CN1489803A - 通信设备、传输方法和天线设备 - Google Patents

Abstract

一种通信设备，具有多个节点，每个节点能通过各节点间的点对点无线传输链路与多个其它节点通信。至少一个节点具有至少一个能在方位角上调节的天线。把该天线设置成发送其射束宽度在方位角上要比仰角上窄的电磁波束。该射束宽度在方位角上小于9°并且该射束宽度在仰角上小于15°。

Description

通信设备、传输方法和天线设备

技术领域

本发明涉及通信设备、传输方法和天线设备。

背景技术

和有线通信相比，无线通信提供许多有吸引力的特征。例如，由于不需要机械挖掘和铺设电缆或导线并且可以非常迅速地建立和撤消用户点，无线系统要便宜得多。

无线系统的一个特征是，当由于增加可赋予每个用户的带宽需要大的带宽(数据传送速率)时，必须类似地增加无线信号的带宽，另外，可用于无线传输的频率是密集规定的。事实上目前只有微波频率(即，千兆赫(GHz)区段)或者更高的频段是这种可使用的大带宽，因为较低的无线电频率已经被分配了。

微波或更高频率的一个问题是这些无线电频率更加受到诸如建筑物、车辆、树等障碍物的衰减或完全阻挡。这些障碍物不明显地衰减兆赫(MHz)频带中的信号，但是在千兆赫(GHz)频带中变成一个严重问题。从而，通常的格言是微波或更高的频率很难用于为大量分布用户提供通信的公共接入网络。

由于在无线电带宽上存在许多需求，所以任何无线通信系统的频谱效率是特别重要的。作为惯例，管理和批准机构只能批准相对窄的无线电频谱区段。

采用点对多点广播的蜂窝系统为了向用户提供满意的带宽而对无线电频谱提出高需求并且从而在频谱上不是非常有效的。

在许多应用中周知利用这种系统里的转发器或中继器把数据从一个站传到另一个站。通常，这种中继器以点对多点的方式广播信号，从而类似于蜂窝方法并且具有相应的谱效率不足的缺点。

采用大量点对点无线传输的“网状(mesh)”通信系统可以比蜂窝系统更加有效地使用无线电频谱。在我们的国际专利申请WO-A-98/27694中公开了网状通信系统的一个例子，它的整个公开内容收录为本文的参考资料。在网状通信系统的典型实现中，利用多个点对点无线链路互连多个节点。每个节点典型地是静止的或固定的，节点很可能包含用来连接该系统的订户或用户的设备。每个节点具有用于在多个点对点无线链路上发送和接收无线信号的装置，并且设置成若所述节点接收到的数据包含用于另一个节点的数据则中继数据。在一个完整建立的互连节点的网格中，至少一些，最好是大多数，并且某些情况中为全部节点，各自和一个订户关联，订户可以是一个自然人或者是一个机构例如公司、大学等。每个订户节点典型地充当专用于该订户的一条链路的端点(即作为数据通信的源和宿)并且还作为用于传送供其它节点使用的数据的分布网络的一个组成部分。为了对系统的订户提供更好的地理覆盖，系统操作员可以设置并且操作非订户节点。所使用的频率例如至少约为1GHz。可以使用大于2.4GHz或4GHz的频率。替代地，可以使用28GHz、40GHz、60GHz或者甚至200GHz的频率。除了无线电频率外，应可使用其它更高的例如100,000GHz(红外)的频率。

在网状通信系统内，通过独立的点对点无线传输链路，每个节点和一个或多个近邻节点连接。当与每个节点中的中继功能组合时，经该网状网通过各种路线路由信息变成可能。围绕着该系统信息以一系列的从节点到节点的“中继段(hop)”从源发送到目的地。通过适当地选择节点互连，有可能把网状网络配置成提供多条备选的路由，从而提供改进的可服务性。

通过在节点之间沿着直接视线引导点对点的无线传输，例如通过利用高方向性的射束，网状通信系统可以使频谱的使用更加有效。空间定向传输的使用减少其它空间范围中的无用传输程度并且还提供明显的方向增益，从而把空间定向传输用作为节点间的链路能使该链路在比使用较少定向射束可能获得的范围更长的范围中运行。相反，为了支持点对多点传输，蜂窝系统必须在宽空间区域中发送。在蜂窝系统中这典型地是使蜂窝系统的基站发送方位角非常宽(典型地为60度扇面、120度扇面或全向的)但仰角较窄的射束达到的，即，来自蜂窝系统的基站的射束典型地在水平方向上是相对平的和宽的。

