超宽带通信系统和方法

专利名称：超宽带通信系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及无线通信领域，并更特别地涉及采用几个通信参数的超宽带无线通信。
背景技术：
近来无线设备工业实现了前所未有的增长。随着该工业的增长，在无线设备之间的通信已经变得越发的重要。有许多不同的技术用于设备间通信。射频(RF)技术是无线设备通信的占主导地位的技术。作为选择，光电设备已用于无线通信。光电技术经受低覆盖范围和对视线的严格要求。因此RF设备相对于光电设备提供了巨大的优势。
传统的RF技术采用连续的正弦波，与内含在正弦波的振幅或频率的调制中的数据一起发送。例如，传统的蜂窝电话必须操作在总频谱之内的一个特定宽度的特定频段。具体地说，在美国，联邦通信委员会(Federal Communications Commission)已将蜂窝电话通信指定在800到900MHz波段内。通常，蜂窝电话运营商将指定波段分为25MHz的部分，其中选择一部分用于发送蜂窝电话信号，以及另一部分用于接收蜂窝电话信号。
另一种类型的设备间通信技术是超宽带(UWB)。UWB无线技术从根本上区别于传统形式的RF技术。UWB采用“无载波”体系结构，它不需要使用高频载波生成硬件、载波调制硬件、频率和相位鉴别硬件或在传统的频域通信系统中采用的其他设备。UWB通信系统和设备另外还受益于测量距离和地理位置的能力。通常，这些UWB设备测量将UWB脉冲或信号从一个UWB设备传送到另一个UWB设备所花费的时间，并且利用光速来确定UWB设备之间的距离。
然而，使用时间和光速来确定距离的广泛概念已经被采用了几个世纪。第一次有记录的通过使用距离来确定光速的尝试要追述到十七世纪伽利略(Galileo)的实验。基于他的陆地实验的他的唯一结论是光移动得非常快。在1676年，罗迈(Olaf Roemer)基于他对木星和地球之间的距离的假设成功测量出光速约为2.14×108。当前接受的测量值2.9997924588×108是使用激光干涉仪获得的。
在理论上，从一个源发送并且由一个目标接收的无线超宽带(UWB)通信脉冲或信号到达时，可以没有任何由周围环境引起的延迟或失真。这样的理想环境在外层空间的真空之外是难以实现的。在更实际的环境中并且尤其在城市环境中，环境会对UWB脉冲或信号的接收有相当大的影响。
通常，通信设备之间的距离会影响通信信道的质量。电磁辐射的散失与距离的平方成比例。另外，地形也影响无线电波。因此，多径或“衰落”效应的机会通常伴随距离而增加。在电磁通信中基本上有两种类型的衰落。本地多径波动常被称为快衰落或瑞利(Raleigh)衰落。更多的距离衰落效应可以由平均功率水平中的长期变化引起，慢衰落或对数正态衰落由产生信号路径长度的重大变化的足够长的距离上的运动所引起。多路径反射也可以引起信号以每一个在不同时间的多重反射到达接收器。这一般被称为延迟扩展。当信号强度衰减或减小时，信噪比(SNR)也会降级，通常会导致误码率(BER)增加。
因此，需求有一种超宽带通信系统，其可以在各种距离和各种环境中提供可靠通信。

发明内容
本发明为彼此位于各种距离上的超宽带(UWB)设备之间的通信提供可靠的系统和方法。本发明的一种方法选择使UWB设备之间能够可靠通信的至少一个通信参数。该方法包括将时间请求信号从第一UWB设备发送到时间同步的UWB设备。时间同步的UWB设备向第一UWB设备发送响应消息，以确定时间响应消息的接收时间与包含在时间响应消息中的发送时间之间的时间差。至少基于该时间差来选择通信参数。
本发明的另一种实施方式描述了UWB设备用来在其中进行发送的无线媒介的衰减特性。使用这些特性，UWB设备可以调整各种通信参数以改进通信的质量。
本发明的这些和其他的特征及优点将结合附图从下列本发明的详细描述中得以认识，在附图中贯穿始终用同样的参考标号指示同样的部分。


图1是说明不同的通信方法；图2是说明两个超宽带脉冲；图3是说明根据本发明的一种实施方式由UWB设备建立的区域(zone)和扇区(sector)；图4示出了根据本发明的一种实施方式的时间请求消息和关联的时间响应消息；图5示出了根据本发明的一种实施方式的距离请求消息和关联的距离响应消息；图6示出了根据本发明的一种实施方式的BER请求消息和关联的BER响应消息；图7示出了根据本发明的一种实施方式的固定能量请求消息和关联的固定能量响应消息；图8示出了根据本发明的一种实施方式的具有固定接入点的一个分成扇区的区域系统；图9示出了根据本发明的一种实施方式在具有固定接入点的一个分为扇区的区域系统中进行通信的支持UWB的设备(UWBenabled device)；
图10示出了根据本发明的一种实施方式在没有固定接入点时与支持UWB的其它设备进行通信的支持UWB的设备；以及图11示出了根据本发明的一种实施方式对时间元的空间分集分配。
应认识到，一些或全部的附图是用于说明目的的示意性表述，而没有必要描绘所示元件的实际有关大小或位置。
具体实施例方式
在下列段落中，将参照附图以示例的方式对本发明进行详细描述。在整个描述中，示出的优选实施方式和实施例应该被认为是范例而不是对本发明的限制。如在此使用的，“本发明”是指在此描述的本发明的任何实施方式之一以及任何等同。此外，参考在整个文档中的“本发明”的各种特征，不是指所有主张的实施方式或方法必须包括参考的特征。
本发明为彼此位于各种距离上的超宽带(UWB)设备之间的通信提供可靠的系统和方法。通常，采用本发明方法的每个UWB设备，当彼此通信时，响应于不同的距离、功率、环境、以及其他条件，可以使用各种通信参数。
本发明的一种方法选择使UWB设备之间能够进行可靠通信的至少一个通信参数。该方法包括从第一UWB设备向时间同步的UWB设备发送时间请求信号。时间同步的UWB设备向第一UWB设备发送响应消息，以确定时间响应消息的接收时间与包含在时间响应消息中的发送时间之间的时间差。至少基于该时间差，来选择通信参数。
