在无线网络中使用多频带的通信信令的制作方法

专利名称：在无线网络中使用多频带的通信信令的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及数据通信领域，更具体地，涉及无线网络中的数 据通信。
背景技术：
在无线通信的当前情形下，越来越多的通信设备可以彼此进行无线通 信。这些通信设备包括具有多个不同的形状因素的多种设备，这些形状因 素在个人计算机、移动或桌上电脑、显示器、存储设备、手持设备、电话 等等之间变化。这些通信设备中有许多被包装成"特定目的"设备，例如
机顶盒、个人数字助理(PDA)、网络手写板、寻呼机、文本消息发送器、 游戏设备、智能装置和无线移动电话。这种设备可以在多种不同的无线环 境中彼此进行通信，例如无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、 无线局域网(WLAN)和无线个域网络(WPAN)、全球移动通信系统(GSM) 网络、码分多址(CDMA)等等。
诸如视频流、实时协作、视频内容下载等等高吞吐量的应用的需求的 日益增长，对无线通信提供更好、更快以及更低成本的通信系统提出了迫 切的要求。近年来，未经授权的频带，例如2.4 GHz (工业的、科研的、医 疗的(ISM))以及5.0 GHz (全国信息基础设施(UNII))波带被用于高达 数百Mbps的通信。为达到这些比特速率，向电气和电子工程师协会(IEEE) 提出了相对复杂的调制技术，例如多输入/多输出(MIMO)正交频分复用 (OFDM)。因为ISM和UNII波带的普及，这些波带变得拥挤，对这些频 带用户导致实质干扰。
为提供干扰有限的Gbps通信，正EE委员会近来已经开始考虑较高频 率例如在高于20 GHz的波带的通信。图1示出了所选的主要工业化的国家 /地区中当前可用的未经授权的频带。


结合附图，通过以下详细描述将容易地理解本发明的实施例。为了便 于描述，相同的参考标号指示相同的结构元件。在附图中的图形中通过示 例性而非限制性的方式示出了本发明的实施例。
图1示出了当前在所选的主要工业化的国家/地区中可用的未经授权的 频带；
图2示出了使用具有大致相同孔径大小的天线的不同频带的示例性波 束宽度；
图3示出了根据本发明的多个实施例的无线网络；
图4示出了根据本发明的多个实施例的可以使用第一和第二频带来进 行发送和/或接收的多种类型的CSMA/CA协议数据；
图5示出了根据本发明的多个实施例的无线网络中的通信设备的通信 的过程；
图6示出了根据本发明的多个实施例的通信设备；
图7示出了根据本发明的多个实施例用于使用两个频带来发送和接收
信号的电路；
图8示出了根据本发明的多个实施例的帧格式；
图9示出了根据本发明的多个实施例的另一个帧格式；
图IO示出了根据本发明的多个实施例的另一个帧格式；
图11示出了根据本发明的多个实施例的使用软耦合的系统的两个频带
的两个帧格式，其中该软耦合的系统适合于使用两个频带进行通信；以及 图12示出了根据本发明的多个实施例的适用于使用两个频带进行通信
的软耦合的系统的电路。
具体实施例方式
在以下详细描述中，参考作为其中的一部分的附图，在附图中相同的 参考标号始终指示相同的部件，并且通过可用于执行本发明的实施例来示 出该详细描述。还要理解的是在不脱离本发明的范围的情况下可以利用其 它的实施例，并可以做出结构和逻辑上的改变。因此，以下详细描述并非 出于限制的目的，并且根据本发明的实施例的范围是由附带的权利要求及其等价物所定义的。
可以将多个操作描述为依次进行的多个离散的操作，这种方式有助于 理解本发明的实施例；然而，描述的顺序不应解释为意味着这些操作是依 赖于顺序的。
描述中可以使用诸如"在一个实施例中"或"在多个实施例中"的短 语，每一个短语可以涉及一个或多个相同或不同的实施例。此外，本发明 的实施例所使用的术语"包含"、"包括"、"具有"等等是同义的。
根据发明的多个实施例，提供了通信设备使用第一和第二频带来与无 线网络中的其它通信设备进行通信的方法和系统。对于该实施例，第一频 带可以与第一波束宽度相关联，而第二频带可以与第二波束宽度相关联，
第一波束宽度比第二波束宽度更宽。尽管以下描述使用两个频带进行描述， 在可替换的实施例中，可以使用多于两个频带。
在多个实施例中，可以使用第一频带来传输(即发送和/接收)第一信 号，以使通信设备与无线网络的其它通信设备之间便于进行初始通信，包 括第一信号的初始通信，该第一信号包含用于其它通信设备的粗略配置以 便与该通信设备进行无线通信的信号和/或控制信息。可以使用第二频带来 发送设备之间的第二信号的后续通信。第二信号进一步包括用于其它通信 设备的更精确的配置以便与该通信设备进行无线通信的信号和/控制信息。
在一些实施例中，第一信号适用于信号检测、初始波束成形和/或初始 载波频率偏移(CFO)估计，以使用第二频带来使后续通信便于进行。通 过第二频带来传输的第二信号可以适用于较准确的波束成形，该较准确的 波束成形对初始波束成形和/或适用于精确的CFO估计的信号进行补充，其 中该精确的CFO估计可以对初始CFO估计进行补充。第二信号可以进一步 使其它通信设备与该通信设备便于进行定时同步。如之前提到过的，使用 第二频带来传输的第二信号可以使用第二频带来使进一步通信便于进行， 以使用第二频带来使第三信号的通信便于进行。使用第二频带来进行传输 的第三信号包括多种类型的数据，例如包括涉及视频流、实时和/或非实时 协作、视频内容下载、音频和文本内容下载和/或上传等等的数据。
在多个可替换的实施例中可以使用多个方法，以便经由与第一波束宽 度相关联的第一频带(这里的"第一频带")和与第二波束宽度相关联的第二频(这里的"第二频带")带进行通信。例如，在一些实施例中，使用第
一频带的通信可以是使用相对低的频带例如低于约20GHz的这些波带的结 果，而使用第二频带的通信可以是使用较高频带例如中心在大约20 GHz之 上的这些波带的结果。在多个可替换的实施例中可以使用可以包括多个天 线和/或多元件天线的组合的多个天线系统，以便使用第一和第二频带进行 通信。
