在無線通信中交換天線能力信息的第一站臺及方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2005年09月07日、申請?zhí)枮?00580030585. 0、名稱為"于無 線局域網(wǎng)絡(luò)中實施智能天線"的中國發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明是相關(guān)于無線局域網(wǎng)絡(luò)（wirelesslocalareanetworks(WLANs))，以及 特別地是，相關(guān)于在一WLAN中實施一智能天線的方法以及裝置，以支持在一WLAN中使用一 智能天線，以及用于在一WLAN中的站臺（STAs)之間傳送智能天線能力信息。
【背景技術(shù)】
[0003] 典型地，在一于基礎(chǔ)建設(shè)模式（infrastructuremode)下操作的WLAN中，一STA 會執(zhí)行掃描，以評估哪一個接入點(diǎn)（AP)是提供其服務(wù)的最佳候選人，而該STA所執(zhí)行的掃 描則可以是被動的、或是主動的。在被動掃描中，該STA會聽從所述APs所發(fā)送的信標(biāo)幀 (beaconframes)，而在主動掃描模式中，該STA則是會發(fā)送出探針請求，然后，所述APs即 通過發(fā)送一探針響應(yīng)至該STA而做出反應(yīng)。
[0004] 為了增強(qiáng)覆蓋范圍以及增加吞吐量（throughput)，APs是可以配備以先進(jìn)的天線 結(jié)構(gòu)，以使得它們可以改變其所使用的輻射場型（波束）。在此，所使用的名詞"智能天線 "即表示，一組具有不同輻射場型的N個天線，典型地是，會指向所選擇的方式（或者是，在 全方向性天線的例子中，不指向任何特性的方向），其中，一個節(jié)點(diǎn)（AP或STA)的傳送器 及/或接收器會選擇做合適的天線（或〃波束〃），以與其相對應(yīng)者進(jìn)行溝通，而該最合適 的天線則典型地是，在一個節(jié)點(diǎn)會傳送一信息包至另一個特殊節(jié)點(diǎn)的專屬連接（dedicated connections)例子中，于接收節(jié)點(diǎn)處具有最高的信號與干擾及噪聲比（signal-to-interf erence-plus-noiseratio,SINR)〇
[0005] 覆蓋范圍的增加是為該AP發(fā)送出信息包的該STA的位置、及/或時變信道 (time-varyingchannel)的位置的函數(shù)。因為一AP所發(fā)送至的信標(biāo)幀并不會目苗準(zhǔn)一特別 的STA，而是會瞄準(zhǔn)許多的STA，因此，它們是會傾向于均勻地橫跨所有方向來進(jìn)行發(fā)送（也 SP，利用一全方向性波束），而類似地，也因為其是需要一AP從其所有相關(guān)的STAs處聽取信 息包，所以，該AP典型地會利用一全方向性波束來聽取信道，不過，此種類型的波束并一定 可以讓該AP決定哪一個波束是服務(wù)一STA的最佳波束，甚至是在其已經(jīng)自該STA接收一探 針請求之后，因此，一探針響應(yīng)也傾向于利用一全方向性波束來進(jìn)行傳送。
[0006] 一STA除了會使用信標(biāo)（被動掃描）以及探針請求（主動掃描）來進(jìn)行評估之外， 還可利用由所述不同的APs所獲得的無線連結(jié)的質(zhì)量（例如，信號對噪聲比（SNR))來進(jìn)行 評估。典型地，信標(biāo)以及探針回應(yīng)是所述APs，基于上述的理由，利用一全方向性波束所發(fā)送 的，而如此所會產(chǎn)生的狀況則是，一STA是可以基于其自所述信標(biāo)及/或探針響應(yīng)所察覺的 已接收信號質(zhì)量，而在一AP事實上將會比另一個用于傳送可以利用具方向性的波束而進(jìn) 行發(fā)送的流量幀（trafficframes)的AP執(zhí)行的更差的時候，將此假設(shè)的AP評估為最佳的 候選人。
[0007] 圖1是顯示一示范的WLAN100,包括一STA102以及二個APs，AP_A110以及AP_B 120。AP_A110是可以利用一全方向性波束112以及復(fù)數(shù)個方向性波束114,116,118,AP_ A120則是可以利用一全方向性波束122以及復(fù)數(shù)個方向性波束124,126,128。
[0008] 該STA102是會測量在表1中所顯示的各式波束的已接收功率。
[0009] 表1于STA102處所測量的已接收信號功率
[0010]
