CN101814957A - WiFi光纤无线电中央控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种WiFi光纤无线电中央控制系统，包括：控制器、n个射频信号分配单元以及n条射频支路；每条射频支路包括一个第二合路/分路器、一个环形器、一个电/光转换模块以及一个光/电转换模块；每个射频信号分配单元包括一个第一合路/分路器、一个与该第一合路/分路器相连的射频信号接口以及n个射频开关，n个射频开关的一端均连接至该第一合路/分路器，n个射频开关的另一端分别连接至n个第二合路/分路器；所有的射频开关均单独受控制器控制。本发明融合射频交换技术、光纤副载波复用(SCM)技术、光纤无线电技术，实现WiFi射频信号的分配、交换和光纤分布。
Description
技术领域
本发明涉及WiFi光纤无线电中央控制系统，具体涉及控制器、射频信号分配单元、合路/分路器、环形器、电/光转换模块(E/O)、光/电转换模块(O/E)。通过WiFi光纤无线电中央控制系统实现WiFi射频信号的分配、路由及光纤分布，用于WiFi信号的智能化、大范围、灵活的分布。
背景技术
目前，WiFi无线局域网正越来越普及，已经成为组建无线局域网的首选方案。但通常的WiFi接入点(AP)的信号覆盖范围为：室内，50～100米；室外，100～150米。
为了扩大WiFi信号的覆盖范围，采取的主要方法有：加大WiFi设备的辐射功率；采用光纤或电缆传输WiFi信号，增加WiFi传输距离。
WiFi采用ISM频段，其辐射功率受到限制，因此采用加大WiFi设备的辐射功率、扩大WiFi信号覆盖范围的方法受到限制。
电缆传输WiFi射频信号的距离很短，只有200米左右，因此采用有线电缆提高WiFi信号的覆盖范围，效果不明显。
目前，由于光纤的价格越来越便宜，很多人开始研究通过光纤传输来增加WiFi信号覆盖范围，采用的方法主要有：
1、通过光纤传输基带数据，连接远端WiFi接入点。远端接入点接收基带数据，通过数据处理、调制、变频、功率放大，再通过天线辐射出去。这种方案的远端接入点功能复杂，不利于系统管理和升级。
2、通过光纤传输WiFi中频信号，远端接入点接收信号后，经过变频、功率放大，再通过天线辐射出去。这种方案远端接入点仍需复杂的本地振荡器、变频器和滤波器。
3、通过光纤传输WiFi射频信号，远端节点只需经过功率放大、光/电转换、电/光转换，功能和结构都非常简单，WiFi的接入、认证和管理都在控制中心完成，系统的管理和升级非常方便。
另外，要在较大的区域内覆盖WiFi信号，往往采取设置多个WiFi接入点来覆盖。当WiFi设备从一个接入点的覆盖区域漫游到另一个接入点的覆盖区域时，需要重新接入、认证，这会导致连接中断。目前的解决办法，主要是在网络层的2层或3层来实现交换，WiFi设备从一个接入点切换到另一个接入点最快需要20ms。
本发明通过采用光纤无线电技术来传输WiFi射频信号，同时采用射频交换来解决WiFi设备的漫游问题，实现远距离、大范围的WiFi信号分布及WiFi设备真正的无缝漫游。
发明内容
本发明的目的在于提供一种融合射频交换技术、光纤副载波复用(SCM)技术、光纤无线电技术的WiFi光纤无线电中央控制系统，实现WiFi射频信号的路由、分配和光纤分布。
实现本发明的技术方案如下：
WiFi光纤无线电中央控制系统，其特征在于包括：控制器、n个射频信号分配单元以及n条射频支路；
每条射频支路包括一个第二合路/分路器、一个环形器、一个电/光转换模块以及一个光/电转换模块，第二合路/分路器与环形器相连，环形器分别与电/光转换模块和光/电转换模块相连，电/光转换模块设有第一光纤接口，光/电转换模块设有第二光纤接口；
每个射频信号分配单元包括一个第一合路/分路器、一个与该第一合路/分路器相连的射频信号接口以及n个射频开关，n个射频开关的一端均连接至该第一合路/分路器，n个射频开关的另一端分别连接至n个第二合路/分路器；
所有的射频开关均单独受控制器控制；
射频支路中，光/电转换模块从第二光纤接口接收光信号转换成WiFi射频模拟电信号，经环形器传送到第二合路/分路器，然后经过相应的射频开关馈入到相应的第一合路/分路器；
射频信号分配单元从射频信号接口接收到WiFi接入点的WiFi射频模拟电信号后，经过第一合路/分路器以及相应的射频开关馈入到相应的射频支路，经过第二合路/分路器、环形器后由电/光转换模块转换成光信号输出到第一光纤接口。
