CN105634578A - 用于波束赋形的装置、智能天线、无线通信设备 - Google Patents

用于波束赋形的装置、智能天线、无线通信设备 Download PDF

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Abstract

一种用于波束赋形的装置，包括获取移动设备位置信息的第一单元；和，选取与所述移动设备位置相对应的波束赋形用加权向量的第二单元；其中，所述移动设备具有确定的运动轨迹。本发明还公开一种采用该装置的智能天线和无线通信设备。

Description

用于波束赋形的装置、智能天线、无线通信设备
技术领域
本发明属于智能天线技术领域，尤其涉及一种用于波束赋形的装置，以及采用该装置的智能天线和无线通信设备。
背景技术
在移动通信环境条件下，复杂的地形、建筑物的结构都会对电波的传播产生影响，大量用户间的相互作用也会产生时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰等，从而会使通信质量受到影响。采用智能天线可以有效地解决这些问题。智能天线采用空分多址技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。智能天线的核心在数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整权重系数以实现所需的空间滤波。智能天线的结构如图1所示，主要包括依次串联的天线阵列101，模数转换模块102和波束成型网络103，以及控制波束成型网络加权向量的数字信号处理器104等四个部分。天线阵列部分，天线的阵元数量与天线阵元的配置方式对智能天线的性能有着重要的影响。模数转换，下行是将模拟信号转换成数字信号，上行是将数字信号转换成模拟信号。数字信号处理器，根据自适应空间滤波器/波束赋形算法和估计的来波方向等产生加权向量。波束成型网络，动态自适应加权处理以产生期望的自适应波束。
自适应波束赋形算法目前主要有最大信噪比(SNR)、最小均方误差(MMSE，MinimumMeanSquareError)、最小方差、最大似然等。常用的自适应算法有直接抽样协方差矩阵求逆(DMI，DirectMatrixInverse)算法、最小均方(LMS，LeastMeanSquare)算法、递归最小二乘(RLS，RecursiveLeastSquares)算法、恒模算法(CMA，ConstantModulusAlgorithm)等。但对于公路、铁路、航运等具有确定运动轨迹的无线通信场景，始终没有一种自适应波束赋形算法可以有效地提高频谱效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种用于波束赋形的装置，可以获得高频谱效率，在公路、铁路、航运等具有确定运动轨迹的无线通信场景中效果更佳明显。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
在一些说明性实施例中，所述用于波束赋形的装置包括：获取移动设备位置信息的第一单元；和，选取与所述移动设备位置相对应的波束赋形用加权向量的第二单元；其中，所述移动设备具有确定的运动轨迹。
本发明的另一个目的是提出一种智能天线。
在一些说明性实施例中，所述智能天线包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其中，所述数字信号处理器包括所述用于波束赋形的装置；所述第二单元获取的加权向量用于所述波束成型网络进行波束赋形。
本发明的另一个目的是提出一种无线通信设备。
在一些说明性实施例中，所述无线通信设备包括卫星定位装置和智能天线，所述智能天线包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其中，所述数字信号处理器包括所述用于波束赋形的装置。
本发明的再一个目的是提出一种无线通信设备。
在一些说明性实施例中，所述无线通信设备包括惯性制导装置和智能天线，所述智能天线包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其中，所述数字信号处理器包括所述用于波束赋形的装置。
本发明的再一个目的是提出一种无线通信设备。
在一些说明性实施例中，所述无线通信设备固定于设定位置，包括智能天线，所述智能天线包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其中，所述数字信号处理器包括所述用于波束赋形的装置。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是智能天线的示意图；
