CN101444008A - 无线网络系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有极其简单结构的无线通信装置，并且提供了一种低成本、低功耗并具有高质量信号的无线网络系统。所述无线网络系统包括多个无线通信装置(101)，每个无线通信装置包括放射型振荡器(1)，被配置成将晶体管集成在微波振荡谐振器中以产生负阻并且共用天线(11)的功能；中频信号生成部分(4)；以及接收信号检测部分(7)。在所述无线网络系统中，在面对的位置设置所述无线通信装置，至少一个所述无线通信装置具有这样的中频信号生成部分，该中频信号生成部分具有的频带信号生成功能与其它的频带信号生成功能不同，所述接收信号检测部分具有区分和接收与其它不同的频带的功能，从一个无线通信装置发送的信号被发送至另一个面对的无线通信装置，并且所述另一个面对的无线通信装置通过所述接收信号检测部分接收并提取所述信号。

Description

无线网络系统
技术领域
本发明涉及一种以高质量中继和传输各种信号的无线网络系统。
背景技术
作为用来高质量传输视频信息等宽带数字信号的无线通信系统，开发了一种使用微波或毫米波的无线LAN或者无线视频传输系统。此外，从中小规模工厂或大规模生产设备的监控、用于设备的防犯监测、用于无人区的灾难预防监测等立场来看，需要检测使用无线系统的传感器网络配置。
在常规无线通信装置中，传输方一侧根据各种条件以几十兆赫至几百兆赫的中间频率进行调制处理等，以几GHz波带中的中间频率进行信号处理，并且将该信号与来自本地振荡器的信号合成，以将所得到的信号的频率变换(上变换)为诸如60GHz波带的传输频率，并通过电源线从天线发射该信号。接收侧放大来自接收天线的无线频率信号，将放大的信号与来自本地振荡器的信号合成，以将所得到的信号的频率变换(下变换)为中频带，并且然后进行信道提取和信号解调。在该配置中，一个技术难题随着频率增加出现了，并且引起诸多问题，比如，需要高稳定性和足够大输出的本地振荡器的效率降低，以及无线装置的效率降低，例如，频率变换器损坏。此外，成本的增加阻碍了大量无线网络的实际应用和普及。
与此相反，为实现低成本，提出了尝试将天线和无线频率电路部分集成在有源天线中，以及将放大器元件和电磁波放射结构相互集成在放射型振荡器中的构造。放射型振荡器的结构非常简单，且预期能作为低成本无线网络的组成部分应用。
作为无线网络的配置，已知的有已得到实际应用的蓝牙(Bluetooth)和一系列被称为Wi-Fi的IEEE802.11无线标准。另一方面，尽管速度比以上配置的速度慢数百倍，但是预计能够以低成本配置低功耗网络的ZigBee正日益普及。
ZigBee是一种对应于IEEE802.15.4标准的技术并且作为短程低速无线链路而具有吸引力。但是，和蓝牙或Wi-Fi一样，在频率使用方面，近年来ZigBee是非常繁忙的2.4GHz波带无线系统。
而且，另一方面，当通过60GHz波带的毫米波以高频率进行宽带数字信息传输时，如果频率变换器的本地振荡器的相位噪声和频率稳定性不够，则频率偏移和相位噪声会导致不能以高质量传输宽带数字信号。为了解决上述问题，公开了自差(self-heterodyne)无线通信装置技术以及基于该技术的无线系统配置技术。
例如，日本专利申请特开No.2005-348332(下文中称为专利文献1)和日本专利申请特开No.2003-198259(下文中称为专利文献2)中公开的自差方案，尽管发射器中使用的本地振荡器并不昂贵并且具有不稳定频率，但由本地振荡器产生的频率偏移或相位噪声在信号检测中被完全消除，并且已经确认，优选将信号发送到严格要求相位噪声和频率稳定性的毫米波波带无线LAN或无线视频传输系统。
