CN1623319A - 利用软件调制解调器进行无线连接的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一般，但并不只是，涉及无线通信技术。尤其是，但并不只是，它涉及使用计算机主机和无线连接例如基于无线LAN或蓝牙的计算系统和方法。本发明还涉及使用软件调制解调器的新的结构，用于实现具有主机和收发机设备的无线通信系统。无线通信系统是基于新的功能划分的。收发机设备的原始功能的一部分被移植到了在主机上运行的软件程序上。结果，因为它现在，至少部分地，是基于软件方法的，所以减少了收发机的硬件成本，并且增加了系统的适应性。

Description

利用软件调制解调器进行无线连接的装置
发明领域
本发明一般地但不只是涉及无线通信技术。尤其是，但并不只是，它涉及使用计算机主机和诸如基于无线LAN或蓝牙的无线连接的计算系统和方法。
本发明还涉及一种新的结构，该结构使用软件调制解调器实现具有主机和收发设备的无线通信系统。该无线通信系统基于新的功能划分。收发设备的一部分初始功能被转移到运行在主机上的软件程序上。结果，由于它现在，至少部分地，是基于软件方法实现的，所以减少了收发设备的硬件成本，并且增加了系统的灵活性。
背景技术和发明概述
无线通信技术沿着一条逻辑的路径，从军事或商业使用的第一代模拟设备到今天的数字、低功率的移动电话和无线互联网连接，迅速地发展着。对于计算机应用，采用无线收发器代替现有电缆的需求也日益增加。在个人通信时代中通过将无线技术与互联网上新的商业机会相结合，现在能够提供便利的且有创造性的增值服务。由NTT DoCoMo提供的i-Mode服务和在过去几年里显著增长的PDA(个人数字助理)市场就是成功的例子。可以预测，在未来的几年里，出于商业、娱乐和生活的目的，越来越多的人将会进行可视页诸如web内容的交换。因此，在大多数计算主机，例如在便携式电脑、PDA、以及微型PC上，用于交换信息的无线连接将成为一种必备的功能。
将无线连接功能添加到计算主机上的传统方法是，把附加卡作为用于通信功能部分的单独的外设，附加卡，例如可以是无线LAN卡(例如用于802.11a或802.11b)、蓝牙卡。因此，在传统方法中，在主机和附加卡之间存在功能划分。如图1中所示，一种遵循标准OSI 7层协议的典型的方法是使用层2和层3之间的接口作为划分。在附加卡上，典型地，是一块专用的硬件，用于实现所述特定的功能，例如数据链路层和物理层。
对于消费者来说，接受用于无线个人应用的计算主机的重要标准是，尤其是，计算主机(加上附加卡)的物理尺寸和形状的因素。而且，它应当非常小，并且易于携带。这就需要减小主机和附加卡的尺寸。然而，计算主机要负责执行应用程序，并且因此应当具有足够强大的功能。结果，减小附加卡的尺寸就成了一种可行的具有吸引力的解决办法。
另一个考虑是成本。因为无线功能正变成一个必备的部分，用附加卡实现这种功能在成本上并不合算。这就类似于个人计算机(PC)的发展，过去，越来越多默认的功能被转移到PC的主板上，例如串行端口、并行端口、硬盘接口、LAN、调制解调器等。因此，从购买者的角度来看，当最终用户需要这种功能时，将其默认地包含在内，对他/她来说似乎是有利的。这似乎与无线功能是相似的。然而，将更多的功能转移到主板上可能会引发某些问题，例如较高的集成复杂性、使管理硬件的软件变得更加复杂等。
本发明的一个目的是针对以上问题和难点提供一种最佳解决方法。本发明提出了基于提供无线通信功能的软件模块(代替传统使用的软件模块)的系统、方法和软件。本发明不是将无线附加卡转变为PC主板上的硬件元件，而是将附加卡的功能部分转移给运行在主机的CPU上的软件程序或软件模块。这是由，例如，目前能够以2GHz或以上的时钟脉冲速度操作的便携式电脑的CPU，以及目前能够以200MHz或以上的时钟脉冲速度运行的微型PC的CPU实现的。这就避免了可能的硬件集成问题，而且能够减少，例如附加卡的尺寸。所提出的划分包括物理层，被划分为两部分，上部物理层和下部物理层。