图2是本发明一个实施例的装置示意图；
图3是本发明另一个实施例的装置示意图；
图4是本发明一个实施例的智能天线示意图；
图5是本发明一个实施例的无线通信设备示意图；
图6是本发明另一个实施例的无线通信设备示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
图2示出用于波束赋形装置的一个实施例。
用于波束赋形的装置S1包括第一单元S11和第二单元S12。其中，第一单元S11主要用于获取移动设备S01的位置信息，第二单元S12主要用于选取与移动设备S01的位置相对应的波束赋形用加权向量。
本领域技术人员可以看出，用于波束赋形的装置S1既可以被设置在移动设备S01，也可以被设置在固定设备S02。
本文所述的移动设备是指，在工作运行时其位置处于连续变化状态的设备；本文所述的固定设备是指，在工作运行时其位置保持不变的设备。
本实施例中，移动设备S01的运动轨迹是确定的，明确可知的。例如，移动设备S01可以但不限于是汽车、火车、高铁、动车的车载单元(OBU,onboardunit)。而固定设备S02的安置位置与移动设备S01的运动轨迹密切相关的。例如，固定设备S02可以但不限于是公路、铁路等路边单元(RSU,roadsideunit)。
在移动设备端，通过卫星定位装置S2能够获得移动设备S01的位置信息，第一单元S11从卫星定位装置S2可以获得移动设备S01的位置信息。
在固定设备端，固定设备S02可以接收移动设备S01上报的消息，第一单元S11通过移动设备S01上报的消息获得移动设备S01的位置信息。
在移动设备端，第一单元S11获得移动设备S01的当前位置信息后，第二单元S12将选取移动设备S01当前位置所在的位置区域所对应的波束赋形用加权向量。移动设备端的发射天线阵列将采用第二单元S12选取的加权向量对发射信号进行波束赋形，使发射能量对准固定设备端的接收天线。
在固定设备端，同理，第一单元S11获得移动设备S01的当前位置信息后，第二单元S12将选取移动设备S01当前位置所在的位置区域所对应的波束赋形用加权向量。固定设备端的发射天线阵列将采用第二单元S12选取的加权向量对发射信号进行波束赋形，使发射能量对准移动设备端的接收天线。
其中，第二单元S12根据移动设备S01的当前位置信息选取波束赋形用的加权向量的方法有很多。
一种可选的实施方式是根据移动设备的运动轨迹以及固定设备的安置位置，建立数学运算模型，当移动设备S01行进到不同的位置时，第二单元S12将移动设备S01当前的位置信息，包括但不限于移动设备所处的经度和纬度，输入该数学运算模型，实时计算与当前位置相对应的波束赋形用的加权向量。这种实施方式的好处在于，以移动设备S01实时的位置信息作为依据计算获得的加权向量，使得波束赋形精准度更高，但同时也大大增加了信息处理的复杂度。
另一种可选的方法是根据公路、铁路、航运等交通工具运动轨迹确定的特征，前期将确定的运动轨迹划分为若干个连续的位置区域，通过测量每个位置区域的移动设备和固定设备的空间信道，分别获得下行和上行空间信道样本，基于对空间信道样本的统计，进行空间信道特征向量分解，获得概率统计意义的最佳空间特征向量，作为该位置区域对应的波束赋形用加权向量。这样就可以在移动设备端以及固定设备端预先保存各位置区域与波束赋形用加权向量的对应关系映射表。当移动设备S01行进到不同的位置时，第二单元S12从第一单元S11获得移动设备S01的当前位置，并将移动设备S01当前位置所在的位置区域与映射表中保存的位置区域进行匹配，找到匹配的位置区域后选择对应的加权向量。
通过查表迅速选取与移动设备S01当前位置相对应的波束赋形用加权向量，这种实施方式的好处在于，通过查表而非计算的方式获得波束赋形用的加权向量，大大降低了信息处理的复杂度。同时前期在确定的运动轨迹上选取的位置足够多，则能够在降低信息处理复杂度的同时有效地提高波束赋形的精准度。
在通过查表迅速选取波束赋形用加权向量的实施方式中，用于波束赋形的装置S1中还包括有存储单元S13，用于存储每个位置信息与波束赋形用加权向量的对应关系映射表，如图3所示。
基于位置信息选取的波束赋形用加权向量，能够获得的无线传输效果是链路容量最大化。链路容量的提升可以是通过最佳空间特征向量调整多天线波束指向，获得最大多天线链路增益；也可能是通过空间特征向量调整多天线并行空间流，获得最大多天线链路容量。实际使用中，根据位置编号直接选择波束赋形用加权向量，即可获得上述容量增益。
图2所示的实施例，移动设备S01具有卫星定位装置S2，能够接收来自多颗定位卫星的信号(3颗或3颗以上)，卫星定位装置S2能够根据多颗定位卫星的接收信号计算获得移动设备S01所处的经度、纬度等绝对位置信息，还包括移动设备S01的高度信息。其中，卫星定位装置S2可以是北斗卫星定位装置，或者是全球定位系统(GPS)定位装置，或者是伽利略(Galileo)卫星定位装置，或者是格洛纳斯(GLONASS)卫星定位装置，或者是其它卫星定位装置。
