CN217428122U

CN217428122U - 基于机械转动的波束反射通信系统

Info

Publication number: CN217428122U
Application number: CN202221576211.6U
Authority: CN
Inventors: 孙杨; 张腾宇; 高飞飞
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2032-06-22

Abstract

本实用新型涉及无线通信技术领域，提供了一种基于机械转动的波束反射通信系统，包括：基站，适于发射信号波束；移动端，适于接收所述信号波束；波束反射组件，设置于所述基站与所述移动端之间，包括：第一位置传感器和波束反射板，所述第一位置传感器设置于所述波束反射板上，用于检测所述移动端的位置；所述波束反射板可基于所述第一位置传感器检测到的所述移动端的位置转动，用于将所述基站发射的信号波束反射至所述移动端。本实用新型可以实现对移动端波束追踪，保证在移动端移动的场景下有效高频通信，提高扩展高频信号的覆盖范围，并且具有结构简单、成本低、可靠性高等特点。

Description

基于机械转动的波束反射通信系统

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于机械转动的波束反射通信系统。

背景技术

5G通信技术目前在增强的移动带宽通信(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)、大规模机器类型通信(mMTC)等场景都有着很好的表现。同时，伴随着5G通信技术的发展和推进，通信技术发展的关注点又逐渐向6G转移，可以预期的6G特点是进一步增强5G定义的eMBB、URLLC、mMTC等特性，并且融合更加先进的传感、成像、显示和AI等技术，提供超连接体验，比如沉浸式扩展现实、高保真移动全息影像、数字镜像等。无论是在5G还是6G通信技术中，通信方式向高频段和大型天线阵列的过渡都是显而易见的，大量天线和高频也是未来无线通信技术的两大主要特征，它们都支持虚拟现实、增强现实和自动驾驶等未来技术所要求的高数据传输速率。

在5G实现方式中，主要依赖于高频通信，高频通信能够提供更大的带宽，以供5G实现高速传输。但是高频电磁波穿透能力弱，通信主要依赖于直射径通信。而直射径通信被遮挡物遮挡的情况在现实世界中时常发生，容易导致高频通信效果下降甚至中断，掉话频发，影响5G高频通信发展。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于机械转动的波束反射通信系统，用以解决相关技术中直射径遮挡造成的通信中断的缺陷，实现对移动端波束追踪，保证在移动端移动的场景下有效高频通信，提高扩展高频信号的覆盖范围，并且具有结构简单、成本低、可靠性高等特点。

本实用新型提供一种基于机械转动的波束反射通信系统，包括：

基站，适于发射信号波束；

移动端，适于接收所述信号波束；

波束反射组件，设置于所述基站与所述移动端之间，包括：第一位置传感器和波束反射板，所述第一位置传感器设置于所述波束反射板上，用于检测所述移动端的位置；所述波束反射板可基于所述第一位置传感器检测到的所述移动端的位置转动，用于将所述基站发射的信号波束反射至所述移动端。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述波束反射组件还包括：

旋转控制器，分别与所述第一位置传感器和所述波束反射板相连，用于基于所述第一位置传感器检测到的所述移动端的位置驱动所述波束反射板转动。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述旋转控制器为云台。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述旋转控制器为机械手。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述波束反射板为金属反射板。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述第一位置传感器为全景相机或雷达。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述基站设有第二位置传感器，用于检测所述波束反射板的位置。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述第二位置传感器为全景相机或雷达。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述基站的天线为相控阵天线。

根据本实用新型提供的一种基于机械转动的波束反射通信系统，所述移动端的天线为相控阵天线、全向天线或者喇叭天线。

本实用新型提供的基于机械转动的波束反射通信系统，通过基站可以发射信号波束；通过移动端可以接收信号波束；通过波束反射组件的第一位置传感器可以检测移动端的位置，并且波束反射组件的波束反射板可基于第一位置传感器检测到的移动端的位置转动，用于将基站发射的信号波束反射至移动端。因此，本实用新型通信系统通过波束反射组件，可以绕过遮挡物，对基站发射的信号波束进行反射，并将反射后的信号波束对准移动端，实现对移动端波束追踪，保证在移动端移动的场景下有效高频通信，提高扩展高频信号的覆盖范围，并且具有结构简单、成本低、可靠性高等特点。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供的基于机械转动的波束反射通信系统的结构示意图；

