СПОСОБЫ И ПОРЯДОК ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КОММУНИКАЦИЙ В МАЛОМОЩНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ
METHODS AND ORDER OF IMPLEMENTATION OF COMMUNICATION IN LOW-POWERED WIRELESS NETWORKS

Уровень техники
Варианты осуществления изобретения относятся к области беспроводной связи. Более конкретно, варианты осуществления изобретения относятся к области коммуникационных протоколов между беспроводными передатчиками и приемниками.
Сущность изобретения
BPSCS
BPSCS
Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении пропускной способности каналов передачи. В одном из вариантов осуществления этот результат достигается за счет того, что логическая схема физического уровня под управлением программного кода, записанного на машиночитаемый носитель записи, осуществляет генерирование потока данных блока (PPDU) данных протокола физического уровня, сформированного для одномегагерцовой ширины полосы; перемежение бит потока данных, в котором биты расположены в таблице, имеющей восемь колонок и 3*N строк, где N обозначает количество кодированных битов на поднесущую; генерирование коммуникационного сигнала посредством мультиплексирования (OFDM) с ортогональным частотным разделением, включающего в себя множество поднесущих, в котором множество поднесущих включает в себя двадцать четыре поднесущих данных, две поднесущих пилот-сигнала, пять защитных поднесущих и одну поднесущую постоянного тока (DC).
BPSCS
BPSCS
В другом варианте осуществления этот результат достигается за счет того, что логическая схема физического уровня под управлением программного кода, записанного на машиночитаемый носитель записи, осуществляет прием множества OFDM символов, OFDM символ закодирован посредством множества поднесущих, множество поднесущих включает в себя двадцать четыре поднесущих данных, две поднесущие пилот-сигнала, пять защитных поднесущих и одну поднесущую прямого тока (DC); и восстановление первоначальной последовательности бит для одномегагерцовой полосы частот, при этом последовательность бит основана на OFDM символах, а восстановление последовательности бит включает расположение последовательности бит в таблице, имеющей восемь колонок и 3*N строк, где N обозначает количество кодированных битов на поднесущую.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает вариант осуществления примерной беспроводной сети, содержащей множество коммуникационных устройств, в том числе множество коммуникационных устройств фиксированной или мобильной связи;
фиг. 1A-D изображают альтернативные варианты осуществления символа OFDM для работы 1 МГц трансиверов, как показано на фиг. 1;
фиг. 2 изображает вариант осуществления устройства для генерирования и передачи коммуникаций на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) в беспроводной сети;
фиг. 2A-D изображают альтернативные варианты осуществления в виде таблицы с параметрами, расположенными построчно, и в столбцах указаны чередование данных для работы 1 МГц трансиверов на фиг. 2;
фиг. 3 показывает вариант осуществления блок-схемы алгоритма для передачи коммуникаций передатчиком, как показано на фиг. 2; и
фиг. 4 показывает вариант осуществления блок-схемы алгоритма для приема коммуникаций приемником, как показано на фиг. 2.
Подробное описание вариантов осуществления
Ниже приводится подробное описание новых вариантов осуществления, изображенных на прилагаемых чертежах. Тем не менее количество предложенных деталей не предназначено для ограничения ожидаемых вариаций описанных вариантов осуществления; наоборот, формула изобретения и подробное описание охватывают все модификации, эквиваленты и альтернативы, не выходящие за рамки сущности и объема настоящих идей, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Приведенные ниже подробные описания разработаны с целью разъяснения таких вариантов осуществления специалистам в данной области техники.
Варианты осуществления могут включать в себя системы мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM), работающие на 1 ГГц и более низких диапазонах частот. В частотных диапазонах 1 ГГц и ниже, ширина полосы пропускная ограничена, таким образом, система типа IEEE 802.11n/ас, которая использует ширину полосы пропускания 20, 40, 80 и 160 МГц, не может быть применена в некоторых географических регионах. Во многих вариантах осуществления системы имеют ширину полосы пропускания приблизительно от 1 до 10 МГц. В нескольких вариантах осуществления в системе типа 802.11n/ас может быть снижена частота тактовых сигналов для согласования с уменьшенной шириной полосы пропускания. Например, многие варианты осуществления снижают частоту тактовых сигналов на N, так 20, 40, 80 и 160 МГц делятся на N, где N может принимать значение, например, 10, обеспечивая работоспособность со значениями ширины полосы пропускания 2, 4, 8 и 16 МГц. Варианты осуществления также могут обеспечивать полосу пропускания 1 МГц другим способом. В некоторых вариантах осуществления вычисление значения ширины полосы пропускания 2, 4, 8 и 16 МГц может быть основано на системе IEEE 802.11ac. В других вариантах осуществления вычисление сигнала может отличаться от систем IEEE 802.11ac, удаляя, например, вычисления сигнала, которые не нужны при более низких значениях ширины полосах частот.
Во многих вариантах осуществления логическая схема физического уровня может реализовать конкретные вычисления сигнала для функционирования на 1 МГц. Например, в работе на 1 МГц символы мультиплексирования с ортогональным частотным разделением могут содержать двадцать поднесущих информации (тональных сигналов), четыре поднесущих пилот-сигнала, семь защитных поднесущих и одну поднесущую постоянного тока (DC). В других вариантах осуществления символы мультиплексирования с ортогональным частотным разделением могут содержать двадцать четыре поднесущих информации (тональных сигналов), две поднесущих пилот-сигнала, пять защитных поднесущих и одну поднесущую постоянного тока (DC). В других вариантах осуществления символы мультиплексирования с ортогональным частотным разделением могут содержать двадцать две поднесущие информации (тональных сигналов), четыре поднесущие пилот-сигнала, пять защитных поднесущих и одну поднесущую постоянного тока (DC). В других вариантах осуществления символы мультиплексирования с ортогональным частотным разделением могут содержать двадцать две поднесущие информации (тональных сигналов), две поднесущие пилот-сигналов, семь защитных поднесущих и одну поднесущую постоянного тока (DC).
