低能量通信链路通信协议

摘要

一种方法，包括：确定预定时间段内移动台处没有接收到信号或者预定时间段内接收到的信号已经低于预定强度之后，在移动台向基站传输导频消息，其中，所述导频消息包括在降低的带宽下发送的导频音；从所述基站接收响应，其中，所述响应波束朝向所述导频消息的接收方向和/或功率。

权利要求

1.一种通信链路建立的方法，其特征在于，包括：

确定预定时间段内移动台处没有接收到信号或者预定时间段内接收到的信号低于预定强度之后，在移动台向基站传输导频消息，其中，所述导频消息包括在相比于其他移动台发送的信号具有降低的带宽下发送的导频音；

从所述基站接收响应，其中，所述响应波束朝向所述导频消息的接收方向和/或功率；

其中，传输所述导频音的带宽小于后续数据传输所用的带宽。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导频音包括基于可用于传输的最大带宽确定的长度的单频音，以及在所述导频音上应用预定义窗函数所需的多个采样。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单频音时长设置为nwin*2/BW，其中，nwin为窗函数所需采样的标量数量，BW为最大的可用带宽。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从标量值的查找表中获得所述nwin。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导频音包括关于其他移动台的波形在频率、时间、序列和/或空间上非正交的波形。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，传输所述导频音的频率低于后续数据传输所用的频率。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，传输所述导频音的发射功率高于后续数据传输的功率。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：在传输所述导频消息之前，将所述导频消息添加到数据消息之前。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述添加所述导频消息包括：添加所述导频消息和所述数据消息之间的等待时间。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：在传输所述导频消息之前，从查找表、专用振荡器或通过直接数字合成获得所述导频消息。

11.一种移动台，其特征在于，包括：

用于执行权利要求1至10中任一项所述的方法的传输装置。

12.一种通信链路建立的系统，其特征在于，包括：

用于执行权利要求1至10中任一项所述的方法的移动台；

基站，其中，该基站用于从所述移动台接收导频消息之后，通过对所述移动台进行波束导向响应所述移动台。

说明书

低能量通信链路通信协议

技术领域

[0001] 本申请涉及无线网络领域，尤其涉及诸如移动台等发送器与基站之间的无线链路。

背景技术

[0002] 在无线网络中，传输节点与其附近的基站进行通信。在许多情况下，传输节点是与基站相连的移动台，该基站提供在移动台处接收到的最强信号。此类基站可以是欧几里得距离的最接近的基站。或者，例如当从较远基站接收到的信号比从较近基站接收到的信号更强时，则可以与距离移动台更远的基站建立连接。

[0003] 在某些情况下，即使在移动设备处接收到的最强信号也可能不足以建立可靠的连接。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于信号条件较弱或不利时建立从移动台到基站的连接。

[0005] 本发明的第一方面提供一种方法，包括：确定预定时间段内移动台处没有接收到信号或者预定时间段内接收到的信号已经低于预定强度之后，在移动台向基站传输导频消息，其中，所述导频消息包括在降低的带宽下发送的导频音；从所述基站接收响应，其中，所述响应波束朝向所述导频消息的接收方向和/或功率。

[0006] 该第一方面的优点在于，它在降低的带宽下使用诸如非正交导频音之类的导频音，例如相比较根据移动台和基站之间所用的协议使用的通信中使用的标准带宽，降低了的带宽。使用降低的带宽增加了该导频音的信号强度。因此，尽管信号条件不利，基站识别导频消息的可能性也会增加。在确定信号条件实际上不利之后，即通过确定没有接收到信号或接收到的信号低于预定强度，第一方面也有利于使用降低的带宽。因此，只要存在正常的信号条件，第一方面允许以标准方式建立连接。这样一来，不管条件有利还是不利，都可以以最有效的方式建立连接。

[0007] 根据第一方面的第一种实现方式，所述导频音包括基于可用于传输的最大带宽确定的长度的单频音，以及在所述导频音上应用预定义窗函数所需的多个采样。

[0008] 在该第一种实现方式中，通过确定可用的最大带宽增加导频音的信号强度，该可用的最大带宽例如是在预定义通信协议中定义的带宽或基于基站的信号确定的带宽。导频音的波长基于最大带宽以及窗函数所需的样本数确定。该窗函数可以由基站设置，并且可以由基站使用，从而减少传输时的频谱泄漏。通过从最大带宽和所需的窗函数采样得到波长，可以进一步增加导频音的信号强度，特别是在波长持续时间缩短时。

