TWI407711B - 在無線網路中通訊的方法與設備 - Google Patents

Description

在無線網路中通訊的方法與設備

本發明係有關於指向天線通訊的信標與訊框結構。

操作於很高頻(例如60GHz)的無線網路典型地被限制於小區域，因為傳輸係為阻礙物或甚至於空氣中之氧所高度衰減。此技術通常針對無線個別區域網路，並通常被實施為微網(Piconet)，其中在相同網路中之裝置可以直接彼此通訊，而不必經由集中式微網控制器發送每一通訊。在高密度通訊環境中，多微網可以共存於相當小區域中(例如商用辦公室、大學實驗室、公寓建築等)，全向天線可能不是想要的，因為在微網中之各個裝置可能會干擾在相同微網及/或相鄰微網中之其他裝置。為此理由，在微網中之各個裝置上的指向天線系統可能為高度想要的。然而，並不是在一網路中之所有通訊可以有效地以指向通訊處理，並且，實施指向通訊可以挑戰傳統通訊協定。

在以下說明中，說明了各種特定細節。然而，可以了解的是，本發明之實施例可以在沒有這些特定細節下加以實施。在其他例子中，已知電路、結構及技術未被詳細顯示，以不會阻礙對此說明之了解。

參考“一實施例”、“實施例”、“例示實施例”、“各種實 施例”等等表示本發明之實施例，其可以包含特定特性、結構或特徵，但並不必是每一實施例必須包含這些特定特性、結構、或特徵。再者，部份實施例可能具有部份、所有或沒有其他實施例所述之特性。

在以下說明及申請專利範圍中，可以使用用語“耦接”及“連接”與其衍生詞。應了解的是，這些用語並不想要彼此作為同意詞。相反地，在特定實施例中，“連接”係用以表示兩或更多元件係直接彼此實體接觸或電接觸。“耦接”係用以表示兩或更多元件係彼此配合或互動，但它們可以或可不直接實體接觸或電接觸。

如於申請專利範圍中所用，除非特別指定序數形容詞“第一”、“第二”、“第三”等等的使用，用以描述一共同元件，只表示類似元件之不同例子係被稱，或並不限暗示這些元件必須被描述為給定順序(不論時間上或空間上)、或排列、或其他方式。

本發明之各種實施例可以以硬體、韌體及軟體之一或任意組合加以實施。本發明也可以實施為包含於機器可讀取媒體中之指令，其可以為一或更多處理器所讀取及執行，以完成於其中所描述之運算效能。機器可讀取媒體可以包含用於以機器(例如電腦)可讀取形式儲存、傳送、及/或接收資訊的任意機制。例如，機器可讀取媒體可以包含有形儲存媒體，例如但並不限於唯讀記憶體(ROM)；隨機存取記憶體(RAM)；磁碟儲存媒體；光學儲存媒體；快閃記憶體裝置等等。機器可讀取媒體可以包含傳遞信 號，其已經被調變以編碼指令，例如但並不限於電磁、光學、或聲學載波信號。

用語“無線”及其衍生詞可以用以描述經由非實體媒體，使用調變電磁輻射來傳遞資料的電路、裝置、系統、方法、技術、通訊通道等等。用語“無線”表示通訊媒體，但並不限於個別裝置的結構。用語“超訊框”可以被用以描述在網路中通訊的時間單元，在該時間單元中在超訊框內的通訊包含一或更多信標及零或更多時間配置用以在網路中之裝置間之通訊。在此文件中，所有超訊框包含至少一信標及至少一時間配置。

本發明之部份實施例可以限制全向信標(具有較大的干擾可能性)至特定超訊框，並在其他超訊框中，使用指向信標。這可以降低在信標期內網路間或網路內的干擾的整體或然率。在其他實施例中，具有指向鏈路之裝置可以監視在其他指向鏈路中之其他裝置間發生通訊期間的鏈路，以決定是否在兩鏈路間有干擾。

指向與全向超訊框

圖1A及1B顯示依據本發明實施例之在無線網路中之對其他網路裝置作成指向及全向無線傳輸的網路控制器。在所示實施例中，網路控制器PNC係被顯示傳送至四個其他網路裝置A、B、C及D。名稱PNC係被用以指定被指定為微網的網路中之微網控制器(例如，使用60GHz的微網)，但這只是作為例示的目的。在其他實施例中，可 以使用其他類型之網路、網路控制器、及頻率。在其他實施例中，部份或所有在該網路中的裝置(包含控制器)可以各具有複合天線，以實施指向通訊。同樣地，部份或所有在該網路中之裝置可以為使用電池以供電的攜帶式裝置。

