CN1605174A - 同步 - Google Patents

Abstract

一个从低功率射频收发信机参与到由一个主低功率射频收发信机控制的网络中，并通过从该进行控制的低功率射频收发信机接收所发送的无线分组而将其定时与网络定时同步。该从收发信机包括：定时装置；在时间间隔上可操作以检测接收的无线分组的预定部分的检测装置；以及调整装置，它响应于对接收的无线分组的预定部分的检测来调整定时装置。该从低功率射频收发信机被安排来可控地改变该时间间隔的持续时间。

Description

同步

本发明涉及一种接收收发信机到发送收发信机的同步。本发明的具体实施例涉及在蓝牙(商标)微微网络(piconet)中的同步。在包括许多收发信机的通信系统中，可能需要保持收发信机同步，以便这些收发信机使用相同的定时进行通信。一个收发信机可以充当规定通信系统定时的主站。而另一个收发信机充当从站并保持与该主站的定时同步。一个这样的网络便是蓝牙(商标)微微网络，该微微网络在蓝牙系统v1.1，B部分(基带)的规范中被描述。

一种在网络内保持同步的方法是：主站周期性地发送无线分组。在蓝牙系统中，主站在分组报头的前同步中发送带有接入码的无线分组消息。由从站接收机检测此接入码。接收自主站发送的消息便允许从站将它的定时与主站的定时进行比较并调整其定时以保持同步。这可以通过为从站的本地时钟的值添加一个偏移值来实现。

蓝牙规范版本1.1要求：“只要定时的不匹配仍然位于+/-10μs不确定窗内，从站就应该能够接收分组并调整RX定时”。

因此，在当前的实施中，从站在固定持续时间(20μs)的监听窗中监听一个消息，该固定持续时间以预期会接收到消息的时间为中心。这就意味着，如果主站比从站所预期的时间早发送多于10μs或晚发送多于10μs，那么从站将不能够接收该分组并且将不能够调整它的定时。由于主站和从站都正在使用不同的本地时钟，这些本地时钟被允许有大约±20ppm的漂移，所以当从站在时间t_conloss中没有从主站接收到分组时，该从站就可能失去连接，其中：

$t_{\mathrm{conloss}}=\frac{10*{10}^{-6}s}{(20+20)*{10}^{-6}}=250\mathrm{ms}$

因此，如果主站已经超过250ms未轮询从站或者那时环境受到干扰时，则在最坏的情形下，将失去该连接。

在主站和从站之间的一个正常、未受干扰的活动连接中，由于主站必须在T_poll内轮询从站(T_poll默认地为25ms)，所以决不会达到这个时间。但是，如果主站执行一个查询或寻呼，则这种连续的轮询被中断一定的时间，该主站用该时间(典型地为5-10s)来完成查询或寻呼。固此，非常有可能出现：一旦主站执行一次查询或寻呼，则连接到微微网络的全部从站都将失去连接。

一种解决此问题的方案将是增加固定的不确定窗的大小。但是这并没有吸引力，因为蓝牙规范并不要求它，并且这种方案将会导致接收机的功率消耗的显著和永久性的增加。

在蓝牙规范中提供了另一种解决该问题的方案。该方案允许主站迫使其从站对于寻呼/查询时间进入保持模式以防止同步丢失。但是，并没有强制性要求收发信机支持该保持模式。另外，主站必须单独地迫使每个从站进到保持模式，这浪费了空中容量。

如果主站和从站之间的正常连接受到干扰的话，也可发生同样的同步丢失问题。这可能由干扰或多径传播而导致，引起消息恶化，使得在接收机的监听窗中不接收该消息。所以使用保持模式并不能解决此问题。

