天线模组及具有该天线模组的通信设备、通信系统的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种基于空间定位技术的天线模组及具有该天线模组的通信设备、通信系统。


背景技术：

2.得益于定向天线较大的物理增益，无线定向通信一般都能比普通的全向通信能获得更好的效果，同时由于定向性，也能有效地避免来源于其他角度方向的信号干扰。
3.现有的无线定向通信，一般是直接使用多根物理定向天线来做覆盖布局，但是由于其辐射场是固定的，适应的场景有限，对于位置发生变化的客户端，很有可能不在多根定向天线的最大增益辐射方位角度上；也有一些智能天线，通过信号强度检测的方式来调整辐射方位图，但是由于无线信号的实时波动较大，难以实现精确的定向调整；还有采用天线阵设计的，比如自适应天线阵，根据客户端的相对位置来调整辐射方位图，但是需要额外增加复杂的天线阵设计，而且与天线的控制系统(通信设备)并不解耦，软、硬件实现的成本都很高。


技术实现要素：

4.本发明提供一种天线模组及具有该天线模组的通信设备、通信系统，通过空间定位技术获取通信对象的精确位置，实现精确的天线定向角度调整，而且与天线的控制系统解耦，降低设计成本。
5.为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种天线模组，所述天线模组包括：
6.空间定位天线模块，其包括m根定位天线，用于收发通信对象发送的定位信息并将所述定位信息传输给空间定位算法模块；
7.空间定位算法模块，用于以所述m根定位天线的中心为原点建立三维坐标系，根据所述定位信息计算出所述通信对象相对于天线模组的距离信息以及相位信息，并根据所述距离信息以及所述相位信息确定所述通信对象在所述三维坐标系中的三维坐标，并将所述三维坐标传输给定向调节算法模块；
8.定向调节算法模块，用于接收所述三维坐标并转换为对应的目标辐射方位，将所述目标辐射方位传输给定向天线模块；
9.定向天线模块，其包括n根定向天线，用于接收所述目标辐射方位，根据所述目标辐射方位对所述n根定向天线进行定向调节。
10.作为一个优选方案，所述定位信息为带有时间戳的无线数据报文。
11.作为一个优选方案，所述空间定位算法模块具体通过如下步骤确定所述通信对象在所述三维坐标系中的三维坐标：
12.根据每一根定位天线接收到的所述定位信息中的时间戳计算出所述定位信息的传输时间，并结合所述定位信息的传输速度分别计算出每一根定位天线与所述通信对象的
距离信息；
13.根据两两定位天线之间的位置关系计算出两两天线之间接收到所述定位信息的相位差信息；
14.基于每一根定位天线与所述通信对象的距离信息以及两两天线之间接收到所述定位信息的相位差信息，根据三角函数关系确定所述通信对象在所述三维坐标系中的三维坐标。
15.作为一个优选方案，所述定向调节算法模块具体用于：
16.接收所述三维坐标并转换为对应的目标辐射方位；
17.将所述目标辐射方位与所述定向天线模块预先划分的辐射方位进行比较，根据所述预先划分的辐射方位确定与所述目标辐射方位最接近的目标定向天线，将所述目标辐射方位以及所述目标定向天线的信息传输给所述定向天线模块；
18.则，所述定向天线模块具体用于：
19.接收所述目标辐射方位以及所述目标定向天线的信息，根据所述目标辐射方位对所述目标定向天线进行定向调节。
20.作为一个优选方案，所述接收所述三维坐标并转换为对应的目标辐射方位，具体为：
21.接收所述三维坐标，其中，所述三维坐标在所述三维坐标系中为点坐标形式；
22.在所述三维坐标系中，将点坐标形式的所述三维坐标转换为对应的角坐标形式的所述目标辐射方位。
23.作为一个优选方案，所述定向天线模块还用于：
24.预先将所述三维坐标系按照角坐标的形式，划分为若干个辐射方位。
25.作为一个优选方案，定向天线的每个辐射方位为定向天线的主波最大增益的方向。
26.为了解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例提供一种通信设备，所述通信设备包括如第一方面任一项所述的天线模组。
27.为了解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例提供一种通信系统，所述通信系统包括第一通信设备以及第二通信设备，所述第一通信设备以及所述第二通信设备均包括如第一方面任一项所述的天线模组。
28.为了解决上述技术问题，第四方面，本发明实施例提供一种通信方法，所述方法包括：
