CN100356742C - 无线局域网接入点装置及接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线局域网技术，公开了一种无线局域网接入点装置及接入方法，使得无线局域网系统性能得到提高：覆盖范围扩大、抗干扰能力增强、系统容量增加、频谱利用效率提高、天线发射功率降低。这种无线局域s网接入点装置及接入方法包括相互连接的天线和接入点处理模块，所述天线用于接收和发射无线信号，所述接入点处理模块用于处理所述天线接收和发射的信号，所述天线是智能天线；所述接入点处理模块包含基站处理模块和波束选择模块。

Description

无线局域网接入点装置及接入方法

技术领域

本发明涉及无线局域网技术，特别涉及无线局域网的组网装置及方法。

背景技术

无线局域网(Wireless Local Area Network，简称“WLAN”)作为一种无线数据网络解决方案，是利用无线信号而不是有线线缆连接装有无线局域网卡的终端和无线集线器的一种局域网。无线集线器也称“访问点”(AccessPoint，简称“AP”)是连接终端到有线网络的桥梁。访问点和客户设备之间的通信遵循国际电气和电子工程师协会IEEE802.11无线局域网标准，该标准支持基本的验证和加密。IEEE 802.11标准目前可以应用的有两个物理层标准：802.11a标准和802.11b标准，它们的工作频段分别为2.4GHZ和5GHZ，支持的最高物理接口速率分别为11Mbps和54Mbps，它们采用相同的媒体接入控制协议(Media Access Control，简称“MAC”)。在媒体接入控制协议控制下，分享同一信道的终端和接入点可以有以下两种工作模式：一种是由多个终端组成无中心点的对等模式或者由接入点及多个终端组成中心点转发的基础设施模式，另一种是终端通过接入点与有线网络互联，图1示出了一种基础设施模式的无线局域网的基本结构。

最初的无线局域网是针对室内等小范围应用环境设计的，主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型覆盖距离几十米至上百米。目前的接入点和终端一般都采用全向天线，在规定的发射功率下，室内只能覆盖30米左右，室外只能覆盖100米左右。因此目前无线局域网的覆盖范围小，抗干扰能力弱，极大地限制了无线局域网的进一步发展。

智能天线通常包括多波束天线和自适应阵天线。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。

多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，并选择最大增强信号的波束进行接收和发射。

自适应阵天线采用天线阵列结构实现，并采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。它根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，有效克服干扰，从而提高信号质量。

多波束天线虽然不能实现信号的最佳接收，但是与自适应阵天线相比，它具有结构简单、实现方便的优点。

智能天线的实现方法通常分为模拟波束形成和数字波束形成两类。区别在于波束形成是在信号模拟到数字转换之前完成还是之后完成。波束形成是通过天线各支路信号的加权求和来完成的。模拟波束形成采用幅度相位调整和合路来实现，而数字波束形成则采用数字信号处理方法实现。

智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束的控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰。具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统的性能：扩大系统的覆盖范围；增加系统容量；提高频谱利用效率；降低天线发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。

现有的无限局域网的接入点装置一般配用的是全向天线。所谓全向天线就是向空间的各个方向等增益的辐射，没有任何方向性选择。于是接入点与多个终端进行无线通信的时候，在一定发射功率下，不但信号的增益不高，而且与外界噪声或者不同终端发射的信号之间会相互干扰。这样导致接入点有效覆盖范围小，并且抗干扰能力弱等实际问题，从而极大地限制了无线局域网的进一步发展。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：现有无线局域网装置在一定发射功率下，覆盖范围不够大，抗干扰能力弱。

造成这种情况的一个主要原因在于，现有无线局域网的接入点装置采用的是普通的全向天线。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线局域网接入点装置及接入方法，使得无线局域网系统性能得到提高：覆盖范围扩大、抗干扰能力增强、系统容量增加、频谱利用效率提高、天线发射功率降低。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线局域网接入点装置，包括相互连接的天线和接入点处理模块，所述天线用于接收和发射无线信号，所述接入点处理模块用于处理所述天线接收和发射的信号，所述天线是智能天线；

