CN101317394A - 建立和维持可预测移动车辆内的wlan连接的方法、系统以及布置 - Google Patents

Abstract

公开了一种通信系统，用于建立和维持与可预测移动车辆(303)上的终端用户的终端(301)的无线通信连接。车辆(303)内的中央设备(302)用作无线网络的中心。存在多个固定收发器(304)。连接布置(305、306、705、706、1001、1101、1122)将固定收发器(304)连接到外部分组交换数据网络。车辆(303)内的中央设备(302)是配备有路由能力(407)的移动路由器(302)。连接布置(305、306、705、706、1001、1101、1122)包括多个固定收发器(304)和固定中央设备(305)之间的光连接(705、706、1001)，所述光连接(705、706、1001)经过一个光纤(706)或者数目很少的光纤，所述光纤来自沿着车辆(303)的预测移动线路(111)延展的长距离光缆(901)。所述固定中央设备(305)具有路由能力(1007)，并且所述固定中央设备(305)与所述移动路由器(302)一起实现分组交换数据网络和终端用户的终端(301)之间的数据分组的路由。

Description

建立和维持可预测移动车辆内的WLAN连接的方法、系统以及布置

技术领域

本发明一般涉及建立和维持到可共同地在运输车辆上移动的终端的无线连接的技术。本发明尤其涉及向列车以及其他铁路车辆提供WLAN连接的技术。

背景技术

WLAN或者无线局域网是针对使得计算机或者计算机类终端实现与附近多个其他类似设备无线地交换数字数据的所有技术的一般称谓。在撰写此说明书的原始日期时，WLAN连接中的数据速率是11Mbit/s量级。根据已建立的假定，WLAN还必须具有到外部、广泛分布的公共网络(优选为因特网)的连接，使得WLAN终端实际上不受限制地访问全世界。

WLAN连接被认为在非常大的环境范围内成为日常生活的必要部分。正在发展的趋势是在人们可能需要并且同时有机会使用他们的终端访问网络的位置处所谓的WLAN热点的不断出现。这种位置的关注的特定情况包括公共交通车辆，诸如公共汽车、列车以及飞机。因为典型WLAN连接中的终端和基站之间的范围是例如铁路客车的尺寸量级，用于对列车装备WLAN连接的明显建议是：在客车内安装基站以用于建立实际WLAN，并且布置基站与静止外界之间的独立集中式无线链路。

图1示出一种基本情况，其中通用蜂窝无线系统包括多个固定基站101至110，每个基站具有覆盖区域或者小区，使得小区示意性地覆盖作为六角栅格的特定地理区域。铁路轨道111经过所述区域，并且这样穿过多个所述小区。在一个位置处，铁路轨道111穿过隧道112。用于建立铁路客车中的WLAN基站113与静止外界之间的无线链路的最直接的可选方案是对WLAN基站113装备通用蜂窝无线系统的终端收发器，并且将移动WLAN处理作为好像它是单个移动终端。多个缺点使得这种方案不可行。在这些缺点中，有通常不足以用于通用蜂窝无线系统中的终端的带宽，如隧道112的困难位置中覆盖的不确定性，以及在以下情况中不能保证的容量，即，小区之一可能已经具有过多的具有有效通信连接的普通终端。

图2示出了更先进的解决方案，其利用了以下事实，即不像通用蜂窝无线系统的终端那样，列车将不会出现在任意的地理位置，而是将沿着限定好的路径移动。在图2中，铁路轨道111的路径被多个专用小区201至209覆盖，包括隧道112中的特定小区210，其使用例如已知所谓的泄漏电缆技术。在此解决方案中，至少能够比图1中的解决方案更容易地解决容量问题，因为不存在其他终端与移动WLAN基站113竞争，其中移动WLAN基站113表现为包括小区201至210的系统中的移动终端。然而，仍存在待解决的重要问题。为了覆盖具有专用小区的铁路网络的重要部分，无疑需要数百个或者数千个固定基站。如何能够以成本有效方式连接到运行在背景中的核心网络，并且如何有效地管理终端用户的终端的移动性呢？

另外还存在一些严重的与多普勒频移和衰落相关的问题。在移动WLAN和固定基站之间的连接中使用的此类型数字无线传输包括传输分组，其中每个分组包括所谓的训练序列。接收器使用已知形式的训练序列来计算信道估计，其作为对匹配的滤波器的控制信息，该滤波器尝试抵消无线信道中非线性的有害效应。更新的信道估计仅在新分组进入时可用。如果分组非常长，则连续的信道估计的计算之间的时间间隔变长，这增加了信道的实际脉冲响应相对于最新近计算的信道估计改变太大的风险，致使分组丢失。另一方面，如果分组非常短，则他们能够频繁地对信道估计进行更新，而可用于净荷数据的传输容量的相对量变得更少。

发明内容

本发明通过提供用于建立和维持可预测移动车辆内的WLAN连接的解决方案而获得优势。本发明获得优势的另一方式是通过提供连接专用的固定基站与核心网络的成本有效方法作为这种解决方案的一部分。本发明获得优势的另一方式是通过提供用于管理在可预测移动车辆内移动的终端用户的终端的方法和适当的硬件。本发明获得优势的另一方式是通过提供所述类型的固定基站与在可预测移动车辆内移动的WLAN部分之间的无线接口机制。

本发明获得优势的一个方式是通过建立包括一系列专用接入点的基础架构，通过适当地相互链接接入点以及将接入点链接到内部网络结构，并且通过建立利用车辆移动的可预测性的移动性管理机制。

