专利名称：无线车域网网关的制作方法
技术领域：
本发明是用于汽车、火车等高速运行的交通工具上，使车厢内的移动终端组成无线车域网，属于天线个域网(WPAN)设计的技术领域。
背景技术：
自上世纪末以来，信息产业保持着迅猛的发展势头，特别是通信和计算机技术，已渗透到各行各业和人们生活的各个角落。人们期望能够随时随地的进行话音与数据通信。这就需要使用无线通信技术。具体的说就是要使用广泛覆盖的GSM系统或CDMA系统。这些系统应用在静止或准静止的场合非常的理想，但是当移动终端处于高速运动的汽车或火车等的车厢里面时，由于金属车厢的屏蔽效应以及多普勒频移等影响电磁波传播的因素存在，通信将遇到下列问题1、由于信号减弱，移动终端将不得不提高自己的发射功率，以维持与基站之间的通信，这一方面加大了移动终端的功耗，使得电池的使用时间减短，另一方面过大(1瓦特左右)的辐射将对人的身体造成伤害，这是用户所不想的。2、当信号弱到一定程度，即使移动终端以最大的功率发射，通信还是不能正常进行，这时就造成了通信的不可靠甚至中断。这更是用户所不希望的。归结起来就是，要提高通信的有效性、可靠性就必须提高发射功率，而由于移动终端的结构以及使用特性的限制不能将功率抬的太高。现在已经有两种方法解决这一矛盾1、直接在移动终端上接外置天线。一般移动终端上都会预留一个天线接口，使用该接口把天线引到车厢外即可。这种方式有三个局限其一限制了移动终端的移动性，其二性能提高的幅度有限，其三仍旧使用移动终端的电池供电。2、使用直接功率放大器。该方法把GSM或CDMA系统的所有频段进行双向的放大，即把车内移动终端发出的信号放大后发送到车外，把车外信号放大后发射到车内。这样做需要克服一些诸如微波功率自反馈之类的难点，需用到一些昂贵的微波器件，因而设备的成本很高，而在功能上仅实现了功率放大，总体讲应用成本太高。
近年来，以蓝牙(Blue Tooth)为代表的WPAN发展迅猛。WPAN以低功耗、低辐射、近距离、低成本为特点，必将成为个人移动通信的一种通用设备。把WPAN应用于车内就构成了无线车域网，简称车域网。通过使用车域网网关，让移动终端在车内组网并通过网关的转接连接到车外的蜂窝网。通过这种方式就可以很好的解决发射功率与通信质量之间的矛盾，实现通信系统的优化，而且由于形成了WPAN，还能提供很多新的功能，比如同时为几个移动终端提供数据、语音通信服务；在不同移动终端之间交换电子名片；甚至可以在车内玩联网游戏。
发明内容
(1)发明目的本发明的目的是提供一种在汽车、火车等运动的车厢内构架由各种支持WPAN的移动终端，如手机、笔记本电脑、PDA等，组成的无线车域网的无线车域网网关。
(2)技术方案本发明是一种无线车域网网关，该网关由WPAN模块与车内天线、微处理器、PCM编解码器、蜂窝网模块、D/A变换器、可控增益射频功放车外1/4波长天线所组成，微处理器和PCM编解码器分别与WPAN模块与车内无线和蜂窝网模块相连接，D/A变换器的输入端接微处理器，D/A变换器和蜂窝网模块的输出端接可控增益射频功放，可控增益射频功放的输出端接车外1/4波长天线，车外1/4波长天线的射频输入端接蜂窝网模块；微处理器通过“R232”接口分别与WPAN模块和蜂窝网模块相接，微处理器通过4位并行数据线与D/A变换器相接；PCM编解码器通过模拟语音接口与蜂窝网模块相接，通过PCM码流接口与WPAN模块与车内天线中的单片蓝牙模块相接。
WPAN模块为微功率、低成本的WPAN射频及基带电路。该部分电路一般都有现成的模块出售。它在微处理器的控制下负责与车内移动终端交换信息，包括验证身份、建立数据链路、建立语音链路以及在链路上传输相应数据等。蜂窝网模块为通用的GSM、CDMA等移动终端电路。该电路一般也有现成的模块出售。它在微处理器的控制下成为一个标准的蜂窝网用户，负责与蜂窝网基站之间的一切通信。WPAN模块、蜂窝网模块都通过RS232接口与微处理器相连。微处理器不光控制两模块，它还是两模块之间数据流的通路，负责数据的格式转化。两模块之间的语音通路为PCM编解码器。因为WPAN模块一般只提供PCM数据接口，而蜂窝网模块一般都直接给出模拟语音信号，所以两者之间需加一级A/D、D/A转换，该转换器即为PCM编解码器。在工作时，微处理器还将根据蜂窝网模块提供的信号强度信息，计算出射频功放所需的增益，通过4位并行数据口告知D/A变换器，由D/A变换器产生一个16级模拟电平直接控制射频功放的输出功率，送到位于车体之外的1/4波长天线。射频功放的输入源直接由蜂窝网模块提供。而蜂窝网模块的射频输入由天线提供。因为在车中使用，电源电压的波动范围较大，所以增加一电源管理模块为网关的各部分提供合乎要求的电源。
