CN107437986A - 无线网络中的全双工操作 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线网络中的全双工操作。网络中的多个无线设备执行了全双工通信，其中传输路径与接收路径是空间分离的，以允许同步传输和接收。可以使用集中式协调功能或者点协调功能或者分布式协调功能中的任意一种来控制无线设备。在传输期间，全双工设备通过自身侦听媒体，并且当在媒体上侦听到信号时选择性地继续该传输。全双工无线设备测量了由其发射机传输的信号，并且估计了可以被用于消除本地传输信号对本地接收信号的贡献的参数，其中所述本地传输信号和本地接收信号同时在传输期间被接收。全双工无线设备的发射天线和接收天线可以被配置为相互空间隔离，以最小化天线功能之间的干扰。

Description

无线网络中的全双工操作
相关申请的交叉引用
本案是专利申请201410337262.7的分案申请，原申请的申请日为2014年7月15日，申请号为201410337262.7，发明创造名称为无线网络中的全双工操作。
技术领域
本专利文件涉及无线通信。
背景技术
无线通信系统可以包括一个或者多个接入点(AP)的网络，以便与一个或者多个无线站(STA)进行通信。接入点可以向一个或者多个无线站发射承载管理信息、控制信息或者用户数据的无线电信号，并且站也可以通过时分双工(TDD)使用相同的频率信道或者通过频分双工(FDD)使用不同的频率来向接入点传输无线电信号。
IEEE 802.11是被设计用于无线局域网(WLAN)的异步时分双工技术。WLAN的基本单元是基本服务集(BSS)。基础设施BSS是站通过与接入点(AP)相关联来连接到有线网络或者因特网的BSS。在BSS中，通过使用CSMA/CA技术，接入点和站两者共享相同频率信道，其中CSMA/CA技术是一种用于多路访问和数据传输的TDD机制。
发明内容
除此之外，本文件描述了关于使用全双工传输来提高媒体使用效率和/或减小传输时延的技术。
一方面，提供了结合CSMA/CA机制和早期冲突检测和避免(CEDA)的技术，以用于TXOP中来自多个站的信道访问和全双工同步DL和UL传输。
另一方面，提供了关于使用全双工器来检测和避免早期阶段中的冲突的CEDA方法。一旦检测到冲突，发射站就将快速释放媒体，以用于新的竞争。
再另一方面，提供了全双工器使用双层天线阵列来消除自干扰以用于更好的消除性能的方法。
再另一方面，提供了全双工器在站争夺媒体期间将前导码(preamble)用作训练序列来校准关于RF的无线电参数以及数字消除算法的方法。
此外，再另一方面，提供了校准关于RF的无线电参数和数字消除算法的方法，用于响应站响应于媒体要求使用前导码来校准全双工器。
再另一方面，提供了全双工AP站调度多对DL和UL同步传输的方法。另一方面，提供了操作全双工AP站控制并且调度两个半双工站的简化的同步传输和接收(STR)的方法，这可以降低非AP站上的全双工的设计和实施的复杂度，并且为实际部署提供更多的灵活性。
另一方面，提供了使用全双工传输机制来减轻WLAN部署中的隐藏节点的问题的方法。
另一方面，提供了用于在中继站中使用全双工传输机制来给下一跳站(hopstation)快速转发接收到的数据包以减小传输时延的方法。
在附图、说明书和以及权利要求中阐述了上述各个方面和其他方面以及其实施的细节。
附图说明
图1示出了无线通信系统中的基础设施基本服务集的实例。
图2示出了IEEE 802.11中的分布式协调功能(DCF)中的现有技术载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)机制的实例。
图3示出了IEEE 802.11中使用的DCF中的传输开销的实例。
图4A和4B示出了发明的具有全双工传输机制的CSMA/CA+CEDA的实例。
图5A和图5B是CEDA过程的实例的流程图描述。
图6示出了全双工无线电站体系结构的实例。
图7示出了用于全双工无线电站的双层天线阵列的实例。
图8示出了用于全双工MIMO无线电站的双层天线阵列的实例。
图9示出了全双工校准和自干扰消除过程的流程图的实例。
图10示出了在CSMA/CA期间的全双工校准的实例。
图11示出了在TXOP中的自干扰消除的实例。
图12示出了全双工传输模式的实例。
图13示出了单对同步传输的实例。
图14示出了多对同步传输的实例。
图15示出了使用全双工传输减少隐藏节点问题的实例。
图16示出了使用全双工以用于在中继站中快速转发的实例。
图17示出了全双工中继站的快速转发过程的实例。
图18示出了使用全双工传输机制的简化的同步传输和接收的实例。
图19示出了STA使用推迟的ACK启动简化的STR的实例。
图20示出了STA使用波束成形方案启动简化的STR的实例。
图21示出了AP使用波束成形方案启动简化的STR的实例。
图22是用于检测和避免无线通信系统中的媒体上的传输冲突的方法的流程图的实例。
图23描绘了无线通信设备的实例。
具体实施方式
除此之外，本文件描述了关于使用全双工的多路访问的技术、机制、设备以及系统，以用于无线通信中的单频信道上的同步下行链路(DL)和上行链路(UL)传输。
在现有的无线传输系统中，对传输媒体的访问通常是基于半双工传输链路，甚至在通信系统通过时分双工(TDD)或者频分双工(FDD)模拟了全双工通信时也是如此。在操作于单频信道的半双工系统中，两个通信站不同时在相同频道上传输下行链路信号和上行链路信号，这是因为传输信号可能会显著干扰接收机，并且使接收机不能正确工作。因此，当前的无线通信系统通常以不同的频率(FDD)或者以不同的时间(TDD)将传输信号从接收信号中分离出来，这样接收机将不会被传输信号所干扰。