Такие варианты осуществления могут преобразовывать символы мультиплексирования с ортогональным частотным разделением между частотной и временной областями быстрым преобразованием Фурье 32 точек или обратным быстрым преобразованием Фурье. Некоторые варианты осуществления могут преобразовать с повышением частоты и передать коммуникационный сигнал с символами мультиплексирования с ортогональным частотным разделением на частоте один мегагерц. Дополнительные варианты осуществления могут принимать и детектировать коммуникационный сигнал с символами мультиплексирования с ортогональным частотным разделением на частоте один мегагерц.
Некоторые варианты осуществления могут обеспечить, например, внутреннюю и/или внешнюю "интеллектуальную" энергосистему и услуги по контролю над параметрами. Например, некоторые варианты осуществления могут обеспечивать использование датчиков для измерения потребления электроэнергии, воды, газа и/или других коммунальных услуг, предоставляемых для дома или домов в пределах конкретного района и передавать данные о величине потребления этих услуг по беспроводной связи в измерительную подстанцию. Дополнительные варианты осуществления могут использовать датчики для обеспечения оказания услуг по уходу за больными на дому, в клинике или больнице для мониторинга параметров состояния больного, относящихся к основным показателям жизнедеятельности пациентов, такие как обнаружение падения, мониторинга таблеток, мониторинг веса, апноэ во время сна, уровень сахара в крови, сердечные ритмы и тому подобное. Варианты осуществления, предназначенные для таких услуг, как правило, требуют гораздо более низкие скорости передачи данных и значительно низкое (сверхнизкое) энергопотребление по сравнению с устройствами, предусмотренными в системах IEEE 802.11n/ас.
Некоторые варианты осуществления повторно используют системы IEEE 802.11n/ac с новыми признаками, которые удовлетворяют требованиям снижения скорости передачи данных и сверхнизкого энергопотребления, повторно используют аппаратные средства и снижают затраты на внедрение. Дополнительные варианты осуществления применяют совмещение нескольких потоков. Несколько вариантов осуществления не используют устаревшие способы подстройки и устаревшие сигнатуры и не реализуют многопользовательской режим, многоканальный вход - многоканальный выход (MIMO). И некоторые варианты осуществления используют технологию формирования луча.
Логические схемы, модули, устройства и интерфейсы, описанные здесь, могут выполнять функции, которые могут быть реализованы в аппаратных средствах и/или кодом. Оборудование и/или код может содержать программное обеспечение, программно-аппаратное средство, микрокод, процессоры, конечные машины, наборы микросхем или их комбинации, предназначенные для выполнения функций.
Варианты осуществления могут способствовать установлению беспроводной связи. Некоторые варианты осуществления могут включать в себя маломощные беспроводные коммуникации, как Bluetooth, беспроводные локальные сети (WLANs), беспроводные городские сети (WMANs), беспроводные персональные сети (WPAN), сотовые сети, стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) IEEE 802.11-2007, стандарт IEEE по информационным технологиям - связи и обмена информацией между системами - локальные и городские сети - Особые требования - Часть 11:
Беспроводная локальная сеть управления доступом к среде (MAC) и Технические характеристики физического уровня (PHY) (http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11-2007.pdf), коммуникации в сетях, системы обмена сообщениями и смарт-устройства для облегчения взаимодействия между такими устройствами. Кроме того, некоторые варианты осуществления беспроводной связи могут включать в себя одну антенну, в то время как другие варианты осуществления могут использовать множество антенн.
Обратимся теперь к фиг. 1, на которой показан вариант осуществления системы 1000 беспроводной связи. Система 1000 беспроводной связи содержит коммуникационное устройство 1010, которое подключено к сети 1005 посредством провода или по беспроводной связи. Коммуникационное устройство 1010 может устанавливать беспроводную связь с множеством коммуникационных устройств 1030, 1050 и 1055 через сеть 1005. Эти коммуникационные устройства 1010, 1030, 1050 и 1055 могут содержать датчики, станции, точки доступа, хабы, коммутаторы, маршрутизаторы, компьютеры, портативные компьютеры, ноутбуки, сотовые телефоны, PDAs (персональные цифровые помощники) или другие беспроводные устройства. Таким образом, коммуникационные устройства могут быть мобильными или фиксированными. Например, коммуникационное устройство 1010 может содержать измерительные подстанции для контроля над потреблением воды в пределах микрорайона. Каждый из домов в пределах микрорайона может содержать коммуникационное устройство, такое как коммуникационное устройство 1030 и коммуникационное устройство 1030 может быть интегрировано с или подключено к измерительному устройству потребления воды. Периодически коммуникационное устройство 1030 может инициировать установление связи с измерительной подстанцией для передачи данных, относящихся к данным потребления воды, по одномегагерцовому каналу. Коммуникационное устройство 1030 может кодировать символы на двадцати поднесущих информации, четырех поднесущих пилот сигнала, семи защитных поднесущих и одной поднесущей постоянного тока и преобразовывать символы с частотной области во временную область для создания коммуникационного сигнала. Более того, измерительная станция или другое коммуникационное устройство может периодически инициировать обмен данными с коммуникационным устройством 1030 по одномегагерцовому каналу, осуществляя перемежение символов с пятью столбцами, умноженное на 4 Nbpscs (Ν бит на один кодированный символ), чтобы, например, обновить программно-техническое обеспечение коммуникационного устройства 1030. В других вариантах осуществления коммуникационное устройство 1030 может только направлять ответный сигнал на запрос и не может содержать логическую схему, которая инициирует коммуникации.
