CN100352236C - 无线通信系统及其切换方法 - Google Patents

Abstract

一种能够最小化无线通信系统的切换吞吐量的无线通信系统。根据本发明的无线通信系统包括：第一通信设备，用于执行对位于通信允许范围之内的无线通信设备的查询和寻呼，并且启动与无线通信设备的连接；和第二通信设备，用于当与第一通信设备连接的无线通信设备被硬切换切断时，与无线通信设备接收和发送数据。

Description

无线通信系统及其切换方法

本申请要求韩国专利申请No.10-2002-68344的优先权，该申请于2002年11月6日提交到韩国知识产权局，其公开的内容以引用方式全部包含在本文的内容中。

                         技术领域

本发明涉及一种用于提高无线通信系统的通信速度的系统和方法，特别涉及一种在时分复用(TDD)无线通信系统中支持由于移动设备运动而引起的切换的系统和方法。

                         发明背景

蓝牙(Bluetooth)是覆盖电信、网络、计算和消费领域的无线数据通信技术的代名词。蓝牙技术在局部区域中使用一条无线连接，来取代设备间所需的多个电缆连接。例如，如果在便携式电话或膝上型计算机中使用了蓝牙无线技术，该设备就可以通过蓝牙连接到其他设备，而无需电缆连接。能够成为蓝牙技术系统的组成部分的设备有打印机、个人数字助理(PDA)、桌上型电脑、传真机、键盘、操纵杆等等，这意味着所有数字设备实际上都能够成为蓝牙技术系统的组成部分。

一般地，蓝牙技术具有1Mbps的最大数据传输速率，10米的最大传输距离。1Mbps传输速率是能够在2.4GHz工业科学医疗(ISM)频带范围内的频率低成本实施的传输速率，用户能够无需任何许可而使用该频带。而且，已经基于以下判断确定了10米的传输距离：10米对于用户所携带的设备和放置在他或她的桌面上的个人计算机之间的传输来说是足够的。

而且，由于蓝牙技术已经被设计成能够在有噪声的射频环境中操作，使用每秒1600次的跳频方法，就能够在带有很多噪声的无线频率中稳定地发送和接收数据。这里，跳频方法指跳频扩展频谱(frequency hopping spreadspectrum，FHSS)方法。FHSS方法首先将给定频带划分成很多跳频信道(hopping channel)，并且在将首先经过发送端调制的信号(中频)调频成射频(RF)频带(2.4GHz)时，基于预定次序分配不同的跳频信道。此时，高速改变分配给信号的信道，以便能够降低多信道干扰和窄带宽脉冲噪声影响。接收级使用与发送级相同的次序，连接从不同的跳频信道接收到的信号，以恢复原始信号。IEEE 802.11使用79个跳频信道，这些跳频信道以彼此之间1MHz的间隔排列。当在多个信道中跳频的情况下分配信号时，在两个时间连续的跳频信道之间设置超过6MHZ的间隔以避免相互干扰，并且信道跳频速率(跳频速率，hopping rate)被定义成每秒2.5次。

蓝牙技术系统支持一对一连接以及一对多连接。如图1所示，蓝牙技术系统能够被与多个微微网(piconet)组织和连接，单独的微微网通过以不同频率的跳频次序来标识。这里，微微网是蓝牙技术系统的结构单位，通过一个或多个从设备对一个主设备的连接而形成。一个微微网能够具有一台主设备和最多七台从设备。而且，多个微微网的有组织的连接被称作分布式网络(scatternet)。

在微微网中，当两个或多个从设备连接到一个主设备时，在每个从设备都被激活时，主设备给每个从设备分配一个3比特的临时地址，用于从设备的标识，并且在主设备和从设备之间交换的每一个分组都携带访问请求地址(AM_ADDR)。这里，AM_ADDR用作标识加入到微微网中的激活的成员的标识因子，并且用于将每一个分组从从设备移动到主设备，反之亦然。当从设备处于暂停模式时，放弃所分配的AM_ADDR，而当从设备再次连接到主设备时，则必须给它分配新的AM_ADDR。微微网被限于一个主设备和七个从设备的原因是：在蓝牙技术标准中，主设备分配给活动从设备的AM_ADDR被限制在3比特长度上。即，因为最多八个地址中的地址“000”用于从主设备到从设备的广播，所以能够使用“001”到“111”七个地址。