本发明的另一种实施方式描述了UWB设备用来在其中进行传输的无线媒介的衰减特性。使用这些特性，UWB设备可以调整各种通信参数以改进通信的质量。
在本发明的另一种实施方式中，支持UWB的无线设备获得与至少一个支持UWB的其他无线设备的距离信息。然后使用该距离信息确定用于每个UWB设备的区域位置。然后对于每个区域采用特定的通信参数。当与支持UWB的其他设备进行通信时，第一UWB设备根据区域参数调整其通信参数。
在本发明的另一种实施方式中，支持UWB的设备从至少一个支持UWB的设备获得接收信号强度指示(RSSI)信息。第一UWB设备使用RSSI信息以导出用于与支持UWB的设备进行通信的基于RSSI的区域。作为选择，第一UWB设备可以使用RSSI和距离信息以描述在区域内的通信环境的特性。
在本发明的又一种实施方式中，接入点将通信帧参数分配给每个区域以降低多用户干扰的可能性。
传统的射频技术采用连续的正弦波，与内含在正弦波的振幅或频率调制中的数据一起发送。例如，传统的蜂窝电话必须在总频谱之内的一个特殊宽度的特殊频段下操作。具体地说，在美国，联邦通信委员会将蜂窝电话通信指定在800到900MHz波段内。蜂窝电话运营商使用指定波段的25MHz来发送蜂窝电话信号，以及使用指定波段的另外25MHz来接收蜂窝电话信号。
传统射频技术的另一个示例在图1中示出。802.11a，一个无线局域网(LAN)协议，在5GHz的中心频率上发送射频信号，并具有约为5MHz的无线扩频。
相反，如说明了两个典型UWB脉冲的图2所示，一个UWB脉冲可以具有1.8GHz的中心频率，并具有约为3.2GHz的扩频。图2说明UWB脉冲在时间上越窄，其频谱的扩展就越宽。这是因为频率与脉冲的持续时间成反比。600皮秒的UWB脉冲可以具有约为1.8GHz的中心频率，并具有约为1.6GHz的扩频。300皮秒的UWB脉冲可以具有约为3GHz的中心频率，并具有约为3.2GHz的扩频。因此，UWB脉冲通常不工作在特定频率内，如图1所示。并且因为UWB脉冲在一个非常宽的频率范围上扩展，所以UWB通信系统允许以非常高的数据速率进行通信，例如每秒100兆比特或更高。
UWB技术的更多细节在美国专利3,728,632(发明人为Gerald F.Ross，题为Transmission and Reception System for Generating andReceiving Base-Band Duration Pulse Signals without Distortion forShort Base-Band Pulse Communication System)中公开，其全部内容通过参考在此涉及和引入。
同样，因为UWB脉冲在非常宽的频率范围上扩展，所以在一个单独的或特定的频率上采样的功率是非常低的。例如，一个持续一纳秒的一瓦特UWB信号将一瓦特扩展在由脉冲占据的整个频率上。在任何单一的频率，例如蜂窝电话载频，UWB脉冲功率目前为一纳瓦(对于1GHz的频段)。这完全在任何蜂窝电话系统的噪声基准(noise floor)之内，并因此不会干扰原始蜂窝电话信号的解调和恢复。通常，许多UWB脉冲以相对低的功率进行传输(当在一个单独的或特定的频率上采样时)，例如，在低于-30功率分贝到-60功率分贝，这使得与传统射频的干扰最小化。
如上所述，无线设备利用射频(RF)能量进行通信。RF通信的传统技术采用RF载波。将数据调制在载波上，放大并从第一RF设备发送。第二RF无线设备接收载波，对载波进行放大，并对数据进行解调。RF通信经受衰落、多径干扰和信道衰减。由于RF能量强度与传输距离平方的倒数成比例，所以RF无线设备通信的质量就取决于正在通信的RF设备的相对位置。大气条件、地形、自然和人造物体会附加地使RF通信的接收信号强度降级。
如在本领域中熟知的，RF能量的传播受到人造环境和自然环境的强烈影响。例如，城区通常由大型人造结构占主导地位。郊区典型地包括住宅结构，以及乡村可能更加开阔，具有多为林木的区域和偶尔出现的人造结构。
本发明的一个特征是它调整通信参数以使支持UWB的设备之间的通信质量达到最佳。因此，通信参数的一种分类可以用于城区，另一种分类可以用于住宅区，以及又一种分类可以用于乡村。分类对于每个环境不是固定的，而是可以改变用在每个环境中的通信参数，或可以采用其他的通信参数以获得尽可能最佳的通信质量。
通信设备之间的距离是通信质量的一个重要特性。有众多的确定通信设备之间的距离的方法。超宽带(UWB)系统的一个特征是它能够非常精确地确定UWB脉冲或信号的到达时间。例如，UWB系统可以将脉冲或信号到达时间(TOA)确定到200皮秒之内。对于每纳秒10厘米的一个近似的传播速度，这个UWB系统有能力将距离精确测量到约为2厘米。在UWB设备中随着时间分辨率的降低，其分辨距离的能力会进一步加强。因此，因为UWB技术可以将TOA确定到非常精确的分辨率，所以可以确定精确的距离。
2001年3月13日提交的共同未决的美国专利申请，序列号为09/805,735，题为MAINTAINING A GLOBAL TIME REFERENCEAMONG A GROUP OF NETWORKED DEVICES，其中讲授了支持UWB的设备与单一主时间基准(master time reference)的同步。一旦通信UWB设备与主时间基准同步，就可以由任何的通信设备进行距离测量。为确定距离，接收UWB设备只需要知道UWB脉冲或信号的发送时间和到达时间。由于通信UWB设备与同一主时间基准同步，所以用于发送时间的基准在UWB设备之间是一致的。UWB信号的到达时间由接收设备确定，并且包含在UWB信号中的是信号的发送时间。通过确定在发送时间和到达时间之间的差，并将其乘以UWB信号速度，获得UWB设备之间的距离。因为发送时间和到达时间都是参考了同一主时间基准，所以距离的计算是精确的。
