CN101584153B - 混合型定向终端的设备发现 - Google Patents

Abstract

天线(740)监听多个可转向扇区中的每一个，以确定是否存在主信标；如果不存在主信标，在多个可转向扇区中的每一个内发射主设备信标；以及如果发现主信标，在多个可转向扇区中的第一个扇区内发射次设备信标。天线(740)可以在与数据通信信道不同的通信信道上发射主信标和次信标，或者可以在与数据通信信道相同的通信信道上发射主信标和次信标。天线(740)可以将相同的通信通道分成时间片，其中，超帧的不同时间片用于主信标、次信标和数据传输。如果次设备(C，D)接收来自附加扇区的非主信标，其在附加扇区内发送附加信标。

Description

混合型定向终端的设备发现

本发明要求2007年1月16日提交的美国临时专利申请序列号60/885,192(代理人案号007839)，60/885,184(代理人案号007837)以及60/885,187(代理人案号007838)的优先权，其整个内容在此通过参照引入。

本发明涉及用于在无线网络内部发现混合型定向终端的系统、方法、用户界面(UI)以及设备。

随着无线频谱作为保持连通性的手段变得越来越重要，频谱变得越来越拥挤，这可能对于无线接入和/或互动点(interaction point)造成问题。普通设备类型(例如，冰箱，洗衣机，玩具，等)中的设备普遍存在的通信概念不仅存在频谱方面的问题，并且扩展这些设备的连接性存在其它问题，因为尽管连通性无需具有任何服务质量(QoS)的要求，但是连通性需要是可靠的，且必须便宜。无线个人区域网络(WPANs)被设想用来为这一需要服务，并且是具有聚焦在这一问题不同部分上的多个任务组的IEEE 802.15工作组的主题。

正如可以易于理解的，定向天线可以用来增加传输距离，降低传输功率需求，从而在利用高传输频率(例如，60Ghz)时补偿较高的路径损耗，并且可以利用空间复用(spatial reuse)来实现。由用定向天线的设备来形成的WPAN称作定向WPAN或者如在下文中所称作的D-WPAN。

为了减少天线设计的复杂性以及硬件成本，一些天线具有固定的传输方向或者选择仅向一个方向发射。这些天线通常不能独立改变传输方向，并且仅能通过用户操纵无线设备的位置或者定向天线的取向来改变。

图1示出了具有一对无线设备A，B的系统100，所述无线设备A，B包括用于彼此通信的天线。正如所示并且可以易于理解的，通过使用来自天线A，B中的每一个的固定方向波束(fixed directionalbeam)，与以上所讨论的全向天线相比，通信的距离可能增加，和/或传输功率(transmission power)以及元件成本可能减少。固定方向天线例如很好地适用于扩展两个位置之间(例如，两幢建筑物之间)的局域网(LAN)。这种类型的系统内，每幢建筑物可以包括LAN或者其一部分。定向天线设备可以用来桥接建筑物之间的LANs，其具有高可靠性并且无需在建筑物之间运行固定(例如，有线)系统。

图2示出了使用定向天线的两个设备C，D，所述定向天线有时可以在不同方向和/或转向/切换波束方向中形成通信波束，这正如由示出扇区1，2，3，4的传输指示图案所指出的。仅由一类设备组成的D-WPANs(图1中示出的固定方向设备或者图2中示出的可转向设备)称为同构D-WPANs。

还存在其中固定方向设备和可转向设备共存且需要在有限组信道内彼此通信的应用。这种类型的D-WPANs称为异构D-WPANs且在图3中示出。一对设备间的某些应用可以使用数据信道内的整个数据周期。由于这样的应用，应用正在使用的信道对其它设备/应用变得不可用。这些类型的设备称为非共享设备。另一方面，不占用整个无线信道的应用可以允许(无线)传输介质与其它设备分时，例如，通过将介质分成临时片来共享传输介质的时分多路访问(TDMA)设备，其中，一个或多个片可以分配给指定的设备。不占用传输介质所有传输容量的设备称为共享(sharing)设备。

