具有定向天线和一个或多个毫米波反射器的毫米波通信系统的制作方法

专利名称：具有定向天线和一个或多个毫米波反射器的毫米波通信系统的制作方法
技术领域：
本发明的一些实施例涉及使用毫米波频率的无线通信系统。本发明的 一些实施例涉及使用毫米波频率传送多载波信号(例如，正交频分复用 (OFDM)信号)的无线通信系统。
背景技术：
很多常规的无线通信系统在基站和用户站都采用全向天线或低方向性 天线，这主要是因为所用的频率波长较长。例如， 一些无线局域网使用大 约2.4-5吉赫兹(GHz)范围的频率，其波长范围在6和12厘米(cm)之 间。定向天线可以改善这些系统的吞吐量，但信号的较长波长使得难以实 现紧凑的定向天线。此外，这些较长波长信号的传播特性导致了富含多径 效应的室内环境，这使得多天线多载波调制技术，例如多输入多输出 (MIMO) OFDM，能够提供可靠的覆盖，而不需要任何定向天线。
然而，毫米波段具有能够提供更高水平吞吐量的可用谱段。例如，可 能实现高达每秒几个吉比特(Gbp)或更高的吞吐量。利用毫米波频率进行 通信的一个问题是，毫米波频率容易被大气和物体(包括人在内)吸收， 这浪费了它们能量的很大部分。利用毫米波频率通信的另一个问题是阴影 效应，因为毫米波一般不会绕过物体传播。阴影效应使得在非线性场所 (NLOS)情况下通信更加困难。
于是，我们普遍需要在毫米波频率带内通信且具有更大吞吐量的通信 系统和方法。我们普遍需要在毫米波频率带内通信且浪费较少能量和/或减 轻阴影效应的通信系统和方法。


图1A示出了根据本发明的一些实施例的毫米波通信系统的侧视图； 图IB示出了适用于本发明的一些实施例的定向天线的天线方向图的 顶视图2A示出了根据本发明的一些实施例的毫米波通信系统的顶视图； 图2B示出了根据本发明的一些多扇区实施例的毫米波通信系统的顶 视图2C示出了根据本发明的一些分布式波束实施例的毫米波通信系统 的顶视图2D示出了根据本发明的一些其他实施例的毫米波通信系统的顶视
图3示出了根据本发明的一些其他分布式波束实施例的毫米波通信系 统的顶视图4示出了根据本发明的一些实施例的毫米波通信系统的侧视图； 图5A、 5B和5C示出了根据本发明一些多扇区实施例的天线扇区的顶 视图6A到6E示出了适用于本发明一些实施例的反射器和透反射器构造 的正视图7示出了根据本发明一些实施例的毫米波基站的功能框图。
具体实施例方式
以下说明书和附图充分例示了本发明的特定实施例以使本领域的技术 人员能够将其付诸实施。其他实施例可以结合结构、逻辑、电气、过程和 其他变化。范例仅仅代表可能的变型。各组件和功能都是可选的，除非明 确地需要，并且操作次序可以变化。 一些实施例的各部分和特征可以包括 在其他实施例的部分和特征中，或作为其替代。权利要求中阐述的本发明 实施例涵盖这些权利要求的所有可能等价表述。在本文中，仅仅出于方便 的原因，可以用"发明"一词单独地或总体地指称本发明的实施例，如果实际 上公开了超过一个实施例，并非意在将本申请的范围限制到任何单个发明
8或发明构思。
图1A示出了根据本发明的一些实施例的毫米波通信系统的侧视图。毫 米波通信系统100包括基站150和定向天线102，定向天线102用于基本上 在水平面115内引导毫米波信号113。毫米波通信系统100还可以包括一个 或多个反射器104，其被设置成将毫米波信号113反射到用户设备108。在 一些实施例中，毫米波通信系统100可以是室内通信系统，定向天线102 可以沿着障碍物上方的天花板基本上在水平面115中引导毫米波信号113。 在这些实施例中，定向天线102产生的主波束103在水平面115中可以发 散或更加发散，在竖直平面117中基本上不发散或较少发散，以使得主波 束103保持在天花板110附近，但本发明的保护范围不限于此。在一些实 施例中，可以在用户位置106上方的天花板110上或附近设置一个或多个 反射器104，以将毫米波信号113反射到用户设备108。
尽管本发明的一些实施例被描述为沿天花板引导毫米波并由天花板反 射器将其散布或反射，但本发明的保护范围不限于此。在一些实施例中， 可以沿着诸如墙壁的其他平坦表面引导毫米波信号，并可以利用诸如墙壁 反射器的表面反射器散布或反射信号。尽管结合竖直和水平面描述了本发 明的一些实施例，但在一些应用中可以互换这些术语。
毫米波信号是指频率在大约60和90GHz之间的信号，但本发明的保护 范围不限于此，因为也可以使用更低和更高的频率。本发明的一些实施例 可以适用于光信号。本文所使用的短语"引导信号"可以包括接收和发射 信号两者。
图1B示出了适用于本发明的一些实施例的定向天线的天线方向图。图 1B所示的天线方向图可以适用于毫米波通信系统100 (图1A)中。在这些 实施例中，定向天线102产生的主波束103是平宽(即发散)波束，可以 将其称为扇形波束，但本发明的保护范围不限于此。在一些实施例中，定 向天线102产生的扇形天线波束在竖直平面117中可以是基本上不发散的， 在水平面115中可以是发散的。在一些实施例中，扇形天线波束在多达12 一50米或更远距离处可以具有大约为25-50cm的竖直孔径尺寸。这有助于 确保1/R量级上的更为圆柱形的路径损耗，而不是1/112量级上的更为球形 的路径损耗，其中R为距定向天线102的距离(即半径)。这种能量传输可以称为分层能量传输。
