CN111279666A - 无线网络中的按需路由同步和波束成形 - Google Patents

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Abstract

无线通信是在不需要全网同步，也不需要在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下由无线mesh网络中的站(节点)通过将节点组成mesh网络来完成的。节点通过监听由这些附近的节点发送的信标来获取网络中的邻居信息。当数据传输会话被触发并由路由设置过程发起时，同步和活动链路被建立。在建立新的路由时执行的链路形成过程同时执行波束成形和同步。在新的路由不与其他活动路由相交的情况下，则执行独立的同步；但当存在相交的路由时，在节点被配置为服务于这两种路由的情况下新的路由会与所有相交的路由同步。

Description

无线网络中的按需路由同步和波束成形
相关申请的交叉引用
本申请主张并受益于对2017年11月6日提交的序列号为62/581,827的美国临时专利申请的优先权，其通过引用全部并入本文。
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技术领域
本公开的技术一般涉及站之间的定向无线通信，并且特别地涉及执行按需同步和波束成形。
背景技术
毫米波(mm波或mmW)制式的无线网络正变得越来越重要。由于对更高的流量容量的需要，网络运营商已经开始接受密集化的理念。目前的低于6GHz的无线技术已经不足以应对数据的高需求。一个简单的替代是利用30-300GHz频段(也被称为毫米波频段(mmW))中的更多频谱。
通常启用mmW的无线系统需要正确处理高频段的信道损耗和传播特征。高自由空间路径损耗、高穿透、反射和衍射损耗会降低可用的多样性并限制非视线通信(NLOS)
波长为mmW的小波长使得实用尺寸的高增益电子可转向定向天线能够被使用。该技术可以提供足够的阵列增益来克服路径损耗并确保在接收者处的高信噪比(SNR)。使用在密集的部署环境中的定向mesh网络(网状网络)和mmW频段为实现节点间的可靠通信和克服视线限制信道限制提供了有效的方法。
在一个区域内启动的通信节点(站)将寻找要发现的邻居节点和要加入的网络。节点初始接入网络的处理包括扫描邻居节点和发现所有活动的本地节点。这可以通过新节点搜索特定的网络/网络列表以加入，或通过新节点发送广播请求以加入任何一个已经建立的、将接受新节点的网络来执行。
连接到mesh网络的节点需要发现所有的邻居节点，以决定到达网关/端口mesh网络节点的最佳方式以及这些邻居节点中每个节点的能力。新节点在特定的时间段内检测每个信道是否有可能的邻居节点。如果在该特定时间后没有检测到活动节点，则该节点移动到下一个信道。
当检测到一个节点时，新节点需要收集足够的可用信息来配置自身(其PHY层)，以便在监管域中进行操作。在mm波通信中，由于有定向传输，这一任务更加具有挑战性。这个处理中的挑战可以总结为以下：(a)周围节点ID的认知；(b)波束成形的最佳传输图案的认知；(c)保持整个网络始终处于同步状态；(d)由于碰撞和听不清导致的信道接入问题；(e)由于阻塞和反射导致的信道损伤。
因此，寻求改进的邻居发现方法以克服上述部分或全部问题，以实现mm波D2D和mesh网络技术的普及。然而，现有的mesh组网技术解决的是以广播模式运行的网络的mesh网络发现方案，但基本上没有针对具有定向无线通信的网络。
相应地，存在对在无线通信网络中增强的同步和波束成形机制的需求。本公开满足了这种需求并提供了比以往技术更多的优点。
发明内容
一种具有相关联的编程的无线通信电路(站、节点)，被配置为与其他无线通信站(节点)进行无线通信，该无线通信包括具有多个天线图案扇区的定向毫米波(mmW)通信，其中每个扇区具有不同的传输方向。该站被操作为mesh网络上的对等站，用于与mesh网络上的邻居对等站建立和保持关联。在不需要全网同步，也不需要在潜在的邻居之间形成活动链路(用于传输数据、监控和保持的链路)的情况下，节点组成mesh网络。因此，一旦由路由设置过程触发并发起数据传输会话，同步和活动链路就被建立了。
在这种稳定状态下的节点的连接提供了节点意识到其邻居(诸如在其邻居列表内)并且可以在不进行波束成形或实际连接到这些邻居的情况下获得关于邻居能力和位置的额外信息。节点通过监听来自附近节点的传输的信标而意识到这些邻居。每个节点在特定的信标传输间隔内向各个方向传输信标。节点不需要与接收其信标的其他节点形成活动链路，除非由试图与至少一个其他节点建立端到端连接的节点发起路由或数据会话。
本公开提供了一系列优点，包括提高了链路预算和MAC效率，同时减少了AP的通信碰撞。还减少了将BF训练扩展至数据传输间隔(DTI)的需求。此外，减少了从AP到STA之间交换明确的调度信息的开销。
本公开中利用了其意义一般如下所述那样被利用的若干个术语。
A-BFT：关联波束成形训练时段是在信标中宣布的时段，其用于加入网络的新站的BF训练和关联。
AP：接入点是包含一个站(STA)的实体，并且经由用于关联的STA的无线介质(WM)提供对分发服务的接入。
波束成形(BF)：一种不使用全向天线模式或准全向天线模式的定向传输。波束成形是在发射器上用于提高在接收者处的接收信号功率或信噪比(SNR)。
BI：信标间隔是表示信标发送时间之间的时间的循环超帧时段。
BRP：BF细化协议；BF协议使得能够进行接收者训练并迭代地训练发射器和接收者侧以实现最佳可能定向通信。
BSS：基本服务集是已经与网络中的AP成功同步的一组站(STA)。
BSSID：基本服务集标识符。
BHI：信标头间隔，包含信标传输间隔(BTI)和关联波束成形训练期(A-BFT)。
BTI：信标传输间隔，是指连续的信标传输之间的间隔。
CBAP：基于竞争的接入时段；是定向多吉比特(DMG)BSS的数据传输间隔(DTI)内的时间段，其中使用基于竞争的增强分布式信道接入(EDCA)。
DTI：数据传输间隔；是允许完全BF训练、然后进行实际数据传递的时段。它可以包括一个或多个服务时段(SP)和基于竞争的接入时段(CBAP)。
MAC地址：介质访问控制(MAC)地址。
MBSS：mesh基础业务集，是指形成由mesh站(MSTA)组成的自成网络并且可作为分发系统(DS)的基础业务集(BSS)。
MCS：调制和编码方案；是可以转换为PHY层数据速率的索引。
MSTA：mesh站(MSTA)：实施mesh设施的站(STA)。在mesh BSS中运行的MSTA可以为其他MSTA提供分发服务。
全向：是非定向天线传输模式。
准全向：是可获得最宽波束宽度的定向多吉比特(DMG)天线操作模式。
接收扇区扫描(sweep)(RXSS)：从不同定向扇区接收扇区扫描(SSW)帧，其中在连续接收之间执行扫描。
RXBF：接收者波束成形。
SLS：扇区级扫描阶段：BF训练阶段可包括多达四个部分：用于训练发起者的发起者扇区扫描(ISS)、用于训练响应者链路的响应者扇区扫描(RSS)(诸如使用SSW反馈和SSWACK)。
SNR：接收信噪比，单位为dB。
SP：服务期；由接入点(AP)计划的SP。计划的SP以固定的时间间隔开始。
频谱效率：指在特定通信系统中在给定带宽上可以传输的信息速率，通常以比特/秒/Hz表示。
STA：站是对于无线介质(WM)的介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)接口的可单独寻址的实例的逻辑实体。
扫描：由短的波束成形帧间空间(SBIFS)间隔分开的传输序列，其中在传输之间改变发射器或接收者处的天线配置。
SSW：扇区扫描，是指在不同的扇区(方向)进行传输，并收集接收到的信号、强度等信息的操作。
发射扇区扫描(TXSS)：经由不同扇区的多扇区扫描(SSW)或定向多吉比特(DMG)信标帧的传输，其中在连续传输之间执行扫描。
本文描述的技术的其他方面将在说明书的以下部分中提出，其中详细描述是为了充分公开本技术的优选实施例而不对其进行限制的目的。
附图说明
通过参照以下仅出于说明性的目的的附图，本文中所描述的技术将被更充分地理解：
图1是在IEEE802.11的无线局域网(WLAN)中执行的主动扫描的时序图。
图2是示出mesh站和非mesh站的组合的mesh网络的节点图。
图3是图示用于IEEE 802.11 WLAN的mesh识别元素的数据字段示图。
图4是图示用于IEEE 802.11 WLAN的mesh配置元素的数据字段示图。
图5是IEEE 802.11 ad协议中的天线扇区扫描(SSW)的示意图。
图6是示出IEEE 802.11 ad协议中的扇区级扫描(SLS)的信令的信令图。
图7是图示用于IEEE 802.11 ad的扇区扫描(SSW)帧元素的数据字段示图。
图8是图示用于IEEE 802.11 ad的SSW帧元素中的SSW字段的数据字段示图。
图9A和图9B是如IEEE 802.11 ad中所用的、当作为图9A中的ISS的一部分进行传输时示出的SSW反馈字段，以及当不作为图9B中的ISS的一部分进行传输时示出的SSW反馈字段的数据字段示图。
图10是根据本公开的一个实施例所利用的无线网络中的无线mm波节点拓扑示例。
图11是根据本公开的一个实施例的站的硬件的框图。
图12是根据本公开的一个实施例的mmW天线系统产生的波束图案示图。
图13是根据本公开的一个实施例的由低于6GHz天线产生的波束图案示图。