另一种确定超宽带(UWB)设备之间的距离的方法在下列共同未决的美国专利申请中公开，其全部内容在此通过参考引入，该申请为于2002年8月28日提交的、序列号为10/263,213的、题为USE OF THIRD PARTY ULTRA-WIDEBAND DEVICES TOESTABLISH GEO-POSITIONAL DATA的专利申请，其为于2000年12月22目提交的、序列号为09/745,498的、题为USE OF THIRDPARTY ULTRA-WIDEBAND DEVICES TO ESTABLISHGEO-POSITIONAL DATA的美国专利6,519,464的部分继续申请，该美国专利6,519,464要求于2000年12月14日提交的、序列号为60/255,469的、题为ULTRA-WIDEBAND COMMUNICATIONSYSTEM AND METHOD的美国临时专利申请的优先权。
在上述引入的参考中，UWB设备可以基于其他UWB设备的位置来确定其地理位置。在此实施方式中，第一UWB设备可以向两个或多个知道它们的地理位置的UWB设备发送位置请求消息。其他UWB设备用一个包括它们的地理位置的消息进行响应。然后第一UWB设备可以基于响应的UWB设备的地理位置确定它自己的地理位置。随后可以基于UWB设备之间的距离来选择通信参数。
本发明的一种实施方式使用距离作为选择各种通信参数的一个因素。本发明的其他实施方式可以使用数据误码率(BER)和/或接收信号强度指示(RSSI)作为选择通信参数的因素。另外，本发明的一种实施方式可以使用导出的距离信息以指明从UWB设备向外延伸的“区域”。然后为每个区域分配通信参数集。
然而，UWB脉冲或信号的传播特性在每个区域内可能发生变化。如图3所示，区域Z1，Z2，Z3和Z4从位于区域Z1的中心的UWB设备(未示出)向外散布。为方便说明，只描述了四个区域，然而本发明的实施方式可以有少于或多于四个的区域。
本发明的一个特征通过将每个区域划分为离散的扇区，使得能够更精确地选择通信参数。扇区的划分可以有多种方式来完成。在一种实施方式中，将扇区分配为以度数测量的圆的部分。如图3所示，包括扇区1，扇区2，扇区3和扇区4的四扇区系统，将包含每个区域Z1，Z2，Z3和Z4的90度的部分。取决于通信环境和其他因素，扇区的数量可以大于或小于四个所示扇区。一旦建立了区域和扇区，UWB设备就基于目的地UWB设备的区域和扇区来选择要用于设备间通信的各种参数。
可以采用各种通信参数来进行UWB设备之间的通信。这些通信参数可以包括UWB脉冲调制技术、检错和纠错方法、错误控制算法、UWB脉冲重复频率、数据速率、发送功率、UWB脉冲形状、接收机的配置、UWB脉冲宽度、帧长度、主时间基准同步的频率以及其他适当的通信参数。
超宽带脉冲调制技术使单个有代表性的数据符号能够代表多个二进制数字或比特。这在通信系统中具有增加数据速率的明显优势。调制的几个示例包括脉宽调制(PWM)、脉幅调制(PAM)和脉位调制(PPM)。在PWM中，使用一系列预定的UWB脉冲宽度来代表不同的比特集。例如，在采用8个不同比特UWB脉冲宽度的系统中，每个符号可以代表8个组合之一。这个符号可以携带3比特信息。在PAM中，使用预定的UWB脉冲振幅来代表不同的比特集。采用PAM16的系统会具有16个预定的UWB脉冲振幅。这个系统的每个符号将能够携带4比特信息。在PPM系统中，使用UWB脉冲时隙内的预定位置来携带比特集。采用PPM16的系统的每个符号将能够携带4比特信息。另外的UWB脉冲调制技术包括编码重复调制(Coded Recurrence Modulation)(CRM)，如序列号为10/294,021的、题为“ULTRA-WIDEBAND PULSE MODULATION SYSTEMAND METHOD”的共同未决的美国专利中请中所述；倾斜振幅调制(Sloped Amplitude Modulation)(SLAM)，如序列号为10/188,987的、题为“ULTRA-WIDEBAND PULSE GENERATION SYSTEM ANDMETHOD”的共同未决的美国专利申请中所述；三元调制，如于2003年4月28日提交的、待分配序列号的、题为“ULTRA-WIDEBANDPULSE MODULATION SYSTEM AND METHOD”的共同未决的美国专利申请中所述，该申请要求具有同样标题的、序列号为60/452,020的临时专利申请的优先权；1脉冲调制，如于2003年4月29日提交的、待分配序列号的、题为“ULTRA-WIDEBAND PULSEMODULATION SYSTEM AND METHOD”的共同未决的美国专利申请中所述；以及其他UWB脉冲调制方法，如序列号为09/710,065的、题为“ULTRA-WIDEBAND COMMUNICATION SYSTEM WITHAMPLITUDE MODULATION AND TIME MODULATION”的共同未决的美国专利申请中所述。以上列出的所有非临时的和临时的美国专利申请，在此通过参考引入它们的全部内容。
有各种用于通信系统的检错和纠错方法。检错的最简单的形式包括每个数据块使用奇偶校验比特(parity bit)。设置附加的比特以确保如果使用偶校验，数据块具有偶数个比特；或者如果使用奇校验，数据块具有奇数个比特。奇偶校验的使用将只能检测在给定数据块中的奇数个错误。
另一种检错是纵向冗余检验(LRC)/垂直冗余检验(VRC)方案。该方法不仅使用每个字一个奇偶校验位或帧(现在认为是矩阵)的一行一个奇偶校验位，而且还使用“奇偶检验字符”，其包括矩阵的整个最后一行，在此行的每个比特检验对应列的奇偶性。行奇偶校验位形成最后一列，称为VRC，而列奇偶校验位形成最后一行，称为LRC或奇偶检验字符。LRC/VRC将不能检测出在每列和每行中有偶数个错误的情况。
检错的一种普通且有力的技术是循环冗余检验(CRC)。在CRC中，发送机生成一个必要长度的帧检验序列(FCS)以确保当FCS追加到比特块上时，增大的块可以被一个预定数整除。在接收时，将比特数除以预定数，并且如果没有余数，接收机则假设消息没有错误。上述任何检错方法和未描述的其他检错方法均可以被本发明所采用。
