CN101049044A - 双模式双频段无线通信节点 - Google Patents

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CN101049044A CNA2005800369443A CN200580036944A CN101049044A CN 101049044 A CN101049044 A CN 101049044A CN A2005800369443 A CNA2005800369443 A CN A2005800369443A CN 200580036944 A CN200580036944 A CN 200580036944A CN 101049044 A CN101049044 A CN 101049044A
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Abstract

一种双模式、双频段无线通信网络(100)和使用该网络的一种方法。这个无线通信网络(100)包括节点，例如移动节点(102)，接入点(106)和无线路由器(107)，其可以在两个不同的频率上进行无线通信，例如2.4GHz和4.9GHz，以提供高移动性和高数据率容量，并用于与802.11适应设备和非802.11适应设备进行通信。

Description

双模式双频段无线通信节点
本申请要求2004年10月27日提出的美国临时申请60/622,171的权益，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明总的来说涉及无线通信网络，特别涉及一种包括了具有高移动性和高数据率容量的双频段、双模式无线节点的多跳无线通信网络。
背景技术
近年来，一种称为“自组织”网络的移动通信网络已经发展起来。在这种类型的网络中，每个移动节点可以作为其它移动节点的基站或路由器进行操作，这样就可以不需要基站的固定基础结构。就像本领域的技术人员可以理解的那样，网络节点以一种复用的格式发送和接收数据分组通信，例如时分多址(TDMA)格式、码分多址(CDMA)格式或是频分多址(FDMA)格式。更为复杂的自组织网络也正在开发中，其除了可以使移动节点像在传统的自组织网络中一样互相通信，还可以使移动节点接入到固定的网络，这样就可以与其它移动节点通信，例如公共交换电话网络(PSTN)中的节点和如互联网之类的其它网络中的节点。这些高级类型的自组织网络的细节内容在2001年6月29日申请的申请号为09/897,790的名为“Ad Hoc Peer-to-Peer MobileRadio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks”的美国申请，和专利号为6,807,165、名为“Time Division Protocol for anAd-Hoc，Peer-to-Peer Radio Network Having Coordinating ChannelAccess to Shared Parallel Data Channels with Separate ReservationChannel”的美国专利，以及专利号为6,873,839、名为“Prioritized-Routingfor an Ad-Hoc，Peer-to-Peer，Mobile Radio Access System”的美国专利中描述，每一篇中的全部内容都结合于此作为参考。
就像本领域技术人员可以理解的那样，这些类型的网络可能被用在各种环境中。因此希望网络中的节点具有增强的移动性和增强的数据率容量以适应各种环境的需要。
附图说明
这些附图中同样的参考标记表示各个图中同样或功能相近的单元，附图和下面具体描述结合在一起，组成说明书，用来依照本发明进一步示例性地说明各种实施例和解释各种原理和优点。
图1是自组织无线通信网络实例的框图，该无线通信网络包括使用了依照本发明实施例的系统和方法的多个节点；
图2是概念框图，依照本发明实施例，进一步示例图1所示网络中的节点之间的连接实例；
图3是概念框图，示例了图1所示的网络中使用的节点的组成部分的实例；
图4是更详细的概念框图，示例了图1所示的网络中使用的接入点(AP)和无线路由器(WR)的组成部分的实例；
图5是更详细的概念框图，示例了图1所示的网络中使用的AP和WR的组成部分的实例；
图6是更进一步详细的概念框图，示例了图1所示的网络中使用的AP和WR的组成部分的实例；
