本发明涉及用于发现无线网络中混合类型的定向终端和在定向终端 之间建立通信的系统、方法和用户接口(UI)以及设备。

随着无线频谱作为保持连接性的方式变得越来越重要，频谱变得更加 拥挤，这样对于无线接入和/或交互作用点能够产生问题。对于普通设备 类型的设备诸如冰箱、洗衣机、玩具等等普遍存在的通信的想法不仅在频 谱方面存在问题，而且将连接性扩展到这些设备带来的另一问题在于：尽 管不必有任何服务质量(QoS)要求，但连接性必需是可靠的，并且必须 是廉价的。无线个人区域网(WPAN)被认为是服务于这种需要并且成为具 有聚焦于该问题不同部分的若干任务组的IEEE802.15工作组的主题。
期望诸如根据IEEE802.11工作组的全向天线用于诸如在局域网中个 人计算和数据传送的任务，但是要求必须满足QoS的至少部分方面的较高 成本组件，其中所述QoS不是WPAN所要求的。进一步，全向天线的功率 要求使其对于通常需要较低功率、较短距离传输的绝大多数WPAN应用是 不恰当的。
配备全向天线的传统无线设备在所有的方向广播每个分组，如在图1 中通过圆形发送范围100所示。正如可易于理解的那样，可以使用每次仅 朝一个方向发送的定向天线。但是，在具有相同的发送功率情况下，定向 天线具有非常高的天线增益以及发送到较远的距离，如在图1中通过圆锥 形发送范围110所示。当然，当使用定向天线实现类似于全向天线范围的 范围时，需要较低的功率。使用定向天线的无线设备还可以具有简化的设 计以及可以利用空间重用的优点进行实施。由应用定向天线的设备形成的 WPAN被称为定向WPAN或下面所称的D-WPAN。
无线频谱通常被划分成多个信道。设备可以在一个信道上通信而不干 扰在另一个信道上的通信，但在相同信道上的两个同时的发送操作可以相 互干扰。所以，使用多个信道具有多倍地增加吞吐量的潜能。为了减小天 线设计的复杂性和硬件成本，部分天线具有固定的发送方向或者选择只朝 一个方向发送。这些天线通常不能够独立地改变发送方向，而是只能够由 用户操作该无线设备的位置进行改变。
图2显示具有一对无线设备1，2的无线通信系统200，所述设备具 有用于相互通信的定向天线，所述定向天线相互面对从而使得无线设备1， 2位于相应天线的通信或天线范围内。具体地，第一设备1的第一天线范 围210包围第二设备2，以及第二设备2的第二天线范围220包围第一设 备1。如所示出以及可易于理解的，通过使用来自每个天线1，2的固定 的定向波束，与以上讨论的全向天线相比，通信的距离或范围可以增加和 /或功率和组件成本可以减小。固定的定向天线，例如很适于扩展两个位 置之间，诸如两个建筑物之间的局域网(LAN)。在这种类型的系统中，每 个建筑物可以包括LAN或它的一部分。可以使用定向天线设备高可靠性地 桥接建筑物之间的LAN并且不需要运行建筑物之间的固定(例如有线)系 统。取代固定的定向波束，无线设备可以具有被控制朝向不同方向或扇区 的定向波束，包括控制通过各个扇区以覆盖完整的圆或360度范围。可以 手动或自动地执行定向天线或波束的控制，诸如在序列号60/885192(律 师卷号007839)的美国临时专利申请中公开。
在具有定向天线的两个无线设备能够相互通信之前，它们必须在同一 信道上工作。想要相互通信的两个设备可以在不同的信道上工作。它们还 可以具有用于通信的信道可用性的不同考虑，这是因为通信和干扰是与位 置相关的。需要有效的用于设备找到对方的方法，包括找到和选择公共可 用信道以便在该被选择信道上在两个设备之间开始数据通信。

本发明系统、方法和通信协议以及设备的一个目的是克服传统通信系 统和设备的缺点。根据一个示例的实施例，通信系统包括第一和第二设备， 其中第一设备和第二设备中的至少一个设备的处理器被配置用于分配第 一设备和第二设备公共的控制信道；在该控制信道上交换控制信息；根据 所述控制信息，找到第一设备和第二设备可用的数据信道以用于第一设备 和第二设备之间的数据通信；以及在第一设备和第二设备之间在数据信道 上传送数据。
根据以下提供的详细描述，本发明设备、系统和方法应用的其他范围 将变得明显。应该理解详细的描述和具体实例，尽管指示系统和方法的示 例性实施例，但意图仅在于图示的目的而无意限制本发明的范围。
附图说明
根据以下的描述、附属权利要求书和附图，本发明设备、系统和方法 的这些和其他特征、方面和优点将变得容易理解，其中：
