CN103442419A

CN103442419A - 一种基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法

Info

Publication number: CN103442419A
Application number: CN2013103917145A
Authority: CN
Inventors: 郝鹏
Original assignee: ZHENJIANG BOLIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHENJIANG BOLIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明提供了一种基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，包括以下步骤：第一步，配对，发送方与接收方之间采用全向天线的工作方式，实现无线连接，双方通过测量接受到的信号强度来获知彼此的方位朝向信息；第二步，接收方天线进行波束调节，压缩波束，并将其根据第一步中确定的角度朝向发送方，在此过程中，通信保持；第三步，发送方调节波束，使其根据第一步中的方位角，并参考第二步中接收方波束的实际角度，调节自身电磁波方向；第四步，设备移动，当发送设备和接收设备彼此之间发生位移时，需要对彼此角度进行调节，以保证不间断通信。本发明提供的方法实现了较高的信噪比传输、提高传输距离并减少能量消耗。

Description

一种基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信方法。

背景技术

全向天线所的全向电磁波在一定相对位置变化内的点对点通信而言，可能成为潜在能量浪费的一种途径。在能量一定的前提下，全向波的大多数能量不仅由于无接收方而浪费，而且产生了很多干扰信号，对真正有用的无线传输构成挑战。定向天线可以解决全向天线的很多不足之处。然而，对于移动设备，特别是便携式电子终端（如手机、平板计算机、笔记本计算机等），目前的定向天线尚不能实时地对自身电磁波方向进行调节。近年来，业界提出了波束成形技术。该技术通过改变波束成形的方向来实现设备之间的通信，然而，其判断的过程过于复杂，特别是在相关设备之间进行很多次信息交互，而个过程会带来大量的能量消耗。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

全向天线所的全向电磁波在一定相对位置变化内的点对点通信能量浪费的问题。

2、技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，包括以下步骤：

第一步，配对，发送方与接收方之间采用全向天线的工作方式，实现无线连接，双方通过测量接受到的信号强度来获知彼此的方位朝向信息；

第二步，接收方天线进行波束调节，压缩波束，并将其根据第一步中确定的角度朝向发送方，在此过程中，通信保持；

第三步，发送方调节波束，使其根据第一步中的方位角，并参考第二步中接收方波束的实际角度，调节自身电磁波方向，

第四步，设备移动情况，当发送设备和接收设备彼此之间发生位移时，需要对彼此角度进行调节，以保证不间断通信。

在上述过程中，当发送设备和接收设备之间发生较大位移或人为干扰等情况而使得通信中断，则该通信过程终止，即发送方与接收方关闭波束调节功能，同时恢复全向天线工作方式，试图配对。

3、有益效果：

本发明提供的方法实现较高的信噪比传输、提高传输距离并减少能量消耗。

附图说明

图1发送方与接收方采全向天线实现配对示意图。

图2 接收方进行波束调节，发送方保持不变，通信保持示意图。

图3 发送方和接收方完成波束调节示意图。

图4 发送方和接收方发生彼此位移，双方实时调节波束，保持不间断通信示意图。

1.发送设备；2.接收设备；3. 发送设备原波束；4. 接收设备发生相对位移；5. 发送设备自适应调节波束，使之与接收设备保持配对及不间断通信；6. 接收设备自适应调节波束，与发送设备保持配对及不间断通信。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明。

一种基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，包括以下步骤：

第一步，配对过程，目的是获得最优电磁波方向信息。具体过程如下：

（1）发送方与接收方之间采用全向天线的工作方式，实现无线连接，即配对。

（2）发送方单方面进行天线扇区扫描，接收方保持全向天线工作方式。发送方根据测量接受到的信号强度或性能噪声比（以下简称性噪比）和/或单位字节能耗等信息来获知彼此最佳方位朝向信息，该朝向至少满足下列要求：

（a）双方的相向区域；

（b）在该方向上受到的干扰小，即可获得较高的性噪比，且传输单位字节能耗最低；

（c）条件（b）的优先权高于条件（a），即当发送方与接收方的信噪比较高的区域并非二者的相向方向区域时，可忽略彼此间的该相向方向区域，而选择信噪比较高和/或单位字节能耗较低的方向。

（3）发送方将该朝向信息告知接收方。

当确定该方向后，配对过程结束。如图1所示。

本步骤中假设对于发送方最优的发送角度也是对接收方的最优朝向角度。同时，本步骤中的（2）和（3）也可以由接收方来完成，即接收方进行扇区扫描和朝向角度判断。一般情况下，默认发送方完成相关工作。

第二步，接收方天线执行波束调节，即压缩波束，并将其根据第一步中确定的角度朝向发送方。如图2所示。在此过程中，通信保持。

第三步，发送方调节波束，使其根据第一步中的方位角，并参考第二步中接收方波束的实际角度，调节自身电磁波方向。

如图3所示。

在此过程中，二者进行不间断通信，实时测量彼此接收到的信号强度等信息，从而得到相互的实时位置变动信息。

同时，第二步和第三步不能同时完成，而必须分步实现，以确保该过程中双方通信不中断。

第四步，设备移动情况。则发送设备和接收设备彼此之间发生位移时，需要对彼此角度进行调节，以维持通信的连续性。在这个调节过程中，为了减少彼此之间的通信及其相应产生的能耗，本发明提出利用预测控制算法，即基于马尔科夫链方法来实现对彼此间下一时刻相对位置的判断，并进而调节彼此天线的电磁波方向。如图4所示。

