CN110235379B - 一种用于执行空闲信道评估的方法及无线电接收器 - Google Patents

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Abstract

一种无线电接收器(5)，被布置成接收无线电信号。所述无线电接收器(5)包括：调谐器(4)，所述调谐器(4)输出表示由所述无线电接收器接收的无线电波的电子信号；相关器(18)，所述相关器(18)使预定信号模式与所述电子信号互相关，且输出相关信号；和空闲信道评估模块(22)。所述空闲信道评估模块确定在固定时间窗内所述相关信号中的峰值数何时超过阈值计数值，且响应于确定所述峰值数超过所述阈值计数值而输出占线信号。

Description

一种用于执行空闲信道评估的方法及无线电接收器
技术领域
本发明涉及用于在无线电接收器中执行空闲信道评估(CCA)的方法和设备。
背景技术
已知无线电接收器或收发器检查特定无线电信道是否空闲。这样做可能是为了检测旨在用于接收器的输入无线电发射的开始。这样做可能是为了在开始在信道本身上发射之前确定信道是否空闲。在第一种情况下，无线电可能需要不断地或甚至连续不断地执行此检查，从而使得其不会错过输入数据信号的开始。在第二种情况下，无线电可能只需在意图例如以所谓的“对话前监听”协议发射之前不久执行检查。
此类测试或“空闲信道评估(CCA)”典型地通过检测特定频带中高于某一阈值的无线电能来执行。然而，在通过使用特定编码或调制方案额外限定信道的情况下，无线电接收器还可检查具有某些属性的无线电波。例如，在载波侦听多路访问(CSMA)协议中，无线电接收器将在试图发射之前测试载波信号的存在。
属于迈威尔国际有限公司的US 7,876,770描述用于使用能量阈值处理和/或载波侦听以便执行空闲信道评估的各种IEEE 802.11b接收器设计。
然而，US 7,876,770中的载波侦听设计的实施是复杂的且将消耗大量功率。因此，它们不是很好地适合低功率应用，例如基于IEEE 802.15.4标准的小型电池供电无线传感器(例如，ZigbeeTM温度传感器)。
本发明寻求提供一种低功率途径以在无线电中执行空闲信道评估。
发明内容
从第一方面来看，本发明提供一种被布置成接收无线电信号的无线电接收器，所述接收器包括：
调谐器，其被布置成输出表示由无线电接收器接收的无线电波的电子信号；
相关器，其被布置成使预定信号模式与电子信号互相关，且输出相关信号；和
空闲信道评估模块，其被布置成确定在固定时间窗内相关信号中的峰值数何时超过阈值计数值，且响应于确定峰值数超过阈值计数值而输出占线信号。
从第二方面来看，本发明提供一种执行空闲信道评估的方法，所述方法包括：
接收表示所接收的无线电波的电子信号；
使预定信号模式与电子信号互相关以生成包括相关值序列的相关信号；
确定在固定时间窗内相关信号中的峰值数何时超过阈值计数值；以及
响应于确定峰值数超过阈值计数值而输出占线信号。
因此，本领域的技术人员将看出，根据本发明，可通过对相关峰值进行计数以及将峰值数与阈值进行比较来进行空闲信道评估。这可使用相对少的栅极在数字逻辑中实施且当在操作中时可消耗非常少的功率。
无线电接收器可为数字接收器。电子信号可为采样信号—例如，包括在基带的样本序列。样本可为正交样本。电子信号可在中频，低于由调谐器调谐的频带，但优选地在基带。相关信号可为离散信号。互相关可以以等于电子信号的采样周期或为采样周期的倍数的间隔步进。
接收器优选地被布置成解调根据调制方案调制的信号，所述调制方案例如，频移或相移调制方案，例如二进制频移键控(BFSK)或偏移正交相移键控(OQPSK)。预定信号模式优选地表示调制方案中的一个符号。例如，预定信号模式可为表示二进制调制方案中的零位(或一位)的波形，或可为表示正交或高阶调制方案中的零符号(或某一其它符号) 的波形。在一些实施例中，所存储位序列表示对固定符号、优选地零符号(例如，“0000”) 进行编码的IEEE 802.15.4码片序列，原因是这将发生在大多数数据包的报头和有效载荷中。