在尚未使用车域网网关时，网关处于待机状态。一旦有WPAN移动终端进入车体并申请使用某项服务，网关首先要求申请设备提供身份验证信息。通过身份验证后该WPAN移动终端就成为该WPAN的一员。它可以通过相应的WPAN协议使用网关所能提供的服务。微处理器将通过WPAN模块接收移动终端的服务要求并把它映射为相应的蜂窝网所提供的服务，并通过拨号等一系列操作完成与蜂窝网的联接。在数据通信过程中，微处理器将根据WPAN与蜂窝网的通信协议把从蜂窝网模块来的数据包转换成WPAN模块认识的数据包，同样再把WPAN模块的数据包转换成蜂窝网的数据包。而在语音通信过程中，蜂窝网模块将直接给出模拟语音信号，该模拟信号通过PCM编码器后，发送给WPAN模块。反向通路与其类似。
通过车域网网关的接入，车内各个移动终端间构成WPAN，并使得它们能和车外的蜂窝网系统进行数据和话音通信。它是一种车内微功率、车外大功率的系统。在目前，车内可以使用蓝牙或类似的系统，车外就是普通的GSM；在将来，车内将使用带宽更宽的WPAN系统，车外是3G或更新的公众移动通信系统。
(3)技术效果该发明具有如下优点1、把天线安装在车体之外，避免了金属车体对电磁波的屏蔽，使得天线与基站之间的通信更为通畅，而且防止天线辐射对人体造成伤害；2、网关及天线由汽车或火车等交通工具供电，可以加大其发射功率，以提供更高的通信质量；3、车体内的移动终端以微功率发射，可以有效地延长电池的使用时间，并降低电磁辐射，减小对人体的伤害；4、车体内的移动终端组成无线车域网，可以方便地交换数据。如，交换电子名片，联网小游戏等。
5、该方案可以用于其它类似的场合，比如具有屏蔽效应的建筑物内。
四
图1是车域网系统示意图。其中有MOBILE1_1～MOBILE1_n是支持WPAN的任何移动终端、车域网网关GATE WAY2、蜂窝网基站BS3。
图2是本发明的结构框图。其中有WPAN模块与车内天线2.1、微处理器2.2.1、PCM编解码器2.2.2、蜂窝网模块2.3、D/A变换器2.4.1、可控增益射频功放2.4.2、车外1/4波长天线2.4.3。
图3是本发明网关的结构示意图。
五具体实施例方式
在车厢里安装一个车域网网关。该网关一方面起车域网和GSM网之间的桥梁作用，另一方面把车内各蓝牙移动终端(蓝牙笔记本电脑、蓝牙手机、蓝牙PDA)组织成车域网。对于GSM网来说该网关是一个标准移动用户，因为网关里面装有SIM(Subscriber Identifier Module)卡；而对于用户带进车厢的蓝牙移动终端来讲，该网关是一个网络接入点兼服务器。
相应与图2的车域网网关的具体实现如图3所示。
微处理器使用MOTOROLA公司的MC68302。该芯片为16位微处理器，5V供电，工作频率为20MHz，可提供两个115.2kbps的RS232串口，以及一个4位的并行口。WPAN模块使用CSR公司的BC02单片蓝牙芯片。该芯片集成了射频电路、基带处理DSP以及一个微处理器，因此蓝牙协议栈都运行在该芯片内部。它通过RS232口与微处理器MC68302联接，通过4根数据线与PCM编解码器MSM7540L联接。蜂窝网模块使用SIEMENS公司的MC35，该模块支持EGSM900/GSM1800、GPRS multi-slot class 8等所有GSM网特性。它通过另一个RS232口与微处理器相连，并直接与PCM编解码器交换模拟语音信号。该模块可提供的最大数据传输速率为85.6kbps。AD7524为8位数模转换器，我们只用其第1、3、5、7共4位，其余的第0、2、4、6位置高。高低参考电平分别置为1V、2.6V。该A/D转换器为射频模块提供16级功率控制。RF2173为可控增益射频功率放大器。该放大器最高可提供4瓦特的发射功率。这对于车载通信来讲已经很大了。功放的输出由50Ω同轴线馈至车外天线，并由天线发射出去。