除了改进频谱效率外，网状通信系统可以通过利用高增益天线引导点对点的无线传输在性能改进上获益，从而改进这种传输的品质。另外，由于可以调整各条无线链路的方向以引导障碍物附近的无线传输，所以网格拓扑可以提供改进的覆盖。

可以考虑通过固定的点对点链路配置组配的网状网络，其中各条链路的方向是在安装时确定的。但是，如果各节点能改变一条或多条点对点链路的方向，改进型的网状网络是可能的，这种重新定向和重新构形的能力可以用来支持该网状网络的增长和进化，因为它意味着节点能够重新排列节点之间的点对点链路。

在典型的网状通信系统中，要求每个节点支持多条点对点无线链路，每条无线链路把该节点和另一个对应的节点相连。为了支持这多条无线链路并且能够改变一条或多条无线链路的方向，最好使节点能调节沿着链路提供无线传输的发送和接收的天线。

许多公知的雷达系统，尤其是用于飞机着陆控制的系统，其中使用大致扇形的无线电射束，而且该扇形排列在垂直平面中并连带着一个排列在水平平面中的扇形射束。扇形的目的是尽可能大地使增益最大。在GB870707、GB826014、US-A-4933681和US-A-5844527中公开了这种系统的例子。

在WO-A-94/26001中公开了一种方案，其提供在无线局域网中使用的可调节天线，在该描述的具体例子中，三个抛物柱面天线排列成一个在另一个的上面，并且在这三个抛物柱面天线上设置第四个全向天线。每个抛物柱面天线配置成在56GHz下运行并且具有方位角为9°的射束和仰角为20°的射束。在这种频率下，实际上可以有效地把方位角为9°的射束宽度看成是扇形，从而和该频率下的典型点对点链路相比仰角方面的射束宽度是相对宽的。从而，每个抛物柱面天线具有扇形发送/接收辐射图，这在无线LAN环境中估计是相当好的并且的确是优选的，因为由于在这些频率上典型地可使用大量的无线电频谱并且由于非常短的链路，在无线LAN中频谱效率几乎不是问题。

发明内容

依据本发明的第一个方面，提供一种通信设备，该设备包括：多个节点，每个节点能够通过节点间的点对点无线传输链路和多个其它节点通信；至少一个节点包括至少一个在方位角上可调节的天线，其中该至少一个天线被配置成发送其方位角上的射束宽度要比仰角上窄的电磁射束，该射束宽度在方位角上小于约9°并且该射束宽度在仰角上小于约15°。

应理解，本文中所使用的措辞“射束宽度”具有在天线处由射束的半强度点(即射束中功率强度为该射束的最大功率强度的一半或小3分贝的点)对着的角度的常规含义。

通过提供方位角上射束宽度窄的射束，可以提高频谱效率。这是因为，在典型的实现中，可以在多个不同的空间位置处使用相同的频率并且该相同频率的再使用可以在节点处导致来自其它节点的不希望信号对有用信号的干扰，所述不希望的干扰包括多种干扰传输，例如，以下称为“同信道干扰”的由其它正采用相同频率的无线传输造成的干扰，以及以下称为“相邻信道干扰”的由采用相邻频率的无线传输造成的干扰。在该优选实现中，通过采用前面所说明的网格系统中的定向天线，可以减小同信道干扰以及相邻信息干扰的集合水平，这允许在给定的干扰水平下更多地再使用这种频率和/或减小干扰的绝对水平和/或减少为一组用户服务所需的频谱量。

另外，在无线设备和前面说明的网状通信系统的一个节点相关联的并且其中传输所指向的节点可具有和发送该传输的节点不同仰角的典型实现中，使仰角上射束宽度相对宽(即高的射束)意味着更有可能在不必于仰角上操作发送天线的情况下使射束到达目标节点。换言之，尽管实际中可能需要或甚至必须使发送节点的天线在方位角上是可调节的以能使用在方位角上窄的射束宽度，希望使用在仰角上较宽的射束宽度，因为这使得大概发送节点的天线在仰角上不必是可调节的，并且不同方位角和仰角射束宽度的组合产生不对称射束。可以理解，如果希望或者必须使发送节点的天线在方位角上是可调节的，则可以机械地或电子地或者通过二者调节所述天线，可能把机械调节用于粗调节，并在天线大致对准正确方向时把电子调节用于精调节。类似的考虑可应用于接收节点的天线。

