具有定向天线用于毫米波对等网络的无线设备及自适应波束操纵方法

摘要

在这里一般性地描述了在无线网络中进行通信的无线设备和方法的实施例。还可能描述了其它实施例。在一些实施例中，无线设备利用定向天线在初始选择的方向上建立与另一无线设备的链路。如果在初始选择的方向上链路恶化，就在以前标识的替换方向上重新建立这一链路。在一些实施例中，所述初始选择的方向和替换方向是由第一和第二无线设备联合选择的。

说明书

技术领域

[0001]本发明的一些实施例涉及无线通信系统。本发明的一些实施例涉及 使用毫米波频率用于通信的无线网络。

背景技术

[0002]许多常规无线网络利用范围一般在2GHz和10GHz之间的射频 (RF)进行通信。这些系统一般主要采用全向或低方向性天线，因为这些 频率的波长较长，路径损耗小。这些天线的低方向性会限制这些系统在更 大距离上的吞吐量。

[0003]由于用毫米波进行通信存在很大的路径损耗，因此一般采用大口径 的高方向性天线。在毫米波频率上，高方向性天线可以更小、更紧凑，并 且能够提高这些系统的吞吐量。利用这些高方向性天线在无线设备之间建 立链路非常困难，特别是当无线设备处于移动状态时。此外，利用这些高 方向性天线快速重新建立已经恶化的链路也非常困难。

[0004]因此，需要能够利用高方向性天线建立链路的无线设备，以及能够 快速重新建立已经恶化的链路的无线设备。

附图说明

[0005]图1说明本发明一些实施例中的无线网络；

[0006]图2是本发明一些实施例中无线设备的功能框图；

[0007]图3说明本发明一些实施例中的天线方向；以及

[0008]图4是本发明一些实施例中自适应波束操纵(steering)程序的流程 图。

具体实施方式

[0009]以下描述和附图充分说明本发明的具体实施例，以便本领域技术人 员能够实践它们。其它实施例可以结合结构、逻辑、电气、工艺和其它变 化。实例仅仅用于给出可能变化的典型。各个组件和功能是可选的，除非 明确需要；操作顺序也可以改变。一些实施例的部分特征可以包括在其它 实施例中或者替换其它实施例中的特征。权利要求中给出的本发明的实施 例囊括这些权利要求的所有可能等同替换。本发明的实施例在这里可以被 单独或一起称为“发明”仅仅是为了方便，而不是要将这一申请的范围限 制于任何单个发明或发明思想，如果事实上公开了一个以上的。

[00010]图1说明本发明中一些实施例里的无线网络。无线网络100可以包 括一个或多个无线设备102，这些无线设备102可以用定向天线103互相通 信。在一些实施例中，无线设备102可以用毫米波信号进行通信，虽然本 发明的范围不限于这一方面。在一些实施例中，无线网络100可以是对等 (P2P)网络。在其它实施例中，无线网络100可以是网格网，其中的通信 可以包括代表网格网其它无线设备路由的数据包。

[00011]根据本发明的一些实施例，无线设备102可以选择方向，利用定向 天线103来互相通信，帮助使一个或多个链路参数最大。在一些实施例中， 当初始建立的方向上的链路恶化时，可以选择替换方向进行通信。在一些 实施例中，可以由无线设备102对通信方向进行联合选择和优化。这些实 施例中的一些特别适合于无线设备102之间的非视距(NLOS，Non-Line of Sight)毫米波通信。

[00012]例如，无线设备102A可以基于从无线设备102B收到的信号，标识 两个或多个方向，例如方向112A和方向114A，用于与无线设备102B通信。 在这些实施例中，无线设备102B可以基于从无线设备102A收到的信号， 标识两个或多个方向，例如方向112B和方向114B，用于与无线设备102A 通信。一开始可以在选择好的方向上(例如方向112A和112B)在无线设 备102A和102B之间建立链路，这些方向可能具有更好的信号特性。在这 些实施例中，当链路恶化时(例如因为存在干扰物体106)，无线设备102A 和102B可以在替换方向(例如方向114A和114B)上重新建立链路。在这 个实例中，重新建立的链路可以使用通信路径上的反射物体108，尽管本发 明的范围不限于这一方面。

