CN101014144A

CN101014144A - 向可高速移动的交通工具提供无线宽带通信的方法

Info

Publication number: CN101014144A
Application number: CNA2006101645042A
Authority: CN
Inventors: 安托万·苏利耶; 让·克洛德·费伊
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent SAS; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2007-08-08
Also published as: EP1816802A1; US7359771B2; US20070179689A1

Abstract

本发明描述了一种向可高速移动的交通工具，尤其是高速列车(2)，提供无线宽带通信的方法，所述方法包括步骤：沿着交通工具(2)移动所经路线(1)布置全球微波接入互操作性(WIMAX)基站(6)；沿着路线(1)在所述WIMAX基站(6)之间布置无线局域网(WLAN)热点(5)；在检测到交通工具的速度(v_v)高于预先设定的速度阈值(v_th)时，使用所述WLAN热点建立到所述交通工具(2)的通信(10)；检测到交通工具的速度(v_v)低于所述速度阈值(v_th)时，通过所述WIMAX基站(6)建立到所述交通工具(2)的通信。此外，还描述了用于实现上述方法的通信网，以及使得计算机实现所述方法的计算机程序产品。

Description

向可高速移动的交通工具提供无线宽带通信的方法

相关申请的交叉引用

本发明基于欧洲优先申请EP06300096.2，在此通过引用的方式包含其内容。

技术领域

本发明涉及一种用于向可高速移动的交通工具，尤其是向高速列车，提供无线宽带通信的方法。

背景技术

随着移动性增加，提供例如高速因特网接入之类的高质量通信是重要的，尤其是面向经常用于商业旅行的旅行工具。这些旅行工具可以是列车，尤其是例如法国的高速列车(TGV)、德国的城际快车(ICE)、日本的子弹头列车新干线等高速列车，例如德国的磁悬浮列车(Transrapid)等磁悬浮列车，所有这些移动速度可以达到或超过400公里/小时，以及快速行驶的汽车等等。还可以考虑向飞机尤其是飞行高度低于10,000英尺这类的飞机提供这种通信。那些旅行工具进一步被称为“交通工具”。此外，向交通工具提供通信意味着向交通工具本身安装的网络或通信系统以及向旅客和旅客带到交通工具上的例如笔记本计算机等移动设备提供通信。

为了提供这种通信，无线网络看上去是实用的。

因此必须考虑三个不同的方面：

1.保证无线网络沿着这样的交通工具的移动路线上的完全覆盖。

2.保证在交通工具所有的移动速度下有恒定的高质量通信。

3.保证解决方案经济上是适当的。

此外，提供诸如电子邮件和网页浏览之类的无线通信服务的一个主要衡量标准是从用户的角度看响应时间必须小于几秒。

为了提供这种无线网络，基本上已知的技术有两种。

第一种技术是WLAN(无线局域网)，其也称为无线保真(WiFi)。WLAN的优势在于它在交通工具的各种移动速度下都提供通信。为了保证沿交通工具的移动路线的完全覆盖，必须沿着路线布置所谓的WLAN热点(hot spot)。WLAN的不足之处在于为了向交通工具提供通信，沿着路线需要非常多的WLAN热点，原因是在视线(Line of Sight，简称LoS)的假设下，WLAN能够覆盖的理论户外范围只有大约20公里，而其中实际可用的范围只有大约1到2公里，即在每个方向上500到1000米。

第二种技术是WIMAX(全球微波接入互操作性)。在概念上WIMAX与WLAN相似，也就是说它同样允许承载因特网分组数据，其中WIMAX和WLAN相比具有优势，因为它提供更高的性能，即它允许在更远距离上使用。WLAN和WIMAX都提供数据速率超过10兆比特/秒的宽带通信。WIMAX理论上提供高达50公里的线性服务区域范围，并且允许相互不可直视的用户之间的连接。WIMAX的实际可用范围为大约10到20公里，每个方向5到10公里，即比WLAN范围高5到20倍。WIMAX的不足之处在于，对于快速移动的交通工具，由于多普勒频移，经由WIMAX通信是不可能的。到目前为止，WIMAX只能用于速度高达120公里/小时的交通工具。

