CN106209199B - 用于增加无线通信范围的方法、设备以及系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于增加无线通信范围的方法、设备以及系统。该设备包括收发器、天线以及在通信上耦合至收发器和天线的射频(RF)前端系统。RF前端系统可以包括：RF采样块，其耦合至收发器，并且被配置成采样从收发器接收的信号并输出电压信号；RF切换逻辑，其耦合至RF采样块以接收电压信号，并且被配置成在发送模式和接收模式之间切换RF前端系统；RF发送增益块，其耦合至RF切换逻辑并且被配置成增大从收发器接收的信号的发送功率；以及RF接收增益块，其耦合至RF切换逻辑并且被配置成去除从天线接收的射频信号中包含的噪声信号。

Description

用于增加无线通信范围的方法、设备以及系统
相关申请的交叉引用
本申请是基于2015年1月30提交的题目为“METHODS,DEVICES AND SYSTEMS FORINCREASING WIRELESS COMMUNICATION RANGE”的第62/110,250号美国临时申请，以及2015年1月30日提交的题目为“BLUETOOTH TRANSPARENT RELAY”的第62/110,262号美国临时申请，并且本申请要求这两个美国临时申请的优先权，这两个美国临时申请的整个内容通过引用被合并在本文中。
技术领域
本公开内容一般地涉及无线通信领域，尤其涉及用于增加无线通信范围的方法、设备以及系统。
背景技术
诸如蓝牙扬声器、智能电话、智能锁的蓝牙设备以及各种智能蓝牙传感器和可穿带设备已经在许多应用中得到广泛使用。因为蓝牙技术被设计用于低功率和低成本操作，所以蓝牙设备的通信范围通常相当短。例如，诸如智能电话和蓝牙低能量(BLE)传感器的两个蓝牙设备之间的典型通信范围在开放空间中限于几十米，而在房间内限于几米，并且蓝牙传输通常不能穿透墙壁。在需要更长通信范围的情景下，短的通信范围限制了蓝牙设备的使用。
增加无线通信范围的常规方案通常涉及增大射频传输的双方的发送功率或天线增益。然而，对于蓝牙设备来说，特别是对BLE传感器和可穿戴设备来说，增大设备的发送功率或天线增益经常是不切实际的，并且可能将阻挠低功率和低成本蓝牙设备的设计目标的实现。因此，期望在不必增加蓝牙设备的发送功率或生产成本的情况下扩展蓝牙设备的通信范围。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于支持无线通信的设备，包括：收发器；天线；以及射频RF前端系统，其在通信上耦合至所述收发器以及所述天线，所述RF前端系统包括：RF采样块，其耦合至所述收发器，并且被配置成对从所述收发器输出的部分信号进行采样，将采样的部分信号转换为电压信号，并且输出所述电压信号；RF切换逻辑，其耦合至所述RF采样块以接收所述电压信号，并且被配置成在发送模式和接收模式之间切换所述RF前端系统；RF发送增益块，其耦合至所述RF切换逻辑，并且被配置成增大从所述收发器接收的所述信号的发送功率；RF接收增益块，其耦合至所述RF切换逻辑，并且被配置成抑制从所述天线接收的射频信号中包含的噪声信号；第一RF切换块，其耦合至所述收发器、所述RF切换逻辑和所述RF发送增益块，所述第一RF切换块被配置为：从所述RF切换逻辑接收第一控制信号，以及引导第一RF信号通过所述RF发送增益块到达所述天线，所述第一RF信号是从所述收发器输出的剩余信号；以及第二RF切换块，其耦合至所述天线、所述RF切换逻辑和所述RF接收增益块，所述第二RF切换块被配置为：从所述RF切换逻辑接收第二控制信号，以及引导从所述天线接收的第二RF信号通过所述RF接收增益块到达所述收发器，其中，所述RF采样块被配置成以比从所述收发器输出的所述剩余信号的速率充分低的速率来采样所述部分信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于支持无线通信的设备，包括：可配置天线系统，其包括多个天线单元，其中所述天线单元中的每个天线单元能够被接通或断开以产生不同的天线配置；收发器，其被配置成产生针对所述天线配置中的每个天线配置的接收信号强度指示RSSI，其中基于从客户端设备接收的信号产生所述RSSI；以及天线逻辑系统，其在通信上耦合至所述收发器和所述可配置天线系统，所述天线逻辑系统被配置成：从所述收发器接收针对所述天线配置中的每个天线配置的RSSI；基于所述RSSI在所述天线配置中选择天线配置；以及用所述选择的天线配置来配置所述可配置天线系统。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于支持无线通信的设备，包括：第一天线和第二天线，其中所述第一天线和所述第二天线使用不同的极化；第一通信模块，其被配置成经由所述第一天线发送第一射频信号，其中遵从第一通信协议来产生所述第一射频信号；以及第二通信模块，其被配置成经由所述第二天线发送第二射频信号，其中遵从与所述第一通信协议不同的第二通信协议来产生所述第二射频信号。