此外，在日本专利申请特开No.2003-244016(下文中称为专利文献3)中，当构造包括对其它系统的中继应用的无线通信网络系统时所需频率的重变换，即，变换到无线传输频率，通过向中间频率的变换处理被再次执行。但是此时，当频率变换器的本地振荡器的相位噪声或频率稳定性性能不足时，为了解决由频率偏移和相位噪声造成的宽带数字信号的质量恶化问题，公开了一种构造无线地提供高稳定性基准信号的系统的技术。
日本专利No.3146260(下文中称为专利文献4)，日本专利No.3355337(下文中称为专利文献5)，以及非专利文献1“R.A.Flynt，J.A.Navarro and K.Chang，′Low Cost and Compact ActiveIntegrated Antenna Transceiver for System Application′，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.44，pp.1642-1649，1996”公开了使用晶体管作为负阻放大器的平面型谐振器结构构成的放射型振荡器的实例。非专利文献1公开了一种双向通信装置的构造，其中设置放射型振荡器使得相向的传输/接收信号为正交偏振波，且该双向通信装置通过用于频率变换的混频二极管而作为接收装置工作。
非专利文献2“C.M.Montiel，L.Fan and K.Chang，′ASelf-Mixing Active Antenna for Communication and VehicleIdentification Applications′，1996 IEEE MTT-S Digest，TU4C pp.333-336，1996”公开了一种技术，在该技术中，将耿氏二极管(gunndiode)用作振荡元件，高频电压迭加于该耿氏二极管的偏压上以产生频率调制，将已调制频率辐照在与该耿氏二极管具有相同构造的耿氏二极管振荡器上以产生注入同步现象，同时，频率调制分量被传输至其它放射型振荡器，而且，尽管耿氏二极管本身的混频操作不能同时进行双向传输和接收，但是能够传送高频信号分量。
如上所述，开发了一种传感器网络，避免了大量未解决问题，诸如干涉现存繁忙无线系统的问题、无线装置高密度设置的干涉和共存问题，并且该传感器网络覆盖广泛区域中大量观测点；一种新型无线装置技术，用来实现简单无线通信网络；以及使用该无线装置技术的无线网络配置技术。
但是，在传统的无线装置技术和传统的无线网络配置技术中，配置复杂从而增加成本，且存在功耗或信号质量问题。该问题严重阻碍了无线网络的实际应用和普及。
本发明是为解决上述问题而作出的，且其目的在于提供一种微波波带到毫米波波带的无线网络系统，该系统使用很简单的配置用作基础无线通信装置的配置，并适用于具有高信号质量的低成本、低功耗无线网络系统配置。
发明内容
以下是发明内容。
(1)一种相互中继和发送各种信号的无线网络系统，其包括
多个无线通信装置，每个无线通信装置包括：放射型振荡器，被配置成将晶体管集成在微波振荡谐振器中以产生负阻并且共用向空间发射电磁波的天线的功能；中频信号生成部分，向所述放射型振荡器输出中频信号；以及接收信号检测部分，接收所发送的信号，其中所述无线通信装置面对相互产生吸合现象的位置而设置，至少一个所述无线通信装置具有这样的中频信号生成部分，该中频信号生成部分具有不同于其它的频带信号生成功能，所述接收信号检测部分具有区分和接收与其它不同的频带的功能，从一个无线通信装置发送的信号被发送至另一个面对的无线通信装置，并且所述另一个面对的无线通信装置通过所述接收信号检测部分接收并提取所述信号。
(2)在(1)描述的无线网络系统中，每个所述无线通信装置具有一个定向波束或多个定向波束。