在FDD系统中，DL和UL无线电频率必须被分离成足以使模拟或者数字滤波器将带外干扰抑制到一定程度。对于TDD系统，DL和UL传输必须在时域中被分离，即两个通信站轮流传输信号，且没有在时域中重叠。因此，在FDD或者TDD系统中，都不能充分使用无线电频率。在TDD系统中，DL和UL传输之间的切换次数越多，媒体使用效率就越低。
在IEEE 802.11中，基本服务集(BSS)是无线局域网(WLAN)的组成部分。在无线电覆盖区中相关联的无线站(也被称作站)建立BSS并且提供WLAN的基本服务。
与其他的站相关联并且致力于管理BSS的中心站被称为接入点(AP)。围绕AP建立的BSS被称作基础设施BSS。图1示出了基础设施BSS的实例。BSS1和BSS2是基础设施BSS。BSS1含有一个接入点(AP1)和几个非AP站STA11、STA12以及STA13。AP1维持与站STA11、STA12以及STA13的联系。BSS2含有一个接入点(AP2)和两个非AP站STA21和STA22。AP2维持与站STA21和STA22的联系。基础设施BSS1和BSS2可以通过AP1和AP2之间的回程链路相互连接，或者通过分布式系统(DS)被连接到服务器。
IEEE 802.11无线通信支持多路访问并且为多个站提供两种类型的访问控制机制，以访问媒体。
A)分布式协调功能(DCF)
B)点协调功能(PCF)
PCF(或者其增强版HCCA—混合控制功能控制的信道访问)是在基于IEEE 802.11的WLAN中使用的集中控制多媒体访问控制机制。PCF驻留在AP中，以在WLAN内协调通信。AP等待PIFS时间以在媒体空闲之后争夺媒体。由于PCF比DCF的优先级更高，故AP可以更早获得媒体并且向PCF可行的站发送CF-Poll(无竞争轮询)帧，以允许其在媒体上传输帧。如果被轮询的站没有任何帧要发送，那么其应该向AP传输空帧。否则，被轮询的站将获得传输机会，以通过媒体向AP发送它的数据。
由于PCF(或者HCCA)使用轮询机制来控制多路访问以共享媒体，即其交替轮询所有相关联的站以检查它们是否具有要发送的数据，故当在BSS中例如在公共区域或者会议室的热点中存在大量的相关联的站点时，其可能会遇到频率使用效率问题。当相关联的站的数量很大而活动的站的数量较少时，PCF轮询机制不是非常高效率的，并且引起许多媒体浪费。
另一方面，DCF依靠具有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)机制来控制多媒体访问。每个站实施CSMA/CA功能。在对无线媒体进行访问之前，站必须使用CSMA/CA机制来侦听媒体占用情况。如果站侦听到媒体是忙的，那么其必须等待并且稍后再次尝试侦听该媒体。如果站侦听到媒体处于空闲状态，那么其将等待一段帧间隔(IFS)的时间并且接着进入被称作竞争窗口(CW)的竞争期。为了支持多个站访问媒体，每个站必须在通过媒体传输之前退避一段随机时间。
图2示出了在当前802.11规范中的DCF的CSMA/CA机制的实例。站侦听媒体。如果媒体是忙的，那么站推迟，直到媒体被确定为空闲且加上等于xIFS的时间段，此时正确接收了媒体上检测到的最后一个帧。如果站将要发送例如ACK的控制帧，那么其在传输之前必须等待短帧间隔(SIFS)的时间。如果站将要传输管理帧，那么其必须等待点协调功能(PCF)帧间隔(PIFS)的时间。如果站将要传输数据帧，那么其在进入竞争窗口之前必须等待分布式(协调功能)帧间隔(DIFS))或者仲裁帧间隔(AIFS)或者增强帧间隔(EIFS)的时间。
为了允许多个站争夺媒体，DCF CSMA/CA机制在等待xIFS时间段之后的竞争窗口中使用了退避时间控制机制。竞争窗口中的每个站必须退避一段随机的时间，所述退避随机时间被定义为：
退避时间＝随机()x时隙时间
其中随机()＝在区间[0，CW]上均匀分布的伪随机整数，并且CW是整数：aCWmin≤CW≤aCWmax。
在IEEE 802.11中使用的现有CSMA/CA机制在每个传输中都遭受开销的损害，并且因此降低了媒体使用效率，尤其是在大量站共享相同媒体并且同步传输时。
图3示出了当前IEEE 802.11CSMA/CA机制中的传输开销的实例。
A)在竞争时间间隔中，仲裁帧间隔(AIFS)和关于退避的竞争窗口(CW)是用户数据传输的开销。
B)在无竞争(TXOP)期中，RTS/CTS(请求发送、允许发送)、ACK、前导码以及DL和UL传输之间的时间间隔(SIFS)是用户数据传输的开销。
通常这些开销降低了传输效率。越多的站争夺传输媒体，媒体使用效率就越低。DL和UL传输之间的切换次数越多，媒体使用效率就越低并且传输时延就越大。
除了CSMA/CA机制中的开销以外，用于平等共享通话时间的下行链路或者上行链路TXOP分配也产生了关于AP在竞争期间的公平问题。当许多站与AP相关联，并且都处于活动的传输状态中时，根据CSMA/CA或者EDCA机制，每个相关联的站和AP的传输机会的可能性是相同的。然而，AP是WLAN的聚集点并且负责为所有相关联的站发送所有的DL帧。如果AP具有与其他的站相同的竞争TXOP的可能性，那么随着相关联的站的数量的增加，AP进入到TXOP的机会越来越低。当相关联的站的数量达到一定的阈值时，这将导致DL吞吐量快速降低。
由于移动设备上执行了越来越多的基于多媒体的服务，故被移动设备消耗的移动数据量增加了，并且这导致了总移动数据通信量的越来越多的非对称性。今天的移动网络的测量结果确认了下载数据通信量大大地超过上传数据通信量的非对称性质，这导致下行链路通信量与上行链路通信量不平衡。因此当使用CSMA/CA来争夺媒体时，DL和UL之间的不平衡的通信量将产生更多关于AP的不公平问题。