改进通信网内的同步将是所期望的。

根据本发明的一个方面，提供了一种低功率射频收发信机，该收发信机可操作，以参与到由另一个低功率射频收发信机控制的网络中，并通过从该进行控制的低功率射频收发信机接收所发送的无线分组而将其定时与网络定时同步，该低功率射频收发信机包括：定时装置；在一个时间间隔上可操作以检测接收的无线分组的预定部分的检测装置；以及调整装置，它响应于对接收的无线分组的预定部分的检测来调整该定时装置，其中该低功率射频收发信机被安排用于可控地改变该时间间隔的持续时间。

根据本发明的另一个方面，提供了一种将第一低功率射频收发信机的第一定时装置与第二低功率射频收发信机包括的第二定时装置同步的方法，该第一低功率射频收发信机参与到由该第二低功率射频收发信机控制的网络中，该方法包括以下步骤：a)在第一收发信机中，接收数据并在一个时间间隔上执行相关以检测所接收数据中的预定数据序列；以及b)根据自上次检测该预定序列起的时间来控制该间隔的持续时间。

根据本发明的再一个方面，提供了一种包括第一低功率射频收发信机的网络，该第一低功率射频收发信机包括第一定时装置，并与包括第二定时装置的第二低功率射频收发信机同步，其中该第一收发信机被安排用于执行可控持续时间的相关，以便使它的定时装置与第二收发信机的定时装置同步。

根据本发明的再一个方面，提供了一种将另外的收发信机加入到收发信机网络中的方法，其中该收发信机的网络包括主站和至少一个从站，该从站通过执行相关以检测主站所发送的预定义序列来与主站实现同步，该方法包括以下步骤：当主站将新收发信机加入到该网络中时扩展相关的周期。

根据本发明的又一个方面，提供了一种接收机，它通过从发送机接收无线分组而将其定时与发送机同步，该接收机包括：定时装置；和检测装置，用于检测接收的无线分组的预定部分并响应于该检测来调整定时装置，其中检测装置在一时间间隔上可操作，而该时间间隔可根据自上次检测到预定部分起的时间而可变。

进行接收的低功率射频收发信机的定时装置可以由对它的本地时钟的偏移(例如，M_OFFSET)来提供。

本发明的实施例是：只要尚未接收到来自主站的有效分组，就在活动连接状态中动态地增加同步窗。术语“同步窗”指的是用于同步的可变(非固定的)窗，因此它不同于现有技术中的静态(固定的)不确定窗。

本发明的实施例可以在主站进行寻呼/查询而没有进入保持模式时保持同步以及在环境中有干扰时保持同步。这可以在不显著和永久性地增加进行接收的收发信机的功率消耗的情况下实现。对于本发明的实施例，如果环境受到干扰，那么活动状态中的连接是非常能容忍的。

为了更好地理解本发明以及理解如何将本发明付诸实现，现在将参考附图，其中：

图1示例了包括主站和从站单元的通信网络；

图2示例了通信网络的时间帧；

图3示例了一个无线分组；

图4示例了适宜用作主站或从站的收发信机单元；

图5示例了根据本发明的一个实施例在从站中发生的处理流；以及

图6示例了同步窗的长度(T_swin_len)随自上次同步起的时间(t_not_synchronized)的变化。

图1示例了无线收发信机单元的网络2，它包括主站单元4和从站单元6，8，10，这些单元通过发送和接收无线分组来通信。主站单元是启动从站到网络的连接的收发信机单元。在一个网络中只有一个主站。该网络以时分双工方式工作。收发信机单元被同步到主站单元4所确定的公共时间帧。该时间帧由一系列相等长度(625μs)的时隙构成。在该网络中发送的每个无线分组使其开始与时隙的开始对齐，并且网络中一次发送一单个分组。当主站单元执行点对点通信时，发送的无线分组被寻址到特定的收发信机，该收发信机通过在下一个可用的时隙中发送一个被寻址到主站单元的无线分组来应答该主站单元。主站和从站之间的任何时间不对齐都可以通过调整从站的定时进行校正，以便使其与主站的定时同步。在从站中，偏移(M_OFFSET)被添加到从站的本地时钟值中以获得主站的时钟值。这样便同步了从站和主站的定时。

