TWI435563B - 無線網路中傳輸路徑選擇裝置與方法 - Google Patents

Description

無線網路中傳輸路徑選擇裝置與方法

本發明係有關一種無線網路，特別是一種無線網路中傳輸路徑選擇裝置與方法。

在無線網路(wireless network)系統中，具有多根收發天線可帶來諸多的好處，例如：增加接收穩定性、提升資料吞吐量(throughput，TP)等。因此，多天線所組成的多重輸入輸出(multi-input multi-output，MIMO)技術已廣泛運用於無線網路系統中。

在多重輸入輸出機制下，多根收發天線之間容易有彼此訊號強度(signal strength，SS)差異過大的情況產生，例如：

第一例，在無線網路中，由於訊號是在空氣中傳輸，因此訊號的傳輸容易受到無線通道的影響，例如：多重路徑(multipath)、衰減(fading)、移動(mobility)等，皆可能造成多根收發天線所接收到的訊號強度彼此具有差異。

第二例，天線模組本身的條件即不相同，如不同接收路徑使用不同的天線，而導致天線本身的增益值即具有差異。有些廠商基於成本考量，將同時具有傳送(Transmitter，TX)與接收(receiver，RX)功能的天線設計為採用增益較大的天線(例如：偶極天線)，而單純只有接收功能的天線則使用增益較小的天線(例如：印刷天線)。然而，偶極天線的增益較大，而印刷天線的增益較小，此為天線本身的特性。再者，可能每一根天線所組成的路徑上之外部元件有所不同，如：電阻、電感或開關器等，都將導致天線本身的特性不相同，即天線之間的訊號強度將有所不同。

當天線之間的訊號強度不同(例如：差異過大)，不僅無法獲得多根天線所帶來的好處，還會因某根天線的訊號強度過低，而影響其他天線的接收能力，進而導致整體的資料吞吐量降低。所以，需要一種對多重輸入輸出的傳輸路徑作適當的控制，始可讓MIMO無線網路達到其優點(例如：增加接收穩定性、提升資料吞吐量)。

有鑑於此，本發明提出一種無線網路中傳輸路徑選擇裝置與方法。藉由本發明所提出之裝置或方法，可自動偵測訊號強度並適當的調整連線路徑，用以在採用多重輸入輸出機制的無線網路環境中，可達到資料傳輸效能最佳化的目的。

本發明提出一種無線網路中傳輸路徑選擇裝置，包含：射頻模組、基頻模組及控制模組。射頻模組耦接複數個天線，用以處理天線所分別接收之封包。基頻模組分別依據每一個天線所接收之封包，而產生對應於天線之訊號強度。控制模組耦接基頻模組，用以接收訊號強度，並依據訊號強度的差異，以分別控制天線為致能與禁能其中之一。

本發明亦提出一種無線網路中傳輸路徑選擇裝置，包含：射頻模組、基頻模組及控制模組。射頻模組耦接複數個天線，用以處理天線所分別接收之封包。基頻模組分別依據每一個天線所接收之封包，而產生對應於天線之訊號強度。控制模組耦接基頻模組，用以接收訊號強度，並依據預設規則與訊號強度，以分別控制天線為致能與禁能其中之一。

本發明亦提出一種無線網路中傳輸路徑選擇方法，包含下列步驟：提供複數個天線，且天線分別接收封包；分別依據天線所接收之封包，而產生對應於天線之訊號強度；依據訊號強度的差異，以分別控制天線為致能與禁能其中之一。

有關本發明的較佳實施例及其功效，茲配合圖式說明如後。

請參照「第1圖」，該圖所示為無線網路中傳輸路徑選擇裝置之第一實施例示意圖。本發明所提出之傳輸路徑選擇裝置包含：射頻模組10、基頻模組20及控制模組30。

射頻(radio frequency，RF)模組10耦接複數個天線，如「第1圖」所示具有四個天線11~14，而每一個天線分別接收一個封包(packet)，其中天線的數量可依需求而設定，不以此為限。基頻(base band，BB)模組20分別解調變(de-modulation)每一個天線11~14所接收之封包，而產生對應於每一個天線11~14之訊號強度(signal strength，SS)。

控制模組30依據每一個天線11~14之訊號強度，控制天線為致能(enable)或禁能(disable)。以「第1圖」實施例來說，射頻模組10具有四個天線11~14，而分別構成四條傳輸路徑，但為了避免因天線11~14所分別對應的訊號強度差異過大，而產生如先前技術中所提及的問題，因此本發明提出藉由控制模組30以調整每一個天線的傳輸路徑，使每一個天線在適當的狀態下為致能或禁能，如此可避免因為各天線的訊號強度差異過大，而造成傳輸品質的下降。亦即，利用每一個天線之訊號強度，來做為傳輸路徑選擇機制的判斷指標。