TCP(传输控制协议)是基于传输确认机制提供可靠传输的网络层协议。其起初是针对有线网络中的传输进行设计的。当传输数据包没有被确认或者被延迟时，发射机假设网络正经历拥塞并且增加了TCP滑动窗口以降低传输速率。ACK的延迟越长，传输速率就越低。
然而，当无线通信中使用了TCP机制时，数据包丢失并不总意味着拥塞。在大多数情况下，数据包丢失是由于例如干扰、衰减、接收信号弱等的无线电环境。即使在无线空中接口中使用了混合自动重传(HARQ)机制以重传丢失的数据包，这也可能尤其是在单个传输中聚集了更多数据包时导致TCP层中的数据包延迟。因此，TCP将把延迟的确认看作拥塞并且仍然调整其滑动窗口以降低传输速率。这将导致无线网络的性能降低。
尤其在许多活动的站将要在热点、会议室、或者其他高密度位置传输帧时，这些问题将导致802.11非常低的媒体使用、很长的访问时延或者拥塞以及很差的用户体验。
为了提升媒体使用效率并且减小传输时延以改进用户体验，本文件从一个方面提供了将信道访问机制从数据传输分离的技术。
对于信道访问，其仍然可以利用现有的CSMA/CA机制，以用于对传统系统的向后兼容。对于新的全双工站，新技术增强CSMA/CA机制来支持早期冲突检测和避免(CEDA)，以提高媒体的使用率。
在某些实施方式中，对于通信站获得媒体之后的数据传输，可以使用全双工器执行同步DL和UL传输，以在DL和UL传输之间形成某种空间分离，以增加传输容量并且减小传输时延。
图4A和图4B示出了使用全双工传输机制的CSMA/CA+CEDA的实例。
当传统站(例如，当前的802.11站)检测到媒体处于空闲状态时，它们使用用于多路访问的CSMA/CA机制进入竞争时间间隔。将进行传输的所有传统站都必须等待AIFS的时间并且退避由它们的竞争窗口(CW)值所指定的时间，并且接着通过发送RTS争夺媒体。响应站将发送CTS以确认通信链路的建立。
然而，全双工站可以使用CEDA机制来争夺媒体。
一旦建立了传输链路，成功站进入全双工传输期(即，CTS之后)并且可以使用全双工传输模式相互同步传输帧。
图5A示出了CEDA机制的过程的实例。全双工站在前导码时间中校准无线电参数，并且在校准之后继续监控空中接口。如果全双工站在其传输期间检测到来自其他站的传输信号并且不能解码接收到的帧，那么这意味着发生了冲突。然后其立即停止其当前的传输。如果站在其传输期间仍然可以听到来自其他站的传输并且成功地解码帧，那么冲突避免了。如果站在停止其传输之后没有听到来自其他站的传输，那么这可以意味着其他的站可能也停止了传输。在这种情况下，媒体提早恢复空闲状态并且为新的竞争做准备。如果同时争夺媒体的两个CEDA站(STA 1和STA 2)能够成功地听到并且接收来自其他站的传输，那么将把TXOP所有权给接收到确认的站。如果STA 1接收到寄给它的CTS，那么其得到TXOP并且继续其传输。STA 2执行退避并且再次争夺媒体。如果响应站同时接收到来自两个站的信号，但是其不能成功地解码帧，那么响应站将不会发送CTS。因此，那些争夺站中没有一个获得TXOP，并且它将不得不再次争夺媒体。如果多于两个CEDA站同时争夺媒体，那么有可能每个站都可以听到来自其他站的多于两个的传输，但是也许不能正确地将其解码。因此，CEDA站应该停止其传输以避免冲突。
图5B示出了可供替代的CEDA机制。在竞争窗口中，传输CEDA站在其检测到来自其他站的传输之后立即停止其传输(不管其是否可以正确地解码)。换句话说，其只允许竞争窗口中存在一个传输，以尽可能早地防止冲突。从一个有利的方面看，这将使得媒体上的传输更加可靠。
相比于其中在响应定时器到期之前传输站将不会知道冲突发生的CSMA/CA机制，CEDA机制可以在早期阶段中检测和避免冲突，并且一旦检测到了冲突就允许媒体回到竞争期。因此，CEDA将降低冲突的可能性并且将提高传输可靠性。
在某些实施中，全双工传输操作是基于自干扰消除过程的。自干扰消除过程决定全双工传输的性能。对接收机处的自干扰的抑制越高，则在设备的接收机处的噪底就越低，并且可以被用于通信的调制编码方案就越高级。换句话说，全双工机制在传输路径和接收路径之间建立了一些空间分隔，因此同步传输和接收能够在相同的频道上执行。
图6示出了可以在包括图1中的接入点和站的无线电站的各种实例中使用的全双工无线电收发机站体系结构的实例。例如接入点或者无线站的全双工无线电站可以包括例如微处理器的处理器电子器件，所述微处理器实施例如本文件中呈现的技术中的一个或者多个的方法。全双工无线电站可以包括用以发射无线信号的分立的发射机电子器件(例如，Tx MAC/PHY、数模转换器DAC、上变频器、功率放大器、Tx信号分离器以及Tx天线)，以及用以接收媒体上的信号的分立的接收机电子器件(例如Rx天线、RF信号混频器、低噪声放大器LNA、下变频器、模数转换器ADC、RX PHY/MAC)。发射天线和接收天线在空间上是分离的，以提供空间隔离。发射和接收电子器件的分立可以被用于使AP和STA之间的定时同步在DL和UL中变为相互独立的。对于DL路径，接收STA可以将其定时同步到AP的定时；而对于UL路径，AP可以将其定时同步到传输STA的定时。全双工无线电站可以包括用于传输和接收数据的其他通信接口。在某些实施中，全双工无线电站可以包括一个或者多个有线通信接口，以与有线网络进行通信。全双工无线电站可以包括被配置为存储例如数据和/或指令的信息的一个或者多个存储器。