在一些实施例中，定向天线102可以包括一个或多个片透镜阵列、喇 叭天线、反射器天线、隙缝天线或开槽波导天线。在一些实施例中，定向 天线102还可以包括一个或多个有助于引导毫米波信号的毫米波透镜。下 文更详细地描述这些实施例。
返回图1A，用户设备108可以包括定向天线，定向天线接收由一个反 射器104反射的毫米波信号113并基本上排斥接收来自其他反射器104的 毫米波信号113。在一些实施例中，用户设备108的定向天线能被朝着天花 板110向上引导，以接收和/或发射由一个反射器104从向上方向反射的毫 米波信号113。在这些实施例中，用户设备108的定向天线可以充分地定向 化，以便从一个反射器104接收信号并减少从其他反射器104接收毫米波 信号的多径分量，但本发明的保护范围不限于此。在一些实施例中，基站 150和/或用户设备108可以包括进一步减轻任何多径传播效应的电路，但 本发明的保护范围不限于此。
在一些实施例中，可以调节和/或选择反射器104的位置，以便为每个 用户设备108提供信号覆盖。在一些实施例中，可以选择反射器104的位 置，以将大部分发射能量直接反射到用户设备108。这些实施例可能会浪费 较少的发射能量来照射不太重要的区域，这有助于提高毫米波通信系统100 的电力效率。在一些实施例中，可以将毫米波通信系统100示为天花板下 的开放波导系统。在一些实施例中，对于噪声因数为5dB、实施裕量为5dB 且接收天线增益为6dB的用户设备108而言，少到10毫瓦(mW)的辐射 能量即可以用于在大约180平方米的面积内提供高达1.5Gbps的吞吐量(当 该面积基本上被均匀照射时)。在这些实施例中，反射器的尺寸可以介于大 约0.025和0.25平方米之间。在一些实施例中，毫米波通信系统100可以 适于家庭、有小隔间的办公室和机场、购物中心和咖啡馆的热点地区，但 本发明的保护范围不限于此。
图2A示出了根据本发明的一些实施例的毫米波通信系统的顶视图。如 图2A所示，定向天线202基本上在水平面中将毫米波信号213引导到一个 或多个反射器204，以便由用户设备(未示出)接收。在图2A所示的实施 例中，定向天线202可以对应于定向天线102 (图1A和1B)，反射器204可以对应于反射器104 (图1A)。
在这些实施例中，水平面中的扇形波束可以将毫米波信号弓I导到所有 反射器204中的大部分中。在这些实施例中的一些中，可以使用水平面115 中的宽角度或全向天线图(图1A和1B)，这可以同时照射大部分或全部反 射器204。在这些实施例中，可能会产生1/R量级的路径损耗，其中R为从 定向天线202到用户设备的距离。在一些实施例中，用户设备可以利用所 接收信号中的多径分量同时从若干反射器204接收信号。在这些实施例中， 可以使用防护间隔长度较长的多载波信号，但本发明的保护范围不限于此。
图2B示出了根据本发明的一些多扇区实施例的毫米波通信系统的顶 视图。在这些实施例中，多扇区定向天线210可以以一个或多个扇区的方 式引导毫米波信号213，通常图示为扇区212、 214和215。扇区212、 214 和215各自可以包括一个或多个反射器204，反射器204被设置成在被多扇 区定向天线210照射时将毫米波信号213反射到用户设备。在图2B所示的 实施例中，多扇区定向天线210可以对应于定向天线102 (图1A和1B)， 反射器204可以对应于反射器104 (图1A)。
在图2B所示的多扇区实施例中，可以实现提高的天线增益，这可以改 善毫米波通信系统100的电力效率。在一些实施例中，定向天线210可以 采用在水平面中跨整个方位角的扫描。
在一些实施例中，多扇区定向天线210包括片透镜天线阵列，以在扇 区212、 214和215的一个或多个选定扇区中引导毫米波信号。在这些实施 例中，片透镜天线阵列可以包括一个片阵列(chip-array)和一个毫米波透 镜，片阵列在扇区212、 214和215的一个选定扇区中产生和引导毫米波天 线波束，毫米波透镜对毫米波天线波束进行整形，以便在水平面内加以引 导。在一些实施例中，多扇区定向天线210可以包括一个或多个片阵列和 一个或多个毫米波透镜，但本发明的保护范围不限于此。在一些实施例中， 定向天线210可以包括产生毫米波天线波束的片阵列以及对毫米波天线波 束整形以在水平面内加以引导的毫米波反射器。
