用于经由定向天线和全向天线进行无线通信的装置和方法

专利名称：用于经由定向天线和全向天线进行无线通信的装置和方法
技术领域：
概括地说，本发明涉及通信，具体地说，本发明涉及无线通信网络中的数据发射和 接收。
背景技术：
无线通信网络可以包括经由无线介质彼此之间能够进行通信的多个站。每一个站 可以是固定的，也可以是移动的，并且可以位于无线网络中的任何地方。给定的一个站A可 以与另一个站B交换数据，并且每一个站在数据交换时可能并不了解其它站的位置。站A 可以全方向地发射，从而提高站B成功接收的可能性。同样，站B也可以从所有方向接收， 从而提高从站A接收传输的可能性。但是，来自站A的全向发射可能会对附近的其它站造 成干扰。同样，站B的全向接收也可能导致从其它站接收到更多的干扰。站A所造成的干 扰和站B所接收的干扰对所有受影响站的性能造成不利的影响。因此，在本领域中需要提高无线通信网络的数据发射和接收性能的技术。

发明内容
本申请描述了使用全向天线和定向天线中的至少之一来进行通信的技术。定向天 线是能够经由小于360° (例如，从10°到120° )的波束宽度来发射和/或接收数据的天 线。全向天线是能够经由360°的全部或大部分来发射和/或接收数据的天线。全向天线 可以是特别设计的天线，或者也可以用多个定向天线来形成或合成。在一个方面，一个站配备的天线单元可被选择作为全向天线或者一付或多付定向 天线来进行通信，其中所说的全向天线或者定向天线可以用下文描述的各种方式来实现。 该站可以根据各种因素从这些天线单元中选择用于通信的全向天线或定向天线，其中这些 因素诸如是例如通信的目标站位置或方向是否是已知的、正在交换控制帧还是数据帧等 等。在另一个方面，该站能够以各种方式从多个可用的定向天线中选择一个具体的定向天 线。例如，该站可以估计多个定向天线各自从目标站接收的传输的所接收信号强度或所接 收信号质量，并可以选择具有最高接收信号强度或质量的定向天线。该站还可以根据目标 站的位置或方向来选择定向天线，其中所述目标站是先前已知的或者是根据任何定位技术 来确定的。
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在一个适用于IEEE 802. 11的具体设计方案中，该站使用全向天线和定向天线来 与目标站进行请求发送和允许发送(RTS/CTS)的通信。该站可以经由全向天线从目标站接 收RTS巾贞，并例如根据RTS帧的到达方向来选择定向天线。该站可以经由全向天线向目标 站发送CTS帧。随后，该站可以在RTS帧指示的持续时间内，经由所选择的定向天线从目标 站接收一个或多个数据帧。在此持续时间之后，该站可以切换回全向天线。下文进一步详细地描述本发明的各个方面和特征。


图1示出了无线局域网(WLAN)。
图2示出了无线网格(mesh)网。
图3示出了无线网络中两个站的框图。
图4A、图4B和图4C示出了全向天线和定向天线的三种设计方案。
图5A示出了一个全向波束模式的例子。
图5B示出了 一个定向波束模式的例子。
图6A和图6B分别示出了用于天线选择的处理和装置。
图7示出了用于扇区选择的处理。
图8示出了用于速率选择的处理。
图9A和图9B分别示出了用于在两个链路上对站进行操作的处理过程和装置。
图IOA和图IOB分别示出了用于在RTS/CTS交换中发射数据帧的处理和装置。
图IlA和图IlB分别示出了用于在RTS/CTS交换中接收数据帧的处理和装置。
具体实施例方式下文描述本发明的各个方面。显而易见的是，本申请的内容可以用多种形式来实 现，本申请公开的任何特定结构、功能或二者仅仅是说明性的。根据本申请的内容，本领域 的普通技术人员应当理解，本申请公开的方面可以独立于任何其它方面来实现，并且可以 用各种方式组合这些方面的两个或更多。例如，使用任意数量的本申请所阐述方面可以实 现装置或可以实现方法。此外，使用其它结构、功能、或者除本申请阐述的一个或多个方面 之外的结构和功能或不同于本申请阐述的一个或多个方面的结构和功能，可以实现此种装 置或实现此方法。本申请描述的技术可以用于各种无线通信网络，例如无线局域网(WLAN)、无线城 域网(WMAN)、无线广域网(WffAN)、无线网格网等等。术语“网络”和“系统”经常互换地使用。 WLAN可以实现IEEE 802. 11系列标准、高性能无线局域网(Hiperlan)等中的任何无线技 术。WMAN可以实现IEEE 802. 16等等。WffAN可以是蜂窝网络，例如码分多址(CDMA)网络、时 分多址(TDMA)网络、频分多址(FDMA)网络、正交FDMA(OFDMA)网络、单载波FDMA(SC-FDMA) 网络等等。下文描述了用于实现IEEE 802. 11无线网络的某些技术方面。图1示出了具有一个接入点110和多个站120的WLAN 100。通常来说，WLAN可以 包括任意数量的接入点和任意数量的站。站是能够经由无线介质与另一个站进行通信的设 备。站还可以称作为终端、移动站、用户设备、用户站等等。站可以是蜂窝电话、手持设备、 无线设备、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、无线调制解调器、无线电话等等。接入点是
