CN106452541B - 一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法和装置 - Google Patents

Abstract

现有毫米波多入多出MIMO系统的发射及接收波束赋形通常需要对无线电波所经历的信道的空间参数进行估计。随着收发双方或一方天线数量的增加，当收发双方之间的移动性较强时，若要实现高精度的波束跟踪，信道测量和反馈的开销会很大，影响了系统容量和资源分配的灵活性，并使得信号处理变得更为复杂。针对此问题，本发明提出了一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法和装置，通过控制摄像装置捕获潜在用户的位置或位置及姿态的改变进行波束赋形或波束改变及增益调整，从而改进波束赋形的性能。本发明同时亦可反过来使用无线信号辅助光信号进行波束对准。

Description

一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法和装置

一、技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线通信中的波束赋形方法和装置。

二、技术背景

现有的波束赋形方案，无论是发射波束赋形还是接收波束赋形，通常都需要对无线电波所经历的信道的空间参数进行估计。不失一般性，以蜂窝移动通信中的基站和移动台之间通信为例，下行的波束赋形要么需要移动台测量基站参考信号后反馈，要么利用信道互易性由基站测量移动台的发射后估计出下行信道。而上行的波束赋形也有类似的方案。无论哪种方式，都需要发送开销信息来辅助接收侧进行信道空间相关参数的估计。

现有方案的主要问题是：

1)随着收发双方或一方天线数量的增加，当收发双方之间的移动性较强时，若要实现高精度的波束跟踪，信道测量和反馈的开销会很大，影响了系统容量和资源分配的灵活性，这一点特别针对massiveMIMO的参考信号设计尤为突出；

2)增加的测量和反馈使得信号处理复杂，功耗增加，波束跟踪实时性受到挑战，例如空间预编码的码本数量增加将使得相应的码本搜索过程更加复杂；

3)在移动台和基站未建立双向通信之前，例如在寻呼或接入阶段，双方利用控制信道进行通信时，由于无法预知双方无线信道的空间维度参数，该阶段难以利用波束赋形带来的好处，使得寻呼或接入的信号不能在空间上集中，浪费了功率、增加了干扰、降低了控制信道的容量；

4)现有波束赋形方案主要针对较低的无线频段，如2GHz左右，当蜂窝移动通信的频段采用5GHz或60GHz等更高频段时，由于系统更加依赖于视距传播和波束绕射能力变差，现有波束赋形方法在移动场景下的上述缺点会更加明显，同时更高频段的大带宽优势也难以发挥出来。

5)随着基站密度的不断增加，相互邻近的无线设备之间的潜在干扰将日益严重，在这种密集网络部署场景下，视距传播也将更加常见，在视距场景下如何抑制干扰也向系统设计提出了挑战。

三、发明内容

针对上述问题，本发明提供一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法，从而改进波束赋形的性能。

这里的光指可见光或红外线等，不同于用天线发射的无线信号，通信的一方利用摄像头采集通信的另一方发出的可见光或红外线等，提取辅助无线波束赋形的信息。当然，这里的光也可以指用于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的场景，这时反过来可以利用无线信号辅助光信号进行波束对准。

此外，由于本发明具备摄像功能，可以帮助系统发现覆盖区域内未激活的终端或非本运营商终端，便于辅助相应系统开展规划、优化等工作。

本发明的具体内容如下：

1、一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法，该方法包括：

硬件和软件两部分，其中硬件部分包括：基带及射频接口、增益控制、波束赋形天线阵、摄像装置四个部分，软件部分的功能除了传统的增益控制和波束赋形功能外，还有一个功能是将摄像头拍摄到的服务区视频或图像进行处理，从中获取有助于无线侧进行波束赋形的信息，而无线侧获取的用户信号信息也有助于优化处理摄像头拍摄到的服务区视频或图像。如图1所示。