在这些实施例中的一些中，基站150 (图1A)可以向片透镜天线阵列 提供毫米波信号，以选择性地为扇区212、 214和215的一些或全部服务。 在一些实施例中，基站150 (图1A)可以向片阵列提供控制信号，以使片阵列在扇区212、214和215的一个或多个选定扇区中引导毫米波天线波束， 从而向扇区212、 214和215中的一个或多个选定扇区发射毫米波信号或从 其接收毫米波信号。在一些实施例中，可以用相继的方式为扇区212、 214 和215服务。在其他实施例中，可以并行地为一个或多个扇区服务。尽管 图2B示出了三个扇区，但根据多扇区定向天线210在每个扇区之内的定向 性，这些实施例的范围包括少到两个扇区以及多到几十个扇区。
图2C示出了根据本发明的一些分布式波束实施例的毫米波通信系统 的顶视图。在这些实施例中，定向天线220在主波束203之内将毫米波信 号引导到一个或多个分布反射器226。在这些实施例中， 一个或多个分布反 射器226可以反射主波束203的至少部分，以提供一个或多个分布式波束 223。在这些实施例中，二级反射器224可以位于分布式波束223之一中， 以将分布式波束223之一反射到用户设备108 (图1A)。在这些实施例中， 定向天线220可以对应于定向天线102 (图1A)， 二级反射器224可以对应 于反射器104 (图1A)。
在一些实施例中，主波束203可以是准直波束(例如水平圆柱的形式)， 其可以在水平和竖直平面内都基本上不发散。在这些实施例中，定向天线 220可以沿着包括一系列分布反射器226在内的路径，引导主波束203。每 个相继的分布式反射器226可以接收主波束203的未被该系列中前一分布 式反射器226反射的部分毫米波信号。在一些室内实施例中，分布反射器 226的系列可以处于沿着天花板的一条线中，但本发明的保护范围不限于 此。在这些实施例中的一些中，至少一些分布反射器226可以包括反射-透 射元件，以沿一个或多个方向反射主波束203的一部分，并允许主波束203 的另一部分通过。反射-透射元件可以包括毫米波透射反射器。在一些实施 例中，反射-透射元件可以反射主波束203的具有第一偏振的部分，可以让 主波束203的具有第二偏振的部分通过。在一些实施例中，第二偏振可以 相对于第一偏振基本上呈九十度。在一些实施例中，第一和第二偏振可以 是水平和垂直偏振，但本发明的保护范围不限于此。在这些实施例中的一 些中，定向天线220可以沿着包括一系列反射-透射元件在内的路径，引导 主波束203，每个相继的反射-透射元件可以从前一个反射-透射元件接收毫 米波信号。下文更详细地描述反射器和透射反射器的一些范例。
12图2D示出了根据本发明的一些其他实施例的毫米波通信系统的顶视 图。在这些实施例中， 一个或多个定向天线220可以将对应的一个或多个 主波束203之内的毫米波信号引导到一个或多个反射器246。在这些实施例 中，反射器246可以设置在主波束203之一中，以将毫米波信号反射到用 户设备。在这些实施例中，每个定向天线220可以对应于定向天线220 (图 2C)，反射器246可以对应于反射器104 (图1A)。
图2C和2D中所示的实施例可以在很多室内情景中天花板下方没有障 碍的空间之内提供受引导的或分层的信号传输，从而实现毫米波频率所提 供的一些优点。例如，这一空间可以是天花板下方大约50cm，但本发明的 保护范围不限于此。在这些实施例中， 一个或多个定向天线220可以在水 平面内引导主波束203。在这些实施例中，主波束203在竖直面内可以相当 窄(例如25-50cm)。在一些实施例中，主波束203可以是准直波束(即， 在水平和竖直平面内都基本上不发散的波束)，但本发明的保护范围不限于 此。
图2C和2D中所示的实施例可以被称为准光学实施例。在这些实施例 中，可以将主波束203视为通过开放波束波导传输，在开放波导中，可以 忽略功率的衍射损耗，这种衍射损耗取决于从定向天线220到用户设备上 方的反射器的距离。因此，这些实施例在电力效率方面可以更高。
图3示出了根据本发明的一些其他分布式波束实施例的毫米波通信系 统的顶视图。毫米波通信系统300包括基站350和定向天线302，定向天线 302引导毫米波信号313，以形成主波束303。在这些实施例中，主波束303 可以是包括毫米波信号313在内的狭窄的基本上不发散的波束。毫米波通 信系统300还可以包括位于主波束303之内的一个或多个毫米波透镜306， 以对主波束303重新聚焦和/或重新定向。毫米波通信系统300还可以包括 一个或多个分布反射器326，以反射主波束303的至少部分，从而提供一个 或多个分布式波束323。 二级反射器(未示出)可以位于分布式波束323之 内，用以将分布式波束323反射到用户设备。在一些实施例中，分布反射 器326可以包括毫米波透射反射器，其可以反射毫米波信号313的部分， 而允许毫米波信号313的其他部分通过。
图3中所示的毫米波通信系统300的实施例在天花板下方没有障碍的空间之内提供受引导的或分层的信号传输，从而也可以实现毫米波频率所
提供的一些优点。在这些实施例中，定向天线302可以设置在天花板下方， 且可以在水平面中引导主波束303。在这些实施例中，主波束303可以相当 狭窄(例如25-50cm)。在一些实施例中，主波束303可以是准直波束(即， 在水平和竖直平面内都基本上不发散的波束)。但本发明的保护范围不限于 此。
