用于突发数据和实时流送(音频)应用的高速重叠模式的制作方法

专利名称：用于突发数据和实时流送(音频)应用的高速重叠模式的制作方法
技术领域：
本发明一般地针对无线通信系统。在一方面，本发明涉及用于通过有限速率的无 线通信协议来传送数据的方法和系统。
背景技术：
用于形成无线个人区域网络(WPAN)的无线通信设备常常具有有限的功率资源和 信令基础设施。这些设计限制在延长的时间段中进行操作期间的数据传送能力和功耗方 面存在显著的挑战。因此，已经开发了各种协议以使用小的功率高效的廉价通信设备来实 现WPAN。例如，IEEE标准802. 15. 4是指定用于其中对附近设备的非常低花费无线通信几 乎不被提供有底层基础设施和有限功耗的低数据速率、低功率无线个人区域网络的物理层 和媒体访问控制的标准。虽然802. 15. 4标准提供了用于低速率数据、控制、监视和非实时 音频应用的优良无线传输机制，但是该数据速率不足以支持突发数据和实时音频。特定地， 802. 15. 4标准当前支持高达到250kbps的瞬时空中数据速率，因此有效数据速率略大于用 于点到点连接的100kbps。该有效数据速率随着多个节点被添加到诸如由紫蜂(ZigBee) 标准指定的基于802. 15. 4的网络而迅速减小。虽然802. 15. 4标准支持多个信道，但是这 些信道的同时使用将要求采用多个收发机来增加有效数据速率，并且因此将成本过高。因 此，需要一种克服诸如上述的现有技术中的问题的用于结合无线通信系统和协议来高效地 传送数据的改善的系统和方法。在参考附图和随后的详细描述来回顾本申请的其余部分之 后，常规过程和技术的其它局限和缺点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见。


当结合附图来考虑优选实施例的以下详细描述时，可以理解本发明，并且获得本 发明的很多目的、特征和优点，在附图中图1是其中可以实现本发明的选择的实施例的示例性无线通信系统的示意性框 图；图2是根据本发明的选择的实施例的无线802. 15. 4通信设备的示意性框图；图3是根据本发明的选择的实施例的无线802. 15. 4接口设备的示意性框图；图4是根据本发明的选择的实施例的传输调制解调器模块的示意性框图；图5描绘了用于结合802. 15. 4协议来执行高速率数据传送的示例性流程；以及图6描绘了用于结合802. 15. 4协议来接收高速率数据分组的示例性流程。
具体实施例方式描述了一种无线通信系统和方法，用于通过仅对数据帧分组的一部分选择性地 用扩频码调制使得不向数据帧的数据部分应用扩频码调制来定义用于在诸如802. 15. 4网 络的无线个人区域网络中以较高的速率(例如，高达约2M比特/秒)来发射数据的高速重 叠模式，从而增加数据吞吐量。通常，将扩频应用于整个数据分组作为部分的802. 15. 4传输调制，并且尽管扩频提供了在分组获取期间的额外鲁棒性(robustness)，但是在将扩频 应用于分组的数据部分时还减小有效数据吞吐量。因此，本发明的选择的实施例已经通过 在高速重叠模式中使得扩频不用于数据帧分组的至少数据部分来增加了数据吞吐量。事实 上，高速重叠模式中的增加的数据吞吐量使得能够进行突发数据和实时流送(音频)应用。 通过仅对802. 15. 4数据帧的同步报头结构进行扩频并且将用于表示高速数据传送模式的 信号包括在同步报头结构中从而不对数据帧的其余部分进行扩频，使得高速重叠模式能够 通过对802. 15. 4设备的最小硬件改变来提供较高的数据吞吐量，同时重新使用802. 15. 4 数据帧的同步报头部分以从而保持802. 15. 4协议的初始同步益处并且共享正常802. 15. 4 设备的时间同步电路。为此，提出了一种高速数据帧结构，其使用802. 15. 4前导结构，但是 具有较大数据净荷部分(并且因此帧长度部分)，导致较大的分组长度。在选择的实施例 中，通过将独特的值包括在802. 15. 4数据帧的帧起始分隔符(SFD)字段部分中来用信号通 知高速重叠模式。例如，当高速重叠模式数据分组包括具有距在标准802. 15. 4数据分组中 使用的SFD值(A7)的大的汉明距离的SFD值(例如，C5)时，可以容易地将高速重叠模式 数据分组与标准802. 15. 4数据分组进行区分。通过该方法，对于802. 15. 4网络，通过对于 电池寿命的最小影响来减小对其它标准802. 15. 4设备的干扰。现在将参考附图来详细描述本发明的各种说明性实施例。虽然在以下描述中阐述 了各种细节，但是应认识到，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明，并且可以对本 文所描述的发明做出很多实施方式特定的判定以实现设备设计者的特定目标，诸如遵守工 艺技术或设计相关的约束，其对于不同的实施方式来说是不同的。虽然这样的开发努力可 能是复杂并且耗时的，但这将是受益于本公开的本领域普通技术人员的例行任务。例如，为 了避免限制或使得本发明模糊，以框图形式而非详细地示出选择的方面。另外，根据关于计 算机存储器内的数据的算法和运算来呈现本文提供的详细描述的一些部分。这样的描述和 表示由本领域的技术人员来使用，以向本领域的其它技术人员描述和传达他们的工作的主 旨。现在将在下文中参考附图来详细描述本发明的各种说明性实施例。图1图示了其中可以实现本发明的选择的实施例的示例性无线通信系统10的示 意性框图。