CN101562893B - 在毫米波wpan中避免干扰并改善通信等待时间的机制 - Google Patents

在毫米波wpan中避免干扰并改善通信等待时间的机制 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于在mm波无线个人区域网(WPAN)中避免干扰并改善信道效率的机制。具体来说，跟踪各个时间周期期间的干扰信息，并利用该干扰信息来优化传输调度。此外，提供一种通过在多个发射设备中分配时隙协调职责来改善通信等待时间的机制。

Description

在毫米波WPAN中避免干扰并改善通信等待时间的机制
相关申请
本申请依据35U.S.C.§119(e)、要求2008年3月11日提交的美国临时专利申请号61/035,480的权益，并且因此通过引用整体结合于本文。
技术领域
本申请涉及用于在mm波WPAN中避免干扰并改善通信等待时间的机制。
背景技术
预期在60千兆赫(GHz)频带工作的毫米波(mm波)无线个人区域网(WPAN)通信***可向大约十米的距离提供几千兆位/每秒(Gbps)的吞吐量，并且将在几年内投入服务。目前，有几个标准化团体(IEEE802.15.3c、WirelessHD SIG、ECMA TG20、COMPA等)正在为mm波WPAN***考虑不同的概念，以定义最适合于多Gbps WPAN应用的***。
由于氧吸收及其短波长这两个原因，mm波通信***不如那些更低频率(例如，2.4GHz和5GHz频带)的通信***那样强健，其中氧吸收会在长距离上衰减信号，而短波长会在穿过诸如墙壁和天花板的障碍物时产生高衰减。因此，已经预见定向天线(如波束形成天线、扇形天线或固定波束天线)的使用对60GHz应用是有用的。
任何无线通信***中都固有地需要改善吞吐量和等待时间。因此，强烈需要用于改善mm波无线个人区域网的技术。
发明内容
本发明涉及一种方法，包括：
注册一个或多个传输流，其中传输流包括从发射设备到接收设备的数据传输；
接收所述一个或多个传输流中的至少一个传输流的带宽请求；
将所述一个或多个传输流中的所述至少一个传输流调度到超帧中的时隙；
接收来自一个或多个设备的干扰报告；以及
基于来自所述一个或多个设备的干扰报告，为后续超帧优化传输调度以将干扰减到最小并将带宽增至最大。
本发明涉及一种装置，包括：
天线***；
接收机，用于在所述天线***上接收一个或多个传输流的带宽请求；以及
调度器，用于为超帧优化传输调度以将干扰减到最小并将带宽增至最大。
附图说明
通过参考附图，可以更好地理解本发明，并且使本领域的技术人员明白本发明的许多特征和优点。
图1示出根据本发明一个实施例的无线设备。
图2示出根据本发明一个实施例的支持互不干扰的并行传输的环境。
图3示出根据本发明一个实施例的信道使用模型。
图4示出根据本发明一个实施例的基于流的信道时间调度优化的实例。
图5示出根据本发明一个实施例的另一信道使用模型。
图6示出根据本发明一个实施例的调度流程。
在不同的附图中使用相同的参考符号来表示类似或相同的项。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了很多特定的细节。但是，应该明白，无需这些特定的细节也可以实践本发明的实施例。在其它情况下，没有详细地示出公知的方法、结构和技术，以免使本描述难以理解。
提到“一个实施例”、“实施例”、“示范实施例”、“各种实施例”等时表示，如此描述的本发明的这个(或这些)实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但并非每个实施例都一定包括该特定的特征、结构或特性。此外，重复使用短语“在一个实施例中”不一定指相同的实施例，但也可以指相同的实施例。
如本文所用，除非另外说明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述共同的对象仅仅表示，正提到相同对象的不同例子，而不是想暗示如此描述的对象必须按照时间、空间、按等级或者以任何其它的方式处于给定的序列中。
