CN117595903A - 用于离散通信设备间的协同波束形成的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请题为“用于离散通信设备间的协同波束形成的系统和方法”。一种通信系统和方法包括多个离散通信设备的群组，每个通信设备包括各向同性天线元件和控制器。第一通信设备的角色是主控设备，而其他通信设备的角色是随从设备。主控设备的控制器确定随从设备与主控设备的相对位置，并基于相对位置将不同的相位延迟值分配给通信设备。主控设备的控制器将包括相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息传送到随从设备，用于使通信设备的各向同性天线元件共同形成在发射时间发射消息有效载荷的天线阵列。天线阵列发射具有由相位延迟值定义的相位锥度的消息有效载荷，以形成朝向目标的波束。

Description

用于离散通信设备间的协同波束形成的系统和方法
技术领域
本公开的实施例总体涉及基于天线的通信系统和方法。
背景技术
为支持日益渴求带宽的应用而对无线网络的不断需求正在导致现代通信格局的急剧变化。支持从数十到数百吉比特/秒(Gbps)的聚合数据传递速率的需求已经导致使用多天线技术来高效使用频谱的新方式。毫米波(mm-wave)通信是具有丰富带宽的下一代通信系统的新兴技术。
诸如手持智能电话和无线电的便携式通信设备通常具有在所有方向上辐射的各向同性天线元件。这种通信设备的天线元件不集中在任何特定方向上，因此具有可靠地发送和接收无线消息的有限范围。典型的蜂窝和其他射频(RF)通信链路包括与便携式通信设备通信的塔式安装的波束形成发射器。塔上的发射器包括位于预定固定位置处的许多天线的复杂阵列，这允许窄波束和高增益。塔式发射器可以在远距离上向目标接收器设备(诸如便携式通信设备)发射消息。但是，具有大型天线阵列的塔式发射器可能不存在于某些环境中，例如第三世界国家、无人居住的荒野、战区等。在这样的环境中，设备之间的无线通信可能受到限制、约束，或者甚至不可用。
扩展便携式通信设备的通信范围的一种传统策略是将通信设备连接到抛物面碟(parabolic dish)，该抛物面碟可以朝向预期目标汇聚RF能量。这种策略有几个缺点，因为它需要碟硬件的存在(例如，由人包装并携带该碟)，该碟是可操作的，拥有该碟的人能够从其通信设备传送信息，并且操作该碟的人能够使该碟瞄准朝向预定目标。例如，目标可能在该人的可视范围和/或视线之外，并且如果该碟没有被正确瞄准，则通信可能不成功。
发明内容
需要灵活的系统和方法在没有笨重和/或昂贵设备的情况下使用便携式通信设备在长距离上生成通信链路，以实现可靠通信。
考虑到这些需求，本公开的某些实施例提供一种包括多个离散通信设备的群组的通信系统。每个通信设备包括各向同性天线元件和可操作地连接到相应各向同性天线元件的控制器。群组中的第一通信设备的角色是主控设备，并且群组中的其他通信设备的角色是随从设备。主控设备的控制器被配置为确定随从设备与主控设备的相对位置，并基于随从设备与主控设备的相对位置将不同的相位延迟值分配给通信设备。主控设备的控制器将包括相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息传送到随从设备，用于使通信设备的各向同性天线元件共同形成在发射时间发射消息有效载荷的天线阵列。天线阵列发射具有由相位延迟值定义的相位锥度的消息有效载荷，以在朝向目标的感兴趣方向上形成波束。
本公开的某些实施例提供一种形成天线阵列的方法。该方法包括确定被指定为随从设备的多个通信设备与被指定为主控设备的第一通信设备的相对位置。随从设备和主控设备中的每一个包括各向同性天线元件和可操作地连接到相应各向同性天线元件的控制器。随从设备和主控设备是便携式的并且在物理上彼此分离。该方法包括基于随从设备与主控设备的相对位置将不同的相位延迟值分配给通信设备，并将包括相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息从主控设备传送到随从设备。该方法包括根据由相位延迟值定义的相位锥度，经由主控设备和随从设备的各向同性天线元件在发射时间发射消息有效载荷，以在朝向目标的感兴趣方向上共同形成波束。
本公开的某些实施例提供一种通信系统，该通信系统包括多个离散通信设备的群组，每个通信设备包括各向同性天线元件和可操作地连接到相应各向同性天线元件的控制器。该群组中的通信设备中的至少一些是具有5G网络能力的蜂窝电话。该群组中的第一通信设备的角色是主控设备，并且该群组中的其他通信设备的角色是随从设备。主控设备的控制器被配置为确定随从设备与主控设备的相对位置，并基于随从设备与主控设备的相对位置将不同的相位延迟值分配给通信设备。主控设备的控制器被配置为将包括相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息传送到随从设备。该群组中的通信设备的控制器被配置为根据由相位延迟值定义的相位锥度，在发射时间经由相应各向同性天线元件发射消息有效载荷，以在朝向目标的感兴趣方向上共同形成波束。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解以上概述以及以下对某些实施例的详细描述。如本文所用，以单数形式记载并在单词“一”或“该”之前的元件或步骤应理解为不一定排除复数个元件或步骤。此外，对“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。此外，除非有明确相反的教导，否则“包括”或“具有”具有特定条件的元件或多个元件的实施例可以包括不具有该条件的附加元件。
本公开的示例提供了由通信设备的群组形成的通信系统。群组中的通信设备是便携式的并且是机械分离的，使得通信设备不被束缚在一起或者以其他方式机械连接。通信设备包括在所有方向上辐射的各向同性天线元件。在各种实施例中，通信设备可以是蜂窝电话(例如，智能电话)、无线电等。通信设备可以由人携带、由机器人携带、装设在飞行器(例如，无人机(UAV))上、装设在地面车辆上等。
