用于低功率和低数据率操作的无线设备和方法与流程

实施例涉及无线通信。一些实施例涉及正交频分复用（OFDM）符号的传送。一些实施例涉及低功率和低数据率无线保真（Wi-Fi）型传送和无线传感器网络。一些实施例涉及按照IEEE802.11ah任务组规格操作、用于在1GHz和较低频带的低功率、低数据率的OFDM传送的OFDM设备。

背景技术：
无线数据通信的一个问题是功耗，对于诸如传感器的电池供电的无线设备，这尤其是问题。这些无线设备通常具有比由传统的IEEE802.11n和IEEE802.11ac配置的设备所提供的数据率要求低很多的数据率要求。这些无线设备可能还需要在电池上操作延长的时间段，使得IEEE802.11n和IEEE802.11ac配置的设备因其较高的功耗而更不适用于这种应用。因此，有对能够以比传统的IEEE802.11n和IEEE802.11ac的配置的设备低得多的数据率操作和具有低得多的功耗的无线设备和方法的广泛需要。也有对能够再利用传统的IEEE802.11n和IEEE802.11ac的设备电路以低得多的数据率操作和具有低得多的功耗的无线设备和方法的广泛需要。有对适用于作为传感器设备使用和作为传感器网络的一部分操作的无线设备和方法的广泛需要。附图说明图1示出了根据一些实施例的无线网络;图2是根据一些实施例的OFDM传送器的功能框图;图3示出了根据实施例的具有不同数量的音调（tone）的OFDM波形的峰均功率比（PAPR）的比较；以及图4示出了根据一些实施例的用于传送OFDM符号的过程。具体实施方式以下的说明和附图充分说明了具体的实施例，以使本领域的技术人员能够实施它们。其它的实施例可以结合结构的、逻辑的、电气的、过程的和其它的变化。一些实施例的部分和特征可以包含在其它实施例的那些中或为其它实施例所替代。在权利要求书中阐明的实施例覆盖与那些权利要求相同的所有可得的等同物。图1示出了根据一些实施例的无线网络。无线网络100可以包括一个或多个无线设备（WD）102和接入点（AP）104或基站。AP104可以耦合到网络，以允许在无线设备102与其它实体之间的通信。在一些实施例中，AP104可以耦合到互联网或电力线网络，以将从来自无线设备102的数据提供给接收实体。如下面更详细地说明的那样，无线设备102可以是被配置为根据OFDM技术传送低数据率数据的低功率设备。在一些实施例中，无线网络100可以是传感器网络，并且无线设备可以是传感器设备或传送传感器数据的传感器节点。虽然参照传感器节点和传感器网络说明了一些实施例，但实施例的范围并不限于这个方面，而是适用于几乎任何无线网络以及任何无线通信设备。根据实施例，无线设备102可以被配置为用于低数据率传送和在低功耗水平上操作。在这些实施例中，如在下文更详细地说明的那样，无线设备102可以基本上重复使用IEEE802.11n和IEEE802.11ac设备的物理层。一些实施例是适用于最近形成的IEEE802.11ah任务组，其涉及在1GHz或更低的频带下操作以进行低功耗和低数据率操作的OFDM系统。根据一些实施例，诸如无线设备102中的一个的无线设备可以被配置为传送包括一个或多个OFDM传送符号的分组。在这些实施例中，无线设备102可以被配置为将数据映射到一组OFDM音调的有效（active）音调并将非数据（即，零）映射到该组OFDM音调的无效（nulled）音调以生成用于传送的OFDM符号。OFDM符号可包括有效音调和无效音调。有效音调和无效音调的数量可以基于无效因子。在这些中的一些实施例中，无线设备102可降频OFDM符号，以在与传统的IEEE802.11的传送相比减小的传送带宽上传送。在这些实施例中，可以应用无效因子以传送在有效音调上的数据并传送在无效音调上的非数据值零，这可以是在减小的传送带宽上传送，尽管这不是必需的。