CN1615616A - 援救信标 - Google Patents

Abstract

低功率射频收发信机被安排来形成一个通信的低功率射频收发信机的网络。其包含用于发送数据分组的发射机以及用于控制发射机向收发信机的网络外部发送一系列第一种类型的消息、以便维持同步的装置。

Description

援救信标

本发明涉及被安排来形成与一个通信的低功率射频收发信机的无线电网络的低功率射频收发信机。特别地，本发明涉及蓝牙主收发信机，其适合于防止当主收发信机进行询问过程或者寻呼过程时被连接的从收发信机失去同步。

图1说明无线电收发信机单元的网络(蓝牙微微网)2，包括主单元4和从单元6、8以及10，它们通过发送和接收无线电分组而通信。主单元是发起从单元到网络的连接的收发信机单元。网络中只有一个主单元。网络以时分复用方式运行。

在这个例子中，收发信机在以2.4GHz作为说明的微波频段发送和接收。网络通过改变每个无线电分组被发送的频率来减少干扰。多个单独的频道被指派，每个的带宽为1MHz，并且频率可以1600跳/秒的速率跳跃。

参见图2，帧20被说明。这个帧20是由主单元4使用的时间帧。该帧说明性地有相等长度的时隙22到29。由偶数指定的时隙被保留。只有主单元可以开始发送与偶数编号的时隙开始对齐的无线电分组。由奇数指定的时隙被保留。只有由从单元发送的无线电分组，也就是被定址以便由主单元接收的无线电分组可以使其开始与奇数编号的时隙的开始对齐。每个时隙被分配一系列跳频中不同的一个。但是可能一个无线电分组延续多个时隙，并且在这种情况下该分组被发送的频率保持恒定在该分组开始时被分配给该时隙的频率上。时隙有恒定的时间周期并且典型地是625微秒。

该网络是适合在收发信机之间发送话音信息或者数据信息的射频网。所做的发送是低功率的，例如，0到20毫瓦分贝，并且收发信机单元可以在几厘米到几十或上百米的范围里有效地通信。主单元有识别其发送范围内其它收发信机单元的责任，以及对收发信机单元进行寻呼来建立主单元和那个从单元之间的通信链路的责任，所述识别利用询问过程来实现，而所述寻呼利用访问过程来实现。

参见图3，典型的无线电分组30被说明。无线电分组有开始32并且包含三个不同的部分：第一个前同步部分包含接入码34，第二个部分包含头标36开且第三个部分包含有效负荷38。

接入码是在网络中被用于识别无线电分组的开始以及实现同步和DC估计的一系列比特。其有固定的长度。在接收机中一个滑动相关器对照接入码中的同步字进行相关并且当阈值被超过时触发。有三种类型的接入码。信道接入码是从主单元的蓝牙设备地址(BD_ADDR)中得到的并且识别微微网。其被包括在微微网信道上发送的所有分组中。设备接入码从目的单元的蓝牙设备地址(BD_ADDR)中得到并且例如在访问过程期间用信号通知目的设备。询问接入码被用于发现哪些蓝牙单元是在范围里。

头标36可能存在或者不存在。如果存在，则其有固定长度(例如54比特)。该头标包含控制字。有效成员地址(AM_ADDR)是唯一地识别网络中从单元的字。当主单元将从单元加入网络中时有效成员地址由主单元指派给从单元。全零AM_ADDR被保留用于广播目的。

有效负荷38或者载送收发信机控制信息或者载送话音/数据信息。有效负荷是可变长度的并且可能不存在。其最大不能超过例如2745比特。

询问过程使得一个单元能够发现哪些单元在范围内，以及其设备地址(BD_ADDR)和时钟值是什么。发现单元以不同的跳频发送询问消息(ID分组)。ID分组没有头标或者有效负荷。两个ID分组在每个时隙中被发送。该分组使询问接入码作为其接入码，以及所使用的跳频是从询问接入码确定的且对于被发送的每个分组不同。

