建立通信的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用窄带外差通信的移动通信设备和方法的改善，设计成能实现无线设备组之间的低延迟连接。
【背景技术】
[0002]现代无线设备具有大的范围并且因此在任何特定时间都可以与许多其他无线设备联系。因此，如果设备试图将数据传输至另一个设备或者自另一个设备传输数据，则其可具有从中选择所希望的无线设备的大量设备。另外，存在以下可能性，即，范围内的另一个设备会干扰或者破坏特定无线设备的安全性。为了最小化安全性破坏或者干扰问题的潜在性，正式的连接处理通常在无线通信设备之间发起。
[0003]许多RF通信系统采用频率分集以最小化干扰。这帮助设计出稳定的系统，但是如同许多技术设计一样，这些通常产生设计折衷，并且具体地，引入延迟:如果存在N个信道可用，并且检测设备是否存在于任何一个信道上用去最大时间τ，那么两个设备之间存在长达Ντ的连接配对延迟。在典型的多频率窄带通信系统中，基站指定与特定设备通信的频率(信道)，两个设备执行握手协议以通过指定的信道建立通信，并且通常其他设备需要避开由其他设备使用中的信道，例如，通过检测使用中的信道或者通过使用建立与基站通信的指定通信路径。
[0004]为了改善延迟，时间τ可以降低为使得Ντ是人类难以觉察到的。然而，减少时间τ会是一个挑战，因为频率跳变时间通常由无线电芯片的锁相环路(PLL)的环路滤波器设定，并且这是因为诸如PLL噪声特性要求的理由而限定的。同样可以设计一种媒体访问控制(MAC)分层协议，该分层协议规定新的设备利用先验信道选择发起网络会话。这可以在对等环境(peer-to-peer environment)中起作用，如果在这个专用信道处存在足够的信号对干扰加噪声比(SINR)以允许通信发生，则尽管其对于基站至设备模型不是理想的，但基站仍会在这个信道上花费宝贵的时间，而不使用设备已经连接的其他信道。在MAC层，还存在无线电应当花费多长时间试图连接至其他设备与应当花费多长时间与已连接的设备通信的问题。因此，当在最小化通信的延迟的同时试图最大吞吐量时，频率跳变设计可能没有其他设计稳定。许多无线协议具有针对最优化吞吐量和延迟的不同的设计折衷。例如，在使用诸如3G和4G的无线标准的广域网中，初始关联延迟可能是很大的，因为设备与小区塔通信会持续很长时间并且基站协议具有在无线设备在环境周围移动时基站切换针对基站的合适的协议。在IEEE 802.1lW1-Fi标准中，由于广播信标命令的相对低的占空比(通常每100毫秒)关联时间可以是几秒，并且信道的数量(在2.4GHz的频率范围下在美国是11个初级W1-Fi信道)。在蓝牙低能量(BTLE)标准中，在用于通信发起的总共40个信道中设置3个保留的信道以改善延迟。
[0005]—些无线设备可以经由红外通信端口或者利用射频(RF)数据传输来传输数据。诸如蓝牙和W1-Fi的微波技术允许非视距的设备对设备通信。然而，由于安全性担忧，这些技术需要设备必须被添加至网络的设置处理。尽管近场通信(NFC)可用于在没有将设备添加至网络的情况下在设备之间交换数据，但其仅在1cm或更小的距离处起作用，并且实际上该距离是4cm或更小。近场通信(NFC)是在13.56MHz下操作的利用近场中的RF场操作的射频识别(RFID)协议。其是IS014443和IS018092的父集，包括诸如椭圆曲线密码学(ECC)和高级加密标准(AES)的安全特性。NFC还用于交换诸如蓝牙和W1-Fi的其他无线标准的配置信息；许多蓝牙耳机现在包括用于服务开通目的的NFC标签。将NFC耳机放置在电话附近的姿势现在带有数字关联含义。
