CN105453511B - 智能天线 - Google Patents

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    • H01Q21/205—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path providing an omnidirectional coverage

Abstract

本发明公开了一种智能天线装置，包括壳体，所述壳体支撑：全向天线阵列；多个收发器，与所述天线阵列电连接；格式转换和升压设备，电连接在多个收发器和网络端口之间，所述格式转换和升压设备包括复用/解复用电路，所述复用/解复用电路用于将从所述多个收发器至所述网络端口的多个USB信号编码并将从所述网络端口至所述多个收发器的多个USB信号解码。

Description

智能天线
相关申请的交叉引用
本申请是源自2013年5月6日提交的名称为“智能天线”的美国申请 61/819,906的非临时申请，因此通过引用该美国申请公开内容的方式将其并入本文。本申请还是源自2013年1月9日提交的名称为“路由器”的美国申请13/737,051的部分继续申请，因此通过引用该美国申请公开内容的方式将其并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及无线数据网络。特别地，本发明提供从例如 TEMPEST认证设施之类的有保障设施内的路由器至无线数据网络的连接。
背景技术
某些组织(例如，金融机构、电力传输运营方、法律事务所、工业研究组织等)具有在地理上分散的多个位置，在这些位置处，在通常的操作过程中，必须将数据安全地存储，而且必须将数据在这些位置之间进行安全传输。之后将这样的组织称作“数据可靠组织”。
通常而言，数据通信通过使用陆上线路(铜线或光纤线缆)以及无线连接完成。陆上线路安装起来昂贵而且相对容易陷入危险境地；而无线连接可以被相对方便地建立和更改(因此也相对便宜)；可以提供更多的模式冗余 (例如，如在附带提及的“路由器”申请中公开的那样，通过多通道发送和接收)；并且可能较不容易陷入危险境地(再次例如在附带提及的“路由器”申请中公开的那样，通过扩频或其他抗截获协议，这也可以增强数据吞吐量)。因此，在数据可靠组织的分散地点之间提供无线数据传输已经成为一种流行方式。
对于企业级别和M2M使用情况而言，端点处的蜂窝数据连接频繁地通过无线路由器实施。参见图1，在典型的安装方式中，蜂窝无线路由器10在商用或专有广域网(WAN)以及与TCP/IP兼容的一个端口或多个端口或其他特殊用途I/O设施之间形成桥接。典型地，蜂窝无线路由器包括CPU、至少一个蜂窝收发器、以太网PHY、以及用于外部蜂窝天线12的集成蜂窝天线或连接设施。路由器和相关联/所支持的外围设备14之间的连接可以经由金属电路、光纤、光学广播或无线方法。所有这些组件均保持在诸如数据中心50之类的有保障位置内。
然而，在路由器与其他设备共同位于安全位置的许多安装场景下，在路由器处实现/维持充分的无线信号强度以支持可靠的蜂窝路由器操作是不可能的。在地下数据中心设施中的路由器安装可以用作一个示例，而安装在建筑结构内深处的自动取款机可以作为另一个示例。在任一情况下，所处位置相同的天线(如图1所示)可以提供的信号接入不足或根本不能提供信号接入。
如图2所示，一种合乎逻辑的已有方法可以是，将路由器的单独的天线 12移动到数据中心50之外的无线信号接入得以改善的位置处，并且在从天线返回到路由器10的足够长的网络线缆30上扩展RF信号。在某些情况下，这种方法是可行的，然而通常，路由器和天线之间的最大距离严重地受到线缆衰减的限制。细的同轴线缆(例如RG-178)可以将受关注的信号(对于 3G业务而言是1900MHz)衰减多达每英尺长度1dB。以这种衰减率，线缆长度每增加3英尺(并且具有典型的蜂窝收发器)，能量损耗翻倍。虽然信号距离可以借助专业高深的线缆类型来改善，但是在许多真实世界的安装方式中，超过大约10英尺(3米)的线缆延伸可以证明是不现实的。