在一些实施例中，定向天线302可以产生针形的基本上不发散的波束， 但本发明的保护范围不限于此。在一些实施例中，设置于主波束303中的 毫米波透镜306可以对主波束303重新聚焦，以帮助主波束303在其传播 一定距离时仍保持基本上不发散和/或为针形。
在一些实施例中，使用距定向天线302有一定距离的毫米波透镜306 (图3)和/或分布反射器326可以有效地生成开放波导，从而将信号传输 范围增大数倍(远到150-250米)。这可以实现从基站350 (图3)到用户设 备的引导式能量传递，同时保持低的路径损耗。
在一些实施例中，毫米波通信系统300可以是室内通信系统，定向天 线302可以沿着主房间310的天花板引导毫米波信号313。在一些实施例中， 定向天线302可以产生基本上不发散的主波束303。在一些实施例中，分布 反射器326中的每一个都可以将主波束303的至少部分反射到其他房间312 中。在一些实施例中，毫米波通信系统300可以用在诸如机场或大型购物 中心等地方，其他房间312可以包括诸如咖啡馆、店铺、商店和/或与主房 间310相邻的等候室等地方，但本发明的保护范围不限于此。
参考图1A、 1B、 2A、 2B、 2C、 2D和3，在一些实施例中，定向天线 102(图1A和1B)、定向天线202 (图2A)、定向天线210 (图2B)、定向 天线220 (图2C)、定向天线220 (图2D)和定向天线302 (图3)可以包 括几乎任何种类的天线或天线结构，只要其能提供定向或高度定向天线辐 射即可。在一些实施例中，可以使用一个或多个喇叭天线、反射器天线、 贴片天线(patch antenna)、偶极天线、回路天线和/或微带线天线。在一些 实施例中，可以使用相位阵列天线。在一些实施例中，除了两个或更多天 线之外，可以使用单个具有多重口径的天线。在这些实施例中，每个口径 都可以被视为单独的天线。在使用相位阵列天线的一些实施例中，可以为每个天线单元或天线单元组提供放大器元件，但本发明的保护范围不限于 此。在一些实施例中， 一个或多个天线可以采用反射器或毫米波透镜来实 现较大的竖直口径尺寸，从而在竖直面内提供基本上不发散的波束，在水 平面中提供发散波束。
在一些实施例中，定向天线102(图1A和1B)、定向天线202(图2A)、 定向天线210 (图2B)、定向天线220 (图2C)、定向天线220 (图2D)和 /或定向天线302 (图3)可以包括具有毫米波透镜和片阵列的片透镜阵列天 线，其中，毫米波透镜用于对主波束进行整形，片阵列产生毫米波信号的 入射波束并引导其通过毫米波透镜，以便随后发射到用户设备。在使用扇 形波束的这些实施例中的一些中，毫米波透镜可以具有内表面和外表面， 内表面和外表面具有选定的曲率，以便能提供作为水平面内发散波束的主 波束和作为竖直面内基本上不发散波束的主波束，但本发明的保护范围不 限于此。
在一些实施例中，片阵列可以耦合到控制电路，后者可以操控毫米波 透镜之内的入射波束，从而在多个反射器之间引导毫米波信号。在这些实 施例中的一些中，片阵列可以包括通过控制元件耦合到毫米波信号路径的 天线元件的线性或平面阵列。控制元件可以控制天线元件之间的幅度和/或 相移。在这些实施例中的一些中，毫米波透镜包括对毫米波信号透明的交 联聚合物折射材料。在采用多扇区的一些实施例中，可以使用多个片阵列。 在这些多扇区实施例中，每个扇区关联于一个片阵列，但本发明的保护范 围不限于此。
在一些实施例中，反射器104 (图1A)、反射器204 (图2A、图2B)、 反射器224 (图2C)、分布反射器226 (图2C)、反射器246 (图2D)和/ 或分布反射器326 (图3)可以包括几乎任何类型的反射毫米波的材料或构 造。在一些实施例中，可以选择材料和构造，以反射所用的特定毫米波频 率。在一些实施例中， 一个或多个反射器可以包括固态金属或电介质板。 在其他实施例中， 一个或多个反射器可以包括金属或电介质栅网或网格结 构。在一些其他实施例中， 一个或多个反射器可以包括多组金属或电介质 线或条。在一些实施例中，可以使用金属油漆来反射所用的特定毫米波频 率的毫米波信号。在一些实施例中，当反射器包括金属栅网或网格结构时，可以选择元件之间的间隔，使其不明显超过半个波长。在一些实施例中， 在天线的孔径范围内，元件之间的间隔可以变化，以生成定向或高度定向 的天线方向图。
在一些实施例中，当反射器使用栅网或网格结构时，可以选择栅网或 网格结构以反射一种偏振(例如水平偏振)而让另一种偏振(例如垂直偏 振)通过，从而提供透射反射器。在一些实施例中，可以选择栅网或网格 结构，以让能量的不同部分通过并反射剩余能量。这些半透明实施例可以
适于用作分布反射器226 (图2C)和/或分布反射器326 (图3)。在一些其 他实施例中， 一个或多个反射器可以包括多组金属元件，例如金属线，其 可以是大约半个波长的长度。可以设置多组金属元件，以反射所有或一些 毫米波信号。通过这种方式，这些反射器在毫米波频率上也可以是半透明 的。在下文中更详细地描述适当的反射器和透反射器构造的范例。
