DE112004001869T5

DE112004001869T5 - Synchronisierungs-Burst zur Frequenzversatzkompensation

Info

Publication number: DE112004001869T5
Application number: DE112004001869T
Authority: DE
Inventors: Paul E. West Palm Beach Gorday; Edgar Herbert Jr. Boca Raton Callaway; Frederick L. Plantation Martin; David B. Plantation Taubenheim
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-08-10
Also published as: US20050074036A1; KR20060073637A; US7277457B2; WO2005034409A3; WO2005034409A2; KR100729169B1

Abstract

Verfahren zur Kompensation eines Frequenzversatzes zwischen einem ersten Sende-/Empfangsgerät und einem zweiten Sende-/Empfangsgerät, wobei das erste Sende-/Empfangsgerät und das zweite Sende-/Empfangsgerät kommunizieren, um Datenpakete auszutauschen, wobei das Verfahren umfasst:
Senden einer Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts von dem ersten Sende-/Empfangsgerät;
Empfangen wenigstens eines aus der Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts am zweiten Sende-/Empfangsgerät;
Einstellen der Betriebsfrequenz des zweiten Sende-/Empfangsgerätes zur Anpassung an die Frequenz des ersten Sende-/Empfangsgerätes, basierend auf wenigstens einem aus der Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts; und
Austauschen von einem oder mehreren Datenpakten zwischen dem ersten und dem zweiten Sende-/Empfangsgerät.

Description

Diese Erfindung wurde gemacht mit Unterstützung der Regierung der Vereinigten Staaten gem. Abkommen Nummer N66001-03-1-8901, gewährt von DARPA. Die Regierung der Vereinigten Staaten hat gewisse Rechte an der Erfindung. Jegliche Ansichten, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen, die in dieser Anmeldung ausgedrückt sind, sind diejenigen der Autoren und reflektieren nicht notwendigerweise die Sicht des Naval Warfare System Center.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Kommunikationssysteme. Insbesondere stellt die Erfindung ein Verfahren und ein System zur Frequenzversatzkompensation in drahtlosen Kommunikationssystemen zur Verfügung. Die Erfindung kann auf drahtgebundene Systeme, die Bandpasskommunikationen einsetzen, ausgeweitet werden.
Hintergrund der Erfindung
Während der vergangenen Jahrzehnte gab es signifikante Fortschritte auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation. Die Drahtlostechnologie hat Anwendung gefunden in einer Vielfalt von Gebieten wie Telefonie, Steuerung von Industriegeräten, Unterhaltung und vieles mehr. Einige übliche Beispiele drahtloser Kommunikationssysteme umfassen Mobiltelefone, schnurlose Telefone, Pager und drahtlose LANs.
Drahtlose Kommunikationssysteme setzen typischerweise die Verwendung von Sendern und Empfängern zur Versendung bzw. zum Empfang von Datensignalen ein. Die Datensignale sind in eine Trägerwelle eingebettet. Die Trägerwelle ist typischerweise eine sinusartige Welle, deren Schwingungsfrequenz als Trägerfrequenz bezeichnet wird. Die Trägerfrequenz wird am Senderende gemäß bestimmten Eigenschaften des Datensignals moduliert. Während der Modulation wird eine bestimmte Eigenschaft, wie etwa Amplitude oder Frequenz, der Trägerwelle gemäß dem Datensignal variiert. Die Trägerwelle, die unter Verwendung der Datensignale moduliert ist, wird als modulierte Trägerwelle bezeichnet. Die modulierte Trägerwelle wird am Empfängerende demoduliert, um die Originaldatensignale wieder herzustellen. Die Datensignale werden daher zwischen dem Sender und dem Empfänger ausgetauscht.
Für einen effektiven Austausch von Datensignalen in einem drahtlosen Kommunikationssystem ist es zwingend erforderlich, dass sowohl der Sender als auch der Empfänger bei derselben Trägerfrequenz arbeiten. Die Frequenzkonsistenz wird durch Verwendung von Frequenzreferenzen in Geräten wie etwa Sendern und Empfängern sichergestellt. Eine Frequenzreferenz ist ein Oszillator, der eine Standardfrequenz erzeugt, von der die Arbeitsfrequenzen des Empfängers und des Senders abgeleitet werden. Typischerweise wird eine Frequenzreferenz unter Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls implementiert. Andere Typen von Frequenzreferenzen, einschließlich solcher, die aus integrierten Schaltkreiselementen, wie etwa Widerständen, Induktoren und Kondensatoren konstruiert sind, tendieren dazu, weniger genau und weniger teuer zu sein als kristallbasierte Referenzen. Im Allgemeinen sind die Referenzelemente im Sender und im Empfänger unterschiedlich und erzeugen leicht unterschiedliche Frequenzen. Selbst wenn die Sender- und die Empfänger-Referenzelemente von ähnlichem Design sind, können Sie aufgrund von Herstellungsvariationen und Umweltfaktoren, wie etwa Temperatur, Vibration und Alterung, unterschiedliche Frequenzen erzeugen oder mit der Zeit variieren. Dies führt zu einer Unstimmigkeit zwischen den Trägerfrequenzen, bei denen der Sender und der Empfänger arbeiten. Diese Unstimmigkeit wird als Frequenzversatz bezeichnet. Der Frequenzversatz zwischen dem Sender und dem Empfänger ist ein wesentliches Hindernis beim Erreichen effizienten Austauschs von Datensignalen zwischen den beiden Geräten. Der Frequenzversatz muss kompensiert werden, um die Qualität der Drahtloskommunikation zu verbessern.
Die Verwendung von Kristallfrequenzreferenzen sowohl am Sender- als auch Empfängerende stellte eine adäquate technische Lösung des Problems der Steuerung des Frequenzversatzes dar. Die große Größe und die hohen Kosten piezoelektrischer Kristalle sind jedoch unerwünscht. Die hohen Kosten der Frequenzreferenz ist eine Limitierung insbesondere bei niederpreisiger, batteriebetriebener Kommunikationsausstattung, die für Sensor- und logistische Anwendungen ausgelegt ist.
Es existieren eine Anzahl von Techniken, die sich mit dem Frequenzversatz bei der drahtlosen Kommunikation beschäftigen. Bei einer bekannten Technik wird eine anfängliche Frequenzabschätzung unter Verwendung eines zeitlichen Mittelwertes von entweder Phasen- oder Korrelations-Samples einer Datenpaketpräambel erzielt, wobei das Datenpaket eine Zusammenstellung einer festgelegten Anzahl von Datenbits ist. Dieses Verfahren schätzt auch die Frequenz während der Übertragung des eigentlichen Datenpaketes ab. Es wird daher ein Schätzwert des Frequenzversatzes erreicht.
Eine andere bekannte Technik lehrt ein Verfahren zum automatischen Korrigieren der Frequenz am Empfänger, um den Frequenzversatz während des Austauschs von Datenbits zu Null zu machen. Der Frequenzversatz wird unter Verwendung einer Trainingssequenz abgeschätzt. Der Empfänger hat Kenntnis von der Trainingsfrequenz, jedoch nicht von den Datenbits. Die Frequenzkorrektur wird durch Rückrotation der empfangenen Datenbits um den Frequenzversatz-Schatzwert erreicht. Die Trainingsfrequenz wird ebenso um den Frequenzversatz-Schätzwert rückrotiert. Ein zweiter Schätzwert des Frequenzversatzes wird durch Verwendung der Frequenzkorrekturen der Datenbits sowie der Trainingssequenz er reicht. Der zweite Frequenzversatz-Schätzwert wird verwendet, um die Frequenzen der Datensymbole weiter zu korrigieren.
