CN111294772B - 一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统及其方法，该系统包括设置在不同车辆上的发射机系统和接收机系统，所述发射机系统和所述接收机系统均包括车载可调节天线子系统、通信处理子系统、地图定位子系统以及智能控制子系统，并通过本发明的通信方法，使得该系统能够通过根据定位信息和接收性能信息调整发射天线阵和接收天线阵的方向角度，从而使发射波束对准接收天线阵，提升了传输性能。

Description

一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统及其方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统及其方法。
背景技术
点对点通信实现了任意两个用户之间的信息交换，用户间的信息传输可以通过有线或无线方式进行。对于采用无线通信技术的点对点无线通信系统，主要包括发射机和接收机两个部分，发射机和接收机之间的信息交换采用无线通信协议，如图1所示。根据传输业务的不同，可以采用窄带通信协议，也可以采用宽带通信协议，例如基于WiFi技术或LTE技术的宽带通信协议。
采用宽带通信协议的点对点无线通信系统通常用于传输多媒体业务，要求较高的业务传输速率。为了提高节点之间的传输速率，通常采用OFDM(正交频分多址)技术和MIMO(多输入多输出)技术。MIMO技术就是多天线技术，该技术通过在发射机和接收机装置多根天线组成的天线阵，利用无线信道的不相关性，提高了收发机之间的传输容量。在实际应用中，MIMO技术通常包括发送分集、空分复用和波束赋形等多天线方案。在波束赋形方案中，发射端通过预编码矩阵调节发送天线的波束方向，使波束方向对准接收天线，从而提高接收性能，如图2所示。
对于车载点对点传输系统，发射机和接收机可以分布装置在不同的车辆上，车与车之间通过无线传输实现业务交互。例如，对于分别装载发射机和接收机的两辆车，如果二者采用宽带通信协议，其中一辆车可以将视频等多媒体业务传输给另外一辆车。为了提高传输速率，发射机和接收机通常装置定向天线且采用波束赋形方案。在户外环境中，由于车辆通常处于移动状态，受到行进路线和所处地形的影响，造成发射机和接收机之间的波束无法对准，从而影响多媒体业务的传输性能，如图3所示。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统及其方法，针对户外移动环境下，车载点对点通信系统由于波束方向无法实时对准造成传输性能下降的问题，系统通过根据定位信息和接收性能信息调整发射天线阵和接收天线阵的方向角度，从而使发射波束对准接收天线阵，提升了传输性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统，该系统包括设置在不同车辆上的发射机系统和接收机系统，所述发射机系统和所述接收机系统均包括车载可调节天线子系统、通信处理子系统、地图定位子系统以及智能控制子系统；
所述车载可调节天线子系统位于车辆外侧顶部，主要包括天线阵、天线阵支架、机械旋转模块，发射机系统的天线阵用于射频信号的发射，接收机系统的天线阵用于射频信号的接收，机械旋转模块用于控制天线阵方向调节；
所述通信处理子系统包括基带处理模块和射频处理模块，对于发射机系统，所述通信处理子系统用于将源信息进行一系列基带处理，并将基带信号变换成射频信号传输给发射天线阵；对于接收机系统，所述通信处理子系统用于将天线阵接收到的射频信号进行中频处理和基带处理，解调出源信息，并在处理过程中测量相关的物理层性能；
所述地图定位子系统包括电子地图和GPS接收器，所述地图定位子系统用于获取发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，并传送给智能控制子系统；
所述智能控制子系统包括数据处理模块和数据存储模块，用于通过发送相关指令控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块。
优选地，对于所述发射机系统，所述智能控制子系统与地图定位子系统连接，所述智能控制子系统中的数据处理模块能够根据地图定位子系统提供的位置信息控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块进行方向调节；
对于所述接收机系统，所述智能控制子系统和地图定位子系统、通信处理子系统连接，所述智能控制子系统中的数据处理模块能够根据地图定位子系统提供的位置信息，以及通信处理子系统测量的物理层性能，控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块进行方向调节；所述数据存储模块存储地图定位子系统提供的发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，以及量化后的天线阵的方向角度信息。