图7是信号图，概念性地示例了通过如图4至6所示的AP和WR中的4.9吉赫(GHz)收发信机在4.9GHz频谱内的信道接入实例；
图8是概念图，依照本发明实施例，示例了一个实例，其中如图4至6中所示的收发信机的层互相关联；
图9是概念图，依照本发明实施例，示例了一个实例，其中如图4至6中所示的应用在WR中的收发信机的层互相关联；
图10是概念图，依照本发明实施例，示例了一个实例，其中如图4至6中所示的应用在智能接入点(IAP)中的收发信机的层互相关联；
图11是概念图，进一步示例如图4至6所示的收发信机组成部分的实例；
图12是概念图，进一步示例如图4至6所示的收发信机组成部分的实例；
图13是概念图，依照本发明实施例，进一步示例WR、IAP和网络组件之间关系的实例；
图14是概念图，依照本发明实施例，进一步示例在执行无线更新过程时的WR、IAP和网络组件之间关系的实例。
熟练的技术人员会理解，为了简化和清楚，附图中的单元是示例性的，没有必要按规定比例画出。例如，附图中的一些单元的尺寸可以相对于其它单元扩大以有助于更好地理解本发明的实施例。
具体实施方式
在详细描述依照本发明的实施例之前，应该先注意到，实施例主要结合在方法步骤和装置组件中，用来提供使用具有高移动性和高数据率容量的双频段、双模式的无线节点的无线通信网络。因此，这些装置组件和方法步骤在附图中通过传统的符号适当的表现出来，只是显示了那些与理解本发明的实施例有关的特殊细节，这样受益于此描述就免得模糊了对于本领域技术人员来说显而易见的细节的公开。
在这篇文件中，相关术语，如第一和第二，顶部和底部等仅用于区分一个实体或动作与另一个实体和动作，而无需要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的关系或顺序。术语“包括”、“包含”或任何其它变化形式被规定为覆盖非排它的包含，使得包括一系列要素的过程、方法、产品或装置不是只包括那些要素，而是可以包括没有清楚地列出的或这些处理、方法、产品或装置固有的其它要素。没有更多的约束的情况下，前面带有“包括…一个”的要素没有排除在包括该要素的过程、方法、产品或装置中还有另外的同样要素存在。
可以理解，描述于此的本发明实施例可以包括一个或多个传统的处理器和唯一存储的程序指令，其控制一个或多个处理器与某些非处理器电路合作去完成一些、大部分或所有功能，以提供使用具有高移动性和高数据率容量的双频段、双模式无线节点的无线通信网络。这些非处理器电路可以包括(但不限于)无线接收机、无线发射机、信号驱动器、时钟电路、电源电路和用户输入设备。这样，这些功能可以被解释为，为了提供使用具有高移动性和高数据率容量的双频段、双模式无线节点的无线通信网络而执行操作的方法的步骤。可替换地，一些或所有功能可由没有存储程序指令的状态机实现，或是在一个或多个专用集成电路(ASIC)中实现，其中每个功能或某些功能的一些组合可以实现为自定义逻辑。当然，两种方法的组合也可以使用。从而，适于这些功能的方法和装置已经描述于此。进一步，可以料想到在此公开的概念和原理的指导下，尽管可能重大的尝试和很多设计选择可以通过例如，可用时间、当前技术和经济的考虑被激发，普通技术人员将会能够用最少限度的实验容易地生成这样的软件指令和程序和集成电路IC。
如下面更具体的描述，本发明提供使用具有高移动性和高数据率容量的双频段、双模式的无线节点的无线通信网络，以及使用这种网络的一种方法。从而，这个双模式、双频段网络在两个孤立的完全冗余多跳无线通信网络中，提供具有依照电气和电子工程师协会(IEEE)标准802.11系统的高数据率网络容量的高移动性网络。
图1是框图，示例了使用本发明实施例的自组织分组交换无线通信网络100的实例。特别地，网络100包括多个移动无线用户终端102-1至102-n(通常被称为使用者设备102，节点102，用户设备(SD)102或移动节点102)，并且可以(但不是必须)包括具有多个AP 106-1，106-2…106-n(通常被称为节点106，AP 106或IAP 106)的固定网络104，用来向节点102提供对于固定网络104的接入。这个固定网络104可以包括，例如，有线或无线的链路，例如核心本地接入网络(LAN)或广域网(WAN)，和多个服务器和网关路由器，以向网络节点提供对于其它网络105的接入，例如其它自组织网络、PSTN和因特网，其可以和网络操作中心(NOC)通信。网络100进一步可以包括多个固定路由器107-1至107-n(通常被称为节点107，WR 107或固定路由器107)，用于在其它节点102、106或107之间路由数据分组，因而扩展了网络100的覆盖。注意到，为了讨论的目的，上面讨论的节点在此可以共同被称为“节点102、106和107”，或简单地称为“节点”。另外，为了讨论的目的，IAP 106和WR 107可以被称为“基础结构节点”或“基础结构设备”。
