CN1898838A - 短距离无线移动通信系统的方向性优化 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有第一终端(1)和移动终端(2)的短距离无线移动通信系统，第一终端(1)和移动终端(2)每一个都适于发射和接收携带信号波的信息，因此至少第一终端(1)或移动终端(2)包括：定向信号波转换器(1a)，用于发射和/或接收携带具有方向特性(1bI，1bII)的信号波的信息；和控制装置(4，5，20)，用于根据移动终端(2)相对于第一终端的位置来控制方向特性(1bI，1bII)。
Description
本发明涉及一种在短距离无线通信系统中的信号传输，在其中，随便移动至少一个通信终端。
短距离无线移动通信系统一般构成短距离无线网络的主要部分，其中提供接入点终端以使一个或多个移动终端能够无线连接到该网络。相应系统的范围通常被限制为几米，例如像2-10米。移动短距离无线通信还被应用在无线自组织(ad-hoc)网中，其中可以在两个节点(例如像个人数字助理和打印或显示设备)之间直接建立无线连接。
只要具有全向的、即不依赖于角度的辐射特性的收发信机被用于短距离无线移动通信系统中，所建立的信号传输的质量就常常由于多径衰落而被削弱。这是由如下事实所引起的，即，例如携带例如像无线电或光波那样的信号波的信息，不仅仅通过自由空间沿着从发射机到接收机的直接路径传播，而且更可能通过被位于传输距离内的物体反射、折射或散射而沿着众多另外的以及替代的路径传播。每个单独的信号波的幅度按照沿着其单独的传播路径的损耗而被衰减。来自不同的单独的路径的各个信号波大部分破坏性地相加，从而由于例如引起码间干扰而衰减了接收信号。
改善信号传输质量的一种常见方式是使用至少一个方向的、即角度敏感的信号波转换器，其允许把信号传输限制为只有很少干扰或者没有干扰的低损耗传输路径。相应的传输路径在下面被称为“直接连接路径”。
在此说明书中也被使用的术语“信号波转换器”描述了用于把空间波转换为线界波(line bound wave)和/或把线界波转换为空间波的装置。它的物理实施强烈取决于所使用的无线信号传输的种类。
针对基于无线电波的无线信号传输，信号波转换器具有天线的形式。天线把通过馈送线提供的线界波形式的信号转换为被发射到天线环境的至少一个有限空间段中的无线电波。在接收到无线电波后，天线把无线电波转换成为通过连接线传播到信号处理电路的线界波。
可是在无线通信基于信号的光传输的情况下，信号波转换器通常由电光设备或光耦合器形成，其被用来把通过开放空间传播的光转换成为通过电线或光纤传播的信号波，或把通过电线或光纤传播的信号波转换成为通过开放空间传播的光。
表述“定向信号波转换器”被用来描述分别具有定向辐射特性或定向特性的信号波转换器，其中，所辐射或所接收的信号功率显示角度分布。它有时也被称为窄波束信号波转换器，用于指示只从有限的立体角中接收空间波辐射或者只把空间波辐射发射到有限的立体角中。同样地，具有全向辐射模式的信号波转换器常常被称为宽波束信号波转换器，用于提及该转换器的实际上不依赖于方向的灵敏度。
定向信号传输的有效角度段由定向信号波转换器的半功率波束宽度(HPBW)来定义，即主瓣张角由角度范围来定义，其中，辐射功率或者辐射功率的灵敏度分别尚未下降到低于其最大值的一半。
因为通常随便移动移动终端，所以具有定向信号波转换器的短距离无线移动通信系统中高质量的信号传输通常需要跟踪直接连接路径。信号波转换器的辐射角、即其主瓣的最大功率的方向因此被对准到直接连接路径的方向上。如果短距离无线移动网络中的两个通信节点之间的相对方向改变，则主瓣被重新对准到相应的新的直接连接路径。
这通常通过机械地改变定向信号波转换器的方向，或者通过使用自适应信号波转换器阵列来实现，在自适应信号波转换器阵列中，形成阵列的许多转换器元件通过移相器互连，其中调谐每个单独的相移以实现该阵列的所期望的角辐射模式。两种类型的信号波转换器将在下文中被称为与用于无线电波的普通操纵天线密切相关的操纵转换器。
假设在配备有全向信号波转换器的移动终端和配备有定向信号波转换器的另外一个终端之间要建立具有足够连接预算的通信，那么定向信号波转换器必须被控制为其主瓣不断地跟踪移动终端的移动，以便如图1示意性所示的那样随时对准直接连接路径。在上下文中通用术语“连接预算”描述了被设计用来根据信号强度和噪声功率而对通信连接性能进行建模的一系列数学计算。在下面，在上面被表示为另一终端的所述终端将被称为接入点，因为这是短距离无线网络中的常见的配置。但是从上面的解释中很清楚的是：任何类型的终端都能够代替接入点。
辐射角的重新对准通常将针对移动终端的三维移动而实现。这意味着信号波转换器的辐射角必须在垂直以及水平平面内被改变。换言之，辐射角的方位角(φ)和仰角(θ)二者都必须被重新对准，以便跟踪移动的移动终端。
但是这种适配不一定必须连续地被执行。为了覆盖所有可能的方向，辐射角只须在由半功率波束宽度(HPBW)所定义的某些步中、即由角度范围所定义的主瓣张角中被对准，其中辐射功率从最大值降低-3dB。