(3)在(1)或(2)描述的无线网络系统中，所述无线通信装置的每个所述中频信号生成部分和每个所述接收信号检测部分共用彼此相同的频带。
(4)在(1)至(3)任一个描述的无线网络系统中，所述无线通信装置的至少一个所述放射型振荡器被施加频率稳定功能。
(5)在(1)至(4)任一个描述的无线网络系统中，所述无线通信装置的每个所述中频信号生成部分具有迭加唯一地址信号的功能且被配置为可以区分信号从哪个无线通信装置产生。
(6)在(1)至(5)任一个描述的无线网络系统中，所述无线通信装置的每个所述中频信号生成部分具有连接来自各种传感器或其它传感器网络的信号的功能以传递所获取的信号数据。
(7)在(1)至(6)任一个描述的无线网络系统中，所述无线网络系统连接至其它有线或无线通信网络以被整体控制和管理。
根据本发明，每个无线通信装置中设置的放射型振荡器在工作状态种为彼此同步。当从其中一个放射型振荡器的中频信号生成部分输入信号时，在该放射型振荡器中对所述信号进行频率变换(上变换)，并且在无线传输频带中作为侧波发送所述信号，且无线网络可共用该信号。这时，在与中频信号相等的频带中，在具有接收信号检测部分的放射型振荡器中，对该信号进行频率变换(下变换)并接收该信号。由其它放射型振荡器发送的不同中间频率的信号被类似地进行频率变换(上变换)，作为与无线传输频带中的侧波具有不同频率的侧波而被发送，且由具有频带相应于新的中间频率的接收信号检测部分的放射型振荡器接收。在根据本发明的无线网络系统中，由于在频率变换中本地振荡频率被同步，所以可不受相位噪声或频率偏移的影响而保证很高质量的双向传输。在被配置成使得晶体管满足负阻振荡条件的平面放射型振荡器中，可预期比使用耿氏二极管所获得的效率高20至30倍的高效率，且能实现低功耗。出于此原因，可设置也能通过电池运行并被用作低成本组件的无线通信装置。由此，可预期实际应用该无线网络系统。
选择设置在无线通信装置中的放射型振荡器的配置和发射器结构以将输出波束成形为单向、双向和多束形状，且将波束相互组合以随意地形成通过设置放射型振荡器而获得的网络配置。由于此原因，在诸如大量的传感器网络、安全网络以及通信控制网络的复杂安装条件下，实际应用该网络配置以形成无线链路并可将其提供为应用于很多方面的技术。特别地，通过具有高度定向波束的模块形成毫米波波带无线网络避免了干扰其它无线系统的问题，适用于频率共存，并能有效利用频率资源。
此外，在放射型振荡器之间，其中中频信号生成部分和接收信号检测部分共用相同的频带，它们连接至构成无线网络系统的放射型振荡器，根据无线网络系统的功能性目标，可共用并有效使用来自任何一个放射型振荡器的信号。
另外，在可以将根据本发明的无线网络系统的频率稳定性保持在技术要求的条件内的配置中，即使特定的无线链路中断，也可确保所维持的频率稳定性。
每个放射型振荡器的地址被写为可以容易地识别信号信息来自根据本发明的无线网络系统的哪个地方。
根据本发明的无线网络系统相互连接或连接至其它类型的网络，使得预期大量功能是有效的。
可以实现这样的网络系统，其中根据本发明的多个无线网络配置被捆绑并且连接至线缆或其它无线通信网络，以由上层系统综合控制和管理。
附图说明
图1是示出根据本发明的无线网络系统的原理的框图。
图2是关于用作根据本发明的无线网络系统的组成元件并具有一个定向波束或多个定向波束的放射型振荡器的说明图。
图3是示出根据本发明的无线网络系统的配置实例的图。
图4是构成根据本发明的无线网络系统的无线通信装置的基本电路的具体实例。
图5示出了当在中频信号生成部分4中生成具有IF(中频)频率fIF＝500MHz的AM信号时获得的RF发射信号。
