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CN103237319B - 无线网络中连通性恢复的方法和装置 - Google Patents

无线网络中连通性恢复的方法和装置 Download PDF

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CN103237319B CN201310161428.XA CN201310161428A CN103237319B CN 103237319 B CN103237319 B CN 103237319B CN 201310161428 A CN201310161428 A CN 201310161428A CN 103237319 B CN103237319 B CN 103237319B
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Abstract

本发明公开了一种用于无线网络中连通性恢复的方法和装置，包括执行天线训练过程以发现在至少两个站之间的第一和第二通信路径，根据质量标准对天线的发射和接收模式排序，报告在所述第一和第二通信路径上用于发射和接收信号的最佳发射模式和最佳接收模式，并基于发射模式和所述接收模式的质量在所选的通信路径上建立通信链路。

Description

无线网络中连通性恢复的方法和装置
本申请是优先权号为US61/035,480和US12/208,625、优先权日为2008年3月11日和2008年9月11日、中国国家申请号为200910138797.0、题为“无线网络中连通性恢复的方法和装置”的申请的分案申请。
背景技术
无线个人区域网(WPAN)是一种用于与个人邻近的计算设备(例如电话和个人数字助理)间的通信的网络。这些设备可能属于或不属于所讨论的个人。WPAN的覆盖范围可能是几米。WPAN可以用于个人设备本身之间的内部通信，或用于通过上行链路连接到更高级的网络和因特网。个人区域网可以有线连接到计算机总线上，该总线例如是通用串行总线(USB)和火线。
IEEE802.15.3工作组3c(TG3c)于2005年3月成立。TG3c正在开发一种用于现有802.15.3无线个人区域网(WPAN)标准802.15.3-2003的基于毫米波(mmWave)的可选物理层(PHY)。
该mmWaveWPAN可以在包含由FCC47CFR15.255定义的57-64GHz未授权波段的波段中工作。该毫米波WPAN能够允许在较近的物理间隔上与WPAN的802.15族的所有其他微波系统的高度共存。
此外，毫米波WPAN能够允许超过2G比特/s的非常高的数据率的应用，例如高速因特网访问，流内容下载(例如视频点播、高清晰度电视(HDTV)、家庭影院等)，实时流和用于电缆替代品的无线数据总线。可提供超过3G比特/s的可选数据率。
但是，由于氧气吸收和穿越障碍时的高衰减，mmWave通信链路远远不如在较低频率(例如2.4GHz和5GHz波段)上的通信链路稳健。此外，mmWave通信链路倾向于使用定向天线来增加通信范围，并且定向天线的使用使得链路对移动性特别敏感。例如，该设备方位的微小改变或附近物体和/或人的移动都可能使该链路中断。因此，需要设计一种能够以最小服务中断快速恢复定向通信链路的机制。
附图说明
说明书的结尾部分特别指出并清楚地主张了视为本发明的主题。尽管如此，可在和附图一起阅读时参考以下详细描述最佳地理解本发明涉及的结构和操作方法，以及目的、特征及其优点，所述附图中：
图1为根据本发明的示例性实施例的无线通信网络的示意图；
图2为根据本发明的一些实施例的周期性监测和更新帧的方法流程图；
图3为根据本发明的实施例的切换路径的方法流程图；
图4为根据本发明的一些示例性实施例的无线通信设备的框图。
应当理解，为了描述的简单和清楚，图中所示的单元不必按比例画出。例如，为了清楚，一些单元的尺寸相比于其他单元放大。进一步地，在认为合适的地方，这些图中的附图标记可以重复使用以指示相应或类似的单元。
具体实施方式
在下面的详细描述中，为了透彻理解本发明，阐述了许多具体的细节。但是，本领域普通技术人员将理解能够在没有这些具体的细节的情况下实施本发明。在其他的示例中，公知的方法、过程、组件和电路没有被详细描述以免模糊本发明。
