CN110168808B - 用于网络安全的有源天线操纵 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及无线通信系统，包括天线系统和相关方法，所述天线系统和相关方法均涉及将一个或多个有源多模式天线用于改变其辐射方向图特性以增强网络上的接入点与一个或多个客户端装置之间的网络安全和通信链路的目的。

Description

用于网络安全的有源天线操纵
技术领域
本发明涉及无线通信系统；并且更具体地，涉及将一个或多个有源多模式天线用于网络安全的这种无线通信系统及相关方法。
背景技术
有源多模式天线，也称为“模态天线”，通常包括能够关于多个可能的天线模式进行配置的相对小的形状因子，其中有源多模式天线在多个可能的天线模式中的每个模式下表现不同的辐射方向图(radiation pattern)特性。结果，天线辐射方向图可以关于天线结构被递增地调节或“操纵(steer)”，使得该天线辐射方向图中的零点(null)或增益可以被定向地调节(分别为零点操纵、波束操纵)。另外，可以调节天线的频率响应以创建或移除一个或多个谐振，并且谐振可以被移位或调谐以实现期望的频率响应。因此，波束操纵、零点操纵和频率响应均是可以由单个有源多模式天线控制的因素。
在有源多模式天线出现之前，工程师将实施各种技术以实现期望的天线系统参数。例如，可能要提供两个不同的天线，每个天线处于不同的定向，以及提供能够在两个不同定向的天线之间切换的系统，以便实现期望的性能目标。
在另一示例中，可以实施具有不同极化的两个天线，并且根据期望的度量具有更好性能的一个天线将被选择用于操作。
其他常规技术包括使用多个天线连接其中的天线阵列，并且选择性地辐射阵列中的多个天线中的一个或多个来实现波束形成和/或波束操纵。
相反，有源多模式天线包括单个天线辐射元件以及一个或多个寄生导体元件和与之相关联的有源元件，它们共同形成多模式天线。有源多模式天线能够动态地调节一个或多个辐射方向图特性，使得多模式天线可调节以实现期望的结果。不再需要多个天线来实现定向的零点、增益和频率变化。
在以下共同拥有的美国专利中描述了多模式天线的示例：9,240,634、8,648,755、8,362,962、以及7,911,402，其每个的全部内容通过引用在此并入。由于至少在这些参考文献中解决了多模式天线的结构，因此这里将不再重复这样的描述。相反，本文件的任何评论者可以参考上述专利文献，以获得与多模式天线的结构相关的细节。
这种多模式天线的一个益处包括较低的成本，由于仅提供一个天线辐射元件，而不是阵列或可切换配置中的常规天线中的两个或更多个天线辐射元件。另一个益处包括由单个多模式天线占用的减小的空间，而不是使用需要两个或更多个天线并且相应地需要更多空间的现有方案。随着消费者需求推动对更小设备的需求，对诸如天线之类的设备部件的空间减小的需求变得越来越重要。另外，相对于用于波束形成和零点操纵的其他多天线方案，多模式天线通常提供功率要求的降低。
本领域技术人员在彻底阅读本公开内容和本文引用的相关技术文献中引用的其他细节后，将认识到其他特征和细节。
发明内容
本公开涉及无线通信系统，包括天线系统和相关方法，其均涉及将一个或多个有源多模式天线用于改变其辐射方向图特性以增强网络上的接入点和一个或多个用户设备(UE)之间的网络安全和通信链路的目的。
附图说明
图1示出了具有其四种不同模式的有源多模式天线的辐射方向图的峰值增益的方向。
图2示出了办公室的示例网络覆盖区。
图3示出了链路质量矩阵的示例，其中针对每个天线模式和网络上的每个设备调查每个天线，并且在矩阵中确定并填入相应的信号链路质量。
图4示出了使用多模式天线系统的物理网络安全的算法处理。