本发明的实施例可以在各种各样的应用中使用。本发明的一些实施例可以结合各种设备和***一起使用，这些设备和***如发射机、接收机、收发机、收发两用机、无线通信站、无线通信设备、无线接入点(AP)、调制解调器、无线调制解调器、个人计算机(PC)、桌面型计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本型计算机、平板计算机、服务器计算机、手持式计算机、手持设备、个人数字助理(PDA)设备、手持PDA设备、或甚至是在个人区域网(PAN)中的超高清晰度电视信号。
虽然本发明的实施例在这方面不受限制，但利用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等术语的论述可以指计算机、计算平台、计算***或其它电子计算设备的操作和/或处理，这些操作和/或处理操纵在计算机的寄存器和/或存储器内表示为物理(如电子)量的数据和/或将其变换为在计算机的寄存器和/或存储器、或可存储执行操作和/或处理的指令的其它信息存储介质内类似地表示为物理量的其它数据。
虽然本发明的实施例在这方面不受限制，但本文所用的术语“复数个(plurality/a plurality)”可以包括例如“多个”或“两个或两个以上”。整篇说明书中可以使用术语“复数个”来描述两个或两个以上组件、设备、元件、单元、参数等。例如，“复数个站”可以包括两个或两个以上站。
在网络中使用定向天线提供了增加可用信道的空间重复使用的机会。空间重复使用是网络支持互不干扰的并行传输的能力。本发明的一个实施例为mm波无线个人区域网(WPAN)通信***提供一种用于避免干扰并改善空间重复使用效率的机制。具体来说，跟踪各个时间周期期间的干扰信息，并利用该干扰信息来优化传输调度。此外，提供一种通过在多个发射设备中分配时隙协调职责来改善通信等待时间的机制。
图1示出根据本发明一个实施例的无线设备。设备100包括接收机(RX)102、发射机(TX)104和天线***106。设备100可以包括能够定向传送和/或接收数据传输的电路。例如，天线***106可以包括波束形成天线***、扇形天线***或固定波束天线***。如果设备100是协调器，即在网络内协调时隙分配的设备，那么设备100可以包括调度器，该调度器执行各种功能，例如优化超帧调度以将设备间的干扰减到最小并将网络带宽增至最大。设备100可以包括存储设备、处理电路、其它通信接口等(未示出)。
图2示出根据本发明一个实施例支持互不干扰的并行传输的环境。分别如定向传输范围208和210所示，无线设备A 202和B 204与无线设备C 206通信。如定向传输范围212所示，无线设备C 206与无线设备A 202和B 204通信。如定向传输范围218所示，无线设备D 214与无线设备E 216通信。如定向传输范围220所示，无线设备E 216与无线设备D 214通信。每个这样的传输范围表示称为链路的单向流。链路是从发射机到接收机的单个传输。举例来说，设备A202和设备C 206之间的全双工流产生两个链路。
包括无线设备A 202、B 204和C 206的网络可以称为无线个人区域网(WPAN)。包括无线设备D 214和E 216的网络可以是包括设备A202、B 204和C 206的WPAN的一部分，或者可以是另一个WPAN的一部分。如图2所示，设备A 202、B 204和C 206的传输范围不与设备D 214和E 216的传输范围干扰。因此，在这些设备之间的通信可以同时操作，因为来自发射设备的能量聚焦在不同的方向，并且因此不会导致相互干扰。但是，应明白，如果存在额外的设备，或者如果设备的位置是不同的，则传输范围可能互相或者与其它设备的传输范围干扰。例如，从设备A 202到设备C 206和从设备C 206到设备A 202的链路可与从设备D 214到设备E 216和从设备E 216到设备D214的链路独立。在一些环境中，从设备A 202到设备C 206的传输可与从设备D 214到设备E 216的传输并行发生，即，在时间上重叠，而由于会干扰传输范围，从设备A 202到设备C 206的传输可能不会与从设备E 216到设备D 214的传输并行发生。
