自动天线指向和稳定系统以及其方法

自动天线指向和稳定系统以及其方法
【专利摘要】公开一种包括终端的无线回程系统。所述系统包括网络接口，其被配置成通过广域网络发送和接收数据。控制模块耦合到所述网络接口并且被配置成产生电磁能。天线组件耦合到所述控制模块和所述网络接口。所述天线组件包括被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到目标终端的高速高带宽(HSHB)天线。万向架组件耦合到所述天线组件和所述控制模块。所述万向架组件被配置成将所述天线组件选择性地定位到由所述控制模块选择的方位角和仰角坐标，以使用所述毫米波电磁能信号建立和维持与所述目标终端的HSHB数据通信链路。
【专利说明】自动天线指向和稳定系统以及其方法

【技术领域】
[0001]本公开总体涉及一种自动天线指向和稳定系统以及其方法。

【背景技术】
[0002]微波和毫米波(通常为大于30GHz的那些射频频带)正经历向上飙升的增长，以便实现在电缆或光纤实施起来是不切实际的位置之间的连接。挖沟和重建以铺设和路由电缆或光纤在世界各地的大城市是尤其昂贵和困难的。天然的替代方案是使用可以在所需的位置之间提供语音和数据连接的无线解决方案。无线链路技术最大的潜在增长是在对支持全球移动电信系统的基础设施的领域。
[0003]现在为4G/LTE的新一代产品提供的移动通信服务将前所未有的带宽提供给移动终端用户。智能手机和具有无线上网功能的平板电脑现在使用超过lOMb/s的带宽并且发展到超过100Mb/S，这是因为消费者应用(例如，互联网接入、视频流和文字通信)取代传统的语音业务。在密集的城市使用地区，被设计用于前代网络(例如，2G和3G)的移动基站或蜂窝塔间隔为3至5km。4G/LTE小区站点间距预期减少到300至500米范围内，并且随之而来的站点数量增加了一个数量级。更短的距离和小区站点数量的增加对于支持更高的带宽和更高的容量是必要的。使用高带宽应用的移动用户的数量的增加会引起所需的基础设施系统容量的指数式增长。这些新的小区站点比其早期的前身更小、更便宜、更轻。新的小区站点技术被命名为从“微小区”到“微微小区”各种名称并且现在一般被称为“小小区(small cell)”拓扑。具体来说，将最新的技术应用于无线接入网(RAN)作为由全球第三代合作伙伴计划(3GPP)定义的高级LTE (LTE Advanced)。高级LTE正推动用户设备(UE)或移动终端的数据率高达IGbps。
[0004]较老的小区站点一般部署在需要被设计成支持仅语音业务的中等带宽的大塔上。从小区站点连接回到移动交换局所需的典型带宽为大约几十兆比特。称为回程链路的这种连接通常是用T载波线路来实施，并且将根据需要支持从几Mb/s到高达20Mb/s的总容量。随着光纤基础设施增长，一些塔位置可以直接互连到光纤，这将支持高得多的带宽。但是大多数的小区塔不位于光纤引入线(fiber drop)处，并且在移动用户的数量和数据率增长期间需要更高的带宽。逻辑替代方案是使用微波无线回程，其可以支持高达50Mb/s。这些微波回程技术是基于数字无线电设计并且使用在2至40GHz范围内的许可的无线电频谱。
[0005]随着对带宽的需求增长，更高阶调制和频谱效率更高的无线电被设计并且开始推动物理学的极限，以便试图使这些链路增长超过100Mb/S。微波回程的基本约束是这些频率范围中的有限的频谱。早期的信道带宽是基于较老的语音业务系统并且大约是kHz宽。这些信道上的压力产生新的频谱分配并且信道增加到几MHz，但是在低于40GHz的拥挤频带中物理无线电频谱的缺乏是对系统容量的极限。新的频谱最近已分配在高于40GHz的较高频带上。由于与较高频率相关联的较短波长而称为毫米波的这些频带，现在在全世界设置在60GHz和70/80GHZ的地方。在60GHz频带中约有7GHz的带宽可用，以及在70/80GHz频带中约有1GHz的带宽可用。与较低频率相比，这些带宽要大得多并且可以支持高得多的比特率和容量。
[0006]最近，引入硅技术(SiGe和CMOS)，其现在支持在毫米波频带中实现低成本的无线电技术的能力。因此，具有在GHz范围内的相关带宽的毫米波回程无线电(其支持大于Gb/s的数据率)的预期增长预计将显著超越传统的微波无线电。
[0007]为了使用毫米波无线电实现必要的范围和容量，需要实现更长的距离和更窄的波束宽度的高增益天线。由于在物理上将链路更接近地放置在一起的能力，通过窄的波束宽度，更多的回程链路可以被安装在给定区域。这种能力称为空间复用，其实现针对未来的小小区和高密度4G/LTE网络的极高的区域容量。高容量的Gb/s链路将被安装在小小区，从而提供从例如路灯杆、多用电杆、建筑和道路标志等的位置的必要的无线回程。传统的较大的小区塔(现在被称为“宏小区”)将继续存在，但其功能改变成为从小小区发出的业务的网络集线器。
[0008]现有的毫米波和微波链路技术被设计成安装在塔、杆或建筑物站点，并要求无线电和/或其天线精确地指向链路的另一端。无线电链路的每一端使用高度定向天线，其波束宽度减少至小于I度，以便实现所需的范围并且减少与同一区域中的其他链路之间的干扰。需要安装人员使用信号强度指示和/或光学指向方法(例如，使用辅助的大功率观测镜(sighting scopes))来调整和指向无线电。这些人员必须对这种精密安装以及使用专业设备和安装工具进行培训。
[0009]应注意，针对终端安装，可能需要使用各种工具来松开、调整、瞄准，然后拧紧方位角/仰角式安装支架的每个轴。观测镜通常安装在终端上，然后一旦终端被对准就被去除。此外，如果在上面安装有终端的建筑、杆或塔由于振动、摇摆或其他因素的影响而动态或永久地移动，那么定位将不保持并且链路将停止广播，从而需要重对准。更重要的是从经济的角度来看，这种类型的链路故障需要安装人员重新到场，在业界被称为“出车维修”，并且导致不希望的额外成本。
[0010]需要一种自动天线指向和稳定系统以及其方法。


【发明内容】