Es ist auch eine Vorrichtung zur automatischen Frequenzkompensation bekannt. Diese Vorrichtung bestimmt eine Korrelation zwischen einem Basisbandsignal und einem vorbestimmten Signal. Das Basisbandsignal ist das aktuelle Datensignal, welches übertragen wird. Wenn die Korrelation einen Referenzwert überschreitet, wendet die Vorrichtung die Frequenzversatz-Kompensation auf das Basisband an. Nach der Frequenzversatz-Kompensation wird ein Entzerrer verwendet. Der Frequenzversatz kann weiter unter Verwendung der Ausgabe des Entzerrers vorhergesagt werden. Die Vorhersage wird auch während der Trainingsperiode angewendet, wenn die Korrelation den Referenzwert überschreitet.
Während sich die oben zitierten Techniken und die Vorrichtung mit dem Frequenzversatzproblem beschäftigen, erfordern die in diesen Publikationen beschriebenen Empfänger eine große Bandbreite. Das Erfordernis einer großen Bandbreite besteht, weil die Empfänger das empfangene Signal und auch einen Bereich von Versatzfrequenzen verarbeiten müssen. Dies führt zu einer unerwünschten Verringerung der Empfängerempfindlichkeit.
Es gibt auch andere Verfahren zum Erreichen einer Frequenzversatzkompensation. Beispielsweise kann beim Direktsequenz-Spreizspektrum- (DSSS-: Direct Sequence Spread Spectrum) Modulationstyp eine Differenzchiperkennung (DCD: Differential Chip Detection) den Frequenzversatz in der Größenordnung von 10 bis 30 Prozent der Chip-Rate verringern. DSSS ist eine Modulationstechnik, die eine digitale Codesequenz mit einer codierten Bitrate, oder Chip-Rate, verwendet, die viel größer ist als die Bitrate des Informationssignals. Digitale Signale werden als eine Zusammenstellung einer Anzahl von Datenbits gesendet. Jedes Datenbit besteht aus einer Anzahl von Code-Bits oder Chips. Bei DCD wird jeder Chip unterschiedlich im Hinblick auf den vorangehenden Chip verarbeitet. Der Frequenzversatz kann auf ein bestimmtes Ausmaß verringert werden, weil die Zeitdifferenz zwischen den Chips kurz ist. Obgleich diese Technik beim Abwägen der Frequenzversatztoleranz gegen die Empfängerempfindlichkeit effizienter ist als andere Techniken gibt es einen Nachteil bei der Bandbreite des Spreizsignals, die angewendet werden muss, um einen gegebenen Frequenzversatzbetrag zu reduzieren. Weiter wird die Signalbandbreite oft aus regulatorischen Überlegungen beschränkt. Diese Technik ist daher in ihrer Effizienz zur Verringerung des Frequenzversatzes durch die verfügbare Bandbreite des Signals beschränkt. Die früheren Chipraten implizieren auch eine erhöhte Leistung und Komplexität, was bei niederpreisiger, batteriebetriebener Kommunikationshardware unerwünscht ist.
Aus der obigen Diskussion wird offensichtlich, dass ein Bedarf besteht nach einer Technik, die große Frequenzversätze kompensiert, während die Verringerung der Empfängerempfindlichkeit minimiert wird. Die Technik sollte den Energieverbrauch und die Komplexität des Empfängers und des Senders minimieren. Die Technik sollte den Frequenzversatz verringern, sollte aber nicht die Größe und Kosten von Empfänger und Sender erhöhen.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein System zum Kompensieren des Frequenzversatzes zwischen einem Sender und einem Empfänger zur Verfügung. Der Sender und der Empfänger kommunizieren, um Datenpakete auszutauschen. Das Verfahren enthält die Versendung einer Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts durch den Sender. Jeder Burst wird mit einem bekannten Frequenzversatz von der Trägerfrequenz, mit der die Datenpakete versendet werden, versendet. Der Burst enthält Information, die seinen Frequenzversatz gegenüber den folgenden Datenpaketen anzeigt. Der Empfänger empfängt wenigstens einen der Frequenzsynchronisierungs-Bursts. Der Empfänger stellt seine Frequenz ein, um sich an die Sendefrequenz der Datenpakete anzupassen. Danach kann der Empfänger zu einem niederenergetischen Schlafmodus umschalten bis zum Beginn der Versendung der Datenpakete. Der Empfänger schaltet gerade vor der Versendung der Datenpakete von dem Sender in den aktiven Modus zurück. Der Empfänger empfängt die Datenpakete bei der eingestellten Frequenz des Empfängers. Der Frequenzversatz zwischen dem Sender und dem Empfänger wird daher verringert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sollen nachfolgend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, die zur Verfügung gestellt werden, um die Erfindung zu illustrieren und nicht, um sie zu limi tieren, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
1 ein Blockdiagramm ist, welches die vorliegende Erfindung repräsentiert;
2 ein Blockdiagramm eines Sende-/Empfangsgerätes mit einem Einzelanwendungsgerät ist;
3 ein Blockdiagramm eines Senders ist;
4 ein Blockdiagramm eines Empfängers ist;
5 ein Flussdiagramm ist, welches die verschiedenen Schritte der vorliegenden Erfindung illustriert;
6 ein mögliches Frequenzsynchronisierungs-Burstformat für den IEEE 802.15.4-Standard zeigt.
7 ein monotones Sendemuster der Frequenzsynchronisierungs-Bursts in einer IEEE 802.15.4-Umgebung zeigt;
8 ein konvergierendes Sendemuster der Frequenzsynchronisierungs-Bursts zeigt;
9 ein divergierendes Sendemuster der Frequenzsynchronisierungs-Bursts zeigt; und
10 ein Einzelfrequenz-Sendemuster der Frequenzsynchronisierungs-Bursts zeigt.
Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
Der Bequemlichkeit halber werden die in der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen verwendeten Ausdrücke nachfolgend definiert. Man sollte beachten, dass diese Definitionen allein dazu gegeben werden, das Verständnis der Beschreibung zu unterstützen und dass sie in keiner Weise den Umfang der Erfindung limitieren sollen.
Frequenzversatz: Die Differenz zwischen den Trägerfrequenzen, bei denen ein Sender und ein Empfänger operieren, um untereinander Daten auszutauschen, wird Frequenzversatz genannt.
Frequenzreferenz: Ein Oszillator, der eine Standardfrequenz zum Betrieb in einem Gerät erzeugt, wird als Frequenzreferenz bezeichnet.
Zeit- und Frequenzposition: Die relative Position in Zeit und Frequenz eines Frequenzsynchronisierungs-Bursts im Vergleich zu Datenpaketen, die zwischen Geräten versendet und empfangen werden, wird als Zeit-/Frequenzposition dieses Bursts bezeichnet.
Empfängerbetriebsfrequenz: Die Trägerfrequenz, bei der der Empfänger versucht, die gesendete Trägerwelle zu empfangen, wird als Empfängerbetriebsfrequenz bezeichnet. Dies ist der vom Empfänger erwartete Wert der Senderträgerfrequenz.
Integrierte Schaltkreisfrequenzreferenz: Die Frequenzreferenz, die auf integrierter Schaltkreistechnologie basiert, wird als integrierte Schaltkreisfrequenzreferenz bezeichnet.
Kristallbasierte Frequenzreferenz: Die Frequenzreferenz, die einen piezoelektrischen Kristall zur Erzeugung einer Standardfrequenz verwendet, wird als kristallbasierte Frequenzreferenz bezeichnet.