[0006]依靠NFC配置另一个无线系统存在以下缺点。首先，存在与提供无线设备中的NFC功能相关联的额外成本。在移动电话带有NFC无线电的情况下，会增加与系统中的其他部件形成折衷(tradeoff)的电路和天线的几何体积，诸如电池寿命、设计和无线功能。第二，因为NFC使用必须是时间序列的两个物理层协议，所以设计安全性的一些交易会用去比小于1ms的标准用户界面接口延迟略微更长的时间。最后，不是用于建立通信的所有交互都可以在Ocm-1Ocm以内完成；由人操纵的范围限定于胳膊的伸出长度(reach)，通常是0.3m-lm。还存在以下情况，即，人是静止的但是可以看见他/她可能将要连接至的另一个人或者对象；他/她走向该位置，但原则上无线设备可以允许在几乎觉察不到的时间交换信息，避免步行的需要。电视的操作是该情况的实例，但是通信通常由无连接的红外协议，或者基于蓝牙或者W1-Fi的预关联的设备处理。
[0007]交换数据的一个方法是通过密码或者密钥。对用户具有降低的负担的交换数据的另一个方法是通过交互的时间同步，其中，两个或更多个设备的用户按压按钮以打开小的安全孔达短时间窗并且交换安全密钥。一些现有的移动设备当用户将他们的电话碰到一起时可以交换记录的加速计信号。加速计信号的交换允许设备接下来交换信息。
[0008]图1是可以应用本发明的各个实施方式的现有技术的通信系统100的示图。(本发明的相似的各个实施方式可以应用于如下所述在图2A、图2B、图2C、图2D、图3A、图3B、图3C和图4中示出的现有技术的布置)。通信系统100包括基站102和多个无线通信设备104a、104b、104c和104d。基站本身可以是与无线设备相同的设备类型(例如，对于一些或者所有的通信处理，无线设备可以起基站的作用)。基站发送通过无线通信设备接收的RF信号106。根据一个实施方式，基站102连接到电源。电源(power source)可以是插座、电池或者其他电源(electrical source)。基站102还可包括用于親接至包括例如局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、广域网(WAN)、蜂窝网络或公共交换电话网(PSTN)的一个或多个有线或无线网络的一个或多个网络接口。根据各个实施方式，无线通信设备104a至104d可包括一个或多个移动电话、iPhone、头戴受话器、耳机(包括麦克风和耳塞)、音乐播放器、iPod、个人数字助理、iPad、平板电脑、膝上型电脑、计算机或照相机或者其他类型的设备。
[0009]图2A是经由窄带通信系统200彼此通信的一对现有技术的通信设备的示图。每个设备使用发射器和接收器路径中的本地振荡器(LO)，具体地，一个设备使用L01205并且另一个设备使用L02210。设备中的一个可以是基站(或者起基站的作用)并且另一个可以是无线设备(或者起无线设备的作用)。因为每个设备的接收器具有有限的带宽，所以设备共享信道规划，该信道规划指出在产生他们的本地振荡器(LO)的他们的本地时钟的准确度和精确度以内两个设备将共享什么信道来彼此通信。存在多个通信信道以允许带宽共享和免于外部干扰物的信道稳定性。例如，从2.403GHz至约2.483GHz的2.4GHz的W1-Fi频带在某处具有11和14之间的重叠的信道。当两个设备共享同一信道时，他们能够利用对应于大信道带宽的高数据速率并且根据协议彼此通信，同时具有低延迟。当两个设备不共享相同的信道时，在他们将他们的本地振荡器切换至相同的信道的同时过去了一定的时间量。例如，在一些系统中，时间可以在从约100 μ s至几毫秒之间变化。还存在与改变信道相关联的协议级别的延迟，诸如与数据的信标或者广告帧(advertising frames)相关联的延迟。如果设备的收发器在占用与其他设备相同的信道之前切换几次，则该处理会用去几毫秒至几秒。