2、基本工作步骤包括：

(a)校准：无线覆盖范围和光拍摄范围的校准，摄像头拍摄画面中位置与波束方向的校准。校准除了系统初始化时要做之外，还应该能够根据波束赋形的效果变化情况自动进行定期或事件触发式的校准。

(b)系统不断监控摄像头拍摄画面跟踪用户方位的准确性，该准确性反映了基于光辅助进行波束赋形的准确性，当该准确性下降到一定程度时，系统将工作模式变为原有的只依赖于无线信号进行波束赋形参数估计的方式。

摄像头拍摄效果变差时，可考虑变换频段，例如夜晚的时候可以变为采用红外线拍摄等。

(c)分析拍摄的画面，对潜在用户或移动台位置进行跟踪，并预先计算对应的波束赋形天线参数配置。

(i)在接入阶段利用之前算出的波束参数对接收到的信号进行基于方位角和俯仰角的空间滤波，以改善性能。

(ii)在寻呼阶段先利用之前算出的波束参数对待发射的寻呼信号进行基于方位角和俯仰角的空间滤波，从而对准潜在用户位置发射而不是向整个小区或扇区广播，以改善性能；当这种方式寻呼不成功时可增加波束宽度直至再转为用非波束赋形方式进行广播式的寻呼。

(iii)业务传输阶段，这时通常上下行有专用的控制信道，业务信道可能只有下行或只有上行；当该移动台的波束赋形参数对应的移动台位置与摄像头拍摄画面中的某个相应位置匹配时，可以减少用于估计无线信道空间参数的开销信号，并可以更容易判断出移动台的移动快慢，从而优化无线波束宽窄等参数。

无论是接入阶段、寻呼阶段还是业务传输阶段，可以根据用系统容量、传输质量、覆盖的需求，基于光拍摄画面信息辅助调整发射或接收信号的增益。

四、附图说明

1、图1为光和无线信号相互辅助的波束赋形方法的系统结构示意

2、图2为光和无线信号相互辅助的波束赋形方法的系统工作流程

3、图3为LoS径下通信双方直视径示意图

4、图4为Meanshift算法示意图

五、具体实施方式

1、系统结构及功能

如图1所示，其中虚线部分为系统原有模块，实线部分为本发明新增部分。本发明的方法和装置包含硬件和软件两部分，其中硬件部分包括：基带接口、射频接口、消息信令解析模块接口、增益控制、波束赋形模块、天线阵、摄像头等部分，软件部分的功能除了传统的增益控制和波束赋形功能外，还有图像分析模块负责图像识别和处理功能、通信事件捕获与分析、摄像驱动及调整模块。

各部分和模块间的数据或信息交互如图1所示。其中，

(1)摄像装置可以是摄像头、相机、摄像机、或带摄像功能的手机、平板电脑等设备。其功能是对终端及周边环境进行抓拍，可以是周期性抓拍或事件触发、停止抓拍。

(2)图像分析模块通过图像处理和识别功能将通信对端的位置、姿态或位置及姿态的变化计算出来，并输出给波束赋形、增益调整模块。

(3)波束赋形、增益调整模块的功能是，根据图像分析模块所计算得到的通信对端视距条件下的位置，从而进行波束赋形或增益赋值；或当摄像装置与天线阵列不共址时，在通信对端与天线阵列非视距，而摄像装置仍能拍摄到通信对端的情况下，根据图像分析获得的通信对端位置变化或姿态变化进行波束调整或增益调整；或者当摄像装置无法拍摄到通信对端时，根据从来自天线的无线信号获取到信道状态指示(CSI)等信息进行波束赋形、波束调整或增益调整。

(4)通信事件捕获与分析模块的功能是，通过消息、信令解析模块获得对触发或停止摄像或校准有意义的事件，例如接入、切换、注销等，判断是否触发、停止或改变摄像状态。

(5)摄像驱动及调整模块的功能是，执行周期性摄像的时钟控制，包括触发及停止；执行事件触发的摄像驱动或停止；执行拍摄范围校准，使拍摄范围的中心与波束中心方向对准拍摄范围与天线阵列的覆盖范围基本一致。