第一频带可以是低于第二频带的频带。对于这些实施例，第一频带可 以是2.4 GHz的ISM波带或5.0 GHz的UNII波带，或一些其它低于约20 GHz的波带，而第二频带可以是较高的频带，例如高于约20GHz波带的频 带，例如包括24GHz波带或中心在59到62GHz频谱内的波带。注意到出 于描述的目的，使用低于第一频带进行通信的过程可以称为带外(OOB) 通信，并且使用高于第二个较高的频带进行通信的过程和通信可以称为带 内通信。进一步注意到在可替换的实施例中还可以使用其它的频带作为第 一和第二频带，并且第一较低频带和第二较高频带之间的分界线可以不在 20 GHz。在可替换的实施例中，第一和第二频带的的中心可以在相同的频 率，但是通过使用例如不同孔径大小的天线，可以与不同的波束宽度相关 联。
通信设备可以使用第一频带来与无线网络的其它通信设备进行通信， OOB控制信息信号或简称为"第一控制信号"用于使用第二频带来使数据 通信便于进行。第一控制信号可以包括用于使设备或其它通信设备的初始 或粗略的波束成形、CFO估计、定时同步等等便于进行的"信号"和/或"控 制信息"。在一些实施例中，通信设备可以使用第二频带来向和/或从无线网 络的其它通信设备发送和/或接收带内控制信息信号或简称为"第二控制信 号"，以进一步使用第二频带来使数据通信便于进行。第二控制信号可以由 信号和控制信息组成，该信号和控制信息用于使通信设备或其它通信设备 的精确的波束成形、CFO估计、定时同步等等便于进行。使用第二频带来 传输(即，发送和/接收)的后续数据或数据信号可以包括用于跟踪波束成 形、CFO、定时等等的信号，以及多种类型的数据，例如包括涉及视频流、 实时和/或非实时协作、视频内容下载、音频和文本内容下载和/上传等等的 数据。为了解本发明的实施例的多个方面，现在讨论与相对较宽的波束宽度 相关联的频带的特点，以及与相对较窄的波束宽度相关联的频带的特点。 本讨论还将描述多个类型天线的特点，包括例如全向和定向天线。另外， 还将提供关于使用相对于较高频带较低的频带所带来的影响的讨论。
本讨论从对波束宽度的简要描述开始。波束宽度是典型地与天线或碟 形天线相关联的空间特点。可以通过天线孔径大小与将要发送(或接收) 信号的波长的比率来确定天线的波束宽度。即如果将要发送(或接收)的 信号的波长保持恒定，则孔径的大小越大，波束宽度越窄。可替换地，通 过发送(或接收)较短波长(即较高频率)的信号同时维持恒定的孔径大 小，波束宽度还可以较窄。从而，当具有相同大小孔径的一个天线或多个 天线发送不同频带的信号时，可以导致不同的波束宽度。注意到尽管上述 讨着重论涉孔径大小和波束宽度之间的关系，可以使用多元件天线来选择 性地控制将要发送的信号的波束宽度，其中孔径大小可以与将要发送的信 号的波束宽度无关。即可以使用具有多元件天线的天线系统，其中多元件 天线可以被适配置为选择性地发送(或接收)与不同波束宽度相关联的信 号。
从而，为获得相对较宽的波束宽度， 一个方法是除了使用相对较低的
频带(例如，ISM或UNII波带)之外，改为或者另外使用小孔径的天线， 例如全向天线。相反地，为获得较窄的波束宽度， 一个方法是除了使用相 对较高的频带之外，改为或者另外使用大孔径的天线，例如定向天线。当 然，可替换地，单天线可以通过简单地改变将要发送和/或接收的信号的频 带(即较高的或者较低的频带)，来提供变化的波束宽度。在其它可替换的 方法中，如之前提到的，可以使用多元件天线来提供具有变化的波束宽度 的频带。即，可以使用例如特殊的程序或协议，适当地控制多元件天线的 单集，以提供具体的波束方向和具体的波束形状。从而，可以使用多元件 天线的单集，提供波束宽度变化的多个频带。注意到在以下描述中，短语 "天线"可以涉及单天线或多元件天线。
现在参考图2，其将使用具有相同孔径大小的天线的多个频带的约波束 宽度进行比较。如前所述，例如在无线网络中，使用较低的频带，例如2.4 GHz (ISM)波带或5.0GHz (UNII)波带来代替较高的频带，例如带内频带(例如大于20 GHz的波带)，来进行通信的其中一个特性是较低的频带 可以与较大的波束宽度相关联。由于该较大的波束宽度，经由较低频带发 送的信号将可能到达无线网络中的较多设备。然而，由于该较大的波束宽 度，使用较低频带的缺点是因为楔形较宽，存在干扰和截止风险的较大。
与较低的频带相反，当较高的频带在无线网络中用于通信时，如前所 述可以导致较窄的波束宽度。其结果是，可能存在较低的干扰可能性。除 了较窄的波束宽度，较高频带的另一个特性是如果使用较高的频带(例如 24或60GHz波带)，则可能由于例如氧吸收，存在随着距离的额外衰减。 即如图2所示，较高的频带(例如60GHz波带)可以具有比较低的频带(例 如2.4或5.0 GHz波带)较小的波束宽度和较短的"范围"或"延伸"。从 而，操作在60 GHz波带而不是诸如2.4或5.0GHz波带的较低波带的设备 可以典型地具有较少的来自其它远程设备的干扰风险。
在无线网络中使用较高的频带进行通信的另一个特性是较高的频带可 以允许使用较高的信号波束宽度(在较高频率典型地有较多的频谱可用)， 因此可用允许较大的数据吞吐量。同时，使用较大的波束宽度可以减少发 送信号的功率谱密度，并且由于接收端的信噪比较小，有可能减少可靠通 信范围。
在无线网络中使用较高的频带进行通信可以意味着可以将定向天线而 不是全向天线用于这种通信。当定向天线用于无线网络中的通信时，这种 天线本身可以提供某些优势和劣势。例如，使用定向天线和较高的频带来 发送信号的一个优势是，与使用全向天线相比，可以需要较低的功率来达 到相同的接收功率水平。从而，可以使用具有定向天线的较低效(并且较 廉价)的射频(RF)组件，这在一些情况下可以是重要的因素，因为对于 较高频率通信，RF部分的成本困难高很多。