主设备和从设备基本上执行以一个跳频时隙(625微秒＝1/1600秒)的单位中、采用TDD方法的双向通信。

图2是示出主设备和从设备之间的TDD通信的示意图。在图2中，分配作为时隙的每个信道具有625μs的长度。基于微微网主设备的蓝牙时钟来确定时隙的数量。而且，主设备和从设备能够交替地在时隙期间发送分组。即，主设备仅在偶数时隙中发送分组，从设备则在奇数时隙发送分组。而且，必须在五个或更少的时隙内，实现由主设备或从设备发送的分组。这里，分组意味着从微微网信道发送的数据的单位。

切换(hand-off)查询(inquiry)和寻呼(paging)过程用于连接主设备和从设备。查询过程识别蓝牙系统访问范围中设备(unit)的时钟和地址。寻呼过程由主设备周期性地执行，并且唤醒从设备。图3和图4示出从设备响应主设备寻呼的过程。

图3是示出当从设备响应主设备的第一个寻呼消息时的初始连接的示意图，图4是示出当从设备响应主设备的第二个寻呼消息时的初始连接的示意图。

如果从设备成功地接收到主设备所发送的寻呼消息，主设备和从设备的跳频就被同步。所有主设备和从设备维持连接状态，并且执行响应例行程序以交换信息。

在微微网中，主设备确定关于信道的全部特性。主设备的蓝牙设备地址(BD_ADDR)决定跳频序列和信道访问代码(channel access code)。即，主设备的时钟确定跳频序列中的相位，并且设置定时。而且，主设备控制信道通信量(traffic)。任何数字设备都可以是主设备，并且在形成微微网之后，也可以改变主设备和从设备的角色。将偏移量增加到从设备的被动时钟上，以便使从设备的时钟与主设备的时钟暂时同步。如果连接开始，主设备的参数就必须从主设备传送到从设备。

参照图3和图4，频率f(k)、f(k+1)和f(k+2)是由从设备的BD_ADDR确定的寻呼跳频序列频率。频率f′(k)、f′(k+1)和f′(k+2)对应于从从设备到主设备的寻呼响应频率。频率g(m)属于信道跳频序列。

表1示出在主设备和从设备之间交换的初始消息。

步骤	消息	方向	跳频序列	访问代码和时钟
					1	从设备ID	主设备→从设备	寻呼	从设备
2	从设备ID	从设备→主设备	寻呼响应	从设备
					3	FHS	主设备→从设备	寻呼	从设备
4	从设备ID	从设备→主设备	寻呼响应	从设备
					5	第一个分组主设备	主设备→从设备	信道	主设备
6	第一个分组主设备	从设备→主设备	信道	主设备

在步骤1中，主设备处于寻呼状态，从设备处于搜索状态。当从设备进入寻呼搜索状态时，从设备选择与主设备的寻呼跳频序列相对应的搜索频率。在这个步骤中，假设主设备所发送的寻呼消息(从设备的设备访问代码)到达从设备。

如果识别出设备访问代码，则在步骤2中，从设备发送响应消息。仅使用从设备的设备访问代码，来构造由设备所发送的响应消息。从设备在开始接收到的寻呼消息(从设备的ID分组)之后625μs发送响应消息，并且响应消息的跳频与接收到的寻呼消息的跳频相匹配。在交换初始消息期间，从设备使用寻呼响应跳频序列，将信息返回给主设备。在发送响应消息之后，从设备的接收器在响应消息开始之后的312.5μs内，处于激活状态，并且等待来自主设备的跳频同步(Frequency Hopping Synchronization，FHS)分组(步骤3)。这里，如图4所示，当从设备响应主设备的第二寻呼消息时，FHS分组能够在312.5μs时到达主设备。即，在这种情况下，不应施加与RX/TX定时相同的625μs间隔。

如果从设备在从设备的响应状态下接收到FHS分组，则从设备使用寻呼响应跳频序列，将仅以从设备的设备访问代码构成的响应返回给主设备，以标识FHS分组的接收(步骤4)。响应分组的传输基于FHS分组。而且，从设备根据从FHS分组接收到的主设备的信道，改变访问代码和时钟。即，在步骤5中，从设备进入其连接状态，并且从那时起，从设备使用主设备的时钟和主设备的BD_ADDR，以便确定信道跳频序列和信道访问代码。连接模式从主设备所发送的POLL分组开始。这里，POLL分组具有与NULL分组相同的结构。但是，NULL分组不需要任何响应，而POLL分组则必须被响应以确定接收端是否有将从那里发送的数据。而且，POLL分组自身不影响任何由自动重复请求(Automatic Repeat reQuest，ARQ)或顺序编号方案(Sequential Numbering scheme，SEQN)或重发控制方法所控制的响应。POLL一般用于主设备检测微微网中是否存在从设备。如果存在从设备，则从设备响应主设备。