移动终端的跟踪当前由系统来完成，此系统在图3中以示意框图的形式来说明。相应的帧结构在图4中示出并且在图5中示出了系统所采用的程序。在接入点和移动终端之间建立了通信连接之后，第一脉冲串(脉冲串1)从接入点发射给移动终端，因此接入点的信号波转换器的辐射角是在第一位置(#0)中。移动终端接收包含在该脉冲串中的数据，并从其中确定RSSI(接收信号强度指示器)值以及FER(帧差错率)。在第一脉冲串之后，移动终端发射第二脉冲串(脉冲串2)，它被接入点用来针对其操纵信号波转换器的不同辐射角(例如图12中的#1到#6)执行RSSI测量以及可能执行FER测量。具有最佳RSSI(和FER，如果被测量了的话)性能的主瓣方向然后被用于开始于从接入点发射给移动终端的脉冲串3的后续数据传输。
脉冲串2的持续时间取决于接入点所测试的RSSI测量的波束方向数。越多的可能的辐射方向要被测试，则脉冲串2将需要的周期也就越长。例如，如果接入点的主瓣的HPBW是这样的，使得需要7个波束方向来覆盖接入点和移动终端之间的所有可能方向，则脉冲串2所需要的周期是执行用于确定通信连接质量的测量并且把辐射角重新调整到新的方向所需要的时间的七倍。这导致系统总开销的扩大，并且要求相应降低有效载荷长度。
尤其当使用机械的操纵信号波转换器时，由于机械功能的速度限制，所以辐射角的任何重新对准都相当慢。因此在一个脉冲串2内检查信号波转换器的所有可能方向可能是不太可能的，但是只能检查一个方向。这意味着重新调整所需要的连续的脉冲串2的数目对应于必须被检查的可能方向的数目。相应的跟踪因此将示出缓慢的特性。
跟踪速度、即跟踪移动的移动终端所需要的主瓣的角速度)此外也是两个通信终端之间的距离的函数；至少就与主瓣方向横切的方向而论。对于通信终端之间的短距离而言，所需要的跟踪速度经常太高，以至于不能通过传统的波束跟踪系统来保持。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有根据移动终端的移动的波束跟踪的短距离无线移动通信系统，它不消极地影响有效负载容量，并且甚至对于在非常短的距离上的快速偏移传输连接来说是可靠的。
通过如独立权利要求所定义的本发明来达到此目的。其它改进方案在从属权利要求中被阐明。
上面的目的尤其通过一种短距离无线移动通信系统来实现，其中该短距离无线移动通信系统具有第一终端和移动终端，它们各自都适于发射和接收携带信号波的信息，因此至少第一终端或移动终端包括定向信号波转换器，用于发射和/或接收携带具有方向特性的信号波的信息；并且具有控制装置，该控制装置适于根据移动终端相对于第一终端的位置来控制方向特性。
上面的目的还通过一种短距离无线移动通信系统的终端来实现，该终端包括：定向信号波转换器，用于发射和/或接收携带具有方向特性的信号波的信息；和控制装置，适于根据所述终端相对于短距离无线移动通信系统的其它终端的位置来控制方向特性。
控制至少一个终端的信号波转换器的方向特性能够实现对所述短距离无线移动通信系统实际上可能嵌入的任何周围情形的极通用的适配。
因为多径衰落的可能性随着第一终端和移动终端之间的距离的增加而增加，所以对在两个通信终端之间较短距离上的定向信号波传输的要求挑战较小。在本发明的一个特定实施例中，有利地利用这种理解以在移动终端非常接近其它终端时放松对跟踪速度的要求。这通过控制装置来实现，该控制装置适于根据第一终端和移动终端之间的距离控制方向特性的半功率波束宽度。因此实现的波束跟踪所必需的开销的降低有利地允许较高的通信数据速率。因为在近的范围中波束跟踪被减速或甚至被停止，所以总的功率消耗也能够被减少。
在本发明的另外一个优选实施例中，控制装置包括：移动监控装置，用于监控移动终端相对于第一终端的移动；和方向调整装置，用于根据如移动监控装置所监控的移动终端相对于第一终端的移动来调整可控定向信号波转换器的方向特性。基于对移动终端相对于第一终端的移动的监控而对准定向信号波转换器的辐射角，节省了对所有可能方向的检查，这将极大减少重新对准所需的时间。另外，通过连续地监控终端相对于彼此的移动，本发明能够实现更快的总跟踪速度，并且还允许使用机械操纵的定向信号波转换器。
在本发明的另外一个实施例中，在第一终端和移动终端之间的距离减小到短于预先定义的距离值时，控制装置把方向特性的半功率波束宽度从第一值增加到第二值。通过这种技术，能够以离散的步步骤使波束跟踪适配于两个通信终端之间的相对距离，该相对距离可以表示系统操作的临界距离。根据另外一个优选实施例，第二值的半功率波束宽度因此符合第一终端和移动终端之间所允许的方向范围，因此当在近的范围中发生时无线通信不需要波束控制。因此，具有第二值的半功率波束宽度的方向特性有利地对应于全向特性，以避免关于两个终端的可能布置的任何限制。
根据一个有利的改进方案，短距离无线移动通信系统配备有距离确定装置，用于确定第一终端和移动终端之间的距离，从而允许精确确定近距离的通信情况。距离确定装置可以适当地包括超声波距离测量系统和/或光程测量系统，其基于物理方法提供可靠的距离确定。可替代地或者附加地，距离确定装置适于基于接收信号强度指示器(RSSI)值来确定第一终端和移动终端之间的距离，从而能够实现基于信号特性解释的距离确定。