图14A和图14B是根据本公开的一个实施例的一个节点管理邻居列表的流程图。
图15A至图15D是示出根据本公开的一个实施例的一种认证程序的节点拓扑图。
图16A和图16B是根据本公开的一个实施例的一个实施例的新节点通过广播对发现的波束进行认证的消息传递图。
图17是根据本公开的一个实施例的通过波束成形的新节点认证的消息传递图。
图18A至图18C是示出根据本公开的一个实施例的示出路由请求广播的节点拓扑图。
图19A至图19C是示出根据本公开的一个实施例的通过广播进行的路由响应的节点拓扑图。
图20A至图20C是示出根据本公开的一个实施例的示出通过广播进行的路由响应传播的节点拓扑图。
图21A至图21C是示出根据本公开的一个实施例的示出了使用信标RREQ和RRES的波束成形的节点拓扑图。
图22A至图22C是根据本公开的一个实施例的示出了使用信标RREQ、RRES和RRES反馈的波束成形的节点拓扑图。
图23A至图23D是根据本公开的一个实施例的需求路由、波束成形和同步的流程图。
图24是示出根据本公开的一个实施例的正交路由器同步的节点拓扑图。
图25是示出根据本公开的一个实施例的示出了用于重叠路由同步的节点拓扑图。
图26是根据本公开的一个实施例的RREQ帧格式的数据字段示图。
图27是根据本公开的一个实施例的RRES帧格式的数据字段示图。
图28是根据本公开的一个实施例的RRES ACK帧格式的数据字段示图。
图29是根据本公开的一个实施例的时钟主同步分配请求的数据字段示图。
图30是根据本公开的一个实施例的时钟主同步分配响应的数据字段示图。
图31是根据本公开的一个实施例的时钟主同步分配响应ACK的数据字段示图。。
具体实施方式
1、现有的定向无线网络技术
1.1.WLAN系统
在WLAN系统中，802.11定义两个扫描模式；被动与主动扫描。下述为被动扫描的特征。(A)尝试加入网络的新站(STA)检查每个信道并且等待最多最大信道时间(MaxChannelTime)的信标帧。(b)如果没有接收到信标，则新STA移动到另个信道，从而节省电池电量，因为新STA在扫描模式下不传输任何信号。STA应该在每个信道上等待足够的时间，以便它不会错过信标。如果信标丢失，则STA应等待另一个信标传输间隔(BTI)。
下述为主动扫描的特征。(a)根据以下内容，想加入本地网络的新STA在每个信道上发送探测请求帧。(a)(1)STA移动到信道，等待进入帧或探测延迟计时器过期。(a)(2)如果在定时器过期后没有检测到帧，则认为该信道未被使用。(a)(3)如果信道未被使用，则STA移动到新信道。(a)(4)如果使用信道，则STA使用一般的DCF获得对于媒体的接入，并发送探测请求帧。(a)(5)如果信道从不忙，则STA等待期望的时间周期(例如，最小信道时间)以接收对探测请求的回应。如果信道忙碌且接收到探测回应，则STA等待更多时间(例如，最大信道时间)。
(b)探测请求可使用唯一服务设定识别符(SSID)、SSID的列表或广播SSID。(c)在些频率频带中禁止主动扫描。(d)主动扫描可能是干扰和碰撞的来源，特别是如果许多新的STA同时到达并试图接入网络。(e)与使用被动扫描相比，主动扫描是STA获得对网络的接入的快速方式(更快速地)，因为STA不需要等待信标。(f)在基础架构基本服务集(BSS)和IBSS中，至少有STA被唤醒以接收和回应探测。(g)在mesh基本服务集(MBSS)中的STA可能不会在任何时间点被唤醒以回应。(h)当无线电测量活动为主动时，节点可能无法回答探测请求。(i)可能出现探测回应的碰撞。STA可以通过允许传输最后信标的STA传输第一探测回应来协调探测回应的传输。其他节点可跟随并使用后退时间与一般分布式协调功能(DCF)信道接入以避免碰撞。
图1示出在IEEE 802.11 WLAN中主动扫描的使用，其示出发送探测的扫描站与接收并回应探测的两个回应站。该图也示出最小与最大探测回应时序。值G1被显示为设定为SIFS，SIFS是确认的传输前的帧间间距，而G3是DIFS，DIFS是DCF帧间间距，其表示发送者在发送RTS封装之前完成后台周期之后等待的时间延迟。
1.2.IEEE 802.11s mesh WLAN
IEEE 802.11s(在下文中称为802.11s)是将无线mesh网络能力添加到802.11标准的标准。在802.11s中定义了新类型的无线电站以及用于启用mesh网络发现、建立对等连接以及通过mesh网络路由的数据的新信令。
图2示出mesh网络的一个示例，其中非mesh STA连接至mesh STA/AP的混合(实线)以及mesh STA连接至包括mesh入口的其它mesh STA(虚线)。在mesh网络中的节点使用定义在用于发现邻居的802.11标准中的相同的扫描技术。mesh网络的识别由包含在信标与探测回应帧中的mesh ID元素给出。在一个mesh网络中，所有的mesh STA使用相同的mesh简档。如果在mesh简档中的所有参数都匹配，则mesh简档被认为是相同的。mesh简档被包含在信标与探测回应帧中，使得mesh简档可以通过扫描通过其邻居mesh STA获得。
当mesh STA通过扫描处理发现邻居mesh STA时，发现的mesh STA被认为是候选对等mesh STA。它可以成为mesh网络的成员，其中发现的mesh STA是该mesh网络的成员，并且建立与邻居mesh STA对等的mesh网。当mesh STA使用相同mesh简档作为接收的信标或用于邻居mesh STA之探测回应帧指示时，发现的邻居mesh STA可以被认为是候选对等meshSTA。
mesh STA尝试在mesh邻居表中保持发现的邻居信息，其中包括：(A)邻居MAC地址；(b)操作信道数量；以及(c)最近观察到的链路状态和品质信息。如果没有检测到邻居，则mesh STA采用Mesh ID作为其最高优先级简档并保持活动。发现邻居mesh STA的所有先前信令都以广播模式执行。应当理解到，802.11s不是针对具有定向无线通讯的网络。
图3示出用于宣传mesh网络的识别的mesh识别元件(mesh ID元件)。mesh ID通过将想加入mesh网络的新STA在探测请求中进行传输以及通过现有mesh网络STA在信标和信号中进行传输。长度0的mesh ID字段指示在探测请求帧内使用的通配符mesh ID。通配符mesh ID是防止非mesh STA加入mesh网络的特定ID。应该认识到，mesh站是具有比非mesh站更多特征的STA，例如，除了一些其他模块外，它使得STA作为模块运行用以服务mesh功能。如果STA没有此mesh模块，则不应允许其连接到mesh网络。
图4示出包含在信标帧与通过mesh STA传输的探测回应帧中的mesh配置元素，并且其被用于宣传mesh服务。mesh配置元素的主要内容为：(a)路径选择协定识别符；(b)路径选择度量识别符；(c)拥塞控制模式识别符；(d)同步方法识别符；以及(e)认证协议识别符。mesh配置元素的内容与mesh ID起形成mesh简档。
标准802.11a定义了许多过程与mesh功能，包括：mesh发现、mesh对等管理、mesh安全、mesh信标与同步、mesh协调功能、mesh功率管理、mesh信道切换、三地址、四地址以扩展的地址帧格式、mesh路径选择与递送、与外部网络相互影响、mesh内拥塞控制以及meshBSS中的紧急服务支持。
1.3.在WLAN中的毫米波
毫米波频带中的WLAN通常需要使用定向天线进行发送、接收或两者，以解决高路径损耗并为通讯提供足够的SNR。在发送或接收中使用定向天线也使得扫描处理具有方向性。IEEE 802.11ad与新标准802.11ay定义用于在毫米波频带上进行定向发送和接收的扫描和波束成形的过程。
1.4.IEEE 802.11ad扫描与BF训练
毫米波WLAN最先进系统的示例是802.11ad标准。
1.4.1.扫描
新STA在被动或主动扫描模式下操作，用以扫描特定SSID、SSID列表或所有发现的SSID。对于被动扫描，STA扫描含有SSID的DMG信标帧。对于主动扫描：DMG STA传输含有所需SSID或或多个SSID列表元素的探测请求帧。DMG STA可能还必须在探测请求帧的传输之前传输DMG信标帧或执行波束成形训练。
1.4.2.BF训练
BF训练为BF训练帧传输的双向序列，其使用扇区扫描并提供必要的信令以允许每个STA确定用于发送和接收两者的合适天线系统设定。
802.11ad BF训练处理可分三个阶段进行。(1)执行扇区级扫描阶段，从而对链路获取执行具有低增益(准全向(quasi-omni))接收的定向传输。(2)执行对于结合发送和接收增加接收增益和最终调整的细化阶段。(3)随后在数据传输期间执行追踪以调整信道改变。
1.4.3.802.11ad SLS BF训练阶段
这集中于802.11ad标准的扇区级扫描(SLS)强制阶段。SLS期间，对STA在不同的天线扇区上交换系列的扇区扫描(SSW)帧(或在PCP/AP处的传输扇区训练的情况下的信标)以找到提供最高信号品质的帧。第一传输的站称为发起者；第二传输的站称为响应者。
在发射扇区扫描(TXSS)期间，SSW帧在不同扇区上传输，而配对节点(响应者)利用准全向定向图案接收。响应者从提供最佳链路品质(例如，SNR)的发起者确定天线阵列扇区。