可以独立地操作全双工无线电站中的这两个分立的无线电链(chain)。例如，当接收无线电链从接收天线接收信号时，允许发射无线电链通过处于相同频带(以相同的频率)的发射天线发射无线电信号。
在发射和接收无线电链之间，反馈控制器电子器件将反向并且被过滤的传输信号控制并且转发到混频器和/或接收无线电链的PHY，以在发射机和接收机都在相同的频率上操作时消除通过空气环回到接收机电子器件的传输信号。
可以采用以下三级中的任意一级或者所有以下三级执行全双工器的自干扰消除，所述三级为：
A)在发射天线元件和接收天线元件之间的空间分离。由于发射天线和接收天线的放置分离，故可以减少环回到接收无线电链的传输信号。
B)通过从接收信号去掉RF混频器处被调整侵入的传输信号来进行模拟消除，以避免LNA和ADC饱和。这可以提高TX路径和RX路径之间的空间分离的性能。
C)在基带级中进行数字消除，用以进一步过滤出传输信号。这可以进一步提高TX路径和RX路径之间的空间分离的性能。
图7示出了用于全方向操作的双层天线阵列的实例。用于全双工器的双层天线含有一个或者多个发射天线元件702以及一个或者多个接收天线元件704。可以将发射天线元件放置在双层天线的底部以及将接收天线元件放置在双层天线的顶部，其中“顶部”和“底部”仅指在附图内的放置。
在某些实施中，在沿竖直方向的阵列中放置了发射天线元件，以形成水平波束。在全向情况下，由双层天线阵列形成的波束沿水平方向仍然是具有全方向的，但是其沿竖直方向将变窄。同样在沿竖直方向的阵列中放置了接收天线元件，并且其沿水平方向也形成了全方向的波束。并且通过隔离器将发射天线元件和接收天线元件分开放置，以提供更好的空间隔离。在本文件中，方向术语“竖直”和“水平”仅为了便于描述附图而使用，并且仅在相对正交的含义中使用。实际上，可以将天线沿任何方向放置在无线设备上并且可以沿任意空间方向进行扩展。
用于全双工器的发射和接收双层天线阵列都沿水平方向形成了平面波束。图样706示出了双层天线阵列的辐射图的实例。关于双层天线的发射天线阵列和接收天线阵列的最大天线增益位于水平方向上。在竖直方向上，发射和接收天线阵列的增益可能达到其最小值。因此，除了发射天线和接收天线之间的空间分离，双层天线阵列还可以在发射天线元件和接收天线元件之间提供额外的隔离。
图7只示出了用于全方向情况下的双层天线阵列的实例。事实上，天线元件可以是全向的或者定向的。如果天线元件是全向的，那么双层天线是全方向的。如果天线元件是定向的，那么双层天线可以被用于基于扇区的全双工传输。
RF反馈控制器被用来控制到接收链电子器件的混频器的反向传输信号的反馈，以用于RF级中的消除。数字反馈控制器被用来在基带级中控制反向的并且被过滤的传输信号的反馈。
假设在Rx天线处接收到的信号是Srx(t)+a(t)*Stx(t)，
其中Srx(t)是从其他站接收到的信号，
a(t)*Stx(t)是从其发射天线环回到接收天线的传输信号。
a(t)是在全双工器的发射天线和接收天线之间的信道模型；
Stx(t)是来自发射天线的传输信号。
假设在RF级或者数字级处的经校正的接收信号是：
Rrx(t)＝Srx(t)+a(t)*Stx(t)+c(t)*Stx(t)，
如果c(t)＝-a(t)，那么可以从接收信号中消除传输信号。在这种情况下：
Rrx(t)＝Srx(t)+a(t)*Stx(t)+c(t)*Stx(t)＝Srxt(t)
由于实施错误和估计错误，在RF级的自干扰消除之后，经校正的接收信号中可能会有传输信号的一些残余信号。为了进一步消除传输信号中的残余信号，全双工器可以采用数字基带处理器进一步过滤出传输信号。
如接下来所讨论的，用于全双工器的自干扰消除可以适用于多天线系统(MIMO)。
图8示出了用于同步下行链路和上行链路的具有两个双层天线阵列的全双工MIMO站800。MIMO全双工器含有两个独立的双层天线阵列，所述两个双层天线阵列提供两条分离的传输路径以及两条分离的接收路径，以形成下行链路MIMO和上行链路MIMO。
在某些实施中，全双工无线电站可以基于IEEE 802.11空中接口相互通信。在某些实施中，全双工无线电站可以传递通用移动通信系统(UMTS)和/或演变的UMTS陆地无线接入网(E-UTRAN)或者第三代或者第四代3G/4G技术。
为了实现良好的来自发射机的自干扰的消除的性能，经常校准用于全双工传输的无线电环境参数可能是有利的。同时媒体时间被分成用于多个站争夺媒体的信道访问时间(竞争期)以及用于配对成功的站相互通信的传输时间(无竞争期)。在某些实施中，起始站可以在请求媒体期间校准无线电参数。
图9示出了全双工站信道访问和校准的过程900的实例。为简便起见，使用802.11专门术语来描述过程900。
1.将要向另一个站传输帧的站侦听媒体直到该媒体处于空闲状态。
2.当媒体在根据传输类型针对DIFS或者AFIS时间变为空闲时，站进入竞争期并且计算退避定时器值。对于起始的传输，站使用aCWmin来确定起始的退避定时器值。对于由于冲突的重传，站根据CW值设置退避定时器值。
站继续在竞争窗口期中侦听媒体。如果站仍然侦听到媒体是空闲的，那么其将退避定时器减小1个时隙，并且继续侦听媒体。否则，如果媒体是忙的，站应该停止退避过程，直到下个竞争期开始，并且不会将退避定时器减去该时隙。
3.当退避定时器达到0时，允许站占用媒体，以用于传输RTS帧。
4.在传输RTS期间，无线电站使用RTS帧的前导码训练序列来校准用于自干扰消除算法的无线电参数。
5.站等待CTS。
6.如果站响应于其RTS接收到CTS，那么这表明站已经获得了媒体并且进入了无竞争期。站将校准结果用于自干扰校准算法，以在TXOP时间间隔中在全双工通信期间在站的接收机处消除其传输。