如图所示，无线通信系统10包括通过无线电信号来无线地交换信息的固定设备 或移动设备形式的多个发射/接收设备11-13。发射/接收设备11-13可以是便携式或蜂 窝式电话或手机、无线头戴式耳机、无线生理学传感器、无线计算机外围装置、无线家庭自 动装置等，并且可以使用诸如802. 15. 4协议的预定的无线通信协议来彼此进行通信。当被 实现为WPAN时，发射/接收设备的一个(例如，蜂窝式手机13)可以是提供WPAN协调方的 功能的全功能设备，而其它发射/接收设备(例如，11、12)可以是与全功能设备相关联的并 且只能与之交换数据的有限功能设备。当被配置为星形网络时，应当认识到，双向数据传输 每次只在有限功能设备的一个和全功能设备之间发生，而不在有限功能设备之间发生。然 而，在对等网络配置中，802. 15. 4标准允许每个全功能设备与每一个其它的全功能设备进 行通信。发射/接收设备11-13中的每一个分别具有关联的天线或天线阵列1-3，以与其区域中的无线通信设备进行通信。另外，每个发射/接收设备11-13都包括(分别)与天线 相关联的802. 15. 4收发机单元15、17、19以及用于控制通过天线进行的数据发射和接收的 (分别)与收发机单元相关联的控制器单元14、16、18。虽然未示出，但是每个发射/接收设备11-13还可以包括电源单元(例如，电池)和附加组件，诸如传感器、促动器等。当在 802. 15. 4网络中进行操作时，每个收发机单元15、17、19感测在802. 15. 4通信标准的物理 层(PHY)的层级指定的功能，而控制器单元14、16、18采用媒体访问控制(MAC)层和可选的 高层的功能。如将认识到的，PHY层功能包括，例如，通过物理信道(调制/解调、同步等) 发射和接收PHY数据帧(PPDU)。另一方面，MAC层提供寻址和信道接入控制机制，其使得若 干终端或网络节点能够与多点网络进行通信，诸如通过确认帧(ACK)成功接收到的PHY数 据帧的确认、失败传输尝试中的其它程序或诸如CSMA-CA(具有冲突避免的载波侦听多路 访问)的防冲突方法。图2是图示可以在无线设备21、22的802. 15. 4网络中用作全功能设备的无线通 信设备20的示意性框图。如所描绘的，无线通信设备20包括主机设备或模块50和至少一 个无线接口设备100，该无线接口设备100可以与主机设备50的组件相集成或者与之分开 地进行构造。主机设备50被示为包括处理模块51、存储器52、外围接口 55、输入接口 58和 输出接口 56，但应当认识到，可以使用其它组件和配置，包括但不限于将高性能嵌入式微控 制器与关联程序和数据存储器相集成。无论如何配置，处理模块51和存储器52都进行协 作以提供指定的主机功能，诸如蜂窝电话功能，在这种情况下，处理模块51根据特定的蜂 窝式电话标准来执行对应的通信功能。对于从无线接口设备100接收到的数据(例如，进 入数据)，外围接口 55向处理模块51提供数据以供进一步处理和/或路由到输出接口 56。 输出接口 56提供对诸如显示器、监视器、扬声器等的输出显示设备的连接，使得可以显示 接收到的数据。在另一方向上，处理模块51可以经由输入接口 58从诸如键盘、小键盘、麦 克风等的输入设备接收外出数据或自己生成数据。对于经由输入接口 58接收到的数据，处 理模块51可以对该数据执行对应的主机功能和/或经由向无线接口设备100提供数据的 外围接口 55将其路由到无线接口设备100。关于无线接口设备100，提供了主机接口 101;媒体访问控制协议(MAC)层模 块102 ；单独的可选调制解调器模块103、104 ；物理层模块(PHY) 105 ；数字到模拟转换器 (DAC) 106以及模拟到数字转换器(ADC) 107。通常，将来自主机设备50的发射数据呈现给 MAC模块102，该MAC模块102在选择的实施例中提供符合802. 15. 4的硬件支持，诸如分组 发射/接收的控制、安全相关的加密、错误检测和控制等。MAC模块102将发射数据呈现给 基带调制解调器103、104，该基带调制解调器103、104根据所选择的发射模式来调制数据。 如下面更全面描述的，如果选择了标准802. 15. 4传输模式，则基带调制解调器103通过对 整个数据分组执行扩频和脉冲整形来处理MAC数据，但是如果选择了高速传输模式，则基 带调制解调器104将高速数据(扩频的SHR和未扩频的PHR/MPDU)从MAC模块102传递到 PHY模块105。将来自选择的基带调制解调器103、104的数据呈现给PHY模块105，该PHY 模块105处理发射数据(编码、调制等)，并且然后将其输出递交给DAC 106来在该数据在 调制过程期间还没有被转换成模拟信号时转换成模拟信号。然后，调制的模拟信号或DAC 输出可以被增加和滤波并且被传递到天线部分108。在接收侧，将天线部分108的输出传递 到PHY模块105，在PHY模块105该天线部分108的输出被增加、滤波并且由ADC 107来数 字化成数字信号。该数字信号可以由PHY模块105来进一步处理成数字表示，并被传递到基带调制解调器103、104，该基带调制解调器103、104根据用于发送接收到的数据的传输 模式来对比特进行解调。如果使用标准802. 15. 4传输模式，则基带调制解调器103对用于整个数据分组的比特执行解扩，但是如果使用高速传输模式，则基带调制解调器104通过 仅对数据分组的同步报头部分执行解扩，并且然后诸如通过OQPSK或FM解调来单独地对其 余分组比特进行解调来处理MAC数据。