[0011]在一个方面，公开一种包括终端的无线回程系统。系统包括网络接口，其被配置成通过广域网络发送和接收数据。控制模块耦合到网络接口并且被配置成产生电磁能。天线组件耦合到控制模块和网络接口。天线组件包括高速高带宽(HSHB)天线，其被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到目标终端。万向架组件耦合到天线组件和控制模块。万向架组件被配置成将天线组件选择性地定位到由控制模块选择的方位角和仰角坐标，以使用毫米波电磁能信号建立和维持与目标终端的HSHB数据通信链路。
[0012]在一个方面，系统包括目标终端，所述目标终端包括网络接口，其被配置成通过广域网络发送和接收数据；控制模块，其耦合到网络接口并且被配置成产生电磁能；天线组件，其耦合到控制模块和网络接口，天线组件包括高速高带宽(HSHB)天线，其被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到终端；万向架组件，其耦合到天线组件和控制模块，万向架组件被配置成将天线组件选择性地定位到由控制模块选择的方位角和仰角坐标，以使用毫米波电磁能信号建立和维持与终端的HSHB数据通信链路。
[0013]在一个方面，本地和/或目标终端进一步包含基座，其被配置成接纳万向架组件；天线罩盖，其耦合到基座并且被配置成形成天线罩盖与基座之间的外壳，其中万向架组件和天线组件定位在外壳内。在一个方面，本地和/或目标终端被配置成固定到固定物。
[0014]在一个方面，天线组件进一步包含耦合到控制模块在内的低速低带宽(LSLB)天线，所述天线与HSHB天线同轴定向并且被配置成发射微波信号；印刷电路板，其具有包括控制模块的一个或多个电路，印刷电路板被配置成耦合到LSLB天线和HSHB天线，控制模块被配置成其中控制模块选择HSHB天线以使用毫米波连接链路与目标终端进行数据通信，并且其中控制模块选择LSLB天线以使用微波连接链路与目标终端进行数据通信。
[0015]在一个方面，控制模块进一步包含定位模块，定位模块被配置成测量在x、y和z方向上的旋转和平移运动。在一个方面，定位模块包括全球导航系统，全球导航系统被配置成提供关于终端的纬度、经度和高程数据。
[0016]在一个方面，万向架组件进一步包含:天线支架，其被配置成与天线组件耦合；U形托架，其耦合到天线支架和终端壳体的基座；第一齿轮组件，其耦合到天线支架和托架，第一齿轮组件被配置成允许天线支架沿着仰角轴旋转；以及第二齿轮组件，其耦合到托架，第二齿轮组件被配置成允许万向架组件在方位角轴上的旋转。
[0017]在一个方面，公开一种建立高速-高速(HSHB)连接的方法。方法包含在本地回程终端识别目标回程终端的位置坐标信息，本地回程终端具有高速高带宽(HSHB)天线，所述HSHB天线被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到目标终端；计算位置矢量以将HSHB天线指向目标终端的相应的HSHB天线，从而在其间建立HSHB数据通信链路，位置矢量包括选择的方位角和仰角坐标；以及自动调整HSHB天线指向计算的位置矢量以维持与目标终端的HSHB数据通信链路。
[0018]在一个方面，方法包括建立低速低带宽(LSLB), LSLB被配置成将微波电磁能信号无线发射到目标终端，其中在本地回程终端通过LSLB连接链路识别目标回程终端的位置坐标信息。
[0019]在一个方面，方法包括HSHB天线进一步包含:操作第一电机以使HSHB天线绕仰角轴旋转；以及操作第二电机以使HSHB天线绕方位角轴旋转。
[0020]在一个方面，方法包括确定本地回程终端的位置坐标信息，以及与目标回程终端交换位置坐标信息。
[0021]在一个方面，方法包括监控与目标回程终端的HSHB通信链路的误比特率(BER)；以及调整HSHB天线指向计算的位置矢量以在与目标终端的HSHB数据通信链路上实现更高的BER率。
[0022]在一个方面，方法包括确定在本地回程终端与目标回程终端之间的HSHB数据通信链路失效；以及将与所述目标回程终端的数据通信切换到低速低带宽(LSLB)微波通信链路上。
[0023]在一个方面，无线回程终端包括网络接口，其被配置成通过广域网络发送和接收数据；控制模块，其耦合到网络接口并且被配置成产生电磁能；天线组件，其包括耦合到控制模块的高速高带宽(HSHB)天线以及耦合到控制模块的低速低带宽(LSLB)天线，HSHB天线被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到目标终端，LSLB天线被配置成将微波信号无线发射到目标终端，其中控制模块选择HSHB天线以使用毫米波连接链路与目标终端进行数据通信，并且其中控制模块选择LSLB天线以使用微波连接链路与目标终端进行数据通信。
[0024]在一个方面，终端包括万向架组件，其耦合到天线组件和控制模块，万向架组件被配置成将天线组件选择性地定位到由控制模块选择的方位角和仰角坐标，以使用毫米波电磁能信号建立和维持与目标终端的HSHB数据通信链路。
[0025]在一个方面，终端包括基座，其被配置成接纳万向架组件；天线罩盖，其耦合到基座并且被配置成形成天线罩盖与基座之间的外壳，其中万向架组件和天线组件定位在外壳内。
[0026]在一个方面，控制模块进一步包含定位模块，所述定位模块被配置成测量在X、y和z方向上的旋转和平移运动。
[0027]在一个方面，定位模块包括全球导航系统，所述全球导航系统被配置成提供关于终端的纬度、经度和高程数据。
[0028]在一个方面，万向架组件进一步包含天线支架，其被配置成与天线组件耦合山形托架，其耦合到天线支架和终端壳体的基座；第一齿轮组件，其耦合到天线支架和托架，第一齿轮组件被配置成允许天线支架沿着仰角轴旋转；以及第二齿轮组件，其耦合到托架，第二齿轮组件被配置成允许万向架组件在方位角轴上的旋转。

【专利附图】

【附图说明】
[0029]被并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图图示了实施方案的一个或多个实例，并且与示例性实施方案的描述一起用于解释实施方案的原理和实施。
[0030]图1图示方框图，其图示根据本公开的一个方面的多个终端的部件；