在本实例中，收发信机以微波频段(例如2.4GHz)来发送和接收。该网络通过改变发送每个无线分组的频率从而减少了干扰。若干单独的频道各被指配以1MHz的带宽，并且该频率可以以1600跳/s的速率进行跳变。在网络中通信或加入该网络的收发信机的频率跳变由主站单元同步和控制。跳频序列对该网络是唯一的并由主站单元的唯一标识确定。跳频序列内的位置由主站的定时，即主站中的本地时钟的值来确定。每个收发信机单元都具有唯一的标识，单元ID，以下将其称作用于从站单元的从站ID和用于主站单元的主站ID。

该网络是适宜在收发信机之间发送话音信息或数据信息的射频网络。传输是以低功率(例如0到20dBm)进行的，收发信机单元可以在几厘米到几十或几百米的范围内有效地通信。

参考图2，图中示例了帧20。此帧20是网络2使用并受主站单元4控制的公共时间帧。该帧例如具有时隙22到29。由偶数指代的时隙被保留。只有主站单元能够开始发送无线分组，该无线分组与偶数编号的时隙的开始对齐。由奇数指代的时隙被保留。只有由从站发送的无线分组，即被寻址用于主站单元接收的无线分组才能够使其开始与奇数编号时隙的开始对齐。在该通信模式中，从站只能够在其被寻址的那个时隙之后紧接的时隙中发送并且必须在其中发送。每个时隙被分配给跳频序列中不同的一个跳频。时隙具有恒定的时间周期T_slot并典型地为625微秒。

参考图3，其中示例了典型的无线分组30。该无线分组30具有开始32并包含三个不同的部分：包括接入码34的第一前同步部分，包括头标36的第二部分以及包括有效载荷38的第三部分。

接入码为该网络中所使用的一系列符号以标识无线分组的开始。它具有固定的长度。在正常的通信模式中，该主站和从站单元使用主站ID作为接入码。由于在网络中只有一个主站单元，所以主站ID便标识该网络。

头标36可以给出也可以不给出。如果给出，则它具有固定的长度。头标包括控制字。本地地址(AM_ADDR)是一个唯一地标识网络中从站的字。该本地地址在主站单元将一个从站单元加入到该网络时指配给该从站。

有效载荷38载有收发信机控制信息或话音/数据信息。该有效载荷有可变的长度并且可以没有。

参考图4，图中所示为示意性的收发信机单元40的说明。只有在该图中示出的那么多的功能方框和相互连接对于在下面解释收发信机单元和通信网络如何操作是必需的。收发信机单元40包括多个功能单元，包括：天线42、接收机50、控制器60、存储器62、时钟64以及发送机66。尽管这些单元被示为分离的单元，但是实际上它们可以集成到一起，并且可以以软件或硬件实现。

控制器60确定要被发送的分组的接入码34、头标36以及有效载荷38的内容。有效载荷内容可以是由数据信号71提供给控制器60的数据或者是控制器60中产生的控制信息。该控制器60为发送机66提供分组数据作为分组数据信号61。

发送机66根据分组数据调制载波以产生发送信号63，该信号被提供给天线42用于发送。控制器60为发送机66提供发送频率控制信号65，它控制载波的频率为一个跳频序列中的一个正确的跳频。

在网络中、在通信模式中发送的全部分组具有由主站ID所确定的接入码以及由主站单元的跳频序列所确定的频率。当收发信机单元40作为从站工作时，控制器60通过合并它的本地时钟信号67和存储器62中存储的偏移值M_OFFSET来仿真主站单元的时钟。M_OFFSET表示主站和从站的本地时钟之间的差别。控制器60使用存储器62中存储的主站ID的值来再生主站单元的跳频序列并根据仿真的主站时钟值来确定位于跳频内的正确位置。然后由控制器60产生发送频率控制信号63以控制发送机66以正确的跳频发送，该跳频由主站单元的频率跳变序列和仿真的主站时钟值确定。因此该主站和从站同步地跳频。

