使用空分多址(sdma)同時和多個移動站通信的無線訪問點的製作方法
2023-11-04 04:21:42 2
專利名稱：使用空分多址(sdma)同時和多個移動站通信的無線訪問點的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及計算機網絡，更具體地涉及無線網絡。
背景技術：
無線網絡通常包括移動站和訪問點。訪問點可以和許多不同移動站進行通信，但通常每次只與一個移動站進行通信。
圖1示出了無線網絡的圖示；圖2和3示出了評估通信信道的信道狀態信息的幀序列；圖4至9示出了空分多址下載幀序列；圖10示出了根據本發明各種實施例的系統圖示；以及圖11示出了根據本發明各種實施例的流程圖。
發明詳述參考附圖進行下述詳細描述，附圖通過闡述的方式示出了可實踐本發明的具體實施例。足夠詳細地描述了這些實施例，使得本領域技術人員可以實踐本發明。將會了解到，儘管本發明的各種實施例互不相同，但是這些實施例不一定是相互排斥的。例如，在不離開本發明的精神和範圍的情況下，在此結合一個實施例所描述的具體特徵、結構、或特性可以在其它實施例中得到實施。此外，將會了解到，在不離開本發明的精神和範圍的情況下，可以調整每個所公開實施例內各個元件的位置或排列。因此，下述詳細描述不是起限制作用，本發明的範圍只由得到恰當解釋的所附權利要求書以及這些權利要求書所主張的等效描述的全部範圍來定義。在附圖中，相同的附圖標記在所有多個圖示中表示相同或相似的功能。
圖1示出了無線網絡。無線網絡100包括訪問點(AP)102和移動站(STA)110、120、和130。在一些實施例中，無線網絡100為無線區域網路(WLAN)。例如，移動站110、120和130或訪問點102中的一個或多個可符合諸如ANSI/IEEE標準802.11(1999版)的無線網絡標準而工作，儘管這並不限制本發明。這裡所使用的術語「802.11」指任何過去、現在、或未來的IEEE 802.11標準，包括但不限於1999版。
下面將解釋，在一些實施例中，移動站110、120、和130符合802.11標準而工作，訪問點102能夠維持和多個移動站同時進行遵從802.11標準的通信。移動站110、120、和130可以是能夠在網絡100中進行通信的任意類型的移動站。例如，該移動站可以是計算機、個人數字助理、無線蜂窩電話等。
訪問點102使用信號112與移動站110(也稱為「STA1」)進行通信。訪問點102使用信號122和移動站120(也稱為「STA2」)進行通信，使用信號132和移動站130(也稱為「STA3」)進行通信。當訪問點102發送信號到一個或多個移動站時，稱為「下行鏈路」，當訪問點102從一個或多個移動站接收信號，稱為「上行鏈路」。在本發明的各種實施例中，訪問點102可以同時與下行鏈路上的多個移動站進行通信，並可同時與上行鏈路上的多個移動站進行通信。
訪問點102包括天線104。訪問點102可以是具有能夠使用空分多址(SDMA)進行通信的多個天線的任意類型的訪問點。空分多址這種技術可實現從具有多個天線的一個無線裝置到具有/不具有多個天線的其它無線裝置同時多重獨立地傳輸。例如，在一些實施例中，訪問點102利用下行鏈路上的SDMA向移動站110、120或130中的兩個或多個同時發送。同樣地，例如在一些實施例中，訪問點102利用上行鏈路上的SDMA從移動站110、120或130中的兩個或多個同時接收數據。這裡所使用的術語「並行站」、「並行組」、或「並行STA」是指同時和訪問點102通信的一組移動站。
在本發明的一些實施例中，訪問點102中的介質訪問控制層(MAC)控制SDMA發送到並行STA的時序和內容。例如，訪問點102中的MAC可協調發送到多個站的各幀的時序，使得各幀的結束時間相互接近。當多個移動站做出響應時，MAC接收該響應，即使這些響應在時間上交疊。下面參考圖4至9描述SDMA發送的各種實施例。