需要彼此通信的定向设备(directional device)通常需要在设备之间实际数据传输开始前彼此定位。这一过程称为D-WPAN中的邻居或设备发现。存在用于同构D-WPAN的邻居发现的解决方案，这可能导致共存的混合型定向设备(例如，共享区域的设备，其中一个或者多个设备是固定方向设备，以及一个或者多个设备是可转向设备)、以下称为异构D-WPANs之间的连接断开。例如，在图3中，设备A，B是带有彼此对准的天线的固定方向设备，因而彼此连接。当设备D(可转向设备)上电时，其扫描其所有扇区，并且由于设备A和B天线的定向性而不能听到设备A或B的传输。因此，设备D不与设备A或B连接。此后当设备C上电时，设备C可以在其扇区4内听到设备D，并且可以在其扇区1内听到设备B。在这种情况下，设备C可以选择与设备D通信并与设备D形成D-WPAN，或者选择与设备B会话，并且因而加入由设备A和B形成的D-WPAN。然而，在任何一种情况下，设备A，B，C，D之间的连接实际上变成断开(disjoined)。

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷和/或对现有技术进行改进。本发明的目的是提供在异构D-WPAN环境中的发现系统，其避免导致设备间的连接断开。

本发明包括用于控制可转向天线形成通信网络的系统、方法、通信协议以及设备。天线监听多个可转向扇区中的每一个，以确定是否存在主信标；如果不存在主信标，在多个可转向扇区(sector)中的每一个内发射主设备信标；以及在发现主信标的多个可转向扇区中的第一个扇区内发射次设备信标。天线可以在与数据通信信道不同的通信信道上发射主信标和/或次信标。天线可以在与数据通信信道相同的通信信道上发射主信标和/或次信标。天线设备可以将相同的通信信道分为时间片(time slice)。天线可以将超帧的第一给定时间片用于主信标，将超帧的第二给定时间片用于次信标，并且将超帧的第三给定时间片用于数据通信。在实施例中，依由chard Chen，Chun-TingChou和Alireza Seyedi提出的、名称为“APPARATUS AND METHODFOR ENABLING DISCOVERY OF WIRELESS DEVICES”的美国申请(代理人案号009299US)，发射主信标，次信标以及固定方向信标，该申请的主题在此通过引用的方式并入，如同在此处整个地陈述。

设备可以是非共享设备，其在非共享扇区内不共享信道。天线可以在除了非共享扇区之外的多个可转向扇区中的每一个内停止传输主设备信标或者次设备信标。如果在多个可转向扇区中的第一个扇区内发现主信标，以及在多个可转向扇区的第二个扇区内探测到来自固定方向设备或者次天线设备的信标，天线可以在多个可转向扇区中的第二个扇区内发射次设备信标。多个可转向扇区可以是直至20个或者更多的扇区，并且可以分割成不同大小的扇区。设备可以重复监听其接收的主信标并且开始发射主信标，因而如果天线不再接收主信标，该设备选择成为主设备。

参考附图、且借助于实例来进一步地详细阐述本发明，其中：

图1示出了带有固定方向天线设备的系统；

图2示出了带有可转向天线设备的系统；

图3示出了包括固定方向天线设备和可转向天线设备的异构系统；

图4示出了示出根据本发明系统实施例的选择过程的流程图；

图5示出了根据本发明实施例、包括固定方向天线设备和可转向天线设备以及通信协议的异构系统；

图6示出了根据本发明实施例、包括固定方向天线设备和可转向天线设备以及通信协议的异构系统；以及

图7示出了根据本发明实施例、包括可转向天线的设备的一部分。

以下描述说明性的实施例，当其与下图结合时将表明以上提及的特征和优点，以及其它特征和优点。在以下的描述中，为了解释而非限制的目的，提出说明性细节，例如，结构，界面，技术等。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，脱离这些细节的其它实施例仍然理解为在所附权利要求的范围内。而且，为了清楚的目的，将省略对众所周知的设备，电路，技术和方法的详细描述，以免使本发明的描述不清楚。应当清楚地理解，为了说明性的目的，包括附图，且附图不代表本发明的范围。

