专利名称：用于具有本地化的同步检测和保持的、基于pco的uwb脉冲无线电的系统和方法
用于具有本地化的同步检测和保持的、基于PCO的UWB脉冲
无线电的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2008年12月23日提交的、题为“SYATEMS AND METHODS FOR PCO BASED UffB IMPULSE RADIO WITH LOCALIZED SYNCHRONIZATION DETECTI0N&RETENTI0N” 的第61/140，143号美国临时专利申请的优先权，该专利申请整体地在此通过引用而并入。政府权益的声明本发明是在由陆军研究办公室授予的、资助代码为IDW911NF-05-10515的政府支持下做出的。美国政府对本发明拥有一定的权益。
背景技术：
本发明总体上涉及无线通信节点，具体来说，涉及具有形成通信网络的独立能力的这样的设备。超宽带(UWB)无线电是利用短持续时间的脉冲、而不是连续正弦波来发送信息的 RF/无线通信方法。连续波信号在数据传输期间以及在之后都是持续激活的，而UWB信号只有在数据传输期间才激活，这允许RF前端在未激活的期间内被关断。众所周知，在UWB中，时间有限的宽频谱信号传输与传统的无线电架构相比保证了更大的网络容量，允许在短距离上以相近的功耗实现更高的数据速率和空间容量。短脉冲信号传输还允许RF前端轮休(duty cycling)，以节省功率。然而，实现超宽带通信的这些好处是以在发射机与接收机之间完成精确同步以接收到所发送的脉冲为前提的。例如， 如果发射机和接收机没有被同步到同一时钟，并且发送脉冲，则接收机可能会不工作并丢失数据。然而，如果这两者被同步到一起，则即使在减小接收轮休周期的情况下接收机也能够截获脉冲。流行的实际同步实施方案是使用与数字脉冲跟踪后端相结合的高速DLL/PLL，它在整个通信时间段内保持同步。这种方法的缺点在于，接收机和发射机时钟必须具有以十万分之一到万分之一的数量级相匹配的中心频率，以保持足够的同步，因此必须使发射机和接收机的本地振荡器以非常匹配的晶体为参照，从而使它们之间的频率漂移最小化。 这种对于晶体的要求使系统增加了很大的开销，这是制造商一般想要避免的。发明概述本发明的一个实施例提供了用于在无线通信网络中操作的独立的节点，所述无线通信网络包含多个所述独立的节点，所述节点包括适于在节点之间无线地发送和接收脉冲的RF电路；内部脉冲耦合的振荡器(PCO)，其具有在PCO触发时结束的周期性的状态函数，并被耦合到所述RF电路以便在PCO触发时发送同步脉冲；被耦合以响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增的电路；以及适于响应于从其它节点接收到的同步脉冲在同步操作与非同步操作之间进行切换的状态机，并包括第一电路，其被耦合以识别在PCO触发之间是否以及何时从其它节点接收到外部同步脉冲，以使所述状态机响应于该识别结果来选择非同步操作模式，或者选择同步的从属操作模式或主操作模式。所述第一电路可被耦合以当在PCO触发之间以及在PCO触发之前的一个预定时间段内从其它节点接收到一单个的外部同步脉冲时识别出第一事件。所述第一电路可包括计数器，该计数器被耦合以判断是否发生预定数目的第一事件，以使所述状态机响应于该判断结果而选择同步的从属操作模式。所述节点还可包括锁相环(PLL)，其被耦合到PCO以生成在PCO触发之间的时间间隔信号，其中所述第一电路适于指示何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲，以及其中该PLL被耦合以当在PCO触发之间没有从另一节点接收到外部同步脉冲时，在所选的从属操作模式下将内部同步脉冲提供给PC0。所述第一电路可被耦合以当在PCO触发之间、除跟随在PCO触发之后的一个预定窗口以外，没有从其它节点接收到外部同步脉冲时识别出第二事件。所述第一电路可包括计数器，该计数器被耦合以判断是否出现预定数目的第二事件，以使所述状态机响应于该判断结果而选择同步的主操作模式。所述节点还可包括被耦合到RF电路的、用于在接收和发送同步脉冲与数据脉冲的不同频段之间切换的电路。所述节点还可包括被耦合到RF电路的脉冲整形或发送电路， 其适于在脉冲传输期间使从节点发送的脉冲的中心频率抖动，以帮助对脉冲的传输频谱进行整形。本发明的另一实施例提供了一种无线通信系统，其具有形成网络的多个独立的节点，每个节点包括适于在节点之间无线地发送和接收脉冲的RF电路；内部脉冲耦合的振荡器(PCO)，其具有在PCO触发时结束的周期性的状态函数，并被耦合到所述RF电路以便在PCO触发时发送同步脉冲；被耦合以响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增的电路；以及适于响应于从其它节点接收到的同步脉冲在同步操作与非同步操作之间进行切换的状态机，并包括第一电路，其被耦合以识别在PCO触发之间是否以及何时从其它节点接收到外部同步脉冲，以使所述状态机响应于该识别结果来选择非同步操作模式，或者选择同步的从属操作模式或主操作模式。