29.第一通信设备以自身空间定位天线模块为基础建立三维坐标系，通过定向调节算法模块将定向天线的辐射方位映射到三维坐标系，并通过空间定位天线模块接收第二通信设备发送的定位信息，通过空间定位算法模块定位得到第二通信设备在三维坐标系中的三维坐标，通过定向调节算法模块将三维坐标转换为目标辐射方位，通过定向天线模块将定向天线的辐射方位指向第二通信设备；
30.第二通信设备以自身空间定位天线模块为基础建立三维坐标系，通过定向调节算法模块将定向天线的辐射方位映射到三维坐标系，并通过空间定位天线模块接收第一通信设备发送的定位信息，通过空间定位算法模块定位得到第一通信设备在三维坐标系中的三维坐标，通过定向调节算法模块将三维坐标转换为目标辐射方位，通过定向天线模块将定
向天线的辐射方位指向第一通信设备。
31.与现有技术相比，本发明实施例提供的一种天线模组及具有该天线模组的通信设备、通信系统，其有益效果在于：通过无线定位技术确定通信对象的位置，能够提高定位的准确率，实现精确稳定的定向天线调节；与此同时，天线模组具有收发功能，能够实现双向定位，进而实现双向定向通信；除此之外，天线模组独立于通信系统本身，与通信系统解耦，无需通信系统进行管控，降低了通信系统的设计难度以及设计成本。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术特征，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来说，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。
33.图1是本发明提供的一种天线模组的一个优选实施例的结构示意图；
34.图2是三维坐标转换为目标辐射方位的一个优选实施例的示意图；
35.图3是本发明提供的一种通信系统的一个优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
36.为了对本发明的技术特征、目的、效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但是不用来限制本发明的保护范围。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都应属于本发明的保护范围。
37.在本发明的描述中，应当理解的是，本文中的编号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有顺序或者技术含义，不能理解为规定或者暗示所描述的对象的重要性。
38.应当理解，在本发明中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
39.术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
40.图1所示为本发明提供的一种天线模组的一个优选实施例的结构示意图。
41.如图1所示，所述天线模组1包括：
42.空间定位天线模块11，其包括m根定位天线，用于收发通信对象发送的定位信息并将所述定位信息传输给空间定位算法模块12；其中，m≥3，m根定位天线布局在非同一空间平面上，且两两定位天线之间间距在半波长之内；
43.空间定位算法模块12，用于以所述m根定位天线的中心为原点建立三维坐标系，根据所述定位信息计算出所述通信对象相对于天线模组1的距离信息以及相位信息，并根据所述距离信息以及所述相位信息确定所述通信对象在所述三维坐标系中的三维坐标，并将所述三维坐标传输给定向调节算法模块13；
44.定向调节算法模块13，用于接收所述三维坐标并转换为对应的目标辐射方位，将
所述目标辐射方位传输给定向天线模块14；
45.定向天线模块14，其包括n根定向天线，用于接收所述目标辐射方位，根据所述目标辐射方位对所述n根定向天线进行定向调节；其中，n＞0，n根定向天线的辐射场覆盖整个三维空间。
46.其中，在所述天线模组1中，所述空间定位天线模块11与所述空间定位算法模块12连接，所述空间定位算法模块12与所述定向调节算法模块13连接，所述定向调节算法模块13与所述定向天线模块14连接。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
47.具体而言，所述天线模组安装在通信设备上，在通电之后，首先基于所述空间定位天线模块为原点建立三维坐标系，对通信对象进行定位时，首先通过所述空间定位天线模块中的定位天线分别接收通信对象广播的定位信息，其中，该定位信息中具有时间戳，并将该定位信息传输至所述空间定位算法模块中。
48.所述空间定位算法模块根据接收到的定位信息计算出所述通信对象相对于各定位天线的距离信息以及相位信息，并进一步确定所述通信对象在所述三维坐标系中的三维坐标(x,y,z)，即获得了通信对象的定位，然后将所述三维坐标(x,y,z)传输给所述定向调节算法模块。