在圖1A中，來自PNC的傳輸為指向性，並分別指向至特定網路裝置A、B、C及D。以指向傳輸，所傳輸的信號可以在想要方向中相對地強，但在其他方向則相對地弱。各種技術均可以用以完成此指向傳輸，例如但並不限於相位陣列天線系統、交換波束天線系統、非可訓練固定天線等等。各個指向傳輸也可以具有角形傳輸包絡(為淚滴形輪廓所示)，其內之信號係強到足以相對地為其他網路裝置所可靠地接收，但其外之信號則太弱而不能被可靠地接收。當然，包絡可能不會如所示地尖銳，但由強信號至包絡邊緣附近的弱信號逐漸地變尖。在部份實施例中，各個指向傳輸可以在分開時間進行，但在其他實施例中，多數指向傳輸可以由PNC以不同方向同時完成。

在圖1B中，來自PNC的傳輸係為全向性的，即信號可以以360度環而輻射向外，具有整個環有足夠的強度予以可靠地接收於所有方向，如環形傳輸包絡所示。以此全向傳輸，相同信號可以為各個裝置A、B、C及D同時接收，但也可以為在環形包絡內的其他裝置所接收，並可以可察覺地對這些其他裝置造成干擾。因此，使用指向傳輸也可以被用以降低在密集網路內，及/或相鄰網路間所產生的干擾。

雖然全向傳輸係大致被認為同時在所有方向中傳輸相同的信號，在此文件中之本文內，全向傳輸也可以包含傳輸相同資訊於一連串的指向傳輸中，其一起涵蓋相同360度弧(例如一連串的八個指向傳輸，各個傳輸相同資訊並涵蓋不同45度弧度)。因為指向傳輸有時允許更高資料輸通量，所以此兩技術可能提供類似總時間以傳輸相同資料。例如，在八個分開的指向傳輸內，傳輸給定量的資料可能需要大致相同於單一傳輸的總時間，其以360度弧同時傳輸資料。

這些顯示圖顯示指向及全向傳輸主要有兩維度(典型於水平方向)，其可以被解釋為暗示於發射器與接收器間之顯著垂直角可能放置接收器於包絡外。然而，部份實施例可以對傳輸包絡有顯著垂直分量，用於指向及/或全向傳輸。用語指向及全向係想要涵蓋主要為二維的實施例及主要有三維覆蓋涵蓋率的其他實施例。

本質上，信號的接收也可以指向或全向，以用於這些目的之各種天線系統。以指向接收，來自特定方向之信號也可以可靠地接收，同時，來自顯著不同方向的相等強度信號不可以可靠地接收，由於所用天線架構及/或信號處理技術之故。用以完成指向傳輸及/或接收的多個技術為已知的，所以其他細節將不再說明。

圖2顯示依據本發明實施例之在無線網路中之多數裝置間的通訊結構。在所示實施例中，通訊流被分成多數超訊框。在各個超訊框內，一信標可以為網路控制器所傳輸 於超訊框的啟始部中。信標期間可以被指定為圖中之BP，及可以包含一或更多信標。在其他事項中，信標可以包含有在何時各種其他網路裝置可以在超訊框的接續資料傳輸部期間開始通訊的資訊(彼此或在其他例子中與網路控制器)，及有關它們應使用哪些通訊技術進行通訊的資訊。全向信標(在O-BP時傳輸)為一信標，其係被全向傳輸至網路的裝置，同時，指向信標(在D-BP傳輸)表示信標被指向傳輸(例如向一或更多特定網路裝置)。為了維持專有名詞的延續性，指向超訊框為一超訊框，其信標被指向傳輸，及全向超訊框係為一超訊框，其信標被全向傳輸。

