CN101854584A

CN101854584A - 高频无线网络中组合的全向和定向通信

Info

Publication number: CN101854584A
Application number: CN200910159506A
Authority: CN
Inventors: M·索芙; H·牛; Q·李
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: US8798681B2; EP2253080B1; US20090232023A1; US8401590B2; JP5061248B2; TWI479830B; CN101854584B; US8027702B2; TW201004184A; KR101157358B1; TW201540007A; JP2011514058A; BRPI0906110B1; JP2013013109A; KR20100107080A; CN103297109A; WO2009114628A1; JP5266413B2; US20130155907A1; US20110249615A1

Abstract

在无线通信网络中，通信的特定部分可组合定向发射与全向接收。具体地，扇区级定向发射可以通过扇区扫描建立，随后是用于更多定向性的天线训练。在一些实施例中，通过使不同的网络设备使用不同子信道或不同时隙，降低交换期间的冲突。在一些实施例中，每个网络可把它的网络通信限制到与相邻网络所使用的子信道不同的单个子信道。

Description

高频无线网络中组合的全向和定向通信

相关申请的交叉引用

本申请涉及序号为61/035,480,2008年3月11日提交的美国临时专利申请，并为所有申请主题要求该提交日的优先权。

背景技术

由于信号在空中被氧气吸收的水平，诸如当前正在开发的60GHz无线个人区域网之类的高频无线通信往往被限制在短距离通信。由于这个及其他原因，该技术最适用于小范围内具有多个相互通信的设备的个人区域网。在许多应用中，这将导致密集的操作环境，而在该环境中，多个这样相互临近和重叠的网络往往将互相干扰。为了降低干扰程度，通信趋向于定向和预调度的方式。但是，一些通信由于它们特殊的特性，需要全向和非调度。选择一个或其它通常需要在各自的优势和劣势之间折衷。

附图说明

本发明的一些实施例可参考下面的描述和附图来理解，它们用于说明本发明的实施例。附图中：

图1示出根据本发明的实施例的多个无线网络。

图2示出根据本发明的实施例的来自两个网络设备中每一个的扇区化定向传输。

图3示出根据本发明的实施例的帧结构。

图4示出根据本发明的实施例，图3中扇区扫描设备发现周期的内容。

图5示出根据本发明的实施例，图3中争用周期的内容。

图6示出根据本发明的实施例，无线网络控制器获取定向通信的方法流程图。

图7示出根据本发明的实施例，网络中非控制器无线设备获取定向通信的方法流程图。

具体实施方式

以下的描述中，大量的特定细节被阐述。但是，应该理解可在没有这些特定细节的情况下实施本发明的实施例。在另一个例子中，为了使描述的理解不晦涩，一些众所周知的电路、结构和技术的细节并没有详细地描述。

对“一个实施例”，“实施例”，“例子实施例”，“各种实施例”等的引用表明本发明中描述的实施例可以包括特定的特征、结构或者特性，但是并不是每个实施例都必须包括特定的特征、结构或者特性。进一步地，一些实施例可以具有其他实施例中描述的一些特征、全部特征或者没有这些特征。

在下面的描述和权利要求中，可使用术语“耦合的”和“连接的”连同他们的派生。应该理解，这些术语相互之间不是同义词。相反，在特定实施例中，“连接的”被用来指示两个或多个元件相互直接的物理或电接触。“耦合的”被用于来指示两个或多个元件相互的合作或相互作用，但是他们可以是直接的物理或电接触，也可以不是。

正像权利要求中使用的，除非另有说明，否则使用有序形容词“第一”、“第二”、“第三”等，来描述共同的元件，只是表明涉及到的类似元件的不同实例，而不是为了暗示描述的元件必须处于给定序列，无论是时间，空间，排序，或以任何其他方式。

本发明的多个实施例可以实现为硬件、固件和软件中的一个或者其任意组合。本发明也可以实现为包含在机器可读介质中或之上的指令，当被一个或多个处理器读取和执行时，该指令能够完成上述操作的功能。机器可读介质可包括任意可由机器(例如，计算机)读取形式的存储、发射和/或接收信息的机制。例如，机器可读介质可以包括有形的存储介质，诸如但不限于只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；磁盘存储介质；光存储介质；闪存设备等等。机器可读介质也可以包括已经被调制以编码该指令的传播信号，诸如但不限于电磁、光、声载波信号。

