-
Die vorliegende Erfindung betrifft intelligente Antennensysteme und insbesondere ein intelligentes Kommunikationssystem mit adaptiver Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit einer Benutzervorrichtung und ein Strahlformungsverfahren dafür.
-
Infolge der zunehmenden Verwendung tragbarer Vorrichtungen, welche mit dem Internet verbunden werden können, entspricht die Bandbreite herkömmlicher Drahtlosübertragungsfrequenzen nicht mehr den Benutzeranforderungen. Um die Geschwindigkeit und die Funktionsweise digitaler Signalverarbeitungssysteme zu verbessern, ist Strahlformung zu einer wichtigen Technik der 5G-Mobilkommunikation geworden. In dieser Hinsicht ist Strahlformung eine Technik, die sich auf digitale Signal verarbeitung und Array-Antennen bezieht. Ihr Betriebsprinzip besteht darin, dass es dem Emitter ermöglicht wird, die Position eines Benutzers als ein Zielsignal zu behandeln und so einzustellen, so dass nicht nur ein Hauptstrahl durch Modulieren des Strahls an das Ziel gerichtet wird, sondern das Signal auch in Echtzeit verfolgt wird. Daher ermöglicht Strahlformung das Funktionieren eines adaptiven intelligenten Antennensystems.
-
Übliche Mittel zum Einstellen des Strahls umfassen Strahlsynthese und Strahlverschiebung, welche das Einstellen des Abstands zwischen einer Array-Antennen-Einheit und einer Array-Antenne einschließen, so dass eine der verwendeten Schaltungen eine Phaseneinstellschaltung ist, die passiv in das Netz eingespeist wird. Die passiv in ein Netz eingespeiste Phaseneinstellschaltung benötigt ein passives Netz in der Art einer Butler-Matrix, welches übertragene Energie und Phasen abhängig davon, ob die Impedanzanpassung und die elektrische Länge einer Übertragungsleitung zu ändern ist, einstellt. Wenn man jedoch eine planare Mikrosteifen-Butler-Matrix als Beispiel nimmt, hat sie viele Nachteile, wie nachstehend beschrieben wird. Um die Anzahl der erforderlichen Strahlen zu erhöhen, muss die Strukturgröße der planaren Mikrosteifen-Butler-Matrix erhöht werden, wodurch das Integrieren der planaren Mikrosteifen-Butler-Matrix und einer Array-Antenne erschwert wird. Infolge der spezifischen Weise, in welcher die Übertragungsleitungen der planaren Mikrosteifen-Butler-Matrix angeordnet sind, dürfte sich Energie in einem Schaltungssubstrat weiter abschwächen. Daher kann das vorstehend erwähnte passive Netz zum Bewirken der Phasenänderung und Strahleinstellung nicht wirksam auf die meisten Schaltungen angewendet werden. Es erübrigt sich auch zu bemerken, dass es wegen des übermäßigen Energieverlusts kostenineffizient ist.
-
Ein herkömmliches Kommunikationsdaten-Übertragungssystem beruht auf dem trigonometrischen Positionierungsverfahren zum Einstellen eines Strahls auf eine erforderliche Position unter Verwendung von durch das Positionierungsverfahren erhaltenen Parametern. Das Verfahren ist jedoch auf das Positionieren und Richten des Strahls zu einer spezifischen handgehaltenen Positionierungsvorrichtung hin beschränkt. Ferner führen unterschiedliche Benutzergewohnheiten zu dauerhaften Positionsänderungen. Dadurch muss das Kommunikationsdaten-Übertragungssystem die Position eines Benutzers in spezifischen Zeitintervallen detektieren, und es hat zur Folge, dass sich daraus letztendlich eine Wartezeit ergibt, die als „Zeitfenster“ bekannt ist. Um die Position eines Benutzers erneut zu detektieren, muss das System viel Zeit für das Warten auf einen Positionierungsprozess im Laufe der Signalübertragung aufwenden, ohne zu erwähnen, dass die Strahleinstellung erst nach dem Ende des Detektionsprozesses beginnt.
-
Dadurch hat das vorstehend erwähnte Kommunikationsübertragungssystem eine niedrige Verarbeitungseffizienz und entspricht nicht den Benutzeranforderungen, was bedeutet, dass ein erheblicher Verbesserungsbedarf besteht.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Effizienz der adaptiven Antennenstrahlformung für die Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit einer Benutzervorrichtung zu erhöhen.
