在無線網(wǎng)絡(luò)中使用具有波束賦型輔助的多頻帶的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明實施例涉及數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，尤其涉及在無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信。
[0002]在無線通信的當(dāng)前狀態(tài)下，逐步遞增的通信設(shè)備正通過無線方式彼此進(jìn)行通信。這些通信設(shè)備包括具有不同外形的許多設(shè)備，例如個人計算機、移動或桌面設(shè)備、示出器、存儲設(shè)備、手持設(shè)備、電話等等。這些通信設(shè)備被包裝成“目標(biāo)”設(shè)備，例如，機頂盒、個人數(shù)字助理(PDA)、網(wǎng)絡(luò)手寫板、尋呼機、文本信息發(fā)射器、游戲設(shè)備、智能應(yīng)用和無線移動電話。這樣的設(shè)備在不同的無線環(huán)境中彼此進(jìn)行通信，例如無線廣域網(wǎng)WWANbirelss widearea network)、無線城域網(wǎng) WMAN(wireless metropolitan area network)、無線局域網(wǎng) WLAN (wireless local area network)和無線個域網(wǎng) WPAN (wireless personal areanetwork)、全球移動通信系統(tǒng)GSM(Global System for Mobile Communicat1n)網(wǎng)、碼分多址 CDMA (code divis1n multiple acess)等。
[0003]諸如視頻流、實時協(xié)作、視頻內(nèi)容下載等高吞吐量應(yīng)用需求的增長對無線通信提出了嚴(yán)格要求，以便提供更好、更快速和更低成本的通信系統(tǒng)。近年來，諸如2.4GHz (工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療ISM(Industrial，Scientific，Medical))和5GHz (通用國家信息基礎(chǔ)設(shè)施 UNII (Universal Nat1nal Informat1n Infrastructure))的未經(jīng)當(dāng)局許可的頻帶已經(jīng)被用于上至幾百Mbps的通信。為了實現(xiàn)這樣的比特速率，電氣與電子工程師協(xié)會IEEE (Institute of Electrical and Engineers)已經(jīng)提出了諸如多入多出 ΜΙΜΟ、正交頻分復(fù)用OFDM的相對復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)。由于ISM和UNII頻帶的普及，這些頻帶變得非常擁擠，導(dǎo)致對這些頻段的用戶產(chǎn)生大量的干擾。
[0004]在諸如IEEE 802.16m、802.16p的第四代4G無線標(biāo)準(zhǔn)和第三代合作伙伴項目3GPP長期演進(jìn)LTE和高級LTE (LTE ADV)的標(biāo)準(zhǔn)中，多載波操作可以支持更大的帶寬并且符合高級國際移動通信(IMT-ADV，Internat1nal Mobile Telecommunicat1n)系統(tǒng)容量的規(guī)范。
[0005]為了提供干擾有限的Gbps通信，IEEE委員會近來開始關(guān)注諸如頻帶大于20GHz的更高頻率的通信。圖1示出了在已選擇的主要的工業(yè)化國家/地區(qū)中當(dāng)前可用的未經(jīng)當(dāng)局許可的頻帶。
【附圖說明】
[0006]通過結(jié)合附圖的以下詳細(xì)的說明書將很容易理解本發(fā)明的實施例。為了便于理解，相同的參考數(shù)字定義為相同的結(jié)構(gòu)元件。本發(fā)明的實施例通過示例來展示，而不被附圖中圖形所限制。
[0007]某些實施例參考以下圖形來描述:
[0008]圖1示出了在已選擇的主要工業(yè)化國家/地區(qū)中當(dāng)前可用的未經(jīng)當(dāng)局許可的頻帶；
[0009]圖2示出了使用具有相同孔徑尺寸的天線的不同頻帶的示例性波瓣寬度；
[0010]圖3示出了根據(jù)不同實施例的無線網(wǎng)絡(luò)；