不对称射束的另一个优点是它可以减小天线上的风载荷的影响，实际上在户外安装天线设备的情况下这是重要的。例如，对于安装在杆等上的天线，风载荷的影响典型地弯曲该杆以使天线支承从水平面倾斜。天线的这种运动可能导致仰角平面中的明显不对准(depoint)，但同时在方位角平面不产生或很少产生不对准。使仰角上射束宽度更大意味着天线设备对风载荷的不对准效应不那么灵敏。

不对称射束的再一个优点是它对天线设备的总高度的影响。尤其，为了产生具有在方位角上比仰角上窄的射束宽度的射束，该天线典型地会从顶部到底部相对短(以在仰角上产生相对大的射束宽度)并且从一侧到另一侧相对宽(以在方位角上产生相对窄的射束)。这意味着对相应的频率和天线增益天线设备的总高度要比例如采用对称射束时短。应理解，规划条例以及美学意味着更希望相对短的天线设备。另外，对于尺寸给定的天线，可以通过提高频率达到更高的定向性(即增大增益并减小射束宽度)。在其中天线设备和前面所说明类型的网状通信系统的一个节点相关联的典型实现中，可以利用该效应补偿较高频率运行时无线传输链路上出现的增大的路径损耗。例如，如果把某个节点重新设计成在较高的频率下运行同时使天线的总尺寸保持不变，则可把该天线设计成提供更高的增益(对所述给定的尺寸)，从而可以补偿在所述较高频率下运行时所产生的增大的路径损耗。

可以把所述至少一个天线排列成使得发射的射束横截面是椭圆形的，其中主轴在仰角方位上而短轴在方位角方位上。

可以把所述至少一个天线排列成使发射射束具有方位角在2°到5°内的射束宽度。

可把所述至少一个天线排列成使发射射束具有仰角在5°到10°内的射束宽度。在其中天线设备和前面所说明类型的网状通信系统的一个节点相关联的使用天线设备的典型实现中，传输所指向的节点通常位于仰角从发送节点为几度的范围内。仰角上射束宽度的这种优选范围应足以使得能在不要求调节发送天线的仰角的情况下到达大部分或全部这样的目标节点。

最好把节点排列成在节点之间按1GHz到100GHz的频率范围进行无线传输。特别优选的频率在约24GHz到约30GHz的范围或者在约40GHz到约44GHz的范围。

依据本发明的第二方面，提供一种用于第一节点和第二节点之间的无线传输方法，该第一节点具有一个用于信号的无线传输的天线，该第二节点具有一个用于接收来自该第一节点的无线传输的天线，该方法包括步骤：从第一节点向第二节点发送其射束宽度在方位角上要比仰角上窄的电磁波束，该射束宽度在方位角上小于约9°并且该射束宽度在仰角上小于约15°。

该方法最好包括在第二节点利用天线接收其射束宽度在方位角上比仰角窄的所述电磁波束的步骤。最好该用天线接收的射束具有方位角上比仰角上窄的射束宽度，从而它本身(i)帮助减小接收来自所述第一节点之外的其它节点以及来自其它设备的无用信号，并且(ii)帮助确保即使第一节点和第二节点仰角不同也能接收来自第一节点的信号。在一些布局中这种排列还帮助在第二节点处减轻风载荷对架设天线的支承的影响。