优选地，所述数据存储模块存储地图定位子系统提供的发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，以及量化后的天线阵方向的角度信息。
优选地，GPS接收器装置设置在发射机系统和接收机系统所在的车辆上。
一种基于智能天线调节的车载点对点通信的方法，具体如下：
(1)对于发射机系统和接收机系统，地图定位子系统在预定时刻提供发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息给智能控制子系统；
(2)对于发射机系统和接收机系统，智能控制子系统的数据处理模块根据地图定位子系统实时提供的位置信息计算发射机系统和接收机系统所在车辆之间的方向角度，并与数据存储模块中存储的上一时刻的方向角度进行对比，如果二者不同，则智能控制子系统发送控制指令给车载可调节天线子系统，如果相同，则不发送控制指令；
(3)车载可调节天线子系统根据接收到的控制指令进行方向调节，对于发射机系统，使发射机系统的天线阵方向对准接收机系统所在的车辆；对于接收机系统，使接收机系统的天线阵方向对准发射机系统所在的车辆；
(4)对于接收机系统，以调节后的天线阵方向角度为基准，车载可调节天线子系统在预设的方向角度范围内根据通信处理子系统提供的物理层性能结果进行进一步调节；在预设的方向角度范围内，车载可调节天线子系统根据角度步长进行方向角度调节；在每个可遍历的角度上，接收机系统的通信处理子系统测量相关的物理层性能；在预设方向角度范围内，车载可调节天线子系统选择最优物理层性能对应的方向角度，并将天线阵方向调节至该角度；
(5)车载可调节天线子系统将确定的天线阵方向角度传输给智能控制子系统，数据存储模块中存储的方向角度根据接收到的方向角度进行更新；
(6)发射机系统和接收机系统的天线阵方向根据预设的时间间隔进行调节。
本发明的有益效果在于：
(1)该系统能够根据位置信息和接收性能结果自动寻找最优接收方向，提高了波束赋形的传输性能。
(2)接收天线阵能够根据位置信息进行粗调，进一步根据接收性能结果进行细调，粗细调节结合实现更优的方向调节。
(3)该系统能够智能调节天线方向，减少人工干预，提升了工作效率，节省了人工成本本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的车载点对点无线通信系统模型；
图2为现有的多天线波束赋形方案示意图；
图3为现有的行进路线对方向角度的影响示意图；
图4为本发明的发射机系统的系统框图；
图5为本发明的接收机系统的系统框图；
图6为本发明的通信方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图4和图5所示，本发明提供了一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统，该系统包括设置在不同车辆上的发射机系统和接收机系统，所述发射机系统和所述接收机系统均包括车载可调节天线子系统、通信处理子系统、地图定位子系统以及智能控制子系统；
所述车载可调节天线子系统位于车辆外侧顶部，主要包括天线阵、天线阵支架、机械旋转模块，发射机系统的天线阵用于射频信号的发射，接收机系统的天线阵用于射频信号的接收，机械旋转模块用于控制天线阵方向调节；其中天线阵通过馈线与通信处理子系统中的射频处理模块进行连接，天线阵支架用于固定天线阵，并与机械旋转模块进行固定连接，随着机械旋转模块带动天线阵方向的调节，机械旋转模块与智能控制模块进行连接。
所述通信处理子系统包括基带处理模块和射频处理模块，对于发射机系统，所述通信处理子系统用于将源信息进行一系列基带处理，并将基带信号变换成射频信号传输给发射天线阵；对于接收机系统，所述通信处理子系统用于将天线阵接收到的射频信号进行中频处理和基带处理，解调出源信息，并在处理过程中测量相关的物理层性能(这些物理层性能主要包括信道状态信息，接收信号功率信息，信号干扰噪声比等)；
对于所述发射机系统而言，源信息经过编码、星座图映射、预编码、资源映射、FFT变换、组帧形成时域基带信号，然后经过频谱搬移形成射频信号传输给发射机系统的天线阵；
对于所述接收机系统而言，接收机系统的天线阵接收到的射频信号送给射频模块进行频谱搬移处理，形成基带信号，基带信号经过时频变换、信道估计、均衡、解码处理步骤，解调出源信息，在处理过程中，接收机系统进行物理层指标测量，主要包括信干噪比和信道质量；
所述地图定位子系统包括电子地图和GPS接收器，所述地图定位子系统用于获取发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，并传送给智能控制子系统；GPS接收器装置设置在发射机系统和接收机系统所在的车辆上。
