CN109982414B - 一种多天线通信系统的目标通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线通信系统的目标通信方法,包括以下步骤：S1.多天线通信系统以球系坐标系将方位0~360°，负仰角到90°仰角覆盖的空域按照波束宽度划分成P个波位，每个波位对应多天线通信系统的一套加权系数矩阵Wp，其中p∈[1,P]；多天线系统通过为波束配置加权系数矩阵，使得波束工作于对应的波位上；S2.多天线通信系统将一个无线帧周期划分为L个时隙，包括L1个上行时隙和L2下行时隙，并按顺序进行编号；S3.根据波位和时隙的划分，实现多天线通信系统与目标之间的通信，通信模式包括扫描模式、跟踪模式和全景模式。本发明将扫描波束、跟踪波束与全景波束相结合，兼顾保障了全空域的用户接入与用户传输服务，提高了多天线通信系统下用户接入的速度。

Description

一种多天线通信系统的目标通信方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种多天线通信系统的目标通信方法。

背景技术

多天线的通信系统受到了人们极大地重视，因为相对于传统的单天线通信系统而言，多天线通信系统所形成的多个窄波束能极大地提高数据传输速率或传输距离，在通信领域有着非常重要的作用。在目前的多天线通信系统中，主要采用全向/定向模式以轮询/竞争的方式接入用户，未进一步优化设计波束的空时资源分配，难以兼顾全空域内的新用户发现与用户传输服务，导致未能充分发挥多天线通信系统的接入能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多天线通信系统的目标通信方法，通过特殊的无线帧结构设计与接入流程设计，使空间运动中的无线通信目标可以在一个无线帧周期内与通信系统完成一次信息交互；同时将扫描波束、跟踪波束与全景波束相结合，兼顾保障了全空域的新用户发现与用户传输服务，提高了多天线通信系统下用户接入的速度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多天线通信系统的目标通信方法，包括以下步骤：

S1.多天线通信系统以球系坐标系将方位0~360°，负仰角到90°仰角覆盖的空域按照波束宽度划分成P个波位，每个波位对应多天线通信系统的一套加权系数矩阵Wp，其中p∈[1,P]；多天线系统通过为波束配置加权系数矩阵，使得波束工作于对应的波位上；

S2.多天线通信系统将一个无线帧周期划分为L个时隙，包括L1个上行时隙和L2下行时隙，并按顺序进行编号；

S3.根据波位和时隙的划分，实现多天线通信系统与目标之间的通信，通信模式包括扫描模式、跟踪模式和全景模式。

进一步地，所述步骤S2中，双工体制为TDD模式时L1+L2=L；双工体制为FDD模式时L1=L2=L；且时隙编号随无线帧周期循环递增。

进一步地，所述扫描模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：

对于多天线通信系统的每一个波束，选择多个加权系数矩阵组成一个子集Qn，n∈[1,N]，不同的波束对应于不同的子集，N表示多天线系统总的波束个数；

将一个无线帧周期内的所有时隙配置成L3个波位，L3<=min(L1、L2)，每一个波位对应不少于1个上行时隙和不少于1个下行时隙，且上下行时隙编号自由分配，为保证无线通信目标接收到下行时隙后，在规定的上行时隙内发送响应信息，每个下行时隙的需要包含本下行时隙的所对应的上行时隙的编号；

在波束扫描过程中，每个波束的加权系数矩阵在其所对应的子集内切换从而实现波位切换：如果L3大于等于Qn内的波位个数，则收发时隙依次循环更新设置对应子集内波位的加权系数矩阵；如果L3小于Qn内的波位个数，则下一个无线帧内的收发时隙继续更新设置对应子集剩下的波位加权系数矩阵。

进一步地，所述跟踪模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：

多天线通信系统通过波束的上行时隙得到目标的位置信息，以此更新出目标在下一个无线帧周期中各个时隙的加权系数矩阵，于是在下一个无线帧周期到来时，每个时隙按时间顺序依次更新配置加权系数矩阵。

进一步地，所述全景模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：使波束的数目N与波位的总数P相等，根据各个波位所对应的加权系数矩阵，为每个波位配置一个波束；N个波束足以刚好覆盖所要求的全部空域范围，各个波束的加权系数矩阵无需更新。