В других вариантах осуществления коммуникационное устройство 1030 может кодировать символы двадцатью четырьмя поднесущими информации (тональные сигналы), двумя поднесущими пилот-сигнала, пятью защитными поднесущими и одной поднесущей постоянного тока (DC) и преобразовывать символы из частотной области во временную область для создания коммуникационного сигнала. В других вариантах осуществления коммуникационное устройство 1030 может кодировать символы двадцатью двумя поднесущими информации (тональные сигналы), четырьмя поднесущими пилот-сигнала, пятью защитными поднесущими и одной поднесущей постоянного тока (DC) и преобразовывать символы из частотной области во временную область для создания коммуникационного сигнала. В других вариантах осуществления коммуникационное устройство 1030 может кодировать символы двадцатью двумя поднесущими информации (тональными сигналами), двумя поднесущими пилот-сигнала, семью защитными поднесущими и одной поднесущей постоянного тока и преобразовывать символы из частотной области во временную область для создания коммуникационного сигнала.
В других вариантах осуществления коммуникационное устройство 1010 может обеспечить разгрузку данных. Например, коммуникационное устройства, которые представляют собой маломощные датчики, могут включать в себя цепь разгрузки данных, например устанавливать связь с помощью Wi-Fi, с другим коммуникационным устройством, посредством сотовой сети и т.п. в целях снижения энергопотребления в период ожидании доступа, например, к измерительной станции и/или увеличения ширины полосы пропускания. Коммуникационные устройства, которые принимают данные из датчиков, таких как измерительные станции, могут включать в себя схему разгрузки данных, например, устанавливать связь через Wi-Fi, другое устройство связи, сотовую сеть и т.п. в целях уменьшения нагрузки на сеть 1005.
Сеть 1005 может представлять собой взаимозависимость ряда сетей. Например, сеть 1005 может соединяться с глобальной сетью, такой как Интернет или интранет, и может взаимодействовать с проводными или мобильными локальными устройствами через один или несколько хабов, маршрутизаторов или коммутаторов. В настоящем варианте осуществления сеть 1005 коммуникативно соединяет коммуникационные устройства 1010, 1030, 1050 и 1055.
Коммуникационные устройства 1010 и 1030 могут содержать память 1011 и 1031, логический уровень 1081 и подуровень 1038 управления доступом к среде (MAC) соответственно. Память 1011, 1031, такая как динамическая память с произвольной выборкой (DRAM), может хранить фреймы, преамбулы и структуры преамбулы или их части. Фреймы, также называемые как блоки данных протокола обмена сообщениями MAC уровня (MPDUs), и структуры преамбулы могут устанавливать и поддерживать синхронизированную коммуникацию между передающим устройством и приемным устройством.
Логический и MAC подуровень 1018, 1038 могут генерировать фреймы и физический уровень логического канала 1019, 1039 может генерировать блоки данных физического уровня (PPDUs). Более конкретно, средство 1012 и 1032 формирования фрейма могут генерировать фреймы и средство 1013 и 1033 формирования блока данных могут генерировать PPDUs. Средство 1013 и 1033 формирования блока данных могут генерировать PPDUs путем инкапсуляции полезной нагрузки, содержащей фреймы, генерируемые средством 1012 и 1032 формирования фрейма, для префикса полезной нагрузки, подлежащей передаче по одному или нескольким радиочастотным каналам через антенные устройства 1024 и 1044 соответственно.
Коммуникационные устройства 1010, 1030, 1050 и 1055 могут каждое содержать трансивер (RX/ТХ), такие как трансиверы (RX/ТХ) 1020 и 1040. Во многих вариантах осуществления трансиверы 1020 и 1040 осуществляют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). OFDM является способом кодирования цифровых данных на нескольких несущих частотах. OFDM является схемой мультиплексирования с частотным разделением каналов, которая используется в качестве способа цифровой модуляции с несколькими несущими. Большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих используются для передачи данных в виде символов OFDM. Символы OFDM разделены на несколько параллельных потоков или каналов, по одному для каждой поднесущей и закодированы поднесущими, на которой символы OFDM будут переданы принимающему устройству, такими как двадцатью поднесущими информации, семью защитными поднесущими, четырьмя поднесущими пилот-сигнала и одной DC поднесущей. Каждая поднесущая модулируется по схеме модуляции при низкой скорости передачи символов, поддерживая общую скорость передачи данных, аналогично обычным схемам модуляции с одной несущей в той же полосе частот.
Система OFDM использует несколько несущих, или "тональные сигналы", для передачи данных, пилот-сигнала, защиты и нуллификации. Данные тонального сигнала используются для передачи информации между передатчиком и приемником через один из каналов. Пилот-сигналы используются для поддержания каналов и могут предоставить информацию о времени/частоте и отслеживания канала. Защитные тональные сигналы могут быть вставлены между символами, такими как символы короткого подготовительного поля (STF) и длинного подготовительного поля (LTF), в процессе передачи для недопущения межсимвольной интерференции (ISI), которая может возникнуть в результате эффекта многолучевого распространения. Эти защитные тональные сигналы также обеспечивают соответствие спектральной маски сигналу. Нуллификация постоянной составляющей (DC) может быть использована для упрощения схем прямого преобразования в приемнике.
Каждый трансивер 1020, 1040 содержит RF передатчик и RF приемник. RF передатчик содержит OFDM модуль 1022, который накладывает цифровые данные, символы OFDM, закодированные с тональными сигналами, на RF частоты, также называемые как поднесущие, для передачи данных посредством электромагнитного излучения. В настоящем варианте осуществления OFDM модуль 1022 может наложить цифровые данные в виде символов OFDM, закодированные тональными сигналами, на поднесущие для передачи. Для 1 МГц полосы частот в некоторых вариантах осуществления OFDM символы могут содержать 20 тональных сигналов информации, семь защитных тональных сигналов, четыре тональных пилот-сигнала и один тональный сигнала DC. В других вариантах осуществления OFDM символы могут содержать 24 тональных сигнала информации, два тональных пилот-сигнала, пять защитных тональных сигнала и один тональный сигнал постоянного тока; 22 тональных сигнала информации, четыре тональных пилот-сигнала, пять защитных тональных сигналов и один тональный сигнал DC; или 22 тональных сигнала информации, два тональных пилот-сигнала, семь защитных тональных сигналов и один тональный сигнал DC.
