本申請為2014年2月21日遞交、題為“用于聚焦數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ê驮O(shè)備”的中國專利申請201480010232.3的分案申請。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2013年2月22日提交的美國臨時專利申請no.61/768,004的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用的方式結(jié)合于此。

本申請一般涉及數(shù)據(jù)通信。

背景技術(shù)：

隨著世界越來越依賴從移動設(shè)備接入數(shù)據(jù)，向請求數(shù)據(jù)服務(wù)的客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)的需求日益增加。蜂窩系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(gps)和無線通信系統(tǒng)(例如ieee802系統(tǒng))面臨關(guān)于例如帶寬、范圍和容量的限制。對此的一些解決方案是添加基礎(chǔ)設(shè)施和/或使用指向范圍技術(shù)。但是這些方法會是昂貴且低效的。

因此，期待用于聚焦(focus)數(shù)據(jù)通信的方法和設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開了用于聚焦通信的方法和設(shè)備。該方法包括與至少一個客戶端設(shè)備通信的基站發(fā)射機(jī)陣列(basetransmitterarray)。所述基站發(fā)射機(jī)陣列向所述客戶端設(shè)備提供聚焦數(shù)據(jù)通信。

在進(jìn)一步回顧以下說明書和附圖后本發(fā)明的這些和其他特征將變得更清楚。

附圖說明

圖1是包括客戶端設(shè)備和基站發(fā)射機(jī)陣列的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的示例系統(tǒng)圖；

圖2是包括多個客戶端設(shè)備的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的另一示例系統(tǒng)圖；

圖3是包括移動客戶端設(shè)備的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的另一示例系統(tǒng)圖；

圖4是提供聚焦數(shù)據(jù)通信的示例方法的流程圖；

圖5是根據(jù)實(shí)施方式的天線元件處理器的示例功能框圖；

圖6是根據(jù)實(shí)施方式的陣列控制器的示例功能框圖；

圖7是根據(jù)實(shí)施方式的客戶端設(shè)備的示例功能框圖；

圖8a-8f是在檢測新客戶端設(shè)備期間聚焦數(shù)據(jù)通信基站發(fā)射機(jī)陣列的示例系統(tǒng)圖；

圖9示出了聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的示例陣列覆蓋；以及

圖10a-10c是聚焦通信系統(tǒng)的方向和位置實(shí)施方式的示例圖。

相似的附圖標(biāo)記表示附圖中一致的相應(yīng)特征。

具體實(shí)施方式

圖1是包括客戶端設(shè)備110和基站發(fā)射機(jī)陣列120的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)100的示例系統(tǒng)圖?；景l(fā)射機(jī)陣列120包括多個天線121。應(yīng)當(dāng)注意到，雖然在示例基站發(fā)射機(jī)陣列120中示出了19根天線121，但是可以使用任意數(shù)量的天線?？蛻舳?10(表示為c1)與基站發(fā)射機(jī)陣列120的天線121進(jìn)行無線通信。每個天線121在不同的時間偏移從客戶端設(shè)備110接收通信并以與從客戶端設(shè)備110接收的傳輸時間偏移相反的順序使用該時間偏移向客戶端設(shè)備110傳送數(shù)據(jù)，由此當(dāng)來自每個天線121的數(shù)據(jù)傳輸信號在客戶端設(shè)備110被求和時，清楚的信號被接收。例如，每個天線121的路徑長度可以是p(n)。然后該路徑的時間可以通過等式給出：

t(n)＝p(n)/c，等式(1)其中c＝光速。

為了使來自每個天線元件121的數(shù)據(jù)傳輸信號同時到達(dá)客戶端設(shè)備110，每個通信元件121在以下時間開始其傳輸：

時間＝max(t(n))-t(n)，等式(2)

圖2是包括多個客戶端設(shè)備110的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)200的另一示例系統(tǒng)圖。在系統(tǒng)200中，每個客戶端設(shè)備110(表示為c1、c2、和c3)與基站發(fā)射機(jī)120的每個天線元件121進(jìn)行無線通信。在該情況中，在基站發(fā)射機(jī)120與每個客戶端設(shè)備110之間產(chǎn)生多個通信鏈路。

由于到客戶端c1、c2和c3的每個信號是分開的，因此客戶端設(shè)備110可以共享相同的頻率或信道，由此使得每個頻帶或通信信道的利用增加。此外，每個客戶端設(shè)備110的信號應(yīng)當(dāng)?shù)陀谟?jì)劃到另一客戶端設(shè)備110的信號的噪聲水平或比該噪聲水平低得多。例如，沒有計(jì)劃到c1的信號相互抵消，導(dǎo)致在客戶端設(shè)備c1處的計(jì)劃到c1的信號的清楚傳輸。

