允許波束形成和舊式設備共存的無線消息前同步碼的製作方法

2023-10-10 11:29:24 2

專利名稱：允許波束形成和舊式設備共存的無線消息前同步碼的製作方法
允許波束形成和舊式設備共存的無線消息前同步碼相關申請的交叉引用本申請還要求2005年2月8日提交的標題為"Wireless Messaging Preambles Allowing for Beamforming and Legacy Device Coexistence "的 美國臨時申請第60/651,292號的基於35 USCS119(e)的權益，將其全部 內容通過弓I用結合在本文中用於所有目的。將Gardner等人(下文中稱為"Gardner")的與本申請共同轉讓的 美國專利[2005年5月27日提交的標題為"Modified Preamble StructureBetween 802.11A"的美國專利申請第11/140,349號]的全部內容通過引 用結合在本文中用於所有目的。
背景技術：
無線網絡已經變得越來越普及，因為計算機和其它設備無需網絡 節點之間的有線連接就能夠相連接而進行數據通信。 一組用於無線網 絡的標準是IEEE 802.11標準，但其它無線標準或協議也可能被使用作 為替代。由於預期到無線網絡會在不利條件(諸如存在反射、幹涉、 接收機/發射機的移動等)下運行，所以需要做大量工作來通過無線信 道正確地發射和接收數據。無線網絡中典型的節點(在標準中稱為"站")包括接收鏈和發射 鏈。發射鏈典型地包括使信號發射到無線信道中的一些數字處理和模 擬電路(RF、基帶等)。接收鏈典型地包括 一個或多個天線，RF電 路和其它模擬電路，以及數字處理電路，該數字處理電路設法輸出表 示進行發送的發射鏈作為輸入接收到並發射到無線網絡中的信號的數 據流。在一些情況下，接收機使用多個天線來改善信號的接收和/或減 少源自進行發送的發射鏈的誤碼。由於預期到的條件，接收鏈包括各種組件，這些組件被設計成確 保信號能夠在很大程度上被正確地恢復。幾種技術已經被用於恢復信號。 一種技術是使用MIMO (多輸入多輸出)信道。MIMO也被用於 增加給定條件下的帶寬和/或改善接收而不增加帶寬。在IEEE 802.11標準中，至少有兩種廣泛使用的標準，802.11a和 802.11b，並且通信系統和設備可能被要求支持兩種標準和/或被要求在 兩種標準都被使用的區域中工作。對802.11標準的增強已經就位，諸 如802.11g標準，該802.11g標準允許2.4 GHz頻帶(用於802.11b的 頻帶)中的OFDM傳輸(802.11a是OFDM傳輸協議)。802.11a協議支持數據速率為6到54兆比特每秒("Mbps")的5GHz 頻帶中的OFDM傳輸。802.11 b協議支持數據速率為1 、2、 5.5和11 Mbps 的2.4GHz頻帶中的DSSS傳輸。802.11g協議對l、 2、 5.5、 6、 9、 11、 12、 18、 24、 36、 48和54 Mbps的數據速率，混合了2.4GHz頻帶中 的OFDM和DSSS協議。這些協議的數據傳輸是公知的，因此在本文 中不需要對它們進行闡述。它們被記述在例如以下標準中ANSI/IEEE 標準802.11， 1999版;IEEE標準802.11b， 1999; IEEE標準802.1 la， 1999/Amd 1:2000(E)， IEEE 802.11g—正EE標準802.11 ， 1999的2003 修正。將這些參考文獻通過引用結合在本文中用於所有目的。儘管802.11a、 802.11b等標準無線協議在使用中，但現在期望得到 更高的性能。新協議的可能的使用由於如下事實而變得複雜較新協 議的設備可能必須與舊式設備(legacydevice)共存，並且優選地不應 該由於它們的存在而在舊式設備中引起不希望有的錯誤。