CN1643805A - 用于通过检测能量起伏表明无线局域网的存在的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于检测无线局域网(WLAN)(104)的存在的方法和设备，其中检测在WLAN频段中传播的射频(RF)信号中的至少一个能量起伏并响应于对该至少一个能量起伏的检测而表明WLAN(104)的存在。

Description

用于通过检测能量起伏表明无线局域网的存在的方法和设备
发明背景
发明领域
本发明总的涉及通信系统，更具体地，涉及用于检测无线局域网的存在的方法和设备。
相关技术描述
当前，第2.5代(2.5G)和第三代(3G)蜂窝网可以提供具有高达2Mbps的数据速率的无线数据业务，诸如无线互联网业务。另一方面，无线局域网(WLAN)(诸如IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和HiperLAN/2无线网)例如可提供高于10Mbps的速率的数据业务。由于WLAN使用免执照的频段，WLAN业务的实施典型地也比蜂窝业务更加便宜。这样，当移动设备处在WLAN的服务区域内时希望从蜂窝业务切换到WLAN业务。蜂窝业务和WLAN业务之间的切换可以对可用频谱进行最佳利用并且可以在高峰工作时间期间减小蜂窝网的负担。
移动设备典型地具有有限的功率资源。通过接通整个WLAN子系统来连续地检查WLAN的存在会导致很大的功率消耗。因此，需要将能够与多种类型的无线网(诸如蜂窝网和WLAN网)通信的移动设备所使用的功率最小化。
发明概要
本发明是由移动设备检测无线局域网(WLAN)的存在的方法和设备。具体地，本发明检测在WLAN频段中传播的射频(RF)信号中的至少一个能量起伏。在一个实施例中，该至少一个能量起伏相应于WLAN中媒体接入控制(MAC)层的活动。本发明检测相应于RF信号中的周期性信标的多个周期性能量脉冲。本发明随后响应于对该至少一个能量起伏的检测而表明WLAN的存在。这样，当移动设备位于WLAN服务区域内时，本发明可有利地允许移动设备把通信从蜂窝网转移到WLAN。
附图简述
通过参照在附图中显示的本发明的实施例，可以得到以上概述的本发明的更具体的说明，这样，可以得到和详细地了解本发明的上述的特性。
然而，应当指出，附图只显示本发明的典型的实施例，所以不应被认为是限制本发明的范围，因为本发明可以允许有其他同样有效的
实施例。
图1显示其中可以有利地利用本发明的通信系统；
图2是显示具有按照本发明的无线局域网(WLAN)扫描器的、图1的移动设备的一部分的一个实施例的高级别方框图；
图3是显示图2的移动设备的该部分的更详细的方框图；
图4是显示实现本发明的原理的、将移动设备中的通信从蜂窝网转移到WLAN的方法的一个实施例的流程图。
图5是显示本发明的WLAN能量检测器的一个实施例的方框图。
图6是显示图5的WLAN能量检测器的一个实施例操作的状态图；
图7图形地显示来自WLAN的所接收的射频信号；
图8图形地显示由本发明的WLAN能量检测器滤波的图7的RF信号；
图9是显示在移动设备中用于可控制地执行对于WLAN的扫描的方法的一个实施例的状态图；以及
图10是显示在移动设备中用于可控制地执行对于WLAN的扫描的方法的另一个实施例的状态图。
详细描述
本发明是用于检测无线局域网(WLAN)的存在的方法和设备。下面就当移动设备位于WLAN的服务区域内时将移动设备中的通信从蜂窝电话网转移到WLAN这一方面对本发明进行描述。然而，本领域技术人员将会看到，本发明可以在能够与WLAN通信的任何通信设备中被有利地利用。因此，除了本文描述的通信系统以外，本发明具有广泛的适用性。