7.如果站没有响应于其RTS接收到CTS，那么这意味着媒体没有被准许来供站进一步传输并且先前的校准可能不是无效的。站必须针对每次失败的RTS(重新)传输将CW增加2的整数幂，直到高至值CWmax，计算新的退避定时器值并且继续侦听媒体以重新竞争。
图10示出了用于全双工器的无线电参数校准的实例。当站发送RTS来争夺媒体时，站可以用前导码训练序列来校准全双工。
如果RTS成功被CTS响应，那么在起始站中的全双工的校准是有效的，并且可以将该校准结果用于TXOP接下来的传输中的自干扰消除。
如果起始站无法接收响应于RTS的CTS，那么这意味着无法通过目的站接收RTS或者无法通过起始站接收CTS。因此起始站失去了TXOP。可以丢弃被校准的无线电参数。
响应的全双工站可以在响应RTS发送CTS时将CTS帧中的前导码用作训练序列，以校准无线电参数。如果响应的全双工站在发送CTS后继续接收到来自起始站的帧，那么其使用被校准的无线电参数，以在向对等站传输期间消除在接收链处的自干扰。
在某些实施中，针对每个TXOP校准了消除的无线电参数，以提高自干扰消除的性能。
在CTS之后，通信站都进入了无竞争期并且为在相同的频道上的同步DL-UL传输做准备。
进行通信的每个站都可以使用全双工自干扰消除机制接收从其他站发送的帧，以在接收机处减少或者移除其传输信号。
图11示出了通信站可以使用全双工传输机制在TXOP中执行同步传输的实例。在RTS/CTS的竞争期中，通信站包括全双工传输能力指示。起始站可以在RTS中包括全双工能力指示，同时如果起始站和响应站支持全双工，那么响应站可以在其CTS帧中包括全双工能力指示。一旦通信站都确认支持全双工传输，那么它们可以在TXOP中执行同步下行链路和上行链路传输，以提高媒体使用效率。通过空气，全双工站的传输链可以发送帧，同时，接收链接收帧。全双工站的接收链在接收信号中抑制通过空气的传输信号，以消除由发射器产生的自干扰。
全双工器可以支持不同的全双工传输模式。
图12示出了全双工传输模式的实例。布置1202示出了单对全双工传输的实例。布置1204示出了具有AP的多个全双工传输对。
如果TXOP被非AP STA拥有，那么如图13中所示的，通信站可以同时开始全双工传输，直到TXOP结束。
如果TXOP被AP拥有，那么例如图14中所示的，AP可以针对SISO(单输入单输出)模式采用TDD方式调度多个站的全双工传输。
在获得TXOP之后，AP可以通知与其通信的非AP站对TXOP保持警惕，并且依次为被服务的每个站调度传输时间间隔。在每个传输时间间隔期间，站可以为响应于下行链路数据发送ACK(或者BA)或者向AP发送上行链路数据，同时接收来自AP的帧。例如，一旦AP完成了与全双工STA 1的通信，那么AP可以接着调度时间，以向另一个全双工站STA 2传输。在从AP接收帧期间，STA 2也可以向AP传输数据和信号。采用这种方式，其将通过AP调度来避免来自多个站的媒体竞争，并且提高媒体占用效率。
WLAN部署中的最大挑战之一是隐藏节点问题。由于WLAN使用异步访问机制并且其部署可以是未计划的，故隐藏节点站可以干扰正常传输，在有大量隐藏节点的环境中，尤其如此。
使用全双工传输机制，AP甚至在其接收从其他站发送的帧时也可以传输信标或者其他的信号。其他通信站也可能在接收帧期间传输信号。这将帮助尝试争夺该媒体的其他空闲站来检测媒体占用状态，并且防止对通信站的干扰。
图15示出了使用全双工传输机制来在接收帧期间传输信号以减小WLAN中的隐藏节点问题的实例。站STA 1和STA 2已经与AP相关联，但是它们不能相互听到。当STA 1向AP发送帧时，STA 2将不会通过空气检测到该信号。因此，STA 2可能检测到媒体空闲，并且可能向AP发送帧以及可能对STA 1和AP之间的传输产生干扰。
使用全双工传输，AP可以发送信号和/或数据，同时接收来自STA 1的帧。因此，STA2将能够检测媒体被占用，并且将不会启动到AP的传输。
图16示出了为将接收到的数据包快速转发到下一跳而在中继站中使用全双工机制以降低由中继产生的传输时延的实例。快速转发机制基于被非AP站、中继站以及AP共同拥有的TXOP的原理。当中继站接收了A-MPDU时，其可以利用全双工传输机制来将数据包立即转发到下一站。最终的目的站将确认从中继站转发的接收数据包。
图17是表示了用于快速转发的全双工中继站的过程的信号交换示意图1700。
A1.站STA已经与中继相关联，并且监控媒体。其检测到媒体处于空闲并且进入了竞争期。
A2.STA向中继站发送RTS以请求媒体。
A3.中继站接收RTS并且检查AP的通信链路。如果中继站检测到AP的通信链路是忙的，那么其将不会响应RTS，因为其到STA的传输将干扰AP的通信，并且导致隐藏节点干扰。如果中继站发现到AP的通信链路是空闲的，那么中继站将向STA发送CTS。同时AP也将接收到CTS帧，并且其使用NAV在接下来的TXOP中标记将被中继站占用的媒体。
A4.一旦接收了CTS，STA开始依次向中继站传输A-MPDU。
A5.使用全双工传输机制，中继站将把接收到的A-MPDU立即转发到AP。如果STA接收到由中继站发送的A-MPDU，那么其丢弃接收到的A-MPDU。
A6.在接收了来自中继站的多个A-MPDU之后，对于接收到的A-MPDU，AP以块确认(BA)来响应中继站。
A7.中继站将BA转发到STA。
在某些实施方式中，可以在简化的同步传输和接收(STR)中使用全双工机制。在简化的同步传输和接收情况中，只有AP或许能够同时执行到两个站的全双工通信，同时处于通信中的站可以使用半双工机制来向AP传输帧或者从AP接收帧。