[00013]在以上实例中，虽然初始选择的方向(例如方向112A和112B)是 视距(LOS，Line-Of-Sight)方向，替换方向(例如方向114A和114B)是 NLOS，但是本发明的范围不限于这一方面，因为NLOS方向也可以是初始 选择的方向。在一些实施例中，初始选择的方向和替换方向可以使用LOS 和NLOS方向的任意组合。

[00014]在一些实施例中，每个无线设备102可以发射信标信号供一个或多 个其它无线设备接收，用于标识一个或多个方向进行通信。在一些实施例 中，可以根据信号电平给方向排序，虽然本发明的范围不限于这一方面。 预先选择两个或多个通信路径允许无线设备102很容易地建立链路，并且 很快就能重新建立已经恶化的链路。下面更加详细地讨论这些实施例。

[00015]在一些实施例中，初始选择的方向和替换方向可以由无线设备102A 和102B联合选择。在一些实施例中，在替换方向上重新建立链路时，无线 设备102A和102B可以同时切换到在替换方向上通信。

[00016]在一些实施例中，基于通过无线设备102A的定向天线103从无线 设备102B收到的信标信号，无线设备102A可以标识两个或多个方向，用 来与无线设备102B通信。在这些实施例中，无线设备102A可以发射信标 信号供包括无线设备102B的一个或多个其它无线设备接收，供包括无线设 备102B的其它无线设备标识两个或多个方向，以便与无线设备102A进行 通信。

[00017]在一些实施例中，当初始选择的方向上的链路恶化时，无线设备 102A可以通知无线设备102B在替换方向上重新建立链路。在一些实施例 中，无线设备102A和102B可以同意用来初始建立链路和重新建立链路的 方向。在这些实施例中，当初始建立的方向上链路恶化时，无线设备102A 和102B可以协调方向的切换。在这些实施例中，每个无线设备的处理电路 可以配置其定向天线103来在替换方向上通信。

[00018]在一些实施例中，当初始选择的方向上建立的链路完全故障时，无 线设备102A和102B可以互相发射信标信号来重新标识两个或多个方向进 行通信。在这些实施例中，当初始选择的方向上建立的链路完全故障时， 一个无线设备通知另一个无线设备切换方向来重新建立链路很困难。

[00019]在一些实施例中，无线设备102可以与无线网络100中一个以上的 其它无线设备建立链路。例如，无线设备102B可以与无线设备102A并与 另一个无线设备102建立链路。在这些实施例中，无线设备102B的定向天 线103可以被用来标识两个或多个方向，用来与无线设备102A通信，并标 识两个或多个方向，用来与另一个无线设备102通信，虽然本发明的范围 不限于这一方面。

[00020]图2是本发明一些实施例中无线设备的功能框图。无线设备200可 能适合于任何一个或多个无线设备102(图1)，虽然本发明的范围不限于 这一方面。无线设备200包括毫米波收发机208用于处理定向天线203收 到的信号，并用于生成毫米波信号，由定向天线203发射。定向天线203 可以对应于任何一个定向天线103(图1)，虽然本发明的范围不限于这一 方面。无线设备200还可以包括处理电路204，处理电路204可以配置定向 天线203用来在选择的方向上接收和/或发射。处理电路204还可以标识方 向用来与其它无线设备进行通信，根据信号电平给这些方向排序，协调在 选择的方向之一与另一无线设备的定向通信。下面更加详细的描述这些实 施例。

[00021]在一些实施例中，处理电路204和毫米波收发机208可以是网络接 口电路210的一部分，可以是网络接口卡(NIC)的形式，虽然本发明的范 围不限于这一方面。在这些实施例中，可以将NIC安装在通信设备中，允 许通信设备利用这里描述的定向天线用毫米波进行通信。在一些实施例中， 处理电路204可以包括基带处理器和其它信号处理电路。

[00022]参考图1和2，在一些实施例中，定向天线203可以被用于接收和 发射，而在其它实施例中，可以用不同的定向天线来分别进行接收和发射。 在一些实施例中，可以用基本上全向的天线来发射和/或接收下面更加详细 地讨论的信标信号。