[0031]图2A图示表示根据本公开的一个方面的在终端之间建立高速/高带宽通信链路的流程图；
[0032]图2B图示在高速/高带宽故障转移事件期间由终端执行的备份操作的操作流程图；
[0033]图3A和图3B图示根据本公开的一个方面的示例性终端的正面朝上和颠倒视图；
[0034]图3C图示根据本公开的一个方面的示例性终端的分解图；
[0035]图4图示根据本公开的一个方面的示例性天线组件的分解图；
[0036]图5A图示根据本公开的一个方面的万向架组件的非分解图，并且图5B图示根据本公开的一个方面的万向架组件的分解图；
[0037]图5C至图5E图示根据本公开的一个的齿轮组件的各种视图；
[0038]图6A和图6B图示根据本公开的一个方面的终端，特别是方位角和仰角轴的各种视图；
[0039]图7A至图71图示根据本公开的一个方面的如何确定天线/万向架组件的仰角位置的各种实例；
[0040]图8A至图8G图示根据本公开的一个方面的如何确定天线/万向架组件的方位角位置的各种实例；以及
[0041]图9图不表不根据本公开的一个方面的如何在终端中确定和实施仰角位置和方位角位置的流程图。

【具体实施方式】
[0042]本文在自动天线指向和稳定系统以及其方法的上下文中描述示例性实施方案。本领域普通技术人员将认识到，以下描述仅是说明性的并且不意图以任何方式限制。本领域技术人员将很容易想到具有本公开的益处的其他实施方案。现在将详细参考附图中所示的示例性实施方案的实施。相同的参考指标将在整个附图和下面的描述中用于指代相同或相似的项目。
[0043]为清楚起见，并未示出和描述本文所描述的实施的所有常规特征。当然，将了解的是，在任何这种实际的实施的研发过程中，必须做出多种特定于实施的决定来实现开发者的特定目标，例如遵从于与应用相关和与业务相关的约束，并且这些特定目标将从一个实施到另一个实施，并且从一个开发者到另一个开发者而变化。另外，将了解的是，这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但对于本领域普通技术人员来说仍然将是具有本公开的益处的常规的工程任务。
[0044]图1图示方框图，其图示根据本公开的一个方面的多个终端的部件。如图1中所示，终端100中的一个或多个包括高速/高带宽(HSHB)收发器102、一个或多个HSHB定向天线104、低速/低带宽(LSLB)收发器106、一个或多个低带宽天线108、具有一个或多个物理有线或无线接口端口 112的网络接口 110(例如，以太网交换机)、控制模块114、位置模块116和自动定位系统118。如图1中所示，每个部件都耦合到彼此并且在不同方框中示出的一些部件可以在一个方框中被组合在一起。例如，控制模块114可以包括位置模块116和自动定位系统118。应注意，尽管在图1中示出每个终端装置100包括相同的部件，但是可以预期的是，终端不需要具有相同的部件。例如，终端中的一个(或两个)不需要具有自动定位系统118。
[0045]HSHB定向天线104和收发器102允许通过高带宽频率(例如，60GHz频谱)进行数据通信。然而，应注意，其他频带也是可期的，例如但不限于70/80GHZ、90GHz、120GHz、240GHz或更高。应注意，只要使用定向型天线，就可以另外在较低的微波频率下使用相同的方法。
[0046]HSHB收发器模块102允许终端100形成与一个或多个其他终端100的点对点无线电链路，其中无线电链路以频分全双工通信模式操作。其他通信模式和链路拓扑也是可期的，例如但不限于频分半双工、时分双工或单工模式。另外，各种点对多点拓扑、网状拓扑和重复网状拓扑也是可期的。HSHB收发器102和其能力的细节在2012年I月19日提交的标题为“Precis1n Waveguide Interface”的美国专利申请序号13/383，203中讨论。
[0047]LSLB收发器106被配置成微波控制/遥测收发器，例如，具有一组相关的一个或多个宽波束宽度天线108的5GHz收发器。LSLB收发器106可以使用(但不限于)各种IEEE802.11无线协议，例如，802.1ln或802.1lac0在一个方面，用于在5GHz范围操作的低速/带宽天线108的天线波束宽度包括或大于40度。在一个实施方案中，LSLB收发器106和天线108使用多输入多输出(MIMO)和其他智能天线技术。应注意，在一个方面，LSLB收发器106使用四个LSLB天线108来提供空间和极化分集，其可以与MMO技术协同操作。
[0048]网络接口 110包含一个或多个机制，其使终端100能够通过局域和/或广域网络参与TCP/IP通信或其他通信。然而，可以预期的是，网络接口 110可以被建构用于其他通信协议和类型的网络。网络接口 I1有时也被称为收发器、收发装置或网络接口卡(NIC)，其通过一个或多个网络发送和接收网络数据包。如图1中所示，网络接口 110耦合到一个或多个物理接口端口 112。在一个方面，接口端口 112被配置成接收以太网电缆或光纤以允许通过有线连接进行数据传送，然而，可以预期的是，接口端口 112可以是被配置成允许通过无线连接进行数据传送的天线。通过网络接口 110，通过WiF1、WiMax和/或移动小区塔将传达到终端并从终端传达的数据发送到广域网络。
