CN1938996B - 用于移动设备的基于定位的切换方法及通信系统 - Google Patents

用于移动设备的基于定位的切换方法及通信系统 Download PDF

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Abstract

通过跟踪任何数量的移动设备(121，122，...，12n)的移动速度(速率和方向)而切换在交叠的小区(181，182，...，18n)中的移动设备(121，122，...，12n)。接入点(141，142，...，14n)各自位于相关的工作小区(181，182，...，18n)中并且每个工作在专用频率上。在定义空间(16)中的预定位置处，初始信号强度被提前测量以定义信号强度为位置图(42)。一个邻近初始接入点(典型地为最近的)和至少两个邻近(典型地为次近的)接入点被指配给移动设备(121，122，...，12n)之一，以及每个接入点的频率被识别。跟踪处理器(50)周期地扫描邻近接入点的频率以确定移动设备的位置速度并且预测何时切换合适。例如，收集并且分析在移动设备和邻近接入点之间的实际信号强度测量以确定一个适当的时刻来切换一个或多个邻近接入点。

Description

用于移动设备的基于定位的切换方法及通信系统
描述
本发明涉及通信技术领域。它在无线局域网系统(WLAN)中得到特定应用并且将特别参考其来进行描述。然而，本发明还可以在其它通信系统中得到应用。 
WLAN是一种灵活的数据通信系统，它被实现为对有线局域网(LAN)的扩展或替代。典型地，WLAN使用射频(RF)技术来在空中传输和接收数据，无需依赖于任何物理连接。被传输的数据被叠加在无线电载波之上以便于它可以在接收端被准确提取。假设无线电波在不同的无线电频率上传输，则多个无线电载波同时存在于同一空间而不会相互干扰。为了提取数据，无线电接收机调谐在一个频率中，而同时拒绝所有其它的频率。 
在典型的WLAN系统中，发射机/接收机设备被称作接入点，其使用标准电缆线路从一个固定位置连接到有线网络。典型地，接入点在WLAN和有线网络结构之间接收、缓冲、并且传输数据。通常，单个接入点支持一小组的用户并且可以在大约三十到五十米半径的范围内起作用。终端用户通过WLAN适配器接入WLAN，该WLAN适配器在笔记本或掌上计算机中被实施为PC卡、在桌上型计算机中被实施为卡、或者被集成到手持计算机中。WLAN适配器在客户网络操作系统(NOS)和经天线的空中通道(airways)之间提供接口。 
通常，在诸如办公室、医院、制造用设施等等的大型设施中，需要安装不止一个接入点。接入点被安装来以交叠的覆盖小区来铺盖区域，以便于客户可以无缝地在该区域中各处漫游而在任何时候都不失去联系。当客户从一个区域移动到另一个区域时，必须执行切换来指配与新接入点相关联的新的系统资源。切换包括执行移动设备和中央计算机之间的一组协商。结果，客户被以一种对于其不可见的方式从一个接入点移交到另一个接入点。通常，切换以占用更多的系统资源为代价来提高系统的性能。 
有效且适时的切换过程在具有小的工作小区并且对于增加通信系统容量有重大要求的WLAN中非常重要。用于移动设备切换的典型方法是扫 描WLAN工作空间中的所有的无线电频率来确定该移动设备信号的相对强度。然而，如果许多用户连接到该WLAN并且小区边界存在众多的交叉，则此方法相当多地占用了系统资源并且减慢了通信吞吐量。 
需要一种在WLAN中提供移动单元的自适应的、快速的、有效的、无缝的、并且成本有效的切换的技术。本发明提出了克服上述问题或其它不足的新的且改进的方法和设备。 
根据本发明的一个方面，公开了一种通信系统。多个移动无线单元和多个接入点各自被一个相关联的工作小区围绕着，它们位于WLAN的一个定义区域中。该工作小区被交叠地置于定义的空间中。每个接入点工作在专用频率上。一种装置跟踪定义空间之中的至少一个移动设备的移动。一种装置扫描邻近接入点的识别出的扫描频率来测量所述至少一个移动设备和每个邻近接入点之间的实际信号强度。一种装置通过比较该实际信号强度与定义空间中的预定义位置上的相对信号强度的图(map)来计算所述至少一个移动设备的至少一个位置。一种装置基于其位置和定义空间中的相对信号强度的图来指配具有最强信号的接入点给所述至少一个移动设备。 