在一些实施例中，OFDM符号可以在低于1GHz的传送频率进行传送，尽管这不是必需的。在一些实施例中，无线设备102可以是传感器的室内或室外智能格的一部分，并且可以作为传感器服务的一部分操作。这种类型的服务的示例包括计量服务，其可以把诸如天然气、电力或水的使用情况的数据的计量表数据提供给计量子站。在这些实施例中，无线设备102可以作为传感器节点操作，并把传感器数据（例如，计量读数）提供给AP104或基站，以便路由到计量子站或设施。传感器服务的另一个示例是用于家庭医疗保健、诊所或医院的病人监护，其中传感器节点提供数据用于跌倒检测监测、药瓶监测、重量监测和心脏监测。在这些实施例中，无线设备102可以作为传感器节点操作并提供相关的传感器数据。这种类型的传感器服务通常要求比更传统的IEEE802.11n/ac系统所提供的低得多的数据率，另外还以超低功耗运行。在一些实施例中，传感器设备可以被耦合到计量装置，并且可以被配置成从计量装置读取传感器数据，并在预定的时间间隔（例如，每周一次或每月一次或在每天的预定时间）传送传感器数据。传感器数据的传送包括包括多个OFDM传送符号的物理层服务数据单元（PSDU）的传送。传感器数据可以包括映射到OFDM传送符号的有效音调的物理（PHY）层填充位，而零被映射到OFDM传送符号的无效音调。根据实施例，无线设备102可以是能够在减小的数据率、减小的传送功率和减小的传送PAPP下操作，并且可以提供与更传统的IEEE802.11n/ac设备相比改进的电池寿命。无线设备102可以能够满足IEEE802.11ah任务组的低功率、低数据率以及增加的电池寿命的要求。一些实施例可以允许对根据IEEE8021.11n/ac设计配置的设备做最小的变化。在一些实施例中，无线设备102可以是诸如个人数字助理（PDA）、具有无线通信能力的膝上型计算机或便携式计算机、web平板电脑、无线电话、无线耳机、寻呼机，即时消息收发设备、数码相机、接入点、电视机、医疗设备（例如，心脏监测仪、血压监视器等）的便携式无线通信设备或可以无线地传送信息的其它设备或节点。由无线设备102使用的天线可以包括一个或多个定向天线或全向天线，包括例如偶极天线、单极天线、贴片天线、环形天线、微带天线或者其它类型的适合于射频（RF）信号的传送的天线。在一些实施例中，可以使用具有多个孔径的单个天线，而不是两个或更多个天线。在这些实施例中，每个孔径可以被认为是单独的天线。在一些多输入多输出（MIMO）实施例中，天线可以被高效地分离以利用可能会导致的、在每一个天线101和传送站的天线之间的空间分集和不同的信道特性。在一些MIMO实施例中，天线可以被分离高达波长的1/10或更多。在一些实施例中，无线设备102可以执行具有载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CA）以进行信道访问，包括交换由发送器发送的请求到发送（RTS）分组和由预期的接收器发送的清除到发送（CTS）分组。在一些实施例中，无线设备102可以包括一个或多个键盘、显示器、非易失性存储器接口、图形处理器、应用处理器、扬声器和其它移动设备元件。显示器可以是包括触摸屏的液晶显示器（LCD）屏幕。图2是根据一些实施例的OFDM传送器的功能框图。传送器200可以被配置为传送一个或多个OFDM传送符号，并且可以是被配置为用于低数据率传送及低功耗。传送器200可以是适合于用作诸如无线设备102（图1）的一个或多个的无线设备的PHY。无线设备102可以包括其它层电路，包括媒体访问控制（MAC）层电路以及未图示出的接收器电路。在一般情况下，传送器200可以从更高级层接收MAC层数据单元（MPDU）201，可以处理该数据单元，并生成用于由一个或多个天线传送的OFDM传送符号235。根据实施例，传送器200可以包括将数据221映射到有效音调的数据映射元件222并将非数据（即，零）映射到无效音调的零映射元件224。