[0049]控制模块114被配置成提供和执行由终端100使用的控制、监控和调制过程。控制模块114与双工器模块和波导模块一起，驻留在印刷电路板上，这将在下文更详细地讨论。控制模块114包括一个或多个处理器，以及耦合到一个或多个处理器的一个或多个存储器。一个或多个微处理器被配置成执行存储在各自的本地或远程装置存储器中的计算机/机器可读和可执行指令。这样的指令由处理器执行以执行下文描述的一个或多个功能。应理解，处理器可以包含其他类型和/或组合的处理器，例如，数字信号处理器、微控制器、专用集成电路(“ASIC”)、可编程逻辑器件(“PLD”)、现场可编程逻辑器件(“FPLD”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等。并入控制模块的存储器包含非暂态计算机可读介质，即计算机可读或处理器可读存储介质，其为机器可读存储介质的实例。计算机可读存储/机器可读存储介质可以包括以任何用于存储信息的方法或技术实施的易失性、非易失性、可移动和非可移动介质。这样的存储介质存储计算机可读/机器可执行指令、数据结构、程序模块和组件，或可以由一个或多个处理器获得和/或执行的其他数据。计算机可读存储介质的实例包括RAM、B10S、R0M、EEPR0M、闪速存储器、固件存储器或其他存储技术、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其他光存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储装置，或可以用于存储所需信息的任何其他非暂态介质。
[0050]一般来说，定位模块116处理与终端相关联的所有定位信息。这样的定位信息可以关于终端本身或其他终端的定位信息(例如，全球定位数据、运动数据)和/或终端的内部部件的定位信息(例如，仰角、方位角、校准数据)。在一个方面，定位模块116包括全球导航卫星系统(GNSS)接收器，其从一个或多个全球定位卫星获取信号以允许终端确定其经度和纬度坐标。在一个方面，定位模块116允许终端100确定终端100本身和/或周围的地形的高度信息。例如，终端100通过定位模块116可能能够确定其整体高度(例如，高于海平面12，020英尺(ft))以及整体地形的高度(例如，高于海平面12，000ft)。在一个方面，定位模块116包括多轴加速度计、多轴陀螺仪和多轴罗盘以允许终端监控万向架组件的位置以及终端100本身的整体运动，如下文更详细描述的。
[0051]自动定位系统118为机械可调系统,其包含电机和齿轮系统,所述系统被配置成与终端的其他部件一起操作以允许将HSHB天线104和LSLB天线108自动机械移动到所需的旋转、仰角和方位角位置坐标，从而建立与一个或多个目标终端100的高速/带宽和低速/带宽通信链路。自动定位系统118的细节描述如下。
[0052]图2A图示表示根据本公开的一个方面的在终端之间建立高速/高带宽通信链路的流程图。如流程图200中所示，在安装至少两个终端100之后，在链路的每一端处，在终端加电时发生初始化，其中每个终端通过网络接口 110与广域网络(S卩，互联网)、专用电信网络或电信网络上的端点装置(例如，蜂窝基站)通信(方框202)。如流程图200中所示，在安装至少两个终端100之后，在链路的每一端处，在终端加电时发生初始化，其中每个终端通过网络接口 I1与广域网络(B卩，互联网)通信(方框202)。然后，每个终端100使用GNSS模块116确定其地点和位置坐标数据(方框204)。如上所述，每个终端100能够识别所在地理位置并且将这样的信息传达给服务器网络中监控这样的数据的一个或多个服务器。在一个方面，终端100可以从服务器网络接收识别位于距离终端100期望范围内的其他终端的数据。
[0053]然后，终端100激活低频/带宽收发器模块106和天线108以实现互相通信并且在终端100之间建立逻辑链路(方框206)。然后，本地终端100建立与目标终端100的低带宽连接(方框208)。在初始化阶段，每个终端100的万向架组件不一定要指向对方，这是因为从天线108发射的低频无线电波束图案是够宽的，足以实现点对点通信，而无需考虑初始万向架指向角。连同交换终端识别和系统配置信息，也在本地终端与目标终端之间交换GNSS位置数据和特定定位模块116的数据(例如，当前罗盘航向)(方框210)。
[0054]通过使用从目标终端100接收的位置GNSS信息，本地终端100的处理器能够计算位置矢量数据(例如，方位和距离数据)，以建立本地终端的物理位置与目标终端的位置之间的高速/高带宽连接(方框212)。具体来说，在初始化期间，控制模块114通过LSLB收发器106接收目标终端的远程终端ID和位置信息。控制模块114执行为适当的HSHB终端到终端或链路对准确定方位角和仰角所需的距离和方位计算。
[0055]此后，本地终端100操作万向架组件以将高带宽天线104移动到计算的位置矢量(方框214)。具体来说，万向架组件在本地终端的方向由终端100的传感器(例如，多轴加速度计、多轴罗盘)进行本地感测。控制模块114的处理器基于目标终端100的已知的物理方向和所需的方位执行计算，以确定高带宽天线104将在正确的方向上指向目标终端100的方位角和仰角。然后，控制模块114的处理器控制方位角和仰角电机将万向架组件适当定位到正确的方向，以使高带宽天线104指向目标终端100的相应的高带宽天线104。如方框216中所示，这个过程重复，直到在本地终端100与目标终端100之间建立起高速/带宽连接。在本地终端100与目标终端100之间的低速连接丢失的情况下，过程重复到方框 208。
[0056]在一个方面，一旦本地终端100与目标终端100的HSHB天线104被对准并且通过高带宽毫米波链路启用通信，则使用接收信号强度指示(RSSI)和所接收的误比特率(BER)来精确调整方位角和仰角电机，以便将天线104带入其确切的位置，从而实现高带宽链路上的最高性能。链路的最高性能操作被定义为最小BER并且通常将与相关的最高RSSI测量值同时发生。然而，在一些情况下，BER和RSSI测量数据可能由于传播异常而没有关联，所述传播异常导致由于路径衍射和/或多径衰落引起的符号间失真。由终端100的控制模块114的处理器执行的算法使用RSSI和BER的两个接收器测量参数来精确调整万向架航向，并且可以遵从BER作为最佳性能的最后仲裁者。
[0057]一旦通过这个过程建立高频毫米波链路，则通过在每个终端从高频毫米波接收器感测RSSI和BER，来对方位角和仰角电机进行精密调整。特别是在需要稳定的情况下，控制处理器连续地监控来自传感器的数据，以识别平移运动(来自多轴加速度计)和旋转运动(来自多轴陀螺仪)的任何变化。也从多轴罗盘监控与动态传感器的方向相关性。如果由于HSHB通信链路的未对准而导致来自这些传感器的可能影响正常的链路操作的任何变化，那么控制模块114的处理器根据需要将信号输出到方位角和/或仰角电机，以补偿HSHB位置矢量数据的任何变化，以便维持HSHB通信链路质量。RSSI和BER被用作基于动态的精密调整以增强定位模块116。