根据本发明的一个方面，通信系统包括：

车辆内的中央设备，适应于作为车辆上的无线网络的中心，

多个固定收发器，其中每个收发器具有构成小区的地理覆盖区域，以及

连接固定收发器到外部分组交换数据网络的连接布置；

其中车辆内的中央设备适应于与车辆内的中央设备驻留在其小区中的固定收发器进行通信。

该通信系统的特征在于：

车辆内的中央设备是配备有路由能力的移动路由器，

连接布置包括多个固定收发器和固定中央设备之间的光连接，其中光连接经过一个或者数目很少的光纤，该光纤来自沿着车辆的预测的移动路线延展的长距离光缆，

所述固定中央设备配备有路由能力，以及

所述固定中央设备与所述移动路由器一起适应于实现分组交换数据网络与运行在车辆上的无线网络中的终端用户的终端之间的数据分组的路由。

本发明的另一方面涉及安装在车辆上的电子内容发布系统，该系统包括：

中央设备，其安装在车辆上，以及

接收器，其耦合到所述中央设备并且适应于从车辆外部的网络无线地接收远程产生的内容。

电子内容发布系统特征在于其包括：

在中央设备内的路由装置，所述路由装置适合于使中央设备成为车辆上的无线网络的路由器，

从中央设备到车辆内的视听发布装置的连接；

其中所述中央设备适应于将接收的远程产生的内容递送到运行在车辆上的无线网络中的无线终端用户的设备和车辆内的所述视听发布装置。

本发明的另一方面涉及一种用于建立和维护与可预测移动车辆上的终端用户的终端的无线通信连接的方法。该方法包括以下步骤：

在车辆上的中央设备周围建立无线网络，

建立中央设备与多个固定收发器之一之间的通信连接，其中每个固定收发器具有构成小区的地理覆盖区域，以及

通过固定收发器在车辆上的中央设备与外部分组交换数据网络之间传送数据分组。

该方法特征在于其包括以下步骤：

利用多个固定收发器与固定中央设备之间的光连接来传送数据分组，所述光连接经过一个光纤或者数目很少的光纤，所述光纤来自沿着车辆的预测移动路线延展的长距离光缆，以及

在所述固定中央设备和车辆上的中央设备的移动路由器功能性两者处维持路由表，从而在分组交换数据网络与运行在车辆上的无线网络中的终端用户的终端之间路由数据分组。

可以考虑一种通信系统，其中利用具有定向天线的无线接入点的小区来覆盖移动车辆的可预测路径，使得每个小区在车辆的移动路径的方向上延伸。最有利地，将无线接入点利用一个或者数目很少的光纤彼此耦合，该光纤构成长距离光缆的一小部分。接入点与控制器级别的管理实体一起组成封闭的网络，其中终端用户的终端的移动表现为承载所述终端用户的终端的车辆的共同移动。所述终端的移动性可以通过管理车辆的移动性来管理，所述处理能够从以下事实获得巨大的优势，即能够基于关于车辆的移动的可预测信息对封闭的网络的所有适合的部分进行预配置。

还可以考虑针对上述可预测移动车辆的内部的合适的基础架构。移动路由器用作用于终端用户的终端的无线中心，以及用作用于实时地接收和发布来自外部网络的内容的链接节点。

尤其在所附权利要求书中阐述了被认为是本发明的特征的新颖特性。然而，当结合附图阅读下文具体实施方式的描述时，将最好地理解本发明自身(关于其构造及其操作方法两者)以及本发明的附加目的和优势。

附图说明

图1示出了现有技术通信网络；

图2示出了另一现有技术通信网络；

图3示出了根据本发明的实施方式的通信系统中的网元层级结构；

图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的通信系统中的终端用户的终端和移动路由器；

图5示出了根据本发明的实施方式的通信系统中的小区的布置；

图6a、6b以及6c示意性地示出了用于建立根据本发明的实施方式的通信系统中的接口的可选方案；

图7示意性地示出了根据本发明的实施方式的通信系统中的光网络单元和接入点；

图8a和图8b示意性地示出了根据本发明的实施方式的通信系统中的某些控制原理；

图9示出了长距离光纤光缆的一小部分的使用；

图10示意性地示出了根据本发明的实施方式的通信系统中的光线路终端单元；

图11a、11b以及11c示意性地示出了根据本发明的实施方式的在通信系统中的各种网络拓扑；

图12示意性地示出了根据本发明的实施方式的方法；

图13示出了现有技术车辆网络基础架构；

图14示出了本发明的实施方式的车辆网络基础架构；

图15示出了根据图14的网络基础架构中的控制面板的示例性使用。

具体实施方式

呈现在本专利申请中的本发明的示例性实施方式不能解释为对所附权利要求书的可应用性造成限制。在本专利申请中使用词汇“包括”作为开放式限制，其不排除其他未描述的特征的存在。在从属权利要求中所描述的特征彼此可自由结合，除非明确声明不能结合。

图3是根据本发明的实施方式的无线局域网解决方案的系统层图示。多个终端用户的终端301适应于与车辆303内称作移动路由器302的设备无线地进行通信。根据最通用特征，车辆303是在可预测路线上移动的车辆，使得至少可以精确预测地理移动路径。作为一个仅仅是示例性的例子，可以认为车辆303是铁路客车。沿着车辆303的预测的移动轨道，存在多个连续固定基站，在此被称为光网络单元和接入点(ONU/AP)304。移动路由器302适应于具有在某时与至少一个ONU/AP 304的无线连接。多个ONU/AP连接到被称为光线路终端(OLT)305的路由器。多个OLT 305依次连接到交换机306，存在从交换机306到因特网的连接。在下文中，将更详细地讨论图3中从底部到顶部的系统的部分。

图4示意性地示出了终端用户的终端301和移动路由器302的某些功能性。本发明对终端用户的终端提出了除了包括WLAN接口401以外的很少的要求。考虑撰写本说明书时的已知技术，终端用户的终端301通常是膝上型计算机，尽管其还可以是个人数字助理(PDA)、装备用于数据网络操作的移动电话，等等。针对本发明的目的，移动路由器302的主要任务是将要建立在车辆内以用作针对终端用户的终端的即时接入点并且作为ad-hoc类型无线网络的连续有效节点，建立在车辆内。为此，它包括WLAN接口402，具有足够高的容量以服务于终端中合理的期望数目的终端用户。移动路由器302还可以包括其他种类的本地接口403。这些接口可以包括例如针对仅能够经由电缆连接到网络的终端用户的终端的电缆接口、用于耦合移动路由器302到本地内容服务器的内容服务器接口、用于耦合移动路由器302到诸如GPS接收器或者某些车辆专用导航系统的定位设备的定位接口、和/或用于耦合移动路由器到获得并且维持关于车辆的操作和状况的信息的系统的遥测接口。