-
Um das vorstehende und andere Ziele zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein intelligentes Kommunikationssystem zur adaptiven Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit wenigstens einer Benutzervorrichtung vor. Das System umfasst mehrere Positionierungsvorrichtungen, eine Datenübertragungsvorrichtung und einen Cloud-Server. Die Positionierungsvorrichtungen senden mehrere Positionierungssignale zumindest zu einer Benutzervorrichtung, um die Positionierung zu bewirken. Die Datenübertragungsvorrichtung ist mit einer adaptiven Antennenstrahlformung zu verwenden, um eine Drahtloskommunikation bereitzustellen. Die Benutzervorrichtung kommuniziert mit dem Cloud-Server durch die Datenübertragungsvorrichtung. Der Cloud-Server empfängt Positionierungsinformationen wenigstens einer Benutzervorrichtung, erzeugt ein Steuersignal zur Strahlformung entsprechend den Positionierungsinformationen und sendet das Steuersignal zur Datenübertragungsvorrichtung. Die Datenübertragungsvorrichtung steuert die Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung entsprechend dem Steuersignal.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Datenübertragungsvorrichtung eine Array-Antenne und eine Steuerschaltung. Die Array-Antenne hat mehrere Antenneneinheiten. Die Steuerschaltung ist mit den Antenneneinheiten gekoppelt, um die Array-Antenne so zu steuern, damit sie einen Antennenstrahl adaptiv formt, wobei die Steuerschaltung die Array-Antenne so steuert, dass sie einen Antennenstrahl gemäß dem Steuersignal adaptiv formt.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerschaltung mehrere mit den Antenneneinheiten gekoppelte Phasenschieber, um die Antenneneinheiten so zu steuern, dass sie einen Antennenstrahl adaptiv formen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Datenübertragungsvorrichtung eine Netzeinheit, die mit der Steuerschaltung gekoppelt ist, um mit dem Cloud-Server zu kommunizieren und dadurch das Steuersignal zu empfangen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Cloud-Server eine Verarbeitungseinheit und eine Datenbank. Die Datenbank ist mit der Verarbeitungseinheit gekoppelt. Die Verarbeitungseinheit empfängt Positionierungsinformationen der wenigstens einen Benutzervorrichtung, sendet die Positionierungsinformationen der wenigstens einen Benutzervorrichtung zur Datenbank und bestimmt die Position der wenigstens einen Benutzervorrichtung in Bezug auf Positionen der Positionierungsvorrichtungen entsprechend den Positionierungsinformationen der wenigstens einen Benutzervorrichtung, wodurch ein Steuersignal zur Strahlformung erzeugt wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Positionierungsinformationen der wenigstens einen Benutzervorrichtung wenigstens Folgendes: Signalstärke der Positionierungsvorrichtungen, die zur Benutzervorrichtung hin manifestiert wird und durch die Benutzervorrichtung aufgezeichnet wird, nachdem die Benutzervorrichtung die Positionierungssignale empfangen hat, und Signalstärke, die sich auf eine Drahtloskommunikationsverbindung bezieht und von der Datenübertragungsvorrichtung der Benutzervorrichtung bereitgestellt wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Positionierungsvorrichtungen Bluetooth-fähige Vorrichtungen oder globale Satellitenpositionsbestimmungsvorrichtungen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die Datenübertragungsvorrichtung wenigstens eine von der drahtlosen Lokalbereichsnetzkommunikation, der drahtlosen Mobilnetzkommunikation und der drahtlosen Weitbereichsnetzkommunikation bereit.
-
Zum Erreichen der vorstehenden und anderen Ziele sieht die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur adaptiven Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit wenigstens einer Benutzervorrichtung vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen und Senden von Positionierungsinformationen zu einem Cloud-Server mit einer Benutzervorrichtung, Empfangen der Positionierungsinformationen von der Benutzervorrichtung durch den Cloud-Server, Erzeugen eines Strahlformungs-Steuersignals durch den Cloud-Server entsprechend den Positionierungsinformationen von wenigstens einer Benutzervorrichtung, Senden des Steuersignals zu einer Datenübertragungsvorrichtung und Steuern der Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung entsprechend dem Steuersignal.
-
Dementsprechend verbessert die vorliegende Erfindung die adaptive Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit einer Benutzervorrichtung bezogen auf die Einstellung der Positionierung der Benutzervorrichtung und die Strahlformungssteuerung aufgrund der Position der Benutzervorrichtung unter Verwendung der der Datenübertragungsvorrichtung fremden Rechenressourcen und Netzressourcen, um die Arbeitslast der Datenübertragungsvorrichtung zu verringern und dadurch die sich aus einem „Zeitfenster“ ergebenden Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung optimiert ferner die Abdeckungsrate für mehrere Benutzer durch Gewichtsanpassung und Datenaufbau der Cloud-Berechnung.
-
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand spezifischer Ausführungsformen in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines intelligenten Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur adaptiven Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit wenigstens einer Benutzervorrichtung, die dem intelligenten Kommunikationssystem zugeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3A ein Blockdiagramm eines Cloud-Servers in 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3B ein Blockdiagramm einer Datenübertragungsvorrichtung in 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- die 4A - 4F schematische Ansichten von Schnittstellen für das intelligente Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 ist ein Blockdiagramm eines intelligenten Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt ist, ist ein intelligentes Kommunikationssystem 10 zur adaptiven Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung 140 mit wenigstens einer Benutzervorrichtung 120 in der Lage. Das intelligente Kommunikationssystem 10 umfasst mehrere Positionierungsvorrichtungen 110, eine Datenübertragungsvorrichtung 140 und einen Cloud-Server 130. Beim intelligenten Kommunikationssystem 10 wird die adaptive Antennenstrahlformung zur Verbindung der Datenübertragungsvorrichtung 140 mit der Benutzervorrichtung 120, bezogen auf die Einstellung der Positionierung der Benutzervorrichtung 120 und die Strahlformungssteuerung aufgrund der Position der Benutzervorrichtung 120 durch Phasensteuerung der Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung 140 unter Verwendung der der Datenübertragungsvorrichtung 140 fremden Rechenressourcen (in der Art Benutzervorrichtung 120) und Netzressourcen (in der Art des Cloud-Servers 130), verbessert, um die Arbeitslast der Datenübertragungsvorrichtung 140 zu verringern, die Effizienz der Datenübertragungsvorrichtung 140 beim Einstellen der Antennenstrahlformung zu erhöhen, die adaptive Antennenstrahlformung der Datenübertragungsvorrichtung 140 flexibler zu machen, den Cloud-Server 130 zum Ausführen verschiedener Optimierungsoperationen zu verwenden und die Abdeckungsrate für mehrere Benutzer durch Gewichtsanpassung und Datenaufbau der Cloud-Berechnung zu optimieren.