该马尔科夫链方法具体如下：

（1）以发送方当前位置为圆心，建立极坐标系。下一个位置的角度可以通过极坐标的角度大小来表示，距离长短则通过极坐标的某点到原点的距离表示，即发送方与接收方之间的距离；

（2）在假设运动的角度和距离变化（分别）符合某种概率分布的前提下，获得下一步的相对角度和相对位置等信息，并检测此时的信噪比或/和单位字节能耗；

（3）根据（2）中得到的信息，调节自身的波束，使其在当前时间段结束时指向该方向；

当时间段选择合适时，可以在能量消耗与不间断无线通信之间达到平衡。

本发明即通过上述方法来实现较高的性噪比、较长的通信距离和较低的单位字节能耗。

需要说明的是：

首先，如果在第四步中，发生一定的相对位移，而使得在预测控制算法中得到的性噪比或/和单位字节能耗分别低于某预先设定的阀值，则发送方与接收方终止第四步，并执行第一步中的扇区扫描和朝向判断等过程，并在其基础上执行后续步骤。

其次，如果在第四步中，发生较大的相对位移，而使得彼此双方通信中断，则该步骤终止，即发送方与接收方关闭波束调节功能。然而，恢复到第一步，即恢复全向天线工作方式，试图建立配对。

再次，如果整个过程中，发生人为或不可抗拒的外因终止，则整个通信过程终止，或恢复到第一步，即使用全向天线工作方式，试图建立配对。

本发明提供的基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法同样适用于在水中运作。

实施例1. 家庭手机和笔记本之间的通信

假设在家庭中，处于客厅茶几上（相对静止）的笔记本与手持的手机之间利用本发明的方法进行数据传输。我们注意到手机会随着人的位移而发生其与笔记本之间的角度和位置变化，尤其是当二者分别处于不同房间，信号由于墙壁等阻隔而发生大的变化，如信噪比或单位字节传输率等突变。例如，当二者在传输过程中，特别是在某一时刻都已完成某方向上的波束压缩并进行数据传输时，由于人进入了彼此（若干）墙壁间隔的另一个房间时，笔记本和手机能意识到信噪比和/或单位字节传输率可能会发生较大变化。如果这两个参数低于预先设定的默认阀值，则通信中断。二者恢复全向天线通信状态，并试图重新建立配对。如果配对实现，则重新执行本发明的四个步骤。否则处于全向天线工作模式下的试图配对工作。

实施例2. 湖泊环境监测

假设某湖泊的特定水域上有两个无线传感器网络节点，节点间通过本发明中的无线电磁波通信方法彼此建立连接并传输数据。由于水流和风（如果在节点水面漂浮）的作用，两个节点之间会产生一定范围内的相对运动。则在通信过程中，二者首先采用全向天线的工作方式完成配对，并根据性噪比和单位字节能耗能信息决定某朝向角。然后，这两个节点分别完成波束调节，即压缩波束，使其朝向该方向。不仅如此，二者在该过程中保持配对，并随时根据相对位置和性噪比、单位字节能耗等信息，利用预判控制算法判断彼此间下一时间段的角度朝向等信息。换言之，在通信过程中，这两个节点实时调节彼此的波束方向，以实现降低能耗（如较低的单位字节能耗）、提高传输效率（如较高的数据传输率、较低的掉包率和误码率，以及较低的时间延迟）等。

Claims

1.一种基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，包括以下步骤：第一步，配对，发送方与接收方之间采用全向天线的工作方式，实现无线连接，双方通过测量接受到的信号强度来获知彼此的方位朝向信息；第二步，接收方天线进行波束调节，压缩波束，并将其根据第一步中确定的角度朝向发送方，在此过程中，通信保持；第三步，发送方调节波束，使其根据第一步中的方位角，并参考第二步中接收方波束的实际角度，调节自身电磁波方向；第四步，设备移动，当发送设备和接收设备彼此之间发生位移时，需要对彼此角度进行调节，以保证不间断通信。

2.如权利要求1所述的基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，其特征在于：第一步的方位满足以下要求：a.双方的相对方向；b.干扰最小；c. 条件b的优先权高于条件a，即当发送方与接收方的信噪比较高的区域并非二者的相向方向区域时，忽略彼此间的该相向方向区域，而选择信噪比较高或单位字节能耗较低的方向。

3.如权利要求1所述的基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，其特征在于：第四步中设备移动的调节过程为：a. 以当前位置为圆心，建立极坐标系，下一个位置的角度可以通过极坐标的角度大小来表示，距离长短则通过极坐标的某点到原点的距离表示；b. 在假设运动的角度和距离变化（分别）符合某种概率分布的前提下，下一步的角度和位置则可以得到；c. 根据得到的角度和长度信息，调节自身的波束，使其在当前时间段结束时指向该方向。

4.如权利要求1所述的基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，其特征在于：第二步和第三步不能同时完成，而必须分步实现，以确保该过程中双方通信不中断。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的基于自适应波束调节的短距离点对点电磁波通信方法，其特征在于：当发送设备和接收设备之间发生较大位移或人为干扰等情况而使得通信中断，则该通信过程终止，即发送方与接收方关闭波束调节功能，同时恢复全向天线工作方式，试图配对。