通过MAC模块102将解调的数据传递到主机50以 供递送到输出接口 56。如将认识到的，可以用专用硬件来单独地或结合用于存储和执行指 令的通信处理器和关联存储器来实现无线接口设备100中的模块的一个或多个，所述指令 控制对无线网络中的物理传输介质的接入。图3是图示可以在无线设备的802. 15. 4网络中用来发送或接收数据的无线接口 设备300的示意性框图。如所描绘的，无线通信设备300接收在天线部分308上接收到的 信号信息，并且通过低噪声放大器(LNA) 322、下变频级324、滤波/增益模块326、模拟到数 字转换器(ADC) 328、基带调制解调器部分302、接收机分组处理模块364和可选的主机接口 362来处理该在天线部分308上接收到的信号信息。为了进行数据传输，无线通信设备300 包括发射机分组处理模块376、基带调制解调器部分302、调制和混频上变频级323、功率放 大器(PA) 321和一个或多个天线的天线部分308。当然，在无线接口设备中可以包括额外的 组件。接收机分组处理模块364、发射机分组处理模块376和存储器375 —起形成MAC 模块301，该MAC模块301与数字调制解调器302 —起根据诸如802. 15. 4标准的特定无线 通信标准来执行和/或控制数字接收机功能和数字发射机功能。接收机分组功能包括，但 不限于，接收分组处理、解调、解扩、解码、解扰和/或错误检测。数字发射机功能包括，但不 限于，CRC编码、加扰、编码、扩频、调制和/或发射分组处理。如将认识到的，可以使用专用 MAC加速器硬件或控制逻辑、共享处理设备、独立处理设备和/或多个处理设备来实现接收 机分组和发射机分组处理模块364、376，其中，处理设备可以是微处理器、微控制器、数字信 号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、状态机、逻辑 电路、模拟电路、数字电路和/或基于操作指令来操纵(模拟和/或数字)信号的任何设备。 存储器375可以是单个存储器设备或多个存储器设备。这样的存储器设备可以是只读存储 器、随机存取存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪速存储 器和/或存储数字信息的任何设备。注意，当处理模块364、376经由状态机、模拟电路、数 字电路和/或逻辑电路来实现其功能的一个或多个时，存储对应的操作指令的存储器可以 被嵌入有电路，包括状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路。在发射操作中，无线接口设备300经由主机接口 362从主机设备接收外出数据390。主机接口 362将外出数据390路由到发射机分组处理模块376，该发射机分组处理模 块376根据诸如IEEE 802. 15. 4 (包括所有当前和将来的子部分)的特定无线通信标准来 处理外出数据390以产生数字分组数据391。然后，将数字分组数据391发送到数字调制 解调器302，在该数字调制解调器302处由发射调制解调器312的一个根据所选择的传输 模式来将该数字分组数据391处理成数字传输格式的数据392，如下文将更全面地解释的。 后级使用PHY模块303将数字传输格式的数据392转换成RF信号。在其中根据第一信令 协议(例如，IEEE 802. 15.4)来发射信号的示例性实施例中，PHY模块303包括调制和上 变频模块323，其将数字传输格式的数据392从数字域转换成模拟域、对模拟信号进行滤波 和/或调整模拟信号的增益、并且用混频级来对滤波的/调整的模拟信号进行上变频以基 于由本机振荡/PLL/时钟模块374提供的发射机本机振荡时钟383来直接地将模拟基带或低IF信号转换成RF信号。功率放大器321放大RF信号，以产生通过发射/接收天线开关 (未示出)应用于天线部分308的外出RF信号393。关于接收操作，来自另一无线通信设备的进入RF信号394在天线部分308处由无 线接口设备300来进行接收，并且经由天线开关(未示出)发射到PHY模块303。将进入 RF信号直接地或通过可以如下实现的中频转换处理转换成数字接收格式的数据。进入RF 信号394由低噪声放大器322来进行放大。在下变频模块324处，将放大的进入RF信号与 由本地振荡模块374提供的接收机本地振荡时钟381相组合或混合，从而直接地将放大的 进入RF信号转换成进入低IF信号或基带信号。下变频模块324经由无线电接口 335向低 通滤波器/增益模块326提供进入低IF信号或基带信号。滤波/增益模块326对进入低 IF信号或进入基带信号进行低通滤波和/或增加，以产生滤波的进入信号。模拟到数字转 换器328将滤波的进入信号从模拟域转换到数字域，以产生数字接收格式的数据395。然 后，将数字接收格式的数据395发送到数字调制解调器302，在数字调制解调器302处由接 收调制解调器310、311的一个根据所选择的传输模式来将数字接收格式的数据395处理成 数字基带信号396，全部如下文更全面地讨论的。接收机分组处理模块364获取解扩的数字 接收格式的数据396，并且然后根据由无线接口设备实现的特定无线通信标准来对其进行 解码和解扰以重新捕获进入数据397。主机接口 362将重新捕获的进入数据397提供给主 机设备。
