天线装置和天线装置的控制方法
【专利摘要】一种天线装置，所述天线装置包括天线单元(110)，所述天线单元(110)被安装为使得其方向是可调节的；马达驱动单元(124、125)，所述马达驱动单元改变所述天线单元(110)的方向；相机(130)，所述相机(130)被固定为使得其方向相对于所述天线单元(110)不改变；和方向调节控制单元(200)，所述方向调节控制单元(200)对所述马达驱动单元(124、125)提供驱动信号并调节所述天线单元(110)的方向。方向调节控制单元(200)基于由相机(130)拍摄的图像执行反馈控制以使天线单元(110)的方向返回至初始方向。因此，即使当在安装有天线装置的结构中发生机械振动时，也能够维持通信质量。
【专利说明】
天线装置和天线装置的控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种天线装置和一种自动地调节天线方向的天线装置的控制方法。
【背景技术】
[0002]当安装定向天线时，重要的是使它朝向适当的方向以便最大化接收电平。因为最近已经采用了毫米波频率的无线电波，所以需要以相当于在针眼中穿线所需的精确度的精确度水平来设定相对于波源天线的天线朝向。例如，如今需要1.0°或以下(诸如0.4°或
0.2°)的极小角度调节。已经提出了用于设定朝波源方向的天线朝向(S卩，确定天线方向)的各种方法(例如，专利文献1、2和3)。
[0003]引用列表
[0004]专利文献
[0005]PTLl:日本未经审查的专利申请公布N0.2007-33380
[0006]PTL2:日本未经审查的专利申请公布N0.2007-88576
[0007]PTL3:日本未经审查的专利申请公布N0.2005-72780
【发明内容】
[0008]技术问题
[0009]近年来，具有约几十至几百米的覆盖范围的小小区(small cell)已经用于主要在市区中增加通信能力、增强通信速度和提高覆盖盲区的目的。小小区(small cell)也被称为微微小区(picocell)和毫微微小区(femtocell)。当在市区安装大量天线装置时，在许多情况下，有必要在靠近地面的位置或非稳健结构上安装天线装置，并且例如，存在天线装置安装在灯柱上的情况。
[0010]然而，灯柱等由于诸如风、来自地铁和地震的振动的外力而经历变形和机械振动。例如，在图14中，天线1被安装在结构(例如，灯柱)上。当结构40振动时，天线1相应地振动。因为天线10发射和接收定向波束51，所以如果天线10的朝向(例如，定向波束51)由于机构振动而改变，无线电链路的通信质量显著降低。
[0011 ]此外，当天线10被安装在灯柱50上时，即使灯柱50的振动非常小，安装在灯柱50的上部处的天线10的振动也不一定小。此外，在机械振动的频率碰巧与灯柱的固有频率同步的情况下，存在天线10的振动会显著变大的担忧。
[0012]另外，不仅天线本身而且与天线相对的站(下文中称为‘相对站’)也经历振动的事实使得问题变得更复杂。
[0013]如果相对站是稳定的并且因此不移动，则接收强度的减小仅归因于天线本身的振动。在这种情况下，仅需要搜索接收强度被最大化的方向并且调节该方向，使得它朝向那个方向。(这样的操作可以基于接收强度通过反馈控制来实现。)
[0014]然而，如果相对站也振动，则接收强度的下降不仅归因于天线本身的振动。在天线本身和相对站两者都振动的情形下，不可能搜索接收强度被最大化的方向，并且在最糟的情况下，它们的控制操作崩溃(背离)。
[0015]本发明的示例性目的是提供一种天线装置和一种天线装置的控制方法，即使当在安装有天线装置的结构中发生机械振动时，所述天线装置和控制方法也能够维持通信质量。
[0016]技术方案
[0017]根据本发明的示例性方面的天线装置包括:天线单元;相机单元，所述相机单元被固定为使得其方向相对于天线单元不改变；以及方向调节控制单元，所述方向调节控制单元调节天线单元的方向，其中所述方向调节控制单元基于由相机单元拍摄的图像进行控制以使天线单元的方向返回至初始方向。