图5示出在802.11ad中扇区扫描(SSW)的概念。在该图中，给出了一个示例，其中STA 1是SLS的发起者，STA 2是响应者。STA 1扫描所有传输天线图案扇区精细扇区，而STA2在准全向图案下接收。STA 2将从STA 1接收的最佳扇区反馈给STA 2。
图6示出如在802.11ad规范中实施的扇区级扫描(SLS)协议的信令。在发射扇区扫描中的每个帧包括关于扇区倒数指示(CDOWN)的信息、扇区ID以及天线ID。利用扇区扫描反馈与扇区扫描ACK帧反馈最佳扇区ID与天线ID信息。
图7示出在802.11ad标准中使用的扇区扫描帧(SSW帧)的字段，其中字段概述如下。持续时间字段设定为直到SSW帧传输结束的时间。RA字段含有STA的MAC地址，该STA是扇区扫描的预期接收者。TA字段含有扇区扫描帧的发送者STA的MAC地址。
图8示出在SSW字段内的数据元素。SSW字段传达的原则信息如下。方向字段被设定为0以指示帧由波束成形发起者传输以及设定为1以指示帧由波束成形响应者传输。CDOWN字段是向下计数器，其指示TXSS结束的剩余DMG信标帧传输的数量。扇区ID字段被设定以指示通过其传输含有SSW字段的帧的扇区的数量。DMG天线ID字段指示发送者当前用于此传输的DMG天线。RXSS长度字段仅在CBAP中传输时有效，否则保留。RXSS长度字段指明由传输STA所需的接收扇区扫描的长度，并且以SSW帧为单位定义。SSW反馈字段定义如下。
图9A与图9B示出SSW反馈字段。当作为内部子层服务(ISS)的部分传输时利用显示在图9A中的格式，而当不是作为ISS的部分传输时利用图9B的格式。ISS字段中的总扇区指示发起者在ISS中使用的扇区总数量。RX DMG天线的子字段的数量指示发起者在后续的接收扇区扫描(RSS)期间使用的接收DMG天线的数量。扇区选择字段含有在前个扇区扫描中以最佳品质接收的帧内SSW字段的扇区ID子字段的值。DMG天线选择字段指示在前个扇区扫描中以最佳品质接收的帧内SSW字段的DMG天线ID子字段的值。SNR报告字段被设定为来自在前个扇区扫描期间以最佳品质接收的帧的SNR的值，并且在扇区选择字段中指示。轮询所需字段通过非PCP/非AP STA设定为1，以指示它需要PCP/AP发起与非PCP/非AP的通讯。轮询所需字段被设定为0，以指示非PCP/非AP没有关于PCP/AP是否发起通讯的偏好。
2、按需路由同步与波束成形简介
2.1.问题陈述
IEEE 802.11 WLAN标准中规定了用于实现STA之间的时序同步的时序同步功能(Timing synchronization function，TSF)。时序同步是通过基站通过信标帧定期交换时序信息来实现的。
在(下)BSS中，AP发送信标中的TSF信息。TSF使同一基本业务集(BSS)中的所有站点的定时器保持同步。
在独立基本业务集(IBSS，ad-hoc)中，每个站点竞争发送信标。每个站保持一个TSF定时器，以微秒(μs)为增量进行计数。如果接收到的定时晚于该站自己的TSF定时器，则该站采用一个接收到的定时。
目前的mm波通信系统高度依赖定向通信来获得发射器和接收者之间足够的链路预算。从现有技术中可以看出，确定合适的波束使用需要大量的信令。AP利用发射波束成形来传输多个信标帧。
在各个方向上都要无时无刻地传输信标，并周期性地进行网络公告、维持同步和管理网络资源。
目前的技术趋势是涉及更精细的波束成形，其可以获得更高的天线增益以保证更好的链路预算。然而，当STA采用更精细的波束成形时，STA需要传输更多的帧来覆盖足够的传输角度，然而针对时延约束，需要减少信标传输的开销。
当考虑利用mm波PHY技术组成mesh网络时，保持整个网络的同步性是一个非常紧张的约束并且可能是不必要的。特别是当许多节点与mesh节点相连，但不活动地发送或接收数据时。节点可能希望尽可能多地发现一些节点以保持备份的节点列表，以在一条路径不可行的情况下与所有的邻居同步。
2.2.本公开的贡献
所述的一种网络协议，允许发现网络的节点将自己注册为该网络的成员，并且一旦有流量发起，其中在该节点需要是活动的，则进行波束成形和同步。
节点通过监听信标并向这些节点发送信标，从而列出所有潜在的邻居。与潜在邻居的波束成形连接并不是一直保持着。
一旦发起流量，在端到端流量路由中的节点在整个路由选择过程中都是波束成形的并且是同步的。
对于属于活动的数据流量路由的节点，同步和波束成形都是保持的。
新数据流量路由的时钟主控(clock master)可以是流量发起者节点，也可以是其他任何节点(如果其他节点请求成为时钟主控，以便与其他节点所属的其他数据流量同步)。
3.本公开的具体实施例
3.1.研究中的拓扑结构
图10示出了在研究中的示例性网络10的拓扑结构，其中，节点之间以类似于mesh的拓扑结构相互连接，然而，没有建立或保持活动的链路。在图中示出了STA 1(12)、STA 2(14)、STA 3(16)、STA 4(18)、STA 5(20)、STA 6(22)、STA 7(24)和STA 8(26)。图中示出了各站的邻居列表，各站在各个方向上传送28个信标。
在这种稳定状态下，节点的连接性是这样的：而不需要波束成形或实际连接到这些邻居的情况下，节点意识到其现有的邻居(例如，邻居列表)，并且可能具有一些关于其能力和也许位置的信息。节点通过监听附近节点的传输信标来意识到这些邻居。每个节点在特定的信标传输间隔内向各个方向传输信标。节点不期望与接收到其信标的其他节点形成活动链路(用于传输数据、监视和保持的链路)，除非由试图与至少一个其他节点建立端到端连接的节点发起路由或数据会话。
每个节点保持可以接收它们的信标的其他节点的邻居列表。节点的邻居列表被认证为mesh网络的一部分，并在需要时与这些邻居节点中的任何一个节点形成潜在的链路。一旦发现有新的邻居，或者当邻居离开节点覆盖区域，或者当节点关闭(或停用)时，邻居列表会被更新。
邻居列表的创建可以以任何想要的方式进行，例如通过接收来自同一频段上的邻居节点的方向信标，或者通过接收在mmW频段上宣布能力的不同频段或信道上的信标。
3.2.STA的硬件配置
图11示出了节点(网络中的无线站)的硬件配置的一个示例性实施例30。在本实施例中，计算机处理器(CPU)36和存储器(RAM)38被耦合到总线34，该总线34被耦合到给与节点外部I/O(例如到传感器、制动器等)的I/O路径32。在处理器36执行来自存储器的指令，以执行实现通信协议的程序。该主机被示为被配置成具有与射频(RF)电路42a、42b、42c耦合的mmW调制解调器40，该射频电路42a、42b、42c与多个天线44a、44b、44c至44n、46a、46b、46c至46n和48a、48b、48c至48n耦合，以与邻居节点发送和接收帧。此外，还可以看到，该主机还具有将射频(RF)电路52耦合到天线54的低于6GHz调制解调器50。
因此，该主机被示出配置成具有两个调制解调器(多频段)及其相关的射频电路，以用于提供两个不同频段上的通信。mmW频段调制解调器及其相关的射频电路被配置为在mmW频段中发送和接收数据。低于6GHz频段调制解调器及其相关的射频电路被配置为在低于6GHz频段中发送和接收数据。
图12示出了mm波天线方向的一个示例性实施例70，该示例性实施例70可被节点利用以产生多个(例如，36个)mm波天线扇区图案。在本实施例中，节点实现了三个射频电路72a、72b、72c和连接的天线，并且每个射频电路和连接的天线产生波束成形图案74a、74b、74c。天线图案74a示出了具有十二个波束成形图案76a、76b、76c、76d、76e、76f、76g、76h、76i、76j、76k和76n("n"代表可以支持任意数量的图案)。使用此特定配置的示例台有三十六(36)个天线扇区。然而，为了清楚和便于解释，下面的章节一般描述具有较小数量的天线扇区的节点。应当理解的是，任何任意的波束图案都可以被映射到天线扇区。通常情况下，形成波束图案是为了产生尖锐的波束，但也有可能产生波束图案是为了从多个角度发射或接收信号。
天线扇区由mm波射频电路的选择和由mm波阵列天线控制器命令的波束成形来确定。虽然有可能STA硬件组件具有与上述的功能分区不同的功能分区，但这样的配置可以被认为是所解释的配置的变形。当节点确定没有必要与邻居节点通信时，部分mm波射频电路和天线可能被禁用。
在至少一个实施例中，所述射频电路包括变频器、阵列天线控制器等，并与多个天线连接，所述多个天线被控制地进行波束成形以进行发射和接收。在这种方式中，该节点可以使用多组波束成形发射信号，其中每个波束成形方向被认为是一个天线扇区。
尽管在本实施例中示出了被描述为耦合到mmW调制解调器三个射频电路，但将理解为可以耦合任意数量的射频电路到mmW调制解调器的。一般来说，较大数量的射频电路将导致天线波束方向的覆盖范围更广。所利用的射频电路的数量和天线的数量是由特定设备的硬件限制以及所针对的应用确定的。当节点确定没有必要与邻居节点进行通信时，部分射频电路和天线可以被禁用。
图13示出了本实施例中假定的低于6GHz的调制解调器的天线图案的一个示例性实施例90，该解调器使用连接到其射频电路92的准全向天线94。应当理解的是，可以在不脱离本教导的情况下利用其他天线图案的变形。
在至少一个实施例中，mmW射频电路包括频率转换器、阵列天线控制器等，并与多个天线连接，这些天线被控制地执行波束成形以进行发射和接收。以这种方式，该节点可以使用多组波束成形发射信号，每个波束成形方向被认为是一个天线扇区。
3.3.网络的形成