-
Die Positionierungsvorrichtungen 110 senden mehrere Positionierungssignale zur zumindest einen Benutzervorrichtung 120, um einen Positionierungsprozess auszuführen. Mit Bezug auf 1 sei bemerkt, dass die Positionierungsvorrichtungen 110 (beispielsweise drei oder mehr) im Innen- oder Außenbereich angeordnet sind, wie durch die gestrichelte Linie aus 1 angegeben ist. Die Positionierungsvorrichtungen 110 emittieren Positionierungssignale in der Art von Rundfunksignalen oder Antwortsignalen. Beispielsweise wird ein Positionierungssignal einer der Positionierungsvorrichtungen 110 von der Benutzervorrichtung 120 empfangen, um die Signalstärke zu erhalten, um den Abstand zwischen der Benutzervorrichtung 120 und der Positionierungsvorrichtung 110 abzuleiten. Weil die Benutzervorrichtung 120 die Positionierungssignale von den Positionierungsvorrichtungen 110 empfängt, ist es möglich, die Benutzervorrichtung 120 zu lokalisieren. Beispielsweise sind die Positionierungsvorrichtungen 110 in Form von Bluetooth-fähigen Vorrichtungen in der Art von Beacons bereitgestellt. Die Bluetooth-fähigen Vorrichtungen arbeiten entsprechend beliebigen Bluetooth-Protokollen, wie Bluetooth-fähig 1 - Bluetooth-fähig 4 oder Bluetooth-fähig 5, oder durch beliebige ähnliche Mittel in der Art von Infrarot- oder anderen Kommunikationsvorrichtungen, die das ZigBee-Protokoll unterstützen. Die Positionierungsvorrichtungen 110 können auch in Form von beliebigen Vorrichtungen bereitgestellt sein, welche das Satellitenpositionierungssystem in der Art des globalen Positionierungssystems (GPS), Beidou-Navigationssatellitenpositionierungssystems und dergleichen unterstützen.
-
Die Datenübertragungsvorrichtung 140 ist bei einer adaptiven Antennenstrahlformung zu verwenden, um eine Drahtloskommunikation bereitzustellen. Mit Bezug auf 1 sei bemerkt, dass die Benutzervorrichtung 120 mit dem Cloud-Server 130 durch die Datenübertragungsvorrichtung 140 kommuniziert. Beispielsweise wird die Datenübertragungsvorrichtung 140 im Innen- oder Außenbereich angeordnet, um drahtlose Breitband- oder Mobilkommunikationsdienste bereitzustellen, und mit einem Netz 50 (in der Art von FTNS, des Internets, eines Mobilnetzes und/oder einer Kombination davon) durch Kabel- oder Drahtlosübertragung verbunden, so dass die Benutzervorrichtung 120 mit dem Cloud-Server 130 kommunizieren kann. Beispielsweise ist die Datenübertragungsvorrichtung 140 eines von einem drahtlosen Netzzugangspunkt, einem drahtlosen Netzrouter, einer Mobilkommunikations-Basisstation, einem Drahtlosnetz und einer Mobilkommunikations-Basisstation, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, weil die Datenübertragungsvorrichtung 140 in Form von einer beliebigen Kommunikationsvorrichtung bereitgestellt werden kann, welche auf die adaptive Antennenstrahlformung angewendet werden kann, um Drahtloskommunikation bereitzustellen.
-
Der Cloud-Server 130 empfängt Positionierungsinformationen SL wenigstens einer Benutzervorrichtung 120, erzeugt ein Steuersignal SB zur Verwendung bei der Strahlformung entsprechend den Positionierungsinformationen SL und sendet das Steuersignal SB zur Datenübertragungsvorrichtung 140. Die Datenübertragungsvorrichtung 140 steuert die Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung 140 entsprechend dem Steuersignal SB.