[0058]在一个方面，一旦在链路的每一端的终端已定位其各自的万向架，则不再移动方位角和仰角轴并且将万向架组件有效地锁定在其位置。可以添加可选操作特征，例如不仅有初始终端天线指向，而且在可能导致终端外壳的位置移动的动态异常期间维持万向架的方位角和仰角位置。这些异常可能由于杆、建筑物或塔在强风期间的摇摆造成，或由其他原因(如地震、在终端位置附近的意外碰撞或对终端安装位置的动物/违规物理干扰)引起的安装地点处的振动/运动造成。如果例如杆在仰角平面中摇摆，则毫米波天线的有效仰角将大幅改变，使其可能会由于摆角将天线移动至超出波束宽度角而失去高带宽链路。这种移动的检测利用定位模块116中的多轴陀螺仪和多轴加速度计。一旦检测到旋转或平移运动，或其两者，处理器计算在万向架上提供方位角和仰角电机以维持正确的天线方向所必需的角运动。RSSI和BER与万向架校正被结合使用以精密调整万向架，以便维持来自接收器的信号。应注意，在链路的两端都可能发生动态万向架维护以便维持信号质量。在一个方面，终端也可以使用自动对准和稳定以为不断移动(例如在移动车辆或高速列车中)的终端维持天线校准。
[0059]图2B图示在高速/高带宽故障转移事件期间由终端执行的备份操作的操作流程图。在某些条件下，毫米波传播可能被衰减(例如，强降雨、通过移动枝叶、大鸟造成的临时堵塞状态)，这会影响毫米波传播，但不会影响较低频率的传播。如图2C中所示，终端的正常操作发生，其中终端成功操作HSHB连接链路和LSLB连接链路(方框252)。另外，终端100将监控运动数据以及两个通信链路的操作情况数据，以确定是否在终端检测到RSSI信号的下限阈值或信号的完全丢失(方框254)。然后，终端的处理器将通常连接到HSHB收发器的数据连接切换到LSLB收发器，作为在堵塞状态期间提供链路备份的方法(方框256)。然后建立的较低频率的链路通信尽管没有HSHB通信链路呈现的高带宽和低干扰的益处，但是通常将提供更稳健的通信水平。一旦终端再次检测到具有低BER的RSSI信号，终端100重建与目标终端的HSHB连接链路并且恢复正常操作。
[0060]图3A和图3B图示根据本公开的一个方面的示例性终端的正面朝上和颠倒视图。如图3A中所示，终端300 (在图1中表示为100)被配置成可拆卸地安装到支架302，其中支架302可拆卸地安装在商业、住宅或工业固定物上。在一个方面，支架302和终端300被配置成允许终端正面朝上(图3A)或颠倒(图3B)。可以预期的是，终端100以图3A所示的正面朝上与图3B所示的颠倒方向之间的角度定向。这允许终端300以任何方向安装到建筑物、住宅、地铁、电线杆、路标、无线电塔、路灯等。在一个方面，终端100可以安装在建筑物内部靠近窗户的位置，以使得去往和来自其他终端的无线电传输通过窗户传播。应注意，尽管大部分的讨论涉及点对点链路(例如，终端A到终端B)、点对多点、网状和重复网状拓扑，但是其他链路拓扑也是可期的。例如，可以预期的是，终端100可以被配置成用于点对点通信，其被配置有与终端端点位于一处或空间上分散的多个冗余终端，以实现网络重组能力。
[0061]图3C图示根据本公开的一个方面的示例性终端的分解图。如图3C中所示，终端300包括天线罩盖304、基座部分306、天线组件400和万向架组件500。在一个方面，基座306耦合到支架302，并且组合的天线和万向架组件400、500和盖304 —起耦合到基座306。密封环308定位在盖304与基座306之间以确保在终端300内的气密密封外壳。如下文将更详细地讨论的，耦合到万向架组件的齿轮组件的凸缘安装到基座306的接口 310。
[0062]天线罩盖304由介电材料制成，其在固定到基座306时充当主保护外壳。在示例性方面，天线罩盖304由高密度聚乙烯(HDPE)制成，其具有1/2波导波长λ的奇数倍的厚度(在60GHz下约4.9_)，然而其他介电天线罩材料和厚度也是可期的。
[0063]图4图示根据本公开的一个方面的示例性天线组件的分解图。图4中所示的示例性天线组件400包括高速/高带宽(HSHB)波喇叭天线402、具有多个低速/低带宽(LSLB)扁平介电天线408的喇叭支架404、主印刷电路板(PCB) 406、具有双工器接口 410的双工器滤波器414、耦合到双工器滤波器414的端部的一个或多个发送/接收波导模块412，以及板连接块416。一个或多个多轴罗盘、陀螺仪和加速度计芯片418、420耦合到PCB 406。
[0064]HSHB喇叭天线402具有前端402A和后接口 402B，其中HSHB天线402通常从后接口 402B向外逐渐变细至前端402A。天线402的前端402A具有如图中所示的圆形形状，但并不限于此。在一个方面，喇叭型天线104被配置成传播通过接口 410从双工器414和波导模块412提供的60GHz的频率信号。在一个方面，天线104被配置成为大于50GHz的频率提供30-40dBi的增益。然而，应注意，其他增益也是可期的并且不限于所讨论的范围。尽管HSHB天线402被示出为具有喇叭型形状，但是天线可以替代地被配置成抛物线、平板阵列、八木阵列等。在一个方面，由高速带宽天线实施的波束宽度在1-20度之间并包括1-20度，然而其他范围也是可期的。
[0065]如图4中所示，在喇叭支架404的凹口 404A内接收靠近后接口 402B的部分以支撑喇叭天线402。喇叭支架404耦合在印刷电路板406的接近天线的一侧上。板连接块416将双工器模块414固定到印刷电路板406。
[0066]在一个方面，一个或多个低速低带宽(LSLB)天线408耦合到PCB 406的近侧并且优选在与HSHB天线402相同的方向上延伸。在图4的实例中，四个LSLB天线各自与PCB406耦合在PCB 406的相应的角部，然而其他布局设计也是可期的。