试图加入mesh网络的新节点被配置为监听来自邻居节点的信标。信标宣布邻居节点的存在，并且可以在网络操作的同一频段内传输，也可以在不同的频段内传输。
在开始作为mesh节点之前，新节点会监听所有的邻居节点，形成其邻居列表。一旦找到一个信标，新节点将其mesh简档或SSID与自己的mesh简档或SSID进行匹配，如果匹配成功，则新节点考虑认证该到邻居节点的链路。注意到，所述协议要求新节点或现有节点在更新邻居列表之前对新发现的邻居的任何链路进行认证。如果成功认证到邻居节点的链路，那么该邻居节点就会被添加到邻居列表中。如果没有发现邻居，新节点可能会选择形成自己的mesh链路并传输信标。在未来，如果mesh简档/SSID匹配，新节点建立的mesh网络(新节点和任何其他连接到它的节点)可能会加入另一个mesh网络。一旦新节点认证了到mesh节点的链路，就可以开始发送具有mesh配置文件ID的信标。
图14A和图14B示出了mesh节点办理信标传输以及新节点以及mesh节点的信标接收的该处理的一个示例性实施例110。应当理解的是，在无线站(节点)硬件(例如，图11)上执行的编程被配置成取决于条件和历史记录，在不同的模式或状态(mesh节点、新节点等)中操作。
该处理开始112，mesh节点每隔一个信标传输间隔就发送114其信标，这些信标可以是带内信标或带外信标。在节点不活动的时候，它搜索("监听")116以接收来自其他节点的信标。做出接收到的信标118是否属于mesh节点邻居列表中的节点的确定。如果该节点不在列表中，则进行检查120以确定该新节点是否匹配mesh简档。如果它确实匹配该简档，则在块122处开始认证，以将该邻居添加到列表中，并将执行进行到块126。否则，如果在块120中发现新节点不匹配mesh简档，则执行直接进行到块126。如果在区118中，确定信标是从邻居列表中的邻居处接收到的，则在块124处，利用该邻居信息更新邻居列表。
在块126处检查是否到了发送下一个信标的时间。如果不是，则执行返回到块116以监听信标。如果到了传输下一个信标的时间，则mesh节点检查邻居列表(数据库)128以确定是否应该从列表中取出一个节点。如果很长时间没有收到或者信标间隔X次没有被听到邻居节点、没有收到信标的消息，则mesh节点将该节点ID从邻居列表中清除掉130。
下面将以三次消息握手认证过程为例，说明本发明的三次消息握手认证过程。考虑了两种可能的认证被发现的邻居的方法：(1)不通过波束成形进行认证，以及(2)通过波束成形后进行认证。
3.3.1.无波束成形的认证
图15A至图15D示意性地说明了无波束成形的认证的一个示例性实施例150。在图15A中，mesh节点152传输定向信标，新节点154利用全向天线进行接收。在图15B中可以看到，该节点用发现的邻居ID在所有方向上广播认证请求160。该认证请求包含从需要认证的mesh节点接收到的最佳信标ID，以及新节点所传输的波束的ID。mesh节点152接收认证请求和其ID与接收到的请求中的发现的节点ID相匹配的节点ID。
在图15C中，mesh节点通过传输认证响应164来响应，该认证响应164将由新节点154接收到166。可以看到，来自mesh节点的传输利用指向请求节点的波束，因为它知道该波束的方向。每个mesh节点的最佳波束ID与认证请求消息中的mesh节点ID相关联地被广播。注意，可以在认证请求中存在多个mesh节点ID及其关联的波束ID。一旦mesh节点收到认证请求，它将知道在请求认证的新节点上收到了什么信标，并可以确定与这个新邻居节点通信的波束。认证响应还附加地携带执行认证过程所需的信息，该信息包括该节点以最高功率接收到认证请求的波束的ID。
在图15D中，新节点在接收到认证响应后，知道向mesh节点通信的最佳波束，并利用该波束传输(发送)认证ACK信号168，该信号由mesh节点定向接收170。
图16A和图16B示出了将所有发现的节点分组并创建待认证的mesh节点列表的一个示例性实施例190。从图中可以看到，新节点收集所有要认证的节点的信息，并广播包含所有节点的ID和接收到的最佳信标的波束的ID的认证请求。在图中可以看到，每个节点向各个方向发送发现信标：来自节点4的194、196和198，来自节点3的202、204、206，来自节点1的210、212、214，来自节点2的218、220和222。可以看到，新的节点接收到这些信标192、200、208和216，但还没有响应。
在图16B中可以看到，新节点向各个方向发送认证请求224(示意为226a至226f)以供本地节点接收。接收到认证请求的节点使用信道访问方案来访问信道，并在准备好后发送其认证响应。图中示出了来自节点2的认证响应230a、来自节点1的认证响应232a、来自节点3的认证响应234a和来自节点4的认证响应236a被新节点接收228，新节点通过认证响应反馈(ACK)(示意为232b、234b和236b)直接响应认证响应230b。新节点不断监听更多的认证响应，并在收到认证响应后对其进行响应。
3.3.2.波束成形后的认证
在该认证机制中，被发现的节点通过将波束成形帧发送回发送信标的节点来通知新节点。
图17示出了认证的一个示例性实施例250，其中，在新节点发现新邻居时，新节点和被发现的mesh节点波束成形他们的天线。在示例性图中，可以看到节点4在所有方向传输254、256和258发现信标，而由新节点接收252。然后，在传输信标262的mesh节点和新节点之间执行波束成形260，随后通过新节点发送认证请求266a，对新节点进行认证264，节点4以认证响应266b来响应认证请求。
因此，在波束成形成功后，新节点通过发送认证请求报文并等待认证响应来启动认证程序。作为示例的粗波束成形是足够的，尽管在两个节点之间可以利用精细的波束成形。当收到认证响应后，新节点向mesh节点发送认证响应ACK。
3.4.按需BF、同步和路由分配
每当发起从一个源节点向一个目的地节点的流量时，应初始化并保持常规流量路由。为了避免链路中断时的延时，也可以准备备份路由。备份路由应被初始化、波束成形并同步，以备将来使用。
3.4.1.路由的发起
图18A至图18C示出了发起路由请求传播的一个示例性实施例270。在这些图中，示出了示例性本地节点STA 1 12、STA 2 14、STA 3 16、STA 4 18、STA 5 20、STA 6 22、STA 724、STA 8 26，其中在这些节点之间的虚线中被视为经认证的链路，并且示出了每个节点的示例性邻居列表。
下面将描述该路由请求传播的操作方法。(a)应用程序触发节点寻找到目的mesh节点的路由。注意到，该应用代表产生试图传输到网络中的另一个节点的流量的任何应用。这可以是通过连接到无线节点上的计算机的应用，也可以是通过节点本身运行的应用。(b)该节点可以是一个网关mesh节点，以便与外部服务器或另一个mesh节点进行点对点通信。(c)当时的节点用邻居列表进行认证，并存储这些邻居中每个邻居的最强信标波束ID的信息。然而，该信息可能不是最新的。(d)在图18A中，节点2 14向各个方向发送路由请求(RREQ)272，以启动数据会话。(e)该RREQ包含要到达的节点的列表、它们的最强信标波束ID和路由所需的其它信息。(f)一旦节点接收到这个帧，它就会检查这个帧是否来自一个经过认证的节点。如果该帧来自于一个经过认证的节点，那么mesh节点会检查该帧是否指向自己。这可以通过检查RREQ帧的目标邻居的ID来执行。(g)如果节点在列表中，它将此帧转发给除源外的所有邻居(如图18B所示，其中节点1朝向目的地传输RREQ 274，节点3朝向目的地传输RREQ 276，节点4朝向目的地传输RREQ 278，节点5朝向目的地传输RREQ 280)。(h)节点接收到该广播到各个方向的其他节点的RREQ。为避免帧碰撞，采用信道接入方案。(i)如图18C所示，RREQ的广播继续进行，STA 6RREQ传输282，STA 8 RREQ传输284，直到该RREQ帧在整个网络中传播，并在目的地节点7 24处终止。
图19A至图19C示出了路由请求传播的一个示例性实施例290。作为示例，示出本地节点STA 1 12、STA 2 14、STA 3 16、STA 4 18、STA 5 20、STA 6 22、STA 7 24、STA 8 26，其中在这些节点之间的虚线中被视为认证的链路，并且示出了每个节点的示例性邻居列表。
以下是本发明的路由响应传播广播的特征。(a)一旦目的地节点，(在本实例中的节点7 24)接收到所有RREQ后，其准备好RRES帧。(b)如图19A所示，目的地节点将该RRES广播292向所有方向的发起者源。(c)在至少一个实施例中，该RRES消息具有列出所有试图接收该RRES的节点的字段。(d)一旦节点接收到该(一个或多个)帧，它检查该(这些)帧是否来自认证的节点。如果该(一个或多个)帧来自于认证的帧，则mesh节点检查该(一个或多个)帧是否指向该节点。在至少一个实施例中，这是通过检查RRES帧的目标邻居的ID来执行的。(e)如果mesh节点在RRES帧中列出的节点列表中，则将该帧转发给除源外的所有邻居，如图19B所示，其中STA 4传输RRES 294，STA 6传输RRES 296，STA 8传输RRES 298。(f)RRES包含要到达的节点列表和它们的最佳信标波束ID以及路由所需的其他信息。(g)如图19C所示，RRES的广播继续进行，STA 1传输RRES 300，STA 3传输RRES 302，STA 5传输RRES 304，直到RRES帧在整个网络中传播，并在发起者节点(在本实施例中是节点2(STA 2)14)处终止。
