CN102215495A - 一种无线通信中增强移动终端室内信号的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信中增强移动终端室内信号的系统，属于无线通信技术领域。包括：一个通信核心网；一个或多个接入网；一个或多个短距离无线中继装置；以及一个或多个移动终端。移动终端通过短距离无线中继装置与接入网连接，接入网与通信核心网连接。本发明的无线通信中增强移动终端室内信号的系统，其优点是功耗极大地减小；室内无线移动业务信号好，通话质量高；减少移动无线通信的辐射，有益无线通信用户健康；设备成本低，并对现有设备继承性好。

Description

一种无线通信中增强移动终端室内信号的系统

技术领域

本发明涉及一种无线通信中增强移动终端室内信号的系统，属于无线通信技术领域。

背景技术

当前，我国已经步入世界通信大国，移动用户已经超过5亿，通信设备在使用过程中的能耗越来越大。据估算，2007年中国仅GSM基站耗电量将接近32亿千瓦时，基站电费将接近20亿元，这还不包括空调、变电、传输等能耗，按照1千克标准煤发出3度电计算，全国GSM基站每年需要耗费105万吨煤，这将会对环境产生重要的影响。因此，低能耗绿色通信对于全社会的协调发展都是至关重要的。

与此同时，随着无线通信业务的快速增长，通信网络的覆盖质量成为影响用户感知的关键因素。由于无线信号在穿越墙壁等遮盖物到达建筑内部的过程中伴随着严重的衰减，从而使得室内通信质量相对于室外较差，仅掉话率而言，CDMA网络的室内掉话率就高达3％以上。目前，无线通信室内覆盖面积仅占整个覆盖面积的20％左右，但根据NTT DoCoMo的调查显示，室内产生的无线通信业务量却占到总业务量的70％，无线通信室内用户也已经超过室外用户的2倍，一批高价值的商务用户和高科技用户也集中在室内。因此，有效提高城市室内的无线通信质量成为了当前亟待解决的问题。

目前，针对室内通信质量问题，业界一直在寻找和尝试各种解决方法。常见的一种解决方法是加大室外基站的输出功率，但这仅仅通过增大下行通信信号强度的方法让进入室内的通信信号也随之变强，并没有从原理上解决通信信号穿越障碍物的衰减问题，同时这种方法也伴随着耗能大、辐射高等缺陷；第二种解决方法是增加基站的数量，尤其是在建筑物内建立针对性的小型基站，通过回避穿透障碍物的方式直接与室内无线通信用户连接，但这种做法首先不仅在设备投入上耗资巨大，而且会导致室内外同频相互影响和乒乓切换，同时基站本身辐射污染也有害居民健康，从具体实施和日后维护的角度而言更会增加无线通信运营商的运作成本；最近兴起的一种解决室内通信问题的技术是通过室内宽带互联网接入移动通信核心网，其中，最具代表性的方案是Femtocell(毫微微蜂窝基站)，它是一种面向室内通信的超小型无线设备，该设备使用现有的二代或者三代通信方法，通过较小功率可以与4～6台移动终端同时通信，并通过室内固定宽带TP与宽带互联网络连接，最终将移动终端与移动无线通信网相连。然而，Femtocell基站一方面仍然需要较大的投入(大规模生产其成本仍在千元人民币数量级)，另一方面由于其复杂度、体积和重量等因素使Femtocell基站并不便于个人随身携带。

因此，综合考虑功耗、辐射、信号质量、以及成本投入和设备复杂度等问题将是解决移动终端室内信号问题的必由之路。

发明内容

本发明的目的是提出一种无线通信中增强移动终端室内信号的系统，利用现有的接入网资源(移动通信网、宽带互联网)，通过在室内布设新型的短距离无线中继装置实现无线通信的系统，针对移动终端提供低能耗、小辐射、且信号质量高的无线通信服务。并解决当前通信设备功率高以及室内无线通信信号穿透衰减大等问题，将室内无线通信链路、宽带互联网以及室外移动通信链路综合在一起提供无线环境中的交互性。

