[发明专利]用于与波束形成天线通信的方法和系统

说明书

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。

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。

背景技术和发明内容

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。本发明的实施方式提供采用用于小型小区(small cell)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。本发明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(tower site density)。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]。