移动路由器302(作为针对终端用户的终端的即时无线接入点)负责用户认证以及通过加密或者其他合适措施向通信连接提供保密性。这些功能性驻留在安全模块404中。如果对车辆LAN的使用进行收费，移动路由器302还可以包含计费模块405，用于产生并且维护计费信息以及转发这种信息到处于网络中其他位置的开帐单(invoicing)功能性。如果使用电子货币来支付所述连接，则计费模块405甚至可以适应于直接开帐单。移动路由器可以同时作为本地内容服务器，提供例如诸如音乐、视频以及游戏的娱乐，为此，移动路由器可以包括本地内容模块406。如已经通过其名称所表明的，移动路由器必须具有路由模块407。稍后将更详细地描述路由模块407的任务和操作。还呈现了另一接口408，用于建立和维持朝向ONU/AP的无线接口。该接口可以包括移动补偿部分409，稍后将对其进行详细描述。

移动路由器与ONU/AP之间的连接是在几GHz或者几十GHz频率的无线连接。最有利地，通过沿着预测的移动路径放置ONU/AP并且对其配备定向天线，来利用车辆移动的可预测性，定向天线的主要辐射波瓣的方向与移动路径的方向一致。图5示出了铁路轨道111的路径如何被连续小区501所覆盖，其中每个小区包括ONU/AP 304的覆盖区域，其定向天线指向铁路轨道111的方向。在图5中，假定除了隧道112的ONU/AP之外，每个ONU/AP具有一个定向天线，该定向天线具有一个主要辐射波瓣；根据已知实践，隧道112的ONU/AP利用泄漏电缆天线，用泄漏电缆天线使得隧道小区502覆盖整个隧道112，而与方向无关。沿着铁路轨道111移动的移动路由器113总是在至少一个ONU/AP 304的小区内。在轨道的直线部分上，轨道方向上的小区的尺寸仅受无线电波的有效范围的限制。轨道的长直线部分可能需要顺序地放置数个ONU/AP。轨道的曲线部分需要将ONU/AP放置得彼此靠近，因为轨道相对较快地弯曲而离开高度定向的辐射波瓣。

在ONU/AP和移动路由器两处使用定向天线使得能够利用天线增益来补偿对连接质量的有害效应，尤其是空间衰减。定向天线可以具有固定定向结构，在这种情况中主要辐射波瓣总是指向同一方向，或者它们可以是电子可操纵的(steerable)。上述可替换方案尤其在当移动路由器沿着针对某ONU/AP的曲线路径移动时是有优势的。尽可能靠近于铁路轨道或者其他可预测的移动路径放置ONU/AP，并且使定向天线沿着路径来指向包括以下优势：即限制多普勒频移的范围和其他依赖速度的因素。

将ONU/AP之间的典型距离(即预测移动路径的方向上的典型小区的尺寸)估计为一千米的量级。

图6a、6b以及6c示出了使用移动路由器302和ONU/AP 304中的天线和收发器的某些变型。图6a是在移动路由器302和ONU/AP304中分别正好存在一个接口收发器601和602的基本情况，并且其中每个接口收发器分别具有固定定向天线603和604。所述天线彼此相对。这种解决方案具有以下缺点，即需要确保例如移动天线603定位于其中的铁路客车将不会针对ONU/AP的天线的指向方向而转向另一方向，这是大多情况中的合理假定。为了彻底避免这种风险，移动路由器302和ONU/AP 304中至少一个应该配备具有对称定向的天线，所述天线具有指向相反方向的两个主要辐射波瓣。图6b尽可能地示出了在移动路由器302和ONU/AP 304两处的这种对称定向的天线613和614的使用。在ONU/AP处使用对称定向的天线将自然地使得这种ONU/AP的小区在由辐射波瓣确定的方向上对称地出现在ONU/AP周围。

连续ONU/AP的小区将具有特定地理重叠，其需要分开他们彼此的传输。如果使用码分多址，则在不同的ONU/AP处使用不同的扩频码是足够的。在其他情况下，可能需要使用不同的传输频率，或者适合的时间同步。在任何情况下，对小区之间的平滑切换的需要可能需要移动路由器302和ONU/AP中至少一个中的并行接口收发器。在移动路由器中，这种并行收发器之一仍然可以与“旧”ONU/AP进行通信，而同时另一个已经建立与“新”ONU/AP的连接。并行接口收发器还可以用于提供在移动路由器302与ONU/AP 304之间的无线接口处的冗余。图6c示出了其中移动路由器302包括两个并行接口收发器612和622的示例性情况。这些接口中的每个接口具有分别指向一个方向的定向天线623和624，使得两个天线指向相反方向。在ONU/AP 304中，还存在两个并行接口收发器625和626。这些接口中的每个接口具有指向两个方向的定向天线627和628。多个接口收发器、多个天线以及多个天线指向方向之间的许多变化都是可能的。

图7示意性地示出了ONU/AP 304的某些部分。无线接口701用于实现ONU/AP 304与在移动车辆中经过的移动路由器之间的无线通信。无线链路管理实体702(其独立地在此示出，尽管还可以看作组成无线接口701的一部分)负责执行旨在建立和维持具有优化的容量和吞吐量的无线连接的操作。分组过滤实体703监控所有进入分组并且仅选择其中适合的分组用于进一步传输。光网络接口704是ONU/AP将通过其与网络中的其他固定设备进行通信的接口。用于这种通信的物理接口包括光耦合器705和一个光纤(或者数目很少的光纤)706。

可以更详细地讨论ONU/AP 304与移动路由器302之间的无线接口的某些方面，尤其是在铁路应用的架构中。假定移动路由器302处于铁路客车中并且ONU/AP 304位于轨道旁，它们之间的相对速度可以是每小时0到300千米以上之间的任何速度。无线频率中的多普勒频移很重要。至少两种校正措施是可用的：微调传输频率和/或定时，从而抵消多普勒频移，或者选择与多普勒频移的大小成反比的分组尺寸(多普勒频移越大，分组越小)。

