CN101902268B - 动态带宽管理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种由微微网控制器(PNC)使用波束成形技术向一个或多个装置发送轮询请求帧的无线通信装置、无线通信系统和方法，其中轮询请求帧包括用于装置发送轮询响应帧的时间偏移。PNC接收具有信道带宽分配请求的轮询响应帧并依照信道带宽分配请求向一个或多个装置动态分配信道带宽。

Description

动态带宽管理的方法和设备
技术领域
本发明涉及无线通信领域。
背景技术
个人无线区域网(WPAN)是一种用于个人附近的计算装置(例如，电话和个人数字助理)之间通信的网络。这些装置可以属于或者不属于所述个人。WPAN的范围可以是几米。WPAN可以用于这些个人装置本身之间的个人内(intrapersonal)通信，或者用于通过上行链路连接到较高层网络和因特网。个人区域网可以与例如通用串行总线(USB)的计算机总线和火警线(FireWire)通过导线连接。
2005年3月成立了IEEE 802.15.3任务组3c(TG3c)。TG3c正在为现有的802.15.3无线个人区域网(WPAN)标准802.15.3-2003开发基于毫米波(mmWave)的备选物理层(PHY)。这种mmWave WPAN可以工作在例如由FCC 47CFR 15.255定义的57-64GHz非授权频带的频率波段。毫米波WPAN可以允许以近的物理间隔与WPAN的802.15系列中的所有其它微波系统的高度共存。此外，毫米波WPAN可以允许将超过2吉比特/秒(Gbps)的极高数据速率用于例如高速互联网接入、流媒体(streaming)内容下载(例如视频点播、高清电视(HDTV)、家庭影院等)、实时流媒体的应用，并允许将无线数据总线用于电缆替换。可以提供超过3Gbps的可选数据速率。
除了802.15.3c任务组之外，IEEE 802.11工作组还成立了定义也工作在毫米波频率的无线局域网(WLAN)的任务组。
然而，由于氧气吸收以及经障碍物的高衰减，mmWave通信链路与较低频率(例如2.4GHz和5GHz波段)的链路相比具有明显更小的鲁棒性。此外，mmWave通信链路可以使用定向天线来增加通信范围，但是定向天线的使用使链路对移动性非常敏感。例如，装置方位的轻微变化或者附近物体和/或人的移动会使链路中断。
为了满足链路预算需求，可以使用两种形式的通信。第一种形式是全向(Omni)模式，而第二种形式是定向模式。在全向模式中，可以采用低速率传输(例如，以几兆比特每秒(Mbps)的数量级)和/或多方向传输(效仿全向覆盖)来补偿由于(准)全向传输而引起的天线增益损耗。在定向模式中，由于链路采用定向天线并且因此可以从较高天线增益获益，所以可以使用高速率传输(例如，以Gbps的数量级)。
在定向模式中，可以使用各种接入方案。例如，当期望高数据速率定向通信时可在60GHZ使用具有冲突避免的载波侦听多路接入(CSMA/CA)，并且如果期望可使用时分多址(TDMA)接入。然而，TDMA的不足之一是其具有极高的调度等待时间(例如，相当于至少一个超帧的等待时间)，这对于要求低等待时间的应用、例如因特网业务和无线I/O是难以接受的。此外，TDMA接入方案在定向模式中并不允许信道带宽的动态解分配和再分配。至于CSMA/CA，其在60GHz的性能并不合乎需要，因为它需要使用低速率全向传输。因此，需要一种允许基于业务需求动态地对带宽进行解分配和再分配的接入方案。
发明内容
本发明一方面涉及一种无线通信网络中的通信方法。该通信方法包括：使用波束成形技术发送轮询请求帧，其中所述轮询请求帧包括用于发送轮询响应帧的时间偏移；接收具有信道带宽分配请求和目标装置地址的所述轮询响应帧；以及依照所述信道带宽分配请求动态分配信道带宽。
本发明另一方面涉及一种无线通信装置。该无线通信装置包括：发送器，使用波束成形技术发送轮询请求帧，其中所述轮询请求帧包括用于发送轮询响应帧的时间偏移；接收器，接收具有信道带宽分配清求和目标装置地址的所述轮询响应帧；以及带宽分配器，依照所述信道带宽分配请求动态分配信道带宽。
本发明另一方面涉及一种无线通信网络，包括两个或两个以上站，其中站包括：发送器，可操作地耦合到波束成形器并耦合到两个或两个以上天线，以便发送包括轮询请求帧的定向波束，其中所述轮询请求帧包括用于发送轮询响应帧的时间偏移；接收器，接收具有信道带宽分配请求和目标装置地址的所述轮询响应帧；以及带宽分配器，依照所述信道带宽分配请求动态分配信道带宽。
