本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無線通信中的波束賦形方法和裝置。

二、技術(shù)背景

現(xiàn)有的波束賦形方案，無論是發(fā)射波束賦形還是接收波束賦形，通常都需要對(duì)無線電波所經(jīng)歷的信道的空間參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。不失一般性，以蜂窩移動(dòng)通信中的基站和移動(dòng)臺(tái)之間通信為例，下行的波束賦形要么需要移動(dòng)臺(tái)測(cè)量基站參考信號(hào)后反饋，要么利用信道互易性由基站測(cè)量移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射后估計(jì)出下行信道。而上行的波束賦形也有類似的方案。無論哪種方式，都需要發(fā)送開銷信息來輔助接收側(cè)進(jìn)行信道空間相關(guān)參數(shù)的估計(jì)。

現(xiàn)有方案的主要問題是：

1)隨著收發(fā)雙方或一方天線數(shù)量的增加，當(dāng)收發(fā)雙方之間的移動(dòng)性較強(qiáng)時(shí)，若要實(shí)現(xiàn)高精度的波束跟蹤，信道測(cè)量和反饋的開銷會(huì)很大，影響了系統(tǒng)容量和資源分配的靈活性，這一點(diǎn)特別針對(duì)massive MIMO的參考信號(hào)設(shè)計(jì)尤為突出；

2)增加的測(cè)量和反饋使得信號(hào)處理復(fù)雜，功耗增加，波束跟蹤實(shí)時(shí)性受到挑戰(zhàn)，例如空間預(yù)編碼的碼本數(shù)量增加將使得相應(yīng)的碼本搜索過程更加復(fù)雜；

3)在移動(dòng)臺(tái)和基站未建立雙向通信之前，例如在尋呼或接入階段，雙方利用控制信道進(jìn)行通信時(shí)，由于無法預(yù)知雙方無線信道的空間維度參數(shù)，該階段難以利用波束賦形帶來的好處，使得尋呼或接入的信號(hào)不能在空間上集中，浪費(fèi)了功率、增加了干擾、降低了控制信道的容量；

4)現(xiàn)有波束賦形方案主要針對(duì)較低的無線頻段，如2GHz左右，當(dāng)蜂窩移動(dòng)通信的頻段采用5GHz或60GHz等更高頻段時(shí)，由于系統(tǒng)更加依賴于視距傳播和波束繞射能力變差，現(xiàn)有波束賦形方法在移動(dòng)場(chǎng)景下的上述缺點(diǎn)會(huì)更加明顯，同時(shí)更高頻段的大帶寬優(yōu)勢(shì)也難以發(fā)揮出來。

5)隨著基站密度的不斷增加，相互鄰近的無線設(shè)備之間的潛在干擾將日益嚴(yán)重，在這種密集網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景下，視距傳播也將更加常見，在視距場(chǎng)景下如何抑制干擾也向系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種光和無線信號(hào)相互輔助的波束賦形方法，從而改進(jìn)波束賦形的性能。

這里的光指可見光或紅外線等，不同于用天線發(fā)射的無線信號(hào)，通信的一方利用攝像頭采集通信的另一方發(fā)出的可見光或紅外線等，提取輔助無線波束賦形的信息。當(dāng)然，這里的光也可以指用于可見光通信(Visible Light Communication,VLC)的場(chǎng)景，這時(shí)反過來可以利用無線信號(hào)輔助光信號(hào)進(jìn)行波束對(duì)準(zhǔn)。

此外，由于本發(fā)明具備攝像功能，可以幫助系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)未激活的終端或非本運(yùn)營(yíng)商終端，便于輔助相應(yīng)系統(tǒng)開展規(guī)劃、優(yōu)化等工作。

本發(fā)明的具體內(nèi)容如下：

1、一種光和無線信號(hào)相互輔助的波束賦形方法，該方法包括：

硬件和軟件兩部分，其中硬件部分包括：基帶及射頻接口、增益控制、波束賦形天線陣、攝像裝置四個(gè)部分，軟件部分的功能除了傳統(tǒng)的增益控制和波束賦形功能外，還有一個(gè)功能是將攝像頭拍攝到的服務(wù)區(qū)視頻或圖像進(jìn)行處理，從中獲取有助于無線側(cè)進(jìn)行波束賦形的信息，而無線側(cè)獲取的用戶信號(hào)信息也有助于優(yōu)化處理攝像頭拍攝到的服務(wù)區(qū)視頻或圖像。如圖1所示。