基本上有两组检错算法后向纠错(BEC)和前向纠错(FEC)。在BEC中，也称为反向纠错(REC)，第一设备向接收机发送消息、包或帧。第二设备检验接收数据的错误。如果检测到错误，则将一个重新发送消息、包或帧的请求发送到第一设备。相反，当使用前向纠错(FEC)时，第二设备纠正该错误，而不是从第一设备重新发送数据。BEC的优势是简单，但通常需要双工通信信道。另外，由于第一设备被请求重新发送帧，所以将减少整体信息流量。FEC允许单边通信，但比BEC复杂很多并在数据中施加了额外的开销。
FEC算法通常是基于冗余。FEC的最简单形式是多次重复每个数据比特。基于接收的比特，接收设备可以简单地表决出数据比特是什么。通常，使用这个方法，通过将每个比特重复2n+1次，可以检测和纠正“n”个错误。有众多的更复杂的FEC算法包括，例如(只是示例而不作为限制)，里德-索罗门(Reed-Solomon)编码、维特比(Viterbi)编码、涡轮(Turbo)编码和BCH编码。在本发明中，检错和纠错的方法是支持UWB的设备可以选择的、以优化与其他UWB设备的通信的通信参数。
有各种普通的错误控制算法用在通信系统中。这些算法的大多数归类为自动重复请求(ARQ)算法。在某些错误控制方案中，例如停止等待ARQ，接收设备或用一个确认(ACK)或用一个否定应答(NACK)响应每个消息。第一设备在从第二设备接收到NACK或ACK之前，不会继续发送。在返回N ARQ中，第一设备发送多个帧并维持一个大小为N的滑动窗口。如果在一个帧中检测到错误，第二设备则向第一设备发送NACK，并丢弃所有进入的帧直到正确地接收到该错误帧。第一设备必须重新发送从包含了错误的那个帧起的所有帧。关于错误控制的另一种变体是选择拒绝ARQ。在此算法中，第二设备处理正确的帧并将NACK发送到第一设备。然后第一设备只需要重新发送错误接收的帧。在本发明中，这些和其他错误控制方法可以是支持UWB的设备可以采用的、以优化与其他UWB设备的通信的通信参数。
超宽带脉冲重复频率(PRF)或脉冲传输速率是采用本发明方法的支持UWB的设备可以选择的附加通信参数。PRF可以选择为固定的、或基于数据的类型或数据量可变的、或伪随机的。通常，固定的PRF产生在PRF处的谱线以及它的整数谐波。当期望集中谱能量时，这是有利的。伪随机PRF扩展或“白化”由UWB通信占据的频谱。使用伪随机PRF可以将UWB能量相对均匀地扩展在占据的整个频谱上。在PRF是周期性“跳频”的情况下，可以基于某些其他参数另外地采用可变PRF，其中这些其他参数包括但不限于要发送的数据。
例如，在本发明的一种实施方式中，UWB设备可以基于距离信息、RSSI信息、或其他类型的信息，选择通信链路的数据速率。在UWB脉冲通信系统中的数据速率通常计算为PRF与选择的调制技术编码在UWB脉冲流上的每符号的比特数之乘积。当使用可变或伪随机PRF时，数据速率通常取决于有效的PRF。
另一个影响通信质量和可靠性的因素是误码率(BER)，它通常计算为坏的比特与好的比特的比率。因此，BER是一种衡量数据传输完整性的方式。通常，BER一般是取决于接收机处的信噪比(SNR)。一种减小BER并从而改进服务质量(QOS)的方法是通过增加UWB脉冲或信号的发送功率来改进SNR。在本发明的一种实施方式中，支持UWB的设备可以选择UWB信号发送功率水平作为通信参数。
本发明可以采用的另一个通信参数是UWB脉冲发送功率。由于功率谱密度(PSD)是自相关函数的傅立叶变换，以及UWB脉冲的形状影响自相关函数的形状，发送的UWB脉冲的特定形状影响UWB信号功率在占据的频谱中的分布。在一定频率下的发送功率是有限的环境中，UWB脉冲形状是控制发送功率水平的一种方法。在本发明的一种实施方式中，UWB脉冲形状可以是支持UWB的设备在与支持UWB的其他设备通信时可以选择的参数。例如，UWB脉冲形状可以包括高斯单循环脉冲(Gaussian mono-cycle)、过滤的基本为方形的脉冲、预失真的脉冲、具有预定相位的脉冲、具有预定振幅的脉冲、以及其他适当的脉冲形状。
多径效应是影响通信质量和可靠性的另一个因素。UWB脉冲可以在不同的路径上传播，在不同的时间到达预期的接收机，引起多径干扰或衰落。在无线通信系统中使多径效应最小化的一种方法是使用瑞克(RAKE)接收机。利用RAKE接收机，将信号的多个延迟副本进行相关并添加到原始信号以改进SNR。在接收机中的“耙指”(finger)的数目指定要进行相关和求和的延迟副本的数目。在本发明的一种实施方式中，接收机中“耙指”的数目可以是一个可选择用来改进采用本发明方法的通信系统的质量和可靠性的参数。
可以由本发明采用的另一个通信参数是UWB可变脉冲宽度或持续时间。根据傅立叶变换的比例性(scaling property)，当UWB脉冲持续时间或宽度增加时，频率内容(frequency content)变得更紧凑。在某些情况下，宽的或持续时间长的UWB脉冲的发送功率可能升到噪声基准以上，可能会与传统的RF信号发生干扰。本发明的一种实施方式中，可以控制更宽的或持续时间更长的UWB脉冲的功率谱密度，以确保与传统的RF信号的共存以及减小从信道的自然带宽的失真。另外，更宽的或持续时间更长的UWB脉冲包含更大的能量。例如，本发明的一个实施方式可以采用宽度或持续时间范围从约为0.01毫微秒到约为1毫秒的UWB脉冲。在本发明的一个实施方式中，UWB脉冲宽度或持续时间是一个可以由支持UWB的设备选择用来改进UWB通信系统的质量和可靠性的参数。
另一个可以由本发明采用的通信参数是UWB可变帧大小或长度。帧是UWB脉冲置于其中的时间周期或时间元组。帧可以包括这样的UWB脉冲，其中该UWB脉冲提供用于同步、携带数据以及纠错的信息或包含其他类型的信息或者提供其他功能。帧长度和同步频率另外可以影响BER并因此影响QOS。在使用最小同步频率的通信系统中的长持续时间的帧，会经受由于支持UWB的设备之间的相对时钟漂移引起的增长的BER。在本发明的一个实施方式中，帧长度和同步频率是可以由支持UWB的设备选择和改变以改进UWB通信系统的质量和可靠性的参数。
