在無線網絡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】
[0001]本發明實施例涉及數據通信領域，尤其涉及在無線網絡中的數據通信。
[0002]在無線通信的當前狀態下，逐步遞增的通信設備正通過無線方式彼此進行通信。這些通信設備包括具有不同外形的許多設備，例如個人計算機、移動或桌面設備、示出器、存儲設備、手持設備、電話等等。這些通信設備被包裝成“目標”設備，例如，機頂盒、個人數字助理(PDA)、網絡手寫板、尋呼機、文本信息發射器、游戲設備、智能應用和無線移動電話。這樣的設備在不同的無線環境中彼此進行通信，例如無線廣域網WWANbirelss widearea network)、無線城域網 WMAN(wireless metropolitan area network)、無線局域網 WLAN (wireless local area network)和無線個域網 WPAN (wireless personal areanetwork)、全球移動通信系統GSM(Global System for Mobile Communicat1n)網、碼分多址 CDMA (code divis1n multiple acess)等。
[0003]諸如視頻流、實時協作、視頻內容下載等高吞吐量應用需求的增長對無線通信提出了嚴格要求，以便提供更好、更快速和更低成本的通信系統。近年來，諸如2.4GHz (工業、科學、醫療ISM(Industrial，Scientific，Medical))和5GHz (通用國家信息基礎設施 UNII (Universal Nat1nal Informat1n Infrastructure))的未經當局許可的頻帶已經被用于上至幾百Mbps的通信。為了實現這樣的比特速率，電氣與電子工程師協會IEEE (Institute of Electrical and Engineers)已經提出了諸如多入多出 ΜΙΜΟ、正交頻分復用OFDM的相對復雜的調制技術。由于ISM和UNII頻帶的普及，這些頻帶變得非常擁擠，導致對這些頻段的用戶產生大量的干擾。
[0004]在諸如IEEE 802.16m、802.16p的第四代4G無線標準和第三代合作伙伴項目3GPP長期演進LTE和高級LTE (LTE ADV)的標準中，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)系統容量的規范。
[0005]為了提供干擾有限的Gbps通信，IEEE委員會近來開始關注諸如頻帶大于20GHz的更高頻率的通信。圖1示出了在已選擇的主要的工業化國家/地區中當前可用的未經當局許可的頻帶。
【附圖說明】
[0006]通過結合附圖的以下詳細的說明書將很容易理解本發明的實施例。為了便于理解，相同的參考數字定義為相同的結構元件。本發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化國家/地區中當前可用的未經當局許可的頻帶；
[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示出了根據不同實施例的無線網絡；
[0011]圖4示出了根據不同實施例的使用第一和第二頻帶的可以被接收和/或發射的不同類型的CSMA/CA協議數據；
[0012]圖5示出了根據不同實施例的在無線網絡中通信設備的通信過程；
[0013]圖6示出了根據不同實施例的通信設備；
[0014]圖7示出了根據不同實施例的用于發射和接收使用兩個頻帶的信號的電路；
[0015]圖8示出了根據不同實施例的幀格式；
[0016]圖9示出了根據不同實施例的另一種幀格式；
[0017]圖10示出了根據不同實施例的另一種幀格式；
[0018]圖11示出了根據不同實施例的使用配置為使用兩種頻帶進行通信的軟耦合系統的這兩種頻帶的兩種幀格式；
[0019]圖12示出了根據不同實施例的配置為使用兩種頻帶進行通信的軟耦合系統的電路；
[0020]圖13示出了根據不同實施例的在無線網絡中由通信設備進行通信的另一個過程;
[0021]圖14示出了根據不同實施例的在無線網絡中由通信設備進行通信的另一個過程;
[0022]圖15示出了根據不同實施例的在無線網絡中由通信設備執行的搜索步驟；
[0023]圖16示出了根據不同實施例的在無線網絡中由通信設備執行的天線調整/鏈接建立步驟；
[0024]圖17示出了根據不同實施例的在無線網絡中由通信設備執行的另一個天線調整
/鏈接建立步驟；
[0025]圖18示出了根據不同實施例的在無線網絡中由通信設備執行的信號接收步驟；
[0026]圖19示出了根據不同實施例的使用協作設備的通信系統；
[0027]圖20示出了根據不同實施例的在無線網絡中由協作設備執行的協作通信的過程;
[0028]圖21示出了根據不同實施例的在無線網絡中由通信設備執行的協作通信的過程;
[0029]圖22示出了具有兩種不同類型的無線通信系統的通信系統；
[0030]圖23示出了適于在兩種不同類型的無線通信系統中使用的示例性的用戶設備；
