一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法和装置制造方法及图纸

现有毫米波多入多出MIMO系统的发射及接收波束赋形通常需要对无线电波所经历的信道的空间参数进行估计。随着收发双方或一方天线数量的增加，当收发双方之间的移动性较强时，若要实现高精度的波束跟踪，信道测量和反馈的开销会很大，影响了系统容量和资源分配的灵活性，并使得信号处理变得更为复杂。针对此问题，本发明专利技术提出了一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法和装置，通过控制摄像装置捕获潜在用户的位置或位置及姿态的改变进行波束赋形或波束改变及增益调整，从而改进波束赋形的性能。本发明专利技术同时亦可反过来使用无线信号辅助光信号进行波束对准。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种无线通信中的波束赋形方法和装置。二、技术背景现有的波束赋形方案，无论是发射波束赋形还是接收波束赋形，通常都需要对无线电波所经历的信道的空间参数进行估计。不失一般性，以蜂窝移动通信中的基站和移动台之间通信为例，下行的波束赋形要么需要移动台测量基站参考信号后反馈，要么利用信道互易性由基站测量移动台的发射后估计出下行信道。而上行的波束赋形也有类似的方案。无论哪种方式，都需要发送开销信息来辅助接收侧进行信道空间相关参数的估计。现有方案的主要问题是：1)随着收发双方或一方天线数量的增加，当收发双方之间的移动性较强时，若要实现高精度的波束跟踪，信道测量和反馈的开销会很大，影响了系统容量和资源分配的灵活性，这一点特别针对massiveMIMO的参考信号设计尤为突出；2)增加的测量和反馈使得信号处理复杂，功耗增加，波束跟踪实时性受到挑战，例如空间预编码的码本数量增加将使得相应的码本搜索过程更加复杂；3)在移动台和基站未建立双向通信之前，例如在寻呼或接入阶段，双方利用控制信道进行通信时，由于无法预知双方无线信道的空间维度参数，该阶段难以利用波束赋形带来的好处，使得寻呼或接入的信号不能在空间上集中，浪费了功率、增加了干扰、降低了控制信道的容量；4)现有波束赋形方案主要针对较低的无线频段，如2GHz左右，当蜂窝移动通信的频段采用5GHz或60GHz等更高频段时，由于系统更加依赖于视距传播和波束绕射能力变差，现有波束赋形方法在移动场景下的上述缺点会更加明显，同时更高频段的大带宽优势也难以发挥出来。5)随着基站密度的不断增加，相互邻近的无线设备之间的潜在干扰将日益严重，在这种密集网络部署场景下，视距传播也将更加常见，在视距场景下如何抑制干扰也向系统设计提出了挑战。三、
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法，从而改进波束赋形的性能。这里的光指可见光或红外线等，不同于用天线发射的无线信号，通信的一方利用摄像头采集通信的另一方发出的可见光或红外线等，提取辅助无线波束赋形的信息。当然，这里的光也可以指用于可见光通信(VisibleLightCommunication,VLC)的场景，这时反过来可以利用无线信号辅助光信号进行波束对准。此外，由于本专利技术具备摄像功能，可以帮助系统发现覆盖区域内未激活的终端或非本运营商终端，便于辅助相应系统开展规划、优化等工作。本专利技术的具体内容如下：1、一种光和无线信号相互辅助的波束赋形方法，该方法包括：硬件和软件两部分，其中硬件部分包括：基带及射频接口、增益控制、波束赋形天线阵、摄像装置四个部分，软件部分的功能除了传统的增益控制和波束赋形功能外，还有一个功能是将摄像头拍摄到的服务区视频或图像进行处理，从中获取有助于无线侧进行波束赋形的信息，而无线侧获取的用户信号信息也有助于优化处理摄像头拍摄到的服务区视频或图像。