CN106130617A - 基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，用于远距离无线能量和信息协同传输，能有效解决固定或移动中接收终端定向问题。步骤包括：1.将相位调节器的控制精度从低到高分多个等级，确定每级波束赋形方向所对应的天线矩阵中每两个连续天线馈电的相位差；2.逐渐增加每级所使用的天线个数，使波束赋形后的波瓣宽度变窄，根据当前扫描级要覆盖的扫描角度范围和波瓣宽度比例选择方向角度的个数；3.设置每一个角度的具体方向，找到对应的两个天线馈电的相位差；4.按照每级的方向精度等级、波瓣宽度和设置的扫描角度个数，调整矩阵中每两个天线馈电的相位差和波瓣宽度，把能量集中到一束电磁波上扫描各个方向；5.根据上一级的定向结果，提高精度并缩小扫描方向的范围，最终确定接收设备的方向。

Description

基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法

技术领域

本发明涉及一种无线能量传输和采集领域，特别是关于一种基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法。

背景技术

采用天线矩阵波束赋形技术是有效解决远距离无线能量和信息传递的方法，此技术可以把能量集中到一束窄波瓣电磁波上，然后对准指定的方向发射。如果接收设备正处在这一束电磁波经过的路径上，则此接收设备可以实现高效的能量采集和信息接收。此项技术需要知道接收终端设备相对于发射端所在的方向，才能准确的将能量传递给接收设备。对于非移动的接收端设备来说，通过将其位置信息提前输入到发射端系统，或在波束赋形之前告知发射端，从而使发射端获得接收端设备的方向信息。但该方法灵活性较差，或要求接收端设备自身具备定位信息，实际使用中会受到很多受限制。如何在无需提前知道接收端设备位置信息的前提下实现自主定向，特别是对于移动的接收终端设备的实时定向是亟待解决的问题。

在无线能量传输和采集领域，目前有两大类定向算法。，一种是需要传输导频(training sequence)，通过对导频的分析，找出请求能量的设备的位置信息。这类算法的数学计算跟最小均方算法(LMS)和递归最小二乘法(RLS)等有关。另一种是假设接收设备和通信环境在一定的时间内不变，然后通过统计的方式找出请求能量的设备的位置信息。这类算法的数学计算与最小功率无畸变响应(MPDR)和最小方差无畸变法(MVDR)等有关。但这两类算法复杂度较高，对通信系统收发两端的软硬件设计都有比较高的要求，实现起来比较复杂。物联网的推广应用普遍要求通信系统设备(尤其是接收端设备)具有低成本、低功耗、低复杂度的特性，传统的复杂定向算法已不能适应物联网发展的上述需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，该算法在远距离无线能量和信息传递中，能有效解决位置固定或处于移动当中的接收终端实时定向问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：1)根据选取的发射端天线矩阵，将相位调节器的控制方向精度从低到高划分为L1、L2、...、LN多个等级，并确定天线矩阵中每级波束赋形方向所对应的每两个天线馈电的相位差，然后建立波束赋形方向与相位差的一一对应关系；2)发射端先用最低级别的方向精度L1向各个角度发射波束赋形后的高能量电磁波；3)逐渐增加每级所使用的天线矩阵中的天线个数，使波束赋型后的波瓣宽度逐渐变窄，根据当前扫描级要覆盖的扫描角度的范围和波瓣宽度的比例关系，选择方向角度的个数；4)根据选择好的角度个数，设置每一个角度的具体方向，并根据该角度具体方向找到对应的天线矩阵中每两个天线馈电的相位差；5)调整天线矩阵中每两个天线馈电的相位差和波束赋形后的波瓣宽度，扫描并寻找接收设备的方向；6)逐级缩小扫描角度范围并增加扫描精度，最终确定接收设备的方向，进而把能量集中到一束电磁波上，准确的发射到该接收设备。

进一步，所述步骤1)中，第1级角度扫描至第N级角度扫描中每级的控制精度和方向角度个数是由波瓣宽度和每级要覆盖的扫描角度的范围决定。

进一步，所述步骤3)中，配合逐级扫描的波瓣宽度控制，通过控制天线矩阵中参与波束赋形的天线的数量来改变波瓣宽窄，当较少天线参与波束赋形时，波束赋形后的波瓣宽度比较宽，当所有天线参与波束赋形时，波束赋形后的波瓣宽度最窄。

进一步，所述步骤5)中，按照每级的方向精度L1、L2、...、LN，波瓣宽度和预先设置的扫描角度个数，调整天线矩阵中每两个天线馈电的相位差和波束赋形后的波瓣宽度。

