CN109618304B - 一种毫米波基站和车载通信系统 - Google Patents

一种毫米波基站和车载通信系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种车载通信装置、系统、毫米波基站和车辆，属于通信领域。该车载通信装置包括：第一通信接口，用于与eNodeB进行通信；第二通信接口，用于与毫米波基站进行通信；检测模块，用于检测车辆是否驶入所述毫米波基站的覆盖范围并检测所述车辆周围的障碍物情况；切换模块，用于基于所述检测模块的检测结果在所述第一通信接口与所述第二通信接口之间进行切换。

Description

一种毫米波基站和车载通信系统
技术领域
本公开涉及通信领域，具体地，涉及一种车载通信装置、系统、毫米波基站和车辆。
背景技术
毫米波(mmWave)是5G车联网(V2X)最关注的技术之一。然而毫米波通信对方向性要求极高，在空气中衰减较大，绕射能力弱也使得毫米波技术不太适合在室外手机终端和基站距离很远的场合使用。在车辆动态行驶的场景下，毫米波通信则需要更强的环境适应性。
发明内容
本公开的目的是提供一种车载通信装置、系统、毫米波基站和车辆，能够克服现有技术中存在的缺陷。
根据本公开的第一实施例，提供一种车载通信装置，该装置包括：第一通信接口，用于与eNodeB进行通信；第二通信接口，用于与毫米波基站进行通信；检测模块，用于检测车辆是否驶入所述毫米波基站的覆盖范围并检测所述车辆周围的障碍物情况；切换模块，用于基于所述检测模块的检测结果在所述第一通信接口与所述第二通信接口之间进行切换。
可选地，所述切换模块用于：在所述检测模块检测到所述车辆驶入所述毫米波基站的覆盖范围且所述车辆周围无明显障碍物时，将所述车载通信装置切换成由所述第二通信接口与所述毫米波基站进行通信；以及在所述检测模块检测到所述车辆离开所述毫米波基站的覆盖范围或者所述车辆周围有明显障碍物时，将所述车载通信装置切换成由所述第一通信接口与所述 eNodeB进行通信。
根据本公开的第二实施例，提供一种毫米波基站，包括：扇区选择模块，用于选择具有最高信号强度的扇区；收发模块，用于利用所述扇区选择模块选择的扇区向车辆的车载通信装置发送信号，其中所述车载通信装置包括第一通信接口和第二通信接口，所述第一通信接口用于与eNodeB进行通信，所述第二通信接口用于与毫米波基站进行通信。
可选地，所述扇区选择模块基于接收信号强度指示和信噪比来选择具有最高信号强度的扇区。
可选地，所述扇区选择模块利用下述算法来选择具有最高信号强度的扇区：
探测所有M个扇区获得M个接收信号的强度值pm,其中m∈[1,M],行向量
Figure GDA0003526634050000021
并假设期望的三维波束图谱为
Figure GDA0003526634050000022
其中φ为方位角，θ为俯仰角；
利用下述公式求所述行向量
Figure GDA0003526634050000023
的归一化向量和所述期望的三维波束图谱
Figure GDA0003526634050000024
的归一化向量的相关值：
Figure GDA0003526634050000025
其中，
Figure GDA0003526634050000026
代表向量
Figure GDA0003526634050000027
和向量
Figure GDA0003526634050000028
的内积；
然后利用所述相关值W(φ,θ)的最大值来判定一系列离散的方位角φ和俯仰角θ中符合下述要求的
Figure GDA0003526634050000029
Figure GDA00035266340500000210
然后，利用下述公式根据
Figure GDA00035266340500000211
的值来选择在其上能够获得最大接收信号强度的扇区的编号
Figure GDA00035266340500000212
Figure GDA0003526634050000031
可选地，所选择的扇区的编号被复制到由响应者发送的扇区扫描帧、扇区扫描确认帧以及发起者发送的扇区扫描反馈帧。
根据本公开的第三实施例，提供一种车载通信系统，包括：根据本公开第一实施例所述的车载通信装置；以及根据本公开第二实施例所述的毫米波基站；以及eNodeB，用于在所述车载通信装置被切换为与所述eNodeB进行通信时，与所述车载通信装置进行通信。
可选地，所述毫米波基站通过回程链路与所述eNodeB相连。
可选地，所述eNodeB使用6GHz以下的频段进行通信。
根据本公开的第四实施例，提供一种车辆，包括根据本公开第一实施例所述的车载通信装置。