其它优点和新颖性特征将在后面的说明中进行阐明，并且在某种程度上，对于本领域技术人员而言，根据后面的试验，这些优点和新颖性特征是很显然的，或者通过本发明的实践，是可以了解到的。
附图简述
以示例的方式，参照附图对本发明作了更详细的解释，其中：
图1是典型的无线附加卡功能；
图2是所提出的功能划分；
图3是所提出的使用软件调制解调器的无线系统；
图4是蓝牙软件调制解调器和无线电附加模块；
图5是用于虚拟HCI层的UART模拟；
图6是所提出的在不修改HCI层的情况下用于具有与HCI-UART的接口的蓝牙软件调制解调器的设备驱动器结构；
图7是可行的蓝牙软件调制解调器的实现；以及
图8是使用软件调制解调器的DH1包传输的例子。
具体实施方式
图1示出了被映射到七层OSI模型100上的传统的典型无线附加卡功能。OSI模型100包括应用层120、描述层122、会话层124、传输层126、网络层128、数据链路层130和物理层132。计算机主机102实现上面的五层，而附加卡104实现下面的两层。计算机主机102和附加卡104通过主机接口102的装置相互连接，主机接口102位于网络层128和数据链路层130之间。
在图2中示出了本发明所提出的划分的一般原理，该划分被映射在七层OSI模型200上。本发明是基于将无线连接功能集成到计算主机上的新的功能划分的。OSI模型200包括应用层220、描述层222、会话层224、传输层226、网络层228、数据链路层230、上部物理层233以及下部物理层234。主机202上的计算机软件实现上面的六层以及上部物理层233的一部分。附加卡204实现下部物理层234。计算机主机202和附加卡204通过主机接口202的装置相互连接，该主机接口202位于上部物理层233和下部物理层234之间。
在图3中示出了使用软件调制解调器的无线系统的系统结构的更详细而具体的例子。个人计算机300包括计算机主机301和无线电附加模块304，它们通过数字主机接口306相互连接。计算机内核302包括软件调制解调器303和网络层302。该无线系统包括两个主要部件：软件调制解调器303和无线电附加模块304，下面将作解释。无线电附加模块304是相对简单而低成本的硬件，用于实现以下功能：
-在RF部分344中接收来自RF的无线电信号，并在ADC转换器342中将这些信号转换为数字信号，以及将这些信号发送给主机；
-通过数字主机接口控制器340接受来自主机的数字信号，并使用DAC转换器346将它们转换为模拟信号，以及通过RF部分344将它们发送给RF；以及
-通过数字主机接口控制器340接受来自主机的数字控制信号，该数字主机接口控制器340用于在RF部分344上实现控制功能，例如功率控制、频率调整。
在计算机主机301上，所有需要的基带功能和以上功能都由软件来实现。计算机主机301包括软件调制解调器303和网络层330，它们能够以双向的方式进行相互通信。软件调制解调器303能够使用数字主机接口306与无线电附加模块304进行通信。软件调制解调器303作为软件设备驱动器存在，用于与所述附加模块304进行通信，以便执行所需的功能，例如：
-基带算法，例如前向纠错(FEC)、循环冗余校验(CRC)、加密、信道编码、身份鉴别以及同步。
-数据链路层或MAC层功能，例如多路访问控制、ARQ、页面调度、查询......
-链路管理功能，例如建立连接、桥接、路由、......