[0018]根据本发明的示例性方面的天线装置的控制方法是一种包括如下部分的天线装置的控制方法:天线单元，所述天线单元被安装为使得其方向是可调节的；马达驱动单元，所述马达驱动单元改变天线单元的方向；相机单元，所述相机单元被固定为使得其方向相对于天线单元不改变;和方向调节控制单元，所述方向调节控制单元向马达驱动单元提供驱动信号并调节天线单元的方向，所述方法包括:基于由相机单元拍摄的图像进行控制以使天线单元的方向返回至初始方向。
[0019]发明的有利效果
[0020]根据本发明的示例性方面，即使当在安装有天线装置的结构中发生机械振动时，也能够维持通信质量。
【附图说明】
[0021]图1是示出根据第一示例性实施例的天线装置被设置的状态的视图。
[0022]图2是控制单元的功能框图。
[0023]图3是示出自动地将天线单元的朝向调节至最适当的方向的操作程序的流程图。
[0024]图4是示出从上面看到的天线装置的视图。
[0025]图5是示出在初始位置的相机图像的示例的视图。
[0026]图6A是示出灯柱由于振动而弯曲的状态的视图。
[0027]图6B是示出灯柱由于振动而弯曲的状态的视图。
[0028]图7是示出灯柱由于振动而歪斜的状态的视图。
[0029]图8是示出供参考的天线装置由于振动而平行移位的状态的视图。
[0030]图9是示出灯柱由于振动而弯曲的状态的视图。
[0031]图10是示出相机图像的示例的视图。
[0032]图11是示出匹配图像的过程的视图。
[0033]图12是示出差距的视图。
[0034]图13是示出为抵消振动天线单元的朝向的改变的视图。
[0035]图14是示出【背景技术】的视图。
【具体实施方式】
[0036]本发明的示例性实施例在附图中示出并且在下文中通过参照附图中的元件的参考符号来描述。
[0037](第一示例性实施例)
[0038]在下文中描述本发明的第一示例性实施例。
[0039]图1是示出根据第一示例性实施例的天线装置被设置的状态的视图。
[0040]天线装置100例如安装在灯柱50(固定的结构)上。当将天线装置100安装在灯柱50上时，首先将安装基座60附接到灯柱50。安装基座60包括L形构件61和支架62。灯柱50放置在L形构件61和支架62之间，并且L形构件61和支架62由螺栓63和螺母64紧固。L形构件61充当安装平面。
[0041]天线装置100固定在安装平面(L形构件61)上。天线装置100包括天线单元110、盘头120、相机130和控制单元140。
[0042]天线单元110在该示例中是抛物形天线。天线单元是具有方向性的天线，并且它并不限于抛物形天线，以及替代地它可以是平面天线。
[0043]盘头120包括基座台121、能够相对于基座台121在水平方向(方位角方向)上旋转360°的旋转台122、和相对于旋转台122能够在竖直方向(俯仰方向)上旋转的转向台123。
[0044]控制单元140和天线单元110由转向台123保持，并且它们的位置根据转向台123的位置的变化而变化。
[0045]此外，盘头120包括旋转马达124和转向马达125，旋转马达124驱动旋转台122以使它旋转，转向马达125驱动转向台123转向。
[0046]相机130可以是所谓的数字摄相机，例如，其包括镜头和图像传感器(CCD或CMOS)并且具有拍摄图像的功能。相机130拍摄图像的方向是任意的。然而，注意，如将从下面描述中明显的，其位置被设定(固定)的对象需要在成像区内。换言之，例如仅拍摄天空图像的成像方向是无用的。优选的是，例如，诸如建筑物或房屋的结构出现在图像中。此外，如果可能，更优选具有清晰的颜色、形状等的对象出现在图像中。安装天线装置100的工人查看周围的事物并且粗略决定相机130的朝向，使得上文描述的结构出现在图像中。然后，工人将相机130固定地安装在天线装置100上适当的位置。为了更容易理解，图1示出天线单元110的发射和接收方向和相机的成像方向移位约90°的情况。具体地，天线单元110的发射和接收方向是向右的，而相机的成像方向是向前的。
