CN103081383B

CN103081383B - 用于无线局域网设备的方法和装置

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Publication number: CN103081383B
Application number: CN201080068783.7A
Authority: CN
Inventors: 高文; 陈厚昕
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: CN103081383A; KR20160027205A; JP5607253B2; US9282557B2; BR112013003583A2; WO2012026935A1; KR20130106354A; US20130148639A1; JP2013539638A; EP2609700A1; KR101719461B1; US9839033B2; US9491756B2; US20170026966A1; US20160044648A1

Abstract

描述了一种方法和装置，包括：定义每个接入点的邻域集合；选择第一接入点中的第一时钟，选定的时钟具有作为重要主时钟的最高精度；建议邻域接入点与选定的重要主时钟同步；并且基于重要主时钟传输用于调度寂静期的消息。还描述了一种方法和装置，包括：接收信标消息，检查信标消息中的时钟描述符；响应于检查选择最佳主时钟，并且基于选定的最佳主时钟传输消息来调度寂静期。

Description

用于无线局域网设备的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种针对无线局域网(WLAN)设备的方法和装置，以在数字广播电视频谱的未占用(unoccupied)部分中操作。

背景技术

在组播和广播应用中，通过有线和/或无线网络将数据从服务器传输到多个接收机。本文所使用的组播系统是一种其中服务器向多个接收机同时传输相同数据的系统，在该系统中，多个接收机形成一直到所有接收机并包括所有接收机的子集。广播系统是一种其中服务器向所有接收机同时传输相同数据的系统。即，所定义的组播系统可以包括广播系统。

尚未解决没有得到许可证的无线电发射机对未占用数字电视频谱的使用，这是由于最近才实现从模拟到数字的电视广播过渡。

FCC已经发布了如果满足特定要求则允许使用电视空白空间(white space)(即，目前用户没有使用的电视信道2-51)的规定。具体地，WLAN设备需要感测目前使用，需要用于共存和资源共享的机制，并且需要改变它们的传输特性以适合于一个或多个数字电视(DTV)信道。

发明内容

当多个电视空白空间(TVWS)设备期望访问相同电视信道时，需要资源共享机制。这被称作TVWS中异质系统的共存问题。

描述了一种方法和装置，包括：定义每个接入点的邻域集合；选择第一接入点中的第一时钟，选定的时钟具有作为重要(grand)主时钟的最高精度；建议邻域接入点与选定的重要主时钟同步；并且基于重要主时钟传输用于调度寂静(quiet)期的消息。如果多个时钟具有相同最高精度，则从多个时钟之中选择具有最低媒体访问控制(MAC)地址的时钟。上述会在多于一个AP能够接收GPS或原子时钟的情况下发生。还描述了一种方法和装置，包括：接收信标消息，检查信标消息中的时钟描述符；响应于检查选择最佳主时钟，并且基于选定的最佳主时钟传输消息来调度寂静期。

附图说明

当结合附图阅读时，根据以下详细描述更好地理解本发明。附图包括以下简要描述的以下附图：

图1示出了用于信道接合的三个邻接DTV信道。

图2示出了通过去除边缘载波减小WLAN信令带宽。

图3是用于经修改的WLAN传输的正交频率分多址(OFDM)符号的示例。

图4是多个WLAN网络的示意图。

图5是多个接入点(AP)的同步的示意图。

图6示出了示例性经修改的信标帧。

图7是根据本发明原理的全局时钟选择方法的示例性实施例的流程图。

图8是根据本发明原理的局部时钟选择方法的示例性实施例的流程图。

图9是根据本发明原理操作的设备的框图。

具体实施方式

在解决WLAN设备使用电视空白空间(TVWS)的问题时，存在要考虑的两个主要方面。第一方面是修改WLAN传输特性，第二方面是频谱感测和寂静期(QP)同步。

已知，IEEE 802.11a/g传输要求20MHz的信道带宽，而IEEE802.11n传输根据对调制编码方案(MCS)的选择要求20MHz或40MHz信道带宽。然而，在DTV频谱中，信道带宽在美国是6MHz，在欧洲或亚洲是7或8MHz。为了示例性目的，在所有示例和说明中本文使用6MHz DTV信道。相同构思同样适用于7或8MHz DTV信道。此外，存在各种WLAN设备，例如与IEEE 802.11a/g/n标准相兼容的设备。为了示意性目的，为了说明使用IEEE 802.11a。