另一种方案可以是，将路由器和天线移动到具有可以良好信号接入的位置，并经由TCP/IP(或LAN)基带信号域完成路由器和连接设备之间的扩展连接。在路由器的远程位置从实体安全适应角度而言是可接受的这样一些情况下，这种方式运作良好。然而，在这种配置中，路由器通常被放置在非安全或者可能是公共位置处，并且LAN连接可能容易被截获、审查或篡改。此外，操作环境如果受控的话，则受控性不良。因此，这种“方案”实际上只是通过将路由器放置在受控位置可以解决的问题的一种重申。
考虑到近年来关于出于监测目的或蓄意破坏目的的电子设备远程渗透能力的发现，这种对初始问题的重申尤其值得关注。例如，通过插入允许对数字指令或数据进行未授权无线访问的异频雷达收发机(transponder)，可能使通用的硬件组件(例如，线缆连接器、存储器芯片)陷入危险境地，而这些数字指令或数据可能来自陷入危险境地的组件周围大于50平方米内的任意位置。因此，这些组件从本质上而言可以允许对“清洁”数据(即没有通过任何加密技术予以保护的数据)进行不可检测的服务器侧访问。因而，这种新近公开的技术使得能够对关键数据流(例如，金融账户数据以及转账指令；电网负载数据以及配电断路器位置命令)进行隐蔽的监视和修改。
虽然已经公布了远程异频雷达收发机只能政府拥有，然而非法操作者仍然极有可能通过买断交易、通过政府官员破坏或者通过反向工程已经拥有了类似技术。因此，数据可靠组织面临着危险分子对数据进行拦截或操纵的服务器侧风险。这已经成为并且将日益成为数据可靠组织(尤其是金融机构) 的商业关键担忧。
因此，期望数据可靠组织可以在抵抗无线渗透的设施内(例如，TEMPEST 认证的设施)维护关键数据服务器，同时仍然保持在地理上分散位置处的关键数据服务器之间提供无线宽带通信的能力。
对于只是位置不方便的路由器安装方式(与故意屏蔽的位置相反)，使用TEMPEST防范提出并放大了以上讨论的所有问题。
发明内容
因此，本发明提供一种安全USB信号扩展装置，包括：第一格式转换和升压设备，布置在安全设施内；以及第二格式转换和升压设备，布置在所述安全设施外。每个格式转换和升压设备包括：多个USB端口；网络端口；复用/解复用电路，用于将从所述多个USB端口至所述网络端口的信号编码，并用于将从所述网络端口至所述多个USB端口的信号解码；以及网络线缆，穿过所述安全设施的边界连接所述第一格式转换和升压设备与第二格式转换和升压设备各自的网络端口。
在某些实施例中，本发明提供一种智能天线装置，位于壳体内，所述壳体支撑：全向天线阵列；多个收发器，与所述天线阵列电连接；以及格式转换和升压设备，电连接在多个收发器和网络端口之间。所述格式转换和升压设备包括复用/解复用电路，所述复用/解复用电路用于将从所述多个收发器至所述网络端口的多个USB信号编码并将从所述网络端口至所述多个收发器的多个USB信号解码。
在本发明的一个方案中，该智能天线装置安装为安全无线网络系统的部件，该安全无线网络系统包括：本地路由器，被配置为与远程路由器建立虚拟私有网络。所述本地路由器布置在安全设施内并包括第一格式转换和升压设备，所述第一格式转换和升压设备反过来包括：多个USB端口，连接为与所述路由器处理器通信；网络端口；以及复用/解复用电路，用于将从所述多个USB端口至所述网络端口的多个USB信号编码，并用于将从所述网络端口至所述多个USB端口的多个USB信号解码。该系统还包括智能天线，布置在所述安全设施外并包括第二格式转换和升压设备、多个收发器以及每个收发器至少一个天线。所述第二格式转换和升压设备包括：第二多个USB端口，每个所述端口连接为与所述多个收发器中的一个通信；第二网络端口；以及第二复用/解复用电路，用于将从多个USB端口至所述第二网络端口的多个USB信号编码，并用于将从所述第二网络端口至所述多个USB端口的多个USB信号解码。所述系统还包括网络线缆，所述网络线缆穿过所述安全设施的边界连接在所述本地路由器内所述第一格式转换和升压设备的网络端口和所述智能天线内所述第二格式转换和升压设备的所述第二网络端口之间。
本发明的这些以及其他目的、特征以及优点将从如附图中所示出的关于本发明的详细描述中变得更为清晰。
附图说明
图1以示意图示出了安装在安全设施中的传统无线宽带路由器系统。
