移动应用中的智能无线交换器(IWS)和智能无线电覆盖(IRC)

摘要

本发明通常涉及管理多个在相同方向上移动的移动设备的无线通信。在一个实施例里，一个智能无线交换器(IWS)被用于管理通信。智能无线交换器包括一个内部接入点，用来管理多个无线设备的无线局域网(WLAN)。智能无线交换器包括多个站点，用来与多个外部接入点进行通信。智能无线交换器还包括一个分组交换控制器，用来在多个无线设备和多个站点之间引导数据。根据外部接入点的信号强度在多个站点之间进行切换，多个无线设备能够持续执行数据通信，到达外部接入点覆盖区边界也不会中断。

说明书

技术领域

本发明通常涉及无线通信，特别涉及管理多个移动设备的无线通信。

背景技术

目前，无线网络开始被部署，以使公众能够访问数据通信资源。例如，许多公共场所(如：公共运输设施、政府建筑物、办公大楼、等等)提供“Wi-Fi”无线网络能力，使个人能够通过互联网进行通信。

进入一个特定无线网络的过程往往是从找到一个“接入点(AP)”开始。如这儿使用的，接入点泛指在一个独立无线网络内或服务区内、管理该网络内或服务区内的无线通信、能够进入一个更大网络的任何设备。接入点不应该被认为是要求任何特定的无线通信协议或标准。

无线通信管理通常涉及提供连接服务、取消连接服务、分配服务和集成服务。连接和取消连接服务使移动设备能够顺利地进入和离开一个特定的无线网络或服务区。如这儿使用的，连接指的是一个能够使无线设备在接入点管理的网络或服务区里开始通信的协议或信息序列。分配服务管理着在网络或服务区内无线帧的处理和路由。分配服务可能涉及介质访问控制(MAC)协议，来避免指定的无线设备的通信发生相互干扰。集成服务涉及将无线帧转换成一个适合在另一个网络传输(通常能够进入互联网)的形式，反之亦然。

通过检测到一个来自接入点的“信标”帧(beacon frame)或其它合适信号，通常能够找到一个接入点。信标帧被周期性地发送，使无线设备能够连接到接入点。信标帧使得物理层参数(如运行波段)、能力信息和其它合适的信息能够被确定。信标周期(信标帧播送之间的时间)可以相当大，使得连接过程所需要的时间量能够被用户注意到。

以图1作为参考，依照特定的无线通信协议，来说明连接运作是怎样发生的。列车101包含多个拥有无线设备102的用户。列车101穿越多个无线通信服务区。服务区由接入点103-1和103-2的广播距离确定。如图1中所示，接入点103-1确定的服务区延伸到边界104-1，接入点103-2确定的服务区延伸到边界104-2。通过对接入点103-1和103-2使用不同的运行波段、碎片序列(chipping sequence)、跳频序列(hopping sequence)、等等，服务区可能重叠。

当列车101移动到由接入点103-1确定的服务区内，使用典型的无线协议，无线设备102检测到接入点103-1。无线设备102连接到接入点103-1。无线设备102使用接入点103-1，通过互联网，可以传送数据，直到列车101通过边界104-1。在那个点上，无线设备102失去与接入点103-1的联系。然后，无线设备102尝试去找另一个接入点。在这个过程期间，每个无线设备102扫描可用的信道，直到最后检测到接入点103-2。完成检测之后，无线设备102启动与接入点103-2的连接运作。当扫描可用的信道和完成连接运作时，无线设备102经由互联网的数据通信可能被中断几秒钟。所以，无线设备102的用户获得的服务质量可能相当差，取决于执行连接过程的次数。

发明内容

概述

典型实施例涉及管理在相同方向上移动的多个无线设备之间的无线通信的系统和方法。在一个典型实施例中，一个智能无线交换器与无线设备在相同的方向上移动。智能无线交换器协调多个无线设备和无线接入点之间的无线通信。在一个实施例中，智能无线交换器采用多个无线站。如这儿所使用的，无线站泛指在一个使用接入点的网络或服务区内能够进行无线通信的一个无线设备。一个首选实施例的智能无线交换器还包括一个内部接入点。通过连接智能无线交换器的内部接入点，多个无线设备开始进行无线通信。

通过多个无线站持续地连接外部无线接入点，智能无线交换器使充分连续的无线通信能够进行。特别地，当智能无线交换器首次检测到一个接入点，多个站中的一个站连接那个接入点。与无线设备相关联的数据经由相应的站，从接入点被路由。

当另一个接入点被智能无线交换器检测出来时，另一个站连接到第二个接入点。典型地，当在两个外部接入点之间存在覆盖区重叠时，这种情况会发生。在这个点上，智能无线交换器的站点与两个不同的接入点都连接。第一个接入点继续进行数据通信，与第二个接入点的连接通过使用ping信息包等来保持。