通過利用環境中的空間信道，空分多址同時增大了用戶密度和網絡流通量。例如，通過AP和多個STA之間的信號路徑和天線圖形的組合，可以形成多個空間信道。
在一些實施例中，訪問點102可對下行鏈路和上行鏈路的信號使用迫零成束器(zero-forcing beamformer)以實現SDMA。對於使用已知信道狀態信息消除SDMA幹擾，迫零成束器是一種已知技術。在一些實施例中，在先前的上行鏈路包接收期間，由訪問點102收集信道狀態信息。收集狀態信息的各種實施例也稱為「評估空間信道」，下面參考圖2和3描述這些實施例。
圖2和3示出了用於評估通信信道的信道狀態信息的幀序列。在一些實施例中，可在SDMA發送和接收之前獲得並行組中所有STA的信道狀態信息。現在參考圖2，AP發送短幀並迫使STA返回短幀。如圖2所示，在一些實施例中，AP依次發送IEEE 802.11空數據幀到STA，並根據所接收的確認(ACK)幀評估STA信道。例如，如圖2所示，AP發送空數據幀210到STA1，返回ACK幀212；AP發送空數據幀220到STA2，返回ACK幀222；AP發送空數據幀230到STA3，返回ACK幀232。可在使用802.11MAC協議的點協調功能(PCF)或分布式協調功能(DCF)進行信道訪問之後應用圖2所代表的實施例，但本發明不限於這個方面。在一些實施例中，發送空數據幀可能具有設置該範圍內所有STA的NAV的副作用，因為可使用標稱全向天線圖形發送這些空數據幀。
在一些實施例中，空數據幀和ACK幀之外的其它幀被用於評估空間信道。例如，在一些實施例中，諸如IEEE802.11請求發送(RTS)和清除發送(CTS)幀的各種幀可用於評估空間信道。在一些實施例中，使用802.11MAC協議的DCF在信道訪問之後發送RTS和CTS幀。不管使用何種類型的幀，網絡分配矢量(NAV)可被發送到最後一個ACK或CTS的終點，以防止無意識的STA在SDMA訓練過程中獲得該介質。每當AP丟失STA的信道信息時，可採用空間信道評估的各種實施例來更新信道信息。在不離開本發明的範圍的情況下，可以使用許多不同的可能幀類型來評估空間信道。
現在參考圖3，AP利用空數據幀和RTS幀的組合，迫使STA返回短幀。在圖3所代表的實施例中，可以使用RTS幀(該幀請求CTS響應)替代最終的空數據幀。在一些實施例中，這可能產生設置範圍內所有STA的NAV的副作用，這是因為可以使用全向天線圖形發送RTS和CTS。
圖4至7示出了和使用IEEE 802.11點協調功能(PCF)的並行通信相對應的SDMA幀序列。在一些實施例中，在信道無競爭周期(CF)使用PCF發送幀。在該信道無競爭周期，STA無法初始化幀交換序列，因為其NAC計時器阻止使用DCF的信道訪問。這些站只在兩種情形下發送幀在接收到發送給它的數據(或管理)幀之後，STA發送一確認幀(ACK)；以及在接收到具有信道無競爭輪詢(CF-Poll)的幀之後，STA發送幀。換而言之，STA只有在當AP請求響應時的信道無競爭周期內才發送幀。該STA可包括已輪詢、未輪詢、可輪詢、及不可輪詢的STA。
現在參考圖4，AP使用SDMA將Data幀或Data+CF-Ack幀發送到並行STA，隨後切換到接收模式從而使用SDMA並行地接收來自STA的ACK。例如，該AP發送Data幀402到STA1，Data+CF-Ack幀404到STA2，Data幀406到STA3。在一些實施例中，下行鏈路上同時發送的多個幀在時間上得到協調，使得這些幀都終止於預定時間窗口內。例如，如圖4所示，幀402、404、和406都終止於預定的時間窗口，該預定的時間窗口等於一個IEEE 802.11短幀間間隔(SIFS)。在一些實施例中，該預定時間窗口大於或小於一個SIFS。例如，在一些實施例中，該預定時間窗口基本上等於短幀間間隔(SIFS)周期加上10％的時隙。
