在无线通信中交换天线能力信息的第一站台及方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2005年09月07日、申请号为200580030585. 0、名称为"于无 线局域网络中实施智能天线"的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明是相关于无线局域网络（wirelesslocalareanetworks(WLANs))，以及 特别地是，相关于在一WLAN中实施一智能天线的方法以及装置，以支持在一WLAN中使用一 智能天线，以及用于在一WLAN中的站台（STAs)之间传送智能天线能力信息。
【背景技术】
[0003] 典型地，在一于基础建设模式（infrastructuremode)下操作的WLAN中，一STA 会执行扫描，以评估哪一个接入点（AP)是提供其服务的最佳候选人，而该STA所执行的扫 描则可以是被动的、或是主动的。在被动扫描中，该STA会听从所述APs所发送的信标帧 (beaconframes)，而在主动扫描模式中，该STA则是会发送出探针请求，然后，所述APs即 通过发送一探针响应至该STA而做出反应。
[0004] 为了增强覆盖范围以及增加吞吐量（throughput)，APs是可以配备以先进的天线 结构，以使得它们可以改变其所使用的辐射场型（波束）。在此，所使用的名词"智能天线 "即表示，一组具有不同辐射场型的N个天线，典型地是，会指向所选择的方式（或者是，在 全方向性天线的例子中，不指向任何特性的方向），其中，一个节点（AP或STA)的传送器 及/或接收器会选择做合适的天线（或〃波束〃），以与其相对应者进行沟通，而该最合适 的天线则典型地是，在一个节点会传送一信息包至另一个特殊节点的专属连接（dedicated connections)例子中，于接收节点处具有最高的信号与干扰及噪声比（signal-to-interf erence-plus-noiseratio,SINR)〇
[0005] 覆盖范围的增加是为该AP发送出信息包的该STA的位置、及/或时变信道 (time-varyingchannel)的位置的函数。因为一AP所发送至的信标帧并不会目苗准一特别 的STA，而是会瞄准许多的STA，因此，它们是会倾向于均匀地横跨所有方向来进行发送（也 SP，利用一全方向性波束），而类似地，也因为其是需要一AP从其所有相关的STAs处听取信 息包，所以，该AP典型地会利用一全方向性波束来听取信道，不过，此种类型的波束并一定 可以让该AP决定哪一个波束是服务一STA的最佳波束，甚至是在其已经自该STA接收一探 针请求之后，因此，一探针响应也倾向于利用一全方向性波束来进行传送。
[0006] 一STA除了会使用信标（被动扫描）以及探针请求（主动扫描）来进行评估之外， 还可利用由所述不同的APs所获得的无线连结的质量（例如，信号对噪声比（SNR))来进行 评估。典型地，信标以及探针回应是所述APs，基于上述的理由，利用一全方向性波束所发送 的，而如此所会产生的状况则是，一STA是可以基于其自所述信标及/或探针响应所察觉的 已接收信号质量，而在一AP事实上将会比另一个用于传送可以利用具方向性的波束而进 行发送的流量帧（trafficframes)的AP执行的更差的时候，将此假设的AP评估为最佳的 候选人。
[0007] 图1是显示一示范的WLAN100,包括一STA102以及二个APs，AP_A110以及AP_B 120。AP_A110是可以利用一全方向性波束112以及复数个方向性波束114,116,118,AP_ A120则是可以利用一全方向性波束122以及复数个方向性波束124,126,128。
[0008] 该STA102是会测量在表1中所显示的各式波束的已接收功率。
[0009] 表1于STA102处所测量的已接收信号功率
[0010]
[0011] 比起经由全方向性波束122而自AP_B120接收，该STA102可以经由全方向性 波束112而自AP_A110接收较强的信标、及/或探针回应，不过，用于传送流量帧时，AP_B 120就比AP_A110是更好的候选人，因为AP_B120位在一个利用其先进天线结构并将能量 聚焦朝向该STA102 (经由方向性波束124)的较佳位置。
[0012] 在一以AP为基础的WLAN中，多个STA是可以在一设定的时间点时与一设定的 AP产生关联。若是该多重接入计划是为一载波感测多重接入/碰撞避免（carriersense multipleaccess/collisionavoidance(CSMA/CA))时，例如，以 802. 11 作为基础的 WLANs，则任何STA都容易受到影响而在任何设定的时间点传送一信息包（也称之为一 〃帧 〃）至与其相关的AP，其中，该AP会在一信息包已经完全被接收且被译码之后，以在该信息 包的媒体接入控制（mediumaccesscontrol(MAC))标头（header)中所包含的来源地址作 为基础而决定与其相关的STAs中的哪一个传送了该信息包，而该AP在做出该来源决定之 前则是必须要完成整个信息包接收，因为涵盖该MAC标头以及MAC载荷（MACpayload)两 者的错误检测位是在该信息包的末端进行接收。
[0013] 在一网状配置（mesharchitecture)中，STAs(或是〃网状节点（meshnodes) 〃）是 也可以配备以智能天线，以改善所接收的信号的SNR、或是为了例如减少干扰的其它目的。