参照图3，采用上述方法的超宽带通信系统的一个实施方式可以以下列方式运行通过采用里德索罗门(Reed-Solomon)前向纠错、16电平脉幅调制、高斯单循环脉冲形状、100MHz的固定脉冲重复频率以及0.5瓦特的平均功率，由此位于区域Z1的中心的UWB设备可以与位于区域Z2，扇区1的UWB设备进行通信。UWB设备可以选择使用RAKE接收机中的3个耙指来处理从在区域Z2中的远端UWB设备接收的通信。
当与位于区域Z4，扇区2的另一个UWB设备进行通信时，位于区域Z1的中心的同一UWB设备可以选择维特比前向纠错、具有4电平脉位调制的4电平脉幅调制、75MHz的固定脉冲重复频率、持续时间为300皮秒的基本为矩形的脉冲形状以及一瓦特的平均发送功率。UWB设备可以选择使用RAKE接收机中的5个耙指来处理从在区域Z4中的UWB设备接收的通信。
本发明的另一个特征是它提供了一种在支持UWB的设备之间共享带宽的方法。在此实施方式中，一个支持UWB的设备可以通过支持UWB的其他设备对通信进行路由，以便实现到支持UWB的目的地设备的可靠且更高QOS的通信链路。在此实施方式的一个实施中，支持UWB的设备能够获得对它已经访问的区域和扇区中的可用带宽的估计，并将此信息转发到正在与其通信的支持UWB的其他设备。因此，基于提供的可用带宽的信息，希望与第二UWB设备进行通信的第一UWB设备可以建立与第二UWB设备的一个直接通信链路，或作为选择，通过支持UWB的其他设备将通信路由到第二UWB设备。
在本发明的一个实施方式中，支持UWB的设备之一是一个固定网络接入点(FNAP)。在此实施方式中，FNAP知道其自身在三维空间的地理位置。FNAP的一个功能是向在其范围内的所有支持UWB的设备描述其地理位置内的UWB通信环境的特性。因此，FNAP在其本地通信环境内建立优选的通信参数并存储信道模型、区域指定以及与其三维坐标相关的通信参数。当一个新的支持UWB的设备开机或移动到FNAP范围内时，由FNAP将适当的区域、三维地理坐标以及相关的通信参数分配给该新的支持UWB的设备。
FNAP可以是一个较大的UWB网络的一部分，或者它可以建立其自己的网络。如在此的定义，一个网络是一组通过通信路径连接的点或节点。通信路径可以通过有线连接，或者可以无线连接。在此定义的网络可以与其他网络互连并包含子网络。在此定义的网络的特性可以按照空间距离来描述，例如，像局域网(LAN)、个人局域网(PAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)以及无线个人局域网(WPAN)等等。在此定义的网络的特性也可以通过在其上使用的数据传输技术的类型来描述，例如，TCP/IP网络、以及系统网络体系结构网络等等。在此定义的网络的特性也可以通过其是否携带声音、数据或这两种信号来描述。在此定义的网络的特性也可以通过谁可以使用该网络来描述，例如，公共交换电话网络(PSTN)、其他类型的公共网络以及专用网络(例如在一个单独的房间或家里)等等。在此定义的网络的特性也可以通过其连接的通常性质来描述，例如，拨号网络、交换网络、独享网络以及非交换网络等等。在此定义的网络的特性也可以通过其采用的物理链路的类型来描述，例如，光纤、同轴电缆、两者的混合、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线或无线媒介例如空气。
网络的一个缺点是多用户干扰的可能性，这通常是多个支持UWB的设备在一个靠近的地理区域内通信产生的结果。在本发明的一个实施方式中，固定的接入点将时间周期分配给每个区域用于通信。在此实施方式中，连续的时间周期分配给可能在地理上不邻近的区域。这样的分配可以在类似于时分多址(TDMA)方案的功能逻辑模块(FLB)的基础来完成。例如，在本发明的一个实施方式中，固定接入点可以将其周围的地区划分为4个同心的区域Z1，Z2，Z3和Z4，如图3所示。第一FLB，FLB1可以分配给在区域Z2内的支持UWB的设备，以及第二FLB，FLB2可以分配给在区域Z4内的设备，第三FLB，FLB3可以分配给在区域Z1内的支持UWB的设备，以及第四FLB，FLB4可以分配给区域Z3。作为选择，可以将FLB内的时隙以类似的方式分配给区域。在每个区域内的设备可以，以例如由ALOHA，CSMA，或CSMA-CD方案采用的争用(contention)为基础，或者以预先分配为基础，接入分配的时间周期。
参照表1，本发明的一个实施方式包括一种用于对UWB通信网络中传输UWB脉冲可用的时间周期进行分配的方法。首先通过确定在地理区域内的区域号码，使时间周期可用。一旦确定了区域号码，就可以选择FLB的号码，或者是可以选择FLB内的时隙。然后首先通过以适当的区域号码进行递增计数，然后排除分配的时间元之间的重复，就可以产生分集或时间周期分配中的非重复。例如，在一种类型的系统中可以有八个区域(Z1-Z8)，并且分配重复率可以为30。即30个时间元包括在一个帧中(如上述的定义，一个帧是UWB脉冲置于其中的时间周期或时间元组)，以及每个区域被分配了帧中的特定时间元。因此，根据UWB设备位于哪个区域，每个UWB设备只须分析分配给它的时间元。
本发明的分配方法的第一步是以区域号码连续地进行计数，如表1所示。
表1

根据最初的分配，排除了双重的时间周期或时间元。这可以用许多方式实现。在此例中，双重时间元的排除是从最高号数区域(Z8)到最低号数区域(Z1)来完成的。在区域Z8中，分配有时间元1，9，17和25。这些时间元在由位于区域Z1到Z7的UWB设备使用的帧中被排除，如以下表2所示。然后剩余的分配给区域Z7的时间元被从区域Z1到区域Z6中以同样的方式排除。这个过程继续到所有的二重性或重复都被从时间元分配中排除为止。表2示出了时间元分配的该方法的结果。
表2