可以使用作为对控制算法的反馈的传输质量测量来动态地进行频率校正和分组大小选择。图8a示意性地示出了动态分组大小选择。在传输状态801期间，对传输质量进行测量；该测量可以包括例如监控误码率、误帧率或者已知用于反映在接收器中使用计算的信道估计的成功的某个其他特征。根据步骤802，如果在每传输数据量中存在比第一限制或者阈值多的错误，则根据步骤803，使得分组大小变得更小。根据步骤804，如果在每传输数据量中存在比第二限制或者阈值少的错误，则根据步骤805，使得分组大小变得更大。动态频率校正算法是本领域已知的并且在此不需要进一步描述。可以等同地在移动收发器和固定收发器两者中执行这种频率校正和分组大小选择。

本发明的铁路应用的特征在于非常容易地获得关于移动收发器与固定收发器之间的相对速度的确切知识。所有现代列车包括用于以电子形式实时产生和发布关于测量的列车速度的信息的装置。即使不存在到固有存在的测速仪布置的接入，或者除了该接入之外，移动路由器可以装备有GPS扩展或者类似定位设备，其中从这些设备可以很容易地获得速度信息。在轨道旁处的固定收发器能够通过信令从经过的列车接收实时速度信息，或者其能够利用嵌入的速度雷达、轨道下放置的传感器、或者其自身的类似的测量布置。

图8b示出了利用速度信息来选择分组大小的示例性情况。在传输状态811期间，获得速度信息。如果根据步骤812，速度增加得多于第一限制或者阈值，则根据步骤813，使得分组大小变得更小。如果根据步骤814，速度下降得多于第二限制或者阈值，则根据步骤815，使得分组大小变得更大。因为速度信息对于移动路由器和ONU/AP两者都可容易地获得，所以类似控制算法可以应用于这两者中。可以以非常类似方式实施动态频率校正。

频率校正和分组大小选择两者都实现在移动补偿单元中，它们的示例已经在图4中用409以及图7中用711和712示出。这种控制程序的物理实现通常包括控制处理器，所述控制处理器具有输入连接和输出连接，所述输入连接用以接收需要的传输质量和/或速度信息，以及所述输出连接到达可调传输频率发生器和/或构造分组并因此决定它们的大小的基带信号处理块。使用铁路应用中的这种控制布置的又一可能方式是依赖于经过的列车的速度中的显著规律性。针对每个轨道旁ONU/AP，存在列车将经过的默认速度。甚至能够基于测量或从铁路交通控制中心接收的信息对这种默认速度有规律地进行更新。每个ONU/AP能够应用分别选定的默认值用于已经开始利用的频率校正和/或分组大小，其中默认值已经选择为与经过的列车的默认速度匹配。在列车内，移动路由器可以假定列车的速度将总是遵循特定时刻表，并且根据自列车开始移动所经过的时间而选择默认值用于频率校正和/或分组大小，而无需实时具有速度的实际知识。

应该考虑ONU/AP与OLT之间的连接。正如这些设备的名称所表明的，并且如图7已经示出的，最有利地，这种连接通过光纤进行。在铁路应用中，尤其存在选择光纤作为传输介质的良好理由。首先，光纤实践上对来自电动机车所涉及的高电压和电流的电干扰是不敏感的。其次，根据图9，对于铁路轨道运营商而言，已经变得习惯于沿着铁路轨道侧拉拽高容量光缆901。这些光缆原计划用作城市之间的长距离主干路线。因为在铁路轨道建造和改造期间铺放光缆相对容易，所以光缆通常具有明显超量的尺寸，并且这样它们传输容量的一个较大部分没有被使用。根据本发明的实施方式，这种长距离光缆的整个容量的一个小部分可以被使用在“分布的域”内，即，小的ONU/AP，相比于大任务交换中的建造和用意，该小的ONU/AP彼此更靠近地位于铁道旁，其中主干线原始地在大任务交换中心之间路由。所述小部分用图9中的线706表示，对应于图7中的参考指示符的类似使用。从连续光缆分离一个光纤706或者数目很少的光纤706并且建立至其的支路连接(参见图7中的光耦合器705)从而耦合通信设备到所述光纤或者所述数目很少的光纤是已知技术，所以不需要在此进行描述。

图10示意性地示出了OLT 305的某些部分。其通过光耦合器1001和光网络接口1002耦合到一个光纤(或者数目很少的光纤)706。OLT 305可以包括安全性模块1003，其负责安全方面，诸如用户认证和加密程序。如果对移动车辆中的WLAN连接进行收费并且并不是所有的计费功能性都存在于移动路由器中和/或网络中其他处，则它们中的一些可以以计费实体1004的形式驻留在OLT 305中。如果OLT305用作针对与移动路由器进行通信的终端的内容服务器，则可以存在内容提供单元，其在此表示为远程内容实体1005，因为其位于距离终端用户的终端相对远的位置。为了支持终端用户的终端的移动性管理，可以存在平台移动性监控实体1006，其任务是针对诸如铁路客车的车辆平台的位置和速度而保持更新OLT 305。

OLT 305的主要任务之一是用作路由器，为此存在路由实体1007，其具有移动性管理部分1008，用于负责与系统中终端用户的终端的逻辑位置相关的功能性。网络接口1009用作用于连接OLT 305到分组交换数据网络的装置。根据图11a、11b以及11c的网络拓扑示例，该连接的性质可以变化。

图11a示出了示例性网络拓扑，其中每个OLT 305管理一组ONU/AP 304，使得属于一个组的ONU/AP 304和管理它们的OLT 305一起构成子网络1102。从子网络1102到外部分组交换数据网络的连接(诸如因特网或者某专用数据网络)直接来自OLT 305。属于子网络1102的每个设备具有到光纤706的连接。在图11a中，这些连接分别经过光耦合器705和1001。连续子网络通过桥接ONU 1101而链路在一起，其在此示出为具有到每个子网络的单独的连接。桥接ONU1101的任务是终止每个子网络，即在提供用于代表子网络之间的通信的分组自由通过的同时，不允许通过应该仅发布在一个子网络中的分组。尽管桥接ONU 1101示于图11a中作为不同于ONU/AP 304的设备，但是优选地，可以使得子网络的最后ONU/AP 304具有桥接能力。

