CN101243703B - 优化方向性天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种操作具有可配置天线系统的无线通信设备的方法，包括：在可配置天线系统为第一配置时确定第一台站的传输信号质量度量；在可配置天线系统为第一配置时确定第二台站的传输信号质量度量；在可配置天线系统为第二配置时确定第一台站的传输信号质量度量；在可配置天线系统为第二配置时确定第二台站的传输信号质量度量；确定每个台站的信号质量度量均满足最小准则的天线配置的可行集合；和当无线通信设备不进行传输时将可配置天线系统配置为可行集合。

Description

优化方向性天线系统
相关申请
本申请要求2005年8月22日提交的题为“OPTIMIZEDDIRECTIONAL ANTENNA SYSTEM”的美国专利申请11/209358的优先权，该申请全文包含于此，作为参考。
技术领域
本发明涉及无线通信系统，并且涉及用于在这种系统中使用方向性天线系统的系统和方法。
背景技术
无线通信系统可以在固定或可变网络基础结构中的多个客户或台站之间促进双向通信。无线通信系统在台站及其相应基站或接入点之间提供通信信道，以便将台站的单元终端用户与固定网络基础网络(通常是有线系统)相连。已经为特定类型的无线通信系统采用并建议了标准。例如，IEEE 802.11标准定义了无线通信系统的特定操作方面(如建议的IEEE 802.16标准那样)。
发明内容
本发明包括如权利要求中定义的方法、设备和系统。
简言之，在一个实施例中，一种操作具有可配置天线系统的无线通信设备的方法，包括：在可配置天线系统为第一配置时确定第一台站的传输信号质量度量；在可配置天线系统为第一配置时确定第二台站的传输信号质量度量；在可配置天线系统为第二配置时确定第一台站的传输信号质量度量；在可配置天线系统为第二配置时确定第二台站的传输信号质量度量；确定每个台站的信号质量度量均满足最小准则的天线配置的可行集合；和当无线通信设备不进行传输时将可配置天线系统配置为可行集合。
在本发明的另一个方面中，一种无线通信设备，包括：可配置天线系统，能够有选择地被配置为响应于控制信号创建不同的天线配置；与可配置天线系统通信的无线电子系统，被配置为相对于可配置天线系统发送和接收无线电信号；和与可配置天线系统通信的天线控制器，被配置为：在可配置天线系统为第一配置时接收多个台站的信号质量度量；在可配置天线系统为第二配置时确定多个台站的传输信号质量度量；确定多个台站的天线配置的可行集合，所述可行集合是多个台站中每个台站的信号质量度量均满足最小准则的天线配置的集合；将控制信号传送到可配置天线系统，使得在无线通信设备不进行传输时，可配置天线系统处于可行集合中的配置中。
在此还对本发明的其他实施例和方面进行显示、描述和要求专利保护。
附图说明
部分通过研究附图(其中类似的附图标记表示类似部分)可以了解本发明的这些和其他方面、优点以及细节(关于其结构和操作)。附图不一定按比例绘制，相反将重点放在描述本发明的原理上。
图1是无线网络的方框图。
图2是操作可配置天线系统的过程的流程图。
图3是相对于天线优化和正常操作来表示接入点的操作的时间线。
图4A和4B是表示在图4A中具有两个台站的系统以及在图4B中具有三个台站的系统中执行的天线优化的时间线。
图5是接入点的操作的状态图。
图6是无线通信设备的示例的功能框图。
图7是无线通信设备700的替代示例的功能框图。
图8是带有CPU的附加功能细节的表示图6的功能元件的功能框图。
图9是在图8所示的系统操作期间使用的各种队列的图形表示。
具体实施方式
在阅读本说明书后，本领域技术人员将会明了如何在此处描述的本发明的各种实施方式和替代应用中实施本发明。但是，尽管在此描述了本发明的各种实施方式，应当理解这些实施方式只是作为示例给出的，而非任何限制。同样，不应将各种实施方式的详细说明理解为对随附权利要求中限定的本发明的保护范围的限制。
本领域技术人员将理解，结合这里描述的实施方式描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤通常可实现为电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地描述硬件和软件的可互换性，以上一般是就各种示例性组件、块、模块、电路和步骤的功能性来对其进行描述。这种功能性是实施为硬件还是软件取决于在总体系统上施加的特定应用和设计限制。本领域技术人员可以对每个特定应用以不同方式实施以上描述的功能，但是这种实施决策不应理解为偏离本发明的范围。此外，在模块、块、电路或步骤中对功能进行分组是为了便于说明。可以在不偏离本发明的情况下从一个模块、块或电路中移动特定的功能或步骤。
可以用通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、场可编程门阵列或其他可编程逻辑器件、分立门、或晶体管逻辑、分立硬件组件或其设计为执行这里描述的功能的任意组合来实施或执行结合这里描述的实施方式说明的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法。处理器还可以实施为计算器件的组合(例如DSP和微处理器的组合)、多个微处理器、或一个或多个微处理器结合DSP核心或这样的其他配置。
可以在硬件、处理器执行的软件模块、或二者的组合中直接实施结合这里描述的实施方式说明的算法的步骤和方法。软件模块可以驻留于例如随机存取存储器、闪存、只读存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-Rom或其他形式的存储介质。示例性的存储介质可以与处理器耦接，以便处理器可以相对于存储介质读出和写入信息。在替代实施方式中，存储介质可以与处理器集成。处理器和存储介质可以驻留于ASIC中。