在表2中，可以看出FLB或者时间元的分布不是均匀分布的。包含较多时间元或FLB的区域将比包含较少时间元或FLB的区域具有更高的带宽容量。本发明的一个特征是区域分配可以是基于带宽的需求。即区域可以不是在地理上进行分配(其中本地UWB设备在区域Z1的中心)，取而代之，对它们进行分配使得将较高带宽区域分配给包含数量密集的UWB设备的地区或具有高带宽需求的地区。因此，在本发明的一个实施方式中，本地UWB设备可以位于区域Z8的中心。
这样，本发明的一个特征是它提供一种方法、系统、计算机软件或逻辑、和/或计算机硬件，用于通过提供动态带宽分配来提供在UWB通信系统中的高QOS。在本发明的一个实施方式中，支持UWB的本地设备可以基于每个区域内的UWB设备的数量密集度来分配区域，将包含较多时间元的区域分配给具有较高UWB设备密度的地区。这些区域分配可以基于带宽需求的变化而变化。作为选择，区域的地理配置可以变化，使得具有较少UWB设备的地区可以合并或结合到其他区域，以创建具有更多用户的区域。因此，这种带宽分配的方法会产生不是圆形或球形的区域，而是具有不规则的形状。
参照图3，说明实施本发明的一种方法。支持UWB的第一设备(未示出)位于区域Z1的中心。支持UWB的其他设备可以位于任何其他区域Z1，Z2，Z3和Z4。第一UWB设备可以获得与正在与第一UWB设备进行通信的每一个其他UWB设备相关的距离、RSSI、BER、和其他类型的信息。基于从正在通信的UWB设备接收的数据，建立区域Z1到Z4和扇区1到4。区域和扇区的号码和大小的确定可以是基于距离数据、基于RF信号的密度、基于上述的其他类型的信息或基于信息类型的组合。
当与UWB设备通信时，第一UWB设备确定其他UWB设备的区域和扇区。基于该区域和扇区，第一UWB设备选择适当的通信参数用来与其他UWB设备进行通信。UWB设备可以是电话、个人数字助理、便携式计算机、膝上型计算机、任何如上所述的网络(LAN，WAN，PAN等)、视频监视器、计算机监视器、或任何其他采用UWB技术的设备。
参照图4，其显示了用来确定支持UWB的设备之间的距离的一种消息传送类型。支持UWB的第一设备将“时间请求消息”播送到至少一个支持UWB的其他设备，其中该至少一个支持UWB的其他设备通过主时间基准与第一UWB设备时间同步。“时间请求消息”包括从第一UWB设备播送或发送的时间。然后通过从包含在“时间请求消息”中的内含的发送时间减去接收到“时间请求消息”的时间，支持UWB的其他设备可以确定到第一UWB设备的距离。时间差是传播时间，并且因为RF能量通常近似于光速地传播，所以可以确定正在通信的UWB设备之间的距离。
另外，通过接收“时间响应消息”，第一UWB设备可以确定到其他UWB设备的距离，该“时间响应消息”包括计算的传播时间，从该计算的传播时间可以确定到响应的UWB设备的距离。在一个可选择的实施方式中，通过从包含在“时间响应消息”中的内含的发送时间减去接收到“时间响应消息”的时间，UWB设备也可以独立地验证到响应的UWB设备的距离。在此实施方式中，每个UWB设备在每个发送的消息中包括发送时间。因为所有通信的UWB设备都通过一个主时间基准彼此时间同步，所以基于时间差的距离计算是精确的。
参照图5，说明实施本发明的另一种方法。这个实施方式是用来确定支持UWB的设备之间的距离的另一种消息传送方法。支持UWB的第一设备将“距离请求消息”播送到至少一个支持UWB的其他设备，该至少一个支持UWB的其他设备通过主时间基准与第一UWB设备时间同步。“距离请求消息”包括从第一UWB设备播送或发送的时间。支持UWB的其他设备接收该消息，并且还记录接收到该消息的时间。然后通过从包含在“距离请求消息”中的内含的发送时间减去接收到“距离请求消息”的时间，接收UWB设备确定到第一UWB设备的距离。
另外，通过接收一个包括由接收UWB设备计算的距离的“距离响应消息”，第一UWB设备可以确定到其他UWB设备的距离。在此实施方式中，“距离响应消息”包括距离和参照主时间基准的“距离响应消息”的发送时间。通过将包括在“距离响应消息”中的发送时间与“距离响应消息”的到达时间进行对照，第一UWB设备可以验证与每个响应的UWB设备的距离。
参照图6，说明实施本发明的另一种方法。此实施方式是用来确定用于支持UWB的设备之间的通信参数的类型的消息传送方法。第一UWB设备将“误码率(BER)请求消息”播送到至少一个支持UWB的设备。“BER请求消息”包含所有通信的UWB设备在计算机存储器或在另一个适当的位置都具有的预定符号序列。该符号序列可以是任意二进制数字组的表示，例如“0101，”或“00110011，”或任何其他期望的符号组。
接收UWB设备接收“BER请求消息”，并且通过将接收的符号与包含在计算机存储器中的预定符号序列进行比较，确定误码率。然后UWB设备用包括了计算的BER的“BER响应消息”进行响应，并且如果已知UWB设备之间的距离，则可以确定到类似距离或区域内的其他UWB设备的可能的BER。
参照图7，说明实施本发明的另一种方法。此实施方式是用来确定用于支持UWB的设备之间的通信参数的类型的另一种消息传送方法。第一UWB设备将“固定能量请求消息”以预定能量水平播送到至少一个支持UWB的其他设备。支持UWB的其他设备知道该预定的能量水平，因为它可以被包含在计算机存储器或在另一个适当的位置。UWB设备接收“固定能量请求消息”，并确定“固定能量请求消息”的接收能量，将它与预定能量水平进行比较。差异就是接收信号强度指示(RSSI)。然后接收UWB设备用包含RSSI的“固定能量响应消息”进行响应。然后第一UWB设备接收包含RSSI信息的“固定能量响应消息”，并因而可以基于RSSI信息，为通信的UWB设备设置通信参数的类型。
本方法的一个可选择的实施方式通过确定“固定能量响应消息”的能量水平，并将其与预定能量水平进行比较，可以使第一UWB设备计算它自己的RSSI。以此方式，可以考虑变化的通信条件，例如移动的UWB设备或其他变量。在此实施方式中，“固定能量响应消息”以固定能量水平播送，使得第一UWB设备可以确定用于“固定能量响应消息”的RSSI，并且将其与在那些响应中的RSSI信息进行比较。通过比较RSSI信息，可以确定精确的通信参数。
