用于与波束形成天线通信的方法和系统技术方案

全息波束形成天线可用于通信网络(例如无线回程网络)内的自适应路由。全息波束形成天线可以进一步用于利用可操纵的高方向性波束发现和/或寻址通信网络中的节点。全息波束形成天线可以进一步用于扩展通信节点的范围并且经由动态相邻小区辅助向相邻节点提供带宽辅助。在一些方法中，MIMO与全息波束形成协同使用以获得额外的信道容量。

Method and system for communication with beamforming antennas

The holographic beamforming antenna can be used for adaptive routing in communication networks, such as wireless backhaul networks. Holographic beamforming antennas can be further used to discover and/or address nodes in communication networks using a maneuverable high-directional beam. Holographic beamforming antennas can be further used to extend the range of communication nodes and provide bandwidth assistance to adjacent nodes via dynamic adjacent cell assistance. In some ways, MIMO is used cooperatively with holographic beamforming for additional channel capacity.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于与波束形成天线通信的方法和系统优先权申请和相关申请的所有主题以及优先权申请和相关申请的任何及所有的母案申请、祖案申请、曾祖案申请等的所有主题，包括任何优先权要求，在这些主题不与本文冲突的程度内，都通过参考并入本文。
技术介绍
和
技术实现思路
商业化的低C-SWAP(成本、尺寸、重量和功率)、软件定义的通信孔径将大大增加未来无线网络(例如，5G无线网络)中的网络容量。本专利技术的实施方式提供采用用于小型小区(smallcell)无线电接入网络、回程和毫米波应用的高增益电子可操纵天线的方法和系统。可操纵波束功能可以提供提高的数据速率、降低的功耗、频谱重用以及动态网络重新配置。此外，网络运营成本可能会降低，并且部署时间表可能会变得更加灵活。未来的无线网络部署(例如，5G无线网络部署)预期会比当前部署提供更高的数据吞吐量。从2010年到2020年，业界预计移动网络流量将增加三个数量级[1]。5G无线系统将纳入一些新技术，以满足频谱紧缩和能源消耗的需求。研究人员和工业界已经提出了大规模MIMO(多输入多输出)[2]、认知无线电[2]、可见光通信[2]、网络致密化[1]、卸载[1]、扩展和更高效的频谱使用[1]、邻域小型小区[3]、毫米波回程[3]、云无线接入网络[3]、协调多点处理[3]和本地机器对机器支持[4]等作为可能包含在5G标准中的候选方案。目前，由于其低方向性，广域或甚至全向天线使频谱饱和。使用低方向性天线从根本上导致发送每比特的较高能量成本，因为绝大多数辐射功率不被接收天线单元捕获。另外，低方向性天线在频谱上污染其覆盖区域，从而阻止类似的天线系统在相同的频率下同时工作。网络容量的增加取决于移动到更小的蜂窝覆盖区域，以优化载波的非常昂贵的频谱重用。使用高方向性天线系统通过限制RF照射区域提供更高的每瓦数据速率(由于SINR增益)。通过保持良好的“光谱卫生”而非在不需要的方向上辐射能量，空间和角度多样性可以显著提高网络吞吐量。这使得该区域可以免费用于其他天线的频谱重用，从而将整个系统推向噪声受限而不受干扰限制。可以使用非扫描、高方向性、固定的天线的大量布置来覆盖区域。然而，需要大量的固定天线来确保覆盖范围，这将是昂贵和庞大的。万向架安装的天线是另一种可能的转向梁选项。但是，它们可能太慢、太笨重且太昂贵而无法充分满足覆盖范围内的多个用户。与静态天线相比，电子操纵的孔可以在短时间间隔(例如，微秒)内重新配置辐射图以最好地服务天线覆盖区内的客户。本专利技术的实施方式包括采用用于高方向性和快速电子束切换(我们将其称为方向性按需(DoD))的可操纵天线的方法和系统。DoD工作模式通过利用天线增加的覆盖范围来降低部署的塔场所密度(towersitedensity)。即使对于短距离链路，除了为用户设备提供更长的电池寿命外，关注基站功耗的运营商可能在使用高方向性天线时节省大量能源[5]。相邻小区塔可以使用小区间干扰协调(ICIC)技术共存，以确保它们的波束合作且不干扰。由于物理信道没有在不需要的方向上分配，多径噪声减少了。非视线(NLoS)通信可以扫描波束以找到有效信道。游动热点(如火车和轮船)可以通过来自导向波束天线的高增益链路被提供服务。利用足够低成本的可操纵天线，可以使用单独的孔径(或针对一个孔径的多个馈送)实现MIMO支持以实现正交空分复用(OSDM)。软件限定的孔径(SDA)已经由有源电子控制阵列(AESA)实现了数十年[6]。AESA挫败了许多降低成本、尺寸、重量和功率(C-SWAP)的尝试，并继续在军事领域几乎被专用。尽管有C-SWAP的局限性，许多组织已经提出了基于相控阵的解决方案，用于下一代网络[3][7][8][9]。本专利技术的实施方式使用利用表面散射技术来实现稳健波束形成的替代扫描波束技术。