出于简化本发明描述的目的，术语“操作性耦合”及如在此处所用的其构词成分指的是能够根据本发明工作的设备或者其部分之间的连接。例如，操作性耦合可以包括能够在设备或者其部分之间实现单向和/或双向通信路径的两个或多个设备之间的一个或多个有线连接和/或无线连接。

这里所描述的系统及方法解决现有技术系统中的问题。根据本发明实施例的系统、方法和设备可以提供简单的解决方案，以在异构环境中保持连通性。一种解决方案是：对于所有的可转向设备，在每个可转向设备的所有扇区内发送控制信息。然而，这将导致巨大的开销，因为每个可转向设备可以具有直至20个或者更多的扇区，设备在其中可以转向其天线。根据本发明，可转向设备发送和/或侦听控制信息的扇区的数量进行了很好的平衡，所以在多个扇区内由控制信息引起的开销减少，同时使通信范围内D-WPAN设备间的连通性最大化。

根据本发明，可转向设备基于上电时的初始化扫描确定主设备或者次设备的角色，从而避免在所有可转向设备的所有扇区内发送信标的开销。根据本发明，设备发现可以在公共控制信道内执行，且实际的数据通信可以切换到不同的数据信道。在另一实施例中，单信道可以与建立用于数据或者控制信号的时间片一起使用。

现将参考图4，5和6依照本发明的一个或多个说明性实施例来描述本发明的工作。图4示出了具有选择过程的流程图，其中根据本发明的实施例可转向设备确定是作为主设备还是次设备工作。可以由可转向设备来执行的当前选择程序被实现，以保证在D-WPAN内仅有一个主设备。根据本发明，每个设备在加电时确定其是否应当是如所示说明性实施例中所述的主设备。

在动作410时，过程开始，其后，在动作420时，可转向设备上电(此后称为打开设备(turning-on))。在动作430时，打开设备首先操作使其监听波束转到设备的每个可转向扇区，并且在每个可转向(steerable)扇区(例如，图3中所示的扇区1，2，3，4)侦听Tscan周期，以寻找来自其它设备、指示其它设备已经指定作为主设备的信标。在一个实施例中，超帧(super-frame)的典型持续时间可能在50ms(例如，用于基于WiMedia超宽带的无线电的Ecam368规范中为64ms)到100ms(例如WiFi无线电)的范围内。在另一个实施例中，超帧可以设定与16.67ms(视频帧的持续时间)一样短，以适应流式视频的应用。自然地，其它持续时间和范围可以应用在其它应用中，并且权利要求无意限定到任何特定的范围或者数值，除非以其它方式特定指出。在本发明的实施例中，Tscan可以至少为超帧的持续时间，然而可以更长。

正如动作440时所确定的，在每个扇区中Tscan之后不存在探测到的、来自主设备的信标的情况中，在动作450中，打开设备(turning-on device)可以开始它自己的信标周期，其中，在每一个超帧内的信标周期时(例如，16.67ms)，打开设备(turning-on)在其所有可转向扇区内发射信标，并且由此成为主设备。此后，在动作460时，对于该打开设备，步骤结束直到系统状态中发生某些变化，如，主设备(例如，以前的打开设备)移到范围之外或者关闭，或者非共享主设备在其所有扇区内停止发送主信标。这种情况下，之前接收来自主设备的主信标的次设备将停止接收主信标。根据本发明的实施例，次设备可以开始侦听其每个可转向扇区中另一主信标，并且此后与关于设备打开的以上所述相似地继续下去。为了避免两个或更多个次设备同时选定成为主设备，每个设备可以在每个可转向扇区上经历监听之前等待随机的时间周期。这样，由于每个周期是随机选择的，所以等待周期很可能不同，且因此，一个次设备很可能先于另一个次设备成为主设备。状态的其它变化对本领域技术人员来说是很容易发生的，并且旨在由本系统来包括。