接入过程是建立连接的寻呼过程。执行这个过程的单元变成微微网的主单元。主单元重复地在不同的跳频信道中发送从单元的设备接入码。一个没有头标或者有效负荷并且使目的地DAC作为其接入码的ID分组被发送。一连串等同的ID分组(每个时隙两个)被发送，每个都在不同的跳频上发送(参见1999年11月29日蓝牙基带规范v1.0B的图10.6和10.7)。主单元在每个发送时隙之后侦听响应。跳频序列由从单元的蓝牙地址(BD_ADDR)确定。主单元使用在询问过程期间接收的从单元的时钟的值来估计该序列的正确相位。

在连接状态中，主单元和从单元之间的连接已被建立并且分组可以被来回发送。这些分组将相同的信道接入码(从接入过程期间被提供的主单元的蓝牙设备地址BD_ADDR得到)和相同的跳频序列，信道跳跃序列(从接入过程期间被提供的主单元的蓝牙设备地址BD_ADDR得到)，用作接入码。

收发信机单元被同步到由主单元4确定并且关于图2被描述的通用时间帧。主单元的时钟和从单元的时钟间歇地被临时同步。偏移被加到从单元的本地时钟使得它与主单元时钟对应。但是，主和从时钟漂移开。主和从时钟之间的同步在从单元接收到每个分组的时候被维持。每个从单元有一个滑动相关器，其被设置来识别信道接入码里的同步字。当相关器到达阈值时触发信号被生成，其使该从时钟使用的偏移能够被调节，从而与主时钟保持同步。周期性的主单元发送被要求以便保持从单元与主单元同步。因为从单元仅需要信道接入码来与之同步，因此任何合适的分组都可以被使用。

每个无线电分组被发送的频率是根据主时钟利用发送时间从信道跳跃序列确定的。发送频率每625微秒发生改变(跳跃)。

当主单元在执行点对点通信(连接状态-有效模式)时被发送的无线电分组被定址到通过在下一个可用时隙发送无线电分组来应答主单元的特定收发信机。

参见图4，收发信机单元的示意说明被显示。只有下面解释收发信机单元和通信网如何操作所必需的那么多的功能块和相互连接在图中被显示。收发信机单元40包含多个功能元件，包括：天线46，接收机50，同步器52，头标解码器54，控制器60，具有存储器部分58来存储收发信机单元的BD_ADDR的存储器56，分组器42，时钟68，跳频控制器48以及发射机44。虽然这些元件被显示为单独的元件，但是它们可能实际上被集成在一起并且可在软件或硬件中被实现。

要在分组的有效负荷中由收发信机单元40发送的数据作为数据信号41被提供给分组器42。在分组的有效负荷中要被发送的控制信息在控制器60提供的有效负荷控制信号89中被提供给分组器42。分组器42还接收来自控制器60的接入码控制信号69和头标控制信号71，其分别控制被附带于有效负荷以便形成分组30的接入码34和头标36。分组器42将数据或者控制信息放在作为信号43被提供给发射机44的分组30中。发射机44根据信号43来调制载波以便生成被发送的信号45提供给天线46用于发送。载波的频率由传输频率控制信号47控制为一系列跳频之一，该传输频率控制信号47是由跳频控制器48提供给发射机44的。

天线46接收无线电信号51并且将其提供给接收机50，该接收机在由跳频控制器48提供的接收频率控制信号49的控制下解调无线电信号51来生成数字信号53。数字信号53被提供给同步器52，其将收发信机单元40同步到网络的时间帧。同步器被提供以接入码信号81，该接入码信号规定收发信机单元预期接收的分组的接入码。同步器接受那些具有对应于预期接入码的接入码的被接收的无线电分组并且拒绝那些具有不对应预期接入码的接入码的被接收的无线电分组。滑动相关被用于识别无线电分组中预期接入码的存在和开始。如果无线电分组被接受，则无线电分组被作为信号55提供给头标解码器54并且触发信号79被返回给控制器60，指示该分组已经被同步器52接受。触发信号79由从单元中的控制器使用来与主时钟同步。控制器将无线电分组被接收的时间与无线电分组预期被接收的时间相比较并且移动其定时来抵消此差异。这样的抵消可通过将存储器56中存储的偏移值以差异值改变来实现。头标解码器54对接收的分组中的头标解码并且将其作为头标信号75提供给控制器60。头标解码器54在由控制器60提供的有效负荷接受信号77使能时，生成包含无线电分组的剩余部分，即有效负荷38的数据输出信号57。