通信设备根据本文描述的设备同步和波束形成算法相互协同，以使单独的各向同性天线元件共同用作天线阵列。天线阵列可以是相控阵列天线，其被控制以操纵或瞄准波束，使得能够在比单独使用通信设备可能更长的距离上发射和接收消息，而不需要庞大和/或昂贵的附加硬件，例如抛物面碟。与传统的相控天线阵列不同，通信设备的位置相对于彼此不是固定的，并且在同步和波束形成算法启动之前是未知的。因为通信设备是离散的、便携式的并且机械分离的，所以通信设备在空间中可以具有随机变化的布置。本文描述的实施例可以使用随机间隔的通信设备来创建“自组织(ad hoc)”本地网络。在一个示例中，本文描述的系统和方法可以使标准蜂窝电话的集合能够协作并向目标发送相控协同发射，以克服阻碍蜂窝电话和目标之间的直接通信的范围限制和/或信号中断。
本公开的一个或多个示例中的通信设备可以使用5G蜂窝技术相互协同和同步，以形成天线阵列。例如，通信设备可以具有5G网络能力。5G网络能力的多信道容量可以增强相邻设备的同步和位置确定。当相位同步时，这些设备可以比单个无线电更远地发送数据，而不会过度消耗电池电量或需要额外的硬件。
本文描述的示例将便携式通信设备的群组转换为分布式多输入多输出(MIMO)网络单元。分布式MIMO网络单元可以提供低尺寸、低重量和低功耗(SWAP-C)通信解决方案，其可以横跨频谱动态地在多个频带上操作。在使用中，分布式MIMO网络可以改善地面策略单元和/或空中策略单元的协同通信，以相比于传统通信系统在更长的距离上以更高的数据速率中继信息。
一个或多个实施例可以将用于分布式MIMO技术的自适应波束形成与5G无线电技术相结合，5G无线电可以具有比传统4G LTE(长期演进)频谱更大带宽的多个信道。将5G设备用于分布式MIMO应用可以改善信道多样性和可用性，从而允许多个同步信道改善时间和空间协同。除了同步信道之外，5G设备还可以使一个或多个通信信道的使用能够改善长程(long range)信令。使用5G带宽中的信道的第一集合执行的同步操作可以在没有干扰的情况下与在5G带宽中的一个或多个信道的第二集合上的天线阵列通信操作同时执行。这样一来，可以与作为相控天线阵列的通信设备的长程通信合作执行通信设备之间的同步。
本文描述的设备同步和波束形成算法可以被编程在被下载到一个或多个通信设备上的应用程序上。被指定为具有主控设备角色的通信设备可以启动该应用程序，这使得主控设备的控制器识别并建立与被称为随从设备的其他通信设备的通信链路。主控设备的控制器可以分配信道、同步链路、网络接口等。更具体地，主控设备可以与随从设备进行通信，以便确定随从设备与主控设备的相对位置，并且基于随从设备的相对位置将相位延迟值分配给随从设备(并分配给其自身)。也可以基于从通信设备的群组朝向预期目标的位置和/或方向来分配相位延迟值。例如，分配相位延迟值的目的是将由在预先安排的发射时间从各向同性天线元件发出的叠加辐射产生的波束导向朝向目标。通过协同多个离散各向同性天线元件间的时间和相位，共同天线模式(pattern)可以以通信设备中的单个通信设备的能力的至少五倍或十倍来增加成功通信的范围。
本文描述的系统和方法可以被用于各种不同的应用。一些特定的用例涉及策略单元，诸如S.W.A.T.小组、军事小队(squad)或排(platoon)等，这些策略单元涉及在地面接受过训练以执行任务的人员群组。例如，策略单元的成员可以具有蜂窝电话，这些蜂窝电话可以根据同步和波束形成算法而被利用以共同生成长程通信，而无需特定的硬件或过度的功率消耗。可选地，可以在通信设备中的一个或多个中装设特定天线，以允许通过策略通信信道发送信号以用于军事支持。其他特定的用例涉及紧急操作，诸如搜索和救援操作等。例如，在树林中搜索失踪人员的第一响应者小队可以使用同步和波束形成算法来共同生成长程通信，以用于与调度/指挥所交互。在另一特定用例中，在其电话上具有该应用程序并聚集在人群中的人，例如在剧院、体育赛事、音乐会等因设备数量而阻碍网络连接的地方，可以使用该算法共同接受网络连接并增强信号。本文提出的实施例不限于由人携带的蜂窝电话和其他设备，并且还应用于车辆上装载的通信设备。例如，同步和波束形成算法可被用于将信息从飞行器(例如，UVA(例如无人机(drone)))的群组传送到调度设施、塔式发射器和/或卫星。该算法还可以由地面车辆(例如在高速公路上彼此靠近行驶的汽车的群组)来实施，以发送和接收关于道路建设、事故等的长程通信。
图1示出根据一个实施例的通信系统100。通信系统100由多个单独的通信设备104的群组102形成。通信设备104彼此离散，使得设备104可以独立地操作，而不需要物理地或机械地彼此连接。例如，离散的通信设备104可以具有相对于彼此独立的电源(例如，电池)、控制器(例如，处理电路系统)、存储器存储设备等，用于独立的功能和操作。在一个或多个实施例中，通信设备104是便携式的，使得设备104能够在不同方向上相对于彼此移动。群组102中的通信设备104的相对定位可以随着设备104在不同方向上移动或被移动而随时间变化。
群组102中的通信设备104彼此协同并同步以形成天线阵列，该天线阵列沿着波束106朝向指定的远程目标108无线地发射消息(例如，消息有效载荷)。每个通信设备104包括各向同性天线元件110和可操作地连接到各向同性天线元件110的控制器。例如，各向同性天线元件110可以是电连接到相应通信设备104的控制器的通信电路的部件。每个通信设备104的控制器根据从群组102中的指定主控设备接收的指令来控制各向同性天线元件110辐射射频(RF)能量。每个各向同性天线元件110在所有方向上辐射能量。当被同步以形成天线阵列时，离散的通信设备104的每个天线元件110表示相控天线阵列的单个天线元件或瓦片(tile)。
与传统的天线阵列不同，由通信设备104的各向同性天线元件110形成的瓦片相对于彼此不具有固定的定位。例如，一些传统天线阵列中的瓦片以正交的行和列布置，相邻瓦片之间具有指定的均匀间隔。固定天线阵列中的瓦片之间的间隔可以是波长的函数，例如半波长。通信系统100使用具有任意间隔并且可以在不同方向上移动的各向同性天线元件110来形成天线阵列。在一个实施例中，通信系统100通过确定通信设备104的相对位置并基于相对定位将不同的波束形成特性(例如相位延迟值)分配给相应的通信设备104来考虑天线元件110之间的定位可变性。由于通信设备104可以随时间移动，通信系统100可以随时间重复地执行位置确定过程，并且基于设备104的相对位置的变化和/或目标108的位置的变化来更新分配给不同设备104的波束形成特性。
