专利名称：用于无线家庭联网系统的射频覆盖扩展的制作方法
技术领域：
和背景本发明一般来说涉及无线局域网领域。具体地说，本发明涉及操作异构家庭联网系统的方法，该系统由连接到主干基础设施(例如输电线)的多个有线和/或无线局域网构成。例如以太网和/或无线集群因此能够经由主干媒体连接。
通常在视线、红外线、单向、手持控制器应用(例如用于远程控制盒式磁带录像机、电视机、家庭安全或警报系统)的范围内使用传统无线家庭联网技术。另一种显然的无线技术应用于无绳电话系统。然而，这些系统都不能被确定地分类为鲁棒的家庭网络元素。
家庭联网的最广义定义是使家庭用品相互连接或使它们自动化变得可能的任何技术或服务。更具体的定义包括链接在用户家中使用的计算机、外围设备和消费者电子装置以形成连接的环境。家庭联网也被描述为处理、管理、传送并存储信息的元素的集合，使用户家中的多个计算、控制、监控和通信装置能够连接和集成。
现有技术简述有两种基本方法用于建立家庭网络有线和无线。无线技术例如包括Wi-Fi(IEEE 802.11b、802.11a和802.11g)、HiperLAN2和HomeRF(IEEE 802.11)。因为与安装新电缆相比，大多数房主偏爱没有新电缆，所以无线家庭联网往往是最优选的技术。然而，它也是最贵的技术并且可能有时不可靠。另一方面，其中包括以太网、HomePNA(在电话线上)和HomePlug(输电线通信系统)的有线家庭联网技术往往在新建造的住宅中受支持，因为它们通常更可靠并且需要更少的昂贵组件。许多最近的期刊认为HomePNA是理想的家庭联网技术，然而对每种技术的特征、组件、费用、安全性、供应商、优点和缺点的更近检查指出情况可能并不是这样，尤其是随着宽带技术的扩展和多计算机家庭的数目不断增长。为了理解本发明所提出的观点，有必要简要描述根据现有技术状态的常用的有线和无线家庭联网技术的主要特征、优点和缺点。
基于IEEE 802.3和IEEE 802.5联网标准的以太网在150米范围内在10Mbps到100Mbps工作。它们可以像用电缆将具有网络接口卡的两台计算机互连一样简单，或者像连接很多不同网络设备的多个路由器、网桥和集线器一样复杂。1-Mbps网络适合用于共享因特网连接和一些打印。然而，对于大文件传输、多玩家游戏或多媒体应用，它不是优选的。随着对语音和数据传输的需求增长，传送这些信号所需的带宽大小也增长。
以太网部署CAT5电缆线路以便在互连的网络组件之间传送信号。数据传输是基于CSMA/CD协议，该协议允许网络装置自动检测网络线路上的活动，当路径畅通时传送数据包，如果检测到与另一数据包发生冲突，则重发数据包。存在在网络上帮助路由数据的可用组件。网络组件通常连接到通过传递信号来控制网络上的流量的集线器或交换机。如果用户想连接网络上的所有装置而不考虑安全性或访问权，则他/她可利用集线器采用对等体系结构。
因为以太网家庭网络运行在特定电缆线路和连接器上，它是所有家庭网络技术中最安全的。可以在高速调制解调器和网络之间添加路由器，以便从外部因特网“隐藏”它。很多家庭网络路由器结合可为了附加安全性配置的防火墙。因为网络是自含的，所以为了得到任何信息，个人必须物理连接到该网络。
家庭插电联盟(HomePlug)涉及在传统家庭电线上运行网络，并且通过将网关适配器插入常规壁装电源插座来工作。适配器因此在通过输电线传送数据之前，通过使用标准56位DES加密对数据进行加密。HomePlug网络以8Mbps和14Mbps之间的传输速度传送数据，并且与其它无线和HomePNA网络兼容。它具有任何家庭联网技术中最长的范围，可达到750米。通常，HomePlug网络在450m2家庭内能够连接多达256个装置。
如今使用中的无线家庭网络技术包括Wi-Fi(IEEE 802.11b、802.11a和802.11g)、HiperLAN2、HomeRF、IrDA和蓝牙。这些技术对于专用目的、如装置通信和控制是理想的。然而，IrDA要求视线，蓝牙具有10米或更近的限制范围，这使这些技术不宜用于家庭网络基础结构。因此，下面的部分仅关注Wi-Fi和HomeRF无线技术。