Фиг. 1А иллюстрирует вариант осуществления OFDM символа 1060. OFDM модуль 1022 может генерировать различные OFDM символы для различных полос пропускания, такие как 2 МГц, 4 МГц, 8 МГц и 16 МГц и может генерировать OFDM символ 1060 для канала с шириной полосы пропускания в 1 МГц, для трансиверов, таких как трансиверы на фиг. 1, что соответствует обратному быстрому преобразованию Фурье 32 точек. OFDM символ 1060 содержит 32 тональных сигнала, также называемые поднесущими, индексированные от -16 до 15. Эти 32 тональные сигналы включают в себя 20 тональных сигналов информации, семь защитных тональных сигналов, четыре тональных пилот-сигнала и один тональный сигнал постоянного тока (DC). Четыре низкочастотные тональные сигналы являются защитными тональными сигналами, предусмотренные для фильтрации с понижением частоты и с повышением частоты. Частота тонального сигнала с нулевым индексом представляет собой тональный сигнал постоянного тока и предназначен для подавления радиочастотных помех. DC тональный сигнал может содержать тональный сигнал на несущей частоте, например, 1 МГц. И частоты тональных сигналов информации и пилот-сигнала предусмотрены между индексами -12 до -1 и индексами от 1 до 12.
RF приемник содержит OFDM модуль 1042, который принимает электромагнитную энергию на RF частоте, выделяет цифровые данные из нее. Для работы на 1 МГц OFDM 1042 может извлекать OFDM символы, содержащие 20 тональных сигналов информации, семь защитных тональных сигналов и один тональный сигнал постоянного тока, такие как OFDM символ 1060, показанный на фиг. 1А. В других вариантах осуществления OFDM символы могут быть закодированы как OFDM символ 1062, 1064 или 1066, как показано на фиг. 1B-D соответственно, с конфигурациями перемежителя, описанных в таблицах 252, 254 или 256 соответственно.
Фиг. 1 может изображать несколько различных вариантов осуществления, включающих в себя систему многоканальный вход - многоканальный выход (MIMO), например, с четырьмя пространственными потоками, и может изображать генерирующие системы, в которых одно или более из коммуникационных устройств 1010, 1030, 1050 и 1055 содержит приемник и/или передатчик с одной антенной, включающие в себя систему с одним входом и одним выходом (SISO), систему с одним входом и многими выходами (SIMO) и систему со многими входами и одним выходом (MISO). Система 1000 беспроводной связи, показанная на фиг. 1, предназначена для представления системы стандарта Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 802.11ah. Аналогичным образом, устройства 1010, 1030, 1050 и 1055 предназначены для представления устройств стандарта IEEE 802.11ah.
OFDM модуль 1022, 1032 преобразовывает информационные сигналы в сигналы, которые подаются на элементы антенной решетки 1024. Антенная решетка 1024 представляет собой массив отдельных, отдельно возбудимых антенных элементов. Сигналы, поданные на элементы антенной решетки 1024, вызывают излучение антенной решеткой 1024 по одному до четырех пространственных каналов. Таким образом, образованный каждый пространственный канал может нести информацию для одного или более коммуникационных устройств 1030, 1050 и 1055. Аналогичным образом, коммуникационное устройство 1030 содержит трансивер 1040 для приема и передачи сигналов от и к коммуникационному устройству 1010. Трансивер 1040 может содержать антенную решетку 1044, способную осуществлять связь с устройствами стандарта IEEE 802.11ah.
Фиг. 2 иллюстрирует вариант осуществления устройства мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) для осуществления коммуникации в беспроводной сети. Устройство содержит трансивер 200, соединенный с логической схемой 201 подуровня управления доступом к среде (MAC) и логической схемой 202 физического уровня. Логическая схема 201 подуровня MAC может генерировать фрейм и логическая схема 202 физического уровня может инкапсулировать фрейм (MPDU) с преамбулой для генерирования блока данных протокола физического уровня (PPDU) для передачи через трансивер 200. Например, средство формирования фрейма может генерировать фрейм, включающий в себя тип поля, который определяет факт того, является ли фрейм фреймом управления, контроля или информационным фреймом, и подтип поля для указания функции фрейма. Фрейм контроля может включать в себя фрейм, готовый к отправке, или фрейм, свободный для передачи. Фрейм управления может содержать навигационный фрейм, фрейм ответа проверки, фрейм в ассоциации ответа или фрейм в реассоциации ответа. И тип фрейма данных предназначен для передачи данных.
Трансивер 200 содержит приемник 204 и передатчик 206. Передатчик 206 может содержать один или более кодеров 208, перемежитель 209, модулятор 210 и OFDM модуль 212. Кодер 208 передатчика 206 принимает данные, предназначенные для передачи, из логической схемы 202 физического уровня. Логическая схема 202 физического уровня может направлять данные в трансивер 200 в блоках или символах, таких как байты данных. Кодер 208 может кодировать данные, используя любой из ряда алгоритмов, известных сейчас или которые будут разработаны. Кодировка может быть осуществлена для достижения одной или более из множества различных целей. Например, кодирование может быть выполнено для уменьшения среднего числа битов, которые должны быть отправлены для передачи каждого символа информации, подлежащей передаче. Кодирование может быть выполнено с целью уменьшения вероятности появления ошибки при детектировании символа в приемнике. Таким образом, кодер может ввести избыточность в поток данных. Добавление избыточности увеличивает ширину полосы пропускания, необходимую для передачи информации, но приводит к уменьшению ошибок и обеспечивает передачу сигнала на более низкой мощности. Кодирование может также содержать шифрование для обеспечения безопасности.
В настоящем варианте осуществления кодер 208 может осуществлять бинарное сверточное кодирование (ВСС) или кодирование с низкой плотностью проверок на четность (LDPC), а также другие кодировки. Сигнал с выход кодера 208 подается в перемежитель 209 в качестве потока данных. В некоторых вариантах осуществления анализатор потока может находиться между кодером 208 и перемежителем 209 для разборки данных на несколько потоков данных.
