CN102761986A - 用于低功率无线网络中通信的方法和布置 - Google Patents

Abstract

本发明名称为用于低功率无线网络中通信的方法和布置。实施例可包括在1GHz和更低频带操作的正交频分复用(OFDM)系统。在许多实施例中，物理层逻辑可实现用于重复部分数据流的重复逻辑以增大接收装置检测和解码数据流的能力。在一些实施例中，重复逻辑可包括重复训练和/或信号字段的前导码重复器。在另外的实施例中，重复逻辑可包括重复有效载荷一次或多次的有效载荷重复器。其它实施例包括包含将重复的前导码符号相关的相关器的接收装置以检测来自传送装置的通信。接收装置还可包括基于数据流中有效载荷的重复校正来自通信信号的数据流的校正逻辑。

Description

用于低功率无线网络中通信的方法和布置

技术领域

实施例是在无线通信领域。更具体地说，实施例是在无线传送器与接收器之间的通信协议领域。

发明内容

本公开的第一方面在于一种方法，包括：由物理层逻辑生成用于正交频分复用通信的前导码，所述前导码具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复；接收由媒体访问控制子层逻辑生成的帧；以及由所述物理层逻辑用所述前导码封装所述帧以生成物理层协议数据单元。

本公开的第二方面在于一种装置，包括：存储器；与所述存储器耦合的数据单元构建器，所述数据单元构建器用于生成包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的前导码；接收由媒体访问控制子层逻辑生成的帧；以及用所述前导码封装所述帧以生成物理层协议数据单元。

本公开的第三方面在于一种系统，包括：数据单元构建器，用于生成包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的前导码；接收由媒体访问控制子层逻辑生成的帧；以及用所述前导码封装所述帧以生成物理层协议数据单元；与所述数据单元构建器耦合的传送器；以及天线阵列，所述天线阵列用于传送来自所述数据单元构建器的所述帧。

本公开的第四方面在于一种机器可访问产品，包括：媒体，包含用于正交频分复用通信的指令以使传送器响应于运行所述指令来执行操作，其中所述操作包括：通过重复数据流中有效载荷的数据来生成物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

本公开的第五方面在于一种方法，包括：由相关逻辑接收包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的通信信号；以及由所述相关逻辑比较所述前导码的所述短训练字段的重复与已知短训练字段序列以检测所述通信信号。

本公开的第六方面在于一种装置，包括：天线；与所述天线耦合的接收器，所述接收器用于接收包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的通信信号；以及比较所述前导码的所述短训练字段的重复与已知短训练字段序列以检测所述通信信号。

附图说明

图1描绘了包括多个通信装置(其中包含多个固定或移动通信装置)的示例无线网络的实施例，

图1A描绘了由图1的短训练字段重复器逻辑生成的物理层协议数据单元的实施例；

图2描绘了在无线网络中生成和传送基于正交频分复用(OFDM)的通信的设备的实施例；

图3描绘了用图2中所示出的传送器传送通信的流程图的实施例；以及

图4描绘了用图2中所示出的接收器接收通信的流程图的实施例。

具体实施方式

下面是附图中描绘的新颖实施例的详细描述。然而，提供的细节量不打算限制所描述实施例的预期变型；相反，权利要求书和详细描述要涵盖落入由所附权利要求书所定义的本示教的精神和范围内的所有修改、等效方案和备选。以下详细描述设计成使这种实施例对于本领域普通技术人员而言是可理解的。

提到“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“各种实施例”等指示如此描述的本发明实施例可包含具体特征、结构或特性，但不是每个实施例都必定包含所述具体特征、结构或特性。另外，重复使用短语“在一个实施例中”不一定是指同一实施例，不过它可以是同一实施例。

在本文中使用时，除非另外规定，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述共同对象只指示参考相似对象的不同实例，并且不是要暗示如此描述的对象必须在时间上、空间上，在分级上，或者以任何其它方式按给定顺序。

实施例可包括在1GHz和更低频带操作的正交频分复用(OFDM)系统。在许多实施例中，物理层逻辑可实现用于重复部分数据流的重复逻辑以增大接收装置检测和解码数据流的能力。在若干实施例中，重复逻辑可以增大用于建立和保持传送装置与接收装置之间的通信信道的范围。在许多实施例中，范围扩展可大约1千米。

在一些实施例中，重复逻辑可包括前导码重复器以通过接收装置的相关器增大短训练字段的积分时间(integration time)，从而增大接收装置检测来自传送装置的通信信号的能力。在另外的实施例中，重复逻辑可包括用于重复短训练字段数次(诸如2到5次)的前导码重复器。在另外的实施例中，重复逻辑可包括用于重复长训练字段数次(诸如2到5次)的前导码重复器。在若干实施例中，重复逻辑可包括用于重复签名字段数次(诸如2到5次)的前导码重复器。并且，在另外的实施例中，重复逻辑可包括用于重复前导码中附加长训练字段数次(诸如2到5次)的前导码重复器，附加长训练字段位于信号字段与有效载荷之间用于多流天线训练。

在一些实施例中，重复逻辑可包括有效载荷重复器。有效载荷重复器可重复有效载荷一次或多次，诸如2到5次。在许多实施例中，有效载荷重复器可在交织之前，并且在多流实施例中，在对传送器中的数据流进行流解析之前，重复物理层装置的位流中的数据。在另外的实施例中，有效载荷重复器可在将OFDM符号变换到时域之前或之后重复传送链中的OFDM符号。在其它实施例中，有效载荷重复器除了IEEE 802.11n/ac系统中的现有编码方案外还可实现新的调制和编码方案，诸如编码率为1/4的二进制相移键控，以有效地重复通信信号的传输中的有效载荷。

其它实施例包括接收装置，其中所述接收装置包含将多个STF、LTF和/或SIG符号相关的相关器，以检测来自传送装置的通信。接收装置还可包括用于基于数据流中数据的多次重复校正来自通信信号的数据流的校正逻辑。在一些实施例中，接收装置可用短训练字段的重复执行初始参数估计。在另外的实施例中，接收装置可用长训练字段的重复执行精确参数估计。