[0067]LSLB天线408具有扁平的矩形形状，其由具有高介电常数(例如，10.2，Rogers材料R03010)的介电材料制成。天线408具有耦合到连接器的偶极子驱动元件。尽管没有除偶极子驱动元件之外的电元件，但是前面的介电材料形成定向波束图案。LSLB天线408和HSHB天线402 —起作为单个单元，借助于万向架组件500在仰角(EL)和方位角(AZ)方向上移动，如图3A和图3B中的箭头所示。
[0068]双工器包括标准的三端口滤波器，其中天线端口在中心处并且通常耦合到高频和低频端口。天线同时提供发送和接收并且双工器充当高选择性滤波器，以使得发送能量从发送器端口耦合到天线，但很少的能量耦合到接收器端口，反之亦然。双工器被构建成具有高频侧和低频侧(两个频率均在60GHz内，具有约2GHz信道带宽的频带)。在一个实例中，在链路的一端(“终端A”)，发送器波导模块耦合到高频端口，并且接收器模块耦合到低频端口(即，“发送高”)。在链路的另一端(“终端B”)，接收器模块耦合到高频端口，并且传输器模块耦合到低频端口(“发送低”)。以这种方式，链路充当在每一端使用单个天线的全双工系统，天线通常被耦合到各自的发送器和接收器模块。
[0069]波导模块被配置成提供高效的毫米波能量转移。波导模块的细节可见于2012年I月19日提交的标题为“Precis1n Waveguide Interface”的共同待决的美国专利申请序号 13/383，203 中。
[0070]图5A图示根据本公开的一个方面的万向架组件500的非分解图，并且图5B图示根据本公开的一个方面的万向架组件500的分解图。如图5A和图5B中所示，万向架组件500包括天线支架502，其通过由电机508供电的一个或多个侧齿轮组件506耦合到U形轴承壳504。
[0071]如图5B中所示，轴承壳504包括水平的下端杆504A和两个垂直延伸的直立杆504B、504C。另外，轴承壳504包括下端杆504A上的电机壳体支架504D和直立杆504B、504C中的任何一个/两个上的电机壳体支架504E。电机508在支架504D和504E处耦合到齿轮组件506。每个直立杆包括孔504E和504F，孔504E和504F被配置成允许通过齿轮组件506耦合天线支架502与轴承壳504。另外，下端杆504A包括被配置成接收齿轮组件506 的孔 504G。
[0072]如图5C至图5E中所示，齿轮组件506包括齿轮基座506A、可自由旋转的中间齿轮箱506B和螺旋齿轮506C。如图中所示，齿轮基座506A具有凸缘区506D和垂直延伸的芯506E。凸缘区506D包括用于将齿轮组件安装到万向架组件500的固定构件506H。如上所述，齿轮组件506被设计成耦合到基座306 (图3C)或天线组件502 (图5B)。基座506A的芯506E沿Z轴从凸缘506D垂直延伸并且具有空心通道506F，空心通道506F与螺旋齿轮506C和凸缘506D中的孔连通延伸。空心通道506F允许电缆510从终端100的外部穿过齿轮组件506到终端100内的电子和机械部件。
[0073]如图5E中所示，螺旋齿轮506C在凸缘506D的相对端安装到芯506E。通过安装到芯506E，螺旋齿轮(绕Z轴)的旋转运动引起凸缘506D的相应的旋转运动。中间齿轮箱506B借助于轴承耦合到芯506E并且被配置成绕Z轴自由旋转，而不管螺旋齿轮506C或凸缘506D。换句话说，中间齿轮箱506D不和螺旋齿轮506C或凸缘506D —起旋转，而是大体上固定式旋转。
[0074]如图3C中所示，天线组件400耦合到万向架组件500以形成单个单元。具体来说，当天线组件耦合到万向架组件500时，喇叭天线402 (图4)的凸缘部分402C安装到天线支架502的环部分502A。如下文更详细地讨论的，万向架组件500实施机械组件，其允许天线组件400绕水平或仰角(EL)轴旋转360度或更小(图3A、图3B、图6A、图6B)。另外，机械组件允许天线组件400绕垂直或方位角(AZ)轴旋转360度或更小(图3A、图3B、图6A、图6B)。
[0075]如图5A和图5B中所示，一个或多个侧导向齿轮组件506被配置成耦合天线支架502与支架组件504。具体来说，齿轮基座506A的凸缘506D耦合到天线支架502的侧面。如图5B中所示，齿轮基座506A耦合到直立杆504B、504C的内表面，其中芯506E延伸穿过孔504E、504F。中间齿轮506B和螺旋齿轮506C耦合到芯506C并且定位在直立杆504B、504C的外表面上。类似地，底部齿轮组件被配置成将支架组件504耦合到终端基座306。具体来说，齿轮基座506A耦合到下端杆504A的底表面，其中底部齿轮基座506A的芯504E延伸穿过孔504G。中间齿轮箱506B和螺旋齿轮506C耦合到芯506E。
[0076]如图5A和图5B中所示，蜗轮512在一端耦合到电机508，其中蜗轮512的螺纹部分耦合到齿轮组件506的螺旋齿轮506C。具体来说，电机508的操作使蜗轮旋转并且相应地使螺旋齿轮506C旋转。螺旋齿轮506C借助于安装到芯506E的旋转使齿轮基座506A绕其中心轴相应地旋转。
[0077]特别是图5A和图5B中所示的万向架组件，安装到支架504E的电机508具有蜗轮512，蜗轮512与耦合到天线支架502的齿轮组件506的螺旋齿轮506C接触。考虑到齿轮基座506A通过固定构件506H安装到天线支架502，齿轮基座506A的旋转将使天线支架绕EL轴旋转。这引起在侧齿轮组件506的方位上绕EL轴进行仰角旋转运动。在一个方面，蜗轮512与螺旋齿轮506C之间的齿轮比是50:1，以提供足够的扭矩来绕EL轴移动天线/PCB组件块。
[0078]类似地，电机508耦合到支架504D，支架504D位于支架组件504的下端杆504A。电机508通过蜗轮512机械耦合到螺旋齿轮506C，螺旋齿轮506C耦合到下端杆504A。这个电机508的操作使蜗轮512绕中心轴旋转，其中螺纹部分将扭矩转换到螺旋齿轮506C，由此引起在齿轮组件506处绕方位角轴(AZ)进行方位角旋转运动。
[0079]如上所述，被实施为PCB 406中的一个或多个电路的定位模块116包括多轴加速度计、多轴陀螺仪、多轴罗盘和其他相似的传感器。每当使天线/万向架组件在EL或AZ方向上移动时，通过各种传感器来检测平移加速度、旋转加速度和磁罗盘航向变化。可以基于由这些传感器监控的数据计算HSHB天线104和LSLB天线108相对于地平线和磁北的方向。