[0014] 在以802. 11作为基础的WLANs中，该多重接入计划是在有多于一个的关联于STA 的AP时，使得在该AP处进行最适当用于接收信息包的波束的选择产生困难，而这则是因为 STAs是可以位在该AP周围的任何位置，也因此，对每一个STA来说，一般而言，最适合的波 束并不相同，再者，由于该STA的本质在该信息包被完整接收之前为未知，因此，该AP并无 法利用此信息来决定要选择哪一个天线来接收信息包。而相同的问题也会发生在一个网状 节点可以连结至多于一个的网状节点的网状配置中。
[0015] 为了防止此困难的发生，是有数种的替代方案，不过，它们也都具有缺点。
[0016] 1)该AP可以将其本身限制为使用一种全方向性场型来接收所有的信息包，不过， 因此也会丧失了利用一智能天线所获得的潜在可能性。
[0017] 2)该AP可以使用同时来自多个波束的信号，然后将它们结合、或是选择它们的中 最佳的波束。不过，此解决方案会增加该接收器的复杂度，因为来自多个波束的所述信号必 须要进行解调变。
[0018] 3)该AP可以在一接收到信息包之后马上以一连续的方式在其可获得的波束之间 进行切换，挑选造成最佳信号质量的波束，然后再切换至此波束，以用于该信息包接收的剩 余持续期间。不过，此方法所具有的缺点却是，该AP在其尝试较少的合适于一特别信息包 的波束的同时，其正冒着会不正确接收一些位的风险，因而会造成该信息包的遗失。
[0019] 4)该AP可以利用一全方向性天线而尝试地译码发送者的该MAC地址（包含在该 信息包的该MAC标头中），然后再将于该MAC标头中所识别的最适合于该STA的波束使用于 该信息包的剩余部分。不过，此方法所具有的问题却是，该MAC标头是会以与该信息包的剩 余部分一样的速率进行传送，因此，若是该全方向性天线无法为该MAC载荷的足够信号质 量提供足够的增益时，则就不太可能该MAC标头会正确地进行译码，而在相反的例子中（若 是该全方向性天线确实地提供了足够的增益时），则是一开始就不需要使用一智能天线。
[0020] 5)所述STAs可以被迫于利用请求发送/清除发送（Request-to-Send/ Clear-to-Send，RTS/CTS)程序来发送每一个信息包，而此将会使得该AP可以在该数据信 息包到达之前即识别出该发送的STA，不过，此却会由于该RTS及CYS信息包的冗余作业而 付出重要吞吐量损失的代价，因而部分地击败使用智能天线的目的。
[0021] 6)该AP可以轮流地利用不同的波束来轮询（poll)STAs。不过，此方法有两个问 题，第一，当其于一具有突发流量（burstytraffic)的系统中，例如，一WLAN中，试图要预 测于每一个波束上所花的时间时会产生困难，第二，在考虑到天线场型以及无线环境的不 规则，例如，阴影（shadowing)，之间的必要重迭的时候，要避免STAs对利用一对它们而言 为次理想（但可听取）的波束所发送的一轮询来产生反应是有困难的。
[0022] 在一WLAN中，智能天线能力可以存在于AP、于STA、或是两者，而在没有事先交换 天线能力信息的情形下，该AP并不会知道如何协调其以及一STA的智能天线特征，反之也 然。
[0023] 该由于未交换智能天线信息能力所造成的对于一WLAN的潜在不利影响是于接下 来的实例中举例说明。假设一AP以及一STA两者都使用切换波束智能天线（switched-beam smartantennas)，但每一端的智能天线能力（举例而言，可获得且需要进行扫描的波束模 式的数量，以及测试所述可获得波束的每一个所需要的时间持续期间）对另一端仍为未知 时，则因为该AP或是该STA都不知道其接收端的该智能天线能力，所以，其每一个都将必须 要：（1)猜测关于另一端的智能天线能力，或是（2)在不知道该接收端可能于同时间使用其 所拥有的一波束搜寻的情形下测试其所拥有的传送天线波束。
[0024] 若是位在两端的所述智能天线能力对彼此为已知时，则两个装置就都可以依循简 单、预先同意的规则，以避免同时间在两端上的波束搜寻所造成的服务降级，举例而言，若 是该"波束搜寻时间"(Tsearch)对该AP以及该STA皆为已知时，则一简单而有用的规则 就可能会是，在尝试给予（已开始进行传送的）另一端足够的时间来引导其所拥有的波束 搜寻的时候，于产生关联之后会首先接收一信息包的装置（该AP或该STA)是应该在其开 始其所拥有的波束搜寻之前先等待持续期间T_rah。
[0025] 目前的天线技术是通过使用接收及/或传送密度来增强接收，而这些技术不是需 要较长的时间来获得任何增益，就是提供比起其它方法较少的增益，此外，目前的天线技术 常常需要使用专有信息（proprietarymessages)才能知道一STA的天线能力，而在缺乏此 信息的情形下，所述APs以及STAs就无法利用天线能力来增加数据率、或范围。
[0026] 为了使得智能天线特征能更有效率地运作，有关该STA以及该AP的能力的信息 是应该要进行交换，再者，交换天线信息也使得在智能天线特征的最佳化期间的可能协调 成为可能，例如，波束选择，波束扫描，波束形成，多输入多输出（multipleinputmultiple output，Μ頂0)，以及使得允许改变波束场型及/或天线增益的任何其它能力成为可能。
【发明内容】
[0027] -种用于在建立于一WLAN中的一STA以及一AP之间的关联时、实施一智能天线 的方法的一开始为，该AP在一天线波束上传送一信标帧，而该信标帧则是会于该STA处被 接收，且该STA是会测量该信标帧的一信号质量，然后，该AP会切换至一不同的天线波束， 并且重复该方法，直到该信标帧已经在所有的天线波束上完成传送为止，接着，该STA乃会 与在其天线波束的其中之一上利用最高信号质量而传送该信标帧的AP产生关联。一个类 似的方法也可以使用于会发送一探针请求帧至该AP的该STA的中，而该AP则是接着会利 用在多个天线波束上发送的探针响应帧作为响应。
[0028] -种在建立于