CN102006592A - 一种引导智能天线的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种引导智能天线的方法，包括：终端接入无线局域网鉴别与保密基础结构(WAPI)接入点，从所述WAPI接入点获取一位置信息；终端将所述位置信息直接发送给基站，基站根据所述位置信息得到终端位置信息；或者终端根据所述位置信息得到终端位置信息后，发送终端位置信息至基站；基站使用所述终端位置信息引导智能天线。本发明还提供了一种引导智能天线的系统。本发明所述方法和系统，采用WAPI功能对终端进行定位，实现简单，且启动时间很短。

Description

一种引导智能天线的方法和系统
技术领域
本发明涉及移动通信系统，尤其涉及一种引导智能天线的方法和系统。
背景技术
为了解决无线局域网WLAN国际标准ISO/IEC8802-11中定义的WEP安全机制存在的安全漏洞，我国颁布了无线局域网国家标准，采用无线局域网鉴别与保密基础结构(WLAN Authentication and Privacy Infrastructure，WAPI)安全机制解决无线局域网的安全问题。
WAPI安全机制主要包括无线局域网鉴别基础结构(WLANAuthentication Infrastructure，WAI)和无线局域网保密基础结构(WLANPrivacy Infrastructure，WPI)两部分，其中WAI提供安全策略协商、用户身份鉴别、密钥协商、接入控制等功能。WAPI证书鉴别协议采用公钥密码技术，通过鉴别服务实体(Authentication Service Entity，ASE)，完成鉴别请求者实体(Authentication Supplicant Entity，ASUE)和鉴别器实体(Authenticator Entity，AE)的对等双向鉴别，保障合法用户访问合法网络，同时为密钥管理协议提供共享的基密钥(Base Key，BK)，从而实现数据通信会话可用密钥的协商与分发。
在移动通信系统中，许多基站配备的收发信机通常被连接到提供覆盖区域或“小区”的天线装置。天线装置常见的形式包含三个天线，每个天线在120度的角度上辐射能量以提供小区所需的全方位的覆盖范围。如图1所示，为目前常规的蜂窝通信系统的一个小区的示意图。包括基站17，以及与其相连的三根天线组11/12/13，分别对应三个扇区，另外还有相应的移动终端(UE)。其中的三根天线组一般被用来提供每个小区所需的360度的覆盖区域，图1中的天线ANT11负责提供阴影区的120度的信号覆盖，其中的用户UE14/15/16只与此天线进行连接通信。此系统的缺点是容量比较有限，不能根据实际的用户量及位置改善系统的性能。
为了提高系统性能和容量，现在新型的通信系统开始使用智能天线阵列。智能天线是天线元件的阵列，每个天线元件都接收要以预定的相移被发出的信号。阵列的净效应在于将发射或接收波束引导到预定方向上，通过控制激发天线阵列元件的信号的相位关系可以将波束转向。因此，与每根常规天线对预定覆盖区域内的所有用户辐射能量相对比，智能天线则把波束引入每个单独用户或者多个用户。智能天线通过减少波束宽度并从而减少干扰而提高系统容量。随着干扰的减少，信扰比和信噪比的增加结果可得到改进的性能和容量。在功率控制系统中，由于性能要求基本不变，所以可以有效降低发射功率。如图2所示，智能天线是天线元件20-25的阵列，阵列的静效应是把发送或接收波束引导到预定方向(利于UE所在方向)。每个波束都可以通过控制被用于激励阵列的元件的信号的相位关系来控制。因此，与每根常规天线对预定覆盖区域内的所有用户辐射能量相比，智能天线可以把波束引导到每个单独的用户UE，例如图中分别由单独的波束对应用户UE26-29。智能天线通过减少波束宽度可以减少干扰，从而可以提高系统容量和性能。
虽然智能天线能有效改善容量和性能，然而与使用智能天线相关的一个问题是，对给定波束将被导向的用户进行定位。在反向链路中，通过三角测量或其他适用的技术使用由用户发出的能量的到达角来计算用户的位置。但是，当前用于计算到达角信息的技术是计算密集型的。另外，该系统适用于通过直线从用户接收能量的环境。而在城市环境中，由于信号通常被大楼或其他建筑物反射或作为多径波速被接收，因此这样的条件通常不成立。
因此，在这种新型的移动通信系统中仍需要一种提高系统容量的装置和方法。更进一步地，在使用智能天线的蜂窝电话通信系统中，需要有一种更好的方法或装置确定系统中将被导向的用户的位置。