[00023]在一些实施例中，无线设备102A的处理电路204和无线设备102B 的处理电路204可以选择通信方向，使一个或多个链路参数最大。在一些 实施例中，无线设备102A和102B可以选择具有最大信号电平的初始方向 来建立初始链路；当第一链路恶化时，也可以选择具有第二大信号电平的 替换方向来进行通信。在一些实施例中，处理电路204可以利用定向天线 203扫描多个方向来标识两个或多个方向，标识与网络中至少一些其它通信 台进行通信的两个或多个最佳方向

[00024]在一些实施例中，无线设备102A可以通知无线设备102B选择替换 方向，无线设备102B可以选择与无线设备102A通信的替换方向来作出响 应。在一些实施例中，无线设备102A可以利用控制通道上的请求发送(RTS) /解除发送(CTS)类型的信令通知无线设备102B，虽然本发明的范围不限 于这一方面。在一些实施例中，无线设备102A和102B可以互相会合来协 调选择，并切换通信方向。在一些实施例中，无线设备102A的处理电路 204可以利用它的定向天线203通知无线设备102B，告诉它无线设备102A 将选择预定替换方向。在一些其它实施例中，可以使用全向天线。

[00025]在一些实施例中，无线设备102可以用独立于用于传递数据的数据 通道的控制通道进行通信，虽然本发明的范围不限于这一方面。在一些实 施例中，可以用控制通道协调通信方向的选择，并且协调通信方向的切换。 在一些实施例中，控制通道可以处于微波频率上，而数据通道则可以是毫 米波频率上的高吞吐量通道，虽然本发明的范围不限于这一方面。在一些 其它实施例中，控制通道也可以处于毫米波频率上。在这些实施例中的一 些里高吞吐量数据可以在毫米波频率通道上发射，控制信息可以在毫米波 频率控制通道上发送回来。在这些实施例的一些实施例中，微波频率控制 通道可以被用来协调方向选择，即便毫米波数据通道完全故障，虽然本发 明的范围不限于这一方面。

[00026]在这些实施例中的一些实施例里，无线设备102A可以是只能发射 数据的发射台。在这些实施例中，无线设备102B可以是只能接收数据的接 收台，虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00027]在一些实施例中，在选择了初始方向以后，处理电路204可以配置 定向天线203在初始方向上通信来建立链路。在这些实施例中，在选择了 替换方向以后，处理电路204还可以配置定向天线203在替换方向上通信 来建立与第二无线通信的第二链路。在这些实施例中，当初始方向上的链 路恶化时，可以在具有第二高信号电平的替换方向上快速地重新建立与无 线设备102B的通信。

[00028]在一些实施例中，无线设备102A的处理电路204根据从无线设备 102B收到的信标信号标识两个或多个方向。在这些实施例中，无线设备 102A可以进一步发射信标信号供无线设备102B接收并用来标识初始和替 换方向。在一些实施例中，当当前建立的链路完全故障时，一个或两个无 线设备可以重新发送信标信号来重新评估不同方向的链路特性，虽然本发 明的范围不限于这一方面。在一些实施例中，可以在上面讨论的数据通道 上发送信标信号。

[00029]在一些实施例中，无线设备102A可以按照基本全向的方式发射信 标信号，和/或无线设备102B可以按照基本全向的方式发射信标信号，虽 然本发明的范围不限于这一方面。在一些替换实施例中，处理电路204可 以配置定向天线203，在多个方向中的每一个分别发射信标信号，以更大的 信号电平来帮助其它通信设备标识两个或多个方向。在一些实施例中，当 无线设备102A使用定向天线203在多个方向中的每一个里发射信标信号 时，信标信号可以指示发射信标信号的方向或扇区。在这些实施例中，无 线设备102B可以用指示符来标出某个方向或扇区，请求无线设备102B在 那个方向进行发射，虽然本发明的范围不限于这一方面。在一些实施例中， 信标信号可以是前缀或具有已知训练值的前缀码元，例如正交频分复用 (OFDM)码元的前缀，虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00030]在一些实施例中，无线设备102可以以低速率发射信标信号，作为 建立了链路以后背景活动的一部分。在这些实施例中，可以连续或经常地 标识和选择一个或多个替换方向。在这些实施例中的一些里，随着通信环 境的改变，可以经常性地更新已排序方向的清单或方向矩阵，虽然本发明 的范围不限于这一方面。在这些实施例的一些中，无线设备102A和102B 可以基于在建立的链路上的通信期间经常性地发射的信标信号同意替换方 向。