调制方案优选地是使得预定信号模式将出现在数据包(也就是说，典型数据包，可能地忽略例如具有空有效载荷的包的病态情况)的报头和有效载荷两者中。以此方式，甚至在仅接收数据包的片段时(例如，在数据包可能地在除无线电接收器外的两个装置之间发射的半途的同时启动空闲信道评估模块时)检测到占线信道的可能性大。
空闲信道评估模块可以任何适当的方式识别峰值。在优选实施例集合中，每当相关信号超过峰值阈值时识别到峰值。峰值阈值优选地被设定成使得任何相关旁瓣(side-lobe)低于峰值阈值。相关器和峰值阈值优选地被布置成使得对于相关信号内的每个局部最大值，相关信号中仅单个样本超过峰值阈值。以此方式，对峰值进行计数可通过对超过峰值的样本数进行计数来实施。这允许特别有效的实施方案。
空闲信道评估模块可因此包括被布置成针对超过峰值阈值的每个样本输出第一信号 (例如，逻辑高)的滤波器。滤波器优选地被布置成针对低于峰值阈值的每个样本输出第二不同信号(例如，逻辑低)。空闲信道评估模块可包括累加器，所述累加器被布置成接收滤波器输出且在固定时间窗内对超过峰值阈值的样本数进行计数。空闲信道评估模块可包括比较器，所述比较器被布置成将累加器的输出与阈值计数值进行比较。比较器优选地被布置成在固定时间窗之后输出比较结果。比较器可被布置成当累加器的输出超过阈值计数值时生成占线信号。比较器可被布置成当累加器的输出低于阈值计数值时生成不同于占线信号的空闲信号。当输出等于阈值计数值时，比较器可被布置成输出占线信号，或其可被布置输出空闲信号。空闲信道评估模块可包括计时器，所述计时器被布置成在固定时间窗之后重置累加器。空闲信道评估模块可被布置成在各自等于固定时间窗的多个时间窗内执行一连串计数。这些时间窗可为连续的，或可通过间隔分离。
固定时间窗的持续时间可为静态的(例如，由物理电路设定，或由安装在装置上的固件设定)。或者，其可为可变的，例如，可由在无线电接收器上运行的软件配置。然而，在优选实施例中，其将持续固定空闲信道评估模块的至少多个连续循环。其可基于信道条件、基于调制方案或任何其它相关因素而改变。其优选地至少在装置的连续无线电发射期间保持恒定。
类似地，峰值阈值可为静态的(例如，由物理电路设定，或由安装在装置上的固件设定)，或其可为可变的，例如，可由在无线电接收器上运行的软件配置。然而，在优选实施例中，其将持续固定空闲信道评估模块的至少多个连续循环。其可基于信道条件、基于调制方案或任何其它相关因素而改变。其优选地至少在装置的连续无线电发射期间保持恒定。
类似地，阈值计数值可为静态的(例如，由物理电路设定，或由安装在装置上的固件设定)，或其可为可变的，例如，可由在无线电接收器上运行的软件配置。然而，在优选实施例中，其将持续固定空闲信道评估模块的至少多个连续循环。其可基于信道条件、基于调制方案或任何其它相关因素而改变。其优选地至少在装置的连续无线电发射期间保持恒定。阈值计数值优选地基于调制方案来确定。其优选地取决于随机发射中针对预定信号模式的预期峰值数。例如，如果无线电接收器被布置成解调用二进制调制方案调制的数据，且相关器匹配零位，那么阈值计数值可基于在统计上信道内所接收位的一半可预计为零位而对应于固定时间窗内的位速率的一半(例如，被设定成等于或稍微低于此值)。
相关可被布置成使多个预定信号模式与电子信号互相关。这些可表示不同相应数据符号。可针对每个预定信号模式进行不同相应计数，且逻辑用于基于每个计数是否超过相应阈值计数值来确定是否输出占线信号。或者，可在固定时间窗内聚集计数且将其与单个阈值计数值进行比较。
相同相关器可用于解调电子信号且用于解码来自电子信号的数据，但这不是必要的。在一些实施例中，相关器还用于定时同步(例如，包和/或符号定时)和/或频率校正。然而，在一些实施例中，不同解码器(例如，相匹配滤波器组)可用于解码来自电子信号的数据。