-
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur adaptiven Antennenstrahlformung zur Verbindung der Datenübertragungsvorrichtung 140 mit wenigstens einer Benutzervorrichtung, die dem intelligenten Kommunikationssystem 10 zugeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Mit Bezug auf 2 sei bemerkt, dass Schritt S210 das Erzeugen und Senden von Positionierungsinformationen SL zum Cloud-Server 130 unter Verwendung der Benutzervorrichtung 120 einschließt. Beispielsweise führt die Benutzervorrichtung 120 eine Anwendung zum Empfangen mehrerer Positionierungssignale von den Positionierungsvorrichtungen 110 und dadurch zum Empfangen der Positionierungssignale aus. Beispielsweise umfassen die Positionierungsinformationen SL der Benutzervorrichtung 120 wenigstens Folgendes: Signalstärke (in der Art des Indikators der Stärke des empfangenen Signals (Received Signal Strength Indicator, RSSI)) der Positionierungsvorrichtungen, die zur Benutzervorrichtung 120 hin manifestiert wird und durch die Benutzervorrichtung 120 aufgezeichnet wird, nachdem die Benutzervorrichtung 120 die Positionierungssignale empfangen hat, und Signalstärke (beispielsweise die Stärke des empfangenen Signals eines drahtlosen Breitbandnetzes), die sich auf eine Drahtloskommunikationsverbindung bezieht und von der Datenübertragungsvorrichtung 140 der Benutzervorrichtung 120 bereitgestellt wird. Die Positionierungsinformationen SL umfassen ferner andere Informationen in der Art der Identität (ID) der Benutzervorrichtung 120 und/oder der Zeit, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, weil die vorliegende Erfindung kann auch durch andere Mittel, beispielsweise Infrarot- oder andere Internet-Kommunikationsprotokolle, implementiert werden. Gemäß einer Ausführungsform werden die Positionierungsinformationen als Kommunikationsempfangsqualitätsdaten angesehen und können daher in einer beliebigen anderen Weise definiert werden, vorausgesetzt, dass die Kommunikationsempfangsqualitätsdaten für das Berechnen der relativen Position der Benutzervorrichtung 120 nützlich sind.
-
Schritt S220 schließt das Empfangen der Positionierungsinformationen SL von der Benutzervorrichtung 120 durch den Cloud-Server 130 ein.
-
Schritt S230 schließt das Erzeugen einer Strahlformung eines Steuersignals SB zur Strahlformung durch den Cloud-Server 130 entsprechend den Positionierungsinformationen SL von wenigstens einer Benutzervorrichtung 120 ein. Beispielsweise berechnet der Cloud-Server 130 die relative Position der Benutzervorrichtung 120 entsprechend den Positionierungsinformationen SL von wenigstens einer Benutzervorrichtung 120 und optimiert mit einem Algorithmus das Steuersignal SB, das zu der Benutzervorrichtung 120 passt. Daher wird die Benutzervorrichtung 120 die optimale Signalstärke erhalten, vorausgesetzt, dass die Datenübertragungsvorrichtung 140 die Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung 140 entsprechend dem Steuersignal SB steuert.
-
Schritt S240 schließt das Senden des Steuersignals zur Datenübertragungsvorrichtung 140 ein.
-
Schritt S250 schließt das Aktualisieren der Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung 140 durch die Datenübertragungsvorrichtung 140 entsprechend dem Steuersignal ein.
-
Bei diesem Verfahren wird nicht nur die adaptive Antennenstrahlformung der Datenübertragungsvorrichtung flexibler gemacht, sondern können auch verschiedene Optimierungsoperationen mit dem Cloud-Server ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Abdeckungsrate für mehrere Benutzer ferner durch Gewichtsanpassung und Datenaufbau der Cloud-Berechnung optimiert werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren wiederholt oder in Zeitintervallen ausgeführt werden oder erneut entsprechend dem Ausmaß einer Positionsvariation ausgeführt werden, so dass der Cloud-Server wegen der kontinuierlichen Aktualisierung intrinsischer Daten, die zu Positionierungsinformationen gehören, eine optimale Funktionsweise demonstriert.
-
Gemäß einer Ausführungsform von Schritt S230 ist der Cloud-Server 130 dafür ausgelegt, die relative Position der Benutzervorrichtung 120 entsprechend den Positionierungsinformationen SL der wenigstens einen Benutzervorrichtung 120, beispielsweise durch das Verfahren der kleinsten Quadrate oder ein beliebiges anderes Positionierungsalgorithmus, zu berechnen. Weil gemäß dieser Ausführungsform die relative Position der Benutzervorrichtung 120 bekannt ist, ist der Cloud-Server 130 dafür ausgelegt, entsprechend der relativen Position die räumliche Anpassung eines Hauptstrahls einer Array-Antenne (auch als intelligente Antenne bekannt) der Datenübertragungsvorrichtung 140 zu berechnen, um das Steuersignal SB zu erzeugen und dadurch die Antenneneinheiten in der Array-Antenne der Datenübertragungsvorrichtung 140 anzuweisen, den Strahl zu erzeugen, welcher entsprechend dem Steuersignal SB am meisten zu der Benutzervorrichtung 120 (oder mehreren Benutzervorrichtungen) passt.