第一节点的天线最好在方位角上是可调节的，该方法最好包括步骤：在发送电磁波束之前，在方位角上调节第一节点的天线以引导该电磁波束对着第二节点的天线。

第二节点的天线最好在方位角上是可调节的，该方法最好包括步骤：在方位角上调节第二节点的天线以引导第二节点的天线对着第一节点的天线。

发射射束最好在横截面中是椭圆的，其中主轴在仰角方位上而短轴在方位角方位上。

最好把第一节点的天线设置成使发射射束具有方位角上为2°到5°的射束宽度。

最好把第一节点的天线设置成使发射射束具有仰角为5°到10°的射束宽度。

节点之间的无线传输最好在1GHz到100GHz的频率范围内进行。

依据本发明的第三方面，提供一种用于包括多个节点的通信设备中的天线设备，其中每个节点能通过节点间的点对点无线传输链路与多个其它节点通信，该天线设备包括至少一个方位角上可调节的天线，其中该至少一个天线排列成发送其射束宽度在方位角上要比仰角上窄的电磁波束，该射束宽度在方位角上小于约9°并且该射束宽度在仰角上小于约15°。

可把所述至少一个天线排列成使得在横截面中该发射射束是椭圆形的，其主轴在仰角方位上而短轴在方位角方位上。

所述至少一个天线可排列成使发射射束具有方位角范围为2°到5°的射束宽度。

所述至少一个天线可排列成使发射射束具有仰角范围为5°到10°的射束宽度。

该设备最好配置成在1GHz到100GHz的频率范围内进行无线传输。

附图说明

现在参照各附图以例子的方式说明本发明的各实施例，附图中：

图1示出对称射束的典型辐射图；

图2A和2B示出由依据本发明的优选实施例的由天线发射的射束的典型辐射图的例子；

图3示意表示一个网状通信网络的一部分；以及

图4A和图4B示意示出一种天线例子的后视图和侧剖面图。

具体实施方式

现参照各附图，图1示意示出对称射束300的典型辐射图，射束300由此围绕其行进方向是轴对称的。如所周知，实际上射束300通常包括一个功率强度为I的中央主瓣301和没有或者有多个功率强度较小的旁瓣，所述主瓣和旁瓣由功率强度低的或大致为零的区段隔开。典型地，旁瓣的功率强度随着旁瓣对着主瓣301所成角度的增加而减小。按惯例，射束宽度303取为在发射射束300的天线处由射束300的主瓣301的半功率点304所对着的角度，点304即射束300的主瓣301的功率强度比最大功率强度I小3分贝的点。

现参照图2A和2B，依据本发明，发射射束400是不对称的，从而它在仰角上的射束宽度401大于它在方位角上的射束宽度402。换言之，如分别由图2A和2B所示那样，在发射射束400的天线处由射束400的主瓣405的半功率点403、404在仰角方位中所对着的角要大于在方位角方位中所对着的角。如前面所说明那样，这具有许多优点，尤其当用于采用大量节点间的点对点无线传输的网状通信网络的环境中时。应理解，在实际中，可能水平地或大致水平地发射射束400(即，射束方向在仰角方位上是居中的或在水平面附近，典型地约在水平面的±5°内)。

现参照图3，图中示意地示出这种通信网络501的一个例子。网络501具有多个节点A-H(图3中只示出8个)，通过节点A-H的各对之间的相应点对点数据传输链路302这些节点彼此逻辑地和物理地连接以提供一个互连节点的网格。节点A-H之间的链路502是由实质上单向(即高方向性)的无线电传输提供的，即，每个信号不是广播的而是指向某特定节点，并且沿着链路502信号能在二个方向下通过。传输频率典型地至少应为1GHz，并且例如可以为2.4GHz、4GHz、28GHz、40GHz、60GHz或者甚至200GHz。除了射频外，还可以使用别的甚至更高的频率，例如为100,000GHz(红外)数量级。

每个节点A-H具有多个用于对其它节点提供可能的点对点传输链路的天线。在一典型例子中，每个节点A-H具有四个天线，从而可以和四个或者更多其它节点连接。在图3中示意示出的例子中，互连节点A-H的网状网络501和干线503连接。本文中把其上数据通信通过干线503的点称为干线网络连接点(“TNCP”)504。TNCP 504和网状网络1之间的连接典型地通过网状网络插入点(“MIP”)505。MIP 505典型地包括一个标准节点551，后者具有和网状网络501的节点A-H相同的物理结构并且通过一条馈送链路553与一个专用适配节点552连接。该专用适配节点552通过适当的(无线电)链路554向TNCP 504提供高数据传送速率连接，而TNCP 504也具有适当的装置以按该高数据传送速率发送和接收。