天线42接收无线信号41并将其提供给接收机50，该接收机在来自控制器60的接收频率控制信号43的控制下解调该无线信号41。解调产生了提供给控制器60的数字信号45。接收频率控制信号43控制接收机来以正确的跳频接收，该跳频由主站单元的跳频序列和仿真的主站时钟值确定。

在该实施例中，控制器60用于检测接收的分组的接入码。在另一个实施例中，这种功能可以由分离的组件执行。控制器60使用数字信号45来使收发信机单元40与网络的时间帧同步。控制器确定应当被用于该相关过程的同步窗的长度。当预期要接收由主站所发送的接入码时，同步窗是对称布置的。然后，对该同步窗的持续时间，控制器60使用滑动相关来检测在接收的无线分组中预期的接入码的存在。

如果检测到存在该预期的接入码，那么控制器使从站的主站时钟仿真版本与主站的本地时钟重新同步。控制器对预期会接收消息的时钟值与接收到该消息的时钟值进行比较并利用差值来改变存储器62中存储的M_OFFSET值。从而，仿真的主站时钟与主站的本地时钟被重新同步。

控制器60接受那些所具有的接入码对应于预期接入码的无线分组，并且拒绝那些所具有的接入码不对应于预期接入码的无线分组。如果无线分组被接受，那么将解码该分组的头标。如果分组被寻址到从站，那么将获得有效载荷。有效载荷的内容可以由控制器60提供给其他电路(未示出)作为输出信号73。

图5示例了根据本发明的一个实施例在从站中发生的处理流程。为了理解该实施例，定义了以下术语：

T_swin_len为同步窗的以微秒计的长度。

t_next_rx是何时预期会接收到下一个分组的接入码。

L_min为T_swin_len的最小长度。

L_max为T_swin_len的最大长度。

t_last_sync为从站和主站之间上次发生同步的时间。

n表示其检测已被错过的接入码的数量。

Drift_slave和Drift_master分别为从站本地时钟的最大漂移和主站本地时钟的最大漂移。在活动模式中，每个具有+/-20ppm的最大漂移。这是固定的并且是蓝牙规范的一个要求。

活动连接模式中的从站正常地每2个时隙(1.25ms)进行尝试以及接收，因此t_next_rx正常为在接收上一接入码之后1250μs。但是，例如如果从收发信机为不同的微微网络(不同的主站)执行一次查询扫描或者如果从站未能接收一个预期的分组，那么这可能被中断。然而，预期下一个接入码将在接收到上一接入码之后的1.25ms的某一倍数处被接收。

在步骤100，控制器60对同步窗的持续时间执行一个相关，或者如果更快的话，执行该接入码的检测。相关的持续时间为T_swin_len以及相关窗以下一接入码的预期到达时间(t_next_rx)为中心。因此，相关在t_next_rx-1/2 x T_swin_len开始并一直持续到t_next_rx+1/2 xT_swin_len。

如果在步骤100检测到该接入码，则该过程在返回到步骤100之前移动经过步骤110，112和114。

在步骤110，控制器计算M_OFFSET的新值，由此将从站的主站时钟仿真带入与主站的本地时钟的同步。M_OFFSET的新值等于旧值加上预期的接入码检测时间和步骤100中检测到接入码的实际时间之间的差值。

在步骤112，更新t_last_sync的值。使它等于在步骤100中检测到接入码的主站时钟时间。所以，这是与主站发生同步的最后时间。

在步骤114，T_swin_len被设置为最小值L_min，并且使T_next_rx(它是预期检测到下一个接入码的时间)等于在步骤100检测到接入码的主站时钟时间(t_last_sync)加上帧的持续时间(1.25ms)。变量n被设置为0。