在1GHz和更低的频带中，可用带宽受限制，由此使用20MHz、40MHz、80MHz和160MHz的带宽的IEEE 802.11n/ac类型系统在一些地理区域可能是不切实际的。在许多实施例中，系统具有近似1MHz到10MHz的数量级的带宽。在若干实施例中，802.11n/ac类型系统可下调时钟(down-clocked)以实现更低带宽。例如，许多实施例按N下调时钟，诸如20MHz、40MHz、80MHz和160MHz除以N，其中N例如可取值10，从而提供2MHz、4MHz、8MHz和16MHz带宽操作。实施例还可通过其它方法实现1MHz的带宽。在一些实施例中，2MHz、4MHz、8MHz和16MHz的带宽的频音计数可基于IEEE 802.11ac系统的频音计数。在其它实施例中，频音计数可不同于那些IEEE 802.11ac系统，例如移除了在较低带宽不是不必要的频音计数。

一些实施例例如可提供室内和/或室外“智能”电网和传感器服务。例如，一些实施例可提供传感器以计量具体区域内一个或多个家庭的电、水、燃气和/或其它公用事业的使用情况，并以无线方式向仪表子站传送这些服务的使用情况。另外的实施例可将传感器用于家庭保健、诊所或医院监视保健相关事件和患者的生命指征，诸如跌倒检测、药瓶监视、重量监视、睡眠窒息、血糖水平、心率等。相比在IEEE 802.11n/ac系统中提供的装置，设计用于这种服务的实施例一般而言需要低得多的数据速率和低得多(超低)的功耗。

一些实施例再用具有满足这些较低数据速率和超低功耗要求的新特征的IEEE 802.11n/ac系统，以再用硬件实现并降低实现成本。另外的实施例适合多个流。若干实施例未实现传统训练字段和传统信号字段，并且未实现多用户多输入多输出(MIMO)。并且一些实施例采用射束形成。

本文描述的逻辑、模块、装置和接口可执行可以用硬件和/或代码实现的功能。硬件和/或代码可包括设计成实现该功能性的软件、固件、微代码、处理器、状态机、芯片集或它们的组合。

实施例可便于无线通信。一些实施例可集成低功率无线通信，像蓝牙无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)、无线个域网(WPAN)、蜂窝网、电气与电子工程师协会(IEEE)IEEE 802.11-2007、信息技术IEEE标准-系统之间的电信和信息交换-局域和城域网-特定要求-部分11：无线LAN媒体访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范(http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11-2007.pdf)、网络中的通信、消息传递系统和智能装置以便于这种装置之间的交互。而且，一些无线实施例可包含单个天线，而其它实施例可采用多个天线。

现在转到图1，示出了无线通信系统1000的实施例。无线通信系统1000包括有线连接到或以无线方式连接到网络1005的通信装置1010。通信装置1010可借助于网络1005与多个通信装置1030、1050和1055以无线方式通信。通信装置1010、1030、1050和1055可包括传感器、站、接入点、集线器、交换机、路由器、计算机、膝上型电脑、笔记本、蜂窝电话、PDA(个人数字助理)或其它具有无线能力的装置。由此，通信装置可以是移动的或固定的。例如，通信装置1010可包括用于家庭邻域内水消耗的计量子站。邻域内的每个家庭都可包括通信装置，诸如通信装置1030，并且通信装置1030可与水计量使用情况仪表(water meter usage meter)集成在一起或耦合到水计量使用情况仪表。通信装置1030可发起与计量子站的通信以传送与水使用情况相关的数据，并且可驻留在距通信装置1010相当大距离的地方。

通信装置1030当发起与通信装置1010的通信时可例如借助于前导码重复器1036重复短训练字段(STF)数次，以扩展通信装置1010可检测STF的范围。在若干实施例中，通信装置1010还可重复长训练字段(LTF)和信号(SIG)字段用于单个流以及重复附加LTF用于多流通信。重复LTF可为长距离通信提供改进的参数估计，诸如频率误差、定时误差和信道估计。

在许多实施例中，通信装置1030还可借助于有效载荷重复器1042重复有效载荷(例如与水使用情况相关的数据)多次，以便于由通信装置1010对该数据解码。前导码重复器1036和有效载荷重复器1042一般而言可称为物理层的重复逻辑。

通信装置1010可包括对所接收信号求积分的相关器以检测来自从通信装置1030传送的多个STF中的STF。并且，通信装置1010可包括校正逻辑1026以利用有效载荷的多个拷贝来确定有效载荷的准确表示。

在另外的实施例中，通信装置1010可便于数据卸载。例如，作为低功率传感器的通信装置可包含数据卸载方案以例如借助于Wi-Fi、其它通信装置、蜂窝网络等通信，以便减少等待访问例如计量站时消耗的功耗和/或提高带宽可用性。从传感器(诸如计量站)接收数据的通信装置可包含数据卸载方案以例如借助于Wi-Fi、其它通信装置、蜂窝网络等通信，以便减少网络1005的拥塞。

网络1005可表示数个网络的互连。例如，网络1005可与广域网(诸如因特网或内联网)耦合，并可互连借助于一个或多个集线器、路由器或交换机以有线方式或以无线方式互连的本地装置。在本实施例中，网络1005以通信方式耦合通信装置1010、1030、1050和1055。

通信装置1010和1030分别包括存储器1011和1031、媒体访问控制(MAC)子层逻辑1018和1038以及物理层逻辑1019和1039。存储器1011、1031(诸如动态随机存取存储器(DRAM))可以存储帧、前导码和前导码结构或其部分。帧也称为MAC层协议数据单元(MPDU)，并且前导码结构可在传送装置与接收装置之间建立并保持同步通信。

MAC子层逻辑1018、1038可生成帧，并且物理层逻辑1019可基于这些帧生成物理层数据单元(PPDU)。更具体地说，帧构建器1012和1032可生成帧，并且物理层逻辑1019的数据单元构建器1013和1033可生成PPDU。数据单元构建器1013和1033可通过封装包括由帧构建器1012和1032生成的帧的有效载荷以对分别借助于天线阵列1024和1044通过一个或多个RF信道传送的有效载荷加前缀，来生成PPDU。