所述步骤S3中，扫描模式、跟踪模式和全景模式的配合方式包括：

在波束扫描模式下发现无线通信目标的存在与接入时，切换成波束跟踪模式对某个重要无线通信目标进行波束跟踪与通信服务；

当波束处于跟踪模式时，调度无线帧周期内的部分时隙维持扫描模式；

在波束全景模式下快速发现近距离的多个无线通信目标，并进行接入时；部分波束切换成跟踪模式进行波束跟踪与通信服务，另一部分波束则切换成扫描模式为无线通信目标提供接入与通信服务。

本发明的有益效果是：本发明通过特殊的无线帧结构设计与接入流程设计，使空间运动中的无线通信目标可以在一个无线帧周期内与通信系统完成一次信息交互；同时将扫描波束、跟踪波束与全景波束相结合，兼顾保障了全空域的新用户发现与用户传输服务，提高了多天线通信系统下用户接入的速度。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为实施例中多天线通信系统提供N个定向数字波束的示意图；

图3为实施例中波位划分的原理示意图；

图4为实施例中波位划分的空间位置示意图；

图5为实施例中时分双工(TDD)和频分双工(FDD)通信系统下的时隙配置示意图；

图6为实施例中扫描模式下的接入流程示意图；

图7为实施例中全景模式下的空域覆盖示意图；

图8为实施例中基于定向多波束通信系统TDD模式的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种多天线通信系统的目标通信方法，包括以下步骤：

S1.多天线通信系统以球系坐标系将方位0~360°，负仰角到90°仰角覆盖的空域按照波束宽度划分成P个波位，每个波位对应多天线通信系统的一套加权系数矩阵Wp，其中p∈[1,P]；多天线系统通过为波束配置加权系数矩阵，使得波束工作于对应的波位上；在本申请的实施例中，上述负仰角可以是任一角度的负仰角，具体角度可根据情况自行设置，多天线通信系统提供N(N≥1)个定向数字波束如图2所示；波位划分的原理如图3所示，波位划分的空间位置如图4所示；

S2.多天线通信系统将一个无线帧周期划分为L个时隙，包括L1个上行时隙和L2下行时隙，并按顺序进行编号；

S3.根据波位和时隙的划分，实现多天线通信系统与目标之间的通信，通信模式包括扫描模式、跟踪模式和全景模式。

其中，所述步骤S2中，双工体制为TDD模式时L1+L2=L；双工体制为FDD模式时L1=L2=L；且时隙编号随无线帧周期循环递增。在本申请的实施例中，每个波束对应的无线帧承载的信息可以完全不同，通过加载不同的加权矩阵，每个波束之间互不影响。

所述扫描模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：

对于多天线通信系统的每一个波束，选择多个加权系数矩阵组成一个子集Qn，n∈[1,N]，不同的波束对应于不同的子集，N表示多天线系统总的波束个数；

将一个无线帧周期内的所有时隙配置成L3个波位，L3<=min(L1、L2)，每一个波位对应不少于1个上行时隙和不少于1个下行时隙，且上下行时隙编号自由分配，为保证无线通信目标接收到下行时隙后，在规定的上行时隙内发送响应信息，每个下行时隙的需要包含本下行时隙的所对应的上行时隙的编号；在本申请的实施例中，时分双工(TDD)和频分双工(FDD)通信系统下的时隙配置示意图如图5所示，多天线通信系统与一个无线通信目标在一个无线帧周期内可以完成一次信息交互。通过将每个波束内的一个无线帧周期的上行时隙#1和下行时隙#1配置成同一个波位，即对应于同一套加权系数矩阵Wp，即可使该无线帧结构具备帧周期内进行一次信息交互的能力；多天线通信系统与多个无线通信目标在一个无线帧周期内可以完成一次信息交互。举例说明：通过将每个波束内的一个无线帧周期的上行时隙#1和下行时隙#1配置成同一个波位；上行时隙#2和下行时隙#2配置成同一个波位；上行时隙#3和下行时隙#3配置成同一个波位，以此类推，即可使多天线通信系统与多个无线通信目标在一个无线帧周期内完成一次信息交互。