[0047]虽然在图1中相机130被安装在天线单元110上，但是它可以被固定到控制单元140的壳体141。相机130可以被固定到天线装置100上的任何位置。虽然相机130可以通过任何方式安装在天线装置100上，但是即使当采用安装相机130的最轻松的方式时，必须的是，天线单元110和相机130的位置和方向相对于彼此不移位。换句话说，如果天线单元110的位置或朝向改变，则相机130的位置或朝向也应以同样方式改变。
[0048]相机130和天线装置100不必彼此分离，并且相机130可以嵌入在天线装置100中。换言之，相机130可以内置于天线装置100。
[0049]控制单元140包括壳体141和内部回路。
[0050]图2是内部回路的功能框图。在图2中，除了马达驱动器220之外，作为CPU加载程序的结果，控制单元140的功能可以被实施。
[0051 ] 控制单元140包括发射和接收单元150和方向调节控制单元200。
[0052]发射和接收单元150是电路单元，其包括接收回路151和发射回路152并且根据需要执行信号的调制和解调。
[0053]方向调节控制单元200包括中央控制器210、马达驱动器220、和图像处理单元230。
[0054]图像处理单元230包括图像捕捉单元231、初始图像记录单元232、图像匹配处理单元233和位移计算单元(位置计算单元)234。
[0055]稍后参照流程图和图解来描述每个功能单元的详细操作。
[0056](操作的描述)
[0057]在下文中描述用于自动地将天线单元110的朝向调节至最适当的方向的一系列操作。
[0058]为了实现自动定向调节，天线装置100需要如图1中所示的那样被适当地设置。具体地，先决条件是，天线单元110朝向相对站的方向，并且它有利地在不存在振动等时向相对站发射无线电波并且从相对站接收无线电波。为了使天线单元110的方向朝向相对站20，可以使用现有方法，或可以通过试错法来搜索接收强度水平到达其峰值的方向。
[0059]假设天线装置100被适当地设置。
[0060]在此时天线单元110所朝向的方向(方位角，仰角)被称为天线单元110的“初始方向”或天线单元110的“初始位置”。
[0061]如果可以控制天线单元110总是返回到初始方向(初始位置)，则维持无线链路的高通信质量将是可能的。
[0062]问题是如何使天线单元110返回至初始方向(初始位置)。
[0063]图3是示出自动地将天线单元110的朝向调节至最适当的方向的操作程序的流程图。
[0064]首先执行的是捕捉初始图像(ST110)。相机130已经安装在天线装置100上，并且图像捕捉单元231捕捉在相机130中的当前图像以作为初始图像(ST110)。
[0065]图4是示出了从上面看到的天线装置100的视图。在图4中，相机130的成像范围由点线指示。(注意，交替长短的虚线指示了成像范围的中心线。)在图4的示例中，假设建筑物30矗立在相机130的成像范围的中心。因此，建筑物30出现在如图5中所示的相机图像的中心的右边。初始图像被记录在初始图像记录单元232中。
[0066]在捕捉初始图像(STllO)之后，中央控制器210在ST130至ST170中基于在指定的控制周期内相机图像执行位置反馈控制。
[0067]为了更好地理解该示例性实施例的效果，假设相对大的振动被施加到灯柱50的情况。当相对大的振动被施加到灯柱50时，灯柱50弯曲或歪斜。例如，如图6A中所示，假设高度为1m的杆弯曲，并且上端移位约10mm。在这种情况下，天线单元的发射和接收方向甚至基于简单的线性化在EL方向上移位约0.6° (俯仰方向上的仰角)(图6A)。实际上，因为杆以多阶曲线(图6B)弯曲，所以天线单元的方向位移更大。
[0068]此外，如图7中所示，杆也歪斜。在图7中，为了更容易理解歪斜杆的截面是方形的而不是圆形的。根据一些试验数据，杆的上端歪斜约3°，并且在这种情况下，天线单元的发射和接收方向向AZ方向移位约3° (方位角)。