[0010]图2B是显示RF信号的时域波形和在分别使用宽带检波器235b和窄带检波器240b检测之后相同的信号的波形的实例。在这个实例中，205的发射器使用通常由GSl/EPCG Global Gen2或者IS018000-6C RFID协议使用的相位反转幅移键控(PR-ASK)调制来调制数据。O位和I位是使用不同的持续时间编码的，位序列010011是在这个实例中编码的。RF调制225b和放大版本230b显示在915.0MHz下的RF周期。来自发射器信号的RF信号225b由使用宽带检波器的收发器210和使用窄带检波器的分开独立的收发器210两者检测。宽带检波器波形235b是使用二极管和单极低通滤波器包络检波器得到的结果；来自宽带检波器的检测到的信号235b与信源波形220b相似，但是作为检波器的非线性和单极滤波器的特性的结果具有原始RF信号的一些未过滤的和失真的部分。然而，该信号保真度对于提取原始的位序列已经足够了。从将原始RF信号施加至窄带检波器所得到的波形240b是原始的波形220b的不失真的表示，因为窄带检波器的本地振荡器(LO)与源紧密匹配(他们在相同的信道上)。高信号保真度允许准备好提取原始的位序列。
[0011]图2C是与图2B相似的实例，增加比发射器更高的(+1MHz)的一个信道的连续波(CW)干扰信号。干扰信号的幅度是发射器信号的1/2幅度(即，3dB以下)。具有干扰的源信号225c是相对于来自发射器的原始的包络220c示出的。宽带检测到的信号235c示出另外的失真，因为包括干扰的整个波形传送通过非线性和单极滤波器。如果检波器具有可变增益和/或可变阈值，则仍然可以提取原始的位序列，但是具有可能更高的位误差概率。随着干扰信号幅度增加至1/2或者_3dB以上，则接收器将不再能够提取位模式。但是，随着干扰信号相对于发射器保持更加远离宽带RF接收器，则可能从宽带RF接收器可靠地提取数据，如基于GS1/EPCG Global Gen2或者IS018000-6C RFID协议利用RFID标签完成。利用窄带检波器上的信道滤波器，窄带检测到的信号240c与240b相同，并且从窄带检波器消除干扰。
[0012]图2D是与图2B相似的实例，除来自205的发射器的LO变为下一个信道(在915.0MHz以上1MHz)之外。对于宽带检波器，检测到的信号相对独立于LO频率，并且因此检测到的包络235d基本上相当于235b。波形235d的信号保真度对于提取原始的位序列已足够了。对于具有915.0MHz的LO的窄带检波器，如在原始的实例中，由于LO不相配信道滤波器阻止所发送的信号。波形240d不存在。可能存在窄带接收器中的足够的动态范围以恢复原始的数据序列，但是需要接收器的调制解调器中的主要结构变化以管理显著的LO不相配。存在窄带设备之间的信道抑制和瞬间获得信息之间的明确的折衷。
[0013]图3A是现有技术布置结构的时间序列示图，其中客户端使用802.11协议，使用或者直接序列扩展频谱(DSSS)或者正交频分复用(OFDM)调制连接至接入点(AP)。基站和客户端两者利用振荡器操作窄带收发器并且必须在2.4GHz和/或5GHz中选择操作的信道。基站将其本地振荡器设置至CHl，该CHl将是对于特定国家的操作专用的特定频率。例如，在美国，有11个信道，起始于2412MHz (CHl)可达2462MHz (CHll)。在图3A中示出的实例中，试图连接至AP的客户端将其本地振荡器L02设置至CH5。因为用于提供信息至客户端以连接至AP的来自AP的信标数据包在CHl上，所以在CH5处的客户端没有看见信标数据包。如果在信道上没有冲突，则AP通常将每10ms发送一次信标数据包。如果存在冲突，则该间隔可以是10ms的倍数。没有看见信标帧的客户端必须跳至另一个信道以找到信标帧。在没有冲突的最差的可能情况下，在11个信道的情况下，到达AP的相同信道会花费长达11倍100ms = 1.ls，平均6倍的100ms = 600ms。当考虑到冲突时，这是对于客户端看见想要的AP会花费几秒的原因。在诸如W1-Fi Direct的客户端至客户端(或者对等的)模型中，需要建立数据通信的相同的结构，因为一个客户端必须起AP的作用并且另一个客户端必须与该另一个客户端的信道相匹配。如果想要连接的多个用户大于2个，则所有客户端连接的时间会显著增加。