[00031]在一些实施例中，处理电路204可以包括基带处理器，基带处理器 利用相控阵天线以全向方式接收信号。在这些实施例中，基带处理器可以 标识接收信号的到达角来标识上面讨论的一个或多个方向。

[00032]在一些实施例中，定向天线203可以包括划分了扇区的天线(如同 下面讨论的图3所示)，用来在多个扇区中通信。在这些实施例中，两个或 多个方向对应于定向天线203的两个或多个扇区。在这些实施例的一些里， 定向天线203可以响应处理电路204提供的控制信号，在这些扇区中选择 的一个或多个里通信。

[00033]在一些实施例中，定向天线203可以是响应处理电路204提供的控 制信号在那些方向中选择的一个方向通信的以电子方式操纵的天线。在这 些实施例的一些里，定向天线203包括相控阵天线、喇叭天线、反射器天 线、缝隙天线、芯片透镜阵列天线、芯片阵列反射器天线或缝隙波导天线 之一。在这些实施例的一些里，定向天线203可以由处理电路204配置， 用来在多个方位方向内传递信号。在一些实施例中，定向天线203还可以 被处理电路204配置成在多个俯仰方向内传递信号。

[00034]在一些实施例中，定向天线203可以是包括毫米波透镜的芯片透镜 阵列天线，以及包括天线单元阵列的芯片阵列。在这些实施例中，芯片阵 列可以生成毫米波信号的入射波束。在这些实施例中，天线单元阵列可以 耦合到波束操纵电路(例如处理电路204的一部分)，将入射波束引导在毫 米波透镜内。透镜可以引导毫米波信号用于在选择的方向通信。在这些实 施例的一些里，毫米波透镜可以包括直接设置在芯片阵列上的毫米波折射 材料，虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00035]在一些其它实施例中，定向天线203可以是包括内部毫米波反射器 的芯片阵列反射器天线以及包括天线单元阵列的芯片阵列，用来生成毫米 波信号的入射波束。天线单元阵列可以被耦合到波束操纵电路，将入射波 束引导到内部毫米波反射器，在选择的方向上进行通信，虽然本发明的范 围不限于这一方面。

[00036]在一些替换实施例中，定向天线203可以是可以是机械操纵的天线。 在这些实施例中，定向天线203可以响应处理电路204提供的控制信号， 在选择的方向上进行通信，虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00037]在一些实施例中，处理电路204可以基于通过定向天线203在初始 选择的方向上从第二无线设备102B收到的信号的电平，判断初始选择的方 向上建立的链路正在恶化。在一些实施例中，信号电平至少包括功率电平、 信噪比(SNR)、信号-干扰和噪声比(SINR)、数据包差错率(PER)或吞 吐量之一。在一些实施例中，当通过其定向天线203在初始选择的方向收 到的信号的电平下降到低于预定电平，并持续至少一预定时间周期(例如 3～5毫秒)时，通信设备102A或通信设备102B的处理电路204可以开始 切换到预定替换方向，虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00038]在一些实施例中，处理电路204还可以基于通过定向天线203在每 个方向从无线设备102B收到的毫米波信号的信号电平，生成已排序方向的 一个清单207，储存在存储器206中。在一些实施例中，处理电路204可以 基于通过定向天线203在至少两个或多个方向从每个目标节点收到的信号， 为对等网络或网格网络的一个或多个目标节点中的每一个生成功率矩阵。 在这些实施例中，与网络中每个节点进行通信的方向可以基于功率矩阵来 选择。在一些实施例中，功率矩阵根据每个目标节点的接收信号电平来对 方向排序或列出方向。

[00039]尽管将无线设备200画成具有几个分开的功能单元，但是这些功能 单元的一个或多个可以被组合起来，并且可以用软件配置的单元的组合实 现，例如包括数字信号处理器(DSP)的处理单元，和/或其它硬件单元。 例如，一些单元可以包括一个或多个微处理器、DSP、专用集成电路(ASIC) 以及各种硬件和逻辑电路的组合，用来实现这里描述的至少一种功能。在 一些实施例中，系统无线设备200的功能单元可以是指一个或多个处理单 元中的一个或多个处理操作。