参见图1，图1是无线网络的框图。网络包括无线接入点(AP)110。无线接入点可以是例如无线路由器、蜂窝电话基站或其他类型的无线通信设备。接入点110通常与空载传输(back haul)连接通信。例如，它可以与数字用户线(DSL)通信。接入点可以包括多于一个无线电发射机和多于一个无线电接收机。通常，接入点有能力与多于一个其他设备通信。
接入点110包括可配置天线系统，其可被选择性配置为创建不同的天线增益模式(天线模式)和/或极化。例如，可配置天线系统可包括可被配置为用于接入点中每个无线电发射机和每个无线电接收机的不连续数量的天线模式。替代地，可配置天线系统可被配置为以不同的极化发送和/或接收。在一个实施例中，可配置天线系统可被配置为用于接入点中每个无线电发射机和接收机的不连续数量的天线模式和被配置为不同极化。天线配置可包括天线增益模式和极化。在一个实施方式中，可配置天线系统包括一个或多个方向性天线系统，其允许接入点将天线系统的增益(用于发送和接收)定向或引导到用于每个发射机和接收机的多于一个方向或模式中。这种天线系统通常称为方向灵敏天线。在2005年4月12日提交的题为“SWTICHEDMULTI-BEAM ANTENNA”的美国申请序列号11/104,291中以及与本申请同时提出的题为“DIRECTIONAL ANTENNA SYSTEMWITH MULTI-USE ELEMENTS”的美国申请序列号11/209,352中描述了可用于这里描述的方法和系统的这种天线系统的例子，这两篇文献的内容引用于此，作为参考。替代地，接入点可以包括与单个方向性天线系统通信的单个无线电收发机。
无线网络还包括关联的客户机或台站(STA)120A-D。为了便于说明，图1中只示出了四个台站。但是，可以使用更多或更少的台站。台站120a-d中的每个包括用于通过通信链路125a-d相对于接入点110发送和接收无线信号的一个或多个天线。尽管每个通信链路示为单个线路，但是应当理解，链路可以包括多个信号通路、多个频率，并且可使用多个无线电设备实施。台站可以使用全向天线、方向性天线、或如方向灵敏天线之类的可配置天线系统。
在此描述的系统和方法可应用于其中在任意一个时间段中接入点可以发射无线信号或接收无线信号的系统。但是，系统和方法还可以应用于允许由接入点和/或台站同时发射和接收无线信号的系统。例如，在此描述的系统和方法可应用于具有多个同时发射和接收通路的系统。例如，系统和方法可应用于MIMO(多输入多输出)系统。MIMO系统利用多路复用和组合信号以增加无线带宽和范围的其他技术。MIMO算法通过两个或更多天线将信息发出，并且也是通过多个天线接收信息。MIMO系统使用额外的路径来发送更多信息，然后在接收端重新组合信号。
如图1所示的无线网络通常通过由接入点将信息或数据的分组发送到台站120A-D之一进行操作。这里使用的术语分组指发送到一个或多个接收者的信息。接入点还可以偶尔发送要由所有台站接收(广播)的分组。此外，接入点可发送要由一组选定台站接收(组播)的分组。另外，希望将分组发送到接入点110的台站可以在定义的接入点不进行发送的时段中进行发送。这样的系统通常在接入点发送分组之间提供间隙或时隙(其间，希望将分组发送到接入点的台站可以进行发送)。提出了多种这样的协议，有些已经被标准化。例如，IEEE802.11和IEEE 802.16为在台站和接入点之间的通信定义不同的协议。
下列目标在定义具有可配置天线系统的接入点的操作时是有用的：(1)在接入点110的操作期间，希望接入点控制其可配置天线系统，从而其总是可以从网络中的所有台站接收传送(在期望进行传送的时间上)。(2)此外，希望传送最大天线信号强度(增益)(最好既对上行链路也对下行链路)，但是以其不违反目标(1)的方式。(3)使接入点在处理计算以满足目标(1)和(2)时产生的负担或开销最小。类似的目标可被应用于具有可配置天线系统的台站：(1)在台站的操作期间，希望台站控制其可配置天线系统，从而其总是可以从其相关联的接入点接收传送(在期望进行传送的时间上)(当台站移动时这可能是有问题的)。(2)此外，希望发送最大天线信号强度(增益)(最好既对上行链路也对下行链路)，但是以其不违反目标(1)的方式。(3)使接入点在处理计算以满足目标(1)和(2)时产生的负担或开销最小。以下将描述实现上述目标的实施方式。
接入点110的可配置天线系统的天线配置或位置的可行集合被定义为其中所有关联台站均可被“听到”(在期望或允许进行传送的时间上)的可能天线配置的集合。所谓“听到”，是指台站发送的分组可被接入点110成功接收。对于具有可配置天线的台站，可行集合是其中关联接入点可被“听到”的所有天线配置或全向天线配置。在如图1所示的系统中，每个台站120A-D相对于接入点位于不同的方向并且位于不同的距离。在所有可能天线配置中对每个台站的通信链路收集信号质量度量。还可以在少于所有可能天线配置中对每个台站收集信号质量度量。在一个实施例中，可能天线配置的数量将取决于例如可配置天线系统(例如，方向灵敏天线)和无线网络的配置。下表示出在一个示例中对于每个台站120A-D的信号质量度量，在所述示例中，图1所示的接入点110有12个可能的天线配置。
天线配置
  STA位置   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12
  a   14   8.33   8.67   7.33   7.33   13   9.33   9.33   0.0   8.33   9   12
  b   13   13.67   21.33   11.33   22.67   24.67   24   20   16   16.33   17.33   14.67
  c   16   12.68   8.33   13.67   9.33   13.33   11.33   11.33   5.33   16   8   18