如图1所示。2、基本工作步骤包括：(a)校准：无线覆盖范围和光拍摄范围的校准，摄像头拍摄画面中位置与波束方向的校准。校准除了系统初始化时要做之外，还应该能够根据波束赋形的效果变化情况自动进行定期或事件触发式的校准。(b)系统不断监控摄像头拍摄画面跟踪用户方位的准确性，该准确性反映了基于光辅助进行波束赋形的准确性，当该准确性下降到一定程度时，系统将工作模式变为原有的只依赖于无线信号进行波束赋形参数估计的方式。摄像头拍摄效果变差时，可考虑变换频段，例如夜晚的时候可以变为采用红外线拍摄等。(c)分析拍摄的画面，对潜在用户或移动台位置进行跟踪，并预先计算对应的波束赋形天线参数配置。(i)在接入阶段利用之前算出的波束参数对接收到的信号进行基于方位角和俯仰角的空间滤波，以改善性能。(ii)在寻呼阶段先利用之前算出的波束参数对待发射的寻呼信号进行基于方位角和俯仰角的空间滤波，从而对准潜在用户位置发射而不是向整个小区或扇区广播，以改善性能；当这种方式寻呼不成功时可增加波束宽度直至再转为用非波束赋形方式进行广播式的寻呼。(iii)业务传输阶段，这时通常上下行有专用的控制信道，业务信道可能只有下行或只有上行；当该移动台的波束赋形参数对应的移动台位置与摄像头拍摄画面中的某个相应位置匹配时，可以减少用于估计无线信道空间参数的开销信号，并可以更容易判断出移动台的移动快慢，从而优化无线波束宽窄等参数。无论是接入阶段、寻呼阶段还是业务传输阶段，可以根据用系统容量、传输质量、覆盖的需求，基于光拍摄画面信息辅助调整发射或接收信号的增益。四、附图说明1、图1为系统结构示意图，其中虚线部分为系统原有模块，实线部分为本专利技术新增部分。2、图2为系统工作步骤3、图3为LoS径下通信双方直视径示意图4、图4为Meanshift算法示意图五、具体实施方式1、系统结构及功能如图1所示，本专利技术的方法和装置包含硬件和软件两部分，其中硬件部分包括：基带接口、射频接口、消息信令解析模块接口、增益控制、波束赋形模块、天线阵、摄像头等部分，软件部分的功能除了传统的增益控制和波束赋形功能外，还有图像分析模块负责图像识别和处理功能、通信事件捕获与分析、摄像驱动及调整模块。各部分和模块间的数据或信息交互如图1所示。其中，(1)摄像装置可以是摄像头、相机、摄像机、或带摄像功能的手机、平板电脑等设备。其功能是对终端及周边环境进行抓拍，可以是周期性抓拍或事件触发、停止抓拍。(2)图像分析模块通过图像处理和识别功能将通信对端的位置、姿态或位置及姿态的变化计算出来，并输出给波束赋形、增益调整模块。(3)波束赋形、增益调整模块的功能是，根据图像分析模块所计算得到的通信对端视距条件下的位置，从而进行波束赋形或增益赋值；或当摄像装置与天线阵列不共址时，在通信对端与天线阵列非视距，而摄像装置仍能拍摄到通信对端的情况下，根据图像分析获得的通信对端位置变化或姿态变化进行波束调整或增益调整；或者当摄像装置无法拍摄到通信对端时，根据从来自天线的无线信号获取到信道状态指示(CSI)等信息进行波束赋形、波束调整或增益调整。(4)通信事件捕获与分析模块的功能是，通过消息、信令解析模块获得对触发或停止摄像或校准有意义的事件，例如接入、切换、注销等，判断是否触发、停止或改变摄像状态。(5)摄像驱动及调整模块的功能是，执行周期性摄像的时钟控制，包括触发及停止；执行事件触发的摄像驱动或停止；执行拍摄范围校准，使拍摄范围的中心与波束中心方向对准拍摄范围与天线阵列的覆盖范围基本一致。(6)天线阵列为原有模块，其功能包括接收来自外部的控制指令或权值，发射信号，或接收来自通信对端的信号。