CN1954526B - 用于基于802.3af同步的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于对基于以太网协议的多个接入点和/或附加同步单元的定时进行同步的方法和装置，该以太网协议使用802.3AF“基于局域网的能量方案，该方法包括步骤：(a)布置包括至少四对绞合线的电缆，该四对绞合线连接在网络中的两个或多个固定接入点(AP)和/或同步单元(SU)之间；(b)分配该至少四对绞合线的第一对来向至少一个(A)P或(SU)携带正直流干线电压；(c)分配该至少四对绞合线的第二对来向至少一个(AP)或(SU)携带负直流干线电压；(d)向干线的第一和第二对提供一系列同步脉冲，这些同步脉冲产生于同步源并电容耦合到第一和第二对绞合线，从而提供合成信号；及(e)通过由至少一个(AP)或(SU)在接收末端检测正负直流电压干线上的脉冲，重新构造所产生的同步脉冲。从而在两对同样的电缆(通常为4、5和7、8)上提供能量干线电压和同步脉冲，因而可继续使用传统的5类线和RJ-45以太网连接。WMTS单元包含用于接收或产生干线电压并电容耦合具有能量的同步脉冲的所有硬件，该同步脉冲用于向WLAN中的所有多接入点发送以对定时同步，从而保证当无线设备从一个接入点的控制移动到下一个时的平滑切换。

Description

用于基于802.3AF同步的方法和装置
本发明涉及便携式无线设备，其能够与固定多基站或使用时分多址(TDMA)的接入点进行通信，其中接入点典型地以太网类型协议IEEE802.3连接在一起。更特别地，本发明涉及对多接入点的定时同步，以使便携式无线设备在TDMA系统中从一个接入点切换到另一个接入点。所述方法与草案标准IEEE802.3AF及其后续标准所描述的以太网方案的效能相兼容。
802.3AF是最近增加到IEEE的非常流行和成功的802.3以太网标准系列中的。802.3AF就使用同一电缆的数据传输和能量传递对以太网接口进行了标准化。
必须设计通过以太网的能量传递以使得不会对数据传输信号造成不利影响，例如加入噪声和/或其它类型的干扰。基于802.3AF的以太网标准输出48V直流的“低电压”以连接以太网设备。
用于通信的基础结构典型地包括IEEE802.3LAN的基本业务设备(BSS)和多个可与至少一个(AP)无线通信的设备(站或STA)，其中该IEEE802.3LAN包括具有多个接入点(AP)的服务器，这些接入点通常是静止的(固定的)。AP将多个站连接到该基础结构的其余部分，并允许这些站与该基础结构通信。这些站使用时分多址(TDMA)方案通信，其保证了用于每一个连接的带宽。
改变STA的位置需要将其无线链路切换到多个邻近AP中的一个。特别是当设备包括在WMTS(无线医用遥测系统)及可能接触病人以监视某些生命信号的便携式设备中时，这些设备的中断会具有不希望的后果。
切换的过程会由于较差的多接入点的定时而受到不利影响，这意味着如果它们的定时不能完全同步，则很难实现将无线便携式设备从一个AP无缝切换到另一个AP。
如图1所示，服务器103通过局域网104与接入点107、115相连，该局域网104通过5类线105、106使用以太网局域网。依次地，接入点与一系列移动台105a无线联系。接入点107服务区域110，接入点115服务区域120。电缆105、106携带能量和同步信息及数据。
在一个/一些设备/站(STA)105a从基于AP107的第一覆盖区域110移动到基于AP115的第二覆盖区域120的情况下，当与该其它接入点115通信时，STA105a的分组被切换到最新相关的AP115并被称为105b。