进一步，所述步骤6)中，通过逐级缩小扫描范围并增加扫描精度的方式最终确定接收设备的方向。

进一步，所述天线矩阵采用现有的4G通信基站天线矩阵，或采用为无线能量和信息传递建立的多天线发射器。

进一步，所述接收设备采用任意具有无线收发能力的设备。

进一步，当所述接收端的发射天线和接收天线分开使用时，接收端使用2根以上的天线，其中至少一根天线用于接收无线能量传输。

本发明具有的有益效果是：1、本发明采用天线矩阵波束赋形，通过逐级扫描的方式，精确定位接收设备所在方向，进而把能量集中到一束电磁波上，并对准接收设备发射。通过能量集中和对准传输可极大提升传输的效率，从而实现远距离无线能量和信息传递。本发明同时适用于固定和处于移动中的接收收备。2、本发明应用在固定和低速移动的接收设备时，需要接收设备实时反馈接收能量强度的信息，但该信息量很小，不会占用过多资源，设计简单，维护方便。3、本发明属于无线能量和信息传递的物理层算法，不涉及上层协议。虽然需要上层协议实时提供接收信号强度的反馈信息，但对上层协议没有其他的要求。因此任何通信协议，只要可以实时提供反馈的接收信号强度信息，就可以配合本发明使用。综上所述，本发明在无线能量和信息传递领域的应用非常广泛，只要是无线电波可以传输到的地方，都可以采用本发明。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地，从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明利用波束赋形实现远距离无线能量传输示意图；

图2是本发明的角度逐级扫描示意图；

图3是本发明的波瓣宽度随角度逐级扫描精度变化示意图；

图4是本发明的波瓣宽度与参与辐射天线数量关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

在无线能量和信息传输过程中，发射端根据终端(接收端)回馈的接收到的信号强度，在发射端通过逐级减少天线矩阵发射能量波束波瓣宽度的方式，提高方向定位的精度，以逐级缩小扫描范围的方式逐步锁定终端设备的位置。通过该方法可以准确定位终端的方向，从而极大提升发射端对终端进行能量和信息传输的传输效率。

本发明提供一种基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，采用方向逐级扫描的方式，确定接收设备相对于发射端设备的具体方向，从而将无线能量和信息高效地传递到接收端。分级扫描定位的过程中需要相应地调节波束赋形的波瓣宽窄，以配合所扫描的精度要求。在下述实施例中指出的通过控制天线矩阵中参与波束赋形的天线的数量来改变波瓣宽窄的方法仅是本发明的优选实施例，但并不排除可以通过其他的方式改变波瓣宽度来配合逐级扫描算法实现对接收设备的定向。

如图1所示，本发明基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法是将发射端设备定位接收设备的过程，作为一个按照信号强度(RSSI)/信号干扰比(SINR)正态分布寻找的过程。以平面扫描为例，一开始在360度范围上寻找，根据反馈，发现某一特定角度范围上接收信号的强度比较高，然后提高扫描精度集中扫描这个角度范围。在这个角度范围的扫描过程，也是先寻找某一个能量更高的相对较小的角度范围，然后找到信号强度更高的一个小的角度范围。从整体的定位过程来看，本发明是一个按照接收能量正太分布的定位过程，采用离散的方向角度逐级扫描过程定位接收设备。其包括以下步骤：

1)如图2所示，根据选取的发射端天线矩阵，将相位调节器的控制方向精度从低到高划分为L1、L2、...、LN等多个等级，并确定每级波束赋形方向所对应的天线矩阵中每两个天线馈电的相位差，并建立一一对应关系，实现离散化。

其中，第1级角度扫描至第N级角度扫描中每级的方向精度和方向角度个数由波瓣宽度和每级要覆盖的扫描角度的范围所决定。

控制方向精度对应的角度扫描级数可设置，即开发人员可以设定使用的级数数目。例如，设置成1，就相当于固定级数方法。在多级数的情况下，比如低方向精度L1的平面扫描角度为10个，中间级别方向精度L2的平面扫描角度为60个，直到最高级别方向精度LN的平面扫描角度为360个。波束赋形后的波瓣宽度也是根据划分的精度级别相应地逐级变化，低精度时波瓣宽度最大，高精度时，波瓣宽度最窄，如图3所示。

2)发射端先用最低级别的方向精度L1向各个角度扫描发射波束赋形后的高能量电磁波，然后根据接收设备反馈的接收信号强度，判断哪个方向上接收信号最强。

比如设置一个阈值，前后两次改进小于该阈值就停止进一步查找，由此确定进一步的角度扫描范围，提高角度扫描精度，再次扫描。比如，第一次扫描后，判断是36度到72度范围内接收设备的接受信号强度最大。然后第二次扫描的范围就是36度到72度，提高方向精度到L2后在这个方向范围内再次扫描。如果第二次扫描后发现在48度到54度范围内，接收设备的接收信号强度进一步增强并且达到最强，则定位接收设备的位置在48度到54度范围内。在天线矩阵波束赋形的相位调节器的精度允许范围内，还可以再进一步提高精度扫描，定位越准确，波束赋形的波瓣宽度越窄，能量的传递效率越高，接收设备的能量采集速度越快。