图5和6中示出了上述过程的图示，其示出了根据本发明实施例、包括固定方向天线设备和可转向天线设备及通信协议的异构系统。

如图5所示，设备A和B是非可转向设备，设置成通信位置，具有彼此相对的波束，尽管这应该理解，但因为这些设备可能不指定为根据本发明的主设备，所以非可转向设备A、B联机时的顺序并不重要。出于简化如下描述的目的，每个可转向设备C、D示出具有在大小近似分配的四(4)个扇区内发射的能力。正如容易理解的，显然，更多扇区可以用于可转向设备C、D(例如，20或更多个扇区)，并且在一些情况下，一个或多个可转向设备可以有能力与一个或者更多个其它可转向设备相比在更多或更少的扇区内发射。同样地，除非特别说明，图中所示的说明性特征都不旨在作为权利要求的限定。

根据以上关于图5所包含的描述，可转向设备C在非可转向设备A、B之后某一时间打开(turn on)并开始发射。在信标监听周期，因为没有在任何可转向扇区1，2，3，4中探测到来自主设备的任何信标，所以可转向设备C随后开始在可转向扇区1，2，3，4中的每一个上发送信标。此后某一时间，可转向设备D打开。如所述的，可转向设备D扫描所有可转向扇区1，2，3，4，并在可转向设备D的可转向扇区2内发现来自主设备C的信标。于是，可转向设备D像次设备一样开始动作，也就是，在其中发现来自可转向设备C的主信标的扇区2内发射其次信标。这个步骤从时序图上示出，其中，来自可转向设备C的信标由可转向设备D来接收，所述可转向设备D此后在可转向设备D的扇区2内发射其信标。

与图5类似，在建立非可转向设备A，B后，图6说明性地开始。可转向设备C打开并且首先在所有的可转向扇区内侦听(接收)主信标。由于在可转向设备C打开之前没有建立任何主设备，所以可转向设备C成为主设备并且如时序图所示在所有的可转向扇区上发射主信标。此后，可转向设备D打开(turn on)。如所述，可转向设备D扫描所有的可转向(steerable)扇区并且发现来自主设备C的信标。相应地，可转向设备D像次设备一样开始动作，即，在其中发现主信标的扇区内发射其次信标。另外，由于在打开所有扇区扫描时，可转向设备D在其扇区1内找到由固定方向(非可转向)设备B发送的信标，可转向设备D在它听到(例如，接收)来自非可转向设备B的信标的扇区1内发送另一个信标，所述扇区1是与设备D发现主设备C的扇区不同的扇区。值得注意的是，由于设备A的波束指向设备B，设备A的波束角度指出设备D不被设备A的波束覆盖，并且因此，设备D不接收来自设备A的信标。在非可转向设备A，B中的一个和主设备(例如，可转向设备C)位于相同扇区内的情况中，于是，可转向设备D将由于发现来自(主)转向设备C的信标而已经启动那个扇区内的信标，并且将不向那个非可转向设备发送附加的次信标。

根据本发明的实施例，在非共享次设备开始数据传输的情况下，非共享次设备可以在与非分时扇区不同的扇区内停止发送信标，以利于空间复用，并且由此在某种意义上使其自身降级成为非可转向设备。空间复用使得其它设备能够使用在其中非共享次设备(secondarydevice)停止发送包括预留信息的信标的扇区，实际上，停止阻止其它设备使用该扇区。

根据本发明的一个实施例，可以利用与控制信道分离的专用数据信道。在实施例中，在非共享主设备的数据通信在不同于控制信道的其它信道内执行的情况下，非共享(non-sharing)主设备也可以在不同于非分时(non-time-sharing)扇区的扇区内停止发送信标，以利于在非共享主设备开始在非分时扇区内的数据传输后的空间复用。

根据本发明的实施例，在次设备听到来自不同信标组的信标的情况下，次设备可以开始将信标组组合并在一起，这可以是易于理解的，例如，根据由Chun-Ting Chou，Hongqiang Zhai以及Richard Chen发明名称为“APPARATUS AND METHOD FOR MERGINGBEACON TRANSMISSION AND RECEPTION”的美国临时申请，2008年1月15日提交的PCT专利申请号IB2008/050128，或者根据2007年1月16日提交的美国临时专利申请号60/885167，每一个申请的主题据此通过引用的方式并入，如同在此处全部列出。