-
In der Praxis können Leistungsparameter und/oder Phasen der Antenneneinheiten, die in die Richtungen orientiert sind, in welche die optimale Array-Antenne orientiert sein kann, durch einen vorbestimmten Strahlfonnungsalgorithmus in der Art eines Partikelschwarm-Algorithmus, eines differenziellen Algorithmus, eines dynamischen Variationsalgorithmus, eines pseudoelektromagnetischen Algorithmus oder eines Genalgorithmus und in Zusammenhang mit einem Optimierungsalgorithmus berechnet werden und dann in Form einer Tabelle in der Datenübertragungsvorrichtung 140 gespeichert werden. Bei dem Verfahren aus 2 erzeugt der Cloud-Server 130 in Schritt S230 das Steuersignal SB einschließlich eines Steuercodes. Der Steuercode weist die Datenübertragungsvorrichtung 140 an, in einer Tabelle nachzuschlagen, um Phasen und/oder Leistungsparameter zum Steuern der Antenneneinheiten zu erhalten, um den erforderlichen Strahl zu formen. Die Implementation der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise umfasst gemäß einer anderen Ausführungsform das Verfahren ferner einen Schritt des Erzeugens einer Strahltabelle, und der Schritt wird durch den Cloud-Server 130 ausgeführt. Die Strahltabelle wird in dem Cloud-Server 130 gespeichert, so dass sie nach Bedarf nachgeschlagen werden kann, oder zur Datenübertragungsvorrichtung 140 zum Speichern und zum anschießenden Nachschlagen gesendet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Cloud-Server gemäß Schritt S230 bereitgestellt, um die Optimierungsberechnung der Leistungsparameter und/oder Phasen der Antenneneinheiten der Datenübertragungsvorrichtung 140 auszuführen und das Steuersignal SB einschließlich der Phasen und/oder Leistungsparameter so zu erzeugen, dass in Schritt S250 die Datenübertragungsvorrichtung 140 den erforderlichen Strahl entsprechend dem Steuersignal SB formt.
-
3A ist ein Blockdiagramm eines Cloud-Servers in 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 3A sei bemerkt, dass der Cloud-Server eine Verarbeitungseinheit 310 und eine Datenbank 320 umfasst Der Cloud-Server führt eine beliebige der vorstehend erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens aus 2 aus. Die Datenbank 320 ist mit der Verarbeitungseinheit 310 gekoppelt (beispielsweise durch eine unmittelbare Verbindung oder eine Fernverbindung). Die Verarbeitungseinheit 310 empfängt und sendet die Positionierungsinformationen SL der wenigstens einen Benutzervorrichtung zur Datenbank 320. Die Verarbeitungseinheit 310 bestimmt die Position wenigstens einer Benutzervorrichtung 120 in Bezug auf die Positionierungsvorrichtungen 110 oder die Datenübertragungsvorrichtung 140 entsprechend den Positionierungsinformationen SL der wenigstens einen Benutzervorrichtung 120, um das Steuersignal SB zur Strahlformung zu erzeugen. Der Cloud-Server umfasst ferner eine Netzeinheit 330, die mit der Verarbeitungseinheit 310 gekoppelt ist und für die Verwendung bei der Netzkommunikation geeignet ist.
-
3B ist ein Blockdiagramm einer Datenübertragungsvorrichtung in 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 3B sei bemerkt, dass die Datenübertragungsvorrichtung eine Array-Antenne 410 und eine Steuerschaltung 420 umfasst. Die Datenübertragungsvorrichtung führt eine beliebige der vorstehend erwähnten Ausführungsformen des Verfahrens aus 2 aus. Die Array-Antenne 410 umfasst mehrere Antenneneinheiten AN. Die Steuerschaltung 420 ist mit den Antenneneinheiten AN gekoppelt, um die Array-Antenne 410 so zu steuern, dass sie einen Antennenstahl adaptiv formt. Die Steuerschaltung 420 steuert die Array-Antenne 410, um einen Antennenstrahl entsprechend dem Steuersignal SB adaptiv zu formen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerschaltung 420 eine Phasenschiebereinheit 422, die mehrere Phasenschieber hat und mit den Antenneneinheiten AN gekoppelt ist, um die Antenneneinheiten AN so zu steuern, dass sie einen Antennenstrahl adaptiv formen. Beispielsweise sind die Phasenschieber aktive Phasenschieber, denen Spannung und Strom zugeführt wird, um die Ausgangsphase der Phasenschieber zu steuern, wodurch die erforderliche Phase entsprechend der Strahlformungsanforderung ausgegeben wird. Die Phasenschieber können auch entsprechend einem digitalen Eingangssignal (in der Art eines digitalen 4-Bit- oder 5-Bit-Signals) digital implementiert werden, um die erforderliche Phase auszugeben. Die Steuerschaltung 420 verwendet ferner die anderen Hochfrequenzkomponenten in der Art der Hochfrequenzverstärker, um die Anforderungen der Anternnenstrahlformung zu erfüllen, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
-
Die Steuerschaltung 420 umfasst eine Verarbeitungseinheit 421 zum Steuern der Phasenschiebereinheit 422, um Hochfrequenzsignale entsprechend dem Steuersignal SB auszugeben, wodurch die Strahlfomung bewirkt wird Die Verarbeitungseinheit 421 ist in Form eines Prozessors, eines digitalen Signalprozessors, einer programmierbaren integrierten Schaltung in der Art einer Mikrosteuereinrichtung, eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA) oder einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder einer zweckgebundenen Schaltung oder eines zweckgebundenen Moduls bereitgestellt.