为了解决大多数WLAN设备所使用的20MHz(或40MHz)带宽与用于DTV信道的6MHz带宽之间的信道失配，以下描述和分析了两种方法。第一选项是信道接合，第二选项是信道缩放。

图1示出了三个邻接空白空间DTV信道的接合，从而形成18MHz信道。在IEEE 802.11a中，从-26到26的载波索引用于数据传输和导频载波。IEEE 802.11a设备的总占用带宽是20MHz。在三个信道接合的情况下，由于带宽已经减少了(20-18)/20＝10％，因此可用载波的总数相应地减少到索引从-24到24的集合，如图2所示。这样，载波数目减少了2/26≈8％。

在经修改的IEEE 802.11a发射机中，除了去除载波-26、-25、25、26以外，经修改的前同步码的形成与规则前同步码相同。数据符号的形成应当考虑载波的数目减少。还应当相应地修改针对每个调制编码方案的对应数据速率。因此，需要修改传输时间的计算。

该方法的优点是对IEEE 802.11a PHY和MAC层的修改最小。缺点是在美国的大多数地区难以找到三个连续(邻接)的空白空间DTV信道。此外，由于每个经修改的WLAN传输要求三个信道，因此由于可能形成的18MHz信道的数目有限，导致也难以有助于资源共享和WLAN传输之中的共存。

在本发明的备选实施例中，通过去除载波-24和24集合中可使用的载波的总数进一步减少，使得载波的数目减少了3/26＝12％。

第二选项是信道缩放。针对IEEE 802.11a设备的采样率是每秒20兆采样，并且对应占用信道带宽也是20MHz。因此，能够修改采样率，以便改变经修改的WLAN传输的占用带宽。

例如，能够将采样率变为每秒6兆采样，获得6MHz的占用信道带宽。因此，WLAN传输适合于单个DTV空白空间信道。类似地，如果存在可用的两个连续DTV空白空间信道，可以将采样率修改到每秒12兆采样。对于三个连续空白空间信道，采样率是每秒18兆采样。该方法的优点是对WLAN收发机的修改最小，即，采样时钟的修改最小。通常，从锁相环(PLL)电路中导出采样时钟或其他系统时钟。可以改变PLL的参数，来修改采样时钟和其他对应时钟信号。由于要求对电视空白空间的任何使用不会干扰目前用户，因此应当使用脉冲整形滤波器对电视空白空间中来自WLAN设备的传输信号执行滤波。因此，需要基于可用信道带宽和采样率来修改脉冲整形滤波器。

注意，还改变经修改的WLAN传输中的OFDM符号的持续时间。基于使用64点快速傅立叶逆变换(IFFT)，符号具有64个采样点。例如，如图3所示，如果采样率是每秒6兆采样，则OFDM符号的持续时间是

\frac{1}{6} \times 64 μ s = \frac{32}{3} μ s

由于循环前缀是(OFDM)符号的长度的1/4，因此将1/4与1相加，以获得没有前缀的OFDM符号的5/4总符号长度。在添加循环前缀之后，因此OFDM符号的总长度变为

\frac{32}{3} \times \frac{5}{4} μ s = \frac{40}{3} μ s

还相应地改变前同步码。因此也改变了传输时间的计算。

第二个问题是频谱感测和寂静期(QP)同步。基于FCC规则确定，电视空白空间设备应当访问地理位置数据库，来识别电视电台未占用的地区(地理位置)。由于无线麦克风同样是电视信道中得到许可证的副用户，因此电视空白空间中的WLAN设备应当能够识别无线麦克风传输所使用的电视信道。如果给定地理位置中的无线麦克风使用也记录在数据库中，例如体育或电视秀事件中使用的无线麦克风，则可以不需要频谱感测。然而，用于新闻汇集的无线麦克风的使用通常不可预期，并且因此不会预先记录在数据库中。为了识别那些未记录的无线麦克风使用，需要频谱感测。