通过提供方位角上射束宽度窄的射束，可以提高通信网络501的频谱效率。这是因为，在典型实现中，可能在多个不同的空间位置处使用相同的频率，而这种相同频率的再次使用可以导致来自其它节点的不希望信号对某节点处的有用信号的干扰，该不希望的干扰包含大量干扰性传输，例如由其它采用相同频率的其他无线传输造成的同信道干扰，以及由采用相邻频率的无线传输造成的相邻信道干扰。通过在前面所说明的网状系统中使用不对称取向天线，可以降低共信道干扰和相邻信道干扰的集合水平，这允许在给定的干扰水平下对频率的更多再使用和/或降低干扰的绝对水平和/或减少服务一组用户所需的频谱量。通常，频谱效率按方位角上射束宽度的平方下降。另外，当传输所指向的节点和正在发送传输的节点仰角不同时，使射束宽度在仰角上相对宽(即高射束)意味着很可能在不必于仰角上调节发射天线的情况下该射束到达目标节点。换言之，尽管实践中希望或甚至必须使发送节点的天线在方位角上是可调节的，但不对称射束使得发送节点的天线不太可能必须在仰角上是可调节的。应理解，如果希望或者必须使发送节点的天线在方位角上是可调节的，则可机械地或电子地或者使用二者调节所述天线，可能把机械调节用于粗调节，并在天线大致对准正确方向时把电子调节用于精调节。类似的考虑可应用到接收节点的天线上。

不对称射束的另一个优点是它可以减小天线上的风载荷的影响，实际中在户外安装天线设备的情况下这是重要的。例如，对于安装在杆等上的天线，风载荷的影响通常会弯曲该杆以使天线支承从水平面倾斜。天线的这种运动可能导致仰角平面中的明显不对准，但同时在方位角平面不产生或很少产生不对准。使仰角上射束宽度较大意味着天线设备对风载荷的不对准效应不那么灵敏。

不对称射束的再一个优点是它对天线设备的总高度的影响。尤其，为了产生射束宽度在方位角上比仰角上窄的射束，该天线典型地从顶部到底部相对短(以在仰角上产生相对大的射束宽度)并且从一侧到另一侧相对宽(以产生方位角上相对窄的射束)。这意味着在相应的频率和天线增益条件下天线设备的总高度要比例如采用对称射束时短。应理解，规划条例以及美学意味着更希望相对短的天线设备。用于该天线的支承结构在我们的共同未决国际专利申请(代理机构案卷号P8196WO)中公开。

另外，对于尺寸给定的天线，可以通过提高频率达到更高的增益和方向性(即，减小的射束宽度)。在天线设备和前面所说明的网状通信系统的一个节点相关联的典型实现中，可以利用该效应补偿在较高频率下运行时无线传输链路上出现的增大的路径损耗。例如，如果把某个节点重新设计成在较高的频率下运行同时保持天线的总尺寸不变，则可把该天线设计成提供较高的增益(对所述给定的尺寸)，从而可以补偿在所述较高频率下运行时所产生的增大的路径损耗。

最好把接收节点处的天线以及发送节点处的天线设置成使其射束宽度在仰角上比在方位角上更宽，因为在大多数实际实现中，这会使可得到的好处为最大。

在上面所说明的网状通信系统中，典型地把节点设置成在节点之间以范围为1GHz到100GHz的频率进行无线传输。在约24GHz到约30GHz范围或约40GHz到约44GHz范围的频率尤佳。对于约24GHz到约30GHz的频率范围，最好具有方位角在5°到7°的射束宽度以及仰角在7°到12°的射束宽度。对于约40GHz到约44GHz的频率范围，最好具有方位角在约3.5°到5°的射束宽度以及仰角在6.5°到9.5°的射束宽度。通常，当提高频率时，减小方位角以及仰角上的射束宽度。

现参照图4A和4B，其中示出称为扭曲反射器天线的优选天线。如示出TEM波的传播方向的箭头所示，线性偏振喇叭天线200照射偏振敏感平板子反射器201。通过该子反射器201，能量反射到抛物线形波纹状主反射器202上。该主反射器202构形成在反射中按90°扭曲射束的偏振。借助该偏振的扭曲，当能量再次冲击该平板子反射器201时，能量穿透进入远场。应注意，主反射器202构形成建立影响反射上的偏振扭曲的精确相移，该相移是与频率相关的。类似地，通常把子反射器201的厚度选择成抵消来自其最内部和最外部表面的反射，这同样也是一种和频率相关的效应。