图20A至图20C示意性地示出了正在传输RRES的路由请求传播的一个示例性实施例310。通过实施例，示出了本地节点STA 1 12、STA 2 14、STA 3 16、STA 4 18、STA 5 20、STA 6 22、STA 7 24、STA 8 26，在这些节点之间的虚线中被视为认证的链路，并且示出了每个节点的示例性邻居列表，并且在这些图中示出了路由响应波束成形的示例。(a)mesh节点通过接收信标，知道其认证的邻居的最佳信标波束ID。假设向邻居连续传输信标。(b)mesh节点反馈这些信息。(c)一旦邻居接收到RREQ，它就会提取最佳波束信息，以与其接收了RREQ的认证邻居进行通信。(d)邻居可以使用该信息传输RRES，如图20A所示的从STA 724传输的RRES 312。(e)随后，邻居使用如图20B所示的指向性波束传输RREQ，如图中显示的STA 4 18传输RRES 314，STA 6 22传输RRES 316，STA 8 26传输RRES 318。该波束的ID与它从RREQ广播帧中得到的ID相匹配。(f)邻居将从接收到RREQ的节点的最佳波束ID添加到RRES帧中。类似地，在图20C中，节点STA 1 12传输RRES 320，STA 3 16传输RRES 322，STA 520传输RRES 324。这些信息可在从mesh节点接收到的RREQ帧中获得，其中每个RREQ包含它所传送的波束ID。
3.4.2.路由波束成形
图21A至图21C示出了路由波束成形的一个示例性实施例330。以下是根据本公开的路由波束成形的属性。(a)波束成形是由路由设置触发的。(b)无论RRES是广播式的还是波束成形的，在RREQ和RRES交换处理结束时，整个路由的节点已经将其链路朝向彼此进行波束成形。(c)在整个路由设置过程中，链路都是波束成形的。通过传统的波束成形处理，将在永久路由表中的链路保留下来，而不在被选择路由中的链路可以保留波束成形信息，以备以后更快地进行波束成形。(d)可以在RREQ和RRES帧之外使用信标传输扫描来完成如图21A至图21C所示的扇区扫描。
在图21A中，mesh节点332在各个方向337上传输信标336，由mesh节点334使用准全向接收338接收。在图21B中，mesh节点334随后向各个方向341广播RREQ 334，以被mesh节点332以准全向接收342接收，然后作为响应，mesh节点332向mesh节点334发送指向性传输344，该指向性传输344由准全向接收346接收。
图22A至图22C示出了使用信标RREQ和RRES的路由波束成形的一个示例性实施例350。如果信标的最佳波束信息不可靠，例如在信标接收后很长时间内传输RREQ和RRES信号。那么波束成形只能依靠RREQ和RRES信号的交换。如图所示，在接收RREQ和RRES信号后应发送第三帧，以反馈从中接收到RRES的最佳波束。在图22A中，mesh节点354在扫描357中执行mesh节点广播356，以被mesh节点352例如在准全向接收358中接收。在图22B中，mesh节点352随后以方向361进行广播360，以被mesh节点354通过准全向接收362接收，随后mesh节点354响应于图22C中的定向传输364向mesh节点352执行定向接收366。
3.4.3.同步
一旦形成活动路由(以及在某些情况下形成备用路由)，同步信号通过分配的端到端路由被发送和传播。默认情况下，发起者节点是该路由中的时钟主控，并且它发送第一同步信号，除非出现特殊情况，诸如发起者允许所选路由中的另一个mesh节点作为时钟主控(同步主控器)。例如，如果所选路由中的一个或多个mesh节点具有特殊状态并请求成为时钟主控，则该信息可以通过RRES转发到发起者，并且由发起者选择该节点作为时钟主控。向发起者选择的作为主时钟的mesh节点发送帧。
第一同步信号是由发起者mesh节点或选定的mesh节点发送的帧，并通过活动路由和备份路由(如果存在的话)传播。为了保持同步，整个路由中的信标可以携带同步信息。只有在活动路由方向的信标才会携带同步信号到指定路由中的波束成形的邻居。信标同步信号也可以通过与选择的波束成形相邻的其他波束来发送。这样做是为了在发生到附近的波束的切换时，给链路增加一些可靠性。
图23A至图24D示出了mesh节点处理RREQ、RRES、波束成形和同步管理的一个示例性实施例370。在图23A中，该处理开始372，随后节点向各个方向传输374信标。然后，当节点空闲时，该节点监听376邻居的信标。然后保存378与每个邻居ID相关联的最佳信标波束ID。检查380是否收到了RREQ。如果接收到RREQ，则执行进行到图23B中的块382，以检查该RREQ是否来自认证节点。如果RREQ是来自经过认证的节点，则在块384处，从通信中提取该邻居的最佳波束ID，并更新该邻居的最佳波束信息。然后在块386处检查该mesh节点是否是最终目的地节点。如果它是最终目的地节点，那么在块388处如果波束成形数据可用，则使用指向性波束向所有邻居发送RRES，并执行进行到图23D中的块412处。否则，如果在块386处确定该mesh节点不是最终目的地节点，则在块390，RREQ被转发到除RREQ的源外的所有邻居，并且执行进行到图23D中的块412处。
现在返回到图23A中的块380处，如果没有接收到RREQ，则执行到达图23B中的检查392，以确定是否接收到RRES。如果没有接收到RRES，则执行进行到图23C中的块402处，以检查是否接收到同步节点分配。如果接收到该同步节点分配，则将节点自身的同步信号发送404至所有路由中的所有节点。然后在任一情况下执行到达图23D中的块412处。返回到图23B中的块392，如果接收到RRES，则检查394确定RRES是否来自认证节点。如果RRES不是来自认证的节点，则执行进行到图23D中的块412处。否则，从经过认证的RRES的通信中确定最佳波束396，以更新该邻居的最佳波束ID，并确定398该mesh节点是否是源节点。如果确定为源节点，则执行进行到图23C的块406处，检查同步节点是否在已建立的路由中。如果它们在已建立的路由中，那么在块410处选择一个节点作为时钟主控，并向该节点发送一个信息帧，否则在块408处向新路由中的所有节点发送同步信号。然后在任一情况下执行到达图23D中的块412处。如果在块398处确定该mesh节点不是源节点，那么RRES被转发400到适当的邻居，并且执行到达图23D中的块412处。
然后，在这些情况下，执行到达图23D的块412处，确定是否到了传输信标的时间。如果不是传输信标的时间，则执行返回到图23A中的块380处。否则，如果到了传输信标的时间，则到达块414处，执行检查该节点是否是活动路由的一部分。如果不属于活动路由的一部分，则执行返回到图23A中的块374。否则，如果该节点是活动路径的一部分，则在块416中，将同步信号附加到发送到活动路由中的mesh节点的信标，然后在执行到达图23A中的块374之前，对活动路由中的mesh节点标记波束成形要求。可以理解的是，波束成形要求存在，因为只有在活动路由(传输数据的路径)中的节点才会被波束成形，因此发送到活动路由中的节点的信标带有波束成形要求标记，以表示该节点应保持波束成形链路。
3.5.多路由管理
图24和图25示出了在已经存在活动路由的mesh网络中发起新路由的示例性实施例430、450。在这些图中，示出了站(STA 1-8)12、14、16、18、20、22、24、26以及STA 9 432，并示出了每个站的示例性邻居列表。示出的链路被标记为经过认证的链路、活动链路或参见从STA 3 16处的发起者节点434到STA 6 22处的目的地节点436的新的活动路由。
如前所述，在整个路由设置过程中，RRES应携带关于所选路由中的节点的信息，这些节点的时钟已经与(作为另一条活动路由的一部分的)其他节点同步。另外，RRES还可以携带关于具有特殊状态的节点的信息，这些节点被优选或者正在请求成为时钟主控的信息。
参照图24，发起者434(STA 3 16)从新形成的路由中的所有mesh节点接收所有这些信息，并基于RRES中转发的信息，决定其作为时钟主控，还是选择路由中的另一mesh节点作为时钟主控。这些路由(试图路由到STA 6 22，以及STA 2 14、STA 1 12、STA 8 26和STA7 24之间的活动链路)不重叠，因此，发起者STA 3 16选择自己或到目的地节点436(STA 622)的新的路由中的其他mesh节点。如果选择了一个新节点，则向该节点发送一个时钟主控同步分配帧。一旦该节点接收到该帧，它开始向新设置路由中的所有节点发送同步信号。接收到该帧的节点将利用同步数据向该路由中的邻居节点传输未来的信标。所有其他信标可能没有同步数据。如果发起者是时钟主控，它将发送设置同步帧并将同步数据添加到其信标中。
在图25中，具有如图24所示的活动链路，从STA 3 16通过STA 4 18到STA 6 22的活动链路，以及从STA 9 432作为发起者455到STA 1 12到STA 4 18到STA 5作为目的地454的新活动链路。由此可见，新的活动路由与现有路由重叠，因此，发起者在选取自身或新路由中的其他mesh节点。其他路由中的节点已经与网络的其他部分同步，并且其在RRES中报告了这一点。发起者接收到其他子网中的节点和请求时钟主控角色的具有特殊状态的节点的节点的列表，并对联合路由的时钟主控做出决定。