由于针对无线麦克风的感测阈值是-114dbm，因此WLAN设备在感测给定DTV信道中的无线麦克风信号时应当寂静。因此，需要WLAN传输的同步。这样，还应当同步用于感测的寂静期。在下文中，描述用于电视空白空间中的WLAN设备同步的方法以及用于调度寂静期的方法。

在电视空白空间中WLAN设备的同步方面，考虑基础设施模式下的WLAN网络，其中，多个基站与接入点(AP)进行通信。假定多个WLAN在给定DTV空白空间信道中操作，如图4所示。

在WLAN模式中，基站通过定时器同步功能(TSF)与AP同步。TSF在1MHz下保持64比特定时器运行。在初始化时，将AP中的TSF定时器重置为零，然后以AP的1MHz时钟递增。AP周期性地发送信标帧。在每个信标处，在信标帧中插入定时器的当前值。接收信标帧的基站用信标帧中从AP接收的定时器的值来更新其TSF定时器，该TSF定时器值由执行更新操作所需的任何处理时间来修改。因此，将网络中接收信标的所有基站的定时器与AP的定时器中同步。

然而，网络中的同步不足够。需要在相同空白空间信道中操作的多个网络之间的同步。为了实现该目标，仅需要同步这些网络中的AP。

如果所有AP具备可以可靠地接收全球定位系统(GPS)卫星信号的GPS接收机，则AP可以与接收到的从精确原子时钟获得的卫星时钟信号同步。然而，AP可以不具备GPS接收机，或者不能可靠地接收GPS卫星信号，尤其在它们被安装在室内环境中的情况下。可以需要针对TSF定时器的备选同步方法。

一个选项是与邻域中的最快(或最慢)时钟同步。接入点(AP)在邻域中接收来自AP的信标。如果信标中的时间戳大于(或小于)局部TSF定时器的值，则局部TSF定时器值可以用接收到的信标帧中的时间戳来代替，由执行更新操作所需的任何处理时间来修改。这样，地区中AP的所有TSF定时器与该地区中的最快时钟(或最慢时钟)同步。然而，最快(或最慢)时钟在精度和稳定性方面可能不是最佳时钟。注意，可以在操作信道或公共控制信道中发送信标信号。

备选选项是通过回程(backhaul)链路和空中下载(over the air)通信的同步。网络时间协议(NTP)通常用于同步计算机网络(例如，互联网)中的计算机时钟。然而，NTP具有几十毫秒量级的粗糙精度。WLAN网络中的同步精度应当在微秒量级。因此，对于WLAN设备使用TVWS，NTP不适合于网络时钟的同步。

IEEE 1588是一种精确时钟同步的协议，可以提供微秒量级的精度。然而，该协议要求要同步的设备应当在子网内，或者在通过具备良好边界时钟的交换机连接的数个子网内。由于WLAN网络中的AP可能出于不同的子网，交换机可能不具有良好的边界时钟。对于WLAN设备使用TVWS，IEEE 1588可以不直接应用于网络时钟的同步。

然而，对于WLAN设备的TVWS使用，可以修改和应用IEEE 1588协议以进行网络时钟的同步。假定地区中的所有AP具有连接至互联网中频谱服务器的回程链路。在安装阶段或启动阶段，AP的位置、传输功率和时钟描述符记录在频谱服务器中。时钟描述符包含时钟特性，例如时钟精度、稳定性和时钟的源。此外，AP还可以向频谱服务器报告从中其可以正确接收和解码数据和时钟信号的AP集合。