就像本领域技术人员可以理解的那样，节点102、106和107可以直接互相通信，或通过一个或多个充当路由器进行操作的其它节点102、106或107用于在节点间发送分组，如上面引用的申请号为09/897,790的美国专利申请和专利号为6,807,165和6,873,839的美国专利中所述。进一步注意到，如图1所示，移动节点102可以被人携带，移动节点102、移动IAP 106和移动WR 107可以在车辆109中使用，如汽车或救护车。
如现在将要具体描述的，节点102、106和107可以操作在2.4GHz和4.9GHz频段上，因此具有高速移动性能。图2依照本发明的实施例进一步示例了网络100中的节点102、IAP 106和WR 107之间的连接实例。注意到图1和图2示例的实例，其中节点(例如节点106和107)可以通过2.4GHz和4.9GHz频段与其它节点通信，如节点106和107之间的两个连接线所表示。
依照本发明的实施例，这些节点102、106和107可以处理的数据率从500千比特每秒(Kbps)到54兆比特每秒(Mbps)，或任何其它适当的数据率。这些节点102、106和107能够满足不同环境的适当服务质量(QoS)规定，例如紧急任务救火或营救操作，或不太紧急的环境，例如会议等等。就像本领域技术人员可以理解的和下面描述的那样，节点102、106和107也提供安全的无线基础结构，并可以使用适于2.4GHz和4.9GHz操作的单独管理系统。节点102、106和107进一步为至其它节点102、106和107的传输和来自其它节点102、106和107的传输提供对称数据率，又提供这些节点的所有单元的无线升级能力，为移动和静止节点提供定位服务。
网络100能进一步提供适合公共安全应用及非危急市政使用的重要的性能和特性。网络100因而能够提供用于救火、警务和第一响应者的紧急任务公共安全网络，和提供单独的用于非紧急任务功能的高带宽数据网络用于其它市政功能，如公共工作、检查员和其它民政服务功能。网络100也提供高效率的硬件设计和管理与系统参数可见性，如这里具体描述的一样。
下面描述的本发明的实施例中和如图3至6所示的更多细节，每个节点102、106和107包括至少一个收发信机或调制解调器108，其耦合到天线110，在控制器112的控制下，能够从节点102、106或107接收信号，和向节点102、106或107发射信号，例如分组化的信号。分组化数据信号可以包括，例如，语音、数据或多媒体信息，分组化控制信号包括节点更新信息。
每个节点102、106和107进一步包括存储器114，例如随机访问存储器(RAM)，其除了其它信息之外，还能够存储与它本身和网络100中的其它节点有关的路由信息。如图2进一步所示，某些节点，特别是移动节点102，可以包括由任意个设备组成的主机116，例如笔记本电脑终端、移动电话单元、移动数据单元、或任何其它适当的设备。每个节点102、106和107也包括适当的硬件和软件以执行因特网协议(IP)和地址解析协议(ARP)，其目的可容易被本领域技术人员所理解。执行传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)的适当硬件和软件也可以包括在其中。这些节点的更进一步的细节，特别是基础结构设备IAP 106和WR 107的双收发信机的设置在下面进行讨论。
换句话说，如图4至6所示，例如，每个基础结构设备106和107包括2.4GHz子系统400和4.9GHz子系统430。2.4GHz和4.9GHz子系统400和430从功能的观点来看本质上是相同的，除非另外说明，假定这里讨论的特性适用于2.4GHz和4.9GHz子系统400和430。
2.4GHz网络子系统400包括例如由Atheros Communications公司生产的双收发信机AP模块402。这个模块402包括控制器404，4.9GHz收发信机406和耦合到用于无线通信的天线410的2.4GHz收发信机408。为了作为2.4GHz网络子系统400的一部分使用，4.9GHz收发信机406被禁止。AP模块402进一步包括回程连接412，其可以与例如图1所示的固定网络104的WAN或LAN通信。在IAP106或WR107安装在如图1所示的汽车上或者本领域技术人员所知的任何其它类型的代理设备上的情况下，AP模块402进一步包括耦合到，例如，LAN、增强的WR(EWR)、车载调制解调器(VMM)的至少一个以太网端口414。