如图3中所示，正常的802. 15. 4操作使用已经针对在物理无线电信道上的发射和 接收定义的PHY协议数据单元(PPDU)分组结构330。可以参考定义的802. 15. 4数据帧结 构330的组成结构及其对应的长度单位来描述定义的802. 15. 4数据帧结构330，其用每个 长度单位为每个八位位组(字节)在第一行中进行指示。首先，数据帧330开始于一共包 括六个八位位组的同步报头(SHR)和分组报头(PHR)。如将理解的，SHR包括预定义的前导 序列部分(4个八位位组)和帧起始分隔符(SFD)部分(1个八位位组)，并且用于在发射 机与接收机之间的初始同步。在PHR(1个八位位组)中，八位位组的七个比特用于指定帧 长度信息。在SHR和PHR之后，提供可变长度的净荷(高达127字节)，其承载MAC协议数 据单元(MPDU)，该MAC协议数据单元包括用于指定帧控制、序列号和寻址字段的MAC报头 (MHR)、用于数据净荷的MAC服务数据单元(MSDU)以及用于提供帧检查序列值的MAC结尾 (MFR)。在802. 15. 4协议下，通过将数据帧330中的每四个数据比特分组成一个符号、将 每个4比特符号映射到32码片PN序列中并且将码片级数据序列发送到偏移四相相移键 控(O-QPSK)调制器来对数据帧330的比特进行调制以进行传输。在发射调制解调器312 中执行部分的这些调制操作，该发射调制解调器312如图4中的示意性框图所示，可以包括 用于接收PPDU帧的比特到符号映射单元402、符号到码片映射单元404。发射调制解调器 312的输出去往用于O-QPSK调制的模块323。这些操作的结果在于有效地实现具有8的 扩频因数的直接序列扩频(DSSS)系统，其提供9dB(10X Iogltl(8))的处理增益。因此，该1 到8的扩频用于增加接收机敏感度，并且从而增加传输范围。如图4中所示，在扩频之前以 2. 4GHz进行操作的802. 15. 4设备中的数据速率是250kbps，并且在扩频之后，码片速率是 2Mcps。然而，即使传输码片速率是2Mcps，用于典型802. 15. 4通信的有效数据速率也约为 IOOkbps。较低的有效数据速率是由于正在发射数据帧开销的事实以及由诸如发射和接收确认(ACK)帧的在通信过程期间所使用的额外信令开销所造成的。对于802. 15. 4协议初 始定向的应用(诸如家庭自动化和远程仪表读取)，IOOkbps的数据速率是足够的。然而， 存在要求较高数据速率的其它短程应用，包括但不限于，突发数据通信应用，诸如图像数据 传送应用、医学数据传送、或无线头戴式耳机(诸如蓝牙头戴式耳机)和蜂窝式手机之间的 实时音频通信。因此，提出了高速数据帧结构340，其通过在保持由802. 15. 4协议提供的同步益 处的同时放宽对于数据净荷部分的接收机敏感度来增加传输吞吐量。特定地，提出的高速 数据帧结构340包括与在802. 15. 4数据帧结构330中使用的相同的同步报头(SHR)结构， 使得现有的802. 15. 4平台结构可以用于发射和接收SHR结构。然而，提出的高速数据帧结 构340包括数据净荷部分，其用于通过在维持O-QPSK调制的同时放弃(forego)对于MPDU 数据净荷的扩频操作来以高于标准802. 15. 4操作的速率传达数据。通过使用802. 15. 4标准的现有的SHR结构，提出的高速数据帧结构340允许使用 现有的802. 15. 4平台结构用于保持现有的802. 15. 4同步益处。因为成功的初始同步是通 信过程的重要部分，所以这对于标称无线通信，尤其是对于通过分组通信的分组而言是重 要的。通过使用802. 15. 4标准的现有的SHR结构，可以通过共享现有的802. 15. 4时间同 步电路来获得鲁棒的初始同步。一旦建立了初始同步，用于恢复发射的信号的信号处理的其余部分就变得更容 易，使得不必对数据帧340的其余部分(在SHR之后)进行扩频。当仅扩频SHR时，总吞吐 量接近码片速率。提出的高速数据帧结构340通过在不使用修改的数字调制解调器进行扩 频的情况下处理MPDU数据净荷结构来利用该事实，从而以最小的附加成本来提供可以用 于低数据速率通信和高速率数据通信二者的较高数据速率。为此，高速数据帧结构340中 的MHR(MAC报头)和MFR(MAC结尾)与典型的802. 15. 4帧结构相同，但是在传输调制期间 不对高速数据帧结构340中的MHR和MFR进行扩频。虽然标准802. 15. 4MSDU (数据净荷) 结构还可以在高速数据帧结构340中进行使用，但是如果用于未扩频的数据分组，则其最 大长度(127字节)限制了传输效率。因此，可以通过增加高速数据帧结构340中的MPDU 的最大长度来改善传输效率。根据所选择的实施例，高速数据帧结构340中的MPDU的最大 长度被增加到32，767字节，意味着帧长字段(PHR)被增加到用于高速模式的两个字节。对 于该高速模式，原始数据速率从250kbps增加到2Mbps。用于高速模式的实际数据吞吐量在很大程度上由分组长度来确定。理想地，期望 最长的可能分组长度来以有限的开销最大化吞吐量。然而，较长的分组长度意味着分组更 易受到定时误差、频率误差以及同信道干扰的影响。仿真结果示出了，在400字节或更少的 数据净荷的情况下，定时误差和频率误差的影响被减小或是有益的。对于400字节的分组 长度，有效数据速率大于780kbps，假设用于CSMA-CA算法的退避指数是2，并且退避需要 50%的时间。该增强型数据速率开放了标准802. 15. 4/紫蜂设备难以支持的若干应用。