图5示出了根据实施例的天线系统。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了细节和描述，以便根据一个或多个所示实施例提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在脱离这些细节和描述的其他实施例中下实践本发明，而不脱离本发明的精神和范围。这里将参照附图描述一个或多个所示实施例，其中图示特征由附图标记表示。应认识到，可以改变当前描述的实施例并且添加、移除或互换某些特征，使得可以通过类似的手段实现基本相同的结果。因此，本发明的范围不旨在受本公开的限制，而是应该通过以其最广泛的构造评论权利要求来确定。
定义：
出于本文的目的，术语“干扰信号”应指：在目标通信链路的相同频率范围或相同频率信道内操作的并且通过其功率或其行为来干扰该频带中或该信道中的其他信号的信号。
术语“有源多模式天线”是指具有单个辐射元件以及被定位为邻近该单个辐射元件的一个或多个寄生导体元件的天线，该一个或多个寄生导体元件进一步分别耦合到一个或多个有源元件，用于改变与寄生元件相关联的电抗负载并且从而改变有源多模式天线的辐射方向图特性。有源多模式天线可配置为处于至少两个模式下，其中该天线在至少两种模式中的每一种下提供不同的辐射方向图特性。
术语“辐射元件”是指耦合到信号源并设计成激发电磁信号的传播的天线结构。
术语“寄生导体元件”或“寄生元件”可以互换使用，并且被定义为被定位为邻近辐射元件且不连接到信号源的导体元件，该寄生元件被配置为改变邻近的辐射元件的辐射方向图特性；其中寄生元件可以对辐射方向图特性改变的程度受到藉由一个或多个有源元件与寄生元件相关联的电抗负载以及寄生元件相对于辐射元件的放置的影响。
术语“有源部件”或“多个有源部件”(复数名称)是指本领域技术人员已知的可用于改变与寄生元件相关联的电抗负载的任何部件或这种部件的组合，包括但不限于：电容器、电感器、可变(可调谐)电容器、可变电感器、开关、晶体管或其任何组合。
术语信号源是指无线电电路，诸如接收器、发射器或收发器。
一般信息：
可以在各种实施方式中使用有源多模式天线，以便实现改善的通信系统性能。
在一个示例中，有源多模式天线可以在用户设备装置(或“客户端”)侧实施，即在诸如蜂窝电话、平板电脑、膝上型电脑或类似装置的装置内实现。该装置内的多模式天线可被用于改变其天线辐射方向图，以便：(i)改善该装置与接入点或网络节点之间的信号链路；(ii)减少来自不想要的源的干扰(零点操纵)；(iii)降低特定吸收率(SAR)暴露；(iv)跟踪信号的方向；(v)通过改善WiFi网络中的“清晰通话(clear to talk)”处理来改善网络使用；或(vi)其组合。
在另一个例子中，多模式天线可以在接入点(或“服务器”)侧实施，即在接入点或类似网络节点内实现。接入点内的多模式天线可被用于改变其天线辐射方向图，以便：(i)改善接入点和与其连接的一个或多个客户端装置之间的信号链路预算(吞吐量和覆盖范围)；(ii)对客户端数据访问要求的负载平衡；(iii)通过改善WiFi网络中的“清晰通话”处理来改善网络使用；(iv)允许装置本地化；或(v)其组合。一个或多个有源多模式天线可以合并到该接入点或节点中，并且每个多模式天线可以被配置为提供上述功能中的一个或多个或其他类似功能。
在又一示例中，一个或多个多模式天线可以在网络级别实施，并且可以被用于改变其各自的天线辐射方向图，以便：(i)改善小区间或者通信间切换；(ii)允许接入点之间的动态负载平衡；(iii)允许异性网络的动态网格重构；或(vi)其组合。
因此，通过使用和实施有源多模式天线而实现的零点操纵、波束操纵和其他调节提供了用于跨各种网络级别(装置、接入点、网络)管理通信的一系列能力。
如今关于网络安全，不想要的窃听、信号嗅探、录制和数据包嗅探是任何WiFi网络的安全缺陷，其导致可能的安全漏洞。