所述接入点处理模块包含基带处理模块和波束选择模块；

所述基带处理模块用于将来自所述智能天线的信号转换成数据帧并发送到所述波束选择模块，或者通过智能天线发送来自所述波束选择模块的数据帧；

所述波束选择模块用于从来自所述基带处理模块的数据帧中挑选质量最好的一个上传，或者选择通信质量最好的一个通道发送数据帧。

其中，所述智能天线是多波束天线，所述多波束天线具备多个通道，每个通道对应于一个波束，用于在相应波束上接收和发送数据。

所述基带处理模块用于将来自所述多波束天线各个通道的信号转换成数据帧并发送到所述波束选择模块，或者以所述波束选择模块指定的通道通过多波束天线发送来自所述波束选择模块的数据帧；

所述波束选择模块用于从来自所述基带处理模块的编号相同的数据帧中挑选出质量最好的一个上传，或者选择通信质量最好的通道发送数据帧。

所述基带处理模块包含至少一个接入点，每一个接入点与所述多波束天线的至少一个通道相连，

用于对来自所述通道的信号进行解调、解码、组成数据帧、在数据帧中加上所接收信号的质量信息，并传送接收所述数据帧给所述波束选择模块；

或者用于将来自所述波束选择模块的数据帧编码和调制后通过所述多波束天线发送出去。

所述波束选择模块与所述基带处理模块的多个接入点之间的连接用以太网的设备及标准实现。

本发明还提供了一种无线局域网接入点装置数据接收方法，包含以下步骤：

A多波束天线从各个波束上接收信号，并通过各波束对应的通道将所述信号发送到基带处理模块；

B所述基带处理模块将来自各通道的所述信号转换为带有信号质量信息的数据帧，并发送给波束选择模块；

C所述波束选择模块根据所述信号质量信息，从来自所述基带处理模块的编号相同的数据帧中挑选出质量最好的一个上传。

其中，所述步骤B还包含以下步骤：

当所述基带处理模块中的接入点连接有一个以上的所述通道时，所述接入点从所连接的多路通道上选择接收质量最好的一路信号，转换成数据帧；

各所述接入点对收到的信号进行校验，判断校验结果是否正确，如果是则将数据帧发送给所述波束选择模块。

所述步骤C还包含以下步骤：

所述波束选择模块通过提供质量最好的数据帧的波束，向终端发送确认帧。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于，使用多波束天线实现接入点的无线通信；用基带处理模块的多个接入点分别处理在各个波束上的通信，包括将从相应波束上接收到的数据及质量信息传送至波束选择模块，将波束选择模块发送的数据在相应波束上发送出去；用波束选择模块控制在各个波束上的通信，包括根据质量信息选择最好的波束接收，根据存储的波束地址从最好的波束发送，并更新存储的波束地址信息；采用以太网连接各个模块，在MAC层实现各个模块之间的通信。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即通过智能天线技术在无线局域网中的应用，扩大了覆盖范围、增强了抗干扰能力、降低了天线发射功率，从而提高无线局域网的性能。同时该发明采用以太网连接各个模块，在MAC层实现各个模块之间的通信，使得该装置的便于扩展和维护。

另外本发明通过引入波束选择模块，充分利用了现有的比较成熟的多波束天线以及功能有限的接入点模块，不需要对接入点模块进行重新设计，节约了开发成本和开发周期，并因为使用了已经批量生产的成熟接入点模块而降低了采购成本。

附图说明

图1是一种基础设施模式的无线局域网的基本结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的无线局域网接入点装置各组成部分示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的无线局域网接入方法的数据发送流程图；

图4是根据本发明的一个实施例的无线局域网接入方法的数据接收流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

众所周知，将智能天线应用于无线局域网方式多种多样。简单地在终端加装智能天线的结合方式，实现简单，但由于目前智能天线体积比较大，用户使用不便；如果是在接入点集成智能天线，由于实现复杂，需要对无线局域网芯片重新开发，或者对现有天线以及接入点进行大量的修改。

