CN1213512C - 在电磁场中通信的无线网络通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明用于在建筑物或结构(10)中产生电磁场(20)。建筑物或结构(10)中的导体(14)被用作一个激励器以产生一准静态的电磁场(20)，该电磁场可用于无线连接多种不同的装置而不受外部噪声的过度干扰。

Description

在电磁场中通信的无线网络通信方法和系统

技术范围

本发明包括能提供无线通信系统的方法和装置。更具体而言，本发明的优选实施方案应用高频，甚高频和超高频的低端(HF，VHF和UHF)频段，在建筑物或结构中产生电磁场。建筑物或结构中的导体被用做激励器来产生本地的准静态电磁场，利用该电磁场可以无线方式连接各种装置并能不受外界噪声的过度干扰。

现有技术背景

过去的二十年里，个人计算机的迅速增长改变了世界。福布斯的最近一份报告中指出，仅在1998年就销售了超过一亿台个人计算机。在过去的仅仅几年时间里，把这分布在全球的成千上万台计算机通过万维网连接起来的能力引起了在线传送的信息和处理的商务的数量的增加。德克萨斯大学进行并发表在福布斯上的最近的一项研究指出，美国的互连网工业在1998年获得了三千亿美元的收入，几乎与美国的汽车工业的收入一样多。

电信业的许多专家相信，这场通信革命的更新而且更激动人心的阶段将要展开。尽管成千上万台新增的个人计算机将加入到互联网上，而许多新的电子装置将要首次被广泛地连接到网络中。KevinKelly在他1998年的名为《新经济的新规则》的书中估计，世界上目前有六十亿只“芯片在物体中”而不是在计算机中运行。电视，家用电器和照明元器件，加热和制冷系统，安全报警和办公设备均能被通过网络传输的信号控制和监视。即使那些使用简单，单用途芯片的最平常的器具也能由网络信号监视或控制。

试图用常规的硬件把许多装置连接在网络中的最严重的缺陷之一是需要电缆、接口设备和连接端子。在内部建筑完成之后才增加电线的情况下，电线暴露在居住或工作地点的内壁，情形更是如此。大量的电线从桌子上垂下来并在地板上乱作一团，有时会危及安全。

最近一项进展是引入了有限数量的包含无线发射和接收机的装置。许多打印机、膝上型计算机、个人数字助理使用红外口与计算机系统交换数据。这些红外装置具有非常有限的范围，并且一般需要目标在视线之内。

许多新公司正在尝试开发无线网络系统。一个名为OpenSky^TM的新公司已由3Com^TM和Aether Technologies^TM组成。Bluetooth^TM是几家电信公司寻求在2.45GHz频段建立连接标准的合作努力的结果。Home RF^TM是Microsoft^TM提供的建议的无线网络系统。Home WirelessNetworks^TM也计划提供无线网络产品。

在美国，当无线电波被用来连接装置时，该无线装置的生产厂商必须保证使之工作于联邦无线委员会(FCC)规定的特定的频段和功率限制范围。FCC分配和协调射频(RF)波段的使用以保证频谱的许多不同的使用者之间的干扰降到最小。FCC分配的某些频率位于“非执照”频段，这意味着使用这些频率不需要从FCC获得正式的执照许可。联邦规定码(Code of the Federal Regulations)的第15部分包含允许无执照的无线发射的条款，如果该发射满足许多有关功率水平、天线尺寸、距离和其它参数的指导方针。

这些繁杂的政府规章在各种新无线网络的开发中表现出严重的障碍。一个无线网络不能运行于已把执照发给其他使用者的频段，而且不能运行于非执照频段，除非它符合第15部分的严格要求。

提供一个高速，易于扩展和灵活的网络用于连接许多不同的装置和器具的问题，已经为通信工业的工程师和技术员提出了主要的挑战。对能够简便地连接许多不同的装置，用相对低的成本，不需电线并且对无线频谱的其他使用者不产生干扰的方法和装置的开发，将会构成电信领域的一个主要技术进展，并将满足电子和计算机工业的长远需要。