图18示出了简化的STR过程的实例。在该实例中，只有AP是全双工设备，而STA1和STA2是常规的半双工站。当半双工站STA1向AP发送数据时，如果AP知道来自STA1的传输将不会严重干扰STA2接收从AP发送的帧，那么将允许AP使用接收时间间隔来向BSS中的另一个站STA2传输帧。
图19示出了STA使用推迟的ACK启动简化的STR的实例。在该实例中，AP能够执行全双工传输，而STA1和STA2支持半双工传输。
191.AP通过发送具有全双工能力指示的RTS(或者其他的帧)来开始媒体竞争，并且用于向STA1传输缓冲数据的时间信息(T1)包括传输SIFS、CTS、SIFS、PPDU、SIFS以及ACK/BA的时间。
192.AP在接收来自STA1的CTS之后获得用于传输的TXOP。
193.然后，AP可以向STA1发送包括SIG信息的PPDU。同时STA2(STR启动器)从接收到的RTS知道AP能够执行全双工传输。STA2测量在接收到的CTS中STA1的路径损耗和链路预算，并且知道其到AP的新传输将不会严重干扰AP和STA1之间的现有通信。根据采用RTS/CTS中接收到的关于现有传输的持续时间信息(T1)，STA2可以确定在基于EDCA的单个保护中的新STR传输的持续时间(T2)：T2＝T1–SIFS–CTS时间–SIFS–ACK时间。为了为新传输找到更准确的持续时间，如果可能的话，STA2将解码通过AP发送的PPDU中的SIG字段，并且使用在PPDU的SIG中的持续时间(T3)信息来确定新的传输持续时间(T2)。可以根据解码PPDU的SIG字段后到T3同样结束的时间来计算T2(T2<T3)。如果根据T3计算的T2是可用的，那么STA2使用T2。否则，STA2可以使用根据T1计算的T2来确定新传输的持续时间。然后在T2内STA2开始向AP传输PPDU。因此，全双工AP可以接收由STA2发送的PPDU，同时其向STA1传输PPDU。在来自AP的PPDU的传输完成(T3内)之前，由STA2发送的PPDU的传输在T2内完成了。采用这种方式，其允许AP在AP完成到STA1的传输之后立即在SIFA时间内接收来自STA1的ACK(或者BA)。
194.一旦有全双工能力的AP成功地接收来自STA2的PPDU，它就可以推迟向STA2发送ACK(或者BA)，直到其完成将其当前的PPDU传输到STA1。STA2在其完成到AP的传输之后等待推迟的ACK(或者BA)。当STA1成功地接收了来自AP的PPDU时，其在SIFS时间内向AP发送ACK(或者BA)。
图20示出了STA使用波束成形方案启动简化的STR的实例。
201.AP支持全双工传输，并且其通过传输具有全双工能力指示、传输波束成形能力指示、以及持续时间信息的RTS(或者其他的帧)来开始媒体竞争，以向STA1传输PPDU。
202.AP在接收了从STA1发送的CTS之后占用媒体。
203.然后AP向STA1传输探测帧，以便在TXOP期间对STA1使用波束成形传输。同时，STA2根据接收到的RTS帧知道AP能够进行全双工传输和传输波束成形。STA2可以在AP传输探测帧的时间期间向AP发送探测帧。
204.当STA1接收了来自AP的探测帧时，其向AP提供反馈(例如ACK或者其他帧)。当AP接收了来自STA2的探测帧时，其也向STA2发送反馈(例如ACK或者其他帧)。
205.使用反馈信息，在接下来的传输中，AP可以朝STA1引导其传输波束，并且STA2可以朝AP引导其传输波束，以便在简化的STR帧之间建立空间分离。类似地，ST2确定其传输持续时间(T2)，其中T2应该比来自AP的PPDU的传输时间(T3)小。
图21示出了AP使用波束成形方案启动简化的STR的实例。
211.STA1通过传输具有传输波束形成能力以及持续时间信息(T1)的RTS来争夺媒体，以向AP传输PPDU。
212.具有全双工能力的AP向STA1发送CTS并且表明其全双工能力以及CTS中传输波束成形能力。
213.然后，STA1在接收了CTS帧后向AP发送探测帧。同时AP向为之提供一些缓冲数据的STA2发送探测帧。
214.STA2在其接收了来自AP的探测帧后给AP发送反馈帧(例如ACK)。同时，当AP接收了从STA1发送的探测帧时，其向STA1发送反馈帧(例如ACK)。
215.使用反馈信息，在接下来的传输中，AP可以朝STA2引导其传输波束，并且STA1可以朝AP引导其传输波束，以在STA1和AP之间、以及在AP和STA2之间的简化的STR帧中建立空间分离。AP根据以太RTS/CTS帧中的持续时间(T1)字段来确定新连接的传输持续时间(T2)(即T2<T1)，或者根据由STA1发送的PPDU帧的SIG字段中的持续时间(T3)信息来确定新连接的传输持续时间(T2)(即，T2<T3)。
图22是用于检测和避免无线通信系统中的媒体上的传输冲突的方法2200的示例流程图，其中所述方法2200包括：对于传输，侦听媒体(2202)；当没有在媒体上侦听到传输时，在该媒体上传输第一数据帧(2204)；在第一数据帧的传输期间继续侦听该媒体(2206)；当在传输第一数据帧期间侦听到传输时，接收第二数据帧(2208)；以及基于是否成功地接收了第二数据帧，选择性地控制第一数据帧的传输(2210)。在某些方式中，发射是使用发射天线执行的，并且其中接收是使用接收天线执行的，并且其中发射天线和接收天线在空间上是相互隔离的。
在某些实施中，用于检测和避免无线通信系统中的媒体上的冲突的方法包括：在第一时间间隔中，对于传输，侦听媒体；当没有在媒体上侦听到传输时，在时间上在第一时间间隔之后的第二时间间隔中通过媒体传输第一数据帧；继续在第二时间间隔中在传输帧期间侦听媒体；当在第二时间间隔期间侦听到传输时，则停止传输第一数据帧。