響應於被發送到STA的幀，STA將ACK幀返回到AP。例如，STA1發送ACK幀408，STA2發送ACK幀410，STA3發送ACK幀412。儘管在圖4所示的情形中，STA2可聽到STA1發送ACK，STA2將仍然發送其ACK，因為無論是信道閒置或忙碌狀態，遵從802.11標準的STA將會發送ACK(或CF-ACK)。
通過使用SDMA，AP能夠同時在不同的空間信道內發送信息到並行STA。另外，AP能夠使用分離的空間信道同時從並行STA接收信息。如圖4所示，在第一響應的預期開始時間之前終止該並行發送。通常，該並行發送都終止於寬度和短幀間間隔(SIFS)相關的時間窗口內。
現在參考圖5，AP發送下述IEEE 802.11類型的多個幀Data、Data+CF-ACK、ACK、或CF-ACK幀。另外，在一些實施例中，AP可在各幀內添加單個CF-Poll，從而請求來自一個STA的數據。如果添加了CF-ACK，可在並行發送組中發送Data+CF-ACK、Data+CF-ACK+CF-Poll、CF-ACK+CF-Poll幀之一。圖4和5所示的下行鏈路序列通常不會導致上行鏈路中的再次發送。相反，下述圖6中的下行鏈路序列會導致上行鏈路中的再次發送。
現在參考圖6，AP在並行發送組中和多個CF-Poll一起發送Data幀，請求和上行鏈路通信。該時序關係和上面參考圖4所述的時序關係相同。如果來自請求確認的多個STA的上行鏈路幀的終止時間點落在一時間窗口內(例如一個SIFS周期加上10％的時隙)，該AP並不導致上行鏈路中的再次發送。在一些實施例中，只有請求確認的那些上行鏈路幀對該時間窗口有意義。如果該終止時間點遍布該時間窗口，則該AP仍從STA接收確認，但它不會及時地確認所接收到的上行鏈路Data幀。如果該AP延遲發送該確認，可能導致上行鏈路中的再次發送，具體取決於STA上的ACK超時實現。圖6所示的具體示例不導致上行鏈路再次發送。
現在參考圖7，示出了通過在保護間隙(例如一個SIFS周期)內發送數據而改善效率的示例。在該示例中，AP知道STA1有數據要發送，STA2無數據要發送。可從先前接收的幀的更多數據欄位中檢索該信息。該AP預計STA1的上行鏈路發送應長於STA2的上行鏈路發送。因此，AP發送到STA2的數據多於發送到STA1的數據，從而利用STA1的數據發送和接收之間的保護間隙。
圖8和9所示的幀序列對應於使用分布式協調功能(DCF)的並行通信。該AP設置鄰近所有STA的網絡分配矢量(NAV)，從而防止無意識的STA幹擾成束信號。通過使用標稱全向輻射天線發送RTS或CTS可設置NAV。圖8示出了使用廣播CTS幀設置NAV的AP，圖9示出了使用尋址到並行組中一個STA的單播RTS幀設置NAV的AP。如先前各圖所示，協調各並行幀的結束時間使其終止於一時間窗口。在一些實施例中，該時間窗口和短幀間間隔(SIFS)有關；在一些實施例中，該時間窗口基本上等於短幀間間隔(SIFS)周期加上10％的時隙。
圖10示出了根據本發明各種實施例的系統圖示。電子系統1000包括天線1010、無線電接口1020、物理層1030、介質訪問控制(MAC)機制1040、乙太網接口1050、處理器1060、和存儲器1070。在一些實施例中，電子系統1000為能夠與遵從802.11標準的多個移動站並行通信的訪問點。例如，電子系統1000可在網絡100中被用作訪問點102。同樣地，例如電子系統1000可以是能夠使用先前各圖所示幀序列與移動站通信的訪問點。