[0014]图3B是现有技术的布置结构的时间序列示图，其中外围设备使用BTLE协议连接至中心系统，其中协议指定FHSS用于信道共享算法。在这个协议中，2402MHz-2480MHz的范围中的总计40个信道中的三个是其他设备的广告信道，而剩余的37个信道是用于数据的。在示出的实例中，中心系统将其本地振荡器设置至信道38或者2426MHz，广告信道中的一个，同时外围设备试图在信道37或者2402MHz上建立通信。外围设备提供ADV_DIRECT_IND数据包来寻找中心系统以建立与其的通信，但是因为两个窄带设备不在相同的信道上，所以他们不能够看见彼此。由于在不正确的信道上，所以在外围设备切换信道之前会过去长达10ms。然后外围设备选择另一个信道，或者以静态的算法或者以表驱动方式至信道38。现在这个信道是与中心系统相同的信道，并且因此如果存在充足的SINR，则由外围设备发送的ADV_DIRECT_IND消息可以由中心系统听到。中心系统利用SCAN_REQ响应来应答，并且现在能够将数据包发送至外围设备。在这个实例中，外围设备连接至中心系统的时间在20ms以下，但是通常，在3个广告信道的情况下，连接时间会在1ms以下、20ms以下或者30ms以下。在20ms的平均连接时间的情况下，这在人类可察觉的大小上是短暂的时间，但是对这个间隔期间允许发送更多的数据而言可能更短。图3C是现有技术的布置的时间序列示图，其中GS1/EPCG Global Gen2或IS018000-6C RFID读取器使用标签的宽带收发器与Gen2或IS018000-6C RFID标签通信。标签能够在860MHz_930MHz的世界范围的频率范围上操作。标签可以由RF场本身供电，称为无源标签，或者由诸如电池的本地电源供电，并且其称为半无源RFID标签。ISO 18000-6C协议的Gen2的实施方式中的电源的选择没有改变系统的定时，但是增加了标签的接收器灵敏度，允许更长距离的通信。与电源无关，RFID读取器使用幅度调制与RFID标签通信，并且标签使用后向散射幅度调制与RFID读取器通信。在一些实施方式中，幅度调制是双边带幅移键控(DSB-ASK)、反相幅移键控(PRASK)或单边带幅移键控(SSB-ASK)。当标签后向散射时，RFID标签产生询问RF波的部分分量的反射。通过改变存在于其天线的电路的阻抗，RFID标签可以以时间序列的方式调制通信信息的部分分量的量。RFID读取器的接收器能够将这个部分分量提取为幅移键控信号。在后向散射系统中，标签不产生或者使用其自身的本地振荡器(LO);其仅仅在源自读取器的RF波上传送ASK数据，如上所述。这意味着不需要载波同步，但是折衷是从读取器至标签和返回的路径损耗是传统的有源无线电系统的路径损耗的至少两倍。因此，具有有源发射器的后向散射系统的明确的折衷是路径损耗是后向散射系统的两倍，但是任意信道上的延迟与有源无线电系统相比平均显著降低。