卫星定位并不是唯一选择，也可以通过惯性制导技术获取移动设备的经度、纬度等绝对位置信息。在另一些实施例中，移动设备具有惯性制导装置，用于获取移动设备的当前位置信息。惯性制导装置通过传感器获得移动设备的瞬时速度，通过积分运算获取列车行驶距离，依据相对某一设定位置(例如车站、RSU或其他参照物)的行驶距离，计算获得移动设备的准确位置。
移动设备向固定设备发送上行信号时，移动设备端的发射天线的调制可以采用数字基带波束赋形(beamforming)技术，也可以采用射频天线波速切换(beamswitch)技术。移动设备端的发射天线可以是二维智能天线(2D-MIMO)，也可以是三维智能天线(3D-MIMO)。其中，对于二维智能天线技术需要获得经度和纬度即可；对于三维智能天线技术需要经度、纬度和高度。这些信息都可以通过卫星定位，和/或，惯性制导，或者卫星定位和其它海拔测量方法(例如：气压计)获得。
前述实施例是依据移动设备的绝对位置信息，包括移动设备所处的经度、纬度，还包括移动设备所在的高度，查表获得相应的波束赋形用加权向量。
在另一些实施例中，也可以依据移动设备的参考位置信息查表获得波束赋形用加权向量。因为固定设备的安置位置与移动设备的运动轨迹密切相关，因此前期可以依据每个固定设备的位置选取相应的参考位置，通过测量每个参考位置的移动设备和固定设备的空间信道，分别获得下行和上行空间信道样本，基于对空间信道样本的统计，进行空间信道特征向量分解，获得概率统计意义的最佳空间特征向量，作为该参考位置对应的波束赋形用加权向量。这样就可以将每个参考位置对应的波束赋形用加权向量与相应的固定设备进行关联映射，在移动设备端以及固定设备端预先保存各固定设备标识(ID)与波束赋形用加权向量的对应关系映射表。移动设备在行进过程中，可以通过空口装置捕获其关联的固定设备发送的广播消息，获得关联固定设备的ID。当第一单元获取到关联固定设备ID时，第二单元会查表选取与该固定设备的ID相对应的加权向量。在铁路、航运等大型运输设备中，可以采用2D-MIMO天线，最大化移动设备与固定设备的无线链路容量。也可以通过更加先进的3D-MIMO天线，通过查表获得3D-MIMO的加权向量，进而获得更大的无线链路增益。
在一些实施例中，也可以依据移动设备的相对位置信息查表获得波束赋形用加权向量。可选地，按照移动设备相对某一设定位置(例如车站、RSU或其他参照物)的行驶距离查表，获得移动设备端发射天线的波束赋形用加权向量。移动设备按照参考位置起计算与参考位置的距离，获得当前位置信息，地理位置与加权向量对应。
本文还公开一种智能天线。在一些实施例中，所述智能天线如图4所示，主要包括依次串联的天线阵列101，模数转换模块102和波束成型网络103，以及控制波束成型网络加权向量的数字信号处理器104。其中，数字信号处理器104包括用于波束赋形的装置S1。
本文所述的数字信号处理器件泛指各种具有数字信号处理能力的器件，包括但不限于各种专用集成电路(ASIC)、中央处理单元(CPU)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)嵌入式系统器件、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、单片机和数字信号处理器(DSP)等。
对于用于波束赋形的装置S1的说明如前述各实施例所述，此不赘述。
所述智能天线既可以被用于移动设备端，也可以被用于固定设备端。
本文还公开一种无线通信设备。在一些实施例中，所述无线通信设备如图5所示，主要包括卫星定位装置S2和智能天线。所述智能天线主要包括依次串联的天线阵列101，模数转换模块102和波束成型网络103，以及控制波束成型网络加权向量的数字信号处理器104。其中，数字信号处理器104包括用于波束赋形的装置S1。该无线通信设备通常被安置于汽车、火车、高铁、动车、飞机、轮船等交通工具，可以作为OBU。
在一些实施例中，所述无线通信设备如图6所示，主要包括惯性制导装置S3和智能天线。所述智能天线主要包括依次串联的天线阵列101，模数转换模块102和波束成型网络103，以及控制波束成型网络加权向量的数字信号处理器104。其中，数字信号处理器104包括用于波束赋形的装置S1。所述无线通信设备通常被安置于汽车、火车、高铁、动车、飞机、轮船等交通工具，可以作为OBU。