在步骤6中，从设备根据分组类型做出响应。如果在接收到FHS分组之后的所分配的数个时隙期间，从设备没有接收到POLL分组，或者主设备没有接收到响应分组，则主设备和从设备分别返回到寻呼和寻呼搜索状态。

如上所述，在使用硬切换方法的情况下，移动设备必须再次启动查询过程和寻呼过程以连接到其他蓝牙系统，并且如果有必要，必需进行从从设备到主设备的交换操作的过程。查询、寻呼和操作交换这些过程可能成为延迟数据通信时间的因素，同时可能降低系统性能，而这些与数据丢失直接相关。

而且，参照图6所示的硬切换吞吐量(throughput)，能够看出当采用硬切换方法时，即使在完成切换以启动重新连接的情况下，由于传输控制协议(TCP)指数补偿(exponential back-off)仍然引起吞吐量大大降低。

                          发明内容

本发明已经被设计成能够解决上述问题，本发明的目的是提供一种无线通信系统和方法，这种系统和方法能够在无需修改现有TCP和任何高层协议的情况下，减少重新连接所需时间以最小化TCP指数补偿影响，从而防止吞吐量变差。

为了实现上述目的，根据本发明的无线通信系统包括：第一通信设备，用于执行对位于通信允许范围之内的无线通信设备的查询和寻呼，并且启动与无线通信设备的连接；和第二通信设备，用于当与第一通信设备连接的无线通信设备被硬切换切断时，与被断开的无线通信设备接收和发送数据。

在这种情况下，如果第一通信设备与无线通信设备连接，则将基于查询而确定的关于无线通信设备的地址和时钟的信息发送给第二通信设备，并且如果第一通信设备与无线通信设备的连接被切断，则第二通信设备执行对该无线通信设备的寻呼，基于所接收的关于地址和时钟的信息，启动与无线通信设备的连接。

而且，第一通信设备和第二通信设备通过有线网络连接。第一通信设备与无线通信设备的连接在被建立之后，在每个预定周期都检测与无线通信设备的连接状态，而且如果第一通信设备与无线通信设备的连接被切断，第二通信设备被命令执行对无线通信设备的寻呼。

同时，本发明提供一种通信方法，包括如下步骤：由第一通信设备执行查询和寻呼；通过查询和寻呼，启动第一通信设备和位于通信允许范围之内的无线通信设备的数据接收和发送；从第一通信设备向第二通信设备发送基于查询确定的关于无线通信设备的地址和时钟信息；如果由于硬切换使得无线通信设备与第一通信设备的连接被切断，由第二通信设备基于所接收到的地址和时钟信息，执行对无线通信设备的寻呼；并且通过执行寻呼来启动无线通信设备与第二通信设备的数据接收和发送。

                          附图说明

通过以下结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和其它特征将会变得更加清楚，其中：

图1是示出蓝牙技术系统的分布式网络的示意图；

图2是主设备和从设备之间的TDD通信的示意图；

图3是示出当从设备响应主设备的第一寻呼消息时的初始连接的示意图；

图4是示出当从设备响应主设备的第二寻呼消息时的初始连接的示意图；

图5是示出硬切换方法示例的示意图；

图6是示出图5的吞吐量的示意图；

图7是简要示出根据本发明实施例的无线通信系统的示意图；

图8是示出图7的切换方法示例的示意图；

图9是示出切换方法的流程图；和

图10是示出图8的吞吐量的示意图；

具体实施方式

以下，将参照附图详细说明本发明。

图7是简要示出根据本发明实施例的无线通信系统的示意图。

参照图7，无线通信系统包括：第一通信设备61、无线通信设备63和第二通信设备65。第一通信设备61、无线通信设备63和第二通信设备65各自装有蓝牙技术系统。而且，第一通信设备61和第二通信设备65可以通过分离的有线网络连接。这里，当设备61和65不是通过分离的有线网络而是通过无线网络彼此连接时，第一通信设备61和第二通信设备65优选地在通信允许范围之内彼此分隔，并且固定在特定位置上。