按照算法和对计算机存储器中数据位或二进制数字信号的运算的符号化表示给出以下详细描述的一部分。这些算法描述和表示可以作为数据处理领域中的技术人员向本领域中其他技术人员传达他们的工作的实质内容所使用的技术。
除非明确说明，否则正如从以下的讨论所显而意见的应当理解整个说明书的讨论中使用的术语——诸如“处理”、“计算”、“推算”、“确定”等——表示计算机或计算系统或类似的电子计算设备的动作和/或进程，所述计算机、计算系统、类似电子处理设备将计算机系统的寄存器和/或存储器内表示为物理(例如，电子)量的数据处理和/或变换为计算机系统的存储器、寄存器或其他这种信息存储或传输设备内类似地表示为物理量的其他数据。
应当理解本发明可以用于各种应用中。这里公开的电路和技术可以用于许多装置中，例如无线电系统的站，尽管本发明并不限于此。打算包含在本发明范围内的站包括仅作为示例的无线局域网(WLAN)站，无线个人区域网(WPAN)等。
打算包含在本发明范围内的各种类型的WPAN站包括但不限于移动站、接入点、用于接收和发射例如跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)、补码键控(CCK)、正交频分复用(OFDM)等扩频信号的站。
首先转到图1，其为根据本发明的典型实施例的无线通信网络100的示意图。无线通信网络100可以是WPAN。
根据本发明的一个示例性实施例，WPAN100可以按照IEEE802.15.3工作组3c(TG3c)开发的标准操作。TG3c开发了用于现有802.15.3无线个人区域网(WPAN)标准802.15.3-2003的基于毫米波(mmWave)的可选物理层(PHY)。
根据本发明的一些示例性实施例，WPAN100可包括微微网协调器(PNC)110、站120和站130。PNC110可以是笔记本电脑、膝上计算机等，尽管本发明的范围不限于此。站120和130可包括相机、鼠标、耳机、扬声器、显示器和移动个人设备等。
WPAN100可包括作为一种用于IEEE802.15.3WPAN的可能的拓扑结构的微微网，尽管本发明的范围不限于此。例如并根据本发明的一个实施例，该微微网可包括PNC110和多个从设备，例如在PNC110传输范围内的站120和130。如果需要，站120和130中的任何一个都可以作为PNC。
根据本发明的至少一个实施例，微微网中的信道时间基于超帧，其可以包含三个主要部分：信标，竞争访问周期(CAP)和信道时间分配周期(CTAP)。PNC可以通过广播信标分组为微微网提供基本定时。信标可用于为微微网设置定时分配和管理信息。站120和130可以通过接收该信标而使自己与PNC110同步。该CAP可以用于异步数据或通信命令。例如，在CAP期间的媒体访问机制可以是载波检测多路访问/冲突避免(CSMA/CA)。CTAP包含信道时间分配(CTA)和管理CTA(MCTA)。CTA可以用于命令，同步流和异步数据并且媒体访问基于TDMA。确保了CTA中的无冲突传输。
现在根据本发明的示例性实施例来描述用于发现和报告两设备的主路径和次路径的方法，该两设备例如是站120和130。
按照这个例子，假设存在至少两条路径，主路径140和次路径150。主路径140可以是源站(S)和目标站(D)之间的直接路径，源站例如是站120，目标站例如是站130，并且次路径140可以是从S到D的间接路径，其可能例如从墙160或紧临站的其他任何设备或物体反射过来。
如果需要，天线训练过程可以用于发现和报告到站120和130的主和次路径150和160的存在。在本发明的一个实施例中，为了报告所期望的信息，可以使用天线训练确认消息ATTACK(下面所示)的流动示例。可以使用其它消息格式和其它消息。在这个示例中，“主波束索引”可用于报告用于TX模式的主路径信息，“候选波束索引”可以用于报告用于TX模式的次路径信息。在本发明的其他实施例中，可以使用两个以上的两条路径，并且可将字段“报告的路径数目”添加到ATTACK消息中。该消息中的字段“单元ID”是用来识别该消息类型的ID。“长度”字段指示该消息的长度。“主阵列矢量”字段指示形成波束的天线阵列权矢量。“候选阵列矢量”字段指示形成波束的候选天线阵列权矢量。
位：8 8 2 6 6 TBD TBD