下面将给出本发明的一个较佳实施例，采用多个接入点和多波束天线相连，再加上一个波束选择模块及其MAC处理子模块，协调工作实现本发明的发明目的。

图2示出了本发明中无线局域网接入点装置的各组成部分。该装置包含多波束天线201、基带处理模块202、波束选择模块203。

如前面所述，多波束天线201是一种固定波束的智能天线，并能够将从不同波束接收到的信号分别从相应的通道输出，反过来也能将通道上输入的信号从对应波束上发送，这样就能通过各个不同方向的波束与终端进行无线通信，为系统提供多种选择。熟知本领域的技术人员可以理解，所述多波束天线也可以用其他可以实现发明目的的智能天线代替，而不影响本发明的实质和范围。

基带处理模块202包含多个接入点204，用于处理多波束天线各个通道上的信号。每个接入点204与多波束天线201的两个通道相连，可以通过多波束天线201接收和发送信号。每个多波束天线201实质上由多个子天线组成，每一个接入点204和两个子天线连接，通过这两个子天线接收和发送信号。

之所以每一个接入点204只与多波束天线201的两个通道相连，是因为接入点204使用的是现成的接入点模块，该现成的接入点模块原本用于全向天线，只有两个通道。使用现成的接入点模块可以节约开发成本，大大缩短开发周期。当然如果现成的接入点模块支持其他数量的通道，例如每个现成的接入点模块支持3个通道，可以对电路作简单的修改，使每一个接入点204与多波束天线201的3个通道相连。

熟知本领域的技术人员可以理解，所述接入点204也可以只与一个通道相连同样能实现功能，而不影响本发明的实质和范围。

每个接入点204与波束选择模203块相连，使得多个接入点204和波束选择模块203之间的点对多点的通信成为可能。在本发明的一个较佳实施例中，多个接入点204和波束选择模块203通过以太网205相连。

熟知本领域的技术人员可以理解，所述多个接入点204与所述波束选择模块203也可以处于同一实体中，同样能实现相互通信，而不影响本发明的实质和范围。

在本发明的一个较佳实施例中，多波束天线201采用模拟波束形成技术，同时输出多路模拟信号至各通道，而基带处理模块202中的接入点204从两路通道中选择接收质量最好的信号，并进行解调和解码等物理层处理。

熟悉本领域的技术人员可以理解，多波束天线201也可以采用数字波束形成技术，而基带处理模块202功能相应进行改变，而不影响本发明的实质和范围。

波束选择模块203用于跟多个接入点204进行通信，并实现波束选择和控制功能。它包含一个MAC处理子模块206，用于实现波束选择模块203的MAC层功能。在本发明的一个较佳实施例中，当多个接入点204和波束选择模块203通过以太网相连时，系统用MAC地址表征每个接入点204及波束选择模块203本身，使得该系统具有可扩展性，例如在特定的情况下，多个无线局域网接入点装置甚至可以共享一个波束选择模块203。波束选择模块203就在MAC层与接入点204进行通信，具体实现由MAC处理子模块206来完成。实际情况中，波束选择模块203都与有线局域网或其他种类的网络相连，以实现该无线局域网与Internet等网络的连接，这时MAC处理子模块206还可以应用于对应连接的MAC层通信。熟悉本领域的技术人员可以理解，所述波束选择模块203也可以不包含MAC处理子模块206或者包含其他通信协议子模块，用于实现所需通信功能，而不影响本发明的实质和范围。

以上描述了本发明的一个较佳实施例使用的装置，下面描述该实施例使用的相关流程。

该方法包含数据接收、数据发送、广播信息发送三个部分。

下面参照图3，描述数据接收流程，所述数据接收是指波束选择模块203接收并转发终端发送的数据。

如图3所示，当终端要发送数据时，进入步骤301，终端发送数据帧。所述终端均配备无线通信装置，例如无线局域网卡，所述数据帧被发送后在无线空间中传输。

接着进入步骤302，多波束天线201在各波束上接收数据帧并从相应通道输出模拟信号。如前所述，在本发明的一个较佳实施例中，多波束天线201从无线空间中接收无线电波信号，并采用模拟波束形成技术，形成从不同波束接收的模拟信号。所述接收的数据帧即步骤301中终端向无线空间发送的数据帧。这里所述的终端与多波束天线201之间的无线通信可以根据诸如802.11b等协议进行。