无线电接收器优选地包括处理器。占线信号可被输出到处理器。在一些实施例中，一个或多个其它因素，例如在频带中接收的能量，可与空闲信道评估模块的输出组合以作出是否采取行动(例如发射无线电信号)的确定。
空闲信道评估模块可被布置成响应于确定峰值数不超过阈值计数值而输出空闲信号。然而，空闲信道评估模块可被布置成在从占线信号转变成空闲信号之前需要传递不同阈值计数值。
无线电接收器也可为无线电发射器，或可包含在也包括无线电发射器的装置中。包括如本文中所描述的无线电接收器的电子装置形成本发明的另一个方面。
无线电接收器可被布置成连续地执行空闲信道评估。然而，更优选地，空闲信道评估模块仅间歇地有效，例如，在装置意图发射无线电通信之前的一时间段内。装置可被布置成如果空闲信道评估模块输出占线信号则延迟无线电通信的发送，例如，使发射延迟回退时段，所述回退时段可能是随机化的。
无线电接收器优选地被布置成与解调数据信号同时地执行空闲信道评估。以此方式，如果空闲信道评估模块有效(例如，因为无线电接收器意图紧急发射信号)，那么意图用于无线电接收器的输入数据包的开始将不再丢失。
无线电接收器优选地为集成装置，例如，硅片。其可为片上无线电装置。空闲信道评估模块可在软件中实施，但优选地实施为不同于装置上的任何通用处理器的专用电子电路。
在适当的情况下，本文中所描述的任何方面或实施例的特征可应用于本文中所描述的任何其它方面或实施例。在参考不同实施例或实施例集合的情况下，应理解，这些未必是不同的，而是可重叠。
附图说明
现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：
图1是体现本发明的无线电通信系统的示意图；
图2是根据本发明的实施例的无线电接收器装置的框图；且
图3是图2的峰值计数器块的示意图。
具体实施方式
图1示出无线心率监测器1和智能电话2。每个装置1、2包括体现本发明且使用IEEE802.15.4通信协议彼此通信的收发器。然而，在其它实例中，装置1、2可使用例如蓝牙低功耗等不同无线电通信协议彼此通信。
确切地说，智能电话2除常规组件(未示出)外具有连接到收发器3的RF天线4。RF天线4被配置成接收无线电波5和6且将其转换成电信号。优选地，天线4接收已被调制成传送来自无线心率监测器1的IEEE 802.15.4兼容数据包的无线电波5。然而，天线4可另外或替代地从例如不希望与其通信的其它智能电话等其它辐射源或可间接发出无线电波的其它装置(例如，微波炉)接收背景无线电波6。因此，将看出，背景无线电波6可或可不被调制成传送数据。
收发器3包括无线电发射器6、无线电接收器5和处理器4(例如ARMTM Cortex M系列)。无线电发射器6包含编码器(以及其他部件)。当在发射模式中时，微处理器4可将用于发射的数据处理成合适的IEEE 802.15.4兼容消息格式且将数据包发送到无线电发射器4。无线电发射器4中的编码器5使用例如偏移正交相移键控(OQPSK)等已知技术将消息调制成射频信号7。无线电发射器6接着将数据包从天线4发射到接收方。
对于发射之前的短时间段，智能电话2执行空闲信道评估(CCA)。
当CCA被发起时，无线电接收器5被启动以便允许智能电话2接收希望在其上进行发射的频带中的无线电波。在此时间期间，RF天线4可拾取无线电波5、6(其可或可不用数据进行调制)且将这些无线电波5、6转换成电信号。电信号被传递到无线电接收器5以用于执行空闲信道评估。当所接收的无线电波5、6被确定包括适当调制的数据时，无线电接收器5还可执行其它无线电接收过程，例如数据解调。以下参考图2详述空闲信道评估过程。
图2是图1所示的无线电接收器5的更详细框图。然而，当然将了解，这仅是实例且下文所描述的无线电接收器5可在广泛多种不同无线电通信装置和系统中使用。
无线电接收器5包括：带通滤波器10；放大器12；混频器14；采样-保持数字信号处理器(DSP)16；相关器18；峰值计数器20；空闲信道评估(CCA)决策单元22；处理器 24；和解码器26。将了解，处理器24可为图1所示的微处理器4，或其可为不同处理器。