在基于表面散射技术的天线中，导波和传播波之间的耦合通过调制与导波电磁接触的表面的电磁特性来实现。这种受控的表面调制可以被称为“调制图案”或“全息图图案”。天线中的导波可作为“参考波”或“参考模式”并且所需的自由空间传播波图案可被称为“辐射波”或“辐射模式”。表面散射天线例如在美国专利申请公开No.2012/0194399(下文中称为“BilyI”)中描述，改进的表面散射天线在美国专利申请公开No.2014/0266946(在下文中“BilyII”)中进一步描述。包括耦合到负载有集总装置的可调节的散射元件的波导的表面散射天线在美国专利申请公开No.2015/0318618(下文中称为“ChenI”)中描述，而各种全息调制图案方法在美国专利申请公开No.2015/0372389(以下简称“ChenII”)中描述。在美国专利申请公开No.2015/0380828(以下称为“BlackI”)中描述了包括耦合到可调节槽元件的波导的表面散射天线。在美国专利申请公开No.2015/0318620(以下称为“BlackII”)中描述了弯曲或保形的表面散射天线。宽带表面散射天线在美国专利申请No.62/271,524(以下称为“BlackIII”)中有描述。所有这些专利申请通过引用整体并入本文，并且在下文中将统称为“MSAT申请”。因为表面散射天线利用由天线调制图案限定的全息图的参考波的受控散射的全息原理，所以通过本说明书，表面散射天线将等效且可互换地描述为“全息波束形成天线”。无论何时实施方式考虑波束形成天线，可以预期的是波束形成天线可以是全息波束形成天线或表面散射天线，诸如上述MSAT应用中公开的那些中的任何一种；并且无论何时实施方式考虑配置或调整波束形成天线，可以预期的是，天线可以如在任何上述MSAT应用中所公开的那样配置或调整。已经证明表面散射天线能够在宽范围的微波和mmW频率下工作，包括从L频带到V频带的频率范围(1-60GHz)。可以快速(例如以微秒为单位)重新配置表面散射天线以在任意方向上转向波束或在软件中形成不同的波束形状(参见例如ChenII)。一些方法利用传统的电路制造技术来降低成本和功耗。表面散射天线不需要分立的移相器或定制的单片微波集成电路(MMIC)，但可以利用商用现成的被开发用于无线工业大批量生产的部件。与AESA不同，表面散射天线不需要分布式放大和冷却，并且这可以显著减小本专利技术实施方式的尺寸、重量、复杂性和功耗。实施方式利用表面散射天线，该天线可以制作为共形的(参见例如BlackII)以支持对天线安装具有严格审美要求的市镇中的更多分立部署位置。在一些实施方式中，天线轮廓厚度低至1/2英寸(12.7mm)，这允许在各种位置部署而不会干扰主机结构的外观。已经注意到，空间致密化可能需要这种用于离散部署的低成本、低轮廓(lowprofile)和适应性的技术[3]。可操纵的高方向性天线导致更大的频谱重用以最小化干扰。例如，与其中两个天线都具有低方向性的链路相比，在UE上保持低方向性天线的同时用全息波束形成天线替换小型小区上的低方向性天线增强了链路余量。全息波束形成天线增加的增益在保持良好余量、增加UE电池寿命并减少对其他设备的干扰的同时允许UE降低其用于UE的发射功率，。以与MIMO的出现导致无线协议栈的重新设计几乎相同的方式，将SDA用于高定向空间信道化也将如此。天线不再如传统上的那样被降级到不那么复杂的P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种操作包括全息波束形成天线的网络节点的方法，其包括：配置所述全息波束形成天线以将高方向性波束指向第一相邻节点处；接收指示重新路由偏好的信息；以及根据所述重新路由偏好重新配置所述全息波束形成天线以将高方向性波束指向第二相邻节点处。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.15 US 62/175,9331.一种操作包括全息波束形成天线的网络节点的方法，其包括：配置所述全息波束形成天线以将高方向性波束指向第一相邻节点处；接收指示重新路由偏好的信息；以及根据所述重新路由偏好重新配置所述全息波束形成天线以将高方向性波束指向第二相邻节点处。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络节点是根节点，所述第一相邻节点是第一网格节点，并且所述第二相邻节点是第二网格节点。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络节点是网格节点，所述第一相邻节点是第一相邻网格节点，并且所述第二相邻节点是第二相邻网格节点。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络节点是网格节点，所述第一相邻节点是相邻根节点，并且所述第二相邻节点是相邻网格节点。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络节点是网格节点，所述第一相邻节点是相邻网格节点，并且所述第二相邻节点是相邻根节点。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收指示所述重新路由偏好的所述信息是接收指示对在所述通信节点与所述第一相邻节点之间的通信信道的物理或电磁干扰的信息。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述接收指示对所述通信信道的物理或电磁干扰的信息是观察所述通信信道的信号与干扰加噪声或载波与干扰加噪声度量的减少。8.根据权利要求6所述的方法，其中所述接收指示对所述通信信道的物理或电磁干扰的信息是接收指示降低的信道质量的信道状态信息。