优选地，距离确定装置位于第一终端上，这允许使用具有简单天线结构的移动终端。
通过在移动终端和/或第一终端上设置移动监控装置，则各个终端的移动被顺利地直接记录。移动的记录可以由移动监控装置有效地完成，该移动监控装置包括传感器装置，该传感器装置适于提供对应于一个或多个物理量的一个或多个电信号，所述一个或多个物理量与移动终端相对于第一终端的移动相关。因为在移动速度或方向方面的任何变化与加速度相关，所以传感器装置还可以有利地包括加速器传感器，用于提供指示与收纳所述传感器装置的所述终端的移动相关的加速度值的电信号。在本发明的一个优选实施例中，传感器装置配备有螺旋仪传感器，它适于提供指示与收纳所述传感器装置的所述终端的移动相关的方向值的电信号，因此能够根据终端移动的旋转部分容易地补偿辐射角。
优选地，移动监控装置提供跟踪数据给方向计算装置，因此跟踪数据是以针对收纳相应的移动监控装置的终端所监控的移动为基础的。这使得能够根据所监控的移动容易地执行一个或多个信号波转换器的所需方向对准的数值计算。为了在随后的下一次数据交换的时候实现定向信号波转换器的正确对准，方向计算装置估计在随后的下一次携带信号的信息交换的时候移动终端相对于第一终端的位置。多方面的方向控制由方向计算装置实现，该方向计算装置提供控制信号给方向调整装置，该方向调整装置基于跟踪数据并且适于如此调节可控定向信号波转换器，以致可靠的信号传输被实现。
因为多径干扰已经可以通过沿着直接连接路径引导发射信号或者通过沿着直接连接路径对准接收信号波转换器的辐射角来避免，所以可靠的数据传输可以由包括全向信号波转换器的移动终端以及包括可控定向信号波转换器的第一终端、或者替代地由包括全向信号波转换器的第一终端和包括可控定向信号波转换器的移动终端来实现。
特别地，当需要用于调整辐射角的宽范围时，机械可操纵的定向信号波转换器优选形成可控定向信号波转换器。为了辐射角对准的快速扫描速度，可控定向信号波转换器有利地由自适应信号波转换器阵列形成。
优选地，携带信号波的信息或者由光波或者由无线电波形成，因为这两种介质都非常适合于短距离无线通信。取决于以下情形，即用于短距离无线通信的协议类型和设备类型，在第一终端和移动终端上的信号波转换器都适于发射和接收无线电波和/或光波形式的信息。特别地，当通信基于无线电波时，信号波转换器实际上由天线形成，而对于基于光波的通信来说，电光设备作为信号波转换器的一部分是优选的。
随着第一终端被形成为固定终端，移动监控装置可以被有利地减少为只监控移动终端的移动。第一终端因此可以被用作有线网的接入点。
应当注意的是：术语“包括”当使用于此说明书中时被用来规定所述图、整体、步骤或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、组件或其组合的存在或附加。
在如下说明中，根据特定实施例并且联系所包括的附图更详细地解释本发明，附图中：
图1是具有用于跟踪移动终端的操纵天线的短距离无线移动通信系统的示意总体视图，
图2在方位角-仰角-角度平面中示出了辐射范围、半功率波束宽度和辐射角之间的关系，
图3示出了现有技术波束跟踪系统的框图，
图4示出了用于波束跟踪的现有技术帧结构的状态，
图5示出了现有技术波束跟踪方法的处理步骤，
图6示出了与宽波束#0′的辐射角相比较的窄波束#0的辐射角，
图7示出了根据本发明的一种短距离通信系统，
图8示出了根据本发明第一方面的波束跟踪的处理步骤，
图9示出了对应于根据本发明的传感器装置的机械装置，
图10示出了根据本发明第二方面的跟踪系统的帧结构，
图11示出了根据本发明第二方面用于跟踪目的的脉冲串组件，
图12示出了方位角-仰角-角度平面中具有有限数量的辐射角的某一个辐射范围的覆盖范围，
图13示出了根据本发明的一种波束跟踪方法的处理步骤，
图14示出了一个自适应天线阵列的实例，
图15示出了一个机械波束操纵天线的实例，和
图16说明了方位角-仰角-角度平面中的递增的相对波束对准的概念。
具有用于低损耗、低信号干扰通信的波束跟踪的短距离无线移动通信系统的基本概念如图1所示。例如由有线网的接入点形成的第一终端1借助于具有定向特性的信号波转换器1a发射信号给移动终端2并从移动终端2接收信号。移动终端2同样地包含信号波转换器2a，但是在如图1所示的实例中是具有全向特性2b的信号波转换器2a。当移动终端2从第一位置I移动到第二位置II时，第一终端的信号波转换器1a的定向特性1bI被重新对准到定向特性1bII，其主瓣现在被调整到在位置II中的移动终端的方向。换言之，当移动终端从位置I移动到位置II时，信号波转换器1a的辐射角跟随该移动直到最后被定向到第二位置II。
在如图1所示的实例中，通信所基于的发射信号可以通过自由空间从发射机不受阻碍地传播到接收机。在沿着视线的传输被一些物体禁止的情况下，定向辐射特性1bI和1bII将分别沿着如上所解释的相应的直接连接路径被对准。
另外，如图1所示的天线布置不是必须遵循的。也可以在移动终端2上使用具有定向辐射特性的信号波转换器2a以及与第一终端1一起使用全向信号波转换器1a、或者在两个终端上都使用定向信号波转换器。
