CN117118484A - 一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置及系统，应用于无线通信技术领域，获取目标设备信息和相控阵天线信息；根据所述目标设备信息和所述相控阵天线信息计算波束指向；利用相控阵天线接收并响应的时分多址的时隙切片脉冲信号，使能波束赋形，建立所述相控阵天线与目标设备之间的通信。本发明实施例公开了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置和系统，通过相控阵天线结合TDMA技术，可以实现更高的系统容量和更好的通信质量。相控阵天线的指向性和波束形成能力可以减少干扰和多径效应，提高信号的接收质量和传输速率。同时，TDMA技术可以有效地分配时隙资源，提高系统的频谱利用率。

Description

一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的说是涉及一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置和系统。

背景技术

相控阵天线的发展以相控阵雷达为基础，相控阵天线最大的优点是能够智能的实现大空域内的波束扫描，增益也较大，能够对观察范围内的目标进行准确跟踪、识别，并且能同时跟踪多个目标的动态，反馈信息，进行计算机的分析。并且，相控阵天线可以在设定的空域内获取目标信息，根据目标，快速灵活地改变天线波束和指向形状，能够对整个空间内的各频段电磁波进行发送和接收，这是相控阵天线的空域滤波功能，即可对多个目标实现搜索、跟踪、捕获、识别等任务的精确完成。

经研究发现，相控阵天线点对多点通信时，多个目标在相控阵天线扫描范围内，但是不在相控阵天线单个波束范围内时，波束切换会导致相控阵天线与上一个通信目标断开连接，与下一个通信目标建立连接，所以相控阵天线的点对多通信是分时的点对点通信。

但分时的点对点通信存在一些弊端：

1、延迟问题：由于不同用户需要等待自己的时隙才能进行通信，因此会引入一定的延迟。特别是在高负载情况下，用户可能需要等待较长时间才能获得可用的时隙，导致通信延迟增加。

2、灵活性限制：分时点对点通信需要预先分配时隙资源，用户只能在自己分配到的时隙内进行通信。这种固定的资源分配方式限制了用户的灵活性，无法根据实时需求进行动态调整。

3、单点故障：分时点对点通信中，如果某个用户的时隙发生故障或中断，可能会影响整个通信系统的正常运行。这种单点故障可能导致通信中断或影响其他用户的通信质量。

因此，如何解决上述弊端成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置和系统，以解决背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明公开了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，具体步骤如下：

获取目标设备信息和相控阵天线信息；

根据所述目标设备信息和所述相控阵天线信息计算波束指向；

利用相控阵天线接收并响应的时分多址的时隙切片脉冲信号，使能波束赋形，建立所述相控阵天线与目标设备之间的通信。

优选的，在上述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法中，目标设备信息包括：多个目标设备序号和位置信息，且每组序号和位置信息一一对应。

优选的，在上述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法中，所述相控阵天线信息包括：位置信息和姿态信息。

优选的，在上述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法中，计算波束指向包括：矩阵旋转方法、向量点乘方法中的一种。

优选的，在上述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法中，使能波束赋形根据计算的所述波束指向，调用波束数据表，并赋形指向目标设备，进行与目标设备之间的通信。

优选的，在上述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法中，与目标设备之间的通信包括：同步目标切换与相控阵天线的波束切换信号，与目标设备通信的时刻，相控阵天线的波束同步切换至指向目标设备。

第二方面，本发明公开了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法系统，包括：

获取单元，用于获取相控阵天线位置信息、相控阵天线姿态信息和目标设备的序号、位置信息；

计算单元，用于根据所述相控阵天线位置信息、姿态信息和目标设备序号、位置信息，计算正确指向目标设备的波束；

同步单元，用于同步通信模块的目标切换与相控阵天线的波束切换信号；

通信单元，用于相控阵天线与目标设备通信。

第三方面，本发明公开了一种相控阵天线与时分多址技术的结合装置，包括：

处理器、存储模块、现场可编程逻辑门阵列、惯性单元测量系统、定位模块、通信模块和相控阵天线；

所述处理器与所述惯性单元测量系统连接，所述处理器用于获取惯性单元测量系统采集的所述相控阵天线的姿态信息；

所述现场可编程逻辑门阵列与所述存储模块连接，所述现场可编程逻辑门阵列用于获取所述存储模块存储的所述相控阵天线的波束数据表；

所述处理器与所述现场可编程逻辑门阵列连接，所述处理器将计算后的波束指向发送给所述现场可编程逻辑门阵列，所述现场可编程逻辑门阵列根据所述处理器的指令从所述存储模块中获取所述相控阵天线的波束数据表，并存储在内部随机存取存储器上；