本发明提出的无线通信中增强移动终端室内信号的系统，包括：

一个通信核心网，用于汇接多个接入网，将其中一个接入网的呼叫请求或者数据请求接续到不同的接入网上，接收接入网的上行通信信号并产生下行通信信号发送到接入网；

一个或多个接入网，用于接收来自短距离无线中继装置的符合接入网协议的上行通信信号，并将该信号发送给通信核心网，同时接收来自通信核心网的符合接入网协议的下行通信信号，并将该信号发送给短距离无线中继装置；

一个或多个短距离无线中继装置，用于输入移动终端的匹配信息，建立短距离无线中继装置与移动终端的匹配关系，接收来自接入网的符合接入网协议的下行通信信号，将接收的下行通信信号转换为符合短距离无线协议的下行通信信号，并发送给相匹配的移动终端，同时接收来自相匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号，将接收的上行通信信号转换为符合接入网协议的上行通信信号，并发送给接入网；

一个或多个移动终端，用于接收来自短距离无线中继装置的符合短距离无线协议的下行通信信号，并向短距离无线中继装置发送符合短距离无线协议的上行通信信号；

移动终端通过短距离无线中继装置与接入网连接，接入网与通信核心网连接。

上述系统中，所述的接入网为移动通信网或宽带互联网，所述的移动通信网与短距离无线中继装置通过无线方式进行通信，所述的宽带互联网通过有线方式与短距离无线中继装置进行通信。

上述系统中，所述的短距离无线中继装置包括：

控制器，分别与室内无线模块和接口模块相连，用于分别接收室内无线模块和接口模块的工作状态信息，并分别向室内无线模块和接口模块发送工作指令，将来自相匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号转换为符合接入网协议的上行通信信号，将来自接入网的符合接入网协议的下行通信信号转换为符合短距离无线协议的下行通信信号；

室内无线模块，分别与控制器和接口模块相连，用于接收与所述短距离无线中继装置匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号，并向该移动终端发送符合短距离无线协议的下行通信信号，接收控制器的工作指令，并向控制器发送工作状态信息；

接口模块，分别与控制器和室内无线模块相连，用于接收接入网的符合接入网协议的下行通信信号，并向接入网发送符合接入网协议的上行通信信号，接收控制器的工作指令，并向控制器发送工作状态信息。其中的接口模块为无线射频通信接口、有线宽带互联网接口或无线射频通信接口和有线宽带互联网接口同时设置中的任何一种。

本发明提出的无线通信中增强移动终端室内信号的系统，其优点是：

1、在同等室内通信质量的前提下，本发明系统的功耗极大地减小。

由于移动通信网的室外基站发射的无线通信信号穿越障碍物到达室内将极大的衰弱，室外基站必须提高发射信号强度才能确保室内一定环境下存在稳定的无线通信信号，这势必增加了室外基站的功率和空调等相关设备的运营成本。另一方面，室内移动终端同时必须提高自身信号发射强度保持与室外基站的通信，造成室内移动终端的耗电增加，并直接影响到移动终端的续航能力。

在本发明系统中，由于短距离无线中继装置可以选择布置在室内接收室外信号较好的位置，比如玻璃等信号穿透衰减小的障碍物旁，从而可以稳定的保证对室外基站信号的收发；短距离无线中继装置如果直接与室内宽带互联网相连，其工作功率更小。另一方面，由于短距离无线中继装置与移动终端采取仅有10mW级的室内无线通信，自身功率也极大的降低。因此，新系统将为节能作出贡献。

2、本发明系统室内无线移动业务信号好，通话质量高。

在现有体制下，室内接收无线信号存在穿透衰弱大的问题，而且由于多径效应等各种干扰使得室内正常接收室外无线信号更加困难。而在新系统中，室内移动终端由于与短距离无线中继装置进行室内无线通信，室内信号接收质量好，通话质量高。因此，新系统将从根本上解决室内无线通信质量问题。