[0009] 根据第一方面的第一种实现方式，在第二种可能的实现方式中，包括：将所述单频音时长(单位：秒)设置为nwin*2/BW，其中，nwin为窗函数所需采样的标量数量，BW为最大的可用带宽。

[0010] 该实现方式提供了第一种实现方式中确定单频音音长度的具体实施例。第二种实现方式的公式定义了要使用的最小导频音长度，因此在仍然符合窗函数的同时优化了导频音的信号强度。根据第一方面的第二种实现方式，在第三种可能的实现方式中，从标量值的查找表中获得nwin。这有利于对配置导频音所需的值进行快速检索。由于可以根据窗函数预先知道该值，所以查找表代表了对该值进行检索的一种方便手段。

[0011] 根据第一方面的第四种实现方式，所述导频音包括关于其他移动台的波形在频率、时间、序列和/或空间上非正交的波形。

[0012] 通常，连接到同一基站的不同移动台的波形彼此正交，因为这有助于基站区分各个移动台。然而，在第一方面中检测到的不利条件下，基站附近或至少移动台附近预计有低密度的移动台。在这种条件下，预期的零星通信中不需要正交性。此外，由于正交信号提供了较高的峰均功率比，因此使用非正交信号序列会增加信号强度。

[0013] 根据第一方面的第一至第四任一种实现方式，在第一方面的第五种实现方式中，传输所述导频音的带宽小于后续数据传输所用的带宽。

[0014] 上面已经讨论了使用小带宽的优点。第五种实现方式增强了这一优点，因为一旦基于导频消息建立了连接，则会增加带宽。这是基于以下认识：相比较建立连接的实际过程，建立的连接可能不太容易发生弱信号条件。降低建立连接的带宽会增加信号强度，从而在发送更少的数据同时便于连接。之后，为了再次发送更多的数据，可能会增加带宽。

[0015] 根据第一至第五任一种实现方式，在第一方面的第六种实现方式中，传输所述导频音的频率低于后续数据传输所用的频率。

[0016] 与第五种实现方式类似，第六种实现方式有利地降低了建立连接之后的信号能量消耗。该方式的原因在于，一旦建立连接，就不需要增加信号强度，因此可以使用较低的频率进行正常的数据交换。

[0017] 根据第一至第六任一种实现方式，在第一方面的第七种实现方式中，传输所述导频音的发射功率高于后续数据传输的功率。

[0018] 在该实现方式中，一旦连接建立，采用降低的功率传输信号。通过增加带宽、增加频率、降低发射放大器增益或其他措施可以降低功率。降低功率是基于以下认识：根据第一方面，相比较连接建立之后，建立连接需要更强的信号强度。这一优势在于正常的数据交换期间可以节省功耗。

[0019] 根据第一至第七任一种实现方式，在第一方面的第八种实现方式中，包括：在传输所述导频消息之前，将所述导频消息添加到数据消息之前。

[0020] 添加导频消息，包括导频音，有利于确保在遇到实际的消息数据之前建立连接。此外，一旦连接存在，就可以准备发送消息数据。

[0021] 根据第八种实现方式，在第九种实现方式中，所述添加所述导频消息包括：添加所述导频消息和所述数据消息之间的等待时间。

[0022] 这有利于确保在开始传输实际数据时实际建立连接，并且当基站不是完全数字化时可能是可取的。

[0023] 根据第一至第九任一种实现方式，在第一方面的第十种实现方式中，包括：在传输所述导频消息之前，从查找表、专用振荡器或通过直接数字合成获得所述导频消息。

[0024] 可能不必基于当前协议参数和其他条件对导频消息进行即时计算，而是可以方便地从查找表或类似实体中对其进行检索，在该程度上，该实现方式是有利的。这加速了连接的建立。在一些实施例中，或者可以通过直接数字合成来获得导频消息。在这种情况下，优点在于连接的建立不依赖于可能不完整的表，而是可以独立地考虑当前协议或相应基站所需的任何参数。第二方面定义了一种移动台，包括：用于执行第一方面及前述任一实现方式所述的方法的传输装置。不管是否存在有利或不利的传输条件，对于上述原因以及对于表示能够用于任何基站的移动设备，此类移动设备是有利的。第二方面所述的移动设备在具有高密度和低密度的移动设备，以及具有合适和不太合适的信号条件的环境中工作，其用于连接到基站。