Wi-Fi(代表“无线保真”)是用于不希望在他/她家中安装新线路的用户的理想技术。它使用2.4GHz频带(同一频率由蜂窝和无绳电话使用)，采用公知为直接序列扩频(DSSS)的频移键控(FSK)技术，并具有在封闭区域中75-120米的范围和在开放区域中300米的范围。取决于各自的基础IEEE标准，无线传输速度可在2Mbps(IEEE 802.11)和54Mbps(IEEE 802.11a)之间变化。
HomeRF是第一种实践的无线家庭联网技术，产生于2000年中期。HomeRF代表家庭射频，它使用射频在22.5到37.5米的范围上传送数据。对于不能负担更昂贵的Wi-Fi组件的费用、但仍希望在他/她家内共享文件、打印服务和流MP3音乐的用户来说，HomeRF是理想的技术。HomeRF使用最初由军队开发的扩频技术类型。该技术使用2.4GHz频带传送信号，并采用公知为跳频扩谱(FHSS)的频移键控(FSK)技术。而且，HomeRF是基于共享无线访问协议(SWAP)-由IEEE 802.11开发的混合标准。SWAP能够连接多达127个网络装置并且以达到2Mbps的速度传送。HomeRF应用由蜂窝和无绳电话使用的同一频带和技术，但几乎不存在干扰。因为大多数HomeRF网络是对等网络，它们不需要接入点。
现有技术解决方案的问题例如蓝牙或HomeRF的传统无线家庭联网技术使消费者能够随时随地经由无线电链路从其家庭网络无线地访问信息，但通常忍受有限的带宽并面对低数据吞吐量和可缩放性限制。当对于多媒体家庭娱乐网络的需求增加时，这些限制变得突出。可以证明，单个协调无线接入点通常不足以覆盖典型的家庭网络，特别是在立体欧式房屋中。覆盖整个建筑的现有解决方案因此需要多个射频信道的分配，而射频信道是稀有资源。
由不同媒体类型(有线、无线和输电线)构成的异构家庭联网体系结构是复杂的系统。这些媒体类型通常需要不同的独立媒体访问控制(MAC)层。这些媒体之间的桥接通常发生在基础OSI协议栈的高层(例如，TCP/IP层)，这消耗了更多的处理能力并减少了总吞吐量。
发明目的鉴于上面提到的解释，本发明的主要目的是提出用于扩展异构联网系统的射频覆盖区的方法。
进一步，在经由所述家庭联网系统互连的不同类型的媒体之间桥接所需的处理能力应当减少。总吞吐量应当增加。
通过独立权利要求的特征实现该目的。在从属权利要求中定义有利的特征。本发明的更多目的和优点在下面的详细描述中显而易见。
发明简述本发明提出的方法基本上专用于扩展异构家庭联网系统的射频覆盖区的方法，所述系统由连接到主干的多个有线(例如以太网)和/或无线局域网(WLAN)构成，所述主干包括多个到有线集群的网桥和无线到有线主干网桥。
与根据现有技术的传统解决方案相比，本发明将在不同RF/PHY层上通过所述家庭联网系统互连的不同多媒体数据类型的家庭网络媒体元素进行组合，并允许简单扩展射频覆盖，无需新频率资源或没有带宽的任何损失。
附图简述本发明的更多优点和可能想到的应用由从属权利要求以及本发明一个实施例的下面描述中产生，本发明的这个实施例在下面附图中描绘
图1a示出安装在建筑物内的异构家庭联网系统的实例，所述系统由连接到主干网的多个有线和/或无线LAN构成，家庭联网系统包括经由所述有线主干网互连的多个有线和无线终端，图1b示出用于家庭联网系统的逻辑网络结构，图2示出无线射频收发器的调制器/解调器级的模拟前端体系结构，其中相同MAC层用于整个网络，使得经由无线局域网的分配的射频传输信道传送的射频信号的各自IF信号用于主干媒体和所述无线局域网上，图3示出具有PHY层转换级的无线射频收发器的模拟前端体系结构，其中相同的MAC层但不同的PHY层用于主干媒体和所述无线局域网上，图4示出由OFDM符号和插入的保护间隔构成的OFDM消息的结构，图5示出包括PHY层转换级和两个物理层的本发明的实施例，以及图6示出当使用图5的实施例中的0FDM技术时，OFDM消息的结构和信号延迟。
本发明的详细描述下面详细说明图1a到3中描述的本发明的一个实施例。这些图中的参考数字和标记所指定的符号的含义可从附表中得出。