為了避免衝 突，擴展得超出標準的限制的擴展設備和符合現有標準並且不必要知 曉擴展標準的舊式設備，需要在共同的通信空間中共存。共存是指不同設備能夠在共同的空間中工作並仍能執行它們大部 分的功能。例如，向擴展接收機發射的擴展發射機可能與向舊式接收 機發射的舊式發射機共存，並且擴展設備可在舊式設備通信時通信， 或者至少是這樣，兩個領域滿足這樣的條件當一個領域在通信時， 另一個領域順從這一個領域。共存是很重要的，其使擴展設備(即， 在舊式設備遵從並預期其它設備也遵從的一個或多個標準之外、超出 這些標準或不依從這些標準的設備)的採用和/或使用不會要求替換或 禁用舊式設備的現有基礎結構。波束形成是這樣的技術發射機調節其信號，使得信號在一些方向上比其它方向更強。在總功率消耗相同的情況下，波束形成使有利 方向上的信號增強(提供增強的健壯性、範圍等)，同時使不利方向上 的信號減弱。發明內容使用可能與舊式設備所使用的標準不同的協議來工作的擴展設 備，使用改進的前同步碼。在這樣的"混合模式"環境中，改進的前 同步碼優選地使得舊式設備將並非送往該舊式設備的分組解釋為有效分組，並適當地延遲。在"綠場(green field)"環境中，所有設備都知 曉改進的協議，可以考慮這樣的情況使得前同步碼不需要被約束成對 於舊式設備而言可理解。在使用波束形成的情況下，分組的一部分(諸 如其前同步碼的全部或部分)可能被全向地發送並且其餘的部分使用 波束形成來發送。結果，分組協議應該使得接收機(和/或發射機)能 夠考慮分組持續時間內可能的增益變化來處理分組。改進的前同步碼優選地包括促進這樣的操作的特性。改進的前同 步碼可包括分組欄位中的一個或多個欄位中的改進。因此，前同步碼可以使較新協議的設備和舊式設備共存。較新協 議的設備可使用波束形成來改善傳輸，同時允許(舊式的和較新協議 的)接收機適當地處理信號，即使接收機是舊式接收機且不需要接收 從較新協議接收機發射的數據。下面的詳細描述連同附圖一起，將提供對本發明的本質和優點的 更好的理解。


圖l示出了傳統802.11a前同步碼的結構。圖2示出了用於傳統802.11a前同步碼的長訓練符號序列L,的以 DC子載波開始的頻域符號。圖3示出了經由無線網絡連接的若干設備。圖4示出了經由無線網絡連接的若干設備，其中至少一個設備波 束形成其傳輸。圖5示出了改進的前同步碼，其可用在沒有波束形成並具有兩個發射天線的混合模式環境中。圖6示出了改進的前同步碼，其可用在沒有波束形成並具有三個 或四個(可擴展到其它值)發射天線的混合模式環境中。圖7示出了改進的前同步碼，其可用在具有波束形成和兩個發射 天線的混合模式環境中。圖8示出了改進的前同步碼的另一變體，其可用在具有波束形成 和兩個發射天線的混合模式環境中。圖9示出了改進的前同步碼，其可用在具有波束形成和三個或四 個(可擴展到其它值)發射天線的混合模式環境中。圖IO示出了改進的前同步碼，其可用在具有波束形成和兩個發射 天線的綠場環境中。圖11示出了改進的前同步碼的另一變體，其可用在具有波束形成 和兩個發射天線的綠場環境中。圖12示出了改進的前同步碼的另一變體，其可用在具有波束形成 和兩個發射天線的綠場環境中。圖13示出了改進的前同步碼的另一變體，其可用在具有波束形成 和兩個發射天線的綠場環境中。圖14示出了改進的前同步碼，其可用在具有波束形成和三個或四 個發射天線的綠場環境中。
具體實施方式