Перемежитель 209 может уплотнить биты потока данных, часто называемые на этой стадии как пространственные потоки, чтобы не допустить поступления длинных последовательностей соседних битов с шумами на вход декодера в приемнике. Перемежитель 209 может перемежевать биты данных в потоке данных, сохраняя данные в строках памяти, такой как буфер, кэш или другой памяти, перемежитель 209 затем выводит столбцы данных. Столбцы могут включать в себя бит данных из каждой из строк данных, хранящихся в памяти. Число строк и столбцов зависит от количества поднесущих, а также от количества кодированных битов на одной несущей (Nbpscs) для каждого пространственного потока.
Фиг. 2А иллюстрирует таблицу 250 перемежения для полосы пропускания 1 МГц. В таблице 250 описывает число строк и столбцов, которые могут быть реализованы для перемежения с помощью, например, перемежителя 209 для канала с 1 МГц полосой пропускания при использовании 32 поднесущих, включающих в себя 20 поднесущих информации, семь защитных поднесущих, четыре поднесущие пилот-сигнала и одну поднесущую DC. Например, первая строка таблицы 250 показывает 1*Nbpscs строк по 2 колонки. Nbpscs может равняться числу кодированных битов на символ (Ncbps), умноженным на число поднесущих (Nsd) информации или (Nbpscs=Ncbps*Nsd). Ncbps может равняться Nsd, умноженному на порядок модуляции (М), т.е. (Ncbps=Nsd*M), в котором M равно 1 для BPSK, 2 для QPSK, 4 для 16-QAM, 6 для 64-QAM, 8 для 256 QAM и 10 для 1024 QAM. Таким образом, количество строк (N ROWS) для 1 МГц полосы пропускания и BPSK модуляции и 20 поднесущих информации в первой строке таблицы 250 является Nrows=1*(20*1)*20, где Npscs=400, Ncbps=20 и M=1.
Дополнительные записи в таблице 250 также включают в себя 5*Nbpscs строк по 4 колонки и 4*Nbpscs строк по 5 столбцов, которые являются квадратными, чем другие записи в таблице 250. Фактическое количество строк может быть определено, как показано в расчетах выше для первой строки таблицы 250. Фиг. 2B-D описывают альтернативные варианты осуществления таблиц 252, 254 и 256 перемежения на основе соответствующих OFDM символов 1062, 1064 и 1066 соответственно.
Модулятор 210 передатчика 206 принимает данные из перемежителя 209. Модулятор 210 предназначен для преобразования каждого блока двоичных данных, принятых из кодера 208, в уникальный непрерывный сигнал, который может быть передан с помощью антенны после преобразования с повышением частоты и усиления. Модулятор 210 накладывает принятые блоки данных на синусоиды выбранной частоты. Более конкретно, модулятор 210 распределяет блоки данных на соответствующий набор дискретных амплитуд синусоиды, или набор дискретных фаз синусоиды, или набор дискретных частотных сдвигов по отношению к частоте синусоиды. Выходной сигнал модулятора 210 может быть полосовым сигналом.
В одном варианте осуществления модулятор 210 может осуществлять квадратурно-амплитудную модуляцию (QAM), накладывая два отдельных k-битовых символа из информационной последовательности на две квадратурные несущие, cos (2πft) и sin (2πft). Посредством QAM осуществляется передача двух цифровых битовых потоков, за счет изменения (модуляции) амплитуд двух несущих волн, используя амплитудную манипуляцию (ASK) схемы цифровой модуляции. Две несущие волны не совпадают по фазе друг с другом на 90° и, таким образом, называются квадратурными несущими или квадратурными компонентами. Модулированные волны суммируются, и полученный в результате сигнал может быть комбинацией фазовой манипуляции (PSK) и амплитудной манипуляции (ASK). Может быть использовано целое число, по меньшей мере, две фазы и, по меньшей мере, две амплитуды.
В некоторых вариантах осуществления модулятор 210 распределяет блоки данных, принятые из кодера 208, используя четырехточечную раскладку, эквидистантно расположенные по кругу, которая упоминается как квадратурная фазовая манипуляция (QPSK). С четырьмя фазами QPSK могут кодировать два бита на символ.
2
В другом варианте осуществления модулятор 210 распределяет блоки данных, принятые из кодера 208, на набор дискретных фаз несущей для получения фазоманипулированного (PSK) сигнала. N-фаза PSK сигнала генерируется путем распределения блоков k=logN двоичных цифр входной последовательности в одну из N соответствующих фаз θ=2π(n-1)/n, где n является положительным целым числом, и которое меньше или равно N. Полученный эквивалентный сигнал нижних частот может быть представлен в виде
I
где g(t-nT) является опорным импульсом, чья форма может быть оптимизирована для увеличения вероятности точного обнаружения в приемнике, например, уменьшением межсимвольной интерференции. Такие варианты осуществления могут использовать двоичную фазовую манипуляцию (BPSK), простейшую форму фазовой манипуляции (PSK). BPSK использует две фазы, которые разделены на 180°, что является самым надежным из всех PSKs, поскольку принимается самый высокий уровень шумов и искажений для демодулятора. В BPSK, существует два состояния фазы сигнала: 0 и 180 градусов. Данные часто дифференциально кодируются до модуляции.
В еще одном варианте осуществления модулятор 210 распределяет блоки данных, принятые из кодера 208, поочередно на двух каналах или потоках, называемые I канал («сфазированный») и Q канал ("фазовая квадратура"), который называют квадратурной фазовой манипуляцией со сдвигом (SQPSK). SQPSK представляет собой способ фазовой манипуляции, в котором фазовый переход сигнала несущей волны равен 90 градусам или 1/4 цикла за один раз. Фазовый сдвиг в 90 градусов известен как фазовая квадратура. Однофазный переход не превышает 90 градусов. В SQPSK есть четыре состояния: 0, +90, -90 и 180 градусов.
