 3 и в приеме данных из них. Один или более внешних интерфейсов 26 могут представлять собой защищенные внешние интерфейсы. В качестве примера, внешний защищенный интерфейс 26 может содержать брандмауэр для обеспечения возможности безопасной передачи данных. Орган 4 управления данными может быть создан как распределенная система обработки и хранения данных или как специализированный сервер.
Со ссылкой на Фиг. 6, спутник 2 связи содержит параболическую антенну 27 и приемопередатчик 28. Спутник связи также содержит запоминающее устройство 29 для хранения данных и команд. Кроме того, спутник связи может содержать базу 30 данных для хранения информации о модемах в сети. Информация, хранящаяся в базе 30 данных, может дублировать информацию, хранящуюся в базе 24 данных в органе 4 управления данными, или она может быть иной, чем информация, хранящаяся в базе 24 данных в органе управления данными. База 30 данных в спутнике 2 связи может дополнять базу данных в органе 4 управления данными или использоваться вместо нее. Спутник 2 связи также может содержать контроллер 31 для управления приемопередатчиком 28, запоминающее устройство 29 и базу 30 данных.
Следует понимать, что Фиг. 3, 4, 5 и 6 представляют собой просто схемы, и что модем 5, устройства 6, орган 4 управления данными и спутник 2 связи могут содержать дополнительные компоненты или меньше компонентов, чем описано. Например, могут быть добавлены дополнительные компоненты для удовлетворения требований по отказоустойчивости. Кроме того, следует понимать, что схемы 10, 16, 22, 28 приемопередатчика и приемника могут содержать усилители, фильтры и устройства обработки сигналов, не показанные на чертежах. Кроме того, контроллеры 12, 18, 25 и 31 могут быть реализованы с использованием единого центрального процессора или как распределенная система обработки. Контроллеры могут быть реализованы посредством программного обеспечения или аппаратного обеспечения, или в виде комбинации обоих. Код компьютерной программы может храниться в запоминающих устройствах 11, 17, 23, 29 и выполняться контроллерами 12, 18, 25, 31. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления не требуется отдельная база 30 в спутнике 2 связи.
Согласно изобретению система связи между пользовательской сетью 3 и спутником 2 связи спроектирована так, чтобы позволять охватывать широкую географическую зону обслуживания с низкими скоростями передачи данных. За счет использования низких скоростей передачи данных сигналом от спутника может являться сигнал низкой мощности. Спутник может осуществлять связь больше чем с 50 миллионами отдельных модемов по одной линии беспроводной связи в заданной географической области. Для этого все модемы 5 остаются непрерывно логически соединенными со спутником 2 связи, но каждый модем передает только лишь редкие миллисекундные пакеты данных со средней скоростью передачи данных менее, чем 1 бит в секунду. Одна линия беспроводной связи может рассматриваться как одна радиочастотная сота.
Для адаптации ко всем пользовательским сетям и для обеспечения гибкости связи, при необходимости, все модемы запрограммированы для работы в определенном количестве различных режимов. Некоторые модемы могут быть сконфигурированы для работы в таких режимах, в которых другие модемы не могут работать. Основной режим работы согласно изобретению показан на Фиг. 7.
Со ссылкой на Фиг. 7, в глобальной сети развернуто множество прямых каналов 32 и множество обратных каналов 33. Прямые каналы и обратные каналы предусмотрены в различных полосах частот. Эти каналы могут являться частотными каналами. В альтернативном варианте или в дополнение, если в глобальной сети развернуто мультиплексирование с кодовым разделением, то эти каналы могут соответствовать различным кодам.
1
n
На Фиг. 7 показано n прямых каналов 32 и n' обратных каналов 33. Каждый канал разделен на кадры 34, содержащие множество временных слотов 35. В некоторых вариантах осуществления длина кадра не является фиксированной. Вместо этого, количество временных слотов в кадре может изменяться, что более подробно будет описано ниже. На Фиг. 7 нумерация временных слотов с t по t показана относительно кадров первого и второго каналов в прямом и обратном каналах 32, 33. Эта нумерация также будет использована применительно к временным слотам в других каналах. Каждому каналу назначено определенное количество модемов. В некоторых вариантах осуществления модем прослушивает только тот канал, которому он назначен в текущий момент.
В прямых каналах 32 каждый кадр начинается с пакета 36 широковещательного сообщения со спутника 2 связи. Пакет 36 широковещательного сообщения указывает начало кадра и ниже именуется сообщением "начало кадра" (SoF). Как показано на Фиг. 7, кадры и сообщения SoF не обязательно должны быть выровненными между различными каналами. На Фиг. 7 сообщение SoF охватывает четыре временных слота 35, но оно приведено всего лишь в качестве примера, и сообщение SoF может быть более коротким или более длинным, чем четыре временных слота. Поскольку ресурсы по спектру ограничены, то в любой момент времени активным может быть лишь ограниченное количество модемов. Все модемы, назначенные конкретному каналу, прослушивают трафик прямой связи на этом канале. После их синхронизации со структурой кадра они остаются в состоянии ожидания с малым энергопотреблением или в состоянии сна и пробуждаются для прослушивания следующего сообщения 36 SoF в назначенном канале.
Сообщение 36 SoF адресовано группе модемов или подгруппе модемов с использованием адресов 14a групп и подгрупп этих модемов, и задает время до следующего сообщения SoF. Затем модемы в конкретной целевой группе готовятся к приему их индивидуальных команд, тогда как другие модемы входят в режим ожидания и ждут следующего сообщения 36 SoF. Поскольку адресация большинства модемов происходит только лишь в малой доле кадров, то в течение большей части времени большинство модемов находятся в режиме малого энергопотребления или в режиме ожидания и пробуждаются только лишь для прослушивания сообщений SoF 36. Кроме того, поскольку в любой момент времени большое количество модемов находятся в режиме ожидания, то потребление энергии сокращено.