49.所述定向天线模块将三维立体空间按扇区划分为n个辐射方位(α,β)_n，其中，n为定向天线的个数，n的值越大，则三维立体空间被划分得越细致，定向通信的效果越好。所述定向调节算法模块在接收到所述三维坐标(x,y,z)之后，根据三维坐标系的对应关系，可以将所述三维坐标(x,y,z)唯一转换为对应的目标辐射方位(α,β)_0，并将所述目标辐射方位(α,β)_0传输给所述定向天线模块。
50.所述定向天线模块接收到所述目标辐射方位(α,β)_0后，对定向天线进行定向调节，控制定向天线工作到该目标辐射方位上。
51.在对通信对象进行定位的同时，所述天线模组还能够向外界广播定位信息，供通信对象对其进行定位，从而实现双向定位。
52.需要说明的是，所述天线模组是一个独立的系统，可以接到任何需要天线的通信设备上进行应用，例如用户终端、通信基站、ap等。当互相通信的两个通信设备均安装的本发明的天线模组时，则可以实现双向定位。
53.本发明提供的一种天线模组，通过无线定位技术确定通信对象的位置，能够提高定位的准确率，实现精确稳定的定向天线调节；与此同时，天线模组具有收发功能，能够实现双向定位，进而实现双向定向通信；除此之外，天线模组独立于通信系统本身，与通信系统解耦，无需通信系统进行管控，降低了通信系统的设计难度以及设计成本。
54.在一个优选实施例中，所述定位信息为带有时间戳的无线数据报文。
55.可以理解的，所述定位信息的信号形式、调制方式可以根据实际情况进行设定，只需要保证通信对象双方的信号形式相同、调制方式相同，可以相互识别即可。
56.在一个优选实施例中，所述空间定位算法模块12具体通过如下步骤确定所述通信对象在所述三维坐标系中的三维坐标：
57.根据每一根定位天线接收到的所述定位信息中的时间戳计算出所述定位信息的传输时间，并结合所述定位信息的传输速度分别计算出每一根定位天线与所述通信对象的距离信息；
58.根据两两定位天线之间的位置关系计算出两两天线之间接收到所述定位信息的相位差信息；
59.基于每一根定位天线与所述通信对象的距离信息以及两两天线之间接收到所述定位信息的相位差信息，根据三角函数关系确定所述通信对象在所述三维坐标系中的三维坐标。
60.具体而言，通信对象在广播定位信息时，定位信息中有加入时间戳，天线模组通过定位天线分别接收定位信息，然后根据定位信息中的时间戳来计算定位信息在空气中的飞行时间，即tof，并使用该飞行时间乘上定位信息在空气中的飞行速度t，则可以分别计算出每根定位天线与通信对象的距离。
61.同时，由于各定位天线存在布局距离，而同一位置上的通信对象的定位信息是不变的，因此该定位信息达到不同定位天线上的相位就存在差异(其中，定位信息在传播过程中存在直射路径、衍射路径以及折射路径，此处说的是直射路径)，那么就可以计算出两两天线接收到的定位信息的到达相位差，即pdoa。
62.在得到了距离信息、相位信息之后，则可以在已建立的三维坐标系中，根据三角函数关系计算出通信对象的三维坐标。
63.在一个优选实施例中，所述定向调节算法模块13具体用于：
64.接收所述三维坐标并转换为对应的目标辐射方位；
65.将所述目标辐射方位与所述定向天线模块预先划分的辐射方位进行比较，根据所述预先划分的辐射方位确定与所述目标辐射方位最接近的目标定向天线，将所述目标辐射方位以及所述目标定向天线的信息传输给所述定向天线模块；
66.则，所述定向天线模块14具体用于：
67.接收所述目标辐射方位以及所述目标定向天线的信息，根据所述目标辐射方位对所述目标定向天线进行定向调节。
68.在一个优选实施例中，所述接收所述三维坐标并转换为对应的目标辐射方位，具体为：
69.接收所述三维坐标，其中，所述三维坐标在所述三维坐标系中为点坐标形式；
70.在所述三维坐标系中，将点坐标形式的所述三维坐标转换为对应的角坐标形式的所述目标辐射方位。
71.在一个优选实施例中，所述定向天线模块14还用于：
72.预先将所述三维坐标系按照角坐标的形式，划分为若干个辐射方位。
73.具体而言，所述三维坐标(x,y,z)由空间定位天线模块获取，在三维坐标系中，将整个三维空间按照角坐标(水平角、俯仰角)的形式，划分成n个辐射方位，其具体实现方法不做限制限，比如，使用多根定向天线将空间划分成n个小角度扇区，也可以使用其它智能天线、自适应天线阵等。定向天线的每一个辐射方位在三维坐标系中表示为(α,β)_n，由此可得到一个辐射方位的数组。
74.根据三维坐标的对应关系，如图2所示，所述三维坐标(x,y,z)可以转换为对应的
准确的目标辐射方位(α,β)。