当车内没有蓝牙移动终端时，网关处于PARK(休眠)状态。此时GSM模块、PCM编解码器都不工作，微处理器进入微功耗状态，而蓝牙模块也进入微功耗的可发现状态。当移动终端进入车厢并激活自身蓝牙功能时，终端将主动查询周围的蓝牙网关并通过身份验证、服务发现等一系列操作组成WPAN。组网以后，移动终端就能使用网关提供的所有服务了。例如进入车厢的是一台蓝牙笔记本电脑。组网成功后，笔记本要求使用“拨号网络服务”。网关将控制GSM模块拨号上网，并启动GPRS功能。现在这台笔记本就已经联接到互联网上，可以享受最快85.6kbps的速率上网的乐趣了。又如蓝牙手机进入车厢时，手机中的蓝牙模块与网关之间也将进行一系列的建链、身份验证、服务发现等操作，并最终通过网关的转接来使用GSM网络进行语音通信或发送短消息。与上述数据通信唯一不同的是，在进行语音通信时，语音信号的通路是蓝牙模块——PCM编解码器——GSM模块，没有经过微处理器。这样做可以降低微处理器的使用率，以便在语音通信进行的同时还能提供高速的数据通信服务。上述所有的语音、数据通信过程中移动终端的发射功率是极低的(1mW左右)，是GSM手机的千分之一左右。因此消耗的电池能量以及对人体的伤害也是极低的。而处于车厢外面的天线可以以比较大的功率发射信号。这一方面因为车体有屏蔽作用，不用担心车外的较大功率的发射会对车内的人体造成伤害；另一方面车域网网关由车供电，不用考虑功耗问题；再有，车外天线可以使用智能天线系统，提高天线增益，进一步改善接收性能，降低辐射。
权利要求
1.一种无线车域网网关，其特征在于该网关由WPAN模块与车内天线(2.1)、微处理器(2.2.1)、PCM编解码器(2.2.2)、蜂窝网模块(2.3)、D/A变换器(2.4.1)、可控增益射频功放(2.4.2)车外1/4波长天线(2.4.3)所组成，微处理器(2.2.1)和PCM编解码器(2.2.2)分别与WPAN模块与车内无线(2.1)和蜂窝网模块(2.3)相连接，D/A变换器(2.4.1)的输入端接微处理器(2.2.1)，D/A变换器(2.4.1)和蜂窝网模块(2.3)的输出端接可控增益射频功放(2.4.2)，可控增益射频功放(2.4.2)的输出端接车外1/4波长天线(2.4.3)，车外1/4波长天线(2.4.3)的射频输入端接蜂窝网模块(2.3)。
2.根据权利要求1所述的无线车域网网关，其特征在于微处理器(2.2.1)通过“R232”接口分别与WPAN模块和蜂窝网模块(2.3)相接，微处理器(2.2.1)通过4位并行数据线与D/A变换器(2.4.1)相接。
3.根据权利要求1或2所述的无线车域网网关，其特征在于PCM编解码器(2.2.2)通过模拟语音接口与蜂窝网模块(2.3)相接，通过PCM码流接口与WPAN模块与车内天线(2.1)中的单片蓝牙模块相接。
全文摘要
无线车域网网关是用于汽车、火车等高速运行的交通工具上,使车厢内的移动终端组成无线车域网,该网关由WPAN模块与车内天线、微处理器、PCM编解码器、蜂窝网模块、D/A变换器、可控增益射频功放车外1/4波长天线所组成,微处理器和PCM编解码器分别与WPAN模块与车内无线和蜂窝网模块相连接,D/A变换器的输入端接微处理器,D/A变换器和蜂窝网模块的输出端接可控增益射频功放,可控增益射频功放的输出端接车外1/4波长天线,车外1/4波长天线的射频输入端接蜂窝网模块。
文档编号H04L12/66GK1388687SQ0213784
公开日2003年1月1日 申请日期2002年6月25日 优先权日2002年6月25日
发明者沈连丰, 宋铁成, 刘彤, 张宏泽, 肖婕, 钱小勇 申请人:南京东大移动互联技术有限公司, 东南大学