进一步的，所述电/光转换模块采用WiFi射频模拟电信号直接调制半导体激光器，实现WiFi射频模拟电信号到光信号的转换。
进一步的，所述光/电转换模块包括光探测器和滤波器，光信号经光探测器转换成电信号再经滤波器转换成WiFi射频电信号。
进一步的，采用射频交换技术实现WiFi设备在信号覆盖区域内无缝漫游：WiFi设备通过某一射频支路转换到另一射频支路时，不需再次作接入认证；WiFi设备从信号覆盖区域的某一射频支路转换到另一射频支路时，由控制器将该WiFi设备涉及的射频信号分配单元到该另一的射频支路的开关闭合，即可实现无缝漫游。
进一步的，采用射频交换技术实现故障WiFi接入点的自动切换；当WiFi光纤无线电信号分布系统中的某个WiFi接入点出现故障时，控制器将发出指令，射频信号分配单元迅速将该WiFi接入点的覆盖区域分配到其它WiFi接入点，从而维持系统正常运行。
进一步的，采用射频交换技术均衡WiFi接入点的负载，当WiFi接入点的负载不均衡时，控制器将发出指令，射频信号分配单元将过载的WiFi接入点的部分负载分配到较空闲的WiFi接入点。
一种WiFi光纤无线电中央控制系统，包括：控制器、射频信号分配单元、合路/分路器、环形器、电/光转换模块(E/O)、光/电转换模块(O/E)。多路WiFi射频信号经过射频信号分配单元实现分路和合路，完成射频信号的各种组合和交换，由环形器、电/光、光/电转换模块实现WiFi射频信号的光纤传输，通过光纤线路连接远端节点，实现远距离的WiFi信号分布。所述控制器采用FPGA(现场可编程门阵列)器件，通过编程实现特定的功能。控制器接收上位机数据和指令，实施对射频信号分配单元的控制。
所述合路/分路器实现将多个射频信号分配单元的输出射频信号合成为一路信号，然后驱动电/光转换模块，实现光纤副载波多路复用(SCM)；也将光/电转换模块的输出射频电信号分路至多个射频信号分配单元。
所述的射频信号分配单元包括：合路/分路器、射频开关；合路/分路器实现将一路射频信号分成多路射频信号，并保持负载平衡，减少插入损耗和微波反射，或者将多路射频信号合成一路。射频开关为高速电子开关，在控制器的控制下实现线路的接通和断开。
所述环形器为通用微波环形器，隔离收、发回路，避免出现环路自激。
所述电/光转换模块采用WiFi射频模拟信号直接调制半导体激光器，实现电信号到光信号的转换。
所述光/电转换模块为光电二极管激光探测器，实现光信号到电信号的转换。
WiFi光纤无线电中央控制系统实现多路WiFi射频信号的射频交换及光纤分布。进一步，系统通过扩展，将2G(如GSM)、3G(如WCDMA)或4G移动通信的射频信号接入WiFi光纤无线电中央控制系统，可以实现WiFi、2G、3G、4G混合射频信号的射频交换和光纤无线电分布。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的WiFi光纤无线电中央控制系统采用射频交换技术实现WiFi射频信号在不同的远端天线上的灵活分布，使接入的移动WiFi设备在信号覆盖区域内实现真正的无缝漫游。
(2)本发明的WiFi光纤无线电中央控制系统采用光纤无线电技术分布WiFi射频信号，实现WiFi射频信号的低成本、远距离、大范围的分布。
(3)使用本发明的WiFi光纤无线电中央控制系统构建的WiFi光纤无线电分布系统中，远端节点结构简单，可有效降低远端节点的设备成本、维护费用和故障率。
(4)使用本发明的WiFi光纤无线电中央控制系统构建的系统网络扩展容易，通过接入2G、3G和4G移动通信的信号，可以实现WiFi、2G、3G、4G多种无线射频信号的光纤无线电分布。
附图说明
图1示出本发明的示例性实施例的利用WiFi光纤无线电中央控制系统实现WiFi光纤无线电信号分布系统的详细框图。
图2示出本发明的示例性实施例的WiFi光纤无线电中央控制系统的详细框图。
图3示出本发明的示例性实施例中的电/光转换模块(E/O)的框图。
图4示出本发明的示例性实施例中的光/电转换模块(O/E)的框图。
图5示出本发明的示例性实施例中的控制器的状态转换流程图。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地描述，其中，附图中相同的标号全部指的是相同的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。
