CN101809884A

CN101809884A - 无线以太网适配器

Info

Publication number: CN101809884A
Application number: CN200880103894A
Authority: CN
Inventors: G·L·克里斯蒂森; M·B·休梅克
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: US20090053999A1; JP2014014086A; KR101070940B1; EP2183857A4; WO2009026573A3; JP5559403B2; KR20100057661A; US8577403B2; EP2183857A2; WO2009026573A2; JP2010537587A; CN101809884B

Abstract

一种用于通过UWB链路提供无线以太网连接的方法包括以下步骤：提供经由以太网端口耦接到外部网络的适配器；通过所述适配器监测UWB频谱中的多个通信信道；在优选通信信道上建立无线链路；通过所述无线链路在所述适配器和支持UWB的设备之间交换数据。

Description

无线以太网适配器

背景技术

为了便利性、移动性和高效性，经常需要在各种应用中采用无线通信技术。多种不同的无线技术已经出现，而这些技术可以在设备和/或网络间提供短程和/或远程的无线通信。例如，已开发出的蓝牙(Bluetooth

)无线技术用于在多个诸如PC、膝上型计算机、个人数字助理和移动电话之类的设备之间提供短程无线通信。该通信的范围包括个域网(PAN)。蓝牙技术利用跳频扩频(FHSS)方案来发送无线信号。该方案使载波在多个频率信道之间以特定的序列或跳跃模式快速切换。这些通信设备被同步到共同的时钟和共同的跳频模式。该方案在系统中提供了鲁棒性以避免与利用类似频率信道的其它设备和/或网络之间的干扰。

在另一个例子中，已开发出的Wi-Fi无线技术用于向热点中支持Wi-Fi的设备提供长距离无线互联网连接，其中热点由一个或多个接入点覆盖。该通信的范围包括局域网(LAN)。Wi-Fi技术利用不变的通信信道，这种信道被热点内的所有设备共享。为了安全目的，Wi-Fi技术采用各种加密技术以对Wi-Fi无线设备与接入点之间所传输的数据进行保护。

尽管这些无线技术已经普遍满足它们预期的目的，但是这些技术尚不能满足所有的方面。举个例子，这些无线技术提供的用于在无线信道上发送数据的带宽相对较小。从而，与信噪比的对数和信道带宽成正比的潜在的数据传输速度受到了上述相对较小的带宽的限制。随着用于有线互联网连接的千兆字节以太网技术的出现，这些传统无线技术的有限带宽会阻止它们充分利用可用的非常高的数据传输速度(例如高达1Gbps)。

已开发出的超宽带(UWB)技术用于无线通信，该技术使用宽频带的RF频谱来发送数据。从而，UWB技术与其他无线技术之间的干扰范围有限，并且UWB技术包括较多用于通信的可用信道。此外，每个UWB信道可以有大于500MHz的带宽。因此，UWB技术能够在给定的时间段内发送更多数据。然而，UWB目前不适于与诸如千兆字节以太网技术之类的要求高带宽的技术和/或应用一起使用。因此需要一种用于通过超宽带(UWB)链路提供以太网连接以最大化无线局域网中的数据传输速度的装置和方法。

发明内容

本发明提供了用于在超宽带(UWB)通信系统中提供以太网连接的方法和装置。该方法包括：提供经由以太网端口耦接到外部网络的适配器；通过该适配器监测UWB频谱中的多个通信信道；在优选通信信道上建立无线链路；通过该无线链路在适配器和支持UWB的设备之间交换数据。

所述装置包括：RF收发机，其用于通过UWB链路发送和接收无线信号；PHY层，其用于为RF收发机配置UWB频谱中的多个通信信道；介质访问控制(MAC)层，其用于为PHY层提供寻址和信道访问机制；存有指令的存储器，所述指令用于：监测所述UWB频谱中的多个通信信道，在使用量最小的通信信道上建立无线链路，并通过该无线链路与支持UWB的设备交换数据。