附图说明
构成本说明书一部分的附图图示了若干实施方式，并且和说明书一起用以说明所公开的原理。
图1图示了用于实现与本公开内容一致的方法和系统的示例性系统环境。
图2图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器的示例性框图。
图3图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器的发送路径的示例性框图。
图4图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器的接收路径的示例性框图。
图5图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器的示例性框图。
图6是根据本公开内容实施方式的用于配置蓝牙集线器的天线系统的示例性方法的流程图。
图7图示了根据本公开内容实施方式的用于选择天线配置的接收信号强度指示(RSSI)的示例性表。
图8图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器的天线系统的示例性框图。
图9图示了根据本公开内容实施方式的能够支持多个通信协议的无线通信集线器的示例性框图。
图10图示了根据本公开内容实施方式的能够支持多个通信协议的无线通信集线器的示例性框图。
图11图示了根据本公开内容实施方式的能够支持多个通信协议的无线通信集线器所采用的跳频方案的示例性图。
具体实施方式
参考附图描述示例性实施方式。在图中，附图标记的最左边数字标识该附图标记第一次出现的图。在方便的情况下，贯穿附图使用相同的附图标记来指代相同的或相似的部分。虽然在本文中描述了公开的原理的示例和特征，但在不偏离所公开的实施方式的精神和范围的情况下，修改、改编以及其它实现方式也是可能的。另外，认为词语“包括”、“具有”、“含有”以及“包含”以及其它相似的形式在意思上等同，并且是开放式的，因为跟在这些词语中的任何一个之后的一项或多项不意味着是这项或这些项的穷尽列举，或不意味着是要仅限于所列出的一项或多项。还必须注意，如在本文中所使用的以及在所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”(“a”、“an，”)以及“该”(“the”)包括复数引用，除非上下文清楚地另外指明。以下具体描述意图被认为仅是示例性的，并且真正的范围和精神由权利要求所指示。
阐述了所示出的部件和步骤以说明所示的示例性实施方式，而且应该预期到，前进的技术发展将改变执行特定功能的方式。出于说明的目的，而不是出于限制的目的，在本文中给出了这些示例。另外，为了描述的方便，本文中已经任意地限定了功能构建块的边界范围。能够限定替代的边界范围，只要特定功能和它们的关系被适当地执行。相关领域技术人员基于本文中所包含的教导将明白替代方式(包括本文中所描述的那些的等同物、扩展、变化、偏离等)。这些替代方式落入所公开的实施方式的范围和精神内。
图1图示了用于实现与本公开内容一致的方法和系统的示例性系统环境100。图1中所示的系统环境100包括集线器120和客户端设备110、125、130、135及145。在一些实施方式中，系统环境100也可以包括允许客户端设备与集线器120远程通信的网络140。如图1中所示，客户端设备通过无线通信链路连接至集线器120。例如，客户端设备可以是使用蓝牙通信协议与集线器120通信的蓝牙设备或蓝牙传感器。客户端设备也可以使用例如紫蜂、WiFi等的其它无线通信协议来与集线器120通信。当要在客户端设备之间建立无线通信时，集线器120可以接收来自一个客户端设备(例如客户端设备110)的无线电信号、处理接收的信号以及向另一客户端设备(例如客户端设备125)发送相应的无线电信号，使得客户端设备可以通过集线器120彼此通信。在一些实施方式中，集线器120可以放大接收的信号和/或抑制从客户端设备接收的信号中的噪声，使得能够有效增加客户端设备之间的通信范围。