群组102中的第一通信设备104A被指定为具有主控设备112的角色。群组102中的其他通信设备104具有随从设备或从属设备114的角色。主控设备112可以执行通信系统100的一个或多个操作，以形成在感兴趣方向上朝向目标108辐射波束的天线阵列。例如，主控设备112的控制器可以与其他通信设备104(例如，随从设备114)建立通信链路，与随从设备114进行通信以确定随从设备114相对于主控设备112的相对位置，并且基于这些相对位置将不同的波束形成特性或参数分配给群组102中的不同通信设备104。主控设备112的控制器可以将消息信息传送给随从设备114。消息信息可以包括所分配的波束形成特性(包括相位延迟值)、要远程发射的消息(在本文中被称为消息有效载荷)以及发射时间。发射时间是指选定时间，在该选定时间，通信设备104将根据所分配的波束形成参数(包括所分配的相位延迟值)来发射消息有效载荷。
通信设备104的群组102可以包括一个或多个蜂窝电话(例如，智能电话)、平板电脑、可穿戴计算机设备、无线电等。通信设备104中的一个或多个可以由人或机器人携带。携带通信设备104的人可以是第一响应者(例如，警察)、战术编组、军事单位等。例如，图1中的每个通信设备104可以是战术小队的成员在执行任务期间携带的个人设备。可选地，通信设备104中的一个或多个可以被设置在交通工具(例如飞行器或地面车辆)上。例如，通信设备104中的一些或全部可以是设置在UAV上的无线电、设置在汽车上的无线电等。在一个实施例中，群组102中的通信设备104中的一些或全部具有承担主控设备112的角色的能力，尽管在任何给定时间只有一个通信设备104是主控设备112。例如，图1中的主控设备112相比于一个或多个随从设备114可以不具有任何附加硬件或软件能力。可选地，群组102中的通信设备104可以全部是现成的蜂窝电话。
群组102中的通信设备104可以被定位成在一起足够靠近，以准许设备104之间的短程无线通信。例如，设备104可以通过低能量蓝牙(Bluetooth Low Energy)或另一通信协议相互通信。可选地，群组102中没有两个设备104可以相距大于100米、相距大于50米或相距大于25米。此外，群组102可以包括任意数量的通信设备104。图1中示出了十个通信设备104，但本文描述的通信系统100可以使用少于十个的设备104和多于十个的设备104来工作。例如，可以通过利用更多数量的通信设备104来增加所形成的天线阵列的增益。增加的增益可以扩展通信范围和/或改善信噪比(SNR)。
可以基于存储在设备104上的预先选择的层次结构(hierarchy)来确定主控/随从指定。该层次结构可以基于与各个设备104相关联的用户的排名和/或体验水平。例如，排名较高的用户的设备104可以在排名较低的用户的设备104之前被选择为主控设备112。可替代地，可以基于哪个设备104最先自愿充当主控设备112来确定角色。例如，通信设备104的用户可以启动设备104上的应用程序，其中该应用程序包含根据本文描述的实施例的同步和波束形成算法。用户可以启动该应用程序，以便向目标108发送长程通信。可选地，用于激活或启动该同步和波束形成算法的设备104可以自动承担主控设备114的角色。可替代地，应用程序可以在设备104的显示器上呈现图形用户界面(GUI)，该GUI提示设备104的用户选择设备104是否应该是主控设备112，并且可以允许用户识别群组102中应该是主控设备112的另一设备104。
在一个实施例中，响应于主控设备112在至少阈值量的时间内无响应，主控设备的角色可以被自动重新分配给随从设备114中的一个。主控设备112可以在正常操作期间向随从设备114发送状态更新或其他消息，以使随从设备114确信主控设备112是可操作的。随从设备114可以使用时钟来监控从主控设备112接收到最近的状态更新(或其他通信)以来已经逝去的时间量。随从设备114可以在从主控设备112接收到每个新通信之后重新开始计数。如果在大于阈值量的时间内没有从主控设备112接收到通信，则这可以指示主控设备112不可操作。作为响应，随从设备114可以自动地将主控角色分配给其他通信设备104中的一个。随从设备114可以基于对通信设备104进行排名的指定角色层次结构来选择新的主控设备112。该角色层次结构可以是通信设备104的列表。下一个主控设备112可以是在角色层次结构中作为最近的主控设备112的通信设备104之后的通信设备。
目标108可以是接收器设备，例如通信塔、调度或控制中心、通信中继设备、卫星等。可替代地，目标108可以是通信系统100正在尝试扫描和/或搜索的覆盖区域。目标108可以定位成在群组102中的个体通信设备104的通信范围之外。例如，群组102和目标108之间的距离可以超过30km，例如超过50km、超过75km，或甚至超过100km。在没有附加硬件(例如抛物面碟、外部放大器等)的情况下，没有一个通信设备104能够可靠地生成用于独立地与目标108进行无线通信的波束。通过协同群组102中的设备104的操作，从多个各向同性天线元件110发出的信号以指定的相位延迟值在空间中重合和叠加，以产生波束106。波束106准许信号(例如消息)的发射比设备104能够单独完成的发射远得多。波束106可以准许设备104共同地向目标108发射消息。例如，取决于数据速率、通信设备104的数量和布置等，通信系统100可以实现超过30km、超过50km、超过75km或甚至超过100km的成功消息发射。相位延迟值被分配以在感兴趣方向上朝向目标108操纵波束106。
图2示出由通信设备104的群组102(如图1所示)根据同步和波束形成算法生成的示例天线辐射图案200的一部分。具体地，在由主控设备112命令的发射时间，群组102中的通信设备104可以全部以由主控设备12分配的不同相位延迟值广播相同的消息有效载荷。通信设备104的各向同性天线元件110以在空间中彼此干扰的波的形式辐射RF能量。可以选择相位延迟值，使得至少一些波在朝向目标108的感兴趣方向上彼此相长地增强以形成波束106。