如图1a、1b中所示，具有控制示例104的主干网106担当虚拟接入点108(AP)，并且若干RF/PHY转换器111a-e适用于经由该虚拟接入点108将多个分布式无线(WT1、WT2、WT3、WT4、WT5、WTm+1、和WTm+2)和/或有线终端(Tm)互连。这些RF/PHY转换器111a-e中的每一个因此服务于相对较小的区域(例如，联网的建筑物中的单个房间102a-e)。连同相关的有线或无线终端，虚拟AP 108建立一个整个家庭联网系统100a，通过向主干网106添加新RF/PHY转换器可以容易地扩展该系统。
如果主干网106使用OFDM技术，则只要不同的信号在定义的间隔(所谓的保护间隔)内到达，在接收器中建设性地重叠多径接收。因此，虚拟接入点108能在不同的位置(例如，不同房间中的天线)接收和发送，尽管所发送的信号在主干媒体上将具有不同的传播长度。
因此，对于根据本发明的主干网，使用OFDM的各媒体是优选的。实例是-输电线通信-5GHZ WLAN系统(802.11a、HiperLAN2)-2.4GHZ WLAN系统(802.11g)取决于主干媒体和无线局域网102a、b、c、e之间的协调，可考虑如图2和3描述的将分布式无线终端(WT1、WT2、WT3、WT4、WTm+1和WTm+2)与有线通信装置(Tm)互连到家庭联网系统100a的两种情况-如果在主干网106的媒体上使用要经由无线局域网102a、b、c、e的分配的射频传输信道发送或接收的射频信号的相应IF信号，则具有包括具有单个上/下变频级204a和本地振荡器204b的调制器/解调器204的模拟前端体系结构的传统无线射频收发器可用于将所述分布式无线终端(WT1、WT2、WT3、WT4、WT5、WTm+1和WTm+2)和有线终端(Tm)经由虚拟接入点108互连，从而形成家庭联网系统100a。该解决方案例如适用于如下家庭联网系统，其中输电线通信系统担当家庭网络主干106。在这种情况下，经由无线局域网102a、b、c、e的分配的射频传输信道接收的射频信号的IF频谱用于电力线上。因此，相同MAC层用于由无线局域网102a、b、c、e和主干网106构成的整个网络，使得经由所述射频传输信道传送的射频信号的相应IF信号用于主干媒体上以及各自的无线局域网102a、b、c、e上。
-在不能将所述射频传输信道上的PHY层信号适当地映射到主干网106上的信号的情况下，提出PHY层桥接过程。在这种情况下，相同的MAC层但不同的PHY层用于主干媒体和各自的无线局域网102a、b、c、e上。因此，引入无线射频收发器以确保在两种媒体类型上的最佳可能的数据传输，所述无线射频收发器包括将中心频率为f1的数字射频信号转换成中心频率为f2的其它调制方案或反过来所需要的PHY层转换级。PHY层转换过程(S5)因此包括以下步骤接收(S5a)来自无线局域网102a、b、c、e的射频信号，分配(S5b)主干媒体，将射频信号从一种数字调制转换(S5c)为另一种，经由分配的主干媒体传送(S5d)所获得的射频信号。相反，逆向的PHY层转换过程(S5’)特征在于以下步骤从主干接收(S5a’)数字信号，通过无线PHY转换级112a-e分配(S5b’)无线局域网102a、b、c、e的单射频传输信道，将信号从一种调制方案转换(S5c’)为另一种，经由分配的射频传输信道传送(S5d’)所获得的射频信号。
注意，两种数字调制方案都可使用射频范围中的频带，而不是如在第一实施例中提出的转换到IF范围。
独立于各个情况，本发明允许使用由中心主干控制器104控制的一个公共MAC层，它允许所有可能的家庭网络媒体元素的最简单集成。因此，所述主干网106在外界看来是单个所有控制示例。通过使用特殊装置可将其它媒体类型连接到主干网106，这种特殊装置具有在顶部有适当汇聚层的协议栈，可担当主干网106内的终端。