如进一步的图示，2.4GHz子系统400进一步包括2.4MHz收发信机416，其经由例如以太网连接或专用局域网LAN 418耦合到AP模块402。2.4MHz收发信机410可以被安装在单板计算机(SBC)420上，这样它可以利用SBC上的以太网适配器，并被耦合到天线422用于无线通信。
注意到，在2.4GHz子系统400中，两个收发信机408和416操作在例如交迭信道中的2.4GHz频段的80兆赫(MHz)中。特别是，这个2.4MHz收发信机408和2.4MHz收发信机416依照IEEE标准802.11g操作用来进行2.4GHz通信。
类似于2.4GHz子系统400，4.9GHz子系统430包括例如由AtherosCommunication公司生产的双收发信机AP模块432。这个AP模块432包括控制器434，4.9GHz收发信机436和耦合到天线440用于无线通信的2.4GHz收发信机438。为了作为4.9GHz网络子系统430的一部分使用，2.4GHz收发信机436被禁用。AP模块432进一步包括回程连接442，其可以与例如图1所示的固定网络104的WAN或LAN通信。在IAP106或WR107安装在如图1所示的汽车上或者本领域技术人员所知的任何其它类型的代理设备上的情况下，AP模块402进一步包括耦合到，例如，LAN、EWR、VMM的至少一个以太网端口444。
如进一步示出的，4.9GHz子系统430进一步包括4.9MHz收发信机446，其经由例如以太网连接或专用局域网LAN 448耦合到AP模块432。4.9MHz收发信机446可以被安装在SBC 450上，这样它可以利用SBC上的以太网适配器，并被耦合到天线452用于无线通信。
注意到，在4.9GHz子系统430中，两个收发信机438和446操作在例如交迭信道的4.9GHz频段的50MHz中。特别是，收发信机438和446依照IEEE标准802.11a操作用来进行4.9GHz通信。图7概念性地示例两个收发信机438和446共存于和分享4.9GHz频段上的50MHz可用频谱700的方式。多信道收发信机41 6占用3(三)个10(十)MHz的信道702、704和706，符合IEEE标准802.11无线的收发信机446使用单个20(二十)MHz信道708。信道702、704和706的特点在于保留信道702和两个数据信道704和706。注意到2.4GHz收发信机408和438不需要特殊的信道化配置。
如进一步的图示，每个IAP 106和WR 107可以包括电源454，例如35瓦特电源，或可以耦合到例如是120V或240V电源的外部电源的任何其它的适当电源，或在IAP 106或WR 107被安装在汽车上的情况下可以是汽车的电源。如图6中更详细地示出，电源454可以包括在电源和信号分配板456中，例如RS-232信号分配板，其具有连接线458用于耦合到AP模块402和432以及SBC 420和450，如图所示。IAP 106和WR 107可以进一步包括冷却设备460，如本领域技术人员可以理解的那样去减少长期使用期间过热的可能性。注意到组件，例如图3中概念性地示出的收发信机108、天线110、控制器112和存储器114，可以由图4至6所示的组件来实施，正如上面所讨论的。
进一步注意到，所有基础结构设备106和107以及SD 102能够进行多跳通信和自组织网络连接，如上面讨论的。因为基础结构设备106和107包括操作在2.4GHz操作的双收发信机408和416以及操作在4.9GHz的双收发信机436和446，基础结构设备106和107可以与依照IEEE标准802.11操作在任一频率的SD102或其它WR 107或IAP106(802.11适应设备)，以及不依照IEEE标准802.11操作的SD 102或其它WR 107或IAP 106(非802.11适应设备)进行通信。基础结构设备106和107例如在它们的回程412和442也提供IEEE标准802.11性能，并如本领域技术人员可以理解的，SD 102和基础结构设备106和107提供地理定位能力。收发信机410和430的组合进一步在2.4GHz和4.9GHz频段都提供了高吞吐率的双模式网络。
