CN101911780B

CN101911780B - 在使用定向天线的无线网络中进行无线设备发现的方法和系统

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Publication number: CN101911780B
Application number: CN200880124464.6A
Authority: CN
Inventors: D·比鲁
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: WO2009087521A1; KR20100103864A; KR101449402B1; US20100265990A1; EP2241137B1; US9338632B2; JP5244197B2; JP2011509618A; CN101911780A; EP2241137A1

Abstract

无线设备(100)在无线网络中进行通信，并且执行无线设备发现过程以发现该无线网络中的其它无线设备(100)。在该无线设备发现过程中，该无线设备(100)将其天线方向图设置成具有全向天线方向图(202)，并且使用该全向天线方向图(202)传输第一分组(300)。该第一分组(300)包括以将同步序列的每个采样重复N次(N＞1)的方式形成的分组前同步码序列(310)。该第一分组(300)的剩余部分(320)是通过使用扩展因子P(P＞1)扩展其每个采样形成的。对于正常数据通信而言，该无线设备(100)将该天线方向图设置成具有定向天线方向图(204)，并且使用该定向天线方向图(204)传输第二分组。

Description

在使用定向天线的无线网络中进行无线设备发现的方法和系统

本发明涉及无线通信领域，并且尤其涉及一种在通信网络中进行无线设备发现的系统和方法，在该通信网络中无线设备使用定向天线。

在下一代无线通信网络中，在很多情形下，工作频率要比之前系统中的高得多。例如，这些网络中的一些以在几GHz，或者甚至更高(例如，60GHz)范围内的频率工作。不幸的是，与更低工作频率的信号相比，以这些更高频率来广播或发射的信号受到显著更大的衰减，尤其是当穿过诸如建筑物中的墙面那样的干预物体时。结果，除非大幅增加发射机的功率电平(这种做法往往是不容许的)，否则工作在这些更高频率的无线设备的通信范围就会被大幅减小。

一种缓解这些更高频带的问题的方案是通过无线设备使用定向天线。众所周知，当减小发射或广播天线方向图(antenna pattern)的波束宽度时，就获得了天线增益，这种做法具有犹如已经提高了发射机功率电平的效果。类似地，当减小接收天线方向图的波束宽度时，就获得了天线增益，这种做法具有犹如已经提高了已接收的功率电平的效果。通过使用对发射和接收而言具有足够窄的波束宽度(即，足够的天线增益)的定向天线的方式，无线设备能够工作在更高频带，同时仍然保持可接受的通信范围。

举例来说，对发射和接收而言，正在研发的60GHz频带的新的高速技术需要10dBi数量级的天线增益以提供鲁棒的通信。这种幅度的天线增益意味着要使用相对而言高定向的天线。

但是，当具有这种定向天线的无线设备作为无线网络工作的时候，问题就出现了。特别地，每当两个这种无线设备彼此通信时，必须使那里的天线方向图朝向彼此定向。所以，在无线设备能够建立定向链路并彼此通信之前，它们必须首先“找到”彼此以确定将活动天线方向图指向什么方向。

在本发明的一个方面中，提供了一种在无线网络中通过无线设备进行通信的方法。该方法包括将无线设备的天线方向图设置成具有全向天线方向图，并且使用该全向天线方向图传输第一分组。该第一分组是这样传输的：通过将同步序列的每个采样重复N次(N＞1)来传输分组前同步码(preamble)序列，以及通过使用扩展因子P(P＞1)扩展其每个采样来传输该第一分组的剩余部分。该方法进一步包括将无线设备的天线方向图设置成具有定向天线方向图，并且使用该定向天线方向图传输第二分组。