发明公开内容

无线网络通信系统的电磁场提供了在准静态电磁场中无线连接射频装置的方法的装置。该场产生于把射频信号馈至结构中的导体上。在一个典型的居住、商业或工业建筑物中，该导体可以是电器装置中的一条电线或接地屏蔽线、水管或建筑构件。通过把射频信号引入建筑物中的导体上，该建筑物本身变成了这个系统的激励器。

由于以下原因引起的问题，HF频段过去未被开发用于通信网络，1)大气和人为的高噪声以及2)该频谱区域的天线的大尺寸。本发明解决了这些问题，并使该HF频段能够用于建筑物或住宅内的相互通信。

建筑物或住宅相对于在HF到UHF的低端中波长来说是大的。于是电磁场实际上被激励，由此解决了通常使用的“大天线”的问题。被激励的接地系统的结构(或管道设备或结构或喷水灭火装置)组成了屏蔽人为噪声和银河噪声的笼状物。这种结构包含RF能量。该激励器建立起来的电磁场不是通常意义上的传播波。该场不以散射为特征，而且一般不受非金属墙或人体的影响。现在整个建筑物被激励并作为无线连接该区域装置的理想介质。

与上述情形相反的是通常使用FCC的15部分的频率，2400-2483.5MHz或5727到5850MHz，其中花费数百百万美元开发建筑物或住宅的基础结构通信系统。这些频率最低的相应的波长小于5英寸。这样结构就很大以至于能量以通常的辐射方式传播。这些频段的特征在于导致盲区的散射(scatter)和多路传播。而且，信号不容易穿过墙壁，并且因人的存在受到严重影响。

这些问题通常由在结构中配置许多天线来解决。因而得到的RF环境的特征在于存在具有接近相同幅度的天线产生的信号空白或零位的干扰区域。同轴电缆必须布线于整个结构中。这样“无线”这个词就变的有争议了，因为尽管最后的连接是无线的，安装的电缆却不是。工作在2400MHz以上得到的益处是天线的小尺寸，通常小于2英寸。因此为此小天线的方便付出了高代价。

在本发明的一个首选实施方案中，射频信号一般局限于3-30MHz的高频(HF)，或30-300MHz的甚高频(VHF)，和300-3000MHz的超高频(UHF)频段的低端。这种选择的结果是以高频(HF)频段的100米到10米，以及甚高频(VHF)频段的10米到1米的波长。在本发明的一个首选实施方案中，使用的波长应当与在其中产生电磁场的建筑物或住宅的尺寸的数量级相当。

该电磁场是非传播、准静态型的电磁能量，该能量一般局限于产生它的结构中。与具有使能量从天线向外辐射和传播的传播波的常规的无线电不同，本发明建立了一个空间区域或体积，其特征在于电磁电压场具有在输入的无线电信号的频率上发生变化的幅度。该电磁场一般不与结构外部的无线电装置产生干扰。

本发明可用于在一建筑物或住宅内建立高速局域网。许多种不同的装置包括计算机、蜂窝电话、个人数字助理、常规电话、电视、收音机、安全报警器、办公设备、照明器件、加热和制冷系统以及许多其他器具可以应用本发明产生的电磁场用无线方式连接起来。任何具有产生信息和受控能力的装置能够无线连接到被开发用于以处理这种信息或控制这种功能的企业网上。

通信工业已经认识到住宅或商务建筑物内的可连接性是其将来业务增长的关键。自1 998年初，主要的公司已经日益着手拓展这一市场作为其增长的关键。这些公司如Intel^TM，Cisco Systems^TM，Microsoft^TM和Sun Microsystems^TM，与其它许多公司一样，已经公布了渗透到住宅和建筑物内通信市场的计划。本发明提供了达到此目的的无缝宽带方案。