上述两种技术均使用基于光纤的陆地网来通过中央交换机连接到例如因特网。对于WLAN，由于技术广泛普及带来的安装单一WLAN热点成本低廉的优点不再，因为在地面铺设陆地光纤的土木工程成本大约在10000欧元/公里左右。为了向交通工具提供WLAN通信，WLAN热点必须直接沿路线布置，原因是WLAN的覆盖范围比较小。因此WLAN通信需要沿着路线，比如沿着铁路线的光纤。关于WIMAX，考虑到它的较大的范围，至少可以部分地使用现存的陆地网。

其他公知技术，例如基于卫星的解决方案，无法在隧道中工作。因此这里并不考虑它们。

发明内容

本发明的一个目的是向交通工具提供无线通信，从交通工具提供无线通信以及在交通工具之间提供无线通信，尤其是针对可高速移动的交通工具。

通过提出的向可高速移动的交通工具，尤其是向高速列车，提供无线宽带通信的方法实现了本发明目的，其中所述方法包括以下步骤：

-沿着可高速移动的交通工具移动的路线，例如沿着铁路、高速公路等布置WIMAX基站，

-沿着该路线在所述WIMAX基站之间布置WLAN热点，

-在检测到交通工具的速度高于预先设定的速度阈值时，使用所述WLAN热点建立到所述交通工具的通信，

-在检测到交通工具的速度低于所述速度阈值时，通过所述WIMAX基站建立到所述交通工具的通信。

本发明的基本思路是结合两种技术，其中WLAN用于高于WIMAX移动速度限制(实际约120公里/小时)的交通工具速度范围，并且对于速度低于此限制的列车则切换到WIMAX连接。优选地，WIMAX基站为WLAN热点提供回传网。这样做，就不需要大的陆地网来将WLAN热点与中央交换机等连接起来。

根据本发明的所述方法和现有技术相比具有优势，表现在：

-WIMAX能够具有连续覆盖，尤其是当列车停在WLAN覆盖范围之外区域时。

-同现有技术相比，可以减少沿着路线的WIFI接入点数目，例如因为在交通工具移动速度比较慢即速度低于预先设定的速度阈值的线路区段不需要安装WLAN热点。这些区段可以是例如具有低于该速度阈值的速度限制的高速公路或是铁路区段。

-如果将WIMAX用做WLAN热点的回传网，则可以大大降低由于在地面铺设光纤的土木工程成本引起的安装成本。

在所述发明的一个优选实施例中，仅沿交通工具以超过预先设定的速度阈值移动或可以以超过预先设定的速度阈值移动的路线区段，以铁路为例，在允许列车以高于该预先设定的速度阈值的速度移动的区段，或者以高速公路为例，在没有速度限制或速度限制高于所述预先设定的速度阈值的区段，在WIMAX基站之间布置优选连接到WIMAX调制解调器的WLAN热点，该WIMAX基站为上文所述热点提供回传。

在所述发明的另一个优选实施例中，沿交通工具以超过所述预先设定的速度阈值移动或能够以超过所述预先设定的速度阈值移动的路线区段，不布置WIMAX基站。

在所述发明的另一个优选实施例中，紧接的WIMAX基站之间的距离大约是5到20公里，其中紧接的WLAN热点之间的距离优选大约是1到2公里。实际上，WiFi的覆盖范围在1公里左右，在每个接入点向左覆盖500米并向右覆盖500米。WIMAX基站可以实际覆盖20公里：向左10公里和向右10公里。所以，使用WIMAX作为WLAN热点的回传网，一个WIMAX基站同20个调制解调器相连，其中每个调制解调器同一个WiFi AP相连。