应该考虑每组中的ONU/AP数目。作为第一假定，一个OLT能够处理大约16至32个ONU/AP。另一方面，这种第一假定仅是建立办公室类型网络的模拟，在办公室类型网络中，非常可能的是每个ONU/AP同时与终端用户的终端有效地进行通信。再次考虑铁路示例，应该注意到在铁路轨道上列车将不会彼此紧密相随，而是为了安全起见将总是在其间存在空的间隔。作为示例，假定每个列车长为200米(这样适合单个小区)并且在连续的列车之间存在至少2千米的安全间隔，每次仅大约十分之一个ONU/AP能够具有有效通信。即使ONU/AP应该服务于在相反方向中行驶的列车，平均仅五分之一的ONU/AP在任何单个时刻将具有有效连接。因此，可以假定运行在单个OLT管理下的每组ONU/AP的数目可以比任何模拟的办公室应用中的数目高得多。另一方面，在测定网络尺寸方面还必须注意ONU/AP所经历的业务量的波动将较大：大部分时间，ONU/AP可能根本不具有有效链接，而不时地其必须服务于运行在相反方向并且在单个小区内经过彼此的两辆整列列车中所有有效的终端用户的终端。

图11b示出了另一网络拓扑，除了到外部分组交换数据网络的连接以外，其类似于图11a中所示的示例。这些不是来自OLT 305而是来自交换机306，交换机306自己具有到构成一个子网络的骨干的光纤的连接1112。图11c示出了又一可替换网络拓扑，其中子网络不通过任何桥接ONU链接在一起；替代地，存在从每个OLT 305到交换机306的连接1122，从交换机306可以连接到外部分组交换数据网络。

图11a至图11c的网络拓扑在移动性管理方面相互不同。在图11b和图11c的实施方式中，整个“列车WLAN”基本上在单个交换机后(尽管其可以明智地提供一些保留的连接可能性，从而添加冗余并且减少关键的单个点失效的风险)。这意味着一旦移动终端用户的终端变得与“列车WLAN”相关联，则其从一个小区到另一个小区以及甚至从一个子网络到另一个子网络的移动仍然完全从任何外部网元隐藏，并且与任何外部网元无关，其中所述网元分别越过交换机1111或者1121。所有移动性管理功能限制在“列车WLAN”的内部：交换机必须意识到终端用户的终端目前正处在哪个子网络中；该子网络的OLT必须知道在其中应该通过空中传输目的地是特定终端用户的终端的分组的一个或者多个小区；并且自然地移动路由器必须知道其正在与哪个终端用户的终端进行通信。必须可以将终端用户的终端从一个铁路客车带到另一个铁路客车并且仍具有网络连接操作，这表明了对移动路由器之间切换机制的需要。

另一方面，如果“列车WLAN”包括多个如图11a中的单独的子网络，则每次移动路由器从一个子网络移动到另一个子网络时，都需要越过OLT 305的一些路由实体的路由表中的改变。如果存在沿着单个路程可用的不同网络运营商的“列车WLAN”，并且允许在空中从这些运营商中之一改变到另一个，则甚至图11b和图11c的配置会出现类型情况。至少在“列车WLAN”系统的大规模部署已经实现后，和/或在其中大量铁路运营商均拥有他们各自的铁路部分并且将WLAN权拍卖给互相竞争的电信运营商的国家中，最可能出现这种情况。

可以安全地假设：甚至在上述情况中，即使终端用户的终端连续地在列车中移动，如果不是操作数个小时，单个子网络广阔得足以允许数十分钟。存在已知WLAN技术，用于管理在慢时标中的移动网络节点的移动性。

然而，已知的WLAN机制太慢而不能用于按照ONU/AP或者小区的精确性来管理终端用户的终端和移动路由器的移动性。假定ONU/AP之间的距离是大约一千米-或者在曲线或者困难的轨道部分甚至更小-并且列车以大约250km/h的速度行进，小区变化之间的时间间隔很容易比15秒小得多。所有小区变化的可预测属性有助于保持所有链路层协商最小化，因为常规ad-hoc类型WLAN中必须协商的许多因素现在提前知道并且可以被预配置。根据本发明的“列车WLAN”内部的移动性管理在下文示例中示出。

图12示出了当操作根据本发明的实施方式的网络布置时的示例性事件链。为了合适地将讨论与容易理解的实践示例相结合，可以再次假定所讨论的可预测移动车辆是铁路客车。当客车处于车站时，操作开始。在步骤1201处，客车中的移动路由器建立与第一ONU/AP的无线连接。当该连接是可操作的时，在步骤1202处，移动路由器使用该连接以联系第一OLT，从而第一OLT变成意识到网络内的移动路由器的逻辑位置，并且在步骤1203处，设置到移动路由器的链接为“建立(up)”状态。

在步骤1204处，终端用户的终端建立与移动路由器的本地无线连接并且执行相关联的接入控制例程。假定终端用户能被适当地认证并且针对待建立的连接来说一切都就绪，在步骤1205处移动路由器更新其自己的路由表，设置到终端用户的终端的链接为“建立”状态。在步骤1206处，终端用户的终端发送消息到第一OLT，第一OLT现在变得意识到通过移动路由器管理的逻辑域内的终端用户的终端的存在。在可替换实施方式中，该消息可以从移动路由器到第一OLT。在步骤1207处，第一OLT相应地更新自己的路由表。此后，在步骤1208处，终端用户的终端能够开始与外部网络进行通信，使得连接经过移动路由器、第一ONU/AP以及OLT。终端用户的终端通过其变得与列车WLAN相关联的步骤通常还包括深入到通用分组交换数据网络中的其他信令，以便适当地建立去往和来自终端用户的终端的所有业务的路由。然而，这种信令和重路由程序能够根据诸如移动IP(移动因特网协议)的任何通用协议来执行并且不需要在此进行详细讨论。