由于AP可以仅得知来自其邻域中AP的信标帧，并且服务器知道所有AP的拓扑和时钟特性，因此频谱服务器可以从邻域中的AP之一选择时钟作为主时钟，并且通过用具有主时钟的AP的信标帧中的时间戳来代替局部TSF定时器值来通知对应的AP与选定的主时钟同步，局部TSF定时器值由用于该操作的处理时间来修改。为了实现更高(更好)的精度，可以使用类似于IEEE 1588的消息(例如，Sync消息、Follow_Up消息、Delay_Req消息和Delay_Resp消息)来计算传播延迟，传播延迟然后用于调整局部TSF定时器值。

在本发明的一个实施例中，对于给定AP，频谱服务器可以基于IEEE 1588中定义的最佳主时钟算法来选择AP邻域中的主时钟，并且通过回程链路通知AP。由于最佳主时钟算法使用邻域中AP的时钟描述符，因此该算法是局部选择方法。

在本发明的备选实施例中，频谱服务器在时钟选择方面做的较好。由于频谱服务器具有地区中AP的时钟特性的全局认识，因此频谱服务器可以选择最佳时钟作为该区域中的重要主时钟。例如，可以从接收到的GPS信号或从原子时钟中提取最佳时钟。如果多个时钟具有相同最高精度，则从多个时钟之中选择具有最低媒体访问控制(MAC)地址的时钟。这可能在多于一个AP能够接收GPS或原子时钟的情况下发生。频谱服务器通知能够得知重要主AP的信标的邻域AP，利用处理的任何必要调整，使用重要主AP的信标信号将它们的时钟与重要主时钟同步。由于邻域AP已经与重要主时钟同步，因此它们可以被选作用于它们自己邻域的主时钟。这样，该地区中的所有时钟与重要主时钟同步。该目标选择方法应当比上述局部选择方法更好地执行。

图5用作示例。下述方法与上述全局选择方法和局部选择方法一同操作。将APx的邻域集合定义为AP集合，使得APx可以接收和解码集合中AP所发送的信标帧。将APx的邻域集合表示为N(x)。因此，图5具有以下邻域集合：

N(1)＝{2，3，4}，

N(2)＝{1}，

N(3)＝{1}，

N(4)＝{1，5，6}，

N(5)＝{4，6}，

N(6)＝{4，5}

现在假定AP1中的时钟具有最高精度和稳定性。如果AP1可以并接收了GPS或原子时钟，并且将其时钟与GPS或原子时钟同步，由于其具有最佳局部主时钟，AP1可以具有最高精度。将AP1选作重要主时钟。频谱服务器通知能够得知重要主AP的信标的邻域AP，利用处理的任何必要调整，使用重要主AP的信标信号将它们的时钟与重要主时钟同步。由于邻域AP已经与重要主时钟同步，因此它们可以被选作用于它们自己邻域的主时钟。这样，该地区中的所有时钟与重要主时钟同步。因此，AP1邻域(即，AP2、AP3和AP4)中的AP会将它们的时钟与AP1的时钟同步。由于AP4、AP5和AP6能够彼此得知，并且AP4已经与重要主时钟同步。因此AP4会被选作用于AP5和AP6的主时钟。

在不存在中央频谱服务器的情况下，AP必须自己选择时钟。在这种情况下，每个AP在其信标信号中将其时钟描述符和时间戳一起发送。注意，时钟描述符是添加到信标帧的新字段。每个AP可以运行IEEE1588中定义的最佳主时钟算法，以基于在其领域中可以得知的信标帧来选择主时钟。

可以将附加字段(即，其主时钟描述符)添加至信标帧，来描述要与其同步的主时钟。主时钟描述符在与任何其他时钟不同步的情况下定义为本身的时钟描述符，或者其主时钟的描述符。这样，主时钟字段可以追踪回到重要主时钟。现在，时钟选择方法可以修改如下：对于给定AP，AP首先使用主时钟描述符运行“最佳主时钟算法”。如果存在联系，则使用所联系的AP的时钟的时钟描述符来运行“最佳主时钟算法”，并且选择最佳时钟作为其主时钟。