在根據本發明的各方面的通信系統的實施例中，提供了新穎的前 同步碼和其它元素。在本文中描述改進的前同步碼的使用。這些改進的前同步碼可用 在通過無線網絡(諸如服從802.11a的無線網絡)發送的分組中。具有 改進的前同步碼的這樣的分組可由根據本發明的實施例的發射機發 送，以由根據本發明的實施例的接收機接收，以及由舊式接收機接收， 而該舊式接收機並未配置成如同根據本發明的實施例的接收機那樣接 收和解釋改進的前同步碼。IEEE 802.1 la標準定義具有圖1所示的結構的20微秒長度的前同 步碼，其具有短訓練符號S (每個為0.8微秒)、保護間隔LG、長訓練符號L (每個為3.2微秒)和信號欄位(4微秒)。前同步碼後面跟隨著 數據。前八個微秒包括十個相同的短訓練符號S，它們被用於分組檢測、 自動增益控制和粗頻率估計。第二個八微秒包括兩個相同的長訓練符 號L，它們前面是保護間隔LG，該保護間隔LG與長訓練符號L的後 半部分(1.6微秒)的模式(pattern)相同。長訓練符號可用於信道估 計、定時和細頻率估計。圖2示出了長訓練序列L,，其被用於生成表示傳統802.1 la前同步 碼中的長訓練符號("LTS")的信號。該序列表示在多個子載波上使用 的值。如標準中規定的那樣，子載波跨越20 MHz信道並且該20 MHz 信道具有64個子載波，它們以312.5 kHz間隔開。按照慣例，此處使 用的序列中的第一個值是用於DC子載波的值，隨後是用於1x312.5 kHz子載波的值，然後是用於2x312.5=625 kHz子載波的值，等等，直 到用於31x312.5 kHz=9687.5 kHz子載波的第32個值。第33個值對應 於-10MHz子載波，隨後是-(10MHz-312.5 kHz)子載波，等等，第64 個值是用於-312.5 kHz子載波的值。發射機的輸出是樣點速率為64樣點/符號的訓練符號。在該實例 中，樣點是通過取長訓練序列L,的64點IFFT (逆快速傅立葉變換) 獲得的。如本文中使用的那樣，頻域中的序列是以大寫字母(例如L(k)) 表達的，同時相應的時間序列是以小寫字母(例如l(k))表達的。圖3僅示出了用於所示的發射機和接收機之間的通信的無線網絡 的一個實例。如圖所示，兩個無線設備102(1)、 102(2)可能使用並解釋 改進的前同步碼，同時舊式無線設備104可能不預期改進的前同步碼， 但可能偵聽到表示這樣的前同步碼的信號。擴展無線設備102可能使 用多個信道和/或多個發射天線和/或多個接收天線工作。設備可能具有 單個發射天線和單個接收天線，或多於一個發射天線和/或多於一個接 收天線。儘管示出了獨立的發射天線和接收天線，但在一些設備中天 線可能既用於發射也用於接收。邊界106不是物理邊界，而是示出用來表示這樣的空間在該空 間內，信號可從該空間內的設備接收。因此，當一個設備在邊界106 內發射表示分組的信號時，邊界106內的其它設備拾取該信號，並且 如它們被編程的那樣，將試圖確定是否信號表示分組，並且如果信號表示分組，那麼解調/解碼分組從而獲得其中表示的數據。無線設備的構造和組件是公知的，並且無需在此處詳細說明。例 如，無線設備可能具有一個或多個具有發射部和接收部的天線。每個部分可包括RF組件、基帶數字組件、信號處理組件和數據操縱(data handling)組件。數字組件可被實現為提供給通用處理器(諸如數字信 號處理器)或專門用於執行數位訊號處理指令的處理的硬體的指令。 例如，前同步碼可被實現為處理器在其生成待發射的信號時或在其解 釋接收到的信號時所讀取的存儲指令序列或數據表中的數據。圖4示出了圖3的網絡，其具有額外的無線設備102(4)。該無線 設備102(4)是擴展無線設備。圖4還顯示了波束圖110的實例，其中 波束圖110的節點的大小粗略地表示特定方向上的信號強度。在該實 例中，從無線設備102(1)的發射機到舊式無線設備104的信號弱，這 在處於擴展模式時是期望的。對於無線設備102(2)而言，信號可能比 未使用波束形成的情況更強，這在通信路徑建立在無線設備102(1)和 無線設備102(2)之間時是有益的。