图6示出了当各自具有图4中所示电路的两个无线通信装置被制备成彼此面对，并且从图5中所示无线通信装置的其中之一发射的信号由另一个无线通信装置接收和下变换时所获得的接收IF信号。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。
图1是示出根据本发明的无线网络系统的原理的框图。本发明是相互中继和传输各种信号的无线网络系统，如图1(a)所示，该系统包括多个无线通信装置101，每个无线通信装置包括放射型振荡器1，被配置成将晶体管集成在微波振荡谐振器中以产生负电阻和共用天线11的功能，该天线11向空间发射电磁波；中频信号生成部分4，向放射型振荡器1输出中频信号；以及接收信号检测部分7，接收所发送的信号。在图1(a)中所示的无线网络系统中，无线通信装置101、102和103朝着相互产生吸合现象的位置而设置，无线通信装置101、102和103中的至少之一具有中频信号生成部分，该中频信号生成部分具有的频带信号生成功能与其它的频带信号生成功能不同，该接收信号检测部分能区分和接收与其它部件不同的频带，从一个无线通信装置101发送的信号被发送至其它面对的无线通信装置102和103，并且所述其它面对的无线通信装置102和103通过接收信号检测部分8和9接收并提取该信号。
在图1(a)的放射型振荡器1中，设置连接至还用作天线11的共振结构的晶体管，且该晶体管被配置成在由DC偏压电源10提供的DC偏压下产生负电阻。由DC偏压电源10提供的能量由放射型振荡器1转换为高频振荡能量并且从天线11发射至空间。图1(a)中所示的放射型振荡器2和3基本上与放射型振荡器1相同。但是，在图1(a)中省略了关于DC偏压电源10的描述。设置在无线通信装置101、102和103中的放射型振荡器1、2和3被设置为彼此面对。放射型振荡器通过振荡频率的吸合现象以共有频率f0振荡并且彼此相位同步。分别连接至放射型振荡器1、2和3的中频信号生成部分4、5和6的信号频带分别为f1、f2和f3。接收信号检测部分具有识别和接收不同频带的功能，并且由一个放射型振荡器发送的信号可被发送至另一个面对的放射型振荡器并由接收信号检测部分提取。图1(b)示出了当不存在来自中频信号生成部分的输入时所获得的频谱。此外，当存在来自分别连接至放射型振荡器1和放射型振荡器2的中频信号生成部分4和5的输入时，以及当不存在来自连接至放射型振荡器3的中频信号生成部分6的输入时，由无线网络共用的频谱如图1(c)所示。
在这种状态下，可区分、相互识别和接收来自放射型振荡器1和放射型振荡器2的信号频带。
图2是关于用作根据本发明的无线网络系统的组成元件并具有一个定向波束或多个定向波束的结构的说明图。图2(a)示出了具有单向发射模式的放射型振荡器12的结构。放射型振荡器12通过使用具有极其标准的平面型天线结构的天线121发射具有低方向性的广角发射模式W121的电磁波。放射型振荡器12可通过使用诸如透镜或喇叭形天线的附加装置发射具有更高方向性增益的发射模式DW121的电磁波。图2(b)是关于具有双向发射特性的放射性振荡器13的概念图。当使用常规槽型谐振器(天线131，131)等时，可容易地实现双向发射模式W131。当通过使用附加装置构造放射型振荡器12时，发射模式W131的方向性增益可增加和发射模式DW131一样。