有效音调和无效音调可包括一组OFDM音调。传送器200也可包括一个复用器226以复用要被映射到有效音调的数据与要被映射到无效音调的非数据（即，零），以由IDFT元件228执行逆离散傅立叶变换（IDFT）。IDFT元件228可以在复用数据上执行诸如逆快速傅里叶变换（IFFT）的IDFT，以生成在有效音调上具有数据和在无效音调上具有零值的时域OFDM波形。有效音调和无效音调的数量可以基于无效因子。传送器200也可以包括控制器元件252来配置数据映射元件222并基于无效因子配置零映射元件224。如下面更详细说明的那样，控制器元件252还可以被配置为执行其它操作以进行包括有效音调和无效音调的OFDM符号的传送。在一些实施例中，OFDM波形可能会降频以生成用于在减小的传送带宽上/内传送的OFDM传送符号。在这些实施例中，IDFT元件228和数字-模拟（D/A）转换器元件232可以在降频的采样时钟频率上运行。降频可以由控制器元件252配置为提供与更传统的IEEE802.11n/ac配置的传送器相比减小的传送带宽。这些实施例将在下面更详细地进行说明。在一些实施例中，由传送器200所传送的OFDM符号的OFDM音调组包括预定数量的音调。该组的的有效音调的数量和该组的无效音调的数量可根据无效因子来确定。OFDM符号可以通过在有效音调和无效音调上执行逆傅立叶变换（即，IFFT的IDFT）来生成。在这些实施例中，IDFT的大小可基于在该组中的音调的预定数量，并且无效音调可以包括该组的不有效的音调。在IDFT处理之前，无效音调值被强制为0。在一些实施例中，包括OFDM符号（例如，有效和无效）的总的组的音调可以被均匀地间隔在传送带宽上。用于数据和无效音调的音调计数（即，该组的音调的数量）可以包括52、108、234和469个音调，每一个对应于不同的传送带宽。在一些实施例中，无效因子可以指示该组音调中是有效音调的一部分。在这些实施例中，无效因子的范围可以是从一到高达四或更多。在一些示例实施例中，无效因子为1可以指示传送带宽的所有音调都是有效的，无效因子为2可以指示传送带宽的一半的音调是有效的，无效因子为3可以指示传送带宽的三分之一的音调是有效的，无效因子为4可以指示传送带宽的四分之一的音调是有效的，无效因子为5可以指示传送带宽的五分之一的音调是有效的，依此类推。在一些实施例中，传送器200可以被配置为传送包括一个或多个OFDM传送符号的分组。该分组可以是包含多个OFDM传送符号的PSDU。映射到有效音调的数据可以是从MPDU201内的MAC层接收到的数据。在这些实施例中，控制器元件252可以至少基于无效因子、MPDU201的大小和作为PSDU的一部分的要被传送的OFDM符号数量(NSYM)来计算PSDU长度。在这些实施例中，PSDU的OFDM传送符号可以包括有效音调和无效音调以及导频音调、保护音调和DC无效音调。PSDU长度可以被称为PHY载荷大小或PSDU大小。PSDU长度可以是PSDU的OFDM传送符号的数量。在一些实施例中，控制器元件252可以基于PSDU长度计算PHY填充位的数量，并且可以配置元件206以将计算的数量的填充位添加到MPDU以用于PSDU的后续生成。PSDU可以由数据映射元件222映射到有效音调上。在这些实施例中，包括填充位的整个PSDU可以认为是被映射到有效音调用于后续传送的数据221。在一些实施例中，控制器元件252可以被配置为指令元件208在PSDU的报头或者前同步码的信令字段中包括无效因子。在一些实施例中，信令字段可以包括两位以指示无效因子给接收器。信令字段可以由元件208添加。在PSDU中包括无效因子允许接收器（例如，接入点或基站）知道OFDM传送的哪些音调是有效的以从这些音调中提取数据。