對於無線設備102(4)而言，信號可能 比未使用波束形成的情況更弱，這不應該是問題，如果正被波束形成 的業務不是針對無線設備102(4)的話。一個顧慮是處於信號的強節點中的無線設備以外的無線設備可能 無法具有足夠的信號強度來確定分組的發送目的地是否是它們。優選 地，非信號發送目的地的節點將不會感到困惑並且不會試圖發射。優選地，改進的前同步碼使得1)擴展接收機(例如知曉改進的 前同步碼的接收機)可接收改進的前同步碼的不同變體並相應地處理 它們(在使用波束形成時包括信道估計)，2)舊式接收機(例如未被 配置成接收和解釋改進的前同步碼並且可能不預期擴展的操作的接收 機)可接收足夠的分組來確定要麼舊式接收機可以理解分組，要麼可 以延遲進入信號的處理一定時間從而允許實現共存的措施，和3)改進 的前同步碼根據需要是同步化和/或信道估計。在根據本發明的無線設 備的一些實施例中，使用了改進的前同步碼，它們提供上面指出的優 選特性中的一個、兩個或全部。在本文中顯示出了前同步碼結構的一些實例，並且本領域的普通 技術人員在閱讀了本公開之後可以得出若干滿意的改進的前同步碼結構。一些IEEE 801.11標準規定基於能量檢測的延遲行為，其提供某種 程度的共存。然而，為了保證舊式設備適當地延遲下至所需接收功率 水平的所有擴展模式分組，接收機即使在存在不利於接收機的波束形 成(即，引導波束遠離接收機)的情況下，也應該能夠成功地解碼信 號欄位，因為信號欄位包含分組的長度信息並被用於確定延遲時間。一些前同步碼的問題是當波束形成(BF)被應用於傳輸時，它們 不足夠健壯，因為在存在BF的情況下還會涉及信道估計，並且可能沒 有足夠的前同步碼來允許信道估計。例如，在存在舊式設備並且它們 不處理BF的情況下，前同步碼的一部分應該不進行波束形成，以允許 舊式設備理解前同步碼的至少一部分並隨後適當地延遲。在發射機提供前同步碼的非BF部分並隨後提供BF部分的情況 下，應對BF部分再進行AGC，因為增益可能預期會改變。當然，如 果已知不存在舊式設備("綠場"環境)，則協議可得以簡化。來自擴展(即，非舊式)發射機的前同步碼應使得它們不會"中 斷(break)"舊式接收機。例如，對前同步碼的改變應使得在可能的情 況下，舊式接收機中的相關檢測器不會出故障(break down)，而是偵 聽足夠的前同步碼來確定傳輸並非讓舊式接收機解釋。作為故障的實 例， 一些檢測器跨過STS-LTS邊界，並且STS (短訓練符號)和LTS (長訓練符號)上的不同循環移位將會使這樣的檢測器出故障。如下面將描述的那樣，可以有多種模式，對每種模式採用不同的 前同步碼。作為實例，無線網絡可包括擴展設備和舊式設備共存的混 合模式空間(MM)，或者無線網絡可被限制為已知僅擴展設備處於範 圍內的綠場(GF)。對於一些傳輸，可能使用波束形成，而在其它情況 下可能不使用波束形成。對於這些可能性，存在四種可能的模式1. 混合模式，沒有波束形成2. 混合模式，有波束形成3. 綠場模式，沒有波束形成4. 綠場模式，有波束形成可能需要額外的變量來說明其它的選項，諸如發射天線的數量。 圖5-14示出了解決各種問題的前同步碼的若干實例。在許多這些實例中，假定在20MHz信道中傳輸，如同現有標準一樣。然而，這些前同 步碼可被擴展用於40 MHz信道。例如，在WWiSE建議草案IEEE doc. 802.1 l-04/0886r6中記述的40 MHz配置可與本文中所示的20 MHz前 同步碼的配置結合。在圖5中，顯示出了用於沒有波束形成並具有兩個發射天線(TX1、 TX2)的混合模式的前同步碼。如圖所示，SS2o和LS2。分別是傳統 802.11a (或類似標準)的短符號和長符號。