本文还公开一种固定于设定位置的无线通信设备，所述无线通信设备可以作为RSU。所述无线通信设备包括智能天线，所述智能天线主要包括依次串联的天线阵列101，模数转换模块102和波束成型网络103，以及控制波束成型网络加权向量的数字信号处理器104。其中，数字信号处理器104包括用于波束赋形的装置S1。
本文描述一种对于确定运动轨迹系统的高频谱效率无线通信系统装置，主要创新是将定位导航系统与无线通信系统结合，通过高性能智能天线技术获得高频谱效率。公路、铁路、航运等路边单元和车载单元的通信都是这类确定运动轨迹的无线通信场景。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (17)

1.一种用于波束赋形的装置，其特征在于，包括：
获取移动设备位置信息的第一单元；和，
选取与所述移动设备位置相对应的波束赋形用加权向量的第二单元；其中，所述移动设备具有确定的运动轨迹。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括存储单元，用于存储位置区域信息与波束赋形用加权向量之间对应关系的映射表；所述第二单元通过查表选取所述移动设备位置所在的位置区域所对应的波束赋形用加权向量。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动设备的位置信息包括所述移动设备的绝对位置信息和/或参考位置信息。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述移动设备的绝对位置信息包括所述移动设备所处的经度和纬度。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述移动设备的绝对位置信息还包括所述移动设备所在的高度。
6.如权利要求3、4或5所述的装置，其特征在于，所述移动设备具有卫星定位装置和/或惯性制导装置，所述第一单元从所述卫星定位装置和/或惯性制导装置获得所述移动设备的绝对位置信息。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述移动设备的参考位置信息包括一个或多个固定设备的标识ID；其中，所述一个或多个固定设备的位置与所述移动设备的运动轨迹相关联。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动设备的位置信息包括所述移动设备相对于一设定位置的相对位置信息；其中，所述设定位置与所述移动设备的运动轨迹相关联。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述移动设备相对于一设定位置的相对位置信息包括所述移动设备相对于所述设定位置的距离。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述移动设备具有惯性制导装置，所述第一单元从所述惯性制导装置获得所述移动设备相对于所述固定设备的相对位置信息。
11.如权利要求1至10任一项所述的装置，其特征在于，该装置被设置在所述移动设备端。
12.如权利要求1、2、3、4、5、7、8或9所述的装置，其特征在于，所述第一单元通过所述移动设备上报的消息获得所述移动设备的位置信息。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该装置被设置在与所述移动设备进行无线通信的固定设备端。
14.一种智能天线，包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其特征在于，所述数字信号处理器包括如权利要求1至13任一项所述的用于波束赋形的装置；所述第二单元获取的加权向量用于所述波束成型网络进行波束赋形。
15.一种无线通信设备，包括卫星定位装置和智能天线，所述智能天线包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其特征在于，所述数字信号处理器包括如权利要求1至7任意一项所述的用于波束赋形的装置。
16.一种无线通信设备，包括惯性制导装置和智能天线，所述智能天线包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其特征在于，所述数字信号处理器包括如权利要求1至10任意一项所述的用于波束赋形的装置。
17.一种无线通信设备，固定于设定位置，包括智能天线，所述智能天线包括依次串联的天线阵列，模数转换模块和波束成型网络，以及控制所述波束成型网络加权向量的数字信号处理器，其特征在于，所述数字信号处理器包括如权利要求1、2、3、4、5、7、8、9或12所述的用于波束赋形的装置。
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