如图1所示的短距离无线移动通信通常以使用无线电波或光波作为载波的信号传输为基础。
当使用无线电传输时，信号波转换器1a和2a具有天线的形式。通常像杆状的、螺旋状的、片状的天线被用于实现全向的或者较宽波束的辐射特性。定向天线有非常不同的设计，因此相控阵天线由于它们的小尺寸而通常是优选的。因此通过以下方式来实现辐射角的控制，即或者通过机械地倾斜如图15所示的天线阵，或者如例如Chang-Wook等人的文献″A V-Band Micromachined2-D Beam-Steering Antenna Driven by Magnetic Force With Polymer-Based Hinges″(IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.51，no.1，2003年1月)中所述通过倾斜阵列的每个元件，或者通过用如图14所示的移相器1a**电子调谐每个天线元件1a*的相移来旋转天线阵1a的辐射角，其中所述文献因此作为参考而被合并在此。
当使用光信号传输时，用于发射信号的信号波转换器通常不同于用于接收信号的信号波转换器。对于发射来说，把电能转换成为光辐射的设备、即光发射设备通常是优选的，例如像LED或者激光二极管。对于光信号的接收来说，例如像光电二极管那样的光电检测器通常被用来把光辐射转换成为电能。
大多数光发射设备显示出定向特性。辐射角或者通过倾斜整个设备或者通过在反射面上偏转光束来修改。光发射设备的发射角可以通过一个透镜或者一组透镜来形成窄波束或者宽波束。全向特性一般只能利用一组不同定向的设备、特殊的光学器件和/或散射元件来实现。
大部分传统光电检测器有接近半球形的辐射特性。为了获得小角度或者窄波束响应，某些镜片被置于其前面。辐射角、即接收辐射的立体角的方向的偏转可以或者通过直接倾斜设备或者通过使用使辐射角能够旋转到接收路径中的一面镜子或镜子阵列来实现。
回来参考像如图1所示那样的短距离无线移动通信系统，应当注意的是：对于无干扰的系统操作来说不一定需要将定向信号波转换器的辐射角精确对准直接连接路径。转换器的每个方向特性可以通过主瓣、即发射或接收能量的角分布来描述哪个HPBW定义波束宽度。信号波转换器的HPBW内的移动实际上不引起传输质量的变化。
基于传输质量值(例如像RSSI(接收信号强度指示器)值)的确定的重新对准因此将很可能以如图2所示的离散步骤发生，其中对于HPBW为45度，示出只具有两个辐射角(位置I，φ＝0°＝θ，而位置II，φ＝22.5°＝θ)的扩展空间段的覆盖范围。当移动终端2从位置I移动到位置II时，第一终端1将定期地检查传输质量，当移动终端2移动到接近第一位置I的主瓣1bI的边缘时传输质量将只显著地下降。只有在那时才将针对具有相应主瓣1bII(从瓣1b改变到1b′)的新位置II重新对准辐射角。
图4示出了在实现相应波束跟踪的短距离无线通信系统中使用的帧结构。在图4的上部中示出的帧由装备有定向信号波转换器1a的、例如像有线网的接入点并且在图中被表示为AP的终端1发射。在图下部中示出的帧要由被表示为MT的其它通信终端发射。终端AP发射第一数据脉冲串(脉冲串1)给另外一个终端MT，在该终端MT上第一数据脉冲串被用于针对刚刚被应用的波束方向确定RSSI值和FER(帧差错率)。表述“波束方向”因此被用于描述信号波转换器的相对于其当前辐射角的定向特性。
在脉冲串1之后，另外一个终端MT回送第二脉冲串(脉冲串2)，其包含允许终端AP选择具有最低干扰的波束方向的数据。脉冲串2还可以包含例如像RSSI和FER确定结果的数据或者涉及其当前位置的数据等等，这些数据可以协助终端AP确定其相对于它的位置。在脉冲串2期间，终端AP针对所有可能的波束方向或其选择测量RSSI和FER值。这些值被用于跟踪算法中来选择具有最低干扰的波束方向。分析所需要的处理时间和它所消耗的能量强烈地取决于可能的波束方向的数量。
具有有限数量的波束方向的某一个辐射范围的覆盖范围的实例在如图12所示的方位角-仰角平面中被示出。假设方向特性的HPBW例如是45度，只通过使用七个波束方向就能够覆盖半个空间。一个波束方向的步长Δφ、Δθ因此例如对于每个方向的φ和θ来说分别对应于大约5度。所有的波束方向应在可以在脉冲串3之中在最佳波束方向上继续数据转送之前在脉冲串2所允许的时间周期内被检查。对于较小的波束宽度来说，要被检查的方向的数目增加。
针对与定向信号波转换器的辐射方向横切移动的移动终端2，必须改变波束方向。当移动终端2靠近为通信相对方的另外一个终端1时，波束跟踪的角速度因此更高。对于随机移动并且相对于另外一个终端1处于非常近的距离处的移动终端2，所述的传统波束跟踪将不能随时沿着直接连接路径对准定向信号波转换器的波束方向，因为重新对准过程将太慢，尤其是当必须检查大量的可能的波束方向时更是如此。
另一方面，对于位于彼此极接近之处的两个通信终端来说，由多径衰落或直接路径阻塞引起信号干扰的可能性极大地减少。本发明是基于如下理解：由于多径衰落引起码间干扰的发生可能性在短距离无线移动通信系统中取决于两个通信终端之间的距离。根据本发明的一个基本概念，定向信号波转换器(例如像定向天线)的波束宽度通过根据距离来修改它而适应于与移动终端2和无线通信的另外终端之间的距离对应的多径衰落可能性。
