本發(fā)明涉及一種面向低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠距離無線能量和信息協(xié)同傳輸領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種天線陣列波束賦形離散角度控制方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展極其迅速，正在進入我們的日常生活。智慧城市、智能家居、智能建筑、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域都在日新月異地向前演進發(fā)展。這些應(yīng)用領(lǐng)域中有大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以無線形式組成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)相互之間的互聯(lián)互通。未來幾年內(nèi)，5g通信將實現(xiàn)普及商用，5g時代將有越來越多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，將構(gòu)建出物物之間或人與物之間的海量連接世界，絕大多數(shù)消費產(chǎn)品、工業(yè)品、物流等都可以與網(wǎng)絡(luò)連接。這些物品上的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備和智能控制設(shè)備都有持續(xù)的電能供給需求。而傳統(tǒng)供電辦法,比如有線電源或電池供電，是無法滿足這種需求的。遠距離無線能量傳輸技術(shù)將從根本上解決低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的能量來源問題。

現(xiàn)有的商用化的能量采集模塊主要利用動能、光能、熱能等，使設(shè)備從周圍環(huán)境中采集能量，但此類能量采集方法有很多弊端，比如能量采集效率低、能量采集效果受環(huán)境影響較大等。相比之下，采集我們生活的環(huán)境中的無線電信號，或從專門設(shè)計的信號發(fā)送源中采集無線電能量將是一種可持續(xù)且可靠的能量采集方案。采用天線陣列產(chǎn)生方向性極強的波束(beamforming)，稱為波束賦形，在傳輸信息的同時也可向接收設(shè)備傳輸能量，是解決低功耗設(shè)備能耗問題的一個嶄新的方案。與現(xiàn)有的以能量擴散方式的無線能量傳輸協(xié)議相比(如qi標(biāo)準(zhǔn)以電感耦合方式傳輸能量，兩電感線圈之間的最大通訊距離只有厘米級)，天線陣列波束賦形可實現(xiàn)遠距離無線能量傳輸(至多可達百米級)，極大地提高了發(fā)射源的覆蓋范圍。其基本原理是利用天線矩陣的波束賦形技術(shù)產(chǎn)生出能量方向性極強的波束，實現(xiàn)無線能量的遠距離傳輸，有效的解決能量傳輸?shù)挠行赃@個問題。

波束賦形的方式可以把能量集中到一個方向傳輸，可以有效地提高傳輸距離。傳統(tǒng)的波束賦形一般用于提高信噪比，減少干擾，一般與最小均方算法(lms算法)等配合使用。但無論哪種波束賦形的方法，最基本方法離不開對天線矩陣中每一個天線的饋電幅度和饋電相位的控制。傳統(tǒng)的控制方法一般是模擬的，并且在很多算法中要求幅度相位一起控制，電路的設(shè)計難度比較大。在未來5g大規(guī)模天線系統(tǒng)中實現(xiàn)對每一個天線饋電幅度和饋電相位同時控制，電路設(shè)計的實際難度更大，甚至不可行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種天線陣列波束賦形離散角度控制方法，其采用非模擬的饋電控制方式實現(xiàn)天線矩陣的波束賦形控制，可以極大程度上降低控制電路的設(shè)計難度，使未來大規(guī)模天線矩陣的使用成為可能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種天線陣列波束賦形離散角度控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟：1)設(shè)置發(fā)射端天線矩陣；2)設(shè)置一離散天線陣控制器，該控制器包括存儲控制器和天線相位調(diào)節(jié)器；3)選擇波束賦形的方向角度個數(shù)和分辨率，確定每個波束賦形方向?qū)?yīng)的天線矩陣中每兩個天線饋電的相位差，建立一一對應(yīng)關(guān)系；4)按照接收設(shè)備的方向信息，利用天線相位調(diào)節(jié)器調(diào)整天線矩陣中每兩個天線饋電的相位差，移動波束賦形后的波瓣方向，使其方向指向接收設(shè)備。

