CN108513248A - 通信基站及其波束赋形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及移动通信领域，公开了一种通信基站及其波束赋形方法。本发明中，该通信基站的波束赋形方法包括以下步骤：基站接收来自移动终端的基于卫星导航系统的第一定位信息；根据第一定位信息向卫星导航系统的地基增强系统发送差分定位请求；根据地基增强系统返回的差分改正值对第一定位信息进行差分解算，得到第二定位信息；根据第二定位信息和基站天线的已知位置信息计算基站在三维空间上与移动终端的方位角，通过基站的天线在该方位角上向移动终端形成定向波束。该通信基站的波束赋形方法能够改善无线通信的链路质量，提高小区吞吐量。

Description

通信基站及其波束赋形方法
技术领域
本发明涉及移动通信和卫星导航领域，特别涉及移动通信中的波束赋形技术。
背景技术
波束赋形(Beamforming，BF)是一种基于天线阵列的信号预处理技术。波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。因此，波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。由于波束赋形带来的空间选择性，使得波束赋形与SDMA之间具有紧密的联系。实际系统中应用的波束赋形技术可能具有不同的目标，如侧重链路质量改善(覆盖范围扩展、用户吞吐量提高)或者针对多用户问题(如小区吞吐量与干扰消除/避免)。
现有技术中，基于卫星定位技术的波束赋形方法，由于移动终端的定位精度较低，水平存在5～10米误差、高程存在10～20米误差，导致三维空间上基站天线与移动终端的方位角测算不准确，方位角测算值与实际值偏差较大，不利于波束赋形算法的应用，不利用于窄细波束的形成。
此外，现有差分定位技术一般在移动终端侧进行高精度定位解算，存在高功耗的问题，移动终端还需要获取实时差分数据，存在高流量的问题。
因此，目前亟需一种基于差分定位增强技术的基站波束赋形方法，能够改进现有波束赋形和差分定位技术，达到移动终端和基站天线只存在厘米级误差的定位精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通信基站及其波束赋形方法，能够改善无线通信的链路质量，提高小区吞吐量。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种通信基站的波束赋形方法，包括以下步骤：
基站接收来自移动终端的基于卫星导航系统的第一定位信息；
根据第一定位信息向卫星导航系统的地基增强系统发送差分定位请求；
根据地基增强系统返回的差分改正值对第一定位信息进行差分解算，得到第二定位信息；
根据第二定位信息和预先设定的基站的天线位置信息计算基站在三维空间上与移动终端的方位角，通过基站的天线在该方位角上向所述移动终端形成定向波束。
本发明的实施方式还公开了一种通信基站，包括：
第一定位信息接收单元，用于接收来自移动终端的基于卫星导航系统的第一定位信息；
差分定位请求单元，用于根据第一定位信息接收单元接收到的第一定位信息向卫星导航系统的地基增强系统发送差分定位请求；
差分解算单元，用于根据差分定位请求单元得到的地基增强系统返回的差分改正值对第一定位信息接收单元接收到的第一定位信息进行差分解算，得到第二定位信息；
方位角计算单元，用于根据差分解算单元得到的第二定位信息和预先设定的基站的天线位置信息计算基站在三维空间上与移动终端的方位角；
波束赋形单元，用于通过基站的天线在方位角计算单元计算出的方位角上向移动终端形成定向波束。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
移动终端将初步定位信息发送给基站，基站向地基增强系统发送差分定位请求，基站根据接收到的差分改正值进行差分解算得到高精度定位信息，并计算移动终端的方位角，通过天线形成高增益窄细波束，从而大大改善了无线通信的链路质量(覆盖范围扩展、用户吞吐量提高)，进一步提高了小区吞吐量，进一步消除和避免了干扰。
进一步地，将差分数据解算从移动终端转移至基站，有效地降低了移动终端的功耗和数据流量。
进一步地，利用卫星导航和惯性导航融合定位技术，降低了移动终端获取卫星定位的频率，进一步减少了移动终端的耗电量。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中一种通信基站的波束赋形方法的流程示意图；