此外，本发明还提供了一种装置，包括：插头，其适用于连接到以太网端口，接收电源信号并连接到以太网连接；耦接到该插头的处理器，其用于经由以太网连接来接收数据并对该数据进行处理以通过UWB链路进行发送；天线，其用于通过UWB链路发送所处理的数据。

附图说明

结合附图根据接下来的详细描述能够最好地理解本发明。需要强调的是，根据本领域内的常规做法，各种特征不是按比例绘制的。事实上，为了讨论清楚的目的，各种特征的尺寸可以任意放大或缩小。此外，为了简单，所有的特征可以不用在所有的图中都示出。

图1A是根据本发明的多个方面的用于通过超宽带(UWB)链路提供以太网连接的系统的示意图；

图1B是可以在图1A的系统中实现的适配器和以太网端口的示意图；

图2是另一系统的示意图，该系统利用IP电话来通过UWB链路提供以太网连接；

图3是膝上型计算机的简化示意图，该膝上型计算机包括用于支持各种有线技术和无线技术的硬件和软件；

图4A和4B分别是UWB系统中多个频带的示意图和在UWB信道上发送的多个连续超帧的示意图；

图5是用于通过UWB链路提供以太网连接的一种方法的流程图，该方法可以在图1和图2的系统中实现。

具体实施方式

概括来说，本发明涉及传输系统和加密系统。然而可以理解的是，接下来的公开内容提供了多个不同的实施例或实例，以用于实现本发明的不同特征。下文描述的组件和排列的具体实例是为了简化本发明。当然这些内容仅仅是实例不是为了进行限制。

参考图1A，系统10是通信网络的实例，该系统可以受益于本发明的一个或多个实施例。系统10包括无线局域网(WLAN)和/或无线个域网(WPAN)。系统10可以实现为一个超宽带(UWB)系统。该UWB系统利用3.1GHz到10.6GHz之间的非授权频谱，而该频谱被分为十四(14)个频带，每个频带有528Mhz的带宽。因此，对于短程(例如几米的范围)无线通信而言，UWB系统能够提供高达1Gbps或更快的数据传输速度。

UWB系统可以利用正交频分复用(OFDM)方案来发送信息。OFDM是无线多载波调制的一种形式，其中通过对载波间距进行选择以使每个子载波与其他子载波正交。这种正交性避免了邻近信道干扰并且防止解调器检测到除了它本身以外的频率。一个OFDM信号包括多个子载波，每个子载波用传统的调制方案调制(例如，正交幅度调制)。在所公开的实施例的UWB系统中，OFDM信号包括每个频段所使用的128个子载波(也称为音调)，该128个子载波中的100个是数据子载波，12个用于导频信息，10个是保护音调，6个是不携带信息的空音调。

系统10包括一个或多个以太网适配器12a、12b，每个适配器直接耦接到有线千兆字节以太网端口14a、14b。以太网端口14a、14b提供去往诸如互联网之类的网络16的连接。以太网端口14a、14b利用传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)来交换数据。在本技术领域中TCP/IP是公知的，因此本文不详细描述。以太网端口14a、14b被配置为提供高达1Gbps的数据传输速度。以太网端口14a、14b还提供电源连接从而为适配器12a、12b供电，因此对于该适配器而言不需要额外的布线。适配器12a、12b通过UWB链路桥接以太网连接，从而利用高速无线互联网连接来覆盖局部区域18。尽管所公开的实施例通过UWB链路提供千兆字节以太网连接，但是可以理解的是，该适配器还可以用于提供要求高带宽的未来技术的无线连接。