图1显示全向天线和定向天线的范围；
图2显示具有包含定向天线的一对无线设备的系统；
图3显示根据本发明系统一个实施例的超帧结构；
图4显示根据一个实施例在无线网络中的两个设备使用的超帧结构；
图5显示根据另一个实施例的信标协议的两个阶段；
图6显示根据再一个实施例的信标协议的不同阶段；
图7显示根据另一个实施例的处理流程图；和
图8显示根据本发明系统另一个实施例的包括定向天线的设备的一 部分。

一定示例性实施例的以下描述本质上仅仅是示意性的并且绝非意图 限制本发明及其应用或使用。在本发明系统和方法的实施例的以下详细描 述中，参考形成本发明一部分的附图，其中通过图示具体实施例的方式显 示，在具体实施例中可以实践所描述的系统和方法。这些实施例以更充分 的细节来描述，使得本领域普通技术人员能够实践当前公开的系统和方 法，并且应该明白可以使用其他实施例，以及可以进行结构和逻辑的改变 而不背离本发明的精神和范围。
为了简化本发明系统的描述，术语“可操作地耦合”及其如这里使用 的派生词指的是使得能够按照本发明系统操作的设备或其一部分之间的 连接。例如，可操作性耦合可以包括两个或多个设备之间的有线连接和/ 或无线连接的其中之一或更多，所述连接使得能够在设备或其一部分之间 产生单向和/或双向通信通道。
所以以下的详细描述并不采取限制的含义，以及本发明系统的范围仅 通过附属权利要求书进行定义。在这里附图中附图标记的第一位数字典型 对应于附图编号，例外情况是在多个附图中出现的相同组件通过相同的附 图标记进行标识。而且，为了清楚起见，熟知设备、电路、和方法的详细 描述被省略以便不模糊本发明系统的描述。
在一个实施例中，所述系统使用固定信道作为公共控制信道。设备相 互通告和检测，在控制信道上交换控制信息以便为期望相互通信的两个或 多个设备之间的数据通信找到公共可用信道。使用支持时间共享设备和非 时间共享设备的信标协议，其中时间共享可以包括将时间划分成时隙以便 支持在相同的信道上超出一个的发送机-接收机对之间的通信。
可以使用在时间线中具有三个阶段的信标协议。三个阶段是邻居发 现，资源发现和数据通信。在邻居发现阶段中，设备在公共控制信道上工 作。在资源发现阶段中，设备扫描所有信道并在控制信道上交换信息以便 选择对于想要进行相互通信的设备公共的并且可用的信道。在数据通信阶 段中，设备在被选择的信道上相互通信。
在进一步讨论这三个阶段之前，根据一个实施例描述超帧结构。图3 显示超帧结构300，其中每个设备(诸如图1中显示的两个设备1，2)保 持超帧结构。每个超帧300由信标周期310和数据发送周期320构成。一 个信标周期310包括多个信标时隙330。
应该明白尽管以下描述涉及相互通信的两个设备，但是超出两个设备 也可以相互通信。例如，如果在网络中只有两个设备并且它们使用固定的 方向相互通信，诸如图1中所示的设备1、2，那么相关联的超帧400可 以具有与两个设备1、2相关联的两个信标周期410、420，如在图4中所 示。在该图示的实例中，信标周期310以第一设备1的信标帧410以及第 二设备2的信标帧420开始，之后跟随多个空信标时隙430。
在邻居发现阶段中，两个设备1、2必须在它们能交换任何信息之前 切换/控制其方向天线朝向对方。可以使用两个选项执行该控制方向天线 朝向对方的任务。一个选项是通过人的手动操作。另一个选项是自动控制。 由于本发明系统并不直接涉及各种方式的自动控制，在以下描述中假设两 个设备1、2已经切换/控制其天线朝向对方并通过在例如信标时隙410、 420期间在控制信道上发送的信标找到对方。可以如在序列号60/885,192 (律师案号007839)和60/885,187(律师案号007838)的美国临时专利 申请中所公开那样执行方向天线或波束的控制以及邻居发现。
资源发现阶段在邻居发现阶段之后。当两个设备在邻居发现阶段中找 到对方之后，它们需要找到具有足够资源用于数据通信的公共信道并相互 交换。一旦两个设备1、2找到对方，不论通过手动或自动控制其方向天 线相互面对，设备1、2在所有以下的过程中都停留在朝向对方的方向中。 当它们在公共控制信道上交换信息以指示它们想要相互通信之后，设备1、 2持续不变地开始逐个扫描除控制信道之外的信道。每个设备1、2在一 个信道停留周期Tscan以检测从工作在该信道上的其他现有设备发送的信 标和数据帧。应该注意到信道扫描周期Tscan大于或等于超帧的长度加上一 个或多个信标时隙的长度。在针对特定信道的信道扫描周期Tscan之后，第 一设备1推断出该特定信道是否可用于其与其他或第二设备2的预期通 信。在确定该特定或当前扫描的信道的可用性时，第一设备1扫描另一个 信道。两个设备1、2重复这类扫描，它们扫描所有信道并且每个设备1、 2形成可用信道的列表。