数据单元构建器1013和1033可分别包括前导码重复器1016和1036。前导码重复器1016和1036可便于装置(诸如通信装置1010与1030)之间的扩展范围通信。前导码重复器1016、1036可生成具有多个级联STF序列(并且在一些实施例中具有长训练字段(LTF))和信号字段的前导码。例如，前导码重复器1016、1036可生成包含例如具有5个级联STF序列的前导码的PPDU。在一些实施例中，前导码重复器1016、1036可生成PPDU的包括5个STF、5个LTF和5个信号字段的前导码。在其它实施例中，不同数量的STF、LTF和信号字段可包含在PPDU的前导码中。

通信装置1010、1030、1050和1055可各包括收发器(RX/TX)，诸如收发器(RX/TX)1020和1040。在许多实施例中，收发器1020和1040实现正交频分复用(OFDM)。OFDM是将数字数据编码在多载波频率上的方法。OFDM是用作数字多载波调制方法的频分复用方案。大量紧密分隔的正交副载波信号用于携带诸如OFDM符号的数据。OFDM符号被分成多个并行数据流或信道，每个副载波一个。用调制方案以低符号率调制每个副载波，从而在同一带宽中，保持类似于常规单载波调制方案的总数据速率。

OFDM系统使用若干载波或“频音”，用于包含数据、导频、保护和清空(nulling)的功能。数据频音用于借助于其中一个信道在传送器与接收器之间传递信息。导频频音用于保持信道，并且可提供关于时间/频率和信道跟踪的信息。可在传输期间将保护频音插入在符号(诸如短训练字段(STF)与长训练字段(LTF)符号)之间，以避免符号间干扰(ISI)，其可源自多径失真。这些保护频音还有助于信号符合频谱屏蔽(spectral mask)。直流分量(DC)的清空可用于简化直流转换接收器设计。

每个收发器1020、1040包括RF传送器和RF接收器。在目前的实施例中，每个RF传送器都包括有效载荷重复器1022、1042，并且每个RF接收器都包括校正逻辑1026、1046。有效载荷重复器1022、1042可包括用于将有效载荷的重复包含在PPDU的传输中的逻辑。在一些实施例中，有效载荷重复器1022、1042可包括向量重复逻辑以在位流进入交织器之前级联位流中的数据重复，并且如果是多个位流，则在位流进入流解析器之前级联位流中的数据重复，。

在另外的实施例中，有效载荷重复器1022、1042可包括符号重复逻辑以创建传送链中符号的多于一次的重复，这在频域中是在将传送链中的符号变换到时域之前，或者在时域中是在这种变换之后。在其它实施例中，有效载荷重复器1022、1042可包括新调制和编码方案。新调制和编码方案可包括编码率为1/4的二进制相移键控(BPSK)，从而在码空间中有效地重复有效载荷。

校正逻辑1026、1046可在接收器中提供用于利用通信信号中有效载荷重复的逻辑。具体地说，校正逻辑1026、1046可比较接收的有效载荷的多个版本以确定传送的有效载荷的正确版本。在另外的实施例中，校正逻辑1026、1046可便于借助于编码率为1/4的BPSK解调来自传送器的通信信号。

图1可描绘包含例如具有4个空间流的多输入多输出(MIMO)系统的数个不同实施例，并且可描绘其中一个或多个通信装置1010、1030、1050和1055包括具有单个天线的接收器和/或传送器的退化系统，包含单输入单输出(SISO)系统、单输入多输出(SIMO)系统和多输入单输出(MISO)系统。图1的无线通信系统1000打算表示电气与电子工程师协会(IEEE)802.11ah系统。类似地，装置1010、1030、1050和1055打算表示IEEE 802.11ah装置。

在本实施例中，天线阵列1024是各个可单独激励的天线单元的阵列。应用到天线阵列1024的单元的信号使天线阵列1024辐射1到4个空间信道。如此形成的每个空间信道可将信息携带到一个或多个通信装置1030、1050和1055。类似地，通信装置1030包括用于从通信装置1010接收信号以及向通信装置1010传送信号的收发器1040。收发器1040可包括天线阵列1044并且能够与IEEE 802.11ah装置通信。

图1A描绘了具有用于在无线通信装置(诸如图1中的通信装置1010、1030、1050和1055)之间建立通信的前导码结构1062的物理层协议数据单元(PPDU)1060的实施例。PPDU 1060可包括前导码结构1062，其包含用于单个多输入多输出(MIMO)流的正交频分复用(OFDM)训练符号，之后是信号字段，接着是用于附加MIMO流的附加OFDM训练符号，并且前导码结构1060之后可以是数据1072有效载荷。具体地说，PPDU 1060可包括短训练字段(STF)1064、之后是重复X次的STF 1065、长训练字段(LTF)1066、之后是重复X次的LTF 1067、信号字段(SIG)1068、之后是重复X次的SIG字段1069，并且在一些实施例中，还有附加字段1070，诸如附加LTF，以支持多个流。前导码结构1062之后可以是数据1072，数据1072是PPDU 1060的有效载荷。

STF 1064可包括数个短训练符号，诸如10个长度为0.8微秒(μs)乘以N的短训练符号，其中N是整数，表示从20MHz信道间距的下调时钟(down-clocking)因子。例如，对于10MHz信道间距，定时将是双倍的。在20MHz信道间距时STF 1064的总时帧是8μs乘以N。STF*X 1065可包括STF 1064的1到4次附加重复，因此总时帧可以是8μs乘以N乘以X。在一些实施例中，前导码结构1062可仅包含STF 1064的重复，不包含LTF 1066和SIG字段1068的重复。在另外的实施例中，前导码结构1062包括LTF 1066和/或SIG字段1068的重复。如图1A所示出的。