3、本发明系统将减少移动无线通信的辐射，有益无线通信用户健康。

无线移动通信网络给人们的生活带来了极大的方便，但无线电磁污染却不可避免地对我们的生活造成影响。由于信号穿透障碍物的损耗导致的弥补链路功率的需求，移动终端在无线通信网络信号差的环境下辐射将大大增加。对比现有无线通信系统：采用GSM的室内移动终端需要的发射功率为800～2000mW，采用CDMA的室内移动终端需要的发射功率为200～1000mW。而采用新系统的室内移动终端需要的发射功率仅为室内无线自身10mW量级的功率，移动终端功耗大大降低。因此，新系统将使移动终端大大减少了辐射，对移动通信用户更加健康绿色。

4、相比其他解决方案，本发明系统具备设备成本低以及对现有设备继承性好的优点。

本发明系统唯一增加的固定设备是短距离无线中继装置，而此设备主要是由价格低廉的室内无线模块、接口模块和处理器组成。相比其他解决方案(比如Femtocell)，新系统硬件成本优势明显，并且复杂度较低，便于个人随身携带。另外，新系统的实现基于已有的接入网(移动通信网和宽带互联网)，对移动终端也仅需要软件上的升级，因此还具备对现有设备继承好的优点。

附图说明

图1是本发明提出的无线通信中增强移动终端室内信号的系统的结构框图。

图2是本发明系统中接入网为移动通信网时系统的结构框图。

图3是本发明系统中接入网为宽带互联网时系统的结构框图。

图4是本发明系统中的短距离无线中继装置的结构框图。

图5是本发明系统的一个实施例中下移动终端的入网流程图。

图6是本发明系统的一个实施例中两种接口同时设置的短距离无线中继装置工作流程图。

图7是本发明系统的一个实施例中移动终端在短距离无线中继装置与移动通信网连接时的主叫过程。

图8本发明系统的一个实施例中移动终端在短距离无线中继装置与移动通信网连接时的被叫过程。

图9本发明系统的一个实施例中移动终端在短距离无线中继装置与宽带互联网连接时的主叫过程。

图10本发明系统的一个实施例中移动终端在短距离无线中继装置与宽带互联网连接时的被叫过程。

具体实施方式

本发明提出的无线通信中增强移动终端室内信号的系统，结构框图如图1所示，包括：

一个通信核心网，用于汇接多个接入网，将其中一个接入网的呼叫请求或者数据请求接续到不同的接入网上，接收接入网的上行通信信号并产生下行通信信号发送到接入网；一个或多个接入网，用于接收来自短距离无线中继装置的符合接入网协议的上行通信信号，并将该信号发送给通信核心网，同时接收来自通信核心网的符合接入网协议的下行通信信号，并将该信号发送给短距离无线中继装置；一个或多个短距离无线中继装置，用于输入移动终端的匹配信息，建立短距离无线中继装置与移动终端的匹配关系，接收来自接入网的符合接入网协议的下行通信信号，将接收的下行通信信号转换为符合短距离无线协议的下行通信信号，并发送给相匹配的移动终端，同时接收来自相匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号，将接收的上行通信信号转换为符合接入网协议的上行通信信号，并发送给接入网；一个或多个移动终端，用于接收来自短距离无线中继装置的符合短距离无线协议的下行通信信号，并向短距离无线中继装置发送符合短距离无线协议的上行通信信号；移动终端通过短距离无线中继装置与接入网连接，接入网与通信核心网连接。

上述系统中，所述的接入网为移动通信网，如图2所示，或宽带互联网，如图3所示。移动通信网与短距离无线中继装置通过无线方式进行通信，宽带互联网通过有线方式与短距离无线中继装置进行通信。