在某些实施中，访问无线信道的方法采用全双工的方式，在无线站处实施的方法包括：针对空闲状态测量媒体；当媒体是空闲时在媒体上传输发送数据帧的请求；通过在请求的传输期间执行的测量来校准无线站的一个或者多个无线电参数，其中所述一个或者多个无线电参数被用于之后来自无线站的传输的自干扰消除；接收允许发送指示并且基于允许发送指示传输数据帧。
在某些实施中，用于在无线通信网络中执行全双工操作的无线装置包括：被配置为在媒体上传输无线电频率(RF)信号的第一天线，以及被配置为接收来自媒体的RF信号的第二天线，其中第二天线相对于第一天线在空间上是隔离的。参考图7和图8公开了一些示例天线配置。
图23描绘了无线通信设备2300的实例。模块2302(例如，媒体侦听模块)用于对于传输侦听媒体。模块2304(例如，发射机模块)用于在没有在媒体上侦听到传输时通过媒体传输第一数据帧，其中所述媒体侦听模块在第一数据帧的传输期间继续侦听该媒体。模块2306(例如，接收机模块)用于在传输第一数据帧期间感测到传输时，尝试接收第二数据帧。模块2308(例如传输控制模块)用于基于是否成功地接收了第二数据帧来选择性地控制第一数据帧的传输。
需要理解的是，本文件公开了一种将CSMA/CA机制与早期冲突检测和避免相结合的技术，用于对多个站的信道访问以及TXOP中的全双工同步DL和UL传输。
还需要理解的是，本文件公开了被称作CEDA的技术，用于使用全双工器来检测和避免在传输的早期阶段中的冲突。一旦检测到了冲突，发射站就可以快速释放媒体，以用于新的竞争，从而最小化媒体可用性的浪费。
还需要理解的是，公开了针对更好的消除性能的关于全双工器使用双层天线阵列来消除自干扰的技术。在某些实施中，全双工器可以在站争夺媒体期间将前导码用作训练序列来校准关于RF的无线电参数以及数字消除算法。在某些实施中，当全双工器是响应站时，其可以响应于媒体请求用前导码来校准关于RF的无线电参数并且实施数字消除算法。
还需要理解的是，提供了用于操作全双工AP站以调度多个DL和UL同步传输对的方法。在某些实施中，全双工传输机制可以被用来减小WLAN部署中的隐藏节点问题。在某些实施中，可以在中继站中实施全双工传输机制，以将接收到的数据包快速转发到下一跳站，以减小传输时延。
还需要理解的是，提供了用于操作全双工AP站以调度采用简化的同步传输和接收方案的两对通信的技术，其中一对通信是DL传输而另一对则是UL传输。采用这种方式，采用简化的同步传输和接收方案的站仅被要求采用半双工模式进行操作，这将简化站的设计和实施。
可以采用数字电子电路或者包括了本文件中所公开的结构以及它们的结构等价物或者它们中的一个或者多个的组合的计算机软件、固件或者硬件，来实施本文件中描述的已公开的以及其他的实施方式、模块(例如，媒体侦听模块、发射机模块、接收机模块、传输控制模块，等等)以及功能操作。可以将所公开和其他的实施方式实施为一个或者多个计算机程序产品，即，在计算机可读媒体上编码的计算机程序指令的一个或者多个模块，以用于通过控制数据处理装置的操作来执行，或者用于控制数据处理装置的操作。计算机可读媒体可以是机器可读存储设备、机器可读存储基质、存储器设备、影响机器可读的传播信号的物质成分、或者一种或者多种上述媒体的组合。术语“数据处理装置”包括所有用于处理数据的装置、设备以及机器，其包括通过示例的方式给出的可编程处理器、计算机或者多个处理器或者多个计算机。除了硬件以外，装置还可以包括为考虑中的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中的一个或者多个的组合的代码。传播信号是人为产生的信号，例如，机器产生的电、光或者电磁信号，其被产生来对信息进行编码，以用于到合适的接收机装置的传输。
可以采用任何形式的包括编译或者解释语言的编程语言来编写计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、脚本或者代码)，并且其可以采用任何形式进行部署，包括作为独立的程序或者作为模块、组件、子程序或者其他合适的用于计算环境中的单元。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在容纳了其他程序或者数据(例如，在标记语言文档中存储的一个或者多个脚本)的文件的一部分中、致力于考虑的问题的单个文件中、或者多个协调文件(例如，存储了一个或者多个模块、子程序或者代码部分的文件)中。计算机程序可以被部署为在一个计算机上或者在多个计算机上执行，其中所述多个计算机位于一个站点或者分布在多个站点并且通过通信网络互联。
本文件中描述的过程和逻辑流程可以通过执行一个或者多个计算机程序的一个或者多个可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并且产生输出来执行功能。还可以通过专用逻辑电路来执行该过程和逻辑流程，并且各装置也可以被实施为专用逻辑电路，所述专用逻辑电路例如是FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路)。