(6)天线阵列为原有模块，其功能包括接收来自外部的控制指令或权值，发射信号，或接收来自通信对端的信号。

(7)基带处理单元、射频单元、消息信令解析模块为原有模块，执行信号的基带处理，包括波束赋形、增益赋值、射频放大、消息或信令解析等功能，并分别与上述模块进行交互。

2、系统工作流程

本发明的系统工作流程如图2所示。其工作过程如下：

(1)首先由摄像驱动、调整模块进行初始化拍摄范围校准。其内容包括：包含无线覆盖范围和光拍摄范围的校准，摄像头拍摄画面中位置与波束方向的校准。其中，无线覆盖范围由天线俯仰角、方位角所限定的区域中信号质量高于最低门限的空间。拍摄范围为摄像机镜头的可视范围。在拍摄范围校准阶段，这两者应当一致，或至少令拍摄范围包含无线覆盖范围，同时拍摄范围的中心线与波束的最大增益方向一致。

(2)初设化拍摄范围校准完成后，摄像装置及系统的其他模块进入待机状态，此时可以有两种机制供选择，事件触发拍摄或是周期性拍摄，选择何种模式由摄像驱动、调整模块控制。

对于事件触发拍摄而言，可以是由于判断到终端进入拍摄区域等事件触发的，例如系统接收到终端发来的接入请求，或是通信对端由其他区域切换至本区域。

对于周期性拍摄而言，适用于通信对端在摄像范围内进行规律性运动，或是发现波束的变化具有一定的规律性。此时摄像装置在摄像驱动及调整模块的控制下按指定周期进行拍摄。拍摄周期与运动规律或波束变化规律有关。周期性拍摄的终止可以由事件触发，例如，由通信事件捕获、分析模块所捕获到的通信对端注销网络、切出覆盖区域等等。

(3)由摄像模块拍摄得到的画面，送往图像分析模块进行分析，通过图像处理的方法计算通信对端的位置、或与定标图像相比计算出通信对端位置的变化或姿态的变化，将结果送往波束赋形、增益调整模块。

(4)波束赋形、增益调整模块使用波束赋形或追踪算法根据通信对端的位置或位置及姿态的改变将波束对准通信对端，使通信对端获得最优的信号。必要时，亦可启动增益调整功能，即通过通信对端的位置或位置及姿态的改变估算通信对端与天线阵列间的路径长度或路径长度的改变，计算为满足通信对端的通信需求而需要的信号增益或其调整。

(5)图像分析模块在对图像质量进行分析后，还可以判断所拍摄的图像是否符合要求，如果图像明显偏离了波束方向，则启动摄像范围校准。

(6)摄像校准失败说明当前环境不适用本发明所提出的方法和转置，将系统重置到待机状态并进入单纯依赖无线信号进行波束赋形的工作模式。

(7)允许系统带有周期性摄像校准功能，定时执行摄像校准，以保证系统工作于良好的状态。

3、波束赋形方法

(1)视距情况下的波束赋形方法

本发明在视距情况下对通信对端进行波束赋形的方法可以但不局限于如下方法：

在LoS径条件下，在获得了移动端位置(即移动端的三维角度)后，基站可以知道基站与移动端之间直视径的信道，假设在该直视径下，基站的三维发射角为

移动端的达到角为

如图3所示，则基站可以利用该信息对用户实际波束赋形，例如，采用基于码本匹配的波束赋形算法。

基于码本匹配的BF过程中，由于码本D中的各个码字F_m,i都对应着基站的不同发射角，根据直视径下发射端的空间发射角为

可知发射角为

对应的码字即为在直视径下进行波束赋形所需的波束赋形矢量，即

f_opt＝F_m,i(θ_T,φ_T) (1)