請參照「第2圖」為無線網路中傳輸路徑選擇裝置之第二實施例示意圖。於第二實施例中，控制模組30可包含媒體存取控制(media access control，MAC)層32。媒體存取控制層32藉由媒體存取地址(MAC address)而判斷出該封包是否為正確的來源所發送，且是否為確實要傳送給傳輸路徑選擇裝置的封包。如果是，即可依據該封包所對應的訊號強度，而決定接收該封包的天線為致能或禁能。由圖中也可看出當控制模組30依據訊號強度而產生致能/禁能訊號時，可先將致能/禁能訊號傳送至基頻模組20，再透過基頻模組20將致能/禁能訊號傳送至射頻模組10，因此射頻模組10中的每一個天線11~14會收到相對應的致能/禁能訊號，而決定每一個天線為致能或禁能。

本發明所提出的傳輸路徑選擇裝置可應用於無線網路環境中的站台(STA)或存取點(access point，AP)。此外，本發明所提出的裝置可應用於接收端(receiver，RX)或傳送端(Transmitter，TX)。

此外，控制模組30也可包含驅動層(driver)，該驅動層即為用以驅動傳輸路徑選擇裝置的機制。

底下說明依據訊號強度，而控制各個天線的致能/禁能狀態。根據波茲曼常數的運算及考量一般元件的熱雜訊(thermal noise)等因素，一般在無線網路系統中，訊號強度在-70dBm時，所得到的訊號雜訊比(signal to noise ratio，SNR)約為30dB，且越大的輸入訊號可獲得越高的訊號雜訊比，例如：-50dBm約可得到50dB的訊號雜訊比；-40dBm約可得到60dB的訊號雜訊比。然而，以目前積體電路(IC)的製成技術及元件特性而言，通常射頻IC所能提供的訊號雜訊比約在30dB，而基頻電路所接收的訊號因經過天線及射頻IC，因此訊號雜訊比會被前端的射頻IC限制住，亦即約為30dB。

一般控制模組30所接收的訊號強度會以天線端的絕對訊號強度做百分比的表示，如：-100dBm~0dBm可以表示為0%~100%，所以當基頻模組20的訊號雜訊比需求為大於30dB時，表示天線端的絕對訊號強度需要大於-70dBm，亦即需要大於30%。

一實施例，可採用30dB(若以百分比表示可為30%，當然，依據設計者的不同設計亦可採用其他數值)作為第一門檻值，也就是說當某一個天線的訊號強度小於第一門檻值時，便可考慮是否需將該天線禁能，以避免影響到其他天線的表現效能。此外，須先說明以目前MIMO無線網路系統而言，接收天線的個數需要大於或等於空間訊號流(spatial stream)的個數才能將傳輸訊號正確的解讀出來。也就是說，如果對方傳送一個空間訊號，則接收端(RX)的天線最少需要一個；同理，如果對方傳送兩個空間訊號，則最少需要兩個天線，以此類推。

舉例說明，以「第1圖」與「第2圖」為例，假設空間訊號流的個數為兩個，且射頻模組10具有四個天線11~14，其訊號強度分別為-70dBm、-60dBm、-30dBm、-45dBm，以百分比表示即分別為30%、40%、70%、55%。由於，每一個天線的訊號強度皆大於第一門檻值(30%)，因此四個天線11~14皆為致能，且用四個天線傳輸兩個空間訊號流是沒有問題的。

同樣的情況，假設此時四個天線11~14因為距離變遠，而導致20dB的衰減，使其訊號強度分別變為-90dBm、-80dBm、-50dBm、-65dBm，以百分比表示即分別為10%、20%、50%、35%。此時，天線11與天線12的訊號強度已低於第一門檻值(30%)，若仍將天線11與天線12所接收的資訊拿來運用反而會降低整個無線網路的性能(例如：天線13與天線14接收訊號的能力)，所以應該考慮是否將天線11與天線12禁能。

由於在無線網路環境中許多的因素皆會改變天線接收時的訊號強度，因此為了達到動態控制天線，控制模組30會在每間隔一段預定時間即由基頻模組20中更新每一個天線11~14之訊號強度，如此即可動態控制天線為致能或禁能。

控制模組30控制天線致能或禁能，作為傳輸路徑的選擇機制，詳細步驟之一實施例，說明如下。控制模組30設定第一門檻值與第二門檻值。控制模組30會將每一個天線的訊號強度與第一門檻值做比較。當某一個天線的訊號強度小於第一門檻值時，要進一步做判斷，看是否該天線的訊號強度與其他天線的訊號強度真的差異過多。因此，將訊號強度中最大者與剛剛低於第一門檻值的天線之訊號強度相減，而取得一個差值。若差值大於第二門檻值，表示訊號強度真的差異過大，因此禁能該天線。

