CN112188392B - 一种无线设备波束调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体为一种无线设备波束调节方法，包括：S100：休眠前，获取设备姿态数据以及波束方向，并启动位移传感器进行位移检测；S200：唤醒后，再次获取设备姿态数据，同时获取位移传感器检测的到位置变化矢量；S300：计算休眠前和唤醒后的姿态差异值和位移差异值；S400：判断姿态差异值是否超出姿态阈值范围或位移差异值是否超出位移阈值范围，若是，则执行S500；若否则执行S600；S500：调整增加波束宽度；S600：调整接收波束方向为休眠前的波束方向。本申请的无线设备波束调节方法，能够解决休眠期间设备姿态和位置变化而导致设备唤醒后容易丢失接收信号，需要重新执行最佳波束搜索过程，造成额外开销和功耗增加的问题。

Description

一种无线设备波束调节方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体为一种无线设备波束调节方法。
背景技术
随着无线通信技术迈向5G，为了提高整个系统容量和设备通信速率，波束赋形技术被广泛使用于网络终端设备。波束赋形技术采用阵列天线，可将原先全向天线能量汇聚特定方向，达到高增益效果；另外通过调节阵列天线内部各天线间的相位差，可以实现动态调整天线辐射主瓣方向，从而实现终端设备在移动变化的环境里动态调整波束方向，保持最佳波束方向的效果。
但是应用波束赋形技术会对周期性睡眠唤醒的网络终端设备造成不利影响。网络终端设备为了节省功耗，通常会在没有业务数据情况下按照一定周期进行睡眠，也就是不连续接收DRX(Discontinuous Reception)。终端进入睡眠后会关闭发射机和接收机，等到每个DRX周期的唤醒时刻到来，会主动监听基站是否有下行寻呼消息。如果有则快速接入，否则继续睡眠。使用波束赋形的终端进入睡眠后可能发生了姿态和位置的变化，导致睡眠前使用的波束失效，所以唤醒后需要终端重新进行波束搜索，进而造成额外开销和设备功耗。
发明内容
本发明意在提供一种无线设备波束调节方法，能够解决现有技术中由于休眠期间设备姿态和位置变化而导致设备唤醒后容易丢失接收信号，需要重新执行最佳波束搜索过程，造成额外开销和功耗增加的问题，能够使得设备在休眠周期唤醒后，快速搜索到最优波束，简化搜索过程，有效减小额外通信开销，快速恢复通信链路，同时降低设备功耗。
本申请提供如下技术方案：
一种无线设备波束调节方法，包括：
S100：休眠前，获取设备姿态数据以及波束方向，并启动位移传感器进行位移检测；
S200：唤醒后，再次获取设备姿态数据，同时获取位移传感器检测的到位置变化矢量；
S300：计算休眠前和唤醒后的姿态差异值和位移差异值；
S400：判断姿态差异值是否超出姿态阈值范围或位移差异值是否超出位移阈值范围，若是，则执行S500；若否则执行S600；
S500：调整增加波束宽度；
S600：调整接收波束方向为休眠前的波束方向。
进一步，所述S500中，接收波束的宽度根据姿态差异值和位移差异值计算得出。
进一步，所述S500中，按照以下步骤计算接收波束的宽度：
S501：计算姿态旋转造成的波束宽度调整量：
Figure BDA0002713776210000021
其中，Qd表示姿态差异值，Qd.vec表示Qd的矢量部分，Qd.w是Qd的标量部分，
Figure BDA0002713776210000022
为姿态旋转造成的波束宽度调整量；
S502：计算位移造成的波束宽度调整量：
Figure BDA0002713776210000023
其中，
Figure BDA0002713776210000024
表示垂直于原波束方向位移矢量，L为设备到基站距离，单位为千米，L根据以下公式计算得到：
L＝power(10，Loss/20-lg(Freq)-1.625)
其中Loss为信道衰减值，单位为dB，表示设备接收信号和基站发射信号差值；Freq为信号频率，单位MHz；
S503：根据S501和S502的计算结果，按照以下公式计算得到调整后的波束宽度：
Figure BDA0002713776210000025
其中，θ0表示休眠前使用的波束宽度，θ1表示调整后的波束宽度。
进一步，所述S100包括：
S101：根据姿态传感器获取设备在大地坐标系下的四元数；
S102：由四元数计算由大地坐标系转换到设备坐标系的第一旋转矩阵；
S103：获取基于设备坐标系的波束方向。