在一些实施方式中，客户端设备可以是蓝牙设备或传感器(或诸如WIFI设备、紫蜂设备等的其它无线设备)，并且集线器120可以被用于增加客户端设备之间的通信范围。蓝牙设备以两个模式中的一个模式来操作：作为主设备或从设备。主设备提供网络时钟并确定跳频序列，从设备与主设备的时钟同步，并且遵循主设备的跳频频率。图1中示出的每个客户端设备可以是主设备或从设备。例如，客户端设备110可以是主设备，客户端设备125、130和135可以是从设备。作为示例，蓝牙主设备可以是具有屏幕和操作系统的蜂窝电话、平板计算机、计算机、膝上型计算机、智能手表、电视或其它蓝牙设备。蓝牙从设备可以是扬声器、耳机、麦克风、打印机、智能手表、摄像机、电视、监视器、包括腕带的可穿戴设备、计步器、活动追踪器、睡眠追踪器、体重秤等，或是附接蓝牙传感器以感测和发送相关电参数的设备，诸如包括洗衣机、吸尘器、冰箱、烤箱、微波炉等的家用电器。
在一些实施方式中，客户端设备可以通过网络140与集线器120通信。例如，如图1中所示，客户端设备145可以经由网络140与集线器120和/或其它客户端设备远程地通信。网络140可以是提供通信、交换信息和/或便于在集线器120和客户端设备之间交换信息的任何类型的网络。在一个实施方式中，网络140可以是允许客户端设备向集线器120发送信息以及从集线器120接收信息的因特网、局域网、蜂窝通信网络、无线局域网或其它适当的连接。在一些实施方式中，集线器120可以被包括在客户端设备能够通过网络140来访问的远程的基于云的网络系统中。
本公开内容提供能够用于有效增加客户端设备之间的无线通信范围的无线集线器。该无线集线器可以支持大范围传输，而无需要求修改无线客户端设备。无线集线器可以用作为客户端设备可不必知道的透明中继。在一些实施方式中，无线集线器可以是蓝牙集线器，并且支持蓝牙的所有公开配置。也可以例如通过使用智能电话应用来通过云服务器控制无线集线器。此外，无线集线器可以被配置成连接至云服务器，并且能够基于客户端设备和无线集线器的使用历史、交互和/或行为来自适应地重新配置自身。应当注意集线器120也可以被称为路由器，在本公开内容中，术语集线器和路由器能够相互交换。
在以下描述中，使用蓝牙协议和设备来说明无线集线器的设计，但是应该理解，无线集线器的类似构造也能够被应用于使用其它无线通信协议的情景，而不偏离本公开内容的精神和范围。
图2图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器200的示例性框图。如图2中所示，蓝牙集线器200可以包括蓝牙收发器210、RF前端系统220和天线240。蓝牙收发器210可以被配置成向蓝牙设备发送蓝牙信号以及从蓝牙设备接收蓝牙信号。蓝牙收发器210可以包括用于产生、接收和编码/解码蓝牙信号的数字、模拟和射频(RF)功能。天线240可以将RF蓝牙信号转换成电磁波，反之亦然。天线240可以包括后面分别结合图5和图8所描述的可重构天线系统或定向天线系统。蓝牙集线器200也可以包括诸如耦合至蓝牙收发器210的处理器的其它部件。蓝牙集线器200还可以包括用以连接至因特网的装置，例如以太网络端口或WIFI模块。蓝牙集线器200也可以经由蓝牙收发器210连接至因特网。
RF前端系统220在通信上耦合至蓝牙收发器210和天线240。RF前端系统220可以通过增加它的接收灵敏度和发送功率来提高蓝牙收发器210的RF性能。RF前端系统220可以包括RF采样块222、RF切换逻辑224、一个或更多个RF切换块(例如225和226)、RF发送增益块228和一个或更多个RF接收增益块(例如229和230)。
RF采样块222耦合至蓝牙收发器210，并且对从蓝牙收发器210接收的RF信号进行采样。例如，从蓝牙收发器210输出的RF信号的一小部分(例如小于1％)可以被传递至RF采样块222，并且从蓝牙收发器210输出的RF信号的剩余部分可以被传递至RF切换块225，以发送至天线240。换言之，RF采样块222以比流向天线240的RF信号的速率充分低的速率来采样从蓝牙收发器210输出的RF信号。RF采样块222将采样的RF信号转换成电压信号，并向RF切换逻辑224输出该电压信号。在一些实施方式中，RF采样块222可以包括在向RF切换逻辑224发送电压信号之前对该电压信号进行滤波的低通滤波器。被滤波的电压信号也可以被转换成对数信号(logarithmic signal)，以传递至RF切换逻辑224。