-提供与(上部)网络层302的接口
在图3中，软件调制解调器包括多个软件处理，称作基带ISR(中断服务例程)338、基带IST(中断服务线程)334以及一般的处理。ISR338包含那些直接与硬件信号进行交互的过程，例如来自无线电附加模块304的硬件信号，并且因此，应当具有实时的性能。IST还处理硬件信号，但是只具有次优先级。对于较高层上的那些一般过程，都使用软件处理。因此，在图3中，典型地，具有多个基带ISR 338、多个基带IST 334，以及多个MAC/链路控制处理336，以及逻辑链路控制处理332，其中逻辑连接控制处理332提供了软件调制解调器303到(上部)网络层330的接口。
在传统的设计中，ISR 338和IST 334都是，例如通过使用硬布线的硅片或在硅片上的可编程逻辑阵列由硬件实现的。即使调制解调器的功能变成(并且还在变)被集成到主机计算机上时，功能划分，例如在OSI模型方面，依旧相同。然而，本发明利用了主机处理器的能力，通过在主机处理器上运行的软件，来实现某些目前采用硬件实现的功能。用软件实现这些功能，尤其是IST 334、ISR 338以及接口306的一部分，是非比寻常的。单从部件角度来看，它将更廉价地提供基于硬件的方法，因为对主机处理能力的要求可能抬高主机计算机的成本。然而，本发明人发现，某些功能(优选实施例包括至少：ISR338、IST 334、接口306的一部分以及可能的其它功能)用软件来实现具有许多优点。这些优点包括，但并不限于：
-高灵活性，从ISR/IST的一种类型到另一种类型的转换，用较小的附加硬件成本就能很容易地实现(例如，当用户在某一时刻想要使用基于蓝牙的服务并且下一时刻想要使用基于802.11b的服务时，通过替换为相对简单的802.11b RF前端部分加上基于软件模块的主机就能够实现)；
-对市场机遇的快速反应时间(尤其是由于再利用、已证明的软件概念的使用)；
-高可靠性(比较少的硬件部件，所以发生有关硬件的问题的机会比较少)；
-在该领域中，能够修补程序错误；以及
-软件方法，从中远期考虑，将得到较低成本的解决方法，尤其是考虑耐用性、升级能力以及维护方面时。
图4是使用蓝牙作为一个例子的本发明的实施例的图解说明。这个实施例说明蓝牙协议栈400的新颖性功能划分，并且由此，有效地减少了系统成本和物理尺寸。蓝牙协议栈400和蓝牙无线电附加模块404通过物理总线接口406的装置连接。该协议栈包括蓝牙应用模块460和蓝牙软件调制解调器模块403。蓝牙软件调制解调器403包括L2CAP模块440、虚拟HCI层模块442、链路管理器模块444、链路控制器模块446以及物理总线驱动器模块448。蓝牙无线电附加模块包括物理总线控制器450、ADC/DAC452以及蓝牙RF部分454。
虚拟HCI层442指的是传统蓝牙系统的扩展。按照蓝牙的技术规范，HCI层在主机与蓝牙设备之间提供透明的通信。现已规定了多种HCI传送标准，象UART、USB以及PCMCIA。然而，主机和嵌入式蓝牙设备交换标准的HCI包，该HCI包被下面的HCI传输子层，例如HCI-UART和HCI-USB封装，并且因此，将不会被不同的物理总线打扰。因为本发明已经提出将链路控制器推给主机，所以初始的HCI层被进一步推到内部。不再需要物理HCI传输总线。因此，将虚拟HCI层发明为能够保留软件的可移植性和完整性。
图5是本发明的具有虚拟HCI层520的蓝牙系统500的示意图，该虚拟HCI层520使用了标准的HCI-UART子层模块544。蓝牙系统500包括标准蓝牙协议栈530和蓝牙软件调制解调器503，它们使用虚拟HCI层520相互通信。标准蓝牙协议栈包括L2CAP模块540、HCI-驱动器模块542以及标准HCI-UART子层模块544。蓝牙软件调制解调器503包括UART仿真模块546、链路管理器模块548、链路控制器模块550以及物理总线驱动器模块552。因为大部分蓝牙软件协议栈530都支持UART接口作为HCI传输层，所以可以很好地在蓝牙软件调制解调器503上模拟UART接口，在蓝牙软件调制解调器503的顶端，标准HCI-UART子层544可以看到该UART接口。