上述系统中，短距离无线中继装置的结构框图如图4所示，包括：控制器，分别与室内无线模块和接口模块相连，用于分别接收室内无线模块和接口模块的工作状态信息，并分别向室内无线模块和接口模块发送工作指令，将来自相匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号转换为符合接入网协议的上行通信信号，将来自接入网的符合接入网协议的下行通信信号转换为符合短距离无线协议的下行通信信号，控制器实质是一个状态机，可以由FPGA(如Altera公司的EP1C6)实现；室内无线模块，分别与控制器和接口模块相连，用于接收与所述短距离无线中继装置匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号，并向该移动终端发送符合短距离无线协议的下行通信信号，接收控制器的工作指令，并向控制器发送工作状态信息；接口模块，分别与控制器和室内无线模块相连，用于接收接入网的符合接入网协议的下行通信信号，并向接入网发送符合接入网协议的上行通信信号，接收控制器的工作指令，并向控制器发送工作状态信息。其中的接口模块可以为无线射频通信接口，也可以为有线宽带互联网接口，还可以为无线射频通信接口和有线宽带互联网接口同时设置。

本发明系统中，在室内布设短距离无线中继装置，室内移动终端利用稳定可靠的室内无线信道(如室内无线、WiFi和UWB等)连接到短距离无线中继装置，短距离无线中继装置再通过接入网连接移动核心网。接入网有两种类型：一种采用无线射频信号与短距离无线中继装置连接的移动通信网，另一种是采用有线方式与短距离无线中继装置连接的宽带互联网。当接入网为移动通信网时，短距离无线中继装置需要放置于室内接收室外无线射频信号较好的位置(如窗台上)以确保与移动通信网的室外基站稳定连接，当接入网为宽带互联网时，短距离无线中继装置通过有线连接的方式确保与互联网的稳定连接。在本发明所述系统中，一方面，由于移动通信网无需通过提高基站发射功率来确保穿透至室内的信号的强度且室内移动终端通过低能耗的室内无线信道收发信息，从而有效的降低了基站和移动终端的发射功耗；另一方面，由于室内移动终端利用稳定的室内无线信道与同处室内的短距离无线中继装置连接，因此室内通信信号的接收质量得到了提高；此外，短距离无线中继装置的引入对现有无线通信链路而言仅在终端与接入网之间加入一个节点，对移动核心网不产生任何影响，而移动终端在具有相关室内无线模块的移动通信手机的基础上只需要进行软件的升级即可使用，保证了本发明与现有系统的兼容性，成本投入低且易于实现。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式说明如下：

本发明的一个实施例中，接口模块为无线射频通信接口和有线宽带互联网接口同时设置的情况；当接入网为蜂窝移动通信网时，短距离无线中继装置通过无线射频通信信号与蜂窝移动通信网室外基站相连；当接入网为室内宽带互联网时，短距离无线中继装置通过有线形式与宽带互联网相连。

本发明系统在原有的室内通信中“通信核心网-接入网-移动终端”的链路基础上，增加了一个短距离无线中继装置这一级中继结点。具体说，新系统有两条链路：第一条通信链路基于移动通信网，为“通信核心网-移动通信网-短距离无线中继装置-移动终端”，在此链路工作情景下，短距离无线中继装置需要被放置于室内接收室外移动信号较好的位置，通过无线射频接口的射频无线电信号与室外基站展开通信；第二条新通信链路基于宽带互联网，为“移动通信核心网-宽带互联网-短距离无线中继装置-移动终端，此条通信链路要求短距离无线中继装置需要通过互联网接口的IP协议信号与宽带互联网展开通信。

本发明系统的一个实施例中，下移动终端的入网流程参见附图5，所述移动终端的入网流程包括以下步骤：

1、移动终端开启，搜索单元通过室内无线模块发送针对短距离无线中继装置的搜索信号，室内无线模块探测是否可以检测到唯-匹配的短距离无线中继装置；

2、若室内无线模块探测到短距离无线中继装置信号，选择单元将室内无线模块与短距离无线中继装置建立通信连接，并向短距离无线中继装置发送室内无线通信信号；若室内无线模块没有探测到室内无线中基站信号，选择单元将射频通信模块与蜂窝基站建立通信连接，并向蜂窝基站发送射频通信信号；

3、搜索单元需要周期检测室内无线模块是否检测短距离无线中继装置信号，以实现移动终端室内无线通信与与室外基站的射频通信之间的无缝切换；

本发明实施例中两种接口同时设置的短距离无线中继装置工作流程参见附图6，所述短距离无线中继装置的工作流程包括以下步骤：

1、短距离无线中继装置开启，中继站室内无线模块检测是否被移动终端探测到；

2、若短距离无线中继装置被移动终端探测到，则短距离无线中继装置的室内无线模块建立与移动终端室内无线模块的连接；若没有被探测到则短距离无线中继装置进入不工作的待机状态；