术语“无线”和它的派生词可以被用来描述通过非固体介质使用被调制的电磁辐射传输数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等等。该术语不意味着相关的设备不包括任何线路，虽然在一些实施例中，它们可能不包括。每个无线网络设备将至少包括无线发射机、无线接收机和处理器。

在多个实施例中，在设备发现期间和带宽请求期间，为了获得高增益并降低与其它设备的干扰，可以组合定向发射与全向接收。对于该文献来说，全向接收是指利用天线接收信号，其中将从天线的360度的覆盖区域的任何部分以相似的表观强度接收在天线的位置处相似强度的信号。定向发射指的是，所发射的信号在特定方向上比其它方向强的天线系统。在一些实施例中，为了进一步降低网络间的干扰，多网络环境中的每个网络将这个方法与使用不同于相邻网络所用的子信道的窄子信道相结合。在其他实施例中，在争用周期中为了降低这个周期中的冲突概率，网络内的独立移动设备可以使用不同的子信道或不同时隙。

图1示出根据本发明的实施例的多个无线网络。在这篇文献的上下文中，每个无线网络被认为包括无线网络控制器以及一个或多个其他无线设备，这些无线设备与控制器相关联，并且其通信可以最大程度的被控制器调度。为了方便本文献的引用，每个网络可以被称为一个微微网络(典型的可以在60GHz频带或附近操作)，每个网络控制器可以被称为PNC，且每个其他网络设备可以被称为DEV，这些术语在微微网络技术中已经被经常使用。然而，该文献中这些术语的使用将不应该被认为把本发明的实施例限定为微微网或被标记为PNC及DEV的设备，除非这些限制被特别的声明。

在所示的例子中，第一网络包括微微网控制器PNC1和与PNC1相关联的四个DEVA、B、C和D。第二网络包括微微网控制器PNC2和与PNC2相关联的三个DEV F、G和H。另一DEV E目前与任一PNC无关，但是由于其接近两个PNC，可能变得与任一PNC相关联。

任意或所有无线设备PCN1、PCN2以及A-H可以包含电池以便为设备提供操作电源。另外，任意或所有无线设备PNC1、PNC2以及A-H可以有多个天线用于定向通信。这里的定向性可以通过将多个天线合并成为相位阵列天线系统来实现，其中每个天线自身基本是全向性的；但是定向性也可以通过实现整个天线阵列的定向性的方式处理到达或来自每个天线的分离的信号来实现。对于具有相控阵列天线系统的全向通信，可以为发射或接收选择单个天线，同时天线阵列中的其他天线可以被关闭或不用于该目的。

对于粗略的定向性，可将正常的360度覆盖的全向通信分成给定数量的相邻扇区。每一个发射在给定的扇区相对较强，而在所有的其他扇区相对较弱。用于这种粗略、扇区级定向性的处理参数可以在设备中进行预编程。对于精确的定向性，利用其获得的较高增益，可能需要两个设备之间的后续天线训练会话。为了方便参考，可以根据进行发射的设备描述每个扇区。例如，控制器扇区是被网络控制器定义的，用于来自网络控制器的发射的扇区，而DEV扇区则是被DEV定义的用于来自DEV的发射的扇区。

图2示出根据本发明实施例的来自两个网络设备中每一个的扇区化定向发射。该例子示出用于来自PNC1的发射的八个扇区(标记为1-8)，和用于来自DEVA的发射的六个扇区(标记为A1-A6，使其区别于PNC的扇区)，但是其他数量可以用于任一设备。作为扇区化发射的例子，当PNC在扇区3中发射时，位于PNC1的扇区3(如图2所示)中的DEV A可以接收强信号，但是当PNC在任意其他扇区中发射时，可接收相对弱的或者甚至是无法检测的信号。类似地，如果PNC1位于DEV A的扇区A5中(如图2所示)，则当DEV A在扇区A5中发射时PNC 1可以接收强信号，但是当DEVA在任意其他扇区中发射时，则可以接收相对弱的或者甚至无法检测的信号。如果接收设备位于发射设备的两个相邻扇区之间边界的附近，则它也可能从任意扇区接收可用信号，尽管一个信号可能强于另一个。