作为使用UART模拟546的结果，蓝牙软件调制解调器503可以被看作标准的UART设备，该标准的UART设备被附着在计算机主机上。这就保证了所建议的蓝牙软件调制解调器503的互用性，以便与标准蓝牙协议栈530一起工作。图6示出了本发明的蓝牙系统610的图解说明，蓝牙系统610包括软件栈600和物理模块604。软件栈600包括应用简档文件660、SDP 672、RFCOMM 674、L2CAP 640、HCI应用API688、HCI644、HCI-UART676、HCI-USB 678、HCI-PCMCIA 680、UARTWDM驱动器682、USB WDM驱动器684、PC卡驱动器686、UART仿真690以及软件基带调制解调器下部驱动器692。与传统的蓝牙主机栈相比，UART仿真690和软件基带调制解调器下部驱动器692是新的特征。物理模块604包括蓝牙无线电模块694、UART蓝牙模块695、USB蓝牙设备696以及PC卡蓝牙设备697。
图7示出了按照本发明的一个实施例的蓝牙系统700的可行的实现方式，蓝牙系统700包括软件710和硬件720。硬件720和软件710能够通过插槽和卡设备层730相互通信。这个例子使用PCMCIA作为数字主机接口的一个例子。硬件720包括CF-型蓝牙无线电卡742，该蓝牙无线电卡742能够插入PCMCIA主机控制器模块740中。CF-卡742能够向PCMCIA控制器740产生中断请求(IREQ)。然后，IREQ将向PCMCIA驱动器716发出PC系统中断请求(IRQ)。作为响应，PCMCIA驱动器通常调用ISR socket.c。软件710包括HCI-UART 702、COM端口仿真器704、HCI-DPC 706、链路控制器DPC 708、链路管理器DPC 710、链路控制器712、写端口714、PCMCIA驱动器716以及PCI层718。PCI层718通过使用PCMCIA地址总线能够对CF卡742进行寻址。下面描述软件ISR、IST以及处理的一些功能。
链路控制器ISR 712：执行蓝牙基带和链路控制器功能。ISR 712分配有高的处理优先级，以便用于实时的需求。ISR 712能够调用DPC708。
链路控制器DPC(推迟的过程调用)708：以较低的实时需求，执行蓝牙基带和链路控制器中的那些功能。
链路管理器DPC 710：执行蓝牙LMP功能。
HCI DPC706：用于虚拟HCI传输层仿真，例如UART仿真。
链路控制器ISR 712执行蓝牙通信所需的所有实时功能。在图8中，给出了一个传输DH1包的例子，将其作为链路控制器ISR 712的功能说明。一旦接收到来自RF的访问码，无线电模块(例如CF型蓝牙无线电卡742)就向主机(例如PCMCIA主机控制器740)发出中断请求。并且在经过了中断等待周期dISR之后，链路控制器ISR(例如链路控制器ISR 712)开始处理该信息包。处理该信息包的一些重要的任务包括：
-同步字匹配；
-报头检测：包括去白噪声化、去HEC、去FEC；
-将有效载体信息复制到某个其它存储器位置上，以便被另一个DPC处理；
-准备响应一个信息包(如果需要的话)；
-频率跳动序列计算和RF调整；以及
-ISR返回。
在链路控制器ISR之后，有效载体信息的处理将依赖于信息包的类型。如果它是数据包，则触发链路控制器DPC(例如DPC 708)。如果它是链路管理器包，则触发链路管理器DPC(例如DPC 710)。在链路控制器DPC中，将处理链路控制器ISR剩下的任务。这些任务包括：
-有效负载报头处理；
-FEC解码；
-去白噪声化；
-解密(或用于传输的加密)；
-CRC解码；以及
-将信息包发送给HCI DPC。
在链路管理器DPC中，将处理有关链路管理器的所有任务。
通过阅读所公开的内容，对于本领域技术人员而言，其它修改都是很显然的。这些修改可以包括在设计、加工和设备使用中已知的用于记录和获取实时通信的其它特征，并且它们可以代替此处已经描述的特征或者添加到这些特征上。虽然在本申请中已经针对技术特征的特定组合阐明了权利要求，但是应当理解，本申请公开的范围还包括，此处明确地或者隐含地或者其任何广义上公开的任何新颖性特征或新颖性特征的组合，无论它是否缓解了与本发明要解决的任部分或所有的相同的技术问题。因此，申请人告知，新的权利要求可以被阐述为，在执行本申请的过程中的这些特征，或者由此导出的任何进一步的申请。