Trägerfrequenz: Die Frequenz der Trägerwelle, die verwendet wird, um Daten von einer Vorrichtung zu einer anderen zu senden, wird als Trägerfrequenz bezeichnet. Die Trägerwelle wird unter Verwendung der zu versendenden Daten moduliert.
Datenpaket: Bei der Datenkommunikation wird eine Folge binärer Bits, einschließlich Daten- und Steuersignale, die als zusammengesetztes Ganzes versendet wird, als Datenpaket bezeichnet.
DSSS: Direktsequenz-Spreizspektrum (DSSS) ist eine Signalmodulationstechnik, bei der das Datensignal vor der Trägerwellenmodulation mit einer oder mehreren pseudozufälligen Frequenzen modifiziert wird.
Frequenzstabilität: Die Invariabilität der Frequenz eines Signals in der Zeit unter Einfluss externer Faktoren wird als Frequenzstabilität bezeichnet.
Frequenzsynchronisierungs-Burst (FSB: Frequency Synchronization Burst). Ein FSB ist ein von dem Sender erzeugtes Signal, welches dem Empfänger beim Einstellen der korrekten Frequenz hilft. Die FSBs werden versendet, bevor die Versendung der Datenpakete beginnt.
FSB-Identifikationsummer: Eine Nummer die jeden FSB eindeutig identifiziert und die von dem Empfänger verwendet werden kann, um die relative Position des FSB in Zeit und Frequenz im Vergleich zu den Datenpaketen abzuleiten.
Senderidentifikationsnummer: Eine Nummer oder ein Code, der das Gerät, welches einen FSB oder ein Datenpaket eindeutig identifiziert.
Empfängeridentifikationsnummer: Eine Nummer oder ein Code, der das Gerät, an das ein FSB oder ein Datenpaket gerichtet ist, eindeutig identifiziert.
Sendemuster der FSBs: Die Weise, in der FSBs über einen Frequenzbereich und eine Zeitdauer gespreizt werden, wird als Sendemuster der FSBs bezeichnet.
Niederenergetischer Schlafmodus: Ein Modus des Gerätebetriebs bei dem der Empfänger oder der Sender nicht voll aktiv ist. Manche Schaltungen können aktiv sein, z.B. solche die erforderlich sind für das Timing und die Aufrechterhaltung der Frequenzstabilität. Die meisten wesentlichen Schaltungen zum Senden oder Empfangen von Daten sind jedoch abgeschaltet, um den Energieverbrauch zu minimieren.
Aktiver Modus: Der normale Modus, in dem ein Gerät Daten sendet oder empfängt, der üblicherweise erfordert, dass die gesamte zur Versendung oder zum Empfang gehörige Schaltung angeschaltet ist.
Baken: Periodische Paketversendungen, die von einem Netzwerkkoordinator verwendet werden, um die Mitglieder eines Netzwerkes zu synchronisieren, werden Baken genannt. Bei Netzwerken ohne Netzwerkkoordinatoren können individuelle Mitglieder periodisch Baken zur Identifizierung und möglichen Kommunikation mit irgendwelchen Geräten, die Zuhören können, senden.
Bakenperiode: Das Zeitintervall zwischen der Versendung zweier aufeinander folgender Baken wird als Bakenperiode bezeichnet. Die Bakenperiode wird hier auch als Tb bezeichnet.
Initiierendes Gerät: Ein Gerät, welches den Austausch von Datenpaketen in einem Kommunikationssystem mit vielen Geräten initiiert, wird als ein initiierendes Gerät bezeichnet.
IEEE 802.15.4: Dies ist ein Satz von Standards, der vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.15 Arbeitsgruppe 4 (TG4) aufgestellt wurde. Der IEEE 802.15.4-Standard bezieht sich auf Lösungen für drahtlose Netzwerke mit geringer Datenrate, niedriger Leistung und geringer Komplexität.
Zigbee: Zigbee ist ein gemeinnütziges Industriekonsortium, welches Halbleiterhersteller, Technologielieferanten, OEMs und Endbenutzer umfasst. Die Zigbee-Mitglieder definieren globale Standards für kostengünstige und leistungsschwache Drahtlos-Anwendungen.
Netzwerkkoordinator: Ein bestimmtes Gerät, welches Zugriff oder Betriebsverhalten anderer Geräte in einem Kommunikationsnetzwerk steuert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein System zur Frequenzversatzkompensation in drahtlosen Kommunikationssystemen zur Verfügung. 1 ist ein Blockdiagramm, welches die vorliegende Erfindung repräsentiert. Bei einer Ausführungsform der Erfindung tauschen Sende-/Empfangsgeräte 102 und 104 Daten über ein drahtloses Medium aus. Anwendungsgeräte 106, 108, 110, 112 repräsentieren anderer Geräte, die in den Datenaustausch mit den Sende-/Empfangsgeräten 102 und 104 einbezogen sind. Die Anwendungsgeräte sind Geräte, die Daten zur Verfügung stellen, die von dem Sende-/Empfangsgerät gesendet werden sollen, oder die auf Daten antworten, die von dem Sende-/Empfangsgerät empfangen werden. Beispiele für Anwendungsgeräte, die Daten liefern, die versendet werden sollen, umfassen drahtlose Sensoren, Automatisierungsgeräte, Fernsteuerungen, Speicher für gespeicherte Information und dergleichen. Außerdem können Anwendungsgeräte Aktuatoren oder Benutzerschnittstellengeräte umfassen, die Bestätigungen oder Datenanforderungen senden. Die drahtlosen Sensoren und Automatisierungsgeräte empfangen und antworten auf Anfragen nach Information, wobei der Speicher eine Adresse empfängt und mit den an dieser Adresse vorliegenden Daten antwortet.
Die Anwendungsgeräte sind mit den Sende-/Empfangsgeräten über Schnittstellen 114 verbunden, die in einer Vielzahl von Wegen, wie etwa einen seriellen Bus, einem parallelen Bus oder eine drahtlose Verbindung implementiert sein können.
Obgleich 1 eine Zwei-Wege-Verbindung zwischen Sende-/Empfangsgeräten zeigt, die erfindungsgemäß arbeiten, kann eine alternative Ausführungsform ein Nur-Empfangsgerät oder Empfänger und ein Nur-Sendegerät oder Sender enthalten. Der Sender und der Empfänger können an einer Einwege-Verbindung mit dem Sender, der Datenpakete sendet, und dem Empfänger, der sie empfängt, teilnehmen. Ebenso gilt, dass, obgleich 1 eine einfache Verbindung zwischen zwei Sende-/Empfangsgeräten 102 beschreibt, ein extensiveres Netzwerk konstruiert werden könnte, welches mehr als zwei Geräte einbezieht.