图2是本发明第一实施方式中一种通信基站的波束赋形方法的流程示意图；
图3是本发明第一实施方式中一种方位角测算示意图；
图4是本发明第二实施方式中一种通信基站的结构示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种通信基站的波束赋形方法。图1是该通信基站的波束赋形方法的流程示意图。
具体地说，如图1所示，该通信基站的波束赋形方法包括以下步骤：
在步骤101中，基站接收来自移动终端的基于卫星导航系统的第一定位信息。
需要说明的是，在本发明的各实施方式中，
移动终端，也可以称为终端，包括智能手机，平板电脑，笔记本电脑，定制的带有无线通信功能的手持终端、车载终端、无人机，等等。
卫星导航系统包括全球定位系统(Global Position System，简称“GPS”)，格洛纳斯系统，北斗卫星导航系统，伽利略系统等等。
此后进入步骤102，根据第一定位信息向卫星导航系统的地基增强系统发送差分定位请求。
此外，可以理解，地基增强系统用于基于地面的连续运行参考站系统(ContinuousOperational Reference System，简称“CORS”)提供卫星导航系统的差分服务。
此后进入步骤103，根据地基增强系统返回的差分改正值对第一定位信息进行差分解算，得到第二定位信息。
在本实施方式中，优选地，步骤103，也就是，差分解算的步骤由基站执行。
现有技术中差分解算通常是在移动终端中进行，也有在地基增强系统的数据中心进行的，从未有在基站进行的。
将差分数据解算从移动终端转移至基站，有效地降低了移动终端的功耗和数据流量。
进一步地，优选地，在步骤103之后还包括以下步骤：
基站将第二定位信息发送给移动终端。
此后进入步骤104，根据第二定位信息和基站天线的已知位置信息计算基站在三维空间上与移动终端的方位角。
此后进入步骤105，通过基站的天线在该方位角上向移动终端形成定向波束。
进一步地，优选地，步骤105之后还包括以下步骤：
判断移动终端是否处于移动状态。在本实施方式中，优选地，判断移动终端是否处于移动状态的步骤中，移动终端根据内置的惯性导航器件实时监测是否处于移动状态。
如果移动终端处于移动状态，该移动终端获取陀螺仪和加速度计的测量数据，根据所获得的测量数据进行惯性导航，得到第三定位信息。
移动终端判断当前惯性导航的累积误差是否小于预先设定的阈值，如果是则将第三定位信息发送给基站，否则获取基于卫星导航系统的卫星定位信息，根据所获得的卫星定位信息和当前惯性导航信息进行卡尔曼滤波得到第四定位信息，将第四定位信息发送给基站。
基站根据收到的定位信息，重新计算三维空间上与移动终端的方位角，实时更新波束赋形的权向量，在移动终端方向生成跟踪波束。
此外，可以理解，在一个实施方式中，不但根据移动终端的当前位置，而且根据移动终端的移动速度和移动方向来确定定向波束的方向。例如，如果移动终端为静止状态(或移动速度小于一个门限)，设置的定向波束可以使得移动终端位于波束的中心线上，如果移动终端处于运动状态，则可以计算垂直于移动终端和基站连线的方向上的移动终端速度分量，根据该速度分量设置定向波束，使得移动终端不在波束的中心线上，而是在该速度分量的前进方向上有更多的波束覆盖面积。这样可以减少波束调整的次数。
在另一个实施方式中，如果移动终端处于运动状态，则可以计算垂直于移动终端和基站连线的方向上的移动终端速度分量，如果该速度分量越大，则定向波束可以越宽。这样也可以减少波束调整的次数。如果该速度分量过大，例如超过一个上限，可以取消波束赋形，以避免过于频繁调整波束而导致的开销。
利用卫星导航和惯性导航融合定位技术，降低了移动终端获取卫星定位的频率，进一步减少了移动终端的耗电量。
移动终端将初步定位信息发送给基站，基站向地基增强系统发送差分定位请求，基站根据接收到的差分改正值进行差分解算得到高精度定位信息，并计算移动终端的方位角，通过天线形成高增益窄细波束，从而大大改善了无线通信的链路质量(覆盖范围扩展、用户吞吐量提高)，进一步提高了小区吞吐量，进一步消除和避免了干扰。
下面将详细介绍本发明的一个优选的实施例。图2是该优选实施例中，通信基站的波束赋形方法的流程示意图。
具体地说，如图2所示，该实施例中提出了一种基于差分定位增强技术的基站波束赋形方法，具体实现步骤如下：
(1)终端通过导航卫星获取定位信息(经纬度、高程)，一般精度在5～10米。
(2)终端将定位信息发送给基站。
(3)基站获取终端的定位信息后，向地基增强系统数据中心发送高精度定位请求命令。