所述处理器与所述定位模块连接，所述处理器用于获取所述定位模块采集的所述相控阵天线的位置信息；

所述处理器与所述通信模块连接，所述处理器用于获取所述通信模块中的下一个通信目标设备的序号与位置信息；

所述现场可编程逻辑门阵列与所述通信模块连接，所述通信模块在与下一个目标通信时，会通过IO发送一个下降沿触发信号给到所述现场可编程逻辑门阵列，所述现场可编程逻辑门阵列接收到下降沿触发信号后，使能所述相控阵天线波束赋形；

所述现场可编程逻辑门阵列与所述相控阵天线连接，所述现场可编程逻辑门阵列通过IO控制所述相控阵天线开关，使能波束赋形；

所述处理器，还用于目标波束的解算。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置和系统，以提高无线通信系统的容量和性能，其中，相控阵天线通常由多个天线单元组成，可以通过调整天线单元的相位和幅度来实现波束的形成和指向控制；TDMA技术将时间分为多个时隙，每个时隙用于传输一个用户的数据，根据系统的需求和用户的数量，将时隙分配给不同的用户；根据时隙分配的结果，相控阵天线根据用户的位置和传输需求，形成相应的波束，相控阵天线可以通过改变天线单元的相位和幅度来实现波束的形成和指向控制；在每个时隙中，相控阵天线向指定的用户传输数据，由于相控阵天线可以形成指向性的波束，可以减少多径干扰和其他用户的干扰，提高信号的接收质量和传输速率。

本发明的有益效果包括如下：

增加系统容量：相控阵天线的指向性和波束形成能力可以减少干扰和多径效应，提高信号的接收质量和传输速率。结合TDMA技术，可以更有效地利用系统资源，增加系统的容量，支持更多的用户同时进行通信。

提高频谱利用率：TDMA技术将时间分为多个时隙，每个时隙用于传输一个用户的数据。相控阵天线结合TDMA技术，可以将时隙资源按照用户的需求进行分配，实现更有效的频谱利用。相比于其他多址技术，如频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)，相控阵天线结合TDMA技术可以提供更高的频谱利用率。

减少干扰：相控阵天线可以形成指向性的波束，可以减少多径干扰和其他用户的干扰。通过精确控制波束的形成和指向，可以将信号主要发送到目标用户，减少其他方向的干扰。这样可以提高系统的通信质量和可靠性。

提高系统性能：相控阵天线结合TDMA技术可以提高系统的性能。通过减少干扰和多径效应，提高信号的接收质量和传输速率。同时，通过有效地分配时隙资源，提高系统的频谱利用率。这些因素共同作用，可以提高系统的吞吐量、覆盖范围和用户体验。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的相控阵天线与时分多址技术结合装置的一种系统结构示意图；

图2为本发明的相控阵天线与时分多址技术结合方法的一种方法流程示意图；

图3为本发明的相控阵天线的与时分多址技术结合系统的一种结构示意图。

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。

本发明实施例公开了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法、装置和系统，通过相控阵天线结合TDMA技术，可以实现更高的系统容量和更好的通信质量。相控阵天线的指向性和波束形成能力可以减少干扰和多径效应，提高信号的接收质量和传输速率。同时，TDMA技术可以有效地分配时隙资源，提高系统的频谱利用率。