所述第一电路可被耦合以当在PCO触发之间以及在PCO触发之前的一个预定时间段内从其它节点接收到一单个的外部同步脉冲时识别出第一事件，并且其中所述第一电路包括计数器，该计数器被耦合以判断是否发生预定数目的第一事件，以使所述状态机响应于该判断结果而选择同步的从属操作模式。该系统还可包括锁相环(PLL)，其被耦合到PCO 以生成在PCO触发之间的时间间隔信号，其中所述第一电路适于指示何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲，以及其中该PLL被耦合以当在PCO触发之间没有从另一节点接收到外部同步脉冲时，在所选的从属操作模式下将内部同步脉冲提供给PC0。本发明的再一个实施例提供了用于在超宽带无线通信网络中操作的独立的节点， 所述超宽带无线通信网络包含多个所述独立的节点，所述节点包括适于在节点之间无线地发送和接收脉冲的RF电路；被耦合到RF电路的脉冲整形或发送电路，其适于在脉冲传输期间使从节点发送的脉冲的中心频率抖动，以帮助对脉冲的发送频谱重新整形。本发明的另外一个实施例提供了一种用于操作无线通信的独立节点以作为同步网络协同工作的方法，包括以下步骤在具有状态函数的内部脉冲耦合的振荡器(PCO)触发时从每个节点发送同步脉冲，响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增，在每个节点处提供一状态机，以在同步操作和非同步操作之间切换；进行第一判断， 以判断在内部PCO触发之间、除了在每次PCO触发之后的一个预定时间段之外，是否从其它节点接收到任何外部同步脉冲，并且响应于所述第一判断的步骤，当在内部PCO触发之间、除了在每次触发之后的一个预定时间段之外，没有从其它节点接收到任何外部同步脉冲时，进行第一选择，以选择同步的主操作模式。该方法还可包括用所述状态机对RF部件轮休进行控制，并依照对主操作模式进行的所述第一选择的步骤来进行第二选择，以选择RF部件轮休。该方法还可包括以下步骤周期性地解除对RF部件轮休的选择，对所述第一判断的步骤进行第一重复，和响应于所述第一重复的步骤，对所述第一选择的步骤进行第二重复。该方法还可包括响应于所述第一重复的步骤，当在内部PCO触发之间、除了在每次触发之后的一个预定时间段之外，从其它节点接收到外部同步脉冲时，进行第三选择，以选择非同步的操作模式。该方法还可包括以下步骤进行第二判断，以判断在内部PCO触发之前的一个预定时间段内是否从另一节点接收到外部同步脉冲，响应于所述第二判断的步骤，进行第四选择，以选择同步的从属操作模式，进行第三判断，以判断何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲，并且响应于所述第三判断的步骤，在所选的从属操作模式下从内部锁相环提供内部同步脉冲。本发明的再一个实施例提供了一种用于操作无线通信的节点以在同步的无线节点网络中协同工作的方法，包括以下步骤以状态函数来运行内部脉冲耦合的振荡器 (PCO)，使其周期性地触发，以便允许与一个或多个其它节点同步，响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增，在每个节点处提供一状态机，以在同步操作和非同步操作之间切换，进行第一判断，以判断在内部PCO触发之前的一个预定时间段内是否从另一节点接收到外部同步脉冲，响应于所述第一判断的步骤，选择同步的从属操作模式， 进行第二判断，以判断何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲，并且响应于所述第二判断的步骤，在所选的从属操作模式下从内部锁相环提供内部同步脉冲。该方法还可包括用所述状态机对RF部件轮休进行控制，并在所选的从属操作模式下选择节点的RF部件轮休。该方法还可包括响应于所述第二判断的步骤，在所选的从属操作模式下解除对RF部件轮休的选择。该方法还可包括以下步骤进行第三判断，以判断在内部PCO触发之前的一个预定时间段内是否从另一节点接收到外部同步脉冲，并且响应于所述第三判断的步骤，在所选的从属操作模式下重新选择节点的RF部件轮休。该方法甚至还可以包括响应于判断在预定次数的PCO触发期间内何时没有接收到外部同步脉冲的所述第二判断的步骤，从从属模式切换到非同步的操作。附图简要说明本发明是参照附图示意性地示出和描述的。