在作为前同步码结构的一部分的信令字段中使用指示可以用于使AP104知道低功率设备（例如，无线设备102）正在使用无效的传送。使用2位可允许指示高达六的无效因子。在一些替代实施例中，无效因子不指示给接收器。在这些替代实施例中，接收器可被配置成执行盲检测并集成在有效音调和非有效音调中接收的能量以识别有效音调。在一些实施例中，无效因子可由传送器200从AP104接收，而在其它实施例中，控制器元件252可以选择无效因子。在一些实施例中，传送器200可以基于预期用于传送器200的应用以预定的无效因子进行预配置。在一些实施例中，当传送器200是收发器的一部分时，指示无效因子的配置信号可以从AP104接收。在这些实施例中，传送器200可以配置为除其它之外还基于无效因子确定有效音调的数量和无效音调的数量。在这些实施例中，传送器200可以不需要将无效因子发信号给PSDU的AP104，因为它是AP104已知的。在一些实施例中，预定的调制和编码方案（MCS）可以被传送器200使用。在一些非常低的数据率的实施例中，可以使用最低水平的MCS。在一些IEEE802.11ac的相关实施例中，最低的MCS可以是具有½编码率的BPSK调制。在这些实施例中，传送器200的元件214可以按照编码率来编码数据，星座映射器216可将数据映射到基于调制水平（即，BPSK）的信号星座图。调制水平可确定被映射到每一个有效音调的编码位的数量。在一些实施例中，由传送器200传送的时域信号可以具有基于时钟信号259采样时钟频率的传送带宽。由IDFT元件228执行的IDFT可以是基于时钟信号259采样时钟频率执行，且由D/A转换器元件232在时域信号上执行的数字-模拟转换也可以是基于时钟信号259的采样时钟频率以生成具有减小的传送带宽的OFDM传送符号。在这些实施例中，时钟信号259的采样时钟频率可以是配置为将传送信号带宽减小到十分之一或更小的降频采样时钟频率。在一些实施例中，控制器元件252可配置时钟电路254以降频采样时钟频率，来生成具有降频采样的采样时钟频率的时钟信号259以由IDFT元件228和D/A转换器元件232使用。根据一些实施例，采样时钟频率的降频可以独立于音调无效而执行。例如，使用十分之一的降频采样时钟可以允许20MHz的波形在2MHz的传送带宽之内符合。在这些实施例中，降频减慢了传送器的时钟（在本例中为1/10），同时增加了OFDM符号时间，而不影响每个OFDM符号的音调的数量。在频域中，利用更少的带宽而音调间隔更近。如本文中所使用的，音调可以指副载波。在这些实施例中，可以给IDFT元件228和D/A转换器元件232提供传统的无线局域网（WLAN）（即，根据IEEE802.11n配置）的采样时钟频率的约十分之一或二十分之一的降频采样采样时钟频率，以使得可以使用与传统的WLAN系统中的相比显著减小的传送带宽。在这些实施例中，D/A转换器元件232可以在降频采样时钟频率进行采样。在这些示例实施例中，当采样时钟频率降频到二十分之一或十分之一时，取决于降频，使用52个音调的20MHz的IEEE802.11ac的带宽可以被减小到使用52个更紧密间隔的音调的1或2MHz的带宽;使用108个音调的40MHz的IEEE802.11ac的带宽可以被减小到使用更紧密间隔的108个音调的2或4MHz的带宽;使用234个音调的80MHz的IEEE802.11ac的带宽可以被减小到使用更紧密间隔的234个音调的4或8MHz的带宽;使用468个音调的160MHz的IEEE802.11ac的带宽可以被减小到使用更紧密间隔的468个音调的8或16MHz的带宽。以这种方式，IEEE802.11n/ac传送器可以使用显著更少的功率来在显著减小的带宽上传送低数据率数据。使用降频采样时钟频率可增加时间上的OFDM符号长度。在一些实施例中，模拟和RF电路234可以被配置为将来自IDFT元件228的时域信号上转换到800MHz和1.0GHz之间的传送频率并用一个或更多的功率放大器在传送频率放大信号。