因为传统的波束跟踪只是对于所涉及的终端之间的短距离来说太慢，所以优选地定义一个临界距离，低于此临界距离，信号波转换器的方向特性的波束宽度(即，HPBW)例如像图6中示出的那样被增加。增加了的波束宽度#0′导致用于覆盖与以前相同的辐射范围所需的数量减少的波束方向。因此，可以相应地减少要被测试的波束方向的数目，从而实现通过允许脉冲串2所需要的较短时间的波束跟踪算法更快地识别最适合的波束方向，以及实现对移动终端2甚至以更高速度靠近的横向移动的更可靠的跟踪。
可以根据在针对不同的波束方向的脉冲串2内获得的RSSI和FER值以及根据或结合所接收的携带信号波的信息的场强确定来估计两个通信终端1和2之间的距离。替代地或者作为补充，通过使用超声波距离测量系统或光程测量系统等等来测量距离。同样可以使用户内和/或户外定位系统。
图7示出了根据本发明的短距离无线移动通信系统的组件。系统的一个终端、即所表示的终端1配备有一个定向信号波转换器1a。另外一个终端2配备有一个全向信号波转换器2a。在每个终端上，操作分别由中央处理单元CPU 5和10来控制。基带处理在终端1上由基带处理单元6执行，在终端2上由基带处理单元9执行。在每个终端上设置有RF(射频)电路，用于相对于基带信号调制和解调被提供给相应终端的信号波转换器的信号载波或者从相应终端的信号波转换器中接收到的信号载波。
在图7中给出的实例中，波束跟踪在终端1上被实现。定向信号波转换器1a被示出为具有自适应阵列天线的形式，其中移相器被连接在每个单个天线元件之前，用于控制天线阵1a的辐射角以及HPBW。应用于每个天线元件的单独的相移和天线模式由波束操纵控制器4来控制，该波束操纵控制器4作用于从CPU 5提供给它的信息。使用机械波束操纵天线来代替自适应阵列天线也是可能的。
图7的移动终端2配备有一个全向天线。在移动终端上有一个定向操纵天线，同时第一终端应用一个全向天线，这也是可能的。另外，两个终端都可以装备有一个定向操纵天线，这意味着两个终端都包括一个方向调整装置4。这对于在许多终端之间的短距离通信来说特别有用，其中每个终端交替地直接与各种其它终端进行通信，以致允许不同的终端对同时交换信息而没有来自其它终端的信号干扰。
由CPU 5提供的信息涉及所需的波束方向和波束宽度。由CPU 5提供的波束宽度信息是基于涉及如距离确定装置20所确定并提供的终端1相对于终端2的距离。在本发明的一个优选实施例中，把波束宽度设置为大于参考距离的距离的较小值，并且设置为没有达到参考或临界距离的距离的较大值。
因为强的RF信号只为在附近的并且在中间没有障碍物的另外一个终端2可用，所以距离确定实际上是从在RF电路7处获得的RF信号的强度中导出的。进一步处理从RSSI单元3中计算出的RSSI值有利地增强了这种距离估计的可靠性。
根据一个有利的改进方案，通过使用超声波距离测量系统或光程测量系统来获得距离信息，与通过翻译信号特性的上述距离确定相比，这种超声波距离测量系统或或光程测量系统允许“直接的”距离测量。通过按照类似的结果支配最终确定的距离值的方式合并从刚刚所述的不同距离确定装置中获得的结果，能增强距离信息。
在另外一个优选的改进方案中，对于没有达到预定义距离的到互补通信终端的距离，完全切断波束跟踪。然后，波束宽度#0′与此并行地被设置为足够宽以覆盖在这样的短距离处进行短距离通信所需要的角度范围。在这种情况下，辐射特性通常被设置为半球形或全向特性。如果距离确定不是基于RSSI，则现在可以省略脉冲串2，从而提高了信息传输的速度，并且减少与波束跟踪相关的功率消耗。
对被布置在附近的通信终端具有这种放松的要求的波束跟踪所需要的处理步骤在图8中示出。在包括跟踪系统的终端AP上要采取的程序上的步骤被安排在流程图的左边，在另外一个终端MT上执行的那些步骤被安排在流程图的右边。通信的初始建立(步骤S11)以及初始波束调整(步骤S12)象在现有技术中那样完成。在步骤S13中，在从终端AP到终端MT的脉冲串1中所发射的数据在终端MT上被用来在步骤S14中为传输质量确定而测量RSSI值和FER。接下来，脉冲串2的数据被发射到终端AP(步骤S15)，并且紧接着在步骤S16中被用于RSSI和FER确定。在同一处理步骤中，两个终端之间的当前距离Δd被确定，然后在步骤S17中将当前距离与参考距离相比较。如果发现距离Δd没有超过参考距离，则在步骤S18.1中波束的HPBW被设置为大角度#0′，否则在步骤S18.2中被设置为小角度#0。在步骤S19中，检查数据传输是否要被继续，并且在肯定的检查时，所述方法继续步骤S13。在另外一种情况中，所述方法以在步骤S110中通信连接的释放而结束。
根据本发明的一个优选实施例，使用移动监控装置来代替以RSSI或者FER测量为基础的主瓣的角度对准。这允许把数据脉冲串中的系统开销降低到最小值，因此信号波转换器的方向的对准将不会消极地影响脉冲串的有效负载容量。
优选地，移动监控装置被用于监控移动终端2的任何移动。如果第一终端1也被移动，则监控装置也将监控这个终端的移动。但是对于这两种情况来说，移动终端2相对于第一终端1的相对移动都被监控。