[0011]圖4示出了根據(jù)不同實施例的使用第一和第二頻帶的可以被接收和/或發(fā)射的不同類型的CSMA/CA協(xié)議數(shù)據(jù)；
[0012]圖5示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中通信設(shè)備的通信過程；
[0013]圖6示出了根據(jù)不同實施例的通信設(shè)備；
[0014]圖7示出了根據(jù)不同實施例的用于發(fā)射和接收使用兩個頻帶的信號的電路；
[0015]圖8示出了根據(jù)不同實施例的幀格式；
[0016]圖9示出了根據(jù)不同實施例的另一種幀格式；
[0017]圖10示出了根據(jù)不同實施例的另一種幀格式；
[0018]圖11示出了根據(jù)不同實施例的使用配置為使用兩種頻帶進(jìn)行通信的軟耦合系統(tǒng)的這兩種頻帶的兩種幀格式；
[0019]圖12示出了根據(jù)不同實施例的配置為使用兩種頻帶進(jìn)行通信的軟耦合系統(tǒng)的電路；
[0020]圖13示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由通信設(shè)備進(jìn)行通信的另一個過程;
[0021]圖14示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由通信設(shè)備進(jìn)行通信的另一個過程;
[0022]圖15示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由通信設(shè)備執(zhí)行的搜索步驟；
[0023]圖16示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由通信設(shè)備執(zhí)行的天線調(diào)整/鏈接建立步驟；
[0024]圖17示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由通信設(shè)備執(zhí)行的另一個天線調(diào)整
/鏈接建立步驟；
[0025]圖18示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由通信設(shè)備執(zhí)行的信號接收步驟；
[0026]圖19示出了根據(jù)不同實施例的使用協(xié)作設(shè)備的通信系統(tǒng)；
[0027]圖20示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由協(xié)作設(shè)備執(zhí)行的協(xié)作通信的過程;
[0028]圖21示出了根據(jù)不同實施例的在無線網(wǎng)絡(luò)中由通信設(shè)備執(zhí)行的協(xié)作通信的過程;
[0029]圖22示出了具有兩種不同類型的無線通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)；
[0030]圖23示出了適于在兩種不同類型的無線通信系統(tǒng)中使用的示例性的用戶設(shè)備；
[0031]圖24示出了普遍用于兩種不同類型的無線通信系統(tǒng)的具有幀同步周期的時序圖；
[0032]圖25示出了將來自使用幀同步周期的兩種不同類型的無線通信系統(tǒng)的幀進(jìn)行同步的時序圖；
[0033]圖26示出了使用幀同步周期檢測幀同步信號的操作環(huán)境；
[0034]圖27示出了使用幀同步周期來控制無線接收機以檢測幀同步信號的過程；
[0035]圖28為用于一個實施例的系統(tǒng)描述；
[0036]圖29為用于一個實施例的流程圖；
[0037]圖30為用于另一個實施例的流程圖；和
[0038]圖31為根據(jù)一個實施例的站的原理圖。
【具體實施方式】
[0039]根據(jù)本發(fā)明的不同實施例，提出了一種在使用第一和第二頻帶的無線網(wǎng)絡(luò)中通信設(shè)備與其他通信設(shè)備進(jìn)行通信的方法和系統(tǒng)。對于這些實施例，所述第一頻帶與第一波瓣寬度相關(guān)聯(lián)，而所述第二頻帶與第二波瓣寬度相關(guān)聯(lián)，其中所述第一波瓣寬度大于所述第二波瓣寬度。與某些實施例一致，由低頻帶提供帶內(nèi)波束賦型輔助。
[0040]盡管以下說明書中使用兩個頻帶進(jìn)行描述，然而在可替代實施例中，還可以使用超過兩個頻帶。