2 ist ein Blockdiagramm eines Sende-/Empfangsgerätes 102 mit einem Einzelanwendungsgerät 106 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Anwendungsgerät ist mit einem Controller 202 gekoppelt. Der Controller 202 ist seinerseits mit einem Empfänger 206 und einem Sender 204 gekoppelt. Der Sender 204 und der Empfänger 206 sind mit einem Schnittstellenport 208 gekoppelt, der eine Antenne sein kann. Der Sender 204 und der Empfänger 206 sind auch mit einer Frequenzreferenz 210 gekoppelt, die die Erzeugung einer festen Referenzfrequenz erleichtert, von der die Senderträgerfrequenz und die Empfängerbetriebsfrequenz erzeugt werden. Der Controller 202, der als ein Mikroprozessor implementiert sein kann, kann mehrere Funktionen ausführen. Wenn das Sende-/Empfangsgerät 102 als ein Sender arbeitet, kann der Controller 202 Format- und Codeinformation von dem Anwendungsgerät her empfangen. Der Controller 202 kann ein Paket, einen Paket-Header und einen Synchronisierungs-Burst bilden. Darüber hinaus kann der Controller 202 einem zu sendenden Signal eine Trägerfrequenz zuweisen und das Timing und den Energieverbrauch des Sende-/Empfangsgerätes 102 verwalten. Wenn das Sende-/Empfangsgerät 102 als Empfänger arbeitet, kann der Controller 202 dem Empfänger 206 eine Betriebsfrequenz zuweisen, die empfangenen Pakete decodieren, Information an das Anwendungsgerät senden und das Timing und den Energieverbrauch des Sende-/Empfangsgerätes 102 verwalten. Das Sende-/Empfangsgerät 102 kann als ein DSSS- (Direct Sequence Spread Spectrum) Empfangsgerät oder als ein anderes bekanntes Drahtlosempfangsgerät implementiert sein. Das Sende-/Empfangsgerät 102 kann auch als ein DSSS-Sender oder ein anderer bekannter Drahtlossender implementiert sein.
3 ist ein Blockdiagramm des Senders 204 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sender 204 besteht aus einem Frequenzgenerator 302, einem Modulator 304 und einem Versendungsgerät 306. Der Sender 204 arbeitet durch Modulation und Versendung von Datensignalen, die von dem Controller 202 her empfangen werden. Die Modulation kann unter Verwendung irgendeiner im Stand der Technik bekannten Modulationstechnik erfolgen, wie etwa BPSK (Bipolar Phase Shift Keying: bipolare Phasenverschiebungsverschlüsselung). Die auf den Modulator 304 angewendete Trägerfrequenz wird von der Frequenzreferenz 210 abgeleitet. Die Frequenzreferenz 210 liefert eine Festfrequenzeingabe in den Frequenzgenerator 302. Der Frequenzgenerator 302, der ein PLL-(Phase-Locked-Loop) Frequenzsynthetisierer sein kann, erzeugt eine Trägerfrequenz aus einer Mehrzahl möglicher Frequenzen. Der Controller 202 programmiert die Frequenz des von dem Frequenzgenerator 302 erzeugten Signals über Signale, die vom Controller 202 und vom Frequenzgenerator 302 her eingekoppelt werden. Die von dem Frequenzgenerator 302 erzeugte Trägerfrequenz wird auf den Modulator 304 angewendet. Die Ausgabe des Modulators 304 wird auf einen Leistungsverstärker im Versendegerät 306 angewendet. Die Ausgabe des Leistungsverstärkers wird mit einem Funkschnittstellen-Port, wie etwa einer Antenne, gekoppelt, um eine drahtlose Versendung des Datensignals zu bewirken.
4 ist ein Blockdiagramm des Empfängers 206 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Empfänger 206 umfasst eine Empfangsvorrichtung 402, einen Paketwiederherstellungs- und Timing-Block 404 und einen Frequenzgenerator 406. Die Empfangsvorrichtung 402, die typischerweise einen Verstärker und einen Mischer umfasst, empfängt verschiedene Datenpakete und FSBs. Die an der Empfangsvorrichtung 402 empfangenen Signale werden verstärkt und von der Trägerfrequenz zu einer niedrigeren Zwischenfrequenz (IF) frequenzverschoben. Die Frequenzverschiebung wird erreicht, indem ein Signal eines lokalen Oszillators (LO) mit dem empfangenen Signal kombiniert wird. Das LO-Signal wird von der Frequenzreferenz 210 abgeleitet. Die Frequenzreferenz 210 liefert eine Festfrequenzeingabe in den Frequenzgenerator 406. Der Frequenzgenerator 406, der ein PLL-Frequenzsynthetisierer sein kann, erzeugt die LO-Frequenz aus einer Mehrzahl möglicher Frequenzen.
Die verstärkten und frequenzverschobenen Signale werden in den "Paketwiederherstellungs- und Timing-Block" 404 eingekoppelt. In diesem Block werden die empfangenen Datenpakete aus dem modulierten Signal wiederhergestellt und das Timing des Empfängers 206 wird eingestellt, um eine Synchronisierung mit dem eingehenden Signal zu gestatten. Das wiederhergestellte Paket wird dann mit einem Controller 202 gekoppelt. Der Controller 202 unterscheidet Datenpakete von FSBs. Der Controller 202 trennt auch das Datenpaket von dem Paket-Header. Außerdem werden Signale vom Controller 202 in den Frequenzgenerator 406 eingekoppelt, um die Frequenz des erzeugten Signals zu steuern. Außerdem kann der Controller 202 andere Aktivitäten durchführen, die sich auf das System beziehen, einschließlich Transfer von Daten zu den Anwendungsgeräten.
Obgleich die vorangehenden Diskussionen zu 2, 3 und 4 ein Sende-/Empfangsgerät 102 beschreiben, kann das Sende-/Empfangsgerät 104 als funktional identisch mit dem Sende-/Empfangsgerät 102 betrachtet werden. Obgleich die zwei Geräte funktional identisch sind, können die Frequenzreferenzen 210 in den beiden Sende-/Empfangsgeräten aufgrund inhärenter Unterschiede bei ihrer Herstellung unterschiedliche Frequenzen erzeugen. Zwei Arten von Frequenzreferenzen sind im Stand der Technik bekannt: kristallbasierte Frequenzreferenzen und Frequenzreferenzen auf Basis integrierter Schaltkreise. Kristallbasierte Frequenzreferenzen können unter Verwendung von Quarzkristallen, wie etwa einem AT-geschnittenen Quarzrohling, implementiert sein. Diese Frequenzreferenzen werden üblicherweise in Zellulartelefonen und anderer tragbarer Kommunikationsausstattung verwendet. Beispiele von Frequenzreferenzen auf Basis integrierter Schaltkreise umfassen Ringoszillatoren. Frequenzreferenzen 210 arbeiten mit einer Frequenzstabilität, die die Varianz der von ihnen erzeugten Frequenz bestimmt.
