CN101651952B

CN101651952B - 用于定向天线通信的信标和帧结构

Info

Publication number: CN101651952B
Application number: CN2009101387171A
Authority: CN
Inventors: C·科尔代罗; P·戈帕拉克里什南; 李国清
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: US20090232035A1; BRPI0909431A2; EP2253104A2; TWI407711B; WO2009114574A3; KR101149992B1; EP2253104A4; WO2009114574A2; JP2011514107A; EP2253104B1; CN101651952A; KR20100127777A; US8532001B2; JP5002064B2; TW201006153A

Abstract

在包含能够进行定向和全方向通信的网络装置的无线通信网络中，网络控制器可将一系列超帧排列为多个连续超帧的组，其中，在每个组中只有一个超帧包含全向信标，且在该组中剩余的超帧只包含定向信标。

Description

用于定向天线通信的信标和帧结构

技术领域

本发明涉及无线通信网络，尤其涉及微微网的定向与全向通信。

背景技术

工作在极高频率(例如60GHz)的无线网络一般被限制到小型区域，因为传输被障碍物、甚至被空气中的氧气大大衰减。这种技术通常以无线个人区域网络为目标，并且经常作为微微网实现，在微微网中，同一网络中的装置可经过中央微微网控制器在不需要对每个通信进行路由的情况下直接相互通信。在其中多个微微网可同时存在于一个相对小型区域(例如商业办公室、大学实验室、公寓楼等)的高密度通信环境中，全向天线可能不合乎需要，因为微微网中的每个装置可能干扰同一和/或相邻微微网中的其它装置。因为这个原因，微微网中每个装置的定向天线系统会非常合乎需要。但是，网络中并不是所有的通信都能由定向通信有效处理，且实现定向通信也可能对传统通信协议进行挑战。

发明内容

本发明一方面提供一种在无线网络中进行通信的方法，包括：通过通信一系列超帧而在所述无线网络中进行通信；以及在所述一系列超帧的所选超帧的每个超帧中传输全向(omnidirectional)信标，并在所述一系列超帧中的余下超帧的每个超帧中传输定向(directional)信标而不传输全向信标。

本发明另一发明提供一种用于在无线网络中进行通信的设备，包括：无线通信装置，在所述无线网络中传输一系列超帧，每个超帧具有信标部分；其中，所述超帧的一些超帧的信标部分包含全向信标，且所述超帧的余下超帧的信标部分包含定向信标但不包含全向信标。

附图说明

通过参照用于阐述本发明实施例的以下说明和附图，可理解本发明的一些实施例。在图中：

图1A和1B根据本发明的一个实施例示出向无线网络中的其它网络装置进行定向和全向无线传输的网络控制器。

图2根据本发明的一个实施例示出无线网络中多个装置之间的通信的结构。

图3根据本发明的一个实施例示出无线网络中网络控制器与关联装置的图解。

图4根据本发明的一个实施例示出在无线网络中进行通信的方法的流程图。

图5根据本发明的一个实施例示出其中两个分离定向通信链路可并发操作的网络。

图6根据本发明的一个实施例示出包含无线网络中的两个定向通信链路的通信的时序图。

具体实施方式

在以下描述中，阐明了众多具体细节。但是，应当理解，没有这些具体细节也可实施本发明的实施例。在其它情况下，众所周知的电路、结构和技术并未详细示出以免混淆对本说明的理解。

对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“各种实施例”等的提及指示本发明的所述实施例可包括特定特征、结构或者特性，但不是每一实施例一定包括这些特定特征、结构或者特性。此外，一些实施例可具有针对其它实施例所述的特征中的一些、所有特征或者不具有任何这些特征。

在以下描述和权利要求书中，可使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应该理解，这些术语并不意味作为相互间的同义词。而是，在特定实施例中，“连接”用于指示两个或者两个以上元件相互处于直接的物理或者电接触。“耦合”用于指示两个或者两个以上元件相互协作或相互作用，但它们可以处于或者可以不处于直接的物理或者电接触。

如权利要求书中所用，除非另外指定，否则描述共同元件的序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等的使用只指示正在提及类似元件的不同实例，并不旨在暗示所述元件必须在时间上、空间上、在排列中或者以其它方式具有给定顺序。