此外，物理网络将由物理覆盖区(footprint)定义，该物理覆盖区包括一个或多个受信区域和一个或多个非受信或未知区域。例如，建筑物可能包括钥匙式(keyed)访问，其中雇员和受安全委托的人员可以访问一个或多个受信区域，而一般公众可以访问一个或多个非受信或未知区域。这里，可能有益的是，对于网络覆盖区的受信区域之外的装置增加噪声或以其他方式最小化链路预算。
在一些实施例中，有源多模式天线在网络装置或节点中实施并且被配置为处于(多个可能的天线模式中的)一天线模式下，使得朝向网络覆盖区内的已识别区域或者在可能期望提高噪声基底水平的地方提供最大增益，例如，在“非受信区域”中。同时，天线还可以被配置为处于最佳地使朝向受信装置所在的网络覆盖区的另一区域或“受信区域”的天线增益最小化的模式下。在这方面，有源多模式天线可以被配置为增加非受信区域中的噪声，同时使对于受信区域中的装置的噪声影响最小化。这是通过选择最佳模式来实现的，在该最佳模式中，零点和增益最大值均被考虑并且被定向在预期方向上。
随着非受信区域的方向上的噪声增加，在接入点处安全漏洞的可能性显著地降低。
在其他实施例中，多输入多输出(MIMO)天线系统在接入点中实施，该MIMO天线系统包括多个有源多模式天线。在MIMO链中的一个或多个未使用的情况下，接入点和集成MIMO天线系统被配置为生成噪声，其中在辐射方向图中形成一个或多个零点，并且所述一个或多个零点指向受信区域，使得噪声不会指向受信任区域中的已批准或受信装置。
已经设想可以在接入点和客户端装置之间使链路预算最大化，以便改善发送到装置的有用有效载荷。可以通过选择模态天线的优化了该链路的模式，来链路预算最大化。然而，在某些实施例中，信号与干扰加通知比(SINR)被最小化，以便保护用户设备(UE)装置免受接入点将经由噪声创建天线产生的噪声。
在各种实施例中，接入点被配置为识别ping到或连接到网络的一个或多个用户设备(UE)装置，并且所述接入点还被配置为通过其一个或多个有源多模式天线创建噪声，其中噪声指向非受信装置、非受信区域或其组合，使得网络安全受到物理保护。
虽然一些实施例描述了使用有源多模式天线来生成噪声或干扰信号并操纵有源多模式天线使得干扰信号被定向至非受信装置或区域，但是可以在传送通信信号(与噪声相反)的情况下理解反向的应用，其中最大值指向受信装置或区域且一个或多个零值指向一个或多个非受信装置或区域。
在一些实施例中，一个或多个有源多模式天线可被用于对网络覆盖区中的装置的链路质量采样，并基于将存储的辐射方向图模式数据与来自装置的采样数据进行比较以估计装置位置的操作来估计装置的位置。在确定装置位置并确定非受信或未知装置时，可以使用一个或多个有源多模式天线中的一个天线来产生干扰信号，并且将该天线配置为处于用于在非受信任或未知装置的方向上定向该干扰信号的增益的模式下，以防止网络连接和改善网络安全。
在其他实施例中，网络工程师可以使用配置有软件应用程序(“app”)的装置来与接入点通信，其中该app将装置的位置与处于“学习模式”的接入点进行通信，使得该接入点可以学习建筑物或网络覆盖区中的哪些位置是“非受信的”以及哪些是“受信的”。例如，该装置可以配置有GPS或本领域已知的其他定位装置，该装置的位置可以由该app访问并以数据的形式存储在装置上或网络服务器上。安装在装置上的app可以进一步配置有GUI和用于选择“位置是受信的”或“位置是非受信的”的构件。网络工程师可以在网络覆盖区中的每个位置物理地表现该装置，并且从“受信”到“非受信”执行，使得接入点可以学习并存储与受信和非受信区域有关的数据。在该示例中，位于三个或更多个非受信点之间的任何区域将被学习为非受信区域，而位于三个或更多个受信点之间的任何区域将被接入点学习为受信区域。在这方面，接入点可以学习并存储与网络覆盖区中的受信和非受信区域有关的信息，以便将来在定向干扰信号时使用，以用于网络安全。
图示的实施例：