图1是传统的连续波通信与UWB传输之间的差别的现有技术图示；图2是时域多路的现有技术示意图，其中每个数据包均包含三个帧，每个帧包括四个数据区段(data bin)；图3(a)_(d)是适用于本发明的两个脉冲耦合的振荡器的状态函数的图示；图4是三个脉冲耦合的振荡器从非同步状态到同步状态的过渡示意图；图5是体现图3(a)_(d)的状态函数的振荡器电路的框图；图6是实现图4所示振荡器电路的模拟电路图；图7A是根据本发明的一个实施例构建的网络的整体网络框图；图7B是根据本发明的一个实施例构建的用于图6A所示网络的收发器节点的示意性框图；图8是根据本发明的一个实施例构建的用于图7A所示网络的收发器节点的更为详细的框图；图9是在图7A的网络中使用的收发器节点的替换框图；图10是根据本发明的一个实施例用于控制独立无线节点的操作模式的状态机的流程图；图11是由图10所示状态机所使用的用于检测某些事件的电路框图；图12是由图10所示的状态机所使用的逻辑电路的框图；图13是结合图10的状态机和图12的框图所使用的时序加强功能的流程图；图14A是用于生成用于发送的双同步脉冲的框图；图14B是用于在接收时对双同步脉冲进行解码的框图；图15是用于切换RF频率的RF电路的框图；图16A是用于双频段接收的接收机增益的频谱图；图16B是用于双发送频段的发送功率的频谱图；图17是根据本发明的一个实施例用于在分开的频段之间切换的逻辑电路图；图18是根据本发明的一个实施例的双频段切换的时序图；以及图19是对于结合本发明使用的频率抖动技术的频谱传输图。对附图的详细描述超宽带(UWB)无线电是利用短持续时间的脉冲、而不是连续正弦波来发送信息的 RF/无线通信的方法。图1示出了连续波信号12与UWB信号14之间的差别。连续波信号 12在数据传输期间11以及在之后的期间13内都是持续激活的，而UWB信号14仅在脉冲传输期间16才激活，这允许RF前端在未激活的期间18内被关断。流行的UWB信号传输方法是对于在几百kHz到几百MHz的数量级上的低到中等脉冲速率的时间跳跃。UWB传输的时间跳跃方法是基于在接收机已知的时刻由发射机发送时间有限的数据脉冲，该接收机在约定的时间查看接收信号，并确定所发送的数据。图2示出了上述方法的流行控制方式，它把每个UWB传输数据包20分割成帧22，然后再把那些帧22 分割成区段(bin) 24。许多帧22组成数据包20，而许多区段M组成帧22。在每个帧22内只能有UWB数据脉冲的一次传输。这种传输将落在某个区段Ma内。脉冲所处的区段Ma 将由对于接收机和发射机来说共同的模板序列来确定。因此，具有与发射机相同的模板序列的接收机将会知道在其上查找数据的适当区段，而来自其它发射机的脉冲将落入到其它区段中，其中它们被忽略。在这个方案中，同步是极其重要的，因为没有同步，接收机就无法知道发送的数据何时是有效的。为了便于在无线UWB网络的节点之间进行同步，本发明利用脉冲耦合的振荡器 (PCO)系统。PCO系统由遵循如在图3(a)和3(b)中对于两个振荡器所示的状态函数30， 32的相同的振荡器组成。对于第一个振荡器i的状态函数30是变量V，它是归一化的时间 Φ = t./To的函数，其中、是自第一个振荡器i最后复位之后的时间，Ttl是自由运行振荡器以完成一个循环所花费的时间。所有的振荡器均可以在状态曲线上的随机起始点A开始，并以恒定且相同的速率沿状态函数运行。当对于状态函数30的振荡器在34完成一个周期时，它发射一个瞬时同步脉冲或耦合脉冲到系统中的每个其它振荡器，如图3(b)中对于振荡器ii的状态函数所指示的，使得它们在状态上前进或递增Δν。如果状态函数单调地递增且向下凹，则相同振荡器的系统完美地锁相，因而触发时间也同步。由于状态函数的非线性，每次触发驱动振荡器的相位使其更紧密地靠在一起。振荡器还可以包括暂停时间间隔39，如图3 (c)和3(d)所示，它们对应于相同的两个状态函数。在暂停时间间隔39期间，不接受增量AV耦合，它引入了的静态偏移。这即使在存在传播延时、路径损耗和不良匹配的振荡器标称频率的情况下也能提供节点的同步。图4示出了在七次PCO触发的时间间隔内三个状态函数30，31和32的同步。在时间点35，状态函数32触发，使得状态函数30和31中的增量增加。在时间点36，状态函数31触发，使得状态函数30和32中的增量增加。在时间点37，状态函数30触发，使得状态函数31和32中的增量增加。这种模式继续进行，直至时间点38，此时全部三个状态函数 30，31和32被完全同步。实现图3(c)和3(d)的状态函数的一般性的系统振荡器在图5中示出。状态Vi 42 由加法模块44不断地相加，该加法块44感知Vi,并加上f (Vi) 46，它是正值，并对于递增的 Vi的数值而减小。然后Vi 42被馈送到阈值检测器48，阈值检测器48在达到阈值时发送触发信号50。该触发信号随后可以在52被编码，使得它更加不受噪声和干扰的影响，并且使它与其它脉冲区分开。最后，加法模块44接受通过耦合输入端M到Vi 42的正的外部耦合，以实现PCO的耦合方面。图5的一般性的振荡器40的全模拟的芯片上实现的例子是图6的电路60。P⑶ 状态函数由在节点62处相对于时间的电压A代表。节点62被电流源I(VA)64充电，该电流源I (VA) 64随Va单调减小。当Va超过由Vwtt 66设定的阈值时——如由比较器68所确定，它经过延时路径70，使得开关72将节点62上的电压A快速地向地放电，由此生成宽度由延时路径控制的、加到同步脉冲编码器73的输出脉冲。