例 如，为了被用作蜂窝电话无线头戴式耳机链路以支持全双工通信，所需要的有效数据速率 是128kbps。虽然标准802. 15. 4/紫蜂设备不能支持该数 据速率，但本文所述的高速重叠模 式能够轻易地支持这样的数据速率，并且甚至能够提供快了多倍的吞吐量速率。用于高速 重叠模式的其它应用包括无线音频通信，诸如双向单声道语音(其可以由实时蜂窝式无线 头戴式耳机应用来使用)和单向立体声(其可以由实时CD质量无线立体声传输来使用)。另外，高速重叠模式可以用于无线突发数据传送应用(例如，诸如成像和医学应用的应用 中的大文件的非实时传送)及其它高速(相对于紫蜂)数据通信。为了说明如何如由发射调制解调器选择性地调制高速数据帧340以供由无线接 口设备300进行传输，对在图3中描绘的发射调制解调器312和在图4中示出的其示意水平 细节进行参考。如图3和图4中所示，可以在O-QPSK调制之前使用映射单元402、404来对 作为数字数据分组391呈现给发射调制解调器312的典型802. 15. 4PPDU帧结构330进行 扩频调制。相反，高速数据帧340可以通过使MAC模块301向连接到O-QPSK调制单元323 的MUX 406直接呈现用于高速数据帧的数据比特398来有效地绕避开扩频调制。虽然可以 以各种不同的方式来实现数据比特398的选择性路由，但是在选择的实施例中，选择开关 或复用电路406用于选择性地将用于高速数据帧的数据比特398和来自映射单元402、404 的输出连接到O-QPSK调制单元323。通过该方案，可以将高速数据帧340的SHR以扩频的 形式存储在MAC存储器中，并且以2M比特/秒的速率直接呈现给复用器406。另外，可以将 高速数据帧340的其余部分(包括PHR和MPDU结构)以未扩频的形式以2M比特/秒的速 率直接呈现给复用器406。如将认识到的，可以由MAC模块301或由主机CPU来生成高速数 据帧340的数据净荷和纠错部分。在没有通过PN代码来对高速数据帧340的数据净荷进行扩频的本文所述的实施 例中，所发射的数据不再具有白噪声性质。这可能导致不期望的DC偏置效果。在选择的实 施例中，可以通过在数据净荷被附加到SHR以形成数据分组之前使用m序列对其进行加扰 来处理该发射的数据，使得其似乎具有白噪声性质。为了保证重新发射的数据分组不与原 始发射的数据分组相关联，使用两个不同的m序列来进行加扰。该两个m序列交替地用于 第一发射的数据分组并且用于后续重新发射的数据分组。在接收机处，两个不同的解扰器 用于对接收到的数据净荷进行解扰。在帧长度字段的MSB比特中设置针对特定数据分组所 使用的加扰序列。为了说明如何接收标准802. 15. 4数据帧330和高速数据帧340，对图3中描绘 的无线接口设备300进行参考。由于对于高速数据帧340和802. 15. 4数据帧330而言前 导是相同的，所以无线接口设备300中的相同的前导检测电路用于两种操作模式。例如， 802. 15. 4接收机调制解调器310可以用于通过用解扩处理对数字接收格式的数据395进行 解调来检测前导序列。一旦检测到前导序列并且建立了初始时间同步，数据帧的其余部分 就可以根据已经接收到标准802. 15. 4数据帧330还是高速数据帧340来去往802. 15. 4接 收机调制解调器310或高速接收调制解调器311。如果接收到标准802. 15. 4数据帧330， 则802. 15. 4接收机调制解调器310再次通过应用解扩处理来对802. 15. 4数据帧的其余部 分进行解调。另一方面，如果接收到高速数据帧340，则高速接收机调制解调器311使用非 解扩解调处理来对802. 15. 4数据帧的其余部分进行解调。可以以各种的不同方式来控制使用单独的接收机调制解调器310、311来选择性地解调802. 15. 4数据帧。例如，可以将每个数据帧分组输入到两个接收机调制解调器310、 311，使得由复用器314来选择相应的输出。另外或替代地，802. 15. 4接收机调制解调器310 可以包括检测电路或控制逻辑，其检测高速数据帧结构且并发出指示高速接收机调制解调 器311接管检测到的高速数据帧结构的解调的检测信号313。虽然可以使用任何期望的技术来检测高速数据帧340，但是示例性实施方式在802. 15. 4接收机调制解调器310中使用SFD检测电路或模块，802. 15. 4接收机调制解调器 310利用在标准802. 15. 4协议中使用预定SFD值的事实。特定地，802. 15. 4协议使用A7 的值作为SFD。为了区别高速数据帧，不同的SFD值可以用于用信号通知高速模式。例如， 在选择的实施例中，值C5是用于高速数据帧340的SFD。以该方式，根据检测到的SFD值， 将表示接收到的数据分组的数字接收格式的数据395路由到802. 15. 4调制解调器310或 高速调制解调器311以进行进一步的处理。通过将不同的SFD值用于高速模式，混合操作 模式是可能的。另外，由于常规802. 15. 4节点可以在分组的前面拒绝高速分组(即，当检 测到SFD时)，所以通过使用不同的SFD值(其在数据分组的前面)而不使用分组的结束检 测方案(即，CRC计算)检测高速组来改善分组接收性能。除了加速检测/拒绝判定之外， 基于SFD的检测还保持能量并且减少用于并不希望接收高速分组的常规802. 15. 4节点的 电池使用。还可以参考图5来说明本发明的选择的实施例，图5结合本发明的选择的实施例 描绘了用于执行高速率数据传送的示例性流程500。