[0031]圖24示出了普遍用于兩種不同類型的無線通信系統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的幀進行同步的時序圖；
[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為根據一個實施例的站的原理圖。
【具體實施方式】
[0039]根據本發明的不同實施例，提出了一種在使用第一和第二頻帶的無線網絡中通信設備與其他通信設備進行通信的方法和系統。對于這些實施例，所述第一頻帶與第一波瓣寬度相關聯，而所述第二頻帶與第二波瓣寬度相關聯，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，由低頻帶提供帶內波束賦型輔助。
[0040]盡管以下說明書中使用兩個頻帶進行描述，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(即發射和/或接收)第一信號，以便于在該通信設備與所述網絡中的其他通信設備之間的初始通信，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備無線地與該通信設備進行通信的粗配置的信號和/或控制信息。在設備間的第二信號的后續通信可以使用所述第二頻帶發射。所述第二信號還包括用于其他通信設備無線地與該通信設備進行通信的更精細配置的信號和/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通信。通過所述第二頻帶進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CFO估算的信號。所述第二信號還便于實現所述其他通信設備與該通信設備的時序同步。如前所述，為了進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行通信的第三信號包括不同類型的數據，例如，所述數據包括涉及視頻流、實時和/或非實時協作、視頻內容下載、音頻和文本內容下載和/或上傳等的數據。
[0043]在不同可替代實施例中使用的不同方法是為了經由與所述第一波瓣寬度有關的第一頻帶(這里指“第一頻帶”)和與所述第二波瓣寬度相關的第二頻帶(這里指“第二頻帶”)進行通信。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。
[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聯。
[0045]該通信設備使用第一頻帶與無線網絡中的其他通信設備進行通信，使用第二頻帶，OOB控制信息信號或簡稱“第一控制信號”便于數字通信。第一控制信號由便于該設備或其他通信設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，該通信設備使用第二頻帶向/從無線網絡的其他通信設備發射和/或接收帶內控制信號或簡稱“第二控制信號”以進一步便于使用第二頻帶的數字通信。所述第二控制信號由便于該通信設備或其他通信設備的精細波束賦型、CFO估算、時序同步等的信號和控制信息組成。使用第二頻帶進行傳輸的后續數據或數字信號包括用于跟蹤波束賦型、CF0、時序等的信號，以及各種類型的數據，例如包括涉及視頻流、實時和/或非實時協作、視頻內容下載、音頻和文本內容下載和/或上傳等的數據。
[0046]為了理解這里描述的實施例不同方面，現在討論與相對寬的波瓣寬度相關聯的頻帶的特性和與相對窄的波瓣寬度相關聯的頻帶的特性。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聯的空間特性。天線的波瓣寬度是由天線孔徑尺寸與被發射(或被接收)的信號的波長的比率來決定的。即，如果將被發射(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，當保持恒定的孔徑尺寸時，發射(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，當具有相同尺寸孔徑的天線發射不同頻帶的信號時，會導致不同的波瓣寬度。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系，但是多天線還是用來有選擇地控制將要被發射的信號的波瓣寬度，其中孔徑尺寸與將要發射的信號的波瓣寬度不相關。即，天線系統采用使得多天線適應性地配置為有選擇地發射(或接收)與不同波瓣寬度相關聯的信號。