通过采用上述技术方案，由于切换模块能够基于所述检测模块的检测结果在所述第一通信接口与所述第二通信接口之间进行切换，这样就能够在合适的环境下使用合适的接口与毫米波基站或eNodeB进行通信。由于毫米波通信吉比特每秒(Gbps)级别的通信速率将比现在的4G-LTE系统下百兆级别的速率至少增加10倍，因此使得(半)自动驾驶成为可能。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据本公开一种实施例的车载通信装置的示意框图。
图2示出根据本公开一种实施例的毫米波基站和eNodeB基站的部署示意图。
图3示出根据本公开一种实施例的毫米波基站的示意框图。
图4示出了进行扇区扫描处理的示意框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
图1是根据本公开一种实施例的车载通信装置的示意框图，如图1所示，该装置包括：第一通信接口11，用于与eNodeB进行通信；第二通信接口12，用于与毫米波基站进行通信；检测模块13，用于检测车辆是否驶入所述毫米波基站的覆盖范围并检测所述车辆周围的障碍物情况；切换模块14，用于基于所述检测模块13的检测结果在所述第一通信接口11与所述第二通信接口 12之间进行切换。
通过采用上述技术方案，由于切换模块14能够基于所述检测模块13的检测结果在所述第一通信接口11与所述第二通信接口12之间进行切换，这样就能够在合适的环境下使用合适的接口与毫米波基站或eNodeB进行通信。由于毫米波通信吉比特每秒(Gbps)级别的通信速率将比现在的4G-LTE系统下百兆级别的速率至少增加10倍，因此使得(半)自动驾驶成为可能。
在一种可能的实施方式中，所述切换模块14用于：在所述检测模块13 检测到所述车辆驶入所述毫米波基站的覆盖范围且所述车辆周围无明显障碍物时，将所述车载通信装置切换成由所述第二通信接口12与所述毫米波基站进行通信；以及在所述检测模块13检测到所述车辆离开所述毫米波基站的覆盖范围或者所述车辆周围有明显障碍物时，将所述车载通信装置切换成由所述第一通信接口11与所述eNodeB进行通信。这样既能够充分地利用毫米波通信技术，又能够避免毫米波通信受环境影响的缺陷。
以图2所示的毫米波基站和eNodeB基站的部署为例，当车辆驶入毫米波基站的覆盖范围内且车辆周围没有明显障碍物时，选择由第二通信接口12 与所述毫米波基站进行通信，因为在这种情况下，能够利用毫米波通信使传输速率得到很大提高。然而，如果车辆正在离开毫米波基站的覆盖范围，那么在这种情况下用毫米波通信不能很好地传输数据，或者虽然车辆当前位于毫米波基站的覆盖范围，但是车辆周围有明显的障碍物，那么在这种情况下会因障碍物遮挡造成毫米波通信效率的降低，所以在这些情况下，选择由第一通信接口11与所述eNodeB进行通信。
图3示出根据本公开一种实施例的毫米波基站的示意框图，如图3所示，该毫米波基站包括：扇区选择模块31，用于选择具有最高信号强度的扇区；收发模块32，用于利用所述扇区选择模块31选择的扇区向车辆的车载通信装置发送信号，其中所述车载通信装置包括第一通信接口和第二通信接口，所述第一通信接口用于与eNodeB进行通信，所述第二通信接口用于与毫米波基站进行通信。
通过采用上述技术方案，由于能够选择具有最高信号强度的扇区，并利用所选择的扇区向车辆的车载通信装置发送信号，所以能够确保接收端接收信号最优。
可选地，所述扇区选择模块31可以基于接收信号强度指示和信噪比来选择具有最高信号强度的扇区。但是本领域技术人员应当理解的是，扇区选择模块31选择具有最高信号强度的扇区的标准并不局限于接收信号强度指示和信噪比，在本公开中，仅是以这两个参数为例进行说明而已。
以下举例说明如何选择扇区。
目前，只有少数现成的设备支持IEEE 802.11ad。其中一个设备是Talon AD7200路由器，它采用高通公司的QCA9500 FullMAC IEEE 802.11ad Wi-Fi芯片，通控制与之相连天线阵列(由32个天线元件组成的)上每个阵列上的相移和幅度来进行波束赋形。该芯片具备两个ARC600处理器，分别用于实时(ucode处理器)和其他MAC层操作(固件处理器)，固件实现了对天线阵列的完全控制和对协议帧的处理。
默认的固件既不提供对扇区扫描信息的访问，它也不允许修改扇区选择。这里需要对现有固件进行越狱做适当的修改，旨在从用户空间启用这两个功能。在图4中访问扇区信息、设置扇区ID、使能扇区选择这3个模块为需要添加的功能，其他部分为原先存在的扇区扫描处理。原始固件接收到扇区扫描帧(SSW)，从中获取接收信号强度指示(RSSI)和信噪比(SNR)两个指标，以此作为判断标准来选择具有最高信号强度的扇区，我们修改固件以提取每个扇区的两个测量值并存储在可供用户读取的户空间读取缓冲区。