如所描绘的，该过程在发射机具有要传 送到一个或多个接收机的数据时开始(步骤502)。作为初始步骤，发射机确定是否将数据 作为高速数据进行发射(判定块504)。如果数据不作为高速数据来进行发射(判定504的否定结果)，则该数据被组合为 预定协议分组的一部分(步骤506)。在使用802. 15. 4传输协议的示例性实施方式中，由 MAC模块将数据组合到标准802. 15. 4数据帧结构的MAC协议数据单元(MPDU)中，其被附 加到标准SHR和PHR报头结构。然而，如由对(802.15.4)的括号引动所指示的，可以使用 其它传输协议。一旦被组合，就对整个协议分组进行调制以进行传输(步骤508)。在使用 802. 15. 4协议的示例性实施方式中，通过将扩频和O-QPSK调制技术应用于整个协议分组 来在数字调制解调器中对整个802. 15. 4分组进行调制。然后，诸如通过使用802. 15. 4传 输协议来发射调制的分组协议(步骤510)。如果数据传输完成(判定512的肯定结果)， 则该过程结束(步骤522)，否则(判定512的否定结果)重复该过程，使得可以对任何额外 的数据进行组合、调制和发送。当在过程流程500中确定了要发射的数据是高速数据时(判定504的肯定结果)， 在步骤513中将PHR和MPDU组合为部分的高速协议分组。在要使用802. 15. 4协议的同步 益处的示例性实施方式中，通过生成或检索特殊高速SHR结构来组合高速协议分组(步骤 514)。高速SHR结构可以包括将SHR结构标识为高速报头结构的独特SFD值。另外，可以 以扩频的形式存储或生成高速SHR结构，使得在检索时准备好用于加速的调制和传输。在 步骤516中，在检索到的SHR之后是PHR和MPDU以形成高速数据分组。发射机(例如，在 MAC控制下)还将高速数据组合成数据净荷结构(MPDU)并且生成与正在发射的高速数据 的量相对应的帧长度值(PHR)。一旦被检索到，扩频调制的高速SHR结构、PHR结构和MPDU 结构被调制以进行传输(步骤518)。在使用802. 15. 4协议的示例性实施方式中，通过应用 O-QPSK调制技术来在数字调制解调器中调制这些结构。因此，不对PHR结构或MPDU结构 应用扩频调制。诸如通过使用802. 15. 4传输协议来发射调制的高速SHR、PHR和MPDU结构 (步骤520)。如果数据传输完成(判定512的肯定结果)，则该过程结束(步骤522)，否则 (判定512的否定结果)重复该过程，使得可以对任何额外的数据进行组合、调制和发送。 还可以参考图6来说明本发明的选择的实施例，图6结合本发明的选择的实施例来描绘用于接收高速率数据分组的示例性流程600。如所描绘的，该过程在接收机检测到已 经发送的数据分组的接收时开始(步骤602)。当根据802. 15. 4标准来发射数据分组时，接 收机检测前导序列(判定块604的肯定结果)并且建立初始时间同步(步骤606)。如过程 流程600所示，标准802. 15. 4分组和高速分组二者使用相同的SHR检测平台来建立初始时 间和频率同步。一旦被同步，接收机就检测接收到的数据分组是否是高速数据分组(判定 块608)。在示例性实施方式中，通过检测SHR结构中的独特SFD值将高速数据分组与标准 802. 15. 4数据分组进行区别来检测高速数据分组。为每个高速数据分组提供独特的SFD标 识符的另一益处是标准802. 15. 4收发机能够避免高速数据分组的错误解码。如果数据分组被检测为是标准802. 15. 4数据分组(判定608的“标准 802. 15. 4SFD”结果)，则通过对整个数据分组执行解扩来根据标准802. 15. 4协议对数据分 组进行解调，从而提取PHR(帧长度)和MPDU(数据净荷)结构。然而，如果数据分组是其 中没有对帧长度和数据净荷部分进行扩频调制的高速数据分组，(判定608的“高速SFD” 结果)，则在不执行解扩的情况下对数据分组进行解调。例如，可以通过执行FM或OQPSK解 调来提取PHR(帧长度)和MPDU(数据净荷)结构(步骤612)。另一方面，如果数据分组 因为其既不是标准802. 15. 4也不是高速SFD而被确定为无效，则其将被拒绝(步骤614)。 如果不存在更多数据分组(判定616的否定结果)，则该过程结束(步骤618)，否则(判定 616的肯定结果)重复该过程，使得可以对任何额外的数据分组进行解调以提取数据。通过 所公开的分组接收流程，提供了一种高效机制，其使得能够实现比标准802. 15. 4高许多倍 的数据速率，但是重新使用许多802. 15. 4协议以在将通信吞吐量增加到2M比特/秒的同 时保持低成本和低功率的属性。现在，应认识到已经提供了用于在具有与接收设备的短距离通信链接的无线设备 中传送数据的方法和系统。在所公开的数据传送系统中，通过对第一数据分组中的所有数 据比特进行扩频来根据预定的传输协议(例如，IEEE 802. 15. 4协议)调制第一数据分组， 从而以第一数据速率来传送数据。当要以较高的数据速率(例如，高达约2Mbps)来传送数 据时，通过仅对第二数据分组中的选择的数据比特(例如，同步报头部分)进行扩频并且单 独地处理至少数据净荷部分(例如，在MPDU部分中)使得不对数据净荷部分进行扩频来 调制第二数据分组。在示例性实施例中，通过对第二数据分组的同步报头部分进行扩频和 O-QPSK调制并且在不进行扩频的情况下仅对至少数据净荷部分执行O-QPSK调制来调制第 二数据分组。