本发明的实施例公开了一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，如图2所示，具体步骤如下：

S201获取通信模块中目标设备的序号和位置信息；

在本实施例中，所述目标设备的序号和位置信息包括多个目标设备的序号和位置信息，且每组序号和位置信息一一对应；获取所述目标设备的序号是指获取即将通信的下一个目标的设备序号，在使用所述时分多址技术(TDMA)时，所述相控阵天线与每个目标的通信时间是固定的，且轮询顺序也是固定的；获取所述目标设备的位置信息是指获取即将通信的下一个目标的设备位置信息，该设备位置信息与设备序号是一一对应的关系。

S202获取相控阵天线的位置信息、姿态信息；

在本实施例中，所述相控阵天线的位置信息和姿态信息均为实时获取，所以所述相控阵天线是可以处于移动、摆动等状态；获取所述相控阵天线的位置信息、姿态信息主要用于波束指向的计算。例如，假设所述相控阵天线处于固定不动状态，实时获取的所述相控阵天线的位置信息、姿态信息都是不变的或微小变化的，此时目标设备的位置信息没有变化，则计算出的波束指向是一样的；假设所述相控阵天线处于移动状态，实时获取的所述相控阵天线的位置信息、姿态信息都是变化的，此时目标设备的位置信息没有变化，则计算出的波束指向是不一样的；架设所述相控阵天线处于移动状态，目标设备也处于移动状态，获取所述相控阵天线的位置信息、姿态信息，目标设备的位置信息都是变化的，此时计算出的波束指向一定是不一样的，所述相控阵天线的波束始终会指向目标设备。

S203根据所述目标设备信息和所述相控阵天线信息计算波束指向；

在本实施例中，计算出相应的波束指向，是指波束跟踪功能。无论所述相控阵天线处于固定状态还是移动状态，所述目标设备处于固定状态还是移动状态，根据所述相控阵天线的实时位置信息、姿态信息和目标设备的实时位置信息，计算出来的波束指向，一定是指向目标且是正确的。

S204利用相控阵天线接收并响应的时分多址的时隙切片脉冲信号，使能波束赋形，建立所述相控阵天线与目标设备之间的通信。

在本实施例中，时隙切片脉冲信号是由所述通信模块根据时分多址技术(TDMA)计算后发出来的，所述相控阵天线采集到该信号后，根据计算出的波束指向，使能相控阵天线的波束赋形；随着波束成形，所述相控阵天线与目标设备完成通信连接，开始数据通信。

本发明通过相控阵天线与时分多址技术(TDMA)的结合实现远距离的点对多点同时通信，无论是相控阵天线位置信息或姿态信息发生变化，还是目标设备位置信息发生变化，均可通过算法调整波束指向目标设备，保证通信不断开，切换目标不用重新建立连接。

针对本发明提供的方法，提供了一种相控阵天线与时分多址技术(TDMA)的结合装置。即本方法可以应用到该系统中，如图1所示，所述系统包括：处理器(MCU)、存储模块(FLASH)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、惯性单元测量系统(IMU)、定位模块、通信模块、相控阵天线。

所述处理器(MCU)与所述惯性单元测量系统(IMU)通过通用异步收发传输器(UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)连接，所述处理器(MCU)用于获取惯性单元测量系统(IMU)采集的所述相控阵天线的姿态信息；

所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)与所述存储模块(FLASH)通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)连接，所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)用于获取所述存储模块(FLASH)存储的所述相控阵天线的波束数据表；

所述处理器(MCU)与所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)连接，所述处理器(MCU)将计算后的波束指向发送给所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)根据所述处理器(MCU)的指令从所述存储模块(FLASH)中获取所述相控阵天线的波束数据表，并存储在内部随机存取存储器(RAM)上；

所述处理器(MCU)与所述定位模块通过通用异步收发传输器(UART，UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter)连接，所述处理器(MCU)用于获取所述定位模块采集的所述相控阵天线的位置信息；

所述处理器(MCU)与所述通信模块通过通用异步收发传输器(UART，UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter)连接，所述处理器(MCU)用于获取所述通信模块中的下一个通信目标设备的序号与位置信息；

所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)与所述通信模块通过IO连接，所述通信模块在与下一个目标通信时，会通过IO发送一个下降沿触发信号给到所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)接收到下降沿触发信号后，使能所述相控阵天线波束赋形；