3、短距离无线中继装置与移动终端连接后，若用户选择宽带互联网，则通过接口模块连接宽带互联网，建立移动终端到宽带互联网的通信；若用户选择移动通信网，则通过接口模块连接移动通信网的室外基站，建立移动终端到移动通信网的通信。

以下以移动通信业务中常见的通话业务为例，详细介绍本发明提出的无线通信中增强移动终端室内信号的系统的特点和实现方式，其中接入网为蜂窝移动通信网与宽带互联网，短距离无线通信装置的接口模块采取两种接口都设置。

本发明主要用于解决室内通信问题，在室内短距离无线中继装置的室内无线信号能被移动终端检测的情况下，短距离无线中继装置有与移动通信网或宽带互联网连接的2种入网方式，且通话业务分为移动终端主叫和被叫2种情况，因此一共有4种组合。以下分别阐述这4种组合的实现方式。

当短距离无线中继装置与蜂窝移动通信网以无线射频信号相连接时，所述移动终端主叫业务的流程为(参见附图7)：

1、移动终端预备主叫业务，确认是否与短距离无线中继装置相连；

2、如果移动终端没有与短距离无线中继装置相连接，则移动终端尝试连接移动通信网的基站，并发送呼叫请求及用户MIN、被叫号码给基站，转向步骤4；

3、如果移动终端与短距离无线中继装置相连接：

(1)移动终端发送呼叫请求及用户MIN、被叫号码给短距离无线中继装置；

(2)短距离无线中继装置接收呼叫请求及用户MIN、被叫号码，并发送给基站；

4、室外基站接收呼叫请求及MIN、ESN对和移动台分类标识，并连接MSC；

5、MSC接收呼叫请求，验证移动终端MIN、ESN对有效；

6、MSC连接PSTN，开始被叫流程。

当短距离无线中继装置与蜂窝移动通信网以无线射频信号相连接时，所述移动终端被叫业务的流程为(参见附图8)：

1、MSC接收来自PSTN的呼叫，给所有移动通信网基站和宽带互联网发送MIN请求；

2、基站发送对特定用户的寻呼(MIN)，宽带互联网网络定位短距离无线中继装置；

3、如果移动终端没有与短距离无线中继装置相连：

(1)移动终端接收MIN并判断是否与本地MIN匹配；

(2)移动终端发送ESN和移动台分类标识给基站；

4、如果移动终端与短距离无线中继装置相连：

(1)短距离无线中继装置接收MIN并通过室内无线发送给移动终端；

(2)移动终端接收MIN并判断是否与本地MIN匹配；

(3)移动终端发送ESN和移动台分类标识给短距离无线中继装置；

(4)短距离无线中继装置发送ESN和移动台分类标识给基站；

5、基站接收MIN、ESN对和移动台分类标识，送往MSC；

6、MSC验证移动终端的MIN、ESN；

7、如果移动终端没有与短距离无线中继装置相连，移动终端进入特定语音信道，准备开始通话业务；

8、如果移动终端与短距离无线中继装置相连，短距离无线中继装置进入特定语音信道，并通过室内无线与移动终端保持实时通信。

当短距离无线中继装置与宽带互联网以有线信号相连接时，所述移动终端主叫业务的流程为(参见附图9)：

1、移动终端预备主叫业务，确认是否与短距离无线中继装置相连；

2、如果移动终端没有与短距离无线中继装置相连接，则移动终端尝试连接移动通信网基站，并发送呼叫请求及用户MIN、被叫号码给基站，转向步骤4)；

3、如果移动终端与短距离无线中继装置相连接：

(1)移动终端发送呼叫请求及用户MIN、被叫号码给短距离无线中继装置；

(2)短距离无线中继装置接收呼叫请求及用户MIN、被叫号码，并发送宽带互联网；

4、宽带互联网接收呼叫请求及MIN、ESN对并连接MSC；

5、MSC接收呼叫请求，验证移动终端MIN、ESN对有效；

6、MSC连接PSTN，开始被叫流程。

当短距离无线中继装置与宽带互联网以有线信号相连接时，所述移动终端被叫业务的流程为(参见附图10)：

1、MSC接收来自PSTN的呼叫，给所有移动通信基站和宽带互联网发送MIN请求；