接着进入步骤303，各接入点204从两路通道上选择接收最好的一路信号并进行解调解码及校验。如前所述，在本发明的一个较佳实施例中，所述接入点204均能处理两路天线信号，并选择最好的一路；且所述接入点204能够实现物理层通信功能。所述解调解码及校验即是接入点204按照物理层的标准进行的。在本发明的一个较佳实施例中，所述校验方法采用的是循环冗余校验。

接着进入步骤304，各接入点204判断校验结果是否正确，如果是，说明接收的数据帧没有错误，则进入步骤305；否则，说明接收的数据帧出错，则丢弃该帧，结束流程。

在步骤305中，各接入点204将数据帧、质量信息封装并添加新的MAC帧头发送至波束选择模块203。所述质量信息表征的是本接入点204接收的数据帧的质量好坏，以供波束选择模块203进行对比选择。如前所述，在本发明的一个较佳实施例中，各接入点204与波束选择模块203通过以太网205相连，并且在MAC层进行通信，所以这里各接入点204先将数据帧和质量信息封装，并在前面添加新MAC帧头，源地址为本接入点204的MAC地址，目的地址为波束选择模块203的MAC地址，这样可以实现不同接入点204产生的MAC帧互相区别，同时保证该帧通过以太网205交换设备发送至波束选择模块203。

接着进入步骤306，波束选择模块203根据质量信息选择接收质量最好的数据帧，然后转发该数据帧，并发送ACK(确认)帧至原接入点204。这样保证了数据在质量最好的波束上接收。如前所述，由于实际情况中波束选择模块203还与局域网或其他种类网络相连，而终端发送数据帧的目的地址往往处于该网络中，所以波束选择模块203应该根据实际地址转发该数据帧。并且根据MAC层协议发送ACK帧至原接入点204，同样需要添加源地址为波束选择模块203、目的地址为原接入点204的新MAC帧头。

接着进入步骤307，原接入点204通过多波束天线201将ACK帧发送至终端。这样保证了该ACK帧从质量最好波束发送至终端。结束流程。

下面参照图4，描述数据发送流程，所述数据发送是指波束选择模块203将接收到的传向终端的数据转发至该终端。

如图4所示，当波束选择模块203接收到传向某终端的数据帧时，进入步骤401，波束选择模块203根据存储的信息获得终端所在的波束地址p。所述存储的信息是指波束选择模块203在每次接收终端发送的数据时存储的各终端所在的波束地址。在本发明的一个较佳实施例中，所述波束地址p即该波束所对应的接入点204的MAC地址。

接着进入步骤402，波束选择模块203在数据帧前添加新MAC帧头并发送至对应接入点204，由该接入点204经多波束天线201发送至终端。在本发明的一个较佳实施例中，波束选择模块203添加新MAC帧头，源地址为波束选择模块203的MAC地址，目标地址为波束地址p，也即对应接入点204的MAC地址。这样保证了数据由接入点204从终端所在波束上发送出去。

接着进入步骤403，波束选择模块203判断是否在规定时间内收到ACK帧响应，如果是，说明终端已接收到该数据帧，结束流程；否则，说明终端未接收到该数据帧，则进入步骤404。如果波束选择模块203没有在规定的时间内收到终端发回的ACK帧响应，则可能是因为终端的位置已经变动，使得原波束不能将数据发送至终端。

在步骤404中，波束选择模块203通过广播的方法获得终端的新波束地址并更新所存储的信息，同时发送数据帧。此后进入步骤403。如上所述，由于终端已经不在原波束上，顾需重新获得终端所在波束地址。而通过广播获得终端的新波束地址的方法可以有多种，下面举两个例子。

在本发明的一个较佳实施例中，步骤404还可以分为以下两个子步骤：

首先波束选择模块203将数据帧重新发送一次，其目标地址改为广播地址，这样使得该数据帧从所有波束上发送出去；然后在终端接收到该数据帧后，发送ACK帧至波束选择模块203，这时波束选择模块203根据该ACK帧更新终端所在波束地址信息。

在本发明的另一个较佳实施例中，步骤404还可以分为以下两个子步骤：

首先利用无线局域网现有的省电模式，波束选择模块203广播信标帧，并在其中指明该终端有缓存信息。当终端收到该广播帧后，会上传请求，要求接入点204发送该缓存信息；然后波束选择模块203根据终端上传的请求更新终端所在波束的地址信息，并用该波束地址将数据帧发送至终端。