5经由无线介质为与接入点相关联的站提供接入分发服务的站。接入点还称作为基站、基站 收发机(BTS)、节点B等等。站120可以与接入点110进行通信和/或彼此之间经由对等链 路进行通信。接入点110可以耦接到数据网络130，并可以经由数据网络与其它设备进行通 信。数据网络130可以是因特网、内联网或者一些其它有线或无线网络。图2示出了可以在诸如校园区域、城市中心、购物商场或一些其它通常具有较高 密度人口特征的热点地域里配置的无线网格网200。无线网格网200可以根据IEEE 802. 11 无线技术或一些其它无线技术来进行工作。无线网格网200包括多个节点，后者称为网格 点220、230和240。网格点220和230可以转发其它网格点的业务。网格点240是不转发 其它网格点业务的枝叶网格点。通常来说，每一个网格点可以是一个站，也可以是一个接入点。在图2所示的例子 中，网格点220和230可以是接入点，而网格点240可以是枝叶站和/或接入点。接入点220 可以直接连接到回程网络210，后者可以是作为无线网格网200骨干网的有线基础设施。通 过仅仅使一部分接入点直接地连接到回程网络210，可以降低建网和运行费用。为了经过回 程网络210交换业务，接入点230可以彼此之间通信和/或与接入点220经由接入点间网 格通信进行通信。接入点230可以作为向接入点220转发业务的实体。枝叶站240可以与 接入点220和/或230进行通信。在网格网络200中，数据(或分组)帧可以经过由一个或多个网格点组成的路由 从源向目的流动。路由算法可以用于确定所述帧到达目的地所经过的一系列网格点。在某 些情况下，接入点可能发生拥塞，因此，为了解除网络拥塞，可以请求向拥塞接入点转发业 务的其它接入点减速。图3示出了无线网络中两个站310和350的设计方案框图。对于图1中的WLAN 100来说，站310可以是接入点110，站350可以是站120的其中之一。站310还可以是站 120的其中之一，站350可以是接入点110。对于图2中的网格网络200来说，站310和350 可以都是网格点220、230或240。通常来说，本申请描述的“站”可以是不提供接入分发服 务的站(STA)，还可以是提供接入分发服务的接入点(AP)。站310可以使用多个(T)天线单元320a到320t来进行数据发射和接收。站350 可以使用多个(R)天线单元352a到352r来进行数据发射和接收。通常来说，T和R都可 以是任意的整数值。在一些设计方案中，T和R都可以等于2或4。如下文所述，每一个站 的天线单元都可以用于合成全向天线和定向天线。在站310，发射(TX)数据处理器312可以从数据源(没有画出)接收业务数据和 /或从控制器/选择器/处理器330接收其它数据。TX数据处理器312可以处理(例如， 格式化、编码、交织和符号映射)所接收的数据并生成数据符号，其中数据符号是数据的调 制符号。TX空间处理器314可以将数据符号与导频符号复用，如果适用则进行发射空间处 理，并向调制器(MOD)、解调器(DEMOD)和交换机单元318提供T个输出符号流。单元318 可以对每个输出符号流(例如，OFDM等等的输出符号流)进行调制并生成输出码片流。单 元318还可以调节(例如，变换到模拟、放大、滤波、上变频和功率放大)每个输出码片流以 生成射频(RF)信号。单元318可以将T个RF信号路由到可以发射这些RF信号的T个天 线单元320a到320t。在站350，R个天线单元352a到352r可以接收由站310发射的这些射频信号，并且每一付天线352可以向调制器、解调器和交换机单元360提供所接收的信号。单元360 可以按与单元318所执行的处理相反的方式来处理(例如，解调和调节)每一个所接收的 信号，从而获得所接收的符号。接收(RX)空间处理器360可以对从所有R个天线单元352a 到352r接收的符号进行空间匹配滤波，并提供数据符号估计量，其中这些数据符号估计量 是对站310发射的数据符号的估计。RX数据处理器362还可以进一步处理(例如，符号解 映射、解交织和解码)数据符号估计量，并向数据宿(没有画出)和/或控制器/选择器/ 处理器370提供所解码的数据。信道处理器374可以处理从单元360所接收的符号，以导出站310的信道估计量、 所接收传输的所接收信号强度和/或所接收信号质量、干扰估计值等等。处理器374可以 导出RX空间处理器360所使用的空间滤波器矩阵，以用于空间匹配滤波。处理器374还可 以导出TX空间处理器314所使用的发射导向矩阵，以用于发射。如下文所述，处理器374 还可以确定无线介质和/或所接收传输的其它特性。用于对从站350到站310的传输的处理可以和用于对从站310到站350的传输的 处理相同或者不同。在站350，来自数据源(没有画出)的业务数据和/或来自控制器/选 择器/处理器370的其它数据(例如，反馈信息)可以由TX数据处理器380进行处理(例 如，编码、交织和符号映射)，与导频符号进行复用，然后由TX空间处理器382进行空间处 理，并由单元360做进一步处理(例如，调制和调节)以生成R个射频信号，其中这些射频 信号可以经由天线单元352a到352r进行发射。在站310，站350发射的RF信号可以由天线单元320a到320t接收，并由单元318 进行处理以获得所接收的符号。所接收的符号可以由RX空间处理器340进行处理(例如， 空间匹配滤波)，并进而由RX数据处理器342进行处理(例如，符号解映射、解交织和解 码)，以获得解码的数据。信道处理器334可以处理从单元318所接收的符号，以导出站350 的信道估计量、所接收传输的所接收信号强度或所接收信号质量、干扰估计值等等。处理器 334还可以例如根据该信道估计量来导出空间滤波器矩阵、发射导向矩阵等等。处理器334 还可以确定无线介质和/或所接收传输的其它特性。控制器/选择器/处理器330和370可以分别控制站310和站350的操作。例 如，控制器/选择器/处理器330和370可以选择用于通信的全向天线或定向天线。存储 器332和372可以分别存储站310和站350的数据和程序代码。