В основном режиме работы после передачи сообщения 36 SoF спутник 2 начинает передавать сообщения 37 и 38, характерные для модемов, в модемы 5 в целевой группе/подгруппе. Начало сообщения 37, 38, характерного для модема, совпадает с началом целого числа временных слотов 35. Модемы, которым адресовано сообщение 36 SoF, прослушивают адресованные им сообщения и отмечают тот временной слот, в котором были переданы эти сообщения. Это сообщение включает в себя адрес 14b модема в группе/подгруппе и команду. Команда может быть передана в виде короткого кода или в виде более длинного набора команд, как будет более подробно показано со ссылкой на Фиг. 8. Все модемы, которым адресовано сообщение SoF, прослушивают сообщения, характерные для модемов, которые следуют за сообщением SoF, но конкретный модем отмечает временной слот сообщения только в том случае, если сообщение содержит адрес 14b этого модема. В одном из примеров сообщение может быть передано в одном временном слоте 35, и оно может содержать команду для конкретного модема представить показания счетчиков. Однако, также возможны команды иных типов и более длинные сообщения, что более подробно будет описано ниже.
В результате особой структуры связи и использования групп, подгрупп и адресов 14a, 14b конкретных модемов сеть может эффективно осуществлять адресацию любого конкретного счетчика в любой момент времени. Если сетевой контроллер должен послать срочное сообщение в конкретный модем, то он должен ожидать только лишь до следующего кадра. Особая структура обмена сообщениями также позволяет многим модемам находиться в режиме ожидания значительную долю времени, что приводит к экономии энергии. Кроме того, в сообщениях, характерных для модемов, уменьшены издержки данных за счет использования в сообщении 37, 38, характерном для модема, адреса 14a группы в сообщении 36 SoF и только лишь короткого адреса 14b конкретного модема в группе. Поскольку в каждом сообщении, характерном для модема, необходимо передавать меньший объем данных, то спутник может часто осуществлять связь с каждым модемом.
Модем отмечает команды и временной слот, в котором было передано сообщение 37 и 38, и, если необходим ответ, то передает свой ответ 38, 40 в обратном канале 33, соответствующем тому прямому каналу 32, в котором было принято сообщение. В некоторых вариантах осуществления модем передает ответ на сообщение точно через один кадр после того, как было передано сообщение. На Фиг. 7, стрелки, указывающие время между сообщениями 37, 38, характерными для модемов, и ответами 38, 40, показывают, что время между сообщением, характерным для модема, и соответствующим ответом равно длительности кадра, в котором было передано сообщение. Поскольку каждому модему, который принимает сообщение, характерное для модема, было сообщено в сообщении 36 SoF, предшествовавшем сообщению, характерному для модема, о том, когда будет передано следующее сообщение SoF, то он может определять длину кадра, в котором было передано сообщение, характерное для модема, а также тот момент времени, когда следует передать ответ. Поскольку всеми модемами в целевой группе были прослушаны все сообщения для этой группы, и ответы передают на один кадр позже, то структура хронирования для кадра обратного канала в точности совпадает со структурой хронирования предыдущего кадра прямого канала. Это устраняет проблемы, связанные с моментом времени начала передачи, которые возникали бы, если бы эти моменты времени были близкими друг к другу в конкретном кадре. К тому же, это означает, что модем не производит прием и передачу сообщений одновременно. Это устраняет необходимость наличия диплексора и соответствующие потери интенсивности сигнала при соединении с антенной модема. Кроме того, это имеет преимущество, заключающееся в том, что объем информации, передаваемой в сообщениях 37 и 38, характерных для модемов, может быть уменьшен в еще большей степени, поскольку сообщение не обязательно должно включать в себя данные, указывающие временной слот, в котором модему разрешено передавать ответ. Вместо этого, модем запрограммирован для передачи ответа в точности через один кадр 34 после первого временного слота, в котором было принято сообщение, характерное для модема. Кроме того, сетевой контроллер знает, из какого модема был передан ответ, определяя временной слот, в котором был передан ответ. Однако, следует понимать, что могут использоваться другие структуры хронирования.
Теперь будет приведено описание определенного количества различных типов сообщений, характерных для модемов, и ответов от модемов. В некоторых вариантах осуществления сообщениями, характерными для модемов, могут являться короткие сообщения 37, характерные для модемов, или длинные сообщения 38, характерные для модемов. Аналогичным образом, в ответ модем может посылать либо короткий ответ 39, либо длинный ответ 40. Как правило, в ответ на короткое сообщение 37 модем посылает короткий ответ 39, а в ответ на длинное сообщение 38 он посылает длинный ответ 40. Однако, следует понимать, что в других вариантах осуществления могут использоваться сообщения и ответы только одного или некоторых из этих типов. Кроме того, также могут использоваться сообщения других типов, которые конкретно здесь не описаны.
1
1
Как показано на Фиг. 7, спутник 2 передает короткое сообщение 37, характерное для модема, в конкретный модем во временном слоте t5 первого кадра в канале ch. После этого этот модем передает короткий ответ 39 на спутник в точности на один кадр 34 позже на частотном канале ch'. Каждое из коротких сообщений 37, характерных для модемов, и каждый из коротких ответов 39 могут уместиться в одном временном слоте и являются достаточными для наиболее распространенных и простейших команд и ответов, например, запросов на получение показаний счетчиков и ответов на эти запросы или команд включения или выключения устройства или схемы, питаемой этим устройством. Короткие сообщения 37, характерные для модемов, содержат команды в виде кода. Модем 5 производит поиск команд, соответствующих коду, в запоминающем устройстве 11. Следовательно, для наиболее распространенных команд длина команд может быть уменьшена до кода, и они могут умещаться в одном временном слоте.