图8是示出图7的切换方法示例的示意图，图9是示出图7的切换方法的流程图。将参照附图详细说明本发明的操作。

参照图8和图9，如果将第一通信设备61作为主设备，则第一通信设备61执行对位于通信允许范围之内的无线通信设备的查询过程。第一通信设备61通过查询过程来搜索在通信允许范围之内的通信设备的地址和时钟。

无线通信设备63位于第一通信设备61的通信允许范围之内，对第一通信设备61的查询，搜索该查询，借此将无线通信设备63的地址和时钟传送给第一通信设备61。

如果第一通信设备61接收到无线通信设备63的地址和时钟，则设备61执行对无线通信设备63的寻呼过程。与蓝牙系统的主设备所周期执行的过程相同，寻呼过程是唤醒从设备以激活使用地址和时钟发送与从设备通信的过程。

无线通信设备63搜索第一通信设备61的寻呼，借此无线通信设备63通知第一通信设备61：设备63已准备好接收和发送数据(S901)。

无线通信设备63的寻呼搜索启动无线通信设备63与第一通信设备61的数据接收和发送(S903)。即，如果第一通信设备61完成对无线通信设备63的查询和寻呼过程，第一通信设备61和无线通信设备63的跳频就被同步，并且第一通信设备61和无线通信设备63分别进入响应例行程序，以接收和发送数据。蓝牙系统中微微网状态的一个重要方面是：主设备和从设备使用相同的信道访问代码(channel access code，CAC)和相同的信道跳频序列，并且主设备和从设备的时钟被同步。信道访问代码和信道跳频序列是从主设备的BD_ADDR中获取的，定时是通过主设备的时钟确定的。

如果第一通信设备61和无线通信设备63开始接收和发送数据，则第一通信设备61将关于所接收到的无线通信设备63的地址和时钟的信息发送给第二通信设备65(S905)。这里，当第一通信设备61和第二通信设备65通过有线网络彼此连接时，则关于无线通信设备63的地址和时钟的信息被通过有线网络发送。但是，当第一通信设备61和第二通信设备65不通过有线网络彼此连接时，则第一通信设备61通过对第二通信设备65的查询和寻呼过程，然后通过蓝牙系统的无线网络，将关于无线通信设备63的地址和时钟的信息发送给第二通信设备65。

第一通信设备61周期性地检测与无线通信设备63的连接状态(S907)。在蓝牙系统的微微网中，当两个或多个从设备连接到一个主设备时，主设备分配3比特的临时地址，当每个从设备被激活时使用该地址以便区别各个从设备。即，主设备使用AM_ADDR作为激活的从设备的识别因子，并且在主设备和从设备之间接收和发送的所有分组都携带AM_ADDR。主设备在分配给每个被激活的从设备的时隙中，检测AM_ADDR是否被携带，并且当AM_ADDR不存在时，确定连接被切断。

具体地说，蓝牙系统具有10米的最大数据传输距离，因此它具有数据传输半径短的缺点，当主设备和从设备中的至少一个是可移动的设备时，如果移动设备在相互接收和发送数据期间超出通信允许范围，相互连接就被硬切换切断。这里，无线通信设备63用可移动的移动设备来实现，用作主设备的第一通信设备61周期性地检测与用作从设备的无线通信设备63的连接状态。

如果确定第一通信设备61和无线通信设备63之间的连接被确定要被切断(S909)，则第一通信设备61命令第二通信设备65执行关于无线通信设备63的寻呼(S911)。

如果接收到的来自第一通信设备61寻呼命令，第二通信设备65就执行对无线通信设备63的寻呼(S913)。在这种情况下，当第一通信设备61和无线通信设备63之间已开始数据的接收和发送时，由于第二通信设备65从第一通信设备61接收到关于无线通信设备63的地址和时钟的信息，对无线通信设备63的查询过程被省略。

无线通信设备63搜索第二通信设备65所执行的寻呼(S915)。无线通信设备63的寻呼搜索启动无线通信设备63和第二通信设备65之间的数据接收和发送(S917)。这样，当无线通信设备63与第一通信设备61的数据接收和发送被硬切换切断时，由于无线通信设备63超出第一通信设备61的通信允许范围，第二通信设备65自动启动与第一通信设备61的数据接收和发送。此外，第二通信设备65省略对无线通信设备63的查询过程，从而提高了通信连接速度，并且最小化TCP指数吞吐量。