在图1所示的特定实施例中，当STA105a移动到它的相关AP107的范围之外时，它们将被从AP107切换并与115相关。除非有合适的装置来保证AP被同步，否则当强迫STA立即停止通信并寻找要相关的其它AP时，切换STA会遭遇业务中断并在切换期间丢失分组。
该便携式STA周期性的执行站点测量，其提供了邻域信息的整体图，并包括邻近AP的列表，列表上的邻近AP是STA将要尝试与之相关的、需要切换的那些。在每个STA的控制下进行切换，这使得其自身独立判断其接收的信号的质量，及是否存在来自另一AP的更强(因此更好)信号。为了执行切换，STA在TDMA方案的不同时隙中连接到新的AP，建立通信，然后释放到原AP的连接，从而实现从一个AP到另一个的无缝转换。
但是，如果AP的定时没有被同步，则产生丢失连接的可能性增加。结果，例如在WMTS中，当将病人从医院的一个科室转送到另一个科室时，如果与接收站的连接丢失，则不再监视到他们的生命信号。
因此，本领域存在对不需要附加的复杂电路或对该系统增加大量成本的定时同步系统的需要。
当前请求的发明使用局域网现有的LAN电缆为时分多址(TDMA)系统提供了精确的定时同步，特别是当与IEEE802.3AF标准中的能量电缆方案使用时。
当前请求的发明提供了一种用于基于802.3的多接入点的同步方法，从而使便携式无线设备可以从一个接入点无缝切换到另一个。本方法包括特定数目对的5类(以下称为“Cat 5”)线的设计，从而使预定数目对用于分配能量和同步信息，而其它两对用于分配数据。
本发明还提供了一种无线医用遥测系统(WMTS)同步单元(SU)。该SU典型地包括一个RJ-45连接器块，其具有第一预定数目的连接器，这些连接器可通过符合IEEE P802.3AF标准的“基于以太网单元的能量”(其可包括在交换机或集线器中)连接到多个以太网交换机或集线器的输出。第二预定数目的连接器可连接多个AP和/或从SU，其用于通过5类线传递以太网数据、能量和同步信号。在SU和AP的网络中，一个SU将被指定为主WMTS同步单元，并将连接到多个从SU的每一个中的合适的“主输入”插孔。从SU将依次供应AP或其它的从SU。
WMTS SU可包括期望用于外部频率标准的插孔，包括但不限于10MHz参考标准。因此，给定的SU既可以自由的运行，也可以从属于外部频率标准，或可从属于远程“主机”。
当前请求的发明的一个优点在于如果无线医用遥测系统(WMTS)同步失败，可仍然通过其电路向AP提供能量。此外，独立的从SU可继续自由运行，同步AP的岛。
图1例示了具有与特定接入点通信的两个或多个接入点以及多个站/设备的系统。
图2例示了具有4条绞合线的5类线。
图3例示了RJ-45连接器的两种类型，并提供了根据本发明的电线示意图。
图4A例示了根据本发明在AP/SU上的同步脉冲的简图。
图4B例示了在从SU上的同步脉冲的简图。
图5例示了根据本发明WMTS同步单元(SU)的一部分的设计图。
图6例示了根据本发明WMTS同步单元(SU)的结构图。
本领域普通技术人员应该理解，以下说明是例示而不是限制的目的。技术人员理解存在多种落在本发明精神和附加的权利要求范围之内的改变。从本说明书中省略了公知功能和操作的非必要的细节，从而不会使本发明的出色点模糊。
根据本发明的方法的基本步骤可包括：
(a)布置包括至少四对绞合线的电缆，该四对绞合线连接在网络中的以太网LAN和每个固定接入点(AP)和/或附近的同步单元(SU)之间，以及主和从SU之间；
(b)分配该四对绞合线的第一对来向至少一个AP或SU携带正直流干线电压；
(c)分配该四对绞合线的第二对来向至少一个AP或SU携带负直流干线电压；
(d)向干线的第一和第二对的至少一个提供一系列同步脉冲，这些同步脉冲产生于同步源并电容耦合到第一和第二对绞合线的第一末端，从而提供合成信号；及
(e)通过由所述的至少一个AP或SU在第二末端检测正或负直流电压干线上的脉冲，重新构造所产生的同步脉冲。