在该处理结束时，三个路由将同步到一个时钟主控上。由新路由的发起者执行哪一个节点作为时钟主控的选择。在某些情况下，发起者可以自己。
如果选择了新节点，则向该节点发送时钟主控同步分配帧。一旦该节点收到该帧，它开始向新设置路由中的所有节点以及向其子网发送同步信号。与新设置路由相交的其他节点负责将其子网与新时钟主控同步。
接收到该帧的节点将利用同步数据向路由中的邻居节点发送未来的信标。所有其他信标可能没有同步数据。本公开还可以被配置为利用其他形式转发同步信号。如果发起者是时钟主控，那么它将发送设置同步帧、宣布自己是时钟主控，并将同步数据添加到其信标中，同时也可以考虑其他的同步信令。
3.6.帧格式
3.6.1.路由请求帧(RREQ)
图26示出了RREQ帧的一个示例性实施例470。该帧从一个节点向另一个节点发送，以请求另一个节点找到通往目的地节点的路由。如果目的地节点是接收节点，则应生成路由响应帧。如果目的地节点不是接收节点，则接收节点再生成路由请求帧，并将其转发到除接收了路由请求的节点以外的所有节点。
为了在该帧中增加波束成形功能，该帧从所有或部分定向波束发送，并携带邻居ID列表和该邻居的最佳传输波束ID(如果从前面接收到的信标帧中得知了的话)。该帧携带了它所传输的波束ID。帧中还可以包含一些其他有助于训练的信息(诸如训练TX扇区的数量、训练RX扇区的数量或类似的信息)。下面将对RREQ帧的字段进行描述。
邻居ID列表：指该帧所指向的邻居列表。任何接收该帧的邻居都会检查自己的ID是否在该列表中。即，接收者检查其(邻居节点本身)的ID是否与接收到的包中列出的ID之一匹配，以知道该数据包是否发送给该接收者。如果邻居ID匹配，则接收节点对该帧进行处理。
邻居最佳TX波束列表：与“邻居ID列表”中列出的邻居相关联的最佳TX波束(如果可用的话)。该信息通常从信标帧中获取。
发送训练扇区总数：这是传输该元素以用于波束形训练的STA的发送扇区总数。该训练扇区数值被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
接收训练扇区总数：这是传输该元素以用于波束形训练的STA的接收扇区总数。该数量被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
训练周期数：训练发起者重复训练模式的周期数。该数量被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
DMG的天线对等性：假设存在天线对等性。用于发送的扇区将被用于接收。该数量被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
3.6.2.路由响应帧(RRES)
图27示出了RRES帧的一个示例性实施例480。该帧从一个节点发送至另一个节点，以响应路由请求帧。如果源节点是接收节点，则路由响应帧终止于该节点处。如果源节点不是接收节点，则接收节点计算路径度量，并在更新其字段后，将路由响应帧转发给除接收到路由响应的节点外的所有节点。
为了在该帧中增加波束成形功能，该帧从所有或部分定向波束发送，并携带邻居ID列表和该邻居的最佳传输波束ID(如果从前面接收到的信标帧中得知了的花)。该帧携带了它所传输的波束ID。帧中还可以包含一些其他有助于训练的信息(例如，训练TX扇区的数量、训练RX扇区的数量或其他的信息)。RRES帧包括以下字段。
邻居ID列表：指该帧所指向的邻居列表。任何接收该帧的邻居都会检查自己的ID是否在该列表中。如果邻居ID匹配，则接收节点对该帧进行处理。
邻居最佳TX波束列表：与“邻居ID列表”中列出的邻居相关联的最佳TX波束。该信息通常从接收到的PREQ帧或信标帧中获取。
发送训练扇区总数：这是传输该元素以用于波束形训练的STA的发送扇区总数。该数量被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
接收训练扇区总数：这是传输该元素以用于波束形训练的STA的接收扇区总数。该数量被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
训练周期数：训练发起者重复训练模式的周期数。该数量被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
DMG的天线对等性：假设存在天线对等性。用于发送的扇区将被用于接收。该数量被接收节点用于设置波束成形周期和调整波束成形参数。
3.6.3.路由响应ACK帧
图28示出了RRES ACK帧的一个示例性实施例490。这是被单播以确认接收到RRES帧确认(ACK)帧。该ACK帧可以携带有助于波束成形处理的信息。邻居ID和该邻居的最佳TX波束ID被添加到该帧中，这些信息是从接收到的RRES帧中获知的。RRES ACK帧中的字段概述如下。
邻居ID：邻居ID指示ACK被发送到哪里。任何接收到该帧的邻居都会检查其(邻居节点其自身)ID是否与接收到的数据包中列出的ID之一匹配。这是为了知道这个包是否被发送到了这个接收者处。如果邻居ID匹配，则接收节点对该帧进行处理。
邻居最佳TX波束列表：指与邻居ID相关联的最佳TX波束。该信息通常从接收到的RRES帧或信标帧中获取。
3.6.4.时钟主控同步分配请求
图29示出了时钟主控同步帧的一个示例性实施例500。该帧由路由路径中的节点发送至路由设置发起者，以请求成为该路由的时钟主控，并且该帧具有以下字段。
节点ID：请求成为时钟主控的节点的ID。发起者使用该ID在自身和其他发送该请求的节点中选择新路由的时钟主控。
路由发起者ID：作为该请求所指向的节点的路由发起者的ID。
请求优先级ID：表示该节点请求成为时钟主控的原因的预设的值。该信息被路由发起者用于选择将用作该路由的时钟主控的节点。
3.6.5.时钟主控同步分配响应
图30示出了时钟主控同步分配响应的一个示例性实施例510，该时钟主控同步分配响应具有以下字段。
节点ID：请求成为时钟主控的节点的ID。该节点是该响应指向的节点。
路由发起者ID：路由发起者的ID。该节点是传输此消息的节点
时钟主控响应：该字段指示节点是否是路由的时钟主控。如果为真，则表示该节点开始担任路由的时钟主控。如果为假，则表示该节点期待其他节点提供同步信息。
3.6.6.时钟主控同步分配ACK
图31示出了时钟主控同步分配ACK帧的一个示例性实施例520。该帧确认接收到时钟主控同步分配ACK帧。这是用于通知路由设置发起者节点接受并通过路由启动保持同步的角色，并具有以下字段。
节点ID：请求成为时钟主控的节点的ID。该节点为发送该消息的节点。
路由发起者ID：路由发起者的ID。该节点是该ACK指向的节点。
时钟主控响应ACK：如果为真，则表示该节点确认接收到响应帧，并声明其作为新的时钟主控的角色。如果为假，则表示该节点正在确认接收到响应帧，并声明其不作为该路由的时钟主控。
4.本公开的要素总结。
以下是与本公开的相关方面的部分总结。节点被配置为在不在全网同步或在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下形成mesh网络。一旦数据传输会话由路由设置过程触发和启动，就建立同步和活动链路。每当有一个新节点加入网络时，就会对其进行认证，并保持可用邻居节点的列表。一旦新的节点已加入网络后，也会被添加到其他mesh节点列表中。基于收集到的关于可用邻居节点的信息，根据需要建立链路。数据会话启动后，发起路由设置，并且mesh节点通过其他mesh节点形成源节点和目的地节点之间的链路。该链路的形成包括波束成形和同步两个方面。如果新建立的路由与当前活动路由不相交，则mesh网中新建立的路由将与活动路由发起者节点独立地同步。如果新建立的新路由与其他活动路由相交，其中节点需要为两种路由提供服务，那么新建立的路由优选地与所有相交的路由同步。可以在所有感兴趣的路由中选择新的主时钟，并且新的主时钟开始发送同步信号，并且节点通过所有路由传播这个信号。新的会话发起者可以自动被认为是新的主时钟。
5、实施例的一般范围
所提出的技术中所描述的增强可以在各种无线(例如，mm波)发送器、接收器和收发器中容易地实现。还应意识到，现代无线发送器、接收器和收发器优选地被实现为包括一个或多个计算机处理器设备(例如，CPU、微处理器、微控制器、计算机启用的ASIC等)和相关联的存储指令的存储器(例如，RAM、DRAM、NVRAM、闪存、计算机可读介质等)，其中，存储在存储器中的编程(指令)在处理器上被执行以执行本文中所描述的各种过程方法的步骤。
为了简化说明，图中未示出计算机和存储器设备，因为本领域技术人员理解使用计算机设备来执行涉及各种现代通信设备的步骤。所呈现的技术对于存储器和计算机可读介质是非限制性的，只要它们是非暂态的，且因此不构成暂态电子信号即可。
还应当理解，在这些计算系统中的计算机可读介质(储存指令的存储器)是“非暂态的”，其包含任何和所有形式的计算机可读介质，唯一的例外是暂态、传播的信号。因此，所公开的技术可以包括任何形式的计算机可读介质，包括那些随机存取(例如，RAM)、需要周期刷新(例如，DRAM)、随时间降低的那些(例如，EEPROMS、碟介质)、或者仅在短时间周期内和/或仅在存在电力的情况下储存资料，唯一的限制是术语“计算机可读介质”不适用于暂态的电子信号。
