在无线网络中使用具有波束赋型辅助的多频带的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明实施例涉及数据通信领域，尤其涉及在无线网络中的数据通信。
[0002]在无线通信的当前状态下，逐步递增的通信设备正通过无线方式彼此进行通信。这些通信设备包括具有不同外形的许多设备，例如个人计算机、移动或桌面设备、示出器、存储设备、手持设备、电话等等。这些通信设备被包装成“目标”设备，例如，机顶盒、个人数字助理(PDA)、网络手写板、寻呼机、文本信息发射器、游戏设备、智能应用和无线移动电话。这样的设备在不同的无线环境中彼此进行通信，例如无线广域网WWANbirelss widearea network)、无线城域网 WMAN(wireless metropolitan area network)、无线局域网 WLAN (wireless local area network)和无线个域网 WPAN (wireless personal areanetwork)、全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile Communicat1n)网、码分多址 CDMA (code divis1n multiple acess)等。
[0003]诸如视频流、实时协作、视频内容下载等高吞吐量应用需求的增长对无线通信提出了严格要求，以便提供更好、更快速和更低成本的通信系统。近年来，诸如2.4GHz (工业、科学、医疗ISM(Industrial，Scientific，Medical))和5GHz (通用国家信息基础设施 UNII (Universal Nat1nal Informat1n Infrastructure))的未经当局许可的频带已经被用于上至几百Mbps的通信。为了实现这样的比特速率，电气与电子工程师协会IEEE (Institute of Electrical and Engineers)已经提出了诸如多入多出 ΜΙΜΟ、正交频分复用OFDM的相对复杂的调制技术。由于ISM和UNII频带的普及，这些频带变得非常拥挤，导致对这些频段的用户产生大量的干扰。
[0004]在诸如IEEE 802.16m、802.16p的第四代4G无线标准和第三代合作伙伴项目3GPP长期演进LTE和高级LTE (LTE ADV)的标准中，多载波操作可以支持更大的带宽并且符合高级国际移动通信(IMT-ADV，Internat1nal Mobile Telecommunicat1n)系统容量的规范。
[0005]为了提供干扰有限的Gbps通信，IEEE委员会近来开始关注诸如频带大于20GHz的更高频率的通信。图1示出了在已选择的主要的工业化国家/地区中当前可用的未经当局许可的频带。
【附图说明】
[0006]通过结合附图的以下详细的说明书将很容易理解本发明的实施例。为了便于理解，相同的参考数字定义为相同的结构元件。本发明的实施例通过示例来展示，而不被附图中图形所限制。
[0007]某些实施例参考以下图形来描述:
[0008]图1示出了在已选择的主要工业化国家/地区中当前可用的未经当局许可的频带；
[0009]图2示出了使用具有相同孔径尺寸的天线的不同频带的示例性波瓣宽度；
[0010]图3示出了根据不同实施例的无线网络；
[0011]图4示出了根据不同实施例的使用第一和第二频带的可以被接收和/或发射的不同类型的CSMA/CA协议数据；
[0012]图5示出了根据不同实施例的在无线网络中通信设备的通信过程；
[0013]图6示出了根据不同实施例的通信设备；
[0014]图7示出了根据不同实施例的用于发射和接收使用两个频带的信号的电路；
[0015]图8示出了根据不同实施例的帧格式；
[0016]图9示出了根据不同实施例的另一种帧格式；
[0017]图10示出了根据不同实施例的另一种帧格式；
[0018]图11示出了根据不同实施例的使用配置为使用两种频带进行通信的软耦合系统的这两种频带的两种帧格式；
[0019]图12示出了根据不同实施例的配置为使用两种频带进行通信的软耦合系统的电路；
[0020]图13示出了根据不同实施例的在无线网络中由通信设备进行通信的另一个过程;