如果需要，移动监控装置可以使用GPS(全球定位系统)，以便获得移动终端和/或第一终端的位置。但是，如果没有提高精确度的附加装置附加地被使用，则当前用GPS能实现的较差精确度使其经常不适于短距离无线通信。因此，例如像室内定位系统那样的短距离定位系统由于它们的更高精确度而成为优选的。
在本发明的另外一个优选实施例中，处在移动终端2内的传感器装置和同样在第一终端1内的传感器装置(倘若第一终端1也被移动)被用来确定两个终端相对于彼此的移动。传感器装置适于感测与移动相关的物理量，并且适于提供一个或多个与所感测到的物理量的当前值对应的电输出信号。
图9示出了根据本发明使用两个不同类型的机械传感器的传感器装置的实例，即用于使能相应的移动跟踪的加速度传感器11-1和11-2以及螺旋仪传感器12-1和12-2。同一类型的一对传感器的每个单独的传感器被定向在与相应的另外一个传感器不同的、优选地正交的方向上，以便针对不同自由度获得同一物理量的数值。不同于图9中说明的实例，并且取决于所使用的传感器的类型，仅仅一个传感器可能就已经足够了，或者可能需要同一类型的两个以上单独的传感器。
图7示出了基于无线电波传输的短距离无线移动通信系统的实例的示意表示，已根据在上面所解释的本发明的第一方面部分地对其进行了描述。因此，现在将只解释移动装置所控制的方向操纵所需要的扩展。
移动终端2收纳移动监控装置13，该移动监控装置包含一对加速度传感器11-1和11-2以及一对螺旋仪传感器12-1和12-2。移动监控装置13提供跟踪数据给移动终端2的CPU 10(中央处理单元)。跟踪数据包含关于移动终端2的当前移动的信息。在一个简单的实施例中，跟踪数据只以数字格式表示加速度传感器11-1到12-2的输出，然后所述输出被CPU 10处理，以计算移动终端2的移动，例如像当前位置、方向矢量、速度矢量和加速度矢量等等。CPU 10因此可以被认为是移动监控装置的主要部分。
在另外一个改进的实施例中，移动监控装置13对从传感器装置中获得的数据进行预处理，从而向CPU 10提供已经推导出的数据。推导出的数据表示移动终端2的当前移动的一种描述形式。CPU 10可以使用此数据来计算在去往或来自第一终端1的下一信号发射时移动终端2的最可能的位置。CPU 10提供跟踪数据或已处理的跟踪数据给基带电路9，在该基带电路中它们被整合到脉冲串2中作为操纵命令，在RF电路8中在射频上被调制，并且最终经由天线2a被发射到第一终端1。
第一终端1经由天线1a接收包含脉冲串2的信号。在RF电路7中被解调并在基带电路6中被处理之后，在传输质量确定装置3中，在如此被解调的脉冲串2的基础上确定RSSI值。第一终端的CPU 5从脉冲串2中提取操纵命令，并且提供相应的控制信号给控制可调定向天线1a的方向调整装置4。
在本发明的一个替代的实施例中，方向计算完全在第一终端1上被处理。当担当方向计算装置的CPU 5确定定向天线1a下一数据发射所需的方向时，从移动终端2中只接收关于移动方向的数据。通过记录在某一个周期内移动终端2过去的移动，方向计算装置还能够通过外插法预测在不久的将来信号发射所需要的天线1a的下一辐射角度。
如果第一终端也被移动，移动监控装置还必须监控这个终端的移动，因为定向天线的正确对准是所连接的终端相对于彼此的相对移动的函数。关于这一点，移动监控装置13优选地由两个组件13组成，一个位于第一终端1上，而另外一个位于移动终端2上。与移动相关的数据然后在两个终端之间进行交换，并且接收数据在每个终端上和从本地组件13中获得的数据一起被用来监控相对移动并且计算针对定向操纵天线的操纵命令。当然，如果只有一个终端装备有定向操纵天线，则计算被限制为这个终端，并且另外一个终端只须发射它的与移动相关的数据。
正如优选地由图7的系统所实现的那样，图10示出了根据本发明第二方面的波束跟踪的帧结构。上面的帧是要被第一终端1发射的帧；下面的帧是要被移动终端2发射的帧。由第一终端1发射的第一数据脉冲串1在移动终端上被接收，并在那里被用来确定当前波束方向的RSSI值和FER、即定向天线的当前辐射角。同时监控移动终端2的移动，这导致生成相关的跟踪数据，或者像在图11中给出的实例中那样，导致直接生成操纵命令。在脉冲串1之后，移动终端2向第一终端1a发射包含操纵命令的第二脉冲串2。然后，在第一终端1上，在下一数据将用脉冲串3发射给移动终端2之前，定向天线被相应地重新对准。
正如从图11中的详细说明中可以看到的那样，脉冲串2由报头、操纵命令和有效载荷组成。在本发明的一个优选实施例中，操纵命令仅仅包括四位数、即b1、b2、b3和b4，它们表示如在下面的表1中所示的天线重新对准值。
根据图11和表1的表述的操纵命令因此只包括天线方向的方位角Δφ和仰角Δθ的递增变化值。如果不需要重新对准，则b1像b2、b3和b4一样等于0。对于b1＝0和b2＝1的方位角，获得正方向上的递增变化。对于反方向上的变化，b1＝1并且b2＝0。类似地控制仰角的递增变化。
| b1 | b2 | 含义 | b1 | b2 | 含义 | |
| 0 | 0 | θ无变化 | 0 | 0 | θ无变化 | |