Die Frequenzversatzkompensationstechnik der vorliegenden Erfindung umfasst die Versendung von FSBs durch das Sende-/Empfangsgerät 102 zur Kompensation des Frequenzversatzes zwischen Sende-/Empfangsgerät 102 und Sende-/Empfangsgerät 104. 5 ist ein Flussdiagramm, welches die verschiedenen Schritte der vorliegenden Erfindung illustriert. Das Sende-/Empfangsgerät 102, welches als Sender arbeitet, sendet FSBs in einem Muster in Schritt 502. Die FSBs sind über einen Frequenzbereich verteilt, der sich über den erwarteten Bereich des Frequenzversatzes erstreckt. Das Sende-/Empfangsgerät 104, das als Empfänger arbeitet, empfängt bei Schritt 504 wenigstens einen der FSBs. Das Sende-/Empfangsgerät 104 empfängt den FSB, der bei einer Frequenz gesendet wurde, die hinreichend nahe an der Betriebsfrequenz des Sende-/Empfangsgerätes 104 liegt. Das Sende-/Empfangsgerät 104 bestimmt bei Schritt 506 die Zeit- und Frequenzpositionsinformation aus dem empfangenen FSB. Die Zeitpositionsinformation ist die Zeitperiode zwischen dem empfangenen FSB und dem Beginn des zu dem empfangenen FSB gehörigen Datenpaketes. Die Frequenzpositionsinformation ist die Differenz zwischen der Frequenz, bei der der FSB gesendet wurde, und der Frequenz, bei der zugeordnete Datenpakete gesendet werden. Um die Datenpakete zu empfangen, verändert das Sende-/Empfangsgerät 104 seine Frequenz um einen Betrag, der gleich der Frequenzpositionsinformation ist, Schritt 508. Die Frequenz des Sende-/Empfangsgerätes stimmt nun mit derjenigen des Sende-/Empfangsgerätes 102 überein. Das Sende-/Empfangsgerät 104 geht bei Schritt 510 in einen niederenergetischen Schlafmodus über. Im Schlafmodus können einige Schaltungen aktiv sein, z.B. diejenigen, die zum Timing und zur Aufrechterhaltung der Frequenzstabi 1ität erforderlich sind; die meisten für das Empfangen von Daten wesentlichen Schaltungen sind jedoch abgeschaltet, um den Energieverbrauch zu minimieren. Das Sende-/Empfangsgerät 104 behält den Niederenergetischen Schlafmodus für eine Zeitspane bei, die kleiner oder gleich dem Zeitversatz ist. Wenn die Dauer des Zeitversatzes ausgelaufen ist, kehrt das Sende-/Empfangsgerät 104 bei Schritt 512 in den aktiven Modus zurück. Das Sende-/Empfangsgerät 102 sendet die Datenpakete bei Schritt 514. Das Sende-/Empfangsgerät 104 empfängt die Datenpakete bei Schritt 516. Bei Vollendung des Austauschs von Datenpaketen kehrt das Sende-/Empfangsgerät 104 bei Schritt 518 zu seiner ursprünglichen Frequenz zurück. Alternativ kann das Sende-/Empfangsgerät 104 wählen, bei der neuen Frequenz zu arbeiten. Dies wäre vorteilhaft in Fällen, in denen zusätzliche Information im FSB anzeigt, dass das sendende Gerät eine sehr gute Frequenzstabilität hat und als eine genaue Frequenzreferenz betrachtet werden könnte.
5 ist auch auf ein Rundsendeszenario anwendbar, bei dem ein primäres Kommunikationsgerät, wie etwa ein Sender, Datenpakete an mehrere sekundäre Kommunikationsgeräte, wie etwa Empfänger, sendet. Jedes der sekundären Kommunikationsgeräte kann einen anderen FSB empfangen, abhängig von seinem speziellen Frequenzversatz im Vergleich zu dem primären Kommunikationsgerät. Dann folgt jedes sekundäre Kommunikationsgerät den Schritten 506 bis 516, um die Datenpakete zu empfangen.
Die vorliegende Erfindung umfasst die Versendung von FSBs vor einem Austausch der zugehörigen Datenpakete, um den Frequenzversatz genau zu bestimmen. Ein FSB ist ein kleines Datenpaket, welches die Information über seine re lative Position um Verhältnis zu den zugeordneten Datenpaketen enthält. Zum Beispiel kann im Fall des IEEE 802.15.4-Standards ein FSB eine verkürzte Version des Datenpaketformates sein, welches durch den Standard spezifiziert wird. 6 zeigt ein mögliches FSB-Format für den IEEE 802.15.4-Standard. Dieses FSB-Format enthält eine Präambel 602, einen Rahmenbeginnbegrenzer 604 und einen Header 606. Die Präambel 602 ist 8 Symbole lang und wird von dem empfangenden Gerät benutzt, um eine Zeitsynchronisierung mit dem Chip und den Wellenformen zu erreichen.
Der Rahmenbeginnbegrenzer 606 ist zwei Symbole lang und wird vom dem empfangenden Gerät verwendet um eine Zeitsynchronisierung mit dem Start des Datenbereichs des Paketes zu erreichen. Der Header 606 enthält ein reserviertes Bit und 7 Bits Information, die die Anzahl von Bytes in dem Datenpaket beschreiben. Ein weiteres mögliches FSB-Format würde das reservierte Header-Bit nutzen, um anzuzeigen, ob dieses Paket ein reguläres Datenpaket oder ein FSB ist. Die verbleibenden 7 Bits können eine kompakte Repräsentation der Zeit- und Frequenzpositionsinformation repräsentieren oder sie könnten die Länge eines Nutzlastbereichs des FSB spezifizieren. Der Nutzlastbereich des FSB kann detaillierte Information über die Zeit- und Frequenzposition des FSB im Vergleich zu den Datenpaketen sowie Geräte- und Netzwerkidentifikationsnummern für die sendenden oder empfangenen Geräte zur Verfügung stellen.
Die in dem FSB enthaltene Information kann implizit sein. Beispielsweise kann jeder FSB eine einzigartige FSB-Identifikationsnummer haben, die ihm zugewiesen ist. Das Verwenden einer FSB-Identifikationsnummer minimiert die Größe des FSB. Der relative Versatz in Zeit und Frequenz für jeden FSB ist, in diesem Fall, jedoch ein üblicher, vorbestimmter Wert. Beispielsweise können die FSBs von 1–10 nummeriert sein, wobei die Frequenz- und Zeitversatzwerte für jeden FSB vordefiniert und in einer Nachschlagetabelle am empfangenden Ende gespeichert sind. Alternativ kann die in dem FSB enthaltene Information den relativen Zeit- und Frequenzversatz als in Zeit- bzw. Frequenzeinheiten gespeichert anzeigen. Der Wert der Frequenz- und Zeiteinheiten, wie etwa 10 MHz-Schritte für den Frequenzversatz und 1 Millisekunden-Schritte für den Zeitversatz, ist vorbestimmt und den Sender- wie auch den Empfängerenden bekannt. Zusammen mit der Versatzinformation kann der FSB auch zusätzliche Information enthalten. Diese Information kann eine Senderidentifikationsnummer, eine Empfängeridentifikationsnummer, eine Netzwerkidentifikationsnummer und dergleichen enthalten. Der Einschluss der zusätzlichen Information unterliegt der Überhangmenge, die von dem Netzwerk toleriert werden kann.