[0021]图14示出了根据不同实施例的在无线网络中由通信设备进行通信的另一个过程;
[0022]图15示出了根据不同实施例的在无线网络中由通信设备执行的搜索步骤；
[0023]图16示出了根据不同实施例的在无线网络中由通信设备执行的天线调整/链接建立步骤；
[0024]图17示出了根据不同实施例的在无线网络中由通信设备执行的另一个天线调整
/链接建立步骤；
[0025]图18示出了根据不同实施例的在无线网络中由通信设备执行的信号接收步骤；
[0026]图19示出了根据不同实施例的使用协作设备的通信系统；
[0027]图20示出了根据不同实施例的在无线网络中由协作设备执行的协作通信的过程;
[0028]图21示出了根据不同实施例的在无线网络中由通信设备执行的协作通信的过程;
[0029]图22示出了具有两种不同类型的无线通信系统的通信系统；
[0030]图23示出了适于在两种不同类型的无线通信系统中使用的示例性的用户设备；
[0031]图24示出了普遍用于两种不同类型的无线通信系统的具有帧同步周期的时序图；
[0032]图25示出了将来自使用帧同步周期的两种不同类型的无线通信系统的帧进行同步的时序图；
[0033]图26示出了使用帧同步周期检测帧同步信号的操作环境；
[0034]图27示出了使用帧同步周期来控制无线接收机以检测帧同步信号的过程；
[0035]图28为用于一个实施例的系统描述；
[0036]图29为用于一个实施例的流程图；
[0037]图30为用于另一个实施例的流程图；和
[0038]图31为根据一个实施例的站的原理图。
【具体实施方式】
[0039]根据本发明的不同实施例，提出了一种在使用第一和第二频带的无线网络中通信设备与其他通信设备进行通信的方法和系统。对于这些实施例，所述第一频带与第一波瓣宽度相关联，而所述第二频带与第二波瓣宽度相关联，其中所述第一波瓣宽度大于所述第二波瓣宽度。与某些实施例一致，由低频带提供带内波束赋型辅助。
[0040]尽管以下说明书中使用两个频带进行描述，然而在可替代实施例中，还可以使用超过两个频带。
[0041]在不同实施例中，所述第一频带用于传输(即发射和/或接收)第一信号，以便于在该通信设备与所述网络中的其他通信设备之间的初始通信，所述初始通信包括第一信号的初始通信，其中该第一信号包含用于其他通信设备无线地与该通信设备进行通信的粗配置的信号和/或控制信息。在设备间的第二信号的后续通信可以使用所述第二频带发射。所述第二信号还包括用于其他通信设备无线地与该通信设备进行通信的更精细配置的信号和/或控制信息。
[0042]在某些实施例中，所述第一信号适于信号检测、初始波束赋型、和/或初始载波频率偏移(CFO，carrier frequency offset)估算，以便于使用所述第二频带的后续通信。通过所述第二频带进行通信的所述第二信号为适合于补充初始波束赋型的更精确的波束赋型，和/或为适合于补充初始CFO估算的精细CFO估算的信号。所述第二信号还便于实现所述其他通信设备与该通信设备的时序同步。如前所述，为了进行使用所述第二频带的第三信号的通信，使用所述第二频带进行通信的所述第二信号还便于使用所述第二频带的通信。使用所述第二频带进行通信的第三信号包括不同类型的数据，例如，所述数据包括涉及视频流、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/或上传等的数据。
[0043]在不同可替代实施例中使用的不同方法是为了经由与所述第一波瓣宽度有关的第一频带(这里指“第一频带”)和与所述第二波瓣宽度相关的第二频带(这里指“第二频带”)进行通信。例如，在某些实施例中，使用所述第一频带的通信是由于使用了相对低的频带，例如这些频带低于大于20GHz，而使用所述第二频带的通信是由于使用了相对高的频带，例如，这些频带以20GHz以上为中心。为了使用第一和第二频带进行通信，在不同的可替代实施例中使用包括天线和/或多天线的不同组合的不同的天线系统。