[0069]如果杆弯曲或歪斜并且天线单元110的发射和接收方向移位约0.6°或以上，则通信质量降低，并且因此需要进行一些测量。
[0070]注意，一些人认为当相对大的振动被施加到灯柱50时平移运动(平行移动)将在天线装置中发生，并且另外描述这一点。
[0071]例如，如图8中所示，假设当天线装置在离相对站20的10m的距离处时，天线装置在横向方向上并行移动10mm。在这种情况下，方向的位移约为0.06°，并且因此其对通信质量的影响小于由于上述弯曲或歪斜引起的方向的位移。
[0072]此外，假设如果相对大的振动被施加到灯柱50，则灯柱50如图9中所示的那样歪斜，并且因此天线装置100的朝向改变。(注意，虽然为了描述的方便在图9中天线装置100的位置被极大地移位，但是它是夸张的)。相机130连同天线装置100—起移位。因此，由相机130拍摄的图像改变。结果，如图10中所示，建筑物30在成像区中向左移位。
[0073]图像捕捉单元231捕捉由相机130拍摄的当前图像(ST130)。然后，图像处理单元230将当前图像与初始图像相比较并且因此计算当前图像和初始图像之间的差距(ST140)。将两个图像相比较并且识别图像以查看一个图像如何从另一个图像偏离是模式匹配的应用并且通过各种方法对其进行实施。例如，已知仅相位相关性。
[0074]图像匹配处理单元233将初始图像PlO与当前图像P20比较并且使当前图像P20移位，以使得当前图像P20最紧密地匹配初始图像P10。图11是示出了将当前图像P20重叠在初始图像PlO上以使得它们匹配的状态的视图。假设已经在初始图像PlO的中心的右边出现的建筑物20在当前图像P20中的左边出现。在这种情况下，发现当前图像P20的图像中心Oc相对于初始图像P1的图像中心O i向右移位。
[0075]位移计算单元234基于通过图像匹配处理单元233进行的匹配的结果来计算当前图像P20和初始图像P1之间的差距(ST140)。在该不例中，计算在差距中存在多少像素。如图12所示，假设在显示图像中横向方向是X轴方向，并且纵向方向是y轴方向。位移计算单元234通过计算在X方向上当前图像P20从初始图像PlO偏离多少(ΔΧ)像素以及在y方向上当前图像P20从初始图像PlO偏离多少(△ Y)像素，来计算差距。
[0076]在获得当前图像P20的位置(ST140)之后，确定差距是否在允许的范围内。通过中央控制器210执行该处理。假设允许的范围被预设到中央控制单元210。例如，假设εχ和ey被设置为差距的允许范围。
[0077]中央控制器210将差距(ΔΧ、ΔΥ)与允许的范围(εχ、εγ)相比较。当差距(ΔΧ、ΔΥ)在允许的范围(εχ、εγ)内时，控制循环返回至ST130。注意，当差距(ΔΧ、ΔΥ)在允许范围(ε
[0078]另一方面，当差距(ΔΧ、ΔY)在允许范围(εχ、εγ)外时，执行天线单元的朝向调节(ST170)。注意，当差距(ΔΧ、ΔΥ)在允许范围(εχ、εγ)外时，满足ΔΧ>εχ和/或AY>ey。
[0079]通过计算差距得知当前位置相对于初始位置移位的方向。因此，使旋转台122和转向台123转向以抵消差距(Δ X、Δ Y)。具体地，从马达驱动器220向旋转马达124和转向马达125发送驱动信号。
[0080]注意，虽然知道当前位置在拍摄的图像中偏离了多少像素，但是实际“量”是不知道的。换言之，即使已知图像中的差距(ΔΧ、ΔΥ)，也不可能获得，天线单元110应在方位角或仰角(俯角)方向上转向的角度的具体角度数。(为了精确地获得该值，给出天线装置100和相对站20之间的精确距离将是必要的。)
[0081]因此，当驱动马达124和125时，用于马达124和125的微小驱动的预定量(数量)的脉冲信号被施加于马达124和125。之后，控制操作返回至ST130并且确定是否存在剩余的差距(ST150)，并且重复马达124和125的微小驱动直至差距落入允许的范围内。然后，如图13中所示，天线单元110转向相对站20的方向。