Выходной сигнал модулятора 209 подается в модуль 212 мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM). OFDM модуль 212 может содержать модуль 211 пространственно-временного блочного кодирования (STBC), модуль 214 цифрового формирования диаграммы направленности (DBF) и модуль 215 обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT). STBC модуль 211 может принимать данные точечной раскладки данных из модулятора 209, соответствующие одному или более пространственному потоку, и могут распространять пространственные потоки на большее количество пространственно-временных потоков (также обычно называемые потоками данных). В некоторых вариантах осуществления STBC 211 может управляться для пропускания пространственных потоков для ситуаций, в которых, например, количество пространственных потоков является максимальным количеством пространственно-временных потоков. Дополнительные варианты осуществления могут не использовать STBC.
OFDM модуль 212 налагает или распределяет модулированные данные, сформированные в виде OFDM символов, на множество ортогональных поднесущих, так что OFDM символы закодированы поднесущими или тональными сигналами. В некоторых вариантах осуществления OFDM символы поступают в модуль 214 цифрового формирования диаграммы направленности (DBF). Могут быть использованы технологии цифрового формирования диаграммы направленности для повышения эффективности и пропускной способности беспроводной системы. Как правило, способ цифрового формирования диаграммы направленности использует алгоритмы цифровой обработки сигналов, которая осуществляется на принятых сигналах, и передаются множеством антенных элементов. Например, множество пространственных каналов может быть сформировано и каждый пространственный канал может управляться независимо для максимизации мощности сигнала, переданного и принятого от каждого из множества пользовательских оконечных устройств. Дополнительно, способ цифрового формирования диаграммы направленности может быть применен для минимизации многолучевого замирания и ухода от внутриканальных помех.
Модуль OFDM 212 может также содержать модуль обратного преобразования Фурье, который выполняет обратное дискретное преобразования Фурье (IDFT) символов OFDM. В настоящем варианте осуществления IDFT может содержать IDFT модуль 215 для выполнения IDFT данных. При использовании 1 МГц полосы пропускания, IDFT модуль 215 выполняет обратное DFT 32 точек потоков данных.
Выходной сигнал IDFT модуля 215 может быть преобразован с повышением частоты до наиболее высокой несущей частоты или может быть выполнено интегральное преобразование с повышением частоты. Сдвиг сигнала на значительно более высокую частоту до передачи позволяет использовать антенную решетку практичных размеров. То есть, чем выше частота передачи, тем меньше антенна может быть. Таким образом, повышающий преобразователь умножает модулированный сигнал по синусоиде для получения сигнала с несущей частотой, которая является суммой центральной частоты сигнала и частотой синусоиды. Действие основано на тригонометрической идентичности:
Сигнал на суммарной частоте (А+В) передается и сигнал на разностной частоте (А-В) отфильтровывают. Таким образом, полосовой фильтр предоставляется для идеального процесса фильтрации всего, кроме передаваемой информации на центральной (сумма) несущей частоте.
Трансивер 200 может также содержать антенный разделитель 216, подключенный к антенной решетке 218. Таким образом, в этом варианте осуществления одна антенная решетка используется для передачи и приема. При передаче сигнал проходит через антенный разделитель 216, который подает преобразованный сигнал, несущий информацию, на повышенной частоте в антенну. Во время передачи антенный разделитель 216 предотвращает поступление сигналов, подлежащих передаче, на вход приемника 204. При приеме информационные сигналы, принимаемые антенной решеткой, проходят через антенный разделитель 216, и подает сигнал от антенной решетки к приемнику 204. Антенный разделитель 216 затем предотвратить поступление полученных сигналов на вход передатчика 206. Таким образом, антенный разделитель 216 работает как переключатель для поочередного подключения к элементам антенны приемника 204 и передатчика 206.
Антенная решетка 218 излучает информационные сигналы в изменяющимся во времени, пространственном распределении электромагнитной энергии, которые могут быть приняты с помощью антенны приемника. Приемник может затем извлечь информацию из принимаемого сигнала. Элементы антенной решетки могут формировать многочисленные пространственные каналы, которые могут управляться для оптимизации производительности системы. Взаимно, несколько пространственных каналов в диаграмме направленности приемной антенны, могут быть разделены на различные пространственные каналы. Таким образом, диаграмма направленности антенной решетки 218 может быть высокоселективной. Антенная решетка 218 может быть реализована с использованием платы печатного монтажа с применением технологии металлизации. Например, при изготовлении антенной решетки 218 могут использоваться несимметричная полосковая линия, симметричная полосковая линия, щелевая линия и излучатели.
Трансивер 200 может содержать приемник 204 для приема, демодуляции и декодирования передаваемой коммуникационными сигналами информации. Коммуникационные сигналы могут содержать, например, 32 тональных сигнала на 1 МГц несущей частоте. 32 тональных сигнала могут содержать 20 тональных сигналов информации, 7 защитных тональных сигналов, 4 тональных пилот-сигнала и один тональный сигнал DC, такой как OFDM пакет 1060, показанный на фиг. 1А. Например, станция сбора данных, совместимая с IEEE 802.11ah, может периодически принимать данные от маломощных датчиков, которые интегрированы в беспроводные коммуникационные устройства, совместимые с IEEE 802.11ah. Датчики могут работать в режиме пониженного энергопотребления в течение периода времени, затем активироваться периодически для сбора данных и периодически устанавливать связь со станцией сбора данных для передачи данных, собранных с помощью датчика. В некоторых вариантах осуществления датчик может активно инициировать связь со станцией сбора данных, передавать данные, указывающие на возможности связи, и начать передачу данных на станцию сбора данных в ответ на CTS или тому подобное. В других вариантах осуществления датчик может передавать данные на станцию сбора данных в ответ на инициирование связи станцией сбора данных.