如果在步骤100没有检测到该接入码，那么该过程在返回到步骤100之前移动经过步骤120，122，124和126。

在步骤120，校验到同步窗已经完成以及接入码还未检测到。如果是这种情况的话，过程进行到步骤122。如果同步窗没有完成，就在步骤100继续相关。

在步骤122，由于接入码的检测已经错过，所以计数器n增加一。

在步骤124，将检测到下一个接入码的预期时间(t_next_rx)被从t_next_rx的最后值增加一帧的持续时间(1.25ms)。这可能通过设置t_next_rx等于t_last_sync加上蓝牙周期1.25ms乘以与错过的检测的数量n来实现。然后过程进行到步骤126。

在步骤126，计算下一个同步窗(T_swin_len)的持续时间。一旦计算，过程就返回到步骤100，其中使用了检测下一个接入码的预期时间的新值及同步窗的长度。

图6示例了同步窗的长度(T_swin_len)随自上一同步起的时间(t_not_synchronized)的变化。自上一同步起的时间是检测到上一接入码的时间(t_last_sync)和预期下一次检测到接入码的时间(t_next_rx)之间的持续时间，即t_not_synchronized＝(t_next_rx_t_last_sync)。同步窗的长度以微秒绘制。自上一同步起的时间以微秒绘制。

T_swin_len的值保持恒定在L_min(20μs)，直到自上次成功同步起已经消逝超过250ms。因此，在此周期期间，同步窗的大小与现有技术的固定大不确定窗相同。

然后，以例如80×10^-6的恒定速率增加T_swin_len的值，直到自上一次成功同步起15625ms已经消逝且T_swin_len已增加到1.25ms。该图表的梯度通过Drift_slave和Drift_master的和给出。从而，T_swin_len＝(Drift_slave+Drift_master)*t_not_synchronized。

因此随着自上一次成功同步起的时间(t_not_synchronized)的增加，T_swin_len的值保持恒定在L_max(1.25ms)。由于应该可能在每个主站TX时隙中收听，所以L_max等于蓝牙帧(2个时隙)。但是，L_max的值取决于实现的。在硬件实现中，1.25ms是最佳的。但是如果使用软件实现，例如，准备再次接收可能消耗时间，因此必须从1.25ms中减去此准备时间。

计算同步窗长度的过程可以如下进行：

a)设置T_swin_len等于(Drift_master+Drift_slave)×t_not_synchronized。

b)然后设置T_swin_len等于在a)计算的T_swin_len和L_min中的较大者。

c)然后设置T_swin_len等于在b)计算的T_swin_len和L_max中的较小者。

然后将在c)确定的T_swin_len的值用于图5的步骤100。

本发明的实施例可以通过更新现有收发信机的软件来实现。

在之前的段落中已经参考各种实例描述了本发明的实施例，但是应该理解，能够对给出的实例进行修改而不偏离本发明的范围。

尽管试图在上述说明书中引起对本发明这些特征的注意，这些特征被认为是特别重要的，但是应该理解申请人要求保护有关任何的可授予专利的特征或此前所指和/或图中所示定特征的组合，而不论是否特别强调过这些特征。

Claims (27)

1、一种低功率射频收发信机，可操作以参与到由另一个低功率射频收发信机控制的网络中，并通过接收从该进行控制的低功率射频收发信机发送的无线分组而将其定时与网络定时同步，该低功率射频收发信机包括：

定时装置；

在一个时间间隔上可操作以检测接收的无线分组的预定部分的检测装置；以及

调整装置，它响应于对接收的无线分组的预定部分的检测来调整该定时装置，其中该低功率射频收发信机被安排成可控地改变该时间间隔的持续时间。

2、根据权利要求1所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔取决于自上次同步起的时间。

3、根据权利要求1或2所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔取决于自上次检测到接收分组的预定部分起已经消逝的时间。

4、根据权利要求1，2或3所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔取决于上次检测到接收分组的预定部分和从该进行控制的低功率射频收发信机发送的分组的预期到达时间之间的时间。