[0025] 第三方面定义了一种系统，包括：用于执行第一方面及前述任一实现方式所述的方法的移动台，以及基站，其中，该基站用于从所述移动台接收导频消息之后，通过对所述移动台进行波束导向响应所述移动台。

[0026] 由于与上述相同的原因，第三方面是有利的。该系统在具有较多和较少移动设备、基站提供高或低信号强度，以及移动设备到基站具有不同距离时都能有效地工作。

附图说明

[0027] 图1A示出了根据传统技术的系统。

[0028] 图1B示出了根据本发明实施例的系统。

[0029] 图2是根据本发明实施例的一种方法的流程图。

[0030] 图3是根据本发明实施例另一种方法的流程图。

[0031] 图4是示出根据本发明实施例的导频音的曲线图。

[0032] 图5是示出根据本发明实施例的导频消息的框图。

具体实施方式

[0033] 图1A示出了反映移动台和基站的传统操作的系统100。

[0034] 图1A示出了基站110、第一移动台120和第二移动台130。第一移动台120与基站110之间的距离比第二移动台130与基站110之间的距离短。距离可以指欧几里德距离，其效果在于相比较基站110传输的信号到达第一移动站120时，当其到达第二移动站130时可能会衰减更多。信号衰减也可能是由于诸如距离等的其他因素，例如基站110和其中一个移动台之间的墙壁或多路径传播。所示的距离仅作为信号如何衰减的示例，而不构成限制。

[0035] 移动台120被示出传输信号，其用围绕移动台120的同心圆来说明。基站110在移动台120 的可及范围内，这意味着可以在基站110检测和识别移动台120传输的信号。识别信号之后，基站110传输示为圆圈部分的序列的响应信号。采用波束成形或波束导向技术将该响应信号指向移动台120。正如移动台120被响应信号的一些圆圈部分完全覆盖，该响应信号足够强，可以到达移动台120。因此，建立了基站110和移动台120之间的连接。

[0036] 图1B示出了反映根据本发明实施例的移动站和基站的操作的系统100。

[0037] 图1B类似于图1A，其中描绘了基站110以及第一移动台120和第二移动台130。移动台130 到基站110的距离比移动台120到基站110的距离更远。或者，移动台130到基站110的距离可以与移动台120到基站110的距离一样，或者甚至更短。但是这可能会受到不太有利的接收和/或传输条件的限制，例如由于墙壁或其他障碍物，或由于移动台130与基站110之间的多径传播。

[0038] 移动台130可用于检测信号状况是不利的。在一实施例中，移动台130确定在预定时间段内没有从基站110或任何其他基站接收到信号。此时间段可以基于制造商设置，或者可以由移动设备130的开发者或用户进行设置。在另一实施例中，移动台130可用于检测来自诸如基站110等基站的信号，但是可以确定接收到的信号太弱不足以建立与基站的连接。在这种情况下，移动台130可以检测到在预定时间段内接收到的信号已经低于预定强度。同样，预定时间段和/或预定信号强度都可以由移动设备的制造商进行设置和/或可以由移动设备的开发者或用户进行设置或调整。移动设备或基站也可以动态地得到预定值，例如基于区域中基站的密度、基站定义的小区中移动设备的密度和/或反映移动设备成功连接到基站的统计信息。如上所述，确定不利的信号条件之后，移动台130可用于向基站110传输导频消息，其中，所述导频消息包括导频音。该导频音可以由移动台130进行配置，从而在不利的信号条件下提高建立与基站110的连接的可能性。在一实施例中，相比较诸如上文所说的移动台120等其它移动台发送的信号，导频音可以包括降低的带宽。降低带宽可能会带来几个效果。第一个效果在于降低的带宽会限制传输的数据量。在当前情况下，该效果是可以忽略的，因为除了允许基站识别移动台的信号之外，发送导频音不旨在传送任何重要的内容。
第二个效果在于接收器可以采用较窄的接收滤波器来匹配较小的带宽，这减小了接收到的噪音量，从而提高了与移动台相距较远的导频音的可检测性。第三个效果在于信号强度将随着带宽的降低而增加。这些效果由图1B中围绕第二移动台130的同心圆示出，相比较图1A中围绕移动台 120的圆圈，所述圆圈对齐的距离更大，并且也更粗。如图所示，移动台130传输的信号强度足够高以覆盖基站110，从而使基站110能够检测移动台130。基站110通过向移动台130 进行波束导向来响应检测移动台130，有效地建立到移动台130的连接。