  d   37   38   36   34   31   34   30   34   24   35   34   34
应当注意，许多因素可能影响信号质量度量。例如，诸如距离、反射率、路径、多径、干扰、天气、移动对象和固定对象均可影响信号质量。可以使用各种信号质量度量或信号质量度量的组合。例如，可以使用在接入点从台站接收的信号的强度，也可以使用信号的信噪比、错误率和无线电设备使用(选择)的前向纠错值。替代地或者附加地，可以在台站测量或确定信号质量度量，该信息被传送到接入点。因为信号质量度量可随时间变化，并且可能具有偶尔的显著摆动，在一个实施例中，使用多点移动平均来计算信号质量度量，以便对暂时的显著摆动进行平滑。例如，可以使用在固定或可变数量次测量中或者在固定或可变时间段上计算的平均。替代地，在简化的方法中，可以限制来自新测量的对信号质量度量的变化量。例如，每次新测量不多于百分之十的变化。这将具有与多点移动平均类似的效果，而没有关联的存储器和处理器开销。这里使用的术语度量或信号质量度量包含单个信号质量度量以及信号质量度量的组合。
再次参见上表，可以通过仅考虑所有台站120a-d(图1)具有高于特定水平的质量度量的天线配置，来减少天线配置的集合。可根据所需的网络性能和系统特征集中地或为每个台站确定该水平。例如，取决于台站当前所需或分配给台站的服务质量(数据率和/或等待时间)，该水平可随台站变化，并且可随时间变化。此外，正在使用的度量还可以随时间由台站或台站组进行改变。例如，由于网络配置的改变，这种改变可能是有利的。在上表所示的例子中，假定足够的质量度量是高于0的度量。因此，天线配置号码9不能成为天线配置的可行集合(viable set：VS)的成员。该可行集合(除位置编号9之外的所有天线位置)可以成为将为额外的性能优化使用的天线配置的排他集合。此外，可以为一个或多个台站使用第二度量。例如，如果信号强度被用做信号度量来定义可行集合，那么对于具有高数据率要求的台站(例如，电视机顶盒)，数据吞吐量可被用做第二度量。
一旦可行集合被确定，接入点结合优化可配置天线系统的配置具有三种操作状态。当接入点将要向台站传送一个或多个分组时存在第一种状态。在向台站传送分组前，接入点查找当前可行集合中的最高质量连接(最高信号质量度量)，以确定将哪个天线配置提供该台站。随后，将天线重新配置(或者，如果它已处于该配置中则保持配置)为该配置。例如，参考图1和上表，这将是台站A的天线配置1，台站B的天线配置6，台站C的天线配置12，台站D的天线配置2。
替代地，可将天线配置为不一定在可行集合中的配置。例如，如果在不在可行集合中的配置中的传输完成后，立即将天线重新配置为可行集合中的配置，则这是可接受的。在此实施方式中，可行集合定义可接受的接收配置，但是不限制发送位置。这种方法允许使用对于对台站的传输而言是最好或理想配置的天线配置，即使该配置不在可允许的集合中也是如此。
当接入点接收从台站之一传送的分组时存在第二操作状态。无论何时接入点从台站接收到分组，则接入点将方向灵敏天线重新配置到向台站提供最高连接质量的配置。由于期待从该台站传送的其他分组而这样做。但是，在台站被分配特定的时间段来向接入点传送分组的无线网络中，这种操作状态会在该时间中出现，例如，在一些IEEE802.16实施中。如上所述，可以使用第二度量来从可行集合选择或定义对该台站提供最高连接质量的配置。
第三种状态是当接入点空闲时。当在已知台站和接入点之间没有分组被传送时发生此状态。在一个实施方式中，接入点于是将天线配置到在可行集合中的最佳已知静止位置。可通过评估所有已知台站的聚集质量度量并选择由接入点接收的总体信号质量最高的位置来确定此位置。在上表中，方向灵敏天线的最佳已知静止位置是配置编号6。可使用各种算法或途径来定义最佳已知静止位置。例如，可通过选择没有台站低于最小阈值的位置来选择该位置。例如，通过考虑每个台站的最小带宽要求，阈值和度量可能随台站而变化。例如，接收视频流的台站将比空闲台站要求更高的带宽分配。还可以使用第二度量。可以定义天线的静止位置，以为接收视频的台站要求有助于视频传输的最小质量度量，而对空闲台站给予低得多的质量度量。因此，根据当前网络要求和特性，例如每个台站的通信类型(如，视频、因特网协议等)和与每个关联的服务质量(QoS)，来选择静止位置是有利的。
在一个实施例中，为了使接入点处理器上的开销或负担最小化，可以在无论何时在台站和接入点之间进行正常通信时捕获信号质量度量。此外，接入点可以“扫描”以收集完全填充可行集合所需的信号质量度量。可通过传送要求回复或传输的消息来实现扫描。根据无线网络的特征选择扫描的频率以及扫描哪些台站。例如，与具有较高信号质量度量的台站相比，具有相对较低信号质量度量的台站可被更频繁扫描。此外，具有较低通信率或者自通信发生以来具有最长通信时间的台站将是首先被扫描的台站。此外，当观察到信号质量度量显著或频繁改变时(例如，在高度反射环境中、多径环境和具有许多移动对象的地方)，可以更频繁地对整个系统进行扫描。在正常通信期间捕获信号质量度量还可以包括将天线配置到不同的可接受的但不是最佳的配置，以便捕获其他配置的信号质量度量并减少扫描的需要。例如，参见上表，台站a可以定期或间或在除配置9之外的任何配置中进行正常通信，以便捕获那些不同配置的信号质量度量，即使在可行集合中其最佳配置为配置1。
除了配置接入点的可配置天线系统外，由接入点发送的信号的功率(以及由台站传送的信号的功率)也可以变化，以优化无线网络的操作。在许多无线网络中，改进的传输特性允许更高的数据传输速率。例如，取决于传送的信号的质量，IEEE 802.11a和g使用具有不同数据吞吐率的不同数据编码机制以不同速率进行数据传输，例如OFDM(正交频分复用)。随着可配置天线系统的配置改变传送信号的功率可以导致通过无线网络的数据传输的进一步优化。例如，可为每个台站选择达到最高吞吐量的最低发射功率电平。这种方法可以降低与其他附近网络的干扰。例如，用高于实现最高可能比特率编码所需的功率电平发送信号可能不一定导致与其他相邻或附近网络的干扰。此外，在特定情况下改变从接入点传送的信号的功率可能防止向附近(而不是远地)台站传送有可能导致失真并降低信号质量的过强信号。