单元ID 长度 状态 主波束索引 候选波束索引 主阵列矢量 候选阵列矢量
示例ATTACK消息
在天线训练过程中，站120可从很多可能的模式/方向上发送训练序列，例如用于站130的线条125或线条135，其可以例如由扇区号和/或阵列权矢量表示。如果需要，站130可以从每个模式/方向上接收这些训练序列并且可以记录用于站120的估计出的最佳发射模式以及用于站130的估计出的最佳接收模式。该天线训练过程可以根据所用的训练算法而改变，例如天线训练隐性模式协议和天线训练显性模式协议。路径的顺序可以基于一些标准，例如所接收的信号质量。
在这个示例中，站130可以在类似于示例性表1的表中记录在接收模式和发射模式下用于第一和第二路径的期望的天线模式，其中在从站120到站130的主路径140上的传输中，站120使用模式1并且站130使用模式4接收。在从站120到站130的次路径上的传输中，站120使用模式5，并且站130使用模式2接收，尽管本发明的范围不限于该示例。
路径 RX模式 TX模式
1-路径 4 1
2-路径 2 5
表1－站130记录的路径信息示例
站130可以将该路径信息反馈给站120。例如，站130可以反馈回用于主和次路径140和150的站120的优选传输模式。根据本发明的一些实施例，该路径可以包括mm波链路并且可以是不对称的，因而该训练过程也可针对反向链路(从D到S)执行。类似地，站120可以使用ATTACK帧发现和报告至站130的两条路径的信息，尽管本发明的范围并不限于该示例。
转到图2，其示出了根据本发明的一些实施例的周期性地监测和更新帧的方法流程图。为了保持路径信息的新鲜性，站120和130需要周期地和/或根据要求测试/跟踪主路径140和次路径150。站120和130可以通过在一条路径上交换消息来协商周期和测试主和次路径140和150的顺序(方框210)。例如，周期可以是100us，1ms，10ms并且测试顺序可以是先测试主路径140，后测试次路径150，反之亦然。
根据该示例，可以使用例如具有或不具有附加的训练序列的“路径请求/响应”消息来发送周期测试信号(方框220)。如果需要，可将例如100us的测试时间插入到预留给站120和130的信道时间中以便于发送“路径请求/响应”消息。例如，“路径请求/响应”消息可以根据要求发送，然后，如果需要，在常规分组中夹带或添加关于将要测试哪条路径的信息。如果由于某些标准，如没有响应消息、低信噪比(SNR)等，主和/或次路径120和130中的至少一个被测试为是无效的(菱形230)，则可以认为所测试的路径是无效的的并且如果需要，可以调用天线训练和跟踪过程以重新发现该路径(方框240)。
如果路径有效，则一旦接收到夹带请求，接收机就可以调节其接收模式来匹配要测试的路径。该夹带可以使用一个附加位来指示要测试哪条路径，例如主路径140或次路径150(方框250)。例如，当站120请求测试次路径130时，站130需要调节其接收模式到模式5，如表1所示。
在本发明的另一个实施例中，可以通过在测试路径上不定期地的发送数据/ACK分组来替代路径请求/响应消息，尽管本发明的范围并不限于该实施例。
转到图3，其示出了根据本发明的实施例切换路径的方法流程图。图1所示的微微网通信信道可以通过如下所述的路径切换方法来进行切换，尽管本发明的范围并不限于此方面。该方法可以从测试路径质量标准开始(方框310)。例如，发射机(例如站120的发射机)和接收机(例如站130的接收机)都可以通过所测量的SINR和/或接收错误和/或其它适当的度量来识别当前所用路径的衰退。此外，发射机也可以从缺少确认(ACK)消息来识别出链路问题。
根据本发明的实施例，为了让接收机识别出丢失的分组，可以按照固定的安排建立通信量，使得发射/接收对于接收机是可预知的。结果，如果需要，发射机和接收机都可以使用丢失分组/ACK的数目来触发路径切换。因此，一旦路径质量指标满足一阈值(适用于发射机和接收机)或丢失ACKs的数目超过一阈值(仅适用于发射机)时，站(例如站120或130)可以向相应的发射机/接收机发送命令来切换到不同的路径上。该命令例如可以是通过例如夹带的1比特指示到当前分组的显性媒体访问控制(MAC)消息。如果站通知某个标准被满足(菱形320)，则可以触发路径切换。
