CN114492968A - 天线最优朝向计算方法、装置、终端设备及存储介质 - Google Patents

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CN114492968A CN202210047460.4A CN202210047460A CN114492968A CN 114492968 A CN114492968 A CN 114492968A CN 202210047460 A CN202210047460 A CN 202210047460A CN 114492968 A CN114492968 A CN 114492968A
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Abstract

本发明涉及通信技术领域，公开了一种天线最优朝向计算方法、装置、终端设备及存储介质，方法包括：根据天线运动角度范围，获取样本角度；当天线运动至所述样本角度时，获取客户端接收到的信号强度；根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程；计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的角度得到天线最优朝向角度。本发明能够实现快速求解出天线的最优朝向，从而使客户端接收信号强度最大。

Description

天线最优朝向计算方法、装置、终端设备及存储介质
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种天线最优朝向计算方法、装置、终端设备及存储介质。
背景技术
目前，家用无线路由器大多使用全向天线。在实际使用中，天线辐射并非理想的全向，而是存在优势辐射方向和劣势辐射方向。当客户端在天线的优势辐射方向上时，信号强度更高，体验更好。因此，为改善通信质量，需要调整天线辐射方向，使天线的优势辐射方向朝向客户端，提升客户端的体验。
在现有技术中，常见的方法是通过遍历天线辐射角度与无线参数之间的关系，来选择最终的天线覆盖角度。但是，天线转动完后需要等待一段时间，采集的信号强度才会稳定，导致遍历法选择天线最优角度消耗时间过长，天线调整的实时性不强，影响用户体验。
发明内容
本发明提供了一种天线最优朝向计算方法、装置、终端设备及存储介质，以实现快速求解出天线的最优朝向，从而使客户端接收信号强度最大。
第一方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种天线最优朝向计算方法，包括：
根据天线运动角度范围，获取样本角度；
当天线运动至所述样本角度时，获取客户端接收到的信号强度；
根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程；
计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的角度得到天线最优朝向角度。
优选地，所述根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程，包括：
根据所述样本角度的个数确定多项式方程的最高次项；
根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数；
根据所述每一项系数和所述最高次项进行拟合，得到多项式方程。
优选地，所述计算所述多项式方程对应曲线的极大值，包括：
根据极值点判断方法，计算所述多项式方程对应曲线的极大值。
优选地，所述根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数，包括：
根据所述样本角度和所述信号强度，基于均方差最小化构建关于所述每一项系数的初始方程；
根据所述初始方程，构建第一损失函数；
在所述第一损失函数中增加L2范数正则化，得到包括角度参数的第二损失函数；
对所述第二损失函数引入计算参数，得到第三损失函数；
根据梯度下降法，对所述第三损失函数中的每一角度参数进行更新，得到所述多项式方程中的每一项系数。
优选地，所述根据天线运动角度范围，获取样本角度，包括：
根据天线运动角度范围，均匀抽取n个样本角度；其中，n为正整数。
优选地，所述方法还包括：
当天线运动至所述样本角度时，开始计时；
在经过预设的稳定时间后，获取客户端接收到的信号强度。
第二方面，本发明提供了一种天线最优朝向计算装置，包括：
角度获取模块，用于根据天线运动角度范围，获取样本角度；
信号获取模块，用于当天线运动至所述样本角度时，获取客户端接收到的信号强度；
多项式拟合模块，用于根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程；
极大值计算模块，用于计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的角度得到天线最优朝向角度。
优选地，所述多项式拟合模块包括：
最高次项确定单元，用于根据所述样本角度的个数确定多项式方程的最高次项；
系数计算单元，用于根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数；
拟合单元，用于根据所述每一项系数和所述最高次项进行拟合，得到多项式方程。
第三方面，本发明还提供了一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述中任意一项所述的天线最优朝向计算方法。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述中任意一项所述的天线最优朝向计算方法。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明将天线的样本角度和客户端接收到的信号强度进行多项式拟合，并通过数学方法计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的样本角度得到天线最优朝向。在本发明中，可以选择较少的天线位置进行信号强度采集，基于采集到的数据快速求解出天线的最优朝向角度，从而使得客户端接收信号强度最大，获得更好的平均网络性能。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的天线最优朝向计算方法流程示意图；
图2是天线场型示意图；
图3是本发明第二实施例提供的天线最优朝向计算装置结构示意图。
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作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。