1
n
1
n
Как показано далее на Фиг. 7, конкретный модем принимает длинное сообщение 38, характерное для модема, в трех временных слотах, начиная с момента времени t, в первом кадре на частотном канале ch. После этого модем отвечает на это сообщение в точности на один кадр позже в сообщении 40, начинающемся в момент времени t, на частотном канале ch'. В некоторых вариантах осуществления длина ответа 40 равна длине длинного сообщения 38, характерного для модема. Длинные сообщения, характерные для модемов, и ответы используют для более сложных и реже встречающихся команд. Длинные сообщения, характерные для модемов, могут, например, содержать команды регулировки температуры в помещении, включения или выключения устройства, которое не является устройством широко распространенного типа, или запроса на получение подробной информации о неисправности, о которой сообщил модем. Длинные сообщения 38, характерные для модемов, также могут использоваться для обновления используемого модемом набора команд из коротких сообщений, или для выдачи модему команды изменить каналы. Ответ 40 от модема может содержать информацию, запрошенную в длинном сообщении 38, или подтверждение того, что команды были выполнены.
Со ссылкой на Фиг. 8, показаны структура и длина различных полей в сообщениях 36 SoF, сообщения 37, 38, характерные для модемов, и ответ 39, 40. Каждый временной слот соответствует фиксированному количеству битов. Для прямых каналов 32 и обратных каналов 33 могут использоваться асимметричные скорости передачи данных, и временной слот 35 в прямых каналах 32 может быть способным передавать иное количество битов по сравнению с временным слотом 35 в обратном канале 33. Причина этого состоит в следующем: тогда как выходная мощность в спутнике 2 связи может быть ограничена допустимой мощностью существующих спутников, используемых для реализации системы, выходная мощность модемов 5 ограничена только лишь существующими мощными транзисторами, используемыми для изготовления модемов. Скорость передачи данных в обратных каналах 33 обычно является более высокой, чем скорость передачи данных в прямых каналах 32. Однако, скорость передачи данных в обратных каналах также может являться более низкой. В качестве примера, скорость передачи данных в обратных каналах может быть в четыре раза большей, чем скорость передачи данных в прямых каналах. Например, модем 5 может быть способен принимать 16 бит (2 байта) во временном слоте 35 в прямых каналах и передавать 64 бита (8 байт) в соответствующем временном слоте в обратных каналах. В иллюстративных целях этот пример будет ниже использован для описания структуры сообщений и ответов модема. Однако, следует понимать, что скорость передачи данных может быть увеличена или уменьшена, или длительность временного слота может быть изменена так, чтобы в одном временном слоте можно было передать большее или меньшее количество битов. Кроме того, следует понимать, что структура сообщений 36 SoF, сообщений 36, 38, характерных для модемов, и ответов 39, 40 может быть иной.
Как показано на Фиг. 8, сообщение 36 SoF содержит поле синхронизации для того, чтобы терминалы могли синхронизироваться со спутником. Длина и структура поля синхронизации определяются требованиями, которые предъявляют приемные схемы модема. Для большинства модемов достаточно 2 байт, как показано на Фиг. 8. После первых двух байт могут следовать 8 бит поля "следующий кадр", указывающие, когда начнется следующий кадр. Сообщение 36 SoF также включает в себя поле "адрес группы", которое включает в себя адрес 14a группы и, возможно, также подгруппы, для которой предназначен кадр. Чтобы спутник мог осуществлять адресацию очень большого количества модемов, для этого поля может быть отведено 24 бита. Следовательно, модемы могут быть сгруппированы более чем в 16 миллионов групп. Предполагают, что каждый терминал может принадлежать более чем к одной группе. В первой части поля "адрес группы" может быть указана основная группа, а в последней части этого поля может быть указана подгруппа. Последние 2 байта сообщения SoF могут использоваться для контрольной суммы для проверки целостности сообщения 36 SoF. Количество байтов, используемых для контрольной суммы, зависит от допустимой частоты появления ошибок. Для областей применения, не несущих угрозу для жизни, обычно достаточно 2 байт. Время до следующего сообщения SoF может быть изменено путем изменения значения в следующем поле кадра. В результате, хронирование передачи сообщений SoF в конкретном канале может быть изменено, и сообщения SoF в различных каналах могут быть не выровненными.
Как показано далее на Фиг. 8, если модемы распределены по группам из 256 модемов, то для короткого сообщения 37, характерного для модема, нужен 1 байт информации об адресе для адресации этих 256 модемов. Сообщение, характерное для модема, может дополнительно содержать 1 байт для указания короткой команды. Чтобы минимизировать объем данных, подлежащих передаче, команду передают с использованием кода. Модем 5 производит поиск кода и понимает, что им является запрос на считывание показания счетчика из одного из подсоединенных устройств 6. Например, сообщением может являться запрос на считывание показания счетчика электроэнергии. Другими примерами являются, в том числе, запросы на опрос других устройств, такие как, например, запросы на получение информации о "состоянии", о "сумме кредита", о “считывании максимальных показаний” и о “считывании усредненных показаний”. Кроме того, сообщением могут являться посылаемые в модем команды на подтверждение его адреса. Короткое сообщение может быть послано во все модемы в группе путем установки в поле "адрес" конкретного значения, равного, например, нулю.
Как показано далее на Фиг. 8, длинное сообщение 38, характерное для модема, может содержать 1 байт информации об адресе конкретного модема в группе, для которого предназначено сообщение. Оно также может содержать поле "команда". Соответственно, до поля "команда" включительно структура длинного сообщения 38, характерного для модема, является той же самой, что и структура короткого сообщения 37, характерного для модема. Поле "команда" является достаточно длинным для задания 256 различных кодов. В некоторых вариантах осуществления один или несколько из этих кодов могут указывать, что после будет следовать длинный набор команд, и, таким образом, сообщать модему о том, что команда является частью длинного сообщения 38, характерного для модема. Остальная часть кодов может соответствовать хранящимся командам для коротких сообщений, характерных для модемов. После поля "команда" в длинном сообщении, характерном для модема, следует полезная информация, содержащая команды, и контрольная сумма. Длинное сообщение, показанное на Фиг. 8, занимает 3 временных слота. Однако, следует понимать, что длинное сообщение, характерное для модема, может занимать меньше временных слотов или дополнительные временные слоты. Для некоторых команд длинные сообщения, характерные для модемов, могут занимать очень большое количество временных слотов. Длительность длинного сообщения 38, характерного для модема, ограничена только лишь длиной кадра. Длинное сообщение 38, характерное для модема, не может быть более длинным, чем длина кадра, в котором его передают. Длинное сообщение 38, характерное для модема, может быть послано во все модемы в группе путем установки в поле "адрес" предварительно определенного значения, равного, например, нулю.