LTF 1066可包括保护间隔(GI)符号和2个长训练符号。在20MHz信道物理层逻辑时，保护间隔符号的持续时间可以是1.6μs乘以N，并且每一个长训练符号的持续时间可以是3.2μs乘以N。在20MHz信道间距时LTF 1066的总时帧是8μs乘以N。LTF*X 1067可包括LTF 1066的1到4次附加重复，因此总时帧可以是8μs乘以N乘以X。

SIG字段1068可包括以0.8μs乘以N的保护间隔(GI)符号和以7.2μs乘以N的信号字段符号。如果需要的话，在20MHz信道间距时，附加字段1070例如可包括用于附加MIMO流的以4μs乘以N的一个或多个LTF符号。在一些实施例中，附加字段1070还可在前导码结构1062中重复一次或多次。例如，附加字段1070可包括用于多流天线训练的附加LTF符号，并且这些附加LTF符号可被重复X次，每个LTF符号的持续时间是4μs乘以N乘以X。

数据1072可包括一个或多个MAC子层协议数据单元(MPDU)，并且可包含一个或多个GI。例如，数据1072可包括一个或多个符号集，其中包含在20MHz信道间距时以0.8μs乘以N的GI符号，之后是在20MHz信道间距时以3.2μs乘以N的有效载荷数据。

注意，虽然用于物理层和MAC子层的逻辑被示出为与收发器互连的单独单元，但在一些实施例中，该逻辑可与一个或多个其它装置集成以实现相同功能性。

图2示出了在无线网络中传送基于正交频分复用(OFDM)的通信的设备的实施例。该设备包括与媒体访问控制(MAC)子层逻辑201和物理层逻辑202耦合的收发器200。MAC子层逻辑201可生成帧，并且物理层逻辑202可用前导码封装帧(MPDU)以生成物理层协议数据单元(PPDU)，从而借助于收发器200传送。例如，帧构建器可生成如下帧：其包含规定帧是管理帧、控制帧还是数据帧的类型字段和规定帧功能的子类型字段。控制帧可包含准备发送帧或清除发送帧。管理帧可包括信标帧类型、探测响应帧类型、关联响应帧类型和重新关联响应帧类型。并且数据类型帧被设计成用于传送数据。

物理层逻辑202的前导码重复器203可以重复PPDU的前导码中的STF、LTF和/或SIG字段的符号一次或多次，以扩展接收装置可检测和解码前导码的范围。例如，通过扩展在STF中使用的序列数量提供范围扩展。可通过级联多组时域波形来创建新STF。在时域给出STF时域序列如下：

$s_{\mathrm{STF}}^{l_{\mathrm{rx}}}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N_{\mathrm{TX}}{N}_{\mathrm{STF}}^{\mathrm{Tone}}}}{w}_{T_{\mathrm{STF}}}\left(t\right)\underset{-N_{\mathrm{SR}}}{\overset{N_{\mathrm{SR}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_k{S}_k\exp \left(j2\mathrm{\πk}{\mathrm{\Δ}}_F\left(t\right)\right)$

其中：

N_Tx是传送天线数量；

是STF有效载荷中的频音数量；

w(t)是加窗函数；

γ_k是旋转函数；

N_SR是最高数据副载波；

k是副载波索引；

Δ_k是副载波频率间距。

在一些实施例中，可级联STF的从3个到高达5个时域序列。由此，可通过级联多个符号(上面定义的时域序列)来创建扩展STF。3个符号可提供以2MHz的160样本序列的总共12次重复。高达5个符号可提供160样本序列的20次重复。对于重复时域序列3次的情况，最终STF将由下式给出：

$s_{\mathrm{STF}}^f=\left[s_{\mathrm{STF}}^{l_{\mathrm{rx}}}\left(t\right)s_{\mathrm{STF}}^{l_{\mathrm{rx}}}\left(t\right)s_{\mathrm{STF}}^{l_{\mathrm{rx}}}\left(t\right)\right]$

收发器200包括接收器204和传送器206。传送器206可包括编码器208、交织器209、调制器210、OFDM模块212和有效载荷重复器207中的一个或多个。注意，一些实施例包含前导码重复器203，并不包含有效载荷重复器207。

传送器206的编码器208从物理层逻辑202接收预定用于传输的数据。物理层逻辑202可以块或符号(诸如数据字节)的形式向收发器200呈现数据。编码器208可使用现在已知或要开发的数个算法中的任一个算法对数据编码。可进行编码以实现多个不同目的中的一个或多个。例如，可执行编码以减少为了传递要传送的信息的每个符号而必须发送的平均位数。可以执行编码以降低在接收器处的符号检测的错误概率。由此，编码器可向数据流引入冗余。添加冗余增大了传送信息所需的信道带宽，但使得错误更少，并使信号能够以较低功率传送。编码还可包括为了安全性的加密。

在本实施例中，编码器208可实现二进制卷积编码(BCC)或低密度奇偶校验编码(LDPC)，以及其它编码。借助于一个或多个数据流向交织器209馈送编码器210的输出。在一些实施例中，流解析器可位于编码器208与交织器209之间以将数据解析成多个数据流。

在许多实施例中，有效载荷重复器207可位于或实现在编码器208与交织器209之间以生成数据流的重复，有效地生成来自物理层逻辑202的PPDU的有效载荷的相邻重复。在一些实施例中，有效载荷重复器207可包括重复码。在本实施例中，刚好在交织器209之前重复位流中的数据。在另外的实施例中，还可按顺序倒转(reverse)被重复的数据的序列位。这种方法通过将相同的编码位放在不同的频率箱(frequency bin)中并在不同时间放在传送分组中考虑了改进的性能。由此，提供了频率分集和时间分集。

交织器209可交织数据流的位，在这个阶段经常称为空间流，以防止相邻噪声位的长序列进入接收器处的解码器。交织器209可以通过将数据存储在存储器(诸如缓冲器、高速缓存或其它存储器)的行中来交织数据流中的数据位。交织器209然后输出数据的列。这些列可包含来自存储在存储器中的每一个数据行的数据位。行和列的数量取决于对于每个空间流的副载波数量以及每个单载波的编码位数(Nbpsc)。