本发明的各种实施例可以硬件、固件和软件中之一或任意组合来实现。本发明也可实现为包含在机器可读介质之内或之上的指令，所述指令可以被一个或多个处理器读取并执行以实现本文所述的操作的性能。机器可读介质可以包括用于对具有机器(例如计算机)可取形式的信息进行存储、发送和/或接收的任何结构。例如，机器可读介质可以包括诸如但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、闪存装置等的有形存储介质。机器可读介质也可以包括被调制成对指令进行编码的传播信号，例如但不限于电磁、光或者声载波信号。

可用术语“无线”及其派生词来描述电路、装置、系统、方法、技术、通信信道等，它们经由非固态介质通过使用经调制的电磁辐射来通信数据。术语“无线”是指通信媒介，而不是指各个装置的架构。术语“超帧”可用于描述网络中的通信的时间单元，在该时间单元期间，超帧内的通信包含一个或者多个信标以及用于网络中装置之间的通信的零个或者多个时间分配。本文档中描述的所有超帧包含至少一个信标和至少一个时间分配。

本发明的一些实施例可将全向信标(其具有更大的干扰可能)限于特定超帧，并在其它超帧中使用定向信标。这可在信标期期间减少网内或者网间干扰的整体可能性。在其它实施例中，具有定向链路的装置可在其它定向链路中的其它装置之间发生通信期间对该链路进行监视，以便确定在这两个链路之间是否可能存在干扰。

定向超帧和全向超帧

图1A和1B根据本发明的一个实施例示出向无线网络中其它网络装置进行定向和全向无线传输的网络控制器。在所示实施例中，示出网络控制器PNC向四个其它网络装置A、B、C和D进行传输。术语PNC用于表示在称为微微网(例如，使用60GHz频率的微微网)的网络中的微微网控制器，但这仅仅是为示例的目的。在其它实施例中，可以使用其它类型的网络、网络控制器和频率。在一些实施例中，网络中的一些或全部装置(包括控制器)可各自具有多个实现定向通信的天线。相似地，网络中的一些或者全部装置可是使用电池作为工作电源的便携式装置。

在图1A中，来自PNC的传输是定向的，并分别定向至特定网络装置A、B、C和D。使用定向传输，传输的信号可在预期方向相对强，而在其它方向相对弱。为了达到这样的定向传输，可以使用各种技术，例如但不限于相控阵天线系统、波束转换天线系统、不可训练(non-trainable)固定天线系统等。每个定向传输可还具有角度传输包络(如泪滴形状轮廓所示)，在该传输包络内信号强到足够被其它网络装置可靠接收，但是在该传输包络外信号太弱而不能被可靠接收。当然，包络可能限定得不如图示那样尖锐，而是从强信号向包络的边缘附近的弱信号逐渐尖细。在一些实施例中，每个定向传输可在不同时间进行，而在其它实施例中，可从PNC沿不同方向同时进行多个定向传输。

在图1B中，来自PNC的传输是全方向的，即信号可以360度圆周向外辐射，其中遍及该圆周的强度足以使信号在各个方向都能被可靠接收，如圆周传输包络所示。使用这种全向传输，同一信号可被装置A、B、C和D中的每个装置同时接收，而且还可被在圆周包络内的其它装置接收，并可以想象可对那些其它装置造成干扰。因此，可以使用定向传输来减小在密集人群网络内和/或相邻网络间所产生的干扰。

尽管全向传输通常被设想成在所有方向同时传输同一信号，但是在本文档的上下文中，全向传输可还包括在共同覆盖同一360度圆弧(例如，各自传输相同信息且覆盖不同的45度圆弧的八定向传输系列)的一系列定向传输中传输相同信息。因为定向传输有时允许更高的数据吞吐量，所以这两种技术可以提供相似的总时间来传输相同数据。例如，在八个分离定向传输中传输给定量的数据可需要与以360度圆弧同时传输该数据的单个传输近似相同的总时间。

这些示图主要以二维(一般以水平方向)示出定向和全向传输，这可以解释成暗示发射机和接收机之间的显著垂直角度可把接收机置于包络之外。但是，对于定向和/或全向传输，一些实施例可具有对传输包络的显著垂直分量。术语定向和全向旨在覆盖主要是二维的实施例以及在覆盖范围中主要为三维的实施例。

本质上，信号的接收也可以是定向的或者全向的，为此使用各种天线系统。采用定向接收，由于所使用的天线配置和/或信号处理技术，来自特定方向的信号可以被可靠接收，而同样强度但来自显著不同方向的信号可能不会被可靠接收。用于获得定向传输和/或接收的多种技术是已知的，且这里不再对其进一步说明。