可以通过研究优选实施方案和其它实施方案的说明，以及通过参照附图，以达到对本发明的其它目的和目标的了解以及对本发明的全面和彻底理解。

附图简述

图1是使无线电波自天线向外传播的常规辐射场的示意图。

图2是谐振腔状电磁场的示意图。

图3是一个典型的墙中有导体的房屋的剖面图。一个射频信号发生器与墙内导体耦合以建立房屋内的电磁场。

图4是本发明的一个实施方案的电路图。

图5用图表示一个典型的房屋里的不同装置可以用本发明方法无线连接起来。

实现本发明的最佳模式

1.电磁波

当射频能量被耦合到腔体，腔体内产生一电磁场。这个腔体可由固态金属表面或线的格子组成。耦合器或激励器在腔壁内建立电流，并因此建立了内部的电磁场。该场分布不随场的电压分量的大小变化，只在激励频率的载波率(carrier rate)处变化。

图1提供了常规无线电台RS的简化示意图。包含欲传送给听众的信息的无线电信号通过电缆CBL被馈至高的金属发射塔T上。该塔由产生无线电波W的导电金属组成。该场通过空气传送或传输很长距离，直至到达如图1房屋H中所画的一台无线接收机R。该接收机R检测信号，并转换成听众能听到的语音或音乐。

图1中应用的常规无线电波产生一个被称为“远场”的场，因为该无线电波自天线塔向外运动并离开塔，并使远距离的无线电接收机工作。传播波依照众所周知的电磁传播理论运动，但是，在常人看来，就象平静的池水中掷入石子后表面的涟漪。常规的无线电设备用可以传播很远距离的波向远处的接收机发射电磁能量。

图2是特别不同的电磁场的示意图。这个场是电磁场。为产生这种电磁场，信号S通过与图2所示的矩形金属壳体E连接的导体传送。在壳体内部，所产生的场与图1所示的“远场”完全不同。图2所示的金属盒中没有传播。在其中，包含在盒中的每一点与能量水平或电平大小有关。这些逐点的电平随激励盒体的输入信号频率和盒体的大小而变化。由于它不能为远处的接收机产生传播波，这种电磁场可以称为“准静态”场。

如图2所示，置于盒体内部的接收机能够探测到信号S，但是，与常规无线电不同，该接收机处在准静态非传播波“内部”。更常见的用于激励产生限定于其壁内的电磁波的导电壳体的技术术语是“谐振腔”。

II.本发明的一个优选实施方案

本发明应用图2所示电磁场现象在壳体内产生一个区域或“泡”。该场用于无线连接许多不同的装置，而更重要的是，不对其它常规的无线电装置产生干扰。在本发明的一个优选实施方案中，信号产生于频率范围3到30MHz的高频段(HF)。在本发明的另一个实施方案中，信号产生于频率范围30到300MHz的甚高频段(VHF)。场也可以在UHF频段(至少到400MHz)的低端产生。

选择这些特别的频率范围很重要，因为，与这些频率相关的波长一般在其中产生场的结构的尺寸大小的数量级内。这种关系很重要，因为如果结构变的太大，它就变成产生远场的天线，散射和多路径因而开始出现。

高频和甚高频段对本发明的实现特别有用，因为，常规射频的用户通常避而不用它们。事实如此，由于以这些频率传播的信号会受到许多不同类型的自然大气层的人为噪声的干扰。

图3描绘了具有墙体的一个结构或建筑物10，该墙体包括通常的金属导体14，如电接地屏蔽，电线，喷水灭火装置，水管或建筑构件。通过从信号发生器16引入信号，这些导体14被激活或激励，所述信号发生器通过导线18与导体14的一个或多个相连。在本发明的另一个实施方案中，通过用从信号发生器16发出的电磁能量来激励导体14，导线18可以去掉。

本发明应用已存在于几乎所有的建筑物和房屋中的金属部件14作为腔天线以便在建筑物或房屋中产生电磁场20。包含接收机的各种装置22就能以无线方式连成局域网。这个局域网，又可以连接到公用或私用电话线，卫星收发机，或者与外部世界的其它接口上去。

图4是本发明的一个实施方案的电路图。该系统有一控制器，它可以是PC里的一块卡或一独立的基站。这个终端被连接到房屋地线系统(或结构或管道等等)用以激励该空间。许多装置在此空间内发射并因此与网络相连。它们的信号被控制器接收。该控制器，它在本发明的一个实施方案中包括一个路由器，分离各自不同的带宽和/或调制格式的信号，并把它们送到其所编址的目标。如果装置正受监视，该目标可以是处理器本身，或者是远端装置如正从VCR或TV上接收数据的视频接收机。该目标还可以是正在改变设置的远端装置。当频率小于300MHz时，发射机，接收机和所有其它硬件可以数字化实现。事实上，该系统的一个主要优点是本发明所述的频率下的硬件要比2400MHz频段以上的硬件便宜很多。