同樣地，O-DATA TRANSFER表示在超訊框的資料傳送期間通訊的裝置，如在信標期間所指定，將使用全向傳輸與接收。D-DATA TRANSFER表示在資料傳送期間通訊的裝置將使用指向傳輸與接收。在部份實施例中(未示於此，但一例子係如圖6所示)，資料傳輸期間可以分割成用於預排列通訊的時間期間與用於競爭為主的通訊的另一時間期間，其中想要傳送的裝置係競爭存取無線媒體。數量m+1超訊框可以被顯示(其中m為1或更大之整數)，其中具有全向信標只有一個超訊框。剩餘的超訊框(在此m+1超訊框的群中)，各個只具有指向信標。具有一或更多指向超訊框與單一全向超訊框的群集係被標示為多訊框。在網路中之進行通訊可以包含一連串的此多訊框，各個多訊框包含一全向超訊框及一或更多指向超訊框。雖然 具有全向信標的超訊框0係在多訊框中示為第一個，但其他實施例也可以將通訊分成多訊框，將全向信標放置在較第一超訊框為後。

在部份實施例中，全向通訊只允許於具有全向信標的超訊框中。然而，在任意給定時間中，可能沒有足夠全向通訊，以填滿超訊框的資料傳輸部份。為此或其他理由，部份實施例也可以允許在全向超訊框期間之指向通訊，及這係為以包含在全向超訊框0的指向信標加以表示，以指向資料傳輸包含在超訊框0之資料傳輸部份中。在部份實施例中，全向通訊可能在指向超訊框(例如在圖2中之超訊框1-m)期間不被允許。在部份實施例中，與每一全向超訊框群集的指向超訊框的數量可以被預先決定，並可以在預定時間段中，保持固定。例如，對於每一全向超訊框可以有至少兩指向超訊框，及此比例可以持續至少12個連續超訊框。這只是一簡單例，及可以選擇任意其他可用比例與持續時間。在其他實施例中，與每一全向超訊框群集的指向超訊框的數量可以根據各種以下準則加以選擇而動態改變，這些準則例如但並不限於：1)網路交通的容量，2)網路裝置的數量，3)這些網路裝置的位置，4)網路交通類型，及5)這些及/或其他參數的任意組合，6)等等。

這些技術可以特別有利於密集分佈、及/或空間重疊其他網路、及/或等時性通訊高量資料(例如視訊串流)的網路。在這些狀況中，太多全向通訊可能在裝置間產生 過量干擾，並可能不是想要的，甚至可能在允許時間內重發射所有遺失/毁壞的資料。藉由限制全向通訊至多數超訊框中之唯一訊框，網路的曝露干擾可以被降低。然而，有時可能需要全向通訊。例如，為了找出想要加入網路的新裝置，裝置尋找要求可能被送出至所有方向，因為新裝置所在的方向剛開始係未知的。但如果用於各個全向超訊框至少有一個，最好超出一個指向超訊框，則此技術的優點可能很顯著。

圖3顯示依據本發明實施例之在無線網路中具相聯結裝置的網路控制器的示意圖。在所示例子中，只有裝置A、B、C及D正相聯結於網路控制器PNC，其係能指向於八個方向而通訊，以每個指向傳輸涵蓋約45度弧角。如前所述，同時在所有方向中傳輸一信標可能需要大約與在各個該八方向中依序指向傳輸信標相同量的時間。然而，分開只在方向0、2、3、及6指向傳送信標允許PNC，只在傳送全向信標時間的一半，就能完成超訊框的信標部份。如果PNC可以使得每一指向傳輸更窄，則此節省將更顯著。例如，如果PNC可以在包絡內，以36個各別約10度的不同方向傳送，則對這四個裝置的選擇指向信標將可能為全向信標所需時間的約4/36，或略大於11%。以此方式，以選擇數量的指向傳輸替換很多傳統全向傳輸可能造成在整體網路流通量顯著增加。因此，以上述方式，限制全向傳輸至一次組的超訊框可能造成不只是網路中之干擾的降低，同時，也在不涉及干擾下，在通訊有更高之整體 資料流通量。

圖4顯示依據本發明實施例之無線網路通訊的方法之流程圖。在流程圖400的實施例中，在步驟410，網路控制器可以傳送具有全向信標的超訊框。由於在信標中之部份資訊，在步驟420，全向通訊可以在超訊框的資料傳送部份期間被排序。在各種環境中，這些全向通訊可能在網路控制器與另一裝置間，或在控制器外的兩裝置間。在部份實施例中，在步驟430中，指向通訊可能在此超訊框期間被排序。在步驟440，網控制器可以傳送另一超訊框，此超訊框包含一指向信標。由於在該信標中之部份資訊，在步驟450中，指向通訊可以在此超訊框的資料傳送部份期間被排序。在各種環境下，這些指向通訊可以是在網路控制器與另一裝置間，或在控制器外的兩個裝置間。