在本发明的又一方面中，无线设备包括接收机、发射机，以及可操作地连接到接收机和发射机的天线系统。将该天线系统适配为选择性地工作在具有全向天线方向图的全向模式以及具有定向天线方向图的定向模式中。为了被其他无线设备发现而将该无线设备适配为执行无线设备发现过程。该发现过程包括将该天线系统设置成具有全向天线方向图，并且使用该全向天线方向图传输第一分组。该第一分组是这样传输的：通过将同步序列的每个采样重复N次(N＞1)来传输分组前同步码序列，并且通过使用扩展因子P(P＞1)扩展其每个采样来传输该第一分组的剩余部分。将该无线设备进一步适配成工作在数据通信模式中。该数据通信模式工作包括将天线系统设置成具有定向天线方向图，并且使用该定向天线方向图传输第二分组。

图1是无线设备的一个实施方式的功能框图；

图2图示说明了包括使用全向天线和定向天线的无线设备的无线网络。

图3图示说明了发现模式分组的结构的一个实施方式，以及与该分组的各种部分有关的信号的频域表示。

图4是图示说明在通信网络中进行无线设备发现的方法的一个实施方式的流程图，在该通信网络中无线设备使用定向天线。

图5是图示说明在通信网络中进行无线设备发现的方法的另一实施方式的流程图，在该通信网络中无线设备使用定向天线。

图1是无线设备100的功能框图。正如本领域技术人员将会理解的那样，在图1中示出的一个或多个各种“部件”可以使用由软件控制的微处理器、硬接线逻辑电路或它们的组合来物理地实现。此外，虽然为了解释的目的而将图1中的部件按功能分隔开来，但是它们可以以任意物理实现的方式进行多种多样的组合。

无线设备100包括收发机110、处理器120、存储器130，以及定向天线系统140。

收发机110包括接收机112和发射机114，并且根据无线通信网络的标准协议为无线设备100提供了与无线通信网络中的其他无线设备进行通信的功能。例如，在一个实施方式中，无线设备100可以是被适配成使用根据WiMedia规范的通信协议操作的UWB无线设备。

为了提供无线设备100的功能，将处理器120配置成结合存储器130执行一种或多种软件算法。有利地，处理器120包括其自身的用来存储允许它执行无线设备100的各种功能的可执行软件代码的存储器(例如，非易失性存储器)。可替换地，可以将可执行代码存储在存储器130内的指定存储位置。

有利地，天线系统140包括全向天线方向图能力和定向天线方向图能力。在一个实施方式中，可以通过相同元件的一些或全部来提供该定向和全向能力。在另一实施方式中，可以通过全向天线元件和独立的定向天线元件来提供这些能力。在一个实施方式中，定向天线元件为无线设备100提供从用于在多个方向与其他无线设备通信的多个天线波束中进行选择的能力。在一个实施方式中，天线系统140包括多个天线，每个天线都对应于一个天线波束。在另一实施方式中，定向天线系统元件包括可操纵天线，该可操纵天线能够组合多个不同的天线部件以在多个不同方向中的期望的一个中形成和操纵波束。

如上所述，当无线通信网络与使用定向天线方向图的无线设备100一起工作时，必须使用一些机制以允许无线设备彼此“发现”和定位，以便于它们能够将它们的天线彼此相向地定向并建立通信链路。

一种解决这个问题的重要方案是在初始的“设备发现阶段”期间使用全向天线方向图，当无线设备确定了它期望与之通信的其他无线设备位于哪里时，随后一旦完成了设备发现，就在随后的“正常”通信阶段期间切换回定向天线方向图。

图2图示说明了包括使用全向天线方向图202和定向天线方向图204的无线设备210A、210B等的通信网络200。如图2所示，所有的无线设备210A、210B、210C和210D都能使用定向天线方向图204彼此通信。此外，被彼此接近地定位的无线设备210A和210B可以使用全向天线方向图202通信。类似地，被彼此接近地定位的无线设备210C和210D也可以使用全向天线方向图202通信。

但是，无线设备210A不能使用全向天线方向图202与被远距离定位的无线设备210D通信。所以看得出来，即使两个无线设备能够使用定向天线方向图204彼此通信，但是它们可能不能够使用全向天线方向图202彼此通信。例如，如果无线设备210在“正常”通信期间使用定向天线方向图204以具有10dBi增益的天线增益工作，那么在发现模式期间当使用全向天线方向图202时，将有总共20dB(包括两侧)的信号增益必须要通过某种手段恢复。