当智能无线交换器和多个无线设备持续移动时，设备最终达到第一个外部接入点覆盖区域的边界。此时，智能无线交换器检测到来自接入点的接收信号强度的衰减。相应地，使用第二个站，智能无线交换器路将与无线设备相关联的数据路由给第二个接入点。由于与第二个接入点的连接已经存在，对多个无线设备而言，这种传递(handoff)是透明的。从而，多个无线设备数据通信的服务质量得以保持。

在其它的实施例中，采用一个智能无线电覆盖算法来保持与智能无线交换器的无线通信。特别地，每个外部接入点与一个可控方向性天线相连。可控方向性天线可以包含多个离散天线元件。通过改变与智能无线交换器进行通信的天线元件的场型(pattern)，获得方向性。通过监控在各个场型下从智能无线交换器接收到的信号强度，可以选择天线元件的场型。

前面已经广义地概括了本发明的特点和技术优越性，以便可以更好地理解后续的本发明的详细说明。本发明的其它特点和技术优越性将在此后说明，他们构成本发明的权利要求的主题。应该理解，这里公开的概念和具体实施例可以很容易地用于修正或设计实现本发明的相同目的的构造的基础。还应认识到，这样的等同结构不脱离所附权利要求定义的本发明范围。本发明的特征的创新点，即指其结构也包括操作方法，以及其它的目的和优点，这些将在后面结合附图的说明中更好地理解。但是还应理解，每个附图是用于说明的目的，不用来限定本发明的范围。

发明详述

依照一个典型实施例，图2描述了智能无线交换器200。智能无线交换器200包含多个无线站(如201-1和201-2所示)。无线站201-1和201-2包括适当的功能性，与外部无线接入点进行连接，并与接入点进行数据通信。

无线交换器200还包含内部接入点202。接入点202为多个无线设备管理着无线局域网(WLAN)。一个首选实施例的接入点202执行典型的接入点服务，如连接服务、取消连接服务、分配服务和集成服务。接入点202的集成服务由分组交换控制器(packet switch controller)203支持。分组交换控制器203在接入点202和无线站201-1和201-2的“激活”站之间路由数据。通过检查无线站201-1和201-2接收到的信号强度，分组交换控制器203设定激活站。实施分组交换控制器203可有多种方式。例如，通过使用集成电路功能，可以实施分组交换控制器203。或者，使用一个处理器和适当的软件指令，可以实施分组交换控制器203。

依照一个典型实施例，图3描述了包含智能无线交换器200的无线通信系统300。系统300包括多个接入点103-1和103-2。在这个例子里，列车101穿越多个无线通信服务区，从而，智能无线交换器200和移动设备102在相同的方向上移动。服务区由接入点103-1和103-2的广播距离确定。如图3中所示，接入点103-1确定的服务区延伸到边界104-1，而接入点103-2确定的服务区延伸到边界104-2。

依照一个实施例，当列车101首次进入接入点103-1的覆盖区，智能无线交换器200的站点201-1连接接入点103-1。站点201-1是“在线”的，例如：通过站点201-1能够路由数据。而且，站点201-1变成“激活”站。即，来自无线设备102的数据被提供给站点201-1，并与接入点103-1进行通信。而且，来自接入点103-1的数据被站点201-1接收，并被分配给无线设备102。当列车101进入接入点103-2确定的覆盖区，站点201-2连接接入点103-2。然后，站点201-2是在线的，但不是激活的。最初，数据不是经由站点201-1路由给接入点103-2。通过经由接入点103-2传送“虚拟”信息包(dummy packets)，能够保持站点201-2和接入点103-2之间的连接。例如，Ping信息包能够被用来达此目的。

分组交换控制器203监控站点201-1和201-2的接收信号强度。通过以下的平滑函数，接收信号强度可被过滤：

SS_i＝SS_measure×α+SS_i-1×(1-α)，其中α是常数，0≤α≤1

依照一个首选实施例，当由站点201-1接收到的过滤后的信号强度低于一个阈值(threshold_low)、且由站点201-2接收到的过滤后的信号强度高于一个阈值(threshold_high)时，分组交换控制器203促使站点201-1变成非激活的，而站点201-2变成激活的。如图3中所示，站点201-1和201-2的激活状态上的改变发生在边界104-1和104-2之间。

当站点201-2变成激活站时，来自无线设备102的后续信息包经由站点201-2被传送给接入点103-2。来自接入点103-1的剩余信息包被站点201-1接收，并被分配给无线设备102。TCP sessions(传输控制协议会话)等要求的确认信息包可以经由站点201-2被传送给接入点103-2。