波束106可以与天线辐射图案200的第一波瓣202重合。如图2所示，天线辐射图案200可以具有在其他方向上从群组102径向扩展的附加波瓣。波束106可以将能量引导足够的距离以包围目标108，使得目标108在第一波瓣202的边界内。波瓣202与目标108的重叠指示通信设备104的群组102能够通过根据同步和波束形成算法进行协作来成功地向目标108发射消息。群组102可以具有远远超出个体通信设备104的通信范围206的扩展通信范围204。目标108在通信范围206之外，使得独自行动的个体通信设备104不能与目标108通信。取决于各种因素，例如所涉及的通信设备104的数量、数据速率和通信设备104的发射功率水平，根据同步和波束形成算法，群组102的扩展通信范围204可以超过100km。因此，由通信设备104的群组102形成的天线阵列可以能够沿着波束106发射消息有效载荷超过100km。扩展通信范围204可以是各个设备104的通信范围206的数倍，例如通信范围206的至少两倍、至少三倍或至少四倍。根据一个实施例，通过使群组102中可任意间隔开的多个离散通信设备104的工作同步来完成扩展通信范围204。扩展通信范围204的实现无需使用连接到一个或多个通信设备104的笨重和/或昂贵的设备。
群组102中的主控设备112可以在相对短的时间段内命令多个协同消息(例如，信号)发射，以重定向波束106。该时间段可以小于5秒，例如小于2秒。主控设备112可以在该时间段期间针对不同的相应消息发射而将不同的相位延迟值分配给通信设备104，以便出于扫描目的而扫掠波束106。由主控设备112为给定消息发射事件分配的相位延迟值的集合被称为相位锥度(phase taper)。为了提供扫描功能，主控设备112的控制器可以为第一消息发射事件(例如，第一发射时间)生成第一相位锥度(例如，分配给通信设备104的相位延迟值的第一集合)。主控设备112的控制器还可以为第二消息发射事件生成第二相位锥度，该第二消息发射事件发生在第一发射时间之后的第二发射时间，等等。在该时段内，随着时间推移，相位锥度的变化可能影响空间中的辐射波的干扰，导致波束106在穿过空间的受控路径中随着时间至少轻微移动。主控设备112可以分配或分派与多个不同发射时间相关联的一系列相位锥度，以使波束106在该时间段期间扫描目标区域。
图3是根据一个实施例的通信系统100的通信设备104的框图。通信设备104可以表示群组102中的任何通信设备104，例如主控设备112或随从设备114。在一个实施例中，图3中的通信设备104是主控设备112，然而一些或所有随从设备114可以具有图3中所示的主控设备112的相同部件。通信设备104包括控制器302、包含天线元件110的通信电路304、电源306和输入/输出设备308。控制器302经由有线和/或无线通信链路可操作地连接到其他部件，以准许以信号的形式发射信息。例如，控制器302可以生成控制信号，这些控制信号被发射到其他部件以控制部件的操作。图3中所示的部件可以被容纳在外壳或壳体内和/或安装在外壳或壳体上。通信设备104可以具有图3中未示出的附加部件。在可替代实施例中，通信设备104可以缺少图3中所示的部件中的一个或多个。
控制器302表示硬件电路系统，其包括一个或多个处理器312(例如，一个或多个微处理器、集成电路、微控制器、现场可编程门阵列等)和/或与其连接。控制器302包括有形的非暂时性计算机可读存储介质(例如数据存储设备)和/或与其连接，该计算机可读存储介质在此被称为存储器314。存储器314可以存储由一个或多个处理器312执行以实施本文描述的同步和波束形成操作的编程指令(例如，软件)。这些编程指令可以包括被存储在存储器314中并由一个或多个处理器312利用的一个或多个算法。这里对控制器302的引用可以指代一个或多个处理器312。
存储器314可以存储一个或多个数据库，该一个或多个数据库包含由一个或多个处理器312利用以执行同步和波束形成操作的信息。在一个示例中，存储器314可以包括角色层次结构316，该角色层次结构是用于选择后续主控设备112的群组102的通信设备104的有序列表。存储器314可以存储附加信息，例如经由通信电路304链接到云托管服务的各种应用程序接口(API)，用于访问来自诸如服务器的远程存储设备的信息。
(一个或多个)处理器312可以包括实施本文描述的同步和波束形成算法的不同方面的子单元。例如，相对定位单元318可以确定随从设备114在空间中与主控设备112的相对定位。然后由(一个或多个)处理器312使用相对定位来分配不同的相位延迟值。(一个或多个)处理器312可以包括波束形成单元320，该波束形成单元320使用随从设备114与主控设备112的相对定位来分配不同的相位延迟值，以便共同天线阵列形成指向目标108的波束106。单元318、320可以表示处理器312的子集和/或由处理器312实施的不同功能。
通信电路304表示能够使用天线元件110经由无线通信路径来传送电信号的硬件电路系统。通信电路304可以包括用于RF消息的无线广播的收发电路系统(例如，收发器或离散的发射器和接收器)、一个或多个放大器等。在同步和波束形成算法中，控制器302可以使用通信电路304与群组102中的其他通信设备104进行通信以用于同步目的，以及在所选择的发射时间发射消息有效载荷以形成聚合波束。
电源306可以为通信设备104的至少一些部件所执行的操作供电。例如，电源306可以供应电流以便为通信电路304的放大器供电。电源306可以是电池组、一个或多个电容器等。电源306可以是可再充电的。
输入/输出(I/O)设备308的输入方面可以从携带通信设备104或至少与通信设备104交互的用户接收用户输入(例如，选择)。I/O设备308可以包括或表示触敏屏或触敏垫、鼠标、键盘、操纵杆、开关、物理按钮等。用户可以致动I/O设备308以生成被传达到控制器102的输入信号。例如，用户可以通过经由I/O设备308激活存储在通信设备104上的应用程序来启动同步和波束形成算法。用户可以使用I/O设备308来输入指令和/或命令，例如输入要发送到目标设备的消息的内容。I/O设备308的显示方面可以包括显示屏，该显示屏呈现图形标记，例如图像、形状、文本和符号，以供用户观看。显示屏可以显示与同步和波束形成算法相关联的应用程序或网站的图形用户界面(GUI)。