进一步，所述S600包括：
S601：根据当前姿态对应的四元数计算由大地坐标系转换到设备坐标系的第二旋转矩阵；
S602：根据休眠前波束在设备坐标系中的波束方向、第一旋转矩阵以及第二旋转矩阵计算波束调整后在设备坐标系中的波束方向：
B′＝RT*R′*B
其中，其中R是第一旋转矩阵，RT是R的转置矩阵；R′是第二旋转矩阵，B为休眠前波束在设备坐标系中的波束方向，B′为波束调整后在设备坐标系中的波束方向；
S603：根据S602计算结果对波束方向进行调整。
进一步，还包括S700：使用调整后的波束接收基站信号，判断位移差异值是否超过第二位移阈值范围，若是，则向基站发送上报信息，所述上报信息包括位移差异值、移动速度和移动方向。
进一步，所述S700中，使用物理上行共享信道或上线链路控制信道进行上报信息的发送。
进一步，还包括S800：基站根据上报信息调整发射波束扫描顺序，将预测最佳的候选波束放在高优先级。
进一步，还包括：
S900：判断信号通信质量是否在质量阈值范围内，若否则执行波束搜索。
进一步，本申请还公开了一种无线设备，使用了上述的无线设备波束调节方法。
本发明技术方案的有益效果为：
本发明技术方案中，基于对设备休眠前后姿态和位移的测量，来动态调整波束宽窄以及方向，在姿态或位移变化不大的情况下，调节波束方向来补偿设备姿态变化造成的波束改变，使得波束方向恢复到DRX睡眠前的方向，从而可以尽量避免设备唤醒后的重新搜索波束过程，达到减小额外通信开销，快速恢复通信链路，降低设备功耗的效果。
在姿态或位移变化较大情况下，因为设备接收的电磁信号除了直视径(基站和设备直连方向)以外还有很多反射路径，尤其是在建筑物密集，人口稠密的城市环境，更需要依靠反射路径接收信号。当设备姿态或位置变化后，其最强接收信号方向可能会随之变化，如果姿态或位移变化过大，甚至导致原先接收波束方向被自身遮挡，例如设备原先朝向基站的上表面翻转为背向基站。如果单纯的通过补偿接收波束角度实现角度的保持，则只是把电磁波的传播简单化为几何问题，忽视了无线通信的复杂性。简单依靠维持原有方向的接收波束，往往会造成信号质量恶化，甚至通信中断。此时，使用宽波束作为接收波束，可以使得无线设备在更大角度范围内捕获到基站通过直射或其它反射路径传输过来的信号，防止无线设备因为过大的转动角度或者移动位移丢失通信信号，从而确保终端唤醒后能够正确的接收到基站下发的PDCCH信道数据。
通过无线设备向基站上报位置移动大小，方向和速度等位移测量信息，基站可以据此调整波束扫描顺序，这种基于无线设备位置变化信息的波束扫描更容易快速确定最优的发射和接收波束，从而可以进一步减小延时，提高系统整体效率，降低设备功耗。
附图说明
图1为本申请一种无线设备波束调节方法实施例中的流程图；
图2为本申请一种无线设备波束调节方法实施例中设备休眠前的姿态示意图；
图3为本申请一种无线设备波束调节方法实施例中设备唤醒后设备调节波束方向后的姿态示意图；
图4为本申请一种无线设备波束调节方法实施例中设备唤醒后设备调节波束方向后的另一姿态示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本申请技术方案进行进一步详细说明：
实施例一
如图1和图2所示，本实施例公开了一种无线设备波束调节方法，包括以下步骤：
S100：休眠前，获取设备姿态数据以及波束方向，并启动位移传感器进行位移检测；本实施例中，设备姿态数据通过设备的姿态传感器进行获取，姿态传感器采用九轴陀螺仪，该陀螺仪包含：XYZ三轴加速度计，XYZ三轴角速度计和XYZ三轴磁力计。通过实时采集加速度，角速度和磁场数据，经过霍夫曼积分算法可以计算得到终端在大地坐标系下的四元数。该方法的优点是：1、姿态测量精度高，通过对磁场和重力方向的测量，可以不断修正累计误差，保持长期的测量精度；2、通过调整采样率可在功耗和测量精度进行平衡。
在本申请的其他实施例中，也可以采用基于倾角仪和磁力计进行姿态数据的检测，倾角仪利用重力感应原理测量物体相对水平面的倾斜状况；磁力计则可以测量物体在水平面内的偏转情况。二者结合起来，可以测量出物体在大地坐标系下三维的姿态，测量结果为欧拉角，通过数学运算可以转化为四元数。这种方法采用静态测量方式，不需要累计计算，只需要测量当前重力和磁力即可，所以在无线设备上使用这种方法测量姿态，DRX睡眠期间倾角仪和磁力计可以不工作，功耗更低。