2、基本工作步驟包括：

(a)校準(zhǔn)：無線覆蓋范圍和光拍攝范圍的校準(zhǔn)，攝像頭拍攝畫面中位置與波束方向的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)除了系統(tǒng)初始化時(shí)要做之外，還應(yīng)該能夠根據(jù)波束賦形的效果變化情況自動(dòng)進(jìn)行定期或事件觸發(fā)式的校準(zhǔn)。

(b)系統(tǒng)不斷監(jiān)控?cái)z像頭拍攝畫面跟蹤用戶方位的準(zhǔn)確性，該準(zhǔn)確性反映了基于光輔助進(jìn)行波束賦形的準(zhǔn)確性，當(dāng)該準(zhǔn)確性下降到一定程度時(shí)，系統(tǒng)將工作模式變?yōu)樵械闹灰蕾囉跓o線信號(hào)進(jìn)行波束賦形參數(shù)估計(jì)的方式。

攝像頭拍攝效果變差時(shí)，可考慮變換頻段，例如夜晚的時(shí)候可以變?yōu)椴捎眉t外線拍攝等。

(c)分析拍攝的畫面，對(duì)潛在用戶或移動(dòng)臺(tái)位置進(jìn)行跟蹤，并預(yù)先計(jì)算對(duì)應(yīng)的波束賦形天線參數(shù)配置。

(i)在接入階段利用之前算出的波束參數(shù)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行基于方位角和俯仰角的空間濾波，以改善性能。

(ii)在尋呼階段先利用之前算出的波束參數(shù)對(duì)待發(fā)射的尋呼信號(hào)進(jìn)行基于方位角和俯仰角的空間濾波，從而對(duì)準(zhǔn)潛在用戶位置發(fā)射而不是向整個(gè)小區(qū)或扇區(qū)廣播，以改善性能；當(dāng)這種方式尋呼不成功時(shí)可增加波束寬度直至再轉(zhuǎn)為用非波束賦形方式進(jìn)行廣播式的尋呼。

(iii)業(yè)務(wù)傳輸階段，這時(shí)通常上下行有專用的控制信道，業(yè)務(wù)信道可能只有下行或只有上行；當(dāng)該移動(dòng)臺(tái)的波束賦形參數(shù)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)臺(tái)位置與攝像頭拍攝畫面中的某個(gè)相應(yīng)位置匹配時(shí)，可以減少用于估計(jì)無線信道空間參數(shù)的開銷信號(hào)，并可以更容易判斷出移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)快慢，從而優(yōu)化無線波束寬窄等參數(shù)。

無論是接入階段、尋呼階段還是業(yè)務(wù)傳輸階段，可以根據(jù)用系統(tǒng)容量、傳輸質(zhì)量、覆蓋的需求，基于光拍攝畫面信息輔助調(diào)整發(fā)射或接收信號(hào)的增益。

四、附圖說明

1、圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中虛線部分為系統(tǒng)原有模塊，實(shí)線部分為本發(fā)明新增部分。

2、圖2為系統(tǒng)工作步驟

3、圖3為L(zhǎng)oS徑下通信雙方直視徑示意圖

4、圖4為Meanshift算法示意圖

五、具體實(shí)施方式

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

如圖1所示，本發(fā)明的方法和裝置包含硬件和軟件兩部分，其中硬件部分包括：基帶接口、射頻接口、消息信令解析模塊接口、增益控制、波束賦形模塊、天線陣、攝像頭等部分，軟件部分的功能除了傳統(tǒng)的增益控制和波束賦形功能外，還有圖像分析模塊負(fù)責(zé)圖像識(shí)別和處理功能、通信事件捕獲與分析、攝像驅(qū)動(dòng)及調(diào)整模塊。

各部分和模塊間的數(shù)據(jù)或信息交互如圖1所示。其中，

(1)攝像裝置可以是攝像頭、相機(jī)、攝像機(jī)、或帶攝像功能的手機(jī)、平板電腦等設(shè)備。其功能是對(duì)終端及周邊環(huán)境進(jìn)行抓拍，可以是周期性抓拍或事件觸發(fā)、停止抓拍。

(2)圖像分析模塊通過圖像處理和識(shí)別功能將通信對(duì)端的位置、姿態(tài)或位置及姿態(tài)的變化計(jì)算出來，并輸出給波束賦形、增益調(diào)整模塊。

(3)波束賦形、增益調(diào)整模塊的功能是，根據(jù)圖像分析模塊所計(jì)算得到的通信對(duì)端視距條件下的位置，從而進(jìn)行波束賦形或增益賦值；或當(dāng)攝像裝置與天線陣列不共址時(shí)，在通信對(duì)端與天線陣列非視距，而攝像裝置仍能拍攝到通信對(duì)端的情況下，根據(jù)圖像分析獲得的通信對(duì)端位置變化或姿態(tài)變化進(jìn)行波束調(diào)整或增益調(diào)整；或者當(dāng)攝像裝置無法拍攝到通信對(duì)端時(shí)，根據(jù)從來自天線的無線信號(hào)獲取到信道狀態(tài)指示(CSI)等信息進(jìn)行波束賦形、波束調(diào)整或增益調(diào)整。