(4)地基增强系统数据中心获取终端定位信息并进行测算，向基站发送差分改正值。
(5)基站从地基增强系统数据中心获取实时差分改正数据并进行差分解算，得到终端的厘米级高精度定位信息(经纬度、高程)，反馈给终端。
(6)基站从数据库获取对应扇区天线的高精度定位信息(厘米级精度，需提前进行测绘并建立数据库)。
(7)基站根据天线和终端的高精度定位信息，计算三维空间上与终端的方位角，通过波束赋形技术，在此方位角上形成高增益窄细波束。
(8)利用终端设备内置的惯性元件(如加速度计、陀螺仪等)，监测终端是否处于移动状态。
(9)若处于移动状态，终端获取陀螺仪和加速度计的测量数据，通过惯导算法，测算速度和位置变化。
(10)惯导定位误差随时间序列累积上升，终端需判断系统累积误差是否达到阈值。
(11)如果惯导累积误差达到阈值，终端需获取卫星定位信息，通过卡尔曼滤波器，对定位误差进行校正。
(12)终端将实时定位信息发送给基站。
(13)基站根据终端实时动态位置，重新计算三维空间上与终端的方位角。
(14)基站实时更新波束赋形的权向量，对终端方向生成跟踪波束。
在本发明的各实施方式中，方位角偏差测算步骤如下所述，图3是方位角测算示意图。
其中，天线已知位置A，终端实际位置B，终端定位位置C；
将三个点的三维空间定位投影至二维平面；
A到B、A到C的偏差角为N；
B与C的水平偏差X、垂直偏差Y；
A与B的距离为L，假设A与C的距离L’≈L。
利用勾股定理和余弦定理，得出偏差角公式：
通过此公式计算(假定天线与终端距离为200米)，现有方法和本发明方法的偏差角对比：
综上所述，可以看出，与现有技术相比，本发明有以下这些优点：
本发明将差分定位增强技术与基站波束赋形技术相结合，利用基于差分定位增强技术的厘米级高精度定位，提高三维空间上基站天线与终端的方位角测算精度，应用于波束赋形技术。
本发明将差分数据解算从终端转移至基站，终端在获取同等精度的定位信息时，有效地降低了功耗和数据流量。
本发明在终端处于移动态时，可通过惯性导航系统(INS)提供连续定位信息，短时精度高，利用卫星导航和惯性导航融合定位技术，通过卡尔曼滤波器校正惯导系统累积误差。在中低速移动状态下，可有效地降低终端获取卫星定位频率，进一步减少终端耗电量。
在本发明的其他某些实施方式中，也可以不利用地基增强系统数据中心提供差分改正数据。而是在基站侧增加高增益的卫星接收天线和高精度卫星接收设备，本地获取实时的导航卫星原始观测数据，并在基站设备内集成RTK算法，获取差分改正数，进行终端的高精度定位解算。
在本发明的其他某些实施方式中，基站也可以直接将差分改正数据转发给终端，在终端侧进行解算后，再将高精度定位信息返回给基站。
本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。
本发明第二实施方式涉及一种通信基站。图4是该通信基站的结构示意图。
具体地说，如图4所示，该通信基站包括：
第一定位信息接收单元，用于接收来自移动终端的基于卫星导航系统的第一定位信息。
差分定位请求单元，用于根据第一定位信息接收单元接收到的第一定位信息向卫星导航系统的地基增强系统发送差分定位请求。
差分解算单元，用于根据差分定位请求单元得到的地基增强系统返回的差分改正值对第一定位信息接收单元接收到的第一定位信息进行差分解算，得到第二定位信息。
方位角计算单元，用于根据差分解算单元得到的第二定位信息和预先设定的基站的天线位置信息计算基站在三维空间上与移动终端的方位角。
波束赋形单元，用于通过基站的天线在方位角计算单元计算出的方位角上向移动终端形成定向波束。
在本实施方式中，优选地，基站执行差分解算的步骤。差分定位请求单元和差分解算单元在基站中。
现有技术中差分解算通常是在移动终端中进行，也有在地基增强系统的数据中心进行的，从未有在基站进行的。
将差分数据解算从移动终端转移至基站，有效地降低了移动终端的功耗和数据流量。
进一步地，优选地，该通信基站还包括：
第二定位信息发送单元，用于将差分解算单元得到的第二定位信息发送给移动终端。
更进一步地，优选地，该通信基站还包括：
移动状态判断单元，用于判断移动终端是否处于移动状态。
移动状态判断单元，根据移动终端内置的惯性导航器件实时监测移动终端是否处于移动状态。
惯性导航单元，用于如果移动状态判断单元判断移动终端处于移动状态，该移动终端获取陀螺仪和加速度计的测量数据，根据所获得的测量数据进行惯性导航，得到第三定位信息。