[0041]在不同實施例中，所述第一頻帶用于傳輸(即發(fā)射和/或接收)第一信號，以便于在該通信設(shè)備與所述網(wǎng)絡(luò)中的其他通信設(shè)備之間的初始通信，所述初始通信包括第一信號的初始通信，其中該第一信號包含用于其他通信設(shè)備無線地與該通信設(shè)備進(jìn)行通信的粗配置的信號和/或控制信息。在設(shè)備間的第二信號的后續(xù)通信可以使用所述第二頻帶發(fā)射。所述第二信號還包括用于其他通信設(shè)備無線地與該通信設(shè)備進(jìn)行通信的更精細(xì)配置的信號和/或控制信息。
[0042]在某些實施例中，所述第一信號適于信號檢測、初始波束賦型、和/或初始載波頻率偏移(CFO，carrier frequency offset)估算，以便于使用所述第二頻帶的后續(xù)通信。通過所述第二頻帶進(jìn)行通信的所述第二信號為適合于補充初始波束賦型的更精確的波束賦型，和/或為適合于補充初始CFO估算的精細(xì)CFO估算的信號。所述第二信號還便于實現(xiàn)所述其他通信設(shè)備與該通信設(shè)備的時序同步。如前所述，為了進(jìn)行使用所述第二頻帶的第三信號的通信，使用所述第二頻帶進(jìn)行通信的所述第二信號還便于使用所述第二頻帶的通信。使用所述第二頻帶進(jìn)行通信的第三信號包括不同類型的數(shù)據(jù)，例如，所述數(shù)據(jù)包括涉及視頻流、實時和/或非實時協(xié)作、視頻內(nèi)容下載、音頻和文本內(nèi)容下載和/或上傳等的數(shù)據(jù)。
[0043]在不同可替代實施例中使用的不同方法是為了經(jīng)由與所述第一波瓣寬度有關(guān)的第一頻帶(這里指“第一頻帶”)和與所述第二波瓣寬度相關(guān)的第二頻帶(這里指“第二頻帶”)進(jìn)行通信。例如，在某些實施例中，使用所述第一頻帶的通信是由于使用了相對低的頻帶，例如這些頻帶低于大于20GHz，而使用所述第二頻帶的通信是由于使用了相對高的頻帶，例如，這些頻帶以20GHz以上為中心。為了使用第一和第二頻帶進(jìn)行通信，在不同的可替代實施例中使用包括天線和/或多天線的不同組合的不同的天線系統(tǒng)。
[0044]所述第一頻帶為比所述第二頻帶低的頻帶。對于這些實施例來說，所述第一頻帶為2.4GHz ISM頻帶或0.5GHz UNII頻帶，或者小于大約20GHz的其他頻帶，而所述第二頻帶為更高的頻帶，例如大于大約20GHz的頻帶，其包括24GHz頻帶、28至31GHz頻帶，或以59至62GHz頻譜為中心的頻帶。注意到，為了便于說明，使用第一更低頻帶的通信過程稱為帶外(00B，out-of-band)通信，而使用第二更高頻帶的通信過程稱為帶內(nèi)通信。還要注意，在可替代實施中其他頻帶還作為第一和第二頻帶，以及第一更低頻帶與第二更高頻帶之間的界限不在20GHz處。在其他可替代實施例中，所述第一和第二頻帶以相同的頻帶為中心，但是由于使用不同的孔徑尺寸的天線，從而與不同的波瓣寬度相關(guān)聯(lián)。
[0045]該通信設(shè)備使用第一頻帶與無線網(wǎng)絡(luò)中的其他通信設(shè)備進(jìn)行通信，使用第二頻帶，OOB控制信息信號或簡稱“第一控制信號”便于數(shù)字通信。第一控制信號由便于該設(shè)備或其他通信設(shè)備的初始或粗波束賦型、CFO估算、時序同步等的“信號”和/或“控制信息”組成。在某些實施例中，該通信設(shè)備使用第二頻帶向/從無線網(wǎng)絡(luò)的其他通信設(shè)備發(fā)射和/或接收帶內(nèi)控制信號或簡稱“第二控制信號”以進(jìn)一步便于使用第二頻帶的數(shù)字通信。所述第二控制信號由便于該通信設(shè)備或其他通信設(shè)備的精細(xì)波束賦型、CFO估算、時序同步等的信號和控制信息組成。使用第二頻帶進(jìn)行傳輸?shù)暮罄m(xù)數(shù)據(jù)或數(shù)字信號包括用于跟蹤波束賦型、CF0、時序等的信號，以及各種類型的數(shù)據(jù)，例如包括涉及視頻流、實時和/或非實時協(xié)作、視頻內(nèi)容下載、音頻和文本內(nèi)容下載和/或上傳等的數(shù)據(jù)。
[0046]為了理解這里描述的實施例不同方面，現(xiàn)在討論與相對寬的波瓣寬度相關(guān)聯(lián)的頻帶的特性和與相對窄的波瓣寬度相關(guān)聯(lián)的頻帶的特性。這里還描述了不同類型的天線的特性，例如包括全向天線和定向天線。另外，還提供了涉及使用更低頻帶與使用更高頻帶影響相互對照的討論。