图2是本实用新型提供的基站波束赋形的原理示意图之一；

图3是本实用新型提供的基站波束赋形的原理示意图之二；

图4是本实用新型提供的基于机械转动的波束反射通信系统的原理示意图；

附图标记：

100：基站；101：信号波束；102：第二位置传感器；

200：移动端；

300：波束反射组件；301：第一位置传感器；302：波束反射板；

400：遮挡物。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图4描述本实用新型的基于机械转动的波束反射通信系统，本实用新型通信系统基于6G技术发展趋势，充分利用可机械转动的波束反射板302和位置传感器感知的环境先验信息辅助通信技术，从而高效低成本地解决直射径遮挡造成的通信中断问题，扩展高频信号的覆盖范围，并支持接收端移动的动态跟踪场景；此外，本实用新型通信系统适用于任意毫米波和太赫兹等高频频段。

根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，本实用新型提供的基于机械转动的波束反射通信系统，主要包括：基站100、移动端200和波束反射组件300。其中，基站100通过其天线可以发射信号波束101；移动端200通过其天线可以接收基站100发生的信号波束101；波束反射组件300主要用于将基站100发射的信号波束101反射至移动端200，实现基站100与移动端200的高速低时延通信。

波束反射组件300设置于基站100与移动端200之间，波束反射组件300包括：第一位置传感器301和波束反射板302，第一位置传感器301设置于波束反射板302上，主要用于检测移动端200的位置；波束反射板302可以布置在空间内某一固定位置，并且波束反射板302可以基于第一位置传感器301检测到的移动端200的位置进行转动，调整位姿，用于将基站100发射的信号波束101准确定向反射至移动端200。

当基站100与移动端200通信受到遮挡物400遮挡时，本实用新型实施例提供的通信系统通过可转动的波束反射板302和感知位置的第一位置传感器301，可以绕过遮挡物400，对基站100发射的信号波束101进行反射，并将反射后的信号波束101对准移动端200，实现对移动端200波束追踪，适用移动端200移动的动态跟踪场景，可以保证在移动端200移动的场景下有效高频通信，提高扩展高频信号的覆盖范围，并且具有结构简单、成本低、可靠性高等特点。

根据本实用新型的一个实施例，波束反射组件300还包括：旋转控制器，旋转控制器分别与第一位置传感器301和波束反射板302相连，用于基于第一位置传感器301检测到的移动端200的位置驱动波束反射板302转动。具体地，第一位置传感器301检测移动端200的位置，旋转控制器对移动端200的位置信息进行处理，然后控制波束反射板302转动至目标位置，使得反射后的信号波束101可以对准移动端200，从而实现高速通信传输。

可以理解的是，目标位置是指可以使反射后的信号波束101对准移动端200的位置。本实用新型实施例通信系统结合了通信技术、感知技术和机械控制技术的优势，是感知通信一体化方向的应用。

一般来说，旋转控制器包括驱动机构和控制器，驱动机构与波束反射板302相连，用于驱动波束反射板302转动；控制器分别与第一位置传感器301和驱动机构相连，控制器基于第一位置传感器301检测到的移动端200的位置，控制驱动机构驱动波束反射板302转动。

本实用新型旋转控制器的具体类型不做特别限制，只要可以起到上述作用即可。例如，旋转控制器可以为云台或者机械手等设备。

本实用新型波束反射板302的具体类型不做特别限制，只要可以起到波束反射的作用即可，例如玻璃板、金属板等。

在一些示例中，波束反射板302为金属反射板。金属反射板的具体材质不做特别限制，只要可以对电磁波进行反射即可，例如，金属反射板可以为铜板、铜合金板、铝板、镀铜或镀银的铝板等。

其中，本实用新型实施例的波束反射板302通过采用铜板或者铜合金板，可以提高对通信电磁波的反射效果，并且可以降低成本。

本实用新型第一位置传感器301的具体类型不做特别限制，只要可以起到位置检测的作用即可，例如：第一位置传感器301可以为全景相机、雷达等，雷达可以具体采用360°雷达、360°激光雷达、二维或三维激光雷达、毫米波雷达等。

根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，基站100设有第二位置传感器102，用于检测波束反射板302的位置，从而可以准确将基站100的信号波束101指向波束反射板302。

本实用新型第二位置传感器102的具体类型不做特别限制，只要可以起到位置检测的作用即可，例如：第二位置传感器102可以为全景相机、雷达等，雷达可以具体采用360°雷达、360°激光雷达、二维或三维激光雷达、毫米波雷达等。

根据本实用新型的一个具体示例，第一位置传感器301和第二位置传感器102使用全景相机，则可以使用基于深度学习的模式识别框架，基于数据集训练视觉感知神经网络，从而使得全景相机能够对于捕获到的图像进行实时模式识别，以图像作为实时输入，输出探测到的移动端200的像素坐标。这里例如像素坐标为(u,v)，那么在全景相机能够获取深度的情形下，可以根据全景相机的内参矩阵直接获取以全景相机自身坐标为原点的目标的三维真实世界坐标(x_m,y_m,z_m)，具体可以如下所示：