在所公开的实施例中，适配器12a、12b向膝上型计算机20提供无线互联网连接，其中该膝上型计算机20在局部区域18中(例如几米的范围)。尽管示出了一台膝上型计算机20，但是可以理解的是，适配器12a、12b可以向局部区域18中的多于一台膝上型计算机和/或桌上型计算机提供无线互联网连接。适配器12a、12b在UWB频谱中的无线信道上与膝上型计算机20进行通信22a、22b。如下文将要描述的，膝上型计算机20在它的UWB链路上支持TCP/IP协议栈。适配器12a、12b包括UWB收发机，其用于无线地向诸如膝上型计算机20之类的支持UWB的设备发送OFDM调制数据和/或从诸如膝上型计算机20之类的支持UWB的设备接收OFDM调制数据。该UWB收发机可以实现为提供射频(RF)收发机的芯片。适配器12a、12b还包括能够达到1Gpbs的数据传输速度的基带物理(PHY)层。适配器12a、12b还包括介质访问控制(MAC)层，其用于为PHY层提供网络定时、寻址和信道访问控制机制。PHY层和MAC层可以按照诸如WiMedia或ECMA-368/369之类的标准进行配置。PHY层和MAC层可以合并在集成电路(IC)中。适配器12a还可以包括适配层，其允许MAC层与TCP/IP协议栈进行交互。从而，适配器12a、12b能利用千兆字节以太网端口14a、14b所提供的高数据传输速度。可以在芯片组中实现这些各种组件，这种芯片组可由WiQuest通信公司(地址：915 Enterprise Blvd，Suite 200，Allen，TX，75013)提供。

系统10可以包括在局部区域18中的其他支持UWB的设备，这些设备在UWB频谱上与膝上型计算机20进行无线通信。例如，显示设备30可以通过UWB链路32与膝上型计算机20无线通信。从而，膝上型计算机20被配置为通过UWB链路32向显示设备30发送视频信号。此外，可以理解的是，也可以通过在与UWB频谱重叠的授权和非授权频带上工作的其他类型的无线技术来支持局部区域18。因此，适配器12包括固件，其用于监测UWB频谱中的可用信道以确定哪个信道有最小的业务量或使用量。如下文将要描述的，为了最大化吞吐量，适配器12能够切换信道并向膝上型计算机20通知该切换。

参考图1B，所示出的是适配器40的示意图，其用于连接到图1A的有线千兆字节以太网端口14。例如，诸如办公大楼的建筑可能包括遍布办公室的许多以太网端口14。适配器40通过UWB链路向通信范围内的支持UWB的设备提供无线以太网连接。以太网端口14可以位于墙面插座42上并包括诸如插孔之类的连接器44，如上面所讨论的，该连接器用于连接到网络16(图1A)。适配器40可以包括外壳46，该外壳有诸如插头之类的连接器48，其被配置为与墙上插座42上的连接器44进行配对(50)。适配器40可以包括处理器52，其用于以第一种格式从以太网端口14接收数据，并且对该数据进行处理以及将该数据转换为第二种格式以适合通过UWB链路进行发送。通过加密或其他合适的技术可以保证UWB链路上的数据传输是安全的。处理器52也可以通过UWB链路从支持UWB的设备接收数据，并且处理和转换该数据从而在网络16(图1A)上发送。处理器52可以包括如上面所描述的PHY层和MAC层。适配器40还可以包括耦接到天线56的RF无线模块54，其用于通过UWB链路发送数据。此外，以太网端口14还提供电源信号从而向处理器52和无线模块54供电。因此，适配器40不需要用于电源连接的额外布线。

参考图2，所示出的是另一系统200的示意图，其用于利用IP电话202提供以太网连接。为了简单和清晰，图1和图2中类似的特征其标号相同。IP电话202配置有硬件和软件以支持网络电话(VoIP)技术。因为VoIP在本技术领域中是公知的，所以本文没有详细描述。IP电话202包括以太网连接器，其用于连接到诸如有线千兆字节以太网端口14之类的有线以太网端口。有线千兆字节以太网端口被耦接到诸如互联网之类的网络。IP电话202还包括支持TCP/IP的UWB网桥，其类似于图1的以太网适配器12。以这种方式，IP电话202能够通过UWB链路204以高达1Gbps的数据传输速度提供无线互联网连接。IP电话202通常放置在桌子206上以使IP电话的UWB无线模块靠近膝上型计算机20。从而，IP电话202向膝上型计算机20提供了更可靠且质量更佳的无线连接。