根据本发明的另一个方面，公开了一种用于在无线局域网中将至少一个移动设备从一个接入点切换到另一个接入点的方法。跟踪所述至少一个移动设备在定义空间中的移动。扫描对应于所识别的多个邻近接入点的每个近邻接入点的所识别的扫描频率。测量在所述至少一个移动设备和所识别的接入点之间的每个已识别频率处的实际信号强度。通过比较该实际信号强度与定义空间中预定位置上的相对信号强度的图来计算所述至少一个移动设备的至少一个位置。基于计算的位置和该图来指配具有最强信号的接入点给所述至少一个移动设备。 
本发明的一个优点在于快速且有效地切换无线局域网中的无线移动单元。 
另一个优点在于成本有效的切换。 
在阅读和理解下面对于优选实施例的详细描述后，对于本领域的技术人员来说，本发明的更进一步的优点和好处就将变得显而易见。 
本发明可以采取各种部件和部件的安排的形式，以及各种步骤和步 骤的安排的形式。附图仅用于示例优选实施例的目的并且不被视作对本发明的限制。 
图1示意性示出了一个WLAN通信系统的一部分；以及 
图2示意性示出了根据本申请的一个WLAN通信系统的一个部分。 
参照图1，一个无线局域网10包括一个或多个移动设备或单元121，122，…，12n。优选地，移动设备121，122，…，12n为掌上电脑、笔记本计算机、手持设备、PDA、寻呼机、桌上型计算机、或者任何其他可以配置用于无线通信的设备。通常地，网络10连接多个接入点或站141，142，…，14n(为了简化显示，仅示出了六个接入点)，它们分布在定义的区域或空间1 6中各处，以提供无线业务给移动设备121，122，…，12n，这些移动设备工作在空间16中并且被配置来与接入点141，142，…，14n 通信。每个接入点141，142，…，14n具有有限的工作范围或接入点小区181，182，…，18n，其典型地为30-50米。每个接入点141，142，…，14n工作在其自己专用的、具有已知无线电频率的无线电信道上。因为工作范围181，182，…，18n在区域16内是交叠的，所以每个信道工作在独一无二的无线电频率上以防止移动设备121，122，…，12n在同一个频率上与不止一个接入点的同时通信。当然，还设想可以使用其他的WLAN设计，其中频率可以重复使用。 
接入点141，142，…，14n为有线的，或者另外地被连接到一个有线网络结构或者一个局域网20。被连接到局域网20并且包括相关的软件装置2 4和硬件装置或处理器26的中央计算机22监视WLAN系统10的工作，并且优选地提供到局域网20内可用的各种系统和/或应用的接口。 
每个接入点141，142，…，14n包括一个天线或接收/发送装置30以与移动设备121，122，…，12n双向通信。例如，接入点141，142，…，14n在移动设备121，122，…，12n和有线网络20之间至少接收、缓冲和发送数据。每个移动设备121，122，…，12n包括相关的硬件装置32和软件装置34。硬件和软件装置32、34被实现或集成到移动设备121，122，…，12n中以提供移动设备121，122，…，12n和接收/发送装置30之间的接口。 
继续参照图1，当移动设备121在小区181中时，它与接入点141通信。当移动设备121移动到定义区域16内时，处理器26执行一组指令，并且如果确定需要切换，则切换移动单元121到另一个接入点，这将在下面更详细地讨论。
参照图2，初始信号强度确定装置或计算机例程或算法38确定在预定位置处的初始信号强度，即信号梯度。任选地，初始信号强度确定装置38统计地定义在预定位置处的初始信号强度。映射装置40将初始信号强度映射到定义空间16中。区域16的二维或三维地理信号强度图指示所有站或接入点141，142，…，14n、有关的工作频率以及定义的初始信号强度，该信号强度图被存储在数据库或区域图存储器42中。优选地，数据库42位于中央计算机22处。任选地，数据库42位于WLAN 10之内，例如在移动设备121，122，…，12n处。 