-
Gemäß einer Ausführungsform funktioniert die Verarbeitungseinheit 421 in Zusammenhang mit einer eingebauten oder externen Speichereinheit. Die Speichereinheit speichert eine oder mehrere zur Strahlformung gehörende Strahltabellen in der Art von Tabellen der Steuerparameter, welche verschiedenen Richtungen entsprechen, die durch den Hauptstrahl der Array-Antenne 410 angegeben sind. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit 421 dafür konfiguriert oder programmiert, durch Nachschlagen in einer Tabelle aus der Strahltabelle die Steuerparameter, beispielsweise wenigstens Phasenparameter und/oder Leistungsparameter, der Antenneneinheiten AN auszulesen, die einer spezifischen Richtung entsprechen, welche durch den Hauptstrahl der Array-Antenne 410 entsprechend dem Steuersignal SB angegeben ist. Danach steuert die Verarbeitungseinheit 421 die Phasenschiebereinheit 422 oder beliebige andere mögliche Hochfrequenzkomponenten (in der Art der Leistungsverstärker), um den erforderlichen Strahl entsprechend den Parametern zu formen. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Steuersignal SB dafür ausgelegt, Befehle oder Codes (beispielsweise Codes, die Winkel angeben, um welche sich der Hauptstrahl verschiebt) einzuschließen, die durch Nachschlagen in der Strahltabelle erhalten werden, damit die Steuerschaltung 420 in der Strahltabelle nachschlägt und die Phasen und/oder Leistungsparameter der Antenneneinheiten AN findet, die vom Hauptstrahl benötigt werden, um sich um diese Winkel zu verschieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
-
Beispielsweise ist die Datenübertragungsvorrichtung 140 in Form eines drahtlosen Netzzugangspunkts, eines drahtlosen Netzrouters, einer Mobilkommunikations-Basisstation, eines Drahtlosnetzes oder einer Mobilkommunikations-Basisstation, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, weil die Datenübertragungsvorrichtung 140 auch in Form von einer beliebigen Kommunikationsvorrichtung bereitgestellt werden kann, welche bei der adaptiven Antennenstrahlformung verwendet werden kann, um Drahtloskommunikation bereitzustellen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Datenübertragungsvorrichtung 140 ferner eine Netzeinheit 430, die mit der Steuerschaltung gekoppelt ist, um mit dem Cloud-Server zu kommunizieren und dadurch das Steuersignal zu empfangen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Netzeinheit 430 in die Steuerschaltung 420 integriert. Gemäß einigen Ausführungsformen stellt die Datenübertragungsvorrichtung 140 wenigstens eine von der drahtlosen Lokalbereichsnetzkommunikation, der drahtlosen Mobilnetzkommunikation und der drahtlosen Weitbereichsnetzkommunikation bereit.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform der Benutzervorrichtung 120 beschränkt. Beispielsweise umfasst die Benutzervorrichtung 120 eine Verarbeitungseinheit, eine Netzeinheit, eine Anzeigeeinheit und einen Speicher. Die Verarbeitungseinheit steuert die Netzeinheit, die Anzeigeeinheit und den Speicher, um verschiedene Formen der Berechnung und Kommunikation zu bewirken, und ist als Beispiel ein Smartphone, ein Tablet, eine tragbare Vorrichtung oder ein Notebook. Die Benutzervorrichtung 120 führt ein Android-, iOS- oder Windows-Phone- oder ein beliebiges anderes Betriebssystem für einen Personalcomputer aus.
-
Nachstehend wird das intelligente Kommunikationssystem zur adaptiven Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit wenigstens einer Benutzervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gemäß dieser Ausführungsform werden mit Bezug auf den in 1 dargestellten Rahmen wenigstens drei Positionierungsvorrichtungen (in der Art von Bluetooth-fähigen Positionierern B1, B2, B3) und drei Datenübertragungsvorrichtungen (in der Art von WiFi-Zugangspunkten X, Y, Z) im Innenbereich angeordnet. Für den Zweck der Überwachung werden eine Überwachungsschnittstelle und andere Schnittstellen beim Cloud-Server angeordnet, um die Wirkung des Aktualisierens der Strahlformung zu beobachten. Die 4A - 4D sind schematische Ansichten von Schnittstellen für das intelligente Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
4A ist eine schematische Ansicht einer Benutzervorrichtung 500, welche das Client-Ende einer handgehaltenen Vorrichtung in der Art eines Mobiltelefons oder Tablets ist. Wie in 4A dargestellt ist, beginnt die Benutzervorrichtung 500, nachdem eine Mobiltelefonanwendung gestartet wurde, mit der Suche nach benachbarten Positionierern, wird über das von der Datenübertragungsvorrichtung bereitgestellte Drahtlosnetz mit dem Cloud-Server verbunden, verwendet die sich auf die Mobiltelefonanwendung bezogenen Informationen in der Art der Mobiltelefonidentität (ID), der Zeit, der WiFi-Signalstärke und der RSSI-Signalstärke der Bluetooth-fähigen Positionierer als die Positionierungsinformationen des Mobiltelefons und lädt die Informationen zu einer konfigurierten Zeit zum Cloud-Server hoch, um die Informationen auf einer Mobiltelefonschnittstelle anzuzeigen.
-
Gemäß dieser Ausführungsform werden drei Bluetooth-fahige Positionierungsvorrichtungen B1, B2, B3 detektiert, und die Mobiltelefonanwendung zeigt die Informationen auf der Mobiltelefonschnittstelle an. Die Informationen umfassen Folgendes: Signalstärke wifi_db (in der Art von -50 dB) der Datenübertragungsvorrichtung zum Mobiltelefon hin, Signalstärke B1- db (in der Art von -60 dB) des Positionierers B1, Signalstärke B2_db (in der Art von -70 dB) des Positionierers B2 und Signalstärke B3_db (in der Art von -75 dB) des Positionierers B3, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. In der Praxis kann beispielsweise ein auf der Benutzervorrichtung zum Sammeln von Informationen installiertes Programm im Hintergrund ausgeführt werden und ist das Programm dafür ausgelegt, die Informationen zum Cloud-Server zu senden, wobei die Informationen optional nicht notwendigerweise auf der Schnittstelle für die Benutzervorrichtung angezeigt werden.