[00040]图3说明本发明一些实施例中的天线方向300。定向天线303可以 被配置成在一个或多个方位方向302内通信。定向天线303适合于用作一 个或多个定向天线103中的任意一个(图1)，虽然本发明的范围不限于这 一方面。在一些划分了扇区的天线实施例中，每个方向302可以对应于定 向天线303的一个扇区。在图3中，定向天线303被说明成能够在M个方 向或扇区内进行扫描。在一些实施例中，方向或扇区的数量M可以从少到 2个到多达10个或更多。在一些不划分扇区的实施例中，当定向天线303 是可以用电子方式操纵的天线时，定向天线303可以被配置成在许多方位 方向和/或俯仰方向内进行扫描和通信。

[00041]在一些实施例中，处理电路204(图2)可以配置定向天线303，在 每个方向302内扫描，接收另一个无线设备发射的信标信号。这些方向可 以基于收到的信标信号的信号电平来排序。

[00042]图4是本发明一些实施例中自适应波束操纵程序的流程图。自适应 波束操纵程序400可以由一个或多个无线设备102(图1)中的任何一个执 行，用来与网络100(图1)中的其它无线设备102(图1)进行通信。在 一些实施例中，希望在它们之间建立链路的一对无线设备的每一个无线设 备102(图1)可以同时执行自适应波束操纵程序400。在一些实施例中， 处理电路204(图2)和/或毫米波收发机208(图2)可以执行程序400的 各项操作。

[00043]在操作402中，发射信标信号供网络中的一个或多个其它无线设备 接收。在一些实施例中，可以以全向方式发射信标信号。

[00044]在操作404中，可以从网络的一个或多个其它无线设备接收信标信 号。在操作404中，无线设备可以配置定向天线103，扫描两个或多个方向， 从一个或多个其它无线设备接收信标信号。

[00045]在操作406中，可以为每个方向生成已排序功率电平矩阵。在一些 实施例中，可以基于操作404中收到的信标信号来对方向排序。在一些实 施例中，已排序功率电平矩阵可以包括网络中从中收到信标信号的每个无 线设备的已排序方向。

[00046]在操作408中，可以选择初始方向，用于与另一个无线设备通信。 在一些实施例中，初始方向的选择可以与其它无线设备进行协调，以便使 一个或多个链路参数最大。

[00047]在操作410中，可以选择用于与另一个无线设备通信的一个或多个 替换方向。在一些实施例中，替换方向的选择也可以与其它无线设备协调， 以便使一个或多个链路参数最大。

[00048]在操作412中，可以在初始选择的方向上建立链路。作为建立链路 的一部分，处理电路204(图2)可以配置定向天线203(图2)，在初始选 择的方向上通信。

[00049]在操作414中，无线设备判断链路是否故障。当链路没有故障时， 执行操作416。当链路已经故障时，重复操作402到412。当通过链路不能 进行通信时，链路就已经故障。

[00050]在操作416中，无线设备判断链路是否恶化。当链路还没有恶化时， 无线设备可以继续在链路上通信，重复操作414和416。当链路已经恶化时， 可以执行操作418。

[00051]在操作418中，无线设备可以通知其它无线设备切换到操作408中 选择的替换方向之一。在一些实施例中，可以用单独的控制通道来通知其 它无线设备切换到所述替换方向之一。

[00052]在操作420中，在替换方向重新建立链路。在操作420以后，可以 在重新建立的链路上继续通信，直到这条链路故障或恶化。

[00053]虽然将程序400的各个操作说明和描述成分开的操作，但是各个操 作中的一个或多个可以同时进行，根本不要求这些操作按照图示顺序进行。

[00054]参考图1，在一些实施例中，无线设备102可以在多载波通信通道 中传递多载波信号，例如OFDM通信信号。多载波通信通道可以在预定频 谱中，并且可以包括多个正交子载波。在一些实施例中，无线设备102可 以按照多址技术进行通信，例如正交频分多址(OFDMA)，虽然本发明的 范围不限于这一方面。在一些实施例中，无线设备102可以用扩频信号通 信，虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00055]在一些实施例中，无线设备102可以是便携式无线设备，例如个人 数字助理(PDA)，具有无线通信能力的膝上型或便携式计算机，微型网络 终端(web tablet)、无线电话、无线头戴式耳机、寻呼机、即时消息设备、 数字照相机、接入点、电视、医疗设备(例如心率监视仪、血压监视仪等)， 或者能够以无线方式接收和/或发射信息的其它设备。