图1显示其中可以有利地利用本发明的通信系统100。通信系统100包括无线通信网102，多个WLAN接入点104(例如，WLAN接入点1041和1042)，和多个移动设备110(例如，移动设备1101和1102)。无线通信网102提供业务给位于服务区域106内的移动设备110(例如，移动设备1101和1102)。例如，无线通信网102可包括提供话音和/或数据业务给位于服务区域106内的移动设备110的蜂窝电话网。WLAN接入点1041和1042分别提供业务给位于服务区域1081和1082内的移动设备110(例如，位于服务区域1081内的移动设备1102)。例如，WLAN接入点104可以包括提供话音和/或数据业务给服务区域108内的移动设备110的IEEE 802.11b WLAN接入点。通信系统100被说明性地显示为具有相应于WLAN接入点104的非重叠的服务区域108，该WLAN接入点位于相应于无线通信网102的服务区域106内。其他安排也可使用于本发明，诸如重叠的服务区域108。
正如下面描述的，本发明允许每个移动设备110检测WLAN的存在。这样，当移动设备110位于服务区域1081内时，本发明使得每个移动设备110能够与一个或多个WLAN接入点104通信，而不是与无线通信网102通信。例如，位于服务区域1081内的无线局域网1102能够与WLAN接入点1041和无线通信系统102通信。因此，移动设备1102可以按希望地在WLAN接入点1041与无线通信系统102之间转移通信。然而，移动设备1101将继续与无线通信系统102通信，直至移动设备1101移动到WLAN接入点104的一个或多个服务区域108内为止。
在无线通信系统102与WLAN之间的切换的决定可以在移动设备110处作出，或由无线通信系统102中的智能作出。为了让无线通信系统102作出决定，无线通信系统102需要精确地知道移动设备110的位置和WLAN接入点104的位置。移动设备110的位置例如可以通过使用移动设备110中的全球定位系统(GPS)接收机以及把坐标发送到无线通信系统102而精确地得到。
图2是显示其中利用本发明的移动设备110的一部分的一个实施例的高级别方框图。移动设备110包括被耦合到天线210的蜂窝前端202，被耦合到天线212的WLAN前端204，蜂窝基带电路206，WLAN基带电路208，多路复用器216，网络层218，和应用层220。蜂窝前端202发送和接收在蜂窝电话频段内的射频(RF)信号，所述信号由蜂窝基带电路206处理。WLAN前端204发送和接收在WLAN频段中的射频信号，所述信号由WLAN基带电路208处理。WLAN基带电路208和蜂窝基带电路206的数据输出被耦合到网络层218。网络层218的输出被耦合到应用层220，用于给用户的视/听显示。例如，移动设备110可包括蜂窝电话。在另一个例子中，移动设备110包括带有WLAN插入卡(例如，个人计算机存储卡内部协会(PCMCIA)插入卡)的个人数字助理(PDA)。
按照本发明，WLAN前端204包括用于检测WLAN的存在的WLAN扫描器214。简要地说，本发明启动WLAN扫描，以搜寻WLAN的存在。下面参照图9和10描述用于可控制地执行WLAN扫描的方法。至此，蜂窝前端202已在接收和发送数据信号，而蜂窝基带电路206已在处理数据信号。在检测到WLAN的存在后，WLAN扫描器214通知网络层218：存在WLAN。如果想要的话，网络层218随后可通过多路复用器216启动WLAN基带电路208。也就是说，现在是WLAN前端204接收和发送数据信号，而WLAN基带电路208处理数据信号。
当WLAN基带电路208被启动时，可以停用蜂窝基带电路206。如果移动设备110此后移动到WLAN的范围以外，网络层218可以通过多路复用器216启动蜂窝基带电路206，并且可以停有WLAN基带电路208。在一个实施例中，网络层218响应于移动设备110中的信号质量降低到预定阈值以下(例如，移动设备110移动到WLAN的范围以外)而启动蜂窝基带电路206。本领域技术人员将会看到，本发明可被使用于其他的安排，诸如被配置成只与WLAN通信的移动设备(例如，笔记本电脑)。
图3是显示按照本发明的移动设备110的一部分的更详细的实施例的方框图。与图2上的元件相同的或类似的、图3上的元件用相同的标注数字表明。WLAN前端204被显示为包括RF滤波器302，低噪声放大器(LNA)306，混频器310，锁相环(PLL)电路314，带通滤波器(BPF)318，自动增益控制(AGC)电路322，和同相及正交(I/Q)解调器326。蜂窝前端202被显示为包括RF滤波器304，LNA 306，混频器312，PLL电路316，BPF 320，AGC电路324，和解调器328。在所显示的实施例中，WLAN扫描器214包括WLAN能量检测器338，控制器330，多路复用器336，和AGC多路复用器332。