在一个方面，站可以配备有用于数据发射和/或接收的全向天线和一付或多付定 向天线。通常来说，天线可以包括一个单一天线单元或由多个天线单元组成的一个集合。可 以用不同的设计方案来实现全向天线和定向天线。这些天线可以用不同的天线单元形成或 者可以共享共同的天线单元。还可以用各种方式选择全向天线和定向天线，以供使用。图4A示出了用于图3中站310的全向天线和定向天线的设计方案410的框图。在 此设计方案中，站310包括耦接到单元318a的T个天线单元320a到320t，其中单元318a 是图3中单元318的一种设计方案。在图4A所示的设计方案中，每一个天线单元320与一个乘法器、一个交换机414、 一个调制器416和一个解调器418相关联。对于经由天线单元320a的数据发射，调制器 416a向交换机414a提供调制的信号，其中交换机414a将该信号路由到乘法器412a。乘法 器412a将所调制的信号与权重W1相乘，并向天线320a提供RF信号。对于经由天线单元
7320a的数据接收，乘法器412a将从天线单元320a接收的信号与权重W1相乘，并提供缩放 的信号。交换机414a将缩放的信号从乘法器412a路由到解调器418a。将天线单元320b 到320t各自的信号按与天线单元320a的信号相似的方式进行路由和缩放。
可以选择权重W1到wT，以用于与天线单元320a到320t —起合成全向波束或定向 波束。这些权重依赖于天线单元320a到320t的布置和设计方案、期望的波束以及可能的 其它因素。这些权重可以是基于计算机仿真、经验测量等等来确定的。这些权重巧到^可 以施加于图4A中所示的RF信号或调制器416和解调器418中的模拟信号上。这些权重W1 到wT还可以施加于图3的TX空间处理器314发射路径的数字信号上和/或RX空间处理 器340接收路径的数字信号上。 通常来说，天线单元320a到320t可以用于合成任意数量的定向天线。在一种设计 方案中，天线单元320a到320t用于合成三付定向天线，这三付定向天线以大约120°的间 隔指向外面。每一个定向天线的波束可以具有超过120°的波束宽度，并且可以在边缘与邻 近波束重叠。还可以合成更少或更多的定向天线。通常来说，天线单元320a到320t可以 用于合成任意数量的定向天线，其中这些定向天线可以指向特定方向(例如，分开120° )， 或者能够以小角度增量方式间隔开来。图4B示出了用于图3中站310的全向天线和定向天线的设计方案430的框图。 在此设计方案中，站310包括耦接到单元318b的四组天线，每组有T个天线单元，其中单 元318b是图3中单元318的另一种设计方案。第一组包括用于全向天线的T个天线单元 320a0到320t0。第二组包括用于扇区1定向天线的T个天线单元320al到320tl。第三组 包括用于扇区2定向天线的T个天线单元320a2到320t2。第四组包括用于扇区3定向天 线的T个天线单元320a3到320t3。用于三个扇区的三个定向天线可以以大约120°的间 隔指向外面，其中每一个定向天线可以具有超过120°的波束宽度。可以设计每一组天线单 元，以实现相应全向天线或定向天线的期望波束。对于每一种天线波束，通过使用不同组的 天线单元可以实现性能的提升。可以选择四组天线单元的其中一组来用于通信。所选择的一组T个天线单元可以 与图3中的天线单元320a到320t相对应。单元318b包括T个交换机434a到434t、T个调制器436a到436t和T个解调器 438a到438t。交换机434a耦接到四组天线单元中的四个天线单元320a0、320al、320a2和 320a3，还耦接到调制器436a和解调器438a。对于数据发射，交换机434a将调制的信号从 调制器436a连接到所选择组中的天线单元。对于数据接收，交换机434a将所接收信号从所 选择组中天线单元连接到解调器438a。可以按与交换机434a、调制器436a和解调器438a 相似的方式连接和操作其它天线单元的交换机、调制器和解调器。图4C示出了用于图3中站310的全向天线和定向天线的设计方案450的框图。 在此设计方案中，站310包括耦接到单元318c的三组天线，每组有T个天线单元，其中单元 318c是图3中单元318的另一种设计方案。第一组包括T个天线单元320al到320tl，第二 组包括T个天线单元320a2到320t2，第三组包括T个天线单元320a3到320t3，其中这些 天线单元如上文图4B中所述。可以选择这三组天线单元的其中一组来用作定向天线，或者 可以选择所有这三组天线单元用于全向天线。通过组合这三组中的三个天线单元(例如， 天线单元320al、320a2和320a3)可以形成虚拟天线。
单元318c包括T组电路，其中每一组电路包括交换机452、454和456、组合器462、 交换机464、调制器466和解调器468。如果选择了全向天线，则交换机452a将天线单元 320al耦接到组合器462a，如果选择了扇区1的定向天线，则交换机452a将天线单元320al 耦接到交换机464a。如果选择了全向天线，则交换机452b将天线单元320a2耦接到组合器 462a,如果选择了扇区2的定向天线，则交换机452b将天线单元320a2耦接到交换机464a。 如果选择了全向天线，则交换机452c将天线单元320a3耦接到组合器462a，如果选择了扇 区3的定向天线，则交换机452c将天线单元320a3耦接到交换机464a。对于数据发射，组 合器462a从交换机464a接收信号并向交换机452a、452b和452c提供该信号。对于数据 接收，组合器462a将从交换机452a、452b和452c所接收的信号进行组合，并向交换机464a 提供该组合的信号。