切换装置或计算机例程或算法48执行接入点指配以及对于确定的位置的、到最近的接入点的后续切换，并且识别位于定义空间16中的移动设备121，122，…，12n的具有最强信号例如最大信噪比的信道。更特别地，当移动单元121，122，…，12n之一，诸如移动单元121被加电时，位置确定装置或计算机例程或算法52确定在定义空间16内的移动设备121的位置。扫描装置或计算机例程或算法54扫描在定义空间16内的所有接入点的信道的工作频率以确定在移动设备121和每个所扫描的频率之间的实际信号强度的梯度。所扫描的频率按梯度的顺序被呈现，例如从最高的梯度到最低的梯度，并且所扫描的频率被存储在一个扫描频率存储器64中。位置计算装置或计算机例程或算法56通过比较实际信号强度与映射的信号强度来计算移动设备121的位置，例如初始位置P1。优选地，该位置从三个最强的频率，通常是三个最近的站的相对信号强度来确定。然而，可以使用其他个数的频率/站来用于确定移动单元位置。数量越大给出的位置精度越大。在某些情况下，少于三个亦可唯一地识别移动单元的位置，特别是当考虑墙和其他物理障碍的时候。 
确定的位置P1被存储在位置存储器58中。接入点指配装置或计算机例程或算法60识别出具有最强信号的接入点的位置并且将它指配给移动设备121。扫描频率识别装置或计算机例程或算法62识别优选地三个邻近信道(例如三个接入点141，143，144)的频率，其最靠近典型地具有最强信号的位置P1。这三个邻近接入点和每个相关信道的相应频率被存储在扫描频率存储器64中。 
当移动设备121从位置P1向位置P2移动时，移动设备121和接入点 141之间的信号强度减弱并且移动设备121和接入点143和144之间的信号强度增大。在定义空间16被映射的情况下，当移动设备121从位置P1向位置P2移动时，扫描装置54周期性地扫描这三个被存储的邻近频率以收集移动设备121和这三个最近接入点的频率之间的信号强度值。位置计算装置56计算移动设备121的一个新的位置。优选地，通过比较这三个测量频率处的实际信号强度而对移动设备121的准确位置进行三角测量。速度确定装置或计算机例程或算法66比较周期性扫描的位置结果并且确定移动设备121或者定义空间16中的任何其他移动设备的移动速率和方向。基于该移动设备的速率和方向，未来位置预测装置或计算机例程或算法68预测移动设备的未来位置以及移动设备与该移动设备所处的小区的接入点以及邻近小区之间的预计的未来信号强度。 
如果确定移动设备121正在趋近一个新位置，例如位置P2，在该位置该图42显示了一个不同的接入点将具有更强的信号，则接入点指配装置60指配给移动设备121一个新的主(primary)通信接入点，优选地该点具有最强的信号。通过查阅该图42，扫描频率识别装置62识别优选地三个接入点141，144，146的频率，这三个接入点对于该新位置P2提供最强的信号。在这个例子中，测量位置的这三个接入点保持不变，但是通过其发生通信的那个接入点从141移到143。 
当移动设备向位置P3移动时，三个位置测量接入点之一改变，即三个最近接入点从141，143，和144改变到143，144，和146。从接入点141到146的改变优选地在位置预测装置预测到移动设备将相比于141是更接近于接入点146时完成。照这样，如果移动设备相比于位置抽样间隔移动得如此之快以至于它将超出接入点141的范围，那么它将从接入点143，144，和146仍旧无缝地对其位置进行三角测量。这三个新的邻近接入点和每个相关的信道的相应频率被存储在扫描频率存储器64中以便周期地由位置确定装置50分析来监控移动设备121的位置。AP指配装置60访问图42和扫描频率存储器64以取回新接入点146和停止使用的接入点141的频率。这个频率变化被传送到移动设备以引起扫描频率上的无缝变化而无需搜索所有的频率来寻找新的最近接入点。 
在继续向P3移动的情况下，通信频率从接入点143的频率变为接入点146的频率。 
在某些情况下，接入点指配装置62可以不指配移动单元给具有最强信号的接入点。该接入点指配装置60与仲裁装置或计算机算法70进行商议来确定移动设备到接入点的指配的最佳整体分布。在一个例子中，仲裁装置70看看是否有接入点过于拥挤或者趋近容量。如果一个移动单元正在趋近一个接近容量的接入点，则推迟切换直到图42显示它正移动超出它当前接入点的信号强度或者另一个移动设备移出了该过于拥挤的接入点的区域。作为第二个例子，仲裁装置70根据其预计的速度的轨道和该图来预计移动单元将处于新接入点区域中多久。如果该预计的轨道将仅仅主要通过该新的地域而不失去来自其当前接入点或再下一个预计的接入点的满意的信号强度，则从当前接入点到下一个接入点的切换和从下一个接入点到再下一个接入点的切换可以被省略，这有利于直接从当前接入点切换到第三个再下一个接入点。 