根据本发明的实施例，可以有至少两个切换路径的过程。第一过程(方框355-385)有PNC(例如PNC110)参与(菱形330)，，且第二过程(方框340-350)没有PNC参与(菱形330)。
在没有PNC参与的切换路径的过程中，发射机/接收机——例如站120——可以向接收机/发射机(例如站130)发送一“路径切换命令”以指示当满足质量标准时切换路径的意图(方框340)，尽管本发明的范围不限于此。站130可以发送确认消息(方框345)并且站120和130可以切换到一不同的路径上(方框350)。在本发明的实施例中，例如，站之间的实际数据通信之前，接收机和发射机仍然需要例如通过交换多个分组(例如空分组)使路径有效。
当现有路径被破坏时，没有PNC参与的切换路径的过程(方框340－350)可以提供快速链路恢复。但是，因为路径切换不需要PNC批准，所以可能产生对一些对现有链路的干扰。为了降低这些可能的干扰，设备可以在其初始请求信道预留时指示PNC其将使用两个路径的意图，并且PNC可以避免安排与该链路同时的链路，从而降低了可能的干扰。
根据本发明的另一个实施例，在链路被破坏之前，发射机或接收机可能不能交换“路径切换命令”，因而不能通信。在这种情况下，路径切换需要来自PNC的帮助或可以是基于超时的。
有PNC参与的路径切换的过程可以通过协调的方式由PNC促进和授权，尽管本发明的范围不限于该示例。例如，为了允许PNC协调切换过程，需要允许一次或多次专用于站120和130以及PNC110之间的通信的次数(方框355)。这可以例如在常规CAP周期上和/或在站120和130之间的实际信道预留内预留的时隙上完成。
在一个实施例中，可以在常规CAP周期上预留单个时间周期，以便由发射机(Tx)、接收机(Rx)或PNC110使用来发送信道切换请求/响应。在其他实施例中，可以分别为Tx-PNC和Rx-PNC通信分配单独预留。如果需要，在单个预留中，发射机(Tx)或接收机(Rx)可以使用延迟请求来避免来自Tx和Rx两者的同时请求。如果Rx/Tx使用延迟请求，则根据需要在站检测到被破坏的链路之后以及在站向PNC110发送信道切换请求之前需要等待预定的时间。
根据这个切换过程，发射机(例如站120)和接收机(例如站130)可以在预留的时隙期间监听PNC110(方框360)。在其中一个站请求PNC110帮助切换处理的情况下，PNC110可在该预留时间内切换到接收模式上。
例如，站120可以在预留时隙期间通过向PNC110发送“路径切换请求”来触发切换过程(方框365)。PNC110可以在预留时间期间通知站130“路径切换请求”(方框375)。路径切换命令可以包括实际切换时间和两个方向上的切换路径号(例如从站120到站130，反之亦然)。例如，设备站120可以向PNC指示其将要在从站120到站130的方向上使用主路径140，以及在从站130到站120的方向上使用次路径150。站130可以向PNC110回复确认该切换，并且PNC110可以向站120发送响应来确认该切换过程(方框380)。PNC110可以基于某个标准拒绝转换过程，其中该标准例如是对于其它链路的可能的干扰等。在本发明的实施例中，例如在站间的实际数据通信之前，发射机和接收机可能仍需要例如通过交换多个分组(例如空分组)来验证路径。如果该路径是有效的，则站120和130可以切换路径(方框385)。
在本发明的另一个实施例中，可以使用有PNC参与的另一切换路径过程，例如，在对上述过程的较小或不改变的情况下，可以在CAP上交换站120、130和PNC110之间的协议消息。可以基于路径切换等待时间、路径切换的复杂度以及路径切换的效率来确定是否在CPA或在预留时间上使用路径切换，尽管本发明的范围不限于该示例。
转到图4，示出根据本发明的示例性实施例的无线通信设备400的框图的示意图示。无线通信设备400可以用作WAPN客户机和/或PNC，尽管本发明的范围不限于该实施例。
根据本发明的实施例，无线通信设备400可以包含天线410，接收机(RX)420、发射机(TX)430，测量模块440，控制器450，可以存储例如模式表465(和/或其它数据)的存储器460以及切换模块470。