图1示出本发明的示例性实施例中的利用WiFi光纤无线电中央控制系统实现的WiFi光纤无线电信号分布系统的详细框图。WiFi光纤无线电信号分布系统包括：WiFi接入点(AP)101、102、103、射频信号接口110、WiFi光纤无线电中央控制系统100、光纤线路104、远端节点105、辐射天线106、107、108、系统服务器130、WiFi设备115、116、117。
远端节点105由光/电转换模块(O/E)120、电/光转换模块(E/O)121、微波功率放大器(PA)122、低噪声线性放大器(LNA)123、环形器124构成。
WiFi接入点(AP)101、102、103、WiFi光纤无线电中央控制系统100、光纤线路104、远端节点105、辐射天线106、107、108及WiFi设备115、116、117构成完整的WiFi无线局域网络。其中任何一个WiFi接入点(AP)的WiFi射频信号都可以通过WiFi光纤无线电中央控制系统及光纤线路路由到一个或多个远端节点105，并由对应的天线辐射出去。如：WiFi接入点101的WiFi射频信号经过WiFi光纤无线电中央控制系统100的射频交换，既可以由天线106辐射出去、也可以由天线106和天线108两根天线同时辐射出去、也可以由天线106、107、108三根天线同时辐射出去，但要注意相邻天线间的频道干扰。
本发明的示例性实施例中三个WiFi接入点(AP)采用802.11g标准，工作在2.4GHz的ISM频段；为避免干扰，三个接入点分别工作在频道1、频道6和频道11。也可以使用5GHzISM频段的802.11a标准，或者使用5GHz ISM频段的802.11n标准。
本发明的示例性实施例中的系统服务器130为高性能的工控计算机，管理整个系统，包括获取网络运行状况、均衡WiFi接入点负载、配置WiFi无线网络等，并根据系统网络运行状况控制WiFi光纤无线电中央控制系统，实现WiFi射频信号的智能分配和交换、WiFi信号的远距离光纤分布。
本发明的示例性实施例中远端节点105结构简单、成本低、维护容易、故障率低，系统升级方便。
本发明的示例性实施例中WiFi设备115、116、117采用普通的带WiFi适配器的手提电脑。也可以采用其他WiFi设备。
本发明的示例性实施例中光纤线路104采用单模光纤。
图1清楚地示出了以WiFi光纤无线电中央控制系统为中心的WiFi光纤无线电信号分布系统，可以广泛应用于工厂、智能大厦、医院等场所。
图2示出本发明的示例性实施例的WiFi光纤无线电中央控制系统100的详细框图。WiFi光纤无线电中央控制系统100包括：射频信号接口110、控制器200、控制器输入接口215、射频信号分配单元201、202、203、合路/分路器204、205、206、环形器207、电/光转换模块(E/O)208、光/电转换模块(O/E)209、光纤接口210。其中光纤接口210连接图1中的传输光纤104。
合路/分路器204、205、206、环形器207、电/光转换模块(E/O)208、光/电转换模块(O/E)209、光纤接口210构成光纤无线电通路；合路/分路器204、205、206、环形器207、电/光转换模块(E/O)208及对应的光纤接口210构成WiFi射频电信号到光纤无线电信号的输出通道；光纤接口210、光/电转换模块(O/E)209、环形器207、合路/分路器204、205、206构成光纤无线电信号到WiFi射频信号的输入通道。
射频信号分配单元201、202、203由合路/分路器230、多路开关231构成。多路开关231的每一路开关(A、B、C)都可以在控制器200的控制下独立开启或闭合。
由射频信号接口110输入的WiFi射频信号，经合路/分路器230分路成三路，再通过多路开关231连接后面的合路/分路器204、205、206；合路/分路器204、205、206将射频信号分配单元201、202、203输出的三路射频信号合路成一路信号，经环行器207、电/光转换模块(E/O)208、及对应的光纤接口210和传输光纤104，到达远端节点105，远端节点105通过光/电转换、功率放大，最后由辐射天线106、107、108辐射出去。