[0039] 可以在接收到的导频消息或导频音的方向上进行所述波束导向。或者，可以在来自移动台130 的最大信号强度的方向上进行波束导向。在这一程度上，一旦检测到本发明提供的导频，本发明实施例可以使用诸如到达角等已知技术。

[0040] 图1A和图1B一起示出了当信号条件足够时，传统方法足以建立从基站110到移动台120的连接，但是需要创造性措施来建立基站和移动台之间的连接。其中，诸如移动台130等的该移动台会受到不利信号状况的限制。

[0041] 移动台130发送的导频音可以认为是零星通信，并非永久而是短暂地对其进行发送，从而建立连接，或至少使得附近的基站能够检测移动台。由于建立连接阶段时不需要重要内容，以及可以通过这种方式实现更好的信号强度，因此导频音是低通量。在许多实施例中，导频音由移动台130发送，因此构成上行链路通信。在一些实施例中，另外，具有所述导频音的导频消息可以由基站而非移动台进行发送。

[0042] 移动台使用导频音使得基站检测到该导频音是基于以下认识：传统的无线网络关注的是在具有基站可达范围内的高密度移动台的场景。在这种情况下，通信通常受到同时通信的多个移动台之间干扰的影响。另一方面，本发明关注的是不利条件，其是由相邻基站之间的远距离引起的，例如可能受到信号噪音而非干扰的影响。由于这一认识，找到了一种用于建立连接的导频音的创造性发送方法。在受到干扰的环境中，上述导频音的传输是不适当的，因为导频音的高强度和可能的非正交性将进一步增加与其他移动台的干扰，并且可能不具有成功建立连接的预期效果。然而，结合检测到来自基站的不足信号，发送具有此处所述特征的导频音有利于在容易发生信号减弱的环境中建立连接。

[0043] 此处公开的创造性措施的另一个优点在于降低了对移动台的技术要求。采用传统的方法，连接部分依赖智能设备作为移动台，所述智能设备能够确定其确切的位置并向基站报告该位置。本发明避免了该要求，因为低成本移动台也可以生成和传输导频音。在这方面，本发明还降低了移动设备的功耗。

[0044] 生成导频音可以包括另外应用或用来降低带宽的措施。在一实施例中，导频音包括基于可用于传输的最大带宽确定的长度的单频音，以及在导频音上应用预定窗函数所需的多个采样。例如，可以基于最大可能带宽将导频音长度确定为最小可能长度。最大可能带宽可以是基站允许的带宽，例如根据技术限制、基站制造商设置、基站使用的协议施加的限制和/或法定限制。多个窗函数中的一个或多个可以由基站使用，以便在传输时减少频谱泄漏。窗函数的示例包括Rectangular、Hanning、Hamming、Blackman和Flat top函数。每个窗函数可能需要相应数量的样本nwin用于采样函数。例如，给定所需的窗口频率响应主波瓣宽度为-3dB，则 Rectangular函数需要0.88个样本，而Hanning需要1.44个、Hamming需要1.30个、Blackman 需要1.64个、Flat top需要2.94个；具有所需的窗口频率响应主瓣宽度为-6dB，则Rectangular 需要1.21个采样、Hanning需要2.00个、Hamming需要1.81个、Blackman需要2.30个、Flat top需要3.56个。对于给定的带宽，可以确定最小导频音长度为 Tmin＝nwin 2/BW

[0045] 其中，BW为最大可能带宽。

[0046] 考虑到关系Lw＝Tmin/fs的采样频率fs[Hz]，最小导频音长Tmin转化为最小采样数Lw，其中 fs为采样频率。在t＝(0:Lw-1)/fs的范围内，导频音的参数x可以在MathlabTM语法中确定为

[0047] x＝sqrt(Ptx)*sin(2*pi*fc*t)

[0048] 其中，Ptx为最大发射功率，fc是移动台的最小中心频率。因此，导频音的参数y等于[0049] y＝w*x(1:LwSamples)

[0050] LwSamples＝ceil(Lw*fs)

[0051] 其中，w对应于一组窗口样本，并且如果使用Flat top窗函数，可以在MathlabTM语法中确定为

[0052] w＝flattopwin(LwSamples)