传送器206的调制器210从交织器209接收数据。调制器210的目的是将从编码器208接收的二进制数据的每个块变换成唯一连续时间波形，唯一连续时间波形可在上变频和放大后由天线传送。调制器210将接收的数据块外加在所选频率的正弦波上。更具体地说，调制器210将数据块映射到正弦波的离散幅度的对应集合或正弦波的离散相位的集合或相对于正弦波频率的离散频率偏移的集合中。调制器210的输出是带通信号。

在一个实施例中，调制器210可实现正交幅度调制(QAM)，将来自信息序列的两个单独的k位符号外加在两个正交载波cos(2πft)和sin(2πft)上。QAM使用幅度相移键控(ASK)数字调制方案通过改变(调制)两个载波的幅度来传递两个数字位流。两个载波相位彼此相差90°，并由此称为正交载波或正交分量。调制的波被求和，并且所得到的波形是相移键控(PSK)和幅移键控(ASK)的组合。可使用至少两个相位和至少两个幅度中的有限数量个。

在一些实施例中，调制器210使用星座上围绕圆等间距的四个点映射从编码器208接收的数据块，这称为正交相移键控(QPSK)。用四个相位，QPSK可每符号编码2位。

在另一个实施例中，调制器210将从编码器208接收的数据块交替地映射在称为I信道(用于“同相”)和Q信道(“相位正交”)的两个信道或流上，其称为交错正交相移键控(SQPSK)。SQPSK是其中信号载波相变每次是90度或1/4周期的相移键控方法。90度的相移被称为相位正交。单个相变不超过90度。在SQPSK中，存在四个状态：0度、+90度、-90度和180度。

在另一个实施例中，调制器210将从编码器208接收的数据块映射到载波的离散相位集合中以产生相移键控(PSK)信号。通过将输入序列的k＝log₂N个二进制数位的块映射到N个对应相位θ＝2π(n-1)/n之一中来生成N-相位PSK信号，n是小于或等于N的正整数。所得到的等效低通信号可表示为：

$u\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{J{\mathrm{\θ}}_n}g(t-\mathrm{nT})$

其中g(t-nT)是基本脉冲，其形状可被最优化以例如通过降低符号间干扰来增大在接收器处的准确检测概率。这种实施例可使用二进制相移键控(BPSK)、最简单形式的相移键控(PSK)。BPSK使用分开180°的两个相位，并且是所有PSK中最鲁棒的，原因在于要使解调器达到不正确判定需要最高等级噪声或失真。在BPSK中，存在信号相位的两个状态：0度和180度。在调制之前经常以差分方式对数据编码。

在图2中，调制器210与有效载荷重复器207耦合以示出在一些实施例中包含附加调制和编码方案，有效载荷重复器207用于有效地重复数据流中的数据一次或多次用于范围扩展。在这种实施例中，有效载荷重复器207表示编码率为1/4的BPSK的实现。这个调制和编码方案可提供强码(strong code)以及由此改进的编码增益连同频率和时间分集的益处。在一个实施例中，用如下发生器(采用八进制)135、135、147和163创建码。作为比较，当前比率1/2码的自由距离是10，对于这个新比率1/4代码，自由距离是20。由此，使用这个新码使自由距离加倍。

调制器209的输出被馈送到OFDM模块212。OFDM模块212可包括空间时间块编码(STBC)模块211、数字射束形成(DBF)模块214和快速傅里叶逆变换(IFFT)模块215。STBC模块211可从调制器209接收对应于一个或多个空间流的星座点，并且可将空间流扩展到更大数量的空间时间流(一般也称为数据流)。在一些实施例中，对于其中例如空间流数量是空间时间流的最大数量的情形，可以控制STBC 211通过空间流。另外的实施例可省略STBC。

OFDM模块212将形成为OFDM符号的已调制数据外加在或映射在多个正交副载波上。在一些实施例中，OFDM 212包括数字射束形成(DBF)模块214。可采用数字射束形成技术提高无线系统的效率和容量。一般而言，数字射束形成使用数字信号处理算法，数字信号处理算法在由天线单元阵列接收的和从天线单元阵列传送的信号上操作。例如，可形成多个空间信道，并且可独立操控每个空间信道，以最大化向多个用户终端中的每个用户终端传送和从多个用户终端中的每个用户终端接收的信号功率。另外，可应用数字射束形成以最小化多径衰落并拒绝同信道干扰。

OFDM模块212还可包括对OFDM符号执行离散傅里叶逆变换(IDFT)的傅里叶逆变换模块。在STBC 211与IFFT 215之间，有效载荷重复器207可在频域生成数据流中OFDM符号的3到5次重复以例如通过重复码改进有效载荷的检测和解码，其中在调制器210之后的传送器块的末端处重复每个OFDM符号。在若干实施例中，这个重复仅实现用于MCS0配置，即码率为1/2的BPSK调制。这个方法可使组合符号的信噪比(SNR)在单个符号上例如提高3分贝(dB)。由于在传送链的末端处或该末端附近重复符号，因此相同位落入相同频率箱中，并且符号在时间上彼此相邻。在其它实施例中，可以生成符号的更多或更少的重复。

在本实施例中，IDFT可包括IFFT模块215以对数据执行IFFT。例如，以1MHz带宽操作时，IFFT模块215可对数据流执行32点逆FFT。

在IFFT 215与例如保护间隔插入之间，有效载荷重复器207可在时域生成数据流中OFDM符号的3到5次重复，作为在频域创建重复的备选，来改进有效载荷的检测和解码。这个过程可类似地在调制器210之后的传送器块的末端处或末端附近重复每个OFDM符号。在一些实施例中，这个重复仅实现用于码率为1/2的BPSK调制。

IFFT模块215的输出可向上变频到更高载波频率，或者可与向上变频集成执行。在传输之前将信号移到高得多的频率允许使用实际维度的天线阵列。也就是说，传输频率越高，天线可能越小。由此，向上变频器将调制波形乘以正弦波以获得具有如下载波频率的信号，该载波频率作为波形中心频率和正弦波频率的总和。该运算基于三角恒等式：