進一步，所述步驟1)中，根據(jù)實際無線能量傳輸?shù)念l率和通信信道的自然環(huán)境，選擇能量傳輸?shù)念l率，并由此確定天線尺寸、天線數(shù)量和天線之間的間距，確保波束賦形后波瓣寬度、能量增益和傳輸距離在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。

進一步，所述步驟3)中，根據(jù)所要覆蓋的無線能量傳輸?shù)姆秶徒邮赵O(shè)備在此范圍內(nèi)的地理位置分布情況，選擇波束賦形的方向分辨率和方向角度個數(shù)；利用天線相位調(diào)節(jié)器確定每個波束賦形方向?qū)?yīng)的天線矩陣中每兩個連續(xù)天線饋電的相位差。

進一步，所述離散天線陣控制器中的存儲控制器用于存儲各個接收設(shè)備的位置方向信息；所述天線相位調(diào)節(jié)器為天線矩陣中的每一個天線提供一個相位調(diào)節(jié)器，即根據(jù)接收設(shè)備的方向信息，調(diào)整設(shè)定天線矩陣中每兩個天線的相位差，使最終波束賦形的方向朝向請求能量傳輸?shù)慕邮赵O(shè)備的方向。

進一步，所述天線矩陣采用現(xiàn)有的4g通信的基站天線矩陣，或采用為無線能量傳輸建立的專用多天線發(fā)射器。

進一步，所述接收設(shè)備為非移動中的接收設(shè)備；所述接收端包括但不限于低功耗的傳感器、控制器及其附屬電路。

進一步，所述天線矩陣采用1維、2維或3維，每兩個天線之間的間距為輻射頻率波長的1/2，最終的波束賦形的方向根據(jù)天線矩陣的具體情況為平面上的某一個角度，或為3維空間的某一個角度。

進一步，當(dāng)所述接收設(shè)備的發(fā)射天線和接收天線分開使用時，所述接收設(shè)備使用2根以上的天線，其中一根天線用于接收無線能量傳輸。

本發(fā)明具有的有益效果是：1、本發(fā)明可以極大的簡化未來大規(guī)模天線矩陣的控制電路的設(shè)計，不但降低了復(fù)雜度，而且可做到高效快捷，適用于對大量物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的無線能量和信息協(xié)同傳輸。2、本發(fā)明發(fā)射端天線矩陣在執(zhí)行能量傳輸前需要根據(jù)某特定的物理層的來波算法推斷終端設(shè)備的具體方位(平面2維或空間3維定位信息)，或者預(yù)先設(shè)置定位信息，例如gps信息等，直接使用天線矩陣的波束賦形的方式傳遞能量到接收設(shè)備所在方向，接收設(shè)備受到波束賦形的能量輻射，利用能量采集器采集傳遞過來的能量。本發(fā)明并不涉及定位接收設(shè)備方向的方法以及接收端的能量采集方法。只要離散天線陣控制器獲取到傳輸能量的方向信息，即可開始發(fā)射無線能量到接收設(shè)備，因此接收設(shè)備在位置固定的情況下可以直接進行能量采集應(yīng)用。如果接收設(shè)備處于移動情況下，只要配合適當(dāng)?shù)囊苿釉O(shè)備的定位算法也可完成波束準(zhǔn)確對準(zhǔn)并進行能量采集。3、本發(fā)明所采用的離散天線陣控制器的波束賦形的方向角度是一個個預(yù)先設(shè)定好的角度，每一個角度對應(yīng)一個預(yù)先設(shè)定的每兩個連續(xù)天線的相位差，從而選擇波束賦形的最終方向。相對于連續(xù)的相位調(diào)器，使用此系統(tǒng)的天線矩陣最終并不可以使波束賦形指向每一個方向角度都，而是在實際使用中根據(jù)方向的精度要求設(shè)計方向角度的最小分辨率(建議1度到5度，甚至更小角度間隔)，從而設(shè)定相位調(diào)節(jié)器的離散調(diào)節(jié)精度，這相對于連續(xù)調(diào)節(jié)相位的調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計和維護上簡化很多，從而減低設(shè)計和制造難度。在實際使用中可以根據(jù)需要使用高精度多角度的離散相位調(diào)節(jié)的方式替代連續(xù)相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。此外，若采用3維天線矩陣可以更準(zhǔn)確的傳遞能量到接受設(shè)備，提高能量利用率。4、本發(fā)明是無線能量的物理層框架，不涉及上層協(xié)議，但離散天線陣控制器接收到的接收設(shè)備的請求方式和接收設(shè)備的位置信息不排除是由應(yīng)用層直接傳達。綜上所述，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用對位置固定的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備(如部署在橋梁、樓宇、倉庫等)進行遠距離無線能量和信息系統(tǒng)傳輸。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地，從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本發(fā)明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1是本發(fā)明利用波束賦形實現(xiàn)遠距離無線能量傳輸示意圖；