[0047]波瓣寬度是典型地與天線相關(guān)聯(lián)的空間特性。天線的波瓣寬度是由天線孔徑尺寸與被發(fā)射(或被接收)的信號的波長的比率來決定的。即，如果將被發(fā)射(或被接收)的信號的波長保持恒定，則孔徑尺寸越大，波瓣寬度越窄。可替代地，當(dāng)保持恒定的孔徑尺寸時，發(fā)射(或接收)的信號的波長越短(即更高頻率)，則波瓣寬度越窄。因而，當(dāng)具有相同尺寸孔徑的天線發(fā)射不同頻帶的信號時，會導(dǎo)致不同的波瓣寬度。此外，注意到，盡管上述討論涉及孔徑尺寸和波瓣帶寬之間的關(guān)系，但是多天線還是用來有選擇地控制將要被發(fā)射的信號的波瓣寬度，其中孔徑尺寸與將要發(fā)射的信號的波瓣寬度不相關(guān)。即，天線系統(tǒng)采用使得多天線適應(yīng)性地配置為有選擇地發(fā)射(或接收)與不同波瓣寬度相關(guān)聯(lián)的信號。
[0048]因而，為了獲得相對寬的波瓣寬度，代替或者除了使用相對低的頻帶(例如，ISM或UNII頻帶)之外，一種方法是使用諸如全向天線的小孔徑的天線。相反地，為了獲取更窄的波瓣寬度，代替或者除了使用相對高的頻帶外，一種方法是使用諸如定向天線的大孔徑的天線。當(dāng)然，可替代地，單個天線可以提供簡單地根據(jù)將要發(fā)射和/或接收的信號的頻帶(即，或者更高或者更低頻帶)變化而變化的波瓣寬度。在其他可替代方法中，如前所述，使用多天線提供具有變化波瓣寬度的頻帶。即，例如，通過使用特定的程序或協(xié)議來提供特定的波束方向和特定的波束形狀來自適應(yīng)地控制多天線。因此，使用單個集合的多天線提供變化的波瓣寬度的多個頻帶。注意到，在以下說明書中，詞語“天線”指單個天線或多天線。
[0049]現(xiàn)在來比較使用相同孔徑尺寸的天線的不同頻帶的波瓣寬度。如前所述，例如，在無線網(wǎng)絡(luò)中，使用諸如2.4GHz (ISM)頻帶或5.0GHz (UNII)頻帶的更低頻帶來代替諸如帶內(nèi)頻帶(例如，大于20GHz的頻帶)的更高頻帶來進(jìn)行通信的特性之一是更低的頻帶可能與更大的波瓣寬度相關(guān)聯(lián)。由于更大波瓣寬度，經(jīng)由更低頻帶發(fā)送的信號將可能到達(dá)無線網(wǎng)絡(luò)中的更多設(shè)備。然而，由于更大的波瓣寬度，使用更低頻帶的缺陷是由于更寬的楔形造成的，因此存在更大的干擾和攔截的風(fēng)險。
[0050]與更低的頻帶相反，當(dāng)在無線網(wǎng)絡(luò)中使用更高的頻帶進(jìn)行通信時，會導(dǎo)致上述更窄的波瓣寬度。因此，更不可能存在干擾。除了更窄的波瓣寬度，更高頻帶的另一個性質(zhì)是，如果使用更高的頻帶(例如，24或60GHz的頻帶)，那么由于諸如氧氣的吸收，隨著距離會產(chǎn)生額外的衰減。即，如圖2所示，更高的頻帶(諸如，60GHz頻帶)比更低的頻帶(諸如，2.4或5.0GHz頻帶)具有更小的波瓣寬度，和更短的“距離”或“范圍”。因此，相比操作在諸如2.4或5.0GHz的更低頻帶的設(shè)備，操作在60GHz頻帶的設(shè)備典型地比其它遠(yuǎn)程設(shè)備具有更少的干擾風(fēng)險。
[0051]在無線網(wǎng)絡(luò)中使用更高頻帶進(jìn)行通信的另一個特性是更高頻帶允許使用更大的信號帶寬(因為在更高的頻率典型可以使用更多的頻譜)，其最終允許更大的數(shù)據(jù)吞吐量。同時，由于在接收機側(cè)的更低的信噪比，因此使用更大的帶寬會減少發(fā)射信號的功率譜密度，并且潛在地減少可靠通信范圍。
[0052]在無線網(wǎng)絡(luò)中使用更高頻帶進(jìn)行通信意味著定向天線比全向天線更有便于這樣的通信。當(dāng)在無線網(wǎng)絡(luò)中使用這樣的天線進(jìn)行通信時，這種使用會提供某些優(yōu)點和缺點。例如，使用定向天線和更高頻帶來發(fā)射信號的一個優(yōu)點是，與使用全向天線來獲取相同電平的接收功率相比，其需要更少的功率。因為使用更高頻率的通信需要更高的RF部件成本，因此，對定向天線使用更低效(和更低成本)的射頻(RF，rad1 frequency)分量，在某些情況下，這可能成為重要因素。
[0053]當(dāng)然，當(dāng)在無線網(wǎng)絡(luò)中通過定向天線使用更高的頻率進(jìn)行通信時，還存在某些缺陷。例如，為了注冊網(wǎng)絡(luò)中的所有的通信設(shè)備，需要跨度為360度的自適應(yīng)的或多個固定天線設(shè)置。這將是非常耗時的，并且同步該網(wǎng)絡(luò)中使用諸如載波監(jiān)聽多路訪問和沖突避免(CSMA/CA，carrier sense multiple access and collis1n avoidance)或載波監(jiān)聽多路訪問和沖突監(jiān)測(CSMA/CD，carrier sense multiple access and collis1n detect1n)協(xié)議的該通信設(shè)備是非常困難的，而且在定向天線下使用更高頻帶也變得不可行。