在禁能天線的同時，控制模組30紀錄此時訊號強度中最大者的數值，並將訊號強度中最大者的數值加上第三門檻值而產生對應於該禁能天線的致能門檻值。其中，致能門檻值便是該禁能天線可回復為致能狀態的一個參考數值。於此，加上一個第三門檻值的目的是為避免訊號強度的擾動，導致天線被致能後又輕易的回到禁能，而造成連線的不穩定。因此，加上第三門檻值是為了等訊號強度較強時，才讓天線回復致能。所以，第三門檻值可藉由使用者需求的不同而有所不同。

之後控制模組30每間隔一段預定的時間便會更新屬於致能狀態的天線之訊號強度，當致能天線之訊號強度大於等於原本被禁能天線之致能門檻值，即可重新讓該天線致能。

舉例說明如下，假設天線數目如「第1圖」或「第2圖」所示為四個，且空間訊號流的個數為兩個。此外，假設第一門檻值為30%、第二門檻值為18%，以及第三門檻值為5%。起初，四個天線11~14的訊號強度之百分比分別為：60%、55%、32%、29%。此時天線14的訊號強度29%小於第一門檻值30%，且四個天線中訊號強度中最大者為天線11的60%，因此天線11的訊號強度60%減去天線14的訊號強度29%所得之差值為31%，大於第二門檻值18%。因此，將天線14禁能，並記錄下天線14的致能門檻值，亦即60%加上第三門檻值5%，所以天線14所對應的致能門檻值為65%。

當訊號強度變弱或環境有所變化，此時得到的天線11~13之訊號強度分別為53%、56%、29%(由於天線14已被禁能，故沒有訊號強度)。控制模組30發現天線13的訊號強度為29%小於第一門檻值30%，且此時三個天線中訊號強度最大者為天線12的56%，因此天線12的訊號強度56%減去天線13的訊號強度29%所得之差值為27%，大於第二門檻值的18%。因此，將天線13禁能，並記錄下天線13的致能門檻值，亦即56%加上第三門檻值5%，所以天線13所對應的致能門檻值為61%。

目前只剩兩條傳輸路徑，即為天線11與天線12所構成的傳輸路徑。當訊號漸漸回升，使得到天線11與天線12的訊號強度變為61%、59%。此時，可發現仍處於致能狀態的天線中訊號強度最大者為天線11的61%，剛好等於天線13所對應的致能門檻值61%，因此將天線13致能。

此時，已經有三個天線致能，假設訊號繼續回升使天線11~13的訊號強度變為64%、65%、33%。可發現致能狀態的天線中訊號強度最大者為天線12的65%，剛好等於天線14所對應的致能門檻值65%，因此將天線14致能。其中，致能門檻值可藉由實驗、實作得知一適當值，且致能門檻值可為固定的預設值。

請參照「第3圖」，該圖所示為無線網路中傳輸路徑選擇方法之流程圖，包含下列步驟。

步驟S10：提供複數個天線，每一個天線分別接收封包。

步驟S20：分別依據每一個天線所接收之封包，而產生對應於每一個天線之訊號強度。

步驟S30：依據訊號強度的差異，以分別控制每一個天線為致能與禁能其中之一。

除上述步驟外，可包含下列步驟：每當間隔一段預定時間，更新每一個天線之訊號強度，進而動態控制天線。

控制天線致能的數目大於等於空間訊號流的個數。比較訊號強度與第一門檻值；當該天線之訊號強度小於第一門檻值，相減訊號強度中最大者與該天線之訊號強度而產生差值；比較差值與第二門檻值；當差值大於第二門檻值，則禁能該天線。也就是說，當訊號強度的最大差值大於第二門檻值時，則禁能訊號強度小於第一門檻值之天線。其中，第一門檻值可為30dB。

紀錄禁能該天線時之訊號強度中最大者；將訊號強度中最大者加上第三門檻值，而產生對應於該天線之致能門檻值。也就是說，依據訊號強度中的最大訊號強度，而產生致能門檻值。每當間隔一段預定時間，更新致能的天線之訊號強度；當致能的天線之訊號強度大於等於該天線之致能門檻值，則致能原本已被禁能的該天線。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．射頻模組

11、12、13、14．．．天線

20．．．基頻模組

30．．．控制模組

32．．．媒體存取控制層

第1圖：無線網路中傳輸路徑選擇裝置之第一實施例示意圖

第2圖：無線網路中傳輸路徑選擇裝置之第二實施例示意圖

第3圖：無線網路中傳輸路徑選擇方法之流程圖

10．．．射頻模組

11、12、13、14．．．天線

20．．．基頻模組

30．．．控制模組

Claims (26)