在两个设备1、2扫描所有信道并确定信道的可用性之后，设备1、2 回到控制信道，并在其各自的信标时隙410、420和/或各自的数据发送周 期320期间，设备1、2(在控制信道上)在它们之间交换可用信道的列 表以便从两个列表中选择信道，从而在被选择信道上进行数据通信。
因此，设备1、2能够在它们回到控制信道之后使用信标时隙410、 420或数据发送周期320在控制信道上交换可用信道的列表。在阶段三， 即数据通信阶段(图5中的520和图6中的660)中，设备1、2已经切 换到新选择的信道(如果它不同于公共控制信道)，以及也在新的信道C1 上发送信标，并且开始在新的信道C1上进行数据通信，如图5中通过附 图标记520、530和在附图6中通过附图标记660所示。应该注意到用于 数据通信的新选择的信道可以是控制信道和/或除控制信道之外的信道。
如果在两个列表中有一个或多个公共信道，则设备1、2选择一个信 道并且在数据发送周期320期间跳到该信道开始数据通信。在数据发送周 期320期间用于数据通信的被选择信道可以是包括控制信道的任何信道， 只要它具有足够的资源以满足两个设备1、2。但是，在该资源发现过程 中，设备1、2可以被配置用于促进选择除控制信道之外的信道。因此， 如果有可能(例如，存在除控制信道之外的可用公共信道)，那么设备1、 2可以被配置用于选择除控制信道之外的其中一个公共可用信道(被包括 在两个设备1、2所形成的两个列表中)用于数据通信，特别是对于非共 享设备，以便避免数据通信和在控制信道上的信标之间可能的干扰。
每个信道的扫描结果可以是非共享可用性、只共享可用性、或在两个 设备相互面对的方向中忙。如果在这些方向中没有通信，和/或没有检测 到宣告这种通信的信标，那么信道被认为或被分类为并在可用信道列表上 被列表成非共享可用性。非共享可用信道可以被用于在这些方向中在两个 非共享设备之间的通信。只要检测到宣告共享通信的信标，则扫描结果或 信道被认为是只共享可用性的，并同样被分类/列表在可用信道列表上。 只共享可用信道仅可用于共享设备之间的通信。如果在信道上检测到宣告 非共享通信的任何信标，则扫描结果或该信道是忙的，且该信道对于在这 些方向中任何类型的通信都是不可用的。
在两个设备1、2扫描所有的信道之前，它们预留它们在超帧410的 信标周期310期间用于信标发送的信标时隙410、420。两个设备1、2使 用这些信标时隙410、420通过信标在控制信道上交换信息，诸如在它们 完成扫描其他信道之后交换可用信道列表以便确定和选择可用公共信道， 用于在超帧410的数据发送周期320期间进行数据通信。
预留消息(用于预留信标时隙410、420)可以被包括在希望在超帧 410的数据发送周期320期间通信和交换数据的设备1、2(在信标周期 310期间)所发送的信标中。其他设备可以(同时或以其它方式)在其自 己的信标中在扫描周期期间、诸如在信标周期310中宣告为它们预留时 隙。如果在控制信道上没有其他设备，那么不需要预留信标时隙410、420。 期望在数据发送周期320上传送数据的两个设备1、2将在它们完成所有 或部分信道的扫描以便分类和包括在相应列表(所述相应列表用于选择数 据通信信道以便在数据发送周期320期间进行数据交换)中之后、保持使 用原始信标时隙来交换控制信息(诸如列表以及最后是被选择的数据通信 信道)。
图5图示多个超帧300的实例500，每个超帧具有与信标协议的最后 两个阶段，即资源发现阶段510和数据发送阶段520相关联的信标周期 (BP)310和数据发送周期(DP)320。在本实例中，总共有三个信道， 其中包括控制信道(以及信道1和2)。被选择用于数据发送的信道是信 道1，如在图中通过附图标记530所示。