[0011] 比起經(jīng)由全方向性波束122而自AP_B120接收，該STA102可以經(jīng)由全方向性 波束112而自AP_A110接收較強(qiáng)的信標(biāo)、及/或探針回應(yīng)，不過，用于傳送流量幀時，AP_B 120就比AP_A110是更好的候選人，因為AP_B120位在一個利用其先進(jìn)天線結(jié)構(gòu)并將能量 聚焦朝向該STA102 (經(jīng)由方向性波束124)的較佳位置。
[0012] 在一以AP為基礎(chǔ)的WLAN中，多個STA是可以在一設(shè)定的時間點(diǎn)時與一設(shè)定的 AP產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。若是該多重接入計劃是為一載波感測多重接入/碰撞避免（carriersense multipleaccess/collisionavoidance(CSMA/CA))時，例如，以 802. 11 作為基礎(chǔ)的 WLANs，則任何STA都容易受到影響而在任何設(shè)定的時間點(diǎn)傳送一信息包（也稱之為一 〃幀 〃）至與其相關(guān)的AP，其中，該AP會在一信息包已經(jīng)完全被接收且被譯碼之后，以在該信息 包的媒體接入控制（mediumaccesscontrol(MAC))標(biāo)頭（header)中所包含的來源地址作 為基礎(chǔ)而決定與其相關(guān)的STAs中的哪一個傳送了該信息包，而該AP在做出該來源決定之 前則是必須要完成整個信息包接收，因為涵蓋該MAC標(biāo)頭以及MAC載荷（MACpayload)兩 者的錯誤檢測位是在該信息包的末端進(jìn)行接收。
[0013] 在一網(wǎng)狀配置（mesharchitecture)中，STAs(或是〃網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)（meshnodes) 〃）是 也可以配備以智能天線，以改善所接收的信號的SNR、或是為了例如減少干擾的其它目的。
[0014] 在以802. 11作為基礎(chǔ)的WLANs中，該多重接入計劃是在有多于一個的關(guān)聯(lián)于STA 的AP時，使得在該AP處進(jìn)行最適當(dāng)用于接收信息包的波束的選擇產(chǎn)生困難，而這則是因為 STAs是可以位在該AP周圍的任何位置，也因此，對每一個STA來說，一般而言，最適合的波 束并不相同，再者，由于該STA的本質(zhì)在該信息包被完整接收之前為未知，因此，該AP并無 法利用此信息來決定要選擇哪一個天線來接收信息包。而相同的問題也會發(fā)生在一個網(wǎng)狀 節(jié)點(diǎn)可以連結(jié)至多于一個的網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀配置中。
[0015] 為了防止此困難的發(fā)生，是有數(shù)種的替代方案，不過，它們也都具有缺點(diǎn)。
[0016] 1)該AP可以將其本身限制為使用一種全方向性場型來接收所有的信息包，不過， 因此也會喪失了利用一智能天線所獲得的潛在可能性。
[0017] 2)該AP可以使用同時來自多個波束的信號，然后將它們結(jié)合、或是選擇它們的中 最佳的波束。不過，此解決方案會增加該接收器的復(fù)雜度，因為來自多個波束的所述信號必 須要進(jìn)行解調(diào)變。
[0018] 3)該AP可以在一接收到信息包之后馬上以一連續(xù)的方式在其可獲得的波束之間 進(jìn)行切換，挑選造成最佳信號質(zhì)量的波束，然后再切換至此波束，以用于該信息包接收的剩 余持續(xù)期間。不過，此方法所具有的缺點(diǎn)卻是，該AP在其嘗試較少的合適于一特別信息包 的波束的同時，其正冒著會不正確接收一些位的風(fēng)險，因而會造成該信息包的遺失。
[0019] 4)該AP可以利用一全方向性天線而嘗試地譯碼發(fā)送者的該MAC地址（包含在該 信息包的該MAC標(biāo)頭中），然后再將于該MAC標(biāo)頭中所識別的最適合于該STA的波束使用于 該信息包的剩余部分。不過，此方法所具有的問題卻是，該MAC標(biāo)頭是會以與該信息包的剩 余部分一樣的速率進(jìn)行傳送，因此，若是該全方向性天線無法為該MAC載荷的足夠信號質(zhì) 量提供足夠的增益時，則就不太可能該MAC標(biāo)頭會正確地進(jìn)行譯碼，而在相反的例子中（若 是該全方向性天線確實地提供了足夠的增益時），則是一開始就不需要使用一智能天線。