5、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔是以该分组的预期到达时间为中心的同步窗。

6、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔为同步窗，在该同步窗上执行相关以检测接收的无线分组的预定部分。

7、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔具有最小的持续时间。

8、根据权利要求7所述的低功率射频收发信机，其中最小持续时间为20μs。

9、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔具有最大的持续时间。

10、根据权利要求9所述的低功率射频收发信机，其中最大持续时间为1250μs。

11、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，其中该时间间隔根据一个值来计算，该值在最小值和最大值之间以恒定的速率增加。

12、根据权利要求11所述的低功率射频收发信机，其中该恒定速率为80μs/秒。

13、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，还包括用于确定该时间间隔的持续时间的确定装置。

14、根据权利要求13所述的低功率射频收发信机，其中在那个无线分组的预期到达时间之前，完成为预期的无线分组进行的该时间间隔持续时间的确定。

15、根据权利要求13或14所述的低功率射频收发信机，其中确定装置为该时间间隔确定最小持续时间，直到无线分组的预期到达时间超出一个阈值。

16、根据权利要求13，14或15所述的低功率射频收发信机，其中该确定装置为时间间隔确定一个持续时间，该持续时间随无线分组的预期到达时间以恒定的速率增加。

17、根据权利要求12到16中任何之一所述的低功率射频收发信机，其中确定装置通过将上一接收分组的到达时间和要接收的下一分组的预期到达时间之间的持续时间与一个因子相乘来确定该时间间隔，所述因子表示在定时装置和网络定时之间的相对漂移。

18、根据权利要求17所述的低功率射频收发信机，还包括一个具有第一最大时钟漂移的时钟，用于与其他进行控制的收发信机中具有第二最大时钟漂移的时钟同步，其中该因子是第一和第二最大时钟漂移的和。

19、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，还包括一个时钟，其中该定时装置的调整包括将从预期检测时间和实际检测时间中推导得出的偏移添加到该时钟中。

20、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，其中检测装置在分组开始处检测接入码。

21、根据上述任何权利要求之一所述的低功率射频收发信机，可作为微微网络中的从站或主站操作。

22、一种网络，包括如上述任一权利要求所述的作为从站操作的第一低功率射频收发信机以及作为主站操作的第二控制低功率射频收发信机，其中该主站被安排成将一个另外的低功率射频收发信机加入到该网络中作为从站，而不用保持该第一低功率射频收发信机的操作。

23、一种将第一低功率射频收发信机的第一定时装置与第二低功率射频收发信机所包括的第二定时装置同步的方法，该第一低功率射频收发信机参与到由该第二低功率射频收发信机所控制的网络中，该方法包括以下步骤：

a)在第一收发信机中，接收数据并在一个时间间隔上执行相关以检测接收的数据中的预定数据序列；以及

b)根据自上次检测到预定序列起的时间来控制该间隔的持续时间。

24、一种包括第一低功率射频收发信机的网络，该第一低功率射频收发信机包括第一定时装置，并且该第一低功率射频收发信机与包括第二定时装置的第二低功率射频收发信机同步，

其中该第一收发信机被安排成执行可控的持续时间的相关，以便将它的定时装置与第二收发信机的定时装置同步。

25、一种将另外的收发信机加入到一个收发信机网络中的方法，其中该收发信机网络包括主站和至少一个从站，该从站通过执行相关以检测该主站所发送的预定义序列来与主站同步，该方法包括以下步骤：

当主站将新的收发信机加入到该网络中时扩展相关的周期。

26、一种接收机，用于通过从发送机接收无线分组而将其定时与发送机同步，该接收机包括：

定时装置；和

检测装置，用于检测接收的无线分组的预定部分并响应于该检测来调整该定时装置，

其特征在于，

该检测装置在一个时间间隔上可操作，该时间间隔取决于自上次检测到预定部分起的时间而可变。

27、包括所公开的新颖主题的任何新颖的主题或组合，而不论它是否位于如上述任何权利要求之一所述的同样发明的范围内或与其有关。

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