75.将目标辐射方位(α,β)与(α,β)_n进行比较，得到一个离该目标辐射方位(α,β)最接近的值，并确定该最接近的值对应的目标定向天线，并将目标辐射方位(α,β)与所述目标定向天线传输至定向天线模块。
76.定向天线模块收到目标辐射方位(α,β)与所述目标定向天线之后，对所述目标定向天线进行定向调节，控制所述目标定向天线工作到该目标辐射方位上，能够实现多方向的定向通信。
77.在一个优选实施例中，定向天线的每个辐射方位为定向天线的主波最大增益的方向。
78.将定向天线辐射场中主波最大增益的方向唯一标识辐射方位，能够快速、便捷地确定定向天线的辐射方位。
79.本发明提供的天线模组的具体工作流程如下：
80.s10，向外界发送定位信息，和/或接收外界的定位信息；
81.s20，根据外界的定位信息确定通信对象的位置信息；
82.s30，控制定向天线的辐射方位指向通信对象的方向。
83.应当理解，本发明实现上述天线模组的具体工作流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述天线模组的具体工作流程。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
84.相应的，本发明还提供一种通信设备，所述通信设备包括如上述任一实施例所述的天线模组。
85.具体而言，所述通信设备可以是用户终端设备、通信基站、ap等，也可以是其他需要使用到天线的设备。
86.相应的，如图3所示，本发明还提供一种通信系统，所述通信系统包括第一通信设备21以及第二通信设备22，所述第一通信设备21以及所述第二通信设备22均包括如上述任一实施例所述的天线模组。
87.具体而言，所述第一通信设备可以是通信基站，所述第二通信设备可以是客户端。
88.此时，整个通信系统的工作流程为：
89.1.首先以“空间定位天线模块”为基础，通信基站建立三维坐标系，“sta_position”是该坐标系下的方位点：客户端(x，y，z)；
90.在上述三维坐标系中同时建立定向天线辐射方位图，即“ant_position”，因为是在同一坐标系下的方位点信息，与“sta_position”可以建立一一对应关系。
91.2.通信基站获取客户端方位信息：“空间定位算法模块”通过自己的空间定位算
法，以及空间定位天线，定位出所关联的客户端的“方位点”信息，写入“sta_position”方位点信息表；
92.将“sta_position”信息同步到定向调节算法模块，“定向调节算法模块”根据三维坐标系的一一对应关系，刷新ant_position信息，然后通过“定向天线模块”进行定向调节，实现基站到客户端的精确定向传输。
93.3.客户端获取通信基站的方位信息：由于两边都有该天线模组，客户端也可以获取通信基站的方位点信息，实现客户端到基站的精确定向传输。
94.其中，客户端可以是多客户端。
95.由此可见，该天线模组分别安装到基站、客户端上，两个天线模组是一样的，可以互换角色，客户端的操作跟通信基站完全一样，完成客户端上的定向天线调节，这样就可以完成双向的天线定向调节。
96.4.通信基站、客户端位置变化：
97.如果通信基站、客户端位置发生变化，获取的客户端sta_position发生变化，重新写入方位点信息表，之后即继续建立双向定向通信机制。
98.或者，所述第一通信设备可以是主路由ap1，所述第二通信设备可以是子路由ap2，由此组成mesh网络。
99.此时，整个通信系统的工作流程为：
100.1.ap1与ap2安装好后，位置固定；ap1与ap2通过无线连接，形成mesh。
101.2.以ap1上的“空间定位天线模块”为基础，建立三维坐标系；
102.3.ap1通过将其辐射场各方位点的信息，映射到上述三维坐标系上，计为“position_ant”；
103.4.ap1借助“空间定位算法模块”定位ap2在该坐标系上的方位点，计为“position_son1”；由于坐标系是同一个，“position_son1”与“position_ant”有对应关系；
104.5.经过上述步骤后，ap1即获取了子ap2的精确方位；ap1通过“定向天线模块”调整辐射方位指向子ap2。
105.6.对于ap2，同样进行上述(2)～(5)步骤后，可以将天线辐射方位指向ap1。
106.之后mesh系统(ap1与ap2)即可实现精确的双向定向backhaul通信。
107.以上所述，仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干等效的明显变型方式和/或等同替换方式，这些明显变型方式和/或等同替换方式也应视为本发明的保护范围。