Senden der FSBs zur Frequenzversatzkompensation wird in einer Weise derart durchgeführt, dass der empfangene Bereich des Frequenzversatzes abgedeckt wird. Einer der Wege, dies zu erreichen, ist, FSBs in einem geeigneten Muster zu versenden. Ein geeignetes Muster wird durch ein Verteilen von FSBs über einen Frequenzbereich gebildet. Das Muster bezieht auch ein Senden von FSBs in regulären Zeitintervallen ein. Die regulären Zeitintervalle zwischen FSBs stellen sicher, dass das Sende-/Empfangsgerät 102 FSBs für verschiedene Frequenzen erzeugen kann. 7 zeigt ein monotones Muster zur Versendung von FSBs in einer IEEE 802.15.4-Umgebung. Die Frequenz, bei der die erwünschte Versendung des Datenpaketes 702 erfolgt, ist durch Fc ange zeigt. Eine Sequenz von FSBs 704 wird vor der Versendung des Datenpaketes 702 gesendet. Die FSBs 704 sind über einen Frequenzbereich von 1600 ppm (parts per million) oder 0,0016 Fc gespreizt. Der erste FSB wird bei einer Frequenz gesendet, die um 800 ppm höher ist als FC. Jeder der nachfolgenden FSBs wird bei einer Frequenz gesendet, die um 160 ppm niedriger liegt als die Frequenz, bei der der vorangehende FSB gesendet wurde. Jeder aktive Empfänger, dessen Frequenzversatz innerhalb +/– 80 ppm der Frequenz eines FSB liegt, ist in der Lage, einen der FSBs aufzufangen und geeignete Anpassungen vorzunehmen, bevor das Datenpaket 702 gesendet wird. Dies ist äquivalent dem erlaubten Frequenzversatz beim IEEE 802.15.4-Standard. Der IEEE 802.15.4-Standard spezifiziert, dass die Stabilität der Frequenzreferenz 210 für einen effektiven Austausch von Datenpaketen um nicht mehr als 40 ppm variieren sollte. Im schlimmsten Fall ist der Frequenzversatz daher, in diesem Fall, 80 ppm. Die Trennung zwischen zwei FSBs ist daher auf 160 ppm eingestellt. Folglich kann ein Empfänger mit einer Frequenz, die exakt in der Mitte zwischen zwei benachbarten FSBs liegt, jeden von ihnen korrekt empfangen. Wenn beispielsweise ein Empfänger einen Frequenzversatz von +720 ppm relativ zu Fc aufweist, kann er entweder den bei Fc + 800ppm gesendeten FSB oder den bei Fc + 640 ppm gesendeten FSB empfangen. Das in 7 gezeigte Sendemuster der FSBs erlaubt es dem Sende-/Empfangsgerät 102, zur Erzeugung von FSBs 704 bei variierenden Frequenzen einen Bereich von Frequenzversätzen einfach schrittweise zu durchlaufen. Da die Frequenzen zweier benachbarter FSBs nicht um einen wesentlichen Betrag differieren, wird die Einstellungszeit des Sende-/Empfangsgerätes 102, während der Erzeugung der FSBs 704 minimiert. Nach dem Empfang eines FSB kann das Sende-/Empfangsgerät 104 in einen niederenergetischen Schlafmodus eintreten. Durch Eintritt in einen niederenergetischen Schlafmodus wird das Sende-/Empfangsgerät 104 praktisch ausgeschaltet. Gerade vor der Versendung des Datenpaketes 702 schaltet sich das Sende-/Empfangsgerät 104 ein oder tritt in den aktiven Modus ein.
Das oben erwähnte Verfahren zur Frequenzversatzkompensation kann an verschiedene Netzwerktypen angepasst werden. Beispielsweise gibt es Netzwerke, die Baken zur Frequenzsynchronisierung verwenden. Die Baken sind periodische Paketversendungen, die von einem Netzwerkkoordinator verwendet werden, um die Mitglieder eines Netzwerkes zu synchronisieren. Sie können auch in Netzwerken ohne einen Koordinator benutzt werden. Im letztgenannten Fall sendet jedes Mitglied periodisch Baken zur Identifizierung und möglichen Kommunikation mit irgendeinem Gerät, welches zuhören könnte. In vielen Billiggeräten wird die Frequenzreferenz 210, die benutzt wird, um die Trägerfrequenz am Sender- sowie am Empfängerende abzuleiten, auch benutzt, um das Timing für die periodischen Bakensendungen abzuleiten. In solchen Fällen gibt es einen Pegel des Frequenzversatzes und Variationen im Zeitintervall zwischen den Baken. Das Zeitintervall zwischen Sendungen von zwei Baken wird als Bakenperiode bezeichnet. Wenn vor jeder Bake FSBs benutzt werden, kann der relative Zeitversatz jedes FSB als eine Funktion der Bakenperiode gestaltet werden. 7 illustriert auch dieses Timing-Verhältnis. Die Versendung des Datenpaketes 702 beginnt zum Zeitpunkt A. Der FSB 704 mit niedrigster Frequenz beginnt zu einem festgelegten Zeitpunkt B vor dem Datenpaket 702. Die Startzeit für jeden weiteren FSB wird als das Produkt der Bakenperiode Tb und des Frequenzversatzes (in ppm) des FSB relativ zum FSB niedrigster Frequenz berechnet. Beispielsweise hat der erste FSB eine Trägerfrequenz, die 1600 ppm höher liegt als der letzte FSB, so dass der erste FSB 0,0016 Tb vor dem letzten FSB gesendet werden sollte. Alle Empfänger versuchen, in den aktiven Modus einzutreten, um einen FSB zum Zeitpunkt C zu empfangen. Die Zeitdifferenz zwischen B und C ist gleich 0,0008 Mal Tb (0,0008 ist äquivalent 800 ppm). Empfänger, die gegenüber Fc einen Frequenzversatz aufweisen, wachen wahrscheinlich früher oder später als C auf und zwar um einen Betrag, der proportional zu Tb und zu ihrem relativen Frequenzversatz in ppm ist. Beispielsweise hat ein Empfänger, dessen Frequenzversatz –800ppm im Vergleich zu Fc ist, eine Frequenzreferenz, die zu langsam oszilliert. Ein Bakenperioden-Timer, der auf dieser selben Frequenzreferenz basiert, wird eine Bakenperiode aufweisen, die 800 ppm zu lang ist, was verursacht, dass das empfangende Gerät 0,0008 tb später als erwartet in den aktiven Empfangsmodus eintritt, was gerade rechtzeitig ist, um den FSB zur Zeit B zu empfangen. Das hier beschriebene FSB-Timing-Verhältnis minimiert den Zeitbetrag, den ein Empfänger im aktiven Modus verbringt, während er nach FSBs sucht.
Die FSBs 704 können einen Frequenzbereich überspannen, der erheblich breiter ist als die Datenpaketbandbreite. Um Störung benachbarter Frequenzkanäle zu reduzieren, kann auf die FSBs 704 eine spezielle Codierung angewendet werden. Pseudo-Rausch-Sequenzcodierung ist ein Beispiel einer speziellen Codierung, die angewendet werden kann, um Störungen zu reduzieren. Wie im IEEE 802.15.4-Standard spezifiziert, wird auf der physikalischen Ebene zur Paketversendung DSSS (direct sequence spread sprectrum) angewendet. Die FSBs können dieselben DSSS-Techniken mit einem anderen Spreizcode verwenden, um Störungen zu minimieren. Solch spezielles Codieren sollte dem Fachmann geläufig sein.
Mehrere alternative Muster zur Versendung von FSBs sind möglich. 8 zeigt ein konvergierendes Muster von FSBs. Das konvergierende Muster erfordert es nicht, dass ein FSB 704 bei Fc gesendet wird. In diesem Muster wird Geräten, die die größten Frequenzversätze aufweisen, die meiste Zeit eingeräumt, um Anpassungen vorzunehmen, um das Datenpaket 702 zu empfangen.
9 zeigt ein divergierendes Muster zur Versendung von FSBs 704. Dieses Muster erlaubt es Geräten mit dem kleinsten Frequenzversatz, eine längere Zeit im niederenergetischen Schlafmodus vor der Ankunft des Datenpaktes 702 zu verbringen. In Fällen, in denen die Frequenzversatzverteilung um Fc herum normal verteilt ist, kann dies die durchschnittliche Zeitdauer minimieren, in der ein Empfänger im aktiven Modus verbleibt, wenn er sich synchronisiert, um das Datenpaket 704 zu empfangen.