当然，在无线网络中使用具有定向天线的较高频带进行通信时，可能 存在某些缺点。例如，为了注册网络中所有的通信设备，可能需要跨度为 360度的自适应的或多个固定的天线设置。当使用定向天线的较高频带时， 这可能是非常耗时的，并且在网络中使用，例如载波监听多路访问和碰撞 避免(CSMA/CA)或载波监听多路访问和碰撞检测(CSMA/CD)协议， 来对通信设备进行同步可能非常困难并可能不可行。根据多个实施例，可以将与上述不同波束宽度相关联的频带的特点进 行组合，并且用在根据如下所述的本发明的多个实施例的无线通信网络中。
图3示出了包括根据多个实施例的多个通信设备(CD)的无线网络， 其中多个CD经由多个通信链接彼此进行通信。对于该实施例，网络300 可以是WWAN、 WMAN、 WLAN、 WPAN或其它类型的无线网络。通信设 备(CD) 302-308可以是桌上型计算机、膝上型计算机、机顶盒、个人数 字助理(PDA)、网络手写板、寻呼机、文本消息发送器、游戏设备、智能 装置和无线移动电话或任意其它类型的计算或通信设备。在一些实施例中， 至少一个CD 302-308可以是主机的或访问点，而其它的CD可以是客户或 从属设备。注意到在可替换的实施例中，网络300可以包括较多或较少的 CD。每个CD 302-308可以经由链接310，与网络300的其它CD进行通信， 链接310可以是双向的。CD之间的通信可以根据例如802.11a、 802.11b和 这些标准其它的派生标准。
为便于理解，假定网络300是WPAN， CD 302是访问点，其它CD 304-308是客户设备，对本发明的实施例进行进一步的描述。注意到在可替 换的实施例中，网络300可以不包括访问点。例如，在可替换的实施例中， 网络300可以是ad-hoc网格网络，这种情况下不需要访问点。回到图3， 在一些实施例中，至少其中一些客户CD 304-308可以任意和随机地加入和 /或离开网络300。每当有客户CD 304-308进入网络300时，他会鉴别或关 联(这里为"关联")网络300，从而网络300的多个客户CD可以"知道" 客户CD呈现在网络300中。在一些实施例中，客户CD 304-308可以通过 与访问点CD302相关联，来与网络300相关联。注意到在本示例中，客户 CD304如参考312所指示，正好进入网络300。
CD 304—旦进入网络300，就可以把其自身与网络相关联(例如，经 由访问点CD302)。根据多个实施例，可以使用例如与相对较宽的波束宽度 相关联的第一频带，来实现与网络300的关联。通过使用与相对较宽的波 束宽度(这里是"第一波束宽度")相关联的频带来发送关联信号，网络300 中的其它CD302、 306和308更有可能从CD304接收鉴别信号(例如，信 标)。在一些实施例中，第一频带可以是2.4GHz (ISM)、 5.0 GHz (UNII) 或其它可以小于例如20GHz的波带。注意到通过在第一频带内发送的信号，访问点CD 302可以监听(即鉴别或关联)进入的CD 304。在成功地向网 络300进行注册或关联之后(可以经由多个关联和/或鉴别协议中的任意一 个来实行)，CD304的组件则可以"休眠"直到从网络中的一个其它的CD 接收到数据发送，或是准备将数据发送到网络300 (即到网络300中的一个 或多个其它的CD)为止。
当客户CD304准备将信号发送到网络300 (包括访问点CD302)中的 一个或多个CD 302、 306和308时，起初可以再次使用与第一波束宽度相 关联的第一频带，来发送包括控制信息的第一控制信号。当使用与第一波 束宽度相关联的第一频带时，网络300中的其它CD302、 306和308，更有 可能"听到"或接收到客户CD304所发送的信号。这可以对在第二频带内 减少干扰提供机会，因为设备现在知道CD304的意图，并且因此可以将它 们的发送推迟到适当的时间周期。在多个实施例中，其它CD 302、 306和 308可以确定客户CD304所发送的第一控制信号的信号参数。通过测量信 号参数，其它CD 302、 306和308可以确定第一控制信号到达的信号强度 和角度。结果，可以使其它CD302、 306和308便于确定其它CD302、 306 和308和客户CD 304之间的距离。
进一步地，至少部分地基于使用第一频带的初始信号的到达角度，通 过其它CD302、 306和308来至少确定CD304相对其CD (例如，在方位 角和高度的方面)的位置。这些确定可以有效地使得使用与相对较窄的波 束宽度相关联的第二频带来使进一步通信便于进行。即基于该确定，由其 它CD 302、 306和308所使用的天线系统可以被恰当地配置和/或排列，以 使得在CD 302、 306和308和客户CD 304之间使用第二频带来使进一步通 信便于进行。
通过第一频带发送的第一控制信号可以使网络300中CD 304和其它 CD 302、 306和308之间便于进行初始通信；包括CD 302、 306和308用 于粗略配置以便与CD 304进行通信的信号和/或控制信息。设备使用与第 二波束宽度相关联的第二频带进行后续通信，该第二波束宽度可以比第一 频带的第一波束宽度较窄。在一些实施例中，第一控制信号可以包括用于 介质访问控制(MAC)机制数据例如与CSMA/CA或CSMA/CD相关联的 数据的信号。此外，通过使用与相对较宽的波束宽度相关联的第一频带来发送数据，例如MAC机制数据，其它CD 302、 306和308中的每一个更 有可能接收到MAC机制数据。第一控制信号可以进一步地包括用于初始波 束成形参数的信号以及控制信息，该参数例如波束成形系数、同步参数、 初始CFO估计、检测等等。特别地，在一些实施例中，第一控制信号可以 适用于使其它CD302、 306和308的波束成形、CFO估计和/或同步便于进 行。
在一些实施例中， 一个或多个CD 302-304使用包括多元件天线的天线 系统，使用第一频带发送的第一控制信号可以包括用于使不同的分集技术 (例如，天线选择和最大比合并)、空间-时间编码(例如，Alamouti编码) 以及MIMO技术便于进行的信号。