对于数据发射，交换机464a将来自调制器466a的所调制信号连接到 交换机452a、452b和452c或组合器462a。对于数据接收，交换机464a将来自交换机452a、 452b和452c或组合器462a的信号连接到解调器438a。可以按与第一天线单元的交换机、 组合器、调制器和解调器相似的方式连接和操作其它天线单元的这些部件。在另一种设计方案中，站310包括(1)用于与无线网络中的其它站进行通信的第 一组至少一付天线；(2)用于与另一个网络(例如，回程网络)进行通信的第二组至少一付 天线。可以设计第一天线组用于第一频带(例如，用于IEEE 802. 11的2. 4GHz或5GHz)或 一些其它频带。可以设计第二天线组用于第二频带(例如，3. 5GHz)或一些其它频带。天 线组可以包括全向天线和定向天线二者，并且可以如图4A、图4B或图4C所示那样来实现。 或者，天线组可以仅仅包括全向天线。在一种设计方案中，第一组仅仅包括全向天线，而第 二组包括全向天线和定向天线二者。两个天线组可以使用不同的发射和接收电路。在此情 况下，站310能够经由两个天线组同时与两个站进行通信，例如，经由第一天线组与网格网 络中的一个站进行通信，经由第二天线组与网格接入点进行通信。图5A给出了全向波束模式的例子，其可以用图4A、图4B和图4C中给出的天线设 计方案来得到。该全向波束模式对于所有空间方向具有相似的天线增益。图5B给出了定向波束模式的例子，其可以用图4A、图4B和图4C中给出的天线设 计方案来得到。该定向波束模式在波束宽度中具有高的天线增益，而在波束宽度之外具有 小的天线增益。可以根据支持的扇区数量和定向波束之间期望的重叠量来选择波束宽度。图4A到图4C给出了用于全向天线和定向天线的三种设计方案示例，其中这些示 例可以用于站310和站350。还可以用其它设计方案来实现全向天线和定向天线。这些天 线还可以用任意数量的天线单元来实现。天线单元可以是偶极天线、贴片天线、微带天线、 带状天线、印制偶极天线、倒F天线等等。下列方面可以适用于站310和站350之间的通信 天线选择是指选择用于通信的全向天线或定向天线； 扇区选择是指从一个站可使用的所有定向天线中选择特定的定向天线。 速率选择是指选择一种或多种数据速率用于传输。为了说明清楚起见，下文大部分是从站310的角度进行描述的。站350是目标站， 其中目标站是交换(例如，发送和/或接收)分组的站。可以根据各种标准来进行天线选择，这些标准例如为目标站350的位置或方向 是否是已知的、发送或接收的信息类型、目标站350的接收信号强度/质量、来自其它站的
9干扰等等。在一种设计方案中，如果目标站350的位置或方向是未知的或者如果目标为多 个站时，则选择全向天线以供使用。站310可以在任何给定时刻接收来自无线网络中任何 站的帧。站310可以使用全向天线来从未知位置的站接收帧。站310还可以使用全向天线 向未知位置的站发射帧。站310还可以使用全向天线向多个已知或未知位置的站发送给定 帧(例如，控制帧)。在一种设计方案中，如果目标站350的位置或方向是已知的，则选择定向天线以 供使用。根据目标站350发送的传输、目标站350的位置估计量等等，可以确定目标站350 的位置或方向。基于上下文，站310可以选择全向天线或定向天线来与目标站350的通信。站310 还可以独自地选择全向天线或定向天线，而不需要来自目标站350的输入。定向天线的使 用(当可能时)可以增加无线网络的空间再利用，而空间再利用可以提高整体性能。可以用各种方式进行扇区选择。在一种设计方案中，根据接收的信号强度或接收 的功率进行扇区选择。站310可以经由站310的每一个可用定向天线从目标站350接收传 输。例如通过将从定向天线的T个天线单元接收的T个所接收信号的功率相加，站310可 以确定每一个定向天线的所接收信号强度。对于不同的天线设计方案，站310可以用不同 的方式将每一个定向天线的所接收功率相加。例如，站310可以在RX空间处理器340施加 不同组权重的情况下合成不同的定向天线。在此情况下，站310可以将从单元318接收的 符号与每一个定向天线的一组权重相乘，从而获得这个定向天线的输出符号，并随后根据 这些输出符号来确定该定向天线的所接收信号强度。在任何情况下，站310可以选择具有 最强接收信号强度的定向天线以供使用。在另一种设计方案中，根据所接收信号质量来进行扇区选择，其中接收信号质量 可以由信噪比(SNR)、信号与干扰加噪声比(SINR)、载波与干扰比(C/I)等等来给出。所接 收信号质量考虑了所接收功率以及噪声和干扰。因此，所接收信号质量更适合于对用于数 据发射的数据速率进行选择。站310可以经由每一个定向天线从目标站350接收传输。站 310可以确定每一个定向天线所接收传输的信号质量，并选择具有最高接收信号质量的定 向天线。在另一种设计方案中，根据目标站350先前的信息来进行扇区选择。例如根据上 文描述的任何一种设计方案，可以确定目标站350的位置或方向。可以选择用于站350的 定向天线并将其保存在存储器中。此后，如果遇到相同的目标站350，则从存储器中可以重 新得到先前为此站选择的定向天线，从而用于与该站的通信。例如根据在当前通信期间所 测定的所接收信号强度或所接收信号质量，可以确认重新得到的定向天线，从而确保重新 得到的定向天线仍然是最佳的一付天线。在另一种设计方案中，根据查寻表来进行扇区选择，其中查寻表包括无线网络中 其它站的信息。这些信息可以包括每一个站的位置或方向、适用于每一个站的定向天线等 等。只要从其它站接收到传输就可以更新这些信息。可以根据各种因素来进行速率选择，其中这些因素诸如为所接收的信号质量、选 择使用的天线、要发送的传输的类型、干扰估计值等等。不同的天线可以与不同的天线增益 相关联，其中天线增益是先前表征的和已知的。通过考虑站310和站350所使用的不同天 线的不同天线增益，可以选择一种或多种数据速率。