图6显示三个信道C0、C1、C2及其在信标或通信协议的三个不同阶 段期间被两个设备N1、N2的使用。如在图6中所示，在邻居发现阶段610 中，想要通信的两个设备N1、N2使其固定的定向天线相互面对，或控制/ 切换其定向天线相互面对，在这之后资源发现阶段510被启动。在邻居发 现阶段610和资源发现阶段510的开始期间，无线网络的两个设备或节点 N1、N2在控制信道C0上广播和通信，如通过附图标记620所示，诸如发 送信标，包括在超帧400的信标周期(BP)410的其各自信标时隙410、 420中的预留信标。
在相互面对的两个设备N1、N2在信标时隙410、420中发送宣告它们 想要相互通信的信标和其他控制信息(诸如用于预留信标时隙410、420 的预留信号)之后，两个设备N1、N2在相互指向的方向中扫描所有的信 道。例如，两个设备N1、N2首先扫描第一信道1(C1)，如附图标记630 所示，然后扫描第二信道2(C2)，如附图标记640所示。一旦所有的信 道被扫描(在本实例中这些信道为控制信道C0和两个其他信道C1、C2)， 则有关所有信道的相关信息被获得和分类并且包括在两个设备N1、N2的 列表中，所述信息诸如可用性和类型(诸如共享、非共享或忙/不可用信 道)、服务质量、信道容量等等，然后两个设备回到控制信道C0并使用(预 留的或非预留的)超帧的信标部分(DP)310的信标时隙410、420进行 通信。例如，两个设备N1、N2在各自的信标时隙410、420期间在控制信 道C0上发送和交换其列表，并选择公共可用信道用于数据通信，如附图 标记650所示。在图6所示的示意性实例中，两个设备N1、N2进行选择 并在第一信道1(C1)上通信，如附图标记660所示，其中数据通信在超 帧的数据发送部分(DP)320上被执行。
当然，取代执行包括扫描单个固定方向或扇区中所有信道的这些操 作，资源发现阶段还可以具有扫描所有方向中的每个信道的选项。在此情 况下，扫描设备1、2的天线必须能够切换/控制朝向所有的方向。在每个 方向中，定向天线必须停留至少一个扫描周期Tscan。通过这种方式，扫 描设备1、2知道所有信道中在所有方向中的信道可用性，其可以被用于 支持更多应用，包括在超出两个设备之间的通信。
在第三或数据通信阶段520中，两个设备1、2在每个超帧300的数 据发送周期DP320期间、在资源发现阶段选择的信道上发送和接收数据分 组。
当然，任何期望的频率范围可以被用于无线网络中的通信，但是通常 较高的频率特别用在当期望相对短距离的时候，以允许具有定向天线的多 个无线设备最小干扰地使用多个信道。示例性地，所述设备包括在60GHz 无线网络中。
图7显示根据其他实施例的流程图700。在动作710期间开始处理， 其中固定和/或可控制设备1、2被加电或接通并且诸如例如手动和/或自 动地被定向成相互面对。正如所述，在动作720期间获得或分配两个或多 个设备1、2公共的固定控制信道，其中诸如在可以被预留的信标时隙410、 420期间，在动作730期间在该控制信道上交换控制信息。在动作740期 间，根据所述控制信息，选择对于两个设备1、2可用的数据信道用于它 们之间的数据通信，以及在动作750期间，两个或多个设备1、2相互通 信，诸如在被选择的数据信道上交换数据。
相互通信的设备1、2可以具有在图8中所示的部分。具体地，图8 显示具有天线810的设备800的一部分，该天线可以是根据本发明系统实 施例的固定和/或可控制的定向天线。例如，本发明系统800的一部分还 可以包括处理器820，其可操作耦合到存储器830、显示器840、有线连 接850、用户输入设备860和天线810。存储器830可以是用于存储应用 数据以及与所描述操作相关的其他数据的任何类型的设备。处理器820接 收应用数据和其他数据用于配置处理器820执行根据本发明系统的操作 动作。操作动作可以包括加电，搜索用于信标的可用信道和/或扇区，发 送信标等等。设备800的细节没有被介绍以简化这里的讨论，不过这些细 节对于本领域普通技术人员来说将是明显的。完全取决于应用，设备800 可以包括用户输入或接口860和显示器840以方便这些实施例的特定方 面，尽管对于操作而言不是必需的。例如，用户可以经由用户接口860提 供用户输入以接通/断开设备800，以及控制天线810朝向期望的方向， 诸如朝向与它通信的另一个设备。显示器840可以被配置用于显示各种数 据，诸如包括在信道列表中的检测到的信道，包括显示通过期望相互通信 的设备1、2两者所检测信道的列表，包括信道的各种特性，诸如包括与 每个信道相关联的带宽、信噪比、符号间干扰、共享或非共享信道等等的 QoS参数，其中基于例如QoS参数自动地、或者经由用户选择和输入手动 地选择设备1、2可用的最佳信道。