图4是根据一个实施例的使用独立和离散通信设备的各向同性天线元件形成天线阵列的方法的流程图400。图4中的方法可以描述本文中描述的同步和波束形成算法。该方法可以至少部分地由被指定为主控设备112的通信设备104的控制器302来执行。该方法可选地可以包括比图4所示更多的至少一个步骤，比图4所示更少的至少一个步骤，和/或与图4所示不同的至少一个步骤。
在步骤402处，在群组102中的主控设备112和随从设备114之间建立通信链路。例如，用户可以通过激活设备104中的一个设备上的同步和波束形成应用程序和/或通过在该应用程序或网站中输入指令以向远程目标108发送消息来启动该方法。目标108可以在单独的通信设备104的通信范围206之外。在启动后，主控设备112可以广播信标消息，以尝试识别可用的随从设备114并建立与这些设备114的通信链路。该信标消息可以包括要由接收方设备104实施以便作为随从设备114参与天线阵列的形成的特定指令。例如，这些指令可以命令接收设备将识别接收设备的回复消息发送回到主控设备112。这些指令还可以命令发送回复消息的方式，例如用于与主控设备114的这次通信和/或未来通信的频率信道。在接收到来自可用的随从设备114的回复消息后，主控设备114可以与那些随从设备114建立通信链路。这些通信链路可以指定用于设备112、114之间的通信的(一个或多个)频率信道、通信所遵循的协议等。
在步骤404处，主控设备112的控制器302可以确定随从设备114与主控设备112的相对位置。这些相对位置可以是指相对于主控设备112在空间中的定位的每个随从设备114在空间中的定位。因为通信设备104可以是任意布置的，彼此没有物理连接，并且甚至可能在不同的方向上移动，所以控制器302可以在连续的基础上随着时间迭代地更新随从设备114的相对位置。控制器302可以使用相对位置来确定针对每个预先安排的消息发射事件分配给随从设备114的相位延迟值。
在一个示例中，控制器302通过首先确定主控设备112和每个随从设备114之间的线性距离150来确定相对位置。线性距离150如图1中的虚线所示。距离150可以例如基于飞行时间近似来确定。主控设备112可以监控从出射消息到相应随从设备114的启动发射到从该随从设备114接收到回复消息所流逝的时间。主控设备112可以基于信号波通过空间的近似速度将流逝的时间转换成距离值。随从设备114还可以确定彼此之间的距离。一旦确定了距离，主控设备112就可以使用距离值来执行三边测量，以计算随从设备114的相对位置。在其它实施例中可以使用诸如三角测量的其它技术。相对位置可以通过坐标系中的坐标来表征。坐标系可以是二维的(其假设所有设备104都在公共平面上)，或者是三维的。
在可替代实施例中，可以使用位置确定传感器来确定随从设备114与主控设备112的相对位置。例如，通信设备104中的一些或全部可以包括能够确定相应设备104的GPS坐标的GPS接收器。随从设备114可以将它们相应的GPS坐标传送到主控设备112。主控设备112可以将它自己的GPS坐标与给定的随从设备114的GPS坐标进行比较，以确定该随从设备114与主控设备112的相对位置。
在步骤406处，主控设备112的控制器302可以基于随从设备114与主控设备112的相对位置为通信设备104生成相位锥度。该相位锥度包括被分配给通信设备104的相位延迟值的集合。例如，主控设备112的控制器302可以基于第一随从设备114与主控设备112的相对位置将第一相位延迟值分配给第一随从设备114。控制器302可以基于第二随从设备114与主控设备112的相对位置将不同的第二相位延迟值分配给第二随从设备114。相位延迟值分配也可以基于目标108的位置。相位锥度中的相位延迟值中的至少一些以及可选地全部可以彼此不同。相位锥度被生成为使得当个体通信设备104在相同的发射时间发射相同的消息有效载荷时，天线元件可以以略微不同的相位进行辐射，以便实质上操纵由相长干扰RF波产生的波束106。主控设备112可以将相位延迟值分配给其自身以及随从设备114。
在步骤408处，主控设备112的控制器302可以将消息信息传送到随从设备114。该消息信息关于即将到来的发射事件，并且可以包括要传送的消息有效载荷、发射消息有效载荷的发射时间、相位锥度的所分配的相位延迟值等。可以向所有随从设备114发送相同的消息有效载荷和发射时间。每个随从设备114可以接收与该随从设备112唯一相关联的一些信息，例如被分配给该随从设备114的相位延迟值。可以经由主控设备112和随从设备114之间的一个或多个内部消息来传送该消息信息。
在步骤410处，通信设备104在发射时间经由各个设备104的各向同性天线元件共同发射消息有效载荷。除了随从设备114之外，主控设备112也可以发射消息有效载荷。通过使消息有效载荷的发射同步，通信设备104的各向同性天线元件共同起到天线阵列的作用，该天线阵列可以比单独的设备104在更大的范围内进行通信。由通信设备104发射的至少一些消息有效载荷可以在相位方面彼此变化，这可归因于不同的所分配的相位延迟值。例如，主控设备112可以以第一相位延迟值广播消息有效载荷，并且第一随从设备114可以在与主控设备112相同的时间广播相同的消息有效负载，但是具有不同的第二相位延迟值。相位变化可以使得能够操纵在朝向远程目标108的感兴趣方向上形成的波束106。
在一个实施例中，通信设备可以利用多个不同的频率信道来执行同步和波束形成算法的不同方面。例如，可以在一个或多个频带的第一集合上执行通信设备104之间的同步和协同，该同步和协同涉及设备104之间的本地通信。因此，主控设备112的控制器302可以在频带的第一集合上将消息信息传送到随从设备114，并且可以基于在频带的第一集合上发射的通信来确定随从设备114的相对位置。根据相位锥度，共同生成波束106并将消息有效载荷远程发射到目标108的波束形成可以在一个或多个频带的第二集合上。第二集合中的(一个或多个)频带可以与第一集合中的(一个或多个)频带是离散的(例如，不重叠)。在示例应用中，第一频带或信道可以被指定用于设备104之间的时间和频率同步通信。第二频带或信道可以被分配用于设备104之间的基于自适应反馈的同步工作。第三频带或信道可以被主控设备112用来将所分配的相位/正时延迟传送到随从设备114，并且还可以被随从设备114用来在波束形成之后向主控设备112发送消息有效载荷发射的确认。第四频带或信道可被用于将消息有效载荷从主控设备112中继到随从设备114，并发送指示发射消息有效载荷的发射时间的正时密钥。