[0082]以这种方式，通过在ST130至ST170中基于相机图像执行位置反馈控制，即使当振动被施加到灯柱50时，也可以总是将天线单元110的方向设定为朝向相对站20。
[0083]根据具有上文描述的结构的第一示例性实施例，能够获得下面的有利效果。
[0084](I)根据该示例性实施例，能够自动地调整天线单元110的方向，以使得它朝向相对站20。在该示例性实施例中，执行基于相机图像的位置反馈，而不是基于接收强度水平的反馈控制。如果基于接收强度水平执行反馈控制，则例如当在相对站20中发生机械振动时，控制崩溃。另一方面，当像在该示例性实施例中那样执行基于相机图像的位置反馈时，能够使天线单元110朝向相对站20的方向，无论相对站20的状态如何(无论接收强度水平如何)。这在像市区中那样在天线本身和相对站20两者中发生机械振动的情况下是显著有效的。
[0085](2)由于通过旋转和转向驱动而产生的天线单元110的机械振动和摇摆所导致的天线装置100的位移，能够被相机图像检测到。因此，在该示例性实施例中，不需要用于以高精确度(例如，0.1°或更小)检测天线单元110的方位角和仰角的昂贵传感器(例如，高度精确的旋转编码器，角速度传感器等)等。这有助于大小减小和成本降低。
[0086]描述示例性实施例和现有技术之间的差异以供参考。
[0087]虽然，在该示例性实施例中，相机被用作照准装置等，该示例性实施例不同于日本未经审查的专利申请公布N0.2007-33380、2007-88576和2005-72780(日本未经审查的专利申请公布N0.2007-33380、2007-88576和2005-72780统称为现有技术文献)，在这些现有技术文献中，相机在天线安装阶段中被用作照准装置。在现有技术文献中，相机的光学轴线和天线单元的发射和接收方向事先对准。然后，调节天线的朝向，以使得相对站出现在相机图像的中心。由此，使天线单元精确地朝向相对站，根据现有技术文献这样实现了最大接收强度。
[0088]另一方面，在该示例性实施例中，天线单元的朝向事先被设置在通过一些手段实现最大接收强度的方向上。之后安装相机。然后，执行反馈控制，以使得即使当机械振动发生时，某一地标(在上文描述的示例中为建筑物30)在成像区也不移动，并且因此天线单元总是朝向相对站。
[0089]存在天线单元的无线电波发射方向(无线电波接收方向)与设计方向偏离或相机的光学轴线与设计方向偏离的情况。在这样的情况下，很明显，现有技术文献的技术在天线安装阶段中无法很好地工作。另一方面，在该示例性实施例中，不需要相机的光学轴线以及天线单元的发射和接收方向将被对准，并且当接收强度水平最大时，仅需要将相机图像记录为初始图像。当然，现有技术文献没有公开关于在天线安装之后基于相机图像的位置反馈控制。
[0090]应注意的是，本发明并不限于上文描述的示例性实施例，并且在本发明的范围内本发明可以在许多方面不同。
[0091]方向调节控制单元200的功能单元可以是由各种逻辑元件构成的专用硬件。可替代地，可以通过将给定的程序合并到具有CPU(中央处理装置)、存储器(存储设备)等的计算机来实施中央控制器210的功能和图像处理单元230的功能。可以通过诸如因特网或非易失性记录介质(诸如，CD-ROM或存储卡)的通信工具将天线朝向调节程序安装到具有CPU和存储器的计算机中的存储器，并且通过促使CPU等结合安装的程序一起操作来实施上文描述的功能单元。可以通过将存储卡、CD-ROM等直接插入到计算机，或通过将读取诸如存储介质的设备外部连接到计算机来安装程序。此外，可以通过将LAN电缆、有线或无线通信线连接到计算机的通信方式来提供并安装程序。
[0092]在天线装置的一些结构中，通过一个朝向调节部分能够使得方位角和仰角是可变的。在例如日本未经审查的专利申请公布N0.H5-67909中公开了这样的天线装置。在这种情况下，仅使用一个马达。