第二频带可以是高于第一频带的频带。例如，第二频带可以是带内波 带(即大于20GHz)，例如24GHz波带、或是59-62 GHz频谱内的频带。 较高的频带，例如那些大于20GHz的频带，可以比较低频带提供更大的波 束宽度(例如，2.4 GHz禾n 5.0 GHz)。在多个实施例中，使用第二频带的通 信可以根据特定的技术，例如OFDM或其它调制技术。注意到在一些可替 换的实施例中，第一和第二频带可以是实质上相同的频带，但是通过使用 例如不同孔径大小的天线或使用了多元件天线的天线系统，可以与不同的 波束宽度相关联。进一步注意到，如果CD 304不能使用第二频带进行通信， 则CD 304可以操作在回退(fall-back)操作模式，在该回退操作模式中至 少在第二频带可用之前，通信完全经由第一频带。例如，如果发送和接收 设备使用第二频带不能"看见"彼此，那么这种回退模式是需要的。
在使用第一频带来发送第一控制信号以使通信便于进行之后，可用使 用第二频带来发送第二控制信号以进一步建立通信。第二控制信号可以包 括其它CD302、 306和308用于使精确波束成形、精确CFO估计、同步等
等便于进行的信号和/或控制信息。一旦建立了使用第二频带的进一步通信， 可以使用第二频带来传输用于跟踪波束成形、CFO、定时、等等的信号， 以及包括例如视频流、实时协作、视频内容下载等等的信号。
当客户CD 304如参考标号314所指示将要离开网络300时，客户CD 304可以在退出网络300之前与网络300交换多个退出信息或参数(例如， 访问点CD 302)。 一旦退出网络300， CD 304可以通过第一频带发送退出信息。退出信息可以包括原因代码，例如信号质量差、或仅仅不再希望进 行传输(应用已关闭)或未被批准进入网络等等。
图4示出根据多个实施例，可以经由第一和第二频带在无线网络中传
输的一些类型的CSMA/CA数据。特别地，图4显示了根据CSMA/CA协 议来彼此进行通信的三个节点A、B和C。第一频带与第一波束宽度相关联， 并且第二频带与第二波束宽度相关联，第一波束宽度宽于或大于比第二波 束宽度更宽或更大。对于该实施例，可以使用第一和第二频带来便于进行 分布式协调功能(DCF)帧间间隔(DIFS)、短帧间间隔(SIFS)和竞争窗 口 (CW)，而可以使用第一和/或第二频带来传输MAC协议数据单元
(MPDU)和确认(Ack)。
图5示出了在无线网络的设备之间使用第一和第二频带的通信的过程， 其中第一频带具有比与第二频带相关联的第二波束宽度更宽的第一波束宽 度。过程500可以由多个通信设备执行并在504当通信设备进入网络时开 始。进入网络之后，通信设备可以使用与第一波束宽度相关联的第一频带
(例如，2.4GHzISM波带或5.0GHzUNII波带)，以便在506向网络注册。 如果通信设备在508完成了传输(例如，发送和/或接收)，那么设备可以在 510与网络交换退出信息并开始退出网络。
另一方面，在508如果通信设备还没有完成与该网络(即网络的一个 或多个通信设备)的通信，那么在512通信设备可以使用第一频带与其它 设备交换控制信号，并且随后使用与第二波束宽度相关联的第二频带与其 它设备进行通信。注意到这里使用的术语"交换"可以是信号的双向或单 向交换。随后在514可以用第二频带来传输第二控制信号，第二控制信号 具有用于使用第二频带来使进一步通信便于进行的信号和/或控制信息。第 二控制信号可以包括，例如，用于精确波束成形、精确CFO估计和/或同步 的信号和/或控制信息，第二控制信号可以对使用第一频带来进行交换的第 一控制信号进行补充，以便使用第二频带来进一步建立通信。 一旦使用第 二频带进一步建立了通信，则在516可以交换携带多个数据的信号。在通 信设备使用第二频带完成为了与网络中的设备的通信之后，过程500可以 通过返回到508自我重复。
图6描述了通信设备(CD) 600的一部分，其包括具有多层的协议栈604，其中包括应用层606、网络层608、介质访问控制(MAC)层610和 物理(PHY)层612。 CD 600可以进一步地包括例如处理器或微控制器的 控制器602，用于协调与CD600的多个层相关联的多个组件的活动。可以 将PHY层612的组件耦合到两个天线614和616。在一些实施例中， 一个 天线614可以是全向的天线，而另一个天线616可以是定向的天线。对于 这些实施例，全向的天线可以适用于发送和/或接收与第一波束宽度相关联 的第一频带的信号，而定向的天线可以适用于发送和/接收与第二波束宽度 相关联的第二频带的信号。此外，第一波束宽度可以大于第二波束宽度。 在一些实施例中，第一频带可以是低于第二频带的频带。在可替换的实施 例中，仅仅可以将单个的天线耦合到PHY层612。在其它可替换的实施例 中，PHY层612可以包括或可以耦合到天线系统，该天线系统可以使用， 例如， 一个或多个多元件天线，以分别地使用与第一和第二波束宽度相关 联的第一和第二频带来发送和/或接收信号。
本发明的多个实施例可以由CD 600的MAC和PHY层610和612 (在 下文中简称为MAC和PHY层)的组件执行。PHY层612可以适用于使用 第一频带来发送和/接收第一信号(即，第一控制信号)，以使用第二频带来 便于进行初始通信的建立。PHY层612可以进一步适用于使用第二频带来 发送和/或接收第二信号(即第二控制信号)，以使用第二频带来便于进行进 一步通信，以传输携带数据第三信号。相反地，MAC层610可以适用于选 择将要由PHY层612使用的第一或第二频带，以发送和/接收第二、第二和 /或第三信号。
全向的天线614可以用于经由第一频带来发送和/或接收第二信号，以 使得在无线网络的CD 600和其它CD之间以使用第二频带来使初始通信便 于进行。相反地，定向天线616可以用于使用第二频带来发送和/接收第二 和第三信号，最初至少部分地经由使用全向天线614来发送和/接收的第一 信号来建立使用定向天线616的通信。为了执行上述用于CD 600的多个功 能以及如前所述的功能，CD 600可以包括适用于存储指令的物理存储介质， 其中该指令使CD执行如前所述的功能。