| 0 | 1 | +Δθ | 0 | 1 | +Δθ | |
| 1 | 0 | -Δθ | 1 | 0 | -Δθ | |
| 1 | 1 | 保留 | 1 | 1 | 保留 |
表1
因为操纵是基于对移动终端2相对于第一终端1的相对移动的监控，所以递增变化Δφ和Δθ的可以小于定向天线的HPBW(参见图16)。图12示出了当像在现有技术中那样基于RSSI确定时所获得的波束方向。在该实例中所覆盖的空间对应于是辐射特性的HPBW的大约3倍的波束宽度，并且如清楚可见的那样，Δφ和Δθ都与所使用的HPBW的相同。利用本发明，Δφ和Δθ可以被保持为比所使用的定向天线的HPBW小很多，因此使得能够应用机械操纵天线，否则机械操纵天线将太慢以至于不能在所需时间内执行HPBW尺寸的Δφ和/或Δθ。
图13示出了根据本发明的波束操纵的程序上的顺序。在第一终端1上采取的行动被指示在左边分支上，在移动终端2上采取的动作被指示在右边分支上。通信的初始建立(步骤S21)以及初始波束调整(步骤S22)像如图5所示的现有技术中那样完成。在步骤S23从第一终端1(AP)发射给移动终端2(MT)的数据在移动侧被用来在步骤S24中为传输质量确定而测量RSSI值和FER。从在步骤S25中同时或随后基于传感器对移动终端2的移动的测量中，如上所述，在步骤S26中计算出操纵命令并发射给第一终端1。
在第一终端1，操纵命令在步骤S27被接收，并且操纵天线的辐射角在步骤S28中相应地被调整。如果像在步骤S29中所检查的那样数据发射要被继续，则在步骤S23中下一数据在新的辐射角方向上被发射。步骤S23到S29被重复，直到数据发射被中止为止，这导致在步骤S210中释放该通信连接。
应当注意的是：根据基于无线电的短距离无线通信的天线所进行的描述类似地可适用于短距离光通信的电光信号波转换器。有时也被称为机械波束操纵天线的机械操纵天线的原理在图15中示出。取决于仅仅针对一维或两维所需要的跟踪，发射元件1a可以在一个或两个正交方向上被倾斜，该发射元件还可以是光束天线的反射面。倾斜例如可以由伺服马达、电流计驱动来控制，或者由允许所定义的偏转的任何其它装置来控制。
自适应天线阵列的一个实例在图14中示出。它通常由天线单元1a*的规则布置组成，其中每一个天线单元都通过移相器1a**连接到RF电路。通过在每个天线单元处单独地适当偏移RF信号的相位，获得具有可控辐射角的方向特性。对于光自适应信号波转换器来说，透明的液晶填充电极例如可以代替移相器和天线单元，液晶填充电极的折射率由所应用的电位来控制。改变相应电极的折射率最终偏移经过该电极的光的相位。
实现跟踪移动终端的波束跟踪所需要的时间的降低可被视为本发明的主要优点。这通过距离敏感的波束宽度控制结合分开的移动控制来实现。但是此外，本发明允许定向信号波转换器的更精细等级的重新对准，这使得甚至针对快速移动的终端也能够使用慢速机械操纵的信号波转换器。
Claims (29)
1.一种具有第一终端(1)和移动终端(2)的短距离无线移动通信系统，第一终端(1)和移动终端(2)每一个都适于发射和接收携带信号波的信息，因此至少第一终端(1)或移动终端(2)包括：定向信号波转换器(1a)，用于发射和/或接收携带具有方向特性(1bI，1bII，#0，#0′)的信号波的信息；和控制装置(4，5，13，20)，适于根据移动终端(2)相对于第一终端(1)的位置来控制方向特性(1bI，1bII，#0，#0′)。
2.一种具有第一终端(1)和移动终端(2)的短距离无线移动通信系统，第一终端(1)和移动终端(2)每一个都适于发射和接收携带信号波的信息，因此至少第一终端(1)或移动终端(2)包括：定向信号波转换器(1a)，用于发射和/或接收携带具有方向特性(1bI，1bII，#0，#0′)的信号波的信息；和控制装置(4，5，13，20)，适于响应于第一终端(1)和移动终端(2)之间的实际距离来控制方向特性(1bI，1bII)的半功率波束宽度(#0，#0′)。
3.根据权利要求2的短距离无线移动通信系统，其特征在于：在第一终端(1)和移动终端(2)之间的距离未达到预定义的距离值时，控制装置(4，5，13，20)把方向特性(1bI，1bII)的半功率波束宽度(#0，#0′)从第一值(#0)增加到第二值(#0′)。
4.根据权利要求3的短距离无线移动通信系统，其特征在于：第二值(#0′)的半功率波束宽度符合第一终端(1)和移动终端(2)之间所允许的方向范围。
5.根据权利要求4的短距离无线移动通信系统，其特征在于：半功率波束宽度为第二值(#0′)的方向特性(1bI，1bII)是全向特性。
6.根据权利要求2到5之一的短距离无线移动通信系统，其特征在于：
距离确定装置(20)，用于确定第一终端(1)和移动终端(2)之间的距离。
7.根据权利要求6的短距离无线移动通信系统，其特征在于：距离确定装置(20)包括超声波距离测量系统。
8.根据权利要求6或7的短距离无线移动通信系统，其特征在于：距离确定装置(20)包括光程测量系统。
9.根据权利要求6、7或8的短距离无线移动通信系统，其特征在于：距离确定装置(20)适于基于接收信号强度指示器(RSSI)值来确定第一终端(1)和移动终端(2)之间的距离。