△ V函数是通过在预定的脉冲宽度内接通电流源74而由同步脉冲提供的。系统或网络80的一般性的系统级图示在图7A中示出。节点82通过诸如无线链路那样的通信信道84被连接到每个其他节点。各个节点82的最为一般的形式在图7B中示出。每个节点82实现一个物理接口驱动器86，它在发送模式下与物理信道84相接，并在接收模式下与RF前端电路87相接。前端电路87可包括低噪声输入级和高增益第二级，并且包括发送开关，以阻止在发送期间由驱动器86的反馈。同步脉冲检测器88被用来从在 RF前端电路87处接收到的信息中提取同步脉冲。每个节点82还实现了以上参照图6描述的脉冲耦合的振荡器90，由此互相创建系统中的全局时钟。这个全局时钟可以被通信系统92用来便于在各个节点82之间进行通信。通信系统92可以在与实现PCO函数的节点相同的节点处，或者也可以不在与之相同的节点处，如图7B所示。然而，在任何一种情况下，全局时钟都是通过PCO函数生成的，并且通信系统92用它来为其通信定时。所生成的时钟也在可能的同步脉冲编码器92后面被发送出去，以把耦合发送到其它节点82。图8示出了图7A和7B的各个节点82的更具体的实现形式。在前端87，一般性的四级差分放大器链被用来提供来自天线的增益。每个差分放大器级被实现为具有电阻性反馈的简单的级联共源极。每级提供IldB的增益，较前面的级提取更多的电流并使用更大的器件，而较后面的级消耗更少的电流并使用更大的电阻。这些级是交流耦合的。为了显示PCO同步，接收放大器既不被设计成与50 Ω匹配，也不具有最佳噪声特性。放大器被设计成快速关断和接通。为此目的，差分放大器级包括NFET开关，NFET开关接通或关断至放大器的电流。避免了使用电感，这样使得这种设计可以被推广到简单的数字CMOS处理。这个RF前端当被接通时消耗21mW。图8示出了锁相环89的附加细节，锁相环89获取脉冲耦合的振荡器90的输出，并把振荡器90的每个周期划分成多个时间帧和时间区段，如参照图2所述。这个时间帧和时间区段数据被耦合到区段检测电路91，该区段检测电路91接收来自一个独立的控制器的、 关于使用哪些区段用于发送、接收和同步功能的每个功能的输入。这个区段检测数据还被另外的延时锁定环95、96和97使用，以便更精细地分别控制发送、接收和同步功能。中央定时逻辑98获取延时锁定环95-97的输出和由来自一外部控制器(微控制器、微处理器、 DSP、FPGA、硬件状态机实施方式)的一组输入控制比特所定义的系统状态，以判断RF是否应当被关断。中央控制逻辑98还检测是否失锁，并将该信息提供给控制器。最后，中央定时逻辑98还判断是否检测到有效脉冲，并将该数据提供给控制器以供记录。所述外部控制器负责保持系统的状态(以确定该节点在以上处理过程中的哪个步骤起作用)，从而提供发送和接收的区段，以实现针对系统误码率的适当编码方案，并记录检测到的数据脉冲。由于所有的脉冲检测和处理功能均在芯片上实现，外部控制器只需以系统中最慢的时间尺度的脉冲速率运行。因此，即使是简单的、低成本的微控制器也可被用作为控制器。图8的节点82的替代实施例在图9的电路102中示出。电路102中的收发器链包括UWB天线104、能够轮休和/或频带可控的低噪声放大器(LNA) 106、以及后面跟随有非相干检测器108的放大级。其后面跟随有同步/数据检测器110，它把检测的信号量化为同步信号或数据信号。同步脉冲行进到PCO 112,PCO 112与PLL 114相结合地生成区段。每次PCO 112触发时生成一个同步脉冲，产生用于网络的定时边界(速率Ttt的帧边界)。PLL 114把PCO速率(Ttt)分割成N个区段(T_)。在这些区段中，同步脉冲在与帧边界一致的同步区段中被触发。数据以由中央定时模块116所决定的区段被发送或接收。系统同步状态机118本地检测和保持同步，这能够在节点之间进行数据通信。一旦节点被同步，如由同步状态机118所检测到的那样，可以开始RF轮休，从而导致系统的功率节省。在独立供电的节点中节省功率受到大量消耗功率的RF部件的轮休的很大影响。 这种轮休取决于节点之间的同步，其要求获得并保持同步。这样的网络的可变性或可扩展性通过动态且独立的节点在主操作模式和从属操作模式之间确定它自己的操作模式而得以增强。节点加入和/或离开网络的特定过程甚至还可以通过为节点提供在同步脉冲与数据脉冲之间的明显区分而得以增强。每个节点包括一个状态机，用于在非同步模式或者自同步模式以及同步的主操作模式或从属操作模式之间控制每个节点的操作模式。同步操作使得能够进行轮休功率控制，或者RF部件的轮休。图10的流程图中从功能上描绘了这种状态机的操作。在状态机内同步与轮休的确定是基于以下事件的检测，这些事件在下面参照图10和11进行描述。当脉冲耦合振荡器到达其循环结束并复位、使得同步脉冲从节点被发送时记录一次PCO触发事件。