本实施例中使用两个坐标系对设备姿态以及波束方向进行描述，一个是大地坐标系，大地坐标系是以重力竖直方向为Z轴，以地理经线为X轴，地理纬线为Y轴，无线设备所在位置为原点的地球坐标系，其XYZ轴标识为Xg，Yg和Zg。另一个是设备坐标系，本实施例中，姿态传感器和波束天线安装在无线设备的电路板上表面，分别选取电路板的长宽两个边的方向分别作为X轴和Y轴，标识为Xd和Yd。以从电路板下表面到上表面垂直穿过电路板的方向定义为Z轴，标识为Zd，以姿态传感器所在位置为原点，按照右手法则建立设备坐标系。
S100包括：
S101：根据姿态传感器获取设备在大地坐标系下的四元数Q，该值为包含4个数据的一维向量(q0，q1，q2，q3)；
S102：由四元数计算由大地坐标系(XgYgZg)转换到设备坐标系(XdYdZd)的第一旋转矩阵
Figure BDA0002713776210000051
S103：获取基于设备坐标系的波束方向，本实施例中，用矢量B表示休眠前，波束在设备坐标系下的波束方向。
S200：唤醒后，再次获取设备姿态数据Q′＝(q′0，q′1，q′2，q′3)，同时获取位移传感器检测的到位置变化矢量；
S300：计算休眠前和唤醒后的姿态差异值ΔQ和位移差异值ΔD；其中：
ΔQ＝|Q-1*Q′|
S400：判断姿态差异值ΔQ是否超出姿态阈值范围Qth或位移差异值ΔD是否超出位移阈值范围Dth，若是，则执行S500；若否则执行S600；
S500：调整波束为宽波束，即增加波束宽度；如图4所示，此时姿态差异值以较大，原先接收波束方向被设备自身遮挡，此时采用宽波束进行信号接收，本实施例中，接收波束的宽度根据休眠前后姿态变化情况和位移变化情况计算得出。具体的，按照以下步骤计算接收波束的宽度：
S501：首先计算姿态旋转造成的波束宽度调整量。
设休眠前使用波束的宽度为弧度θ0，姿态对应的四元数为Q，唤醒后对应的姿态四元数为Q′，则姿态变化表示为Qd＝Q-1*Q′，睡眠前后旋转的弧度表示为：
Figure BDA0002713776210000061
其中Qd.vec表示Qd的矢量部分，Qd.w是Qd的标量部分，也就是说Qd表示为(Qd.w，Qd.vec)。
S502：其次计算位移造成的波束宽度调整量。
设休眠前后位置变化对应的位移矢量为
Figure BDA0002713776210000062
其中
Figure BDA0002713776210000063
表示垂直于原波束方向位移矢量，
Figure BDA0002713776210000064
表示平行于原波束方向位移矢量。则位移造成的波束宽度调整量表示为：
Figure BDA0002713776210000065
其中L为设备到基站距离(单位千米)，该值可根据信道衰减值Loss(dB)计算得到，即：L＝power(10，Loss/20-lg(Freq)-1.625)；
其中Loss为信道衰减值，为设备接收信号和基站发射信号差值；Freq为信号频率，单位MHz。
S503：最后，根据上述旋转和位移造成的波束宽度量，得到调整后的波束宽度表示为：
Figure BDA0002713776210000066
S600：调整接收波束方向为休眠前的波束方向。
具体的，如图3所示，此时姿态差异值较小，通过恢复原波束方向的方式，使得波束方向与休眠前的波束方向相同，来快速恢复网络通信，S600包括：
S601：根据当前姿态对应的四元数Q′＝(q′0，q′1，q′2，q′3)计算由大地坐标系转换到设备坐标系的第二旋转矩阵
Figure BDA0002713776210000067
S602：根据休眠前波束在设备坐标系中的波束方向、第一旋转矩阵以及第二旋转矩阵计算波束调整后在设备坐标系中的波束方向：
B′＝RT*R′*B
其中，其中R是第一旋转矩阵，RT是R的转置矩阵；R′是第二旋转矩阵，B为休眠前波束在设备坐标系中的波束方向，B′为波束调整后在设备坐标系中的波束方向；
无线设备的波束控制过程其实就是调整波束在设备坐标系里的方向。以天线安装平面，也就是设备坐标系的XdYd平面为基准面，改变波束与Zd的夹角以及在XdYd平面的投影与Xd和Yd的夹角。因此，计算得到波束在设备坐标系的方向矢量可以方便后续对波束方向进行控制。
S603：根据S602计算结果对波束方向进行调整。
S700：使用调整后的波束接收基站信号，完成和基站的发射波束配对，完成DRX唤醒后的额接收并解码PDCCH信道数据。判断位移差异值是否超过第二位移阈值范围，若是，则向基站发送包含上报信息的消息，上报信息包括位移差异值、移动速度和移动方向。上报信息可以使用物理上行共享信道(PUSCH)或上线链路控制信道(PUCCH)进行发送。