10.根据权利要求6到9之一的短距离无线移动通信系统，其特征在于：距离确定装置(20)位于第一终端(1)上。
11.一种具有第一终端(1)和移动终端(2)的短距离无线移动通信系统，因此第一终端(1)和移动终端(2)每一个都包括：收发装置(7，8)，用于与至少第一终端(1)或移动终端(2)的收发装置(7，8)发送和接收携带信号波的信息，所述第一终端(1)或移动终端(2)还包括可控定向信号波转换器(1a)，用于发射和/或接收携带具有方向特性(1bI，1bII，#0，#0′)的信号波的信息，并且短距离无线通信系统还包括控制装置(4，5，13，20)，它具有：移动监控装置(13)，用于监控移动终端(2)相对于第一终端(1)的移动，和方向调整装置(4)，用于根据如移动监控装置(13)所监控的移动终端(2)相对于第一终端(1)的移动来调整可控定向信号波转换器(1a)的方向特性。
12.根据权利要求11的短距离无线移动通信系统，其特征在于：移动监控装置(13)位于移动终端(2)上和/或位于第一终端(1)上。
13.根据权利要求11或12的短距离无线移动通信系统，其特征在于：移动监控装置(13)包括：传感器装置(11-1，11-2，12-1，12-2)，用于提供对应于一个或多个物理量的一个或多个电信号，所述一个或多个物理量与移动终端(2)相对于第一终端(1)的移动相关。
14.根据权利要求13的短距离无线移动通信系统，其特征在于：传感器装置(11-1，11-2，12-1，12-2)包括加速度传感器(11-1，11-2)，用于提供电信号，该电信号指示与收纳所述传感器装置的终端的移动相关的加速度值。
15.根据权利要求13或14的短距离无线移动通信系统，其特征在于：传感器装置(11-1，11-2，12-1，12-2)包括螺旋仪传感器(12-1，12-2)，用于提供电信号，该电信号指示与收纳所述传感器装置的终端的移动相关的方向值。
16.根据权利要求11到16中的任何一个的短距离无线移动通信系统，其特征在于：移动监控装置(13)提供跟踪数据给方向计算装置(5，10)，因此跟踪数据是以针对收纳相应传感器装置(11-1，11-2，12-1，12-2)的终端所监控的移动为基础的。
17.根据权利要求16的短距离无线移动通信系统，其特征在于：方向计算装置(5，10)估计在携带信号的信息的随后的下一交换时移动终端(2)相对于第一终端(1)的位置。
18.根据权利要求16或17的短距离无线移动通信系统，其特征在于：方向计算装置(5，10)提供控制信号给方向调整装置(4)，该方向调整装置基于跟踪数据并且适于调整可控定向信号波转换器(1a)，以致可靠的信号传输被实现。
19.根据前面任何一个权利要求的短距离无线移动通信系统，其特征在于：移动终端(2)包括全向信号波转换器(2a)，而第一终端(1)包括可控定向信号波转换器(1a)。
20.根据权利要求1到18之一的短距离无线移动通信系统，其特征在于：第一终端(1)包括全向信号波转换器(2a)，而移动终端(2)包括可控定向信号波转换器(1a)。
21.根据前面任何一个权利要求的短距离无线移动通信系统，其特征在于：可控定向信号波转换器(1a)由机械可操纵的定向信号波转换器形成。
22.根据权利要求1到20之一的短距离无线移动通信系统，其特征在于：可控定向信号波转换器(1a)由自适应信号波转换器阵列形成。
23.根据前面任何一个权利要求的短距离无线移动通信系统，其特征在于：第一终端(1)上的信号波转换器和移动终端(2)上的信号波转换器每一个都适于发射和接收无线电波和/或光波形式的信息。
24.根据权利要求23的短距离无线移动通信系统，其特征在于：天线形成信号波转换器(1a，2a)。
25.根据权利要求23或24的短距离无线移动通信系统，其特征在于：信号波转换器(1a，2a)包括电光设备。
26.根据前面任何一个权利要求的短距离无线移动通信系统，其特征在于：第一终端(1)是固定的终端。
27.一种用于短距离无线移动通信系统的终端，该终端包括：定向信号波转换器(1a)，用于发射和/或接收携带具有方向特性(1bI，1bII)的信号波的信息；和控制装置(4，5，13，20)，适于根据所述终端(1，2)相对于短距离无线移动通信系统的另一个终端(2，1)的位置来控制方向特性(1bI，1bII，#0，#0′)。
28.根据权利要求27的终端，其特征在于：
根据权利要求2到18之一的控制装置(4，5，13，20)，和/或根据权利要求21到25之一的信号波转换器(1a，2a)。
29.一种用于与短距离多径无线通信系统中的终端(1)交换信息的无线通信设备(2)，所述无线通信设备包括：定向信号波转换器(1a)，用于发射和/或接收携带具有方向特性(1bI，1bII，#0，#0′)的信号波的信息；和控制装置(4，5，13，20)，用于根据所述设备(2)相对于终端(1)的位置(I，II)来控制方向特性(1bI，1bII，#0，#0′)。
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