当无线电接收器5从天线4接收电信号时，电信号被传递通过带通滤波器10，所述带通滤波器10去除不在所希望频谱内的频率分量。所得滤波信号由放大器12放大，从而将经放大、经滤波信号提供到混频器14的输入端。此混频器14还接收本机振荡器信号15，使得混频器14对来自放大器12的信号进行下混频，从而可能变为基带或中频。
所得下混频信号被输入到采样-保持处理器16，所述采样-保持处理器16将模拟下混频信号转换成包括在基带的多个量化样本的数字信号。所得数字样本被馈送到相关器18中。相关器18使数字信号(例如，数字化复值基带样本序列)与表示所存储位序列的一组值互相关。所存储位序列可对应于对四位零符号(“0000”)进行编码的IEEE 802.15.4码片序列。取决于所使用的DSSS编码，零符号码片序列可为16位长(例如，[1010100100010111])或32位长。相关器18提供一系列相关值输出，其指示所存储位序列值在特定时间点多么好地匹配输入样本。高峰值相关值典型地在所存储值紧密地或精确地匹配输入样本时出现。相关值被馈送到峰值计数器20中，所述峰值计数器20的操作在下文更详细地描述。
将了解，当已被调制成传送IEEE 802.15.4兼容数据包的无线电波5由天线4接收时，且当所存储位序列值对应于IEEE 802.15.4零符号码片序列时，相关器18将输出所接收的无线电波中的每个零符号的相关峰值。相比之下，当所接收的无线电波6不包括数据时(如当所接收的无线电信号仅是背景噪音时可能的情况)，相关器18将不会输出相关峰值，因为相关器18的所采样序列中没有零符号波形以与所存储的零符号值匹配。
如图3所示，峰值计数器20包括峰值检测器30、计数器32和计时器34。峰值检测器30被布置成通过将相关值与固定阈值进行比较来确定相关值中的哪一者或多者表示相关峰值。超过固定阈值的相关值被确定为相关峰值。一般地，固定阈值被设定成足够高，从而使得其将旁瓣排除在主要相关峰值外且从而使得每个相关峰值中的仅单个样本超过阈值。峰值检测器30以每个样本间隔输出二进制值：在相关值高于固定阈值时为“1”且在相关值低于固定阈值时为“0”。计数器32对由峰值检测器30在3毫秒固定时间段内发出的“1”值的数目进行计数。固定时间段由计时器34设定，所述计时器34从0到3毫秒重复计数。计时器34在每次计数到固定时间段结束时被配置成将重置信号发出到计数器32。重置信号使计数器32针对所述时间段输出其计数值且重置，由此提供已在最新时间段内识别的相关峰值的总数。时间段在一连串计数循环32内固定，但其可能够被配置在更长时间标度内 (例如，介于装置2的连续包发射之间)。
固定时间段可具有任何适当固定长度。例如，可使用具有1与10毫秒之间的长度的时间段。固定时间段可为IEEE 802.15.4零符号码片序列的持续时间的倍数。在一些实施例中，处理器24可执行计时器的功能。
返回图2，CCA决策单元22被配置成从计数器32接收计数值且确定已在固定时间段内计数的所识别相关峰值的总数等于还是超过阈值计数。如果计数超过阈值计数，那么CCA决策单元22将“信道占线”信号发送到处理器24。“信道占线”信号指示信道(由频带和调制方案的组合确定)(无线电波5、6在所述信道内被接收)当前正由可能采用相同或类似调制方案的另一发射器使用。如果计数低于阈值计数，那么CCA决策单元22被配置成将“信道空闲”信号发送到处理器24。“信道空闲”信号指示信道当前不由具有相同调制方案的另一发射器使用。
阈值计数针对装置2可以是固定的，或其可为可变的，其中装置2能够基于信道条件或其它因素而使阈值计数随时间变化。