图10是示出本发明的切换方法的吞吐量的示意图。在仿真中，假设无线通信设备63的移动速度为1.2m/s，微微网半径为10米，以及假如无线通信设备63在一个方向上移动到微微网直径的60％的位置。而且，假设每隔4秒检测无线通信设备63与第一通信设备61的连接状态。能够看出用于根据本发明的无线通信系统的切换方法，与传统的切换方法(参照图6)相比，具有改进的性能。

当查询和查询搜索的起始点之差在1.28秒之内时，与传统的硬切换方法相比，用于根据本发明的无线通信系统的切换方法，能够平均将查询过程所需的时间缩短大约2.25秒，因此能够最小化切换吞吐量，从而提高无线通信系统的业务质量。

虽然已参照本发明的特定优选实施例示出和说明的本发明，本领域技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的实质和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (13)

1.一种无线通信系统，包括：

第一通信设备，用于执行对位于通信允许范围之内的无线通信设备的查询和寻呼，并且启动与所述无线通信设备的连接；和

第二通信设备，用于当与所述第一通信设备连接的所述无线通信设备被硬切换切断时，与所述无线通信设备接收和发送数据，其中，如果所述第一通信设备与所述无线通信设备连接，则将基于所述查询而确定的关于所述无线通信设备的地址和时钟的信息发送给所述第二通信设备，并且，如果所述第一通信设备与所述无线通信设备的连接被切断，则所述第二通信设备基于所接收的地址和时钟信息，执行对所述无线通信设备的寻呼，以启动与所述无线通信设备的连接。

2.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一通信设备与所述第二通信设备通过有线网络连接。

3.如权利要求2所述的无线通信系统，其中，所述第一通信设备、所述第二通信设备和所述无线通信设备各自装有蓝牙系统。

4.如权利要求2所述的无线通信系统，其中，所述第一通信设备在与所述无线通信设备连接之后，在每个预定周期检查与所述无线通信设备的连接状态，并且，如果所述第一通信设备与所述无线通信设备的连接被切断，所述第二通信设备被命令执行对所述无线通信设备的寻呼。

5.如权利要求4所述的无线通信系统，其中，由所述第一通信设备命令所述第二通信设备。

6.如权利要求4所述的无线通信系统，其中，在所述第一通信设备与所述无线通信设备的连接建立之后，所接收和发送的数据分组包括表示所述无线通信设备的激活状态的激活地址，并且，如果在分配给所述无线通信设备的预定周期的时隙中没有接收到所述激活地址，则所述第一通信设备确定与所述无线通信设备的连接被切断。

7.如权利要求4所述的无线通信系统，其中，所述无线通信设备搜索由所述第二通信设备执行的寻呼。

8.一种无线通信系统的通信方法，包括：

由第一通信设备执行查询和寻呼；

基于所述查询和寻呼，启动所述第一通信设备和位于通信允许范围之内的无线通信设备的数据接收和发送；

从所述第一通信设备给第二通信设备发送至少基于所述查询而确定的关于所述无线通信设备的地址和时钟的信息；

如果所述无线通信设备与所述第一通信设备的连接由于硬切换而切断，由所述第二通信设备基于所接收到的地址和时钟信息，执行关于所述无线通信设备的所述寻呼；以及

通过执行所述寻呼，来启动所述无线通信设备与所述第二通信设备的数据接收和发送。

9.如权利要求8所述的通信方法，其中，所述第一通信设备与所述第二通信设备通过有线网络连接。

10.如权利要求9所述的通信方法，其中，所述第一通信设备、所述第二通信设备和所述无线通信设备各自装有蓝牙系统。

11.如权利要求9所述的通信方法，其中，所述第一通信设备执行如下步骤，包括：

在与所述无线通信设备连接之后，在每个预定周期中检查与所述无线通信设备的连接状态；以及

如果所述第一通信设备与所述无线通信设备的连接被切断，命令所述第二通信设备执行对所述无线通信设备的寻呼。

12.如权利要求11所述的通信方法，其中，

在所述第一通信设备与所述无线通信设备的连接建立之后，所接收和发送的数据分组包含表示所述无线通信设备的激活状态的激活地址，并且如果在分配给所述无线通信设备的预定周期的时隙中没有接收到所述激活地址，则所述第一通信设备确定与所述无线通信设备的连接被切断。

13.如权利要求11所述的通信方法，其中，所述无线通信设备执行搜索由所述第二通信设备执行的寻呼的步骤。

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