图2是用于优化天线配置的接入点110的操作实施例的流程图。如结合图1所描述的，接入点可以具有结合优化或选择天线配置被认为是正常操作的三个操作状态。如上所述，那些状态是当接入点将要向台站传送分组的状态、接入点从台站接收分组的状态以及接入点空闲的状态。那些状态包括在图2的“正常操作”210和230中。在特定的时间间隔中，接入点执行允许其确定优化天线配置的操作。该过程被称为天线优化，由块220表示。下面详细描述确定何时应当执行天线优化。如图2的流程图所示，在天线优化220完成之后，接入点于是返回到正常操作230。在正常操作和天线优化之间循环在接入点的整个操作过程中继续。但是，在一个实施例中，可以中断天线优化，以便不干扰服务质量并随后在满足了服务质量职责之后恢复。
通过选择天线位置或配置开始天线优化，如块222所示。然后，天线被设置到该配置，并且在天线在该配置的情况下在一次或多次传输中测量信号质量度量，如块224所示。在步骤224中，还可以确定传送到台站的适当功率电平。在一个实施例中，通过从接入点向台站发送轮询请求并在接入点从被轮询的台站接收响应，对单个台站测量信号质量度量。替代地，可在此步骤期间对多于一个台站测量信号质量度量。如判决块226所示，接入点随后确定是否应当对额外的天线配置重复该过程。该确定的准则可以包括例如分组是对接入点处的传输备份、执行评估中过去的时间的总量以及客户机数量与已经找到的质量度量水平的关系。如块228所示，随后根据新的测量重新评估在天线优化期间从中测量信号质量度量的任意台站的最佳位置，以识别该台站的最佳天线配置。
当台站使用可配置天线系统时，可能存在台站和接入点有机会锁定到彼此或者选择“最佳配置”但是不指向用于最高性能的正确(或最佳)天线配置的问题。例如，当接入点和台站用于桥状模式(或称基础结构模式)时可能发生这种情况。因此，在一个实施例中，台站被配置为如下操作。在唤醒或初始化时，台站工作在伪全向(pseudoomni)模式中，所有天线元件均被启用。替代地，台站的天线被配置以便提供最佳可能的全向天线模式。台站然后等待与接入点的关联。台站继续以同一天线配置工作，直到接入点已完成两个天线优化(220)循环。然后，台站可以执行其自己的优化。台站执行优化的周期被选择为是接入点优化周期的非整数量(non-integral)(至少是双倍的，以允许2AP扫描发生)。该过程允许接入点首先确定指向台站的最佳方向(在台站处于全向模式时)，然后只有在接入点已经优化之后才允许台站优化。这还将使台站和接入点在其优化循环中重叠的机会最小。
图3是表示相对于天线优化和正常操作，接入点(如图1所示的接入点110)的操作的时间线。与前表中表示的系统不同，在图3的时间线中，方向灵敏天线只有8个可能的配置。在上面的时间线中用时间段310、320和330表示天线优化过程。下面的时间线是时间段310的放大视图。
在天线优化过程中，常规的数据通信被停止，以便不影响信号质量度量测量。数据通信的这种中断可被视为天线优化引起的开销。天线优化过程导致的开销量取决于执行过程所需的时间量(持续时间)和在重复优化过程之间经过的时间量(周期或频率)。
总体而言，优化持续时间等于测量每个天线配置的信号质量度量所需的时间量的总和。优化过程的持续时间可随台站的数量和诸如超时之类的其他因素改变。当接入点将请求传输到台站(例如，台站打算响应的轮询请求)并没有在预定超时时段中接收到响应，则可发生超时。在图3所示的例子中，测量天线配置1-8的信号度量所需的时间分别是3、2、4、5、2、2、4和2毫秒。因此，天线优化过程需要24毫秒。如果优化周期之间的时间是4秒，于是开销是24/(4000+24)X100％＝0.6％开销。优化持续时间和优化周期是可调整的参数。可以对其进行设置和调整，从而施加在接入点上的开销将不超过所需的或所选的值。
当接入点具有多个关联的台站时，在一个实施例中，在一个优化周期中只对一个台站执行天线优化过程。可依次或按照其他准则执行(例如，对于信号随时间变化较多的台站较为频繁、而对于具有较强信号的台站不太频繁或根本不执行)天线优化过程。
图4A和4B是表示在图4A具有两个台站的系统以及图4B具有的三个台站的系统中执行的天线优化的时间线。两个时间线的比例相同。比较图4A和图4B可以清楚看到，按优化周期对一个台站执行天线优化过程和依次对每个台站执行天线优化过程使得单个台站的优化周期随着台站增加到无线网络中而增加。例如，如果优化周期是两秒，在图4A所示的时间线表示的系统中，每个单个台站的优化周期是四秒。在图4B所示的时间线表示的系统中，每个单个台站的优化周期增加到六秒。
因此，当确定对哪个台站执行优化时考虑其他因素是有利的。例如，一旦确定了所有台站的天线优化过程，该数据的分析可以确定特定台站相对于接入点定位，从而其信号质量度量对于所有天线配置都足够高，以便不需要对该台站再次运行天线优化过程，或者只需要很少地对该台站运行，或者当在正常业务过程中检测到信号质量度量的显著下降时可运行。这种方法减低了常规必须为其运行天线优化过程的台站数量，因此可以增加对剩余台站执行天线优化过程的频率。为了进一步增加天线优化的效率并因此降低其对接入点施加的开销量，可通过利用一个或多个下述修改使总体天线优化过程更加合理化。可以通过不测量、或不频繁测量在统计上显示较低或较高度量的位置，来减少每个优化过程测量的天线配置数量。还可以在优化过程中跳过预定时间段中不活动的台站。