[0015]在图3C中示出的实例中，RFID标签能够从读取器的RF场提取电力，并且因此在这个时间序列中电力状态代替了本地振荡器状态。读取器定下(settle)其本地振荡器之后，其立即在协议要求时间发送CW以将标签的电力状态从关闭状态转变为打开状态。然后读取器可以立即调制其RF发送波以将数据发送至RFID标签并且标签可以解释数据。最后，标签处理由读取器发送的信息并且利用响应读取器信息的后向散射来响应。在EPCG/GS1协议中，读取器能够与标签通信的时间随着发射器的位时间和标签的位时间而变化。对于位-O时间或者Tari是6.25 μ s并且RFID标签的后向散射链接频率(BLF)是利用FMO调制的640ΚΗζ的实例，除16位随机数字、16位协议控制位和16位循环冗余校验(CRC)之外，读取器获得96位信息的时间是约2.5ms，来自RFID标签的每个增加的数据包是约1.0ms。如果BLF是400kHz，则这个时间是约2.7ms，来自RFID标签的每个增加的数据包是约1.2ms。如果BLF使用米勒调制，其中M = 4并且BLF是256kHz，则时间是约4.8ms，来自RFID标签的每个增加的数据包是约3.2msο实际上，如果在该场中存在许多标签，则增加的数据包获取的速率可以因时隙的ALOHA协议的效率减慢，通常e，自然对数的基数，或者相比上述数字慢2.72倍。并且实际上，信道噪声可以减慢从RFID标签获取数据的速率，对于任意RF协议都是这样的。然而，实际上，在这个实例中使用的宽带接收器的连接时间能够比以上W1-Fi或者蓝牙实例快很多。
[0016]图4是传统移动通信设备400的收发器部的示意图。在发射器侧，调制解调器450产生由发送基带425转换为模拟基带信号的一组数字信号。在发送基带425中的数字至模拟转换之后，低通滤波器可以在这个块中实现。I&Q调制器420将本地振荡器信号430与发送基带信号混合，通常将他们结合成单个输出，以产生在预期射频下的调制。I&Q调制器420可以由模拟混频器、缓冲器、放大器和滤波器组成。这个信号通过一个或多个天线405过滤、放大415然后切换410。在接收侧上，接收信号通过一个或多个切换的天线元件410，由低噪声放大器(LNA) 435放大，然后经由I&Q解调器440转变成基带。LNA 435和I&Q解调器440可以可选地包括用于信道功率测量或者用于自动增益控制(AGC)的峰值检波器。类似I&Q调制器420，I&Q解调器440可以由模拟混频器、缓冲器、放大器和滤波器组成。产生的I&Q模拟基带信号由一系列放大器、模拟至数字转换器处理并且处理组成接收基带445的一系列数字运算处理，以产生由调制解调器MAC 450接收的数字流。诸如蓝牙、W1-F1、GSM、RFID读取器的许多类型的无线电可以以这种方式在高级别下操作，但是或许利用多个独立的发射和接收子部件。
【发明内容】
[0017]在【具体实施方式】中，无线通信设备的宽带接收器可以针对配置数据轮询宽带通信信道。一旦已接收到配置数据，就可以建立信道，并且连接信息可以被发送到基站。连接信息可以是社交网络系统的用户的标识符。基于标识符，设备能够建立与基站的窄带通信信道。使用标识符，基站能够在使用窄带收发器建立通信信道的同时开始检索用户的社交网络信息。一旦已经建立窄带通信信道，无线通信设备就能够通过该信道接收社交网络信息。
[0018]—旦已经建立窄带通信信道，基站就能够有助于用户的社交网络相关的功能，诸如，举例来说而不是限制，向用户提供目标广告，执行用户的自动签到，基于他们的用户简档向用户提供定制的电视节目，或者确定用户是否被授权访问窄带通信信道。
[0019]在【具体实施方式】中，连接信息可包括用户的密码或者密钥。在【具体实施方式】中，设备可以打开不安全的通信端口达短时间窗口以便与基站交换安全密钥。在【具体实施方式】中，两个或更多个无线通信设备均可以包括加速计，其中数字信号包括加速计信号，并且其中他们均通过将设备“碰撞(bumping)”在一起来发送他们各自的连接信息(例如，交换的加速计信号)。
【附图说明】
[0020]实施方式的上述特征将通过参考以下参照附图的详细说明而更容易理解，其中:<