很明显，这给在无线通信的初始的“设备发现阶段”期间使用全向天线方向图202设置了障碍。

为了克服这个障碍，可以在无线设备发现阶段期间以相当数量的冗余进行数据通信，以使得由于全向工作造成定向天线方向图204损失的增益能够从已传输的冗余中得以恢复。例如，为了补偿天线增益(发射和接收天线)的20dB的缺失，将需要通过约为100的因子来扩展(或重复)数据。

同时，通常的无线通信系统分组结构包括被首先传输的预先确定的前同步码，接下来是包括信道估计、报头和负荷数据在内的分组的剩余部分的传输。该预先确定的前同步码序列对于在接收无线设备处的接收机是先验已知的，所以该接收机可以将已接收的信号与已知的前同步码序列相关联，以使接收机的定时与已传输的信号同步。

但是，前同步码序列的扩展会要求在无线接收机处用于同步的相关器的复杂度大幅增加。例如，如果前同步码序列的原始片段是由256个采样组成的，那么把该前同步码扩展100倍就需要25,600个用于在接收机处进行相关的延时部件。这是不切实际的并且实际上预先排除了对传输前同步码序列的扩展的使用。但是，因为对分组的剩余部分(报头和负荷)的检测只需要在接收机处的长度为100的解扩器，所以能够用等于100的因子扩展该分组的剩余部分(报头和负荷)。

因此，在一个实施方式中，在通信的无线设备发现阶段期间，无线设备传输不同于分组的剩余部分的前同步码序列，以便以一种方式重复/扩展前同步码序列并且以不同的方式重复/扩展该分组的剩余部分。特别地，在一个实施方式中，可以仅使用通信信道的窄带(NB)部分传输前同步码序列，并且使用该通信信道的全宽带(WB)带宽传输该分组的剩余部分。在这种情况下，因为当检测前同步码序列时，与检测占用整个信道的等价宽带信号相比较，接收机以减小了的带宽工作在信道的较小的部分中，所以可以以减小了的信号电平检测前同步码序列，从而对在全向工作期间接收到的减小了的信号电平进行全部或部分地补偿。

有利地，在设备发现阶段期间，传输分组的无线设备将已知的同步序列的每个采样重复传输N次。在数学上，这意味着：

(1)y_NB(n)＝y_WB(floor(n/N))，n＝0，1，...，(N*M-1).

其中y_WB(n)是原始“宽带”预先确定的同步序列，M是同步序列y_WB(n)的长度，y_NB(n)是作为结果生成的已传输的“窄带”前同步码序列。如果BW₁是已传输的前同步码序列y_NB(n)的作为结果生成的带宽，BW₂是将被用于传输原始“宽带”同步序列y_WB(n)的带宽，那么：

(2)BW₁＝BW₂/N

无线设备110中的发射机114可以使用采样保持单元产生窄带前同步码y_NB(n)，该前同步码y_NB(n)的频谱由采样保持单元的频谱定形。

在一个实施方式中，能够将N设置为等于100，在该实施方式中在使用全向天线方向图的设备发现阶段期间，必须“替换”20dB的定向天线增益。在那种情况下，例如，如果将在使用定向天线方向图的正常数据通信阶段期间使用的通信信道的带宽定义为BW₂，那么就能够将窄带(NB)信号的带宽BW₁设置成是BW₂/100。

在传输窄带前同步码y_NB(n)之后，无线设备传输用于分组的剩余部分(包括报头和负荷数据)的“全带宽”宽带(WB)信号。在一个实施方式中，通过将该报头和负荷数据扩展到信道的全部带宽来生成WB信号，如下：

(3)x_WB(n)＝x(floor(n/P))×v(mod(n，P))

其中x(n)是原始低速率报头和负荷数据序列，v(n)是长度为P的扩展序列，并且x_WB(n)是全带宽扩展序列。如果仔细选择v(n)，就能使在窄带前同步码序列y_NB(n)之后的分组的剩余部分填满通信信道的几乎所有带宽。有利地，除了提供处理增益以克服在从定向切换到全向天线方向图时造成增益损失以外，这种做法还改善了传输的多径衰落抗扰性。