1. 一種無線網路中傳輸路徑選擇裝置，包含：一射頻模組，耦接複數個天線，用以處理該些天線所分別接收之一封包；一基頻模組，分別依據每一該天線所接收之該封包，而產生對應於該些天線之複數個訊號強度；及一控制模組，耦接該基頻模組，用以接收該些訊號強度，並依據該些訊號強度的差異，以分別控制該些天線為致能與禁能其中之一，其中各該天線各自的致能與禁能的狀態控制與其他該天線無關。
2. 如請求項1之裝置，其中每間隔一預定時間，該控制模組依據更新的該些訊號強度，用以控制該些天線。
3. 如請求項1之裝置，其中該些天線被致能的數目大於等於一空間訊號流(spatial stream)的個數。
4. 如請求項1之裝置，其中當該些訊號強度的最大差值大於一第二門檻值時，則禁能該訊號強度小於一第一門檻值之天線。
5. 如請求項4之裝置，其中該第一門檻值係為30dB。
6. 如請求項4之裝置，其中該控制模組依據該些訊號強度中的一最大訊號強度，而產生一致能門檻值。
7. 如請求項6之裝置，其中當致能的該天線之該訊號強度大於等於該致能門檻值，則已被禁能的該天線被致能。
8. 如請求項1之裝置，其中該控制模組包含一媒體存取控制(MAC)層。
9. 一種無線網路中傳輸路徑選擇裝置，包含：一射頻模組，耦接複數個天線，用以處理該些天線所分別接收之一封包； 一基頻模組，分別依據每一該天線所接收之該封包，而產生對應於該些天線之複數個訊號強度；及一控制模組，耦接該基頻模組，用以接收該些訊號強度，並依據一預設規則與該些訊號強度，以分別控制該些天線為致能與禁能其中之一，其中各該天線各自的致能與禁能的狀態控制與其他該天線無關。
10. 如請求項9之裝置，其中每間隔一預定時間，該控制模組更新該些訊號強度，用以控制該些天線。
11. 如請求項9之裝置，其中該些天線被致能的數目大於等於一空間訊號流(spatial stream)的個數。
12. 如請求項9之裝置，其中該預設規則係為當該些訊號強度的最大差值大於一第二門檻值時，則禁能該訊號強度小於一第一門檻值之天線。
13. 如請求項12之裝置，其中該第一門檻值係為30dB。
14. 如請求項12之裝置，其中該控制模組依據該些訊號強度中的一最大訊號強度，而產生一致能門檻值。
15. 如請求項14之裝置，其中當致能的該天線之該訊號強度大於等於該致能門檻值，則已被禁能的該天線被致能。
16. 如請求項9之裝置，其中該控制模組包含一媒體存取控制(MAC)層。
17. 一種無線網路中傳輸路徑選擇方法，包含下列步驟：提供複數個天線，該些天線分別接收一封包；分別依據該些天線所接收之該些封包，而產生對應於該些天線之複數個訊號強度；及 依據該些訊號強度的差異，以分別控制該些天線為致能與禁能其中之一，其中各該天線各自的致能與禁能的狀態控制與其他該天線無關。
18. 如請求項17之方法，更包含下列步驟：每當間隔一預定時間，更新該些訊號強度，用以控制該些天線。
19. 如請求項17之方法，其中該複數個天線被致能的數目大於等於一空間訊號流(spatial stream)的個數。
20. 如請求項17之方法，更包含下列步驟：比較該些訊號強度與一第一門檻值；當該天線之該訊號強度小於該第一門檻值，相減該些訊號強度中最大者與該天線之該訊號強度而產生一差值；比較該差值與一第二門檻值；及當該差值大於該第二門檻值，則禁能該天線。
21. 如請求項20之方法，其中該第一門檻值係為30dB。
22. 如請求項20之方法，更包含下列步驟：紀錄禁能該天線時之該些訊號強度中最大者；及將該些訊號強度中最大者加上一第三門檻值，而產生對應於該天線之一致能門檻值。
23. 如請求項22之方法，更包含下列步驟：每當間隔一預定時間，更新致能的該天線之該訊號強度；及當致能的該天線之該訊號強度大於等於該天線之該致能門檻值，則致能該天線。
24. 如請求項17之方法，更包含下列步驟：當該些訊號強度的最大差值大於一第二門檻值時，則禁能該訊號強度小於一第一門檻值之天線。
25. 如請求項24之方法，更包含下列步驟：依據該些訊號強度中的一最大訊號強度，而產生一致能門檻值。
26. 如請求項25之方法，更包含下列步驟：當致能的該天線之該訊號強度大於等於該致能門檻值，則已被禁能的該天線被致能。