$\sin A\cos B=\frac{1}{2}[\sin (A+B)+\sin (A-B)]$

使总和频率(A+B)处的信号通过，并且滤出差频率(A-B)处的信号。由此，提供带通滤波器以理想地滤出中心在载波(总和)频率的要传送的信息外的所有其它。

收发器200还可包括连接到天线阵列218的天线共用器(diplexer)216。由此，在这个实施例中，将单个天线阵列用于传输和接收。当传送时，信号通过天线共用器216并用向上变频的信息承载信号驱动天线。在传输期间，天线共用器216阻止要传送的信号进入接收器204。当接收时，由天线阵列接收的信息承载信号通过天线共用器216以将信号从天线阵列传递到接收器204。天线共用器216然后阻止已接收信号进入传送器206。由此，天线共用器216作为交换机操作以将天线阵列单元交替地连接到接收器204和传送器206。

天线阵列218将信息承载信号辐射成可由接收器的天线接收的电磁能量的时变空间分布。接收器然后可提取已接收信号的信息。天线单元阵列可产生多个空间信道，它们可被操控用于最优化系统性能。互易地，接收器天线处以该辐射图案的多个空间信道可被分成不同空间信道。由此，天线阵列218的辐射图案可高度可选。可使用印刷电路板金属化技术实现天线阵列218。例如微带(microstrip)、带状线(stripline)、开槽线(slotline)和贴片(patch)是天线阵列218的所有候选。

收发器200可包括用于接收、解调和解码信息承载信号的接收器204。接收器204包括可利用前导码的被重复符号(诸如STF、LTF和/或SIG符号的重复)的相关器223。相关器223可以利用被重复符号，通过在与被重复符号相关联的更长或扩展的时间段上对输入信号求积分，来检测来自传送器(诸如传送器206)的通信信号的前导码。相关器223可将STF、LTF和/或信号字段符号的重复与STF、LTF和信号字段的已知序列相比较以识别通信信号的前导码，并由此检测通信信号。

例如用于农场的符合IEEE 802.11ah的数据收集站可周期性地从已经集成了符合IEEE 802.11ah的无线通信装置的低功率传感器接收数据。传感器可进入低功率模式一段时间，醒来以便周期性地收集数据，并周期性地与数据收集站通信以传送由传感器收集的数据。在许多实施例中，传感器确定具有STF序列的3到5次重复的前导码。在若干实施例中，传感器还生成具有有效载荷的重复的PPDU，以改进由传感器收集的数据的检测和解码。数据收集站的相关器223然后可将前导码的3到5次重复与STF、LTF和/或信号字段的已知序列相比较以检测来自传感器的传输的接收。

接收器204可包括OFDM模块222、解调器224、解交织器225、解码器226和相关逻辑230中的一个或多个。OFDM 222从信息承载信号被调制到其上的多个副载波提取信号信息作为OFDM符号。

OFDM模块222可包括快速傅里叶变换(FFT)模块219、DBF模块220和STBC模块221。从天线单元218向FFT模块219馈送已接收信号以将通信信号从时域变换到频域。在一些实施例中，校正逻辑230可接收有效载荷符号的多个重复，并解决符号中的错误以基于在FFT模块219之前或之后由接收器204接收的符号的重复来确定错误已被校正的符号。DBF模块220将N个天线信号变换成L个信息信号。并且STBC模块221可将数据流从空间时间流变换到空间流。在一个实施例中，对FFT的输出数据并行地执行解调。在另一个实施例中，单独的解调器224单独地执行解调。

解调器224解调空间流。解调是从空间流中提取数据以产生已解调空间流的过程。解调方法取决于信息被调制在已接收载波信号上所用的方法并且此类信息包含在通信信号中所包含的传输向量(TXVECTOR)中。由此，例如，如果调制是BPSK，则解调涉及相位检测以将相位信息转换成二进制序列。在本实施例中，解调器224与校正逻辑230耦合以表示解调器224可包括用于除了IEEE 802.11n/ac系统中的现有编码方案外还解调码率为1/4的新调制和编码方案BPSK的逻辑。

解调器224向解交织器225提供信息位序列。解交织器225可按列存储数据位，并按行移除数据，以解交织数据。在一些实施例中，校正逻辑230可以在由解交织器225输出之后对数据流中的数据的重复执行错误校正。

解码器226对从解调器224接收的数据解码，并向物理层逻辑202传送已解码信息MPDU。在一些实施例中，校正逻辑230可对数据流执行错误校正。

本领域技术人员将认识到，收发器可包括图2未示出的许多附加功能，并且接收器204和传送器206可以是不同的装置，而不是封装为一个收发器。例如，收发器的实施例可包括动态随机存取存储器(DRAM)、参考振荡器、滤波电路、空间映射器、循环移位插入模块、保护间隔插入模块、同步电路，可能还有多个频率转换级和多个放大级等。另外，图2中示出的一些功能可被集成。例如，数字射束形成可与正交频分复用集成。

注意，在许多实施例中，有效载荷重复器207可实现在数据流内的一个位置，诸如在交织器209之前，在调制器210中，或在OFDM 212中在IFFT 215之前或之后。在其它实施例中，有效载荷重复器207可实现在沿数据流的多于一个位置。类似地，校正逻辑230在一些实施例中可实现在一个位置，诸如在FFT 219之前，在FFT 219之后，在解调器224中，或在解交织器225之后。在其它实施例中，校正逻辑230可实现在多于一个位置。

图3描绘了用图2中所示出的传送器传送通信的流程图300的实施例。流程图300示出了4个备选流程。具体地说，单元317、327、332和337指示4个可选的备选过程。在其它实施例中，同一过程中可包含这些备选单元中的多于一个备选单元。

流程图300开始于从帧构建器接收帧(单元305)。MAC子层逻辑可生成传送到另一个通信装置的帧，并可将帧作为MPDU传到物理层逻辑的数据单元构建器，该数据单元构建器将数据变换成可传送到其它通信装置的分组。数据单元构建器可生成前导码，其中前导码包含STF、LTF和/或SIG字段序列的3到5个级联重复(单元307)。数据单元构建器然后可使用前导码封装PSDU(来自帧构建器的MPDU)以形成PPDU用于传输(单元310)。在一些实施例中，多于一个MPDU可被封装在PPDU中。