[0080]图7A示出根据本公开的一个方面的定位模块116在印刷电路板406上的安装位置。在一个方面，定位模块116包括含有以下元件中的一个或多个的芯片:集成在其中的多轴加速度计、多轴陀螺仪和多轴磁力计。参考数字116以透视图示出具有多轴方向的芯片。定位模块116的集成电路被安装以使得X轴和I轴是共面的并且z轴与印刷电路板406正交。任何平移加速度(x，y，z)由加速度计来检测，并且任何旋转加速度(x，y，z)由陀螺仪来检测。多轴磁力计被用来感测地球的磁场并且因此提供磁罗盘功能。
[0081]终端单元300可以安装在两个位置中的任一个(直立或倒置)(图3A、图3B)，从而提供具有完整的全向天线指向覆盖范围的能力。在初始化后，控制模块114确定印刷电路板406相对于地平线的方向以校准万向架/天线组件的方向。为了确定印刷电路板406相对于地平线的方向，芯片116分析X和z加速度计轴。图7B至图71示出具有相关的X和z轴加速度计输出指示的示例性印刷电路板406的方向。控制模块114监控定位模块116的输出指示。应注意，图7B至图7E示出当终端单元300安装在直立位置时在示例性方向上的印刷电路板406。应注意，图7F至图71示出当终端单元300安装在倒置的位置时在示例性方向上的印刷电路板406。
[0082]图8A至图8D图示根据本公开的一个方面的在终端中实施的光学对准系统。如图8A至图8D中所示，光学对准系统包含光学红外(IR)发射器800和红外检测器802，两者都安装到印刷电路板406。IR发射器800发射IR脉冲，由检测器集成电路802控制IR脉冲的发射。如果有足够的反射IR能量回到检测器802，那么检测器802将正检测信号提供给控制模块114。在一个方面，终端包括由高IR反射材料制成的贴片804，其位于终端基板306的内表面。当印刷电路板406是水平的并且被定向成使得IR发射器800和检测器802定向在基板306上面并且反射贴片804在IR发射器800和检测器802正下方时，正检测将被用信号发送到控制模块114，如图SC、图8D和图SG中所示。这个位置被命名为印刷电路板406的“原(home) ”位置。
[0083]图9图示表示根据本公开的一个方面的由终端执行的初始校准过程的流程图。具体来说，图9图示在终端安装在直立位置或倒置的位置时，终端100检测印刷电路板406方向相对于地平线的方向所使用的方法。定位模块116上的加速度计的X轴被定向成使得印刷电路板406的仰角的变化提供输出指示，如图7B至图71中所示。如图所示，当X轴输出指示为零时，印刷电路板406处于相对于地平线的水平位置。地平线位置被定义为与重力矢量正交的位置，其会影响加速度计输出指示。例如，当印刷电路板406被垂直定向(与地平线正交)时，X轴加速度计输出指示将为+1或-1。对于地平线与正交之间的角度，X轴输出将在O与+/-1之间变化。当印刷电路板406被定向到地平线时(这是由于在这个位置由重力产生的加速度造成的)，定位模块116的z轴加速度计部分将指示+1或-1。
[0084]如图9中所示,测量X轴加速度计的输出指示。如果X轴是在零(xa = O ?是)，那么印刷电路板406被定向到地平线并且下一个步骤是在方位角轴中建立原位置并且确定终端单元300安装在直立还是倒置位置。这是通过绕方位角(AZ)轴顺时针(CW)旋转天线/万向架组件高达180度，同时监控光学IR检测器来完成。如果光学检测器提供正输出指示(光学指数？=是)，那么确定印刷电路板406处于原位置。一旦发现原位置，控制模块114则测量z轴加速度计。如果z轴加速度计被确定为等于+1，那么终端单元100/300安装在直立位置，如果z轴加速度计被确定为等于-1，那么终端单元300安装在倒置的位置。
[0085]如果在最初测量时X轴不在零，那么首先顺时针旋转仰角轴高达180度。相反，如果在这个范围内未发现X轴是零，那么相对于起始位置逆时针旋转高达180度。在图9的流程图中指示这些动作，每种情况测试X轴加速度计达到零(xa = O ?是/否)。一旦X轴达到零，并且如果方位角轴没有从初始CW旋转获得正光学检测，那么使方位角轴反转并且启动CCW旋转以便找到原位置。应注意，如果在尝试CW和CCW旋转两者时方位角轴均不能实现光学检测(第二光学指数？=否)，那么算法回复到改变印刷电路板406在仰角轴上的方向。这将在未使用面向基板306的光学检测器定向印刷电路板406时发生，并且使印刷电路板406转回通过仰角轴将重定向印刷电路板406，以使得光学检测器面向基板306以便达到原位置。
[0086]尽管已展示和描述实施方案和应用，但是具有本公开的益处的本领域技术人员将显而易见，在不脱离本文公开的发明性概念的情况下，比上文所提到的修改多得多的修改是可能的。因此，除了在所附权利要求书的精神中之外，本发明不受限制。
【权利要求】
1.一种无线回程系统，包括终端，所述无线回程系统包含: 网络接口，其被配置成通过广域网络发送和接收数据； 控制模块，其耦合到所述网络接口并且被配置成产生电磁能； 天线组件，其耦合到所述控制模块和所述网络接口，所述天线组件包括被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到目标终端的高速高带宽(HSHB)天线； 万向架组件，其耦合到所述天线组件和所述控制模块，所述万向架组件被配置成将所述天线组件选择性地定位到由所述控制模块选择的方位角和仰角坐标，以使用所述毫米波电磁能信号建立和维持与所述目标终端的HSHB数据通信链路。
2.如权利要求1所述的系统，其进一步包含目标终端，所述目标终端包含: 网络接口，其被配置成通过所述广域网络发送和接收数据； 控制模块，其耦合到所述网络接口并且被配置成产生电磁能； 天线组件，其耦合到所述控制模块和所述网络接口，所述天线组件包括高速高带宽(HSHB)天线，其被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到所述终端； 万向架组件，其耦合到所述天线组件和所述控制模块，所述万向架组件被配置成将所述天线组件选择性地定位到由所述控制模块选择的方位角和仰角坐标，以使用所述毫米波电磁能信号建立和维持与所述终端的HSHB数据通信链路。