在一些实施例中，反射器和/或透射反射器可以包括一个或多个金属反 射器，其用于反射预定的毫米波频率。在一些实施例中，反射器和/或透射 反射器可以包括电介质反射器，其包括选定的电介质材料，该选定电介质 材料反射预定的毫米波频率。在一些实施例中，反射器和/或透射反射器可 以包括电介质金属反射器，其包括具有金属涂层的电介质材料，用于反射 预定的毫米波频率。在一些实施例中，反射器和/或透射反射器可以包括金 属网格结构，用于反射预定的毫米波频率。在一些实施例中，反射器和/或 透射反射器可以包括电介质金属反射器，其包括多个设置在电介质材料上 的金属元件。在这些实施例中，可以选择金属元件的间距和长度，以反射 预定毫米波频率的一个或多个分量。
图4示出了根据本发明的一些实施例的毫米波通信系统的侧视图。毫 米波通信系统400可以包括定向天线402，用以将毫米波信号413引导到一 个或多个用户设备408。在这些实施例中，定向天线402可以利用天线增益 图案，在多个扇区中选定的一个或多个扇区之内发射毫米波信号413，其中 的天线增益图案取决于到用户设备408的仰角403。毫米波通信系统400还 可以包括产生毫米波信号的基站450。在一些实施例中，定向天线402利用 可提供天线增益图案的基本上正割平方(sec2)的垂直图案和基本上全方向 的水平图案，发射毫米波信号413，其中，天线增益图案取决于仰角403。
16这些实施例有助于确保至少在一定范围内基本上独立于与定向天线402的 距离而在用户设备408处提供下行链路中基本相等的信号功率。同样，在 上行链路中，至少在一定范围内可以基本上独立于与定向天线402的距离 而提供对用户设备408发射的信号的基本相等的天线灵敏度。在这些实施 例中的一些中，用户设备408接收的下行链路信号经受的路径损耗可以与 信号传播的距离平方成反比。在这些实施例中，到达每个用户设备408的 信号可以与仰角403正割的平方成反比，这使得远程用户设备408与近处 用户设备能够同样好地收发信号。在一些实施例中，可以将基本上为正割 平方的图案称为共正割平方(CSC)图案，但本发明的保护范围不限于此。
在一些实施例中，由毫米波通信系统400伺服的多个扇区可以包括水 平面的扇区或竖直面的扇区。在一些其他实施例中，多个扇区可以包括既 在水平面内又在竖直面内的扇区。下文描述不同扇区构造的范例。
在一些实施例中，定向天线402包括片透镜天线阵列，用于在选定的 一个或多个扇区之内引导毫米波信号。在一些实施例中，片透镜天线阵列 可以包括片阵列和毫米波透镜420，片阵列在水平和/或竖直面中产生和引 导毫米波天线波束，而毫米波透镜则根据基本上正割平方的竖直图案对毫 米波天线波束进行整形。在一些实施例中，片透镜阵列天线可以包括一个 或多个片阵列和一个或多个毫米波透镜420，但本发明的保护范围不限于 此。
在一些实施例中，定向天线402包括片透镜天线，用于在选定的一个 或多个扇区之内引导毫米波信号。在这些实施例中，片透镜天线可以包括 毫米波透镜，毫米波透镜根据竖直面中基本上正割平方的图案和水平面中 基本上全向的图案对毫米波信号整形。片透镜阵列天线还可以包括片阵列， 用于产生毫米波信号并通过毫米波透镜引导毫米波信号，以便稍后发射信 号。在这些实施例中的一些中，毫米波透镜可以具有基本上呈球形的内表 面并可以具有由第一和第二部分限定的外表面。可以选择外表面的第一和 第二部分，以提供水平面中基本上全向的图案和竖直面中基本上正割平方 的图案。在一些实施例中，片阵列可以包括通过控制元件耦合到毫米波信 号路径的天线元件的线性或平面阵列。控制元件可以控制天线元件之间的 幅度和/或相移，从而操控透镜之内的入射波束。在一些实施例中，毫米波透镜可以包括对毫米波信号基本上透明的交联聚合物折射材料，但本发明 的保护范围不限于此。
在一些实施例中，基站450可以向片透镜阵列提供毫米波信号，以便 有选择地伺服各扇区。基站450还可以向片透镜阵列提供控制信号，以在 选定的一个或多个扇区之内引导毫米波天线波束，从而向选定的一个或多 个扇区发射毫米波信号或从选定的一个或多个扇区接收毫米波信号。在一 些实施例中，可以以顺序的方式对各扇区伺服。在其他实施例中，可以并 行伺服一个或多个扇区。在毫米波通信系统400的一些多扇区实施例中， 定向天线402可以包括分开的天线元件，例如分开的片透镜阵列，从而对 一个或多个扇区伺服。
图5A、 5B和5C示出了根据本发明一些多扇区实施例的天线扇区的顶 视图。图5A示出了在水平面515中具有不同半径的扇区506和508。图5B 示出了在水平面515中具有不同方位角的多个扇区512、 514和516。图5C 示出了在水平面515中具有不同方位角和不同半径的扇区522和524。在这 些实施例中的一些中，定向天线402 (图4)在一个或多个扇区之内用正割 平方方向图引导毫米波信号。在一些实施例中，定向天线402 (图4)以时 分复用的方式在一个或多个扇区之内用正割平方方向图引导毫米波信号， 但本发明的保护范围不限于此。