[0044]所述第一频带为比所述第二频带低的频带。对于这些实施例来说，所述第一频带为2.4GHz ISM频带或0.5GHz UNII频带，或者小于大约20GHz的其他频带，而所述第二频带为更高的频带，例如大于大约20GHz的频带，其包括24GHz频带、28至31GHz频带，或以59至62GHz频谱为中心的频带。注意到，为了便于说明，使用第一更低频带的通信过程称为带外(00B，out-of-band)通信，而使用第二更高频带的通信过程称为带内通信。还要注意，在可替代实施中其他频带还作为第一和第二频带，以及第一更低频带与第二更高频带之间的界限不在20GHz处。在其他可替代实施例中，所述第一和第二频带以相同的频带为中心，但是由于使用不同的孔径尺寸的天线，从而与不同的波瓣宽度相关联。
[0045]该通信设备使用第一频带与无线网络中的其他通信设备进行通信，使用第二频带，OOB控制信息信号或简称“第一控制信号”便于数字通信。第一控制信号由便于该设备或其他通信设备的初始或粗波束赋型、CFO估算、时序同步等的“信号”和/或“控制信息”组成。在某些实施例中，该通信设备使用第二频带向/从无线网络的其他通信设备发射和/或接收带内控制信号或简称“第二控制信号”以进一步便于使用第二频带的数字通信。所述第二控制信号由便于该通信设备或其他通信设备的精细波束赋型、CFO估算、时序同步等的信号和控制信息组成。使用第二频带进行传输的后续数据或数字信号包括用于跟踪波束赋型、CF0、时序等的信号，以及各种类型的数据，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/或上传等的数据。
[0046]为了理解这里描述的实施例不同方面，现在讨论与相对宽的波瓣宽度相关联的频带的特性和与相对窄的波瓣宽度相关联的频带的特性。这里还描述了不同类型的天线的特性，例如包括全向天线和定向天线。另外，还提供了涉及使用更低频带与使用更高频带影响相互对照的讨论。
[0047]波瓣宽度是典型地与天线相关联的空间特性。天线的波瓣宽度是由天线孔径尺寸与被发射(或被接收)的信号的波长的比率来决定的。即，如果将被发射(或被接收)的信号的波长保持恒定，则孔径尺寸越大，波瓣宽度越窄。可替代地，当保持恒定的孔径尺寸时，发射(或接收)的信号的波长越短(即更高频率)，则波瓣宽度越窄。因而，当具有相同尺寸孔径的天线发射不同频带的信号时，会导致不同的波瓣宽度。此外，注意到，尽管上述讨论涉及孔径尺寸和波瓣带宽之间的关系，但是多天线还是用来有选择地控制将要被发射的信号的波瓣宽度，其中孔径尺寸与将要发射的信号的波瓣宽度不相关。即，天线系统采用使得多天线适应性地配置为有选择地发射(或接收)与不同波瓣宽度相关联的信号。
[0048]因而，为了获得相对宽的波瓣宽度，代替或者除了使用相对低的频带(例如，ISM或UNII频带)之外，一种方法是使用诸如全向天线的小孔径的天线。相反地，为了获取更窄的波瓣宽度，代替或者除了使用相对高的频带外，一种方法是使用诸如定向天线的大孔径的天线。当然，可替代地，单个天线可以提供简单地根据将要发射和/或接收的信号的频带(即，或者更高或者更低频带)变化而变化的波瓣宽度。在其他可替代方法中，如前所述，使用多天线提供具有变化波瓣宽度的频带。即，例如，通过使用特定的程序或协议来提供特定的波束方向和特定的波束形状来自适应地控制多天线。因此，使用单个集合的多天线提供变化的波瓣宽度的多个频带。注意到，在以下说明书中，词语“天线”指单个天线或多天线。
[0049]现在来比较使用相同孔径尺寸的天线的不同频带的波瓣宽度。如前所述，例如，在无线网络中，使用诸如2.4GHz (ISM)频带或5.0GHz (UNII)频带的更低频带来代替诸如带内频带(例如，大于20GHz的频带)的更高频带来进行通信的特性之一是更低的频带可能与更大的波瓣宽度相关联。由于更大波瓣宽度，经由更低频带发送的信号将可能到达无线网络中的更多设备。然而，由于更大的波瓣宽度，使用更低频带的缺陷是由于更宽的楔形造成的，因此存在更大的干扰和拦截的风险。
[0050]与更低的频带相反，当在无线网络中使用更高的频带进行通信时，会导致上述更窄的波瓣宽度。因此，更不可能存在干扰。除了更窄的波瓣宽度，更高频带的另一个性质是，如果使用更高的频带(例如，24或60GHz的频带)，那么由于诸如氧气的吸收，随着距离会产生额外的衰减。即，如图2所示，更高的频带(诸如，60GHz频带)比更低的频带(诸如，2.4或5.0GHz频带)具有更小的波瓣宽度，和更短的“距离”或“范围”。因此，相比操作在诸如2.4或5.0GHz的更低频带的设备，操作在60GHz频带的设备典型地比其它远程设备具有更少的干扰风险。