在波束扫描过程中，每个波束的加权系数矩阵在其所对应的子集内切换从而实现波位切换：如果L3大于等于Qn内的波位个数，则收发时隙依次循环更新设置对应子集内波位的加权系数矩阵；如果L3小于Qn内的波位个数，则下一个无线帧内的收发时隙继续更新设置对应子集剩下的波位加权系数矩阵。

在本申请的实施例中，扫描模式下的接入流程如图6所示，通过时隙控制、收发切换控制、加权系数矩阵控制，完成定向波束的波位扫描与无线信号收发，具体流程为：

步骤1：定向多波束通信系统将时隙#1设置为下行时隙，分配波束1，并设置加权系数矩阵W1；

步骤2：将时隙#2设置为下行时隙，分配波束1，并设置加权系数矩阵W2；

步骤3：将时隙#3设置为下行时隙，分配波束1，并设置加权系数矩阵W3；

步骤4：连续将时隙#4、#5设置为上行时隙，分配波束1，并设置加权系数矩阵W1，如此可以接收波位1的应答信息；

步骤5：连续将时隙#6、#7、#8、#9设置为上行时隙，分配波束1，并设置加权系数矩阵W2，如此可以接收波位2的应答信息；

步骤6：连续将时隙#10设置为上行时隙，分配波束1，并设置加权系数矩阵W3，如此可以接收波位3的应答信息。

步骤7：重复M次步骤1~6即可使波束1完成3个负责空域的扫描接入与通信服务。

所述跟踪模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：

多天线通信系统通过波束的上行时隙得到目标的位置信息，以此更新出目标在下一个无线帧周期中各个时隙的加权系数矩阵，于是在下一个无线帧周期到来时，每个时隙按时间顺序依次更新配置加权系数矩阵。

在本申请的实施例中，跟踪模式的工作流程，通过时隙控制、收发切换控制、加权系数矩阵控制，完成定向波束对目标的跟踪，具体流程为：

步骤1：波束1完成对目标1的接入，此时波束1的加权系数矩阵为W1，波束2配置加权系数矩阵W1，完成对目标1的同步接入，并获取目标1下一个无线帧周期10个时隙的Wnext1~ Wnext10；

步骤2：等待下一个子帧开始，波束1按照扫描模式工作，波束2按照跟踪模式工作；

步骤3：时隙1~3设置为下行时隙，分配波束2，并对应设置加权系数矩阵W1~W3;

步骤4：时隙4~10设置为上行时隙，分配波束2，并对应设置加权系数矩阵W4~W10;

步骤5：通过上行时隙，根据目标运动轨迹，计算得到目标1下一个无线帧周期10个时隙的Wnext1~ Wnext10;

步骤6：重复步骤3~5，维持跟踪模式。

所述全景模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：使波束的数目N与波位的总数P相等，根据各个波位所对应的加权系数矩阵，为每个波位配置一个波束；N个波束足以刚好覆盖所要求的全部空域范围，各个波束的加权系数矩阵无需更新。

在本申请的实施例中，全景模式的工作流程，通过时隙控制、收发切换控制、权加权系数矩阵控制，完成对全空域所有目标的接入与通信，具体流程：

步骤1：配置N个波束的加权系数矩阵，波束1配置W1、波束2配置W2……波束N配置WN，实现的空域覆盖如图7所示，即所有波束刚好覆盖了全部空域；

步骤2：对于每个无线帧周期，每个波束配置的加权系数矩阵都保持不变；

步骤3：每个波束按照相同的上下行时隙配比，进行收发切换；

步骤4：重复M个无线帧周期，N个波束的后端联合处理多个无线通信目标的接入信息。

在本申请的实施例中，波束扫描模式与波束跟踪模式可以配合执行，在波束扫描模式下发现无线通信目标的存在与接入，然后切换成波束跟踪模式对某个重要无线通信目标进行波束跟踪与通信服务。

在本申请的实施例中，当波束处于跟踪模式时，可以调度无线帧周期内的部分时隙维持扫描模式，即波束根据所处时隙切换成跟踪模式、扫描模式、跟踪模式、扫描模式、……、跟踪模式、扫描模式。

在本申请的实施例中，波束全景模式、波束扫描模式与波束跟踪模式可以配合执行，在波束全景模式下快速发现近距离的多个无线通信目标，并进行接入；部分波束切换成跟踪模式进行波束跟踪与通信服务，另一部分波束则切换成扫描模式为无线通信目标提供接入与通信服务。