站310可以使用其天线单元来发送或接收单输入单输出(SISO)传输、单输入多 输出(SIMO)传输、多输入单输出(MISO)传输或多输入多输出(MIMO)传输。对于SISO或 SIM0，站310可以经由与所选全向天线或定向天线相对应的单一虚拟天线来发送单一数据 流。对于MIS0，站310可以经由所选天线的多个天线单元来发送单一数据流。对于ΜΙΜ0， 站310可以经由多个天线单元来同时发送多个数据流。其中，可以从一个天线单元全方向 地发送每一个数据流。还可以使用发射导向(transmit steering)技术从所有天线单元发 送每一个数据流，因此，对于该数据流在所选择的定向/虚拟天线上进行发送。不同的数据 流可以用不同的发射导向向量来发送，并因此在不同的定向/虚拟天线上进行发送。站310可以对经由全向天线和每一个定向天线所观察的干扰进行估计。当站350 没有发送或接收分组时，站310通过测量给定天线的所接收功率可以估计该天线上的干 扰，从而所接收功率主要是来自其它站的传输。因为其它站可以在任何时间发射，所以干扰 是随时间波动的，其可以由统计参数来加以量化。在一种设计方案中，给定天线的干扰可以 由累积密度函数(CDF)给出，其中对于给定的干扰等级X，CDF指示测量的干扰低于χ的时 间百分比。例如，⑶F可以指示，对于定向天线的5 %时间，干扰电平是-85dBm ；对于全向天 线的5 %时间，干扰电平是-75dBm。对于数据接收，站310可以估计从目标站350所接收传输的信号质量。站310可 以根据所接收的信号质量来选择数据速率，例如使用数据速率与所接收信号质量相对应的 查寻表。站310根据干扰估计值还可以应用退避(backoff)。例如，站310可以通过干扰 估计值所确定的量来降低所接收的信号质量，并根据降低的所接收信号质量来选择数据速 率。对于MIMO传输来说，站310执行以下步骤(1)进行秩选择，以确定要发送数据流的数 量；(2)进行流选择，以确定对于每个数据流要使用哪个天线单元或哪个虚拟天线。站310 根据所接收的信号质量和可能的干扰估计值，还可以进行速率选择，从而对于每一个数据 流选择适当的数据速率或对于所有数据流选择一个共同的数据速率。站310可以估计基于全向天线从站350所接收传输的信号质量，并选择定向天线 来使用。在此情况下，通过考虑全向天线和定向天线的单元增益、天线增益和/或干扰抑制 中的差值，站310可以调整所接收信号质量或数据速率。站310还可以使用从全向天线所 确定的数据速率作为定向天线数据速率的下限。站310根据所接收的信号质量、天线增益中的差值、干扰估计值等等，可以选择用 于一个或多个数据流的一种或多种数据速率。站310可以向站350发送所选择的数据速率， 其中站350可以用所选择的数据速率来发送数据。对于数据发射，站310可以例如使用全向天线向目标站350发送传输。站350可 以估计所接收的信号质量，根据所接收的信号质量来选择一种或多种数据速率，并向站310 发送所选择的数据速率。如果站310使用全向天线来发送最初传输，而对于向站350的后 续数据传输选择定向天线，那么，通过考虑全向天线和定向天线的单元增益、天线增益和/ 或干扰抑制中的差值，站310可以调整从站350所接收的数据速率。站310可以使用干扰估计值来退避(backoff)数据速率。站310还可以使用干扰 估计值来选择天线。例如，可以选择具有较小干扰的天线来使用，或者不使用具有过多干扰 的天线。图6A示出了用于天线选择的处理600的设计方案。处理600可以由站(例如，
11IEEE 802. IlWLAN或网格网络中的接入点或站)来执行。可以选择用于通信的全向天线或 定向天线(模块612)。可以用各种方式和根据各种因素来执行模块612中的天线选择。在 一种设计方案中，如果通信的目标站的位置或方向是未知的，则可以选择全向天线，如果目 标站的位置或方向是已知的，则可以选择定向天线。在另一种设计方案中，可以选择全向天 线用于控制帧，如果目标站的位置或方向是已知的则可以选择定向天线用于数据帧。可以 从多个(例如，三个)可用的定向天线中选择定向天线来使用，或者可以根据从目标站所接 收的传输来合成定向天线。所选择的天线可以用于通信，例如发送和/或接收数据(模块 614)。可以用各种方式来获得全向天线和定向天线。在一种设计方案中，一组天线单元 是可用于通信的。可以用这一组天线单元来合成全向天线和定向天线，例如，如图4A中所 示。在另一种设计方案中，全向天线可以用至少一个天线单元来实现，而至少一付定向天线 可以用至少一组天线单元来实现，例如，如图4B中所示。在另一种设计方案中，多付定向 天线可以用多组天线单元来实现，而全向天线可以用这多组天线单元来形成，例如，如图4C 中所示。还可以用其它方式来实现或合成全向天线和定向天线。图6B示出了用于天线选择的装置650的设计方案。装置650包括选择用于通信 的全向天线或定向天线的模块(模块652)；用于使用所选择的天线来进行通信(例如，发 送和/或接收数据)的模块(模块654)。模块652和654可以包括一片或多片集成电路 (IC)、处理器、电子设备、硬件设备、电子组件、逻辑电路、存储器等等、或者其任意组合。图7示出了用于扇区选择的处理700的设计方案。可以从站接收(例如用于控制 帧的)传输(模块712)。可以经由全向天线接收传输，其中全向天线可以是真正的全向天 线或者是由多付定向天线所合成的(例如，通过所有这些定向天线来接收传输)。根据所接 收的传输可以从一组天线中选择定向天线(模块714)。