图8概念性地示出一个实例，其中在AP模块402或432的收发信机，例如AP模块402中的收发信机408的层，和SBC上的收发信机，例如SBC 420上的收发信机416的层，是互相关联的。为了举例的目的，收发信机408和416的层将会被讨论。但是应该理解，收发信机436包括类似于关于收发信机408讨论过的层，收发信机446包括类似于关于收发信机416讨论过的层，那些收发信机同样通过以太网连接起来，如图4-6所示。
如图8所示，收发信机408包括IEEE 802.11标准物理层800和IEEE 802.3标准物理层802。如图示，物理层800与天线410通信，物理层802与以太网连接线418通信。收发信机408进一步包括与物理层800通信的IEEE 802.11标准媒体接入控制(MAC)层804，和与物理层802通信的IEEE 802.3标准MAC层806。收发信机408进一步包括与MAC层804和806通信的路由层808，如本领域技术人员可以理解的那样。
进一步如图所示，收发信机416包括物理层810和IEEE 802.3物理层812。如图示，物理层810与天线422通信，物理层812与以太网连接线418通信。收发信机416进一步包括与物理层810通信的MAC层814，和与物理层812通信的IEEE标准802.3 MAC层816。收发信机416进一步包括与MAC层814和816通信的路由层818，如本领域技术人员可以理解的那样。
图9是概念图，显示了收发信机408和416(与收发信机436和446)被应用在WR107中的实例，和关于图8描述的它们的层被用于在网络104中与用户设备102、其它IAP106和WAN通信的方式。也就是，如图示，收发信机416的物理层810(经由未示出的天线422)与非802.11用户设备102和非802.11 IAP 106进行通信。另一方面，收发信机408的物理层800(经由未示出的天线410)与802.11适应用户设备102和802.11适应IAP 106进行通信。
图10是概念图，显示了收发信机408和416(和收发信机436和446)被应用在IAP 106中的实例，和关于图8描述的它们的层被用于在网络104中与用户设备102、其它IAP 106和WAN通信的方式。也就是，如图示，收发信机416的物理层810(经由未示出的天线422)与非802.11用户设备102和非802.11IAP 106进行通信。另一方面，收发信机408的物理层800(经由未示出的天线410)与802.11适应用户设备102和802.11适应IAP 106进行通信。如进一步图示，收发信机408还使用另外的IEEE标准802.3物理层1000和IEEE标准802.3MAC层1002(经由未示出的回程连接412)与网络104的WAN进行通信。桥接器1004使得MAC层1002可以与MAC层804进行通信，如本领域技术人员可以理解的那样。
换句话说，如图11和12所示，桥接器层1004例如与MAC层1004通信，还利用协议如因特网协议(IP)1100和用户数据报协议(UDP)1102与大(LS)客户1104、简单网络管理协议(SNMP)代理1004、因特网协议解析服务器(IPRS)客户1108和动态主机配置协议(DHCP)客户1110进行通信。DHCP服务器1212从DHCP客户接收DHCP事务，ISPR服务器1214从IPRS客户1118接收事务，与网络管理信息(NMI)服务器1216和设备管理器1218通信，并且在必要时访问数据库(DB)1220，去实现MAC层804和MAC层1002之间的通信，如本领域技术人员可以理解的那样。
除了上面的内容，还注意到，例如，上述的配置允许IAP 106和WR 107软件无线(OTA)更新。图13和14是概念框图，示例了IAP106、WR 107和网络104之间的关系的实例。如图示，网络104可以包括设备管理器1300、域名服务器(DNS)1302、NMI服务器1304和ISPR服务器1306，其如本领域技术人员理解的那样进行操作。如图14所示，WR 107可以通过IAP 106发送请求1400给网络104，特别是给文件传输协议(FTP)服务器1402，如本领域技术人员所理解的那样。FTP服务器1402然后可以配合NMI服务器1304发送复位命令1404或下载命令1406给请求WR 107，这样，必要时，请求WR 107可以重新配置或更新它的软件。