现有技术中，专利申请号为01818901.6的中国专利申请“用定位来引导窄波束天线的方法和装置”，此专利主要是采用接收全球定位系统GPS信号的方法确定系统中用户的位置。该专利的缺点是：GPS装置的启动时间比较长，特别是冷启动，至少需要40s时间，这限制了该项技术的有效应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种引导智能天线的方法和系统，实现简单且能有效对用户进行定位，从而引导智能天线。
为了解决上述问题，本发明提供了一种引导智能天线的方法，包括：
终端接入无线局域网鉴别与保密基础结构(WAPI)接入点，从所述WAPI接入点获取一位置信息；
终端将所述位置信息直接发送给基站，基站根据所述位置信息得到终端位置信息；或者终端根据所述位置信息得到终端位置信息后，发送终端位置信息至基站；
基站使用所述终端位置信息引导智能天线。
进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述位置信息为WAPI接入点位置信息；基站根据所述位置信息确定终端位置信息是指：基站将所述WAPI接入点位置信息作为所述终端的位置信息；或者，所述终端还获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，将所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息一起发送给所述基站，所述基站根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定终端位置信息。
进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述位置信息为WAPI接入点位置信息；终端根据所述位置信息确定终端位置信息是指：所述终端还获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定所述终端位置信息。
进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述位置信息为终端位置信息，所述终端从所述WAPI接入点获取一位置信息具体包括：所述WAPI接入点获取其与所述终端间的信号强度信息，根据WAPI接入点位置信息和所述信号强度信息确定终端位置信息后发送给所述终端。
进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述终端接入所述WAPI接入点时，与所述WAPI接入点之间执行证书鉴别过程，鉴别成功时，生成一组基密钥；
所述终端从所述WAPI接入点获取所述位置信息具体包括：
所述WAPI接入点使用所述基密钥将所述位置信息进行加密后发送给所述终端，所述终端使用所述基密钥进行解密，得到所述位置信息。
本发明还提供一种引导智能天线的系统，包括终端、WAPI接入点和基站，其中：
所述终端，用于接入WAPI接入点，从所述WAPI接入点获取一位置信息；还用于将所述位置信息直接发送给基站，或者根据所述位置信息得到终端位置信息，发送终端位置信息至基站；
所述WAPI接入点，用于将所述位置信息发送给所述终端；
所述基站，用于根据所述位置信息得到终端位置信息，使用所述终端位置信息引导智能天线；或者，用于直接从所述终端接收所述终端位置信息，使用所述终端位置信息引导智能天线。
进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述WAPI接入点，用于将WAPI接入点位置信息作为所述位置信息发送给终端；
所述终端，还用于获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，将所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息一起发送给所述基站；
所述基站，用于将所述WAPI接入点位置信息作为所述终端的位置信息；或者，根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定终端位置信息。
进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述WAPI接入点，用于将WAPI接入点位置信息作为所述位置信息发送给终端；
所述终端，还用于获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定所述终端位置信息。