在一个实施例中，群组102中的通信设备104具有5G网络能力。5G网络能力比更传统的4G LTE网络提供更大的带宽，并且可以适应将算法的各个方面划分到不同的频带(例如，信道)上。例如，设备104上的5G网络设置可以实现上述多信道操作。多信道操作的好处之一是，不同信道上的不同操作可以在没有干扰的情况下被同时执行，而不是被顺序执行。通信系统100能够与作为相位天线阵列操作的各向同性天线元件对消息有效载荷的波束形成和远程发射至少部分同时地使随从设备114同步(例如，确定相对位置并分配相位延迟值)。一致地执行这些操作可以减少由通信设备104在空间中的相对定位的变化所引起的误差。
此外，本公开包括根据以下条款所述的示例：
条款1.一种通信系统，其包括：
多个离散通信设备的群组，每个通信设备包括各向同性天线元件和可操作地连接到相应各向同性天线元件的控制器，其中所述群组中的第一通信设备的角色是主控设备，并且所述群组中的其他通信设备的角色是随从设备，所述主控设备的所述控制器被配置为：
确定所述随从设备与所述主控设备的相对位置；
基于所述随从设备与所述主控设备的所述相对位置，向所述通信设备分配不同的相位延迟值；以及
将包括所述相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息传送到所述随从设备，用于使所述通信设备的所述各向同性天线元件共同形成在所述发射时间发射所述消息有效载荷的天线阵列，其中所述天线阵列发射具有由所述相位延迟值定义的相位锥度的所述消息有效载荷，以在朝向目标的感兴趣方向上形成波束。
条款2.根据条款1所述的通信系统，其中所述群组中的所述通信设备是便携式的并且能够相对于彼此被移动。
条款3.根据条款1或条款2所述的通信系统，其中所述群组中的多个通信设备是蜂窝电话。
条款4.根据条款1-3中任一项所述的通信系统，其中所述群组中的多个通信设备被设置在不同的飞行器上。
条款5.根据条款1-4中任一项所述的通信系统，其中所述群组中的所述通信设备具有5G网络能力。
条款6.根据条款1-5中任一项所述的通信系统，其中所述通信设备被配置为在一个或多个频带的第一集合上彼此通信，以便所述主控设备的所述控制器确定所述相对位置并将所述消息信息传送到所述随从设备，并且所述通信设备被配置为在一个或多个频带的第二集合上发射具有所述相位锥度的所述消息有效载荷，其中所述第二集合中的所述一个或多个频带与所述第一集合中的所述一个或多个频带是离散的。
条款7.根据条款1-6中任一项所述的通信系统，其中响应于所述随从设备在从最近接收到的状态更新起至少阈值量的时间内未能从所述第一通信设备接收到状态更新，所述群组中的第二通信设备根据所述群组中的所述通信设备之间的指定层次结构承担主控设备的角色。
条款8.根据条款1-7中任一项所述的通信系统，其中所述发射时间是第一发射时间，并且所述相位锥度是第一相位锥度，所述主控设备的所述控制器被配置为将所述相位延迟值分配给所述随从设备以定义与多个不同发射时间相关联的多个不同相位锥度，使得形成的所述波束在一个时段期间扫描目标区域。
条款9.根据条款1-8中任一项所述的通信系统，其中所述天线阵列被配置为沿着所述波束在超过100km的距离上发射所述消息有效载荷。
条款10.根据条款1-9中任一项所述的通信系统，其中所述主控设备的所述控制器被配置为经由所述主控设备和所述随从设备之间的距离的三边测量来确定所述随从设备与所述主控设备的所述相对位置。
条款11.一种形成天线阵列的方法，所述方法包括：
确定被指定为随从设备的多个通信设备与被指定为主控设备的第一通信设备的相对位置，所述随从设备和所述主控设备中的每一个包括各向同性天线元件和可操作地连接到相应各向同性天线元件的控制器，其中所述随从设备和所述主控设备是便携式的并且在物理上彼此分离；
基于所述随从设备与所述主控设备的所述相对位置，将不同的相位延迟值分配给所述通信设备；
将包括所述相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息从所述主控设备传送到所述随从设备；以及
根据由所述相位延迟值定义的相位锥度，经由所述主控设备和所述随从设备的所述各向同性天线元件在所述发射时间发射所述消息有效载荷，以在朝向目标的感兴趣方向上共同形成波束。
条款12.根据条款11所述的方法，其中所述通信设备包括蜂窝电话或飞行器中的一个或多个。
条款13.根据条款11或条款12所述的方法，其中所述通信设备具有5G网络能力。
条款14.根据条款11-13中任一项所述的方法，其中确定所述相对位置并传送所述消息信息是由彼此通信的所述通信设备在一个或多个频带的第一集合上执行的，并且在所述发射时间根据所述相位锥度发射所述消息有效载荷是由所述通信设备在一个或多个频带的第二集合上执行的，其中所述第二集合中的所述一个或多个频带与所述第一集合中的所述一个或多个频带是离散的。
条款15.根据条款11-14中任一项所述的方法，其中所述发射时间是第一发射时间，所述相位锥度是第一相位锥度，并且所述方法还包括经由所述主控设备和所述随从设备的所述各向同性天线元件根据在一个时段期间的不同相应发射时间处的多个不同相位锥度发射所述消息有效载荷，以使得形成的所述波束在所述时段期间扫描目标区域。
条款16.根据条款11-15中任一项所述的方法，进一步包括：
响应于所述随从设备在从最近接收到的状态更新起至少阈值量的时间内未能从被指定为所述主控设备的所述第一通信设备接收到状态更新，根据所述通信设备之间的指定层次结构将所述随从设备中的一个重新分类为所述主控设备。
条款17.根据条款11-16中任一项所述的方法，其中确定所述随从设备与所述主控设备的所述相对位置包括确定所述随从设备距所述主控设备的相应距离并且使用所述相应距离执行三边测量。
条款18.一种通信系统，其包括：
多个离散通信设备的群组，每个通信设备包括各向同性天线元件和可操作地连接到相应各向同性天线元件的控制器，其中所述群组中的至少一些通信设备是具有5G网络能力的蜂窝电话，其中所述群组中的第一通信设备的角色是主控设备，并且所述群组中的其他通信设备的角色是随从设备，所述主控设备的所述控制器被配置为：
确定所述随从设备与所述主控设备的相对位置；