為了在相同的頻率上傳送同時的信號到多個客戶端110，每個天線元件121使用從每個客戶端110接收的相對于基站發(fā)射機(jī)陣列120中的每個其他天線元件121的時間偏移。因此，每個天線元件121然后對已編碼的信號求和并向該客戶端110傳送所有客戶端110信號的并列總和，導(dǎo)致該預(yù)期的客戶端110可以清楚接收并解碼的空間分開隔離的數(shù)據(jù)通信信號。例如，在預(yù)期的聚焦位置，信號(每個信號具有強(qiáng)度“s”)線性相加，導(dǎo)致客戶端設(shè)備110的天線線性增加，由此總的信號是s的n倍。但是，在未預(yù)期的聚焦位置，信號在偶然的時候被接收且沒有粘結(jié)(cohesive)相位，導(dǎo)致信號的強(qiáng)度是(s0+s1+s2+s3+s4+s5+s6+…+sn)/n，這比預(yù)期的聚焦信號弱得多。

此外，由于相同或單個頻率可以被共享并被用于從基站發(fā)射機(jī)陣列120向多個客戶端110傳送數(shù)據(jù)，因此可能擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(例如100、200和300)的容量。例如，通過使用多個頻率，其中客戶端設(shè)備110群組共享第一頻率，客戶端設(shè)備110群組共享第二頻率等，基站發(fā)射機(jī)陣列120可以提供服務(wù)給更多地客戶端設(shè)備110。

圖3是包括被表示為c2的移動客戶端設(shè)備110的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)300的另一示例系統(tǒng)圖。在該情況中，客戶端設(shè)備c2沿著箭頭方向從第一位置(pos1)移動到第二位置(pos2)，同時保持與基站發(fā)射機(jī)陣列120的天線元件121的每個的無線通信。在每個信號接收期間每個天線元件121被重新校準(zhǔn)以考慮從客戶端設(shè)備c2接收的時間偏移的變化。

圖4是提供聚焦數(shù)據(jù)通信的示例方法400的流程圖。處于示例的目的，方法400可以被應(yīng)用到上述系統(tǒng)100、200和300的任意以及任意其他數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在步驟410中，基站發(fā)射機(jī)陣列120從至少一個客戶端設(shè)備110接收已編碼信號。例如，在圖1中示出的系統(tǒng)中，基站發(fā)射機(jī)陣列120從客戶端設(shè)備c1接收通信信號。在圖2中，基站發(fā)射機(jī)陣列120從客戶端設(shè)備c1、c2、和c3接收多個通信信號。在圖3中，基站發(fā)射機(jī)陣列120被示出為從客戶端設(shè)備c2接收通信信號。

基站發(fā)射機(jī)陣列120的每個天線元件121使用不同于每個其他天線元件121的時間偏移從至少一個客戶端設(shè)備110接收數(shù)據(jù)通信。例如，再參考圖1，天線元件1211使用不同于天線元件121n的時間偏移從客戶端設(shè)備c1接收該數(shù)據(jù)通信。因此，基站發(fā)射機(jī)120的每個天線元件121確定相對于每個其他天線元件121的來自至少一個客戶端設(shè)備110的輸入時間偏移(步驟420)。

可以通過對天線元件121的天線的總數(shù)求和來執(zhí)行偏移確定。以這種方式，每個天線元件121將其自己與一致量(consensus)進(jìn)行比較，且當(dāng)該天線偏移該一致量時，其開始使用新偏移回到該一致量，該天線通過相對該一致量測試其輸出來發(fā)現(xiàn)該新偏移，或通過相對沒有修改的一致量測試其修改的時間偏移一致量并選擇是保持該修改還是保持原來的一致量來發(fā)現(xiàn)該新偏移。這可以通過客戶端設(shè)備110是否在運(yùn)轉(zhuǎn)中(inmotion)的天線元件121來執(zhí)行。

一旦計(jì)算了該時間偏移，基站發(fā)射機(jī)120的每個天線元件121基于每個客戶端設(shè)備110的時間偏移而被調(diào)諧(步驟430)。例如，每個天線元件121可以以從客戶端設(shè)備110接收的時間偏移的相反順序?qū)Φ娇蛻舳嗽O(shè)備110的其傳輸信號進(jìn)行時間偏移。

在步驟440中，基站發(fā)射機(jī)120的每個天線元件121基于在該天線元件處確定的時間偏移向至少一個客戶端設(shè)備110傳送數(shù)據(jù)。