列车开始移动，朝向第二ONU/AP的小区拉拽铁路客车。从OLT，目的地为移动路由器和其后的终端用户的终端的所有下行链路分组被发布到该特定子网络中的所有ONU/AP。然而，不是每个ONU/AP均通过空中无线地传输它们，因为OLT使这些分组配置有ONU/AP识别的MAC(媒体接入控制)地址。ONU/AP将仅传输那些从OLT接收的具有与ONU/AP的MAC地址相匹配的MAC地址的那些下行链路分组。

在步骤1209和1210，或者至少在这些步骤中之一，第二ONU/AP或者移动路由器或者这两者变得意识到建立连接的可能性。在步骤1211处建立新连接。在移动路由器已经将新连接认定为比到第一ONU/AP的连接更好的一个连接后，在步骤1212处，移动路由器更新其路由表使得所有连接经过第二ONU/AP。之后在步骤1213处，消息从移动路由器到OLT，从而在步骤1214处，还使得在OLT处的路由改变。根据步骤1215，此刻，终端用户的终端与外部网络之间的所有通信都经过移动路由器、第二ONU/AP以及第一OLT。

如果提供用于OLT知道或者至少近似推出正在移动的路由器的步调的装置，则可以利用以下事实，即OLT将确保知道哪个是下一个将与移动路由器进行联系的ONU/AP。OLT可以预先改变放置在下行链路分组上的MAC地址，还使得下一个ONU/AP将接收并且缓冲分组，即使其不具有官方建立的与移动路由器的连接。如果，在OLT处关于移动路由器的移动的信令信息可用，则其可以用于计时改变MAC地址的时刻。即使没有信令信息可用，也可以提出简单实施方式，其中OLT将总是告诉已知的当前ONU/AP和移动方向上紧挨着的相邻ONU/AP两者接收所有下行链路分组。

随着列车进一步移动，移动路由器开始接近下一个ONU/AP属于不同OLT的域的限制。在图12中，在步骤1216或者步骤1217或者这两者处，启动移动路由器和第三ONU/AP之间的连接建立。为了实现平滑的OLT间切换，重要的是旧OLT变得意识到迫切需要尽可能早地执行所述切换。在图12中，在步骤1218处，移动路由器发送信令信息以通知旧OLT。同时在步骤1219处，移动路由器开始建立与第三ONU/AP的连接。稍后将更详细地讨论在步骤1220处到旧OLT的信令消息如何引起旧OLT更新路由表。在到第三ONU/AP的连接可操作后，在步骤1221处，移动路由器利用该连接向新OLT通告其自身。在步骤1222处，所述新OLT设置到移动路由器的链路为“建立”状态。在步骤1223处，移动路由器在其自身路由表中将新OLT改变为默认OLT。

最有利地，在步骤1220处的旧OLT的路由表中的改变使得旧OLT将开始隧道传输(tunnelling)下行链路分组到下一个ONU/AP(在此示例中为第三ONU/AP)，尽管事实上下一个ONU/AP实际上属于由不同OLT所管理的子网络。对于本发明而言，哪种逻辑或者物理连接用于这种子网络间的隧道传输是不重要的。跨过子网络边界隧道传输下行链路分组有助于在OLT间切换期间避免数据延迟和丢失。此刻，可能发生以下情形，其中根据步骤1224，下行链路分组来自旧OLT，即使它们通过第三ONU/AP，而根据步骤1225，上行链路分组经过第三ONU/AP并且进一步通过新OLT。

最后移动路由器和旧子网络的所有部分之间的连接都逐渐停止(die out)，其在图12中的步骤1226示出。根据步骤1227，在旧OLT中，这引起到移动路由器的该链路被设置为“停止(down)”状态。优选地，已经提供下行链路分组到旧OLT的路由器或者交换机具有预先配置的到相邻的新OLT的可选路由，所以在步骤1227中设置链路为“停止”使得这种可选路由变为默认路由。此时，根据步骤1228，终端用户的终端与外部网络之间的所有通信都经过移动路由器、第三ONU/AP以及新OLT。

步骤1229-1234重复上述关于“OLT内切换”或者移动路由器从一个ONU/AP的小区移动到另一个ONU/AP的小区的程序，其中两个ONU/AP都属于同一子网络。步骤1229-1234仅分别是步骤1209-1214的重复。在步骤1235处，终端用户的终端与外部网络之间的所有通信都经过移动路由器、第四ONU/AP以及新OLT。

接下来描述通过前述网络发布到可预测移动车辆中的内容的某些可能使用。图13示出了现有技术列车娱乐系统，其中视频播放器1301和汽车FM无线电接收器1302作为内容源。视频播放器1301是本地内容源的示例，而FM接收器1302实际上构成用于远程接收在其他地方(在无线电台)产生的内容的装置。来自本地和远程内容源的内容的发布通过呈现装置发生，诸如视频显示屏1304和耳机1305。这种现有技术布置的缺点是显然的：本地内容源1301仅能够提供一些先前列车运营商布置于此的内容，诸如来自先前购买的录像带的电影。FM无线电接收器1302的带宽仅支持接入非常有限量的远程生成的内容，诸如常规FM无线电节目。

图14示出了如何可以通过采用移动路由器302作为内容源来大大增强车辆的娱乐系统。在此，假定移动路由器302和娱乐服务器1303是不同的设备，尽管这些功能性还能够在单个计算机中实施。移动路由器302可以作为分组交换数据网络的网络节点和路由器，如上文所述。另一方面，由于涉及较大传输容量，其还可以作为针对DVB-T(陆地数字视频广播)和/或MPEG(活动图像专家组)传输的接收器。如果利用大规模存储设备1401来扩增，则移动路由器302能够存储多个在线进入其的数字广播流，并且对多个终端用户提供以他们所期望的步调查看所存储的内容的可能性。