上面简单说明的基本天线在WO-A-98/49750中更全面地说明，其整个内容收录作为参考。但是，由于根据前面的说明，天线20发射的射束最好是不对称的并且尤其在方位角上宽度窄于仰角，因此在该优选实施例中，主反射器202和对应的子反射器201是椭圆形的并且它们的短轴是垂直的。

通过具体地参照所示出的各例说明了本发明的一个实施例。但是，应理解，可以在本发明的范围内对所说明的例子作出各种改变和修改。

Claims (18)

1.一种通信设备，该设备包括：

多个节点，每个节点能通过各节点间的点对点无线传输链路与多个其它节点通信；

至少一个节点包括至少一个在方位角上可调节的天线，其中该至少一个天线被配置成发送其方位角上的射束宽度要比仰角上的射束宽度窄的电磁射束，该射束宽度在方位角上小于约9°并且该射束宽度在仰角上小于约15°。

2.依据权利要求1的设备，其中所述至少一个天线被配置成使发射射束在横截面上是椭圆形的，并且主轴在方位角方位上而短轴在仰角方位上。

3.依据权利要求1或2的设备，其中所述至少一个天线被配置成使发射射束具有方位角在2°到5°的射束宽度。

4.依据权利要求1至3中任一权利要求的设备，其中所述至少一个天线被配置成使发射射束具有仰角在5°到10°的射束宽度。

5.依据权利要求1至4中任一权利要求的设备，其中把各节点设置成在1GHz到100GHz的频率范围中进行各节点间的无线传输。

6.一种用于在第一节点和第二节点之间进行无线传输的方法，其中该第一节点具有一个用于信号的无线传输的天线，该第二节点具有一个用于接收来自该第一节点的无线传输的天线，该方法包括步骤：

从该第一节点向该第二节点发送其射束宽度在方位角上要比仰角上窄的电磁波束，该射束宽度在方位角上小于约9°并且该射束宽度在仰角上小于约15°。

7.依据权利要求6的方法，包括在第二节点利用天线接收其射束宽度在方位角上比仰角窄的所述电磁波束的步骤。

8.依据权利要求6或7的方法，其中第一节点的天线在方位角上是可调节的，该方法包括在发送电磁波束之前于方位角上调节第一节点的天线以引导该电磁波束对着第二节点的天线的步骤。

9.依据权利要求6至8中任一权利要求的方法，其中第二节点的天线在方位角上是可调节的，该方法包括在方位角上调节第二节点的天线以引导该第二节点的天线对着第一节点的天线的步骤。

10.依据权利要求6至9中任一权利要求的方法，其中该发射射束在横截面上是椭圆形的，并且主轴在仰角方位上而短轴在方位角方位上。

11.依据权利要求6至10中任一权利要求的方法，其中把第一节点的天线设置成使发射射束具有方位角在2°到5°的射束宽度。

12.依据权利要求6至11中任一权利要求的方法，其中把第一节点的天线设置成使发射射束具有仰角在5°到10°的射束宽度。

13.依据权利要求6至12中任一权利要求的方法，其中在1GHz到100GHz的频率范围中进行各节点间的无线传输。

14.一种在包括多个节点的通信设备中使用的天线设备，其中每个节点能通过该各节点间的点对点无线传输链路和多个其它节点通信，该天线设备包括至少一个方位角上可调节的天线，其中该至少一个天线被设置成发送射束宽度在方位角上要比仰角上窄的电磁波束，该射束宽度在方位角上小于约9°，并且该射束宽度在仰角上小于约15°。

15.依据权利要求14的设备，其中所述至少一个天线被设置成使该发射射束在横截面上是椭圆形的并且主轴在仰角方位上而短轴在方位角方位上。

16.依据权利要求14或15的设备，其中把所述至少一个天线设置成使发射射束具有方位角在2°到5°的射束宽度。

17.依据权利要求14至16中任一权利要求的设备，其中把所述至少一个天线设置成使发射射束具有仰角在5°到10°的射束宽度。

18.依据权利要求14至17中任一权利要求的设备，其中把该设备设置成在1GHz到100GHz的频率范围中进行无线传输。

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