在操作时，在WLAN频段中传播的RF信号从RF滤波器302被耦合到LNA 306。RF滤波器302被设计成通过在感兴趣的WLAN频段中的RF信号，例如2.4GHz范围。LNA 306在AGC控制下放大RF信号，并把该RF信号耦合到混频器310。混频器310把RF信号与来自PLL电路314的输出相乘，以产生具有与感兴趣的特定频道相关的频率的调谐的RF信号。PLL电路314也在AGC控制下。调谐的RF信号被耦合到BPF 318，以去除由混频器310产生的高阶频率分量。BPF 318的输出被耦合到AGC电路322，以用于增益控制。AGC电路322的输出随后被耦合到I/Q解调器326，它以已知的方式解调该调谐的RF信号。I/Q解调器的输出是基带或近基带信号。
蜂窝前端202的操作类似于WLAN前端204的操作。简要地说，在蜂窝频段中传播的RF信号从RF滤波器302被耦合到LNA 308。RF滤波器302被设计成通过在感兴趣的蜂窝频段中的RF信号，例如1.9GHz范围。LNA 308放大RF信号，而混频器312在PLL 316的控制下产生调谐的RF信号。BPF 320去除由混频过程生成的高阶频率分量，并且AGC电路324提供增益控制。解调器328把基带或近基带信号输出到蜂窝基带电路206。
按照本发明，来自I/Q解调器326的基带或近基带信号被耦合到WLAN能量检测器338。WLAN能量检测器338在解调的RF信号中扫描相应于WLAN中的媒体接入控制(MAC)层活动的一个或多个能量起伏。在类似噪声能量中的突然的周期性变化(例如RF信号中的能量起伏)将表明由WLAN中的媒体接入控制(MAC)层处理所产生的活动。在一个实施例中，WLAN能量检测器338扫描相应于在RF信号中发送的周期信标的能量起伏。例如，在IEEE 802.11标准中，信标以可编程的速率(例如，典型地10Hz)被周期地发送。检测RF信号中这些10Hz能量起伏的存在可表明WLAN的存在。
响应于检测到一个或多个能量起伏，WLAN能量检测器338向控制器330表明WLAN的存在。控制器330把WLAN检测信号提供到网络层218。网络层218通过多路复用器336可控制地选择来自WLAN基带电路的输出信号。下面参照图4描述将移动设备中的通信从蜂窝网转移到WLAN的方法。在WLAN基带电路208未被启动时，控制器330也通过AGC多路复用器332为WLAN前端204中的元件提供增益控制。
图5是显示WLAN能量检测器338的一个实施例的方框图。WLAN能量检测器338包括模拟-数字(A/D)变换器504，绝对值电路506，低通滤波器(LPF)510，和能量改变检测器516。来自WLAN前端204的解调的RF信号由A/D变换器504进行数字化，并且被耦合到绝对值电路506。绝对值电路506计算在数字化的解调RF信号中的样本的绝对值。替换地，绝对值电路506可以用幅度平方电路代替，该幅度平方电路会把数字化的解调RF信号的样本进行平方。绝对值电路506的输出被耦合到LPF 510。LPF 510的输出被耦合到能量改变检测器516，它检测上述的能量起伏。虽然WLAN能量检测器338被描述为具有A/D变换器，本领域技术人员将会看到，A/D变换器可以是在WLAN前端204中，而不是在WLAN能量检测器338中。如上所述，解调的RF信号可以是来自I/Q解调器326的基带或近基带信号。替换地，解调的RF信号可以是典型地在数字域中执行基带解调的系统中所使用的低中频(IF)信号。所述信号的脉冲能量特性在任一种方法中都将存在。
操作时，WLAN能量检测器338包括计算来自WLAN前端204的解调的RF信号的绝对值或平方的递归平均。结果被图示在图7和8中。具体地，图7图示所接收的RF信号。在本例中，所接收的RF信号是具有-3dB的信噪比(SNR)的直接序列扩频(DSSS)信号。这样的信号例如在IEEE 802.11b WLAN中被采用。轴702代表RF信号的幅度，而轴704代表样本数(以百万样本计)。如图所示，该RF信号是具有信噪声能量特性的信号。图8图示在上述的递归平均计算后，WLAN能量检测器338中的LPF 510的输出。轴802代表输出信号的幅度，而轴804代表样本数(以百万样本计)。如图8所示，LPF 510的输出是多个周期能量脉冲806。能量脉冲806是由WLAN中MAC层活动造成的一个或多个能量起伏的例子。本例中的LPF 510实施以下的递归平均：