圖2是本發(fā)明的離散天線陣控制器原理示意圖；

圖3a是本發(fā)明的線天線矩陣示意圖；

圖3b是本發(fā)明的面天線矩陣示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中線天線陣列中每兩個天線的相位差30度和60度；

圖5是本發(fā)明實施例中線天線矩陣高精度的方向角度調(diào)節(jié)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實施例一起用于闡釋本發(fā)明。但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道，以下實施例并不是對本發(fā)明技術(shù)方案作的唯一限定，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案精神實質(zhì)下所做的任何等同變換或改動，均應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供的天線陣列波束賦形離散角度控制方法是通過已知的接收設(shè)備位置信息，對天線陣列中各個天線的相位角度進行離散控制，進而形成波束，用于遠距離無線能量和信息協(xié)同傳輸。

如圖1所示，本發(fā)明采用離散的天線陣波束賦形的合成方式，實現(xiàn)天線輻射能量的集中并朝某一選定的方向傳輸。其重點在天線控制器的饋電電路的控制方式是離散的，并非傳統(tǒng)的模擬的幅度相位控制。本發(fā)明中離散的控制器對每一個天線饋電的幅度不變，并從一個查找表中選擇饋電的相位，最終的天線矩陣波束賦形的方向是預(yù)先設(shè)定好的方向，并且可選取的方向的數(shù)量和分辨率根據(jù)查找表的大小而設(shè)定。本發(fā)明的控制方法包括以下步驟：

1)設(shè)置發(fā)射端天線矩陣：根據(jù)實際無線能量傳輸?shù)念l率、通信信道的自然環(huán)境和城市及鄉(xiāng)村環(huán)境等不同因素，選擇能量傳輸?shù)念l率，并由此確定天線尺寸、天線數(shù)量和天線之間的間距，確保波束賦形后波瓣寬度、能量增益和傳輸距離等參數(shù)在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。

2)如圖2所示，設(shè)置一離散天線陣控制器，該控制器包括存儲控制器1和天線相位調(diào)節(jié)器2。存儲控制器1用于存儲各個接收設(shè)備的位置方向信息，該位置方向信息可以傳遞自上層協(xié)議(非物理層信息)，也可提前預(yù)先設(shè)定。天線相位調(diào)節(jié)器2為天線矩陣中的每一個天線提供一個相位調(diào)節(jié)器，即根據(jù)接收設(shè)備的方向信息，調(diào)整設(shè)定天線矩陣中每兩個天線的相位差，使得最終波束賦形的方向朝向請求能量傳輸?shù)慕邮赵O(shè)備的方向。

3)根據(jù)所要覆蓋的無線能量傳輸?shù)姆秶徒邮赵O(shè)備在此范圍內(nèi)的地理位置分布情況，選擇波束賦形的方向分辨率和方向角度個數(shù)，并利用天線相位調(diào)節(jié)器2確定每個波束賦形方向?qū)?yīng)的天線矩陣中每兩個天線饋電的相位差，從而建立一一對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)離散化控制。