[0020] 5)所述STAs可以被迫于利用請求發(fā)送/清除發(fā)送（Request-to-Send/ Clear-to-Send，RTS/CTS)程序來發(fā)送每一個信息包，而此將會使得該AP可以在該數(shù)據(jù)信 息包到達(dá)之前即識別出該發(fā)送的STA，不過，此卻會由于該RTS及CYS信息包的冗余作業(yè)而 付出重要吞吐量損失的代價，因而部分地?fù)魯∈褂弥悄芴炀€的目的。
[0021] 6)該AP可以輪流地利用不同的波束來輪詢（poll)STAs。不過，此方法有兩個問 題，第一，當(dāng)其于一具有突發(fā)流量（burstytraffic)的系統(tǒng)中，例如，一WLAN中，試圖要預(yù) 測于每一個波束上所花的時間時會產(chǎn)生困難，第二，在考慮到天線場型以及無線環(huán)境的不 規(guī)則，例如，陰影（shadowing)，之間的必要重迭的時候，要避免STAs對利用一對它們而言 為次理想（但可聽?。┑牟ㄊl(fā)送的一輪詢來產(chǎn)生反應(yīng)是有困難的。
[0022] 在一WLAN中，智能天線能力可以存在于AP、于STA、或是兩者，而在沒有事先交換 天線能力信息的情形下，該AP并不會知道如何協(xié)調(diào)其以及一STA的智能天線特征，反之也 然。
[0023] 該由于未交換智能天線信息能力所造成的對于一WLAN的潛在不利影響是于接下 來的實例中舉例說明。假設(shè)一AP以及一STA兩者都使用切換波束智能天線（switched-beam smartantennas)，但每一端的智能天線能力（舉例而言，可獲得且需要進(jìn)行掃描的波束模 式的數(shù)量，以及測試所述可獲得波束的每一個所需要的時間持續(xù)期間）對另一端仍為未知 時，則因為該AP或是該STA都不知道其接收端的該智能天線能力，所以，其每一個都將必須 要：（1)猜測關(guān)于另一端的智能天線能力，或是（2)在不知道該接收端可能于同時間使用其 所擁有的一波束搜尋的情形下測試其所擁有的傳送天線波束。
[0024] 若是位在兩端的所述智能天線能力對彼此為已知時，則兩個裝置就都可以依循簡 單、預(yù)先同意的規(guī)則，以避免同時間在兩端上的波束搜尋所造成的服務(wù)降級，舉例而言，若 是該"波束搜尋時間"(Tsearch)對該AP以及該STA皆為已知時，則一簡單而有用的規(guī)則 就可能會是，在嘗試給予（已開始進(jìn)行傳送的）另一端足夠的時間來引導(dǎo)其所擁有的波束 搜尋的時候，于產(chǎn)生關(guān)聯(lián)之后會首先接收一信息包的裝置（該AP或該STA)是應(yīng)該在其開 始其所擁有的波束搜尋之前先等待持續(xù)期間T_rah。
[0025] 目前的天線技術(shù)是通過使用接收及/或傳送密度來增強(qiáng)接收，而這些技術(shù)不是需 要較長的時間來獲得任何增益，就是提供比起其它方法較少的增益，此外，目前的天線技術(shù) 常常需要使用專有信息（proprietarymessages)才能知道一STA的天線能力，而在缺乏此 信息的情形下，所述APs以及STAs就無法利用天線能力來增加數(shù)據(jù)率、或范圍。
[0026] 為了使得智能天線特征能更有效率地運(yùn)作，有關(guān)該STA以及該AP的能力的信息 是應(yīng)該要進(jìn)行交換，再者，交換天線信息也使得在智能天線特征的最佳化期間的可能協(xié)調(diào) 成為可能，例如，波束選擇，波束掃描，波束形成，多輸入多輸出（multipleinputmultiple output，Μ頂0)，以及使得允許改變波束場型及/或天線增益的任何其它能力成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027] -種用于在建立于一WLAN中的一STA以及一AP之間的關(guān)聯(lián)時、實施一智能天線 的方法的一開始為，該AP在一天線波束上傳送一信標(biāo)幀，而該信標(biāo)幀則是會于該STA處被 接收，且該STA是會測量該信標(biāo)幀的一信號質(zhì)量，然后，該AP會切換至一不同的天線波束， 并且重復(fù)該方法，直到該信標(biāo)幀已經(jīng)在所有的天線波束上完成傳送為止，接著，該STA乃會 與在其天線波束的其中之一上利用最高信號質(zhì)量而傳送該信標(biāo)幀的AP產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。一個類 似的方法也可以使用于會發(fā)送一探針請求幀至該AP的該STA的中，而該AP則是接著會利 用在多個天線波束上發(fā)送的探針響應(yīng)幀作為響應(yīng)。
[0028] -種在建立于