И вновь со ссылкой на Фиг. 8, короткий ответ 39 имеет длину, равную одному временному слоту 35. Следовательно, в описанном выше примере, в котором каждый временной слот содержит шестнадцать битов, короткий ответ может содержать 64 бита. Поскольку ответ посылают в точности через один кадр после короткого сообщения 37, характерного для модема, сетевой контроллер знает, каким именно модемом послан ответ, и отсутствует необходимость в использовании каких-либо битов для идентификации модема. Следовательно, теоретически все имеющиеся биты могут использоваться для передачи данных из модема 6. В действительности, могут использоваться защитные интервалы между ответами, и для информации из модема доступно немного менее 64 битов. Однако, это количество является более чем достаточным для передачи показаний счетчика. Фактически, оно может быть достаточным для передачи более одного показания. Типичный домашний электромеханический счетчик электроэнергии может регистрировать 1000000 кВт*ч за свой срок службы. Это соответствует 20 битам в поле сообщения. Следовательно, даже в том случае, если для битов защиты используются 8 бит, то остальных 56 битов более чем достаточно два передачи двух показаний счетчиков или одного показания счетчика и иной информации. Кроме того, на практике вероятно, что передают только изменение относительно предыдущего показания. Следовательно, короткий ответ может являться достаточным для передачи двух или более показаний счетчиков.
И еще раз со ссылкой на Фиг. 8, длительность длинного ответа 40 равна длительности длинного сообщения 38, характерного для модема, ответом на которое является длинный ответ. Следовательно, используя пример из чертежей Фиг. 7 и Фиг. 8, если длинное сообщение 38, характерное для модема, имеет длину, равную трем временным слотам, то длина длинного ответа также равна трем временным слотам. Кроме того, используя пример, в котором каждый временной слот содержит 64 бита, длинный ответ может содержать 192 бита, как показано на Фиг. 8. И вновь, некоторые биты могут использоваться в защитных интервалах между сообщениями, и для ответа из модема могут быть доступными немногим менее, чем 192 бита. Длинный ответ 40 может потребоваться в том случае, если имеет место неисправность одного из счетчиков, и если в модем был послан запрос на передачу подробных сведений о неисправности в длинном сообщении, характерном для модема.
В некоторых вариантах осуществления средняя скорость передачи данных в каждом прямом канале является более низкой, чем 1 кбит/с, а средняя скорость передачи данных в каждом обратном канале является более низкой, чем 4 кбит/с. В качестве конкретного примера, типичный существующий спутник может производить передачу со скоростью 250 кбит/с в полосе пропускания 1 МГц. Если полоса пропускания разделена на 1024 частотных канала, то скорость передачи данных на каждом канале не превышает 250 бит/с. При требуемых 16 битах в каждом слоте имеется немногим более 15 слотов в секунду. Для достижения в четыре раза более высокой скорости передачи данных в обратных каналах модемы должны быть сконфигурированы для передачи со скоростью передачи данных, приблизительно, 1 кбит/с в каждом канале. Она может быть достигнута, например, за счет использования компонентов высокой мощности, которые способны осуществлять передачу со скоростью 1000 кбит/с в полосе пропускания 1 МГц, разделенной на 1024 канала. Следует понимать, что эти чертежи приведены только лишь в качестве примера. Полоса пропускания может быть разделена на более или на меньшее количество каналов. Кроме того, если компоненты высокой мощности для модемов имеют более низкую мощность или более высокую мощность, то полоса пропускания, используемая для обратных каналов, может быть иной для достижения требуемой относительной скорости передачи данных. Например, вероятно, что может потребоваться увеличение полосы пропускания каждого обратного канала для поддержки скорости передачи данных 1 кбит/с в каждом канале. Может потребоваться соответствующее изменение количества модемов, которое поддерживает каждый канал.
Кроме того, следует понимать, что полоса пропускания, используемая как для прямого канала, так и для обратного канала, может быть большей или меньшей, чем 1 МГц. Если имеется возможность использования более широкого спектра, то полоса пропускания обоих или любого из прямого и обратного канала может быть увеличена.
Используя простейший режим работы, в котором адресацию каждого модема в группе из 256 модемов осуществляют посредством короткого сообщения, характерного для модема, в конкретном кадре, и используя пример, в котором сообщение SoF занимает 4 слота, для адресации всех модемов в группе требуется 260 слотов. Кроме того, используя приведенный выше пример, в котором скорость передачи данных равна 250 бит/с для прямых каналов и 1000 бит/с для обратных каналов, кадр, следовательно, имеет длительность немногим более 17 секунд. Следовательно адресация любого модема в сети может быть произведена за 17 секунд. Однако, следует понимать, что длительность кадра изменяется в зависимости от скоростей передачи данных, используемых для прямого и обратных каналов. Кроме того, если адресацию 256 модемов в конкретном канале осуществляют за каждые 17 секунд, то этот канал может обеспечивать адресацию более 50000 модемов в час. Следовательно, учитывая, что существует более 1000 частотных каналов, система может обеспечивать адресацию каждого модема в сети из 50 миллионов пользовательских сетей менее чем за час. Если каждый модем передает короткий ответ из 64 битов каждый час, то этот модем имеет скорость передачи данных менее 0,02 бита в секунду. Это сообщение можно рассматривать как сообщение со сверхнизкой скоростью передачи данных, которая является на несколько порядков по величине более медленной, чем та, к которой могут быть приспособлены существующие в настоящее время коммерческие системы. В системе, разработанной для управления предоставлением коммунальных услуг в домовладения, требуется всего лишь ежедневное обновление показаний конкретного счетчика. Следовательно, эта система также позволяет включать в ее состав другие функции.