参考图3，所示出的是膝上型计算机300的简化示意图，该膝上型计算机包括用于支持多种技术的硬件和软件，这些技术包括USB、Edge、WiFi、以太网和UWB。膝上型计算机300可以用于图1和图2的系统中。膝上型计算机300包括操作系统(OS)/应用程序302，其用于协调和控制膝上型计算机的各种组件。例如，膝上型计算机300包括USB端口304，其用于与各种外围设备进行交互或连接到各种外围设备，其中这些外围设备包括键盘、鼠标、打印机、扫描仪和其他USB设备。可以将USB端口304耦接到USB控制器或路由器306。在所公开的实施例中，膝上型计算机300包括诸如打印机驱动器308之类的各种设备驱动器，打印机驱动器308用于操作经由USB端口304连接的打印机(未示出)。

膝上型计算机300还包括以太网端口310，其用于经由有线千兆字节以太网技术与诸如互联网之类的网络相连接以及连接到诸如互联网之类的网络。从而，膝上型计算机300还包括TCP/IP协议栈312、314，其用于支持TCP/IP标准协议中的数据交换。膝上型电脑300还可以包括Edge子系统320和WiFi子系统322，其用于支持用本领域公知的Edge和WiFi技术进行的无线通信。Edge子系统320和WiFi子系统322与TCP/IP协议栈312、314相连接以向膝上型计算机300提供无线互联网连接。然而，由于这些无线技术具有有限的带宽，所以这些技术的数据传输速度比千兆字节以太网所提供的可用速度慢得多。

膝上型计算机300还包括UWB子系统330，其用于与图1A的以太网适配器12、图1B的适配器插头40或图2的IP电话202进行无线通信。如之前所讨论的，可以将以太网适配器和IP电话耦接到用于提供去往互联网的连接的有线千兆字节以太网端口。该以太网适配器和IP电话被配置为在UWB频谱中的无线信道上提供高达1Gbps的数据传输速度。UWB子系统330可以通过插入扩展槽中的扩展卡而连接到膝上型计算机。UWB子系统330包括RF收发机，其用于从适配器或IP电话无线地接收OFDM调制数据和/或向适配器或IP电话无线地发送OFDM调制数据。UWB子系统330还包括PHY层和MAC层，其类似于针对图1A的以太网适配器所描述的PHY层和MAC层。UWB子系统330与TCP/IP协议栈312、314连接以使膝上型计算机300通过UWB链路实现无线以太网连接。以这种方式，对于诸如视频流或其他要求高带宽的应用，膝上型计算机300能够充分利用千兆字节以太网的高数据传输速度。UWB子系统330也可以与本技术领域公知的无线USB驱动器332连接，以使膝上型计算机能够控制和操作耦接到UWB链路或支持UWB链路的USB设备。

参考图4A和4B，所示出的是UWB系统中的多个频带的示意图，该频带可用于支持UWB的设备之间的通信，并且将多个连续超帧在UWB系统中的无线信道上发送。在图4A中，PHY层提供了UWB频谱400，其被分成十四(14)个频带401-404，每个频带有大约528MHz的带宽。将十四个频带进一步分成五个频带组，这五个频带组中的四个组每组包括三个频带，另外一组包括两个频带。在前四个频带组的每组中，PHY层定义了四个使用时间频率交织(TFI)的时间频率码(TFC)和三个使用固定频率交织(FFI)的TFC，因此PHY层实现了每个频带支持多达七个信道。在第五个频带组中，PHY层定义了两个使用FFI的TFC。因此，在PHY层中指定了一共30个信道。从而，UWB系统与其他的无线技术之间的干扰范围有限并且UWB系统包括较多可用于通信的信道。如之前所描述的，UWB系统利用正交频分复用(OFDM)方案来发送信息。OFDM信号包括每个频带所使用的128个子载波(也称为音调)，这128个子载波中的100个是数据子载波，12个用于导频信息，10个是保护音调，6个是没有携带信息的空音调。