扇区扫描发射是其中在独立的时间向每个单独的扇区发射相同的基本信息直到已经在所有扇区中发射基本信息的技术。扇区通常可按顺序被选择，顺时针或者逆时针，但是也可使用其他选择顺序。尽管在扇区扫描期间，在每个扇区中发射相同的基本信息，但是该信息中可能存在较小的差异。例如，发射可以包括目前正在使用的扇区的标识，从而接收设备将知道哪个发射机的扇区提供最好的信号给它们。如果包括的话，定时信息对于每个扇区也可能不同，因为每个定时信息在不同的时间被发射。

图3示出根据本发明实施例的帧结构。尽管帧的特定部分以特定顺序示出，但其他实施例可以包括更多、更少和/或不同的部分，并且其顺序也可以不同。所示部分实质上是一般的，并且可以包括没有示出的额外细节，诸如头部、信息单元、帧间间隔等等。在图3所示的例子中，一个或多个定向信标可以被PNC在帧的开头附近发射。这个信标可以寻址到那些已经与PNC相关联的设备。因为与这些设备的定向通信已经在先前的帧中建立，所以信标可以使用扇区定向或精确定向定向发射。在一些实施例中，如果相同的定向发射可以到达多个接收设备，则可以使用多播寻址格式。

接下来，可以执行设备发现过程以发现希望加入这个网络的新设备。因为PNC不知道这些潜在的网络设备位于哪个方向，所以应当在所有的水平方向上发射发现信标。这也可以通过在独立的时间，为每个扇区发射发现信标，利用扇区扫描来完成，而不是将发现信标发射为单个信号全向发射。这些独立发射中的每个可包含传输覆盖的扇区的标识。除了为网络标识新设备以外，设备发现周期也用于收集关于这些新设备的方向的信息，从而来自它们或者到它们的随后发射可以是定向的。扇区扫描设备发现部分的内容的更详细的描述在后面介绍。

争用周期可以位于帧的扇区扫描设备发现部分之后。在争用周期期间，在没有预调度这样做的情况下，当信道出现空闲时通过简单的发射，DEV可以向PNC发射。然而，如果一个以上的DEV同时发射，就会出现冲突，引起一个或两个信号被PNC错误接收。多种技术被用于降低和/或恢复由这种方法造成的冲突。例如，每个设备可以使用多个可用子信道之一。通过使用不同子信道，每个设备的发射可以同步地、无干扰地由PNC接收。在另一个例子中，争用周期可以被分为多个预定义的时隙，并且每个设备可以使用特定时隙用于其发射。在一些实施例中，设备将随机选择用于发射的子信道或时隙。使用子信道或者时隙技术，两个设备仍然可能选择同一个子信道或同一时隙，并且干扰仍有可能发生。但是这样的干扰几率被这些技术中任意一个极大地降低了。当然，如果发生冲突，造成一个或两个发射的错误接收，则多种技术中的任意一种可以用来重新发射信息。

在争用周期，PNC和DEV’s可以交换额外的信息，该信息可以提高它们之间后续通信的定向性。例如，在此期间，设备可以执行天线训练以完成精确定向。移动设备也可以在此期间各自执行带宽请求，从而在帧的数据通信部分期间为与PNC的通信预约一个或多个随后的时间周期。

在争用周期之后，可以遵照PNC发出的调度(它可以至少部分地基于上述的之前的帧中的带宽请求)，在PNC和多个与之相关的DEV之间交换数据。这些周期在图中被标识为数据通信。由于之前确定的关于定向的信息，所有或者多数这种调度的通信可以通过PNC和DEV’s两者使用定向发射和定向或全向接收。