所述智能控制子系统包括数据处理模块和数据存储模块，用于通过发送相关指令控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块；对于所述发射机系统，所述智能控制子系统与地图定位子系统连接，所述智能控制子系统中的数据处理模块能够根据地图定位子系统提供的位置信息控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块进行方向调节；对于所述接收机系统，所述智能控制子系统和地图定位子系统、通信处理子系统连接，所述智能控制子系统中的数据处理模块能够根据地图定位子系统提供的位置信息，以及通信处理子系统测量的物理层性能控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块进行方向调节；所述数据存储模块存储地图定位子系统提供的发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，以及量化后的天线阵方向的角度信息。
进一步的，结合图6，本发明还提供了一种基于智能天线调节的车载点对点通信的方法，具体如下：
(1)对于发射机系统和接收机系统，地图定位子系统在预定时刻提供发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息给智能控制子系统；
(2)对于发射机系统和接收机系统，智能控制子系统的数据处理模块根据地图定位子系统实时提供的位置信息计算发射机系统和接收机系统所在车辆之间的方向角度，并与数据存储模块中存储的上一时刻的方向角度进行对比，如果二者不同，则智能控制子系统发送控制指令给车载可调节天线子系统，如果相同，则不发送控制指令；
(3)车载可调节天线子系统根据接收到的控制指令进行方向调节，对于发射机系统所在的车辆，使发射机系统的天线阵方向对准接收机系统所在的车辆；对于接收机系统所在的车辆，使接收机系统的天线阵方向对准发射机系统所在的车辆；
(4)对于接收机系统，以调节后的天线阵方向角度为基准，车载可调节天线子系统在预设的方向角度范围内根据通信处理子系统提供的物理层性能结果进行进一步调节；在预设的方向角度范围内，车载可调节天线子系统根据角度步长进行方向角度调节；在每个可遍历的角度上，接收机系统的通信处理子系统测量相关的物理层性能；在预设方向角度范围内，车载可调节天线子系统选择最优物理层性能对应的方向角度，并将天线阵方向调节至该角度；
(5)车载可调节天线子系统将确定的天线阵方向角度传输给智能控制子系统，数据存储模块中存储的方向角度根据接收到的方向角度进行更新；
(6)发射机系统和接收机系统的天线阵方向根据预设的时间间隔进行调节。
进一步的，根据上述的通信系统和方法，假设在户外环境下，车辆一装置发射机系统，车辆二装置接收机系统，发射机系统和接收机系统之间采用宽带通信协议，并传输视频业务。车辆一行驶在前，车辆二行驶在后，车辆一拍摄的视频通过发射机系统传输给车辆二上的接收机系统。由于视频业务，特别是高清视频需要较高的传输速率，因此发射机系统包括多根天线的用于发射的天线阵，接收机系统包括多根天线的用于接收的天线阵，二者之间采用MIMO 波束赋形方案，即发射机系统的天线阵形成的波束对准接收机系统的天线阵以提高传输速率。
车辆一和车辆二均装置可调节方向的天线阵，且天线阵均可在-180～180度范围内旋转(其旋转方式可采用现有的旋转装置，只要能保证旋转上述角度即可，本实施例不再对旋转装置的具体结构进行细述)。假设在初始时刻，车辆一和车辆二按照同一直线行驶，此时发射机系统的天线阵(即车辆一的天线阵) 方向正对车辆一的正后方，接收机系统的天线阵(即车辆二的天线阵)方向正对车辆二的正前方，按照坐标角度来说，车辆一的天线阵的角度为180或-180 度，车辆二的角度为0度；车辆一的天线阵和车辆二的天线阵的角度信息分别存储在各自的智能控制子系统的数据存储模块内。
从初始时刻开始，在到达预定的检测时刻时，发射机系统的地图定位子系统分别将车辆一和车辆二的定位信息发送给智能控制子系统的数据处理模块；数据处理模块将定位信息转化为二维坐标数据，并以车辆一的定位信息为原点，计算车辆二的方向角度；同样地，接收机系统也执行上述同样步骤，不同的是，接收机系统的数据处理模块以车辆二的定位信息为原点，计算车辆一的方向角度。
发射机系统和接收机系统的数据处理模块分别将计算的方向角度与数据存储模块内的初始方向角度做对比，如果二者不相同，则发送相应的控制指令给智能控制子系统；如果二者相同，则不发送控制指令。控制指令可以是新的方向角度，此时智能控制子系统需要具有角度测量和角度计算功能，自行根据新的方向角度计算需要进行逆时针或顺时针旋转，以及旋转的角度，机械旋转模块根据相应的计算结果进行旋转；控制指令也可以是旋转方向和旋转角度，此时不需要智能控制子系统进行相应的计算，机械旋转模块根据控制指令进行相应调节即可；注意的是，对于发射机系统而言，初始角度为180或-180度，顺时针旋转认为是在0～180度范围内旋转，逆时针旋转是在0～-180度范围内旋转；对于接收机系统而言，初始角度为0度，顺时针旋转认为是在0～-180 度范围内旋转，逆时针旋转是在0～180度范围内旋转。