[0093]可以测量接收强度水平，并且例如，当每单位时间的平均接收强度落入指定阈值下方时，可以执行在上文描述的示例性实施例中的自动朝向调节。
[0094]可以添加以有规律或无规律的间隔更新初始方向的功能。具体地，接收强度被最大化的天线单元110的角度位置可以自动地被获得并且被设定为新的初始方向。
[0095]例如，通过驱动马达驱动的(S卩，电力驱动的)单元(旋转马达124和转向马达125)在指定范围内改变天线单元的方向。这时，记录由相机130拍摄的图像和由天线单元110接收的无线电波的接收强度。然后，获得接收强度被最大化的天线单元110的角度位置。
[0096]注意，虽然最优选的是找到“接收强度被最大化的方向”，但是允许初始方向的某种偏离，只要该偏离在接收强度水平、BER(误码率)或SNR(信噪比)满足指定水平(实现良好的无线电波通信)的范围内即可。
[0097]本申请基于2014年2月26日提交的日本专利申请N0.2014-35472的优先权并且要求该日本专利申请的优先权，该日本专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
[0098]附图标记清单
[0099]10 天线
[0100]20 相对站
[0101]40 结构
[0102]50 灯柱
[0103]51定向波束
[0104]60安装基座
[0105]61 L形构件
[0106]62 支架
[0107]63 螺栓
[0108]64 螺母
[0109]100天线装置
[0110]HO天线单元
[0111]120 盘头
[0112]121基座台
[0113]122旋转台
[0114]123转向台
[0115]124旋转马达
[0116]125转向马达
[0117]130 相机
[0118]140控制单元
[0119]141壳体
[0120]150发射和接收单元
[0121]151接收回路
[0122]152发射回路
[0123]200方向调节控制单元
[0124]210中央控制单元
[0125]220马达驱动器
[0126]230图像处理单元
[0127]231图像捕捉单元
[0128]232初始图像记录单元
[0129]233图像匹配处理单元
[0130]234位移计算单元
【主权项】
1.一种天线装置，包括: 天线单元； 相机单元，所述相机单元被固定为使得其方向相对于所述天线单元不改变；以及 方向调节控制单元，所述方向调节控制单元调节所述天线单元的方向，其中， 所述方向调节控制单元基于由所述相机单元拍摄的图像进行控制以使所述天线单元的方向返回至初始方向。2.根据权利要求1所述的天线装置，其中， 当使得所述天线单元朝向所述初始方向时，使得所述天线单元朝向其能够执行与相对站进行良好无线通信的方向， 当使得所述天线单元朝向所述初始方向时，所述相机单元捕捉成像区中的任意对象，并且 所述方向调节控制单元基于所述对象在所述成像区中移位的方向来调节所述天线单元的方向。3.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中， 所述方向调节控制单元具有自动地改变所述天线单元的方向以及基于由所述相机单元拍摄的图像和由所述天线单元接收的无线电波强度来更新所述初始方向的功能。4.一种天线装置的控制方法，所述天线装置包括:天线单元，所述天线单元被安装为使得其方向是可调节的；马达驱动单元，所述马达驱动单元改变所述天线单元的方向；相机单元，所述相机单元被固定为使得其方向相对于所述天线单元不改变；以及方向调节控制单元，所述方向调节控制单元对所述马达驱动单元提供驱动信号并调节所述天线单元的方向，所述方法包括: 基于由所述相机单元拍摄的图像进行控制以使所述天线单元的方向返回至初始方向。
【文档编号】H01Q3/08GK106063032SQ201580010462
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年1月26日
【发明人】平部正司
【申请人】日本电气株式会社