参照图1，本发明第一实施例提供了一种天线最优朝向计算方法，包括以下步骤S11-S14：
S11，根据天线运动角度范围，获取样本角度；
S12，当天线运动至所述样本角度时，获取客户端接收到的信号强度；
S13，根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程；
S14，计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的样本角度得到天线最优朝向角度。
需要说明的是，无论是全向天线和定向天线，它们的天线场型图都是一个凸面体，如图2所示。当天线在任一平面内转动180°的过程中，客户端接收到的信号强度肯定会经历一个从弱变强再变弱的过程。本发明将客户端接收到的信号强度在这个过程中的变化曲线用高阶多项式建模，通过采集少量位置的信号强度，进行多项式拟合，运用数学方法计算多项式方程对应曲线，即信号强度曲线的极大值，控制天线转向极大值对应的角度，即可使客户端获得最大信号强度。此外，本发明中的天线可以是路由器的天线，也可以是其他信号发射设备的天线，本发明对此不做限定。
在步骤S11中，需要根据天线运动角度范围，获取样本角度。其中，天线运动角度范围与天线所述设备的具体结构有关，例如，假设路由器的天线最大可以在一平面内180°旋转，则天线运动角度范围为0-180°。在本实施例中，根据天线运动角度范围，均匀抽取n个样本角度；其中，n为正整数。通过均匀抽取少量的样本角度，能够保证快速计算的同时，增加计算的准确度。
在步骤S12中，首先将天线运动到步骤S11中抽取的每个样本角度对应的位置上。当天线运动至所述样本角度时，开始计时，在经过预设的稳定时间后，获取客户端接收到的信号强度。其中，稳定时间由用户根据天线所在设备的性能进行设定，本发明对此不做限定。示例性地，采集数据的形式可以为<φi，rssi1>，<φi，rssi2>，…<φi，rssik>，其中rssik表示信号强度，k是在每个样本角度上采集的数据点。
在步骤S13中，根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程，具体包括：
根据所述样本角度的个数确定多项式方程的最高次项；
根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数；
根据所述每一项系数和所述最高次项进行拟合，得到多项式方程。
在步骤S14中，需要计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的角度得到天线最优朝向角度，极大值对应的角度即为天线最优朝向。具体地，可以根据极值点判断方法，计算所述多项式方程对应曲线的极大值。其中，极值点为多项式方程对应曲线中一阶导数等于0，且二阶导数不等于0的点，极大值点为所有极值点中对应多项式方程值最大的点。在计算得到最大值之后，控制天线转动到极大值对应的角度，使客户端接收到信号强度最大。
为了便于对本发明的理解，下面将对本发明的一些优选实施例做更进一步的描述。
在一种实现方式中，所述根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数，包括：
根据所述样本角度和所述信号强度，基于均方差最小化构建关于所述每一项系数的初始方程；
根据所述初始方程，构建第一损失函数；
在所述第一损失函数中增加L2范数正则化，得到包括角度参数的第二损失函数；
对所述第二损失函数引入计算参数，得到第三损失函数；
根据梯度下降法，对所述第三损失函数中的每一角度参数进行更新，得到所述多项式方程中的每一项系数。
示例性地，设抽取n个样本角度为φ1，φ2，…，φn，则多项式方程的最高次项为n-1，关于信号强度的多项式方程为：
Figure BDA0003472709740000061
其中，θi表示每一项系数，φ表示天线的角度，i∈[0，n-1]。
进一步地，记xi＝φi，则多项式转化为
Figure BDA0003472709740000062
Figure BDA0003472709740000063
设给定数据集D＝{(x(1)，y1)，(x(2)，y2)，…，(x(m)，ym)}，其中，
Figure BDA0003472709740000064
Figure BDA0003472709740000065
yi＝(rssi1，rssi2，…，rssik)，m数据集为样本数量，n-1为样本的特征数量。
假设满足线性关系：
Figure BDA0003472709740000066
使均方差最小化，得到每一项系数的初始方程为：
Figure BDA0003472709740000067
由式(2)可得第一损失函数：
Figure BDA0003472709740000068
加入L2范数正则化，则有第二损失函数：
Figure BDA0003472709740000069
其中，L2范数正则化参数λ＞0，θj为角度参数。需要说明的是，L2范数又叫“岭回归”(Ridge Regression)、“权值衰减”(weight decay)，它的作用是改善过拟合。过拟合是模型训练时候的误差很小，但是测试误差很大，也就是说模型复杂到可以拟合到所有训练数据，但在预测新的数据的时候，结果很差。具体地，L2范数是指向量中各元素的平方和然后开根。
进一步地，为后续计算方便，对式(4)引入计算参数后得到第三损失函数：
Figure BDA00034727097400000610
使用梯度下降法，对式(5)中的参数θj进行逐一更新，得到所述多项式方程中的每一项系数，即：
Figure BDA0003472709740000071
其中，更新后得到的θ′j即为所述多项式方程中的每一项系数θi；α表示学习率或者步长，通过α来控制每一步走的距离；k是在相应样本角度上采集的信号强度数据点个数。
对
Figure BDA0003472709740000072
的计算如下：
Figure BDA0003472709740000073
在本实施例中，将天线的样本角度和客户端接收到的信号强度进行多项式拟合，并通过数学方法计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的样本角度得到天线最优朝向。在本发明中，可以选择较少的天线位置进行信号强度采集，基于采集到的数据快速求解出天线的最优朝向角度，从而使得客户端接收信号强度最大，获得更好的平均网络性能。
参照图3，本发明第二实施例提供了一种天线最优朝向计算装置，包括：
角度获取模块，用于根据天线运动角度范围，获取样本角度；
信号获取模块，用于当天线运动至所述样本角度时，获取客户端接收到的信号强度；