如果在此順序中有多個指向超訊框，如在步驟460中所決定，則對該額外指向超訊框重複執行步驟440及450。當有時間用於另一全向超訊框時，如步驟470所決定，則操作回到步驟410。當參考先前所述之用語”多訊框”時，在部份實施例中，回到步驟410將表示新的多訊框。在部份實施例中，在多訊框中之超訊框的數量可以固定，但在其他實施例中，則可以改變，在部份實施例中可以動態改變。在部份實施例中，用於各個全向超訊框之指向超訊框的數量可以為固定，但在其他實施例中，則可以改變，在其他實施例中，可以動態改變。

指向鏈路干擾監視

再次參考圖1A、1B的網路架構，即使使用指向通訊，仍有可能在網路裝置A及C間之指向傳輸與在網路裝置B與D間之指向通訊產生干擾。此干擾將因各種理由而產生，例如但並不限於：1)A及/或C包圍B及/或D的傳輸包絡，2)B及/或D包圍A及/或C的接收包絡，3)在A或C之傳輸包絡內的金屬結構正造成對B或D信號反射，4)其他。不管此可能干擾的成因為何，當A與C正彼此通訊時，或至少在B與D要求彼此通訊的時間內，B可能監視其用於可能干擾信號的接收包絡(即監視在D方向)。同樣地，D可以監視在B方向，對於來自A及/或C的信號，及對於相同時間段。在選擇時間段內之干擾也可能來自其他來源。

圖5顯示依據本發明實施例之同時在無線網路中操作的兩分開指向通訊鏈路的網路。在所示網路中，無線裝置A及C可被認定為彼此已建立指向通訊，其中A完成對C的指向傳輸及/或C完成對A的指向傳輸。A與C也可以使用指向接收以最小化來自其他方向的外來信號。網路裝置B與D如所示在其間建立另一指向通訊鏈路。允許A-C鏈路及B-D鏈路同時操作可能如先前所述對於鏈路之一造成干擾。

圖6顯示依據本發明之實施例之在無線網路中之兩指向鏈路的通訊時序圖。在所示例子中，通訊發生於一連串的超訊框上(SFn至SFn+x)。如所示各個訊框係被分成 三個主要時間期，但也可以使用其他時間期及/或架構。在此例子中，在信標期(BP)中，可以為PNC發射一或更多信標。所示第二時間期中為競爭為主之存取期(CAP)，其間網路裝置可以競爭在沒有令其傳輸為一信標所預先排序的情況下傳送的權利。第三時間期為無競爭存取期(CFAP)，該期間裝置只可以在它們已為一信標所排序來進行的情況下由PNC傳送。

在SFn中，裝置A及/或裝置C可以要求頻寬以在後續超訊框的CFAP時間期中，持續時間T1而彼此通訊。在下一超訊框SFn+1中，藉由使用該信標PNC許可此要求，以在CFAP期間排序A與C作彼此通訊，並且，裝置A-C在此例子中所有的剩餘超訊框中使用該時間槽，用於它們彼此的指向通訊(雖然在某時間點中，它們對此時間槽的使用將可推定會結束)。同時在SFn+1中，在CAP期，網路裝置B及/或網路裝置D可以要求頻寬，以彼此在CFAP時間期內通訊時間T2。

PNC可以指定特定時間期給T2，以在CFAP時間期內發生，並在SFn+2中的信標期間，將此時序資訊傳送給B與D。裝置B與D可以然後使用SFn+2的CAP期，以執行天線訓練，使得它們彼此建立指向鏈路。以用於由此天線訓練所建立之指向鏈路的參數，裝置B與D可能各監視其現行閒置指向鏈路，在該超訊框(或多數超訊框)的時間期T2期間，以決定它們是否取得來自裝置A與C(或任意其他來源)的可能干擾信號。此監視的結果可能接著 在SFn+3的CAP時間期期間，為各個裝置B與D所傳送至PNC。如果PNC決定干擾並不足以防止鏈路被適當地執行，允許使用T2時間段係在SFn+4的信標中為PNC所許可，及裝置B與D可以開始在該超訊框的CFAP時間期中的指向鏈路上彼此通訊。