对于接收机系统，智能控制子系统根据控制指令旋转到指定角度，假设该角度为N度，智能控制子系统可以进一步根据接收机系统测量的接收性能在N ±n度范围内进行调节，n为预设的调节范围；假设调节步长为1度，则在N ±n度范围的每一个角度上，接收机系统的天线阵接收发射机系统发射的射频信号，并传输给通信处理子系统进行处理，并进行接收性能测量，测量的接收性能传输给智能控制子系统进行存储，智能控制子系统在获得N+2n个测量结果后，选择最优的测量性能对应的角度，机械旋转模块则调节至该角度；可以看出，根据测量性能进行调节需要智能控制子系统具有相应的角度测量、角度计算和数据存储功能。
在到达每个预定时刻后，所述发射机系统和所述接收机系统都重复执行上述步骤。通过上述发射机系统的天线阵和接收机系统的天线阵的方向粗调，以及接收机系统的天线阵的方向细调，能够使发射波束与接收机系统的天线阵不断对齐，降低行驶路线传输性能的影响，获得更好的传输性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统，其特征在于，该系统包括设置在不同车辆上的发射机系统和接收机系统，所述发射机系统和所述接收机系统均包括车载可调节天线子系统、通信处理子系统、地图定位子系统以及智能控制子系统；
所述车载可调节天线子系统位于车辆外侧顶部，主要包括天线阵、天线阵支架、机械旋转模块，发射机系统的天线阵用于射频信号的发射，接收机系统的天线阵用于射频信号的接收，机械旋转模块用于控制天线阵方向调节；
所述通信处理子系统包括基带处理模块和射频处理模块，对于发射机系统，所述通信处理子系统用于将源信息进行一系列基带处理，并将基带信号变换成射频信号传输给发射天线阵；对于接收机系统，所述通信处理子系统用于将天线阵接收到的射频信号进行中频处理和基带处理，解调出源信息，并在处理过程中测量相关的物理层性能；
所述地图定位子系统包括电子地图和GPS接收器，所述地图定位子系统用于获取发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，并传送给智能控制子系统；
所述智能控制子系统包括数据处理模块和数据存储模块，用于通过发送相关指令控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块；
对于所述发射机系统，所述智能控制子系统与地图定位子系统连接，所述智能控制子系统中的数据处理模块能够根据地图定位子系统提供的位置信息控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块进行方向调节；
对于所述接收机系统，所述智能控制子系统和地图定位子系统、通信处理子系统连接，所述智能控制子系统中的数据处理模块能够根据地图定位子系统提供的位置信息，以及通信处理子系统测量的物理层性能，控制车载可调节天线子系统中的机械旋转模块进行方向调节；所述数据存储模块存储地图定位子系统提供的发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，以及量化后的天线阵的方向角度信息。
2.如权利要求1所述的一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统，其特征在于，所述数据存储模块存储地图定位子系统提供的发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息，以及量化后的天线阵方向的角度信息。
3.如权利要求1所述的一种基于智能天线调节的车载点对点通信系统，其特征在于，GPS接收器装置设置在发射机系统和接收机系统所在的车辆上。
4.一种基于智能天线调节的车载点对点通信的方法，应用于如权利要求1所述的车载点对点通信系统，其特征在于，具体如下：
（1）对于发射机系统和接收机系统，地图定位子系统在预定时刻提供发射机系统和接收机系统所在车辆的位置信息给智能控制子系统；
（2）对于发射机系统和接收机系统，智能控制子系统的数据处理模块根据地图定位子系统实时提供的位置信息计算发射机系统和接收机系统所在车辆之间的方向角度，并与数据存储模块中存储的上一时刻的方向角度进行对比，如果二者不同，则智能控制子系统发送控制指令给车载可调节天线子系统，如果相同，则不发送控制指令；
（3）车载可调节天线子系统根据接收到的控制指令进行方向调节，对于发射机系统，使发射机系统的天线阵方向对准接收机系统所在的车辆；对于接收机系统，使接收机系统的天线阵方向对准发射机系统所在的车辆；
（4）对于接收机系统，以调节后的天线阵方向角度为基准，车载可调节天线子系统在预设的方向角度范围内根据通信处理子系统提供的物理层性能结果进行进一步调节；在预设的方向角度范围内，车载可调节天线子系统根据角度步长进行方向角度调节；在每个可遍历的角度上，接收机系统的通信处理子系统测量相关的物理层性能；在预设方向角度范围内，车载可调节天线子系统选择最优物理层性能对应的方向角度，并将天线阵方向调节至该角度；
（5）车载可调节天线子系统将确定的天线阵方向角度传输给智能控制子系统，数据存储模块中存储的方向角度根据接收到的方向角度进行更新；
（6）发射机系统和接收机系统的天线阵方向根据预设的时间间隔进行调节。
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