为了说明虚拟接入点108可如何使用OFDM多路复用技术在不同的位置接收和发送，现在简要讨论OFDM的主要特征。如图4中所示，OFDM消息由相继的符号(...，n-1，n，n+1，...)组成，所述相继的符号由所谓的保护间隔(GI)分隔。OFDM系统优于其它多路复用系统的重要优点是，在多径接收时它们表现出很好的性能。关于该改进的表现的一个原因是在多路复用消息中引入了保护间隔。根据该理论，保护间隔的持续时间TGI必须大于传播路径的最长回波长度。称为特征F0的直接结果是，在保护间隔结束之前在接收机处可得到所有不同的信号路径，这些信号路径在它们到达时间导致信号中的相位阶跃。换句话说，接收机在接收下一个符号n+1之前，已经得到携带符号n并且在不同路径上传送的所有信号。在保护间隔期间到达接收机的所有信号路径因此被建设性地重叠，没有干扰地贡献于接收信号。
本发明通过扩展保护间隔用于不止一个物理层来使用所述特征F0。
图5描绘根据本发明、包括物理层转换级505和两个物理层Phy1和Phy2的异构家庭联网系统500的实施例，在第一物理层Phy1的节点1 501和节点2 503之间传送的信号使用至少一个传输路径，并且在例如无线主干接入节点的情况下可能使用若干传输路径。持续时间T1是物理层Phy1的最大延迟路径，这意味着节点1 501和节点2 503之间的最长传输持续时间。类似地，持续时间T2是第二物理层Phy2在节点1 502和节点2 504之间的最大延迟路径。
两个物理层Phy1和Phy2的节点2 503、504构成PHY层转换级505。TP是在PHY层转换级505的延迟。
图6示出当使用图5提出的异构家庭联网系统500中的OFDM技术时OFDM消息的结构和延迟。本发明利用OFDM的上面详述的特征F0，根据该特征，在所述符号n后面的保护间隔结束之前，即，在接收下一个符号n+1之前，在多个路径上携带符号n的所有信号被接收。如果保护间隔的持续时间TGI大于最长延迟路径，这得到保证。
在图5的实施例的情况下，特征F0能得到保证的条件是由如下各项构成的整个延迟-在物理层Phy1的最长信号路径T1，-在物理层转换级505的处理时间TP，以及-在物理层Phy2的最长信号路径T2超过两个物理层Phy1和Phy2的最小保护间隔。从MAC层的观点来看，则可作为一个整体系统处理异构家庭联网系统500。
如果从第一物理层Phy1的发送节点501通过物理层转换级505到第二物理层Phy2的目的地节点502的信号的全部运行时间不超过OFDM信号的保护间隔的持续时间，即，如果遵照下面的式子TG1＞T1+TP+T2 (式1)则从MAC层的观点来看，异构联网系统100a可被视为公共系统。
因此，虽然构成网络100a的有线102d和无线102a、b、c、e局域网表示不同的基于OFDM的物理层，但是异构网络100a能够使用公共MAC层用于所有的有线102d和无线102a、b、c、e局域网。将信号转换到公共协议发生在有线109和无线111a、b、c、e主干接入节点，例如在物理层转换级505中。
表所描绘的特征和它们对应的参考标记
权利要求
1.一种用于操作异构联网系统(100a)的方法，所述系统由连接到虚拟接入点(108)的有线局域网(102d)和/或无线局域网(102a、b、c、e)构成，所述虚拟接入点(108)包括主干网(106)、控制示例(104)、到所述主干网(106)的有线到主干网桥(109)和无线到主干网桥(112a-e)，所述方法包括以下步骤-在基础协议栈的预定层在传输信道上的不同多媒体数据类型的网络媒体元素之间进行桥接(S0b)，特征在于以下步骤-为所述异构联网系统(100a)使用(S1)公共媒体访问控制(MAC)层，需要它用于访问(S2)主干网(106)的不同媒体并且将通过所述联网系统(100a)互连的不同多媒体数据类型的网络媒体元素集成(S2’)，以及-在所述主干媒体和所述无线局域网(102a、b、c、e)上使用(S3)不同的物理(PHY)层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，PHY层转换过程(S5)包括以下步骤-从无线局域网(102a、b、c、e)接收(S5a)射频信号，-分配(S5b)连接到所述主干网(106)的主干媒体，-将所述射频信号从射频频带下变频(S5c)到相应的IF频带，以及-经由所分配的主干媒体传送(S5d)所获得的IF信号。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，逆向PHY层转换过程(S5’)包括以下步骤-从主干接收(S5a’)数字信号，-分配(S5b’)通过无线到主干网桥(112a-e)连接到所述有线主干网(106)的无线局域网(102a、b、c、e)的单射频传输信道，-将来自所述主干媒体上的物理层的信号转换(S5c’)为射频频带中的相应调制信号，以及-经由所分配的射频传输信道传送(S5d’)所获得的射频信号。