图7示出了根据多个实施例，用于使用第一和第二频带来发送和/或接 收信号的电路。电路700可以操作在无线网络环境中并可以包括发送器电路702、接收器电路704、频率合成器706和天线708-714，以及其它。注 意到在可替换的实施例中，电路700可以使用任意数量的天线。进一步注 意到这里使用的术语"数个天线"和"多个天线"是同义的。
在多个实施例中，电路700可以操作在正交频分复用(OFMA)环境中。 电路700可以包括零中频(ZIF)电路、超外差电路、直接转换电路或其它 类型的电路。在一些实施例中，电路700可以是在标题为"用于在无线网 络中使用多频带进行通信的系统"的共同未决的申请<待插入> (代理人案 号111027-145374)中公开的一个电路。
在一些实施例中，频率合成器706可以是用于将第一较低的调制频率 信号716和第二较高的调制频率信号718两者提供给发送器和接收器电路 702和704的频率合成器，例如2.4/60 GHz频率合成器。第一和第二调制 频率信号716和718可以分别用于使用第一和第二频带来发送或接收调制 和/解调信号。发送器电路702可以耦合到第一天线708以及第二天线710， 第一天线708可以是全向天线，第二天线710可以是定向天线。接收器电 路704可以耦合到第三天线712以及第四天线714，第三天线712可以是定 向天线，第四天线714可以是全向天线。
在多个实施例中，可以由参考振荡器的稳定性来定义电路700的相对 CFO。从而，可以对OOB (例如，第一频带)和带内(例如，第二频带) 两者的操作使用相同的振荡器。因此，对于带内(第二频带)操作，CFO 的绝对值可以高得多。
使用OOB操作来解决这种系统的初始CFO估计和补偿问题。例如， 将频率合成器706设计；带内频率合成电路和OOB频率合成电路两者使用 相同的参考时钟振荡器。在这种情况下，在OOB频率和带内频率上发送的 信号两者可以具有相同的相对(以ppm为单位)CFO。在接收端可以对OOB 信号进行CFO的初始估计，其后，可以重新进行计算该估计，并且将该估 计用于带内频率上的粗略频率偏移补偿。整个系统还可以使用OOB信令， 用于跟踪例如定时、载波频率抵销以及等等。
图8示出了根据多个实施例，使用第一和第二频带在无线网络中进行 通信的帧格式。帧格式800可以表示将要由通信设备向和/或从无线网络的 另一个通信设备发送和/或接收的信号的格式。第一频带(即带外(OOB)频带)可以是较低的频带，例如小于约20GHz的频带，而第二频带(即带 内频带)可以是高于约20GHz的频带。进一步注意到，因为在较高的频带 中有较大的频谱可用，所以第二较高的频带可以具有大约或多于1-2 GHz 的带宽，而第一较低的频带仅可以具有若干MHz的带宽。
帧格式800包括将要经由第一频带来传输的OOB前导802，前导802 包括在适用于信号检测、初始载波频率抵销(CFO)估计和/或初始波束成 形的信号中。注意到这里使用的术语"前导"是广义的，并且可以意指任 意类型的数据分组或数据分组的部分。在一些实施例中，OOB前导可以包 括介质访问控制数据，例如涉及CSMA/CA或CSMA/CD数据的数据。
帧格式800可以进一步地包括使用第二频带来传输的带内前导804和 带内数据806。带内前导804可以包括在适用于精确的定时同步、精确的 CFO估计和/或精确的波束成形的信号中。用于带内前导804的信号可以对 使用第一频带来进行交换的控制信号(例如，初始CFO估计、初始波束成 形等等)进行补充。结果，带内前导804可以进一步使用第二频带来使通 信便于进行，从而便于进行带内数据806的通信。特殊的字段符号可以放 置在OOB前导之后，用于提供已编码的服务信息，结果数据符号和带内分 组解码(例如，所使用的调制和编码方案等等)可能需要该已编码的服务
{曰息。
为了理解包括帧格式800的信号的某些方面，现在将提供关于CFO的 更详细的解释。CFO是发送器和接收器进行调谐时，载波频率之间的差。 尽管当使用较高频带的前导(即前导信号)，例如带内前导804，来进行确 定时可以更准确地确定CFO估计，可以使用OOB前导802 (即OOB前导 信号)对初始CFO估计进行初始确定，以便在使用带内前导804来精确地 估计CFO之前，部分地确定CFO。结果，通过将用于初始CFO估计的信 号包括在包括OOB前导802的信号中，可以简化精确CFO估计的任务。
带内前导804 (即带内前导信号)可以适用于精确CFO估计，其可以 对使用OOB前导802来执行的初始CFO估计进行补充。CFO是发送设备 中的参考时钟振荡器和接收设备中的参考时钟振荡器之间的频率差。因为 参考振荡器确定发送设备和接收设备的"时标"，CFO可以通过参考振荡器 频率的差的乘积来确定，其中参考振荡器频率表示成对于这些频率的绝对值的百分比，载波频率的值用赫兹表示。CFO估计方案典型地对接收器和
发送器的载波频率之间的差的绝对值更加灵敏，注意到载波频率越大，可
达到的CFO值越高。从而，当确定使用前导信号时，CFO估计可以获得改 善的准确度，其中使用较高的频带，例如带内频带，来传输该前导。
包括OOB前导802的信号可以适用于初始波束成形。如这里所使用的， 初始波束成形是指波束成形计算的初始过程，该过程可以包括对来自远程 发送设备的信号波阵面的到达角度的初步估计。这个操作可以便于进行接 收设备的天线系统的初步调整，以便使接收设备接收后续带内前导。这个 操作同样可以减少带内信号的到达角度的搜索间隔。例如，初始波束成形 可以指向远程发送设备进行操作的扇区。如果接收设备的天线具有多个的 充分窄的扇区，那么初始波束成形则可以减少扇区的数量，以搜索后续的 带内信号。
为了补充初始波束成形，包括带内前导804的信号可以适用于精确的 波束成形。精确的波束成形可以是指精确或准确的天线调整的过程，以改 善例如带内信号(即，通过第二频带发送的信号)的接收质量。取决于所 使用的波束成形算法，精确的波束成形可以包括选择天线中的最佳天线或 最佳扇区，其中的信号质量度量是最佳的。精确波束成形同样可以包括复 杂系数(或仅仅是相移值)的计算，用于将来自不同天线或来自不同扇区 的信号组合到扇区天线中。