跳频控制器48循环通过一系列频率。传输频率控制信号47和接收频率控制信号49正常情况下是交替地控制发射机44和接收机50。当收发信机40作为主单元时，接收机50正常地能够在由序列的奇数值确定的频率上接收，而发射机正常地能够在由序列的偶数值确定的频率上发送。当收发信机作为从单元时，会是相反的情况。跳频控制器48接收来自控制器60的接入码控制信号69(还被提供给分组器42)和偏移信号67以及来自时钟68的表示时钟68中所持时间的时钟信号59。偏移信号67定义与时钟68中所持时间的偏移值。这个值可以是空。跳频控制器将时钟信号59和偏移信号67合并来仿真时钟中所持时间被通过来自时钟68的偏移信号67的值偏移。跳频控制器48循环通过的频率序列依赖于接入码控制信号69。循环中的位置依赖于仿真时间。当接入码控制信号69提供信道接入码时信道跳跃序列被定义。当接入码控制信号69提供设备接入码或者询问接入码时，不同的跳跃序列被定义。

存储器56有一部分58永久地存储收发信机单元40的BD_ADDR。存储器56的剩余部分可以由控制器60写入。如果收发信机单元40作为从单元起作用，则存储器56将额外地存储主单元的BD_ADDR、表示从单元的时钟和主单元的时钟之间的差异的偏移值以及网络中从单元的地址AM_ADDR。如果收发信机单元40作为主单元起作用，则存储器56将为参与到网络中的每个从单元额外地存储：BD_ADDR；表示主单元的时钟和该特定从单元的时钟之间的差异的偏移值以及唯一地识别网络中特定从单元的AM_ADDR。

蓝牙规范，修订版1.1，陈述了关于蓝牙从同步的下列方面：

“从单元的RX定时基于主单元到从单元的时隙期间最近成功的触发。[…]从单元应该能够接收分组并且只要定时器失配保持在±10μs不确定窗口中就调节RX定时。”

因此蓝牙模块厂商已经设计其蓝牙设备，使得其将静态的±10μs不确定窗口用于每个接收。这意味着如果主单元比从单元预期的提前超过10μs或者落后超过10μs发送，则从单元将不能接收这个分组并且将不能调节其时钟/定时到该接收的分组。因为主从收发信机使用允许漂移大约±20ppm的不同的本地时钟，因此这样的蓝牙从单元在可如下计算的时间t_conloss里没有接收到来自主单元的分组时可能(在最坏的情况下)会失去连接：

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

在主单元和从单元之间正常的活动连接期间，因为主单元必须在T_poll，缺省的是25ms的时间里轮询从单元，所以这个时间永远不会到达。但是，如果主单元被连接到一个或几个从单元并且试图通过进行查询或者寻呼而发现/连接到其它蓝牙设备，则这个连续的轮询在询问或寻呼进行的时间内，典型地5-10秒内，被打断。结果，非常可能的情况是：一旦主单元开始询问或寻呼，被连接到微微网上的所有从单元就将失去连接。

避免连接丢失的一种可能的解决方案是在开始寻呼或询问之前将所有活动连接设置到蓝牙保持模式。保持模式意味着主单元告诉每个从单元：它将在固定的一段时间(直至40秒)内停止轮询。在这段时间期间，主单元可以进行所要求的询问或寻呼。在固定时间到期后，主单元将重新开始所有从单元的轮询。和正常连接模式形成对比，保持模式定义：从单元应该在保持模式结束时，用一个如果需要则甚至可以是几毫秒的更大的不确定窗口来重新开始接收。因此保持模式能够避免连接丢失。

当在主单元侧为避免连接丢失问题而使用蓝牙保持模式时有几个缺点：

1)蓝牙规范不要求保持模式，因此其只是个可选的特征。这意味着在每种情况下连接丢失都不可避免，因为被连接到主单元上并且不支持保持模式的每个从单元将丢失该连接。

2)在有几个从单元被连接到主单元的情况下，将到所有从单元的所有连接设置成保持模式的过程非常复杂，因为必须对每个从单元连续地完成到保持模式的设置。这导致空中容量的浪费。