10 zeigt ein Einzelfrequenzmuster der Versendung von FSBs 704. Dieses Muster erfordert es, dass der Empfänger über einen Bereich von Frequenzversätzen aktiv nach FSBs 704 sucht. Der Vorteil dieses Musters ist, dass es nicht erfordert, dass das Sende-/Empfangsgerät 102 FSBs 704 mit verschiedenen Frequenzen erzeugt. Die Verwendung dieses Musters erlaubt es dem sendenden Gerät, näher am Rand seines erlaubten Spektralbandes zu arbeiten und es minimiert Störungen zwischen den Systemen auf benachbarten Frequenzkanälen. Aufgrund des Einzelfrequenzbetriebes müssen die FSBs 704 nicht mit leeren Zeitintervallen verschachtelt sein. Zeitintervalle zwischen den FSBs 704 können sich jedoch für Empfänger-Suchalgorithmen als vorteilhaft erweisen. Beispielsweise kann das empfangende Gerät den erwartenden Bereich an Frequenzversätzen durchsuchen, indem es schrittweise einen Satz von Frequenzversätzen durchläuft, wobei ein monotones, konvergierendes oder divergierendes Muster verwendet wird und wobei jeder Frequenzversatz das empfangende Gerät für eine kurze Zeitspanne in den aktiven Modus versetzt und versucht, die Präsenz eines FSBs zu erkennen. Die Wachzeit zwischen FSBs erlaubt eine Empfängereinschwingzeit, wenn sich die Frequenz ändert. Die Verwendung des Einzelfrequenz-FSB-Musters ist effizienter als einfach das Präambelfeld in den standardmäßigen IEEE 802.15.4-Datenpaketen zu verlängern. Die Zeitversatzinformation in jedem FSB erlaubt es einem Empfänger, vor der Ankunft des Datenpaketes in einen niederenergetischen Schlafmodus einzutreten, wodurch Energie für das Sende-/Empfangsgerät 104 gespart wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es erforderlich sein, die FSBs vor jeder Kommunikationssitzung zu verwenden. Dies ist abhängig vom Netzwerktyp, in dem die vorliegende Erfindung arbeitet. Beispielsweise verlässt sich in einer Sternnetzwerktopologie das Netzwerk auf Koordinatorgeräte, die periodisch Bakensignale aussenden.
In diesem Fall kann der Netzwerkkoordinator die FSBs vor den Datenpaketen senden. Andere Pakete, wie etwa Daten, Befehle und Bestätigungen, können nach dem Bakenpaket unter Verwendung der neu erworbenen Frequenzinformation von den vor den Baken gesendeten FSBs ausgetauscht werden.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen kann zu einem Austausch von Datenpaketen zwischen zwei oder mehr Geräten beitragen. In diesem Fall können die FSBs nur zu Beginn des Austauschs von demjenigen Gerät gesendet werden, welches diesen Austausch initiiert. Andere Geräte können vor Versendung irgendwelcher Pakete ihre Frequenzen so nahe wie möglich auf die Frequenz des initiierenden Gerätes einstellen. Nachdem der Paketaustausch vollendet ist, können die anderen Geräte entweder mit ihrer neuen Frequenz fortfahren oder zu ihren ursprünglichen Frequenzeinstellungen zurückkehren. Im Fall, dass das initiierende Gerät ein Netzwerkkoordinator ist, oder falls es eine gute Stabilität aufweist, kann das Beibehalten der neuen Frequenz bevorzugt sein. Im Fall von allgemeinen Peer-to-Peer-Kommunikationen oder bei Geräten mit geringer Stabilität kann es bevorzugt sein, dass das Gerät zu seinen ursprünglichen Frequenzeinstellungen zurückkehrt.
Weiter kann die Frequenzversatzinformation, die von jedem empfangenden Gerät beim Empfang eines FSB bestimmt wird, zurückberichtet werden zu dem sendenden Gerät, welches den FSB gesendet hatte. Die Frequenzversatzinformation kann auch mit anderen Geräten des Netzwerks geteilt werden. Diese Information kann in einem Netzwerksynchronisierungsalgorithmus verwendet werden. Beispielsweise kann ein Netzwerkkoordinator die Frequenzversatzinformationen von anderen Geräten in dem Netzwerk sammeln und die Verteilung benutzen, um seine eigene Arbeitsfrequenz einzustellen. Insbesondere kann der Netzwerkkoordinator seine Betriebsfrequenz so einstellen, dass der mittlere oder Median-Frequenzversatz der übrigen Geräte nahe Null ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeiten die Sende-/Empfangsgeräte 102 und 104 in einem drahtgebundenen System, welches eine Bandpasskommunikation einsetzt. Bei diesem Kommunikationstyp wird die Information vor ihrer Versendung auf eine Trägerwelle aufmoduliert. Die Versendung erfolgt über ein physikalisches Medium wie etwa einen Kupferdraht. Eine Anzahl von drahtgebundenen Kommunikationssystemen, wie etwa Telefonmodems und Kabelmodems benutzen Bandpassmodulationstechniken, bei denen Information auf einen Träger aufmoduliert wird. Es gibt auch in diesem Fall einen Trägerfrequenzversatz zwischen dem Sender und dem Empfänger. Die Frequenzversatzkompensationstechnik der vorliegenden Erfindung dient dem Zweck des Eliminierens dieses Frequenzversatzes.
Die Frequenzversatzkompensationstechnik der vorliegenden Erfindung löst das Problem großer Frequenzversätze zwischen dem Sender und dem Empfänger. Die Versendung von FSBs vor der Versendung der eigentlichen Datenpakete hilft dabei, große Frequenzversätze zu reduzieren, wodurch ein effektiver Austausch von Daten sichergestellt wird. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten FSBs sind sehr kleine Pakete, die keinen zusätzlichen Überhang zum Betrieb der Geräte hinzufügen. Konventionelle Verfahren zur Frequenzversatzkompensation beinhalten das Skalieren der Bandbreite von Signal und Sendeempfangsgerät 104. Beispielsweise verwendet die Differenzchiperkennung beim DSSS-/Modulationstyp ein Erhöhen der Rate, bei der Daten gesendet werden. Die vorliegende Erfindung erfordert keine solche Skalierung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird einem Sende-/Empfangsgerät 104 gestattet, in einen niederenergetischen Schlafmodus einzutreten, nachdem die exakte Startzeit für die Versendung des Datenpaketes vom Sende-/Empfangsgerät 102 bestimmt wurde. Dies stellt sicher, dass es keine Verschwendung von Energie am Sende-/Empfangsgerät 104 gibt und dass der Energieverbrauch somit reduziert wird. Der niedrige Energieverbrauch erlaubt die Verwendung kleiner Batterien und reduziert weiter die Größe des Sende-/Empfangsgerätes 104. Die Kompensationstechnik der vorliegenden Erfindung ist ideal geeignet für Anwendungen, bei denen Größe, Kosten und Energieverbrauch für die Leistung der Anwendung kritisch sind.
Die Frequenzversatzkompensationstechnik der vorliegenden Erfindung kann ohne wesentliche Änderungen der Netzwerkkonfiguration auf bestehende drahtlose Netzwerke angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann als eine Kombination von DSP- (Digital Signal Processing: digitale Signalvorbereitung) Chips unter Verwendung der ASIC- (Application Specific Integrated Circuit: anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) Technologie implementiert werden.
Die Frequenzversatzkompensationstechnik der vorliegenden Erfindung ist geeignet für niederpreisige drahtlose Netzwerke mit niedriger Rate, bei denen die Frequenzstabilität der Netzwerkelemente schlecht ist. Anwendungen der vorliegenden Erfindung umfassen, sind jedoch nicht limitiert auf, drahtlose Sensoren, Automatisierung und Steuergeräte, Verfolgungsgeräte, die in der Logistik verwendet werden, und Unterhaltungsgeräte, wie etwa Videospiele. Industriestandards, wie etwa IEEE 802.15.4 und Zigbee^TM betreffen solche Anwendungen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in zukünftige Versionen dieser Standards inkorporiert werden, um eine verbesserte Toleranz der Frequenzinstabilität zur Verfügung zu stellen und Kosten des Netzwerkgerätes zu reduzieren.