流程图300继续进行，其中传送器(诸如传送器206)从物理层逻辑接收PPDU。传送器可以用二进制卷积编码(BCC)或低密度奇偶校验编码来对PPDU编码(单元315)以便控制数据传输中的错误。更具体地说，传送器可借助于在PPDU的前导码中描述的一个或多个编码方案(诸如BCC或LDPC)对PPDU编码。

在对帧编码之后，在一些实施例中，传送器可重复位流一次或多次以提供有效载荷重复(单元317)。在一些实施例中，传送器还可以相反顺序生成位流中的重复位序列。

传送器可在一个或多个数据流中交织帧(单元320)。例如，传送器的交织器例如可从流解析器接收具有多个数据流中数据的帧。交织器然后可将来自数据流的数据存储在存储器的行中，并将数据作为数据流从存储器的列输出，从而交织数据位以便传输。

传送器可借助于前导码指示的调制和编码方案(诸如BPSK、16-QAM、64-QAM、256-QAM、QPSK或SQPSK)调制数据流(单元325)。例如，星座映射器可将数据流中的位序列映射到星座点(复数)。在一些实施例中，传送器可用码率为1/4的BPSK调制来调制数据流(单元327)以有效地重复有效载荷的符号。

传送器的OFDM模块可将星座点的数据流作为OFDM符号映射到传送链(单元330)。例如，OFDM模块可包括用于将星座点的空间流映射到空间时间流的STBC编码器和用于将空间时间流映射到传送链作为用副载波编码的OFDM符号的空间映射器。空间映射器可提供直接映射，其中来自每个空间时间流的星座点被直接映射到传送链上(一对一映射)。空间映射可以提供空间扩大(expansion)，其中借助于矩阵相乘来扩大来自所有空间时间流的星座点向量，以产生OFDM符号到所有传送链的输入。或者，空间映射器可以提供DBF，其中来自所有空间时间流的星座点的每个向量都乘以导引向量(steering vector)的矩阵，以产生OFDM符号作为到传送链的输入。

在一些实施例中，在映射数据流作为OFDM符号之后，可以重复符号以将有效载荷的重复包含在传送链中(单元332)，从而扩大接收器可有效地检测和解码有效载荷的范围。

传送器可借助于傅里叶逆变换将OFDM符号变换到时域中(单元335)。在一些实施例中，在将符号变换到时域之后，可以重复符号以将有效载荷的重复包含在传送链中(单元337)。此后，传送器可将OFDM符号向上变频以便传输(单元340)，并将OFDM符号作为通信信号传送到天线以向另一个通信装置传送该信号(单元345)。如果存在更多帧要传送(单元360)，则该过程可在单元305再次开始。

图4描绘了用图2中所示出的接收器检测和接收通信的流程图400的实施例。流程图400示出了4个备选流程。具体地说，单元412、417、427和433指示4个可选的备选过程。在其它实施例中，同一过程中可包含这些备选单元中的多于一个备选单元。

流程图400开始于接收器(诸如接收器204)通过将通信信号相对已知前导码序列相关来检测通信信号(单元403)。流程图400继续借助于一个或多个天线(诸如天线阵列218的天线单元)接收来自传送器的通信信号(单元405)。接收器可将通信信号向下变频到较低频率(单元410)。此后，在一些实施例中，接收器可对有效载荷的符号执行错误校正，利用有效载荷的重复确定错误已被校正的符号(单元412)。

接收器可借助于FFT将通信信号变换到频域(单元415)。在一些实施例中，接收器可在将符号变换到频域之后基于有效载荷符号的重复对有效载荷的符号执行错误校正(单元417)。

传送器可以从通信信号中提取OFDM符号(单元420)，并解调OFDM符号以产生已解调符号的数据流(单元425)。例如，解调器(诸如解调器224)例如借助于BPSK、16-QAM、64-QAM、256-QAM、QPSK或SQPSK解调数据流。在一些实施例中，解调器可基于码率为1/4的BPSK调制解调数据流(单元427)。

解交织器可接收已解调数据流，并例如通过按列存储数据并按行移除数据来解交织数据流。在一些实施例中，接收器可在解交织数据流之后对数据流执行错误校正，以对于数据流中的重复符号中的错误进行校正(单元433)。

解码器(诸如解码器226)可解码来自解调器的数据流，以例如借助于BCC或LDPC确定PPDU(单元435)。传送器然后可从PPDU中提取MPDU(单元440)，并向MAC子层逻辑(诸如MAC子层逻辑201)传送MPDU(单元445)。

另一个实施例实现为用于实现参考图1-4描述的系统和方法的程序产品。一些实施例可采取完全硬件实施例、完全软件实施例或含有硬件和软件单元的实施例的形式。一个实施例用软件实现，其包含但不限于固件、常驻软件、微代码等。

而且，实施例可采取可从提供程序代码供计算机或任何指令运行系统使用或与之相关的计算机可用媒体或计算机可读媒体访问的计算机程序产品(或机器可访问产品)的形式。为了这个说明书的目的，计算机可用媒体或计算机可读媒体可以是可包含、存储、传递、传播或运送程序以供指令运行系统、设备或装置使用或与之相关的任何设备。

媒体可以是电、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或设备或装置)。计算机可读媒体的示例包含半导体或固态存储器、磁带、可拆卸计算机盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包含压缩盘只读存储器(CD-ROM)、压缩盘读/写(CD-R/W)和DVD。

适合于存储和/或运行程序代码的数据处理系统将包含至少一个直接耦合到存储单元或通过系统总线间接耦合到存储单元的处理器。存储单元可包含在程序代码实际运行期间采用的本地存储器、大容量存储装置以及高速缓冲存储器，它们提供至少一些程序代码的暂时存储以便减少在运行期间必须从大容量存储装置中检索代码的次数。