在本发明的一个实施方案中，与所述空间内导体的连接是通过经由匹配部分然后经由同轴电缆完成的。同轴电缆的输出与导体相连，留下其屏蔽地不终结。当RF能量被接至一端子(terminal)时，部分能量按期望传输，部分被反射。反射的发生是由于激励器与发生器的阻抗不相等，并且，前者随频率而变化，而发生器的阻抗不变化。反射的能量表明效率的损失而应当减少到最低。所述匹配部分转换激励器阻抗以在工作频段内达到最小反射。通常，激励器须在真实地(trueground)上以0.1到0.4倍波长被连接以达到合理匹配。这限制给定的装置(attachment)频段到400％-足以满足要求。

图5用绘图表示应用本发明可以无线方式连接的典型房屋内的各种装置。

依照本发明的第一方面，本发明提供了一种方法用于产生馈至结构10内导体14的射频信号。一个准静态非传播电磁场20产生于该结构内，并被用来传送射频信号至位于结构10里的接收机22。许多不同的信号可以同时馈至导体，使能多个信号的传输。在本发明的一个实施方案中，只要采用合适的滤波以保证合适的信号分离，信号可以用HF，VHF和UHF的低端频段进行同时传送。

在本发明的一个实施方案中，本发明可以通过把通常的三插针的电插头插入到常规的三插槽的电插座中来实现。该插头具有带电的第一和第二插针，以及接地的第三插针。信号通过插头上的接地插针被馈至结构中的电系统的地线上。对接地插针的使用是实现本发明的一种特别方法，但是，对建筑物内的水管和导电构件如钢梁的使用也具有非常重要的优势，因为它们通常没有电噪声。在某些情况下，有可能在顶棚或地板下增加导体14以增强该电磁场。

在本发明的另一个实施方案中，本发明提供了用于建筑结构10的信号传输系统。这一实施方案应用一射频发生器16，22以及一个或多个射频信号接收机，其特征在于发生器16，22被安排提供其信号到导体14上，并且，响应于该信号，导体被安排在该结构内产生一个准静态非传播的电磁场20。

在本发明的一个优选方案中，优选的信号频率基本上是30MHz，但可以位于3到400MHz范围的任何位置，优选地是在5到100MHz范围内，而最好在15到60MHz范围内。

III.无干扰无线运行

选择高频，甚高频和超高频的低端频段为本发明的实施提供了两个重要的优势。第一，由于其它多数无线服务避免采用这些具有大气和人为噪声的频段，这些频率一般可用于类似本发明提供的革命性的新服务。第二，这些频段需要大天线。在30MHz，合适的常规天线尺寸是50英尺，而一个150英尺的常规天线会更适合于10MHz。这些尺寸对这一频段很合适。对于一个50宽150英尺长20英尺高的建筑物来说，该建筑物是0.2×1.0×0.2倍30MHz的波长，或是0.1×0.5×0.4倍15MHz的波长。

当电磁场系统工作时，结构内的导电体形成了的一小的栅格组，该栅格相对于HF波长较小，并“阻断”了源自外界的辐射，大大地减少了大气和人为噪声的影响。当栅格小到低于0.5倍波长时，此栅格允当阻止能量穿透的屏蔽。其衰减随着栅格尺寸(对于波长)的减小而迅速降低。侧面有25英尺的栅格开口对30MHz，已足以适合地小而且容易在任何结构中实现。

在VHF和UHF低端频段，当波长的大小变小时，栅格防护能力慢慢消失。幸而，但是，人为和银河噪声减少得更快。后一于扰通常低于大约40MHz接收机的噪声。在这些上部频段，噪声的屏蔽不是最重要的，而且建筑物的激励可以如上所述继续工作。然而，当频率增加时，能量则开始传播到结构外部。