其中，

为全景相机的内参矩阵；

f_x、f_y分别为全景相机在x和y方向上的焦距，(c_x，c_y)为全景相机的主点坐标(单位为像素)，主点的含义是：全景相机的光轴在相机图像坐标系之中的偏移量。

根据本实用新型的一个实施例，基站100的天线为相控阵天线，即阵列天线，包括线性天线阵列或者面状天线阵列，用于发射信号波束101。

基站100还包括由PXIe机箱、多GPU服务器、FPGA协处理器、时钟分配模块以及软件定义无线电构成的通信基带链路模块，以及由天线阵列、混频器等设备构成的通信射频模块等。可以理解的是，基站100为本领域常规设备，此处不作详述。

根据本实用新型的一个实施例，移动端200的天线为相控阵天线、全向天线或者喇叭天线，用于接收信号波束101。

移动端200主要包括通信基带链路模块和由天线等器件构成的通信射频模块等。可以理解的是，移动端200为本领域常规设备，此处不作详述。

基站100与移动端200的通信可以遵循4G-LTE、5G-NR协议或其它协议等。

下面结合图2-图4对本实用新型提供的通信系统的原理做进一步描述，大致包括：(1)将基站100的信号波束101指向波束反射板302；(2)将波束反射板302反射的信号波束101指向移动端200。

(1)将基站100的信号波束101指向波束反射板302：

以基站100阵列天线为坐标原点，波束反射板302的坐标为(x_r,y_r,z_r)，此坐标可以是固定已知的，也可以是由基站100的第二位置传感器102检测得到的。

基站100根据上述波束反射板302的坐标，可以计算出基站100阵列天线应当发射的波束指向，进行波束赋形，从而将基站100的信号波束101直接指向波束反射板302。

具体的计算方法为本领域常规技术，主要包括：基于上述的三维坐标，使用三角函数相关知识可以直接推导得到波束指向。

例如，如图2所示，以基站100面状阵列天线为坐标原点，Q点假设为波束反射板302，S点为Q点在XOY平面内的投影点，S点的坐标为(R，T)；可以按照式(1)计算面状阵列天线的波束赋形需要的θ角和

角如下：

上式(1)中，atan2(y_r,x_r)函数的定义如下式(2)所示：

例如，如图3所示，以基站100线状阵列天线为坐标原点，可以按照式(3)计算波束赋形需要的θ角如下：

(2)将波束反射板302反射的信号波束101指向移动端200：

基站100完成波束赋形且将信号波束101指向波束反射板302后，波束反射板302上部署的第一位置传感器301进而对移动端200进行检测，获得移动端200的三维坐标(x^′ _m,y^′ _m,z^′ _m)。

如图4所示，以基站100为坐标原点，旋转控制器结合波束反射板302自身三维坐标信息与移动端200三维坐标信息，按照下式(4)计算出旋转控制器应当将波束反射板302旋转到的目标位置。

其中，

为波束反射板302目标位置的法向量，旋转控制器将波束反射板302旋转至此目标位置位姿，即可使波束反射板302反射的信号波束101指向移动端200。

因此，本实用新型实施例通信系统通过基于可机械转动的波束反射板302反射进行通信，在直射径被遮挡物400遮挡的情形下，基站100可以将其天线发射的信号波束101指向波束反射板302的反射面，与此同时，部署在波束反射板302的第一位置传感器301获取移动端200的位置，旋转控制器根据移动端200的位置，控制波束反射板302旋转调整其位姿至目标位置，从而使得反射后的信号波束101定向发送至移动端200，实现基站100与移动端200的高速低时延通信。本实用新型通信系统能够低成本地解决直射径遮挡造成的通信中断问题，扩展了高频信号的覆盖范围，是感知通信一体化的具体实现与应用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，包括：

基站，适于发射信号波束；

移动端，适于接收所述信号波束；

2.根据权利要求1所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述波束反射组件还包括：

3.根据权利要求2所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述旋转控制器为云台。

4.根据权利要求2所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述旋转控制器为机械手。

5.根据权利要求1所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述波束反射板为金属反射板。

6.根据权利要求1所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述第一位置传感器为全景相机或雷达。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述基站设有第二位置传感器，用于检测所述波束反射板的位置。

8.根据权利要求7所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述第二位置传感器为全景相机或雷达。

9.根据权利要求7所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述基站的天线为相控阵天线。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的基于机械转动的波束反射通信系统，其特征在于，所述移动端的天线为相控阵天线、全向天线或者喇叭天线。