辐射天线106、107、108接收的射频信号经远端节点105的低噪声线性放大器LNA、电/光转换模块(E/O)转换成光信号，通过传输光纤104、光纤接口210接入WiFi光纤无线电中央控制系统100；WiFi光纤无线电中央控制系统100中的光/电转换模块(O/E)209将光纤接口210输入的光信号转换成电信号，经环形器207，输入至合路/分路器204、205、206；合路/分路器204、205、206将输入的射频信号分路成三路射频信号，分别馈入三个射频信号分配单元201、202、203；射频信号分配单元201、202、203将合路/分路器204、205、206馈入的信号合路成一路信号，经射频信号接口110，馈入对应的WiFi接入点(AP)。
本发明的示例性实施例中使用三个WiFi接入点101、102和103，采用802.11g标准，工作于2.4GHz的ISM频段，如图1所示。WiFi接入点101工作在频道1，经射频信号接口110与WiFi光纤无线电中央控制系统100中的射频信号分配单元201相连；WiFi接入点102工作在频道6，与射频信号分配单元202相连；WiFi接入点103工作在频道11，与射频信号分配单元203相连。正常情况下，射频信号分配单元201中多路开关231的开关A闭合、开关B和C断开，WiFi接入点101的射频信号由辐射天线106辐射；射频信号分配单元202中多路开关231的开关B闭合、开关A和C断开，WiFi接入点102的射频信号由辐射天线107辐射；射频信号分配单元203中多路开关231的开关C闭合、开关A和B断开，WiFi接入点103的射频信号由辐射天线108辐射。
本发明采用射频交换技术实现WiFi设备在信号覆盖区域内无缝漫游。WiFi设备117通过辐射天线108接入WiFi接入点103。当WiFi设备117远离辐射天线108，向辐射天线107移动时，WiFi设备117接收到WiFi接入点103的信号越来越弱，数据传输速率会下降，同时WiFi接入点102通过辐射天线107监测到WiFi设备117的信号越来越强。当辐射天线107上检测到WiFi设备117的信号比辐射天线108上检测到的强，系统服务器130向控制器200发出指令，控制器200根据指令输出控制信号，闭合射频信号分配单元203中多路开关231的开关C和B，则WiFi接入点103的射频信号同时通过辐射天线107和108辐射，WiFi设备117转而通过信号较强的辐射天线107收、发数据，从而保证WiFi设备117从辐射天线108覆盖区域移动到辐射天线107覆盖区域的过程中，不需再次作接入认证，避免WiFi设备掉线，且能保持较高的数据传输速率。当WiFi接入点的频道、辐射天线布局合理时，可以避免信号盲区，使WiFi设备在整个系统的信号覆盖区域内无缝漫游。
本发明采用射频交换技术可以实现故障WiFi接入点(AP)的自动替换。当三个WiFi接入点(AP)中的一个出现故障时，其它WiFi接入点能够迅速填补故障WiFi接入点(AP)的覆盖区域，维持系统正常运行。如WiFi接入点101出现故障，通过辐射天线106接入的WiFi设备与系统的WiFi无线网络断开；同时系统服务器130检测WiFi接入点101的故障，向控制器200发出指令，控制器200根据指令输出控制信号，将射频信号分配单元203中多路开关231的开关A闭合，则WiFi接入点103的射频信号同时通过辐射天线106和108辐射，原先接入WiFi接入点101的WiFi设备自动接入WiFi接入点103，从而迅速修复故障，重构无线网络。
本发明采用射频交换技术可以均衡WiFi接入点(AP)的负载，避免部分WiFi接入点负载过大，而导致传输速度下降。如当辐射天线108覆盖的区域WiFi设备较多，而辐射天线106覆盖区域的WiFi设备较少，则接入WiFi接入点103的设备较多，接入接入点101的设备较少，导致辐射天线108覆盖区域的网络速度较低；系统服务器130检测到这种负载的不均衡，向控制器200发出指令，控制器200根据指令输出控制信号，闭合射频信号分配单元201中多路开关231的开关C，WiFi接入点101的射频信号被分配到辐射天线108，辐射天线108覆盖区域的部分WiFi设备自动接入WiFi接入点101，从而达到均衡负载、提高局域网速度的目的。
本发明的示例性实施例中的WiFi接入点(AP)采用三个WiFi接入点101、102和103，因此射频信号分配单元也为三个，即201、202和203，其中的多路开关231也为三路(A、B、C)，合路/分路器230、204、205、206的结构也为三路合一或一路分三。