图5是相对于天线系统的配置、接入点的操作的更详细状态图。接入点开始于空闲状态510。在空闲状态510中，没有台站向接入点关联或注册。例如，当初次初始化接入点时可以出现此状态。当接入点处于空闲状态510时，它连续扫描每个可用天线配置。例如，它可以按配置将天线系统配置为每个可用配置300毫秒，并继续在那些配置中进行循环，直到台站被检测为止。替代地，天线系统可以保持单个配置(例如全向配置)，直到台站被检测为止。
一旦检测到第一个台站并且其与接入点关联或注册，接入点转变到通过状态520。在通过状态520中，如下处理从台站接收的分组。所有接收的分组只被继续路由。例如，在接入点是无线DSL路由器的实施例中，接收的分组将被传送到DSL连接。接入点不考虑发送台站的最佳配置。替代地，当从台站接收分组时，可以将天线系统切换到为该台站提供最佳连接的配置或者被定义为该台站的最佳配置的配置(例如，考虑除来自该台站的信号质量的其他因素)。
在通过状态520中，如下处理由接入点传送到台站的分组。当准备好传送分组时，将天线系统配置成为该台站提供最好通信链路的配置，并且接入点转换到发送状态530。
在只有一个台站与接入点相关联的实施方式中，大多数时间中接入点将天线系统保持在为该台站提供最好连接的配置中。但是，因为该配置可能阻止其他台站与接入点关联或注册的能力，在没有从相关台站接收分组或没有分组发送到相关台站的时间段中，接入点可以被配置为定期将天线系统配置为一个或多个不同配置。例如，它可以将方向灵敏天线配置为在与一个相关客户机的配置相反的方向中提供增益的配置。
当接入点在发送状态530中时，从台站接收的所有分组立即被继续路由。取决于传送业务的性质，外发的传送分组被不同对待。当没有排队的分组(在接入点等待传送的分组)并且所有外发分组定向到相同台站时，它们被立即发送。一旦检测到要发送到另一台站的第一个分组，则接入点开始对要发送的分组进行排队。在一个实施例中，为传送分组已经被接收的每个台站建立单独的队列。替代地，可根据天线配置建立队列。例如，如果两个台站具有相同的优选天线配置，则其分组将保存在相同的队列中。接入点可随后选择针对其接收了传送分组的队列之一并传送预定数量的那些分组。在传送那些分组前，天线系统被配置成对该(或多个)台站最佳的配置。一旦完成发送那些分组，则接入点选择分组已被排队的下一台站的下一发送队列，并传送多达预设最大数量的那些分组。在该传送之前，再次将方向灵敏天线配置成为该(或多个)台站提供最好连接的配置中。此过程继续，直到已传送了所有排队分组。
此外，在包括服务质量(QoS)的系统中，当确定应当传送哪个队列以及应当传送队列中的多少个分组时，接入点还可以考虑与分组和/或台站关联的QoS。接入点还可以考虑作为该过程的一部分改变天线系统的配置所需的时间长度，例如，在各个分组的传输之间重新配置天线而不施加不可接受的性能降低。在具有QoS的系统中，接入点根据系统的QoS方案，在移动到不同的队列之前，选择要传送哪个队列以及应当传送队列中的多少个分组。换言之，分组的传输的优化取决于与分组关联的QoS。
此外，接入点可以对多播和广播维护单独的队列。广播的分组(打算由所有台站接收)保持在广播队列中，天线系统被配置成当传送该队列时为所有台站提供最佳总体传输的位置(例如，空闲位置)。多播分组是用于所选的台站组的分组。用于传送多播分组的天线配置最好是对于预期接收者使该组的传输质量最大的天线配置。因此，用于传送多播分组的天线配置将取决于分组预期发往的台站。
一旦所有队列已经为空，则接入点转换到通过状态520。当接入点处于发送状态时，它定期确定是否应当开始优化过程。当它确定应当开始优化过程时，它转换到优化状态540。例如，可以调度优化，以便以固定周期进行。替代地，优化过程的时间可以是动态的，以便将由优化过程引起的开销保持在低于预定值。
在优化状态540，接入点选择将为其执行优化过程的台站。以上描述了可以进行确定的方式。然后，接入点测量在每个允许的天线配置中的链路质量，重新计算天线位置的可行集合并确定该台站的最佳可行位置。随后，取决于是否有未完成的传送分组，接入点转换到通过状态或发送状态。当接入点处于优化状态时，要传送的所有到来分组将被置于队列中。
参见图6，图6是示例无线通信设备600的功能框图。例如，无线设备可以是无线路由器、移动接入点、客户机或台站设备或者其他类型的无线通信设备。通信设备600包括与无线电系统604通信的可配置天线系统602。控制线606在通信上将天线系统耦接到无线电系统以提供控制信号的路径。发送和接收线608耦接天线系统和无线电系统，以相对于其他无线设备传输发送和接收的信号。
可配置天线系统602可有选择地被配置为创建包括增益模式和/或极化的不同天线配置。例如，可配置天线系统可以包括可被配置为不连续数量的天线模式的天线。在一个实施例中，可配置天线系统602包括一个或多个方向性天线，其允许天线系统在一个以上的方向或模式中定向或引导天线系统(同时对于发送和接收)。在2005年4月12日提交的题为“SWTICHED MULTI-BEAM ANTENNA”的美国申请序列号11/104,291中以及于2005年8月22日提交的题为“DIRECTIONAL ANTENNA SYSTEM WITH MULTI-USEELEMENTS”的美国申请序列号11/209,352中描述了可用于这里描述的方法和系统的这种天线系统的例子，这两篇文献的内容引用于此，作为参考。替代地，天线系统602可以是多个可切换的全向天线，其可被有选择地耦接到无线电系统604的发送和接收连接608。
无线电系统604包括与无线电控制器612通信的无线电发射机/接收机610。在此描述的无线电发射机/接收机610和无线电控制器612的功能和系统也共同称为无线电子系统622。无线电产生由天线系统发送的无线电信号并接收来自天线系统的无线电信号。在一个实施例中，无线电系统将接收的无线电信号转换到传递给无线电控制器612的数字信号。