Приемник 204 может содержать один или более OFDM модуль 222, демодулятор 224, обращенный перемежитель 225 и декодер 226. OFDM модуль 222 извлекает сигнальную информацию как OFDM символы из множества поднесущих, на которых сигнальная информация модулируется. Например, OFDM символы могут содержать данные, ассоциированные с 20 поднесущими информации, четырьмя поднесущими пилот-сигнала, семью защитными поднесущими и одной поднесущей DC.
OFDM модуль 222 может содержать модуль 219 быстрого преобразования Фурье (FFT), DBF модуль 220 и STBC модуль 221. Принятые сигналы подаются из антенных элементов 218, преобразуются с понижением частоты до более низкой частоты и подаются в FFT модуль 219 для преобразования коммуникационных сигналов из временной области в частотную область. DBF модуль 220 преобразует N антенные сигналы в L информационные сигналы. И STBC модуль 221 может преобразовывать потоки данных из пространственно-временных потоков в пространственные потоки. В одном варианте осуществления демодуляции выполняется параллельно на выходных данных FFT. В другом варианте осуществления отдельный демодулятор 224 выполняет демодуляцию отдельно.
Демодулятор 224 демодулирует пространственные потоки. Демодуляция представляет собой процесс извлечения данных из пространственных потоков для получения демодулированных пространственных потоков. Способ демодуляции зависит от способа, которым эта информация модулируется на несущей принимаемого сигнала, и такая информация включена в состав вектора передачи (TXVECTOR), находящийся в коммуникационном сигнале. Так, например, если модуляции является BPSK, то демодуляции включает в себя обнаружение фазы для преобразования фазовой информации в двоичную последовательность. Демодуляция обеспечивает последовательность битов информации для обращенного перемежителя 225.
Обращенный перемежитель 225 может выполнять обратное перемежение последовательности битов информации. Например, перемежитель 225 может хранить последовательность битов в столбцах в памяти и удалить или выводить биты из памяти по строкам для перемежения битов информации. Декодер 226 декодирует перемеженные данные из демодулятора 224 и передает декодированную информацию, MPDU в логическую схему 202 подуровня MAC.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что трансивер может содержать многочисленные дополнительные функциональные блоки, не показанные на фиг. 2, и что приемник 204 и передатчик 206 могут быть различными устройствами, а не находиться в одном трансивере. Например, варианты осуществления трансивера могут содержать динамическое запоминающее устройство с произвольным доступом (DRAM), опорный генератор, схему фильтрации, пространственные сопоставители, модули вставки циклического сдвига, модули вставки охранного интервала, схему синхронизации, возможно, несколько этапов преобразования частоты и несколько этапов усиления и т.д. Кроме того, некоторые из функциональных модулей, показанных на фиг. 2, могут быть интегрированы. Например, модуль цифрового формирования диаграммы направленности может быть объединен с модулем мультиплексирования с ортогональным частотным разделением.
На фиг. 3 показан вариант блок-схемы алгоритма для передачи коммуникаций с помощью передатчика, как показано на фиг. 2. Блок-схема алгоритма 300 начинается с приема фрейма из средства формирования фрейма (элемент 305). Логическая схема подуровня MAC может генерировать фрейм для передачи на другое коммуникационное устройство и может передать фрейм как MPDU в блок формирования данных на физическом уровне, который преобразует данные в пакет, который может быть передан на другое коммуникационное устройство. Блок формирования данных может генерировать преамбулу для инкапсулирования PSDU (MPDU из средства формирования фрейма) в форму PPDU для передачи (элемент 310). В некоторых вариантах осуществления более чем один MPDU может быть инкапсулирован в PPDU.
Процесс, показанный на блок-схеме алгоритма 300, продолжается тем, что передатчик, такой как передатчик 206, получает PPDU из логической схемы физического уровня. Передатчик может кодировать PPDU двоичным сверточным кодированием (ВСС) или кодом малой плотности с контролем по четности (элемент 315) для управления ошибками в передаче данных. Более конкретно, передатчик может кодировать PPDU через одну или более схем кодирования, описанных в преамбуле PPDU, такой как ВСС или LDPC.
Передатчик может уплотнять фрейм в одном или нескольких потоках данных (элемент 320). Например, уплотнитель передатчика может принимать фрейм с данными в нескольких потоках данных, например, из анализатора потока. Уплотнитель может затем сохранять данные из потоков данных в строках памяти и выводить данные как потоки данных из столбцов памяти, уплотняя биты данных для передачи.
Передатчик может модулировать потоки данных посредством схемы модуляции и кодирования, указанной преамбулой, таких как BPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM, QPSK или SQPSK (элемент 325). Например, сопоставитель раскладки данных может распределить последовательности битов в потоке данных по точкам раскладки (комплексные числа).
OFDM модуль передатчика может распределить потоки данных точек раскладки данных как OFDM символы, закодированные, например, 32 тональными сигналами в 1 МГц полосе пропускания каналов передачи (элемент 330). Например, OFDM модуль может содержать STBC кодер для распределения пространственных потоков точек раскладки данных в пространственно-временные потоки и пространственный сопоставитель распределяет пространственно-временные потоки для каналов передачи в виде OFDM символов, закодированные с помощью 32 тональных сигналов, таких как 20 тональных сигналов информации, семь защитных тональных сигналов, четыре тональные пилот-сигналы и один тональный сигнал постоянного тока. Пространственный сопоставитель может обеспечить прямое распределение, в котором точки раскладки данных из каждого пространственно-временного потока распределяются непосредственно по каналам передачи (взаимно однозначное соответствие). Пространственное распределение может обеспечить пространственное расширение, в котором векторы точек раскладки данных из всех пространственно-временных потоков расширены с помощью умножения матриц для формирования ввода OFDM символов, закодированных 32 тональными сигналами, для всех каналов передачи. Или пространственный сопоставитель может обеспечить DBF, в котором каждый вектор точек раскладки данных из всех пространственно-временных потоков умножается на матрицу векторов управления для получения OFDM символов, закодированных 32 тональными сигналами, как вход в каналы передачи.