图8所示的是本发明的一个实施方式的实施例，其中至少支持UWB的远端设备之一是固定UWB接入点100，例如天线、网络节点或其他适当的设备。在此实施方式中的固定接入点100生成主时间基准，用于在其范围或网络中通信的所有UWB设备。例如，在固定接入点100的范围中的或与固定接入点100通信的每个UWB设备，根据一些方法将其自己同步，这些方法公开在于2001年3月13日提交的、序列号为09/805,735的、题为MAINTAINING A GLOBALTIME REFERENCE AMONG A GROUP OF NETWORKED DEVICES的共同未决的美国专利申请中公开，在此通过参考引入其全部内容。另外，固定接入点100可以将区域和扇区分配或不分配给在其范围或网络内的支持UWB的设备。
现在参照图9，说明超宽带(UWB)通信网络的一个实施方式。固定接入点100将通信链路和主时间基准提供给UWB设备D1，D2，D3和P1。UWB设备D1，D2，D3，P1可以直接与固定接入点100通信，如通过设备D3和P1所示的那样，或可以在它们自己的网络内通信，如通过D1，D2和D3所示的那样。另外，UWB设备P1可以直接与UWB设备D1通信，而D1包含在与设备D2和D3的通信中，其中D3与固定接入点100正在通信。在本发明的一个实施方式中，如图9所示，UWB设备D1与固定接入点100之间的通信可以通过UWB设备D3或P1进行路由。作为选择，基于区域和扇区的分配和/或基于其他通信参数，设备D1可以与固定接入点100建立直接的通信链路。
现在参照图10，说明超宽带(UWB)通信网络的另一个实施方式。在此实施方式中，UWB设备P1，P2，P3，D1，D2，D3可以不在固定接入点100的范围内，不像如图8-9所示的通过固定接入点100建立通信网络。在本发明的这个实施方式中，示出支持UWB的设备P1，P2，P3和D1，D2，D3在它们自己的相应网络内进行通信。这些网络可以是专用的和/或安全的，或它们可以被其他UWB设备接入。在此实施方式中，支持UWB的移动设备Q1可以用作固定接入点100，分配区域和扇区，并为在其范围或网络内的UWB设备建立主时间基准。作为选择，每个支持UWB的设备P1，P2，P3，D1，D2，D3可以建立其自己的区域和扇区，以能够与支持UWB的其他设备可靠地进行通信。另外，UWB设备之间的通信路由可以是通过任何可用的路径，如图10所示，其中设备P3和设备D1通过UWB设备Q1通信，或UWB设备P3和D1可以建立直接的通信链路。在此实施方式中，设备的网络之间的时间同步可以根据一些方法来实现，其中在2001年3月13日提交的、序列号为09/805,735的、题为MAINTAINING A GLOBAL TIME REFERENCE AMONG AGROUP OF NETWORKED DEVICES的共同未决的美国专利申请中描述了这些方法，在此通过参考引入了该专利申请的全部内容。
现在参照图11，通过将FLB或者将FLB内的时间元分配给不同的地理区域，实现空间分集，并因此降低多用户干扰(MUI)。在本发明的该实施方式中，支持UWB的设备(未示出)建立区域1102(Z1，Z2，Z3和Z4)。在与每个区域Z1，Z2，Z3，Z4内的其他UWB设备进行通信时，支持UWB的设备可以使用下列FLB或时间元1101分配FLB 1101(1)可以用来与在区域Z3内的UWB设备进行通信；FLB 1101(2)可以用来与在区域Z1内的UWB设备进行通信；FLB 1101(3)可以用来与在区域Z4内的UWB设备进行通信；以及FLB 1101(4)可以用来与在区域Z2内的UWB设备进行通信。在此实施方式中，然后为随后的通信重复FLB或时间元分配模式。
因此，可以看出提供了各种超宽带无线通信方法。本领域的技术人员应该理解，本发明可以用上述实施方式之外的其他方式来实施，说明书中描述的实施方式是出于说明的目的，而不是用于限制。在此说明书和附图中列出的描述和实施例只是阐明本发明的优选实施方式。说明书和附图不试图限制本专利文件的排他性范围。许多不同于上述实施方式的设计将落入下列权利要求书的文字和/或法定范围之内，并且本发明只受限于下列的权利要求书。应该注意到，说明书中讨论的具体实施方式
的各种等同也可以实施本发明。
权利要求
1.一种用来在超宽带通信系统中选择至少一个通信参数的方法，所述方法包括以下步骤提供第一超宽带设备；将时间请求消息从所述第一超宽带设备发送到第二超宽带设备；从所述第二超宽带设备接收响应消息，所述响应消息包括发送时间；确定所述响应消息的接收时间和所述发送时间之间的时间差；以及基于所述时间差选择至少一个通信参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一超宽带设备和所述第二超宽带设备参考同一时间。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括通过使用所述时间差确定从所述第一超宽带设备到所述第二超宽带设备的距离的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述通信参数选自于包含下列参数的组中的至少一个参数超宽带脉冲调制技术、检错方法、纠错方法、错误控制方法、超宽带脉冲重复频率、数据速率、发送功率、超宽带脉冲形状、接收机的配置、超宽带脉冲宽度、帧长度以及时间同步率。
5.一种用来基于距离在超宽带通信系统中选择至少一个通信参数的方法，所述方法包括以下步骤提供第一超宽带设备；将时间请求消息从所述第一超宽带设备发送到第二超宽带设备；从所述第二超宽带设备接收响应消息，所述响应消息包括发送时间；确定所述响应消息的接收时间和所述发送时间之间的时间差；计算所述第一超宽带设备与所述第二超宽带设备之间的距离；以及基于所述计算的距离选择至少一个通信参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述通信参数选自于包含下列参数的组的至少一个参数超宽带脉冲调制技术、检错方法、纠错方法、错误控制方法、超宽带脉冲重复频率、数据速率、发送功率、超宽带脉冲形状、接收机的配置、超宽带脉冲宽度、帧长度以及时间同步率。