在所述发明的一个特别优选的实施例中，将WIMAX基站用作联系WLAN接入点的回传网。所以可以想象WIMAX基站经由光纤光缆或定向微波链路与因特网骨干网相连。这样，WIMAX提供从WLAN远程区域回到骨干网的因特网业务量的非常高带宽的回传。提供包括若干WIMAX基站的WIMAX回传网，可以以三种部分互补的方法来实现：

-如果沿路线已经存在已经铺设的包括光纤的陆地网，则WIMAX基站连接到这些陆地网。这种解决方案同其中光纤连接到每个个体WLAN接入点的解决方案相比已经有所改进，因为后者需要特定的和昂贵的光纤和/或以太网转换器，从而增加了成本，而这里WIMAX避免了过多地使用这种转换器。

-WIMAX基站可以借助两个位于两个相临WIMAX基站之间的WIMAX调制解调器实现自回传。那两个调制解调器将一个基站的发射中继到另一个基站。

-WIMAX基站连接到很可能并不位于沿线的调制解调器。该调制解调器再连接到WLAN接入点。

本发明的另一方面涉及向可高速移动的交通工具，尤其是高速列车，提供无线宽带通信的通信网络，所述通信网络包括：

-沿着交通工具的移动路线布置的WIMAX基站，

-沿着该路线，至少在允许交通工具以高于预先设定阈值的速度移动的区段，在WIMAX基站之间布置的WLAN热点，

-检测交通工具的速度的装置，

-判断交通工具速度高于或低于所述预先设定阈值的装置，

-如果检测到交通工具的速度低于所述预先设定阈值，建立经由所述WIMAX基站到所述交通工具的连接的装置，

-如果交通工具的速度高于所述阈值，建立经由所述WLAN热点到所述交通工具的连接的装置，

在本发明的另一优选实施例中，以上所述方法由存储于计算机可用介质中的计算机程序产品来实现，其中计算机程序产品包括当所述计算机程序产品在计算机上执行时能够使计算机实现上述方法的计算机可读程序装置。

附图说明

图1显示了根据本发明的方法的示意流程图。

图2显示了沿着铁路的WLAN热点和WIMAX基站布置的示意图。

图3显示了使用WIMAX基站的回传网的示意图。

具体实施方式

根据本发明的方法以如下方式来实施(图1)：

在第一步I，设定速度阈值v_th。该速度阈值设置为低于无线通信中使用的网络技术给出的技术上的给定速度限制。该技术上的给定速度限制归因于取决于交通工具的速度的多普勒频移。该阈值可以随着无线网络技术的发展而改变。

在第二步II，沿着没有速度限制或速度限制高于预先设定的速度阈值的路线区段布置WLAN热点。在这些区段上，交通工具能够以高于上述速度阈值的速度移动。

在第三步III，沿着具有低于预先设定的速度阈值的速度限制的路线区段布置WIMAX基站。在这些区段上，交通工具不允许以高于上述速度阈值的速度移动。

在第四步IV，测量交通工具的实际速度v_v。

在第五步V，判断交通工具速度vv高于还是低于速度阈值v_th。

如果交通工具的速度v_v高于速度阈值v_th，该方法前进到第六步VIa)，如果交通工具的速度v_v低于速度阈值v_th，该方法前进到第六步VIb)。

在第六步VIa)，当交通工具的速度v_v高于速度阈值v_th，则使用WLAN热点建立到交通工具的通信。

在第六步VIb)，当交通工具的速度v_v低于速度阈值v_th，则使用WIMAX基站建立到交通工具的通信。

不断重复步骤IV、V和VI。值得指出的是，在WIMAX技术和WLAN技术之间的切换是低频率发生事件，然而其中最好提供一种机制以避免交通工具的速度处于速度阈值v_th附近时带来的振荡。