S800：基站根据上报信息的位移差异值、移动速度和方向信息调整发射波束扫描顺序，将预测最佳的候选波束放在高优先级。这样基于无线设备位置变化信息的波束扫描相比原先顺序扫描，基站和网络终端设备更容易快速确定最优的发射和接收波束，可以进一步减小延时，提高系统整体效率，降低无线设备的功耗。
本实施例中还公开了一种无线设备，该无线设备使用了本实施例的无线设备波束调节方法。
实施例二
本实施例和实施例一的区别在于，本实施中，还包括S900：判断信号通信质量是否在质量阈值范围内，若否则执行波束搜索。通过波束进行信号接收后，启动接收信号质量测量，如果信号质量在质量阈值范围内，即高于质量阈值，则不进行波束搜索过程。如果信号质量不在质量阈值范围内，即低于通信质量阈值，则重新启动波束搜索过程，进而找到最优波束。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种无线设备波束调节方法，其特征在于：包括：
S100：休眠前，获取设备姿态数据以及波束方向，并启动位移传感器进行位移检测；
S200：唤醒后，再次获取设备姿态数据，同时获取位移传感器检测的到位置变化矢量；
S300：计算休眠前和唤醒后的姿态差异值和位移差异值；
S400：判断姿态差异值是否超出姿态阈值范围或位移差异值是否超出位移阈值范围，若是，则执行S500；若否则执行S600；
S500：调整增加波束宽度；
S600：调整接收波束方向为休眠前的波束方向；
所述S500中，接收波束的宽度根据姿态差异值和位移差异值计算得出；
所述S500中，按照以下步骤计算接收波束的宽度：
S501：计算姿态旋转造成的波束宽度调整量：
Figure FDA0003809106930000011
其中，Qd表示姿态差异值，Qd.vec.length表示Qd的矢量部分的长度，Qd.w是Qd的标量部分，
Figure FDA0003809106930000012
为姿态旋转造成的波束宽度调整量；
S502：计算位移造成的波束宽度调整量：
Figure FDA0003809106930000013
其中，
Figure FDA0003809106930000014
表示垂直于原波束方向位移矢量，L为设备到基站距离，单位为千米，L根据以下公式计算得到：
L＝power(10，Loss/20-lg(Freq)-1.625)
其中Loss为信道衰减值，单位为dB，表示设备接收信号和基站发射信号差值；Freq为信号频率，单位MHz；
S503：根据S501和S502的计算结果，按照以下公式计算得到调整后的波束宽度：
Figure FDA0003809106930000021
其中，θ0表示休眠前使用的波束宽度，θ1表示调整后的波束宽度。
2.根据权利要求1所述的一种无线设备波束调节方法，其特征在于：所述S100包括：
S101：根据姿态传感器获取设备在大地坐标系下的四元数；
S102：由四元数计算由大地坐标系转换到设备坐标系的第一旋转矩阵；
S103：获取基于设备坐标系的波束方向。
3.根据权利要求2所述的一种无线设备波束调节方法，其特征在于：所述S600包括：
S601：根据当前姿态对应的四元数计算由大地坐标系转换到设备坐标系的第二旋转矩阵；
S602：根据休眠前波束在设备坐标系中的波束方向、第一旋转矩阵以及第二旋转矩阵计算波束调整后在设备坐标系中的波束方向：
B′＝RT*R′*B
其中，其中R是第一旋转矩阵，RT是R的转置矩阵；R′是第二旋转矩阵，B为休眠前波束在设备坐标系中的波束方向，B’为波束调整后在设备坐标系中的波束方向；
S603：根据S602计算结果对波束方向进行调整。
4.根据权利要求3所述的一种无线设备波束调节方法，其特征在于：还包括S700：使用调整后的波束接收基站信号，判断位移差异值是否超过第二位移阈值范围，若是，则向基站发送上报信息，所述上报信息包括位移差异值、移动速度和移动方向。
5.根据权利要求4所述的一种无线设备波束调节方法，其特征在于：所述S700中，使用物理上行共享信道或上线链路控制信道进行上报信息的发送。
6.根据权利要求5所述的一种无线设备波束调节方法，其特征在于：还包括S800：基站根据上报信息调整发射波束扫描顺序，将预测最佳的候选波束放在高优先级。
7.根据权利要求1所述的一种无线设备波束调节方法，其特征在于：还包括：
S900：判断信号通信质量是否在质量阈值范围内，若否则执行波束搜索。
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