图2以示意图示出了具有远程天线的无线宽带路由器。
图3以示意图示出了根据本发明实施例的宽带路由器和智能天线。
图4以透视图示出了根据本发明实施例的智能天线组装件。
图5以透视图示出了根据本发明方案的宽带路由器和智能天线的安装方式。
图6以示意图示出了根据本发明另一实施例的智能天线。
具体实施方式
参见图3，本发明的实施例以同位方式布置了至少一个现成的RF收发器 20，每个收发器具有至少一个天线22，并且布置了信号扩展装置24，以形成智能天线组装件26，该组装件26可以放置为远离伴随路由器组装件28。在本发明的某些实施例中，例如如图所示，天线22可以布置成全向阵列以用于信号方向和极化的分散性。同时，可以针对信号频率的分散性提供多个收发器20。
如图3所示，收发器20和天线22的位置相同消除了长线缆延伸时RF 信号损耗的传统问题。相反，在沿着路由器28和其远程放置的收发器/天线组装件26之间的线缆30的基带域内发生通信。典型地，线缆30是非屏蔽双绞线(UTP)。然而，同轴线缆是数个可以使用的传统线缆形式之一。
因而，根据本发明实施例的通信链路使得工业标准、蜂窝RF收发器适应“分类”网络线缆。
USB 2.0是商用收发器和路由器之间固有的接口协议，其在典型的无线路由器组装件中将被安装为在印刷布线组装件(PWA)或母板上靠近。因此， USB连接是位置相同的路由器和收发器之间进行通信的天然选择。
然而，出现的情况是，在超过16ft(大约5米)的距离上USB具有信号损失和包丢失，这样，路由器和远程收发器之间的USB连接基本上呈现出了与收发器和远程天线之间的RF线缆连接出现的问题相同的问题。因此，在本发明的一个方案中，信号扩展装置24将智能天线26和路由器28之间的 USB信号重新格式化成专有协议，该专有协议利用相位和幅度调制以及放大来完成网络线缆30上的长范围数据传输。例如，信号扩展装置24允许超过 10m距离处的通信。
信号扩展装置24还允许与用于编码USB包的信号并行地在收发器20和路由器28之间传输电力和控制方式信号(例如，使用以太网供电(PoE)或类似技术)。有利的是，这种并行传输可以掩蔽编码后的USB包。例如，信号扩展装置24实施的专有协议可以提供相对高电压的DC承载信号(例如， 20V到60V范围内的恒定中心电压)以及使用振幅、相位和/或频偏键控的多级(即大于二进制)数据协议。例如，该数据协议可以通过在三个、四个或六个承载电压值中进行选择以及在八个不同的频率值之间进行偏移来编码数据，从而在每个时间间隔中编码一个字节的数据。
在该实施例中，信号扩展装置24包括一对定制处理器25，该对定制处理器25被配置为格式转换器/升压器(“FC/B”)。FC/B 25在符合商用USB 2.0的信号传输和专有信号传输协议(在某些实施例中是单通道协议，当然多通道信号传输也可以在UTP上实现)之间进行双向转换以及复用/解复用。 FC/B 25中的一个布置在智能天线组装件26的壳体内，并被连接在收发器20 和网络线缆30之间，网络线缆可以是非屏蔽双绞线(“UTP”)或类似的商用线缆。FC/B 25中的另一个布置在路由器组装件28的壳体内，并被连接在网络线缆30和路由器板32之间。
因而，本发明的一个方案是，与通过固有的USB信号的电特性和通信协议实现的相比，信号扩展装置24使得能够在更长的线缆距离上在USB组件之间进行透明信号传输。
本发明的另一个方案是，信号扩展装置24将USB数据包与对于支持市场上可以获得的具有USB接口的蜂窝收发器模块而言必要的附加辅助信号进行复用。例如，该复用可以通过在共模模式下交替的UTP线缆30对之间进行幻像电路(phantom circuit)信号传输来实现。这些辅助信号提供操作模式控制和内部系统信号传输。在没有实现远程天线操作的典型路由器系统实施方式中，这些基带信号简单地连接在收发器和本地处理器之间。
在本发明的方案中，这些系统信号传输通道与远程天线的操作电力通道一起被复用，一起在被用于承载专有USB扩展信号的相同线缆30上。在某些实施例中，操作电力通道可以提供用于基带信号的载体。在任何情况下，基带系统信号通道都没有嵌入在USB包域内，因而不会表现出任何数据安全风险，因为没有任何一个USB数据有效负荷可以从基带通道被访问。因此，安全VPN通道的完整性可以通过USB得以维持。