现在转到附图，图1示出了具有其四种不同模式的有源多模式天线的辐射方向图模式的峰值增益的方向。这里，天线在四种模式中的每一种下表现出不同的辐射方向图(辐射模式1至4)。这种多模式天线具有多种辐射模式，所述多种辐射模式分别带有与处于每种模式时的天线相对应的不同的辐射方向图，这种多模式天线集成到无线电或接入点中，并且该天线的模式被选择以优化天线辐射方向图以改善通信链路性能，或在需要时创建噪声以用于降低通信性能。注意，在有源多模式天线的四种模式中的每一种模式下，峰值增益的方向是不同的。
图2示出了办公室的示例网络覆盖区。办公室包括两个办公室或房间(房间1和房间2)以及用于进入办公室的走廊。接入点AP1位于中心，以服务于网络覆盖区的需求。五个用户设备装置或客户端分布在办公室周围，其中装置UE1、UE2，以及UE3位于房间1中，该房间1是“受信区域”，而装置UE4位于房间2中，且装置UE5位于走廊中，房间2和走廊中的每一个都是“未知区域”或“非受信区域”。接入点AP1包括MIMO配置中的四个天线，四个天线中的一个或多个包括如本文所述的有源多模式天线。其中三个天线被用于产生相应的第一至第三辐射方向图，第一至第三辐射方向图中的每一个由接入点生成，以最大化与受信区域中的装置的链路预算。接入点的第四天线被配置为产生第四辐射方向图，其被定向至相邻的房间2和走廊、或未知/非受信区域。注意，第四辐射方向图被配置为产生噪声，使得装置UE4和UE5不能连接到网络，从而在物理意义上有效地保护网络。
接入点可以被配置或设置为在受信区域中提供信号链路，并进一步在非受信区域中提供干扰或噪声；这种设置将主要为了安全而关注于区域性覆盖区(即某些房间是受信的或非受信的)。可替代地，接入点可以被配置为对网络进行采样，并且通过改变(一个或多个)有源多模式天线的模式来在各个装置(基于访问查询或登录许可)的方向上操纵信号链路或噪声从而使得最大值和/或零值被相应地定向。
图3示出了链路质量矩阵的示例，其中针对每个天线模式和网络上的每个装置调查了每个天线，并且在矩阵中确定并填入相应的信号链路质量。矩阵可以以存储器中的查找表的形式实施。信号质量度量可以包括：信号与干扰加噪声比(SINR)、接收信号强度指示符(RSSI)、参考信号接收功率(RSRP)，或本领域技术人员认识到的类似度量或其组合。在预定的时间间隔，天线系统可以被配置为重新调查并更新链路质量矩阵数据。因此，天线系统包括耦合到控制器和存储器的一个或多个有源多模式天线，其中存储器包含链路质量矩阵，该天线系统能够确定哪个天线和模式组合最适合用于与网络上的一个或多个装置的最佳通信链路。同时，如果需要，未被用于与受信装置通信的另一个多模式天线可以产生在远离受信装置的方向上被操纵的噪声。控制器和存储器可以安置在接入点中，或者在网络上的其他地方，或者在网络上的装置内。
图4示出了用于使用有源多模式天线的物理网络安全的算法处理，该算法包括：
步骤1：开始/初始化；“关闭”任何和所有干扰或噪声信号；
步骤2：接入点MAC层正在计算接入点想要与之通信的下一个UEi的帧；
步骤3：用于与UEi通信的所有天线链正在被使用？(如果“是”，则重复步骤2；若“否”，则进入步骤4)；
步骤4：选择未使用的天线N用于噪声生成；
步骤5：该用户的信号质量矩阵被填充了？(如果“是”，则进入步骤6；如果“否”，则重复步骤2。)；
步骤6：选择天线N的模式“K”，其中“K”对于所选择的天线N和用户UEi具有最弱的信号质量；
步骤7：使用被配置为处于在模式K下的所选天线N来开启干扰信号。
尽管本文件包含具体示出的示例，但是所示实施例的细节和描述不应被解释为对要求保护的发明的范围的限制，而是作为对本发明的特定实施例特有的特征的描述，所述特定实施例被提供用于使得那些本领域技术人员能够总体上制造和使用要求保护的发明的一个或多个实施例。在彻底阅读本公开之后，本领域技术人员将理解其他实施例。