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收指示所述重新路由偏好的信息是接收指示所述第一相邻节点处的中断状态的信息。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一相邻节点是具有到根节点的网络路径的网格节点，并且所述接收指示所述重新路由偏好的信息是接收指示在所述网格节点和第一根节点之间的路径的中断状态的信息。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收指示所述重新路由偏好的信息是接收重新路由到所述第二相邻节点的指令。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述接收重新路由的所述指令是从网络操作中心接收重新路由的指令。13.根据权利要求11所述的方法，其中所述接收重新路由的所述指令是经由包括所述网络节点以及所述第一和第二相邻节点的网络接收所述信息。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述网络是辅助网络。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述辅助网络是WLAN、WiMAX、2G、3G、4G/LTE、FM或蓝牙网络。16.一种操作包括波束形成天线的第一节点以动态地辅助第二节点的方法，所述方法包括：配置所述波束形成天线以将第一波束引导到相比于所述第二节点更靠近所述第一节点定位的本地用户处；接收指示所述第二节点处的带宽短缺的信息；以及响应于所述接收，重新配置所述波束形成天线以将第二波束引导到相比于所述第一节点更靠近所述第二节点定位的远程用户处。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一波束具有第一方向性并且所述第二波束具有大于所述第一方向性的第二方向性。18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一节点是服务于包围所述本地用户的第一小区的第一基站，并且所述第二节点是服务于包围所述远程用户的第二小区的第二基站。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二小区与所述第一小区相邻。20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一小区包括包围所述本地用户的第一扇区，并且所述第一波束具有小于或等于所述第一扇区在所述第一节点处对向的角度的第一波束宽度。21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第二小区包括包围所述远程用户的第二扇区，并且所述第二波束具有小于或等于所述第二扇区在所述第一节点处对向的角度的第二波束宽度。22.根据权利要求16所述的方法，其中所述配置和所述重新配置包括所述波束形成天线在至少所述第一波束和所述第二波束之间的重复切换。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述重复切换包括：响应于所述本地用户的增加的带宽需求或者所述远程用户的减少的带宽需求，增加所述第一波束的占空比。24.根据权利要求22所述的方法，其中所述重复切换包括：响应于所述远程用户增加的带宽需求或所述本地用户减少的带宽需求，增加所述第二波束的占空比。25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述本地用户是多个本地用户之一，所述第一波束是指向所述多个本地用户的成组的一个或多个第一波束之一，并且所述重复切换包括：在至少所述成组的一个或多个第一波束和所述第二波束之间重复地切换所述波束形成天线。26.根据权利要求25所述的方法，其中所述成组的一个或多个第一波束是分别对应于所述多个本地用户的多个第一波束。27.根据权利要求22所述的方法，其中，所述远程用户是多个远程用户中的一个，所述第二波束是指向所述多个远程用户的成组的一个或多个第二波束中的一个，并且所述重复切换包括：在至少所述第一波束和所述成组的一个或多个第二波束之间重复地切换所述波束形成天线。28.根据权利要求27所述的方法，其中所述成组的一个或多个第二波束是分别对应于所述多个远程用户的多个第二波束。29.根据权利要求16所述的方法，其中所述接收指示所述带宽短缺的所述信息是从网络操作中心接收所述信息。30.根据权利要求16所述的方法，其中，所述接收指示所述带宽短缺的所述信息是经由包括所述第一节点和所述第二节点的网络接收所述信息。31.根据权利要求30所述的方法，其中所述网络是辅助网络。32.根据权利要求31所述的方法，其中所述辅助网络是WLAN、WiMAX、2G、3G、4G/LTE、FM或蓝牙网络。33.一种用于操作包括全息波束形成天线的网络节点的系统，其包括：天线控制单元，其包括用于调整全息波束形成天线的控制输入以将高方向性波束指向第一相邻节点处的电路；其中天线控制单元还包括用于接收指示重新路由偏好的信息并且根据所述重新路由偏好重新调整所述全息波束形成天线的所述控制输入以将高方向性波束指向第二相邻节点处的电路。34.根据权利要求33所述的系统，其还包括：所述全息波束形成天线。35.根据权利要求33所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克·J·布莱克，布莱恩·马克·多伊奇，亚历山大·雷姆莱·卡特科，梅尔罗·马卡多，杰伊·霍华德·麦坎德利斯，雅罗斯拉夫·A·乌尔朱莫夫，
申请(专利权)人：希尔莱特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US