图4示出根据本发明的实施例的图的扇区扫描设备发现周期的内容。所示实施例包括三个部分，虽然其他实施例可以包括比三个更多或更少。第一部分包括由PNC使用扇区扫描技术发射的发现信标。例如，PNC可以把发现信标定向发射到扇区1，接着将发现信标定向发射到扇区2，然后扇区3等等，直到所有扇区全部被覆盖。每个发现信标还可以包括其他信息，如在那时被覆盖的特殊扇区的标识。在这个部分期间，PNC可以为每个扇区使用定向发射。任何正在寻找发现信标的DEV’s都可以使用全向接收，因为它们提前不知道信标将来自哪个方向。

在第一部分之后，第二部分可以被用于给DEV’s响应信标的机会。单个DEVA的响应被示出。在一个传统的系统中，响应由DEV全向发射。但是，因为我们希望获得用于随后通信的定向信息，所以响应可以使用扇区扫描方式。DEV可以把响应定向发射给扇区A1，接着将响应定向发射到扇区A2，然后扇区A3等等，直到所有扇区已经被覆盖。移动设备A的扇区各自由带有前缀”A”的扇区号标识(A1到An)，用来区分PNC使用的扇区1到N。由PNC使用的扇区号和被DEV使用的扇区号可以相同或不同。

DEVA的响应包括几条信息，诸如但不局限于：1)变得与PNC关联的请求，2)响应DEV的标识，3)该特定响应被传输到的DEV的扇区号(记住，个别响应被传输到每个扇区)，4)包含在该DEV进行响应的信标中的PNC扇区号，5)等等。如果DEV能够在一个以上PNC扇区中接收发现信标，则DEV可详细说明这些PNC扇区中哪个它更喜欢(通常是包括由信号强度和/或信噪比确定的最好质量信号的扇区，但是也可以使用其他标准)。

在图中被标记为Mgmt Info(管理信息)的设备发现周期的第三部分，PNC可以向DEV传输额外信息。由于在第二部分期间，DEV通知PNC哪个PNC扇区应该被用来发射到DEV，所以在第三部分期间所有到DEV的发射可以使用指定的PNC扇区进行定向发射。在第三部分期间传输到DEV的信息可以包括在发射到PNC时该DEV随后应该使用的DEV扇区号。如果PNC只在一个扇区中接收到响应，则这个扇区可以被指定。如果PNC在一个以上扇区中接收到来自DEV的响应，则它可以使用与之前段落描述类似的标准选择DEV使用的最佳扇区。

在接收关于扇区号的这个信息后，DEV可以随后将该扇区用于至PNC的定向发射。PNC和DEV也可在第三周期中交换其他信息，并且两者都可以将定向发射用于第三周期的剩余部分。这些定向发射也可以使用在设备发现周期中指定的扇区号进行这两个设备间的随后通信。然而，在为了随后获得精确定向执行天线训练之后，可以使用用于精确定向的参数代替用于粗略扇区级定向的参数。

由于某些网络设备有时在操作期间会移动，因此改变扇区的最佳选择，所以即使设备发现过程没有被调用，有时也需要重复扇区决定过程。在这种情况，可以在设备发现阶段之外执行扇区扫描。这种扇区的重选择可由任意一些事件触发，诸如但不限于：1)扇区选择在预先确定的时间间隔被重复，2)当信号质量在预定的时间周期低于某一阈值时，3)当通信被完全中断时，4)当预定的外部事件发生时，5)等等。

图5示出根据本发明的实施例的图3的争用周期的内容。所示的实施例包括两部分，尽管其他实施例可以包括不同数量的部分。第一部分包括双向天线训练序列。通过在争用周期的开始，网络中每个新关联的DEV已经与PNC交换扇区信息，因此单个扇区的粒度内的粗略定向通信是可能的。但是，对于更高增益和潜在地更高数据速率，精确定向(如更窄波束)是必须的。要实现这个目标，可能需要天线训练，其中每个设备将预定的数据模式发射到其他设备。使用多种信号处理技术，每个设备可以导出用于发射且用于接收的参数以获得预期的窄波束结果。这两个设备可以在随后的通信中使用这些参数。如果一个或两个设备被移动，则需要新的天线训练以确定出新的参数。目前，已知有多种天线训练技术，这里不做详细讨论。