图5示出了根据一个实施例的天线系统。在该示例中公开了，在具有包括一个或多个受信区域和一个或多个非受信区域的网络覆盖区的网络中，该网络还包括位于受信区域和非受信区域中的一个或多个用户设备装置(UE)、用于与该网络覆盖区内的用户设备装置通信的接入点，该接入点包括：天线系统100，该天线系统包括：有源多模式天线101，该有源多模式天线可配置处于多种可能的天线模式中的一种天线模式下，其中该有源多模式天线在被配置为处于所述多种可能的天线模式中的每种天线模式时表现不同的辐射方向图；该有源多模式天线耦合到控制器102和存储器103；所述存储器包括与链路质量度量相关联的信号质量数据，链路质量度量涉及一个或多个用户设备装置中的每一个与处于其多种可能的模式中的每种模式下的该有源多模式天线之间的链路质量，该控制器被配置为传送用于基于信号质量数据调节该有源多模式天线的模式的信号；该有源多模式天线被适配为产生干扰信号，并且还被适配为通过改变有源多模式天线的模式以在朝向该网络覆盖区的至少一个非受信区域的方向上操纵该干扰信号；其中所述干扰信号在物理上限制该接入点与位于该网络覆盖区的至少一个非受信区域中的装置之间的链路预算。
存储器可以构成能够包含信号质量数据的任何非暂时性计算机可读介质。该存储器可以安置在该控制器的体积内，或者可以单独安置并且在控制器体积的外部。
链路质量度量可以包括：信号与干扰加噪声比(SINR)、接收信号强度指示符(RSSI)和/或参考信号接收功率(RSRP)。
该天线系统包括多个有源多模式天线。
在一个实施例中，该天线系统包括四个有源多模式天线，其中所述四个有源多模式天线中的第一至第三天线各自被配置处于其中与位于该网络覆盖区的一个或多个受信区域中的用户设备装置实现最佳链路质量的其相应的模式下；以及其中所述四个有源多模式天线中的第四天线产生干扰信号，并且被配置为处于其中与位于该网络覆盖区的一个或多个受信区域中的用户设备装置实现最弱信号质量的模式下。
第四有源模态天线可以被配置为将干扰信号朝向该网络覆盖区的一个或多个非受信区域定向。
控制器和存储器安置在接入点中，或者至少一个可以安置在接入点外部。
在另一实施例中，该控制器被配置为执行用于选择该有源多模式天线中的一个天线并将所选择的天线配置为处于其多种可能的模式中的一种模式下的算法，该算法包括：(i)步骤1：“关闭”干扰信号；(ii)步骤2：利用接入点MAC层，计算该接入点想要与之通信的下一个UEi的帧；(iii)步骤3：如果用于与UEi通信的所有天线链都正在被使用，则重复步骤2，否则进入步骤4；(iv)步骤4：选择未使用的天线N用于噪声生成；(v)步骤5：如果此用户的信号质量矩阵被填充了，则进入步骤6，否则重复步骤2；(vi)步骤6：选择模式“K”，其中“K”对于所选择的天线N和用户UEi具有最弱的信号质量；以及(vii)步骤7：使用被配置处于模式K下的所选择的天线N开启干扰信号。
在一些实施例中，若干天线可以被用于在不同信道或不同区域上产生干扰信号。
本领域技术人员将认识到，通过将本公开的明确特征与本领域的普通知识和技能相结合，可以在不进行过度实验的情况下实现某些变化、组合和衍生物；因此，认为这些变化、组合和衍生物被捕获在本公开和所附权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种被配置为在网络的接入点中实施的天线系统，所述网络具有包括一个或多个受信区域和一个或多个非受信区域的网络覆盖区，所述网络还包括位于所述受信区域中的一个或多个用户设备装置和非受信区域中的一个或多个用户设备装置、用于与所述网络覆盖区内的用户设备装置通信的天线系统，所述天线系统包括：
多个有源多模式天线，所述多个有源多模式天线中的每个有源多模式天线包括辐射元件以及一个或多个寄生导体元件，所述有源多模式天线可配置处于多种可能的天线模式中的一种天线模式下，其中所述有源多模式天线在被配置为处于所述多种可能的天线模式中的每种天线模式时表现不同的辐射方向图；