由IDFT元件228生成的传送时域信号包括跨传送带宽被均匀地间隔的多个音调（即，副载波）。多个音调可包括有效音调和无效音调。在一些实施例中，有效音调可以跨传送带宽基本上被均匀地间隔，从而允许PAPR减小。在这些实施例中，由于总的音调的仅一部分有效，所以，功率放大器可以以减小的功耗在更线性的操作区域操作。有效音调的减小还提供了功耗的减小，因为没有在无效音调上传送能量（即零）。在一些实施例中，传送器200可以被配置为用于频率选择性传送。在这些实施例中，可以选择1GHz或更小的传送频率。在一些替换实施例中，有效音调可基于信道条件来选择，而不是跨传送带宽被均匀地隔开。在这些实施例中，AP104可以执行信道估计并指示给传送器200哪些音调应用作有效音调。在其它实施例中，传送器200可以执行信道估计以确定哪些音调选择为有效音调。在采样时钟频率被降频到十分之一的一些示例实施例中，传送带宽可包括分别使用52、108、234或468个音调的组的2MHz、4MHz、8MHz或16MHz的带宽。在采样时钟频率被降频到二十分之一的一些其它示例性实施例中，传送带宽可以包括分别使用52、108、234或468个音调的组的1MHz、2MHz、4MHz或8MHz的带宽。在一些实施例中，取决于采样时钟频率的降频，传送带宽可以是小至1MHz或更小，并且可以大到10MHz或更大。在一些实施例中，由传送器200生成的OFDM传送符号235可以通过单个天线传送。在这些单天线的实施例中，传送器200可以包括单个RF传送链，并且PHY层处理单元可以进行配置以用于信号天线和单个流传送。在一些其它实施例中，不止一个天线可以被用于传送。在这些实施例中，传送器可以包括用于每个天线的RF传送链，并且PHY层处理元件可以被配置为用于生成数据的一个以上的流以用于多天线传送。在一些其它实施例中，传统的IEEE802.11n/ac电路可以被使用，其可包括用于多流、多天线和MIMO传送的多个RF传送链。在这些实施例中，RF传送链的一个或多个可以被关闭，并且PHY层处理可以被控制器元件252配置以生成单个流以用于通过单个天线传送。在一些实施例中，传送器200可以是无线传感器或传感器节点的一部分，其可以是电池供电并可以作为一个或多个传感器的传感器网络的一部分操作。在这些传感器实施例的一些中，传送器200可以使用单个天线进行传感器数据的单个流的传送以用于在减小的传送带宽上传送，但是实施例的范围并不限于这个方面。在一些实施例中，有效音调可以均匀地跨传送频带分散以提供最大的频率分集。对于其中信道是固定的静态设备，被选作无效的音调可以基于它们的相对信噪比（SNR）来选择。可以选择有效音调以避免是深衰减的频率仓（frequencybin）。音调的选择可以基于由AP104进行的信道测量由AP104发信号给无线设备102并作为显式反馈提供。无线设备102还可以被配置为测量接收到的信号并基于这些测量值选择有效音调组（即，假定互易性）。在一些实施例中，用于MAC和PHY数据单元的PSDU长度的计算和填充的计算可以考虑到可用于数据的音调的减小。在一些实施例中，PSDU长度可以基于下面的用于二进制卷积编码的等式计算：或根据下面的用于LDPC编码的等式计算：其中，要传送的OFDM符号的数量每个OFDM符号的数据位的数量服务位的数量编码器的数量（卷积）尾位的数量（卷积）可以使用类似的表达式来计算在上面的等式中的符号的数量。正如可以看到的那样，对被使用的数据音调的数量的减小，可考虑到无效因子（NF）项。在传统的IEEE802.11ac的系统中，当只有一位数据要被传送时，最低的MCS将生成要在到IFFT的输入处插入的两个符号。其它音调都充满了填充符号。取决于带宽配置，50、106、232或466个音调会因此包含填充符号，因为只有两个音调被用于传送实际数据。