多项式拟合模块，用于根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程；
极大值计算模块，用于计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的角度得到天线最优朝向角度。
优选地，所述多项式拟合模块包括：
最高次项确定单元，用于根据所述样本角度的个数确定多项式方程的最高次项；
系数计算单元，用于根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数；
拟合单元，用于根据所述每一项系数和所述最高次项进行拟合，得到多项式方程。
优选地，所述极大值计算模块，包括：
极大值计算单元，用于根据极值点判断方法，计算所述多项式方程对应曲线的极大值。
优选地，所述系数计算单元还用于：
根据所述样本角度和所述信号强度，基于均方差最小化构建关于所述每一项系数的初始方程；
根据所述初始方程，构建第一损失函数；
在所述第一损失函数中增加L2范数正则化，得到包括角度参数的第二损失函数；
对所述第二损失函数引入计算参数，得到第三损失函数；
根据梯度下降法，对所述第三损失函数中的每一角度参数进行更新，得到所述多项式方程中的每一项系数。
优选地，所述角度获取模块，包括：
角度获取单元，用于根据天线运动角度范围，均匀抽取n个样本角度；其中，n为正整数。
优选地，所述信号获取模块包括：
计时单元，用于当天线运动至所述样本角度时，开始计时；
信号获取单元，用于在经过预设的稳定时间后，获取客户端接收到的信号强度。
需要说明的是，本发明实施例提供的一种天线最优朝向计算装置用于执行上述实施例的一种天线最优朝向计算方法的所有流程步骤，两者的工作原理和有益效果一一对应，因而不再赘述。
本发明实施例还提供了一种终端设备。该终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如天线最优朝向计算程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个天线最优朝向计算方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S11。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如角度获取模块。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述终端设备中的执行过程。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及智能平板等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述部件仅仅是终端设备的示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线最优朝向计算方法，其特征在于，包括：
根据天线运动角度范围，获取样本角度；
当天线运动至所述样本角度时，获取客户端接收到的信号强度；
根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程；
计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的角度得到天线最优朝向角度。
2.根据权利要求1所述的天线最优朝向计算方法，其特征在于，所述根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程，包括：
根据所述样本角度的个数确定多项式方程的最高次项；
根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数；
根据所述每一项系数和所述最高次项进行拟合，得到多项式方程。
3.根据权利要求1所述的天线最优朝向计算方法，其特征在于，所述计算所述多项式方程对应曲线的极大值，包括：
根据极值点判断方法，计算所述多项式方程对应曲线的极大值。
4.根据权利要求2所述的天线最优朝向计算方法，其特征在于，所述根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数，包括：
根据所述样本角度和所述信号强度，基于均方差最小化构建关于所述每一项系数的初始方程；
根据所述初始方程，构建第一损失函数；
在所述第一损失函数中增加L2范数正则化，得到包括角度参数的第二损失函数；
对所述第二损失函数引入计算参数，得到第三损失函数；
根据梯度下降法，对所述第三损失函数中的每一角度参数进行更新，得到所述多项式方程中的每一项系数。
5.根据权利要求1所述的天线最优朝向计算方法，其特征在于，所述根据天线运动角度范围，获取样本角度，包括：
根据天线运动角度范围，均匀抽取n个样本角度；其中，n为正整数。
6.根据权利要求1所述的天线最优朝向计算方法，其特征在于，所述方法还包括：
当天线运动至所述样本角度时，开始计时；
在经过预设的稳定时间后，获取客户端接收到的信号强度。
7.一种天线最优朝向计算装置，其特征在于，包括：
角度获取模块，用于根据天线运动角度范围，获取样本角度；
信号获取模块，用于当天线运动至所述样本角度时，获取客户端接收到的信号强度；
多项式拟合模块，用于根据所述样本角度和所述信号强度进行多项式拟合，得到多项式方程；
极大值计算模块，用于计算所述多项式方程对应曲线的极大值，并根据所述极大值对应的角度得到天线最优朝向角度。
8.根据权利要求7所述的天线最优朝向计算装置，其特征在于，所述多项式拟合模块包括：
最高次项确定单元，用于根据所述样本角度的个数确定多项式方程的最高次项；
系数计算单元，用于根据所述样本角度和所述信号强度，基于梯度下降法计算所述多项式方程的每一项系数；
拟合单元，用于根据所述每一项系数和所述最高次项进行拟合，得到多项式方程。
9.一种终端设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的天线最优朝向计算方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至6中任意一项所述的天线最优朝向计算方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117202237A (zh) * 2023-09-28 2023-12-08 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司电力科研院 针对无人机的基站天线位置和上倾角的优化方法及系统

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