4)按照接收設(shè)備的方向信息，利用天線相位調(diào)節(jié)器2調(diào)整天線矩陣中每兩個天線饋電的相位差，移動波束賦形后的波瓣方向，使其方向指向接收設(shè)備，接收設(shè)備受到波束賦形的能量輻射，利用接收設(shè)備內(nèi)的能量采集器采集接收到的能量，進而實現(xiàn)遠距離無線能量的傳輸；同時，接收設(shè)備接收到的能量輻射中也可包含通信信息，從而無線能量與信息可進行協(xié)同傳輸，接收端設(shè)備能量采集與信息接收的協(xié)同方法并不包含于本發(fā)明專利。

上述各步驟中，天線矩陣可以采用現(xiàn)有的4g通信的基站天線矩陣，也可以采用為無線能量傳輸建立的專用多天線發(fā)射器。接收設(shè)備為非移動中的單天線接收設(shè)備；接收端可以是任意非移動環(huán)境下的低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如傳感器、控制器及其附屬電路等。

上述各步驟中，天線矩陣可以是1維，也可是2維或3維(如圖3a、圖3b所示)，每兩個天線之間的間距通常為輻射頻率波長的1/2，最終的波束賦形的方向根據(jù)天線矩陣的具體情況可以是平面上的某一個角度，也可以是3維空間的某一個角度。如果在離散天線陣控制器中預(yù)先輸入接收設(shè)備的位置信息是平面2維的，那么2維方向的波束賦形的天線矩陣可以滿足要求，比如線天線矩陣。如果在離散天線陣控制器中預(yù)先輸入終端設(shè)備的位置信息是空間3維的，則需要采用3維方向的波束賦形的天線矩陣，比如面天線矩陣。

上述各步驟中，當(dāng)接收設(shè)備的發(fā)射天線和接收天線分開使用時，不排除接收設(shè)備使用2根以上的天線，但必須有至少一根天線用于接收無線能量傳輸。

實施例：假設(shè)線天線陣列每兩個天線之間的間距為輻射頻率波長的1/2，并且每個天線饋電的幅度相同，控制器控制天線陣列中每一個天線的相位來調(diào)節(jié)天線陣列波束賦形的方向。當(dāng)天線陣中的每兩個天線饋電的相位相差一定額角度(比如30度或60度等)，則波束賦形后的輻射方向朝向不同角度，如圖4所示。

在本實施例中采用的離散天線陣控制器中，波束賦形的方向角度是一個個預(yù)先設(shè)定好的角度，通過選擇預(yù)先設(shè)定的相位差以選擇波束賦形的方向。本發(fā)明所述波束賦形指向方向角度為非連續(xù)調(diào)節(jié)，并根據(jù)方向的精度要求設(shè)計方向角度的最小分辨率。在圖4的仿真結(jié)果中，天線相位調(diào)節(jié)器設(shè)定天線矩陣中每兩個天線的相位差為30度，波束賦形最終的方向角度的分辨率大約為37度，最終的方向角度的選擇個數(shù)為6個(180度/37度)；在圖5仿真的高精度的方向角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，天線相位調(diào)節(jié)器設(shè)定天線矩陣中每兩個天線的相位差為5度，由此構(gòu)成的波束賦形最終的方向角度分辨率大約為4度，最終方向角度的選擇個數(shù)是45個(180度/4度)。如果波束賦形最終的方向角度分辨率的要求更高，還可以進一步減小天線矩陣中每兩個天線的相位差，由此增加方向角度選擇個數(shù)。

采用3維方向的波束賦形天線矩陣，也同樣采用離散的方向調(diào)節(jié)，基本思路與前述步驟相同。實際使用中，接收設(shè)備的準(zhǔn)確定位一般是3維方向，因此采用3維方向調(diào)節(jié)的天線系統(tǒng)會更準(zhǔn)確的把能量傳遞到接受設(shè)備，從而提高能量的傳輸效率。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。