存储器，所述存储器包括与链路质量度量相关联的信号质量数据，所述链路质量度量涉及所述受信区域中的一个或多个用户设备装置中的每一个与处于其多种可能的模式中的每种模式下的所述有源多模式天线之间的链路质量；以及
控制器，所述控制器被配置为传送用于基于所述信号质量数据调节所述有源多模式天线的模式的信号；
其中，对于所述多个有源多模式天线中的每个有源多模式天线：
在所述有源多模式天线被选择用于与所述受信区域中的一个或多个用户设备装置通信的第一时间段期间，所述控制器被配置为控制所述有源多模式天线以所述多种可能的天线模式中的第一模式操作，以用于与所述受信区域中的一个或多个用户设备装置通信；以及
在所述有源多模式天线未被用于与所述受信区域中的一个或多个用户设备装置通信的第二时间段期间，所述控制器被配置为从所述多个有源多模式天线之中选择所述有源多模式天线并且控制所述有源多模式天线以所述多种可能的天线模式中的第二模式操作，以产生干扰信号，并且还被配置为在朝向所述网络覆盖区的非受信区域中的一个或多个用户设备装置的方向上定向所述干扰信号的增益；
其中所述干扰信号在物理上限制所述接入点与所述网络覆盖区的一个或多个非受信区域中的一个或多个用户设备装置之间的链路预算；并且
其中所述有源多模式天线被适配为朝向至少一个非受信区域提供干扰信号的最大增益，并且朝向至少一个受信区域提供干扰信号的最小增益。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述链路质量度量包括以下中的至少一个：信号与干扰加噪声比(SINR)、接收信号强度指示符(RSSI)、或参考信号接收功率(RSRP)。
3.根据权利要求1所述的天线系统，包括四个有源多模式天线，
其中所述四个有源多模式天线中的第一至第三天线各自被配置处于其中以位于所述网络覆盖区的一个或多个受信区域中的一个或多个用户设备装置实现最佳链路质量的其相应的模式下；以及
其中所述四个有源多模式天线中的第四天线产生干扰信号，并且所述第四天线被配置为处于其中以位于所述网络覆盖区的一个或多个受信区域中的一个或多个用户设备装置实现最弱信号质量的模式下。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其中，第四有源模态天线被配置为将所述干扰信号朝向所述网络覆盖区的一个或多个非受信区域中的一个或多个用户设备装置定向。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述控制器和存储器被配置为安置在所述接入点中。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述控制器被配置为执行用于选择所述有源多模式天线中的一个天线并将所选择的天线配置处于其多种可能的模式中的一种模式下的算法，所述算法包括：
步骤1：“关闭”干扰信号；
步骤2：利用接入点的MAC层，计算所述接入点想要与之通信的UEi的帧；
步骤3：用于与UEi通信的一个或多个天线链是否正在被使用，如果“是”则重复步骤2；如果“否”则进入步骤4；
步骤4：选择未使用的天线N用于噪声生成；
步骤5：对于用户的信号质量矩阵是否被填充，如果“是”则进入步骤6，如果“否”则重复步骤2；
步骤6：选择模式“K”，其中“K”对于所选择的天线N和用户UEi具有最弱的信号质量；
步骤7：使用被配置处于模式K下的所选择的天线N开启所述干扰信号。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其中两个或更多个有源多模式天线被配置为用于在不同信道上生成所述干扰信号。
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