В более типичном примере кадр обычно содержит немного более, чем один слот на каждое сообщение, для обеспечения возможности передачи небольшого количества длинных сообщений, характерных для модемов, и длинных ответов. Следовательно, предполагают, что длительность типичного кадра равна, приблизительно, 20 секунд. Кроме того, если для многих из модемов в группе требуются более длинные сообщения, то возможно, что не все сообщения в группе адресованы в кадре. Поле "следующий кадр" в сообщении SoF также может использоваться для регулирования количества слотов в каждом кадре.
Если длинные сообщения 38, характерные для модемов, необходимы для большого количества модемов, назначенных конкретному каналу, то частота обновления для других модемов в этом канале является более низкой, чем средняя скорость. При некоторых обстоятельствах в сетевом контроллере может храниться нижний предел частоты обновления для модемов в конкретном канале. Например, этот нижний предел может соответствовать минимальной частоте обновления показаний счетчиков, требуемой органом управления в сети или конкретным поставщиком. Если сетевой контроллер определяет, что в одном канале существует высокий риск падения частоты обновления для одного или для более модемов ниже нижнего предела, то он может переместить один или более модемов из этого канала на новый канал. Новый канал может иметь иной нижний предел или какой-либо предел вообще может в нем отсутствовать. Сетевой контроллер может определять наличие высокого риска падения частоты обновления для одного или для более модемов ниже нижнего предела на конкретном канале путем анализа сообщений, ожидающих передачи в модемы, назначенные этому каналу. Как упомянуто выше, модем 5 может быть перемещен на новый канал путем посылки в этот модем длинного сообщения 38, характерного для модема, с командами на переключение каналов. Кроме того, выше было упомянуто, что в поле "команда" коротких и длинных сообщений, характерных для модемов, может использоваться более одного значения для указания того, что сообщение, характерное для модема, является длинным сообщением, характерным для модема. В некоторых вариантах осуществления одно из этих значений может соответствовать коду, который указывает модему то, что он должен сменить канал. Следовательно, модем знает о том, что подробные сведения о новом канале предоставлены в поле "полезная информация". При наличии, приблизительно, 1000 различных каналов для задания номера нового канала достаточно 10 битов. Следовательно, при использовании примера, в котором каждый временной слот содержит 16 битов, в некоторых вариантах осуществления для посылки длинного сообщения, характерного для модема, с командами переключения модема на конкретный канал требуется только лишь два временных слота или 32 бита. После того, как модем переключился на новый канал, он остается включенным до тех пор, пока им не будет принято следующее сообщение SoF в новом канале. Если модему необходимо передать сообщение, то он передает это сообщение в обратном канале, соответствующем тому прямому каналу, переключиться на который ему была дана команда. В некоторых вариантах осуществления в длинном сообщении, характерном для модема, в котором модему дана команда переключить каналы, указаны подробные сведения как о новом прямом канале, так и о новом обратном канале. В других вариантах осуществления в длинном сообщении, характерном для модема, указан только новый прямой канал, а соответствующий обратный канал определяет модем, или в нем указан только новый обратный канал, а соответствующий прямой канал определяет модем. Прямой канал и соответствующие обратные каналы могут иметь соответствующие адреса. Если каналы являются частотными каналами, то модем может переключать каналы путем настройки на новый частотный канал. Сообщение с командами на переключение каналов может быть послано во все модемы в группе путем установки в поле "адрес" предварительно определенного значения, равного, например, нулю. За счет выдачи в один или в более модемов команд на переключение каналов, когда имеет место слишком большой трафик в канале, сетевой контроллер, снабженный контроллером 25 органа 4 управления данными, может обеспечивать правильное функционирование системы и работу системы без отказов.
Следует понимать, что структуры сообщений, описанные на Фиг. 8, приведены лишь в качестве примера. Например, каждая группа может содержать более 256 модемов, для чего требуется, чтобы поле "адрес" было большим, чем 1 байт. В предельном случае адресация/выдача разрешения на ответ для всех модемов в конкретном канале может производиться, по меньшей мере, один раз в каждом кадре. Это означает, что в сети из 50 миллионов модемов, где каждый канал обеспечивает поддержку 50000 модемов, каждый кадр включал бы в себя, приблизительно, 50000 слотов. При использовании описанного выше примера с 15 слотами в секунду длительность кадра может составлять до одного часа. Однако, при таких больших значениях длины кадра, сеть может недостаточно быстро реагировать на события в системе. В некоторых вариантах осуществления может использоваться очень длинный кадр, но все модемы по-прежнему должны пробуждаться и прослушивать пакеты сообщений со спутника через предварительно определенные интервалы в том случае, если необходим новый режим работы.
Для доходчивости, на Фиг. 7 последовательные кадры в каждом канале показаны имеющими равную длину. Однако, конечно же возможно, что последовательные кадры имеют различную длину, как показано на Фиг. 9. Кадры в различных каналах также могут иметь различную длину. Длина кадра определяется в зависимости от ряда факторов, в том числе, от количества модемов в группе, от типа сообщений, подлежащих передаче в этой группе, и от длины этих сообщений, и она указана значением поля "следующее SoF" в сообщении 36 SoF, но не ограничиваясь этим. Как более подробно будет описано со ссылкой на Фиг. 9, в структуру кадра, вероятно, необходимо вставлять фиктивные сообщения для того, чтобы отрегулировать хронирование передачи сообщений в прямом и обратном каналах. На Фиг. 9 показан один прямой канал 32, содержащий 4 полных кадра 34a-34d, и один обратный канал, также содержащий 4 полных кадра 34a'-34d'. Каждый кадр в обратном канале зеркально отображает предыдущий кадр в прямом канале. Длина первого полного кадра 34a' в обратном канале равна длине первого полного кадра 34a в прямом канале, но он начинается тогда, когда заканчивается кадр в прямом канале. Короткое сообщение 37, характерное для модема, посылают в первом полном кадре 34a в прямом канале, а ответ 39 посылают в точности на один кадр позже в первом полном кадре 34a' в обратном канале. За счет того, что разрешено совпадение начала кадра в обратном канале с концом соответствующего кадра в прямом канале, сообщение 36 SoF в следующем кадре в прямом канале всегда будет совмещено с пустыми слотами в кадре в обратном канале. В результате, отсутствует необходимость в том, чтобы модемы производили прием и передачу одновременно. Важность этого будет более подробно проиллюстрирована применительно ко вторым кадрам 34b, 34b' в прямом и обратном каналах из Фиг. 9.