图3示出根据本发明一个实施例的信道使用模型。该模型由多个超帧302、304和306组成。每个超帧被分成多个时隙以利用通常不支持并行传输的时分多址(TDMA)技术来传输或接收信息。超帧302包括信标帧312和分配用于传送数据的多个传输时隙314、316、318。通常通过协调器来为每个超帧执行信道时间预定，并在信标帧312中传递信道时间预定。可以指定设备202-206和设备214-216中的任何一个设备为协调器。如果设备202-206和设备214-216在不同的WPAN中，则可以指定设备202-206之一和设备214-216之一为协调器(未示出)。通常分配每个信道时间块用于单向流(例如，从发射设备到接收设备)。
在高密度企业环境中，单独设备的位置、天线类型及其取向决定着设备所受到的干扰电平。因此，不同设备成功接收传输的能力会随着时间变化。在TDMA***中，超帧调度往往遵循重复模式。此后，对于每个信道时间块，在某种程度上可以预测由于邻近WPAN造成的干扰。
根据本发明的一个实施例，TDMA***以将接收设备处的干扰电平减到最小并且从而将WPAN吞吐量增至最大的方式调度传输。具体来说，干扰减轻方案允许协调器采集来自其网络中的设备的干扰信息。可利用此信息来以将每个接收机所受到的干扰减到最小的方式调度传输。
根据本发明的一个实施例，为了优化对链路的信道时间块分配，在每个链路的基础上识别并传送接收设备处的干扰电平。对于***中的每个链路，接收机通知协调器有关在被调度用于接收的所有信道时间块期间所受到的干扰电平(噪声强度或功率)。对于活动的(active)信道时间块，接收设备监测所经受的SNR(信噪比)，并且稍后通知协调器所监测的电平。表1示出单独链路的通用干扰报告格式。由设备发送的干扰报告包含每个链路一个矢量，其中设备是接收机，这允许协调器推断对于某个链路哪个信道时间块是可利用的。每个设备报告干扰电平，而不论其源如何，该源可在相同或不同的WPAN中。例如，对于在图2中示出的WPAN，将通过C(对于2个链路)和E(对于1个链路)产生两个干扰报告。
表1.链路的示范干扰报告
  信道时间块   干扰/信号质量
  信道时间块1(不活动的)   噪声强度/功率
  ...   ...
  信道时间块k(活动的)   SNR
  ...   ...
  信道时间块m(不活动的(non-active))   噪声强度/功率
干扰报告的发送可以在周期性基础上实现，例如，每个接收机使用可位于超帧末端的特别分配的信道时间块中的时隙，如报告时隙320。或者，例如，当在考虑中的链路是活动的信道时间块期间因干扰电平的实质改变或信号质量降级而触发时，可以通过带外(OOB)控制信道或者在非周期性基础上将报告传送给协调器。一旦报告到达协调器，便可以在后续的超帧中实现对调度的必要更新。如图所示，超帧304包括信标322以及根据在时隙320中接收的干扰报告进行优化而分配用于传送数据的多个传输时隙324、326、328。接收机产生新的干扰报告，在时隙330中发送，并用于优化对超帧306的调度。
通过基于干扰报告优化调度，所公开的方案提供有效的空间重复使用，并且允许邻近的WPAN或者相同的WPAN内的设备的无干扰并行传输。它还在高密度环境中提高mm波WPAN的容量和整个吞吐量，并且如果干扰电平改变，则允许提示调整超帧调度。此外，所提出的方案支持异构环境，在这些环境中，设备可以具有不同的天线类型，并且因为该方案是基于简单的集中化算法的，所以能有效实施。
图4论证根据本发明一个实施例的基于流的信道时间调度优化的实例。图4中示出的模型包括多个超帧402、404和406。***可以包括多个复合流，其中每个复合流包括一个或多个单向流。此外，单个设备可以参与多个流。为了改善空间重复使用，一对多(one-to-many)流可以包括空间上紧邻设置的设备，这些设备可能受到类似的干扰图。例如，呈现在图2上的WPAN具有两个复合流：{C-＞A，C-＞B，A-＞C，B-＞C}(一对多)和{D-＞E，E-＞D}(双向)。