在无线局域网中，最为重要的广播信息都由信标帧承载。所述信标帧是用于接入点204向周围的终端不断传达本接入点204的存在及接入参数等信息。

下面描述广播信息发送的两个实施例，所述广播信息发送是指波束选择模块203将广播信息发送至每个终端。

在本发明的一个较佳实施例中，波束选择模块在广播信息前添加MAC帧头，其目标地址为广播地址，这样该广播信息就从每个接入点204经多波束天线203发送出去，保证所有波束下的终端均能接收到。

在本发明的另一个较佳实施例中，波束选择模块203将广播信息轮流发送至每个接入点204，这样广播信息也能发送至所有波束下的终端。

熟悉本领域的技术人员可以理解，在保证终端、天线、基带处理模块202及波束选择模块203之间的通信正常进行的前提下，具体实施的细节可以更改，具体实施方法可以用其他可行方法代替，而不影响本发明的实质和范围。

需要指出的是以上描述的装置和方法一起完成智能天线技术在无线局域网中的应用，使得无线局域网的性能得以提高。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种无线局域网接入点装置，包括相互连接的天线和接入点处理模块，所述天线用于接收和发射无线信号，所述接入点处理模块用于处理所述天线接收和发射的信号，其特征在于，所述天线是智能天线；

所述接入点处理模块包含基带处理模块和波束选择模块；

所述基带处理模块用于将来自所述智能天线的信号转换成数据帧并发送到所述波束选择模块，或者通过智能天线发送来自所述波束选择模块的数据帧；

所述波束选择模块用于从来自所述基带处理模块的数据帧中挑选质量最好的一个上传，或者选择通信质量最好的一个通道发送数据帧。

2.根据权利要求1所述的无线局域网接入点装置，其特征在于，所述智能天线是多波束天线，所述多波束天线具备多个通道，每个通道对应于一个波束，用于在相应波束上接收和发送数据。

3.根据权利要求2所述的无线局域网接入点装置，其特征在于，

所述基带处理模块用于将来自所述多波束天线各个通道的信号转换成数据帧并发送到所述波束选择模块，或者以所述波束选择模块指定的通道通过多波束天线发送来自所述波束选择模块的数据帧；

所述波束选择模块用于从来自所述基带处理模块的编号相同的数据帧中挑选出质量最好的一个上传，或者选择通信质量最好的通道发送数据帧。

4.根据权利要求3所述的无线局域网接入点装置，其特征在于，所述基带处理模块包含至少一个接入点，每一个接入点与所述多波束天线的至少一个通道相连，

所述接入点用于对来自所述通道的信号进行解调、解码、组成数据帧、在数据帧中加上所接收信号的质量信息，并传送接收所述数据帧给所述波束选择模块；

或者用于将来自所述波束选择模块的数据帧编码和调制后通过所述多波束天线发送出去。

5.根据权利要求3所述的无线局域网接入点装置，其特征在于，所述波束选择模块与所述基带处理模块的多个接入点之间的连接用以太网的设备及标准实现。

6.一种无线局域网接入点装置数据接收方法，其特征在于，包含以下步骤：

A多波束天线从各个波束上接收信号，并通过各波束对应的通道将所述信号发送到基带处理模块；

B所述基带处理模块将来自各通道的所述信号转换为带有信号质量信息的数据帧，并发送给波束选择模块；

C所述波束选择模块根据所述信号质量信息，从来自所述基带处理模块的编号相同的数据帧中挑选出质量最好的一个上传。

7.根据权利要求6所述的无线局域网接入点装置数据接收方法，其特征在于，所述步骤B还包含以下步骤：

当所述基带处理模块中的接入点连接有一个以上的所述通道时，所述接入点从所连接的多路通道上选择接收质量最好的一路信号，转换成数据帧；

各所述接入点对收到的信号进行校验，判断校验结果是否正确，如果是则将数据帧发送给所述波束选择模块。

8.根据权利要求6所述的无线局域网接入点装置数据接收方法，其特征在于，所述步骤C还包含以下步骤：所述波束选择模块通过提供质量最好的数据帧的波束，向终端发送确认帧。

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