在一个实施方式中，扩展序列的长度P被选择成与在窄带前同步码序列中的每个采样被重复的次数N相同。

图3图示说明了发现模式分组300的结构的一个实施方式，以及与分组300的各种部分有关的信号的相应频域表示，该分组300是在无线设备发现过程期间通过使用全向天线的无线设备传输的。分组300包括窄带前同步码310，之后是分组300的剩余部分320。该分组300的剩余部分320包括可选的宽带前同步码322(可省略)、宽带报头324，以及宽带负荷部分(即，负荷数据)326。可选地，可以在分组300的窄带前同步码310和剩余部分320之间插入安静周期315。

如图3所图示说明的，窄带前同步码310包括以第一窄带的带宽302(BW_NB)传输的前同步码序列y_NB(n)，而分组300的剩余部分320包括被扩展以占据更宽的带宽304(BW_WB)的报头和负荷数据。正如在正常数据通信模式期间使用定向天线方向图被无线设备通常用来传输分组的那样(例如，BW_NB＝BW_WB/N，其中N表示前同步码序列y_NB(n)每个采样的被重复次数)，BW_WB是通信信道的全带宽。

分组300的剩余部分320使用扩展序列传输，该扩展序列用长度为P的扩展序列扩展包含在其中的数据，以补偿由从在正常传输期间使用定向天线方向图切换到在无线设备发现过程中使用全向天线方向图所造成的部分或全部增益损失。在一个有利的实施方式中，扩展因子为P，前同步码序列每个采样被重复次数为N，P＝N。在那种情况下，分组的所有部分都经历相同的增益。但是，在由图3说明的实施方式中，整个前同步码310是在一小部分信道中传输的，而且因此相比占据更宽带宽的分组300的剩余部分320而言对多径衰落更敏感。

因此，在另一实施方式中，可以传输前同步码序列的频移组合以产生多频(多带)前同步码。例如，前同步码序列可以是：

(4), {\overset{&OverBar;}{y}}_{NB} (n) = y_{NB} (n) * Σ_{k = 0}^{Z - 1} e^{- j 2 π f_{k} nT}

其中f_k是频移，且T是采样间隔。在一个实施方式中，能够在模拟域中实现频移。在一个实施方式中，频移通过跳频方案来实施。当通信信道在相对较窄带宽上展示出频率选择性的深度衰落时，这种多频前同步码可以改善性能。

图4是图示说明在通信网络中进行无线设备发现的方法400的一个实施方式的流程图，其中该无线设备对正常数据通信使用定向天线方向图，在无线设备发现期间使用全向天线方向图。特别地，图4图示说明了在无线设备发现过程以及在数据通信的一个实施方式期间，无线设备100的发射机114的工作。

在第一步骤405中，无线设备100将其自身置于设备发现模式。在那种情况下，它控制天线系统140产生全向天线方向图202。

在下一步骤410中，无线设备100配置发射机114以通过将同步序列的每个采样重复N次(N＞1)来发射第一(数据发现)分组300的分组前同步码序列320。

然后，在步骤415中，无线设备100配置发射机114，通过使用扩展因子P(P＞1)扩展其每个采样来发射第一分组300的剩余部分。

因此，为了执行通信的无线设备发现阶段，通过步骤405-415的过程，使用全向天线方向图202的发射无线设备100能够将数据发现分组300发射到也使用全向天线方向图202的接收无线设备100。

同时，对于正常数据通信模式而言，在步骤420中，无线设备100将其自身置于数据通信模式。在那种情况下，它控制天线系统140产生定向天线方向图204。

然后，在步骤425中，无线设备100使用定向天线方向图204发射正常数据分组。

图5是图示说明在通信网络中进行无线设备发现的方法500的另一实施方式的流程图，其中该无线设备对正常数据通信使用定向天线方向图，在无线设备发现期间使用全向天线方向图。特别地，图5图示说明了在无线设备发现过程以及在数据通信的一个实施方式期间，无线设备100的接收机112的工作。