进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述WAPI接入点，用于获取其与所述终端间的信号强度信息，根据WAPI接入点位置信息和所述信号强度信息确定终端位置信息，将所述终端位置信息作为所述位置信息发送给所述终端；
所述终端，用于从所述WAPI接入点获取终端位置信息。
进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述终端，还用于接入所述WAPI接入点时，与所述WAPI接入点之间执行证书鉴别过程，鉴别成功时，生成一组基密钥；还用于从所述WAPI接入点接收使用所述基密钥加密的位置信息，使用所述基密钥进行解密，得到所述位置信息；
所述WAPI接入点，用于和所述终端之间执行证书鉴别过程，鉴别成功时，生成一组基密钥，使用所述基密钥将所述位置信息进行加密后发送给所述终端。
本发明采用WAPI功能进行定位，实现简单，且启动时间很短。另外WAPI的鉴别能力也是本发明的一个优势，可以保证数据的安全性，防止利用错误的位置信息恶意干扰系统的正常运行。
附图说明
图1是现有常规蜂窝通信系统小区示意图；
图2是引入智能天线后的小区示意图；
图3是本发明引导智能天线系统框图；
图4是本发明UE引导智能天线方法流程图；
图5是WAPI证书鉴别过程流程图；
图6是基站控制智能天线波束方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的最优实施方案作详细的说明。
本发明的主要思想是，根据WAPI的接入点AP的位置信息对终端进行定位，从而引导智能天线。
现有WAPI的接入点(AP)的覆盖范围，最为只能到100米。所以带WAPI功能的移动通信终端，在接入到某个接入点(AP)之后，可以知道该终端的位置在接入点(AP)的半径100米覆盖范围之内。这个精度对智能天线的波束定位来说已经能满足要求。由于每个接入点都可以提供自身的位置信息，所以移动终端在接入WAPI的接入点(AP)之后，就可以提供接入点(AP)的位置信息给基站，也即提供了自身的大致位置信息。另外，通过WAPI接入之后的信号强度，可以进一步判断出移动通信终端距离AP的远近，以进一步精确WAPI终端的位置信息。
如图3所示，本发明引导智能天线的系统包括：带有智能天线系统的基站，WAPI接入点(AP)，支持WAPI功能的移动终端(UE)，其中：
移动终端(UE)，用于在接入AP后，通过WAPI功能向接入点AP发出位置信息申请，将接收到的AP的位置信息封包转发给基站；还可获取UE与AP之间的信号强度信息，将信号强度信息和AP的位置信息一起发送给基站；还可根据信号强度信息和AP的位置信息确定终端的位置信息，将终端的位置信息发送给基站；还可以直接从AP接收终端位置信息(即AP侧根据AP位置信息和信号强度信息确定的终端位置信息)后发送给基站；
其中，信号强度信息是一信号强度等级信息。
WAPI接入点，用于接收移动终端的位置信息申请并且对其响应，按照一定的格式提供自身的位置信息给该移动终端；或者，用于根据自身的位置信息和其与终端间的信号强度信息确定终端位置信息，将终端位置信息发送给终端；其中，WAPI接入点与终端之间使用基密钥对位置信息进行加密。
基站，用于从移动终端接收AP的位置信息，根据AP的位置信息确定终端位置信息，使用终端位置信息引导智能天线；或者，直接从终端接收终端位置信息，使用终端位置信息引导智能天线。
其中，根据AP的位置信息确定终端的位置信息具体包括，直接将AP的位置信息作为终端的位置信息，或者从移动终端接收AP的位置信息和信号强度信息，使用AP的位置信息和信号强度信息确定终端的位置信息，使用终端的位置信息引导智能天线；
另外基站还带有用于响应接收位置信息而引导波束的机械装置。该机械装置包括天线阵列以及用于激励该阵列来输出被引导波束的波束生成网络的智能天线系统。
下面结合图4分析一下移动通信终端通过WAPI功能引导通信系统中最新的智能天线波束的整个过程。UE需要建立通信链路的时候(例如主叫或者被叫)，系统中的智能天线波束需要指向此UE，因此需要UE的位置信息，本发明中，终端主动上报自身的位置信息。
本发明提供的引导智能天线的方法包括：
S1，UE接入AP，从AP获取AP的位置信息；
UE接入AP时，UE和AP之间执行证书鉴别过程，UE发送WAPI证书鉴别请求给接入点AP(或者路由器)，只有AP鉴别成功，才会允许UE进行进一步网络访问(具体的鉴别过程见后)。鉴别成功后，UE和AP将生成一组一致的基密钥BK。