Obgleich die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und illustriert wurden, ist es klar, dass die Erfindung nicht nur auf diese Elemente limitiert ist. Vielfältige Modifikationen, Veränderungen, Variationen, Substitutionen und Äquivalente sind für den Fachmann ersichtlich, ohne sich von Geist und Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen beschrieben, zu entfernen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Es werden ein Verfahren (500) und ein System zur Kompensation eines Frequenzversatzes zwischen einem ersten Sende-/Empfangsgerät (102) und einem zweiten Sende-/Empfangsgerät (104) in drahtloser Kommunikation offenbart. Die Kompensation des Frequenzversatzes zwischen zwei oder mehr Sende-/Empfangsgeräten (102, 104) wird erreicht durch Verwenden von Frequenzsynchronisierungs-Bursts. Diese Bursts enthalten Information über den Frequenzversatz. Die Frequenzsynchronisierungs-Bursts werden von dem ersten Sende-/Empfangsgerät bei einem Frequenzbereich oberhalb und unterhalb einer Trägerfrequenz (502) gesendet. Ein zweites Sende-/Empfangsgerät, welches wenigstens einen dieser Bursts empfängt (504), bestimmt den Frequenzversatz (504) und stellt seine Frequenz zur Anpassung an die Frequenz des ersten Sende-/Empfangsgerätes ein (508). Danach kann das zweite Sende-/Empfangsgerät in einen niederenergetischen Schlafmodus eintreten (510), um seinen Energieverbrauch zu reduzieren. Das zweite Sende-/Empfangsgerät kehrt direkt vor dem Start der Versendung der Datenpakete (514) in den aktiven Modus zurück (512).

Claims

Verfahren zur Kompensation eines Frequenzversatzes zwischen einem ersten Sende-/Empfangsgerät und einem zweiten Sende-/Empfangsgerät, wobei das erste Sende-/Empfangsgerät und das zweite Sende-/Empfangsgerät kommunizieren, um Datenpakete auszutauschen, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts von dem ersten Sende-/Empfangsgerät; Empfangen wenigstens eines aus der Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts am zweiten Sende-/Empfangsgerät; Einstellen der Betriebsfrequenz des zweiten Sende-/Empfangsgerätes zur Anpassung an die Frequenz des ersten Sende-/Empfangsgerätes, basierend auf wenigstens einem aus der Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts; und Austauschen von einem oder mehreren Datenpakten zwischen dem ersten und dem zweiten Sende-/Empfangsgerät.
Verfahren, wie in Anspruch 1 zitiert, wobei das Senden einer Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts umfasst Senden einer Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts in einem geeigneten Muster; und Senden von Frequenzpositionsinformation bezogen auf jeden Frequenzsynchronisierungs-Burst im Vergleich zu den Datenpaketen, wobei die Information als ein Teil des Frequenzsynchronisierungs-Bursts gesendet wird, wobei die relative Position der Frequenzsynchronisierungs-Bursts nach Zeit und Frequenz bestimmt wird.
Verfahren, wie in Anspruch 2 zitiert, wobei das Einstellen der Betriebsfrequenz des zweiten Sende-/Empfangsgerätes umfasst: Bestimmen der als Teil des Frequenzsynchronisierungs-Bursts gesendeten Frequenzpositionsinformation; und Ändern der Frequenz des zweiten Sende-/Empfangsgerätes basierend auf der Frequenzpositionsinformation, wobei die Frequenz des zweiten Sende-/Empfangsgerätes geändert wird, um mit der Frequenz des ersten Sende-/Empfangsgerätes übereinzustimmen.
Verfahren, wie in Anspruch 2 zitiert, weiter umfassend ein Umschalten des zweiten Sende-/Empfangsgerätes in einen niederenergetischen Schlafmodus nach Empfang wenigstens eines Synchronisierungs-Bursts.
Verfahren, wie in Anspruch 4 zitiert, wobei das Umschalten des zweiten Sende-/Empfangsgerätes in den niederenergetischen Schlafmodus umfasst: Bestimmen der Zeitposition aus der mit dem Frequenzsynchronisierungs-Burst gesendeten Information; und Umschalten des zweiten Sende-/Empfangsgerätes in einen niederenergetischen Schlafmodus für eine durch die Zeitposition bestimmte Dauer.
Verfahren zum Kompensieren der Frequenzversätze zwischen einem primären Kommunikationsgerät und einer Mehrzahl sekundärer Kommunikationsgeräte, wobei das primäre und die sekundären Kommunikationsgeräte miteinander kommunizieren, um Datenpakete auszutauschen, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts von dem primären Kommunikationsgerät, wobei die Frequenzsynchronisierungs-Bursts Information über ihre relative Position nach Zeit und Frequenz im Vergleich zu den Datenpaketen enthalten; Empfangen wenigstens eines aus der Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts an jedem der sekundären Kommunikationsgeräte; Einstellen einer Betriebsfrequenz an jedem der sekundären Kommunikationsgeräte, um mit der Frequenz des primären Kommunikationsgerätes übereinzustimmen, wobei der Schritt des Anpassens umfasst: i. Bestimmen der Frequenzpositionsinformation aus dem Frequenzsynchronisierungs-Burst und ii. Ändern der Betriebsfrequenz der sekundären Kommunikationsgeräte, basierend auf der Frequenzpositionsinformation, wobei die Frequenz der sekundären Kommunikationsgeräte geändert wird, um mit der Frequenz des primären Kommunikationsgerätes übereinzustimmen; und Austauschen eines oder mehrerer Datenpakete zwischen dem primären und den sekundären Kommunikationsgeräten.
System zum Kompensieren eines Frequenzversatzes zwischen einem ersten Sende-/Empfangsgerät und einem zweiten Sende-/Empfangsgerät in einer drahtlosen Umgebung, wobei das System umfasst: ein erstes Sende-/Empfangsgerät, wobei das erste Sende-/Empfangsgerät eine Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts sendet und ein oder mehrere Datenpakete sendet oder empfängt, wobei die Frequenzsynchronisierungs-Bursts vor der Sendung oder dem Empfang der Datenpakete gesendet werden; und ein zweites Sende-/Empfangsgerät, wobei das zweite Sende-/Empfangsgerät wenigstens einen aus der Mehrzahl von Frequenzsynchronisierungs-Bursts empfängt, wobei das zweite Sende-/Empfangsgerät seine Frequenz einstellt, um mit der Frequenz des ersten Sende-/Empfangsgerätes übereinzustimmen, wobei die Einstellung erfolgt, um die Datenpakete zu senden oder zu empfangen.
System, wie in Anspruch 7 zitiert, wobei der Frequenzsynchronisierungs-Burst ein Datenpaket ist, welches eine Burst-Identifizierungsnummer, die für den Frequenzsynchronisierungs-Burst einzigartig ist, umfasst, wobei die relative Position jedes Frequenzsynchronisierungs-Bursts im Vergleich zu den Datenpaketen vorbestimmt und dem ersten und dem zweiten Sende-/Empfangsgerät bekannt ist.
System, wie in Anspruch 7 zitiert, wobei der Frequenzsynchronisierungs-Burst ein Datenpaket ist, welches Information umfasst über: die relative Position des Frequenzsynchronisierungs-Bursts im Vergleich zu den Datenpaketen, ausgedrückt als eine Zeit; und die relative Position des Frequenzsynchronisierungs-Bursts im Vergleich zu den Datenpaketen, ausgedrückt als eine Frequenz.
System, wie in Anspruch 9 zitiert, wobei die Information weiter eine Geräteidentifizierungsnummer umfasst, die für das erste Sende-/Empfangsgerät einzigartig ist.