无线电控制器612可以实施无线电系统的一些或所有媒体访问控制(MAC)功能。一般来说，MAC功能进行操作以分配相对于传输设备的传输的一个或多个物理信道上的可用带宽。取决于由其QoS施加的优先级和规则，MAC功能可以分配在各种服务之间的可用带宽。此外，MAC功能进行操作以在较高层(例如TCP/IP)和物理层(如物理信道)之间传输数据。但是，在此描述的功能与特定功能块的关联只是为了便于描述。各种功能可以在各块之间移动、在各块之间共享和以各种方式组合。
中央处理单元(CPU)614与无线电控制器612通信。CPU 614可以与无线电控制器共享某些MAC功能。此外，CPU执行通常称为数据业务控制并由业务控制模块615表示的较高级别功能。数据业务控制包括例如与在空载传输连接(如DSL连接)和/或TCP/IP路由上的数据业务关联的路由。可以由无线电控制器和CPU访问共同或共享的存储器616。这允许在CPU和无线电控制器之间分组的有效传输。
在一个实施例中，天线系统602的控制与包括MAC功能和QoS(如果提供)的无线设备的操作集成。但是，可配置天线系统的优点和好处能纳入与这种系统有非常小的集成的无线设备中。在一个实施例中，不修改无线电卡(在图6和8的虚线框620中的元素)，除了将其耦接到可配置天线系统而不是全向天线。天线控制模块621包括在CPU 614中。天线控制模块确定所需的天线配置并生成要发送到天线系统602的控制信号。响应于控制信号，天线系统改变到所需的配置。在一个实施例中，天线控制模块配备有或能访问每个接收信号的信号质量度量。信号质量度量可从无线电610或无线电控制器612提供。如上所述，信号质量度量也可以在台站测量或确定并传送到设备600。信号质量度量用于确定或选择天线配置，如下详述。天线控制模块621能够与天线系统602直接或间接通信，例如通过控制线606。在一个实施例中，天线控制模块在系统的MAC层之上工作。来自天线控制模块621的控制信号可直接从CPU传送到天线系统602或可通过无线电系统604的其他组件(如无线电控制器612或无线电610)传送。替代地，无线电控制模块621可驻留在无线电控制器612或无线电610上。以下将参照图8更详细描述无线电控制模块的示例的操作。
在此参照图1-5描述的方法可在图6的各功能框中实现。此外，可将方法或功能分解成由多个块执行的组件或模块。在一个实施例中，图6虚线框620中的元素是无线电卡(如，WLAN PCI卡)，其通过PCI(外围组件互连)总线耦接到处理器。
参见图7，图7是无线通信设备700的替代实施例的功能框图。例如，无线设备可以是无线路由器、台站客户机设备、移动接入点或者其他类型的无线通信设备。此外，无线设备700可以采用MIMO(多输入多输出)技术。通信设备700包括可配置天线系统702，其与无线电系统704通信。天线系统包括多个可配置天线703a-n。尽管描述了三个可配置天线，但可以使用更多或更少的天线。多个控制线706a-n通信耦接天线系统702和无线电系统704以为控制可配置天线703a-n的配置的控制信号提供路径。多个发射和接收线708a-n耦接天线系统和无线电系统，以进行发送和接收无线电信号的传输。尽管所描述的发射和接收线的数量以及控制线的数量对应于所描述的天线的数量，但是，这不是必须的。可以使用更多或更少的线路，如多路复用和切换技术那样。在一个实施例中，天线系统包括控制器724，其接收控制信号并发送和接收信号。控制器可将信号路由到适当的天线和无线电。
可响应于控制信号有选择地配置可配置天线系统702，以创建可包括不同天线模式和/或极化的不同天线配置。在一个实施例中，可配置天线系统702包括可被配置为不连续数量的天线模式的天线。在一个实施例中，可配置天线703a-n各包括一个或多个方向性天线，允许天线系统定向或引导每个可配置天线(以及整个天线系统)(对于发送和接收)在多于一个方向或模式中的增益。在2005年4月12日提交的题为“SWTICHED MULTI-BEAM ANTENNA”的美国申请序列号11/104,291中以及与本申请共同提出的题为“DIRECTIONALANTENNA SYSTEM WITH MULTI-USE ELEMENTS”的美国申请序列号11/209,352中描述了可用于这里描述的方法和系统的这种天线元件的例子。替代地，一个或多个天线703a-n可以是多个全向天线，其可有选择地耦接到无线电系统704的发射和接收信号。
无线电系统704包括无线电子系统722。无线电子系统722包括多个无线电发射机/接收机(无线电)710a-n和MIMO信号处理模块(信号处理模块)712。多个无线电710a-n与MIMO信号处理模块712通信。无线电生成由天线系统702传送的无线电信号并从天线系统接收无线电信号。在一个实施例中，每个可配置天线703a-n与单个对应无线电710a-n耦接。尽管每个无线电被示为通过发射和接收线与对应的天线元件通信，可以使用更多或更少这种线。此外，在一个实施例中，无线电可以通过多路复用或交换可控制地连接到不同的天线。
信号处理模块712实施MIMO处理。MIMO处理在本技术领域是熟知的，包括在两个或更多天线上通过两个或更多无线电信道发送出信息并通过多个无线电信道和天线接收信息。信号处理模块可以将通过多个天线接收的信息组合成单个数据流。信号处理模块，如图6的无线电控制器612，可以为无线电系统实施一些或所有媒体访问控制(MAC)功能，并控制无线电的操作，以便用做MIMO系统。已结合图6描述了MAC功能，在此不再重复。在此描述的功能与图中特定功能块的关联只是为了便于说明。各种功能可以在各块之间移动、在各块之间共享和以各种方式组合。
中央处理单元(CPU)714与信号处理模块712通信。CPU 714可以与信号处理模块712共享某些MAC功能。此外，CPU可包括数据业务控制模块715，其与图6描述的数据业务控制模块615执行相同的功能。可以使用可由信号处理模块和CPU访问的共同或共享存储器716。这允许在CPU和信号处理模块之间数据分组的有效传输。