              y(n)＝x(n)+0.9999y(n-1)
其中y(n)是LPF 510的当前输出样本，x(n)是LPF 510的当前输入样本，以及y(n-1)是LPF 510的前一输出样本。
为了检测能量脉冲806，本发明利用能量改变检测器516。正如下面参照图6描述的，能量改变检测器516检测能量脉冲806并生成发送到控制器330的WLAN存在信号。由于本发明只扫描RF信号中能量起伏的存在并且不从RF信号恢复数据，本发明有利地消除同步RF信号和进行载波恢复的需要。在WLAN标准中规定的频率基准精度(例如，在IEEE 802.11b标准中规定的±25ppm)可允许PLL电路314在无需由WLAN基带电路提供的自动频率控制(AFC)的情况下操作。这样，WLAN基带电路208不必被启动来检测WLAN的存在，由此，节省了功率并节约了移动设备中的电池寿命。
A/D变换器304提供过载指示信号，用于控制WLAN前端204的LNA306和AGC电路322的增益(图3)。过载指示信号被提供给控制器330，用于避免在A/D变换器504中的削波效应，削波效应会造成错误的信号检测。控制器330可以利用过载指示信号来通过多路复用器332进行增益控制。一旦WLAN基带电路208被启动并且移动设备正在从WLAN接收服务，增益控制就通过多路复用器332被传递到WLAN基带电路208。
回到图5，在WLAN能量检测器338的另一个实施例中，在LPF 510的输入端和输出端处提供了抽样电路508和512。抽样电路508和512控制采样速率，该采样速率可以按照所接收的RF信号的SNR被调节。例如，如果SNR较高，则RF信号可以以较低的速率被数字化。噪声能量将被混淆，但能量脉冲806仍旧是可检测的。因此，对于0dB的SNR，LPF 510的输入和输出的100∶1抽样仍旧允许由能量改变检测器516检测能量脉冲806。另一方面，如果SNR较低，则使用较高的采样速率，以允许LPF 510中的更多的平均。在再一个实施例中，边沿检测器514可被使用来着重能量脉冲806的上升和下降，以及去除由LPF 510产生的DC偏移。
图6是显示能量改变检测器516的一个实施例的状态图。在本实施例中，能量改变检测器516是工作在WLAN的MAC层活动的约两倍的频率(例如，1kHz)的状态机。在状态602，能量改变检测器516初始化。如果没有能量脉冲806，则能量改变检测器516保持为空闲。在检测到一个能量脉冲806后，能量改变检测器516移到状态604。如果另一个能量脉冲806在预定的持续时间内到达，则能量改变检测器516移到状态606。否则，能量改变检测器516回到状态602。能量改变检测器516以类似的方式从状态604前进到状态606、608和610。预定的持续时间可以通过定时器的例如150ms的延时来实施。因此，在本例中，在能量改变检测器516表明WLAN存在之前，四个能量脉冲806必须在150ms内被接收。本领域技术人员将会看到，可以使用相应于在给定的持续时间内在RF信号中检测到一个或多个能量脉冲或起伏的一个或多个状态。
如上所述，当移动设备位于WLAN的服务区域内时，本发明的WLAN能量检测器可以允许移动设备把通信从蜂窝网转移到WLAN。图4是显示在移动设备中用于把通信从蜂窝网转移到WLAN的方法400的一个实施例的流程图。通过同时参照图3，可以最好地了解方法400。方法400在步骤402开始，并前进到步骤404，其中WLAN前端204选择一个WLAN信道进行处理。至此，蜂窝前端202和蜂窝基带电路206是工作的，并且移动设备正在与蜂窝网通信。在步骤406，由控制器330如上所述地执行增益调节。在步骤408，WLAN扫描器214如上所述地扫描能量起伏。如果WLAN扫描器214检测到这样的能量起伏，则方法400从步骤410前进到步骤414。否则，方法400前进到步骤412。