3)询问和寻呼都是长度不一定固定的过程。询问过程的长度有一个固定的最大值，但是可能依赖于从找到的设备返回的响应的数量(因此询问的持续可能比最大长度短得多)。寻呼过程的长度有固定的最大值，但是其依赖于要被寻呼的设备的蓝牙时钟值以及依赖于空中接口上的失真(失真越严重，就可能进行更长时间的寻呼)。结果，保持模式的长度必须被选择以使得其超过询问/寻呼的最大长度。在询问/寻呼所用时间比这个最大时间短的情况下，主单元在重新开始轮询被连接的从单元之前仍必须等待，直到保持模式结束。这导致空中容量的浪费。

因此想要通过在不遭受与保持模式有关的缺点的情况下防止被连接的从单元丢失同步，来改善蓝牙设备的询问/寻呼过程。

本发明的实施方案通过甚至在进行询问或寻呼的同时仍轮询所有从单元来避免使用保持模式(以及上述的所有缺点)。人们可能将本发明认做为不利的，因为在寻呼或询问期间轮询打扰了询问和寻呼，因此导致在询问期间在设备被找到之前需要更长的时间/当寻呼时在设备得到连接之前需要更长时间。但是，发明人明白即使理论上这个负面影响存在，它对于用户也没有实际的后果，因为用和不用本发明的询问/寻呼之间的差别是具有统计特性的(所有询问/寻呼的百分之一需要更长时间)并且对于用户根本不可见。

根据本发明的第一个方面提供了如权利要求1所要求的低功率射频收发信机。

根据本发明的第二个方面提供了一种如权利要求10所要求的在通信的低功率射频收发信机的网络中保持同步的方法。

根据本发明的另一个方面，提供了如权利要求11所要求的用于数据的存储介质。本发明的实施方案涉及蓝牙规范1.1B中定义的已有询问和寻呼过程的适配并且因此可通过已有的低功率射频收发信机的适配来被实现。因为已有的低功率射频收发信机主要是软件控制的，因此它们可通过利用存储在权利要求11所要求的存储介质上的计算机代码来更新控制软件，而进行调整。该存储介质可以是例如，软盘、CD-ROM、DVD、半导体存储器或者永久地或暂时地存储数据的任何计算机程序产品。

为了更好地理解本发明以及理解本发明可如何被实现，仅以示例方式来参考下列附图：

图1说明无线电网络；

图2说明网络中分组传输和接收的定时；

图3说明在网络中发送的分组；

图4更详细地说明收发信机单元；

图5a和5b说明根据本发明的实施方案对寻呼过程做的修改；以及

图6a和6b说明根据本发明的实施方案对询问过程做的修改。

本发明涉及当作为主单元运行时蓝牙收发信机的改进。主单元即使在进行询问或寻呼时仍继续轮询所有被连接的从单元。

为了不过多打扰询问/寻呼，使用典型类型的轮询：

1)  不依赖于T_poll(轮询几乎不可能被完成，只是用于保持从单元)

2)  仅使用短的单个时隙分组

3)  仅用一个分组到达所有被连接的从单元

4)  在随后的从到主时隙中不允许被轮询的从单元返回分组。

这样做，则特殊的轮询(被称为“援救信标(rescue beacon)”)消耗尽可能少的空中容量。

对于援救信标，下列项被选择：

1)  每125毫秒完成轮询(不依赖于T_poll)

2)  蓝牙NULL(空)分组被使用。其仅消耗一个蓝牙时隙(625μs)。还可能使用ID分组(仅消耗312.5μs半时隙)，但是有些厂商并不仅使其从单元同步于接收的蓝牙接入码，还要求合法的分组头标。只有当合法的分组头标被接收时，它们才能使它们的从时钟与接收的分组同步。因此NULL分组是更好的解决方案。

3)  除此之外，分组头标中的AM_ADDR域被设置为000二进制，意味着这个分组是同时寻址所有从单元的广播分组。

4)  蓝牙规范禁止从单元对蓝牙NULL分组进行应答。

如蓝牙规范版本1.0B中定义的NULL分组是没有有效负荷的分组并且因此仅由信道接入码和分组头标组成，其总(固定)长度是126比特，且NULL分组自己不需要被确认。