包括OOB前导802中的信号可以适用于信号检测。即包括OOB前导 802的信号可以适用于便于进行信号检测并向接收设备指示信号是"有效" 信号。包括OOB前导的信号可以适用于向接收设备或多个设备指示该信号 是包括来自网络通信设备的"有效"消息而不是噪音或干扰的信号。当前， 联邦通信委员会(FCC)允许较低波带内(例如，2.4 GHz和5.0 GHz波带) 的较大功率频率密度，并且因此，当使用较低波带时，由于正确地检测到 "有效"信号的概率更高，所以在这些较低的波带可以更容易地执行信号
、、 包括带内前导804的信号可以适用于精确的定时同步。精确的定时同 步可以是指在接收的信号中找出信息符号的边界的过程。因为带内前导804 的信号具有较大的频谱带宽(相当于OOB前导信号)，这些信号可以设计为，例如，比包括OOB前导802中的信号具有更好的相关特性。因此，通 过将精确的定时同步信号包括在包括带内前导804的信号中，可以获得更 准确的定时估计和因此更好的同步。
一旦由于传输OOB前导802和带内前导804而完全建立了使用第二频 带的通信，可以如图8所示，经由第二频带传输带内数据806。带内数据 806可以包括例如，视频流、实时协作、视频内容下载等等。
图9描述了包括OOB前导802、带内前导804、以及带内数据806的 帧格式900，其类似于于图8所示的帧格式800。然而，不同于图8的帧格 式，帧格式900包括时间间隙902。时间间隙902将OOB前导802与帧的 较高频率部分(例如，带内前导804)分开，以允许接收设备的接收器电路 在第一和第二频带之间进行切换，并允许电路中的后续弛豫过程，例如滤 波器(例如，见图7)进行结束。
图IO描述了根据多个实施例，用于在无线网络中使用第一和第二频带 进行传输的另一个帧格式。帧格式950类似于图9的帧格式900，除了在时 间间隙902之后可以如参考标号952所指示使用第一频带来跟踪和/或发送 服务信息。即第一频带可以用于跟踪波束成形、CFO、定时等等，和/或用 于发送服务信息，例如信道访问信号。注意到在可替换的实施例中，不可 以出现时间间隙902。进一步注意到帧格式950的OOB部分可以包括诸如 导航或训练信号的信号。
之前的实施例涉及使用第一和第二频带进行传输的"硬"耦合的系统， 其中使用第二频带的通信是使用第一频带的通信的结果。换句话说，硬耦 合的系统使用第一频带来传输信号(例如，第一控制信号)，以使用第二频 带来使后续通信便于进行。
然而，在可替换的实施例中，设想了 "软"耦合的系统，其可以独立 地使用两个频带，从而使用第一频带的信号发送或接收可以将相同的系统 使用第二频带的信号发送或接收重叠。对于这些实施例，第一频带可以是 较低的频带，例如那些低于20 GHz的频带(例如，2.4 GHz或5.0 GHz波 带)，第二频带可以是较高的频带，例如那些高于20 GHz的频带(例如， 带内波带)。
对于不需要高数据吞吐量速率的程序，例如网络进入、带宽请求、带宽许可，对在第二较高频带内的发送进行调度，对可以包括波束成形信息 和功率控制信息的反馈信息进行传递，软耦合的系统可以使用第一较低的 频带。相反地，第二较高的频带可以用于相对较高的数据吞吐量速率的数 据发送。
图11描述了用于软耦合系统的第一和第二频带两者的帧格式。第一帧
格式1102与第一频带1100相关联，而第二帧格式1104与第二频带1101 相关联。第一频带1100可以是低于20GHz的频带，而第二频带1101可以 是高于20 GHz的频带。帧格式1102和1104可以包括各自的前导1U0和 1116、帧PHY头部1112和1118以及帧有效载荷1114和1120。类似于之 前所述的硬耦合的系统，每个前导1110和1116可以适用于帧检测、定时和 频率同步等等。然而，不同于硬耦合的系统，可以彼此独立地对这些帧格 式1102和1104的前导1110和1116进行处理。帧格式1102和1104两者的 前导可以包括在适用于CFO的粗略和精确估计、定时同步、波束成形等等 的信号中。
帧格式1102和1104两者可以包括PHY头部1112和1118，以至少用 于指示在其相关联的帧有效载荷1114禾Q 1120中携带的数据的数量。PHY 头部1112和1118还可以对调制和/或编码类型进行指示，其中该调制和/或 编码类型应用于帧有效载荷1114和1120、波束成形控制信息、有效载荷的 功率控制信息和/或其它参数。可以使用，例如，预定的调制和编码类型、 预定的波束成形、以及应用于PHY头部1112和1118的预定功率控制，对 帧PHY头部1112和1118进行调制和编码。
帧格式1102和1104两者可以包括帧有效载荷1114和1120，用于携带 有效载荷数据。帧格式1102和1104两者的帧有效载荷1114和1120可以包 括额外的子头部，用于控制有效载荷中的信息的解释，例如MAC层头部， 可以用于指示例如帧的源和/或目标地址。
第一帧格式1102的有效载荷1114可以包括信道访问控制信息，例如带 宽请求和许可。其同样可以包括用于网络进入的特殊消息以及用于测量网 络中基站之间的距离的测试信号，但是可替换的实施例中可以由前导1110 携带这些功能。第一帧格式1102可以进一步包括用于将反馈信息从分组的 目的地发送回到其源的字段，以便发送信道状态信息、接收器和/发送器性能指示符，例如比特错误比率、电流发送功率水平等等，其中的反馈信息 涉及，例如，功率控制、速率控制、波束成形控制。
第二帧格式1104的帧有效载荷1120可以包括涉及较高的网络协议层 的信息。
第一和第二帧格式1102和1104两者的PHY头部1112和1118和/或帧 有效载荷1114和1120可以包括导航信号，该导航信号用于信道传递的估计 和/或跟踪功能、维持定时和/或频率合成，以及其它服务任务。