基于所述随从设备与所述主控设备的所述相对位置，将不同的相位延迟值分配给所述通信设备；以及
将包括所述相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息传送到所述随从设备，
其中所述群组中的所述通信设备的所述控制器被配置为根据由所述相位延迟值定义的相位锥度在所述发射时间经由所述相应各向同性天线元件发射所述消息有效载荷，以在朝向目标的感兴趣方向上共同形成波束。
条款19.根据条款18所述的通信系统，其中所述主控设备的所述控制器被配置为基于在所述群组中的所述通信设备之间在至少第一频带上传送的无线信号来确定所述随从设备的所述相对位置，并且所述通信设备的所述控制器被配置为在所述发射时间在与所述第一频带离散的至少第二频带上发射所述消息有效载荷。
条款20.根据条款18或条款19所述的通信系统，其中所述群组中的所述通信设备是便携式的并且在物理上彼此分离。
虽然各种空间和方向术语(诸如顶部、底部、下部、中部、横向、水平、竖直、前部等)可用于描述本公开的实施例，但应理解，这些术语仅用于图中所示的取向。取向可以反转、旋转或以其他方式改变，使得上部为下部，反之亦然，水平变为竖直等。
如本文所用，“被配置为”执行任务或操作的结构、限制或元件在结构上特别是以与任务或操作相对应的方式形成、构造或调整。为了清楚和避免疑义，仅能够被修改以执行任务或操作的对象不“被配置为”执行本文所使用的任务或操作。
应当理解，以上描述旨在进行说明而非限制。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。此外，在不脱离其范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的各种实施例的教导。尽管本文所描述的材料的尺寸和类型旨在定义本公开的各种实施例的参数，但这些实施例绝不是限制性的，而是示例性的实施例。通过回顾以上描述，许多其它实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，本公开的各种实施例的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围来确定。在所附的权利要求和本文的详细描述中，术语“包括”和“在…之中”被用作相应术语“包含”和“其中”的简明中文等价物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，而不旨在对其对象施加数字要求。此外，随附权利要求的限制不是以装置加功能的形式书写的，也并不旨在根据35U.S.C.§112(f)进行解释，除非此类权利要求限制明确使用了“用于…的装置”一词，然后是没有进一步结构的功能声明。
本书面描述使用示例来披露本公开的各种实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域的任何技术人员都能够实践本公开的各个实施例，其中包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本公开的各个实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员可想到的其他示例。如果这些示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元素，或者如果示例包括与权利要求书的字面语言没有实质差异的等效结构元素，则这些其他示例旨在落在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种通信系统(100)，其包括：
多个离散通信设备(104)的群组(102)，每个通信设备包括各向同性天线元件(110)和可操作地连接到相应各向同性天线元件(110)的控制器(302)，其中所述群组(102)中的第一通信设备(104)的角色是主控设备(112)，并且所述群组(102)中的其他通信设备(104)的角色是随从设备(114)，所述主控设备(112)的所述控制器(302)被配置为：
确定所述随从设备(114)与所述主控设备(112)的相对位置；
基于所述随从设备(114)与所述主控设备(112)的所述相对位置，向所述通信设备(104)分配不同的相位延迟值；以及
将包括所述相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息传送到所述随从设备(114)，用于使所述通信设备(104)的所述各向同性天线元件(110)共同形成在所述发射时间发射所述消息有效载荷的天线阵列，其中所述天线阵列发射具有由所述相位延迟值定义的相位锥度的所述消息有效载荷，以在朝向目标(108)的感兴趣方向上形成波束(106)。
2.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述群组(102)中的所述通信设备(104)是便携式的并且能够相对于彼此被移动。
3.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述群组(102)中的多个通信设备(104)是蜂窝电话。
4.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述群组(102)中的多个通信设备(104)被设置在不同的飞行器上。
5.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述群组(102)中的所述通信设备(104)具有5G网络能力。
6.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述通信设备(104)被配置为在一个或多个频带的第一集合上彼此通信，以便所述主控设备(112)的所述控制器(302)确定所述相对位置并将所述消息信息传送到所述随从设备(114)，并且所述通信设备(104)被配置为在一个或多个频带的第二集合上发射具有所述相位锥度的所述消息有效载荷，其中所述第二集合中的所述一个或多个频带与所述第一集合中的所述一个或多个频带是离散的。