另外，可以通过对共享前导序列进行扩频来调制第一和第二数据分组的每一 个。为了解决可能由于在不进行扩频的情况下调制数据净荷部分而导致的不期望的DC偏 置效果，可以在调制数据净荷部分之前对数据净荷部分应用数据白化。以另一种形式，提供了一种数据接收方法和系统，用于在无线接收设备中接收和调制数据分组，由此，通过仅对数据分组中的选择的数据比特进行解扩来对数据分组的第 一部分进行解调，并且单独地处理数据分组的至少数据净荷部分(例如，通过执行OQPSK解 调)，使得不对数据净荷部分进行解扩。在选择的实施例中，通过对数据分组的同步报头部 分进行解扩以根据IEEE 802. 15. 4协议和帧起始分隔符提取前导序列来对数据分组的第 一部分进行解调。使用该前导序列，可以根据IEEE 802. 15. 4协议来建立初始同步。通过 该方案，数据分组可以作为高速数据帧结构来进行接收，该高速数据帧结构包括同步报头 (SHR)结构、分组报头(PHR)结构和MAC协议数据单元(MPDU结构，其中，SHR结构中的预定帧起始分隔符(SFD)值控制如何对数据分组进行解调。与标准802. 15. 4数据帧结构相 反，高速数据帧结构具有较大的PHR结构(例如，长度为两个字节)和较大的可能MPDU结 构(例如，高达到32，767字节的长度)。 以另一种形式，提供了一种方法、系统和装置，用于向至少部分地根据802. 15.4 协议定义的无线个人区域网络(WPAN)中的目的地节点传送数据。首先，接收将被传送到 WPAN上的目的地节点的数据净荷。从该数据净荷，生成扩展的MAC协议数据单元(MPDU)结 构，其包括MAC报头和MAC结尾。可以在不对扩展的MPDU结构进行扩频的情况下通过执行 OQPSK调制来生成扩展的MPDU结构。从该扩展的MPDU，生成分组报头(PHR)结构。另外，生 成包括至少802. 15. 4前导序列的预定同步报头(SHR)结构。可以通过对801. 15. 4前导序 列和帧起始分隔符(SFD)结构执行扩频和脉冲整形来生成SHR结构，并且其还可以包括生 成具有预定值的帧起始分隔符(SFD)结构，所述预定值不同于802. 15. 4协议中的标准SFD 值。例如，可以将SFD结构选择为具有预定值(例如，C5)，该预定值具有距802. 15.4协议 中的标准SFD值(A7)的大的汉明距离。最后，从预定的SHR结构、PHR结构和扩展的MPDU 结构生成高速数据帧，并且然后对其进行转发以供路由到WPAN中的目的地节点。这可以通 过将预定的SHR结构和PHR结构作为报头附加到扩展的MPDU结构来进行。如本文所示出和所描述的用于建立用于建立用于结合802. 15. 4协议传输来提供 突发数据和实时数据流送的高速重叠模式的方法和系统可以在存储在计算机可读介质上 的软件中实现，并且作为通用或专用计算机上的计算机程序来执行以执行某些任务。对于 硬件实施方式，可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号 处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控 制器、微处理器、被设计为执行本文所述功能的其它电子单元、或其组合内实现用于执行发 射机处(例如，将数据编码并调制成高速数据帧结构)和/或接收机处(例如，恢复传送的 信号、对来自恢复的信号的高速数据帧结构进行解调和解码等)的各种信号处理步骤。另 外或替代地，可以使用软件实施方式，由此，可以用执行本文所述功能的模块(例如，程序、 功能等)来实现发射机和接收机中的每一个处的一些或所有的信号处理步骤。应认识到， 将功能分离成模块是出于说明的目的，并且替代实施例可以将多个软件模块的功能合并成 单个模块，或者可以利用模块的功能的替代分解。在任何软件实施方式中，可以由处理器或 控制器来执行软件代码，其中代码和任何底层或处理的数据被存储在任何机器可读或计算 机可读存储介质中，诸如板上或外部存储器单元。虽然本文所公开的所述示例性实施例针对各种802. 15. 4协议相关系统及使用该 系统的方法，但本发明不必限于本文所说明的示例性实施例。例如，可以结合其中协议控制 限制数据传输速率的任何专有或无线通信标准来实现本文所公开的高速数据调制系统和 方法的各种实施例。因此，以上公开的特定实施例仅仅是说明性的，并且不应将其视为对本 发明的限制，因为可以以对于可以以受益于本文教导的本领域的技术人员来说显而易见的 不同但等效的方式来修改和实践本发明。因此，前述描述并不意在将本发明局限于所阐述 的特定形式，相反，其意在涵盖可以包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围 内的这样的替换、修改和等价物，使得本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的最广 泛的精神和范围的情况下，可以进行各种修改、替换和变更。上文已经关于特定实施例描述了益处、其它优点和对问题的解决方案。然而，不应将所述益处、优点、问题的解决方案、以及可以导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更加明显的任何元素(多个)解释为任何或所有权利要求的关键、必要或本质特征或元素。 本文所使用的术语“包括”、“包含”或其任何其它变体意在涵盖非排他性包括，使得包括一 系列元素的过程、方法、物件或装置不仅包括那些要素，而且还可以包括没有明确列出或这 样的过程、方法、物件或装置所固有的其它元素。