例如，每个FC/B 25可以被配置为将来自信号通道专有信令传输协议的多个数据流进行解复用，并且将数字信号传输到第一和第二USB连接。例如，在智能天线26中，USB连接指向收发器20；而在本地路由器28中，USB 连接是处于FC/B 25和路由器处理器32之间。每个FC/B 25还可以被配置为将经由第一和第二USB连接接收到的数字信号复用并使用专有信号传输协议经由网络线缆传输复用后的信号。在另外的方向上，FC/B可以被配置为接收来自网络线缆30的单个数据流，并将该数据流分割成至少两个交织的子流，每个子流经由相应的USB连接流向两个或多个RF收发器20中不同的收发器。
在一些实施例中，成对的FC/B可以被配置为以维持本地路由器处的多个USB端口和智能天线处的多个收发器20之间的一对一信号对应性的方式进行编码和解码。然而，同样可以配置成对FC/B以将信号包打乱，使得在例如USB端口处的信号包和在收发器20处的信号包之间没有可再现的对应性。在后一种情况下，路由器处理器32可以被配置为在通过本地路由器FC/B 25进行编码之前为每个包打上标签，这样，在与智能天线26相距非常远的无线传输的远端，在通过智能天线FC/B 25进行解码之后以及经由蜂窝宽带网络进行VPN传输之后，类似配置的路由器处理器(未示出)可以重新构建被打乱的包以获得与被FC/B打乱的相同的数据流。应当注意，可以在收发器20之间实现包打乱(简单交织)并且该包打乱可以是时间上的(有限的随机缓冲)。
在另一实施例(未示出)中，连接线缆可以是通过插头或接合件连接的一个或多个标准60Hz AC电力线，电力线网络适配器将线缆连接至智能天线 26中以及路由器28处的FC/B 25。在这种实施例中，升压功能可以是可选的。
参见图4，智能天线26的工作部件容置在包括托盘34和盖36的壳体中。天线22安装在它们自身的PWA 38上，并且通过弯曲引线连接至RF收发器 20，RF收发器20安装在天线PWA之下的收发器模块母板40上。RF收发器20经由母板连接至同样安装在母板上的FC/B25。FC/B 25与RF收发器 20进行USB 2.0信号收发，同时经由网络端口(例如，标准的插接连接件42，例如RJ-45插头)与UTP线缆30进行专有基带信号收发。托盘34可以包括磁性底脚44，该磁性底脚44用于可移除地将该组装件固定至建筑结构。母板40可以包括槽隙用于容纳用来编程RF收发器20的SIM卡46；可替代地， RF收发器可以专用于预先确定的通道和模式。
独立于所使用的基带协议，路由器28和智能天线26只是可以建立在诸如IPsec或VPN之类的有保障环境中的本地服务器和远程服务器之间的通信链路的中间部分。在本地服务器和远程服务器都保持在安全环境中(例如， TEMPEST认证的设施)的情况下，则无线渗透的风险实质上得到了缓解。
例如，图5示出了路由器28安全地放置在数据中心储存架区50内的商业场景，在该场景中，其从收到良好控制的环境中获得益处并且网络连接可以在访问受限/访问受控的区域中发生。智能天线组装件26安装在位置60，在该位置60处，通过无线宽带提供方的基站，无线信号强度将支持可靠而且可预测的通信。
如图6示意性示出的，在这种实施例中，在智能天线组装件26中提供自主微处理器62(例如，ASIC、FPGA、RISC)可能是有用的。智能天线内的微处理器应当足以支持自主事件触发汇报——即，响应于智能天线26操作情况的变化(例如，在GPS天线和芯片模块64处接收到的GPS信号的变化) 和/或响应于FCB 25处的功率或输入数据信号的损耗，来检测未经通过的设备重放置和/或提供(经由至少一个收发器20)诸如位置汇报互联网数据包探索(ping)之类的周期性告警。这种周期性告警互联网数据包探索要求智能天线26在板上具有能量存储设备66(例如，电池、超级电容器等)。
此外，可能期望为智能天线26在板上提供无线(例如，IEEE 802.11) 热点68，该无线热点68用于与用于传输有保障数据的伴随路由器28无关的开放数据(即，用户或普通大众使用的数据)。提供副本收发器20、在不同的通道上传输并且可能到达不同的提供方，可以允许来自有保障数据的开放数据完全分离。