上面所描述的逻辑可以是集成电路芯片的一部分设计。用图形计算机编程语言创建芯片设计，并将芯片设计存储在计算机存储媒体(诸如盘、带、物理硬盘驱动器或虚拟硬盘驱动器(诸如存储装置访问网))中。如果设计者不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩膜，则设计者通过物理手段(例如通过提供存储设计的存储媒体的拷贝)或以电子方式(例如通过因特网)向此类实体直接或间接传送所得到的设计。存储的设计然后被转换成适当格式(例如GDSII)进行制造。

所得到的集成电路芯片可由制造者以原晶形式(也就是作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸片或以封装形式分发。在后一情况下，芯片安装在单芯片封装(诸如塑料载体，具有附到母板或其它较高级载体的引线)中或多芯片封装(诸如具有表面互连或掩埋互连或二者的陶瓷载体)中。在任何情况下，芯片然后都与其它芯片、分立电路单元和/或其它信号处理器件集成，作为(a)中间产品(诸如母板)或(b)最终产品的一部分。

Claims (30)

1.一种方法，包括：

由物理层逻辑生成用于正交频分复用通信的前导码，所述前导码具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复；

接收由媒体访问控制子层逻辑生成的帧；以及

由所述物理层逻辑用所述前导码封装所述帧以生成物理层协议数据单元。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：由天线传送由所述前导码封装的所述帧。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：由所述媒体访问控制子层逻辑将所述前导码存储在存储器中。

4.如权利要求1所述的方法，其中生成所述前导码包括：生成具有用于附加流的附加训练序列的重复的前导码，其中在所述前导码中所述附加训练序列在所述信号字段之后。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：通过在交织数据流之前重复所述数据流中有效载荷的数据并倒转被重复数据的位的顺序来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：通过在调制所述数据之后并在插入保护间隔之前重复数据流中有效载荷的数据来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：用编码率为1/4的二进制相移键控调制来调制所述数据流。

8.一种装置，包括：

存储器；

与所述存储器耦合的数据单元构建器，所述数据单元构建器用于生成包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的前导码；接收由媒体访问控制子层逻辑生成的帧；以及用所述前导码封装所述帧以生成物理层协议数据单元。

9.如权利要求8所述的装置，还包括：与所述数据单元构建器耦合的传送器，所述传送器用于传送由所述前导码封装的所述帧。

10.如权利要求8所述的装置，其中所述数据单元构建器存储器与所述存储器耦合以存储至少部分所述前导码。

11.如权利要求8所述的装置，其中所述数据单元构建器配置成生成具有用于附加流的附加训练序列的重复的前导码，其中在所述前导码中所述附加训练序列在所述信号字段之后。

12.如权利要求8所述的装置，还包括：传送器，所述传送器用于通过在交织数据流之前重复所述数据流中有效载荷的数据并倒转被重复数据的位的顺序来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

13.如权利要求8所述的装置，还包括：传送器，所述传送器用于通过在调制所述数据之后并在插入保护间隔之前重复数据流中有效载荷的数据来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

14.如权利要求8所述的装置，还包括：传送器，用于用编码率为1/4的二进制相移键控调制来调制所述数据流。

15.一种系统，包括：

数据单元构建器，用于生成包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的前导码；接收由媒体访问控制子层逻辑生成的帧；以及用所述前导码封装所述帧以生成物理层协议数据单元；

与所述数据单元构建器耦合的传送器；以及

天线阵列，所述天线阵列用于传送来自所述数据单元构建器的所述帧。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述数据单元构建器配置成生成具有用于附加流的附加训练序列的重复的前导码，其中在所述前导码中所述附加训练序列在所述信号字段之后。

17.如权利要求15所述的系统，其中所述传送器包括：有效载荷重复器，所述有效载荷重复器用于通过在交织数据流之前重复所述数据流中有效载荷的数据并倒转被重复数据的位的顺序来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

18.如权利要求15所述的系统，其中所述传送器包括：有效载荷重复器，所述有效载荷重复器用于通过在调制所述数据之后并在插入保护间隔之前重复数据流中有效载荷的数据来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

19.如权利要求15所述的系统，其中所述传送器包括调制器以用编码率为1/4的二进制相移键控调制来调制所述数据流。

20.一种机器可访问产品，包括：

媒体，包含用于正交频分复用通信的指令以使传送器响应于运行所述指令来执行操作，其中所述操作包括：

通过重复数据流中有效载荷的数据来生成物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

21.如权利要求20所述的机器可访问产品，其中生成物理层协议数据单元的有效载荷的重复包括：通过在交织数据流之前重复所述数据流中有效载荷的数据并倒转被重复数据的位的顺序来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

22.如权利要求21所述的机器可访问产品，其中生成物理层协议数据单元的有效载荷的重复包括：通过在调制所述数据之后并在插入保护间隔之前重复所述数据流中有效载荷的数据来生成所述物理层协议数据单元的有效载荷的重复。

23.一种方法，包括：

由相关逻辑接收包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的通信信号；以及

由所述相关逻辑比较所述前导码的所述短训练字段的重复与已知短训练字段序列以检测所述通信信号。

24.如权利要求23所述的方法，还包括：由天线接收由所述前导码封装的有效载荷。

25.如权利要求23所述的方法，还包括：基于所述通信信号中的所述有效载荷的重复对所述有效载荷执行错误校正。

26.如权利要求23所述的方法，还包括：用所述短训练字段的重复执行初始参数估计。

27.如权利要求23所述的方法，还包括：用所述长训练字段的重复执行精确参数估计。

28.一种装置，包括：

天线；

与所述天线耦合的接收器，所述接收器用于接收包括具有短训练字段、长训练字段和信号字段的重复的前导码的通信信号；以及比较所述前导码的所述短训练字段的重复与已知短训练字段序列以检测所述通信信号。

29.如权利要求28所述的装置，其中所述接收器包括用于基于在所述通信信号中所述有效载荷的重复对所述有效载荷执行错误校正的逻辑。

30.如权利要求28所述的装置，其中所述接收器包括用于用所述短训练字段的重复执行初始参数估计以及用所述长训练字段的重复执行精确参数估计的逻辑。

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