Второй кадр 34b в прямом канале является более длинным, чем первый кадр 34a в прямом канале, и, следовательно, также является более длинным, чем первый кадр 34a' в обратном канале. Следовательно, как показано на Фиг. 9, второй кадр в обратном канале заканчивается, если он не будет видоизменен, до конца первого кадра в обратном канале. Для сохранения выравнивания между кадрами в прямом канале и в обратном канале в конце первого кадра 34a' в обратном канале вставлено фиктивное сообщение 41, вследствие чего первый кадр 34a' в обратном канале заканчивается одновременно со вторым кадром 34b в прямом канале. Как показано на Фиг. 9, в этом случае второй кадр 34b' в обратном канале начинается тогда, когда заканчивается второй кадр 34b в прямом канале. Во втором кадре 34b в прямом канале в модем посылают длинное сообщение 38, характерное для модема, и ответ 40 передают в точности на один кадр позже во втором кадре 34b' в обратных каналах. Без наличия фиктивного сообщения момент времени ответа мог бы не быть в точности на один кадр позже длинного сообщения, характерного для модема.
После второго кадра в кадре в обратном канале следует более короткий третий кадр 34c. Следовательно, если бы третий кадр в прямом канале не был отрегулирован, то он закончился бы перед вторым кадром в обратном канале. Для сохранения выравнивания сообщений SoF и соответствующих пустых слотов в обратном канале теперь в кадр 34c в прямом канале вставлено фиктивное сообщение 41. Следовательно, ответ на короткое сообщение 37, характерное для модема, в третьем кадре 34c в прямом канале может быть передано в точности на один кадр позже в третьем кадре 34c' в обратном канале. Четвертый кадр 34d в прямом канале имеет ту же самую длину, что и третий кадр в прямом канале. Следовательно, не требуется наличие какого-либо фиктивного сообщения 41 ни в прямом канале, ни в обратном канале, для сохранения выравнивания между четвертым кадром 34d' в обратном канале и кадром, следующим за четвертым кадром 34d в прямом канале.
Следует понимать, что сетевой контроллер может управлять количеством и длительностью фиктивных сообщений 41 путем перетасовки групп и регулирования размера группы. Для временных слотов фиктивных сообщений в прямых каналах отсутствуют соответствующие временные слоты в обратных каналах. Аналогичным образом, для временных слотов фиктивных периодов в обратных каналах отсутствуют соответствующие временные слоты в прямых каналах. Фиктивные сообщения в кадре в прямом канале могут использоваться для трафика, предназначенного для передачи только в прямом направлении, то есть для сообщений, подходящих для всех модемов в группе, для которых не требуются ответы. Фиктивные сообщения в кадре в обратном канале могут использоваться для модемов для инициирования связи со спутником связи. Например, может возникнуть необходимость посылки из модема 5 в спутник сообщения, не являющегося прямым ответом на сообщение 37, 38, характерное для модема. Модемы знают длину предыдущего кадра и длину текущего кадра, и, следовательно, знают длительность периода фиктивного сообщения. Кроме того, аномальный трафик в пределах этого фиктивного периода может указывать, что модем неисправен. Сетевой контроллер может идентифицировать неисправные модемы путем анализа трафика в фиктивном периоде.
За счет выравнивания кадров в прямом канале и в обратном канале отсутствует необходимость в том, чтобы модемы производили прием и передачу одновременно. Для этого сетевой контроллер также может обеспечивать то, что адресацию группы модемов не осуществляют в последовательных кадрах, как проиллюстрировано на Фиг. 9. Если бы сообщение SoF во втором кадре в прямом канале было послано в группу, которая включает в себя модем, принявший короткое сообщение 37, характерное для модема, в первом кадре в прямом канале, то этот модем должен был бы передать ответ на короткое сообщение, характерное для модема, при прослушивании сообщений, характерных для модемов, во втором кадре в прямом канале. За счет адресации различных групп в последовательных кадрах отсутствует необходимость в том, чтобы модемы производили прием и передачу одновременно. Однако, следует понимать, что в тех вариантах осуществления, в которых модемы изготовлены так, чтобы принимать и передавать одновременно, может использоваться иное выравнивание между кадрами. К тому же, в этом случае адресация модема может осуществляться в каждом кадре.
1
n-2
n-1
n
Теперь будет приведено описание другого режима работы со ссылкой на Фиг. 10. Предполагают, что для некоторых модемов необходима более высокая частота обновления, чем для других модемов. Например, некоторые модемы могут обслуживать целый многоквартирный дом и должны посылать считанные показания счетчиков чаще, чем другие модемы. Следовательно, модемы разделены на различные классы в зависимости от необходимых частот обновления. Для модемов различных классов могут использоваться различные каналы. Большинство модемов относится к основному классу, которые передают только один пакет данных в заданном кадре. Как показано на Фиг. 10, для модемов этого типа используют канал Ch. Канал Ch используют для двух модемов, которые передают в чередующихся кадрах. Канал Ch и канал Ch показывают предельный случай, когда один модем производит передачу непрерывно. Кроме того, путем изменения значения в поле "следующее SoF" в сообщении 36 SoF модемы могут продолжать передачу в течение большого количества слотов в течение длительного периода. Поскольку все модемы, которые относятся к конкретной группе модемов, остаются включенными в течение всего кадра, в котором производилась их адресация, то этот режим работы может быть реализован модемом, в который в каждом кадре посылают более одного сообщения, характерного для модема. Если необходимы ответы, то модем представляет ответ на каждое сообщение в точности через один кадр после приема сообщения.