在本申请的实施例中，TDD系统中，不同波束的上下行时隙配比需要完全相同，FDD系统中，不同波束下配对的时隙可以相互独立。在本申请的实施例中，如果需要扫描更多空域，可采取两种方法：1)在一个无线帧周期内增加时隙数量；2)相邻无线帧周期扫描不同波位。图8给出了基于定向多波束通信系统TDD模式的工作示意图，波束1在负责4个空域的扫描，需要配置4个波位；波束2负责2个空域的扫描，需要配置2个波位；波束3负责1个空域的扫描，需要配置1个波位；波束4负责1个目标的跟踪，与波束3不同之处在于，波束4需根据目标移动，逐时隙改变加权系数矩阵。

综上，本发明通过特殊的无线帧结构设计与接入流程设计，使空间运动中的无线通信目标可以在一个无线帧周期内与通信系统完成一次信息交互；同时将扫描波束、跟踪波束与全景波束相结合，兼顾保障了全空域的新用户发现与用户传输服务，提高了多天线通信系统下用户接入的速度。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多天线通信系统的目标通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.多天线通信系统以球系坐标系将方位0～360°，负仰角到90°仰角覆盖的空域按照波束宽度划分成P个波位，每个波位对应多天线通信系统的一套加权系数矩阵Wp，其中p∈[1,P]；多天线系统通过为波束配置加权系数矩阵，使得波束工作于对应的波位上；

S2.多天线通信系统将一个无线帧周期划分为L个时隙，包括L1个上行时隙和L2下行时隙，并按顺序进行编号；

S3.根据波位和时隙的划分，实现多天线通信系统与目标之间的通信，通信模式包括扫描模式、跟踪模式和全景模式；

所述扫描模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：

对于多天线通信系统的每一个波束，选择多个加权系数矩阵组成一个子集Qn，n∈[1,N]，不同的波束对应于不同的子集，N表示多天线系统总的波束个数；

将一个无线帧周期内的所有时隙配置成L3个波位，L3<＝min(L1、L2)，每一个波位对应不少于1个上行时隙和不少于1个下行时隙，且上下行时隙编号自由分配，为保证无线通信目标接收到下行时隙后，在规定的上行时隙内发送响应信息，每个下行时隙的需要包含本下行时隙的所对应的上行时隙的编号；

在波束扫描过程中，每个波束的加权系数矩阵在其所对应的子集内切换从而实现波位切换：

如果L3大于等于Qn内的波位个数，则收发时隙依次循环更新设置对应子集内波位的加权系数矩阵；如果L3小于Qn内的波位个数，则下一个无线帧内的收发时隙继续更新设置对应子集剩下的波位加权系数矩阵；

所述跟踪模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：

多天线通信系统通过波束的上行时隙得到目标的位置信息，以此更新出目标在下一个无线帧周期中各个时隙的加权系数矩阵，于是在下一个无线帧周期到来时，每个时隙按时间顺序依次更新配置加权系数矩阵；

所述全景模式下，多天线通信系统与目标之间的通信包括以下子步骤：使波束的数目N与波位的总数P相等，根据各个波位所对应的加权系数矩阵，为每个波位配置一个波束；N个波束足以刚好覆盖所要求的全部空域范围，各个波束的加权系数矩阵无需更新。

2.根据权利要求1所述的一种多天线通信系统的目标通信方法，其特征在于：所述步骤S2中，双工体制为TDD模式时L1+L2＝L；双工体制为FDD模式时L1＝L2＝L；且时隙编号随无线帧周期循环递增。

3.根据权利要求1所述的一种多天线通信系统的目标通信方法，其特征在于：所述步骤S3中，扫描模式、跟踪模式和全景模式的配合方式包括：

在波束扫描模式下发现无线通信目标的存在与接入时，切换成波束跟踪模式对某个重要无线通信目标进行波束跟踪与通信服务；

当波束处于跟踪模式时，调度无线帧周期内的部分时隙维持扫描模式；

在波束全景模式下快速发现近距离的多个无线通信目标，并进行接入时；部分波束切换成跟踪模式进行波束跟踪与通信服务，另一部分波束则切换成扫描模式为无线通信目标提供接入与通信服务。

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