附图说明
在说明书的结论部分特别指出并清楚主张了视为本发明的主题。然而，通过在阅读附图时参考下面的详细说明可以更好地理解关于结构和操作方法的本发明及其目标、特征和优点，其中：
图1是依照本发明的示例实施例的无线通信网络的示意图；
图2是依照本发明的某示例实施例的无线个人网络的定向轮询(polling)方案的示图；
图3是依照本发明的某些实施例使用轮询方案的带宽分配方法的流程图；
图4是依照本发明的某示例实施例的无线个人网络的定向轮询方案和带宽截断(trncation)及带宽扩展方案的示图；
图5是依照本发明的某些实施例的带宽截断方法的流程图；以及
图6是依照本发明的某些实施例的带宽扩展方法的流程图。
要领会，为了图示的简明清晰，图中所示的要素并不一定按照比例绘制。例如，为了清楚起见，可以相对其它要素夸大某些要素的尺寸。此外，考虑适当时，可以在附图中重复参考标号，以便指示相应或相似要素。
具体实施方式
在下述详细说明中，提出了多个具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员要明白没有这些具体细节也可实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路以免混淆本发明。
紧跟的详细说明的某些部分根据对计算机存储器内的数据比特或二进制数字信号的操作的算法和符号表示给出。这些算法描述和表示可以是数据处理领域的技术人员将其工作的实质传达给本领域其它技术人员所使用的技术。
除非另外特别指出，否则从以下讨论显而易见，要领会：在整个说明书中，利用诸如“处理”、“计算”、“演算”、“确定”等术语的讨论是指计算机或计算系统或相似电子计算装置的动作和/或处理，计算机或计算系统或相似电子计算装置把在计算系统的寄存器和/或存储器内表示为物理量、例如电子量的数据处理和/或转换为计算系统的存储器、寄存器或其它此类信息存储器或传输装置内同样表示为物理量的其它数据。
应当理解，本发明可以用在多种应用中。尽管本发明不限于此，但是这里所公开的电路和技术可以用在多种装置、例如无线系统站中。要被包括在本发明的范围内的站包括(仅通过示例方式)无线局域网(WLAN)站、无线个人区域网(WPAN)站。
要处于本发明范围内的WPAN站的类型包括但并不局限于：移动台；接入点；用于接收和发送例如跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)、补码键控(CCK)、正交频分复用(OFDM)等扩频信号的站。
首先转向图1，示出了依照本发明示例实施例的无线通信网络100的示意图。依照本发明的示例实施例，无线通信网络100可以采用WPAN。WPAN 100可以依照IEEE 802.15.3任务组3c(TG3c)开发的标准工作。TG3c已经为现有的802.15.3无线个人区域网(WPAN)标准802.15.3-2003开发出基于毫米波(mmWave)的备选物理层(PHY)。
依照本发明的某示例实施例，WPAN 100可以包括可操作地与微微网协调器(piconet coordinator：PNC)120和站130、140和150相耦合的网络，例如因特网110。站130、140和150被分别描述为装置1(DEV1)、DEV2以及DEV3。尽管本发明的范围不限于此，但是PNC 120可以是笔记本电脑、膝上型计算机等。站130、140和150可以包括照相机、鼠标、耳机、扬声器、显示器或者移动个人装置。
依照本发明的该示例实施例，PNC 120可以包括带宽分配器122、波束成形器124、发送器126、接收器128以及天线129。装置、例如DEV1 130可以包括带宽分配器132、波束成形器134、发送器136、接收器138以及天线139。
尽管本发明的范围不限于此，但是WPAN 100可以包括作为IEEE802.15.3WPAN的可能拓扑之一的微微网。例如并依照本发明的实施例之一，微微网可以包括PNC 120和位于PNC 120传输范围内的几个从(slave)装置，例如DEV130、140和150。DEV 130、140和150中的任意一个可以包括与PNC 120相似的结构并且如果需要可以作为PNC工作。
备选地，在本发明的其它实施例中，无线通信网络可以是无线局域网(WLAN)。依照该示例，WLAN可以包括接入点(AP)和位于AP传输范围内的多个(例如两个或两个以上)站。WLAN中的AP可以看作WPAN 100中的PNC 120，而WLAN中的站对应于WPAN中的DEV 130、140和150，但本发明的范围不限于此。