在图5A的范例中，扇区506被示为具有7.5米(m)的半径，扇区508 被示为具有10.5m的半径。在图5B的范例中，扇区512、 514和516被示 为具有25米的半径。在图5C的范例中，扇区522被示为具有25m的半径， 扇区524被示为具有扩展到36m的半径。图5A、 5B和5C中所示的各扇区 的半径长度仅为例示性目的。本发明的保护范围不限于此，其他半径的扇 区也是适用的。
在一些实施例中，定向天线402 (图4)可以包括独立的定向天线元件， 以对各扇区中的每个进行伺服。在其他实施例中，定向天线402 (图4)可 以包括片透镜天线阵列，以用于如上所述有选择地伺服各扇区。
图6A到6E示出了适用于本发明一些实施例的反射器和透反射器构造 的正视图。图6A到6E所示的反射器和透射反射器可以适于用作反射器104 (图1A)、反射器204 (图2A和2B)、反射器224 (图2C)、分布反射器
18226 (图2C)、反射器246 (图2D)和/或分布反射器326 (图3)，但其他 反射器和透射反射器构造也是适用的。
图6A示出了反射器/透射反射器构造的范例，其具有竖直金属元件602， 竖直金属元件可以充分反射垂直偏振毫米波信号并允许水平偏振毫米波信 号通过。图6B示出了反射器/透射反射器构造的范例，其具有水平金属元 件604，水平金属元件可以反射水平偏振毫米波信号并允许垂直偏振毫米波 信号通过。图6C示出了既具有竖直金属元件602又具有水平金属元件604 的反射器构造范例，其可以反射毫米波信号的大部分或全部分量(即水平 和垂直偏振分量二者)。图6D示出了反射器/透射反射器构造的范例，其具 有竖直设置的金属元件606，以充分反射垂直偏振毫米波信号。图6E示出 了反射器构造的范例，其具有竖直设置的金属元件606和水平设置的金属 元件608，以充分反射大部分或全部特定频率的毫米波信号。可以基于特定 的毫米波频率选择金属元件的尺寸和/或之间的间隔，以实现特定的反射和 透射性质。
图7示出了根据本发明一些实施例的毫米波多载波基站的功能框图。 毫米波多载波基站700可以适于用作基站150(图1A)、毫米波基站350(图 3)和/或毫米波基站450 (图4)，但其他基站构造也是适用的。
毫米波多载波基站700可以包括多载波发射机702和上变频电路704， 多载波发射机702根据输入的比特流产生多载波信号，上变频电路704将 多载波信号上变频为毫米波多载波信号，以便由一个或多个天线发射。毫 米波多载波基站700还可以包括下变频电路706和多载波接收机708，下变 频电路706对经一个或多个天线接收的毫米波多载波信号进行下变频，多 载波接收机708将经过下变频的信号转换成输出比特流。图7示出了毫米 波多载波基站700的物理(PHY)层，然而，毫米波多载波基站700可以 包括其他层，例如媒介访问控制(MAC)层，以从PHY层接收输出的比特 流，以及，为PHY层产生输入比特流。在一些实施例中，诸如用户设备108 (图1A)和用户设备408 (图4)之类的用户设备可以具有类似的PHY层。 在一些实施例中，可以在网络接口卡(NIC)中实现PHY层。
尽管毫米波多载波基站700被示为具有若干独立的功能元件，但也可 以将一个或多个功能元件组合起来或可以通过组合软件配置的元件(例如包括数字信号处理器(DSP)和/或其他硬件元件的处理元件)来实现一个 或多个功能元件。例如， 一些元件可以包括一个或多个微处理器、DSP、专 用集成电路(ASIC)以及用于执行至少这里所述的功能的各种硬件和逻辑 电路的组合。在一些实施例中，毫米波多载波基站700的功能元件可以是 指工作在一个或多个处理元件上的一个或多个过程。
在一些实施例中，毫米波通信系统100 (图1A)、毫米波通信系统300 (图3)和/或毫米波通信系统400 (图4)可以利用诸如OFDM通信信号 之类的多载波通信信号来通信。多载波通信信号可以处于毫米波频率谱之 内且可以包括多个正交的子载波。在一些实施例中，可以由密集分布的 OFDM子载波限定多载波信号。每个子载波可以在其他子载波的基本上中 心频率处具有零值，且/或每个子载波可以在一个符号周期之内具有整数次 的循环，但本发明的保护范围不限于此。在一些实施例中，毫米波通信系 统100 (图1A)、毫米波通信系统300 (图3)和/或毫米波通信系统400 (图 4)可以根据多址技术，例如正交频分多址(OFDMA)技术来通信，但本 发明的保护范围不限于此。
在一些其他实施例中，毫米波通信系统IOO (图1A)、毫米波通信系统 300 (图3)和/或毫米波通信系统400 (图4)可以利用单载波信号来通信， 但本发明的保护范围不限于此。在一些实施例中，毫米波通信系统100(图 1A)、毫米波通信系统300 (图3)和/或毫米波通信系统400 (图4)可以 利用扩频信号来通信，但本发明的保护范围不限于此。