2、基站发送对特定用户的寻呼(MIN)，宽带互联网定位短距离无线中继装置；

3、如果移动终端没有与短距离无线中继装置相连：

(1)移动终端接收MIN并判断是否与本地MIN匹配；

(2)移动终端发送ESN和移动台分类标识给基站；

4、如果移动终端与短距离无线中继装置相连：

(1)短距离无线中继装置接收MIN并通过室内无线发送给移动终端；

(2)移动终端接收MIN并判断是否与本地MIN匹配；

(3)移动终端发送ESN和移动台分类标识给短距离无线中继装置；

(4)短距离无线中继装置发送ESN和移动台分类标识给宽带互联网；

5、宽带互联网接收MIN、ESN对和移动台分类标识，送往MSC；

6、MSC验证移动终端的MIN、ESN；

7、如果移动终端没有与短距离无线中继装置相连，移动终端进入特定语音信道，准备开始通话业务；

8、如果移动终端与短距离无线中继装置相连，短距离无线中继装置进入特定语音信道，并通过室内无线与移动终端保持实时通信。

Claims (4)

1.一种无线通信中增强移动终端室内信号的系统，其特征在于该系统包括：

一个通信核心网，用于汇接多个接入网，将其中一个接入网的呼叫请求或者数据请求接续到不同的接入网上，接收接入网的上行通信信号并产生下行通信信号发送到接入网；

一个或多个接入网，用于接收来自短距离无线中继装置的符合接入网协议的上行通信信号，并将该信号发送给通信核心网，同时接收来自通信核心网的符合接入网协议的下行通信信号，并将该信号发送给短距离无线中继装置；

一个或多个短距离无线中继装置，用于输入移动终端的匹配信息，建立短距离无线中继装置与移动终端的匹配关系，接收来自接入网的符合接入网协议的下行通信信号，将接收的下行通信信号转换为符合短距离无线协议的下行通信信号，并发送给相匹配的移动终端，同时接收来自相匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号，将接收的上行通信信号转换为符合接入网协议的上行通信信号，并发送给接入网；

一个或多个移动终端，用于接收来自短距离无线中继装置的符合短距离无线协议的下行通信信号，并向短距离无线中继装置发送符合短距离无线协议的上行通信信号；

移动终端通过短距离无线中继装置与接入网连接，接入网与通信核心网连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于其中所述的接入网为移动通信网或宽带互联网，所述的移动通信网与短距离无线中继装置通过无线方式进行通信，所述的宽带互联网通过有线方式与短距离无线中继装置进行通信。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于其中所述的短距离无线中继装置包括：

控制器，分别与室内无线模块和接口模块相连，用于分别接收室内无线模块和接口模块的工作状态信息，并分别向室内无线模块和接口模块发送工作指令，将来自相匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号转换为符合接入网协议的上行通信信号，将来自接入网的符合接入网协议的下行通信信号转换为符合短距离无线协议的下行通信信号；

室内无线模块，分别与控制器和接口模块相连，用于接收与所述短距离无线中继装置匹配的移动终端的符合短距离无线协议的上行通信信号，并向该移动终端发送符合短距离无线协议的下行通信信号，接收控制器的工作指令，并向控制器发送工作状态信息；

接口模块，分别与控制器和室内无线模块相连，用于接收接入网的符合接入网协议的下行通信信号，并向接入网发送符合接入网协议的上行通信信号，接收控制器的工作指令，并向控制器发送工作状态信息。

4.根据权利要求3所述的接口模块为无线射频通信接口、有线宽带互联网接口或无线射频通信接口和有线宽带互联网接口同时设置中的任何一种。

Images