所示的争用周期的第二部分可以用于带宽请求。在带宽请求中，DEV请求预留一部分时间用于DEV以与PNC通信。然后PNC调度某一个特定的时间周期用于该通信，并确保该时间周期不会与为其他DEV所调度的时间周期相冲突，并将该调度返回DEV。该调度周期可以落在图3的数据通信部分内。调度通信的专用周期的各种技术是众所周知的，在这里将不再做详细讨论。

图6示出根据本发明的实施例由无线网络控制器获得定向通信的方法流程图。在流程图600的所示实施例中，在610步骤，PNC使用先前描述的在独立的时间在多个扇区中的每一个定向地发射信标的扇区扫描技术发射发现信标。每个扇区的信标将包括该扇区的扇区号，其中该扇区号被PNC定义。注意：这里使用的术语“扇区号”，包括任意类型的扇区标识符，无论该标识符是否是一个真实的号码。

执行扇区扫描后，在620步骤，PNC可以进入全向接收以便监视来自希望加入(或重新加入)网络的DEV的发现信标的响应。如果在指定的时间内没有接收到响应，则PNC可以在630步骤退出该流程图，并继续执行其可以正常执行的操作，这里不做进一步描述。但是，如果接收到响应，则在640步骤，PNC可以读取响应的内容，这些内容包括响应方扇区号(即，当发射这个响应时，响应DEV在其中发射的扇区)，以及控制器扇区号(即，在该响应所对应的发现信标中标识的扇区号)。网络控制器然后可以使用该控制器扇区号用于随后定向发射到这个DEV。

为了允许该响应DEV与网络控制器相关联，在650步骤中，PNC可以向DEV发射多种关联信息。该信息的多个属性被很好的建立，这里不做进一步描述。然而，不同于传统系统，PNC也可以发射从响应中读取的响应方扇区号。通过发射该扇区标识，PNC告诉响应DEV哪个扇区用于随后定向发射到PNC。该关联信息和响应方扇区号可以使用从响应中读取的控制器扇区号来定向发射。

这时，网络控制器和DEV都知道它们各自的扇区中的哪个用于相互的定向发射。然而，为了获得比扇区窄的定向性，其它天线训练是必需的。PNC和DEV可以在660步骤中执行天线训练。它们之间的进一步通信于是可在670步骤中使用在天线训练期间建立的精确定向参数通过窄波束来执行。

图7示出根据本发明的实施例由网络中非控制器无线设备获得定向通信的方法流程图。在流程图700所示的实施例中，在710步骤中，DEV可以使用全向接收技术接收来自PNC的发现信标。在720步骤中，DEV于是可以从接收的信标中读取控制器扇区号。在730步骤中，DEV可以通过使用前面描述的在独立的时间在多个扇区中每个定向地发射响应的扇区扫描技术，发射与PNC相关联的请求来响应信标。到每个扇区的发射将包括该扇区的DEV扇区号，其中扇区号在DEV中定义。随后，在740步骤中，DEV使用全向接收技术，从PNC接收关于与PNC相关联的信息以及DEV扇区号，用于随后到PNC的发射。

这时，DEV和PNC均有当相互通信时在扇区等级上执行粗定向发射所需的信息。但是为了能获得精确定向发射和精确定向接收，在750步骤中，可以在两个设备之间执行天线训练。这种训练操作后，两个设备之间的后续通信将可以使用精确定向通信的参数，如760步骤所示。

上面描述应该只被当作是解释性的，而不是为了限制的目的。本领域技术人员可以想到各种改变。这些改变还应当包括在本发明的多种实施例中，本发明仅由所附权利要求书的精神和范围限定。

Claims

1.一种方法包括：

在第一无线网络设备中执行操作，所述操作包括：

在第一扇区中定向发射包括标识所述第一扇区的第一扇区号的第一发现信标；

在第二扇区中定向发射包括标识所述第二扇区的第二扇区号的第二发现信标；

全向地接收来自第二无线网络设备的对所述第一和第二发现信标之一的响应，所述响应包括所述第一和第二扇区号中的特定一个，所述响应进一步包括标识由所述第二无线网络设备用来发射所述响应的第三扇区的第三扇区号；以及