已经作了从3到30MHz，140到150MHz以及从390到400MHz的实验性工作。这一实验证实了上述学说。该实验被用于在一个商业建筑物(100英尺宽200英尺长)和一个两层楼的住宅里发射视频和音频数据。只要使用滤波，非常有可能在同一个结构中运行多个HF，VHF和UHF频段。

由于所述电磁场的特殊性质，困扰常规无线通信的许多缺陷，如散射、盲点和多路干扰被避免。一些更高一点的频率不能穿过墙体，而且受到人体的严重影响。由于HF和VHF波很大，这些问题一般会通过本发明避免。

IV.术语

在以下说明书和权利要求中，术语“导体”用于描述一种材料，其特征在于具有传送和传输电流的能力。然而，该术语的使用并不限于典型的导体诸如金属线、电缆和管道。用于实现本发明的导体可以包括任何物质，其中电子或其它电荷通常自由运动以形成电流，并因此产生场。

类似地，术语“结构”并不意味着限于任何特殊形式地建筑物。当被用于本说明书和以下权利要求中时，术语“结构”包括任何完整或部分壳体，或结构的一个部件，包括但不限于构成谐振腔的墙体，隔断，地面，窗，天棚或屋顶。

工业应用

本发明的优选实施方案应用高频，甚高频和超高频的低端(HF，VHF和UHF)频段在一建筑物或结构内产生电磁场。该建筑物或结构内的导体被用作激励器以产生一个本地的准静态电磁场，该电磁场可用于无线连接各种不同的装置而不受到外部噪声的过度干扰。本发明将可以适于各种各样的用途，包括本地的商业或住宅无线网络的建立。

结论

尽管参照特定优选实施方案对本发明进行了详细叙述，本发明所属行业的具有一般知识的人员将意识到，在不脱离以下权利要求的实质和范围的情况下，可以制造不同的改动或增强。上述公开的方法和装置意欲教给读者首选实施方案，而不是意欲约束本发明的限制或权利要求的范围。

参考字母表

图1

CBL    电缆

H      房屋

R      无线电

RS     无线电台

T      发射塔

W      无线电波

图2

E      壳体

图3

10     结构或壳体

12     墙体

14     导体

16     信号发生器

18     从信号到导体的连接

20     电磁场

22     具有接收机的装置

Claims (12)

1.一种方法，包括步骤：

产生射频信号；

把所述射频信号馈至现有的导体(14)的互连装置上，所述导体延伸于整个建筑物结构(10)中，由此，一个准静态非传播电磁场(20)形成于所述结构内；以及

利用所述电磁场传送所述射频信号至位于所述结构内的接收机(22)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述射频信号在高频频段内产生。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述射频信号在甚高频频段内产生。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述射频信号在超高频的低端频段内产生。

5.如以上任一前述权利要求所述的方法，其中，所述射频信号被利用有线连接(18)馈至所述导体(14)。

6.如以上权利要求1到4任一项所述的方法，其中，通过利用发射的射频能量激励所述导体来将所述射频信号馈至所述导体(14)。

7.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中，所述导体(14)是电线。

8.如权利要求1到4任一项所述的方法，其中，所述导体(14)是水管。

9.如权利要求1到4任一项所述的方法，其中，所述导体(14)是建筑构件。

10.如权利要求1-4任一项所述的方法，包括附加步骤：

利用多个接收机与所述导体(14)之间的多个连接，允许HF，VHF和UHF的低频段同时运行；以及

对所述多个连接进行滤波以保证信号分离。

11.如权利要求1-4任一项所述的方法，包括附加步骤：

通过把接收机的具有第一和第二电插针，以及第三接地插针的电插头插入到电插座中来安装所述接收机。

12.一种用于在建筑结构内传输信号的信号传输系统，该结构具有导体(14)的互连装置，所述导体延伸于整个建筑物中，该系统包括一个射频信号发生器(16，22)，以及一个或多个射频接收机(22，16)，其特征在于发生器(16，22)被安排提供其信号到导体(14)上，并且，响应于所述信号，导体被安排在所述结构内产生一个准静态非传播的电磁场(20)。

Images