由于客戶端設(shè)備110可以在運(yùn)轉(zhuǎn)中，確定至少一個客戶端設(shè)備110是否已經(jīng)移動(步驟450)。例如，在圖3中，客戶端c2被示出的正從pos1移動到pos2。在該情況中，每個天線元件121被重新校準(zhǔn)并重新調(diào)諧(步驟460)以考慮該客戶端設(shè)備110的移動。這可以通過比較每個天線元件的時移信號與綜合(consolidate)信號，由此如果時移信號與該綜合信號不同步，則其被調(diào)節(jié)以匹配該綜合信號，并被傳達(dá)到每個天線元件121以更新關(guān)于該客戶端設(shè)備110的表項(xiàng)。

圖5是根據(jù)實(shí)施方式的天線元件處理器500的示例功能框圖。天線元件處理器500包括多個客戶端載波組件510、多個消息編碼組件520、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)530、求和器540、進(jìn)入的(incoming)信號模擬到數(shù)字(a/d)編碼器550、相位和時間檢測組件560、發(fā)送/接收復(fù)用器/解復(fù)用器(mux/demux)570、以及天線580。用于每個客戶端設(shè)備110的客戶端信息(例如，客戶端id、相位位置、和時間偏移)被存儲在天線元件處理器500使用的表590中。

數(shù)據(jù)在輸入線上進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)530，而載波和時間同步信號被輸入到客戶端載波組件510和相位和時間檢測組件560。載波信息可以是所有天線元件121共享的公共信號載波信息，例如用于鎖定任意期望信道的頻率的鎖相環(huán)(pll)使用的較低頻率。時間同步信號可以是允許事件分辨率達(dá)亞波級(sub-wavelevel)的時鐘(例如，針對2.4ghz信號10ns或針對900mhz信號4ns)。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)530輸出消息信號到消息編碼組件520，其還從各自的客戶端載波組件510接收輸入。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)530還提供客戶端信息表590信息給客戶端載波組件510和消息編碼組件520。求和器540從消息編碼組件520接收信號連同用于每個客戶端設(shè)備110的合適的時間偏移，并輸出出去的信號(outgoingsignal)到復(fù)用器/解復(fù)用器570以用于天線580進(jìn)行傳輸。如果求和器540接收的輸入是數(shù)字信號，則求和器可以是數(shù)字信號加法器并將求和轉(zhuǎn)換成模擬量，但如果到求和器540的輸入是模擬信號，則求和器540執(zhí)行模擬域的求和。

復(fù)用器/解復(fù)用器570還從天線580接收進(jìn)入的傳輸并將該進(jìn)入的信號(沒有(sans)出去的信號)轉(zhuǎn)發(fā)到進(jìn)入的信號a/d編碼器550和相位和時間檢測組件560。復(fù)用器/解復(fù)用器570可以用于操作以允許多個客戶端設(shè)備110向天線元件121進(jìn)行傳送，同時從天線元件121向其他客戶端設(shè)備110傳送數(shù)據(jù)。

進(jìn)入的信號a/d編碼器550輸出數(shù)字信號到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)530，且相位和時間檢測組件輸出信號到進(jìn)入的信號a/d編碼器550。相位和時間檢測組件560可以例如使用來自客戶端設(shè)備110的已編碼信標(biāo)信號來檢測或確立新的客戶端設(shè)備110。

圖6是根據(jù)實(shí)施方式的陣列控制器600的示例功能框圖。陣列控制器600可以用于協(xié)調(diào)所有天線元件121的功能。陣列控制器600包括多個概念組件610、數(shù)字到數(shù)字信號解碼器(d/d)620、系統(tǒng)時鐘630、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)640、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)650、以及多個連接器660。

在操作中，當(dāng)每個天線元件121已經(jīng)確立了發(fā)出信號必需的其相位和時間偏移時，用于傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)分組被貼有客戶端標(biāo)識由此其可以使用合適的相位和時間偏移被編碼。

陣列控制器600針對特定客戶端設(shè)備110在概念組件610中從客戶端設(shè)備110接收信號。該信號可以經(jīng)由每個天線元件處理器500的a/d編碼器550間接被接收。來自每個天線元件121的信號然后可以使用用于傳送的客戶端設(shè)備110時間偏移的“相反定時(reversetiming)”被添加到來自所有其他天線元件121的信號。該相反定時可以根據(jù)以下等式來計(jì)算：相反定時＝(最大客戶端時間偏移(maxclienttimeoffset))-客戶端時間偏移(clienttimeoffset)，等式(3)其中，相反定時有效地是0與每個客戶端的客戶端時間偏移之間的數(shù)，且最大時間偏移是接收信號的最早的天線元件121與接收相同信號的最晚的天線元件121的時間差。