顺着无线热点68这一想法，使用例如在符合802.11的帧上传输的专有加密封包机制，用无线连接70来代替连接线缆30也可能是有用的(如图6 进一步示出的)。在这种情况下，则信号扩展装置24将并入无线模块75来代替FC/B 25，该无线模块75实现用于将上文提到的辅助信号和USB数据包复用的专有多带协议。例如，每个无线模块都可以符合IEEE802.11。此外，智能天线26将要求用本地电力(未示出)来代替先前经由现在不存在的连接线缆提供的电力。在无线连接70的另一端(路由器28，图7中未示出)，将提供类似的无线模块75。
因而，依赖于无线模块75实现的专有协议的安全性，可以用安全无线连接70来代替上文参照图3讨论的网络端口42和连接线缆30。
虽然已经参照附图描述了本发明的示例性实施例，然而本领域技术人员将意识到与所附权利要求限定的本发明的范围一致的形式上以及细节上的各种改变。例如，虽然对于局域网而言通常用到插接连接和UTP线缆，然而提供螺旋端子连接或同轴线或类似等同方式也同样是可行的。

Claims (9)

1.一种安全无线网络系统，包括：
本地路由器，被配置为与远程路由器建立虚拟私有网络，所述本地路由器布置在安全设施内并包括第一格式转换和升压设备，所述第一格式转换和升压设备包括：
多个USB端口，连接为与所述路由器处理器通信；
网络端口；以及
复用/解复用电路，用于将从所述多个USB端口至所述网络端口的多个USB信号编码，并用于将从所述网络端口至所述多个USB端口的多个USB信号解码；
智能天线，布置在所述安全设施外并包括第二格式转换和升压设备、多个收发器以及每个收发器至少一个天线，所述第二格式转换和升压设备包括：
第二网络端口；以及
第二复用/解复用电路，用于将从所述多个收发器至所述第二网络端口的多个USB信号编码，并用于将从所述第二网络端口至所述多个收发器的多个USB信号解码；以及
网络线缆，穿过所述安全设施的边界连接在所述本地路由器内所述第一格式转换和升压设备的网络端口和所述智能天线内所述第二格式转换和升压设备的所述第二网络端口之间。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述路由器处理器将所述多个USB端口中多于一个端口之间的输出数据流进行分割，并汇集来自所述多个USB端口中多于一个端口的输入数据流。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述本地路由器处的复用/解复用器以及所述智能天线处的第二复用/解复用器以维持所述本地路由器处的多个USB端口与所述智能天线处的多个收发器之间的一对一信号对应性的方式进行编码和解码。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述本地路由器处的复用/解复用器和所述智能天线处的第二复用/解复用器以在所述多个USB端口和所述多个收发器之间打乱信号包的方式进行编码和解码。
5.如权利要求4所述的系统，其中，信号包的打乱包括缓冲。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个收发器中的至少一个被配置为以与所述多个收发器中的至少另外一个收发器不同的信号频率操作。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述复用/解复用电路将所述USB信号编码到承载电力信号上。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述复用/解复用电路编码与模式控制信号并行的、从收发器接收或发送至收发器的USB信号。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述网络线缆是经由电力线网络适配器连接至网络端口的AC电力线缆。
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