使用第一频带1100访问无线网络的无线信道可以基于无线网络的通信 设备(例如，基站)之间的竞争。不同的技术可以应用于解决可能由竞争 引起的沖突。这些技术可以包括，例如，CSMA/CA、 CSMA/CD等等。不 同的分割技术可以用于减少冲突的数量，并且该分割技术包括，例如，竞 争机会的码分割和频率或时间分割等等。假设发生了基于竞争的访问，使 用第一频带1100的无线信道的访问就可以包括确定机制。第一频带1100 中的帧交换顺序可以包括周期性的发送的特殊信标帧，用于使第一频带 1100中的帧交换便于进行。第一频带1100中的帧而不是信标的发送可以在 完全随机的时刻发生。
与上述使用第一频带IIOO来访问无线信道的方法相比，使用第二频带 1101来访问无线信道可以是确定性，并且可以基于由于使用较低的频带(例 如，第一频带1100)的通信所得到的调度。由于通过减少由冲突所导致的 后退和重传的开销从而减少用于信道访问的时间开销，这可以允许在较高 的第二频带1101中更有效地使用高吞吐量的信道，其中当使用例如随机信 道访问方法时发生该冲突。
第一频带1100可以是较低的频带，而第二频带1101可以是较高的频 带。第一频带1100可以与第一带宽1106相关联，而第二频带1101可以与 第二带宽1108相关联，第二带宽1108大于第一带宽1106。所选类型的有 效载荷可以经由第一频带IIOO进行传输，而其它类型的有效载荷可以使用 第二频带1101进行传输。例如，网络控制消息典型地较短并包括数十字节 的数据，而较高的层的有效载荷信息可以包括几千个字节或更多。因此， 网络控制消息可以使用第一频带IIOO进行传输，而第二频带可以用于传输 较高的层的有效载荷信息。图12示出了用于独立的双波带通信的软耦合的系统的发送器/接收器
电路。电路1200可以包括发送器电路1202和接收器电路1204。电路1200 可以耦合到MAC层，MAC层可以控制多种功能并且可以包括频率合成器 1206、 90度相位分离器、天线1210和1212以及开关1214和1216等等。 频率合成器1206可以是2.4/5.0/60 GHz的频率合成器。如图所示，发送器 和接收器电路1202和1204经由开关1214和1216，耦合到两个天线1210 和1212。然而，在可替换的实施例中，发送器和接收器电路1202和1204 可以耦合到任意数量的天线。在一些实施例中，第一天线1210和第二天线 1212可以适用于分别发送和/或接收第一和第二频带，其中第一频带是低于 第二频带(例如，带内)的频带(例如，UNII/ISM频带)。在多个实施例 中，开关1214和1216可以耦合到MAC层，并且由MAC层控制，以便使 用例如UNII/ISM频带和/或带内进行选择性地发送。
尽管本文为了描述优选实施例而示出并且描述了特定的实施例，本领 域的普通技术人员应当理解在不脱离本发明的范围的前提下，所设计的用 于实现相同目的的多种可替换的和/或等价的实施例或实现可以替换所示和 所述的实施例。本领域的技术人员应当容易地理解，根据本发明的实施例 可以通过非常多方法来实现。本申请旨在涵盖这里讨论的实施例的任意改 变和变化。因此，这里明确地表明，根据本发明的实施例仅仅是由权利要 求及其等价物所限制的。
权利要求
1、一种方法，包括通过一种设备使用第一频带发送和/或接收第一信号，所述第一频带与第一波束宽度相关联，所述第一信号用于使得所述设备与无线网络中的至少一个其它设备之间便于进行初始通信，所述初始通信包括以下信号和/或控制信息的初始通信，所述信号和/或控制信息用于所述设备和/或所述至少一个其它设备的粗略配置以便彼此无线地进行通信，并且所述设备随后使用与第二波束宽度相关联的第二频带来传输用于更精确的配置的信号和/或控制信息，所述第一波束宽度大于所述第二波束宽度。
2、 如权利要求1所述的方法，进一步包括通过所述设备使用所述第 二频带发送和/或接收第二信号，所述第二信号用于使所述设备和所述至少 一个其它设备中所选择的一个(多个)之间便于进行进一步通信，所述进 一步通信包括以下信号和/或控制信息的进一步通信，所述信号和/或控制信 息用于所述设备和/或所述至少一个其它设备中所选择的一个(多个)的更 精确的配置以便彼此无线地进行通信。
3、 如权利要求2所述的方法，其中所述通过一种设备使用第一频带发 送和/或接收第一信号包括通过所述设备发送和/接收用于使初始通信便于 进行的第一信号，第一信号包括以下信号，所述信号用于使所述设备和/或 所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)的初始波束成形便于进 行。
4、 如权利要求3所述的方法，其中所述通过所述设备使用所述第二频带来向和/或从所述其它设备发送/接收第二信号包括通过所述设备发送和 /或接收第二信号，所述第二信号包括以下信号，所述信号用于通过对用于 所述设备和/或所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)的初始波 束成形的所述第一信号进行补充，来使所述设备和/或所述至少一个其它设 备中所述选择的一个(多个)的更准确的波束成形便于进行。
5、 如权利要求2所述的方法，其中所述通过一种设备使用第一频带发 送和/或接收第一信号包括通过所述设备发送和/接收第一信号，所述第一 信号包括以下信号，所述信号用于使所述设备和/或所述至少一个其它设备 中所述选择的一个(多个)的载波频率偏移(CFO)的初始估计便于进行。
6、 如权利要求5所述的方法，其中所述通过所述设备使用所述第二频 带来向和/或从所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)发送/接收 第二信号包括通过所述设备向和/或从所述至少一个其它设备中所述选择 的一个(多个)发送和/或接收第二信号，所述第二信号包括以下信号，所 述信号用于使所述设备和/或所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多 个)的更准确的CFO估计便于进行。