处理器24基于哪一类型的信号由CCA决策单元发出而决定是否开始发射数据包。如果“信道空闲”信号被发出，那么处理器24可允许发射器单元6开始发射数据包。如果“信道占线”信号被发出，那么处理器24将指示解码器26对所接收的无线电波进行解码。解码可使用常规过程进行。如果所解码数据不被寻址到具体装置2，那么解码可能会中断且数据被丢弃。如果所解码数据被寻址到具体装置2，那么解码器26将会将数据有效载荷发送到处理器24以用于进一步行动。CCA决策单元22将在数据包被接收的同时维持“信道占线”状态。装置2可检查连续输出的CCA，直到生成“信道空闲”信号为止，且接着发射数据包，或其可使发射延迟一时段，且在重新尝试数据包的发射之前不久再次检查CCA。
在一些实施例中，CCA决策单元22在决定是将“信道空闲”还是“信道占线”信号发送到处理器24时还可考虑到其它因素，例如所接收的信号的能级。
本领域的技术人员将了解，已通过描述本发明的一个或多个具体实施例说明了本发明，但不限于这些实施例。

Claims (13)

1.一种无线电接收器，其被布置成接收无线电信号，所述接收器包括：
调谐器，所述调谐器被布置成输出表示由所述无线电接收器接收的无线电波的电子信号；
相关器，所述相关器被布置成使预定信号模式与所述电子信号互相关，且输出相关信号；和
空闲信道评估模块，所述空闲信道评估模块被布置成确定在固定时间窗内所述相关信号中的峰值数何时超过阈值计数值，且响应于确定所述峰值数超过所述阈值计数值而输出占线信号；
其中所述接收器被布置成解调根据调制方案调制的无线电信号，且所述预定信号模式表示所述调制方案中的一个符号。
2.根据权利要求1所述的无线电接收器，其中所述调制方案使得所述预定信号模式出现在数据包的报头和有效载荷两者中。
3.根据权利要求1所述的无线电接收器，其中所述预定信号模式是对固定符号进行编码的IEEE 802.15.4码片序列。
4.根据权利要求1所述的无线电接收器，其中所述空闲信道评估模块被布置成每当所述相关信号超过峰值阈值时识别所述相关信号中的峰值。
5.根据权利要求4所述的无线电接收器，其中所述电子信号被采样且其中所述相关器和所述峰值阈值被布置成使得对于所述相关信号内的每个局部最大值，所述相关信号中的仅相应单个样本超过所述峰值阈值。
6.根据权利要求4所述的无线电接收器，其中所述电子信号被采样且其中所述空闲信道评估模块包括：
滤波器，所述滤波器被布置成输出超过所述峰值阈值的每个样本的信号；
累加器，所述累加器被布置成接收滤波器输出且在所述固定时间窗内对超过所述峰值阈值的样本数进行计数；和
比较器，所述比较器被布置成将所述累加器的输出与所述阈值计数值进行比较，且当所述累加器的所述输出超过所述阈值计数值时生成所述占线信号。
7.根据权利要求3所述的无线电接收器，其中所述峰值阈值和所述阈值计数值中的一者或两者是静态的。
8.根据权利要求1所述的无线电接收器，其中所述相关器用于解调所述电子信号且解码来自所述电子信号的数据。
9.根据权利要求8所述的无线电接收器，进一步被布置成与解调所述电子信号同时地执行空闲信道评估。
10.根据权利要求1所述的无线电接收器，其中所述空闲信道评估模块被布置成响应于确定所述峰值数不超过所述阈值计数值而输出空闲信号。
11.一种用于执行空闲信道评估的方法，所述方法包括：
接收表示所接收的无线电波的电子信号；
使预定信号模式与所述电子信号互相关以生成包括相关值序列的相关信号；
确定在固定时间窗内所述相关信号中的峰值数何时超过阈值计数值；以及
响应于确定所述峰值数超过所述阈值计数值而输出占线信号；
其中根据调制方案调制所述无线电波，且所述预定信号模式表示所述调制方案中的一个符号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法还包括解调所述电子信号且解码来自所述电子信号的数据。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述空闲信道评估与解调所述电子信号同时地执行。
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