RF切换逻辑224耦合至RF采样块222以接收电压信号，并且在发送模式和接收模式之间切换RF前端系统220。例如，RF切换逻辑224可以向RF切换块225和226发送控制信号，以基于从RF采样块222接收的电压信号在发送模式和接收模式之间切换RF前端系统220。可以在数百纳秒内将控制信号从RF切换逻辑224发送至RF切换块225和226。在一些实施方式中，RF切换逻辑224可以将接收的电压信号与预定阈值进行比较，如果电压信号大于预定阈值，则将RF前端系统220切换至发送模式。
RF发送增益块228被配置成增加从蓝牙收发器210接收的RF信号的信号功率。可以通过RF切换逻辑224启用或禁用RF发送增益块228。例如，RF切换逻辑224可以与RF发送增益块228连接，并且可以向RF发送增益块228发送控制信号以启用或禁用RF发送增益块228。在一些实施方式中，RF发送增益块228可以包括陶瓷滤波器和步进RF衰减器(step RFattenuator)，以在放大RF信号之前整形从蓝牙收发器210接收的RF信号。
RF接收增益块229和230被配置成抑制接收链的噪声系数。可以通过RF切换逻辑224启用或禁用RF接收增益块229和230。例如，RF切换逻辑224可以与RF接收增益块229和230连接，并且可以向RF接收增益块发送控制信号以启用或禁用RF接收增益块229和230。如弗里斯(Friis)公式中示出的，一连串的级的总噪声因子给出如下：
Figure GDA0002336117730000071
其中Fi和Gi分别为第i级的噪声因子和可用功率增益，n是级数。能够看到RF接收器的整体噪声系数主要由RF接收器的第一增益级的噪声系数确立。所以，可以使用诸如RF接收增益块229和230的RF接收增益块的级联来进一步降低RF前端系统220的噪声系数。虽然在图2中使用两个RF接收增益块229和230，但也可以在RF前端系统220中使用更多或更少数量的RF接收增益块。
如图2中所示，RF前端系统220包括两个RF切换块225和226。由来自RF切换逻辑224的控制信号来控制RF切换块。两个RF切换块225和226每个可以是决定RF信号的路径的单刀双掷(SPDT)开关。如果RF切换块切换至发送路径，则RF信号流过RF发送增益块228并且馈送入天线240。如果RF切换块切换至接收路径，则RF信号从天线流过RF接收增益块并且馈送入蓝牙收发器210。虽然在图2中使用两个RF切换块225和226，但也可以在RF前端系统220中使用更多或更少数量的RF切换块225和226，以切换RF信号的路径。另外，可以使用更多数量的RF切换块以实现更复杂的架构，诸如SP3T、SP4T或SPNT切换块。
本领域普通技术人员应该明白，上面所描述的蓝牙集线器200能够被修改以应用于使用其它无线通信协议的情景。例如，图2中的蓝牙收发器210可以被替换为能够发送和接收其它无线通信协议(诸如WIFI)的信号的收发器，并且所得到的集线器200将能够使用其它无线通信协议来支持设备之间的通信。应当注意蓝牙集线器200也可以被称为蓝牙路由器，并且在本公开内容中，术语蓝牙集线器和蓝牙路由器能够相互交换。
图3图示了根据本公开内容实施方式的蓝牙集线器的发送(TX)路径300的示例性框图。如图3中所示，在发送蓝牙信号期间，蓝牙收发器210向RF前端系统220发送RF信号。从蓝牙收发器210输出的RF信号的一小部分被馈送入RF采样块222，并且RF信号的剩余部分被馈送入RF切换块225。例如，RF采样块222可以取近似1％的从蓝牙收发器210输出的RF能量，并将采样的RF信号转换成电压信号。RF采样块222将电压信号传递到RF切换逻辑224，以控制RF前端系统220的操作模式。在一些实施方式中，RF切换逻辑224可以将接收的电压信号的电压和预定阈值进行比较，如果电压大于预定阈值，则RF切换逻辑224可以将RF前端系统220切换至发送模式。在发送模式中，RF切换逻辑224向RF切换块225和226发送控制信号，以将RF信号切换至发送路径，并将发送启用逻辑发送给RF发送增益块228。发送启用逻辑使得RF发送增益块228能够对RF信号执行信号放大功能。RF切换逻辑224也可以向RF接收增益块(例如229和230)发送接收禁用逻辑。接收禁用逻辑使RF接收增益块不执行任何噪声抑制功能，因为在RF前端系统220处于发送模式时，没有RF信号被传递至RF接收增益块。从蓝牙收发器210输出的RF信号被传递至RF发送增益块228，然后被馈送至天线。
图4图示了根据本公开内容实施方式的蓝牙集线器的接收(RX)路径400的示例性框图。例如，RF切换逻辑224可以将从RF采样块222接收的电压信号的电压与预定阈值进行比较，如果电压低于预定阈值，则RF切换逻辑224可以将RF前端系统220切换至接收模式。在接收模式中，蓝牙收发器210停止将RF能量发送到RF前端系统220，并且RF切换逻辑224将RF信号切换至接收路径。从天线接收的RF信号被馈送入RF接收增益块(例如，229和230)，并且被输入到蓝牙收发器210。接收的信号可以绕开RF采样块222。