(4)通信事件捕獲與分析模塊的功能是，通過消息、信令解析模塊獲得對(duì)觸發(fā)或停止攝像或校準(zhǔn)有意義的事件，例如接入、切換、注銷等，判斷是否觸發(fā)、停止或改變攝像狀態(tài)。

(5)攝像驅(qū)動(dòng)及調(diào)整模塊的功能是，執(zhí)行周期性攝像的時(shí)鐘控制，包括觸發(fā)及停止；執(zhí)行事件觸發(fā)的攝像驅(qū)動(dòng)或停止；執(zhí)行拍攝范圍校準(zhǔn)，使拍攝范圍的中心與波束中心方向?qū)?zhǔn)拍攝范圍與天線陣列的覆蓋范圍基本一致。

(6)天線陣列為原有模塊，其功能包括接收來自外部的控制指令或權(quán)值，發(fā)射信號(hào)，或接收來自通信對(duì)端的信號(hào)。

(7)基帶處理單元、射頻單元、消息信令解析模塊為原有模塊，執(zhí)行信號(hào)的基帶處理，包括波束賦形、增益賦值、射頻放大、消息或信令解析等功能，并分別與上述模塊進(jìn)行交互。

2、系統(tǒng)工作流程

本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程如圖2所示。其工作過程如下：

(1)首先由攝像驅(qū)動(dòng)、調(diào)整模塊進(jìn)行初始化拍攝范圍校準(zhǔn)。其內(nèi)容包括：包含無線覆蓋范圍和光拍攝范圍的校準(zhǔn)，攝像頭拍攝畫面中位置與波束方向的校準(zhǔn)。其中，無線覆蓋范圍由天線俯仰角、方位角所限定的區(qū)域中信號(hào)質(zhì)量高于最低門限的空間。拍攝范圍為攝像機(jī)鏡頭的可視范圍。在拍攝范圍校準(zhǔn)階段，這兩者應(yīng)當(dāng)一致，或至少令拍攝范圍包含無線覆蓋范圍，同時(shí)拍攝范圍的中心線與波束的最大增益方向一致。

(2)初設(shè)化拍攝范圍校準(zhǔn)完成后，攝像裝置及系統(tǒng)的其他模塊進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)可以有兩種機(jī)制供選擇，事件觸發(fā)拍攝或是周期性拍攝，選擇何種模式由攝像驅(qū)動(dòng)、調(diào)整模塊控制。

對(duì)于事件觸發(fā)拍攝而言，可以是由于判斷到終端進(jìn)入拍攝區(qū)域等事件觸發(fā)的，例如系統(tǒng)接收到終端發(fā)來的接入請(qǐng)求，或是通信對(duì)端由其他區(qū)域切換至本區(qū)域。

對(duì)于周期性拍攝而言，適用于通信對(duì)端在攝像范圍內(nèi)進(jìn)行規(guī)律性運(yùn)動(dòng)，或是發(fā)現(xiàn)波束的變化具有一定的規(guī)律性。此時(shí)攝像裝置在攝像驅(qū)動(dòng)及調(diào)整模塊的控制下按指定周期進(jìn)行拍攝。拍攝周期與運(yùn)動(dòng)規(guī)律或波束變化規(guī)律有關(guān)。周期性拍攝的終止可以由事件觸發(fā)，例如，由通信事件捕獲、分析模塊所捕獲到的通信對(duì)端注銷網(wǎng)絡(luò)、切出覆蓋區(qū)域等等。

(3)由攝像模塊拍攝得到的畫面，送往圖像分析模塊進(jìn)行分析，通過圖像處理的方法計(jì)算通信對(duì)端的位置、或與定標(biāo)圖像相比計(jì)算出通信對(duì)端位置的變化或姿態(tài)的變化，將結(jié)果送往波束賦形、增益調(diào)整模塊。

(4)波束賦形、增益調(diào)整模塊使用波束賦形或追蹤算法根據(jù)通信對(duì)端的位置或位置及姿態(tài)的改變將波束對(duì)準(zhǔn)通信對(duì)端，使通信對(duì)端獲得最優(yōu)的信號(hào)。必要時(shí)，亦可啟動(dòng)增益調(diào)整功能，即通過通信對(duì)端的位置或位置及姿態(tài)的改變估算通信對(duì)端與天線陣列間的路徑長(zhǎng)度或路徑長(zhǎng)度的改變，計(jì)算為滿足通信對(duì)端的通信需求而需要的信號(hào)增益或其調(diào)整。