Передатчик может преобразовывать OFDM символы, закодированные, например, 32 тональными сигналами для работы в полосе пропускания 1 МГц, во временную область с помощью обратного преобразования Фурье, такого как 32-точечное обратное преобразование Фурье (элемент 335). После этого передатчик может преобразовать OFDM символы с повышением частоты для передачи (элемент 340) и передавать OFDM символы как коммуникационный сигнал посредством антенны (н) для передачи сигнала на другое коммуникационное устройство (элемент 345). Если необходимо передать большее количество фреймов (элемент 360), то процесс может снова начаться на элементе 305.
На фиг. 4 показан вариант блок-схемы алгоритма 400 детектирования и приема коммуникаций приемником, как показано на фиг. 2. Процесс, как показано на блок-схеме алгоритма 400, начинается с приемника, такого как приемник 204, который детектирует и принимает коммуникационный сигнал из передатчика через одну или более антенн, такой как антенный элемент антенной решетки 218 (элемент 405). Приемник может преобразовать коммуникационный сигнал (элемент 410) с понижением частоты и преобразовать коммуникационный сигнал в частотную область с помощью, например, 32-точечного FFT для 1 МГц полосы пропускания коммуникационного сигнала (элемент 415).
Передатчик может извлечь OFDM символы, закодированные 32 тональными сигналами для канала с пропускной способностью 1 МГц, из коммуникационного сигнала (элемент 420) и демодулировать OFDM символы для получения потоков данных демодулированных символов (элемент 425). Например, демодулятор, такой как демодулятор 224, демодулирует сигнал информации через, например, BPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM, QSPK или SQPSK, и выводит сигнал в виде потока битов в обращенный перемежитель, такой как обращенный перемежитель 225 на фиг. 2.
Обращенный перемежитель может выполнять обратное перемежение битов в потоке битов, сохраняя биты, например, в 5 колонках и удаляя биты в 4*Nbpscs строках. И декодер, такой как декодер 226, декодирует сигнальную информацию от обращенного перемежителя, чтобы определить PPDUs (элемент 435) через, например, ВСС или LDPC. Передатчик может затем извлечь MPDUs из PPDUs (элемент 440) и передать MPDU в логическую схему подуровня MAC, такое как логическая схема 202 подуровня MAC (элемент 445).
Другой вариант осуществления реализован в виде программного продукта для реализации систем и способов, описанных со ссылкой на фиг. 1-4. Некоторые варианты осуществления могут принимать форму полностью аппаратной реализации, полностью программного обеспечения или варианта осуществления, содержащего как элементы аппаратной реализации, так и элементы программного обеспечения. Один вариант осуществления реализован как программное обеспечение, которое включает в себя, но не ограничивается, программно-аппаратное обеспечение, резидентное программное обеспечение, микрокод и т.д.
Более того, варианты осуществления могут принимать форму компьютерного программного продукта (или машинно-доступного изделия), доступного для использования компьютером или машиночитаемым носителем, обеспечивая программный код для использования посредством или в соединении с компьютером или любой системой. Для целей этого описания доступный для использования компьютер или машиночитаемый носитель может быть любым устройством, которое может содержать, хранить, устанавливать связь, распространять или доставлять программу для использования, посредством или в соединении с системой выполнения команд, приспособлением или устройством.
Носитель может представлять собой электронную, магнитную, оптическую, электромагнитную, инфракрасную или полупроводниковую систему (или приспособление или устройство). Примеры машиночитаемого носителя включают в себя полупроводниковую или твердотельную память, магнитную ленту, съемную компьютерную дискету, оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), жесткий магнитный диск и оптический диск. Текущие примеры оптических дисков включают в себя компакт-диск постоянной памяти (CD-ROM), компакт-диск с возможностью перезаписи (CD-R/W) и DVD.
Система обработки данных предназначена для хранения и/или выполнения программного кода, и будет включать в себя, по меньшей мере, один процессор, соединенный непосредственно или косвенно с элементами памяти через системную шину. Элементы памяти могут включать в себя локальную память, применяемую при фактическом исполнении программного кода, запоминающее устройство массивов данных и кэш-памяти, которые обеспечивают временное хранение, по меньшей мере, некоторого программного кода, чтобы уменьшить количество раз извлечения из запоминающего устройства массивов данных кода во время выполнения.
Логическая схема, как описано выше, может быть частью кристалла интегральной схемы. Проектирование кристалла осуществляется на графическом языке программирования компьютера и хранится на носителе памяти компьютера (например, на диске, ленте, физическом жестком диске или виртуальном жестком диске, например, при обращении к запоминающему устройству сети).
Если производитель не выпускает интегральные микросхемы или фотолитографические маски, используемые для изготовления микросхем, производитель передает полученную в результате конструкцию с помощью физических средств (например, путем предоставления копии носителя информации, на котором хранится дизайн) или в электронном виде (например, через Интернет) напрямую или косвенно таким производителям. Хранящийся дизайн затем преобразуется в соответствующий формат (например, GDSII) для изготовления.
Полученные интегральные микросхемы могут быть поставлены производителем в форме необработанной пластины (то есть в виде одной пластины, имеющей несколько бескорпусных микросхем), как бескорпусной кристалл или в корпусе. В последнем случае, кристалл установлен в одном корпусе кристалла (например, пластиковый корпус кристаллодержателя с выводами типа J для поверхностного монтажа на всех четырех сторонах, которые прикреплены к материнской плате или другому корпусу более высокого уровня) или в многокристальном интегральном модуле (например, керамический корпус, который имеет одну или обе поверхностную или внутреннюю разводку). В любом случае, кристалл затем интегрируется с другими кристаллами, дискретными элементами схемы и/или другими устройствами обработки сигналов как часть либо (а) промежуточного продукта, например материнской платы, либо (б) конечного изделия.