3)逐渐增加每级所使用的天线矩阵中的天线个数，使波束赋型后的波瓣宽度逐渐变窄，根据当前扫描级要覆盖的扫描角度的范围和波瓣宽度的比例关系，选择方向角度的个数。

在一个优选实施例中，配合逐级扫描的波瓣宽度控制，可以通过控制天线矩阵中参与波束赋形的天线的数量来改变波瓣宽窄，如图4所示。当较少天线参与波束赋形时，波束赋形后的波瓣宽度比较宽，当所有天线参与波束赋形时，波束赋形后的波瓣宽度最窄。使用时，波束赋形后的波瓣宽度需要根据方向扫描的精度要求，合理选择，以使得波瓣的宽度与扫描的方向精度相匹配。例如，L1级的平面扫描角度是10个，这个级别的波束赋形后的波瓣宽度需要达到36度；在L2级中，平面扫描角度是60个，这个级别的波束赋形后的波瓣宽度需要达到6度；以此类推。

4)根据选择好的角度个数，设置每一个角度的具体方向，并根据该角度具体方向找到对应的天线矩阵中每两个天线馈电的相位差。保存记录这个相位差，保证每一个角度和天线相位差的一一对应关系。

5)按照每级的方向精度L1、L2、...、LN，波瓣宽度和预先设置的扫描角度个数，调整天线矩阵中每两个天线馈电的相位差和波束赋形后的波瓣宽度，扫描并寻找接收设备的方向。

6)通过逐级缩小扫描范围并增加扫描精度的方式最终确定接收设备的方向，进而把能量集中到一束波瓣较窄的电磁波上，准确的发射到该接收设备。

上述各步骤中，角度扫描可以是平面2维或者空间3维，两种空间中的扫描都为逐级扫描定位。3维扫描定向的精度比2维更高，因此实际使用中，普遍采用3维扫描定向接收设备，可确保更高的能量传输效率。

上述各步骤中，如图1所示，发射端为大型天线矩阵，该天线矩阵可以采用现有的4G通信基站的天线矩阵，也可以采用为无线能量和信息传递建立的多天线发射器。接收设备可以是任意的具有无线收发能力的设备，如监控设备、传感器、控制器等。

上述各步骤中，当接收端的发射天线和接收天线分开使用时，不排除接收端使用2根以上的天线，但必须至少有一根天线用于接收无线能量传输。

综上所述，本发明基于天线矩阵波束赋形技术，采用方向精度逐级递增的天线矩阵相位离散调节方法，逐步实现定向接受设备。操作上，先低精度扫描各个方向，通过接收设备回传的接收信号强度判断接收端的大致位置。然后选择缩小范围的角度方向，提高扫描精度，进一步扫描，再根据接收设备回传的接收信号强度判断接收端更具体的方向。如此循序渐进定向接收设备。定向的精度与此离散的天线相位调节系统的精度相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：

1)根据选取的发射端天线矩阵，将相位调节器的控制方向精度从低到高划分为L1、L2、...、LN多个等级，并确定天线矩阵中每级波束赋形方向所对应的天线矩阵中每两个连续天线馈电的相位差，然后建立波束赋形方向与相位差的一一对应关系；

2)发射端先用最低级别的方向精度L1向各个角度扫描发射波束赋形后的高能量电磁波；

3)逐渐增加每级所使用的天线矩阵中的天线个数，使波束赋型后的波瓣宽度逐渐变窄，根据当前扫描级要覆盖的扫描角度的范围和波瓣宽度的比例关系，选择方向角度的个数；

4)根据选择好的角度个数，设置每一个角度的具体方向，并根据该角度具体方向找到对应的天线矩阵中每两个天线馈电的相位差；

5)调整天线矩阵中每两个天线馈电的相位差和波束赋形后的波瓣宽度，扫描并寻找接收设备的方向；

6)逐级缩小扫描角度范围并增加扫描精度，最终确定接收设备的方向，进而把能量集中到一束波瓣宽度较窄的电磁波上，准确的发射到该接收设备。

2.如权利要求1所述的基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于：所述步骤1)中，第1级角度扫描至第N级角度扫描中每级的控制精度和方向角度个数由波瓣宽度和每级要覆盖的扫描角度的范围决定。

3.如权利要求1所述的基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于：所述步骤3)中，配合逐级扫描的波瓣宽度控制，通过控制天线矩阵中参与波束赋形的天线的数量来改变波瓣宽窄，当较少天线参与波束赋形时，波束赋形后的波瓣宽度比较宽，当所有天线参与波束赋形时，波束赋形后的波瓣宽度最窄。

4.如权利要求1所述的基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于：所述步骤5)中，按照每级的方向精度L1、L2、...、LN，波瓣宽度和预先设置的扫描角度个数，调整天线矩阵中每两个天线馈电的相位差和波束赋形后的波瓣宽度。

5.如权利要求1所述的基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于：所述步骤6)中，通过逐级缩小扫描角度范围并增加扫描精度的方式最终确定接收设备的方向。

6.如权利要求1所述的基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于：所述天线矩阵采用现有的4G通信基站天线矩阵，或采用为无线能量和信息传输建立的多天线发射器。

7.如权利要求1所述的基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于：所述接收设备采用任意的具有无线收发能力的设备。

8.如权利要求1所述的基于天线阵列波束赋形角度逐级扫描的终端定向算法，其特征在于：当所述接收端的发射天线和接收天线分开使用时，接收端使用2根以上的天线，其中至少一根天线用于接收无线能量传输。