如果WLAN扫描器214检测到WLAN的存在，则在步骤414启动WLAN基带电路208，以确定WLAN的可接入性。如果连接是可能的，则方法400从步骤420前进到步骤422，其中移动设备把通信从蜂窝网转移到WLAN。如果连接是不可能的，则方法400从步骤420前进到步骤412。方法400在步骤424结束。
在步骤412，WLAN前端204选择下一个WLAN信道进行处理。如果不再有信道要处理，则方法400从步骤416前进到步骤418，其中WLAN前端204被停用，并且在预定的延时后重新执行该方法。如果还有信道要处理，则方法400前进到步骤404，在其中如上所述地重新执行方法400。上述的方法400可以由控制器330执行。
图9是显示在移动设备中用于可控制地执行对于WLAN的扫描的方法900的一个实施例的状态图。方法900在状态902开始，其中移动设备被初始化并保持为空闲。如果WLAN扫描器214检测到移动设备的数据传输，则方法900前进到状态904。例如，移动设备可以开始与蜂窝网通信，诸如检查电子邮件或启动移动设备内的网络浏览器。至此，WLAN扫描器214尚未工作。在状态904，WLAN扫描器214如上所述地扫描WLAN。WLAN扫描器214继续扫描WLAN，直至移动设备停止数据传输为止。如果没有由移动设备进行数据传输，则方法900回到状态902，其中WLAN扫描器214是不工作的。如果由WLAN扫描器214检测到WLAN，则如上所述地，方法900前进到状态906，其中移动设备开始使用WLAN。只要移动设备处在WLAN的服务区域内，移动设备就继续使用WLAN。在退出WLAN的服务区域后，方法900返回到步骤902。
图10是显示在移动设备中用于可控制地执行对于WLAN的扫描的方法1000的另一个实施例的状态图。方法1000在状态1002开始，其中移动设备被初始化并保持为空闲。如果WLAN扫描器214检测到来自移动设备的开始WLAN扫描的请求，则方法1000前进到状态1004。至此，WLAN扫描器214尚未工作。例如，移动设备可以例如通过按压移动设备上的按钮或通过选择菜单选项，而人工请求WLAN扫描。如果用户可以在WLAN上进行数据传输的话，这允许用户只执行数据传输。如果蜂窝网是数据传输的唯一手段，则用户可以选择放弃数据传输，直至WLAN业务可用的时间为止。
在另一个例子中，用户可设置WLAN扫描的频度。即，WLAN扫描器214可以周期性地或按照固定的日程表来接收对于WLAN扫描的请求。WLAN扫描的频率例如可以是移动设备中的菜单选项。减小WLAN扫描的频度可节省移动设备中的电池功率，但会在WLAN检测过程中引入等待时间，因为没有经常进行扫描。增加WLAN扫描的频度将导致更加快速的WLAN检测，随之而来是电池性能中的缺点。
在再一个例子中，对于WLAN扫描的请求可以通过用户启动WLAN扫描功能而被生成。具体地说，移动设备可以拥有被反复接通和关断的WLAN扫描功能。如果WLAN扫描功能被触发打开，则可以把该请求作为人工请求或周期请求发送到WLAN扫描器214。另外，WLAN扫描功能选项可被使用于以上参照图9描述的实施例。当用户正在进行数据传输但获知在该区域中没有WLAN覆盖时(例如，用户处在高速公路上的汽车中)，用户可以禁用WLAN扫描。禁用WLAN扫描功能节省电池功率。
在任何情形下，在状态1004，WLAN扫描器214都如上所述地扫描WLAN。如果没有检测到WLAN，则方法100返回到状态1002。如果检测到WLAN，则方法100前进到状态1004，其中移动设备如上所述地开始使用WLAN。只要移动设备处在WLAN的服务区域内，移动设备就继续使用WLAN。在退出WLAN的服务区域后，方法1000回到状态1002。
虽然上述的内容针对本发明的优选实施例，但在不背离本发明的基本范围的条件下可以设计出本发明的其他的和另外的实施例，并且本发明的范围由以下的权利要求书规定。

Claims (25)

1.一种方法，包括：
检测(408)在与无线局域网(WLAN)有关的射频(RF)信号中的至少一个能量起伏；以及