在前述说明书中，描述了本发明的特定的实施例。但是，本领域技术人员意识到在不脱离如下面权利要求中所提出的本发明范围内可做出各种修改和变化。因此，说明书和附图应该被认为是某种意义上的示例，而不是限制，所有这样的修改包括在本发明的范围内。这些好处、优势、问题的解决方案和可以带来任何好处、优势、解决方案出现或成为更加明确的任何要素不能被解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的、或必要的特征或要素。本发明仅被所附的权利要求所定义，包括在本申请未决期间所做的任何修改和如所公布的权利要求的所有等效。

Claims (20)

1.一种用于在无线通信网络中通信的节点，该节点包括：
第一通信设备，包括第一和第二收发信机，每一个都适于在第一频率上进行无线通信；和
第二通信设备，包括第三和第四收发信机，每一个都适于在第二频率上进行无线通信。
2.如权利要求1所述的节点，其中：
该第一频率是在2.4吉赫(GHz)范围，而该第二频率是在4.9GHz范围。
3.如权利要求1所述的节点，其中：
第一和第三收发信机中的至少一个适于与不同于该无线通信网络的网络进行通信。
4.如权利要求1所述的节点，其中：
第一和第二收发信机中的至少一个，以及第三和第四收发信机中的至少一个，适于与至少一个依照IEEE标准802.11通信的其它节点进行无线通信。
5.如权利要求1所述的节点，其中：
第一和第二收发信机中的至少一个，以及第三和第四收发信机中的至少一个，适于与至少一个不依照IEEE标准802.11通信的其它节点进行无线通信。
6.如权利要求1所述的节点，其中：
该第三和第四收发信机适于在第二频率范围内的不同信道上进行无线通信。
7.如权利要求1所述的节点，其中：
其中第一和第二通信设备中的至少一个适于在该无线通信中的其它节点之间路由分组。
8.一种用于在无线通信网络中通信的方法，该方法包括：
提供包括第一通信设备和第二通信设备的节点，该第一通信设备包括第一和第二收发信机，该第二通信设备包括第三和第四收发信机；
操作该第一和第二收发信机在第一频率上进行无线通信；和
操作该第三和第四收发信机在第二频率上进行无线通信。
9.如权利要求8所述的方法，其中：
该第一频率在2.4吉赫(GHz)范围，该第二频率在4.9GHz范围。
10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
操作该第一和第三收发信机中的至少一个与不同于该无线通信网络的网络通信。
11.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
操作该第一和第二收发信机中的至少一个以及第三和第四收发信机中的至少一个，与至少一个依照IEEE标准802.11通信的其它节点进行无线通信。
12.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
操作该第一和第二收发信机中的至少一个以及第三和第四收发信机中的至少一个，与至少一个不依照IEEE标准802.11通信的其它节点进行无线通信。
13.如权利要求8所述的方法，其中：
操作该第三和第四收发信机的步骤包括操作第三和第四收发信机在第二频率范围内的不同信道上进行无线通信。
14.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
操作第一和第二通信设备中的至少一个在该无线通信中的其它节点之间路由分组。
15.一种无线通信网络，包括：
至少一个包括第一和第二通信设备的第一节点，该第一通信设备包括第一和第二收发信机，每一个都适于在第一频率上进行无线通信，并且该第二通信设备包括第三和第四收发信机，每一个都适于在第二频率上进行无线通信；和
至少一个第二节点，该第一和第二节点适于互相通信。
16.如权利要求15所述的无线通信网络，其中：
该第一频率在2.4吉赫(GHz)范围，而该第二频率在4.9GHz范围。
17.如权利要求15所述的无线通信网络，其中：
该第一节点进一步适于与不同于该无线通信网络的网络通信。
18.如权利要求15所述的无线通信网络，其中：
该第一节点适于与所述的适于依照IEEE标准802.11通信的第二节点进行通信，并且与另一个所述的适于以不依照IEEE标准802.11方式通信的第二节点进行通信。
19.如权利要求15所述的无线通信网络，其中：
该第一节点适于在无线通信中的第二节点之间路由分组。
20.如权利要求15所述的无线通信网络，其中：
该第一节点适于在该第二节点和不同于该无线通信网络的网络之间路由分组。
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