只要在紧跟在PCO触发事件后的一个小的暂停(blackout)窗口之外从另一节点检测到一外部同步脉冲时，记录一次同步事件。这个暂停窗口避免了可能存在的自耦合和竞争条件。当在一个预定的时间窗口内在一同步事件之后跟随一 PCO触发事件时，记录一次同步PCO重叠事件，表明该PCO触发事件很可能是由于该同步事件的结果而发生的。只要在同步事件计数器小于或等于1的条件下记录一同步PCO重叠事件时，确定一第一事件。因此，第一事件意味着节点已具有由一单个同步事件所引起的PCO触发事件。 这意味着，该节点在一同步节点网络内被用作从属节点。如果发生了 PCO触发事件而没有发生同步事件，则该节点不作为从属节点操作。如果在PCO触发事件之间检测到超过一个的同步事件，则该节点还没有同步到网络。通过预定数目的接连出现的第一事件，状态机知道对于该节点选择同步的从属操作模式。第一事件在图中被表示为事件1。只要发生了 PCO触发事件、但在接连出现的PCO触发事件期间没有检测到任何同步事件，则确定一第二事件。因此，第二事件意味着节点在网络中作为主节点操作或者是单独的节点。通过接连出现的第二事件，状态机知道对于该节点选择同步的主操作模式。第二事件在图中被表示为事件2。图11是用于检测上述事件的检测电路120的电路图。更具体地说，在一节点内接收到的同步脉冲经由输入端122被耦合，并且PCO触发事件被耦合到输入端124。为了确定同步PCO重叠事件，接收到的同步脉冲首先由脉冲延长器1 在时间上被延长，其结果在门电路128中和PCO触发事件进行与运算。在延长的同步脉冲内的PCO触发事件的一致性导致在输出端130处的同步PCO重叠事件。在输入端122处接收到的同步脉冲也被耦合到同步计数器132的时钟输入端。PCO 触发事件通过延时电路134也被耦合到同步计数器132的复位输入端。延时电路134代表上述的暂停窗口，在该暂停窗口中检测不到所接收的同步脉冲。尽管同步信号可以锁定计数器132，但PCO触发事件将在暂停窗口结束时使这些计数复位。同步计数器132的内容或输出指示了在PCO触发事件之间和在暂停窗口之外检测到的同步事件。输出寄存器135指示计数器132何时指示一个或多个同步事件，并且其在输出端130处在与门136中和同步 PCO重叠事件进行与运算。与门136的输出表明第一事件的存在。如果在连续的PCO触发事件内检测到超过一个的同步事件，则这表明缺乏同步并且没有检测到第一事件。与门136 向事件1_计数器138提供时钟，跟踪预定数目的第一事件，其被检测作为切换到从属操作模式的基础。第二事件是通过将同步计数器132经由寄存器142耦合到与门140而被检测的， 其指示何时同步事件计数为零。将其和PCO触发事件进行与运算，以检测第二事件。检测到的第二事件被用来向事件2_计数器144提供时钟，该计数器的内容是采取同步主操作模式的基础。因此，对一个节点的主配置和从属配置是自确定的和动态的。从属配置是指在检测同步后的节点触发。从属配置意味着节点在同步状态期间需要来自网络中其它节点的耦合。而主配置是指节点是第一个触发，并且它不需要来自其它节点的耦合。由其它相邻节点的PCO触发在暂停窗口中被埋没，因而不会影响该节点的PC0。同样，图10是适于控制根据本发明构建的无线节点的操作模式的状态机150的流程图。节点从非同步操作开始，在状态152，系统_同步_状态被设为零。在这个状态152 下，事件1_计数器138(图11)和事件2_计数器144(图11)的输出被监控。当事件2_计数器144在状态152下超时时，状态机150使用步骤153，并切换到同步状态154，作为主节点，将系统_同步_状态设置为等于1。当事件1_计数器138超时时，状态机150采用步骤 155，并切换到同步状态156，作为从属节点，也将系统_同步_状态设置为等于1。在状态巧4的主操作模式下，状态机150采取RF部件轮休，使得RF接收电路仅在预计有同步脉冲和数据脉冲的时间间隔期间才被激活。为了基于节点之间的运动和节点数目的改变对网络中的动态改变进行调节，主操作模式周期性地切换到RF轮休，以判断是否存在附加节点或者在节点之间是否缺乏同步。这是借助由状态机150运行的查看_计数器而完成的，查看_计数器对预定次数的PCO循环、即100次PCO循环进行计数，然后切换到状态158，使得RF接收电路在一次或多次PCO循环期间能够工作。当在预定次数的PCO循环中在暂停窗口之外没有检测到同步脉冲时，状态158使用步骤159，返回到状态154的同步主模式。当在状态158在暂停窗口之外检测到从其它节点发送的同步脉冲时，步骤160 被用来返回到非同步状态152。在从属操作模式下，节点依赖于从其他节点接收的同步信号来保持系统中的有效的PCO定时。偶尔也可能没有检测到这样的同步信号。为了补偿这种事件，每个节点借助于它的锁相环电路114(图9)来加强其PCO定时。为此目的，状态156的从属操作模式监控第一事件的出现，以确定对于每个PCO触发事件均检测到适当的同步信号。如果没有检测到同步信号，则状态机150切换到状态162，它不采取轮休，而是查看第一事件的出现。如果检测到第一事件，则步骤163使状态机150返回到状态156的同步从属模式。