响应于对该至少一个能量起伏的检测，表明(422)WLAN的存在。
2.权利要求1的方法，其中至少一个能量起伏表明WLAN中媒体接入控制(MAC)层的活动。
3.权利要求1的方法，其中检测步骤包括：
滤波(510)RF信号的样本；以及
检测(516)在经滤波的RF信号中的多个周期能量脉冲。
4.权利要求3的方法，其中多个周期能量脉冲表明RF信号中的周期信标。
5.权利要求3的方法，其中滤波步骤包括：
计算(506)RF信号中每个样本的绝对值和平方的至少一项；以及
计算(510)RF信号样本的递归平均。
6.权利要求1的方法，还包括：
响应于对至少一个能量起伏的检测，启动(422)被配置成与WLAN通信的移动设备中的电路。
7.权利要求6的方法，还包括：
把移动设备中的通信从无线通信系统转移到(422)WLAN。
8.权利要求7的方法，其中无线通信系统是蜂窝电话网。
9.权利要求6的方法，还包括：
响应于从WLAN接收的信号的质量降低到预定阈值以下，停用被配置成与WLAN通信的移动设备中的电路。
10.权利要求1的方法，还包括：
检测(904)移动设备的数据传输；
其中检测至少一个能量起伏的步骤是响应于数据传输的检测执行的。
11.权利要求1的方法，还包括：
从移动设备接收(1004)对于检测WLAN的请求；
其中检测至少一个能量起伏的步骤是响应于对于检测WLAN的请求执行的。
12.权利要求1的方法，还包括：
以预定的频度从移动设备接收(1004)对于检测WLAN的多个请求；
其中检测至少一个能量起伏的步骤是响应于对于检测WLAN的多个请求中的每个请求执行的。
13.一种设备，包括：
一个能量检测器(338)，用于检测在与无线局域网(WLAN)(104)有关的射频(RF)信号中的至少一个能量起伏；以及
用于响应于对至少一个能量起伏的检测而表明WLAN(104)的存在的装置。
14.权利要求13的设备，其中至少一个能量起伏表明WLAN中媒体接入控制(MAC)层的活动。
15.权利要求13的设备，其中能量检测器(338)包括：
具有RF信号的样本作为输入的滤波器；以及
一个能量改变检测器(514)，用于检测在经滤波的RF信号中的多个周期能量脉冲。
16.权利要求15的设备，其中多个周期能量脉冲表明RF信号中的周期信标。
17.权利要求15的设备，其中能量改变检测器(514)检测在预定持续时间内的预定数目的能量脉冲。
18.权利要求15的设备，其中滤波器包括：
用于计算RF信号中每个样本的绝对值和平方的至少一项的电路(506)；以及
一个低通滤波器(510)，用于计算RF信号样本的递归平均。
19.权利要求15的设备，其中能量检测器(338)还包括：
用于控制RF信号的采样速率的抽样电路(508，512)。
20.权利要求15的设备，其中能量检测器(338)还包括：
一个边沿检测器(514)，用于加重经滤波的RF信号中的周期能量脉冲的上升和下降。
21.权利要求13的设备，还包括：
用于响应于对至少一个能量起伏的检测而启动(422)被配置成与WLAN(104)通信的移动设备(110)中的电路的装置。
22.权利要求21的设备，还包括：
用于响应于从WLAN(104)接收的信号的质量降低到预定阈值以下而停用被配置成与WLAN(104)通信的移动设备(110)中的电路的装置。
23.权利要求21的设备，还包括：
用于把移动设备(110)中的通信从无线通信系统(102)转移到WLAN(104)的装置。
24.权利要求23的方法，其中无线通信系统(102)是蜂窝电话网。
25.在被配置成与无线通信网和无线局域网(WLAN)通信的移动设备中，一种设备包括：
第一前端(202)，用于接收与无线通信网有关的RF信号；
第二前端(204)，用于接收与WLAN有关的RF信号；
第一基带电路(206)，用于处理由第一前端所接收的RF信号；
第二基带电路(208)，用于处理由第二前端所接收的RF信号；以及
一个WLAN扫描器(214)，用于检测在与WLAN有关的RF信号中的至少一个能量起伏并响应于对该至少一个能量起伏的检测而表明WLAN的存在。
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