权利要求
一种在具有与接收设备的短距离通信链接的无线设备中的数据传送方法，包括通过对第一数据分组中的所有数据比特进行扩频来根据预定的传输协议调制所述第一数据分组，从而以第一数据速率传送数据；以及通过仅对第二数据分组中的选择的数据比特进行扩频，并且单独地处理至少数据净荷部分使得不对所述数据净荷部分进行扩频来调制所述第二数据分组，从而以第二较高的数据速率传送数据。
2.根据权利要求1所述的数据传送方法，其中，调制所述第一数据分组包括根据IEEE 802. 15. 4协议来调制所述第一数据分组。
3.根据权利要求1所述的数据传送方法，其中，调制所述第二数据分组包括对所述第 二数据分组的同步报头部分进行扩频。
4.根据权利要求1所述的数据传送方法，其中，调制所述第二数据分组包括对所述第 二数据分组的同步报头部分进行扩频，并且在不进行扩频的情况下对至少所述数据净荷部 分执行O-QPSK调制。
5.根据权利要求1所述的数据传送方法，其中，所述第二较高的数据速率约为2Mbps。
6.根据权利要求1所述的数据传送方法，进一步包括在调制所述数据净荷部分之前， 对数据净荷部分应用数据白化。
7.根据权利要求1所述的数据传送方法，其中，调制所述第一数据分组和所述第二数 据分组的每一个包括通过对共享前导序列中的所有数据比特进行扩频来调制所述共享前 导序列。
8.一种用于在无线接收设备中对数据分组进行解调的数据接收方法，包括 通过仅对所述数据分组中的选择的数据比特进行解扩来对所述数据分组的第一部分进行解调；以及单独地处理所述数据分组的至少数据净荷部分，使得不对所述数据净荷部分进行解扩。
9.根据权利要求8所述的数据接收方法，其中，对所述数据分组的所述第一部分进行 解调包括对所述数据分组的同步报头部分进行解扩，以根据IEEE 802. 15. 4协议和帧起 始分隔符来提取前导序列。
10.根据权利要求9所述的数据接收方法，进一步包括根据所述IEEE802. 15. 4协议 使用所述前导序列来建立初始同步。
11.根据权利要求8所述的数据接收方法，其中，单独地处理所述数据分组的至少所述 数据净荷部分包括对所述数据分组的至少所述数据净荷部分执行OQPSK解调。
12.根据权利要求8所述的数据接收方法，进一步包括接收作为高速数据帧结构的所 述数据分组，所述高速数据帧结构包括同步报头(SHR)结构、分组报头(PHR)结构和MAC 协议数据单元(MPDU结构，其中，所述SHR结构中的预定的帧起始分隔符(SFD)值控制如何 对所述数据分组进行解调。
13.根据权利要求12所述的数据接收方法，其中，所述PHR结构的长度为两个字节，并 且其中，所述MPDU结构的长度高达32，767字节。
14.在至少部分地根据802.15.4协议定义的无线个人区域网络中，一种用于向所述无 线个人区域网络中的节点传送数据的方法，包括接收要发射到所述节点的数据净荷；从所述数据净荷生成包括MAC报头和MAC结尾的扩展的MAC协议数据单元(MPDU)结构；从所述扩展的MPDU生成分组报头(PHR)结构； 生成包括802. 15. 4前导序列的预定的同步报头(SHR)结构； 从所述预定的SHR结构、PHR结构和扩展的MPDU结构生成高速数据帧；以及 转发所述高速数据帧以供路由到所述WPAN中的目的地节点。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，生成预定的SHR结构包括对所述801.15.4前 导序列和帧起始分隔符(SFD)结构执行扩频和脉冲整形。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，从所述数据净荷生成扩展的MPDU结构包括 在不对所述扩展的MPDU结构进行扩频的情况下执行OQPSK调制。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，生成预定的同步报头(SHR)结构包括生成具 有预定的值的帧起始分隔符(SFD)结构，所述预定的值不同于所述802. 15. 4协议中的标准 SFD 值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述SFD结构具有预定的值C5。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述SFD结构具有预定的值，所述预定的值具 有距所述802. 15. 4协议中的所述标准SFD值的大的汉明距离。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，生成高速数据帧包括将所述预定的SHR结构 和所述PHR结构作为报头附加到所述扩展的MPDU结构。
全文摘要
在无线802.15.4通信系统(300)中，提供了一种高速数据帧结构(340)，其使用扩频调制的802.15.4SHR结构来获得802.15.4协议的同步益处，但是其在不使用扩频的情况下将修改的数据帧结构用于净荷部分，以从而改善其传输效率。可以通过增加数据净荷的大小(并且相应地，帧长度大小)来进一步提高传输效率。
文档编号H04L12/28GK101849387SQ200880114765
公开日2010年9月29日 申请日期2008年9月23日 优先权日2007年11月5日
发明者克林顿·C·鲍威尔, 库奥-辛·昌, 徐兵 申请人:飞思卡尔半导体公司