在一些实施例中，基站150 (图1A)、基站350 (图3)和/或基站450 (图4)可以是诸如无线局域网通信站之类的通信站或利用毫米波频率通信 的接入点(AP)的一部分。在一些其他实施例中，基站150 (图1A)、基 站350 (图3)和/或基站450 (图4)可以是诸如宽带无线接入(BWA)网 通信站、诸如利用毫米波频率通信的微波接入全球协作(WiMax)通信站 之类的无线接入网通信站的一部分。
在一些实施例中，用户设备108 (图1A)和用户设备408 (图4)可以 是便携式无线电通信装置，例如个人数字助理(PDA)、具有无线通信能力 的膝上或便携计算机、网络平板电脑、无线电话、无线耳机、寻呼机、即 时消息收发装置、数字摄像机、电视、医疗装置(例如心率监测仪、血压监测仪等)、或可以用无线方式接收和/或发射信息的其他装置。
在一些实施例中，毫米波通信系统100 (图1A)、毫米波通信系统300 (图3)和/或毫米波通信系统400 (图4)可以基本上根据特定通信标准或 提出的技术规范来通信，所述标准或技术规范例如是电子及电气工程师协 会(IEEE)标准，包括正EE 802.15标准和所提出的用于毫米波通信的技术 规范(例如日期为2005年12月的IEEE 802.15任务组3c Call For Intent (CFI))，但本发明的保护范围不限于此，因为它们也可以适于根据其他技 术和标准来发射和/或接收通信。关于IEEE 802.15标准的更多信息，请参 见"IEEE Standards For Information, Telecommunications and Information Exchange between Systems"的第15部分。
提供摘要是为了符合37C.F.R.第1.72 (b)节的规定，其要求提供摘要， 以便读者能够明白技术公开的本质和要点。应当理解的是，不应将其用于 解释或限制权利要求的范围或含义。在前面的详细描述中，在单个实施例 中为了公开的流畅起见，有时候将各个特征集中到一起。这种公开方法不 应被理解为反映如下动机所主张的该主题的实施例需要比每项权利要求 明确列举的更多特征。确切而言，如权利要求书所反映的那样，本发明可 以体现在比单个公开实施例的所有特征要少的特征中。因此权利要求应结 合到说明书中，每项权利要求自身代表独立的优选实施例。
权利要求
1、一种毫米波通信系统，包括一个定向天线，其基本上在水平面中引导毫米波信号；多个毫米波反射器，其与所述定向天线间隔开并位于室内区域中障碍物的上方，用于将部分所述毫米波信号反射到一个或多个用户设备。
2、 根据权利要求1所述的毫米波通信系统， 其中，所述室内区域至少被天花板包封，其中，所述定向天线基本上在所述水平面中沿所述障碍物上方引导所 述毫米波信号，其中，所述定向天线产生的主波束在所述水平面中发散，在竖直面中 基本上不发散，从而使所述主波束保持在所述障碍物上方，其中，所述一个或多个反射器位于用户位置上方的所述天花板上或附 近，用于将所述毫米波信号反射到所述用户设备。
3、 根据权利要求2所述的毫米波通信系统，其中，所述定向天线包括片透镜阵列天线，所述片透镜阵列天线包括 毫米波透镜和片阵列，所述毫米波透镜对所述主波束进行整形，所述片阵 列产生毫米波信号的入射波束并引导其通过所述毫米波透镜，以便随后将 其发射到所述用户设备，其中，所述毫米波透镜具有内表面和外表面，选择所述内表面和所述 外表面的曲率，以提供在所述水平面内发散的主波束和在所述竖直面内作 为基本不发散波束的主波束。
4、 根据权利要求3所述的毫米波通信系统，其中，所述片阵列耦合到 控制电路，所述控制电路操控所述透镜之内的所述入射波束，从而在所述 多个反射器之间引导所述毫米波信号。
5、 根据权利要求1所述的毫米波通信系统，其中，所述定向天线为多扇区定向天线，其用于在所述水平面的多个 扇区中的一个或多个选定扇区之内引导所述毫米波信号，其中，每个扇区包括一个或多个所述毫米波反射器，后者的位置设置 成在其被所述多扇区定向天线照射时将所述毫米波信号反射到所述用户 设备。
6、 根据权利要求5所述的毫米波通信系统，其中，所述多扇区定向天 线包括多个片透镜阵列天线，用于产生所述毫米波信号并在一个相关的所 述扇区之内弓1导所述毫米波信号。
7、 根据权利要求6所述的毫米波通信系统，其中，所述片透镜阵列天线各包括一个毫米波透镜和一个片阵列，所 述毫米波透镜对所述主波束进行整形，所述片阵列产生毫米波信号的入射 波束并引导其通过所述毫米波透镜，以便随后将其发射到所述用户设备，其中，所述毫米波透镜具有内表面和外表面，选择所述内表面和所述 外表面的曲率，以提供在所述水平面内发散的主波束和在所述竖直面内作 为基本不发散波束的主波束，其中，所述片阵列耦合到控制电路，所述控制电路操控所述透镜之内 的所述入射波束，从而在所述扇区之间弓I导所述毫米波信号。