在基于信道估计的BF过程中，此时可以根据直视径下，本端的发射角为通信对端的达到角为

将信道构建为以直视径为主的单径信道，有

H＝βA(θ_T,φ_T)α_lA(θ_R,φ_R) (2)

其中，β为由基站天线结构决定的常数，

与

为本端及通信对端的阵列响应，α_l为信道复增益矩阵，在单径信道下，可以将α_l设为1。

对信道矩阵H进行SVD分解，得

H＝UDV^* (3)

其中，D为信道矩阵的奇异值矩阵，即D＝diag([d₁,d₂,…,d_n]),

其中λ(·)为求矩阵特征值的过程，U、V分别为信道矩阵的左右奇异值矩阵。

最终本端选取右奇异矩阵作为波束赋形矢量，即f_opt＝V。

可见，在LoS径下，已知了移动端的三维角度对移动端进行BF时，无论是基于码本匹配的算法还是基于信道估计的算法，现有算法均简化了原算法中的匹配过程或迭代过程，有效地降低了算法复杂度，提升了算法速度。

(2)非视距情况下的波束赋形方法

本发明在非视距(NLOS)情况下对通信对端进行波束赋形的方法可以但不局限于如下方法：

在NLoS径下，可以假设信道为一阶马尔可夫过程，即

其中，H₀为初始信道状态，N_m为噪声矩阵，其分布为N_m～CN(0,1)，相关系数ε由Jakes模型给出，即ε＝J₀(2πf_DT)，其中J₀为0阶贝塞尔函数，T为信道变化间隔，

表示最大多普勒频移，其与移动端运动速度v,光速c和载波频率f_c有关。

在波束追踪过程中，以发送信号和接收信号之间的互信息函数作为目标函数，表示为，

其中，F_m为波束追踪矩阵，来自于预编码码本I_M为M维单位矩阵，ρ为发送SNR，M为数据流数。

而在波束追踪过程中，会对预编码码本进行更新，其更新策略为：

其中，θ_i为旋转码字，由旋转码本

给出，proj为酉空间投影算子，

为旋转半径，经推导，其表达式为:

其中

这样，就可以在每个信道实例下，通过预编码码本的更新，波束追踪矩阵F_m的选择，使互信息函数最大化，从而达到信道追踪的目的。

4、位置或位移计算方法

本发明中根据图像计算通信对端位置或位移的方法可以但不局限于如下方法：

(1)基本思想

使用基于MeanShift向量的方法。

给定d维空间R_d的n个样本点x_i,i＝1,…,n,在空间中任选一点x，那么MeanShift向量的基本形式定义为:

其中，S_k是一个半径为h的高维球区域,满足以下关系的y点的集合,

S_h(x)＝{y:(y-x_i)_T(y-x_i)<h²} (12)

K表示在这n个样本点x_i中,有K个点落入S_k区域中。

再以Meanshift向量的终点为圆心，再做一个高维的球。如图4所示，重复以上步骤，就可得到一个Meanshift向量。如此重复下去，Meanshift算法可以收敛到概率密度最大的地方。也就是样本点分布最稠密的位置。

(2)算法实现

在图像中进行Meanshift追踪算法，首先需要在起始帧内为选中的跟踪目标建立概率模型，即计算核函数窗口中的直方图分布。

核函数指所谓径向基函数(Radial Basis Function简称RBF)，就是某种沿径向对称的标量函数。通常定义为空间中任一点x到某一中心x_O之间欧氏距离的单调函数,可记作k(||x-x_O||)，其作用往往是局部的,即当x远离x_O时函数取值很小,反之则与中心点距离越小取值越大。在本算法中用于平滑概率密度函数。