在一个实施例中，天线控制模块721包括在CPU 714中。天线控制模块确定每个天线703a-n的所需配置，并生成要发送到天线系统702的控制信号。在一个实施例中，天线控制模块721在系统的MAC层上操作。响应于控制信号，一个或多个天线的配置改变。在一个实施例中，所有天线以相同方式配置。例如，所有天线可以使其增益在相同方向上最大化。替代地，每个天线可以单独地配置。此外，天线可以配置成预定配置。例如，天线之一可以被配置为在主方向上提供最大增益，而其他天线可在与主方向有预定偏移的方向上针对最大增益进行配置。
天线控制模块721可以例如通过控制线706a-n直接或间接与天线系统702通信。可以使用比所示例的更多或更少的线。可以从CPU向天线系统702直接传送来自天线控制模块721的控制信号，或者可通过诸如信号处理模块712或无线电710a-n的无线电系统的其他元件进行传送。替代地，天线控制模块721可以驻留在信号处理模块712或在一个或多个无线电710a-n中。
在一个实施例中，天线控制模块721被提供或具有对通信链路上的每个接收信号和/或发送信号的信号质量度量的访问。可以从MIMO信号处理模块712提供信号质量度量。在为无线通信设备700和台站之间的通信链路提供信号质量度量之前，MIMO信号处理模块有能力考虑MIMO处理。例如，对于每个通信链路，信号处理模块可以各从接收分集、最大比组合和空间多路复用的MIMO技术中进行选择。从信号处理模块接收的信号质量度量，例如数据吞吐或错误率，可以根据所使用的MIMO技术改变。信号质量度量(如接收信号强度)也可以从一个或多个无线电710a-n提供。但是，无线电不会考虑MIMO技术，如空间多路复用。信号质量度量被用于确定或选择天线配置，如在此描述的。
结合图1-5描述的方法可在图7的各功能块中实施，例如，在信号处理模块或CPU中。此外，可将方法或功能分解成由图7的多个块执行的组件或模块。在一个实施例中，图7中720所示的元素被实施为无线电卡(如，MIMO WLAN PCI卡)，其通过PCI(外围组件互连)总线耦接到处理器。
图8是带有CPU的附加功能细节的表示图6的功能元件的功能框图，所示的CPU的附加功能细节用于在可配置天线不与无线电卡620的功能紧密集成的实施例。可配置天线控制模块(CAC模块)802示为插入在无线电卡驱动程序804和数据业务控制器806之间。CAC模块802在卡驱动程序804和数据业务控制器806之间提供接口和控制层。
CAC模块802可被视为一类分组处理器。CAC模块可以截取所有到来和发出的分组并根据结合图5描述的方法的要求对其处理。CAC模块可以修改分组、对其延迟、改变传输顺序等。所有这些动作可被分解成对分组执行的几个基本功能(例如，发送、放置到队列中等)。
在一个实施例中，CAC模块802执行下列功能：
与传输流相关的：从数据业务控制器806接收外发的分组；根据所需的传输定时将外发的分组(从数据业务控制器接收)传递到无线电卡驱动程序804；向数据业务控制器806通知发送分组的状态；形成私有分组以进行传输(例如，作为优化过程的一部分发送的分组)；将生成的私有分组传递到无线电卡驱动程序804(以在空中传输)；
与接收流相关的：从无线电卡驱动程序804接收到来的分组；过滤出私有到来的分组(从无线电卡驱动程序接收的)并处理它们(例如，具有信号质量度量信息的分组和对如上描述的优化过程的一部分使用的轮询请求)；将到来的分组(不是私有的所有分组)传递给数据业务控制器806。
其他操作：根据结合图1-5描述的方法形成/生成天线控制命令；将天线控制命令传递给可配置天线系统602(直接或间接)；从数据业务控制器806接收命令(例如，配置选项和对特定信息的请求)；和将特定信息(例如，与操作模式相关的、统计数据等)传递给数据业务控制器806。
图9是在图8描述的系统操作期间的各种队列的图形表示。随着通过CPU 614接收到分组以通过无线电卡620进行传输，这些分组从数据业务控制器806传递到CAC模块802。共享队列902可由无线电卡驱动程序804和CAC模块802访问。例如，共享队列902可位于图6所示的共享存储器616中。MAC队列904通常位于无线电卡620上，并且是其中刚刚在传输之前存储分组的位置。CAC模块802维护由906表示的一系列队列。CAC队列包括用于与无限设备关联的每个台站的一个队列和用于要广播到所有台站的分组的一个队列。此外，CAC模块802可以维护用于一个或多个多播组的队列。通常，通过对将分组置于共享队列902中进行小心控制，CAC模块可以控制无线电卡620传输分组的定时。这允许CAC模块协调分组的传输与其对可配置天线系统602的控制。
当无线设备只有一个关联的台站时，CAC模块直接将要传送的分组发送到共享队列中而不进行排队。当CAC模块正在优化天线(如上结合图1-5所述)时，将分组置于与台站关联的队列中，直到完成优化为止。当完成优化过程时，CAC模块将所有排队分组发送到共享队列902以进行传输。无线电卡驱动程序804负责将分组从共享队列902传输到无线电卡620。
当无线设备具有多个关联或注册的台站时，对要由CAC模块传输的分组的处理更为复杂。CAC模块利用下列准则之一决定是将到来的分组发送到共享队列902还是将其存储在其自身的内部队列906之一中：当前天线位置、分组的接收者(台站)的最佳天线位置、到当前天线位置的接收者的链路质量、以及是否已经有针对其他台站进行排队的分组。下面将提供CAC模块的操作的各种例子。
当CAC模块没有存储在任何其自身内部队列906中的分组的情况下，当针对某个台站的分组被接收时，其被立即发送到共享队列902。此外，当接收到针对不同台站(其具有对于当前天线配置足够高的信号质量度量)的分组时，那些分组将被立即传送到共享队列902，因为将不重新配置天线以传输那些分组。但是，当接收到针对要求对天线系统重新配置以进行传输的台站的分组并且当CAC模块还未收到关于共享队列中的所有分组已被传输的通知时，这种到来的分组被保存在与该台站关联的队列中。一旦将分组置于内部队列906之一中，由CAC模块接收的所有后续分组被置于队列中，并为每个接收者(台站)维护单独的队列。此队列允许CAC模块尽可能使分组的顺序与数据业务控制器806接收分组的顺序相同，以减小对数据流的影响。
