CN101253720A - 允许波束形成和旧式设备共存的无线消息前同步码 - Google Patents

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Abstract

在混合模式环境和绿场环境中工作的扩展设备使用改进的前同步码来容纳传输的波束形成。在一个处理中，扩展无线设备处理数据以将该数据作为分组发射，其中扩展无线设备是配置成使用每个节点设备都理解的标准协议和旧式节点设备不理解的扩展协议进行通信的设备。如果分组将被发送给扩展设备，则扩展无线设备发送分组的前同步码，该前同步码可在扩展模式下用在扩展设备上，并且可用在进行接收的旧式设备上以确定该进行接收的旧式设备不是跟随在前同步码后面的数据的目的地。一旦进行接收的旧式设备被预期将要延迟网络，扩展无线设备就可以在与扩展设备的通信中波束形成其信号，或者采用不同于旧式协议的协议。

Description

允许波束形成和旧式设备共存的无线消息前同步码
相关申请的交叉引用
本申请还要求2005年2月8日提交的标题为“Wireless MessagingPreambles Allowing for Beamforming and Legacy Device Coexistence”的美国临时申请第60/651,292号的基于35 USC§119(e)的权益，将其全部内容通过引用结合在本文中用于所有目的。
将Gardner等人(下文中称为“Gardner”)的与本申请共同转让的美国专利[2005年5月27日提交的标题为“Modified Preamble Structurefor IEEE 802.11A Extensions to Allow for Coexistence and InteroperabilityBetween 802.11A”的美国专利申请第11/140,349号]的全部内容通过引用结合在本文中用于所有目的。
背景技术
无线网络已经变得越来越普及，因为计算机和其它设备无需网络节点之间的有线连接就能够相连接而进行数据通信。一组用于无线网络的标准是IEEE 802.11标准，但其它无线标准或协议也可能被使用作为替代。由于预期到无线网络会在不利条件(诸如存在反射、干涉、接收机/发射机的移动等)下运行，所以需要做大量工作来通过无线信道正确地发射和接收数据。
无线网络中典型的节点(在标准中称为“站”)包括接收链和发射链。发射链典型地包括使信号发射到无线信道中的一些数字处理和模拟电路(RF、基带等)。接收链典型地包括：一个或多个天线，RF电路和其它模拟电路，以及数字处理电路，该数字处理电路设法输出表示进行发送的发射链作为输入接收到并发射到无线网络中的信号的数据流。在一些情况下，接收机使用多个天线来改善信号的接收和/或减少源自进行发送的发射链的误码。
由于预期到的条件，接收链包括各种组件，这些组件被设计成确保信号能够在很大程度上被正确地恢复。几种技术已经被用于恢复信号。一种技术是使用MIMO(多输入多输出)信道。MIMO也被用于增加给定条件下的带宽和/或改善接收而不增加带宽。
在IEEE 802.11标准中，至少有两种广泛使用的标准，802.11a和802.11b，并且通信系统和设备可能被要求支持两种标准和/或被要求在两种标准都被使用的区域中工作。对802.11标准的增强已经就位，诸如802.11g标准，该802.11g标准允许2.4 GHz频带(用于802.11b的频带)中的OFDM传输(802.11a是OFDM传输协议)。
802.11a协议支持数据速率为6到54兆比特每秒(“Mbps”)的5GHz频带中的OFDM传输。802.11b协议支持数据速率为1、2、5.5和11Mbps的2.4GHz频带中的DSSS传输。802.11g协议对1、2、5.5、6、9、11、12、18、24、36、48和54Mbps的数据速率，混合了2.4GHz频带中的OFDM和DSSS协议。这些协议的数据传输是公知的，因此在本文中不需要对它们进行阐述。它们被记述在例如以下标准中：ANSI/IEEE标准802.11，1999版；IEEE标准802.11b，1999；IEEE标准802.11a，1999/Amd 1:2000(E)，IEEE 802.11g-IEEE标准802.11，1999的2003修正。将这些参考文献通过引用结合在本文中用于所有目的。
尽管802.11a、802.11b等标准无线协议在使用中，但现在期望得到更高的性能。新协议的可能的使用由于如下事实而变得复杂：较新协议的设备可能必须与旧式设备(legacy device)共存，并且优选地不应该由于它们的存在而在旧式设备中引起不希望有的错误。为了避免冲突，扩展得超出标准的限制的扩展设备和符合现有标准并且不必要知晓扩展标准的旧式设备，需要在共同的通信空间中共存。
共存是指不同设备能够在共同的空间中工作并仍能执行它们大部分的功能。例如，向扩展接收机发射的扩展发射机可能与向旧式接收机发射的旧式发射机共存，并且扩展设备可在旧式设备通信时通信，或者至少是这样，两个领域满足这样的条件：当一个领域在通信时，另一个领域顺从这一个领域。共存是很重要的，其使扩展设备(即，在旧式设备遵从并预期其它设备也遵从的一个或多个标准之外、超出这些标准或不依从这些标准的设备)的采用和/或使用不会要求替换或禁用旧式设备的现有基础结构。
波束形成是这样的技术：发射机调节其信号，使得信号在一些方向上比其它方向更强。在总功率消耗相同的情况下，波束形成使有利方向上的信号增强(提供增强的健壮性、范围等)，同时使不利方向上的信号减弱。
发明内容
使用可能与旧式设备所使用的标准不同的协议来工作的扩展设备，使用改进的前同步码。在这样的“混合模式”环境中，改进的前同步码优选地使得旧式设备将并非送往该旧式设备的分组解释为有效分组，并适当地延迟。在“绿场(green field)”环境中，所有设备都知晓改进的协议，可以考虑这样的情况使得前同步码不需要被约束成对于旧式设备而言可理解。在使用波束形成的情况下，分组的一部分(诸如其前同步码的全部或部分)可能被全向地发送并且其余的部分使用波束形成来发送。结果，分组协议应该使得接收机(和/或发射机)能够考虑分组持续时间内可能的增益变化来处理分组。
改进的前同步码优选地包括促进这样的操作的特性。改进的前同步码可包括分组字段中的一个或多个字段中的改进。
因此，前同步码可以使较新协议的设备和旧式设备共存。较新协议的设备可使用波束形成来改善传输，同时允许(旧式的和较新协议的)接收机适当地处理信号，即使接收机是旧式接收机且不需要接收从较新协议接收机发射的数据。
下面的详细描述连同附图一起，将提供对本发明的本质和优点的更好的理解。
附图说明
图1示出了传统802.11a前同步码的结构。
图2示出了用于传统802.11a前同步码的长训练符号序列L1的以DC子载波开始的频域符号。
图3示出了经由无线网络连接的若干设备。
图4示出了经由无线网络连接的若干设备，其中至少一个设备波束形成其传输。
图5示出了改进的前同步码，其可用在没有波束形成并具有两个发射天线的混合模式环境中。
图6示出了改进的前同步码，其可用在没有波束形成并具有三个或四个(可扩展到其它值)发射天线的混合模式环境中。
图7示出了改进的前同步码，其可用在具有波束形成和两个发射天线的混合模式环境中。
图8示出了改进的前同步码的另一变体，其可用在具有波束形成和两个发射天线的混合模式环境中。
图9示出了改进的前同步码，其可用在具有波束形成和三个或四个(可扩展到其它值)发射天线的混合模式环境中。
图10示出了改进的前同步码，其可用在具有波束形成和两个发射天线的绿场环境中。
图11示出了改进的前同步码的另一变体，其可用在具有波束形成和两个发射天线的绿场环境中。
图12示出了改进的前同步码的另一变体，其可用在具有波束形成和两个发射天线的绿场环境中。
图13示出了改进的前同步码的另一变体，其可用在具有波束形成和两个发射天线的绿场环境中。
图14示出了改进的前同步码，其可用在具有波束形成和三个或四个发射天线的绿场环境中。
具体实施方式
在根据本发明的各方面的通信系统的实施例中，提供了新颖的前同步码和其它元素。
在本文中描述改进的前同步码的使用。这些改进的前同步码可用在通过无线网络(诸如服从802.11a的无线网络)发送的分组中。具有改进的前同步码的这样的分组可由根据本发明的实施例的发射机发送，以由根据本发明的实施例的接收机接收，以及由旧式接收机接收，而该旧式接收机并未配置成如同根据本发明的实施例的接收机那样接收和解释改进的前同步码。
IEEE 802.11a标准定义具有图1所示的结构的20微秒长度的前同步码，其具有短训练符号S(每个为0.8微秒)、保护间隔LG、长训练符号L(每个为3.2微秒)和信号字段(4微秒)。前同步码后面跟随着数据。前八个微秒包括十个相同的短训练符号S，它们被用于分组检测、自动增益控制和粗频率估计。第二个八微秒包括两个相同的长训练符号L，它们前面是保护间隔LG，该保护间隔LG与长训练符号L的后半部分(1.6微秒)的模式(pattern)相同。长训练符号可用于信道估计、定时和细频率估计。
图2示出了长训练序列L1，其被用于生成表示传统802.11a前同步码中的长训练符号(“LTS”)的信号。该序列表示在多个子载波上使用的值。如标准中规定的那样，子载波跨越20MHz信道并且该20MHz信道具有64个子载波，它们以312.5kHz间隔开。按照惯例，此处使用的序列中的第一个值是用于DC子载波的值，随后是用于1×312.5kHz子载波的值，然后是用于2×312.5＝625kHz子载波的值，等等，直到用于31×312.5kHz＝9687.5kHz子载波的第32个值。第33个值对应于-10MHz子载波，随后是-(10MHz-312.5kHz)子载波，等等，第64个值是用于-312.5kHz子载波的值。
发射机的输出是样点速率为64样点/符号的训练符号。在该实例中，样点是通过取长训练序列L1的64点IFFT(逆快速傅立叶变换)获得的。如本文中使用的那样，频域中的序列是以大写字母(例如L(k))表达的，同时相应的时间序列是以小写字母(例如1(k))表达的。
图3仅示出了用于所示的发射机和接收机之间的通信的无线网络的一个实例。如图所示，两个无线设备102(1)、102(2)可能使用并解释改进的前同步码，同时旧式无线设备104可能不预期改进的前同步码，但可能侦听到表示这样的前同步码的信号。扩展无线设备102可能使用多个信道和/或多个发射天线和/或多个接收天线工作。设备可能具有单个发射天线和单个接收天线，或多于一个发射天线和/或多于一个接收天线。尽管示出了独立的发射天线和接收天线，但在一些设备中天线可能既用于发射也用于接收。
边界106不是物理边界，而是示出用来表示这样的空间：在该空间内，信号可从该空间内的设备接收。因此，当一个设备在边界106内发射表示分组的信号时，边界106内的其它设备拾取该信号，并且如它们被编程的那样，将试图确定是否信号表示分组，并且如果信号表示分组，那么解调/解码分组从而获得其中表示的数据。
无线设备的构造和组件是公知的，并且无需在此处详细说明。例如，无线设备可能具有一个或多个具有发射部和接收部的天线。每个部分可包括RF组件、基带数字组件、信号处理组件和数据操纵(datahandling)组件。数字组件可被实现为提供给通用处理器(诸如数字信号处理器)或专门用于执行数字信号处理指令的处理的硬件的指令。例如，前同步码可被实现为处理器在其生成待发射的信号时或在其解释接收到的信号时所读取的存储指令序列或数据表中的数据。
图4示出了图3的网络，其具有额外的无线设备102(4)。该无线设备102(4)是扩展无线设备。图4还显示了波束图110的实例，其中波束图110的节点的大小粗略地表示特定方向上的信号强度。在该实例中，从无线设备102(1)的发射机到旧式无线设备104的信号弱，这在处于扩展模式时是期望的。对于无线设备102(2)而言，信号可能比未使用波束形成的情况更强，这在通信路径建立在无线设备102(1)和无线设备102(2)之间时是有益的。对于无线设备102(4)而言，信号可能比未使用波束形成的情况更弱，这不应该是问题，如果正被波束形成的业务不是针对无线设备102(4)的话。
一个顾虑是处于信号的强节点中的无线设备以外的无线设备可能无法具有足够的信号强度来确定分组的发送目的地是否是它们。优选地，非信号发送目的地的节点将不会感到困惑并且不会试图发射。
优选地，改进的前同步码使得：1)扩展接收机(例如知晓改进的前同步码的接收机)可接收改进的前同步码的不同变体并相应地处理它们(在使用波束形成时包括信道估计)，2)旧式接收机(例如未被配置成接收和解释改进的前同步码并且可能不预期扩展的操作的接收机)可接收足够的分组来确定要么旧式接收机可以理解分组，要么可以延迟进入信号的处理一定时间从而允许实现共存的措施，和3)改进的前同步码根据需要是同步化和/或信道估计。在根据本发明的无线设备的一些实施例中，使用了改进的前同步码，它们提供上面指出的优选特性中的一个、两个或全部。
在本文中显示出了前同步码结构的一些实例，并且本领域的普通技术人员在阅读了本公开之后可以得出若干满意的改进的前同步码结构。
一些IEEE 801.11标准规定基于能量检测的延迟行为，其提供某种程度的共存。然而，为了保证旧式设备适当地延迟下至所需接收功率水平的所有扩展模式分组，接收机即使在存在不利于接收机的波束形成(即，引导波束远离接收机)的情况下，也应该能够成功地解码信号字段，因为信号字段包含分组的长度信息并被用于确定延迟时间。
一些前同步码的问题是当波束形成(BF)被应用于传输时，它们不足够健壮，因为在存在BF的情况下还会涉及信道估计，并且可能没有足够的前同步码来允许信道估计。例如，在存在旧式设备并且它们不处理BF的情况下，前同步码的一部分应该不进行波束形成，以允许旧式设备理解前同步码的至少一部分并随后适当地延迟。
在发射机提供前同步码的非BF部分并随后提供BF部分的情况下，应对BF部分再进行AGC，因为增益可能预期会改变。当然，如果已知不存在旧式设备(“绿场”环境)，则协议可得以简化。
来自扩展(即，非旧式)发射机的前同步码应使得它们不会“中断(break)”旧式接收机。例如，对前同步码的改变应使得在可能的情况下，旧式接收机中的相关检测器不会出故障(break down)，而是侦听足够的前同步码来确定传输并非让旧式接收机解释。作为故障的实例，一些检测器跨过STS-LTS边界，并且STS(短训练符号)和LTS(长训练符号)上的不同循环移位将会使这样的检测器出故障。
如下面将描述的那样，可以有多种模式，对每种模式采用不同的前同步码。作为实例，无线网络可包括扩展设备和旧式设备共存的混合模式空间(MM)，或者无线网络可被限制为已知仅扩展设备处于范围内的绿场(GF)。对于一些传输，可能使用波束形成，而在其它情况下可能不使用波束形成。对于这些可能性，存在四种可能的模式：
1.混合模式，没有波束形成
2.混合模式，有波束形成
3.绿场模式，没有波束形成
4.绿场模式，有波束形成
可能需要额外的变量来说明其它的选项，诸如发射天线的数量。图5-14示出了解决各种问题的前同步码的若干实例。在许多这些实例中，假定在20MHz信道中传输，如同现有标准一样。然而，这些前同步码可被扩展用于40MHz信道。例如，在WWiSE建议草案IEEE doc.802.11-04/0886r6中记述的40MHz配置可与本文中所示的20MHz前同步码的配置结合。
在图5中，显示出了用于没有波束形成并具有两个发射天线(TX1、TX2)的混合模式的前同步码。如图所示，SS20和LS20分别是传统802.11a(或类似标准)的短符号和长符号。短符号包括800纳秒(nsec)序列的10次重复(共8微秒)，同时，长符号包括1.6微秒保护时段，以及3.2微秒序列的两个副本(共8微秒)。短符号和长符号后面跟随着SIG-MM字段，该字段可以仅是802.11a SIGNAL字段。
通过适当地选择定时，旧式检测器可操纵前同步码，尽管它可能不能够理解剩余的分组。旧式检测器能够理解足够的分组来确定分组不是发送给它的以及该分组传输将持续的时间，使得旧式设备知道它应保持安静(quiet)多长时间，这通常是足够好的。当扩展设备在向扩展设备发送的情况下仅使用改进的前同步码并且在向旧式设备发送的情况下仅使用传统前同步码时，旧式设备无需理解剩余的分组。
在一些实现方案中，TX2的旧式部分上的循环移位可以较小，在SIG-MM字段后具有几个额外的短符号(优选4微秒)以为AGC调节留出更多的时间和样点。如果使用波束形成，则波束形成可以在其它设备的延迟之后应用于跟随在SIG-N字段之后的分组字段。
应注意，对于标准的十次重复短符号，3.0微秒循环移位是200纳秒的提前(advance)。此外，对于长符号，1.6微秒循环移位是长符号序列的正好一半的移位。
图6显示出用于没有波束形成并且具有三个或四个天线的混合模式的前同步码。应注意，一些字段中的每个字段被循环移位不同的量。例如，在短符号的情况下，TX2被提前200nsec，TX3被提前100nsec，并且TX4被滞后100nsec(使得每个字段都被移位800纳秒序列的四分之一或一半)，并且对于长符号，TX2被提前/滞后半个序列，同时TX3和TX4被移位不同的量。也可使用提前/滞后量的其它选择作为替代。在SIG-N字段之后，发送长符号的变体(对于TX3和TX4而言，包括长符号乘以-1)。
可以使TX2、TX3和TX4的旧式部分上的循环移位更小，但是接着在SIG-MM字段之后需要几个额外的短符号(优选4微秒)以为AGC调节留出更多时间和样点。
图7-8以两个变体示出了用于两个发射机的具有波束形成的混合模式。在每个情况中，都使用了短符号“半字段(half field)”一SS20。SS20半字段可以仅是标准短符号800 nsec序列的五次重复。在一些发射机中，半字段是跟随在SIG-N字段之后发射的，如同图7的前同步码一样。由于可以预期旧式设备在此时已经延迟，所以半字段将不会中断旧式设备。这是用于任选的BF模式的前同步码的一个变体，并且其它变体是可能的。
在使用波束形成的一些实施例中，信号在SIG-N字段之后被波束形成。SIG-N字段之后的额外字段可用于循环移位定位(cyclic shiftfixes)、额外的AGC步骤和/或BF训练。用于操纵信号和使其变成非均匀波束的硬件和控制技术可以是本领域的普通技术人员已知的传统波束操纵硬件和控制技术。