此处使用的词“包括”不应当视为排除了附加元件。此处所使用的单数冠词“一个”不应当视为排除了多个元件。

Claims (16)

1.一种无线连接系统，与移动计算系统的计算机主机(301)一起，用于访问运行在主机(301)上的应用程序所使用的远程信息，该无线连接系统包括：
—软件调制解调器模块(303)，它能够在主机(301)上运行，用于实现无线通信功能，其中软件调制解调器(303)包括：
—ISR(中断服务例程)(338)，用于严格的实时基带功能；
—IST(中断服务线程)(334)，用于次优先级基带功能；以及
—数字主机接口(306)，其中该接口能够与无线电模块(304)进行通信。
2.根据权利要求1的系统，其中软件调制解调器模块包括：
—MAC控制处理部分(336)，其用于执行数据链路层功能；以及
—逻辑链路控制处理部分(332)，其用于提供到网络层的接口的功能。
3.根据权利要求1的系统，其中无线电模块(304)包括：
—RF前端(344)；
—模拟信号到数字信号转换器(342)；
—数字信号到模拟信号转换器(346)；以及
—数字主机接口控制器(340)，其能够与主机进行通信。
4.根据权利要求1的系统，其中无线连接是基于无线LAN和蓝牙中的至少一个的。
5.根据权利要求1的系统，其中ISR(338)包括如下功能：
—蓝牙FEC、HEC和CRC；
—访问码的产生；以及
—频率跳动序列计算。
6.根据权利要求1的系统，其中IST(334)包括如下功能：
—蓝牙加密；
—蓝牙身份鉴别；以及
—蓝牙随机数的产生。
7.根据权利要求1的系统，其中软件调制解调器(303)包括链路控制处理部分，其用于实现蓝牙链路控制器(446)和链路管理器(444)的功能。
8.根据权利要求7的系统，其中软件调制解调器(303)还包括虚拟HCI层(442)，该虚拟HCI层用于仿真标准蓝牙HCI传输层(676，678，680)。
9.根据权利要求8的系统，其中标准蓝牙HCI传输层(442)是基于UART(676)、USB(678)和PCMCIA(680)中的其中之一。
10.根据权利要求1的系统，其中该无线连接是基于蓝牙的，并且其中数字主机接口(306)是基于PCMCIA(686)、压缩闪存和USB(684)中的至少一个的。
11.一种用于实现无线连接的方法，其使用移动计算系统的计算机主机(301)，以便访问在主机(301)上运行的应用程序所使用的远程信息，该方法包括步骤：
—在主机(301)上运行软件调制解调器程序(303)，其用于实现无线通信功能；以及
—通过数字主机接口(306)与无线电模块(304)进行通信，其中
软件调制解调器程序(303)包括：
—第一模块，执行ISR(中断服务例程)(338)，其用于严格的实时基带功能；以及
—第二模块，执行IST(中断服务线程)(334)，其用于次优先级基带功能。
12.根据权利要求11的方法，其中该软件调制解调器程序(303)还包括：
—第三模块，用于由MAC控制处理(336)实现数据链路层功能；以及
—第四模块，用于由逻辑链路控制处(332)提供到网络层的接口的功能。
13.根据权利要求11的方法，其中该无线连接是基于蓝牙的。
14.一种用于实现无线连接的软件，其能够在移动计算系统的计算机主机上运行，以便访问在该主机上运行的应用程序所使用的远程信息，该软件包括：
—第一模块，其能够通过数字主机接口(306)与无线电模块(304)进行通信；
—第二模块，其执行ISR(中断服务例程)(338)，用于严格的实时基带功能；以及
—第三模块，执行IST(中断服务线程)(334)，用于次优先级基带功能。
15.根据权利要求14的软件，其中该软件还包括：
—第四模块，用于由MAC控制处理(336)实现数据链路层功能；以及
—第五模块，用于由逻辑链路控制处理(332)提供到网络层的接口的功能。
16.根据权利要求14的软件，其中该无线连接是基于蓝牙的。
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