-
4B ist eine schematische Ansicht einer Schnittstelle für eine Datenbank auf der Host-Seite eines Cloud-Servers. Mit Bezug auf 4B sei bemerkt, dass der Cloud-Server, nachdem er die Positionierungsinformationen des Mobiltelefons empfangen hat, max_beacon des auf dem Mobiltelefon gespeicherten Indikators der Stärke des empfangenen Signals (Received Signal Strength Indicator, RSSI)) berechnet und es in der Datenbank speichert. Der Cloud-Server sucht die relative Position des Mobiltelefons in der Datenbank und führt eine Optimierungsberechnung aus, um das räumliche Anpassen des Hauptstrahls einer entsprechenden Antenne zu erhalten, das Steuersignal der Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung entsprechend der Position des Mobiltelefons zu erzeugen und das Steuersignal zur Datenübertragungsvorrichtung zu senden. Die Datenübertragungsvorrichtung steuert daher die Strahlformung der Datenübertragungsvorrichtung entsprechend dem Steuersignal.
-
Beispielsweise kann die relative Position des Mobiltelefons entsprechend den Positionen der Positionierer beispielsweise durch das Verfahren der kleinsten Quadrate erhalten werden. Weil die Koordinatenpositionen der Positionierer bekannt sind, ist es möglich, den RSSI-Wert des Mobiltelefons auf die Positionierer anzuwenden, um den Abstand zwischen dem Mobiltelefon und jedem Positionierer zu berechnen und dann die Koordinaten der relativen Position des Mobiltelefons herauszufinden. Gemäß dieser Ausführungsform führt der Cloud-Server die Berechnung der relativen Positionen der Mobiltelefone aus.
-
Gemäß dieser Ausführungsform wählt der Cloud-Server die dem Mobiltelefon nächstgelegene Datenübertragungsvorrichtung entsprechend dem größten RSSI-Wert der Positionierer und verwendet einen Strahlformungsalgorithmus zum Identifizieren einer intelligenten Antenne der Datenübertragungsvorrichtung und Verschieben ihres Strahls zur optimalen Position bezüglich des Mobiltelefons. Beispielsweise befindet sich das Mobiltelefon in der Nähe eines spezifischen Positionierers. Der Cloud-Server führt einen Strahlformungsalgorithmus aus und weist das Ausstrahlungsgewicht und die durch den Strahl angegebenen Richtungen entsprechend den Positionen der Positionierer B1, B2, B3 und den Positionen der Datenübertragungsvorrichtungen X, Y, Z zu. Weil die Aufbaupositionen der Positionierer und der Datenübertragungsvorrichtung fest sind, können die durch den Strahl angegebenen Richtungen in Bezug zueinander entsprechend den Aufbaupositionen berechnet werden. Wenn es daher bestätigt wird, dass sich ein Mobiltelefon an der Position eines Positionierers befindet, kann die Array-Antenne der nächstgelegen Datenübertragungsvorrichtung ihren Strahl ändern lassen und sich zur Position entsprechend der Position des vorab aufgebauten Bluetooth-fähigen Positionierers verschieben lassen. Die Stärke des Drahtlossignals (in der Art der Stärke des WiFi-Signals) der Datenübertragungsvorrichtung ist beispielsweise minimal -77 dB, so dass die Stärke des Drahtlossignals gemäß dieser Ausführungsform auf den Bereich von -50 dB - -40 dB erhöht werden kann.
-
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Optimierungsberechnung mit einem Strahlformungsalgorithmus in Zusammenhang mit einem Genalgorithmus zum Erzeugen einer Strahltabelle, welche dann in Datenübertragungsvorrichtungen X, Y, Z gespeichert wird, ausgeführt. Der Cloud-Server erzeugt das Steuersignal SB einschließlich eines Steuercodes. Der Steuercode weist die Datenübertragungsvorrichtung an, durch Nachschlagen in einer Tabelle Phasen und/oder Leistungsparameter zum Steuern der Antenneneinheiten zu erhalten, um den erforderlichen Strahl zu formen. Die Strahltabelle enthält Phasen und/oder Leistungsparameter der Antenneneinheiten, die in Richtungen orientiert sind, in welche die Array-Antenne orientiert sein kann. Gemäß dieser Ausführungsform fallen die Strahlrichtungen in einen Bereich von -40 Grad bis +40 Grad und entsprechen alle in der Strahltabelle dargestellten Grade jeweils den Phasen und/oder Leistungsparametern der Antenneneinheiten in der Array-Antenne.