如果在预定次数的PCO触发内没有检测到第一事件，则步骤164使节点切换回到非同步状态152。图12是加强电路170的框图，通过该加强电路170，锁相环114(图9)被用来在未检测到同步脉冲的情况下保持节点定时。加强电路170在输入端172处接收所检测的同步脉冲，这些同步脉冲通过或门173被耦合到PCO 112。锁相环电路114的输出在与门174处和系统_同步_状态进行与运算，并且其输出通过延时电路176被耦合到或门173的另一输入端。在没有检测到第一事件的情况下，与门174的输出通过延时电路176耦合到或门 173，作为用于PCO 112的准同步脉冲。这样，节点的时序可以被更精确地保持，至少在预定次数的PCO触发内是这样。图13是加强状态机180的流程图，其结合图12的电路来使用。加强状态机180 跟踪加强计数，并且它仅在节点作为从属节点进入同步状态时，即SYNCH = “Si”时才被使用。如上所述，如果能够进行自加强，则PLL 114(图9和12)将同步脉冲加强提供给PCO 112 (图9和12)，以帮助保持PCO同步，并且在网络中等待PCO触发的相邻节点获得同步事件，由此进一步支持网络同步。当图10的状态机150在状态156的同步从属模式下运行时，状态机180的初始状态182切换到监控加强_计数的状态184。如果错过了一个第一事件，则步骤186将加强跟踪处理移动到状态188，在该状态下加强_计数被递增。如果检测到第一事件，则步骤190使状态机180返回到状态184的监控模式。然而，如果又错过了一个第一事件，则步骤192再次将加强_计数递增。一旦错过了预定数目的连续的第一事件， 如由加强_计数所确定的，则步骤194就将系统_同步_状态变到0，并且状态机150返回到非同步状态152。
尽管自加强的实施方式是以非集中的方式完成的，但状态机将知道，当它检测到没有出现第一事件时，发生自加强。根据对错过第一事件的了解，状态机使加强计数递增， 直至根据预先编程的数值计数超时为止。因此，这种加强有助于保持同步并检测同步的丢失。这可以使用标准逻辑门来实现。对于某些网络的加强也可以根据内部PLL漂移和对于系统的同步精度要求而被禁用。 对于大多数网络，通过一个或两个循环的加强就可以保持足够的同步。因此，在系统中有可编程的计数器，它们保持对于第一事件(事件1)和第二事件 (事件幻的计数，从而帮助状态机从非同步状态转换到同步状态。在系统中还有可用的加强计数器，其跟踪自加强发生的次数，从而检测同步的潜在丢失，并帮助状态机转换回到非同步状态。类似地，还有查看计数器，它方便了节点在主配置下退出，并打开窗口以查看是否有未处于同步状态下的任何新的节点偶然加入网络，或者是否有对于节点切换角色的需求。只要预先编程的查看计数器超时并且在系统中发生数据通信时被标记出来，则查看步骤被触发。如上所述，节点加入网络的特定过程通过区分同步脉冲和数据脉冲的能力而得以增强。这里描述的节点可以使用适当的方法来提供这种区分。给出了两种方法，包括准相干自相关签名检测方法和双频段时间交织同步和数据通信方法。如图14A和14B所示，准相干自相关签名检测方法将同步脉冲编码成双脉冲，而数据脉冲被编码成单脉冲。用于发送双同步脉冲的信号处理器200在图14A中示出。发生器 202产生同步脉冲204，该同步脉冲被耦合到延时电路206和诸如或门的边沿组合器208。 延时电路206体现了用于将两个脉冲分隔开的预定时间延时Td。经过延时的脉冲还被耦合到边沿组合器208的输入端。边沿组合器208的双脉冲输出被连接到脉冲整形电路210。图14B示出了用于以自相关的方式对双同步脉冲进行解码的信号处理器212。第一个脉冲的到来创建了一个时间窗口，在该时间窗口中电路寻找对第二个脉冲的检测。如果在指定的窗口中检测到第二个脉冲，则接收到的脉冲被认为是同步脉冲。非相干检测器 214的输出213被耦合到脉冲延长器和延时电路218。延时电路218的输出219随后在与门220中和来自检测器214的输出213进行与运算。正如由输出219所显示的，脉冲延长器216提供了用于比较的更大的脉冲，以补偿在检测窗口中的处理变化。延时电路218提供了 Td-Tse的延时，以提供在延长的脉冲与检测到的第二同步脉冲之间的重叠。在图14A 和14B中所示的方法可以通过已有的CMOS逻辑门很容易地实现。双频段时间交织的同步/数据区分的替代方法很容易适于在脉冲耦合的振荡器中使用。当没有被同步时，节点将寻求发送和接收同步脉冲，发射机和接收机电路可被配置到同步信道。在同步中，同步脉冲和数据脉冲对于每个节点在时间上是间隔开的。这意味着，同一组接收机和发射机电路可被用于同步脉冲和数据脉冲，避免了重复并节省了功率和电路面积。图15示出了其中轮休的、频率可控的振荡器2 被耦合到数字天线驱动器 228和天线230以用于实施的简化框图。在双频段方法中，所发送的脉冲可被整形为处在各个频段中，类似地，对于接收机，增益可被动态地配置成具有频段选择性。