继续参照图2并且还参照图3，为了提高位置跟踪的精度和可靠性，选择邻近接入点的多于三个的扫描频率来进行扫描以跟踪移动设备121，122，…，12n的位置。邻近接入点(扫描的频率)的数量作为位置精度的确定性(certainty)的函数而变化，以最小化当移动单元121在定义区域16内移动时为确定其精确位置将被扫描的信道的数量。位置变得越不确定，被扫描的邻近接入点越多；位置变得越确定，被扫描的接入点越少。 
尤为特别地，当位置计算装置56确定移动设备121的位置时，确定性确定装置72基于预先指定的因数，诸如抽样之间更长的时间间隔、高速率移动、沿着无规律的轨道移动等等，而确定被确定的位置精度的确定性。所确定的确定性与基于一定的准则被优选地提前预定的阈值相比较。当然，也设想：该阈值可根据系统的要求被改变来限制或增加所扫描频率的数量。如果所确定的确定性低于阈值，扫描频率识别装置62访问区域图数据库42并且选择区域16内的现有的所有工作频率用于扫描。扫描的频率按梯度的顺序呈现，例如从最高的梯度到最低的梯度，并且被存储在扫描频率存储器54中。位置计算装置56重新计算移动设备121的位置，并且确定性确定装置72确定重新计算的位置的确定性。重新确定的确定性与所述阈值相比。如果确定的确定性还低于阈值，则位置计算装置56从扫描频率存储器54请求更多的频率。确定性确定装置72在每次附加频率被加到位置计算时重新计算确定性，并且将确定的确定性与所述阈值进行比较直至达到和/或超过阈值。所识别的最佳邻近 接入点和相应的频率被存储在扫描频率存储器64中来由扫描装置52扫描，以便以更高的精度确定移动设备121的速率和位置。 
本发明已经结合优选实施例进行了描述。在阅读和理解前面的详细描述后人们将想到修改和变更。意即本发明可以被解释成包括在附属的权利要求或其等价物的范围内的所有这样的修改和变更。 

Claims (24)

1.一种通信系统，包括：
多个移动设备(121，122，...，12n)，其位于无线局域网(10)的定义空间(16)内；
多个接入点(141，142，...，14n)，其被置于所述定义空间(16)内的已知位置处，每个接入点(141，142，...，14n)工作在专用频率上；
用于跟踪至少一个移动设备(121)在所述定义空间(16)中的移动的跟踪装置(50)，包括：
用于扫描邻近接入点的已被识别的扫描频率以测量所述至少一个移动设备和每个所述邻近接入点之间的实际信号强度的扫描装置(52)，以及
用于通过比较所述实际信号强度和所述定义空间(16)中的预定位置处的相对信号强度的图(42)来计算所述至少一个移动设备的至少一个位置的计算装置(56)；以及
用于基于该至少一个移动设备的位置和所述定义空间(16)中的相对强度的图(42)来指配具有最强信号的邻近接入点给所述至少一个移动设备的指配装置(60)。
2.如权利要求1中所述的系统，其中所述扫描装置(52)只扫描所述被指配的邻近接入点的频率。
3.如权利要求1中所述的系统，其中所述跟踪装置(50)通过周期地扫描邻近所计算位置的三个指配的接入点的频率来跟踪所述至少一个移动设备的移动。
4.如权利要求1中所述的系统，其中所述跟踪装置(50)包括：
速度估计装置(66)，用于确定所述至少一个移动设备的移动的速率和方向。
5.如权利要求3中所述的系统，其中所述跟踪装置(50)包括：
用于预测所述移动设备的未来位置的预测装置(68)，该指配装置(60)基于所述预测的位置而指配邻近接入点。
6.如权利要求1中所述的系统，还包括：
用于确定所计算位置的精度的确定性程度的确定装置(72)。
7.如权利要求6中所述的系统，其中邻近接入点的数量为位置精度确定性的函数并且所述跟踪装置(50)通过周期地扫描可变数量的频率来跟踪所述至少一个移动设备的移动。
8.如权利要求1中所述的系统，还包括：
用于在所述定义空间(16)中的预定义位置处测量多个初始信号强度的测量装置(38)；
用于与所述定义空间(16)中的预定义位置相关地映射该初始信号强度的映射装置(40)；以及