所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)与所述相控阵天线通过IO连接，所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)通过IO控制所述相控阵天线开关，使能波束赋形；

所述处理器(MCU)，还用于目标波束的解算。

需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本申请而示出，本申请的实施方式在此方面不受任何限制。相反，本申请的实施方式可以应用于适用的任何场景。

如图3所示，为本发明所述相控阵天线与时分多址技术(TDMA)的结合方法的一个具体实施例。本实施例所述系统，即用于执行上述实施例所述方法的虚拟装置。其技术方案本质上与上述实施例一致，上述实施例中的相应描述同样适用于本实施例中。本实施例中所述系统包括：

获取单元301，用于获取相控阵天线位置信息、相控阵天线姿态信息和目标设备的序号、位置信息；

计算单元302，用于根据所述相控阵天线位置信息、姿态信息和目标设备序号、位置信息，计算正确指向目标设备的波束；

同步单元303，用于同步通信模块的目标切换与相控阵天线的波束切换信号；

通信单元304，用于相控阵天线与目标设备通信。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，其特征在于，具体步骤如下：

获取目标设备信息和相控阵天线信息；

根据所述目标设备信息和所述相控阵天线信息计算波束指向；

利用相控阵天线接收并响应的时分多址的时隙切片脉冲信号，使能波束赋形，建立所述相控阵天线与目标设备之间的通信。

2.根据权利要求1所述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，其特征在于，目标设备信息包括：多个目标设备序号和位置信息，且每组序号和位置信息一一对应。

3.根据权利要求1所述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，其特征在于，所述相控阵天线信息包括：位置信息和姿态信息。

4.根据权利要求1所述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，其特征在于，计算波束指向包括：矩阵旋转方法、向量点乘方法中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，其特征在于，使能波束赋形根据计算的所述波束指向，调用波束数据表，并赋形指向目标设备，进行与目标设备之间的通信。

6.根据权利要求4所述的一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法，其特征在于，与目标设备之间的通信包括：同步目标切换与相控阵天线的波束切换信号，与目标设备通信的时刻，相控阵天线的波束同步切换至指向目标设备。

7.一种相控阵天线与时分多址技术的结合方法系统，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取相控阵天线位置信息、相控阵天线姿态信息和目标设备的序号、位置信息；

计算单元，用于根据所述相控阵天线位置信息、姿态信息和目标设备序号、位置信息，计算正确指向目标设备的波束；

同步单元，用于同步通信模块的目标切换与相控阵天线的波束切换信号；

通信单元，用于相控阵天线与目标设备通信。

8.一种相控阵天线与时分多址技术的结合装置，其特征在于，包括：

处理器、存储模块、现场可编程逻辑门阵列、惯性单元测量系统、定位模块、通信模块和相控阵天线；

所述处理器与所述惯性单元测量系统连接，所述处理器用于获取惯性单元测量系统采集的所述相控阵天线的姿态信息；

所述现场可编程逻辑门阵列与所述存储模块连接，所述现场可编程逻辑门阵列用于获取所述存储模块存储的所述相控阵天线的波束数据表；

所述处理器与所述现场可编程逻辑门阵列连接，所述处理器将计算后的波束指向发送给所述现场可编程逻辑门阵列，所述现场可编程逻辑门阵列根据所述处理器的指令从所述存储模块中获取所述相控阵天线的波束数据表，并存储在内部随机存取存储器上；

所述处理器与所述定位模块连接，所述处理器用于获取所述定位模块采集的所述相控阵天线的位置信息；

所述处理器与所述通信模块连接，所述处理器用于获取所述通信模块中的下一个通信目标设备的序号与位置信息；

所述现场可编程逻辑门阵列与所述通信模块连接，所述通信模块在与下一个目标通信时，会通过IO发送一个下降沿触发信号给到所述现场可编程逻辑门阵列，所述现场可编程逻辑门阵列接收到下降沿触发信号后，使能所述相控阵天线波束赋形；

所述现场可编程逻辑门阵列与所述相控阵天线连接，所述现场可编程逻辑门阵列通过IO控制所述相控阵天线开关，使能波束赋形；

所述处理器，还用于目标波束的解算。