在调度寂静期以便感测信道方面，首先必须完成同步。如果尚未完成同步，则不能区分任何麦克风是否正使用给定DTV信道。

在使地区(地理位置)中的所有AP同步之后，频谱服务器可以调度寂静期。例如，频谱服务器可以通过回程链路向所有AP发送消息，要求AP在它们的TSF计数器在[x，y]范围中时寂静，其中y-x确定寂静期的长度。这被称作集中寂静期调度。

如果不存在频谱服务器，则需要分布式寂静期调度方法。在这种情况下，具有主时钟或重要主时钟的AP在信标帧中发送寂静期调度消息，或者分离地发送QP调度消息(信号)，来通知其邻域AP调度QP。图6中示出了经修改的信标帧格式。

图7是根据本发明原理的全局时钟选择方法的示例性实施例的流程图。所示出的全局时钟选择方法在频谱服务器中操作。在705处，频谱服务器定义每个AP的邻域集合，使得邻域可以接收和解码邻域集合中AP所发送的信标消息(帧)。在710处，频谱服务器基于对地区(地理位置)中时钟特性的认识选择具有最高精度的时钟作为重要主时钟。如果多个时钟具有相同最高精度，则从多个时钟之中选择具有最低媒体访问控制(MAC)地址的时钟。这可能在多于一个AP能够接收GPS或原子时钟的情况下发生。在715处，频谱服务器建议邻域AP与选定的重要主时钟同步。在720处，频谱服务器从邻域集合中能够接收和解码AP所发送的信标消息(帧)的那些AP之中选择一个AP作为主时钟，以担当不能接收和解码具有重要主时钟且能够接收和解码担当主时钟的AP所发送的信标消息(帧)的AP所发送的信标消息(帧)的AP的主时钟。在725处，频谱服务器发出用于调度寂静期的消息，来确定是否存在在给定DTV信道中操作的麦克风。所有信标消息(帧)中的所有时间戳必须通过接收方来修改，以解决处理和传输时间。

图8是根据本发明原理的局部时钟选择方法的示例性实施例的流程图。所示的局部时钟选择方法在每个AP中操作。在805处，AP接收信标帧。在810处，AP检查接收到的信标帧中的时钟描述符。在815处，AP执行IEEE 1588中的最佳主时钟方法，以基于得知的信标帧来选择最佳主时钟。在820处，AP发出用于调度寂静期的消息，以确定是否存在在给定DTV信道中操作的任何麦克风。所有信标消息(帧)中的所有时间戳必须通过接收方来修改，以解决处理和传输时间。

图9是根据本发明原理操作的设备的框图。所示设备可以是频谱服务器或AP。收发机实际发送和接收数据和任何控制信号，并且控制逻辑电路执行所有其他功能。

具体地，当作为频谱服务器操作时，图9设备的控制逻辑模块包括：用于定义每个接入点的领域集合的装置；用于选择第一接入点中的第一时钟的装置，选定的时钟具有作为主时钟的最高精度；用于选择第二接入点中的第二时钟的装置，第二接入点能够接收和解码与重要主时钟同步的第一接入点所传输的信标消息。如果多个时钟具有相同最高精度，则从多个时钟之中选择具有最低媒体访问控制(MAC)地址的时钟。这会在多于一个AP能够接收GPS或原子时钟的情况下发生。图9设备的收发机模块包括：用于建议邻域接入点与选定的重要主时钟同步的装置；以及用于基于重要主时钟传输用于调度寂静期的消息的装置。

具体地，当作为接入点(AP)操作时，图9的收发机模块包括用于接收信标消息的装置。图9的控制逻辑模块包括：用于检查信标消息中的时钟描述符的装置，用于响应于检查选择最佳主时钟的装置；以及用于基于选定的最佳主时钟传输调度寂静期的消息的装置。