使用由所述第一和第二扇区号中的特定一个所标识的扇区向所述第二无线网络设备定向发射信息，所述信息包括所述第三扇区号。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述操作进一步包括与所述第二无线网络设备执行天线训练。

3.如权利要求1的方法，其特征在于，所述接收响应包括在多个可用子信道之一上接收响应。

4.如权利要求1的方法，其特征在于，所述接收响应包括在多个可用时隙之一接收响应。

5.如权利要求1的方法，其特征在于，所述执行操作包括在微微网中执行操作。

6.一种设备，包括

第一无线网络设备，包括无线发射机、无线接收机和处理器，所述第一无线网络设备：

使用由所述第一和第二扇区号中的特定一个标识的扇区，向所述第二无线网络设备定向发射信息，所述信息包括所述第三扇区号。

7.如权利要求6的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备与所述第二无线网络设备执行天线训练。。

8.如权利要求6的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备在多个可用子信道之一上接收所述响应。

9.如权利要求6的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备在多个可用时隙之一期间接收所述响应。

10.如权利要求6的设备，其特征在于，所述第一和第二无线网络设备在微微网中操作。

11.如权利要求6的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备包括相控阵列天线系统中的多个天线。

12.一种物品，包括：

包含指令的有形的机器可读介质，当被一个或多个处理器执行时，所述指令执行下述操作：

全向地接收来自第二无线网络设备的对所述第一和第二发现信标之一的响应，所述响应包括所述第一和第二扇区号中的特定一个，所述响应进一步包括标识由所述第二无线网络设备用来发射所述响应的第三扇区的第三扇区号；并且

13.如权利要求12的介质，其特征在于，所述操作进一步包括与所述第二无线网络设备执行天线训练。。

14.如权利要求12的介质，其特征在于，接收所述响应的所述操作包括在多个可用子信道之一上接收所述响应。

15.如权利要求12的介质，其特征在于，接收所述响应的所述操作包括在对于所述响应可用的多个时隙之一接收所述响应。

16.一种方法，包括：

在第一无线网络设备中执行操作，所述操作包括：

全向地接收发现信标，所述发现信标包括标识由第二无线网络设备在其中发射所述发现信标的第一扇区的第一扇区号；

在第二扇区向所述第二无线网络设备定向发射包括标识所述第二扇区的第二扇区号的响应；

在第三扇区向所述第二无线网络设备定向发射包括标识所述第三扇区的第三扇区号的所述响应；

全向地接收来自所述第二无线网络设备的包含所述第二和第三扇区号中特定一个的信息；以及

在由所述第二和第三扇区号中的特定一个标识的所述扇区内向所述第二无线网络设备定向发射额外信息。

17.如权利要求16的方法，其特征在于，所述操作进一步包括与所述第二无线网络设备执行天线训练。

18.如权利要求16的方法，其特征在于，所述发射额外信息包括在多个可用子信道中的一个之上发射。

19.权利要求16的方法，其特征在于，所述发射额外信息包括在多个可用时隙之一期间发射。

20.权利要求16的方法，其特征在于，所述执行所述操作包括在微微网中执行所述操作。

21.一种设备，包括：

第一无线网络设备，包括无线发射机、无线接收机处理器，所述第一无线网络设备：

22.如权利要求21的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备与第二无线网络设备执行天线训练。

23.如权利要求21的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备在多个可用子信道中的一个之上发射所述额外信息。

24.如权利要求21的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备在多个可用时隙之一期间发射所述额外信息。

25.如权利要求21的设备，其特征在于，所述第一和第二无线网络设备在微微网中操作。

26.如权利要求21的设备，其特征在于，所述第一无线网络设备包括相控阵列天线系统中多个天线。

27.一种物品，包括：

包含指令的有形的机械可读介质，当一个或多个处理器执行指令时，所述指令执行下述操作：

28.如权利要求27的介质，其特征在于，所述操作进一步包括与所述第二无线网络设备执行天线训练。

29.如权利要求27的介质，其特征在于，所述发射额外信息的操作包括在多个可用子信道中的一个之上发射。

30.如权利要求27的介质，其特征在于，所述发射额外信息的操作包括在对所述额外信息可用的多时隙之一期间进行发射。