在原始固件状态下，我们不能直接选择扇区进行传输，为此在原始版本中添加了一个开关来选择是使用由固件原始算发所选的扇区，或是从用户空间设置的自定义值。在任何一种情况下，扇区ID都被复制到由响应者发送的SSW帧、SSW确认帧、发起者发送的SSW反馈帧。由于我们可以修改所有帧中的反馈，因而可以控制发起者和响应者的扇区选择。
在又一种可能的实施方式中，所述扇区选择模块32可以利用下述算法来选择具有最高信号强度的扇区：
首先，探测所有M个扇区获得M个接收信号的强度值pm,其中m∈[1,M], 行向量
Figure GDA0003526634050000061
并假设期望的三维波束图谱为
Figure GDA0003526634050000062
其中φ为方位角，θ为俯仰角；
然后，利用下述公式求所述行向量
Figure GDA0003526634050000063
的归一化向量和所述期望的三维波束图谱
Figure GDA0003526634050000064
的归一化向量的相关值：
Figure GDA0003526634050000065
其中，
Figure GDA0003526634050000066
代表向量
Figure GDA0003526634050000067
和向量
Figure GDA0003526634050000068
的内积；
然后，利用所述相关值W(φ,θ)的最大值来判定一系列离散的方位角φ和俯仰角θ中符合下述要求的
Figure GDA0003526634050000071
Figure GDA0003526634050000072
然后，利用下述公式根据
Figure GDA0003526634050000073
的值来选择在其上能够获得最大接收信号强度的扇区的编号
Figure GDA0003526634050000074
Figure GDA0003526634050000075
其中，n表示扇区的编号，
Figure GDA0003526634050000076
表示能够获得最大接收信号强度的扇区的编号，xn表示扇区n的接收信号强度。
上述扇区选择算法是一种压缩扇区选择算法，其没有使用随机光束模式，而是使用了表现良好的扇区的波束模式。即使用了IEEE 802.11ad芯片中的定义好的波束图谱，而不是使用随机光束和基于几何天线布局的理论光束模式。IEEE 802.11ad系统在发射端使用定向天线来集中发射功率发送到接收端，为了改变这些天线的辐射方向图并在运行期间实现波束控制，制造商采用天线阵列，提供可编程接口，以离散步长改变每个天线单元的增益和相位。搜索所有波束组合会产生巨大的搜索空间。因此，实际的IEEE 802.11ad系统使用一组预定波束模式，即所谓的扇区。
由于IEEE 802.11ad芯片中的定义好的波束图谱是二维的，所以需要重新测量天线波束图谱，以便在三维空间进行进一步的测量优化，获得所有扇区在方位角
Figure GDA0003526634050000077
和俯仰角θ上测量的球形SNR(或RSSI)天线方向图，进而更加反应真实的环境。以下描述如何构建三维天线波束图谱。
首先，如果要启动两个IEEE 802.11ad节点之间的通信，两者都必须找到提供最佳增益的天线扇区来建立链接。由于接入端(AP)不知道最佳扇区，他们会定期向潜在客户端通知，在多个扇区上连续发送信标帧。在建立连接后，IEEE 802.11ad节点需要周期性更新其扇区选择，对可能损害先前信号质量的环境变化或设备移动做出反应，这个过程叫做扇区扫描。为了搞清楚IEEE 802.11ad芯片中哪些扇区是用来扫描的，本申请的发明人部署了三台设备：一台处于AP模式，另一个处于管理模式并已建立两者之间的联系，第三个处于监控模式，来捕获所有接收到的信标和扇区扫描帧。对捕获帧分析发现，扇区ID为1-31，61，62，63为扇区扫描帧，则将获取这些扇区扫描帧的信息，并对这些扇区进行波束图谱分析。
了解上述扇区的辐射模式对使用路径跟踪算法进行最佳选择至关重要。天线方向图的形状很大程度上取决于天线的形状周围的几何形状和物体。设备封装和天线在设备内的放置位置也会影响辐射特性。因此，要获得设备特定条件下的辐射模式，本公开的发明人使用两台IEEE 802.11ad芯片设备在微波暗室中进行了测量，这样消除了反射和多路径影响。在IEEE 802.11ad 芯片上安装了一个配有带微小步进的步进电机的旋转头，支持在方位角上获得高旋转精度。在距离3处米放置了第二个IEEE 802.11ad芯片。使两台设备建立连接，使它们执行扇区扫描并保持连接存活，获取各个扇区扫描帧的信息(RSSI和SNR)。为了控制测试台，可以设置为2.4GHz网络在PC上远程启动IEEE 802.11ad芯片路由器上的实验，通过ssh连接执行命令，通过USB控制旋转头中的步进电机。
为了将二维平面的天线扇区图谱映射到三维空间，需要手动将旋转头从 0°倾斜到例如32.4°，步长例如为3.6；但将方位角限制在为例如±90°之间，以例如1.8°的步长重复一遍上述测量。