该组天线可以仅仅包括定向天线， 或者该组天线包括全向天线和定向天线二者。多付定向天线可以用不同组的天线单元来实 现(例如，如图4B和图4C中所示)，或者可以基于单一组的天线单元来合成多付定向天线 (例如，如图4A中所示)。在一种设计方案中，可以确定传输的到达方向。可以从多付可用 的定向天线中选择最接近传输到达方向的一个定向天线来使用。在另一种设计方案中，可 以将至少一个天线单元调谐到传输的到达方向。在另一种设计方案中，可以确定多个定向 天线各自所接收传输的信号强度，并可以选择具有最高接收信号强度的定向天线。在另一 种设计方案中，可以确定多个定向天线各自所接收传输的信号质量，并可以选择具有最高 接收信号质量的定向天线。还可以根据干扰估计值来选择定向天线。所选择的定向天线可以用于与站进行通信(模块716)。对于数据接收，可以经由 所选择的定向天线从该站接收至少一个数据帧。对于数据发射，可以经由所选择的定向天 线向该站发送至少一个数据帧。图8示出了用于速率选择的处理800的设计方案。可以经由全向天线从一个站接 收传输(模块812)。可以根据所接收的传输来选择定向天线(模块814)。可以根据所接 收的传输和所选择的定向天线来选择数据速率(模块816)。可以经由所选择的定向天线和 根据所选择的数据速率来与所述站进行交换数据(模块818)。对于模块816，可以确定所接收传输的信号质量。还可以估计所选择定向天线的干 扰。可以确定全向天线的天线增益与所选择定向天线的天线增益之间的差值。从而，根据所接收的信号质量、干扰估计值、天线增益的差值或者其任意组合来选择数据速率。还可以 根据其它因素来选择数据速率。对于MIMO传输，根据如何处理和发送数据流可以选择一种 或多种速率。图9A示出了用于在两个链路上操作站的处理900的设计方案。所说的站可以经由 全向天线在第一链路上与第一站进行通信(模块912)。所说的站可以经由定向天线在第二 链路上与第二站进行通信(模块914)。第一链路对应于无线网络(例如，IEEE 802. IlffLAN 或网格网络)中的站所共享的无线介质。第二链路对应于有线接入点的回程。第一链路和 第二链路可以对应于相同的或不同的频带。所说的站可以同时在第一频带上与第一站进行 通信和在第二频带上与第二站进行通信。第一频带和第二频带可以重叠或可以不重叠。如 果这些频带重叠，则它们可以部分地重叠，或者一个频带可以完全地与其它频带重叠。第一链路和第二链路可以用于相同的无线网络，并且第一站和第二站可以是同一 站。在一种设计方案中，经由全向天线可以在第一链路上交换控制帧，经由定向天线可以在 第二链路上交换数据帧。可以最低限度地使用全向天线，例如获取少量的数据，以判断应当 使用哪付定向天线。图9B示出了用于在两个链路上操作的装置950的设计方案。装置950包括用于 经由全向天线在第一链路上与第一站进行通信的模块(模块952)；用于经由定向天线在第 二链路上与第二站进行通信的模块(模块954)。模块952和模块954可以包括一片或多 片集成电路、处理器、电子设备、硬件设备、电子组件、逻辑电路、存储器等等、或者其任意组
I=I ο全向天线和定向天线能够以各种方式用于通信。下文描述用于通信的这些天线的 一种具体用法。在IEEE 802. 11中，站通过载波监听多路接入/冲突避免(CSMA/CA)协议来竞争 无线介质，其中CSMA/CA协议防止相邻站同时进行发射。此外，站通过使用RTS/CTS交换可 以预留一定量的时间用于在无线介质上进行传输。对于这种交换，一个给定站A可以向另 一个站B发送包括请求的持续时间在内的RTS帧，其中站B可以是用于这种交换的接入点。 请求的持续时间可以覆盖需要发射未决数据和相关信令的时间量。站B可以批准该请求， 并向站A发送CTS帧。随后，在所批准的持续时间内，站A可以在无线介质上发射。RTS/CTS交换旨在防止隐藏节点的干扰，其中隐藏节点是在彼此通信范围之外但 仍对彼此造成干扰的站。例如，在接入点相对侧的两个站可以是相互隐藏的，但它们的传输 在接入点上可能相互干扰。为了使RTS/CTS交换变得有效，所有在站A和站B附近的相邻 站应当能够解码RTS和/或CTS帧，并根据包括在RTS和CTS帧中的持续时间来设置它们 的网络分配向量(NAV)定时器。因为RTS和CTS帧可以从任意方向到达，所以每一个站使 用全向天线来接收这些帧。为了确保能够接收这些控制帧，人们期望站始终经由全向天线 来接收所有的控制帧(例如，RTS和CTS帧)。但是，例如由于相邻站的地理位置和其它因 素，可能存在不能够解码RTS和/或CTS帧的相邻站。因此，在所批准的持续时间内，这些 相邻站可能并不保持静默，并且来自这些相邻站的传输可能干扰来自站A或站B的传输，从 而降低传输的有效速率。定向天线通过对从与发射和接收站方向相距较远的方向到达的干扰进行抑制，从 而定向天线可以用于降低干扰的不利影响。这种干扰抑制可以提高SNR并允许更高数据速率的使用。因此，把定向天线和使用RTS/CTS结合起来，可以增加吞吐量。图IOA示出了发射站A执行的用于RTS/CTS交换的处理1000的设计方案。首先， 站A选择全向天线来进行发射(模块1012)。站A经由全向天线向接收站B发射包括请求 的持续时间在内的RTS帧(模块1014)。此后，站A从站B接收CTS帧(模块1016)，并例 如使用上文描述的任何一种设计方案来确定CTS帧的到达方向(模块1018)。站A选择最 接近CTS帧到达方向的定向天线，其中CTS帧到达方向是接收站B的方向(模块1020)。随 后，在所批准的持续时间内，站A经由所选择的定向天线向站B发射在短帧隙(SIFS)时间 中开始的一个或多个数据帧(模块1022)。