图7示出了根据本发明的实施例、具有可转向(steerable)天线740的设备700的一部分。例如，本发明700的一部分可以进一步包括处理器710，所述处理器710可操作地耦接到存储器720、显示器730、有线连接750、用户输入设备770，以及经由收发器744到可转向天线740。收发器744可以包括接收器743及发射器745，并为本发明700提供与另一个这样的系统进行通信的功能，例如，通过根据适当标准协议的无线通信网络。存储器720可以是任何形式的、用于存储算法和/或应用数据以及与所述工作相关的其它数据的设备。根据本发明，应用数据和其它数据由处理器710接收，用于配置处理器710以执行工作动作。工作动作可以包括上电、寻找用于信标的可用扇区、发射信标，等。设备700的细节未进行介绍以简化此处的讨论，尽管可能对本领域技术人员是显而易见的。恰取决于应用，设备700可以包括用户输入770以及显示器730，以实现那些实施例的特定方面，虽然这对于操作不是必需的。

处理器710的工作动作可以进一步包括：控制显示器730显示内容，例如，将可应用到设备700的任何内容(例如，用户界面)。用户输入770可以包括键盘、鼠标、轨迹球或其它设备(包括：触摸式显示器)，其可以独立应用或者作为系统的一部分，例如，个人电脑、个人数字助理、移动电话、机顶盒、电视或经由任何可操作连接与处理器710通信的其它设备的一部分。用户输入设备770可以是可操作的，用于与包括在本发明的用户界面和/或其它元件内部实现交互的处理器710进行交互。很清楚地，处理器710、存储器720、显示器730、可转向天线740和/或用户输入设备770可以全部或者部分地是天线设备或者用于根据本发明工作的其它设备的一部分，例如，设立包括启动和发现多个可转向和非可转向设备的异构通信系统。

本发明的方法特别适合于由计算机软件程序来实施，上述程序包含与由本发明描述和/或预想的独立步骤或动作相对应的模块。这种程序当然可以包含在计算机可读介质内，例如，集成芯片、外围设备或存储器(例如，存储器720或与处理器710耦合的其它存储器)。

存储器720配置处理器710来实现此处所公开的方法、工作步骤和功能。存储器可以分布在例如可转向天线和处理器710之间，其中，附加的处理器可以被提供，也可以是分布式的或者可以单个的。存储器可以实现为电的、磁性的或者光学的存储器，或者这些或其它类型存储设备的任何结合。此外，术语“存储”应该解释得足够广泛，以包含能够从存储器710可访问的可寻址空间内的地址读出或者向其写入的任何信息。利用这种限定，通过有线连接750(例如，与网络的有线连接(例如，英特网))和/或天线740可访问的信息仍然在存储器720范围内，例如，因为根据本发明，处理器710可以从一个或多个可操作连接740、750取得信息。

处理器710可操作用于根据来自用户输入设备770的输入信号以及根据网络的其它设备来提供控制信号和/或执行工作，并执行存储在存储器720内的指令。处理器710可以是专用的或者通用的集成电路。进一步地，处理器710可以是根据本发明执行的专用处理器或者可以是在其中多个功能中仅有一个功能操作用于根据本发明执行的通用处理器。处理器710可以利用程序部分、多个程序段来工作，或者可以是使用专用的或多用途的集成电路的硬件设备。

本发明另外的变化对本领域的技术人员是容易想到的，并且由以下的权利要求来包含。通过本发明的工作，异构网络可以初始化并工作

最后，以上的讨论旨在仅仅说明本发明，并且不应当解释为将所附权利要求限定到任何具体的实施例或者实施例组。因而，虽然本发明已经参考示例性实施例进行说明，但是也应当理解：许多修改以及可替换实施例可以由本领域技术人员来设计，而不偏离以下权利要求中所提出的本系统较宽且预定的精神和范围。另外，此处所包括的段首旨在利于评审而不是旨在限定本发明的范围。因此，说明书和附图将看作说明性的方式而不是旨在限定所附权利要求的范围。