处理器820的操作动作还可以包括控制显示器840显示任何其他内 容，诸如将应用于设备800(诸如用户接口)的任何内容。用户输入860 可以包括键盘、鼠标、跟踪球或其他设备(包括触敏显示器)，其可以是 独立的或是系统的一部分，诸如经由任何可操作链路与处理器820通信的 个人计算机、个人数字助理、移动电话机、机顶盒、电视或其他设备的一 部分。用户输入设备860可以可操作用于与处理器820交互，包括使得能 够在用户接口和/或本发明系统的其他单元内交互。显然处理器820、存 储器830、显示器840、天线810和/或用户输入设备860可以全部或部分 地成为根据本发明系统操作(诸如建立通信系统，包括在多个可控制和非 可控制设备中启动、发现和通信)的天线设备或其他设备的一部分。
本发明系统的方法特别适于通过计算机软件程序实现，这种程序包含 对应于本发明系统描述和/或预见的各步骤或动作中的一个或多个步骤或 动作的模块。这种程序当然可以包含在计算机可读介质中，所述介质诸如 集成芯片、外设或存储器，诸如存储器830或被耦合到处理器820的其他 存储器。
存储器830配置处理器820实施这里公开的方法、可操作动作和功能。 存储器可以分布在例如天线和处理器820之间，可以提供附加处理器，该 附加处理器也可以是分布式的或者可以是单一的。存储器可以被实施为 电、磁或光存储器，或这些存储器或其他类型存储器设备的任何组合。而 且，术语“存储器”应该充分广泛地被解释成包含能够从处理器820可存 取的可寻址空间中的地址读取或向该地址写入的任何信息。利用这种定 义，例如，由于根据本发明系统的处理器820可以从一个或多个可操作连 接810、850获取该信息，因此通过有线连接850(例如，到诸如因特网 的网络的有线连接)和/或天线810可存取的信息仍然位于存储器830内。
处理器820可操作用于提供控制信号，和/或响应于来自用户输入设 备860的输入信号以及响应于网络的其他设备执行操作，以及执行存储在 存储器830中的指令。处理器820可以是专用或通用集成电路。而且，处 理器820可以是根据本发明系统执行的专用处理器，或者可以是通用处理 器，其中许多功能中的仅一个功能操作用于根据本发明系统来执行。处理 器820可以使用程序部分、多个程序段来操作，或者可以是使用专用或多 用途集成电路的硬件设备。对于本领域的普通技术人员将会容易地想到本 发明系统的其他变型，并且该变型被以下权利要求书所包含。
当然，应该理解上述实施例或处理的任何之一可以与一个或多个其他 实施例和/或处理组合，或者可以是单独的和/或根据本发明系统在单独的 设备或设备的部分中被执行。
最后，上述讨论意图用于仅仅示例本发明系统并且不应该解释为将附 属权利要求书限制于任何特定实施例或实施例组。因此，尽管已经参考示 例性实施例特别详细地描述了本发明系统，但是还应该理解本领域普通技 术人员可以设计出大量修改和替换实施例而不背离如在以下权利要求书 中阐述的本发明系统的更宽广和所预期的精神和范围。相应地，说明书和 附图应该以示例的方式被考虑，而并非意在限制附属权利要求书的范围。
在解释附属权利要求书中，应该明白：
a)术语“包括”并不排除除了在给定权利要求中所列的单元和动作 之外的其他单元或动作的存在；
b)在单元之前的单词“一个”并不排除多个这些单元的存在；
c)权利要求中的任何附图标记并不限制其范围；
d)若干“装置”可以通过同一项目或硬件或软件实施的结构或功能 表示；
e)任何公开的单元可以由硬件部分(例如包括分立和集成电子电路)、 软件部分(例如，计算机编程)，及其任何组合构成；
f)硬件部分可以由模拟和数字部分的其中之一或二者构成；
g)除非特别声明，否则任何公开的设备或及其部分可以被组合在一 起或分离成其他的部分；
h)除非特别地指示，否则动作或步骤的特定顺序并非是所需要的； 以及
i)术语“多个”单元包括两个或多个要求保护的单元，并且并不意 味着单元数量的任何特定的范围；也就是，多个单元可以少至两个单元， 以及可以包括不计可数的单元。