本技术的实施例在本文中可以参照根据本技术的实施例的方法和系统的流程图图示、和/或也可以被实现为计算机程序产品的进程、算法、步骤、操作、公式或其他计算示出来描述。就这一点而言，流程图的每个方框或步骤、流程图中的方框(和/或步骤)的组合、以及任何进程、算法、步骤、操作、公式或计算示出可以通过各种手段来实现，诸如硬件、固件和/或包括包含在计算机可读程序代码中的一个或多个计算机程序指令的软件。如将意识到的，任何这样的计算机程序指令都可以被一个或多个计算机处理器(包括但不限于通用计算机或专用计算机、或生成机器的其他可编程处理装置)执行，以使得在(一个或多个)计算机处理器或其他可编程处理装置上执行的计算机程序指令创建用于实现所规定的(一个或多个)功能的手段。
因此，本文描述的流程图的块和过程、算法、步骤、操作、公式或计算描述支持用于执行指定功能的手段的组合、用于执行指定功能的步骤的组合，和用于执行指定的功能的计算机程序指令(诸如体现在计算机可读程序代码逻辑手段中)。还将理解，本文描述的流程图说明的每个块以及任何过程、算法、步骤、操作、公式或计算描述及其组合，可以由执行指定的功能或步骤的基于专用硬件的计算机系统，或专用硬件和计算机可读程序代码的组合来实现。
此外，诸如体现在计算机可读程序代码中的这些计算机程序指令也可以存储在一个或多个计算机可读存储器或存储器设备中，其可以指导计算机处理器或其他可编程处理装置以特定方式起作用，使得存储在计算机可读存储器或存储器设备中的指令产生包括指令手段的制品，该指令手段实现在流程图的块中指定的功能。计算机程序指令还可以由计算机处理器或其他可编程处理装置执行，以使得在计算机处理器或其他可编程处理装置上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，使得在计算机处理器或其他可编程处理装置上执行的指令提供用于实现在流程图的块、过程、算法、步骤、操作、公式或计算性描述中指定的功能的步骤。
还将意识到，本文使用的术语“编程程序”或“程序可执行”是指可以由一个或多个计算机处理器执行以执行如本文所述的一个或多个功能的一个或多个指令。指令可以体现为软件、固件或软件和固件的组合。指令可以本地存储在非暂时性介质的设备中，或者可以远程存储在诸如服务器上，或者可以本地和远程地存储全部或部分指令。远程存储的指令可以通过用户发起或者基于一个或多个因素自动地下载(推送)到设备。
还将意识到，如本文所使用的，术语处理器、计算机处理器、中央处理单元(CPU)和计算机被同义地使用来表示能够执行指令以及与输入/输出接口和/或外围设备进行通信的设备，以及术语处理器、计算机处理器、CPU和计算机旨在包括单个或多个设备、单核和多核设备及其变形。
从本文中的描述将意识到，本公开包含多个实施例，所述多个实施例包括但不限于以下实施例：
1、一种用于mesh网络中的无线通信的装置，包括：
(a)无线通信电路，所述无线通信电路被配置为利用具有多个天线图案扇区的定向毫米波(mmW)通信与其他无线通信站进行无线通信，其中每个扇区具有不同的传输方向；(b)位于被配置为在mesh网络上操作的站中的、耦合到所述无线通信电路的处理器；(c)存储可由处理器执行的指令的非暂态存储器；以及(d)其中，在由处理器执行所述指令时，执行包括以下的步骤：(i)将所述站操作为所述mesh网络上的对等站，以确定关于mesh网络上的邻居对等站的信息；(ii)在没有全网同步、也无需在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下将节点形成为mesh网络；以及(iii)一旦由路由设置过程触发并发起数据传输会话，就建立同步和活动链路。
2、如前述的实施例所述的装置，其中所述无线通信电路还被配置为用于与利用低于6GHz无线通信的其他无线通信站进行无线通信。
3、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在新节点加入mesh网络时对其进行认证，以及在mesh网络中的每个节点处保持可用的邻居节点的列表。
4、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦所述新节点加入mesh网络后，将所述新节点加入到其他mesh节点列表中，其中一旦执行数据会话中的数据通信需要就与其他节点建立链路，其中这些链路是基于收集到的关于可用的邻居节点的信息而建立的。
5、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦发起数据会话就发起路由设置，并且在路由设置期间mesh节点被配置为通过路由通过其他mesh节点而在源节点和目的地节点之间形成所述数据会话的链路，其中链路形成过程包括波束成形和同步操作。
6、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所述mesh网络中建立的新路由不与任何当前活动路由相交的情况下，将所述新路由与活动路由的发起者独立地同步。
7、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在新路由与其他活动路由相交，其中节点被配置为服务于这两种路由的情况下，将所述新路由与所有相交的路由同步。
8、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所有相交的路由中选择新的主时钟，其中所述新的主时钟被配置为开始发送同步信号并且其他节点被配置为通过所有路由传播该同步信号。
9、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：将新的会话发起者自动建立为所述新的主时钟。
10、一种用于mesh网络中的无线通信的装置，包括：
((a)无线通信电路，所述无线通信电路被配置为利用具有多个天线图案扇区的定向毫米波(mmW)通信与其他无线通信站进行无线通信，其中每个扇区具有不同的传输方向；(b)位于被配置为在mesh网络上操作的站中的、耦合到所述无线通信电路的处理器；(c)存储可由处理器执行的指令的非暂态存储器；以及(d)其中，在由处理器执行所述指令时，执行包括以下的步骤：(i)将所述站操作为所述mesh网络上的对等站，以确定关于mesh网络上的邻居对等站的信息；(ii)在没有全网同步、也无需在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下将节点形成为mesh网络；(iii)在新节点加入mesh网络时对其进行认证，以及在mesh网络中的每个节点处保持可用的邻居节点的列表；以及(iv)一旦由路由设置过程触发并发起数据传输会话，就建立同步和活动链路。
11、如前述的实施例所述的装置，其中所述无线通信电路还被配置为利用低于6GHz的无线通信与其他无线通信站进行无线通信。
12、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦所述新节点加入mesh网络后，将所述新节点加入到其他mesh节点列表中，其中一旦执行数据会话中的数据通信需要就与其他节点建立链路，其中这些链路是基于收集到的关于可用的邻居节点的信息而建立的。
13、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦发起数据会话就发起路由设置，并且在路由设置期间mesh节点被配置为通过路由通过其他mesh节点而在源节点和目的地节点之间形成所述数据会话的链路，其中链路形成过程包括波束成形和同步操作。
14、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所述mesh网络中建立的新路由不与任何当前活动路由相交的情况下，将所述新路由与活动路由的发起者独立地同步。
15、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在新路由与其他活动路由相交，其中节点被配置为服务于这两种路由的情况下，将所述新路由与所有相交的路由同步。
16、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所有相交的路由中选择新的主时钟，其中所述新的主时钟被配置为开始发送同步信号并且其他节点被配置为通过所有路由传播该同步信号。
17、如前述的实施例所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：将新的会话发起者自动建立为所述新的主时钟。
18、一种用于mesh网络中的无线通信的方法，包括：
(a)操作无线通信电路或站，所述无线通信电路或站被配置为利用定向毫米波(mmW)通信与其他无线通信站进行无线通信，其中所述定向毫米波通信使用多个天线图案扇区，每个扇区具有不同的传输方向；(b)将所述站操作为对等站，以确定关于邻居对等站的信息；(c)在没有全网同步、也无需在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下将节点形成为mesh网络；以及(d)一旦由路由设置过程触发并发起数据传输会话，就建立同步和活动链路。
19、如前述的实施例所述的方法，还包括与利用低于6GHz无线通信的其他无线通信站进行无线通信。