在一些實施例中，電子系統1000可代表包括訪問點以及其它電路的系統。例如，在一些實施例中，電子系統1000可以為包括作為外圍設備或用作集成單元的訪問點的計算機，例如個人計算機、工作站等。此外，電子系統1000可包括在網絡中被耦合到一起的一系列訪問點。
工作中，系統1000使用天線1010發送並接收信號，該信號由圖10所示的各種元件處理。天線1010可以是天線陣列，或者是支持SDMA的任意類型天線結構。
無線電接口1020耦合到天線1010，從而與無線網絡相互作用。無線電接口1020可包括支持射頻(RF)信號的發送與接收的電路。例如，在一些實施例中，無線電接口1020包括RF接收機，從而接收信號以及執行諸如低噪聲放大(LNA)、濾波、頻率轉換等的「前端」處理。另外，在一些實施例中，無線電接口1020包括支持SDMA處理的成束電路。同樣地，例如在一些實施例中，無線電接口1020包括支持上變頻的電路以及RF發射機。本發明不受無線電接口1020的內容或功能的限制。
物理層(PHY)1030可以是任何恰當的物理層。例如，PHY 1030可以是遵從IEEE 802.11標準或其它標準的物理層的電路塊。這些示例包括但不限於直接序列擴展頻譜(DSSS)、頻率跳躍擴展頻譜(FHSS)、以及正交分頻多路復用(OFDM)。
介質訪問控制(MAC)機制1040可以是任何適當的介質訪問控制層。例如，MAC 1040可以實施為軟體或硬體或其任意組合。在一些實施例中，MAC 1040的一部分可實施為硬體，一部分可實施為由處理器1060執行的軟體。此外，MAC 1040可包括與處理器1060分離的處理器。MAC 1040可實現本發明的任意一個並行通信實施例。例如，MAC 1040可提供各個幀及其協調計時，從而使用SDMA獲得並行通信。
處理器1060可執行本發明的方法實施例，例如方法1100(圖11)。處理器1060代表任意類型的處理器，包括但不限於微處理器、數位訊號處理器、微控制器等。
存儲器1070代表包括機器可讀取介質的物品。例如，存儲器1070代表隨機訪問存儲器(RAM)、動態隨機訪問存儲器(DRAM)、靜態隨機訪問存儲器(SRAM)、只讀存儲器(ROM)、快閃記憶體，或包括處理器1060可讀取介質的任意其它類型物品。存儲器1070可存儲用於執行本發明各種方法實施例的指令。
乙太網接口1050可提供電子系統1000和其它系統之間的通信。例如，在一些實施例中，電子系統1000可以是利用乙太網接口1050與有線網絡通信或與其它訪問點通信的訪問點。本發明的一些實施例並不包括乙太網接口1050。例如，在一些實施例中，電子系統1000為使用總線或其它類型埠與計算機或網絡通信的網絡接口卡(NIC)。
圖11示出了根據本發明各種實施例的流程圖。在一些實施例中，方法1100可用於使用SDMA和並行移動站通信。在一些實施例中，使用訪問點、處理器、或電子系統(在各圖中示出了其實施例)執行方法1100或其一部分。方法1100不限於特定類型的設備、軟體單元、或執行該方法的系統。可按所示的順序執行方法1100中的各種動作，或者可以按不同的順序執行這些動作。此外，在一些實施例中，方法1100省略了圖11所列舉的一些動作。
方法110被示成起始於塊1110，其中訪問點評估用於多個站的空間信道。在一些實施例中，這對應於依次發送幀到該多個站的每一個站，並接收返回的幀。例如，再次參考圖2，可發送空數據幀，並且可以接收ACK幀。同樣，例如再次參考圖3，可發送RTS幀，並且可以接收CTS幀。在一些實施例中，根據所接收的幀評估每個空間信道。
在1120，幀被發送到多個站的每一個站，其中對這些幀計時使其終止於預定窗口。在一些實施例中，該幀具有和IEEE 802.11標準兼容的格式。可使用點協調功能(PCF)或分布式協調功能(DCF)發送幀。可發送任意類型的恰當的幀，包括但不限於RTS、CTS、輪詢幀、以及非輪詢幀。該預定窗口的長度和短幀間間隔(SIFS)或其它間隔的長度有關。例如，在一些實施例中，該預定窗口基本上等於SIFS加上10％的時隙。