[0053] 图4示出了从这些参数中生成的示例性导频音。

[0054] 参数nwin可以从标量值的查找表中确定。在一些实施例中，甚至可以从查找表获得完整的导频消息。或者，可以从专用振荡器获得导频消息。在其他情况下，可以根据上述步骤直接数字合成导频消息。

[0055] 所得到的导频音可以包括关于其他移动台的波形在频率、时间、序列和/或空间上非正交的波形。

[0056] 在传输导频音并成功建立与基站110的连接之后，移动台130可以返回到标准带宽，例如移动台120使用的连接等传统连接中使用的带宽。本发明的实施例包括移动台130，其采用如上所述最小中心频率fc所反映的频率生成和发送导频音，该频率比传统连接协议中常见的频率更低。然而，建立连接之后，可以再次增加频率以提高与基站的数据交换。

[0057] 根据具体实施例，在传输导频消息之前，可以在移动台将导频消息添加到数据消息。这可以实现在基于导频音建立连接之后，直接完成开始数据传输。在一些实施例中，例如，为了有时间来建立连接，可以在导频音和数据消息之间插入等待时间。特别地，插入等待时间可能取决于基站是否包括全数字化的接收器。如果接收器是完全数字化的，则不需要插入等待时间。否则，为了有时间建立连接，插入等待时间可能是可取的。图5示出了示例性的导频消息。导频消息包括传输数据。导频消息前添加的是一个导频音。在导频音和导频信息之间插入等待时间。

[0058] 上述措施的优点可以用IEEE 802.15.4传感器系统，也称为Zigbee，来证明。在该系统中，链路预算的特征如下：基站系统的接收系统的灵敏度Srx可以达到-98dBm，而移动台的最大允许发射功率Ptx可以为0dBm；基站可能的最大带宽可能为1200kHz，其频率范围为902～ 928MHz、数据突发速率为40kbit/s；该基站可能能够用没有旁瓣的单个波束进行波束成形，并且可以创建完美的扇区波束来检测移动台；可以覆盖360度或更小角度的天线元件的示例数量为N＝48，并且通过波束成形获得的基站的增益Gbf可以是Gbf＝sqrt(N)＝
8.5dBi。示例性波形可以基于上述的Flat top窗函数。

[0059] 基于该配置，本发明将实现如下节能。

[0060] 40kbit的信息可以以Ttx＝1s中的40kbit/s传输。没有本发明，该消息将立即发送到基站，因此需要Ptx*Ttx的能量。然而，利用本发明，必须添加用于数据消息的导频音和能量的能量，产生Ptx*2*4/BW+(Ptx-Gbf)*Ttx。利用上述值，没有本发明时消耗的能量的比例和利用本发明时消耗的能量的比例为6.93。这意味着在相同的链路预算下，利用本发明或者移动台可用的能量时可以发送6.93倍的消息。

[0061] 应当注意，这里提供的一些方程式包括对数和线性数表示。虽然这些表示的组合在数学意义上不是精确的，但是它们在工程上是常见的，并且为熟练的读者所理解。

[0062] 图2示出了根据本发明实施例的方法200。在块210，诸如图1A和图1B中的移动台130等移动台识别准备发送的数据消息。

[0063] 在块220，移动台判断来自基站的信号强度是否足以传输数据消息。如果足以传输，则移动台可以在块250与基站相连，并在块270传输数据消息。应当注意，块220是可选的。在一些实施例中，例如，在没有测量信号强度的情况下预计有不利条件时，下面讨论的块230可以是一直直接跟在块210后面的。

[0064] 如果信号强度不足，则该方法转到230继续。可以根据上述任一机制确定不足的信号强度。例如，没有在预定时间内检测到来自基站的信号。或者，预定时间内信号可能未超过预定强度。

[0065] 在这种情况下，移动台可以决定利用用于对基站进行信令的导频消息，并确定要包括在导频消息中的导频音的参数。这些确定可以包括此处讨论的任何计算和措施。随后，在块240，移动台可以生成导频音和导频消息。这可以包括将导频消息和导频音添加到数据消息之前，同时可能在导频消息和数据消息之间插入等待时间。最后，在块260传输导频消息，并且在块270传输数据消息。

[0066] 图3示出了在诸如基站110等基站执行的方法300。在块310接收上述导频消息。在块320，基站对发送导频消息的移动台的接收方向和/或功率进行估计。该方法在块330结束，其中基站在移动台的方向上接收波束成形。

[0067] 虽然已详细描述了本发明及其优点，但是应理解，在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、替换和变更。