设初始内核窗口的带宽h，x₁,x₂,…,x_n为内核窗口所包含采样点，x₀为目标中心，则目标的颜色直方图分布为：

式中：k为核函数，m为图像可选灰度个数，δ为Kronecker函数，b(y_i)为像素y_i对应的特征值，C为归一化系数，h为核函数的带宽。

位于y候选目标可以描述为

因此物体跟踪可以简化为寻找最优的位置y，使得

与

最相似。

与

的相似性用Bhattacharyya系数来度量，即

该式可以进行泰勒展开，写为：

其中，

上式子中只有第二项是Bhattacharyya系数里唯一和位置y有关的变量，其极大化过程可以通过：每次将式(16)中第二部分对变量y求导并置0求局部最大值位置，将新位置再次代入Bhattacharyya系数找到下一次的最大值位置。通过从候选区域的中心向真实区域中心的Meanshift逐次迭代实现。

式(16)约等号右侧第二部分对y的求导为

其中核函数g(x)是核函数k(x)的求导的相反数，核函数k(x)可以称为g(x)的影子核。

此时的Meanshift向量可以简单地表示为：

则对应的迭代公式为

式中

为新的目标中心位置。

迭代过程就是不断计算式(19)，直至两次迭代位置的距离低于设定好的某一阈值，则可以认为迭代结束，最终的位置就是目标被跟踪到的位置。

Claims (14)

1.一种光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，通信的一方利用摄像头采集与其进行视距通信的另一方发出的可见光、红外线或其他光信号，提取辅助无线波束赋形及增益调整的信息；亦可反过来利用无线信号辅助光信号进行波束对准，基本工作步骤包括：所述装置依照其天线覆盖的视距通信范围初始化拍摄范围校准、事件触发拍摄、拍摄画面分析、拍摄范围校准判断、拍摄范围校准、拍摄校准成功判断、波束赋形或波束调整及增益调整、周期性拍摄判断、周期性拍摄模式、周期性拍摄范围校准、单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；这些基本工作步骤，按如下模式执行：

第一步：依照其天线覆盖的视距通信范围初始化校准拍摄范围；

第二步：进入事件触发拍摄；

第三步：拍摄画面分析；

第四步：判断是否需要进行拍摄范围校准，当拍摄范围与本装置覆盖范围不符时需要进行拍摄范围校准；如不需要则进入第五步波束赋形或波束调整及增益调整；如需要则进入第六步拍摄范围校准；

第五步：根据画面分析结果中视距条件下通信对端的位置情况进行相应的波束赋形或波束调整，并视通信的性能需求进行增益调整；

第六步：拍摄范围校准以使拍摄范围与本装置覆盖范围相符；随后进入第七步；

第七步：判断是否校准成功，如成功则进入第八步判断是否进行周期性拍摄；如不成功，则进入第九步，进入单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；

第八步：判断是否需要进行周期性拍摄，如需要，进入第十步周期性拍摄，否则进入第二步事件触发拍摄；

第九步：进入单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；

第十步：周期性拍摄，随后进入第三步拍摄画面分析；

第十一步：周期性拍摄范围校准，随后进入第七步校准成功判断。

2.如权利要求1所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，包含硬件和软件部分，其中硬件部分包括：基带接口、射频接口、消息信令解析模块接口、增益调整模块、波束赋形模块、天线阵列、摄像装置七个部分；软件部分包括波束赋形及增益调整模块、图像分析模块、摄像驱动及调整模块、通信事件捕获及分析模块、消息和信令解析模块。

3.如权利要求2所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述摄像装置功能是对天线所覆盖范围内视距条件下的终端及周边环境进行抓拍，可以是周期性抓拍或事件触发、停止抓拍；每次图像捕获得到的可以是一幅图像或体现多个视角的多幅图像。

4.如权利要求2所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述波束赋形及增益调整模块根据图像分析模块计算得到的通信对端视距条件下的位置；当摄像装置无法拍摄到通信对端时，亦可根据从来自天线的无线信号获取到信道状态指示CSI信息进行波束赋形或调整。