儘管已經結合特定實施例描述了本發明，但應該了解到，在不離開本領域技術人員能夠容易理解的本發明的精神和範圍的情況下可進行諸多調整和改變。這種調整和改變被認為落在本發明及所附權利要求書的範圍之內。
權利要求
1.包括將幀發送到多個站的方法，其中該幀被協調成終止於預定的時間窗口內。
2.權利要求1的方法，其中該幀具有兼容IEEE 802.11標準的格式。
3.權利要求2的方法，進一步包括在發送幀到多個站之前發送清除發送幀。
4.權利要求3的方法，其中發送清除發送幀包括設置網絡分配矢量。
5.權利要求1的方法，其中發送幀到多個站是作為分布式協調功能的一部分被執行。
6.權利要求1的方法，其中發送幀到多個站是作為點協調功能的一部分被執行。
7.權利要求1的方法，其中該預定時間窗口和短幀間間隔有關。
8.權利要求7的方法，其中該預定時間窗口基本上等於短幀間間隔加上10％的時隙。
9.權利要求1的方法，其中使用空分多址將幀發送到多個站。
10.權利要求9的方法，進一步包括在發送幀之前評估空間信道。
11.權利要求10的方法，其中評估空間信道包括發送空數據幀並從該多個站接收確認幀。
12.權利要求11的方法，其中評估空間信道進一步包括發送請求發送幀和接收清除發送幀。
13.權利要求10的方法，其中評估空間信道包括使用基本上全向的天線圖形發送請求發送幀。
14.權利要求10的方法，其中評估空間信道包括使用基本上全向的天線圖形發送清除發送幀。
15.一種方法，包括評估用於多個站的空間信道；以及發送幀到該多個站中的每一個站，其中對該幀計時使其終止於預定窗口。
16.權利要求15的方法，其中發送幀包括在信道無競爭周期內進行發送。
17.權利要求15的方法，其中該預定窗口的時間長度和短幀間間隔有關。
18.權利要求15的方法，其中使用點協調功能執行發送。
19.權利要求15的方法，進一步包括廣播網絡分配矢量以防止在預定窗口後的時間段內不必要的發送。
20.權利要求15的方法，其中發送包括使用空分多址進行發送。
21.具有機器可讀取介質的設備，該介質中存儲了指令，訪問這些指令時會導致機器執行發送幀到多個站，其中該幀被協調成終止於預定時間窗口。
22.權利要求21的設備，進一步包括在發送幀到多個站之前發送清除發送幀。
23.權利要求22的設備，其中發送清除發送幀包括設置網絡分配矢量。
24.權利要求21的設備，其中該預定時間窗口和短幀間間隔有關。
25.權利要求24的設備，其中該預定時間窗口基本上等於短幀間間隔加上10％的時隙。
26.權利要求21的設備，其中使用空分多址將幀發送到多個站。
27.一種電子系統，包括提供空分多址的多個天線；耦合到該多個天線的無線電接口；發送幀到多個移動站的介質訪問控制機制，其中計時該幀使其終止於一時間窗口內；以及乙太網接口。
28.權利要求27的電子系統，其中該介質訪問控制機制包括處理器。
29.權利要求27的電子系統，其中計時該幀使其終止於大約一個短幀間間隔加上十分之一的時隙。
30.權利要求27的電子系統，其中該介質訪問控制機制被調整成通過發送幀到該多個移動站的每一個並接收響應而評估該多個移動站的空間信道。
全文摘要
採用被協調成終止於預定時間窗口(SIFS)內的幀，無線網絡中的訪問點(AP)使用空分多址SDMA同時和多個移動站(STA1，STA2，STA3)進行通信。
文檔編號H04W88/08GK1898910SQ200480038725
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月13日 優先權日2003年12月23日
發明者Q·李, M·侯, A·史蒂芬斯 申請人:英特爾公司