图2根据本发明的一个实施例示出在无线网络中多个装置之间的通信的结构。在所示实施例中，通信流被分为多个超帧。在每个超帧内，信标可由网络控制器在超帧的初始部分中传输。信标期在图中用BP表示，且可包含一个或多个信标。其中，信标可包含与各个其它网络装置何时可在超帧的后续数据传输部分期间(互相之间或者在某些情况下与网络控制器)进行通信有关的信息以及与这些装置为了那些通信应该采用哪些通信技术有关的信息。全向信标(在O-BP期间传输的)是在网络中向装置全向传输的信标，而定向信标(在D-BP期间传输的)指示信标被定向(例如，朝一个或者多个特定网络装置)传输。继续该术语学，定向超帧是其信标被定向传输的超帧，而全向超帧是信标被全向传输的超帧传输。

类似地，O-数据传输(O-DATA TRANSFER)指示按照在信标期间所规定在超帧的数据传输期期间进行通信的装置将使用全向传输与接收。D-数据传输(D-DATA TRANSFER)指示在数据传输期期间进行通信的装置将使用定向传输和接收。在一些实施例中(此处未示出，但在图6中示出了一个示例)，数据传输期可分为用于预调度通信的时段和用于基于竞争通信的时段，在基于竞争通信中希望进行传输的装置为接入无线介质而竞争。示出了m+1数量的超帧(其中，m可以是1或更大的整数)，其中这些超帧中只有一个超帧具有全向信标。这些超帧中(在这组m+1个超帧中)的剩余超帧各自只具有定向信标。这种单个全向超帧及一个或者多个定向超帧的分组在这里被标记为多帧。网络中正在进行的通信可包括一系列的此类多帧，其中每个多帧包含一个全向超帧以及一个或多个定向超帧。尽管在多帧中首先示出带有全向信标的超帧0，但是其它实施例可用把全向信标放置在第一超帧之后的方式把通信划分为多帧。

在一些实施例中，只在具有全向信标的超帧中允许全向通信。但是，在任何给定时间，存在的全向通信可能不足以填满该超帧的数据传输部分。因为这个或其它原因，一些实施例还可在全向超帧期间允许定向通信，且这通过将定向信标包含在全向超帧0中来指示，其中定向数据传输包含在超帧0的数据传输部分。在一些实施例中，可在定向超帧(例如，图2中的超帧1-m)期间不允许全向通信。在一些实施例中，与每个全向超帧组合的定向超帧的数目可被预先确定，且可在所定义时间段内保持固定。例如，对于每个全向超帧，可至少存在两个定向超帧，且这个比率可持续至少12个连续超帧。这仅仅是示例，且可以选择其它合适比率和持续时间。在其它实施例中，与每个全向超帧组合的定向超帧的数目可以是基于动态选择的各种标准而变化，这些标准例如但不限于：1)网络业务的量，2)网络装置的数量，3)这些网络装置的位置，4)网络业务的类型，5)这些和/或其它参数的任意组合，6)等等。

这些技术在密集人群和/或在空间上覆盖其它网络和/或正在同步通信高数据量(例如视频流)的网络中可特别有利。在这些情形中，过多的全向通信可在装置之间产生过多干扰，并且在允许时间内重传所有丢失/损坏的数据可能不合乎需要或者甚至是不可能的。通过将全向通信限制到多个超帧中的仅一个超帧，可减少网络对这种干扰的暴露。但是，有时全向通信可能是必需的。例如，为了给希望加入网络的新装置定位，可沿所有方向发出装置发现请求，因为最初并不知道那些新装置被放置在哪些方向。但是，如果对于每个全向超帧至少存在一个且优选为一个以上定向超帧，则该技术的优势是显著的。

图3根据本发明的一个实施例示出了无线网络中网络控制器与关联装置的图示。在所示示例中，当前只有装置A、B、C和D与网络控制器PNC相关联，PNC能够沿八个方向进行定向通信，其中每个定向传输覆盖大约45度圆弧。如前文所述，同时在所有方向传输信标可需要与依次沿八个方向中之一定向传输信标近似相同的时间量。但是，只沿方向0、2、3和6单独定向传输信标容许PNC用传输全向信标时的一半时间完成超帧的信标部分。如果PNC能够让每个定向传输更狭窄，则这种节省更显著。例如，如果PNC能够沿其中每个包络大约为10度的36个不同方向传输，则能够在对全向信标所需时间的大约4/36或者稍大于百分之11内将选择性定向信标传输至这四个装置。以这样的方式，用选择性数目的定向传输取代许多传统全向传输可以导致整个网络吞吐量的显著增加。因此，以所述方式将全向传输限制到超帧的仅一个子集，不但可以导致网络中减少的干扰，而且还导致不在包含干扰的通信中的更高总数据吞吐量。