图2(c)、2(d)和2(e)示出了发射多波束模式电磁波的放射型振荡器14、15和16的结构。图2(c)中的放射型振荡器14表示由放射型振荡器构成的无线装置，该放射型振荡器实现了发射在两个预定的方向上具有高方向性增益的发射模式DW141的电磁波的构造，这与在通过将附加结构与天线部分结合以确定发射模式以及对该天线部分进行改型，从而以预定角度在两个方向上附接天线141的无线装置一样。图2(d)表示了一种无线装置的情况，其中也用作放射型振荡器15的谐振器的天线的形状转换为与图2(c)中的天线不同或增设有不同附加结构以组成在具有三个方向上的波束的无线通信装置，并表示包括在预定的三个方向上具有方向性增益的发射模式DW151的无线装置，就像以预定角度在三个方向上附接天线151一样。类似地，当具有图2(c)中双向波束发射模式的放射型振荡器被用作两面放射型振荡装置时，可实现图2(e)中所示的具有四向波束发射特性的无线装置。在这种情况下，放射型振荡器16作为在四个预定方向上具有高方向性发射模式DW161的无线装置工作，并且放射型振荡器16在各个方向上发射电磁波并能与各个方向上的无线通信装置交互，从而使得可以形成无线链路。可通过使用由天线技术中所使用的槽型结构和补丁结构的多种设置产生的特性实现放射型振荡器14、15和16中的任何一个。
图2(a)至2(e)中的发射模式示出了来自放射型振荡器的电磁波的发射模式的概念，该放射型振荡器被用作根据本发明的无线网络系统的组成元件。在本发明中，可将普通多波束天线模式或广角发射模式与包含立体配置各种的电磁波发射模式配置技术相结合是理所当然的。
图3是示出根据本发明的无线网络系统的配置实例的图。组成图3中无线网络系统的无线通信装置120至160由图2(a)至2(e)中所示的放射型振荡器12至16构成。无线通信装置120至160的结构基本上与图1(a)中的无线通信装置101的结构相同。但是，为方便起见，在附图中省略了对中频信号生成部分、接收信号检测部分和DC偏压电源的描述。
为了将频率稳定性保持在技术标准所要求的条件以内，图3中的无线网络系统示出了当由频率稳定装置S执行频率稳定功能时所获得的配置实例。根据此配置实例，构成无线通信装置120至160的放射型振荡器12至16以共有频率f0进行振荡并且是相位同步的。在这种情况下，当其它无线通信装置具有相同的中频带时，上变换中频带f12至f16中的信号并由接收信号检测部分提取这些信号。该频率稳定方法要求通过频率稳定装置S使放射型振荡器12至16确保频率稳定性处于针对无线装置的允许范围内。该频率稳定装置S连接至构成无线网络系统的无线通信装置中的至少之一，以保持频率稳定性。与图3中的配置实例一样，由于为多个放射型振荡器设置频率稳定装置S，当无线网络系统由于突发事件等被部分中断时，例如，尽管无线通信装置120至150之间的网络被中断，也能保证构成无线网络的无线通信装置的高稳定性振荡频率f0。
注意，构成根据本发明的无线网络系统的无线通信装置效率高并可在几十mW或更低的低电源下运行。因此，使用通过微波或诸如太阳能电池的电源产生系统的电力传输装置、能量转换系统、或诸如小型电池(例如，锂电池或氢电池)的小型轻量化电源装置代替DC偏压电源以将10mW至20mW的少量电力供给到每个无线通信装置，从而使得可以连续操作根据本发明的无线网络系统。这有利于将无线装置安装在电力供应困难的地方。
由于在构成无线网络系统的放射型振荡器中描述了地址，因此可容易地区分信号信息来自哪个地方的根据本发明的无线网络系统。将根据本发明的无线网络系统相互连接，或将无线网络系统连接至其它类型的网络以预期各种功能发挥作用。
下面将描述构成根据本发明的无线网络系统的无线通信装置基本电路的具体实例，以及该基本电路的运行原理的实验结果。
图4是构成根据本发明的无线网络系统的无线通信装置基本电路的具体实例。导电片101a连接至晶体管1a的栅极，用于提供漏电压的导电片101b和RF抗流电路10a连接至漏极，并且IF抗流电路10b串联在RF抗流电路10a和DC偏压电源10之间。源极通过满足振荡条件的阻抗线101c接地。接收信号检测部分7和中频信号生成部分4通过双工器1b连接至RF抗流电路10a和IF抗流电路10b之间的连接点10c以相互区分发送IF信号和接收IF信号。