用于寻呼的援救信标实现

图5a说明在执行寻呼过程时作为微微网的主单元的蓝牙设备的操作。主单元在交替时隙中发送和接收。其在时隙N、N+2、N+4…中发送并且在时隙N+1、N+3、N+5…中接收。在寻呼过程中，主单元每个时隙发送两个ID分组。ID分组将被寻呼的从单元的设备接入码(DAC)作为其接入码并且其没有头标或有效负荷。ID分组被发送的频率依赖于由被寻呼的从单元的蓝牙地址(BD_ADDR)确定的跳频序列。这个跳频序列是f(k)、f(k+1)、f(k+2)、f(k+3)、f(k+4)、f(k+5)…。在时隙N中，第一个ID分组以频率f(k)被发送并且第二个ID分组在时隙N中以频率f(k+1)被发送。

图5b说明如何根据本发明的实施方案来调整寻呼过程。时隙N+2现在被援救信标占用。这个援救信标替代在没有本发明的情况下在时隙N+2中被发送的两个ID分组。寻呼序列在其它方面不受影响。援救信标根据本发明的优选实施方案是NULL分组(一个不太希望的替代是ID分组)。援救信标被发送的频率是根据信道跳跃序列而被确定的，该信道跳跃序列依赖于主收发信机的蓝牙设备地址(BD_ADDR)以及由主时钟确定的序列里的相位。信道跳频序列可被定义为g(i)，其中i是整数。在图5b的例子中，在时隙N+2处，蓝牙时钟的相位由m给出，且因此援救信标被发送的频率由g(m)表示。NULL分组将由主单元的蓝牙设备地址导出的信道接入码作为其接入码并且有指示该分组是广播信标的分组头标(也就是AM_ADDR被设置为000二进制)。

在图5b的例子中，N+2时隙包含援救信标，因为其是从寻呼过程的开始起125毫秒或者从援救信标的最后一次发送起125毫秒。因此应该理解在时隙N+2之后125毫秒的时隙N+X中，另一个援救信标将被发送。这个援救信标将是与前一个援救信标等同的NULL分组，但是它将具有不同的传输频率，该传输频率是从相同的信道跳跃序列选择、但是由在传输时间处的蓝牙主时钟的相位确定的。除了通过每125毫秒用援救信标替换一对ID分组进行的一串寻呼消息的插入外，寻呼过程在其它方面不受影响。

参见图4，根据本发明的实施方案，控制器60被调整以便在正确的时间插入援救信标(在正确的信道跳频处具有信道接入码的NULL分组)。控制器使用头标控制信号71来将正确的广播地址插入NULL分组的头标并且该接入码控制信号69提供信道接入码作为NULL分组的接入码。因此当该串寻呼消息要被援救信标插入时，该接入码控制信号69从被寻呼的从单元的设备接入码改变为信道接入码。接入码控制信号69的这个改变还影响使用的跳频序列的改变。因此频率控制器48将切换到使用信道跳跃序列。序列中的相位在没有使用偏移的情况下由来自时钟68的时钟信号59确定。

在优选实施方案中，援救信标在寻呼过程开始之后125毫秒被发送并且然后在寻呼过程期间在此后的每125毫秒发送一次。

如果蓝牙设备不是网络的主单元，也就是没有已经存在的从收发信机，则因为没有被连接的从单元，所以在进行寻呼过程时该设备将不实现本发明。

用于询问的援救信标实现

图6a说明当主收发信机进行询问过程时主收发信机的操作。可以看到该过程非常类似于寻呼过程。差别在于所使用的ID分组有不同的接入码并且其中使用的信道跳跃序列不同，正如由跳跃序列f’(k)、f’(k+1)表示的。另一个区别是该设备预期接收FHS分组而不是ID分组。