可以假定视频显示屏1304是个人视频显示屏，使得每个终端用户可以做出其自己的关于将要查看的内容的选择。作为图14的系统的一部分，存在方便地位于每个座位附近的小型控制面板1402，存在从该控制面板到娱乐服务器并且可选地到移动路由器的上行控制信道连接。图15示出了使用控制面板的示例性序列。在最上面的步骤中，控制面板中的显示器1501仅包含两个选项。终端用户按压顶部左侧按钮1502，如阴影所示，根据中间步骤，这引起题目出现。现在按压顶部右侧按钮1503，使得终端用户查看最新的足球比赛，其中移动路由器已经例如以DVB-T形式接收了该比赛并且将其存储在本地存储器设备中。终端用户能够使用控制按钮开始进行播放、倒回、前进以及暂停，这些操作全部涉及移动路由器从存储器设备读取所存储的内容以及将其转发到终端用户的个人视频显示屏的方式。

作为通过车辆的内置呈现系统1304和1305发布接收的(以及存储的)内容的可替换方案，移动路由器302还可以将其通过本地WLAN连接转发到终端用户的自身终端301。

图14的系统实现许多种自动化功能性。例如，移动路由器302和娱乐服务器1303的组合能够被编程为根据时间、检测的位置或者任何其他类似触发输入而开始、结束和改变娱乐和其他内容的提供。最有利地是，该系统还具有来自车辆的内置通告系统的输入连接，使得例如铁路保卫部门能够使用该系统来发布通告。容易提供以下可编程的选择，例如正在进行的内容发布是否应该在个人进行通告的时间段暂停，或者是否允许内容发布在背景中继续。

尽管已经利用上述示例描述了本发明，但是到此为止的描述不应构成对任何明显可替换实施方式的排除。例如，尽管描述几乎专门围绕铁路应用来论述，但是本发明类似地可应用于道路交通。尤其是在最中心的城区外部，甚至单个驾驶员的车辆沿着相对很好预测的线路进行：驾驶员倾向于通过沿着最重要的主干道路行进而覆盖长距离，并且在各主要交叉路口中，仅存在非常有限数量的可能采用的新路以及从而可能进入的新小区。在交叉路口之间，汽车的运行非常类似于沿着铁路轨道的运行。当汽车接近主要交叉路口时，网络可以选择沿着每个可能的新道路的第一小区作为一组预测的下一个小区。公共汽车将沿着甚至比私用汽车更准确的预测线路行进，在这种情况中，应用本发明遵循非常类似于铁路应用中的程序。

可以认为基于道路的WALN是延伸的“热点”从而覆盖一个或者多个主要道路的整个长度。只要汽车或者公共汽车停留在那些主要道路上，从逻辑位置角度来看，在其内的终端用户的终端是“在道路WLAN内”，以及移动性管理仅需要以与铁路示例中基本相同的方式在封闭式的基于道路的WLAN网络中预先形成。如果汽车或者公共汽车采用辅路(或者如果终端用户离开列车并且离开覆盖该站的ONU/AP的小区)，则终端用户的终端离开基于道路的WLAN网络，而仍然能够与例如通用蜂窝网络进行通信，其中其通常具有较少的可用带宽。这样，在逻辑位置意义上，基于道路的WLAN或者铁路WLAN构成“岛屿”，终端用户的终端停留在该“岛屿”中，只要它能够与任何合适的ONU/AP进行通信。

另一显然的总结涉及使用来自长距离光缆的一个光纤或者数目很少光纤并且用于连接ONU/AP到OLT。尽管将其视为用在数量巨大的铁路旁ONU/AP中的最有利的选择，但是不能期望每个ONU/AP将仅具有这种连接。例如，在较大铁路站，覆盖要求可能需要布置专用ONU/AP，使得他们的小区包括例如铁路场地或者候车室。如果OLT还出现在该站处，则可能有利地是，从OLT拉拽单独光纤到孤立的ONU/AP，代替试图强制将ONU/AP放置在靠近长距离光纤所处位置的某位置处。

Claims (24)

1.一种通信系统，包括：

中央设备，配置为位于可预测移动车辆内，并且适应于用作所述车辆上的无线网络的中心；

多个固定收发器，每个所述固定收发器配置为具有构成小区的地理覆盖区域；以及

连接布置，配置为将所述固定收发器连接到外部分组交换数据网络；

其中所述中央设备适应于与所述中央设备驻留在其小区中的固定收发器进行通信，

并且其中所述中央设备是配备有路由能力的移动路由器，

并且其中所述连接布置包括固定中央设备和多个固定收发器之间的光连接，所述光连接经过一个光纤或者数目很少的光纤，所述光纤来自沿着所述车辆的预测移动路线延展的长距离光缆，

并且其中所述固定中央设备配备有路由能力，

并且其中所述固定中央设备与所述移动路由器一起适应于实现所述分组交换数据网络与运行在所述车辆上的所述无线网络中的终端用户的终端之间的数据分组的路由。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述长距离光纤是沿着铁路轨道延展并且具有特定容量的光缆，以及所述车辆内的所述中央设备是安装在铁路客车中的移动路由器。

3.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，

沿着所述铁路轨道的露天部分的多个固定收发器具有定向天线，所述定向天线指向平行于所述铁路轨道的方向，使得所述铁路轨道的地理路径被连续延长的小区所覆盖，以及

所述移动路由器装备有具有定向天线的收发器，所述定向天线指向平行于铁路轨道的方向，所述铁路客车适应于沿着所述铁路轨道移动。

4.根据权利要求3所述的通信系统，其特征在于，在平行于所述铁路轨道的直线部分的方向上的小区的尺寸是一千米量级。

5.根据权利要求3或者4所述的通信系统，其特征在于，它包括：

速度确定装置，适应于确定铁路客车相对于固定收发器的速度，所述铁路客车包括所述移动路由器，以及

用于基于从所述速度确定装置接收的速度指示来对在所述移动路由器的所述收发器与所述固定收发器之间的无线电连接执行校正措施的装置，所述校正措施包括频率的多普勒频移校正和分组大小的动态确定中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述速度确定装置包括耦合到所述移动路由器的定位系统接收器。

7.根据权利要求5或者6所述的通信系统，其特征在于，所述速度确定装置包括从列车测速仪到所述移动路由器的连接。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的通信系统，其特征在于，

所述连接布置包括多个固定中央设备，使得固定中央设备和连接到该固定中央设备的多个固定收发器一起构成子网络，所述子网络的所述固定收发器沿着所述车辆的预测移动线路彼此相邻设置，以及