Временные слоты в обратных каналах, соответствующие временным слотам, занятым сообщением SoF в прямых каналах, не распределяются для ответов из модемов. В некоторых ситуациях одному или более модемов необходимо контактировать с сетевым контроллером или с органами управления в сети для передачи срочного сообщения или информации, для которой маловероятно, что из сети поступит запрос на ее получение, с использованием короткого или длинного сообщения, характерного для модема. Например, к пользовательской сети могло быть добавлено новое устройство 6, или может потребоваться сообщить о неисправности одного или более счетчиков, осуществляющих связь с модемом, в коммунальной распределительной сети. В альтернативном варианте одним из "счетчиков" может являться специализированное устройство, используемое для периодического мониторинга безопасности уязвимого человека в его доме, и модем должен срочно послать информацию о состоянии этого человека. Для посылки этих сообщений могут использоваться нераспределенные временные слоты во временных слотах сообщения SoF, как показано на Фиг. 11. В этих вариантах осуществления модемы сконфигурированы так, чтобы посылать сообщения с произвольным доступом (RA) в спутник 2. Каждый модем 5, желающий послать сообщение в спутник, выбирает канал и временной слот, соответствующий временным слотам сообщения 36 SoF, случайным образом и посылает сообщение в выбранном временном слоте. Поскольку модемы не прослушивают сообщения SoF, когда они производят передачу во временных слотах, соответствующих сообщениям SoF, то они не знают, когда в канале будет передано следующее сообщение SoF. Следовательно, они должны оставаться в активном состоянии до приема следующего сообщения SoF. В дополнение к использованию временных слотов, соответствующих сообщению SoF, или в качестве альтернативы их использованию модем также может использовать любые временные слоты, относящиеся к периодам 41 фиктивных сообщений в обратном канале 33.
Если другой модем предпринимает попытку посылки сообщения в том же самом канале и в том же самом временном слоте, то происходит конфликт, и передача не будет работать для обоих модемов или же она не будет работать для одного из модемов. После первой неудачи модемы находятся в режиме ожидания в течение случайного промежутка времени прежде, чем предпринять попытку передачи другого сообщения с произвольным доступом. Если эта попытка также является неудачной, то модемы находятся в режиме ожидания в течение все более и более длительных промежутков времени до тех пор, пока не будет достигнута успешная связь. Если бы слишком много модемов пытались генерировать экстренные сообщения, то эти сообщения продолжали бы "конфликтовать", и ни один из модемов не смог бы принять ответ со спутника. Спутник обнаруживал бы наличие мощности во временных слотах, но был бы неспособен принимать и понимать эти сообщения. В этом случае спутник может переключить модемы в еще один режим работы, который будет описан со ссылкой на Фиг. 12.
2
Со ссылкой на Фиг. 12, сетевой контроллер, обеспеченный контроллером 25 из станции 4 управления, может принять решение о назначении некоторого количества каналов 33 передачи трафика в качестве каналов с произвольным доступом. На этих каналах обычные режимы работы нарушены. Например, как показано на Фиг. 12, в сообщении 36 SoF, при использовании особого значения в поле "адрес группы" может быть задано, что следующий кадр будет использованными в качестве каналов с произвольным доступом. Все слоты в канале ch' из Фиг. 12 предоставлены для сообщений с произвольным доступом. Например, как упомянуто выше, сетевой контроллер может назначать канал как канал с произвольным доступом в том случае, если в слотах сообщения SoF в этом канале обнаружен необычно высокий уровень мощности, но он не может принимать сообщения. Если очень большое количество модемов пытаются посылать экстренные сообщения в сетевой контроллер, то также может оказаться недостаточно назначенных каналов с произвольным доступом. Однако, путем анализа идентификатора сообщений, которые фактически проходят, сетевой контроллер может определить картину. Например, сетевой контроллер может заметить, что во всех экстренных сообщениях из конкретной группы, соответствующей конкретному поставщику и конкретной географической области, указано, что в сети в этой области произошла неисправность. После того, как группа была идентифицирована, сетевой контроллер может назначить этой группе обратный канал 33 путем определения адреса группы в сообщении SoF в соответствующем прямом канале 32 и путем выдачи в отдельные модемы в этой группе команды использовать конкретные временные слоты для посылки подробных сведений о неисправности. Другими словами, система возвращается в режимы работы, описанные со ссылкой на Фиг. 7-11, после того, как была идентифицирована группа модемов, пытающихся передать экстренные сообщения.
Система обладает встроенной гибкостью, которая позволяет сетевому контроллеру перегруппировывать модемы в том случае, если замечено, что адресацию набора модемов, относящихся к различным группам, необходимо осуществлять одновременно или с использованием сообщений сходных типов. Во время работы сети сеть может производить поиск кластеров модемов, адресацию которых производят одновременно и с использованием сходных сообщений, для определения того, необходимо ли сформировать новую группу или необходимо ли перегруппировать некоторые модемы в существующей группе. В некоторых случаях сетевой контроллер может захотеть сгруппировать модемы 5 так, чтобы модемы в кластере были распределены по множеству групп. В других случаях он может захотеть сгруппировать модемы так, чтобы все модемы в кластере принадлежали к одной или к нескольким группам. Например, может потребоваться перегруппировка определенного количества модемов в том случае, когда меняются поставщики электроснабжения домовладений, в которых установлены модемы. Когда необходимо присоединить модем к новой группе, то осуществляют адресацию существующей группы, к которой принадлежит модем, в сообщении 36 SoF, и в модем посылают сообщение 38, характерное для модема, с командами сохранить новый адрес 14a группы и новый адрес 14b конкретного модема в пределах этой группы. Новый адрес группы может служить в качестве дополнения к старому адресу группы или в качестве его замены. Если все модемы не работают на одних и тех же каналах приема и обратных каналах, то в некоторые или во все модемы могут быть даны команды переключиться на новый канал.