[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。當然，可替代地，單個天線可以提供簡單地根據將要發射和/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議來提供特定的波束方向和特定的波束形狀來自適應地控制多天線。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，在無線網絡中，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頻帶(例如，大于20GHz的頻帶)的更高頻帶來進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聯。由于更大波瓣寬度，經由更低頻帶發送的信號將可能到達無線網絡中的更多設備。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險。
[0050]與更低的頻帶相反，當在無線網絡中使用更高的頻帶進行通信時，會導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的更低頻帶的設備，操作在60GHz頻帶的設備典型地比其它遠程設備具有更少的干擾風險。
[0051]在無線網絡中使用更高頻帶進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據吞吐量。同時，由于在接收機側的更低的信噪比，因此使用更大的帶寬會減少發射信號的功率譜密度，并且潛在地減少可靠通信范圍。
[0052]在無線網絡中使用更高頻帶進行通信意味著定向天線比全向天線更有便于這樣的通信。當在無線網絡中使用這樣的天線進行通信時，這種使用會提供某些優點和缺點。例如，使用定向天線和更高頻帶來發射信號的一個優點是，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]當然，當在無線網絡中通過定向天線使用更高的頻率進行通信時，還存在某些缺陷。例如，為了注冊網絡中的所有的通信設備，需要跨度為360度的自適應的或多個固定天線設置。這將是非常耗時的，并且同步該網絡中使用諸如載波監聽多路訪問和沖突避免(CSMA/CA，carrier sense multiple access and collis1n avoidance)或載波監聽多路訪問和沖突監測(CSMA/CD，carrier sense multiple access and collis1n detect1n)協議的該通信設備是非常困難的，而且在定向天線下使用更高頻帶也變得不可行。
[0054]根據不同實施例，與上述不同波瓣寬度相關聯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絡中組合和使用。
[0055]圖3示出了根據不同實施例的包括經由多個通信鏈路彼此進行通信的多個通信設備(CDs，communicat1n devices)的無線網絡。對于這些實施例，網絡300可以是WWAN、WMAN、WLAN、WPAN，或其它類型的無線網絡。通信設備(CDs) 302-308可以是桌上電腦、膝上電腦、機頂盒、個人數字助理(PDAs)、網絡手寫板、尋呼機、文本信息發射器、游戲設備、智能應用、無線移動手機或任何其它類型的計算或通信設備。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為客戶或從設備。注意，在可替代實施例中，網絡300包括更多或更少的⑶。⑶302-308中的每一個經由鏈路310與其它⑶進行通信，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的標準，或者諸如WiMAX的這些標準的其它衍生標準，以及3GPP LTE-A技術來進行。
[0056]為了便于理解，將假定網絡300為WPAN和⑶302為接入點，以及其它⑶304-308為客戶設備來進一步描述本發明的實施例。注意，在可替代實施例中，網絡300不包括接入點。例如，在可替代實施例中，網絡300為ad-hoc網格網絡，在這種情況下不需要接入點。回到圖3，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/或離開網絡300。每次客戶⑶304-308進入網絡300，其進行驗證或與網絡相關聯(這里指“關聯”)，以便網絡300的不同客戶CD “知道”該客戶CD當前處于網絡300中。在某些實施例中，客戶⑶304-308可以通過與接入點⑶302相關聯，從而與網絡300關聯。注意，在該示例中，客戶304進入網絡300標記為參考符號312。
[0057]⑶304 —旦進入網絡300就將其自身與網絡300關聯起來(例如，經由接入點CD 302)。根據不同實施例，使用諸如與相對寬的波瓣寬度關聯的第一頻帶來完成與網絡300的關聯。通過使用與相對寬的波瓣寬度(這里指“第一波瓣寬度”)相關聯的第一頻帶來發射關聯信號，網絡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)。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射的信號偵聽正在進入的CD 304 (即，驗證或關聯)。在成功注冊或關聯到網絡300