虽然以下说明详细描述了上述步骤，应当强调所请求的发明不限于在该仅出于示例目的的应用中所提供的细节。
图2例示了5类线201(或“Cat-5)，其是特定类型的网络电缆，包括四条铜线双绞线205、207、209、211，通常用颜色编码(每一对具有一条纯颜色的电线，例如橙色、褐色、绿色或蓝色)。5类线能够支持达100MHz的频率及1000Mbps的速度，并典型地用于ATM、令牌环、1000Base-T、100Base-T及10Base-T网络。应当理解，虽然在此使用了5类线，也可使用任何具有至少4对绞合线并能够满足最小频率需求的多绞合线对来互相连接多个固定接入点。
在该应用中，如连接器305及图3中的线路图310所示，RJ-45连接器被线连用于“直通”连接。但是，如线路图360所示的交叉配置产生连接器355的线连是可能的。
习惯上不使用RJ-45的4、5、7、8针。但是，IEEE802.3AF标准采用将4和5针连接在一起并携带48V能量供给的正干线，将7和8针连接在一起并携带48V能量供给的负干线。根据本发明，基于网络连线内的同一导体发送能量和同步信息。通过符合IEEE802.3AF标准的能量集线器(其既可以是单独的，也可以包括在以太网集线器或交换机内)提供该48伏。
根据本发明，同步脉冲电容耦合到能量干线，其通过小电感与能量集线器绝缘。由于该耦合方案，同步脉冲以正负交替的变化脉冲方式发送：脉冲接收机在48V供给的正负干线上检测这些脉冲，并使用电压压缩机和D型双稳态多谐振荡器来重构同步信号。
该同步脉冲不干扰电压干线的正确操作，特别是当其执行IEEE802.3AF方案在供给能量之前检测相应电缆末端上正确负载的存在时。在来自能量集线器的每个输入上的功率检测电路保证了仅在检测到了至少200ms的至少36伏电压后才发送同步脉冲，从而避免了干扰P802.3AF检测系统。
图4A例示了在AP/SU上的同步脉冲的简图。在通常的操作中，如图4A所示，可产生3个脉冲宽度，其中：
(1)标准帧脉冲401，典型地具有一个150us+/-50us的高持续时间；
(2)多帧脉冲403，其不是具有2ms+/-50us高持续时间的PSCN(初级接收机扫描载波号码)同步脉冲；
(3)多帧脉冲405，其是具有5ms+/-50us高持续时间的PSCN同步脉冲。
可在针4、5(一起)上以正方向，在针7、8上以负方向伪差别地发送同步信号。当输出被连接到主SU输入或AP的输入时，该脉冲振幅是具有100ns+/-25上升时间的2V+/-10％。
根据IEEE802.3标准的14.3.1.1部分，该电路与WMTS同步单元的其它部分电绝缘，具有至少2M欧姆的直流阻抗及2.4kV的绝缘强度。这种绝缘也提供在接口之间，以保证不对能量集线器自身做假设(例如它交换哪条线路，它将哪些干线视为检测通用的，等)。
可修改该同步脉冲以适合WMTS或其它通信系统中不同的帧长度和载波数目。
如果同步脉冲下行流存在问题，则发送告警脉冲(图4A中的414，图4B中的444)。
图5例示了根据本发明WMTS同步单元(SU)的一部分的设计图。本领域普通技术人员应当理解，在此呈现的例子是出于例示而不是限制的目的。如果技术人员改变形状、行号、位置、项目排列或电路细节，其仍清楚的落在本发明的精神和附加的权利要求的范围之内。
首先，应当注意，该WMTS SU500不需要微处理器或软件，其优选地包括现场可编程门阵列(FPGA)以低成本地适应分频器链和脉冲发生器，及检测一些错误情况的能力。包括FPGA的功能块包括输入条节模块632，分频器链和延迟补偿模块634，参考输入选择637，LED驱动639和频率锁定环645。