如图4中所示，在接收蓝牙信号期间，RF切换逻辑224向RF切换块225和226发送控制信号以将RF信号切换至接收路径，并且向RF接收增益块(例如229和230)发送接收启用逻辑。接收启用逻辑使得RF接收增益块230能够对从天线接收的RF信号执行噪声抑制功能。RF切换逻辑224也可以将发送禁用逻辑发送给RF发送增益块228。发送禁用逻辑使RF发送增益块228不执行任何信号放大功能，因为在RF前端系统220在接收模式中操作时，没有RF信号被传递至RF发送增益块228。从天线输出的RF信号被传递至RF接收增益块230，然后被馈送入蓝牙收发器210以解码蓝牙信号。在前端RF系统200在接收模式中操作时，蓝牙收发器210停止向RF前端系统220发送RF能量。因此，在RF前端系统220在接收模式中操作时，RF采样块222不接收来自蓝牙收发器210的RF信号或向RF切换逻辑224提供任何输出。在RF前端系统220在接收模式中操作时，蓝牙集线器的接收路径绕开RF采样块222和RF发送增益块228。
图5图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器500的示例性框图。如图5中所示，蓝牙集线器500包括蓝牙收发器210、RF前端系统220、天线逻辑系统510和可重构天线系统520。上面已经结合图2-4描述了蓝牙收发器210和RF前端系统220。
可重构天线系统520可以包括多个天线单元，并且每个天线单元可以被独立地接通或断开。因此，通过接通或断开每个天线单元可以形成独特的天线辐射图案。换言之，通过接通或断开每个天线单元可以产生不同天线配置。可以由天线逻辑系统510使用天线单元的特定天线配置来配置可重构天线系统520。
天线逻辑系统510包括连接至蓝牙收发器210的反馈逻辑输入端口和连接至可重构天线系统520的控制逻辑输出端口。在一些实施方式中，在初始化阶段，可重构天线系统520可以扫描每个天线配置。蓝牙收发器210(或与蓝牙收发器210相关联的处理器)可以基于从蓝牙客户端设备接收的信号产生用于每个天线配置的接收信号强度指示(RSSI)。天线逻辑系统510可以接收来自蓝牙收发器210的反馈，该反馈包括对于每个客户端设备的每个天线配置的RSSI。
对于每个蓝牙客户端设备，天线逻辑系统510可以基于RSSI来选择优选的天线配置，并且用相应客户端设备的优选天线配置来配置可重构天线系统520。例如，天线逻辑系统510可以选择所有天线配置中对应于最高RSSI的天线配置。在一些实施方式中，在决定为客户端设备选择哪个天线配置时，天线逻辑系统510可以考虑RSSI和先前选择的天线配置两者。在一些实施方式中，在决定为客户端设备选择哪个天线配置时，天线逻辑系统510可以考虑RSSI、误比特率(BER)，误包率(PER)和/或通信路径的本底噪声(noise floor)。通过基于由蓝牙收发器210提供的反馈选择天线配置，可重构天线系统520可以获得更高的天线增益并且接收更少的噪声，从而增加蓝牙客户端设备的通信范围。
本领域普通技术人员应该明白上述蓝牙集线器500能够被修改以应用于使用其它无线通信协议的情景。例如，图5中的蓝牙收发器210可以被替换为能够发送和接收其它无线通信协议的信号的收发器，并且所得到的集线器500将能够支持使用其它无线通信协议的设备之间的通信。在蓝牙集线器500中可以省略某些功能块，而不偏离本公开内容的范围和精神。例如，在一些实现方式中，在蓝牙集线器500中可以省略RF前端系统200，RF能量可以从蓝牙收发器210直接流到可重构天线系统520。
图6是根据本公开内容实施方式的用于配置蓝牙集线器的天线系统的示例性方法600的流程图。可以由上面结合图5描述的蓝牙集线器500来执行方法600。
在步骤602处，蓝牙集线器扫描不同天线配置，并且产生对于每个天线配置的相应RSSI。例如，在初始化阶段，可重构天线系统520可以扫描天线配置，并且蓝牙收发器210(或与蓝牙收发器210相关联的处理器)可以产生对应于每个天线配置的RSSI。如果在系统中存在多个蓝牙客户端设备，则蓝牙集线器可以对每个客户端设备产生一组RSSI。蓝牙收发器210(或与蓝牙收发器210相关联的处理器)可以向天线逻辑系统510反馈RSSI以用于选择天线配置。在一些实施方式中，蓝牙集线器的处理器可以基于RSSI来选择天线配置，并且向天线逻辑系统510反馈选择的天线配置。