8、 根据权利要求1所述的毫米波通信系统，其中，所述毫米波反射器中至少有一些为二级反射器，其中，所述系统还包括位于天花板上或附近的一个或多个分布反射器，用于反射部分所述主波束并提供一个或多个分布式波束，其中，所述二级反射器位于所述分布式波束之一之内的所述天花板上或附近，用于将所述毫米波信号反射到所述用户设备。
9、 根据权利要求8所述的毫米波通信系统，其中，所述定向天线产生基本上平行于所述天花板的基本上准直的波束，其中，所述定向天线沿着包括一系列所述分布反射器在内的路径弓I导 所述基本上准直的波束，其中，每个相继的分布反射器反射所述基本上准直的波束中未被所述 系列中的前一分布反射器反射的毫米波信号。
10、 根据权利要求1所述的毫米波通信系统，其中，所述定向天线在所述室内区域中所述障碍物上方产生基本上准直的、波束，其中，所述毫米波反射器中至少有一些包括二级反射器，其中，所述通信系统还包括一个或多个位于所述基本上准直的波束之内的毫米波透镜，用于对所 述基本上准直的波束进行重新聚焦；一个或多个分布反射器，用于反射至少部分所述基本上准直的波束并 产生一个或多个分布式波束，其中，所述二级反射器位于所述分布式波束之内，用于反射所述毫米 波信号，以供一些所述用户设备接收。
11、 一种毫米波通信系统，包括定向天线，其位于室内区域中障碍物上方，利用竖直面中基本上正割 平方(sec2)的图案和水平面中基本上全向的图案，向一个或多个用户设备 传送毫米波信号；基站，其产生所述毫米波信号，其中，所述定向天线在所述竖直面内提供至少两个扇区，在所述水平 面内提供多个扇区。
12、 根据权利要求11所述的毫米波通信系统，其中，所述定向天线包括片透镜天线，用于在选定的一个或多个所述 扇区中引导所述毫米波信号，其中，所述片透镜天线包括-毫米波透镜，所述毫米波透镜根据所述竖直面中基本上正割平方的图案和所述水平面中基本上全向的图案对所述毫米波信号进行整形；片阵列，其产生所述毫米波信号并引导其通过所述毫米波透镜，以供 随后发射。
13、 根据权利要求12所述的毫米波通信系统，其中，所述毫米波透镜具有基本上呈球形的内表面，且具有由第一和 第二部分限定的外表面，其中，选择所述外表面的所述第一和第二部分，以提供所述水平面中 基本上全向的图案和所述竖直面中基本上正割平方的图案。
14、 根据权利要求13所述的毫米波通信系统，其中，所述片阵列包括通过控制元件耦合到毫米波信号路径的天线元 件的线性或平面阵列，所述控制元件控制所述天线元件之间的相移和幅度， 其中，所述毫米波透镜包括交联聚合物折射材料。
15、 一种通信方法，包括利用定向天线在水平面中引导室内区域中障碍物上方的多载波调制毫 米波信号，使其被多个反射器反射，以便由一个或多个用户设备随后接收， 所述反射器与所述定向天线间隔开并位于所述障碍物上方。
16、 根据权利要求15所述的方法，还包括产生主波束，所述主波束在所述水平面中发散，在竖直面中基本上不 发散，从而使所述主波束保持在所述障碍物上方，其中，所述反射器位于用户位置上方，用于将部分所述毫米波信号反 射到所述用户设备。
17、 根据权利要求16所述的方法，其中的产生包括 利用片阵列产生和引导所述主波束；利用毫米波透镜对所述主波束进行整形，其中，所述片阵列弓I导毫米波信号的入射波束通过所述毫米波透镜，以便随后发射到所述用户设备，其中，所述毫米波透镜具有内表面和外表面，选择所述内表面和所述 外表面的曲率，以提供在所述水平面内发散的主波束和在所述竖直面内作 为基本不发散波束的主波束。
18、 根据权利要求15所述的方法，还包括操控所述毫米波透镜内的所述入射波束，以便在所述多个反射器之间 引导所述毫米波信号。
19、 根据权利要求15所述的方法，其中，至少一些所述毫米波反射器 为二级反射器，其中，所述方法还包括从所述二级反射器反射部分所述主波束，以 提供一个或多个分布式波束，其中，所述二级反射器位于所述障碍物上方和一个所述分布式波束之 内，用于将所述毫米波信号反射到所述用户设备。
20、 根据权利要求15所述的方法，其中的产生包括在所述障碍物上方产生基本上准直的波束，其中，至少一些所述毫米波反射器包括二级反射器，其中，该方法还包括利用位于所述基本上准直波束之内的一个或多个毫米波透镜，对所述 基本上准直的波束进行重新聚焦；利用一个或多个分布反射器反射至少部分所述基本准直波束，以产生 一个或多个分布式波束，其中，所述二级反射器位于所述分布式波束之内，用于反射所述毫米 波信号，以供一些所述用户设备接收。
全文摘要
本文描述了利用毫米波通信的毫米波通信系统和方法的实施例。在一些实施例中，定向天线(102)可以基本上在水平面(115)中引导毫米波信号，可以设置一个或多个反射器(104)的位置，以便向用户设备(108)反射毫米波信号。
文档编号H04W16/26GK101427486SQ200680054314
公开日2009年5月6日 申请日期2006年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者A·A·马尔采夫, S·M·阿拉穆蒂, V·S·谢尔盖耶夫 申请人:英特尔公司