图4根据本发明的一个实施例示出了在无线网络中进行通信的方法的流程图。在流程图400的所示实施例中，在410，网络控制器可以传输具有全向信标的超帧。由于该信标中的某些信息，在420，全向通信可在该超帧的数据传输部分期间被调度。在各种情况下，这些全向通信可在网络控制器和其它装置之间或者在该控制器以外的两个装置之间。在一些实施例中，在430，也可在这个超帧期间调度定向通信。在440，网络控制器可以传输另一超帧，这一个超帧包含定向信标。由于该信标中的某些信息，在450，定向通信可在这个超帧的数据传送部分被调度。在各种情况下，这些定向通信可在网络控制器和其它装置之间或者在控制器以外的两个装置之间。

如果在该序列中存在多个定向超帧，如在460所确定，则可对附加的定向超帧重复操作440和450。当另一全向超帧到来时，如在470所确定，操作可返回到410。当提到前文所述术语“多帧”时，在一些实施例中返回到410将表示新的多帧。在一些实施例中，多帧中的超帧的数目可以是不变的，但在其它实施例中该数目可变化，且在一些实施例中可以动态变化。在一些实施例中，对每个全向超帧的定向超帧的数目可以是不变的，但在其它实施例中该数目可变化，且在一些实施例可动态变化。

定向链路干扰监视

再次参照图1A，1B的网络配置，即使正在使用定向通信，网络装置A和C之间的定向传输可能干扰网络装置B和D之间的定向通信仍然是可能的。这种干扰出现可能是由于各种原因，例如但不限于：1)A和/或C的传输包络包围B和/或D，2)B和/或D的接收包络包围A和/或C，3)A或C的传输包络中的金属结构引起至B或D的信号反射，4)其它。无论这种潜在干扰的原因是什么，B可在A和C正在互相通信时或者至少在B和D请求了互相通信的时段期间针对潜在干扰的信号监视它的接收包络(即，沿D的方向监视)。相似地，D可针对来自A和/或C的信号并在同一时段沿B的方向进行监视。在所选时段期间的干扰也可能来自其它源头。

图5根据本发明的一个实施例示出了其中两个分离定向通信链路可在无线网络中并发操作的网络。在所示网络中，可以假定无线装置A和C已经建立起相互的定向通信，其中A向C进行定向传输和/或C向A进行定向传输。A和C也可使用定向接收来使可能来自其它方向的外来信号最小化。如图所示，网络装置B和D在它们之间建立另一定向通信链路。如前文所述，允许A-C链路和B-D链路同时工作可能对链路之一产生干扰。

图6根据本发明的一个实施例示出了无线网络中包含两个定向链路的通信的时序图。在所示示例中，通信发生在一系列超帧(SF n到SF n+x)之上。每个帧示出为分成三个主要时段，但是可使用其它时段和/或配置。在这个示例中，一个或多个信标可由PNC在信标期(BP)期间传输。第二个时段被示出作为基于竞争接入期(CAP)，在CAP期间网络装置可针对在没有使其传输被信标预先调度的情况下进行传输的权利而进行竞争。第三个时段是竞争自由接入期(CFAP)，在CFAP期间装置可只在它们已经被来自PNC的信标调度来传输时进行传输。

在SF n中，装置A和/或装置C可请求在后续超帧的CFAP时段期间的时间T1相互通信的带宽。在下一超帧SF n+1期间，PNC通过使用信标调度A和C来对在CFAP期间相互通信的该请求进行授权，且装置A-C将那个时隙用于它们在示例中的所有剩余超帧中的相互定向通信(尽管在一些点它们对该时隙的使用可能将结束)。此外，在SFn+1，在CAP期期间，网络装置B和/或网络装置D可请求在CFAP时间段的时间T2互相通信的带宽。