(5)圖像分析模塊在對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行分析后，還可以判斷所拍攝的圖像是否符合要求，如果圖像明顯偏離了波束方向，則啟動(dòng)攝像范圍校準(zhǔn)。

(6)攝像校準(zhǔn)失敗說明當(dāng)前環(huán)境不適用本發(fā)明所提出的方法和轉(zhuǎn)置，將系統(tǒng)重置到待機(jī)狀態(tài)并進(jìn)入單純依賴無線信號(hào)進(jìn)行波束賦形的工作模式。

(7)允許系統(tǒng)帶有周期性攝像校準(zhǔn)功能，定時(shí)執(zhí)行攝像校準(zhǔn)，以保證系統(tǒng)工作于良好的狀態(tài)。

3、波束賦形方法

(1)視距情況下的波束賦形方法

本發(fā)明在視距情況下對(duì)通信對(duì)端進(jìn)行波束賦形的方法可以但不局限于如下方法：

在LoS徑條件下，在獲得了移動(dòng)端位置(即移動(dòng)端的三維角度)后，基站可以知道基站與移動(dòng)端之間直視徑的信道，假設(shè)在該直視徑下，基站的三維發(fā)射角為移動(dòng)端的達(dá)到角為如圖3所示，則基站可以利用該信息對(duì)用戶實(shí)際波束賦形，例如，采用基于碼本匹配的波束賦形算法。

基于碼本匹配的BF過程中，由于碼本D中的各個(gè)碼字F_m,i都對(duì)應(yīng)著基站的不同發(fā)射角，根據(jù)直視徑下發(fā)射端的空間發(fā)射角為可知發(fā)射角為對(duì)應(yīng)的碼字即為在直視徑下進(jìn)行波束賦形所需的波束賦形矢量，即

f_opt＝F_m,i(θ_T,φ_T) (1)

在基于信道估計(jì)的BF過程中，此時(shí)可以根據(jù)直視徑下，本端的發(fā)射角為通信對(duì)端的達(dá)到角為將信道構(gòu)建為以直視徑為主的單徑信道，有

H＝βA(θ_T,φ_T)α_lA(θ_R,φ_R) (2)

其中，β為由基站天線結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)，與為本端及通信對(duì)端的陣列響應(yīng)，α_l為信道復(fù)增益矩陣，在單徑信道下，可以將α_l設(shè)為1。

對(duì)信道矩陣H進(jìn)行SVD分解，得

H＝UDV^* (3)

其中，D為信道矩陣的奇異值矩陣，即D＝diag([d₁,d₂,…,d_n]),其中λ(·)為求矩陣特征值的過程，U、V分別為信道矩陣的左右奇異值矩陣。

最終本端選取右奇異矩陣作為波束賦形矢量，即f_opt＝V。

可見，在LoS徑下，已知了移動(dòng)端的三維角度對(duì)移動(dòng)端進(jìn)行BF時(shí)，無論是基于碼本匹配的算法還是基于信道估計(jì)的算法，現(xiàn)有算法均簡(jiǎn)化了原算法中的匹配過程或迭代過程，有效地降低了算法復(fù)雜度，提升了算法速度。

(2)非視距情況下的波束賦形方法

本發(fā)明在非視距(NLOS)情況下對(duì)通信對(duì)端進(jìn)行波束賦形的方法可以但不局限于如下方法：

在NLoS徑下，可以假設(shè)信道為一階馬爾可夫過程，即

其中，H₀為初始信道狀態(tài)，N_m為噪聲矩陣，其分布為N_m～CN(0,1)，相關(guān)系數(shù)ε由Jakes模型給出，即ε＝J₀(2πf_DT)，其中J₀為0階貝塞爾函數(shù)，T為信道變化間隔，表示最大多普勒頻移，其與移動(dòng)端運(yùn)動(dòng)速度v,光速c和載波頻率f_c有關(guān)。

在波束追蹤過程中，以發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)之間的互信息函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，表示為，

其中，F(xiàn)_m為波束追蹤矩陣，來自于預(yù)編碼碼本I_M為M維單位矩陣，ρ為發(fā)送SNR，M為數(shù)據(jù)流數(shù)。

而在波束追蹤過程中，會(huì)對(duì)預(yù)編碼碼本進(jìn)行更新，其更新策略為：

其中，θ_i為旋轉(zhuǎn)碼字，由旋轉(zhuǎn)碼本給出，proj為酉空間投影算子，為旋轉(zhuǎn)半徑，經(jīng)推導(dