CN101534142A - 采用有效空间再用的无线个人区域网络通信的技术 - Google Patents

采用有效空间再用的无线个人区域网络通信的技术 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供在无线个人区域网络(WPAN)中通信的方法，包括通过使用定向天线在所述WPAN网络中使用空分多址(SDMA)。

Description

采用有效空间再用的无线个人区域网络通信的技术
技术领域
本发明涉及通信领域。
背景技术
预期工作在60GHz频率波段的毫米波(mmWave)WPAN通信系统对大约10米的距离提供几Gbps的吞吐量，该通信系统将在几年后投入使用。目前，几个标准化组织(IEEE 802.15.3c，WirelessHDSIG，ECMA TG20)考虑不同构思的毫米波WPAN系统以定义出最适合多Gbps WPAN应用的系统。
对改善的吞吐量与可靠性的需要是在任何无线通信系统中所固有的。因此，存在改善毫米波无线个人区域网络的技术的强烈需要。
发明内容
本发明的实施例提供一种在无线个人区域网络中通信的方法，包括：通过使用定向天线在所述WPAN网络中使用空分多址。
本发明的实施例还提供一种设备，包括：用于在无线个人区域网络中通信的收发器，其中，通过使用定向天线，所述收发器在所述WPAN网络中使用空分多址。
本发明的实施例还提供指令的机器可存取媒体，被接入时所述指令使机器执行操作，所述操作包括：通过使用定向天线在无线个人区域网络中使用空分多址。
附图说明
在本说明书的结论部分特别指出并清楚主张被视为本发明的主题。然而，至于操作组织与操作方法，参照以下结合附图一起阅读的详细描述，可以最好地理解本发明及其目的、特征与优点，其中：
图1图解了本发明实施例的当前IEEE 802.15.3-2003标准的超帧结构；
图2示出了本发明实施例的毫米波WPAN微微网网络；
图3描述了本发明实施例中的毫米波WPAN网络工作的时序图；以及
图4图解了依照本发明一个实施例的相互干扰矩阵结构的示例。
可以理解，为了说明的简明，附图中所示的单元不必按照规定比例绘制。例如，为清楚起见，一些单元的尺寸相对其它单元被放大了。而且，考虑适当时，在附图中重复附图标记以表示相应或类似单元。
具体实施方式
在以下的详细描述中，阐述了大量具体细节以便全面理解本发明。然而，本领域技术人员可以理解，没有这些具体细节也可以实施本发明。另一方面，对众所周知的方法、过程、组件和电路没有进行详细描述，以免使得本发明不明显。
在以下的详细描述中，阐述了大量具体细节以便全面理解本发明。然而，本领域普通技术人员可以理解，没有这些具体细节也可以实施本发明。另一方面，对众所周知的方法、过程、组件、单元和/或电路没有进行详细描述，以免使得本发明不明显。
可以在各种应用中使用本发明的实施例。本发明的一些实施例可以结合多种装置与系统使用，例如发射器、接收器、收发器、发射器-接收器、无线通信站、无线通信装置、无线接入点(AP)、调制解调器、无线调制解调器、个人计算机(PC)、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本电脑、平板计算机、服务器计算机、手持计算机、手持装置、个人数字助理(PDA)装置、手持PDA装置、或者甚至PAN中的高清晰度电视信号。
尽管本发明的实施例不限于这点，例如，使用诸如“处理”、“计算(computing)”、“求算(calculating)”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等术语的讨论可以指计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算装置的操作和/或处理；所述计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算装置操纵在计算机寄存器和/或存储器内表示为物理(例如，电子)量的数据，和/或将该数据转换为在可存储指令以执行操作和/或处理的计算机寄存器和/或存储器或者其它信息存储媒体内同样表示为物理量的其它数据。
尽管本发明的实施例不限于这点，例如，这里所用的术语“复数(plurality)”与“多个(a plurality)”可以包括“多重(multiple)”或“两个或两个以上”。可在整个说明书中使用术语“复数(plurality)”或“多个(a plurality)”来描述两个或两个以上的组件、装置、元件、单元、参数等。例如，“多个站”可以包括两个或两个以上的站。
无线个人区域网络(WPAN)通信系统广泛用于在不超过10米的短距离内的装置之间的数据交换。当前的WPAN系统可以使用2-7GHz频率波段范围的频率波段，并可以获得高达几百Mbps的吞吐量(对于超宽带系统)。
位于60GHz波段的无执照(unlicensed)7GHz频谱的可利用性及RF IC半导体技术的进展正在推动将要工作在60GHz波段并将获得约几Gbps吞吐量的毫米波(mmWave)WPAN系统的发展。当前，许多标准化组(IEEE 802.15.3c，Wireless HD SIG，ECMA TG20)正在致力于开发这种毫米波WPAN网络的规范。通过引入新的PHY层并设法再用MAC功能中的大多数功能，开发这些标准主要作为对先前WPAN标准的补充。然而，也需要修改MAC层以使用特定的毫米波WPAN特征。
这些特征之一是未来的毫米波WPAN将广泛使用定向天线。将需要高增益的定向天线以在受限传输的功率(～10dBm)下在极宽带宽(～2GHz)的毫米波WPAN链路上获得必要的SNR边缘(margin)。因为波长短(5mm)，小尺寸高增益天线的实现对60GHz WPAN装置可行。60GHz信道的传播特性接近准光学特性，因此TX-RX对间的定向传输干扰其它定向TX-RX对传输的可能性小。60GHz定向传输的这一属性对毫米波WPAN系统媒体接入层(MAC)的设计有影响。因为在不同定向传输间的干扰的可能性小，所以毫米波WPAN系统对于有效的空间再用具有巨大潜力(具备多路并行传输)。
而本发明的一些实施例提供基于IEEE802.15.3和802.15.3b规范的毫米波WPAN系统，但引入在当前WPAN标准(IEEE 802.15.3，WirelessHD及其它)中不可用的并行数据传输(空间再用或空分多址—SDMA)的新的有效机制。
依照IEEE 802.15.3标准(与当前IEEE 802.15.3b建议)，基本的WPAN网络被称为微微网并由微微网控制器(PNC)与一个或多个通信装置(DEV)组成。把信道时间分成超帧110，每个超帧110由三个主要部分组成——信标期120、竞争接入期(CAP)130及信道时间分配期(CTAP)140，通常如图1的100所示。PNC用信标期来向装置传输管理信息。可以存在所有装置公用的信标帧，也可以存在特定装置专用的信标帧(其可以以定向模式传输)。这些信标帧全部传输到信标期中。CAP期130用于随机的基于竞争的接入，并可用于MAC命令、确认与数据帧的传输。CTAP 140一般是超帧110的最大部分且它被PNC分成时隙(time slot)，所述时隙被分配用于不同节点(DEV)间时分多址(TDMA)方式的数据传输以使在某一时刻只出现一个传输。因此，从描述的帧结构可见，目前的IEEE 802.15.3-2003与802.15.3b-2005规范使用单独的TDMA机制。
一般情况下，为了最优地解决空间再用问题，不同通信站间的波束成形必须不是独立地而是联合地完成，要明确考虑天线系统之间的相互干扰及不同站的业务量与服务质量(QoS)要求，以这样的表示(In such formulation)，甚至在理论上、尤其在实践上不太可能解决这个问题。需要一些简化的假设以设计出能够用于毫米波WPAN系统的实用算法。
本发明的实施例对使用定向天线的毫米波WPAN网络中的空间再用提供了新的实用方法，被建议。通常如图2的200所示，假设在毫米WPAN微微网网络中，几个通信链路同时工作在装置205-240之间。在60GHz信道的定向传输的情况下，一个链路与其它链路相互干扰的可能性相当小。因此，在完成波束成形训练后，找到装置(链路)205-240的可并行工作而不相互干扰的几个对的可能性大；因此，可以定义所述对的组(一组或几组)，组内的对能够以并行传输且因此可以被安排用于并行传输。因此，TDMA模式可以通过SDMA模式而扩充。在不能被并行化的通信装置对和不同的组之间的信道接入以TDMA模式完成，而在一组内的通信对以SDMA模式执行信道接入。
建议的毫米波WPAN网络(用TDMA与SDMA模式)运行(functioning)的算法可以实现如下。以TDMA模式开始微微网的工作，在可以执行波束成形训练之后并在完成该波束成形训练之后，PNC可以收集关于装置(链路)对之间相互干扰的信息。可把SDMA组定义为一组内相互不干扰的对，且PNC可以安排SDMA组用于并行传输。为了执行干扰电平测量，PNC以信标消息向装置不仅通知它们通信的时隙，而且通知执行干扰电平测量和反馈结果的时隙。
有运行(functioning)时序图的毫米波WPAN系统200的示例如图3中300示意地示出。从图3可见，链路1-2、3-4和7-8可以结合在一组中，但是应以TDMA模式单独分配链路5-6，因为与上述组的其它链路有强的相互干扰。310示出开始微微网工作——装置发现。320图解以TDMA工作——执行波束成形训练。图3的330图解TDMA工作——在完成波束成形后收集关于相互干扰的信息。340示出以TDMA和SDMA工作——创建SDMA组，以SDMA组并以TDMA执行并行传输，TDMA针对不能分配在SDMA组的链路，SDMA采用其它链路。(340 shows operation in TDMA and SDMA-creationSDMA groups，performing parallel transmissions in the SDMA group andinto TDMA for the links which cannot been allocated into the SDMAgroup with otherlinks)
PNC可用不同方法收集并处理关于相互干扰的信息。可能的方法之一是使用相互干扰矩阵，该矩阵在图4中示意为400并包括产生干扰的通信对的下标410与受干扰影响的通信对的下标420。把所有通信装置(活动链路：active links)对重编号以使每个对具有下标k＝1，...，N，其中N是通信对的总数。矩阵元素Pij是第i个对所产生的在第j个(受影响的)对处的干扰功率(power)。当网络系统工作在TDMA模式时，PNC可以填充该矩阵，在那以后使用该相互干扰矩阵、有用信号强度、吞吐量、QoS及其它要求定义可能的组的最优配置。如果能够定义提供必要网络性能改进(例如，吞吐量增加等)的SDMA组，那么不用测量所有元素PNC可以停止填充矩阵。对于未测量的相互干扰矩阵元素，可以认为干扰的高干扰电平而不失一般性，应以TDMA模式安排相应链路。
也应该注意，通过考虑把同一时隙既用于从第m节点向第n节点传输数据帧又用于从第n节点向第m节点送回确认(ACK)，当前的IEEE 802.15.3标准定义了用于从第m节点向第n节点传输的时间分配。因此，由一通信对(链路)给另一通信对产生的干扰因该传输是一个方向进行还是两个方向进行而不同。另外，受(干扰)影响的对也可以单向通信或两个方向通信，关于这个，应该在该链路的一或两个站(节点)测量干扰电平。站可以应用不同的确认策略(不确认、延迟确认、立即确认及其它)，据此，一个时隙内的通信可以一个方向或两个方向完成。在定义微微网的SDMA组时必须考虑该事实。
针对这个问题，本发明的实施例提供在毫米波网络中使用两种类型的SDMA组，即单向与双向SDMA组。在单向SDMA组中允许仅一个方向的传输，而在双向SDMA组中能够进行双向传输。双向组使用相同时隙用于数据帧传输及其确认；而在单向组中，只传输数据帧(或ACK)而在其它SDMA组或分配的TDMA(TDMA-allocated)时隙中传输对应的确认(或者对应的数据帧)。因此，分配到单向组的站必须使用不确认与延迟ACK确认策略。在不确认策略的情况下，不要求确认送回。在延迟确认策略的情况下，在单向SDMA组中发送未被确认的帧，此后，发送站将要请求对所有先前以TDMA或者双向SDMA模式发送的帧的确认。实用的毫米波WPAN系统能够使用单一或两种类型的SDMA组(单向和双向)，它取决于这种机制提供的网络性能改进。
使用单向SDMA组的优点是通信对之间干扰的可能性较小(也就是可以进行更有效的空间再用)，但缺点是不是所有的确认策略都可以使用。相反，双向SDMA组具有任意使用确认策略的优点，但缺点是成功大SDMA组创建的可能性较小。
另外，必须特别考虑双向链路的训练(干扰电平测量)。为了对站的来自干扰产生链路的干扰电平测量，PNC必须确保在由PNC分配给受影响链路的站的时间间隔期间进行两向传输。通过强迫接收站送回确认或如果不要求确认则送回某专用训练帧，可以满足该要求。
单向链路(通信对)数是双向链路数的两倍(除非一些链路不用)。因此，在单向矩阵包含的元素是双向矩阵的四倍的情况下，相互干扰矩阵是不同的。使用某一算法把四个矩阵元素(干扰电平)转换成一个，能够从单向矩阵中定义出双向矩阵。算法之一可以是从单向矩阵的四个元素中选择最大元素作为双向矩阵的单个元素。
注意：在系统工作期间，在一个SDMA组中的链路的正交性(也就是在该组内无干扰或干扰电平低)可能遭破坏。这可能源于几个因素，主要因素是传播信道特性的改变与天线方向图(波束成形)的跟踪再调整(following readjustment)。如果工作在给定SDMA组内的站开始经受干扰电平增加(接收站不能正确解码且发送站没有收到已发送帧的确认)，那么这些站就将此报告给PNC，PNC必须停止该给定SDMA组的同时操作，并把该组的所有对分配到TDMA模式且又开始新的SDMA组的创建的过程。
尽管可能发生SDMA组内的正交性丢失，但它在实际的系统中不会经常发生，因为毫米波WPAN传播信道与对应的波束成形通常在比超帧的长度长得多的时间间隔上是稳定的。(超帧的长度通常是几毫秒而信道可以稳定几秒及更长)。
虽然在这里已说明并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可以有许多改变、替换、变化及等效。因此，将理解到所附权利要求书用来覆盖落入本发明实质精神的所有改变和变化。

Claims (27)

1.在无线个人区域网络(WPAN)中通信的方法，包括：
通过使用定向天线在所述WPAN网络中使用空分多址(SDMA)。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述WPAN中使用与所述SDMA结合的时分多址(TDMA)，其中，能够并行通信的装置对结合在组中。
3.如权利要求2所述的方法，其中，用TDMA开始所述WPAN网络的工作并执行波束成形训练，在完成所述波束成形训练后由微微网控制器(PNC)收集关于装置对之间相互干扰的信息，定义SDMA组以使一组内的相互不干扰与弱干扰的对可被所述PNC安排用于并行传输。
4.如权利要求3所述的方法，其中，为执行干扰电平测量，所述PNC以信标消息向装置不仅通知它们通信的时隙，而且通知执行来自其它装置的干扰电平的测量并向所述PNC反馈测量结果的时隙。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述WPAN中把所述SDMA分成两种类型的SDMA组，即单向和双向SDMA组，其中，在所述单向SDMA组中允许每一通信对内仅一个方向的传输，而在所述双向SDMA组中可以进行通信对内的双向传输。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述双向组使用相同时隙用于数据帧传输和确认传输，所述单向组使用所述相同时隙仅用于所述数据帧传输，在其它SDMA组或分配的TDMA时隙中进行所述确认传输。
7.如权利要求5所述的方法，还包括使用微微网控制器(PNC)确保对于双向SDMA组通过强迫接收站送回确认或者如果不要求确认则送回某专用训练帧在为干扰电平测量所分配的时间间隔期间进行两个方向传输。
8.如权利要求7所述的方法，还包括所述PNC使用相互干扰矩阵来收集并处理关于相互干扰的信息，其中，所述相互干扰矩阵的元素对应于一通信对在另一通信对工作时所经受的干扰电平。
9.如权利要求2所述的方法，其中，如果工作在给定SDMA组内的站开始经受增加的干扰电平或者不能对接收的帧解码或者没获得已传输消息的确认，那么向所述PNC报告所述PNC停止所述给定SDMA组的同时操作且把所述组的所有对或者子集分配到TDMA模式并又开始创建新的SDMA组的过程。
10.一种设备，包括：
用于在无线个人区域网络(WPAN)中通信的收发器，其中，通过使用定向天线，所述收发器在所述WPAN网络中使用空分多址(SDMA)。
11.如权利要求10所述的设备，其中，在所述WPAN中，所述收发器还使用与所述SDMA结合的时分多址(TDMA)，其中，能够并行通信的装置对结合在组中。
12.如权利要求11所述的设备，其中，用TDMA开始所述WPAN网络的工作并执行波束成形训练，在完成所述波束成形训练后，微微网控制器(PNC)收集关于装置对之间相互干扰的信息，定义SDMA组以使一组内的相互不干扰与弱干扰的对可被所述PNC安排用于并行传输。
13.如权利要求11所述的设备，其中，为执行干扰电平测量，所述PNC以信标消息向装置不仅通知它们通信的时隙，而且通知执行来自其它装置的干扰电平的测量并向所述PNC反馈测量结果的时隙。
14.如权利要求10所述的设备，还包括在所述WPAN中把所述SDMA分成两种类型的SDMA组，即单向和双向SDMA组，其中，在所述单向SDMA组中允许每一通信对内仅一个方向的传输，而在所述双向SDMA组中可以进行通信对内的双向传输。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述双向组使用相同时隙用于数据帧传输和确认传输，所述单向组使用所述相同时隙仅用于所述数据帧传输，在其它SDMA组或分配的TDMA时隙中进行所述确认传输。
16.如权利要求14所述的设备，还包括微微网控制器(PNC)，确保对于双向SDMA组通过强迫接收站送回确认或者如果不要求所述确认则送回某专用训练帧在为干扰电平测量所分配的时间间隔期间进行两个方向的传输。
17.如权利要求16所述的设备，其中，所述PNC使用相互干扰矩阵来收集并处理关于相互干扰的信息，其中，所述相互干扰矩阵的元素对应于一通信对在另一通信对工作时所经受的干扰电平。
18.如权利要求11所述的设备，其中，如果工作在给定SDMA组内的站开始经受增加的干扰电平或者不能对接收的帧解码或者没获得已传输消息的确认，那么向所述PNC报告所述PNC停止所述给定SDMA组的同时操作且把所述组的所有对或者子集分配到TDMA模式并又开始创建新的SDMA组的过程。
19.提供指令的机器可存取媒体，被接入时所述指令使机器执行操作，所述操作包括：
通过使用定向天线在无线个人区域网络(WPAN)中使用空分多址(SDMA)。
20.如权利要求19所述的机器可存取媒体，还包括使所述机器执行还包括以下的操作的所述指令：在所述WPAN中使用与所述SDMA结合的时分多址(TDMA)，其中，能够并行通信的装置对结合在组中。
21.如权利要求20所述的机器可存取媒体，其中，用TDMA开始所述WPAN网络的工作并执行波束成形训练，在完成所述波束成形训练后，微微网控制器(PNC)收集关于装置对之间相互干扰的信息，定义SDMA组以使一组内的相互不干扰与弱干扰的对可被所述PNC安排用于并行传输。
22.如权利要求21所述的机器可存取媒体，其中，为执行干扰电平测量，所述PNC以信标消息向装置不仅通知它们通信的时隙，而且通知执行来自其它装置的干扰电平的测量并向所述PNC反馈测量结果的时隙。
23.如权利要求19所述的机器可存取媒体，还包括使所述机器执行还包括以下的操作的所述指令：在所述WPAN中把所述SDMA分成两种类型的SDMA组，即单向和双向SDMA组，其中，在所述单向SDMA组中允许每一通信对内仅一个方向的传输，而在所述双向SDMA组中可以进行通信对内的双向传输。
24.如权利要求23所述的机器可存取媒体，其中，所述双向组使用相同时隙用于数据帧传输和确认传输，所述单向组使用所述相同时隙仅用于所述数据帧传输，在其它SDMA组或分配的TDMA时隙中进行所述确认传输。
25.如权利要求23所述的机器可存取媒体，还包括使所述机器执行还包括以下的操作的所述指令：使用微微网控制器(PNC)确保对于双向SDMA组通过强迫接收站送回确认或者如果不要求所述确认则送回某专用训练帧在为干扰电平测量所分配的时间间隔期间进行两个方向的传输。
26.如权利要求25所述的机器可存取媒体，还包括使所述机器执行还包括以下的操作的所述指令：由所述PNC使用相互干扰矩阵来收集并处理关于相互干扰的信息，其中，所述相互干扰矩阵的元素对应于一通信对在另一通信对工作时所经受的干扰电平。
27.如权利要求19所述的机器可接入媒体，其中，如果工作在给定SDMA组内的站开始经受增加的干扰电平或者不能对接收的帧解码或者没获得已传输消息的确认，那么向所述PNC报告所述PNC停止所述给定SDMA组的同时操作且把所述组的所有对或者子集分配到TDMA模式并又开始创建新的SDMA组的过程。
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