PNC可以分配特定时隙给在CFAP时段期间出现的T2，且在SF n+2的信标期间把这个时序信息通信给B和D。装置B和D接着使用SF n+2的CAP期来执行天线训练，这样它们能够建立互相的定向链路。采用通过这种天线训练所建立的定向链路的参数，装置B和D可在那个超帧(或者多个超帧)的时段T2期间各自监视其当前空闲定向链路，以便确定它们是否正在获得来自装置A和C(或者来自任何其它源头)可能发生干扰的信号。接着，这种监视的结果可由装置B和D的各个装置在SF n+3的CAP期期间传输给PNC。如果PNC确定该干扰不足以阻止该链路基本完成任务，则PNC在SF n+4的信标中授权使用T2时间段的许可，且装置B和D可通过其定向链路在该超帧的CFAP期中开始相互通信。

在装置A和C、B和D正在通过其各自定向链路相互通信的时间期间，它们可以在某时间段上(例如，在多个超帧上)监视其链路的质量，且保存与该质量有关的统计量。可将该质量监视的结果定期报告回PNC，使得PNC可以决定是否继续授权A/C和B/D其并发时隙或者是否对网络通信进行重新配置。该示例示出PNC在SF n+x的CAP的第一部分期间请求该链路信息且装置B和/或D在同一CAP的最后部分提供链路报告。但是，也可以使用其它技术，例如但不限于：1)链路报告可以由B和/或D在没有来自PNC的请求的条件下提供，2)请求和报告可以出现在不同的超帧中，3)B和D可以在不同的超帧中提供单独报告，4)这些和其它技术的任意组合，5)等等。

因为对空闲B-D链路的监视可以在一个超帧(例如，SF n+2)期间进行，并且B-D定向通信可以在稍后的超帧中(例如，SF n+4到SF n+x)发生，所以这个过程假定A和C将在多个连续超帧的相同部分期间(且以相同的相对物理地址)相互通信，从而可将当前干扰发现可靠地应用到后续超帧。预计这在多数微微网中是公共的。例如，A和C可以在数千超帧的相同部分期间通信流媒体视频数据，同时保持相同的物理位置。

尽管示出各种事件为在特定且连续超帧中出现，但这仅仅是示例。出于各种考虑，这些事件可与所示不同而在不连续超帧或者在不同超帧中出现。例如，在带宽请求和带宽授权之间可存在一个或者多个中间超帧，B和D可监视其对多个超帧的空闲链路，然后给PNC等报告其结果。

前文的描述意在示例性的且非限制性的。本领域技术人员可进行各种变型。这些变型意为被包括在本发明的各种实施例中，这些实施例只受随附权利要求书的精神和范围所限制。

Claims

1.一种在无线网络中进行通信的方法，包括：

通过通信一系列超帧而在所述无线网络中进行通信；以及

在所述一系列超帧的所选超帧的每个超帧中传输全向信标，并在所述一系列超帧中的余下超帧的每个超帧中传输定向信标而不传输全向信标；且

其中，所述全向信标中至少一个全向信标包含在包含所述至少一个全向信标的超帧中调度定向通信和全向通信的信息。

2.如权利要求1的方法，其中，所述一系列超帧包括比具有全向信标的超帧多的具有定向信标的超帧。

3.如权利要求1的方法，其中，每个具有定向信标的超帧只包括定向通信。

4.如权利要求1的方法，其中，所述定向信标的每个定向信标被直接定向到至少一个已经与网络控制器相关联的网络装置。

5.如权利要求1的方法，其中，在所述无线网络中仅具有所述全向信标的超帧被用于装置发现和关联。

6.如权利要求1的方法，其中，具有所述全向信标的超帧中至少一个超帧包括全向通信和定向通信。

7.如权利要求1的方法，其中，对于至少12个连续超帧的持续时间，所述全向信标只在每个第n超帧中传输，其中n是大于2的整数。

8.一种用于在无线网络中进行通信的设备，包括：

无线通信装置，在所述无线网络中传输一系列超帧，每个超帧具有信标部分；

其中，所述超帧的一些超帧的信标部分包含全向信标，且所述超帧的余下超帧的信标部分包含定向信标但不包含全向信标；且

9.如权利要求8的设备，其中，在所述一系列超帧中，具有全向信标的每个超帧紧跟着至少两个具有定向信标的超帧。

10.如权利要求8的设备，其中，每个定向信标不包含在包含所述定向信标的超帧中调度全向通信的信息。

11.如权利要求8的设备，其中，所述无线通信装置是网络控制器。

12.如权利要求8的设备，其中，所述无线通信装置包括用于工作电源的电池。

13.权利要求8的设备，其中，所述无线通信装置包括多个天线。

14.如权利要求8的设备，其中，所述无线通信装置包括用于定向通信的相控阵天线系统。

15.如权利要求8的设备，其中，所述无线网络是微微网。