在裝置A與C、B與D彼此通訊於其個別指向鏈路上的時間期間，它們可以監視在一時間期內的鏈路的品質(例如幾個多超訊框)，並保持該品質的統計資料。週期地，品質監視的結果可以回報給PNC，使得PNC可以決定是否繼續許可A/C與B/D的同時間時槽，或重建網路通訊。該例子顯示在SFn+x的CAP之第一部份期間，PNC要求鏈路資訊，及裝置B及/或D提供鏈路報告於相同CAP的最後部份期間。然而，也可以使用其他技術，例如但並不限於：1)鏈路報告可以為B及/或D提供，而沒有來自PNC的要求，2)要求及報告可以發生在不同超訊框中，3)B與D可以提供不同超訊框中的分開報告，4)這些或其他技術的任意組合，5)等等。

因為閒置B-D鏈路的監視可能發生在一超訊框期間(例如SFn+2)，而B-D指向通訊可以發生在隨後超訊框(例如SFn+4至SFn+x)，所以此程序假定A與C將在多數連續超訊框的相同部份期間(及在相同相對實體位置)彼此通訊，使得現行干擾尋找可以可靠地應用至後續超訊框中。這被期待在很多微網所常見。例如，A與C可以在數以千計的超訊框的相同部份期間傳送串流視訊資料，同時 ，維持相同實體位置。

雖然各事件被顯示發生在特定及順序超訊框中，這只是一個例子。由於各種考量，這些事件可以發生在與所示之非序向超訊框或不同訊框中。例如，在頻寬要求與頻寬許可間，可能有一或更多之干擾超訊框，在報告結果至PNC之前，B與D可以監視多超訊框的閒置鏈路，等等。

前述說明只想要作例示性非限定性。各種變化可以為熟習於本技藝者所完成。這些變化係想要包含在本發明之各種實施例中，這些只為以下申請專利範圍的精神與範圍所限定。

PNC‧‧‧網路控制器

A‧‧‧網路裝置

B‧‧‧網路裝置

C‧‧‧網路裝置

D‧‧‧網路裝置

圖1A及1B顯示一網路控制器，依據本發明實施例在無線網路中作成指向及全向無線通訊至其他網路裝置；圖2顯示依據本發明實施例之無線網路中之多裝置間之通訊結構；圖3顯示依據本發明實施例之無線網路中之具相聯結裝置的網路控制器圖；圖4顯示依據本發明實施例之無線網路中通訊的方法之流程圖；圖5顯示依據本發明實施例之網路，其中可以同時操作兩分開指向通訊鏈路；及圖6顯示依據本發明實施例之涉及在無線網路中之兩指向通訊鏈路的通訊時序圖。

Claims (13)

1. 一種在無線網路中通訊的方法，包含：藉由通訊一連串的超訊框，而在該無線網路中通訊；及在該連串的超訊框的各個選定超訊框中，傳送全向信標，至少一該全向信標包括在包含該至少一全向信標的超訊框中排序指向及全向通訊兩者之資訊；及在該連串的超訊框中的各個剩餘超訊框中，傳送指向信標但不傳送全向信標，其中具有該全向信標的至少一該超訊框包含全向與指向通訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該連串的超訊框包含具有指向信標的超訊框多於具有全向信標的超訊框。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中各個具有指向信標的超訊框只包含指向通訊。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中各個該指向信標係朝向已經相聯結於該網路控制器的至少一網路裝置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中只有具有該全向信標的該等超訊框係被使用於在該無線網路中的裝置尋找與相聯結。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等全向信標只在每第n個超訊框被傳送，持續至少12個連續超 訊框，其中n為大於2的整數。
7. 一種在無線網路中通訊的設備，包含：無線通訊裝置，以在無線網路中傳送一連串超訊框，各個超訊框具有一信標部份；其中部份的該等超訊框的該信標部份包含全向信標，及剩餘的該等超訊框的該信標部份包含指向信標但沒有全向信標，及其中該等全向信標之至少之一包含在包含該至少之一的該全向信標的該超訊框內排序指向及全向通訊的資訊。
8. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中在該連串超訊框中的具有全向信標的各個超訊框係予以隨即被跟隨有具有一指向信標的至少兩超訊框。
9. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該無線通訊裝置為網路控制器。
10. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該無線通訊裝置包含用於操作電力的電池。
11. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該無線通訊裝置包含複合天線。
12. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該無線通訊裝置包含用於指向通訊的相位陣列天線系統。
13. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該無線網路為微網(piconet)。