[0054]根據(jù)不同實施例，與上述不同波瓣寬度相關(guān)聯(lián)的頻帶的特性可以按照下述不同實施例一致的方式在無線通信網(wǎng)絡(luò)中組合和使用。
[0055]圖3示出了根據(jù)不同實施例的包括經(jīng)由多個通信鏈路彼此進(jìn)行通信的多個通信設(shè)備(CDs，communicat1n devices)的無線網(wǎng)絡(luò)。對于這些實施例，網(wǎng)絡(luò)300可以是WWAN、WMAN、WLAN、WPAN，或其它類型的無線網(wǎng)絡(luò)。通信設(shè)備(CDs) 302-308可以是桌上電腦、膝上電腦、機頂盒、個人數(shù)字助理(PDAs)、網(wǎng)絡(luò)手寫板、尋呼機、文本信息發(fā)射器、游戲設(shè)備、智能應(yīng)用、無線移動手機或任何其它類型的計算或通信設(shè)備。在某些實施例中，CD 302-308中的至少一個為主機或接入點，而其它CD為客戶或從設(shè)備。注意，在可替代實施例中，網(wǎng)絡(luò)300包括更多或更少的⑶。⑶302-308中的每一個經(jīng)由鏈路310與其它⑶進(jìn)行通信，該鏈路可以是雙向的。⑶之間的通信可以按照與諸如802.1la,802.1lb的標(biāo)準(zhǔn)，或者諸如WiMAX的這些標(biāo)準(zhǔn)的其它衍生標(biāo)準(zhǔn)，以及3GPP LTE-A技術(shù)來進(jìn)行。
[0056]為了便于理解，將假定網(wǎng)絡(luò)300為WPAN和⑶302為接入點，以及其它⑶304-308為客戶設(shè)備來進(jìn)一步描述本發(fā)明的實施例。注意，在可替代實施例中，網(wǎng)絡(luò)300不包括接入點。例如，在可替代實施例中，網(wǎng)絡(luò)300為ad-hoc網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，在這種情況下不需要接入點?；氐綀D3，在某些實施例中，至少部分客戶⑶304-308可以任意并且隨機地接入和/或離開網(wǎng)絡(luò)300。每次客戶⑶304-308進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)300，其進(jìn)行驗證或與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)(這里指“關(guān)聯(lián)”)，以便網(wǎng)絡(luò)300的不同客戶CD “知道”該客戶CD當(dāng)前處于網(wǎng)絡(luò)300中。在某些實施例中，客戶⑶304-308可以通過與接入點⑶302相關(guān)聯(lián)，從而與網(wǎng)絡(luò)300關(guān)聯(lián)。注意，在該示例中，客戶304進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)300標(biāo)記為參考符號312。
[0057]⑶304 —旦進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)300就將其自身與網(wǎng)絡(luò)300關(guān)聯(lián)起來(例如，經(jīng)由接入點CD 302)。根據(jù)不同實施例，使用諸如與相對寬的波瓣寬度關(guān)聯(lián)的第一頻帶來完成與網(wǎng)絡(luò)300的關(guān)聯(lián)。通過使用與相對寬的波瓣寬度(這里指“第一波瓣寬度”)相關(guān)聯(lián)的第一頻帶來發(fā)射關(guān)聯(lián)信號，網(wǎng)絡(luò)300中的其它⑶302、306和308則更可能從⑶304接收驗證信號(例如，信標(biāo))。在某些實施例中，所述第一頻帶為2.4GHz (ISM)、5.0GHz (UNII)、或小于諸如20GHz的其它頻帶。注意，接入點⑶302通過在所述第一頻帶上發(fā)射的信號偵聽正在進(jìn)入的CD 304 (即，驗證或關(guān)聯(lián))。在成功注冊或關(guān)聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)300