依照本发明的至少一个实施例，微微网中的信道时间基于超帧，超帧可包含3个主要部分：信标、竞争接入期(CAP)和信道时间分配期(CTAP)。PNC可以通过广播信标分组来为微微网提供基本时序。信标可以用来为微微网设定时序分配和管理信息。站130和140可以通过接收这些信标来使自己与PNC 120同步。CAP可用于异步数据或通信命令。例如，在CAP期间的媒体接入机制可以是载波侦听多路接入/冲突避免(CSMA/CA)。CTAP包括信道时间分配(CTA)和管理CTA(MCTA)。CTA可用于命令、等时流(isochronous stream)及异步数据，并且媒体接入基于TDMA。在CTA中保证免冲突(collision-free)传输。
依照本发明的示例实施例，PNC 120可以轮询DEV 130、140和150。依照一个示例，PNC 120可以使用波束成形技术向DEV 130、140和150发送轮询请求帧。依照该示例，波束成形器124可以生成定向到被轮询DEV(例如DEV1 130)的天线波束，并且具有天线129的发送器126可以向该装置发送轮询请求帧。例如，轮询请求帧可以包括用于发送轮询响应帧的时间偏移。站130和/或140在其分配的时隙内可以发送具有信道带宽分配请求的响应帧。PNC120的接收器128可以接收来自DEV1 130的轮询响应帧、来自DEV2140的轮询响应帧以及来自DEV3 150的轮询响应帧。带宽分配器122可以基于信道带宽分配请求通过发送授权帧来向每个DEV动态分配所需信道带宽。在所请求带宽的分配之后，DEV1 130和/或DEV2140和/或DEV3150可以相互通信(用虚线所示)，但本发明的范围不限于此。
依照本发明的某实施例，DEV1 130可以按发送器工作并且可以要求更多带宽，而DEV2 140可以按接收器工作并且可以需要更少或者不需要带宽分配。PNC 120可以依照DEV1 130和DEV2 140的需求动态改变带宽分配，但本发明的范围不限于此。
依照本发明的示例实施例，PNC 120、DEV1 130、DEV2 140和DEV3 150可以具有如图1所示的相似体系结构。本领域技术人员应当理解，在本发明的某些实施例中，如果需要，波束成形器124或134、带宽分配器122或132可以通过硬件和/或通过软件和/或在处理器内实现。
转向图2，示出了依照本发明某示例实施例的无线个人区域网(WPAN)和/或无线局域网(WLAN)的定向轮询方案的示图。依照该示例，WPAN和/或WLAN可以包括通常被称为PNC(piconet controller：微微网控制器)的中央协调器和/或AP(接入点)。PNC(例如PNC 120)可以使用定向轮询方案200协调DEV(例如DEV1 130、DEV2 140和DEV3 150)的媒体接入。
依照本发明的某示例实施例，轮询方案200可以包括轮询期(PP)210、授权期(GP)240，并且可以具有或者不具有用于数据传输的动态带宽分配(BWA)。这些传输可以通过使用波束成形技术以定向模式进行。例如，如果需要，参与轮询交换的DEV(例如DEV1 130)可以停留在活动模式，其中天线朝PNC(例如PNC 120)波束成形。
在PP210时段期间，PNC可以轮询其关联DEV(例如DEV 130、140和150)的子集。这可以通过从PNC向预期DEV发送轮询请求(P-REQ)帧220来进行。在本发明的另一实施例中，无线通信网络可以是WLAN。在该实施例中，如果需要，P-REQ帧可以是用于IEEE 802.11标准的改进QoS-轮询帧。在收到P-REQ帧之后(示出为虚线框)，被轮询的DEV可以在其调度的响应时隙通过轮询响应(P-RSP)帧230来响应PNC。从PNC到DEV的P-REQ帧220可以包括被轮询的DEV用于送回其P-RSP帧230的时间偏移。从正被调度的DEV得到反馈P-RSP帧(示出为虚线框)可以提高轮询方案的效率，因为它使对帧之间转向(turnaround)次数的需要最小化。
依照本发明的某些实施例，P-REQ 220和P-RSP 230帧都可以携带使PNC向DEV通信、使DEV向PNC通信、使DEV相互之间通信的带宽分配请求。基于这些带宽分配请求，PNC可以向处于实时模式的DEV动态分配带宽。因此，分配可以立即而不是等到下一超帧出现才进行。作为备选和/或附加，P-REQ和P-RSP帧还可以携带DEV的地址，为数据通信的目的将向所述地址动态分配带宽。