[0051]在无线网络中使用更高频带进行通信的另一个特性是更高频带允许使用更大的信号带宽(因为在更高的频率典型可以使用更多的频谱)，其最终允许更大的数据吞吐量。同时，由于在接收机侧的更低的信噪比，因此使用更大的带宽会减少发射信号的功率谱密度，并且潜在地减少可靠通信范围。
[0052]在无线网络中使用更高频带进行通信意味着定向天线比全向天线更有便于这样的通信。当在无线网络中使用这样的天线进行通信时，这种使用会提供某些优点和缺点。例如，使用定向天线和更高频带来发射信号的一个优点是，与使用全向天线来获取相同电平的接收功率相比，其需要更少的功率。因为使用更高频率的通信需要更高的RF部件成本，因此，对定向天线使用更低效(和更低成本)的射频(RF，rad1 frequency)分量，在某些情况下，这可能成为重要因素。
[0053]当然，当在无线网络中通过定向天线使用更高的频率进行通信时，还存在某些缺陷。例如，为了注册网络中的所有的通信设备，需要跨度为360度的自适应的或多个固定天线设置。这将是非常耗时的，并且同步该网络中使用诸如载波监听多路访问和冲突避免(CSMA/CA，carrier sense multiple access and collis1n avoidance)或载波监听多路访问和冲突监测(CSMA/CD，carrier sense multiple access and collis1n detect1n)协议的该通信设备是非常困难的，而且在定向天线下使用更高频带也变得不可行。
[0054]根据不同实施例，与上述不同波瓣宽度相关联的频带的特性可以按照下述不同实施例一致的方式在无线通信网络中组合和使用。
[0055]图3示出了根据不同实施例的包括经由多个通信链路彼此进行通信的多个通信设备(CDs，communicat1n devices)的无线网络。对于这些实施例，网络300可以是WWAN、WMAN、WLAN、WPAN，或其它类型的无线网络。通信设备(CDs) 302-308可以是桌上电脑、膝上电脑、机顶盒、个人数字助理(PDAs)、网络手写板、寻呼机、文本信息发射器、游戏设备、智能应用、无线移动手机或任何其它类型的计算或通信设备。在某些实施例中，CD 302-308中的至少一个为主机或接入点，而其它CD为客户或从设备。注意，在可替代实施例中，网络300包括更多或更少的⑶。⑶302-308中的每一个经由链路310与其它⑶进行通信，该链路可以是双向的。⑶之间的通信可以按照与诸如802.1la,802.1lb的标准，或者诸如WiMAX的这些标准的其它衍生标准，以及3GPP LTE-A技术来进行。
[0056]为了便于理解，将假定网络300为WPAN和⑶302为接入点，以及其它⑶304-308为客户设备来进一步描述本发明的实施例。注意，在可替代实施例中，网络300不包括接入点。例如，在可替代实施例中，网络300为ad-hoc网格网络，在这种情况下不需要接入点。回到图3，在某些实施例中，至少部分客户⑶304-308可以任意并且随机地接入和/或离开网络300。每次客户⑶304-308进入网络300，其进行验证或与网络相关联(这里指“关联”)，以便网络300的不同客户CD “知道”该客户CD当前处于网络300中。在某些实施例中，客户⑶304-308可以通过与接入点⑶302相关联，从而与网络300关联。注意，在该示例中，客户304进入网络300标记为参考符号312。
[0057]⑶304 —旦进入网络300就将其自身与网络300关联起来(例如，经由接入点CD 302)。根据不同实施例，使用诸如与相对宽的波瓣宽度关联的第一频带来完成与网络300的关联。通过使用与相对宽的波瓣宽度(这里指“第一波瓣宽度”)相关联的第一频带来发射关联信号，网络300中的其它⑶302、306和308则更可能从⑶304接收验证信号(例如，信标)。在某些实施例中，所述第一频带为2.4GHz (ISM)、5.0GHz (UNII)、或小于诸如20GHz的其它频带。注意，接入点⑶302通过在所述第一频带上发射的信号侦听正在进入的CD 304 (即，验证或关联)。在成功注册或关联到网络300