[00056]在一些实施例中，无线设备102可以用毫米波信号通信，包括大约 57和90GHz之间的毫米波频率。在一些实施例中，毫米波信号可以是多载 波信号。虽然本发明的实施例是针对使用毫米波信号的，但是本发明的范 围不限于这一方面，因为其它频率也合适。

[00057]在一些替换实施例中，无线设备102传递的信号的频谱可以包括5 GHz频谱和/或2.4GHz频谱。在这些实施例中，5GHz频谱可以包括从近 似4.9到5.9GHz的频率，2.4GHz频谱可以包括从近似2.3到2.5GHz的 频谱，虽然本发明的范围不限于这一方面，因为其它频谱同样适用。在一 些BWA网络实施例中，通信信号的频谱可以包括2和11GHz之间的频率， 虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00058]在一些实施例中，任何无线设备102都可以是通信台的一部分，例 如无线局域网(WLAN)通信台可以包括无线高保真(WiFi)通信台、接 入点(AP)或者移动台(MS)。在一些其它实施例中，任何无线设备102 都可以是宽带无线接入(BWA)网络通信台的一部分，例如微波接入的世 界互作(WiMax)通信台，虽然本发明的范围不限于这一方面。

[00059]在一些实施例中，无线设备102可以按照特殊通信标准或建议的规 范来传递毫米波信号，例如电气和电子工程师协会(IEEE)标准，包括IEEE 802.15标准和提出的毫米波通信规范(例如IEEE 802.15任务组3c“Call For Intent”(CFI)，2005年12月)，虽然本发明的范围不限于这一方面，因为 它们同样适合于按照其它技术和标准发射和/或接收通信信号。关于IEEE 802.15标准的更多信息，请参考“IEEE Standards for Information Technology -Telecommunications and Information Exchange between Systems”第15部分。

[00060]除非这里具体说明，处理、计算、判断、显示之类术语可以指一个 或多个处理或计算系统或操纵和变换数据的类似设备的动作和/或处理，这 些数据可以被表示为处理系统寄存器和存储器中的物理(例如电子)量， 这些数据被操纵并变换成其它数据，这些其它数据被表示为处理系统的寄 存器或存储器或其它这种信息存储、传输或显示设备中的物理量。此外， 如同这里使用的一样，计算设备包括与计算机可读存储器耦合的一个或多 个处理单元，这些存储器可以是易失性存储器或者非易失性存储器或者两 者的组合。

[00061]本发明的一些实施例可以被实现为硬件、固件和软件中的一个或组 合。本发明的一些实施例还可以被实现为机器可读介质上储存的指令，它 们可以被至少一个处理器读出并执行，来完成这里描述的操作。机器可读 介质可以包括用来以机器(例如计算机)可读形式储存或传输信息的任何 机制。例如，机器可读介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器 (RAM)、磁盘存储介质、光盘存储介质、闪存设备，电、光、声或其它形 式的传播信号(例如载波、红外信号、数字信号等)等。

[00062]给出摘要是为了符合37 C.F.R第1.72(b)节需要摘要以便读者能够确 定所公开的技术方案的实质和精髓的要求。要明白，提供的摘要不是用来 限制本发明或权利要求的范围的。

[00063]在前面的详细描述中，在单个实施例中不经意地将各种特征组合在 一起，以便使这一说明更加流畅。这一公开的方法不应当被解释为反映了 技术方案需要比每个权利要求中明确提到的更多的特征。相反，如同权利 要求所反映的一样，本发明不需要公开的单个实施例中那么多特征。因此， 将下面的权利要求结合进详细说明，每个权利要求本身就是一个单独的优 选实施例。