鉴别成功后，UE发送请求消息给AP，请求AP将AP自身的位置信息传送给UE，AP收到请求消息后使用基密钥将自身的位置信息加密，然后传送给UE；或者，AP根据自身的位置信息和其与终端间的信号强度信息获得终端位置信息，将终端位置信息使用基密钥加密后传送给UE。
UE接收AP的位置信息并根据确定的基密钥解密，获取AP的位置信息；或者UE接收终端位置信息并根据确定的基密钥解密，获取终端位置信息。
进一步地，UE可以提取出自身的WAPI信号强度，按照预先确定的信号强度等级(比若强、中、弱三个等级或其他等级)，确认此时自身的信号强度级别。信号强度级别表示UE距离AP的远近，信号强度越强则UE和AP之间距离越近，反之越远。
步骤S2，UE将AP的位置信息按照一定的格式打包并加密，将封包发送给基站；或者，基站将接收到的AP的位置信息和信号强度级别信息按照一定的格式打包并加密，将封包发送给基站；或者，终端根据AP的位置信息和信号强度级别信息确定自身的位置信息，将自身的位置信息按照一定的格式打包并加密，将封包发送给基站，或者，终端将从AP接收到的终端位置信息按照一定的格式打包并加密，将封包发送给基站；
步骤S3，基站从移动终端接收AP的位置信息，根据AP的位置信息确定终端位置信息，使用终端位置信息引导智能天线；或者，直接从终端接收终端位置信息，使用终端位置信息引导智能天线。
其中，根据AP的位置信息确定终端位置信息具体包括，直接将AP的位置信息作为终端位置信息，或者从移动终端接收AP的位置信息和信号强度信息，使用AP的位置信息和信号强度信息确定终端位置信息。
具体引导智能天线的方法包括：基站接收机将收到的信息传送给空间处理器，空间处理器控制波束生产器产生波束控制信号，智能天线据此调整波束方向，被引导到UE所在位置。
图5所示为本发明WAPI的鉴别过程，具体包括：
(1)当UE关联或重新关联至接入点AP时，AP向UE发送鉴别激活分组，该鉴别激活分组包括鉴别标识；
(2)收到鉴别激活分组后，UE将向AP发送接入鉴别请求分组，该分组包括鉴别标识、UE的临时公钥和证书及UE利用长期私钥对前述字段所作的签名；
(3)收到请求后，AP将进行验证，若标识正确，则向鉴别服务实体发送证书鉴别请求分组，否则丢弃该分组，证书鉴别请求分组包含鉴别标识和双方的公钥及签名；
(4)之后，鉴别服务实体将验证双方的身份是否合法，若合法，向AP返回证书鉴别响应分组，否则丢弃该分组；
(5)AP收到响应分组后，验证是否正确，若正确则通知UE接着验证，否则丢弃该分组，如果UE也接着验证通过，则双方将得到对方的临时公钥；
(6)UE和AP分别根据对方的临时公钥与本地的临时私钥进行计算，生成一致的基密钥BK，整个鉴别过程结束。
上述整个的鉴别和验证过程持续时间在1s左右。
图6所示是结合本发明原理的智能天线系统的控制过程示意图。智能天线系统包括智能天线阵列和智能天线处理电路，智能天线阵列由天线辐射元件61组合而成，智能天线处理电路由多个接收机62、多个波束生成器63、空间处理单元64和瑞克接收机65组成。如图所示，天线阵列的n个天线元件61分别连接到对应的n个接收机62，每个接收机将天线接收到的信号进行下变频和解调并相应地进行匹配滤波，即把接收的射频信号转换为原始的基带信号。
之后接收机输出的基带信号被传送到波束生成器63，波束生成过程包括乘法和加法操作，每个波束都需要这个操作，一般每个用户有多个波束并存在多个用户。相加后的信号被提供给瑞克接收机65，瑞克接收机接收波束生成器的输出后，以最佳的形式中继并组合这些信号，该操作在空间处理单元64的控制下发生。空间处理单元负责确定要被形成的波束的特性，即确定天线阵列的增益和相位。系统处理器67将位置信息处理器68传送来的数据处理后再转发给空间处理单元64，用以不断的调整波束特性。任选的采用多径数据库69提供的信息来计算波束的方向，数据库或者可基于对环境的分析，或者可基于所执行的测量。
如果用户因各种原因没有成功报告其所在位置，则系统可兼容采用产生覆盖整个扇区的方向图的算法。
应当理解的是，对本发明技术所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等同改变或替换，而所有这些改变或替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种引导智能天线的方法，其特征在于，包括：
终端接入无线局域网鉴别与保密基础结构(WAPI)接入点，从所述WAPI接入点获取一位置信息；
终端将所述位置信息直接发送给基站，基站根据所述位置信息得到终端位置信息；或者终端根据所述位置信息得到终端位置信息后，发送终端位置信息至基站；