在该特定示例中，在前面板(请注意，也可为后面板、侧面板等)上存在两个RJ-45连接器块505、515。底部的12个RJ-45插孔(AP/SU 1到12)可被连接到AP和/或从SU。从这些RJ-45连接器发射出的信号是以太网，当连接到AP或另一SU的“主SU”输入时，其是48V的脉冲同步信号。上部的12个插孔525、530连接到能量集线器(或包括IEEE802.3AF能量方案的以太网交换机或集线器)555，该集线器根据IEEE802.3AF方案在LAN上传递能量。在该12对以太网插孔和其余的WMTS SU之间提供了绝缘屏障。
该SU也包括进一步的同步输出535，称为“从SU”(该输出不能应用于AP)，其设计为仅使用WMTS同步脉冲供给从SU。连接到从SU的“主SU”插孔545。交换机550将WMTS SU设置成主或从模式的一种。包括调节单元560，其可包括交换机或等价功能以调节对5类线长度的补偿延迟，该5类线位于远程主WMTS SU和从WMTS SU的“主SU”输入之间。
该WMTS SU既可以自由运行，也可以从属于外部10MHz源，或从属于远程主机。如果该10MHz源和远程主SU源都可用，则自动进行选择并使SU的输出从属于后者。优选但不需要大装置中的链头部的主SU由外部10MHz频率标准供给，其它SU应操作于使用来自主SU的同步脉冲的从模式。
如图6所示，能量供给模块610提供了+5V，+12V和-12V的干线。WMTS同步板上的线性子调节器620为FPGA和其它数字电路提供了+3.3V和+2.5V的电压。来自主SU 545的输入能量(线性接收机630)分别通过针4、5和7、8包括+48V和-48V的电压。外部10MHz输入信号接收单元635优选地是BNC或其它同轴连接。在该特定情况中的时基VCXO 640使用20MHz+/-15ppm温度补偿压控晶体振荡器，但本领域普通技术人员可根据需要和成本替换。该VCXO提供20MHz的频率锁定环以最小化在WMTS SU的链中中断的破坏性影响，假设存在链接在一起的多个单元。
如框655(同步脉冲注入单元)中所示，在网络连线中的同一导体上发送能量和同步脉冲信息。当针4、5和7、8(或RJ-45连接器)被一起连接到各个+48V干线和-48V干线时，该干线通过电容656电容耦合到能量干线(高频脉冲于该电容有小的阻抗)，其依次通过小电感与能量集线器绝缘(当高频脉冲与该导体有较高阻抗时)。
可对本发明进行不超出本发明精神和附属权利要求范围的各种修改。例如，虽然诸如5类绞合线的电缆和诸如RJ-45的连接器是优选的，而任一个都不是实践本发明所必需的。该电线可以是直的，或者电缆的种类可以是不同的。48V干线电压恰好是一个标准，但该标准和/或电压可根据需要而改变，从而其可以为任何数量。在电缆中线路对的数目可以大于或小于4，虽然优选RJ-45连接器，但可使用提供类似目的的RJ-45的等价物或后继者。外部定时源的频率可以小于或大于10MHz，根据需要可以在10MHz这个值的分数到倍数的任何范围。连接也可以不需要BNC连接器。可以使用功能等价电路替代图5和6中所示的项目。同样，图4a和4B中所示的同步脉冲的电压值和频率是出于例示的目的，其在长度和/或重复频率上可以更长或更短，在电压上可以更低或更高。

Claims (21)

1.一种用于在基于以太网相关协议通信的网络中对多个固定无线接入点和同步单元的定时进行同步的方法，包括步骤：(a)布置包括至少四对绞合线的电缆，该至少四对绞合线连接在以太网LAN与网络中的多个固定接入点AP和同步单元SU之间；(b)分配至少四对绞合线的第一对来向至少一个AP或SU携带正直流干线电压，并分配至少四对绞合线的第二对来向所述至少一个AP或SU携带负直流干线电压；(c)向该第一和第二绞合线对的至少一对提供一系列同步脉冲，这些同步脉冲产生于同步源并电容耦合到所述至少一对绞合线，从而向所述至少一对绞合线的第一端供给合成信号；及(d)通过由所述的至少一个AP或SU在所述至少一对绞合线的第二端检测正和负直流电压干线上的脉冲，重新构造所产生的同步脉冲；其中仅在已经检测到预定的干线电压后输出同步脉冲。