站B使用全向天线或定向天线从站A接收这些 数据帧。在所批准的持续时间之后，发射站A可以切换回全向天线。发射站A通过使用定向天线向接收站B发射数据帧，可以对其它站造成较小的干 扰。此外，定向天线可以比全向天线具有更高的增益，其中对于从站A到站B的传输，定向 天线允许使用更高数据速率。一旦完成到站B的数据传输，站A就可以回到全向发射。图IOB示出了用于RTS/CTS交换的装置1050的设计方案。装置1050包括用于选 择全向天线来进行发射的模块(模块1052)；用于经由全向天线向接收站B发射包括请求 的持续时间在内的RTS帧的模块(模块1054)；用于从站B接收CTS帧的模块(模块1056)； 用于确定CTS帧到达方向的模块(模块1058)；用于选择最接近CTS帧到达方向的定向天 线的模块(模块1060)；在所批准的持续时间内，经由所选择的定向天线向站B发射在SIFS 时间中开始的一个或多个数据帧的模块(模块1062)。模块1052到1062可以包括一片或 多片集成电路、处理器、电子设备、硬件设备、电子组件、逻辑电路、存储器等等、或者其任意 组合。在图IOA和图IOB中所示的设计方案中，如果接收站B的方向是已知的，则发射站 A在RTS/CTS交换期间使用定向的数据发射。当接收站的方向是未知时，站A在其它时间使 用全向发射。因此，站A以与IEEE 802. 11向后兼容的方式使用定向发射，从而可以增加吞吐量。图IlA示出了接收站B执行用于RTS/CTS交换的处理1100的设计方案。首先，站 B选择全向天线来进行数据接收(模块1112)。站B从发射站A接收RTS帧，并确定该RTS 帧的目的地/接收方(模块1114)。如果站B是RTS帧的目的地(模块1116的‘是’)，那 么站B经由全向天线发射CTS帧(模块1118)。站B例如使用上文描述的任何一种设计方 案来确定RTS帧的到达方向(模块1120)。站B选择最接近RTS帧到达方向的定向天线，其 中RTS帧到达方向是发射站A的方向(模块1122)。发射站A接收CTS帧，并使用全向天线或定向天线开始发射数据帧。如果接收站 B在SIFS时间中检测到数据(模块1124的‘是’)，那么站B经由所选择的定向天线在所批 准的持续时间内从站A接收一个或多个数据帧(模块1126)。在所批准的持续时间之后，或 者如果在SIFS时间中没有检测到来自站A的数据(模块1124的‘否’)，或者如果站B不 是该RTS帧的目的接收方(模块1116的‘否’)，站B可以切换回全向天线。因为站B使用定向天线从站A接收数据帧，所以可以抑制来自其它站的干扰。因 此，相比没有定向接收情况下可能的数据速率，对于从站A到站B的传输可以使用更高的数 据速率。一旦来自站A的数据传输完成，站B就可以回到全向接收。图IlB示出了用于RTS/CTS交换的装置1150的设计方案。装置1150包括用于选择全向天线来进行数据接收的模块(模块1152)；用于从发射站A接收RTS帧，并确定该 RTS帧的目的地/接收方的模块(模块1154)；用于经由全向天线发射CTS帧的模块(模块 1156)；用于确定RTS帧到达方向的模块(模块1158)；用于选择最接近RTS帧到达方向的 定向天线的模块(模块1160)；用于经由所选择的定向天线在批准的持续时间内从站A接 收一个或多个数据帧的模块(模块1162)。模块1152到1162可以包括一片或多片集成电 路、处理器、电子设备、硬件设备、电子组件、逻辑电路、存储器等等、或者其任意组合。在图IlA和图IlB中所示的设计方案中，如果发射站A的方向是已知的，则接收站 B在RTS/CTS交换期间使用定向接收。当发射站的方向是未知时，站B在其它时间使用全向 接收。因此，站B以与IEEE 802. 11向后兼容的方式使用定向接收，从而可以增加吞吐量。本领域技术人员应当理解，信息和信号可以使用多种不同的技术和方法来表示。 例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电 压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。本领域技术人员还应当明白，结合本申请的发明描述的各种示例性的逻辑框、模 块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地表示硬件和 软件之间的可交换性，上面对各种示例性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行 了总体描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系 统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所 描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本发明的保护范围。用于执行本申请所述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、集成电路(IC)、 现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件 组件或者其任意组合，可以实现或执行结合本申请的发明所描述的各种示例性的逻辑框 图、模块和电路。IC可以是专用集成电路(ASIC)，IC可以包括一个或多个处理器、存储器 等等或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，或者，该处理器也可以是任何常规的处 理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可能实现为计算设备的组合，例如，DSP和微 处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种 结构。