在图4B中，示出了在UWB频谱中的信道455上的一个时间段上所发送的连续超帧(例如N-1、N、N+1等等)450。如MAC层提供的，超帧是用于协调在UWB系统中的设备之间进行的帧传输的周期性时间间隔。每个超帧包括总计256个时隙(也称为介质访问时隙(MAS))，每个时隙有256μs的持续时间。每个超帧开始于信标时段460，其占用多个时隙，在这些时隙中通信设备与另一设备同步。也就是说在微微网(pieonet)中通信的所有设备一定要与另一设备同步它们的信标时段开始时间465。该信标时段也用于为UWB系统中的各种设备产生时隙预留(例如，分布式预留协议(DRP))，以及用于利用信息单元(IE)来传送管理和控制信息。数据时段470紧接着信标时段，在数据时段中发生数据传输。

在所公开的实施例中，图1A的以太网适配器12、图1B的适配器插头40或图2的IP电话202可以在每个超帧450的开始处发送信标时段460以协调与无线信号范围内支持UWB的设备(诸如图3的膝上型计算机300)进行的通信。信标时段460包括信息，该信息关于数据时段中哪些时隙可以被保留用于向该膝上型计算机发送数据以及管理和控制信息或从该膝上型计算机接收数据以及管理和控制信息。此外，为了监测其他信道的业务或使用，适配器可以保留多个时隙以用于扫描UWB系统。膝上型计算机可以在所选择的信道中将它的信标时段460同步到适配器的信标。从而，适配器和膝上型计算机之间能在所选择的信道上开始数据交换(在数据时段470期间)。

参考图5，所示出的是方法500的流程图，其用于通过UWB链路提供无线以太网连接，其中可以通过图1A的以太网适配器12、图1B的适配器插头40或图2的IP电话202的UWB网桥来实现该方法。方法500可以实现为具有MAC层的固件。方法500开始于步骤502，在该步骤中适配器从UWB系统中的多个信道确定优选信道，以用于通过UWB链路进行通信。该优选信道可以根据多个因素来选择。例如，可以选择使用量或业务量最小的信道作为优选信道。或者，可以选择具有好的信噪比的信道作为优选信道。此外，优选信道可以根据对各因素的综合来选择。方法500继续到步骤504，在步骤504中，适配器在上一个步骤502所确定的优选信道上建立UWB链路。从而，适配器与膝上型计算机和/或其他支持UWB的设备通过UWB链路建立无线连接并且在优选信道上开始交换数据(例如TCP/IP)。

方法500继续到步骤506，在步骤506中，适配器周期性地监测多个信道以决定是否切换用于数据传输的信道。适配器可以预留数据时段中的多个时隙以监听UWB系统中的所有其他可用信道，从而确定其他信道对于该UWB链路而言是否是优选的。如果确定为“否”，则方法500继续到步骤508，在步骤508中，适配器在当前信道上继续进行数据传输。

如果确定为“是”，则方法500继续到步骤510，在步骤510中，适配器通过切换机制切换到新的信道(其是优选的)并向膝上型计算机通知这一切换。例如，适配器可以包括信道改变信息单元(IE)，其中该信息单元是在信标时段中在当前信道上发送的。该信道改变IE包括新的信道编号。适配器还可以进一步包括信道改变计数字段，该字段包括切换到新的信道之前剩余的超帧数。从而，在每个连续超帧过后，信道改变计数字段递减1。当计数字段达到零时，方法500重复步骤504，在步骤504中，适配器在下一超帧时在新的信道上建立UWB链路并开始数据传输。

每个上述组件能实现为计算机软件、电子逻辑或其组合。此外，尽管在图中组件被单独地示出，但是在一些实施例中，在无线链路任何一边的一个或多个组件可以合并到单个集成电路器件或一组集成电路器件中。