累积误差判断单元，用于判断移动终端当前惯性导航的累积误差是否小于预先设定的阈值。如果是则将第三定位信息发送给基站，否则获取基于卫星导航系统的卫星定位信息，根据所获得的卫星定位信息和当前惯性导航信息进行卡尔曼滤波得到第四定位信息，将第四定位信息发送给基站。
基站根据收到的定位信息，重新计算三维空间上与移动终端的方位角，实时更新波束赋形的权向量，在移动终端方向生成跟踪波束。
第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种通信基站的波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：
基站接收来自移动终端的基于卫星导航系统的第一定位信息；
根据所述第一定位信息向所述卫星导航系统的地基增强系统发送差分定位请求；
根据所述地基增强系统返回的差分改正值对所述第一定位信息进行差分解算，得到第二定位信息；
根据所述第二定位信息和预先设定的所述基站的天线位置信息计算所述基站在三维空间上与所述移动终端的方位角，通过所述基站的天线在该方位角上向所述移动终端形成定向波束。
2.根据权利要求1所述的通信基站的波束赋形方法，其特征在于，所述差分解算的步骤由所述基站执行。
3.根据权利要求1所述的通信基站的波束赋形方法，其特征在于，在所述差分解算的步骤之后还包括以下步骤：
所述基站将所述第二定位信息发送给所述移动终端。
4.根据权利要求1所述的通信基站的波束赋形方法，其特征在于，所述通过所述基站的天线在该方位角上形成定向波束的步骤之后还包括以下步骤：
判断所述移动终端是否处于移动状态；
如果所述移动终端处于移动状态，该移动终端获取陀螺仪和加速度计的测量数据，根据所获得的测量数据进行惯性导航，得到第三定位信息；
所述移动终端判断当前惯性导航的累积误差是否小于预先设定的阈值，如果是则将第三定位信息发送给所述基站，否则获取基于卫星导航系统的卫星定位信息，根据所获得的卫星定位信息和当前惯性导航信息进行卡尔曼滤波得到第四定位信息，将第四定位信息发送给所述基站；
所述基站根据收到的定位信息，重新计算三维空间上与所述移动终端的方位角，实时更新波束赋形的权向量，在所述移动终端方向生成跟踪波束。
5.根据权利要求4所述的通信基站的波束赋形方法，其特征在于，所述判断所述移动终端是否处于移动状态的步骤中，所述移动终端根据内置的惯性导航器件实时监测是否处于移动状态。
6.一种通信基站，其特征在于，包括：
第一定位信息接收单元，用于接收来自移动终端的基于卫星导航系统的第一定位信息；
差分定位请求单元，用于根据所述第一定位信息接收单元接收到的所述第一定位信息向所述卫星导航系统的地基增强系统发送差分定位请求；
差分解算单元，用于根据所述差分定位请求单元得到的所述地基增强系统返回的差分改正值对所述第一定位信息接收单元接收到的所述第一定位信息进行差分解算，得到第二定位信息；
方位角计算单元，用于根据所述差分解算单元得到的所述第二定位信息和预先设定的所述基站的天线位置信息计算所述基站在三维空间上与所述移动终端的方位角；
波束赋形单元，用于通过所述基站的天线在所述方位角计算单元计算出的所述方位角上向所述移动终端形成定向波束。
7.根据权利要求6所述的通信基站，其特征在于，所述差分定位请求单元和差分解算单元在所述基站中。
8.根据权利要求6所述的通信基站，其特征在于，还包括：
第二定位信息发送单元，用于将所述差分解算单元得到的所述第二定位信息发送给所述移动终端。
9.根据权利要求6所述的通信基站，其特征在于，还包括：
移动状态判断单元，用于判断所述移动终端是否处于移动状态；
惯性导航单元，用于如果所述移动状态判断单元判断所述移动终端处于移动状态，该移动终端获取陀螺仪和加速度计的测量数据，根据所获得的测量数据进行惯性导航，得到第三定位信息；
累积误差判断单元，用于判断所述移动终端当前惯性导航的累积误差是否小于预先设定的阈值；如果是则将所述第三定位信息发送给所述基站，否则获取基于卫星导航系统的卫星定位信息，根据所获得的卫星定位信息和当前惯性导航信息进行卡尔曼滤波得到第四定位信息，将第四定位信息发送给所述基站；
所述基站根据收到的定位信息，重新计算三维空间上与所述移动终端的方位角，实时更新波束赋形的权向量，在所述移动终端方向生成跟踪波束。
10.根据权利要求9所述的通信基站，其特征在于，所述移动状态判断单元，根据移动终端内置的惯性导航器件实时监测所述移动终端是否处于移动状态。
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