由于每個客戶端設(shè)備110在某些時間是靜默的，在信號之間會有一點(diǎn)串音且數(shù)據(jù)線可能靜默。在多于一個客戶端設(shè)備110針對大多部分在相同位置的情況中(例如，“熱點(diǎn)”)，如果時間偏移彼此如此相似以致信號被疊加接收，可能難以區(qū)分一個客戶端設(shè)備110與另一個。在這些情況中，可以使用時分多址(tdma)和/或碼分多址(cdma)傳輸技術(shù)?？蛻舳嗽O(shè)備110還可以去激活沖突檢測機(jī)制以向基站發(fā)射機(jī)120進(jìn)行傳送而不用等待其他客戶端設(shè)備110停止其傳輸，以實(shí)現(xiàn)與每個客戶端設(shè)備110的全雙向帶寬能力。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)640從外部中央網(wǎng)絡(luò)從厚數(shù)據(jù)管道(thickdatapipe)接收數(shù)據(jù)(例如來往客戶端設(shè)備110的數(shù)據(jù)分組)并在每個概念組件610來回通信數(shù)據(jù)，該概念組件610包括消息解碼器611、求和器612和多個時間移位器613。數(shù)據(jù)經(jīng)由d/d620、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)650和用于各自天線元件121的連接器660從概念組件610進(jìn)入到天線元件121。此外，系統(tǒng)時鐘630提供用于每個天線元件121的載波和時間同步信號。到客戶端的出去的數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)640提供給數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)650。

圖7是根據(jù)實(shí)施方式的示例客戶端設(shè)備110的示例功能框圖?？蛻舳嗽O(shè)備110包括處理器115、與處理器115通信的發(fā)射機(jī)116、與處理器115通信的接收機(jī)117、與發(fā)射機(jī)116和接收機(jī)117通信的天線118、以及與處理器115通信以促進(jìn)無線傳輸和接收的存儲器119。處理器115可以被配置成處理用于傳輸給基站發(fā)射機(jī)陣列120和從其接收的數(shù)據(jù)通信。

圖8a-8f是在檢測新客戶端設(shè)備110期間聚焦數(shù)據(jù)通信基站發(fā)射機(jī)陣列820的示例系統(tǒng)圖。處于示例的目的，基站發(fā)射機(jī)陣列820基本與基站發(fā)射機(jī)陣列120相似，且雖然示出了19個天線元件821，但應(yīng)當(dāng)理解可以使用更多或更少的天線元件。此外，應(yīng)當(dāng)注意天線元件821基本與天線元件121相似。

當(dāng)基站發(fā)射機(jī)陣列821操作時，其可以在其服務(wù)域內(nèi)檢測新客戶端并確立用于通信的時間偏移。當(dāng)客戶端設(shè)備110被上電時，其嘗試與基站發(fā)射機(jī)陣列820通信。因此，基站發(fā)射機(jī)陣列820可以將特定天線元件821調(diào)諧到特定方向。例如，在圖8a中，天線元件9、11和12被調(diào)諧到第一方向。在圖8b中，天線元件5、15和19被調(diào)諧到第二方向。在圖8c中，天線元件6、14和17被調(diào)諧到第三方向。在圖8d中，天線元件8、9和11被調(diào)諧到第四方向。在圖8e中，天線元件1、5和15被調(diào)諧到第五方向。在圖8f中，天線元件3、6和14被調(diào)諧到第六方向。調(diào)諧可以以軟件方式實(shí)現(xiàn)，例如通過專用電路，例如上述的概念組件610來實(shí)現(xiàn)。

在圖8a-8f所示的布局中，基站發(fā)射機(jī)陣列820的每個接收葉(lobe)可以具有75度的寬度，允許該陣列周圍的重疊和全覆蓋。但是，應(yīng)當(dāng)注意360度的任意子分區(qū)可以用于形成構(gòu)成調(diào)諧方向集的接收葉。

圖9示出了根據(jù)圖8a-8f中的天線元件821調(diào)諧的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)900的示例陣列覆蓋?；景l(fā)射機(jī)陣列920與基站發(fā)射機(jī)陣列120和820基本相似，包括覆蓋區(qū)域930。多個覆蓋葉940包括多個重疊區(qū)域941。因此，覆蓋區(qū)域930內(nèi)的新客戶端設(shè)備110被基站發(fā)射機(jī)陣列920檢測。