在第一步骤505中，无线设备100将其自身置于设备发现模式。在那种情况下，它控制天线系统140产生全向天线方向图202。

在下一步骤510中，无线设备100配置接收机112以检测已经从第一(发现模式)分组300的预先确定的“宽带”同步序列y_WB(n)中生成的窄带前同步码序列y_NB(n)。

在下一步骤515中，无线设备100的接收机112扫描通信信道，直到检测到同步序列y_WB(n)或出现超时为止。在这个步骤中，接收机112执行窄带处理，直到检测到同步序列y_WB(n)为止。在一个实施方式中，接收机112在前同步码序列y_NB(n)上执行匹配的滤波和采样，随后对同步序列y_WB(n)进行相关和检测。对该同步序列y_WB(n)的相关和检测是以低带宽/速度执行的，从而消除了在接收机112的相关器中要具有大量延时部件的需要。

在随后的步骤520中，如果在步骤515中检测到同步序列y_WB(n)，则使无线设备100使用同步序列将其工作同步到已传输信号，并随后改变接收机112的配置以解调分组300的剩余部分320，该分组已经被使用长度为P的扩展序列进行传输以在宽带(WB)频谱上扩展信号。如图3所示，发射该分组300的无线设备100的发射机114可能已经将可选的安静周期315插入到接收机112已知的分组300中。在那种情况下，接收无线设备100为了在宽带模式工作，可以使用这个安静周期来重新配置其接收机112和/或处理器120。

一旦将接收机112同步到输入分组，则在步骤525中接收机就能够接着对全带宽报头和负荷数据相应地进行解扩、解调和解码。该报头和/或负荷数据包括允许接收无线设备发现发射无线设备的存在的信息。这可以包括对特定的发射无线设备和/或发射无线设备的位置或方向加以识别的数据。如果传输了可选的全带宽前同步码320，则接收机112就能使用该序列320重新调节调节一些接收机参数，诸如增益设置、频率和定时误差计算，以及信道估计。

因此，为了执行通信的无线设备发现阶段，通过步骤505-525的过程，使用全向天线方向图202的接收无线设备100能够从也使用全向天线方向图202的发射无线设备100中接收到数据发现分组300。

同时，对于正常数据通信模式而言，在步骤530中，无线设备100将其自身置于数据通信模式。在那种情况下，它控制天线系统140产生定向天线方向图204。

然后，在步骤535中，无线设备100使用定向天线方向图204接收正常数据分组。

一些对上述过程的变化和选择是可能的。

在一个实施方式中，能够将整个前同步码序列y_NB(n)本身重复K次以增加正确同步的机会。

在一个实施方式中，当为了一些目的(其中之一是为了帧分隔符)在重复y_NB(n)时，可以使用掩码序列。

在上面的实施方式中描述的用来产生y_NB(n)的重复方法是具有其相应特征的简单的采样保持方法。但是在另一实施方式中，可以使用具有不同频率特征的不同的方法。

在一个实施方式中，可以使用不同的机制(诸如增加额外的纠错位，或者扩展和附加纠错位的组合)来扩展数据。对纠错而言，能够使用诸如卷积编码、trellis编码、Reed-Solomon编码和LDPC编码那样的常规的编码技术。

虽然在此公开了优选的实施方式，但是许多这种保持在本发明的概念和范围之内的变化都是可能的。本领域技术人员在检视了在此的说明书、附图和权利要求以后将清楚这种变化。因此，本发明除了被限制于所附权利要求的精神和范围之内以外不受其他限制。

Claims

1.一种在无线网络中通过无线设备(100)进行通信的方法，该无线设备包括发射机(114)和接收机(112)，该方法包括：

将无线设备(100)的天线方向图设置成具有全向天线方向图(202)；

使用该全向天线方向图(202)传输第一分组(300)，其中传输该第一分组(300)包括通过将同步序列的每个采样重复N次来传输第一分组(300)的分组前同步码序列(310)，其中N>1，以及通过使用扩展因子P扩展其每个采样来传输第一分组(300)的剩余部分(320)，其中P>1；