蓝牙FHS分组的下面描述取自“蓝牙系统规范，1.1版；2001年2月22日；4.4.1.4节：“FHS分组尤其是揭示蓝牙设备地址和发送者时钟的专用控制分组。有效负荷包含144个信息比特加上16比特的CRC代码。有效负荷用比率2/3FEC编码，其使得总的有效负荷长度达到240比特。FHS分组覆盖单一时隙。

FHS分组通常被用于寻呼主单元响应、询问响应并且用于主从单元切换。在寻呼主单元响应或主从单元切换中，该FHS分组被重新发送，直到它的接收被确认或者已经超时为止。在询问响应中，FHS分组没有被确认。FHS分组包含实时时钟信息。这个时钟信息在每次重新发送之前被更新。因此FHS有效负荷的重新发送多少有些不同于普通数据有效负荷的重新发送，其中相同的有效负荷被用于每次重新发送。在微微网信道已经被建立之前，或者当已有微微网改变成一个新的微微网时，FHS分组被用于跳频同步。在前一种情况下，接收者还没有被指配一个有效成员地址，在这种情况下FHS分组头标中的AM_ADDR域被设置为全零；但是，FHS分组不应该被认为是广播分组。在后一种情况下从单元已经具有在已有微微网中的AM_ADDR，然后该AM_ADDR被用于FHS分组头标中。”

图6b说明本发明的实施方案如何在询问模式期间被实现。

在询问过程中被发送的该串ID分组以与图6b中所说明的寻呼过程一样的方式被插入。用于插入的过程与图5b有关的描述等同。现在时隙N+2被援救信标占用。这个援救信标替代在没有本发明的情况下将在时隙N+2中被发送的两个ID分组。该询问序列在其它方面不受影响。根据本发明的优选实施方案的援救信标是NULL分组(一个不太希望的替代将是ID分组)。援救信标被发送的频率根据依赖于主收发信机的蓝牙设备地址(BD_ADDR)以及由主时钟确定的序列内的相位的信道跳跃序列被确定。

虽然本发明已经参考各种例子在前面的章节中被描述，但是应该理解在不违背所要求的本发明范围的情况下可以对给定例子作出修改和变化。

Claims (11)

1.一种被安排来形成通信的低功率射频收发信机的网络的低功率射频收发信机，包括：

用于发送数据分组的发射机；以及

用于控制发射机向该收发信机网络外部发送一系列第一种类型的消息的装置，其特征在于，用于以第二种类型的消息插入该系列第一种类型的消息以维持同步的装置，该第二中类型的消息被在收发信机的网络里发送。

2.如权利要求1所述的低功率射频收发信机，其被安排成作为各从收发信机的无线电网的主单元运行。

3.如前面任一权利要求所述的低功率射频收发信机，其中收发信机的网络使用第一跳频序列。

4.如权利要求3所述的低功率射频收发信机，其中向该收发信机网络外部发送的第一种类型的消息是利用第二跳频序列被发送的。

5.如前面任一权利要求所述的低功率射频收发信机，其中第二种类型的消息被广播。

6.如前面任一权利要求所述的低功率射频收发信机，其中用于插入的装置周期性地用第二种类型的消息插入该系列的第一种类型的消息。

7.如前面任一权利要求所述的低功率射频收发信机，其中第二种类型的消息不从网络中任何一个收发信机发起响应。

8.如前面任一权利要求所述的低功率射频收发信机，其中第二种类型的消息包含一个依赖于该发送低功率射频收发信机的身份的同步字。

9.如前面任一权利要求所述的低功率射频收发信机，其中第二种类型的消息以依赖于该发送低功率射频收发信机的身份的频率被发送。

10.一种在通信的低功率射频收发信机的网络中维持同步的方法，该网络包含主收发信机以及至少一个从收发信机，该方法的特征在于以下步骤：

用在发送收发信机的网络里发送的第二种类型的消息插入由该主收发信机向收发信机的网络外部发送的一系列第一种类型的消息，用于维持同步。

11.一种用于数据的存储介质，包含计算机代码，用于在低功率射频收发信机中提供用于用第二种类型的消息来插入一系列的第一种类型消息的传输的装置，该第一种类型的消息包含不依赖于低功率射频收发信机的身份的第一同步字，该第二种类型的消息包含依赖于低功率射频收发信机的身份的同步字。

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