因此，所提供的是

针对优选实施例对本发明进行了描述。对于本领域普通技术人员而言仅在阅读完本发明之后才是显而易见的改进和修改被认为是在本申请的精神和范围内。可以理解的是，多种修改、改变和替换在上述公开中是预期的，并且在某些情况下可以采用本发明的某些特性而不用采用相应的其他特征。因此，以宽泛且与本发明的范围一致的方式来解读所附权利要求是恰当的。

多个不同的优势存在于这些以及其他实施例中。除了提供高达1Gbps的数据传输速度的无线互联网连接外，由于较多的无线信道可用于通信，因此本文所公开的UWB系统与其他无线技术之间的干扰范围有限并且不用共享信道。此外，无线以太网适配器包括低功率CMOS集成电路，从而该适配器能够通过以太网端口供电。

Claims

1.一种用于通过超宽带(UWB)链路提供无线以太网连接的方法，所述方法包括以下步骤：

提供经由以太网端口耦接到外部网络的适配器；

通过所述适配器监测UWB频谱中的多个通信信道；

在优选通信信道上建立无线链路；

通过所述无线链路在所述适配器和支持UWB的设备之间交换数据。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述优选通信信道包括使用量最小的通信信道。

3.如权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

周期性地检查所述多个通信信道以确定新的通信信道是否有最小使用量；

如果确定所述新的通信信道有最小使用量，则切换到所述新的通信信道；

向所述支持UWB的设备通知向所述新的通信信道的切换。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述外部网络包括互联网，所述以太网端口包括千兆字节以太网端口。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述交换数据的步骤包括以下步骤：利用OFDM信号来交换数据。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述适配器被配置有用于支持高达1Gbps的数据传输速度的物理(PHY)层。

7.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：通过所述以太网端口的电源连接向所述适配器供电。

8.一种用于通过超宽带(UWB)链路提供无线以太网连接的装置，所述装置包括经由以太网端口耦接到外部网络的适配器，所述适配器包括：

RF收发机，其用于通过所述UWB链路来发送和接收无线信号；

PHY层，其用于为所述RF收发机配置UWB频谱中的多个通信信道；

介质访问控制(MAC)层，其用于为所述PHY层提供寻址和信道访问机制；

存储器，其具有用于以下操作的指令：

监测所述UWB频谱中的多个通信信道；

在优选通信信道上建立无线链路；

通过所述无线链路与支持UWB的设备交换来自所述外部网络的数据。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述优选通信信道包括使用量最小的通信信道。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述存储器还包括用于以下操作的指令：

向所述支持UWB的设备通知向所述新的通信信道的切换。

11.如权利要求8所述的装置，其中，所述外部网络包括互联网，所述以太网端口包括千兆字节以太网端口。

12.如权利要求9所述的装置，还包括与所述适配器操作性地耦接的IP电话。

13.如权利要求8所述的装置，其中，所述PHY层被配置为支持高达1Gbps的数据传输速度。

14.如权利要求8所述的装置，其中，通过所述以太网端口的电源连接向所述适配器供电。

15.如权利要求8所述的装置，其中，所述RF收发机发送和接收OFDM信号。

16.如权利要求8所述的装置，其中，所述支持UWB的设备包括膝上型计算机。

17.一种装置，其包括：

插头，其适用于连接到以太网端口、接收电源信号以及经由以太网连接来连接到外部网络；

耦接到所述插头的处理器，其用于从所述外部网络接收数据以及对所述数据进行处理以通过UWB链路进行发送；

天线，其用于通过所述UWB链路发送所处理的数据。

18.如权利要求17所述的装置，其中，所述处理器包括用于以下操作的指令：在UWB频谱中的多个通信信道中，为所述UWB链路选择优选通信信道。

19.如权利要求18所述的装置，其中，所述处理器包括用于以下操作的指令：当确定新的通信信道优选于当前的通信信道时，为所述UWB链路切换到所述新的通信信道。

20.如权利要求17所述的装置，其中，所处理的数据包括OFDM信号。