由于方向葉正監(jiān)視還不知道的新客戶端設(shè)備110，一旦檢測到新客戶端設(shè)備110，可以給其余的天線元件821提供信息以快速調(diào)整其各自的時間和相位偏移由此新檢測到的客戶端設(shè)備110接收其聚焦空間指向的數(shù)據(jù)信號。

由于所述信號被高度聚焦，客戶端設(shè)備110的電池壽命可以增加，因?yàn)榭蛻舳嗽O(shè)備110可以使用更少的功率來與基站發(fā)射機(jī)陣列120/420/820/920通信。此外，覆蓋區(qū)域930可以大于針對相同功率的常規(guī)通信系統(tǒng)，因?yàn)榫劢沟男盘柨梢詡鞑ジh(yuǎn)，而且因?yàn)殛嚵心軌蛘{(diào)諧到特定客戶端設(shè)備110，而不是在多個方向發(fā)出信號功率。

圖10a-10c是聚焦通信系統(tǒng)1000的方向性和位置實(shí)施方式的示例圖。例如，在圖10a中，該系統(tǒng)包括基站發(fā)射機(jī)陣列1020，其基本與基站發(fā)射機(jī)陣列120、420、820和920相似。由于常規(guī)數(shù)據(jù)通信陣列包括總體向下指向的天線，因此僅在地面級g的客戶端設(shè)備110可以體驗(yàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)通信。因此，在高建筑物b的頂層的位置t的客戶端設(shè)備110或在飛機(jī)a上的客戶端設(shè)備110可能不可接收質(zhì)量數(shù)據(jù)通信。

通過使用聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，例如使用基站發(fā)射機(jī)1020(示出在常規(guī)蜂窩塔上)，高質(zhì)量信號可以被提供給在位置g、b或a的客戶端設(shè)備110。

圖10b和10c描述了在可以用于基于位置的服務(wù)(類似于gps或?qū)Ш椒?wù))的實(shí)施方式中的聚焦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1000。在圖10b和10c中示出的示例中，在位置l的客戶端設(shè)備110(示出為在建筑物b的附近)可以使用基站發(fā)射機(jī)陣列1020被定位。通過分析在基站發(fā)射機(jī)陣列1020的每個天線元件(未示出)的時間偏移，能夠確定相對于基站發(fā)射機(jī)陣列1020的高度h的位置l的仰角(angleofaltitude)。類似地，方位角(azimuthangle)θ能夠通過知道相對于關(guān)于基站發(fā)射機(jī)陣列1020的北方的位置l的方向來確定。此外，由于距離d可以通過基站發(fā)射機(jī)陣列1020的配置來確定，因此位置服務(wù)可以被提供給在位置l的客戶端設(shè)備110。有效地，通過檢查在基站發(fā)射機(jī)陣列1020的時間延遲，可以確定客戶端的方向。但是，由于基站發(fā)射機(jī)陣列1020具有體積尺寸，因此可以從體積的邊緣追蹤多個確定的方向以確定它們覆蓋在哪，這可以提供實(shí)際位置(位置+距離)。

上述的方法和設(shè)備可以在物理通信層堆棧操作。但是，應(yīng)當(dāng)注意任意堆棧可以用于執(zhí)行上述的方法和設(shè)備的任意所需的功能。

可以理解本發(fā)明不限于上述的實(shí)施方式，但是包含權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的任意和所有實(shí)施方式。例如，上述的客戶端設(shè)備可以涉及蜂窩電話、pda或可以用于數(shù)據(jù)通信的任意其他無線設(shè)備。此外，例如基站發(fā)射機(jī)陣列的尺寸可以在(客戶端數(shù)量)^2.5的量級，但是可以使用任意尺寸。此外，雖然處于示例的目的客戶端設(shè)備110示出為具有僅單個天線，應(yīng)當(dāng)注意客戶端設(shè)備可以包括多于一個的天線。

此外，應(yīng)當(dāng)注意基站發(fā)射機(jī)陣列可以是以三維(3d)排列配置的大組天線，其中每個天線能夠傳送一個或多個數(shù)據(jù)編碼信號，由此傳送的信號是要被傳送的已編碼信號的和。如上所述，每個信號可以被添加特定時間偏移，其針對每個天線元件而不同。用于排列基站發(fā)射機(jī)陣列的天線元件的一個示例排列是使用3d準(zhǔn)晶體(quasi-crystal)排列的示例。

此外，雖然以特定的組合在示例實(shí)施方式中描述了本申請的特征和元素，但是每個特征或元素可以被單獨(dú)使用(無需示例實(shí)施方式的其他特征和元素)或以與(或無需)本申請的其他特征或元素的各種組合的形式。