根据本发明的实施例，通过在相同的信道时间块内调度双向或一对多通信流，而不是为每个单向流分配单独的块，一些网络可显著地受益。如图所示，超帧404包括用于传送调度的信标帧412和用于数据传输的多个时隙414-418。每个时隙414-418包含多个流(双向或一对多流)以优化吞吐量。
在一个方向发送大量数据并在另一个方向接收确认消息的协议(例如，传输控制协议TCP)可以通过允许在单个时隙中发送TCP数据和ACK来获得增加的吞吐量。或者，如果协调器希望轮询一组设备或者执行必须由该组中的所有设备确认的可靠多播，那么在一个信道时间块中执行所有通信可能是更加有效的。
分配给特定复合流的信道时间块内的信道访问规则由流类型确定。如果复合流操作涉及与相同信道时间块相关联的两个或两个以上相关的流，则指定这些流中的一个流为主要流(primary flow)，而指定其它流为非主要流(例如，对于双向TCP流，TCP数据是主要流，而TCP ACK是次要流(secondary flow))。最初，主要流的发射机具有信道访问控制权。通过主要流明确地激活非主要流。然后，信道访问控制权可以传回到主要流，依此类推。
图5示出根据本发明一个实施例的另一信道使用模型。这个模型包括超帧502，其包括信标帧512、用于数据传输的多个时隙514-518和报告时隙520。如时隙512和516所示，可以将多个相关的流指定给每个时隙。此外，如时隙518所示，空间重复使用允许在相同的WPAN内调度无干扰的并行传输。如图所示，如果设备具有无干扰的传输范围，则如时隙518所示，可以同时、即在与设备D 214和设备E 216之间的通信相同的时隙中调度设备A 202和设备206C之间的通信。
图6示出根据本发明一个实施例的调度流程。在流建立过程期间，启动设备向协调器注册该流，并且发送带宽分配请求(除非启动设备本身就是协调器)(方框602)。协调器处理从对应单向流的接收机中采集的干扰信息，以优化信道时间块的分配，从而将干扰电平减到最小(方框606)。此外，协调器优化对多个相关流的调度(方框606)以及对多个非相关流的调度(方框608)。
所公开的方案在高密度环境中提高了mm波WPAN的容量和整个吞吐量，同时保持协议效率和等待时间。所提出的方案减轻了干扰并且允许邻近的WPAN中的设备的并行传输。所提出的方案能基于简单的集中化算法有效实施。
上文描述的技术可以在用于配置计算***以执行该方法的计算机可读介质中实施。计算机可读介质可以包括例如但不局限于任何数目的下列介质：磁存储介质，包括磁盘和磁带存储介质；光存储介质，如致密盘介质(如CD-ROM、CD-R等)和数字视频盘存储介质；全息存储器；非易失性存储器存储介质，包括基于半导体的存储器单元，如闪存、EEPROM、EPROM、ROM；铁磁数字存储器；易失性存储介质，包括寄存器、缓冲器或高速缓存、主存储器、RAM等；以及数据传输介质，举例来说，包括永久性和间歇性计算机网络、点对点电信设备、载波传输介质、因特网等。也可以使用其它各种新颖类型的计算机可读介质来存储和/或传送本文论述的软件模块。计算***可以有多种形式，举例来说，包括但不限于大型计算机、小型计算机、服务器、工作站、个人计算机、记事本、个人数字助理、各种无线设备和嵌入式***等。典型的计算***包括至少一个处理单元、相关联的存储器和多个输入/输出(I/O)设备。计算***根据程序来处理信息，并经由I/O设备产生结果输出信息。
在特定实施例的上下文中描述了根据本发明的实现方式。这些实施例是用于说明而不是用于限制的。可以做出许多变化、修改、添加和改进。因此，可以为本文作为单个例子描述的组件提供多个例子。各种组件、操作和数据存储之间的边界在一定程度上是任意的，并且在特定的说明性配置上下文中示出具体的操作。可预想其它功能性分配，并且它们落在随附权利要求的范围内。最后，在各种配置中作为分离组件呈现的结构和功能性可以作为组合的结构或组件实现。这些和其它变化、修改、添加和改进可以落在如随附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种用于优化无线个人区域网WPAN中的传输的方法，包括：
注册一个或多个传输流，其中传输流包括从所述WPAN的发射设备到接收设备的数据传输；