下面将描述无线通信装置的工作原理实验结果。
图5中示出了当在中频信号生成部分4中生成具有IF频率fIF＝500MHz的AM信号(正弦波，调制频率fm＝500KHz)时获得的RF发射信号。该RF发射信号实际上由频谱分析仪测量。在这种情况下，IF信号由放射型振荡器通过自身的混频被上变换并被转换为RF发射信号，其中该放射型振荡器的振荡频率设置为本地信号频率。由此，频率分量f0-fIF和f0+fIF被生成为该放射型振荡器的振荡频率f0。
晶体管1a的漏电压Vd由AM信号的振幅变化以fm＝50kHz的频率改变，由此产生RF振荡频率的变化量Δf＝4MHz。8.3505GHz的频率对应于正弦调制波的波峰，而8.3465GHz的频率对应于该正弦调制波的波谷。
当各自具有图4中所示电路的两个无线通信装置被制备成彼此面对，且图5中从其中一个无线通信装置发射出的信号由另一个无线通信装置接收并下变换时获得的接收IF信号如图6中所示。
如上所述，尽管在RF信号中出现由Δf＝4MHz给出的频率波动，但是通过振荡频率的吸合现象，这两个无线通信装置是彼此同步的。因此，在图6中所示的接收IF信号中，图5中所示的由Δf＝4MHz给出的频率波动和相位噪声被消除，原始AM信号(正弦波，调制频率fm：50kHz)被再现，并获得接收IF信号。该接收IF信号由接收信号检测部分7检测。该实例中的IF信号为AM信号。但是，即使是在FM调制中，IF信号的运作方式也不变，并且调制方法不受具体限制。
工业适用性：
如上所述，在根据本发明的无线网络系统中，由于在频率变换中本地振荡频率是同步的，由此保证了高质量的双向传输而不受相位噪声或频率偏移的影响。该无线网络系统适用于微波波带到毫米波波带的无线通信。由于能通过将非常简单的配置用作基本无线通信装置的配置构造根据本发明的无线网络系统，由此可实现低成本和低功耗。

Claims (7)

1.一种相互中继和发送各种信号的无线网络系统，其包括
多个无线通信装置，每个无线通信装置包括：
放射型振荡器，被配置成将晶体管集成在微波振荡谐振器中以产生负阻并且共用向空间发射电磁波的天线的功能；
中频信号生成部分，向所述放射型振荡器输出中频信号；以及
接收信号检测部分，接收所发送的信号，其中
所述无线通信装置被设置为面对相互产生吸合现象的位置，
至少一个所述无线通信装置具有这样的中频信号生成部分，该中频信号生成部分具有不同于其它的频带信号生成功能，
所述接收信号检测部分具有区分和接收与其它不同的频带的功能，
从一个无线通信装置发送的信号被发送至另一个面对的无线通信装置，并且所述另一个面对的无线通信装置通过所述接收信号检测部分接收并提取所述信号。
2.根据权利要求1所述的无线网络系统，其中，每个所述无线通信装置具有一个定向波束或多个定向波束。
3.根据权利要求1或2所述的无线网络系统，其中，所述无线通信装置的每个所述中频信号生成部分和每个所述接收信号检测部分共用彼此相同的频带。
4.根据权利要求1至3任一项所述的无线网络系统，其中，所述无线通信装置的各个所述放射型振荡器的至少一个被施加频率稳定功能。
5.根据权利要求1至4任一项所述的无线网络系统，其中，所述无线通信装置的每个所述中频信号生成部分具有迭加唯一地址信号的功能且被配置为能够区分信号是从哪个无线通信装置产生的。
6.根据权利要求1至5任一项所述的无线网络系统，其中，所述无线通信装置的每个所述中频信号生成部分具有连接来自各种传感器或其它传感器网络的信号的功能以传递所获取的信号数据。
7.根据权利要求1至6任一项所述的无线网络系统，其中，所述无线网络系统连接至其它有线通信网络或无线通信网络以被整体控制和管理。
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