Теперь, со ссылкой на Фиг. 13, будет приведено описание того, как модемы, которые хотят присоединиться к сети, устанавливают первоначальную связь с сетевым контроллером. В дополнение к вышеописанным каналам информационного обмена, прямые каналы содержат широковещательный канал (BC) 32a, а обратные каналы содержат канал 33a входа в канал с произвольным доступом. Каналы разделены на фиксированные временные слоты, как описано выше. Сетевые управляющие сообщения 42 передают со спутника во временных слотах на широковещательном канале. Модем имеет априорные сведения о том, какая частота используется для широковещательного канала, и "прослушивает" регулярные управляющие сообщения. Управляющее сообщение может содержать поле "синхронизация", указывающее начало следующего кадра, и информацию о сети. Эта информация может содержать информацию, идентифицирующую сеть, и информацию о структуре кадра связи. Она также может содержать информацию о хронировании, которая предоставляет подробные сведения, например, о компенсации задержек с учетом территории или о командах ожидания в течение случайного промежутка времени до попытки посылки сообщений доступа, если одновременно присутствуют много модемов.
После того, как модемом 5 получено управляющее сообщение, затем он предпринимает попытку передать сетевой запрос 43 в канале 33a входа в режим произвольного доступа, входящем в состав обратных каналов 33. Модем 5 выбирает конкретный слот доступа случайным образом и передает, в числе других данных, подробные сведения о его идентификационных данных. Он также может передавать подробные сведения о поставщиках коммунальных услуг и о своей географической области, что позволяет сетевому контроллеру назначить его к конкретным группам. Если этот ответ принят сетью успешно, то в последующем кадре управляющего сообщения посылают сообщение 44 о подтверждении приема. Это сообщение о подтверждении приема содержит один или более адресов 14a, 14b, которые были назначены сетью конкретному модему 5. Модем сохраняет эти адреса в запоминающем устройстве 11. Сообщение 44 о подтверждении приема также может содержать индивидуальную информацию о хронировании и об управлении мощностью для модема. В дополнение к этому, в нем может быть назначен модему конкретный канал. Если подробные сведения об идентификационных данных модема не распознаны, то сообщение о подтверждении приема может содержать команды о том, чтобы модем не предпринимал попытку установить соединение с сетью снова. Если имеет место конфликт сообщения о соединении с другим сообщением о соединении из другого модема, который также пытается установить связь в то же самое время, то сообщение о подтверждении приема не получает ни один из модемов. Затем оба из них предпринимают другую попытку в различных слотах, выбранных случайным образом из канала входа. В любой конкретный момент времени вероятность конфликтов остается низкой при условии, что имеется больше доступных слотов, чем модемов, пытающихся установить связь.
Новым модемам назначаются существующие каналы. Когда все каналы заполнены, система может быть модифицирована для обеспечения поддержки дополнительных модемов за счет выделения большей полосы пропускания. В дополнение к этому или в альтернативном варианте, система может быть модифицирована для обеспечения поддержки дополнительных модемов за счет уменьшения частоты обновления на некоторых или на всех существующих каналах и за счет назначения большего количества модемов по каналам.
Канал входа также может использоваться модемами для посылки экстренных сообщений на спутник. Как описано со ссылкой на Фиг. 12, если сетевой контроллер определяет, что много модемов, принадлежащих к одной и той же группе, пытаются передать экстренные сообщения по каналу входа, то он может дать группе команду передавать сообщения в одном из каналов трафика во временных слотах, назначенных модемам, с использований сообщений, характерных для режима. В некоторых вариантах осуществления модемы могут передавать срочные сообщения в канале входа и сообщения с несрочной информацией, связанной с задачами, которые модемы хотели бы инициировать, во временных слотах сообщения SoF и во временных слотах фиктивных сообщений в обратном канале. Следовательно, система может обеспечивать наличие достаточного количества временных слотов, назначенных для срочных сообщений. За счет назначения временных слотов произвольного доступа и каналов с произвольным доступом и за счет выдачи в модемы 5, пытающиеся посылать сообщения с произвольным доступом, команд, чтобы они посылали сообщения в конкретных временных слотах, если это уместно, сетевой контроллер может обеспечивать отсутствие заторов в системе или конфликтов.
Несмотря на то, что выше были описаны конкретные примеры изобретения, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и не ограничен этими примерами. Следовательно, для специалистов в данной области техники должно быть понятно, что изобретение может быть реализовано иными способами.
Например, может быть использована структура хронирования, отличающаяся от той, которая показана на Фиг. 8. Кроме того, спутник и модемы не обязательно ограничены передачей сообщений и ответов на один кадр позже, как описано со ссылкой на Фиг. 7, 8 и 9. Вместо этого, сообщения, характерные для модемов, могут включать в себя команды о том, в какой момент времени может быть послан ответ. В альтернативном варианте или в дополнение к этому, ответ может включать в себя адрес модема, что позволяет спутнику определять источник ответа. Кроме того, длительность ответа из модема не обязательно должна определяться длительностью сообщения, принятого этим модемом со спутника. Длительность ответа может быть отличающейся от длительности исходного сообщения.
Кроме того, хотя было описано, что модемам назначены конкретные каналы, возможно, что все модемы прослушивают все каналы. Это облегчило бы адресацию модема на новом канале, поскольку в модем не обязательно сначала должна быть передана команда на переключение каналов. Кроме того, возможно, что модем может "прослушивать" один канал или все каналы, исходя из режима работы. Например, в модем может быть дана команда "прослушивать" все каналы в течение предварительно определенного периода времени или до тех пор, пока снова не будет дана команда прослушивать только один или несколько каналов.
Помимо этого, несмотря на то, что модем был описан как отдельный терминал относительно других устройств 6 в пользовательской сети 3, модем может быть объединен с одним из других устройств 6.
Более того, хотя и было описано, что для модемов целесообразно не производить прием и передачу данных одновременно, само собой разумеется, что в некоторых вариантах осуществления модемы могут быть сконфигурированы для приема и передачи данных одновременно.
Кроме того, следует понимать, что могут быть использованы дополнительные режимы работы, чем те, которые здесь описаны. Модем может быть обновлен для использования нового режима работы. Например, в модем может быть дана команда переключиться на другой канал, и на этом канале принять одно или более длинных сообщений для обновления модема для того, чтобы он мог работать в новом режиме работы. Если в модем дана команда работать в соответствии с режимом работы, для работы в котором он не сконфигурирован, то он может войти в спящий режим и пробудиться в начале следующего кадра в этом канале.