在从DEV获得带宽分配请求之后，PNC可以在PP 210结束之后发起GP240。在GP 240期间，PNC可以基于其在之前的PP 210接收的那组带宽分配请求授予动态BWA。PNC可以通过向参与该授权链路的DEV的发送器和接收器发送轮询授权(P-GNT)帧252、254和256来执行带宽授权250。如果需要，则被PNC授予动态BWA的DEV可以在P-GNT帧252、254、256所指示的调度时间(在各个发送器和接收器之间)发起通信280。备选地，在本发明的某些实施例中，PNC可以发起GP 240而甚至不在GP之前执行PP，但本发明的范围不限于此。
转向图3，示出了依照本发明的某些实施例通过使用轮询方案的带宽分配方法的流程图。依照本发明的该示例实施例，PNC(例如PNC 120)可以与参与到WPAN的装置(例如DEV 130、140和150)中的每个装置发起轮询期(步骤310)。PNC可以为每个装置调度要响应的响应时隙(步骤320)。PNC可以向每个装置发送轮询请求。例如，如果需要，轮询请求帧可以包括供装置发送响应帧的时间偏移(步骤330)。
每个DEV可以依照与轮询请求帧一起接收的时间偏移在供每个DEV响应所分配的时隙发送响应帧。依照本发明的某些实施例，轮询请求帧可以包括带宽分配请求和DEV地址。PNC可以从被轮询的装置接收具有带宽分配请求的轮询响应帧(步骤340)，并且可以向例如DEV1 130、DEV2 140、DEV3 150的装置动态分配所请求的带宽(步骤350)。
尽管本发明的范围不限于本发明的该示例实施例，但是PNC(例如PNC120)可以发起授权期(步骤360)。在授权期(例如授权期240)期间，PNC(例如PNC 120)可以通过向参与该授权链路的装置发送轮询授权(P-GNT)帧来执行带宽授权(步骤370)。被授予所请求带宽的装置可以在随P-GNT帧提供的调度时间在装置之间发起通信(步骤380)，但本发明的范围不限于此。
转向图4，示出了依照本发明某示例实施例的无线个人网络的定向轮询方案和带宽截断及带宽扩展方案的示意图。该示图包括两部分：第一部分410示出依照本发明某些实施例的、与图2所示的轮询方案和图3所示的方法相似的轮询方案；第二部分420示出基于轮询的带宽截断和扩展方案。
依照本发明的一个示例实施例，PNC可以在GP期间授予多个预留(reservation)。受电池约束的DEV可以进入功率节约模式并且仅在需要其通信时才醒来。如果需要，其它DEV可以停留在活动模式，以便通过基于轮询的信道接入方案利用动态带宽分配(BWA)截断和扩展。
BWA截断可在定义为链路发送器的装置(示为Tx1)决定放弃(即截断)其具有的当前BWA的剩余部分时发生。在该示例中，Tx1可以向PNC发送定向带宽截断(BW-T)消息430请求截断BWA。作为响应，PNC可以接受该请求并且可以选择依照以下选项之一进行操作。第一选项可以是“不做任何事”，其中PNC可以允许分配的剩余时间不被使用。第二选项可以是向其它DEV发送P-REQ帧，目的是把释放的信道时间分配给其它链路。第三选项可以是向装置(例如Tx3和Rx3)分别发送P-GNT消息440和450，以便将释放的带宽分配用于这些装置之间的通信，但本发明的范围不限于此。
依照本发明的某些示例实施例，BWA扩展与BWA截断相反。在BWA扩展中，被定义为链路发送器的装置(例如示为Tx2)可能由于链路上的业务需求而期望扩展其当前BWA。在图4所示的示例中，Tx2可以向PNC发送定向BW-E(带宽扩展)消息460请求把该BWA扩展预定量的时间。作为响应，PNC可以操作如下：1)拒绝该请求，在这种情况下，对链路带宽的BWA保持相同；2)授予该扩展，在这种情况下，可以允许参与该链路的DEV在PNC授予的额外时间继续通信。PNC可以向DEV Tx2和Rx2发送P-GNT消息480、490，通知这些DEV关于为通信授予的额外时间，但本发明的范围不限于此。
转向图5，示出了依照本发明某些实施例的带宽截断的方法流程图。依照该示例方法，PNC可以从装置接收带宽截断消息(步骤510)。如果PNC知晓装置的通信需要，例如分配的带宽、期望的带宽(步骤520)，则PNC可以通过向参与授权链路的装置中的每个装置传输轮询授权(P-GNT)来执行带宽截断(文本框540)。PNC可具有来自与DEV的在前PP的知识。如果PNC并不知晓装置的通信需要，例如分配的带宽，期望的带宽(步骤520)，则PNC可以向装置发送轮询请求帧(步骤530)。例如，如果需要，轮询请求帧可以包括向其它链路分配释放时间的目标(步骤530)。