7、 如权利要求2所述的方法，其中所述第二频带是高于所述第一频带 的频带。
8、 如权利要求7所述的方法，其中所述通过所述设备使用所述第二频 带来向和/或从所述其它设备中所述选择的一个(多个)发送/接收第二信号 包括通过所述设备向和/或从所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多 个)发送和/或接收第二信号，所述第二信号包括以下信号，所述信号用于 使所述设备和/或所述其它设备中所述选择的一个(多个)的定时同步便于 进行。
9、 如权利要求2所述的方法，其中所述通过所述设备使用所述第二频 带发送和/或接收第二信号包括通过所述设备使用至少20 GHz的第二频 带，向和/或从所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)发送/接收 第二信号。
10、 如权利要求9所述的方法，其中所述通过所述设备使用所述第二 频带来向和/或从所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)发送/接收第二信号包括所述设备通过使用实质上中心位于59到62 GHz之间 的第二频带，向和/或从所述其它设备发送和/或接收第二信号。
11、 一种装置，包括物理(PHY)层，其适用于分别使用与第一和第二波束宽度相关联的 第一和第二频带，向和/或从无线网络的至少一个其它设备发送/接收信号， 所述第一波束宽度大于所述第二波束宽度；以及介质访问控制(MAC)层，其耦合到所述PHY层，用于选择性地使用 所述PHY层，以便使用所述第一频带发送和/或接收第一信号，以使所述装 置和从所述至少一个其它设备中选择的一个(多个)之间便于进行初始通 信，所述初始通信包括以下信号和/或控制信息的初始通信，所述信号和/ 或控制信息用于所述装置和/或从所述至少一个其它设备中所述选择的一个 (多个)的粗略配置以便彼此无线地进行通信，以及用于随后选择性地使 用所述PHY层来使用所述第二频带发送和/或接收第二信号，以使所述装置 和从所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)之间便于进行进一 步通信，所述进一步通信包括以下信号和/或控制信息的进一步通信，所述 信号和/或控制信息用于所述装置和/或所述至少一个其它设备中所选择的 一个(多个)的更精确的配置以便彼此无线地进行通信。
12、 如权利要求ll所述的装置，进一步包括第一天线，其耦合到所述 PHY层并且由所述PHY层所使用，以至少发送和/或接收所述第一信号。
13、 如权利要求12所述的装置，进一步包括第二天线，其耦合到所述 PHY层并且由所述PHY层所使用，以至少发送和/或接收所述第二信号。
14、 如权利要求13所述的装置，其中所述第一和第二天线分别具有第 一和第二孔径，所述第一孔径比所述第二孔径窄。
15、 如权利要求11所述的装置，其中所述PHY层适用于根据正交频分 复用(OFDM)，发送和/或接收所述第一和/或所述第二信号。
16、 一种系统，包括物理(PHY)层，其适用于分别使用与第一和第二波束宽度相关联的第一和第二频带，向和/或从无线网络的至少一个其它设备发送/接收信号，所述第一波束宽度大于所述第二波束宽度；介质访问控制(MAC)层，其耦合到所述PHY层，用于选择性地使用 所述PHY层，以便使用所述第一频带发送和/或接收第一信号，以使所述系 统和从所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)之间便于进行初 始通信，所述初始通信包括以下信号和/或控制信息的初始通信，所述信号 和/或控制信息用于所述装置和/或从所述至少一个其它设备中所述选择的 一个(多个)的粗略配置以便彼此无线地进行通信，以及用于随后选择性 地使用所述PHY层来使用所述第二频带发送和/或接收第二信号，以使所述 系统和从所述至少一个其它设备中所述选择的一个(多个)之间便于进行 进一步通信，所述进一步通信包括以下信号和/或控制信息的进一步通信， 所述信号和/或控制信息用于所述装置和/或所述至少一个其它设备中所选 择的一个(多个)的更精确的配置以便彼此无线地进行通信；以及全向天线，其耦合到所述PHY层，用于至少发送和/接收所述第一信号。
17、 如权利要求16所述的系统，进一步包括定向天线，其耦合到所述 PHY层，用于发送和/或接收所述第二信号。
18、 如权利要求16所述的系统，其中所述PHY层适用于根据正交频 分复用(OFDM)，发送和/或接收所述第一和/或所述第二信号。
19、 如权利要求16所述的系统，其中所述PHY层适用于使用2.4 GHz 工业的、科研的、医疗的(ISM)波带或5.0GHz全国信息基础设施(UNII) 波带来发送和/或接收所述第一信号。
20、 如权利要求16所述的系统，其中所述PHY层使用中心位于大于 20 GHz的频率的频带来发送和/或接收所述第二信号。
全文摘要
本文描述了在无线网络中使用第一和第二频带的通信信号。第一频带可以与第一波束宽度相关联，而第二频带可以与第二波束宽度相关联，其中第一波束宽度比第二波束宽度更宽。可以用第一频带来传输用于使初始通信便于进行的第一信号，该第一信号包括用于粗略地配置接收设备的信号和/或控制信息。随后可以用第二频带来传输用于使进一步通信便于进行的第二信号，该第二信号包括用于接收设备的更精确的配置的信号和/或控制信息。可替换地，第一和第二频带可用于在无线网络中独立地传输第一和第二信号。
文档编号H04W84/20GK101300871SQ200680039861
公开日2008年11月5日 申请日期2006年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者A·萨德里, A·霍里亚夫, A·马尔采夫, R·马斯连尼科夫, V·谢尔盖耶夫 申请人:英特尔公司