2.根据权利要求1的方法，其中第一和第二对的每条线通过一个连接器和相应对的物理连接中的一个连接在一起。
3.根据权利要求1的方法，其中正直流干线电压为+48伏，而负直流干线电压为-48伏。
4.根据权利要求1的方法，其操作于TDMA系统中，其中每个AP与多个便携式无线设备通信，并且其中便携式无线设备可与多个AP顺次相关，并在它们中间切换。
5.根据权利要求4的方法去，其中所述每个AP与无线医用遥测系统WMTS中的多个便携式设备通信。
6.根据权利要求2的方法，进一步包括通过RJ-45连接器将电缆连接到AP或SU。
7.根据权利要求1的方法，其中正直流干线电压应用于RJ-45连接器的4和5针。
8.根据权利要求1的方法，其中负直流干线电压应用于RJ-45连接器的7和8针。
9.根据权利要求1的方法，进一步包括：至少四对绞合线的第三对向AP携带数据。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括：至少四对绞合线的第四对从AP携带数据。
11.根据权利要求1的方法，其中该网络包括多于一个的同步单元SU，并且其中同步源包括主SU，其将网络中的附加SU指定为从SU，该从SU从主SU接收同步脉冲。
12.一种用于对WLAN的多个接入点定时进行同步的无线医用遥测系统WMTS同步单元，包括：
接收单元，用于接收外部定时信号；
具有输入插孔的线路接收机，其适合于当WMTS单元被指定为从单元时，从主同步单元接收包括至少四对线的电缆，其中所述至少四对线的两对包含来自主同步单元的同步脉冲；
电源模块，适合于从能量集线器接收干线电压，并用于提供预定电压水平的输出；
同步源单元，用于当WMTS单元已经是主同步单元时，产生同步脉冲；及
多个同步脉冲注入单元，用于通过共同的两对线发送同步脉冲和干线电压，其中该同步脉冲电容耦合到该共同的两对线上的干线电压；
其中仅在已经检测到预定的干线电压后输出同步脉冲。
13.根据权利要求12的无线医用遥测系统WMTS同步单元，其中插孔适合于接收连接到5类绞合线电缆的RJ-45连接器。
14.根据权利要求12的无线医用遥测系统WMTS同步单元，其中现场可编程门阵列FPGA、LED驱动器和频率锁定环控制功能代替处理器或微处理器。
15.根据权利要求12的无线医用遥测系统WMTS同步单元，进一步包括输出连接器的块，其适合于向一个或多个从同步单元提供数据和同步脉冲输出。
16.根据权利要求12的无线医用遥测系统WMTS同步单元，进一步包括输出连接器的块，其适合于向多个接入点提供数据输出、干线电压和电容耦合同步脉冲的组合。
17.根据权利要求12的无线医用遥测系统WMTS同步单元，进一步包括主/从选择切换。
18.根据权利要求12的无线医用遥测系统WMTS同步单元，进一步包括用于对所使用的电缆长度进行补偿的电缆延迟调节单元。
19.根据权利要求12的无线医用遥测系统WMTS同步单元，其中同步脉冲注入单元包括电容元件以将同步脉冲耦合到连接到能量干线的能量电缆(4、5、7、8)。
20.根据权利要求15的无线医用遥测系统WMTS同步单元，其中输出同步脉冲包括标准帧脉冲、非初始接收机扫描载波号码PSCN同步脉冲的多帧脉冲、及包括PSCN同步脉冲的多帧脉冲中的至少一种。
21.根据权利要求16的无线医用遥测系统WMTS同步单元，其中在同步脉冲的失败发生后，通过连接器将干线电压继续输出到接入点。
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