5.如权利要求2所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述通信事件捕获及分析模块的功能是，通过消息和信令解析模块获得对触发或停止摄像或校准有意义的事件，包括但不限于接入、切换、注销，从而判断是否触发、停止或改变摄像状态。

6.如权利要求2所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述摄像驱动及调整模块的功能是执行周期性摄像的时钟控制，包括触发及停止；执行事件触发的摄像驱动或停止；执行拍摄范围校准，包括但不限于周期性拍摄范围校准、初始化拍摄范围校准、需求驱动的拍摄范围校准，使拍摄范围的中心与波束中心方向对准拍摄范围与天线阵列的覆盖范围基本一致。

7.如权利要求2所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述波束赋形及增益调整模块，在视距条件下，通过图像计算用户的方位，从而完成波束赋型或功率赋值与调整。

8.如权利要求1所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，可以用于业务信道，亦可用于寻呼和接入信道。

9.如权利要求8所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述装置用于寻呼信道时，先利用之前算出的波束参数将待发射的寻呼信号进行空间滤波对准潜在用户位置而不是在整个小区广播，从而改善性能；当这种方式寻呼不成功时可再转为用非波束赋形方式进行广播式的寻呼。

10.如权利要求8所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述装置用于业务信道时，当针对通信终端的波束赋形参数对应的通信终端位置与摄像头拍摄画面中的某个位置匹配时，可以减少用于估计无线信道空间参数的开销信号，并可以更容易判断出该通信终端的移动快慢，从而优化无线波束宽窄、增益参数。

11.如权利要求8所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，所述装置用于接入信道，在接入阶段利用之前算出的波束参数对接收到的信号进行空间滤波以改善性能。

12.如权利要求1所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，摄像头拍摄效果变差时，可考虑变换频段，包括但不限于，夜晚的时候可以变为采用红外线拍摄。

13.如权利要求1所述的光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的装置，其特征在于，系统不断监控摄像头拍摄画面跟踪用户方位的准确性，当该准确性下降到一定程度时，系统将工作模式变为原有的只依赖于无线信号进行波束赋形参数估计的方式。

14.一种光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的方法，其特征在于，通信的一方利用摄像头采集与其进行视距通信的另一方发出的可见光、红外线或其他光信号，提取辅助无线波束赋形及增益调整的信息；亦可反过来利用无线信号辅助光信号进行波束对准，所述方法基本工作步骤包括：装备有摄像头的通信设备依照其天线覆盖的视距通信范围初始化拍摄范围校准、事件触发拍摄、拍摄画面分析、拍摄范围校准判断、拍摄范围校准、拍摄校准成功判断、波束赋形或波束调整及增益调整、周期性拍摄判断、周期性拍摄模式、周期性拍摄范围校准、单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；这些基本工作步骤，按如下模式执行：

第一步：依照其天线覆盖的视距通信范围初始化校准拍摄范围；

第二步：进入事件触发拍摄；

第三步：拍摄画面分析；

第四步：判断是否需要进行拍摄范围校准，当拍摄范围与本通信设备覆盖范围不符时需要进行拍摄范围校准；如不需要则进入第五步波束赋形或波束调整及增益调整；如需要则进入第六步拍摄范围校准；

第五步：根据画面分析结果中视距条件下通信对端的位置情况进行相应的波束赋形或波束调整，并视通信的性能需求进行增益调整；

第六步：拍摄范围校准以使拍摄范围与本通信设备覆盖范围相符；随后进入第七步；

第七步：判断是否校准成功，如成功则进入第八步判断是否进行周期性拍摄；如不成功，则进入第九步，进入单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；

第八步：判断是否需要进行周期性拍摄，如需要，进入第十步周期性拍摄，否则进入第二步事件触发拍摄；

第九步：进入单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；

第十步：周期性拍摄，随后进入第三步拍摄画面分析；

第十一步：周期性拍摄范围校准，随后进入第七步校准成功判断。

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