20、如前述的实施例所述的方法，还包括在新节点加入mesh网络时对其进行认证，以及在mesh网络中的每个节点处保持可用的邻居节点列表。
如本文所用，除非上下文中另有明确规定，否则单数术语“一”、“一个”和“该”可包括复数指示。除非明确说明，否则以单数形式提及对象并不旨在表示“一个与仅一个”，而是“一或多个”。
如本文所用，术语“组”指的是一或多个物件的集合。因此，例如一组物件可以包括单个物件或多个物件。
如本文所用，术语“实质上”与“约”被用来描述和解释小的变化。当与事件或情况一起使用时，术语可以指事件或情况恰好发生的实例以及事件或情况发生到类似的实例。当与数值结合使用时，术语可以指小于或等于该数值的±10％的变化范围，诸如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。例如，「实质上」可以指小于或等于该数值的±10°的角度变化范围，诸如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°、或小于或等于±0.05°。
另外，数量、比率和其他数值有时可以以范围格式呈现于本文中。应当理解，这种范围格式是为了方便和简洁而使用的，并且应该被灵活地理解为包括明确指明为范围限制的数值，但是也包括包含在该范围内的所有单独数值或子范围，如同明确指明的每个数值和子范围。例如，约1至约200的比例应理解为包括明确列举的约1和约200的限制，但也包括单独的比例，诸如约2、约3和约4，以及诸如约10至约50、约20至约100等的子范围。
然而，本文的描述包含许多细节，这些细节不应被解释为限制本公开的范围，而是仅仅提供一些当前较佳实施例的说明。因此，应当理解到本公开的范围完全地包括对于那些本领域技术人员变得显而易见的实施例。
那些本领域技术人员已知的所公开实施例的元件的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在由本申请专利范围所涵盖。此外，无论元件、组件或方法步骤是否在申请专利范围中明确地陈述，本公开中的元件、组件或方法步骤都不旨在对公众专用。本文中的申请专利范围不应被解释为“手段加功能”元件，除非使用短语“用于......的手段”明确地描述该元件。本文中的申请专利范围不应被解释为“步骤加功能”元件，除非使用短语“用于......的步骤”明确地描述该元件。

Claims (20)

1.一种用于mesh网络中的无线通信的装置，包括：
(a)无线通信电路，所述无线通信电路被配置为利用具有多个天线图案扇区的定向毫米波(mmW)通信与其他无线通信站进行无线通信，其中每个扇区具有不同的传输方向；
(b)位于被配置为在mesh网络上操作的站中的、耦合到所述无线通信电路的处理器；
(c)存储可由处理器执行的指令的非暂态存储器；以及
(d)其中，在由处理器执行所述指令时，执行包括以下的步骤：
(i)将所述站操作为所述mesh网络上的对等站，以确定关于mesh网络上的邻居对等站的信息；
(ii)在没有全网同步、也无需在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下将节点形成为mesh网络；以及
(iii)一旦由路由设置过程触发并发起数据传输会话，就建立同步和活动链路。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述无线通信电路还被配置为利用低于6GHz的无线通信与其他无线通信站进行无线通信。
3.如权利要求1所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在新节点加入mesh网络时对其进行认证，以及在mesh网络中的每个节点处保持可用的邻居节点的列表。
4.如权利要求1所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦所述新节点加入mesh网络后，将所述新节点加入到其他mesh节点列表中，其中一旦执行数据会话中的数据通信需要就与其他节点建立链路，其中这些链路是基于收集到的关于可用的邻居节点的信息而建立的。
5.如权利要求1所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦发起数据会话就发起路由设置，并且在路由设置期间mesh节点被配置为通过路由通过其他mesh节点而在源节点和目的地节点之间形成所述数据会话的链路，其中链路形成过程包括波束成形和同步操作。
6.如权利要求5所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所述mesh网络中建立的新路由不与任何当前活动路由相交的情况下，将所述新路由与活动路由的发起者独立地同步。
7.如权利要求5所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在新路由与其他活动路由相交，其中节点被配置为服务于这两种路由的情况下，将所述新路由与所有相交的路由同步。
8.如权利要求7所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所有相交的路由中选择新的主时钟，其中所述新的主时钟被配置为开始发送同步信号并且其他节点被配置为通过所有路由传播该同步信号。
9.如权利要求8所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：将新的会话发起者自动建立为所述新的主时钟。
10.一种用于mesh网络中的无线通信的装置，包括：
(a)无线通信电路，所述无线通信电路被配置为利用具有多个天线图案扇区的定向毫米波(mmW)通信与其他无线通信站进行无线通信，其中每个扇区具有不同的传输方向；
(b)位于被配置为在mesh网络上操作的站中的、耦合到所述无线通信电路的处理器；
(c)存储可由处理器执行的指令的非暂态存储器；以及
(d)其中，在由处理器执行所述指令时，执行包括以下的步骤：
(i)将所述站操作为所述mesh网络上的对等站，以确定关于mesh网络上的邻居对等站的信息；
(ii)在没有全网同步、也无需在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下将节点形成为mesh网络；
(iii)在新节点加入mesh网络时对其进行认证，以及在mesh网络中的每个节点处保持可用的邻居节点的列表；以及
(iv)一旦由路由设置过程触发并发起数据传输会话，就建立同步和活动链路。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述无线通信电路还被配置为利用低于6GHz的无线通信与其他无线通信站进行无线通信。
12.如权利要求10所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦所述新节点加入mesh网络后，将所述新节点加入到其他mesh节点列表中，其中一旦执行数据会话中的数据通信需要就与其他节点建立链路，其中这些链路是基于收集到的关于可用的邻居节点的信息而建立的。
13.如权利要求10所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：一旦发起数据会话就发起路由设置，并且在路由设置期间mesh节点被配置为通过路由通过其他mesh节点而在源节点和目的地节点之间形成所述数据会话的链路，其中链路形成过程包括波束成形和同步操作。
14.如权利要求13所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所述mesh网络中建立的新路由不与任何当前活动路由相交的情况下，将所述新路由与活动路由的发起者独立地同步。
15.如权利要求13所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在新路由与其他活动路由相交，其中节点被配置为服务于这两种路由的情况下，将所述新路由与所有相交的路由同步。
16.如权利要求15所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：在所有相交的路由中选择新的主时钟，其中所述新的主时钟被配置为开始发送同步信号并且其他节点被配置为通过所有路由传播该同步信号。
17.如权利要求16所述的装置，其中在由处理器执行所述指令时，进一步执行包括以下的步骤：将新的会话发起者自动建立为所述新的主时钟。
18.一种在mesh网络中执行无线通信的方法，包括：
(a)操作无线通信电路或站，所述无线通信电路或站被配置为利用定向毫米波(mmW)通信与其他无线通信站进行无线通信，其中所述定向毫米波通信使用多个天线图案扇区，每个扇区具有不同的传输方向；
(b)将所述站操作为对等站，以确定关于邻居对等站的信息；
(c)在没有全网同步、也无需在潜在的邻居之间形成活动链路的情况下将节点形成为mesh网络；以及
(d)一旦由路由设置过程触发并发起数据传输会话，就建立同步和活动链路。
19.如权利要求18所述的方法，还包括利用低于6GHz的无线通信与其他无线通信站进行无线通信。
20.如权利要求18所述的方法，还包括在新节点加入mesh网络时对其进行认证，以及在mesh网络中的每个节点处保持可用的邻居节点的列表。
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