7.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中响应于所述随从设备(114)在从最近接收到的状态更新起至少阈值量的时间内未能从所述第一通信设备(104)接收到状态更新，所述群组(102)中的第二通信设备(104)根据所述群组(102)中的所述通信设备(104)之间的指定层次结构承担主控设备(112)的角色。
8.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述发射时间是第一发射时间，并且所述相位锥度是第一相位锥度，所述主控设备(112)的所述控制器(302)被配置为将所述相位延迟值分配给所述随从设备(114)以定义与多个不同发射时间相关联的多个不同相位锥度，使得形成的所述波束(106)在一个时段期间扫描目标区域。
9.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述天线阵列被配置为沿着所述波束(106)在超过100km的距离上发射所述消息有效载荷。
10.根据权利要求1所述的通信系统(100)，其中所述主控设备(112)的所述控制器(302)被配置为经由所述主控设备(112)和所述随从设备(114)之间的距离(150)的三边测量来确定所述随从设备(114)与所述主控设备(112)的所述相对位置。
11.一种形成天线阵列的方法(400)，所述方法包括：
确定被指定为随从设备(114)的多个通信设备(104)与被指定为主控设备(112)的第一通信设备(104)的相对位置，所述随从设备(114)和所述主控设备(112)中的每一个包括各向同性天线元件(110)和可操作地连接到相应各向同性天线元件(110)的控制器(302)，其中所述随从设备(114)和所述主控设备(112)是便携式的并且在物理上彼此分离；
基于所述随从设备(114)与所述主控设备(112)的所述相对位置，将不同的相位延迟值分配给所述通信设备(104)；
将包括所述相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息从所述主控设备(112)传送到所述随从设备(114)；以及
根据由所述相位延迟值定义的相位锥度，经由所述主控设备(112)和所述随从设备(104)的所述各向同性天线元件(110)在所述发射时间发射所述消息有效载荷，以在朝向目标(108)的感兴趣方向上共同形成波束(106)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述通信设备(104)包括蜂窝电话或飞行器中的一个或多个。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述通信设备(104)具有5G网络能力。
14.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述相对位置并传送所述消息信息是由彼此通信的所述通信设备(104)在一个或多个频带的第一集合上执行的，并且在所述发射时间根据所述相位锥度发射所述消息有效载荷是由所述通信设备(104)在一个或多个频带的第二集合上执行的，其中所述第二集合中的所述一个或多个频带与所述第一集合中的所述一个或多个频带是离散的。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述发射时间是第一发射时间，所述相位锥度是第一相位锥度，并且所述方法还包括经由所述主控设备(112)和所述随从设备(114)的所述各向同性天线元件(110)根据在一个时段期间的不同相应发射时间处的多个不同相位锥度发射所述消息有效载荷，以使得形成的所述波束(106)在所述时段期间扫描目标区域。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
响应于所述随从设备(114)在从最近接收到的状态更新起至少阈值量的时间内未能从被指定为所述主控设备(112)的所述第一通信设备(104)接收到状态更新，根据所述通信设备(102)之间的指定层次结构将所述随从设备(114)中的一个重新分类为所述主控设备(112)。
17.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述随从设备(114)与所述主控设备(112)的所述相对位置包括确定所述随从设备(114)距所述主控设备(112)的相应距离(150)并且使用所述相应距离(150)执行三边测量。
18.一种通信系统(100)，其包括：
多个离散通信设备(104)的群组(102)，每个通信设备包括各向同性天线元件(110)和可操作地连接到相应各向同性天线元件(110)的控制器(302)，其中所述群组(102)中的至少一些通信设备(104)是具有5G网络能力的蜂窝电话，其中所述群组(102)中的第一通信设备(104)的角色是主控设备(112)，并且所述群组(102)中的其他通信设备(104)的角色是随从设备(114)，所述主控设备(112)的所述控制器(302)被配置为：
确定所述随从设备(114)与所述主控设备(112)的相对位置；
基于所述随从设备(114)与所述主控设备(112)的所述相对位置，将不同的相位延迟值分配给所述通信设备(104)；以及
将包括所述相位延迟值、消息有效载荷和发射时间的消息信息传送到所述随从设备(104、112、114)，
其中所述群组(102)中的所述通信设备(104)的所述控制器被配置为根据由所述相位延迟值定义的相位锥度在所述发射时间经由所述相应各向同性天线元件(110)发射所述消息有效载荷，以在朝向目标(108)的感兴趣方向上共同形成波束(106)。
19.根据权利要求18所述的通信系统(100)，其中所述主控设备(112)的所述控制器(302)被配置为基于在所述群组(102)中的所述通信设备(104)之间在至少第一频带上传送的无线信号来确定所述随从设备(114)的所述相对位置，并且所述通信设备(104)的所述控制器被配置为在所述发射时间在与所述第一频带离散的至少第二频带上发射所述消息有效载荷。
20.根据权利要求18所述的通信系统(100)，其中所述群组(102)中的所述通信设备(104)是便携式的并且在物理上彼此分离。
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