将无线设备(100)的天线方向图设置成具有定向天线方向图(204)；以及

使用该定向天线方向图(204)传输第二分组，

其中，分组前同步码序列具有带宽为BW_NB的频谱，并且其中第一分组(300)的剩余部分(320)具有带宽为BW_WB的频谱(304)，其中BW_NB＜BW_WB。

2.根据权利要求1的方法，其中，BW_NB=BW_WB／N。

3.根据权利要求1的方法，其中，P＝N。

4.根据权利要求1的方法，进一步包括将分组前同步码序列(310)重复K次，其中K>1。

5.根据权利要求1的方法，进一步包括在传输前频移分组前同步码序列(310)，以产生多带分组前同步码序列。

6.根据权利要求1的方法，进一步包括使用全向天线方向图(202)接收第一分组(300)，其中接收该第一分组(300)包括：

使用窄带处理模式检测分组前同步码序列(310)，该分组前同步码序列(310)包括具有多个采样的同步序列，每个该采样均已被重复N次，N>1，接收机使用该同步序列来将该接收机(112)同步到该第一分组(300)，以及

使用宽带处理模式检测该第一分组(300)的剩余部分(320)，该第一分组(300)的剩余部分(320)至少包括具有多个采样的负荷数据(326)，每个该采样均已在传输前被扩展因子P扩展，其中P>1，该接收机(112)对该第一分组(300)的剩余部分(320)进行解扩以检测该负荷数据(326)；

使用定向天线方向图(204)接收第二分组。

7.一种用于在无线网络中进行通信的无线设备(100)，包括：

接收机(112)；

发射机(114)；以及

天线系统(140)，与接收机(112)和发射机(114)可操作地连接，用于选择性地工作在具有全向天线方向图(202)的全向模式中以及具有定向天线方向图(204)的定向模式中，其中其他无线设备(100)通过如下方式发现该无线设备(100)：

将天线系统(140)设置成具有全向天线方向图(202)，

使用全向天线方向图(202)传输第一分组(300)，所述传输包括通过将同步序列的每个采样重复N次来传输分组前同步码序列(310)，其中N>1，以及通过使用扩展因子P扩展其每个采样来传输第一分组(300)的剩余部分(320)，其中P>1；以及其中通过将天线系统(140)设置成具有定向天线方向图(204)从而使用该定向天线方向图(204)传输第二分组，该无线设备(100)工作在数据通信模式，

其中，分组前同步码序列(310)具有带宽为BW_NB的频谱，并且其中第一分组(300)的剩余部分(320)具有带宽为BW_WB的频谱，其中BW_NB<BW_WB。

8.根据权利要求7的无线设备(100)，其中，BW_NBBW_WB／N。

9.根据权利要求7的无线设备(100)，其中，P＝N。

10.根据权利要求7的无线设备(100)，进一步包括将分组前同步码重复K次，其中K＞1。

11.根据权利要求7的无线设备(100)，进一步包括在传输前频移分组前同步码序列(310)，以增加分组前同步码序列(310)的频谱占用率。

12.根据权利要求7的无线设备(100)，其中，使用该全向天线方向图(202)通过如下方式接收该第一分组(300)：

使用窄带处理模式检测分组前同步码序列(310)，该分组前同步码序列(310)包括具有多个采样的同步序列，每个该采样均已被重复N次，N＞1，接收机(112)使用该同步序列来将该接收机(112)同步到该第一分组(300)，以及

使用宽带处理模式检测该第一分组(300)的剩余部分(320)，该第一分组(300)的剩余部分(320)至少包括具有多个采样的负荷数据(326)，每个该采样均已在传输前被扩展因子P扩展，其中P>1，该接收机(112)对该第一分组(300)的剩余部分(320)进行解扩，以检测该负荷数据(326)；以及

其中通过将天线系统(140)设置成具有定向天线方向图(204)从而使用该定向天线方向图(204)接收第二分组，该无线设备(100)工作在数据通信模式。