转向图6，示出了依照本发明某些实施例的带宽扩展的方法流程图。依照该示例方法，PNC可以从装置接收带宽扩展消息(步骤610)。PNC可以检查带宽是否可以被扩展(步骤620)。如果带宽可以被扩展，则PNC可以向装置发送P-GNT帧以便授予请求的扩展(步骤640)，并且可以发送轮询授权帧以通知链路的其它装置已经授予带宽扩展(步骤650)。然而，如果带宽不可被扩展，则PNC可拒绝带宽扩展请求(步骤630)，但本发明的范围不限于此。
既然这里示出并描述了本发明的某些特征，那么本领域技术人员现在可以进行多种修改、替代、改变和等效。因此要理解，随附权利要求书旨在覆盖落在本发明的实质精神内的所有修改和改变。

Claims (4)

1.一种无线通信网络中的通信方法，包括：
使用波束成形技术发送轮询请求帧，其中所述轮询请求帧包括用于发送轮询响应帧的时间偏移；
接收具有信道带宽分配请求和目标装置地址的所述轮询响应帧；以及
依照所述信道带宽分配请求动态分配信道带宽，
其中，发送轮询请求帧包括：
在轮询期期间发送被寻址到第一装置的第一轮询请求帧，其中所述第一轮询请求帧包括供所述第一装置发送第一轮询响应帧的第一时间偏移值；和
在所述轮询期期间发送被寻址到第二装置的第二轮询请求帧，其中所述第二轮询请求帧包括供所述第二装置发送第二轮询响应帧的第二时间偏移值，
其中，接收所述轮询响应帧包括：
在所述轮询期期间并且在基于所述第一时间偏移值的时间，从所述第一装置接收所述第一轮询响应帧，所述第一轮询响应帧包括来自所述第一装置的第一时间分配请求；和
在所述轮询期期间并且在基于所述第二时间偏移值的时间，从所述第二装置接收所述第二轮询响应帧，所述第二轮询响应帧包括来自所述第二装置的第二时间分配请求，
其中，动态分配信道带宽包括：
在所述轮询期之后的授权期期间，向所述第一装置发送第一授权帧，基于所述第一时间分配请求授权第一调度期用于所述第一装置的通信；和
在所述授权期期间，向所述第二装置发送第二授权帧，基于所述第二时间分配请求授权第二调度期用于所述第二装置的通信，
其中，所述方法还包括：
从所述第一装置接收扩展消息，请求所述第一调度期的扩展；和
授权所述请求以扩展所述第一调度期。
2.如权利要求1所述的方法，其中授权所述请求以扩展所述第一调度期包括发送轮询授权帧以通告所述第一调度期的扩展。
3.一种无线通信装置，包括：
发送器，使用波束成形技术发送轮询请求帧，其中所述轮询请求帧包括用于发送轮询响应帧的时间偏移；
接收器，接收具有信道带宽分配请求和目标装置地址的所述轮询响应帧；以及
带宽分配器，依照所述信道带宽分配请求动态分配信道带宽，
其中，所述发送器配置成通过在轮询期期间发送被寻址到第一装置的第一轮询请求帧并且在所述轮询期期间发送被寻址到第二装置的第二轮询请求帧来执行所述轮询请求帧的发送，所述第一轮询请求帧包括供所述第一装置发送第一轮询响应帧的第一时间偏移值，并且所述所述第二轮询请求帧包括供所述第二装置发送第二轮询响应帧的第二时间偏移值，
其中，所述接收器通过在所述轮询期期间并且在基于所述第一时间偏移值的时间从所述第一装置接收所述第一轮询响应帧并且在所述轮询期期间并且在基于所述第二时间偏移值的时间从所述第二装置接收所述第二轮询响应帧来执行所述轮询响应帧的接收，所述第一轮询响应帧包括来自所述第一装置的第一时间分配请求，并且所述第二轮询响应帧包括来自所述第二装置的第二时间分配请求，并且
其中，所述带宽分配器配置成通过在所述轮询期之后的授权期期间向所述第一装置发送第一授权帧基于所述第一时间分配请求授权第一调度期用于所述第一装置的通信并且在所述授权期期间向所述第二装置发送第二授权帧基于所述第二时间分配请求授权第二调度期用于所述第二装置的通信来执行所述信道带宽的分配，
其中，所述接收器还配置成从所述第一装置接收扩展消息，请求所述第一调度期的扩展；并且
其中，所述带宽分配器还配置成授权所述请求以扩展所述第一调度期。
4.如权利要求3所述的无线通信装置，其中，所述带宽分配器还配置成通过发送轮询授权帧以通告所述第一调度期的扩展来授权所述请求以扩展所述第一调度期。
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