基站使用所述终端位置信息引导智能天线。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置信息为WAPI接入点位置信息；基站根据所述位置信息确定终端位置信息是指：基站将所述WAPI接入点位置信息作为所述终端的位置信息；或者，所述终端还获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，将所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息一起发送给所述基站，所述基站根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定终端位置信息。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置信息为WAPI接入点位置信息；终端根据所述位置信息确定终端位置信息是指：所述终端还获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定所述终端位置信息。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置信息为终端位置信息，所述终端从所述WAPI接入点获取一位置信息具体包括：所述WAPI接入点获取其与所述终端间的信号强度信息，根据WAPI接入点位置信息和所述信号强度信息确定终端位置信息后发送给所述终端。
5.如权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述终端接入所述WAPI接入点时，与所述WAPI接入点之间执行证书鉴别过程，鉴别成功时，生成一组基密钥；
所述终端从所述WAPI接入点获取所述一位置信息具体包括：
所述WAPI接入点使用所述基密钥将所述位置信息进行加密后发送给所述终端，所述终端使用所述基密钥进行解密，得到所述位置信息。
6.一种引导智能天线的系统，其特征在于，包括终端、WAPI接入点和基站，其中：
所述终端，用于接入WAPI接入点，从所述WAPI接入点获取一位置信息；还用于将所述位置信息直接发送给基站，或者根据所述位置信息得到终端位置信息，发送终端位置信息至基站；
所述WAPI接入点，用于将所述位置信息发送给所述终端；
所述基站，用于根据所述位置信息得到终端位置信息，使用所述终端位置信息引导智能天线；或者，用于直接从所述终端接收所述终端位置信息，使用所述终端位置信息引导智能天线。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述WAPI接入点，用于将WAPI接入点位置信息作为所述位置信息发送给终端；
所述终端，还用于获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，将所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息一起发送给所述基站；
所述基站，用于将所述WAPI接入点位置信息作为所述终端的位置信息；或者，根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定终端位置信息。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述WAPI接入点，用于将WAPI接入点位置信息作为所述位置信息发送给终端；
所述终端，还用于获取其与所述WAPI接入点间的信号强度信息，根据所述信号强度信息和所述WAPI接入点位置信息确定所述终端位置信息。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述WAPI接入点，用于获取其与所述终端间的信号强度信息，根据WAPI接入点位置信息和所述信号强度信息确定终端位置信息，将所述终端位置信息作为所述位置信息发送给所述终端；
所述终端，用于从所述WAPI接入点获取终端位置信息。
10.如权利要求6至9任一所述的系统，其特征在于，
所述终端，还用于接入所述WAPI接入点时，与所述WAPI接入点之间执行证书鉴别过程，鉴别成功时，生成一组基密钥；还用于从所述WAPI接入点接收使用所述基密钥加密的所述位置信息，使用所述基密钥进行解密，得到所述位置信息；
所述WAPI接入点，用于和所述终端之间执行证书鉴别过程，鉴别成功时，生成一组基密钥，使用所述基密钥将所述位置信息进行加密后发送给所述终端。
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