短符號包括800納秒(nsec) 序列的10次重複(共8微秒)，同時，長符號包括1.6微秒保護時段， 以及3.2微秒序列的兩個副本(共8微秒)。短符號和長符號後面跟隨 著SIG-MM欄位，該欄位可以僅是802.11a SIGNAL欄位。通過適當地選擇定時，舊式檢測器可操縱前同步碼，儘管它可能 不能夠理解剩餘的分組。舊式檢測器能夠理解足夠的分組來確定分組 不是發送給它的以及該分組傳輸將持續的時間，使得舊式設備知道它 應保持安靜(quiet)多長時間，這通常是足夠好的。當擴展設備在向 擴展設備發送的情況下僅使用改進的前同步碼並且在向舊式設備發送 的情況下僅使用傳統前同步碼時，舊式設備無需理解剩餘的分組。在一些實現方案中，TX2的舊式部分上的循環移位可以較小，在 SIG-MM欄位後具有幾個額外的短符號(優選4微秒)以為AGC調節 留出更多的時間和樣點。如果使用波束形成，則波束形成可以在其它 設備的延遲之後應用於跟隨在SIG-N欄位之後的分組欄位。應注意，對於標準的十次重複短符號，3.0微秒循環移位是200納 秒的提前(advance)。此外，對於長符號，1.6微秒循環移位是長符號 序列的正好一半的移位。圖6顯示出用於沒有波束形成並且具有三個或四個天線的混合模 式的前同步碼。應注意， 一些欄位中的每個欄位被循環移位不同的量。 例如，在短符號的情況下，TX2被提前200 nsec， TX3被提前100 nsec， 並且TX4被滯後100 nsec (使得每個欄位都被移位800納秒序列的四 分之一或一半)，並且對於長符號，TX2被提前/滯後半個序列，同時 TX3和TX4被移位不同的量。也可使用提前/滯後量的其它選擇作為替 代。在SIG-N欄位之後，發送長符號的變體(對於TX3和TX4而言， 包括長符號乘以-l)。可以使TX2、 TX3和TX4的舊式部分上的循環移位更小，但是接 著在SIG-MM欄位之後需要幾個額外的短符號(優選4微秒)以為AGC 調節留出更多時間和樣點。圖7-8以兩個變體示出了用於兩個發射機的具有波束形成的混合 模式。在每個情況中，都使用了短符號"半欄位(halffidd)"—SS2。 SS2o半欄位可以僅是標準短符號800 nsec序列的五次重複。在一些發 射機中，半欄位是跟隨在SIG-N欄位之後發射的，如同圖7的前同步 碼一樣。由於可以預期舊式設備在此時已經延遲，所以半欄位將不會 中斷舊式設備。這是用於任選的BF模式的前同步碼的一個變體，並且 其它變體是可能的。在使用波束形成的一些實施例中，信號在SIG-N欄位之後被波束 形成.，SIG-N欄位之後的額外欄位可用於循環移位定位(cyclic shift feces)、額外的AGC步驟和/或BF訓練。用於操縱信號和使其變成非 均勻波束的硬體和控制技術可以是本領域的普通技術人員已知的傳統 波束操縱硬體和控制技術。SIG-N欄位優選地包含額外的位來指示前同步碼用在波束形成模 式中。當接收機注意到該額外的位時，在存在分組的非波束形成的舊 式部分的情況下，接收機應該預期到在波束改變形狀時必須調節AGC (以及可能的其它信道參數)。在圖8的變體中，被移位的長符號序列的賦值是相反的。圖9示出了用於具有波束形成和三個或四個發射天線的混合模式 的前同步碼。這些前同步碼的變體可從圖9和圖7-8所示的變體得出。圖10-14示出了用在綠場(即，舊式設備不存在或不需要考慮舊式 設備)中的前同步碼。對於綠場("GF")和無波束形成("BF")，可 能不需要調節。圖10-13示出了可用於具有兩個發射天線的GF/BF的變體。前同 步碼包括額外的AGC步驟和BF訓練。SIG-N欄位可包含額外的位來 指示前同步碼用于波束形成模式，至少用於跟隨在SIG-N之後的部分， 因此AGC應被調節(特別在認為舊式部分沒有被波束形成時)，並且 應進行頻域訓練。圖14示出了三個或四個天線的GF/BF的前同步碼。