存在从每个固定中央设备到外部分组交换数据网络的连接。

9.根据权利要求8所述的通信系统，其特征在于，固定中央设备适应于根据所述车辆的可预测移动，递送下行链路数据分组到已知与移动路由器有效地进行通信的固定收发器和所述固定收发器中最具有可能变为与所述移动路由器进行通信的下一个固定收发器的固定收发器。

10.根据权利要求9所述的通信系统，其特征在于，固定中央设备适应于根据需要在子网络边界上隧道传输下行链路数据分组到一个固定收发器，该固定收发器属于与所述固定中央设备不同的子网络，但是沿着所述车辆的预测移动线路，相邻于属于与所述固定中央设备相同的子网络的固定收发器而设置。

11.根据权利要求8、9或者10所述的通信系统，其特征在于，连接到固定中央设备的固定收发器的数目是故意超尺寸的，并且这样该数目大于子网络能够同时维持的与移动路由器有效地进行通信的固定收发器的数目。

12.根据权利要求8-11中任意一项所述的通信系统，其特征在于，每个子网络通过所述子网络的所述固定中央设备直接耦合到外部分组数据网络。

13.根据权利要求8-11中任意一项所述的通信系统，其特征在于，每个子网络通过所述子网络的所述固定中央设备耦合到交换机，并且所述交换机耦合到外部分组数据网络。

14.根据权利要求13所述的通信系统，其特征在于，交换机和所述子网络的固定中央设备之间的连接经过与所述固定中央设备和所述固定收发器之间的连接相同的物理连接介质，所述固定收发器与所述固定中央设备属于同一子网络，使得交换机和所述子网络的所述固定中央设备之间的连接仅仅逻辑上与所述固定中央设备和与所述固定中央设备属于同一子网络的所述固定收发器之间的连接相分离。

15.根据权利要求13所述的通信系统，其特征在于，交换机和所述子网络的所述固定中央设备之间的连接经过与所述固定中央设备和与所述固定中央设备属于同一子网络的所述固定收发器之间的连接不同的物理连接介质。

16.一种电子内容发布系统，该系统包括：

中央设备，配置为安装在车辆上，

接收器，配置为耦合到所述中央设备，并且适应于从所述车辆外部无线地接收远程产生的内容，

所述中央设备内的路由装置，所述路由装置适应于使所述中央设备成为所述车辆上的无线网络的路由器，以及

配置为将所述中央设备连接到所述车辆内部的视听发布装置的连接；

其中所述中央设备适应于递送接收的远程产生的内容到运行在所述车辆上的所述无线网络中的无线终端用户的设备和所述车辆内部的所述视听发布装置。

17.根据权利要求16所述的电子内容发布系统，其特征在于，所述系统包括：

移动路由器，其构成配置为安装在所述车辆上的中央设备，以及

娱乐服务器，耦合到所述移动路由器；

其中配置为将所述中央设备连接到视频发布装置的所述连接被配置为经过所述娱乐服务器。

18.根据权利要求16所述的电子内容发布系统，其特征在于，所述系统包括在所述中央设备内的移动路由器功能性以及集成地耦合到所述移动路由器功能性的娱乐服务器功能性，所述移动路由器功能性适应于使所述中央设备成为所述车辆上的无线网络的路由器；

其中配置为将所述中央设备连接到视频发布装置的所述连接被配置为经过所述娱乐服务器功能性。

19.根据权利要求17或者18所述的电子内容发布系统，其特征在于，所述视听发布装置包括配置为位于所述车辆内的乘客座位附近的多个控制面板，并且所述电子内容发布系统进一步包括用于建立从每个控制面板到所述娱乐服务器或者娱乐服务器功能性的上行链路控制信道的装置。

20.根据权利要求19所述的电子内容发布系统，其特征在于，所述系统包括耦合到所述中央设备的本地存储器设备，用于暂时地存储接收的远程产生的内容，并且所述中央设备适应于在至少一个所述控制面板的控制下回放来自所述本地存储器设备的内容。

21.一种用于建立和维护与可预测移动车辆上的终端用户的终端的无线通信连接的方法，该方法包括：

在所述车辆上的中央设备周围建立无线网络，

建立中央设备与多个固定收发器之一之间的通信连接，每个所述固定收发器具有构成一个小区的地理覆盖区域，

通过所述固定收发器在所述车辆上的所述中央设备与外部分组交换数据网络之间传送数据分组，

利用多个固定收发器与固定中央设备之间的光连接来传送数据分组，该光连接经过一个光纤或者数目很少的光纤，所述光纤来自沿着所述车辆的预测移动路线延展的长距离光缆，以及

在所述固定中央设备和所述车辆上的中央设备的移动路由器功能性处维持路由表，以便在所述分组交换数据网络与运行在所述车辆上的所述无线网络中的终端用户的终端之间路由数据分组。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，该方法包括：

确定所述车辆上的中央设备相对于固定收发器移动的速度，以及

基于如此确定的速度来对所述车辆上的中央设备的收发器与所述固定收发器之间的无线电连接执行校正措施，所述校正措施包括频率的多普勒频移校正和分组大小的动态确定中的至少一个。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，针对实现所述车辆上的所述中央设备与所述外部分组交换数据网络之间的连续连接，该方法包括：

将下行链路分组导向与所述车辆上的所述中央设备正在进行通信的固定收发器，并且附加地导向另一固定收发器，所述另一固定收发器是所述车辆上的所述中央设备最有可能下一次与之进行通信的那个固定收发器。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在以下情况中，其中：

多个固定收发器属于一个子网络，

沿着所述车辆的预测移动线路存在多个连续的子网络，以及

所述车辆上的所述中央设备可预测地从第一子网络的固定收发器的小区移动到属于第二子网络的相邻固定收发器的小区；

所述方法包括：将目的地为所述车辆上的所述中央设备的下行链路分组从所述第一子网络隧道传输到所述第二子网络，用于进一步从属于所述第二子网络的所述固定收发器传输到所述车辆上的所述中央设备。

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