因此可以考虑沿着速度限制高于速度阈值的区段也安装WIMAX基站，以用作联系陆地网接入点的回传网，同时也在交通工具的速度降至速度阈值v_th之下时保证通信。

在图2中显示了铁路1。高速列车2沿着铁路1移动。此外，铁路1中显示了速度限制高于速度阈值v_th的区段3。在那些区段3之间是速度限制低于速度阈值v_th的区段4。区段3由WiFi或WLAN热点覆盖而形成WiFi小区5，每个小区经由WLAN接入点(AP)8连接到因特网。WLAN AP8通过WIMAX基站(BS)6回传至因特网。所以必须示意性地理解图2，因为如果速度限制高于速度阈值v_th的区段3的长度超过一个WLAN热点的覆盖范围时，沿着区段3必须布置多于一个WLANAP8。这种情况下多于一个WLAN热点一起形成覆盖区段3的WiFi小区5。因此也可以想到区段3并不完全由WLAN热点覆盖，其中在该情况下因为覆盖是不连续的，所以需要缓冲器。

在铁路1旁边布置WIMAX BS6，从而形成WIMAX小区7。WIMAX小区7覆盖区段4，并且也覆盖WiFi小区5。相邻的WIMAX基站6、12之间的距离优选是大约5到20公里。在两个相邻WIMAX基站6之间是WiFi AP8。WIMAX基站(BS)6连同它的WIMAX小区7被用作联系WiFi小区5的接入点8的回传网，即用来将WiFi热点连接到因特网，从而将WiFi小区5本身连接到因特网。

列车2装备经由WIMAX技术和WiFi技术接收信号的装置。如果在WiFi小区5中列车2的移动速度高于速度阈值v_th，则经由WiFi热点进行无线通信。如果在WiFi小区5之外或在WiFi小区5之内列车的移动速度低于速度阈值v_th，则经由WIMAX基站进行无线通信。列车的速度v_v可以例如经由GPS(全球定位系统)等得到。如图2中所示，列车2在速度限制高于速度阈值v_th的区段3中以高于速度阈值v_th的速度v_v移动。

根据本发明，WIMAX能够用作回传网。图2显示了这种情况，其中列车2和接入点9之间通过WiFi进行通信(箭头10)，其中WIFI接入点9和因特网之间通过WIMAX和WIMAX基站6进行通信(箭头11)。

这样做，向诸如高速列车之类的以变化的速度尤其是还在高达或超过350公里/小时的速度移动的交通工具提供宽带接入的技术问题得到了解决。

图3中显示了两种互补的将WIMAX用作WiFi热点的回传网的方式。因此连接WiFi AP和与因特网互联的中央交换机的网络被称为回传网，在图3中着重显示回传网，而并没有显示处于WIMAX传输网络之外的中央交换机。

第一种将WIMAX用作回传网的方式是借助WIMAX用户预定设备(CPE)20将WIMAX基站60连接到因特网30，CPE也称为WIMAX调制解调器。每个均与一个WiFi接入点80相连的多个CPE21经由无线连接40连接到WIMAX基站60。WIMAX基站60本身经由无线连接41与CPE20相连，其中CPE20经由光纤50连接到因特网30。本解决方案提供的功能被称为在临近因特网30的WIMAX CPE20和与WiFi接入点80连接的其他CPE21之间的直接分组互连。

第二种方式是WIMAX基站61本身借助位于两个相邻WIMAX基站60、61之间的两个WIMAX CPE22实现回传。CPE22彼此之间经由光纤51相连，其中CPE和基站60、61之间的连接是无线连接42、43。这两个CPE22将一个基站的发射中继到另一个基站，例如从WIMAX基站60到WIMAX基站61，反之亦然。WiFi接入点81经由CPE23与回传的WIMAX基站61无线连接，并且经由WIMAX基站61、CPE22、WIMAX基站60和CPE20与因特网30相连。WIMAX基站61并不位于列车90的移动沿线。它只是用来回传位于速度限制高于速度阈值v_th的沿线区段的WiFi接入点81。在列车90中，布置了WIMAX CPE24和WiFi CPE25，以便在所有速度下提供与因特网30之间的无线通讯。