为了确保AP认识到其状态是具有重要主时钟还是主时钟，其邻域AP向具有主时钟或重要主时钟的AP发送主时钟和重要主时钟选择消息。如果具有主时钟状态的APx与另一AP(例如APy)同步，则APx使用APy的信标帧中的相同寂静期调度消息作为其自己的信标帧。这样，具有重要主时钟或主时钟的AP的寂静期调度消息可以通过网络传播QP调度消息(信号)。

应当理解，本发明可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合来实现。优选地，本发明实现为硬件和软件的组合。此外，可以将软件实现为在程序存储设备上具体体现的应用程序。可将该应用程序上载到包括任何适合架构在内的机器并由该机器执行。优选地，在具有硬件(例如，一个或多个中央处理单元(“CPU”)、随机访问存储器(“RAM”)以及输入/输出(“I/O”)接口)的计算机平台上实现该机器。该计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种处理和功能可以是可由操作系统执行的微指令代码的一部分或应用程序的一部分(或其组合)。此外，可将其它各种外围单元连接到计算机平台，如附加的数据存储单元和打印单元。

还应理解的是，由于在附图中描述的一些构成系统组件和方法优选地以软件来实现，因此系统组件(或处理步骤)之间的实际连接可以根据对本发明原理编程的方式而有所不同。在这里给出教导的情况下，本领域的普通技术人员将能够想到本发明的这些以及类似的实现方式或配置。

Claims

1.一种用于无线局域网设备的方法，所述方法包括：

定义每个接入点的接入点邻域集合；

选择第一接入点中的第一时钟作为重要主时钟，选定的时钟具有最高精度；

建议邻域接入点与所述选定的重要主时钟同步；

选择第二接入点中的第二时钟作为主时钟，所述第二接入点能够接收和解码与所述重要主时钟同步的所述第一接入点传输的信标消息，其中，从所述邻域集合中能够接收和解码所述第一接入点传输的消息的接入点之中，选择具有所述主时钟的所述第二接入点，来担当所述邻域集合中不能接收和解码所述第一接入点传输的消息的所述接入点的所述主时钟，所述邻域集合中所述接入点能够接收和解码所述第二接入点传输的消息；并且

基于所述重要主时钟传输用于调度寂静期的消息，其中如果多个时钟具有相同最高精度，则从多个时钟之中选择具有最低媒体访问控制地址的时钟。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一接入点能够接收和解码所述邻域集合的所述接入点传输的消息；基于对地区中的时钟特性的认识，选择具有所述重要主时钟的所述第一接入点；所述传输的消息的接收方响应于接收和处理所述消息的时间来修改所述消息中的时间戳。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法在频谱服务器中操作。

4.一种用于无线局域网设备的装置，包括：

用于定义每个接入点的接入点邻域集合的装置；

用于选择第一接入点中的第一时钟作为重要主时钟的装置，选定的时钟具有最高精度；

用于建议邻域接入点与所述选定的重要主时钟同步的装置；

用于选择第二接入点中的第二时钟作为主时钟的装置，所述第二接入点能够接收和解码与所述重要主时钟同步的所述第一接入点传输的信标消息；从所述邻域集合中能够接收和解码所述第一接入点传输的消息的接入点之中选择具有所述主时钟的所述第二接入点，来担当所述邻域集合中不能接收和解码所述第一接入点传输的消息的所述接入点的所述主时钟，所述邻域集合中所述接入点能够接收和解码所述第二接入点传输的消息；以及

用于基于所述重要主时钟传输用于调度寂静期的消息的装置，其中如果多个时钟具有最高精度，则从多个时钟之中选择具有最低媒体访问控制地址的时钟，如果多个时钟具有相同最高精度，则从多个时钟之中选择具有最低媒体访问控制地址的时钟。

5.根据权利要求4所述的装置，还包括：其中所述第一接入点能够接收和解码所述邻域集合的所述接入点传输的消息；基于对地区中的时钟特性的认识，选择具有所述重要主时钟的所述第一接入点；所述传输的消息的接收方响应于接收和处理所述消息的时间来修改所述消息中的时间戳。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述装置是频谱服务器。