4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，由所述有线主干网(106)的中心主干控制示例(104)控制所述公共媒体访问控制(MAC)层。
5.如前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述主干网(106)使用OFDM传输技术。
6.一种异构联网系统，由与包括有线到主干网桥(109)和无线到主干网桥(112a、b、c、e)的主干网(106)的虚拟接入点(108)连接的有线局域网(102d)和/或无线局域网(102a、b、c、e)构成，其特征在于所述联网系统(100a)具有单个媒体访问控制(MAC)层，用于访问(S2)所述主干网(106)的不同媒体并且将通过所述家庭联网系统(100a)互连的不同多媒体数据类型的多个网络媒体元素集成(S2’)。
7.如权利要求6所述的异构家庭联网系统，其特征在于，每个无线到主干网桥(112a、b、c、e)包括PHY层转换级(304)，用于将经由无线局域网(102a、b、c、e)传送的射频信号的PHY层表示映射到主干媒体上的信号。
8.如权利要求6或7中任一项所述的异构家庭联网系统，其特征在于，所述主干网(106)及其控制示例(104)是输电线通信系统，所述系统被设计成使用经由无线局域网(102a、b、c、e)的所分配的射频传输信道接收的射频信号的IF频谱。
9.在整个异构联网系统中的单MAC层的使用，所述异构联网系统由与包括有线到主干网桥(109)和无线到有线网桥(112a、b、c、e)的主干媒体(106)的虚拟接入点(108)连接的有线局域网(102d)和/或无线局域网(102a、b、c、e)构成。
全文摘要
扩展安装在建筑物内的异构家庭联网系统(100a)的射频覆盖区，该系统由连接到包括到主干(106)的多个有线到主干网桥(109)和无线到有线网桥(112a－e)的有线主干(106)的多个有线(102d)和/或无线局域网(102a，b，c，e)构成。方法包括分配(S0a)多个有线和/或无线传输信道，在基础协议栈的预定层在分配的传输信道上不同多媒体数据类型的家庭网络媒体元素之间桥接(S0b)的步骤。公共媒体访问控制(MAC)层用于(S1)整个家庭联网系统(100a)，用于访问(S2)不同主干媒体(106)，从而允许将通过所述家庭联网系统(100a)互连的不同类型家庭网络媒体元素简单集成(S2’)。该媒体访问控制(MAC)层由中心主干控制器(μC)控制并在外界看来为一个整体控制示例。与现有技术相比，本发明使用主干媒体和无线局域网(102a、b、c、e)上不同物理(PHY)层，用于将经由连接到家庭联网系统的无线局域网(102a、b、c、e)的分配的射频传输信道传送的射频信号的PHY层表示映射到有线以太网局域网(106)的主干媒体上的IF信号，组合RF/PHY层上不同多媒体数据类型的家庭网络媒体元素，从而能够扩展射频覆盖区而无需新频率资源或损失带宽。每个无线到主干网桥(112a、b、c、e)因此包括PHY层转换级(304)，用于将经由无线局域网(102a、b、c、e)的分配的射频传输信道传送的射频信号的PHY层表示映射到主干媒体(106)上的信号。主干的控制示例(104)及有线主干(106)可以是输电线通信系统，该系统特别适合在电力线上使用经由无线局域网(102a、b、c、e)的分配的射频传输信道接收的射频信号的IF频谱。
文档编号H04L12/46GK1864368SQ200480023459
公开日2006年11月15日 申请日期2004年8月12日 优先权日2003年8月19日
发明者L·施塔德尔迈尔, F·达韦多夫斯基 申请人:索尼德国有限责任公司