如果需要，无线通信设备400可以是无线个人网(WPAN)100的站120和130中任何一个，其中该无线个人网可以根据IEEE802.11.15c标准在60GHz频带上使用mm波通信。如果需要，WPAN100也可以包含微微网。根据一些其他实施例，无线通信设备400可以包含PNC。
根据本发明的一些实施例，天线410可以包含定向天线，例如，固定天线、自适应波束形成天线、扇形天线等。天线410可以用于建立mm波通信链路。
天线410可以从WPAN100的一个或多个站(例如，站120和130)中接收信号。接收机(RX)420可以解调两个或多个接收到的训练序列信号并根据例如SNR之类的质量标准基于两个或多个训练序列来确定主路径和次路径的最佳发射模式和最佳接收模式。
测量模块440可以是控制器450的软件模块并可以是通信链路质量参数的测量，例如SNR，无响应消息等。测量模块440可以将主路径和次路径的测量结果传送到控制器450以便将其记录在存储于存储器460的模式表465(例如表1)中。
该测量可以包括主路径信息和次路径信息，尽管本发明的范围不限于此。第一主信息可以包括主路径的最佳发射模式和最佳接收模式，次路径信息可以包括次路径的最佳发射模式和最佳接收模式。
根据本发明的示例性实施例，控制器450可以包含媒体访问控制器(MAC)，并可生成提供给WPAN的站的包含主路径信息和次路径信息的报告。进一步地，控制器450可以执行天线训练过程来发现主路径和次路径。控制器450可以根据质量标准来排序天线410的发射和接收模式/方向。控制器450可以报告最佳发射模式和最佳接收模式并基于所述发射模式和所述接收模式的质量标准在从主路径和次路径中选择的通信路径上建立通信链路。发射和接收模式也可以分别参考本发明的实施例，如当天线在发射模式和接收模式时定向天线410的天线方向。
进一步地，如果需要，控制器450可以周期性地监测主和次通信路径并可以更新两条路径的最佳发射模式和最佳接收模式。控制器450也可以为主路径的发射模式分配第一天线扇区号，为主路径的接收模式分配第二天线扇区号，为次路径的发射模式分配第三天线扇区号，以及为次路径的接收模式分配第四天线扇区号。
根据本发明的一些实施例，为了使WPAN中的另一个站能够确定其最佳接收模式，发射机(Tx)430可以根据主和次路径中活动路径的发射和接收模式，将两个或多个训练序列发射到预定方向上。
转换模块470可以测试通信链路质量参数是否满足阈值和/或活动的通信路径是否被破坏和/或活动的通信链路是否中断，并且可以命令控制器450切换到另一个通信路径上以便于在其它通信路径上重新建立通信链路。例如，控制器450可以为至少两个站协商测试时间。例如，在就测试时间达成一致后，控制器450可以将测试时间插入到预留给与站通信的信道时间间隔中，并可以使用例如“路径请求/响应”消息的消息发送周期测试信号。
虽然这里描述和说明了本发明的某些特征，但本领域技术人员可以想到很多变型、替换、改变和等同物。因此，应当理解所附的权利要求书意在涵盖所有这些变型和改变，并落在本发明的实质精神内。

Claims (23)

1.一种在无线毫米波个人区域网络中的通信方法，所述方法包括：
执行天线训练过程，所述天线训练过程对应于至远程站的第一和第二通信路径；
跨越所述第一通信路径与远程设备进行通信；以及
当所述第一通信路径中断或破坏时，停止跨越所述第一通信路径与远程设备的通信，并且通过协调的方式经由另一站的参与而切换到跨越所述第二通信路径与远程设备进行通信；
其中第一通信路径是至远程站的直接通信路径，第二通信路径是至远程站的间接通信路径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据质量标准，对发送模式和接收模式进行排序；以及
基于发送模式和接收模式的质量标准，在选自所述第一通信路径和所述第二通信路径的一个通信路径上建立通信链路。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：测试第一和第二通信路径中的至少一个。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中第一通信路径是至远程站的直接毫米波通信路径，第二通信路径是至远程站的间接毫米波通信路径。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述跨越所述第一通信路径与远程设备进行通信包括：在超帧内发送一个或多个毫米波方向性传输。