图16A示出了接收机的频率选择增益曲线，图 16B示出了所发送的脉冲的整形后的频谱，每个均具有500MHz带宽，对于数据脉冲和同步脉冲分别在3. 5GHz和4. 5GHz左右。根据可用性，这两个频道可被选择在任意的频段。实际上，可以利用在它们之间具有足够间隔的任何两个频段(在UWB规范内)。由于节点知道在任意给定时刻的感兴趣的频段，发射机和接收机操作可以是时间交织的。用于频段选择的时序生成电路234在图17中示出，而有代表性的时序在图18中示出。一对下降沿检测器236，237被用来锁存一对耦合的或非门238，239，以指示预期的下一个脉冲是同步脉冲还是数据脉冲。与非门240仅当节点处于同步操作模式时才应用这个选择。数据有效区段的结束将选择改变到同步，而同步有效区段的结束将选择改变到数据。 当系统未同步时，只使用同步脉冲，而频带选择被设置在同步。一旦处于同步状态下，逻辑电路在同步与数据之间交替地切换频段，这由同步区段和数据区段来决定。这种切换在图 18中示出。同样，用于这种通信方案的电路实现也可以通过标准CMOS处理来完成。对于UWB无线电，对频谱形状有一定的要求，这需要对发射机进行智能整形和带宽控制。正如所熟知的，由发射机发射的小波的功率是在载波频率附近分布的。在本例中， 频谱整形是通过随机或周期性地将载波频率改变一个非常小的量而实现的。中心频率在平均值上随时间的这种抖动或改变得到了更为平均的输出功率频谱，它对于根据FCC规则在某个特定频率处按平均功率对频谱进行整形是有用的。这种改变和抖动可以以非常慢的速率完成，并可以以随机的方式或周期性的方式完成。它也可以被控制，使得仅当脉冲如图所示由图15的随机/周期信号发生器241发送时才改变对于频率的精细控制(图15)。由于在接收机处的非相干信号检测的使用，对于这种类型的系统可以完成这种抖动。图19通过展宽244和缩短246传输频谱而示出了这种抖动对于标称传输频谱242的影响。上面参照所公开的实施例示意性地描述了本发明。本领域技术人员可以对所公开的实施例作出各种修改和改变，而不会背离如在所附权利要求中所限定的本发明的范围。
权利要求
1.用于在无线通信网络中操作的独立的节点，所述无线通信网络包含多个所述独立的节点，所述节点包括适于在节点之间无线地发送和接收脉冲的RF电路；内部脉冲耦合的振荡器(PCO)，其具有在PCO触发时结束的周期性的状态函数，并被耦合到所述RF电路以便在PCO触发时发送同步脉冲；被耦合以响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增的电路；以及适于响应于从其它节点接收到的同步脉冲在同步操作与非同步操作之间进行切换的状态机，并包括第一电路，其被耦合以识别在PCO触发之间是否以及何时从其它节点接收到外部同步脉冲，以使所述状态机响应于该识别结果来选择非同步操作模式，或者选择同步的从属操作模式或主操作模式。
2.如权利要求1的节点，其中所述第一电路被耦合以当在PCO触发之间以及在PCO触发之前的一个预定时间段内从其它节点接收到一单个的外部同步脉冲时识别出第一事件。
3.如权利要求2的节点，其中所述第一电路包括计数器，该计数器被耦合以判断是否发生预定数目的第一事件，以使所述状态机响应于该判断结果而选择同步的从属操作模式。
4.如权利要求3的节点，还包括锁相环(PLL)，其被耦合到PCO以生成在PCO触发之间的时间间隔信号，其中所述第一电路适于指示何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲，以及其中该PLL被耦合以当在PCO触发之间没有从另一节点接收到外部同步脉冲时，在所选的从属操作模式下将内部同步脉冲提供给PC0。
5.如权利要求1的节点，其中所述第一电路被耦合以当在PCO触发之间、除跟随在PCO 触发之后的一个预定窗口以外，没有从其它节点接收到外部同步脉冲时识别出第二事件。
6.如权利要求5的节点，其中所述第一电路包括计数器，该计数器被耦合以判断是否出现预定数目的第二事件，以使所述状态机响应于该判断结果而选择同步的主操作模式。
7.如权利要求1的节点，还包括被耦合到RF电路的、用于在接收和发送同步脉冲与数据脉冲的不同频段之间切换的电路。
8.如权利要求1的节点，还包括被耦合到RF电路的脉冲整形或发送电路，其适于在脉冲传输期间使从节点发送的脉冲的中心频率抖动，以帮助对脉冲的传输频谱进行整形。
9.无线通信系统，具有形成网络的多个独立的节点，每个节点包括适于在节点之间无线地发送和接收脉冲的RF电路；内部脉冲耦合的振荡器(PCO)，其具有在PCO触发时结束的周期性的状态函数，并被耦合到所述RF电路以便在PCO触发时发送同步脉冲；被耦合以响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增的电路；以及适于响应于从其它节点接收到的同步脉冲在同步操作与非同步操作之间进行切换的状态机，并包括第一电路，其被耦合以识别在PCO触发之间是否以及何时从其它节点接收到外部同步脉冲，以使所述状态机响应于该识别结果来选择非同步操作模式，或者选择同步的从属操作模式或主操作模式。