應注意，因為SIG-N欄位中的位指示這是經過波束形成的前同步碼，所以"GF/noBF" 前同步碼不必是完整的並且頻域訓練可立刻開始。用於三個或四個發射天線情況的類似於圖11-13所示變體的變體， 可通過根據圖14所示的前同步碼進行擴展而得出。本發明的上述實施例是說明性的而不是限制性的。多種替代和等 效體都是可能的。本發明不受所執行的編碼、解碼、調製、解調、均 衡、濾波等的類型的限制。本發明不受限於發射或接收天線的數量。 本發明不受用於傳輸數據的速率的限制。本發明不受可在其中配置本 公開的集成電路的類型的限制。本公開也不受限於任何特定類型的工 藝技術，例如可用於製造本公開的CMOS、 Bipolar或BICMOS。在考 慮到本公開後，其它的添加、減少或修改是顯而易見的，並且應落入 所附權利要求的範圍內。儘管已經參照示例性實施例描述了本發明，但是本領域的技術人 員將認識到多種修改也是可能的。例々卩，本文中所述的處理可使用硬 件組件、軟體組件和/或它們的任意組合來實現。本文中所述的多個天 線可包括優選但不是必須在空間上隔開的單獨的天線，但是通過使用 極化或其它技術，也可以將單個物理天線用於多於一個發射流或接收 信號。因此，儘管已經參照示例性實施例描述了本發明，但是可以理解 的是，本發明應覆蓋所附權利要求的範圍內的所有修改和等效體。
權利要求
1.一種在包括多個節點的無線網絡中發射信號的方法，其中每個節點由無線設備支持，所述方法包括在擴展無線設備上處理數據以將所述數據作為分組發射，其中所述擴展無線設備是配置成使用每個節點設備都理解的標準協議和舊式節點設備不理解的擴展協議進行通信的設備；確定所述分組將被發送給擴展設備還是舊式設備；如果所述分組將被發送給擴展設備，則發送所述分組的前同步碼，所述前同步碼可在擴展模式下用在擴展設備上，並且可用在進行接收的舊式設備上以確定所述進行接收的舊式設備不是跟隨在所述前同步碼後面的數據的目的地；以及如果所述分組將被發送給擴展設備，則等待一段時間直到所述進行接收的舊式設備被預期將要延遲所述網絡，然後波束形成所述分組的其它部分。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述標準協議是802.11a、 802.1 lb和/或802.1 lg協議。
3. 如權利要求1所述的方法，其中所述前同步碼包括不同於傳統 802.11a長訓練模式的改進後的長訓練模式。
4. (取消)
5. 如權利要求1所述的方法，其中使用多個發射天線中的多於一 個發射天線發射所述前同步碼的至少一部分，使得所述前同步碼的所 述至少一部分可由一個或多個接收機接收和處理。
6. 如權利要求1所述的方法，其中所述前同步碼的所述至少一部 分包括一個或多個被循環移位的短訓練序列、長訓練序列和/或信號字 段。
全文摘要
在混合模式環境和綠場環境中工作的擴展設備使用改進的前同步碼來容納傳輸的波束形成。在一個處理中，擴展無線設備處理數據以將該數據作為分組發射，其中擴展無線設備是配置成使用每個節點設備都理解的標準協議和舊式節點設備不理解的擴展協議進行通信的設備。如果分組將被發送給擴展設備，則擴展無線設備發送分組的前同步碼，該前同步碼可在擴展模式下用在擴展設備上，並且可用在進行接收的舊式設備上以確定該進行接收的舊式設備不是跟隨在前同步碼後面的數據的目的地。一旦進行接收的舊式設備被預期將要延遲網絡，擴展無線設備就可以在與擴展設備的通信中波束形成其信號，或者採用不同於舊式協議的協議。
文檔編號H04J3/22GK101253720SQ200680010957
公開日2008年8月27日 申請日期2006年2月8日 優先權日2005年2月8日
發明者A·范澤斯特, R·D·J·范尼, V·K·瓊斯 申請人:阿爾構網絡股份有限公司