作为示例，适合于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任意种类的数字计算机的任意一种或者多种处理器。通常，处理器将从只读存储器或者随机存取存储器或者所述两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或者多个存储器设备。通常，计算机也将包括用于存储数据的例如磁盘、磁光盘或者光盘的一个或者多个大容量存储设备，或者其被可操作性地耦合来接收来自所述一个或者多个大容量存储设备的数据，或者向所述一个或者多个大容量存储设备传送数据，或者同时执行所述接收操作和传送操作。然而，计算机并非必须具有这种设备。适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读媒体包括所有形式的非易失性存储器、媒体和存储器设备，其包括通过示例的方式给出的例如EPROM、EEPROM以及闪存设备的半导体存储设备、例如内部硬盘或者可移动磁盘的磁盘、磁光盘、以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以通过专用逻辑电路进行补充，或者被并入到专用逻辑电路中。
虽然本文件含有很多细节，但是这些细节不应该被视为对本发明的范围的限制，即对本发明声称了什么或者可以声称什么的限制，而是作为针对具体实施方式的特征描述。本文件中在分离的实施方式的背景下描述的某些特征也可以在单个实施方式中以组合形式被实施。反之，在单个实施方式的背景下描述的各个特征也可以在多个分离的实施方式中分开实施或者在任意适合的子组合中被实施。此外，虽然上文中各特征可以被描述为采用某种组合起作用，甚至最初的声明也是如此，但是在某些情况下，来自声明的组合的一个或者多个特征可以从组合删除，并且所声明的组合可以针对子组合或者子组合的变型。类似地，虽然在附图中采用特定的顺序描述了操作，但这不应该被理解为要求采用所示的特定顺序或者采用有序的顺序来执行这种操作、或者执行所有示出的操作以实现期望的结果。
仅公开了少量的实例和实施。可以基于所公开的内容对所描述的实例和实施以及其他的实施做出变化、更改以及改善。

Claims (10)

1.一种以全双工的方式访问无线信道的方法，所述方法在无线站处实施，所述方法包括：
测量媒体的空闲状态；
当所述媒体是空闲时，在所述媒体上传输发送数据帧的请求；
通过在所述请求的传输期间执行的测量来校准所述无线站的一个或者多个无线电参数，其中所述一个或者多个无线电参数被用于来自所述无线站的之后传输的自干扰消除；
接收允许发送指示；以及
基于所述允许发送指示发送数据帧；
其中，所述自干扰消除包括采用全方向操作的双层天线阵列进行自干扰消除和/或采用反馈控制器将反向并且被过滤的发送信号转发到混频器和/或接收无线电链的PHY进行自干扰消除；所述双层天线阵列通过隔离器将第一天线和第二天线隔离。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述采用反馈控制器将反向并且被过滤的发送信号转发到混频器和/或接收无线电链的PHY进行自干扰消除包括：
去掉与被接收信号同时发送的被发送信号的估计的侵入。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述采用反馈控制器将反向并且被过滤的发送信号转发到混频器和/或接收无线电链的PHY进行自干扰消除包括：
在无线电混频器处，过滤被发送的信号对被接收的信号的基带贡献。
4.一种无线站装置，包括：
存储器，其存储代码；以及
处理器，其读取来自所述存储器的代码并且实施访问无线信道的方法，所述代码包括用于下述操作的指令：
测量媒体，以检查空闲状态；
当所述媒体是空闲时，在所述媒体上传输发送数据帧的请求；
通过在所述请求的传输期间执行的测量来校准所述无线站的一个或者多个无线电参数，其中所述一个或者多个无线电参数被用于来自所述无线站的之后传输的自干扰消除；
接收允许发送指示；以及
基于所述允许发送指示发送数据帧；
其中，所述自干扰消除包括采用全方向操作的双层天线阵列进行自干扰消除和/或采用反馈控制器将反向并且被过滤的发送信号转发到混频器和/或接收无线电链的PHY进行自干扰消除；所述双层天线阵列通过隔离器将第一天线和第二天线隔离。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述采用反馈控制器将反向并且被过滤的发送信号转发到混频器和/或接收无线电链的PHY进行自干扰消除包括去掉与被接收信号同时发送的被发送信号的估计的侵入。
6.如权利要求4所述的装置，其中所述采用反馈控制器将反向并且被过滤的发送信号转发到混频器和/或接收无线电链的PHY进行自干扰消除包括在无线电混频器处，过滤被发送的信号对被接收的信号的基带贡献。
7.一种用于在无线通信网络中执行全双工操作的无线装置，所述无线装置包括：
第一天线，其被配置为在媒体上发送无线电频率RF信号；以及
第二天线，其被配置为接收来自所述媒体的RF信号，所述第二天线相对于所述第一天线在空间上是通过隔离器隔离的，且所述第一天线和所述第二天线组成双层天线阵列。
8.如权利要求7所述的无线装置，其中：
所述第一天线包括沿第一方向的一个或者多个天线元件；以及
所述第二天线包括沿与所述第一方向相反的第二方向的一个或者多个天线元件。
9.如权利要求7所述的无线装置，其中所述第一天线和所述第二天线位于彼此的辐射图中的低增益点。
10.一种无线通信系统，所述无线通信系统包括：
接入点，其控制对传输媒体的访问；以及
多个无线站，其被配置为以全双工方式在所述接入点的控制下通过所述传输媒体进行通信；
其中，所述多个无线站中的无线站包括：
第一天线，其被配置为在所述传输媒体上发送无线电频率RF信号；以及
第二天线，其被配置为接收来自所述传输媒体的RF信号，所述第二天线相对于所述第一天线在空间上是通过隔离器隔离的，且所述第一天线和所述第二天线组成双层天线阵列。
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