接入点103-1和103-2之间的传递(handoff)会发生，且对无线设备102而言，这种传递是透明的。特别地，这种转换最好发生在失去与接入点103-1的连接之前。所以，与无线设备102相连的数据通信没有中断。在类似的情形下，对与无线设备102进行通信的服务器或其它资源而言，这种转换是透明的。

依照一个典型实施例，图4描述了一个使用智能无线交换器管理多个正在相同方向上移动的无线设备的无线通信的流程图。

在步骤400，多个无线设备与智能无线交换器的内部接入点相连，允许无线局域网(WLAN)通信。在步骤401，第一个接入点被检测出来。在步骤402，智能无线交换器的第一个站点与第一个接入点相连接。在步骤403，第一个站点被设定为在线的和激活站。在步骤404，使用第一个站点，数据在无线设备和第一个接入点之间被路由发送。

在步骤405，第二个接入点被检测出来。在步骤406，智能无线交换器的第二个站点与第二个接入点相连接。在步骤407，第二个站点被设定为在线的和非激活站。在步骤408，使用Ping信息包，保持与第二个接入点的连接。

在步骤409，监控与第一个和第二个站点的接收信号强度。当信号强度越过各自的阈值，第一个站点被转换成非激活状态，而第二个站点被转换成激活状态。在步骤411，使用第二个站点，数据在无线设备和第二个接入点之间路由发送。

依照一个典型实施例，图5描述了无线通信系统500。无线通信系统500包括具有智能无线交换器200和无线设备102的列车101。无线通信系统500还包括基站501。基站501提供无线通信硬件，使得能够与智能无线交换器200进行无线通信。特别地，基站501包括方向天线502。方向天线502可以包括多个离散天线元件。为了与智能无线交换器200进行通信，通过选择具有最大天线增益的一组离散天线元件，而获得天线502的方向性。

通过监控不同天线元件场型(pattern)的接收信号强度，天线控制器503选择一组天线元件用于通信。当信号强度超过阈值，天线控制器503在天线元件场型之间进行切换。使用集成电路功能和/或一个执行合适软件指令的处理器，可以实现天线控制器503。通过在天线元件之间进行切换，基站501跟踪列车101的移动，并使通信能够在更大距离上得以保持。所以，使用少量基站501能够提供一个相当大区域的覆盖，比已知基站配置所要求的还要少。

依照一个典型实施例，图6描述了一个基站与一个移动智能无线交换器进行通信的运作流程图。在步骤601，检测到智能无线交换器进入基站的覆盖区。在步骤602，测量基站的每个天线元件上接收到的信号强度。在步骤603，通过在天线元件场型之间进行切换，智能无线交换器在覆盖区内的移动被基站跟踪。当接收信号强度超过阈值时，会发生场型之间的切换。

图2到6已经讨论了本发明的许多实施例。应该注意的是，本发明并不限于此。能够做出许多改变、改造和替换。例如，在一个可选择的实施例里，方向天线和合适的控制器能够在智能无线交换器203内实现。智能无线交换器上的天线元件的切换产生，可以跟在基站上的切换方式完全一样。在另外一个可选择的实施例中，智能无线交换器的多个无线站可以实施多个无线通信协议(如802.11协议、802.16协议、GPRS协议、等等)。针对一个特定无线通信协议覆盖的可用性，经由智能无线交换器的转换也可能发生，这对无线设备而言是透明的。内部接入点和智能无线交换器的站点也可以使用不同的无线通信协议。而且，实施例可被用于任何类型的运输工具。但是，本发明的实施例并不仅限于此。例如，智能无线交换器能够被用于不同接入点上有信道衰落发生的静态环境里。

通过使用一个智能无线交换器，典型实施例使无线通信能够有效地进行。多个无线设备能够持续进行数据通信，到达外部接入点的覆盖区边界时也不中断。外部接入点之间的切换的发生，对无线设备的用户来讲是透明的。另外地，通过使用一个合适的控制器来选择方向天线的天线元件场型来跟踪无线交换器的移动，减少了采用的与智能无线交换器进行通信的基站数量。

虽然已经详细说明了本发明及其优越性，但应理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的条件下可以做出各种改变，替换和变化。此外，本申请的范围不限定到此处说明书中描述的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤等的特定实施例。从说明书可以容易理解，可以利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的目前已有的或者将来会开发出的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤。因此，所附的权利要求书旨在包括这些处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法或步骤。

附图说明

为了更完整地理解本发明，请参考结合附图的下面的说明。其中：

图1描述了一个典型的无线通信系统。

图2是依照一个典型实施例描述了一个智能无线交换器。

图3是依照一个典型实施例描述了一个无线通信系统。

图4是依照一个典型实施例描述了管理无线通信的一个流程图。

图5是依照一个典型实施例描述了另一个无线通信系统。

图6是依照一个典型实施例描述了一个基站运作流程图。