本发明的示例性实施例中的控制器200采用FPGA器件。控制器200通过控制器输入接口215获取系统服务器130的控制指令，控制射频信号分配单元201、202、203，实现WiFi射频信号的智能分配和交换。
图3示出本发明的示例性实施例的电/光转换模块(E/O)的框图。电/光转换模块(E/O)包括：光调制器301、激光器302。电/光转换模块(E/O)实现WiFi射频电信号到光信号的转换。
图4示出本发明的示例性实施例的光/电转换模块(O/E)的框图。光/电转换模块(O/E)包括：光探测器401、滤波器402。光/电转换模块(O/E)实现光信号到WiFi射频电信号的转换。
图5示出本发明的示例性实施例的控制器200的状态转换流程图。
控制器200采用FPGA器件，接收系统服务器130的指令，通过译码、数据转换，实施对射频信号分配单元201、202、203的控制。
上面的描述清楚地示出了本发明的示例性实施例提供一种融合射频交换技术、光纤副载波复用(SCM)技术、光纤无线电技术的WiFi光纤无线电中央控制系统，实现WiFi射频信号的路由、分配和光纤分布。
本发明的示例性实施例中实现了三路独立的WiFi射频信号的路由、分配和光纤分布。当需要处理较多路信号时，可以扩展射频信号分配单元和合路/分路器，实现更多路的射频信号的交换和光纤分布。
本发明的示例性实施例中的三路射频信号均为WiFi射频信号，也可以接入2G、3G和4G通信信号，实现WiFi、2G、3G和4G信号的混合路由、交换和光纤分布。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.WiFi光纤无线电中央控制系统，其特征在于包括：控制器、n个射频信号分配单元以及n条射频支路；
每条射频支路包括一个第二合路/分路器、一个环形器、一个电/光转换模块以及一个光/电转换模块，第二合路/分路器与环形器相连，环形器分别与电/光转换模块和光/电转换模块相连，电/光转换模块设有第一光纤接口，光/电转换模块设有第二光纤接口；
每个射频信号分配单元包括一个第一合路/分路器、一个与该第一合路/分路器相连的射频信号接口以及n个射频开关，n个射频开关的一端均连接至该第一合路/分路器，n个射频开关的另一端分别连接至n个第二合路/分路器；
所有的射频开关均单独受控制器控制；
射频支路中，光/电转换模块从第二光纤接口接收光信号转换成WiFi射频模拟电信号，经环形器传送到第二合路/分路器，然后经过相应的射频开关馈入到相应的第一合路/分路器；
射频信号分配单元从射频信号接口接收到WiFi接入点的WiFi射频模拟电信号后，经过第一合路/分路器以及相应的射频开关馈入到相应的射频支路，经过第二合路/分路器、环形器后由电/光转换模块转换成光信号输出到第一光纤接口。
2.根据权利要求1所述的WiFi光纤无线电中央控制系统，其特征在于所述电/光转换模块采用WiFi射频模拟电信号直接调制半导体激光器，实现WiFi射频模拟电信号到光信号的转换。
3.根据权利要求1所述的WiFi光纤无线电中央控制系统，其特征在于所述光/电转换模块包括光探测器和滤波器，光信号经光探测器转换成电信号再经滤波器转换成WiFi射频电信号。
4.根据权利要求1所述的WiFi光纤无线电中央控制系统，其特征在于采用射频交换技术实现WiFi设备在信号覆盖区域内无缝漫游：WiFi设备通过某一射频支路转换到另一射频支路时，不需再次作接入认证；WiFi设备从信号覆盖区域的某一射频支路转换到另一射频支路时，由控制器将该WiFi设备涉及的射频信号分配单元到该另一的射频支路的开关闭合，即可实现无缝漫游。
5.根据权利要求1至4任一项所述的WiFi光纤无线电中央控制系统，其特征在于采用射频交换技术实现故障WiFi接入点的自动切换；当WiFi光纤无线电信号分布系统中的某个WiFi接入点出现故障时，控制器将发出指令，射频信号分配单元迅速将该WiFi接入点的覆盖区域分配到其它WiFi接入点，从而维持系统正常运行。
6.根据权利要求5所述的WiFi光纤无线电中央控制系统，其特征在于采用射频交换技术均衡WiFi接入点的负载，当WiFi接入点的负载不均衡时，控制器将发出指令，射频信号分配单元将过载的WiFi接入点的部分负载分配到较空闲的WiFi接入点。
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