3.如权利要求1所述的系统，其进一步包含: 基座，其被配置成接纳所述万向架组件； 天线罩盖，其耦合到所述基座并且被配置成形成所述天线罩盖与所述基座之间的外壳，其中所述万向架组件和所述天线组件定位在所述外壳内。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述终端被配置成固定到固定物。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述天线组件进一步包含: 低速低带宽(LSLB)天线,其稱合到所述控制模块,所述天线与所述HSHB天线同轴定向并且被配置成发射微波信号； 印刷电路板，其具有包括所述控制模块在内的一个或多个电路，所述印刷电路板被配置成耦合到所述LSLB天线和所述HSHB天线，所述控制模块被配置成其中所述控制模块选择所述HSHB天线以使用毫米波连接链路与所述目标终端进行数据通信，并且其中所述控制模块选择所述LSLB天线以使用微波连接链路与所述目标终端进行数据通信。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块进一步包含定位模块，所述定位模块被配置成测量在X、y和z方向上的旋转和平移运动。
7.如权利要求1所述的系统，其中定位模块包括全球导航系统，所述全球导航系统被配置成提供关于所述终端的纬度、经度和高程数据。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述万向架组件进一步包含: 天线支架，其被配置成与所述天线组件耦合； U形托架，其耦合到所述天线支架和终端壳体的基座； 第一齿轮组件，其耦合到天线支架和所述托架，所述第一齿轮组件被配置成允许所述天线支架沿着仰角轴旋转；以及 第二齿轮组件，其耦合到所述托架，所述第二齿轮组件被配置成允许所述万向架组件在方位角轴上的旋转。
9.一种建立高速-高速(HSHB)连接的方法，其包含: 在本地终端识别目标终端的位置坐标信息，所述本地终端具有高速高带宽(HSHB)天线，所述HSHB天线被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到所述目标终端； 计算位置矢量以将所述HSHB天线指向所述目标终端的相应的HSHB天线，从而在其间建立HSHB数据通信链路，所述位置矢量包括选择的方位角和仰角坐标；以及 自动调整所述HSHB天线指向所计算的位置矢量以维持与所述目标终端的所述HSHB数据通信链路。
10.如权利要求9所述的方法，其进一步包含建立低速低带宽(LSLB)，该LSLB被配置成将微波电磁能信号无线发射到所述目标终端，其中在所述本地终端通过LSLB连接链路识别所述目标终端的所述位置坐标信息。
11.如权利要求9所述的方法，其中调整所述HSHB天线进一步包含: 操作第一电机以使所述HSHB天线绕仰角轴旋转；以及 操作第二电机以使所述HSHB天线绕方位角轴旋转。
12.如权利要求9所述的方法，其进一步包含:确定所述本地回程终端的位置坐标信息，以及与所述目标回程终端交换所述位置坐标信息。
13.如权利要求9所述的方法，其进一步包含: 监控与所述目标回程终端的所述HSHB通信链路的误比特率(BER);以及调整所述HSHB天线指向所计算的位置矢量，以在与所述目标终端的所述HSHB数据通信链路上实现更高的BER率。
14.如权利要求9所述的方法，其进一步包含: 确定在所述本地回程终端与所述目标回程终端之间的所述HSHB数据通信链路失效；以及 将与所述目标回程终端的数据通信切换到低速低带宽(LSLB)微波通信链路上。
15.一种无线回程终端，其包含: 网络接口，其被配置成通过广域网络发送和接收数据； 控制模块，其耦合到所述网络接口并且被配置成产生电磁能； 天线组件，其包括耦合到所述控制模块的高速高带宽(HSHB)天线以及耦合到所述控制模块的低速低带宽(LSLB)天线，所述HSHB天线被配置成将毫米波电磁能信号无线发射到目标终端，所述LSLB天线被配置成将微波信号无线发射到所述目标终端，其中所述控制模块选择所述HSHB天线以使用毫米波连接链路与所述目标终端进行数据通信，并且其中所述控制模块选择所述LSLB天线以使用微波连接链路与所述目标终端进行数据通信。
16.如权利要求15所述的终端，其进一步包含: 万向架组件，其耦合到所述天线组件和所述控制模块，所述万向架组件被配置成将所述天线组件选择性地定位到由所述控制模块选择的方位角和仰角坐标，以使用所述毫米波电磁能信号建立和维持与所述目标终端的HSHB数据通信链路。
17.如权利要求16所述的终端，其进一步包含: 基座，其被配置成接纳所述万向架组件； 天线罩盖，其耦合到所述基座并且被配置成形成所述天线罩盖与所述基座之间的外壳，其中所述万向架组件和所述天线组件定位在所述外壳内。
18.如权利要求16所述的终端，其中所述控制模块进一步包含定位模块，所述定位模块被配置成测量在X、y和z方向上的旋转和平移运动。
19.如权利要求16所述的终端，其中定位模块包括全球导航系统，所述全球导航系统被配置成提供关于所述终端的纬度、经度和高程数据。
20.如权利要求17所述的终端，其中所述万向架组件进一步包含: 天线支架，其被配置成与所述天线组件耦合； U形托架，其耦合到所述天线支架和终端壳体的基座； 第一齿轮组件，其耦合到天线支架和所述托架，所述第一齿轮组件被配置成允许所述天线支架沿着仰角轴旋转；以及 第二齿轮组件，其耦合到所述托架，所述第二齿轮组件被配置成允许所述万向架组件在方位角轴上的旋转。
【文档编号】H01Q1/12GK104488136SQ201380039081
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】迈克尔·格雷戈里·佩特斯 申请人:伍比克网络公司