实现本申请所描述技术的装置可以是IC、包括IC或一组IC的设备、上文所描述硬件 单元的任意一个或组合等等。结合本申请的发明所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执 行的软件模块或其组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、 EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其它形式的存储介 质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且 可向该存储介质写入信息。或者，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介 质可以位于IC中。该IC可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立 组件存在于用户终端中。为使本领域普通技术人员能够实现或者使用本发明，上面围绕本发明进行了描 述。对于本领域普通技术人员来说，对本发明的各种修改都是显而易见的，并且，本申请定 义的总体原理也可以在不脱离本发明保护范围的基础上适用于其它变型。因此，本发明并 不限于本申请所描述的示例和设计方案，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范
围相一致。
权利要求
1. 一种用于无线通信的装置，包括 至少一片集成电路，用于经由全向天线在第一链路上与第一站进行通信， 经由定向天线在第二链路上与第二站进行通信。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一链路对应于无线网络中的站所共享的 无线介质，所述第二链路对应于回程。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一片集成电路用于 经由所述全向天线在第一频带的频率上与所述第一站进行通信，经由所述定向天线在第二频带的频率上与所述第二站进行通信。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一频带和所述第二频带至少部分地重叠。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一站和所述第二站是同一站。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一片集成电路用于 经由所述全向天线在所述第一链路上与所述第一站交换控制帧，经由所述定向天线在所述第二链路上与所述第二站交换数据帧。
7. 一种用于无线通信的方法，包括经由全向天线在第一链路上与第一站进行通信； 经由定向天线在第二链路上与第二站进行通信。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，与所述第一站进行通信包括经由所述全向天线在第一频带上与所述第一站进行通与所述第二站进行通信包括经由所述定向天线在第二频带上与所述第二站进行通
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一站和所述第二站是同一站。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，与所述第一站进行通信包括经由所述全向天线在所述第一链路上与所述第一站交换 控制帧；与所述第二站进行通信包括经由所述定向天线在所述第二链路上与所述第二站交换 数据帧。
11. 一种用于无线通信的装置，包括用于经由全向天线在第一链路上与第一站进行通信的模块； 用于经由定向天线在第二链路上与第二站进行通信的模块。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，用于与所述第一站进行通信的所述模块包括用于经由所述全向天线在第一频带上与 所述第一站进行通信的模块；用于与所述第二站进行通信的所述模块包括用于经由所述定向天线在第二频带上与 所述第二站进行通信的模块。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第一站和所述第二站是同一站。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，用于与所述第一站进行通信的所述模块包括用于经由所述全向天线在所述第一链路上与所述第一站交换控制帧的模块；用于与所述第二站进行通信的所述模块包括用于经由所述定向天线在所述第二链路 上与所述第二站交换数据帧的模块。
全文摘要
本文描述了使用全向天线和定向天线中的至少之一来进行通信的技术。一个站配备的天线单元可被选择用作一付全向天线或者一付或多付定向天线。所述站可以根据各种因素来选择用于通信的全向天线或定向天线，其中这些因素诸如是例如通信的目标站的位置或方向是否是已知的、正在交换控制帧还是数据帧等等。
文档编号H04W16/28GK102006110SQ201010594528
公开日2011年4月6日 申请日期2007年6月6日 优先权日2006年6月6日
发明者E·T·奥萨基, J·R·沃尔顿, S·亚伯拉罕, S·南大格帕兰, S·南达 申请人:高通股份有限公司