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一个或多个毫米波方向性传输发生在所述超帧的一个或多个预留部分中。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一个或多个毫米波方向性传输发生在所述超帧的一个或多个竞争访问部分中。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述跨越所述第二通信路径与远程设备进行通信包括：在超帧内发送一个或多个毫米波方向性传输。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一个或多个毫米波方向性传输发生在所述超帧的一个或多个预留部分中。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一个或多个毫米波方向性传输发生在所述超帧的一个或多个竞争访问部分中。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于一个或多个丢失的确认消息(ACKs)来确定所述第一通信路径中断或破坏。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于质量标准来确定所述第一通信路径中断或破坏。
13.一种用于无线通信的设备，所述设备包括：
控制器，执行天线训练过程，所述天线训练过程对应于至远程站的第一和第二通信路径；
一个或多个天线，跨越所述第一通信路径与远程设备进行通信；以及
所述一个或多个天线当所述第一通信路径中断或破坏时，停止跨越所述第一通信路径与远程设备的通信，并且通过协调的方式经由另一站的参与而切换到跨越所述第二通信路径与远程设备进行通信；
其中第一通信路径是至远程站的直接通信路径，第二通信路径是至远程站的间接通信路径。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制器测试第一和第二通信路径中的至少一个。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，其中第一通信路径是至远程站的直接毫米波通信路径，第二通信路径是至远程站的间接毫米波通信路径。
16.如权利要求13所述的设备，其特征在于，其中所述一个或多个天线包括自适应波束成形天线。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述设备被包括在无线个人区域网络(WPAN)的站中。
18.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述第一和第二通信路径位于无线个人区域网络(WPAN)中。
19.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制器基于一个或多个丢失的确认消息(ACKs)来确定所述第一通信路径中断或破坏。
20.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制器基于质量标准来确定所述第一通信路径中断或破坏。
21.如权利要求13所述的设备，其特征在于，其中所述跨越所述第一通信路径与远程设备进行通信包括：在超帧内发送一个或多个毫米波方向性传输。
22.如权利要求13所述的设备，其特征在于，其中所述跨越所述第二通信路径与远程设备进行通信包括：在超帧内发送一个或多个毫米波方向性传输。
23.一种用于无线通信的设备，所述设备包括：
用于执行天线训练过程的装置，所述天线训练过程对应于至远程站的第一和第二通信路径；
用于跨越所述第一通信路径与远程设备进行通信的装置；以及
用于当所述第一通信路径中断或破坏时，停止跨越所述第一通信路径与远程设备的通信，并且通过协调的方式经由另一站的参与而切换到跨越所述第二通信路径与远程设备进行通信的装置；
其中第一通信路径是至远程站的直接通信路径，第二通信路径是至远程站的间接通信路径。
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