此外，可以考虑在每个方向上使用多个中继来扩展图3中的布置，即使用WIMAX CPE22将一个基站的发射中继到另一个基站。

值得指出的是本发明的基本思路是在陆地网即基于光纤的“有线”网络和交通工具之间使用两种无线网络技术，即WIMAX和WiFi，来利用这两者的优势：

-使用WIMAX直到到达其移动速度限制。通过使用WIMAX可以得到具有非常好的响应时间的连续覆盖，即使列车停在两个WIMAX基站之间也是如此。

-对于更高的交通工具速度，使用WLAN。由于具有宽得多的子载波和更高的数据速率/子载波，WLAN允许更高的交通工具的速度。相邻热点之间的距离考虑了所需的响应时间，其中列车的高速度限制了沿路线的接入点(AP)数目。

本发明实现了如下优点：

-该解决方案适用于可以高速移动的交通工具，例如高速或子弹头列车，当交通工具通过隧道或停止时同样适用。

-该解决方案使用现有的技术。因此，可以容易地对现有无线网络进行升级。

-该解决方案支持高速数据速率，因为它基于高速技术。

-该解决方案可以优化短程WLAN热点的数目，因为它们仅用于诸如列车之类的交通工具允许加速至高速的沿线区段。

此外，值得指出的是至少在业务量开始时，并不需要要求连续覆盖的语音业务量，所以起初非连续的WiFi覆盖就已经足够了。

还可以考虑的是，随着其他提供在本地基站与处于特定速度的交通工具之间更高通信性能的技术的发展，引入另外的速度阈值以便在其效果最好的某一速度水平处使用每一种技术。

商业适用性：

本发明可以商用，尤其可应用于无线通信和数据传输的网络构造和运营领域。

Claims

1.一种向可高速移动的交通工具，尤其是向高速列车，提供无线宽带通信的方法，所述方法包括步骤：

沿着所述交通工具移动所经路线布置全球微波接入互操作性(WIMAX)基站，

沿着所述路线在所述WIMAX基站之间布置无线局域网(WLAN)热点，

在检测到交通工具的速度大于预先设定的速度阈值时，使用所述WLAN热点建立到所述交通工具的通信，

在检测到交通工具的速度小于所述速度阈值时，通过所述WIMAX基站建立到所述交通工具的通信。

2.根据权利要求1所述的方法，其中仅在沿着所述交通工具以高于所述预先设定的速度阈值移动的路线区段布置WLAN热点。

3.根据权利要求1所述的方法，其中沿着所述交通工具以高于所述预先设定的速度阈值移动的路线区段，不布置WIMAX基站。

4.根据权利要求1所述的方法，其中相邻WIMAX基站之间的距离大约是5到20公里。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述WIMAX基站被用作联系WLAN接入点的回传网。

6.一种用来实现根据前述权利要求之一所述的方法的通信网，其中包括：

沿着交通工具移动所经路线布置的WIMAX基站，

沿着所述路线，至少是在所述交通工具允许以高于预先设定的阈值移动的区段中在所述WIMAX基站之间布置的WLAN热点，

检测所述交通工具的速度的装置，

判断所述交通工具的速度高于还是低于所述预先设定的阈值的装置，

如果检测到所述交通工具的速度低于所述预先设定的阈值，经由所述WIMAX基站建立到所述交通工具的连接的装置，

如果所述交通工具的速度高于所述阈值，经由所述WLAN热点建立到所述交通工具的连接的装置。

7.一种存储于计算机可用介质上的计算机程序产品，其包括当所述计算机程序产品在计算机上执行时使得计算机实现权利要求1至5中任意一项所述的方法的计算机可读程序装置。