-
Gemäß dieser Ausführungsform sind Datenübertragungsvorrichtungen X, Y, Z in der in 3B dargestellten Weise angeordnet. Die Verarbeitungseinheit der Datenübertragungsvorrichtung ist eine Mikrosteuereinrichtung und wird vorab in die Strahltabelle eingebrannt. Die Netzeinheit der Datenübertragungsvorrichtung ist eine Netzvorrichtung (Modellnummer: NPort 5150, hergestellt von Moxa), wobei Netznachrichten (in der Art der zum TCP/IP-Protokoll gehörenden Nachrichten) vom Cloud-Server in Signale serieller Kommunikationsprotokolle in der Art von RS-232 umgewandelt werden, so dass die Verarbeitungseinheit der Datenübertragungsvorrichtung nicht nur mit dem Cloud-Server kommunizieren kann, sondern eine Backend-Schaltung (Phasenschiebereinheit) auch die Antenneneinheit steuern kann, um einen Strahl entsprechend dem den Steuercode enthaltenden Steuersignal, das durch die Kommunikation mit dem Cloud-Server erzeugt wurde, zu formen.
-
Die 4C - 4F sind schematische Ansichten von Netzüberwachungsschnittstellen für das intelligente Kommunikationssystem gemäß einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.
-
4C zeigt eine Schnittstelle für eine gemäß dieser Ausführungsform ausgelegte Webseite. Die Schnittstelle zeigt die Position einer Antenne eines Detektionssystems bezüglich Bluetooth-fähiger Positionierungsvorrichtungen und eine Graphik der Stärke von WiFi-Signalen, die von einem Mobiltelefon in die Cloud-Datenbank im Laufe der Zeit hochgeladen wurden, an, wobei Datenübertragungsvorrichtungen X, Y, Z durch Kreise angegeben sind, durch den Strahl angegebene Richtungen der drei Antennen durch Ellipsen angegeben sind, Positionierer B1, B2, B3 Bluetooth-fähige Positionierungsvorrichtungen sind, die im Innenbereich zum Positionieren der handgehaltenen Vorrichtung aufgebaut sind, die Stärke des WiFi-Signals zum Anzeigen der WiFi-Signale der handgehaltenen Vorrichtung zugeordnet ist, die vertikale Achse das Signalniveau (dB) repräsentiert und die horizontale Achse die Zeit repräsentiert.
-
Mit Bezug auf 4D sei bemerkt, dass das Mobiltelefon die vorstehend erwähnten Informationen hochlädt, falls sich die handgehaltene Vorrichtung zu B2 bewegt. Nachdem der Cloud-Server die Berechnung abgeschlossen hat, sendet er das Steuersignal zur Datenübertragungsvorrichtung Z, so dass sich der Strahl in Richtung des Mobiltelefons verschiebt, was insgesamt weniger als 5 Sekunden in Anspruch nimmt. Die 4E und 4F zeigen die Situationen, in denen sich die handgehaltene Vorrichtung zu B3 bzw. B1 bewegt und sich der Strahl jeweils von Datenübertragungsvorrichtungen X, Y fort verschiebt. Vorstehend wurde gezeigt, dass diese Ausführungsform beim Bewirken der Echtzeit-Signaloptimierung wirksam ist, so dass das Mobiltelefon, nachdem die Mobiltelefonanwendung mit dem Cloud-Server verbunden wurde, dafür ausgelegt wird, Daten ständig hochzuladen, wohingegen die in 4C dargestellte Netzschnittstelle auch ständig aktualisiert wird, was angibt, dass Datenübertragungsvorrichtungen X, Y, Z die Strahlformung steuern, wodurch es den Datenübertragungsvorrichtungen ermöglicht wird, die Qualität der Signale der Mobiltelefone ferner zu optimieren.
-
Dementsprechend verbessern die vorstehenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die adaptive Antennenstrahlformung zur Verbindung einer Datenübertragungsvorrichtung mit einer Benutzervorrichtung bezogen auf die Einstellung der Positionierung der Benutzervorrichtung und die Strahlformungssteuerung aufgrund der Position der Benutzervorrichtung unter Verwendung der der Datenübertragungsvorrichtung fremden Rechenressourcen und Netzressourcen, um die Arbeitslast der Datenübertragungsvorrichtung zu verringern und dadurch die sich aus einem „Zeitfenster“ ergebenden Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung optimiert ferner die Abdeckungsrate für mehrere Benutzer durch Gewichtsanpassung und Datenaufbau der Cloud-Berechnung.
-
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen offenbart. Fachleute sollten jedoch verstehen, dass die bevorzugten Ausführungsformen nur der Erläuterung der vorliegenden Erfindung dienen und nicht als den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränkend angesehen werden sollen. Daher sollen alle an den vorstehenden Ausführungsformen vorgenommenen gleichwertigen Modifikationen und Ersetzungen in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen. Die vorliegende Erfindung soll daher durch die anhängigen Ansprüche definiert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10)
- intelligentes Kommunikationssystem
- 50)
- Netz
- 110)
- Positionierungsvorrichtungen
- 120)
- Benutzervorrichtung
- 130)
- Cloud-Server
- 140)
- Datenübertragungsvorrichtung
- 310)
- Verarbeitungseinheit
- 320)
- Datenbank
- 330)
- Netzeinheit
- 410)
- Array-Antenne
- 420)
- Steuerschaltung
- 421)
- Verarbeitungseinheit
- 422)
- Phasenschiebereinheit
- 430)
- Netzeinheit
- 500)
- Benutzervorrichtung
- AN)
- Antenneneinheit
- SL)
- Positionierungsinformationen
- SB)
- Steuersignal
- X, Y, Z)
- Datenübertragungsvorrichtung
- B1, B2, B3)
- Positionierungsvorrichtung
- S210 - S250)
- Schritt