SIG-N字段优选地包含额外的位来指示前同步码用在波束形成模式中。当接收机注意到该额外的位时，在存在分组的非波束形成的旧式部分的情况下，接收机应该预期到在波束改变形状时必须调节AGC(以及可能的其它信道参数)。
在图8的变体中，被移位的长符号序列的赋值是相反的。
图9示出了用于具有波束形成和三个或四个发射天线的混合模式的前同步码。这些前同步码的变体可从图9和图7-8所示的变体得出。
图10-14示出了用在绿场(即，旧式设备不存在或不需要考虑旧式设备)中的前同步码。对于绿场(“GF”)和无波束形成(“BF”)，可能不需要调节。
图10-13示出了可用于具有两个发射天线的GF/BF的变体。前同步码包括额外的AGC步骤和BF训练。SIG-N字段可包含额外的位来指示前同步码用于波束形成模式，至少用于跟随在SIG-N之后的部分，因此AGC应被调节(特别在认为旧式部分没有被波束形成时)，并且应进行频域训练。
图14示出了三个或四个天线的GF/BF的前同步码。应注意，因为SIG-N字段中的位指示这是经过波束形成的前同步码，所以“GF/no BF”前同步码不必是完整的并且频域训练可立刻开始。
用于三个或四个发射天线情况的类似于图11-13所示变体的变体，可通过根据图14所示的前同步码进行扩展而得出。
本发明的上述实施例是说明性的而不是限制性的。多种替代和等效体都是可能的。本发明不受所执行的编码、解码、调制、解调、均衡、滤波等的类型的限制。本发明不受限于发射或接收天线的数量。本发明不受用于传输数据的速率的限制。本发明不受可在其中配置本公开的集成电路的类型的限制。本公开也不受限于任何特定类型的工艺技术，例如可用于制造本公开的CMOS、Bipolar或BICMOS。在考虑到本公开后，其它的添加、减少或修改是显而易见的，并且应落入所附权利要求的范围内。
尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到多种修改也是可能的。例如，本文中所述的处理可使用硬件组件、软件组件和/或它们的任意组合来实现。本文中所述的多个天线可包括优选但不是必须在空间上隔开的单独的天线，但是通过使用极化或其它技术，也可以将单个物理天线用于多于一个发射流或接收信号。
因此，尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是可以理解的是，本发明应覆盖所附权利要求的范围内的所有修改和等效体。

Claims (6)

1.一种在包括多个节点的无线网络中发射信号的方法，其中每个节点由无线设备支持，所述方法包括：
在扩展无线设备上处理数据以将所述数据作为分组发射，其中所述扩展无线设备是配置成使用每个节点设备都理解的标准协议和旧式节点设备不理解的扩展协议进行通信的设备；
确定所述分组将被发送给扩展设备还是旧式设备；
如果所述分组将被发送给扩展设备，则发送所述分组的前同步码，所述前同步码可在扩展模式下用在扩展设备上，并且可用在进行接收的旧式设备上以确定所述进行接收的旧式设备不是跟随在所述前同步码后面的数据的目的地；以及
如果所述分组将被发送给扩展设备，则等待一段时间直到所述进行接收的旧式设备被预期将要延迟所述网络，然后波束形成所述分组的其它部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述标准协议是802.11a、802.11b和/或802.11g协议。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述前同步码包括不同于传统802.11a长训练模式的改进后的长训练模式。
4.(取消)
5.如权利要求1所述的方法，其中使用多个发射天线中的多于一个发射天线发射所述前同步码的至少一部分，使得所述前同步码的所述至少一部分可由一个或多个接收机接收和处理。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述前同步码的所述至少一部分包括一个或多个被循环移位的短训练序列、长训练序列和/或信号字段。
CN2006800109578A 2005-02-08 2006-02-08 允许波束形成和旧式设备共存的无线消息前同步码 Active CN101253720B (zh)

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