图7图示了根据本公开内容的实施方式的用于选择天线配置的RSSI的示例性表700。表700示出了由蓝牙集线器在初始化阶段期间收集的RSSI集。如图7中所示，对于N个天线配置中的每个天线配置，表700包括多个蓝牙客户端设备(即客户端A至客户端X)的RSSI。由于客户端设备可能四处移动并且RF环境可能改变，表700可以周期性地更新，以反映蓝牙客户端设备的当前RF状况。
返回参考图6，在步骤604处，蓝牙集线器基于RSSI选择客户端设备的天线配置。对于每个客户端设备，可以选择相同的或不同的天线配置。例如，蓝牙集线器可以选择每个客户端设备的所有天线配置中具有最高RSSI的天线配置。对于另一示例，如果对应于先前天线配置的RSSI保持高于预定值，则蓝牙集线器可以选择先前的天线配置。如果对应于先前天线配置的RSSI落在预定值以下，则可以选择所有天线配置中具有最高RSSI的相应天线配置。替代于用于选择优选天线配置的RSSI，也可以使用其它类型的信号强度指示。
在步骤606处，蓝牙集线器用选择的天线配置来配置可重构天线系统520，并且使用选择的天线配置来与相应的蓝牙客户端设备通信。例如，天线逻辑系统510可以经由控制逻辑输出端口用选择的天线配置来配置可重构天线系统520。在超时(timeout)之内，即预定时间段之内，选择的天线配置可以被用于与相应的蓝牙客户端设备通信。在超时之后，方法600可以返回到步骤602，以扫描天线配置并且获得每个天线配置的更新的RSSI。在一些实施方式中，超时时间可以被设为小于一秒的值，例如300ms。天线逻辑系统510可以基于更新的RSSI来更新选择的天线配置。因此，选择的天线配置被用于与客户端设备通信预定时间段，并且在预定时间段之后更新选择的天线配置，以反映当前RF信道状况。通过基于RSSI选择天线配置和周期性地更新选择的天线配置，方法600实现更高的天线增益和更低的噪声，从而，增加客户端设备的通信范围。
图8图示了根据本公开内容的实施方式的蓝牙集线器800的示例性框图。如图8中所示，蓝牙集线器800包括蓝牙收发器210、RF前端系统220、RF能量分离器810和多个天线单元820-1至820-N。上面已经结合图2-4描述了蓝牙收发器210和RF前端系统220。
RF能量分离器810与RF前端系统220耦合，并且RF能量从RF前端系统220流向RF能量分离器810。RF能量分离器810被配置成划分RF能量，例如相等地划分成N个部分，并且将分开的RF能量馈送入N个定向天线单元820-1至820-N中的每一个。定向天线单元820-1至820-N中的每一个可以被配置成沿不同方向辐射，所有天线单元的组合可以覆盖整个网络区域。例如，定向天线单元820-1至820-N中的每一个可以被配置成在朝向该区域的1/N部分的方向上进行辐射。这样做，与使用全向天线的蓝牙集线器相比，可以为蓝牙集线器实现更高的天线增益。
在一些实施方式中，对于特定蓝牙设备，蓝牙集线器可以确定哪个定向天线单元从该蓝牙设备接收最强的信号。蓝牙集线器可以确定该蓝牙设备落在由该定向天线单元覆盖的区域中，并使用该定向天线单元来发送该蓝牙设备的RF信号。例如，蓝牙集线器可以将用于该蓝牙设备的所有RF能量馈送至该定向天线单元，而不是相等地将RF能量划分到所有天线单元。
本领域普通技术人员应该明白上述蓝牙集线器800能够被修改以应用于使用其它无线通信协议的情景。例如，图8中的蓝牙收发器210可以被替换为能够发送和接收其它无线通信协议的信号的收发器，并且所得到的集线器800将能够支持使用其它无线通信协议的设备之间的通信。在蓝牙集线器800中可以省略某些功能块而不偏离本公开内容的范围和精神。例如，在一些实现方式中，在蓝牙集线器800中可以省略RF前端系统200，并且RF能量可以从蓝牙收发器210直接流到RF能量分离器810。
图9图示了根据本公开内容的实施方式的能够支持多个通信协议的无线通信集线器900的示例性框图。如图9中所示，无线通信集线器900包括印刷电路板(PCB)910、蓝牙模块920和WIFI模块930，以支持蓝牙通信和WIFI通信两者。
因为WIFI设备和蓝牙设备都在工业、科学和医疗(ISM)无线电频带上操作，所以在无线通信集线器900内可能存在蓝牙模块920和WIFI模块930之间的内部干扰。为了使蓝牙模块920和WIFI模块930之间的干扰最小化，蓝牙模块920和WIFI模块930可以被分开放置在PCB 910上，例如，在PCB 910的相对端处。如图9中所示，蓝牙模块920和WIFI模块930还可以被放置在PCB 910的相对侧。在一些实施方式中，蓝牙模块920和WIFI模块930之间的物理距离可以被配置成大于预定距离，以保证它们之间的隔离。