这样，就能够将搜索空间扩展到三维模式，以适应真实的环境。
根据本公开的又一实施例，提供一种车载通信系统，包括：根据前述实施例所述的车载通信装置；以及根据前述实施例所述的毫米波基站；以及 eNodeB，用于在所述车载通信装置被切换为与所述eNodeB进行通信时，与所述车载通信装置进行通信。
可选地，所述毫米波基站通过回程链路与所述eNodeB相连。
可选地，所述eNodeB使用6GHz以下的频段进行通信。
根据本公开的又一实施例，提供一种车辆，包括根据前述实施例所述的车载通信装置。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (7)

1.一种毫米波基站，其特征在于，包括：
扇区选择模块，用于选择具有最高信号强度的扇区；
收发模块，用于利用所述扇区选择模块选择的扇区向车辆的车载通信装置发送信号，其中所述车载通信装置包括第一通信接口和第二通信接口，所述第一通信接口用于与eNodeB进行通信，所述第二通信接口用于与毫米波基站进行通信；
所述扇区选择模块利用下述算法来选择具有最高信号强度的扇区：
探测所有M个扇区获得M个接收信号的强度值pm,其中m∈[1,M],行向量
Figure FDA0003526634040000011
并假设期望的三维波束图谱为
Figure FDA0003526634040000012
其中φ为方位角，θ为俯仰角；
利用下述公式求所述行向量
Figure FDA0003526634040000013
的归一化向量和所述期望的三维波束图谱
Figure FDA0003526634040000014
的归一化向量的相关值：
Figure FDA0003526634040000015
其中，
Figure FDA0003526634040000016
代表向量
Figure FDA0003526634040000017
和向量
Figure FDA0003526634040000018
的内积；
然后利用所述相关值W(φ,θ)的最大值来判定一系列离散的方位角φ和俯仰角θ中符合下述要求的
Figure FDA0003526634040000019
Figure FDA00035266340400000110
然后，利用下述公式根据
Figure FDA00035266340400000111
的值来选择在其上能够获得最大接收信号强度的扇区的编号
Figure FDA00035266340400000112
Figure FDA00035266340400000113
其中，n表示扇区的编号，
Figure FDA00035266340400000114
表示能够获得最大接收信号强度的扇区的编号，xn表示扇区n的接收信号强度。
2.根据权利要求1所述的毫米波基站，其特征在于，所述扇区选择模块基于接收信号强度指示和信噪比来选择具有最高信号强度的扇区。
3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的毫米波基站，其特征在于，所选择的扇区的编号被复制到由毫米波通信中的响应者发送的扇区扫描帧、扇区扫描确认帧以及由所述毫米波通信中的发起者发送的扇区扫描反馈帧。
4.一种车载通信系统，其特征在于，包括：
车载通信装置，该车载通信装置包括第一通信接口、第二通信接口、检测模块和切换模块，其中，所述第一通信接口用于与eNodeB进行通信，所述第二通信接口用于与毫米波基站进行通信，所述检测模块用于检测车辆是否驶入所述毫米波基站的覆盖范围并检测所述车辆周围的障碍物情况，所述切换模块用于基于所述检测模块的检测结果在所述第一通信接口与所述第二通信接口之间进行切换；以及
根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波基站；以及
eNodeB，用于在所述车载通信装置被切换为与所述eNodeB进行通信时，与所述车载通信装置进行通信。
5.根据权利要求4所述的车载通信系统，其特征在于，所述毫米波基站通过回程链路与所述eNodeB相连。
6.根据权利要求4所述的车载通信系统，其特征在于，所述eNodeB使用6GHz以下的频段进行通信。
7.根据权利要求4所述的车载通信系统，其特征在于，所述切换模块用于：
在所述检测模块检测到所述车辆驶入所述毫米波基站的覆盖范围且所述车辆周围无明显障碍物时，将所述车载通信装置切换成由所述第二通信接口与所述毫米波基站进行通信；以及
在所述检测模块检测到所述车辆离开所述毫米波基站的覆盖范围或者所述车辆周围有明显障碍物时，将所述车载通信装置切换成由所述第一通信接口与所述eNodeB进行通信。
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