通过所述WPAN的协调器接收所述一个或多个传输流中的至少一个传输流的带宽请求；
通过所述WPAN的所述协调器将所述一个或多个传输流中的所述至少一个传输流调度到超帧中的时隙；
通过所述WPAN的所述协调器接收来自所述WPAN的一个或多个设备的干扰报告；以及
基于来自所述WPAN的所述一个或多个设备的干扰报告，为后续超帧优化传输调度以将干扰减到最小并将带宽增至最大。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调度包括将两个或两个以上流指定给相同的时隙，其中所述两个或两个以上流是一对多流，其包括来自所述WPAN的单个发射设备的多个传输；或者其中所述两个或两个以上流是双向流，其包括从所述WPAN的第一设备到所述WPAN的第二设备的传输以及从所述WPAN的所述第二设备到所述WPAN的所述第一设备的传输。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述调度包括通过所述WPAN的所述协调器将主要流指定给时隙，其中所述主要流在所述时隙内协调任何次要流。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述WPAN的所述协调器进行调度包括将所述一个或多个传输流中的所述至少一个传输流指定给时隙，在所述时隙中，未注册流是活动的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述干扰报告包括在所述WPAN的所述一个或多个设备中的一个设备是活动的时间周期期间的干扰信息以及在所述WPAN的所述一个或多个设备中的所述一个设备是不活动的时间周期期间的干扰信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述WPAN的所述一个或多个设备中的所述一个设备是活动的时间周期期间的干扰信息包括信噪比信息。
7.根据权利要求5所述的方法，其中在所述WPAN的所述一个或多个设备中的所述一个设备是不活动的时间周期期间的干扰信息包括噪声强度和功率信息。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述超帧末端的预先调度的时隙期间接收所述干扰报告，所述预先调度的时隙不同于所述超帧中为所述一个或多个传输流调度的时隙，并且其中经调度以便在所述超帧期间进行接收的所述WPAN中的每个接收设备在所述预先调度的时隙期间传送干扰报告。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
在非周期性基础上接收所述干扰报告；并且
通过在考虑中的链路是活动的超帧的时隙期间的干扰电平的实质改变或通过在考虑中的链路是活动的超帧的时隙期间的信号质量降级而触发所述干扰报告。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传输流是定向通信。
11.一种用于优化WPAN中的传输的协调器装置，包括：
天线***；
接收机，用于在所述天线***上接收来自所述WPAN的一个或多个设备的一个或多个传输流的带宽请求，其中所述传输流包括从发射设备到接收设备的数据传输；所述接收机还用于接收来自所述WPAN的一个或多个设备的干扰报告；以及
调度器，用于基于来自所述WPAN的一个或多个设备的干扰报告为超帧优化传输调度以将干扰减到最小并将带宽增至最大。
12.根据权利要求11所述的协调器装置，其中所述调度器配置成用于注册所述一个或多个传输流。
13.根据权利要求11所述的协调器装置，其中所述调度器配置成用于将两个或两个以上流指定给相同时隙，其中所述两个或两个以上流是一对多流，其包括来自单个发射器的多个传输；或者其中所述两个或两个以上流是双向流，其包括从第一设备到第二设备的传输以及从所述第二设备到所述第一设备的传输。
14.根据权利要求11所述的协调器装置，还包括用于将主要流指定给所述超帧中的时隙的所述调度器，其中所述主要流在所述时隙内协调任何次要流。
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