一旦CAC模块接收到关于其先前置于共享队列902中的所有分组已被传输的通知，CAC模块将天线系统602定向到用于与在队列中时间最长的分组关联的台站的配置。那些分组随后被传输到共享队列902。此外，还将也可在相同配置中传输的台站的分组传输到共享队列。一旦CAC模块接收到关于其传输到共享队列的所有分组已被传输的通知，则其对于存储在队列中时间最长的分组重复该过程。

Claims (18)

1.一种操作具有可配置天线系统的无线通信设备的方法，包括：
在可配置天线系统为第一配置时确定第一台站的传输信号质量度量；
在可配置天线系统为第一配置时确定第二台站的传输信号质量度量；
在可配置天线系统为第二配置时确定第一台站的传输信号质量度量；
在可配置天线系统为第二配置时确定第二台站的传输信号质量度量；
确定每个台站的信号质量度量均满足最小准则的天线配置的可行集合；和
当无线通信设备不进行传输时将可配置天线系统配置为可行集合中的配置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括当无线通信设备进行传输时将可配置天线系统配置为可行集合中的配置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定第二台站的传输信号质量度量包括将轮询请求发送到第二台站。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定第一台站的传输信号质量度量包括将轮询请求发送到第一台站。
5.根据权利要求1所述的方法，其中传输信号质量度量选自包括在接入点接收的来自台站的信号的强度、信号的信噪比和接收信号的错误率的组。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括为第一台站确定天线系统的最佳配置和为第二台站确定天线系统的最佳配置。
7.根据权利要求6的方法，还包括：
根据要传送的分组要被传送到的台站将分组放置到多个队列中；
选择多个队列之一，且所述多个队列之一已接收到要传送的分组；
将天线系统配置为对于与所选队列关联的台站的最佳配置；和
传送所选队列中的预定量分组。
8.根据权利要求6所述的方法，其中最佳配置选自天线配置的可行集合的成员。
9.一种无线通信设备，包括：
可配置天线系统，能够有选择地被配置为响应于控制信号创建不同的天线配置；
与可配置天线系统通信的无线电子系统，被配置为相对于可配置天线系统发送和接收无线电信号；和
与可配置天线系统通信的天线控制器，被配置为：
在可配置天线系统为第一配置时接收多个台站的信号质量度量；
在可配置天线系统为第二配置时确定多个台站的传输信号质量度量；
确定多个台站的天线配置的可行集合，所述可行集合是多个台站中每个台站的信号质量度量均满足最小准则的天线配置的集合；以及
将控制信号传送到可配置天线系统，使得在无线通信设备不进行传输时，可配置天线系统处于可行集合中的配置中。
10.根据权利要求9所述的无线通信设备，其中天线控制器被进一步配置为将控制信号传送到可配置天线系统，使得可配置天线系统处于对于无线通信设备向其进行传输的台站具有最高传输信号质量度量值的可行集合中的配置中。
11.根据权利要求9所述的无线通信设备，其中无线电子系统包括多个无线电，并且可配置天线系统包括多个可配置天线，多个无线电中的每个耦接到多个可配置天线之一。
12.根据权利要求11所述的无线通信设备，还包括与多个无线电和天线控制器通信的信号处理模块，被配置为为多个台站提供信号质量度量。
13.根据权利要求9所述的无线通信设备，其中传输信号质量度量选自包括在接入点接收的来自台站的信号的强度、信号的信噪比和接收信号的错误率的组。
14.根据权利要求9所述的无线通信设备，其中天线控制器还被配置为为多个台站中的每个台站确定可配置天线系统的最佳配置。
15.根据权利要求14所述的无线通信设备，其中天线控制器还被配置为
根据要传送的分组要被传送到的台站将分组放置到多个队列中；
选择多个队列之一，且所述多个队列之一已接收到要传送的分组；以及
传送控制信号，以使可配置天线系统处于与所选队列关联的台站的最佳配置。
16.根据权利要求14所述的无线通信设备，其中最佳配置选自天线配置的可行集合的成员。
17.一种操作具有可配置天线系统的无线通信设备的方法，包括：
在可配置天线系统为第一配置时确定第一台站的传输信号质量度量；
在可配置天线系统为第一配置时确定第二台站的传输信号质量度量；
在可配置天线系统为第二配置时确定第一台站的传输信号质量度量；
在可配置天线系统为第二配置时确定第二台站的传输信号质量度量；
基于传输信号质量度量，为第一台站确定天线系统的最佳配置和为第二台站确定天线系统的最佳配置，其中最佳配置选自天线配置的可行集合的成员；
将可配置天线系统配置为用于第一台站的最佳配置；
在天线系统被配置为用于第一台站的最佳配置的同时，将一个或多个分组传送到第一台站；
将可配置天线系统配置为用于第二台站的最佳配置；
在天线系统被配置为用于第二台站的最佳配置的同时，将一个或多个分组传送到第二台站；
确定每个台站的信号质量度量均满足最小准则的天线配置的可行集合；和
将可配置天线系统配置为每个台站的信号质量度量均满足最小准则的配置。
18.根据权利要求17所述的方法，其中用于第一台站的最佳配置和用于第二台站的最佳配置选自每个台站的信号质量度量满足最小准则的一组配置。
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