用于识别所述定义空间(16)中的接入点的位置和扫描频率的识别装置(62)。
9.一种在一无线局域网(10)中、将至少一个移动设备从一个接入点切换到另一个接入点的方法，该方法包括：
跟踪所述至少一个移动设备在定义空间(16)中的移动；包括：
扫描对应于所识别的多个邻近接入点的每个邻近接入点的所识别扫描频率，
测量在所述至少一个移动设备和所识别的接入点之间的每个已识别频率处的实际信号强度，以及
通过比较所述实际信号强度与所述定义空间中的预定义位置处的相对信号强度的图来至少计算所述至少一个移动设备的位置；以及
基于所计算的位置和该图(42)来指配具有最强信号的邻近接入点给所述至少一个移动设备。
10.如权利要求9中所述的方法，还包括：
识别专用于最靠近所述移动设备的接入点的频率；以及
通过周期地只扫描当前识别的最近接入点的频率，来跟踪所述至少一个移动设备的移动。
11.如权利要求10中所述的方法，还包括：
通过周期地扫描三个最近接入点的频率来跟踪所述至少一个移动设备的移动。
12.如权利要求10中所述的方法，还包括：
当所述移动设备改变位置时，更新所述最近接入点的频率。
13.如权利要求9中所述的方法，还包括：
估计所述移动设备的移动的速率和方向；
从所估计的速率和方向来预测所述移动设备的位置；以及
基于所述预测的位置和该图(42)而重新指配最近的接入点。
14.如权利要求9中所述的方法，还包括：
测量定义空间(16)中的预定义位置上的多个初始信号强度；
与所述定义空间(16)中的位置相关地映射该初始信号强度；以及
识别位于所述定义空间(16)中的接入点的多个位置和扫描频率。
15.如权利要求14中所述的方法，还包括：
确定所述移动设备的计算位置的精度的确定性。
16.如权利要求15中所述的方法，还包括：
基于所述位置计算精度的确定性，调整其频率被扫描的多个最近接入点；以及
通过周期地扫描当前最近接入点的频率来跟踪所述移动设备的移动。
17.如权利要求15中所述的方法，还包括：
将所述确定的确定性与一要求的阈值进行比较。
18.如权利要求17中所述的方法，还包括：
(a)响应于确定性低于所述要求的阈值，扫描位于所述定义空间(16)中的数量更大的接入点的扫描频率；
(b)测量在所述至少一个移动设备和相应的接入点之间的每个扫描频率处的实际信号强度；
(c)将所述测量的信号强度组织在一个分类列表中；
(d)重新计算所述至少一个移动设备的位置；
(e)重新计算所述移动设备的重新计算的位置的精度的确定性；以及
(f)将所述重新计算的确定性与所述要求的阈值进行比较。
19.如权利要求18中所述的方法，还包括：
响应于所述重新计算的确定性大于所要求的阈值，基于信号强度从所述分类列表中选择至少三个接入点。
20.如权利要求18中所述的方法，还包括：
响应于所述重新计算的确定性低于所要求的阈值，测量来自所述分类列表的扫描频率的数量；
重复步骤(d)-(f)，直到超出所述阈值；以及
识别一组最佳扫描频率。
21.如权利要求15中所述的方法，其中基于所述位置计算精度的所确定的确定性，最近接入点的数量是一个变量。
22.如权利要求9中所述的方法，其中所述邻近接入点的频率是不同的。
23.如权利要求9中所述的方法，还包括：
切换所述定义空间(16)中的多个移动设备；
估计所述定义空间(16)中的移动设备的总体分布以确定每个接入点的容量；以及
至少基于所确定的容量和实际的信号强度来指配最近的接入点给每个移动设备。
24.一种在一无线局域网(10)中、将至少一个移动设备从一个接入点切换到另一个接入点的系统，该系统包括：
跟踪所述移动设备的移动并且重新指配最近接入点的频率给每个移动设备的装置，包括：
扫描对应于所识别的多个邻近接入点的每个邻近接入点的所识别扫描频率的装置，
测量在所述至少一个移动设备和识别的接入点之间的每个已识别频率处的实际信号强度的装置，
通过比较所述实际信号强度和所述定义空间中的预定义位置处的相对信号强度的图(42)来至少计算所述至少一个移动设备的位置的装置；以及
基于所述计算的位置和该图来指配具有最强信号的邻近接入点给所述至少一个移动设备的装置。
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