7.一种用来基于误码率在超宽带通信系统中选择至少一个通信参数的方法，所述方法包括以下步骤提供第一超宽带设备；将误码率消息从所述第一超宽带设备发送到第二超宽带设备；从所述第二超宽带设备接收误码率响应消息；以及基于所述误码率选择至少一个通信参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述发送的误码率消息包括已知的多个比特。
9.根据权利要求7所述的方法，其中从所述第二超宽带设备发送的所述接收的误码率消息包括与接收的所述多个比特有关的信息。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述通信参数选自于包含下列参数的组中的至少一个参数超宽带脉冲调制技术、检错方法、纠错方法、错误控制方法、超宽带脉冲重复频率、数据速率、发送功率、超宽带脉冲形状、接收机的配置、超宽带脉冲宽度、帧长度以及时间同步率。
11.一种用来基于信号能量在超宽带通信系统中选择至少一个通信参数的方法，所述方法包括以下步骤提供第一超宽带设备；将已知能量的消息从所述第一超宽带设备发送到第二超宽带设备；从所述第二超宽带设备接收响应消息，所述响应消息包括所述已知能量消息的接收能量；以及基于所述已知能量消息的所述接收能量，选择至少一个通信参数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述通信参数选自于包含下列参数的组中的至少一个参数超宽带脉冲调制技术、检错方法、纠错方法、错误控制方法、超宽带脉冲重复频率、数据速率、发送功率、超宽带脉冲形状、接收机的配置、超宽带脉冲宽度、帧长度以及时间同步率。
13.一种用来基于地理区域在超宽带通信系统中选择至少一个通信参数的方法，所述方法包括以下步骤提供超宽带设备；建立多个地理区域，其中所述超宽带设备基本上位于所述地理区域之一的中心处；以及为每个地理区域分配至少一个通信参数。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将相似的通信参数分配给每个地理区域，但所述相似的通信参数的特性基于每个地理区域而变化。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述相似的通信参数选自于包含下列参数的组中的至少一个参数超宽带脉冲调制技术、检错方法、纠错方法、错误控制方法、超宽带脉冲重复频率、超宽带脉冲形状、帧长度以及时间同步率。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述相似的通信参数的所述特性选自于包含下列参数的组中的至少一个参数数据速率、发送功率、接收机的配置以及超宽带脉冲宽度。
17.根据权利要求13所述的方法，其中通过在所述超宽带设备与另一个超宽带设备之间的距离，建立所述地理区域。
18.一种用来在超宽带通信系统中选择至少一个通信参数的方法，所述方法包括以下步骤提供第一超宽带设备和第二超宽带设备；确定在所述第一超宽带设备和所述第二超宽带设备之间的距离；建立多个地理区域，其中至少一个所述超宽带设备基本上位于所述地理区域之一的中心处；将每个所述地理区域分成至少两个扇区；以及为每个地理区域和每个扇区分配至少一个通信参数。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述通信参数选自于包含下列参数的组中的至少一个参数超宽带脉冲调制技术、检错方法、纠错方法、错误控制方法、超宽带脉冲重复频率、数据速率、发送功率、超宽带脉冲形状、接收机的配置、超宽带脉冲宽度、帧长度以及时间同步率。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二超宽带设备将所述距离、地理区域和扇区发送到所述第一超宽带设备。
21.一种用来在超宽带通信系统中提供空间分集的方法，所述方法包括以下步骤提供第一超宽带设备和第二超宽带设备；建立多个地理区域，其中至少一个所述超宽带设备位于第一地理区域中，并且所述第二超宽带设备位于第二地理区域中；使用超宽带时间周期组来进行在所述第一超宽带设备和所述第二超宽带设备之间的通信；以及为每个所述地理区域分配特定时间周期。
22.根据权利要求21所述的方法，其中为每个所述地理区域分配特定时间周期的所述步骤包括以下步骤为所述超宽带时间周期组选择一个重复间隔；为每个地理区域分配至少一个时间周期；以及从每个地理区域排除重复的时间周期。
23.一种用来基于距离在超宽带通信系统中选择至少一个通信参数的方法，所述方法包括以下步骤提供第一超宽带设备；将地理位置请求消息从所述第一超宽带设备发送到具有已知地理位置的至少两个超宽带设备；从所述至少两个超宽带设备接收响应消息，所述响应消息包括所述至少两个超宽带设备的每一个的所述地理位置；计算所述第一超宽带设备与所述至少两个超宽带设备之间的距离；以及基于所述计算的距离选择至少一个通信参数。
全文摘要
本发明提供用于超宽带(UWB)设备间通信的系统和方法。通常，UWB设备可以描述通信环境的衰减和其他特性。使用这些特性，UWB设备可以调整各种通信参数以改进通信质量。UWB设备可以使用这些特性来确定区域和扇区，用于与其他UWB设备进行通信。基于该区域和扇区的分配，UWB设备可以选择用于与其他UWB设备通信的通信参数。提供此摘要的唯一的目的是为了符合摘要要求的规则，使读者可以快速地确定在此包含的公开内容的主题。提交本摘要的明确的理解是它将不用来解释或限制权利要求的范围或含义。
文档编号H04J3/06GK1809971SQ200480017470
公开日2006年7月26日 申请日期2004年5月5日 优先权日2003年5月30日
发明者约翰·桑索夫, 史蒂文·A·穆拉 申请人:脉冲互联有限公司