在解释所附权利要求时，应当理解的是：

a)单词“包含”不排除除了给定权利要求中所列出的元件或者动作以外的其它元件或者动作的存在；

b)在元件前的单词“一”不排除多个这种元件的存在；

c)权利要求中的任何附图标记不限定它们的范围；

d)若干“方法”可以由实现结构或功能的相同零件或者硬件或者软件来表示；

e)任何公开元件可以包含硬件部分(例如，包括分立和集成电子电路)，软件部分(例如，计算机程序)，以及其任何组合；

f)硬件部分可以包括模拟部分和数字部分中的一个或两个；

g)除非以其它方式明确说明，任何公开的设备或者其中的部分可以组合在一起或者分成更多部分；

h)除非明确指出，不旨在要求任何特定顺序的动作或者步骤；以及

i)术语“多个”元件包括两个或多个所要求的元件，并不暗示元件数量的任何特定范围；也就是说，多个元件可以是两个元件，并且可以包含不可计量数目的元件。

Claims (12)

1.一种打开可转向天线设备以形成通信网络的方法，该方法包括下述动作：

监听多个可转向扇区中的每一个，以确定是否存在主信标；

如果不存在主信标，在多个可转向扇区中的每一个内发射主信标；以及

如果发现主信标，在多个可转向扇区中的第一个扇区内发射次信标。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，主信标和次信标在与数据通信信道不同的通信信道上发射。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，主信标和次信标在与数据通信信道相同的通信信道上发射，其中，相同的通信信道被分成时间片，并且其中，超帧的第一给定时间片用于主信标，超帧的第二给定时间片用于次信标，以及超帧的第三给定时间片用于数据通信。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，可转向设备是非共享主设备或者次设备中的一个，所述非共享主设备或者次设备在非共享扇区内不共享通信信道，该方法包括动作：在除了非共享扇区之外的多个可转向扇区中的每一个内停止发射主信标。

5.根据权利要求1所述的方法，其包括动作：如果在多个可转向扇区中的第一个扇区内发现主信标并且在多个可转向扇区中的第二个扇区内探测到来自固定方向或者次定向天线设备的信标，在多个可转向扇区中的第二个扇区内发射次信标。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，如果可转向设备停止接收主信标，则次可转向设备发射主信标，从而作为主设备。

7.一种可转向天线设备(700)，其配置用于形成通信网络，该设备(700)包括：

天线(740)，其配置成：

监听多个可转向扇区中的每一个，以确定是否存在主信标；

如果不存在主信标，在多个可转向扇区中的每一个内发射主信标；以及

如果发现主信标，在多个可转向扇区中的第一个扇区内发射次信标。

8.根据权利要求7所述的设备(700)，其中，天线(740)配置成在与数据通信信道不同的通信信道上发射主信标和次信标。

9.根据权利要求7所述的设备(700)，其中，主信标和次信标在与数据通信信道相同的通信信道上发射，并且其中，天线(740)配置成将相同的通信信道分成时间片，其中，天线(740)配置成将超帧的第一给定时间片用于主信标，配置成将超帧的第二给定时间片用于次信标，以及配置成将超帧的第三给定时间片用于数据通信。

10.根据权利要求7所述的系统(700)，其中，天线(740)配置为非共享天线，其在非共享扇区内不共享通信信道，并且其中，天线(740)配置成在除了非共享扇区之外的多个可转向扇区中的每一个内停止发射主信标或次信标。

11.根据权利要求7所述的设备(700)，其中，天线(740)配置成：如果在多个可转向扇区中的第一个扇区内发现主信标并且在多个可转向扇区中的第二个扇区内探测到来自固定方向或者次定向天线设备(C，D，A，B)的信标，在多个可转向扇区中的第二个扇区内发射次信标。

12.根据权利要求7所述的设备(700)，其中，天线(740)配置成：如果天线(740)停止接收主信标，则重复监听并发射主信标或次信标之一。

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