10.如权利要求9的系统，所述第一电路被耦合以当在PCO触发之间以及在PCO触发之前的一个预定时间段内从其它节点接收到一单个的外部同步脉冲时识别出第一事件，并且其中所述第一电路包括计数器，该计数器被耦合以判断是否发生预定数目的第一事件，以使所述状态机响应于该判断结果而选择同步的从属操作模式。
11.如权利要求10的系统，还包括锁相环(PLL)，其被耦合到PCO以生成在PCO触发之间的时间间隔信号，其中所述第一电路适于指示何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲，以及其中该PLL被耦合以当在PCO触发之间没有从另一节点接收到外部同步脉冲时，在所选的从属操作模式下将内部同步脉冲提供给PC0。
12.用于在超宽带无线通信网络中操作的独立的节点，所述超宽带无线通信网络包含多个所述独立的节点，所述节点包括适于在节点之间无线地发送和接收脉冲的RF电路；被耦合到RF电路的脉冲整形或发送电路，其适于在脉冲传输期间使从节点发送的脉冲的中心频率抖动，以帮助对脉冲的发送频谱重新整形。
13.一种用于操作无线通信的独立节点以作为同步网络协同工作的方法，包括以下步骤在具有状态函数的内部脉冲耦合的振荡器(PCO)触发时从每个节点发送同步脉冲；响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增；在每个节点处提供一状态机，以在同步操作和非同步操作之间切换；进行第一判断，以判断在内部PCO触发之间、除了在每次PCO触发之后的一个预定时间段之外，是否从其它节点接收到任何外部同步脉冲；并且响应于所述第一判断的步骤，当在内部PCO触发之间、除了在每次触发之后的一个预定时间段之外，没有从其它节点接收到任何外部同步脉冲时，进行第一选择，以选择同步的主操作模式。
14.如权利要求13的方法，还包括用所述状态机对RF部件轮休进行控制，并依照对主操作模式进行的所述第一选择的步骤来进行第二选择，以选择RF部件轮休。
15.如权利要求14的方法，还包括以下步骤周期性地解除对RF部件轮休的选择；对所述第一判断的步骤进行第一重复；和响应于所述第一重复的步骤，对所述第一选择的步骤进行第二重复。
16.如权利要求15的方法，还包括响应于所述第一重复的步骤，当在内部PCO触发之间、除了在每次触发之后的一个预定时间段之外，从其它节点接收到外部同步脉冲时，进行第三选择，以选择非同步的操作模式。
17.如权利要求13的方法，还包括以下步骤进行第二判断，以判断在内部PCO触发之前的一个预定时间段内是否从另一节点接收到外部同步脉冲；响应于所述第二判断的步骤，进行第四选择，以选择同步的从属操作模式；进行第三判断，以判断何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲；并且响应于所述第三判断的步骤，在所选的从属操作模式下从内部锁相环提供内部同步脉冲。
18.一种用于操作无线通信的节点以在同步的无线节点网络中协同工作的方法，包括以下步骤以状态函数来运行内部脉冲耦合的振荡器(PCO)，使其周期性地触发，以便允许与一个或多个其它节点同步；响应于从其它节点接收到的外部同步脉冲使所述状态函数递增； 在每个节点处提供一状态机，以在同步操作和非同步操作之间切换； 进行第一判断，以判断在内部PCO触发之前的一个预定时间段内是否从另一节点接收到外部同步脉冲；响应于所述第一判断的步骤，选择同步的从属操作模式；进行第二判断，以判断何时在从属操作模式下没有从另一节点接收到外部同步脉冲；并且响应于所述第二判断的步骤，在所选的从属操作模式下从内部锁相环提供内部同步脉冲。
19.如权利要求18的方法，还包括用所述状态机对RF部件轮休进行控制，并在所选的从属操作模式下选择节点的RF部件轮休。
20.如权利要求19的方法，还包括响应于所述第二判断的步骤，在所选的从属操作模式下解除对RF部件轮休的选择。
21.如权利要求20的方法，还包括以下步骤进行第三判断，以判断在内部PCO触发之前的一个预定时间段内是否从另一节点接收到外部同步脉冲；并且响应于所述第三判断的步骤，在所选的从属操作模式下重新选择节点的RF部件轮休。
22.如权利要求18的方法，还包括响应于判断在预定次数的PCO触发期间内何时没有接收到外部同步脉冲的所述第二判断的步骤，从从属模式切换到非同步的操作。
全文摘要
本发明提供了通信系统、节点和用于操作以由独立操作的节点形成无线网络的方法，这些独立操作的节点具有互相自同步、独立确定操作的主模式和从属模式以作为网络协同工作、以及独立改变这些功能以调节网络中的改变的能力。
文档编号H04W84/20GK102326443SQ200980157419
公开日2012年1月18日 申请日期2009年12月22日 优先权日2008年12月23日
发明者A·B·阿普塞尔, R·K·多卡尼亚, X·Y·王 申请人:康奈尔大学