应理解虽然在图9中包括了WIFI模块和蓝牙模块，但相似的布置能够被应用于支持其它通信协议的无线通信集线器。例如，在一些实现方式中，无线通信集线器可以包括蓝牙模块和紫蜂模块，并且蓝牙模块和紫蜂模块可以被分开放置在PCB上，例如在PCB的相对端处，以减小彼此的干扰。作为另一示例，无线通信集线器可以包括蓝牙模块、WIFI模块和紫蜂模块，并且三个模块可以以相互之间最小物理距离分开放置在PCB上，以减小互相干扰。
图10图示了根据本公开内容的实施方式的能够支持多个通信协议的无线通信集线器1000的示例性框图。如图10中所示，无线通信集线器1000包括印刷电路板(PCB)910、蓝牙模块920、蓝牙天线1010、WIFI模块930和WIFI天线1020，以用于支持蓝牙通信和WIFI通信两者。
因为WIFI设备和蓝牙设备都在ISM无线电频带上操作，为了使蓝牙模块920和WIFI模块930之间的干扰最小化，例如通过具有大于预定最小距离的物理距离，蓝牙模块920和WIFI模块930可以分开放置在PCB910上。
在一些实施方式中，通过使用不同的天线极化和每个通信模块之间的不同PCB RF路径，可以减小通信模块之间的干扰。如图10中所示，蓝牙天线1010被配置成具有水平极化，而WIFI天线1020被配置成具有垂直极化。另外，至蓝牙天线1010的PCB RF路径是沿垂直方向，而至WIFI天线1020的PCB RF路径是沿水平方向。通过蓝牙天线和WIFI天线的不同极化以及蓝牙模块和WIFI模块之间的PCB RF路径的不同方向，可以实现蓝牙模块920和WIFI模块930之间的减小的干扰。
在一些实施方式中，可以通过使用时域隔离来减小通信模块之间的干扰。例如，无线通信集线器的处理器(例如CPU)可以用作通信控制器，并且执行定时算法，以确定每个通信模块发送和/或接收数据的时隙。在WIFI模块发送和/或接收数据时，处理器可以向蓝牙模块发送控制信号，使得蓝牙模块在WIFI模块发送和/或接收数据的同时不进行发送。类似地，在蓝牙模块发送和/或接收数据时，处理器可以向WIFI模块发送控制信号，使得WIFI模块在蓝牙模块发送和/或接收数据的同时不进行发送。
应理解虽然在图10中包括了WIFI模块和蓝牙模块，但相似的布置能够被应用于支持其它通信协议的无线通信集线器。例如，在一些实现方式中，无线通信集线器可以包括蓝牙模块和紫蜂模块，并且蓝牙天线和紫蜂天线可以被配置成具有不同的极化。作为另一示例，蓝牙模块和紫蜂模块可以被配置成在不同时隙发送和/或接收，以避免互相干扰。
图11图示了根据本公开内容实施方式的能够支持多个通信协议的无线通信集线器所采用的跳频方案1100的示例性图。可以通过由无线通信集线器的处理器(例如CPU)实现主跳频算法来实现频域隔离。例如，无线通信集线器的处理器可以执行WIFI信道和蓝牙信道的整个带宽的背景扫描，以选择下一跳频周期的WIFI通信和蓝牙通信的频率信道。
如图11中所示，在第一跳频周期，WIFI通信被安排在信道A，而蓝牙通信被安排在频率信道组1，即信道1-17。通过使用不同的频率信道，WIFI通信和蓝牙通信之间的干扰被最小化。在一个跳频周期中使用用于WIFI通信和蓝牙通信的所安排的频率信道达预定时间段。在一个跳频周期期间，用于WIFI通信和蓝牙通信的所安排的频率信道保持不变。
在下一个跳频周期，可以使用用于WIFI通信和蓝牙通信的不同的频率信道。如图11中所示，在第二跳频周期，WIFI通信被安排在信道Z，而蓝牙通信被安排在频率信道组X，即信道18-37。换言之，WIFI通信和蓝牙通信使用的频率信道可以时常变化，但在给定的时刻，WIFI通信和蓝牙通信使用的频率信道不重叠，以使彼此的干扰最小化。在每个跳频周期期间，无线通信集线器的处理器可以执行WIFI信道和蓝牙信道的整个带宽的背景扫描，以选择用于下一跳频周期或未来跳频周期的WIFI通信和蓝牙通信的频率信道。在一些实现方式中，因为蓝牙通信协议包括跳频特征，所以无线通信集线器的处理器可以确定用于蓝牙通信的一组跳频频率，并且实现了蓝牙协议的较高层功能的蓝牙协议栈可以确定用于蓝牙通信的准确的跳频信道。
应理解虽然结合图11描述了WIFI通信和蓝牙通信，但上述跳频机制能够被应用于其它无线通信协议，而不偏离本公开内容的范围和精神。
本说明书已经描述了用于增加无线通信范围的方法、设备以及系统。阐述了所示出的步骤以说明所示的示例性实施方式，并且应该预期到，前进的技术发展将改变执行特定功能的方式。因此，本文中给出这些示例是出于说明的目的，而不是出于限制的目的。例如，本文中所公开的步骤或过程不限于以所描述的顺序来执行，而是可以以任何顺序执行，并且一些步骤可以被省略，与所公开的实施方式一致。另外，为了描述的方便，本文中已经任意限定了功能构建块的边界范围。只要特定功能和它们的关系被适当地执行，就能够限定替代的边界范围。相关领域技术人员基于本文中所包含的教导将明白替代方式(包括本文中所描述的那些的等同物、扩展、变化、偏离等)。这些替代方式落入所公开的实施方式的范围和精神内。
本公开内容和示例意图仅被认为是示例性的，所公开的实施方式的真正范围和精神由权利要求来指示。

Claims (10)

1.一种用于支持无线通信的设备，包括：
收发器；
天线；以及
射频RF前端系统，其在通信上耦合至所述收发器以及所述天线，所述RF前端系统包括：
RF采样块，其耦合至所述收发器，并且被配置成对从所述收发器输出的部分信号进行采样，将采样的部分信号转换为电压信号，并且输出所述电压信号；
RF切换逻辑，其耦合至所述RF采样块以接收所述电压信号，并且被配置成在发送模式和接收模式之间切换所述RF前端系统；
RF发送增益块，其耦合至所述RF切换逻辑，并且被配置成增大从所述收发器接收的所述信号的发送功率；
RF接收增益块，其耦合至所述RF切换逻辑，并且被配置成抑制从所述天线接收的射频信号中包含的噪声信号；
第一RF切换块，其耦合至所述收发器、所述RF切换逻辑和所述RF发送增益块，所述第一RF切换块被配置为：
从所述RF切换逻辑接收第一控制信号，以及
引导第一RF信号通过所述RF发送增益块到达所述天线，所述第一RF信号是从所述收发器输出的剩余信号，
第二RF切换块，其耦合至所述天线、所述RF切换逻辑和所述RF接收增益块，所述第二RF切换块被配置为：
从所述RF切换逻辑接收第二控制信号，以及
引导从所述天线接收的第二RF信号通过所述RF接收增益块到达所述收发器，
其中，所述RF采样块被配置成以比从所述收发器输出的所述剩余信号的速率充分低的速率来采样所述部分信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中如果所述电压信号的功率大于预定阈值，所述RF切换逻辑将所述RF前端系统切换到所述发送模式。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述RF采样块包括用于对所述电压信号进行滤波的低通滤波器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述RF发送增益块包括用于对从所述收发器输出的所述信号进行整形的步进RF衰减器和陶瓷滤波器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述第一RF切换块耦合至所述RF发送增益块的输入；
所述第二RF切换块耦合至所述RF发送增益块的输出；
所述第一RF切换块被配置为：响应于指示切换至发送模式的第一控制信号，使所述第一RF信号通过所述第一RF切换块、所述RF发送增益块和所述第二RF切换块，以到达所述天线；以及
所述第二RF切换块被配置为：响应于指示切换至接收模式的第二控制信号，使所述第二RF信号通过所述第二RF切换块、所述RF接收增益块和所述第一RF切换块，以到达所述收发器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述RF切换逻辑被配置成通过向所述RF发送增益块发送控制信号来启用或禁用所述RF发送增益块。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述RF切换逻辑被配置成通过向所述RF接收增益块发送控制信号来启用或禁用所述RF接收增益块。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述RF切换逻辑被配置成基于所述电压信号在所述发送模式和所述接收模式之间切换所述RF前端系统。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述收发器是蓝牙收发器，并且所述信号是蓝牙信号。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述RF采样块被配置为对从所述收发器输出的所述信号的少于1％的部分进行采样。
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