(7)基带处理单元、射频单元、消息信令解析模块为原有模块，执行信号的基带处理，包括波束赋形、增益赋值、射频放大、消息或信令解析等功能，并分别与上述模块进行交互。2、系统工作流程本专利技术的系统工作流程如图2所示。其工作过程如下：(1)首先由摄像驱动、调整模块进行初始化拍摄范围校准。其内容包括：包含无线覆盖范围和光拍摄范围的校准，摄像头拍摄画面中位置与波束方向的校准。其中，无线覆盖范围由天线俯仰角、方位角所限定的区域中信号质量高于最低门限的空间。拍摄范围为摄像机镜头的可视范围。在拍摄范围校准阶段，这两者应当一致，或至少令拍摄范围包含无线覆盖范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的方法和装置，其特征在于，通信的一方利用摄像头采集通信的另一方发出的可见光、红外线或其他光信号，提取辅助无线波束赋形及增益调整的信息；亦可反过来利用无线信号辅助光信号进行波束对准。

【技术特征摘要】
1.一种光和无线信号相互辅助的波束赋形和增益调整的方法和装置，其特征在于，通信的一方利用摄像头采集通信的另一方发出的可见光、红外线或其他光信号，提取辅助无线波束赋形及增益调整的信息；亦可反过来利用无线信号辅助光信号进行波束对准。2.如权利要求1所述的方法和装置，其特征在于，包含硬件和软件部分，其中硬件部分包括：基带接口、射频接口、消息信令解析模块接口、增益控制、波束赋形模块、天线阵列、摄像装置七个部分；软件部分包括波束赋形和增益调整模块、图像分析模块、摄像驱动及调整模块、通信时间捕获及分析模块，消息、信令解析模块。3.如权利要求1所述的方法和装置，其特征在于，基本工作步骤包括：初始化拍摄范围校准、事件触发拍摄、拍摄画面分析、拍摄范围校准判断、拍摄范围校准、拍摄校准成功判断、波束赋形或波束调整及增益调整、周期性拍摄判断、周期性拍摄模式、周期性拍摄范围校准、单纯依赖无线信号进行波束赋形模式。4.如权利要求1所述的方法和装置中，如权利要求3所述的基本工作步骤，按如下模式执行：第一步：初始化校准拍摄范围；第二步：进入事件触发拍摄；第三步：拍摄画面分析；第四步：判断是否需要进行拍摄范围校准，当拍摄范围与本端覆盖范围不符时需要进行拍摄范围校准；如不需要则进入第五步波束赋形或波束调整及增益调整；如需要则进入第六步拍摄范围校准；第五步：根据画面分析结果中通信对端的位置情况进行相应的波束赋形或波束调整，并视通信的性能需求进行增益调整；第六步：拍摄范围校准；随后进入第七步；第七步：判断是否校准成功，如成功则进入第八步判断是否进行周期性拍摄；如不成功，则进入第九步，进入单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；第八步：判断是否需要进行周期性拍摄，如需要，进入第十步周期性拍摄，否则进入第二步事件触发拍摄；第九步：进入单纯依赖无线信号进行波束赋形模式；第十步：周期性拍摄，随后进入第三步拍摄画面分析；第十一步：周期性拍摄范围校准，随后进入第七步校准成功判断。5.如权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，其功能是对终端及周边环境进行抓拍，可以是周期性抓拍或事件触发、停止抓拍；每次图像捕获得到的可以是一幅图像或体现多个视角的多幅图像。6.如权利要求2所述的波束赋形和增益调整模块，其特征在于根据图像分析模块计算得到的通信对端视距条件下的位置；或当摄像装置与天线阵列不共址时，在通信对端与天线阵列非视距，而摄像装置仍能拍摄到通信对端的情况下，根据图像分析获得的通信对端位置变化或姿态变化进行波束...

【专利技术属性】
技术研发人员：张欣，韦再雪，李高斯，陈秀玲，宋宾宾，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11