在这个有限的示例中，几乎所有的传送功率都被浪费在发送填充符号上，而填充符号在接收器处被抛弃且不提供额外的信息。具有四的无效因子的一些示例实施例可以实现高达75％或更多的功耗的减少。此外，有效音调计数的减小减小了由OFDM信号生成的PAPR。因此，基于无效因子，达成了用于功率放大器的功耗的减小，因为信号可以更接近于设备的非线性区域操作。这提供了功耗的额外的减小。虽然传送器200被示为具有若干个独立的功能元件，但功能元件的一个或多个可以被组合，并且可以通过组合诸如包括数字信号处理器（DSP）的处理元件的软件配置的元件和/或其它硬件元件来实现。例如，一些元件可以包括一个或多个微处理器、DSP、专用集成电路（ASIC）、射频集成电路（RFIC）以及用于执行至少本文所述功能的各种硬件和逻辑电路的组合。在一些实施例中，传送器200的功能元件可以指在一个或多个处理元件上操作的一个或多个处理。实施例还可以用硬件、固件和软件中的一个或其组合来实现。实施例也可以作为存储在计算机可读存储设备上的、可以由至少一个处理器读取和运行以执行本文所说明的操作的指令来实现。一种计算机可读存储设备可以包括任何非短暂性机制以存储机器（例如，计算机）可读的形式的信息。例如，计算机可读存储设备可以包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、磁盘存储介质、光存储介质，闪存设备和其它存储设备和介质。在一些实施例中，传送器200可以包括一个或多个处理器并且可以用存储在计算机可读存储设备上的指令来配置。图3示出了根据实施例的具有不同数量的有效音调的OFDM波形的峰均功率比（PAPR）的比较。如该图3所示，示出了具有4个有效音调（波形304）、13个有效音调（波形313）和52个有效音调（波形352）的OFDM波形的PAPR。在这个示例中，为4的无效因子将有效音调的数量从52个有效音调降至13个有效音调，并提供了超过1.5dB的PAPR的优势。因此，不仅是有与无效因子成正比的传送功率减小，还有允许在传送器中进一步减小功耗的额外的PAPR减小。虽然在本文中用是整数值的无效因子说明了实施例，但实施例的范围并不限于这个方面，因为任何音调计数都可以被无效。与在3GPP长期演进（LTE）上行链路中的单载波FDMA传送不同，例如，在这些实施例中，因为OFDM波形包括有效音调和无效音调，所以OFDM传送符号是多载波OFDM信号，即使音调中只有一个是有效音调也是如此。此外，OFDM传送符号还可以包括导频音调、保护音调和循环前缀。图4示出了根据一些实施例的用于传送OFDM符号的过程。过程400可以由诸如无线设备102的无线设备执行，以用于低数据率数据的低功率OFDM传送。在操作402中，确定无效因子。如上面所讨论的那样，它也可以是由AP104（图2）提供的，它可以是预定的，或者它可以是通过无线设备102来确定的。在操作404中，PSDU长度是基于无效因子计算，MAC和PHY填充位的数量被确定。在操作406中，基于无效因子计算有效音调的数量和无效音调的数量。有效音调的数量和无效音调的数量可以是基于要被传送的OFDM音调的总数。在操作408中，数据被映射到一组OFDM音调的有效音调且零被映射到该组OFDM音调的无效音调。可以执行IDFT以生成包括有效音调和无效音调的OFDM符号。在操作410中，OFDM符号可以被降频以生成具有减小的传送带宽的OFDM传送符号。OFDM传送符号可以作为PSDU的一部分、数据帧或突发（burst）被传送。提供了摘要以符合37C.F.R.节1.72（b），其要求将允许读者确定技术公开的本质和要旨的摘要。应理解提交它将不被用来限制或解释权利要求书的范围或含义。由此，所附的权利要求书被在此并入到详细说明中，每一个权利要求自身都作为单独的实施例。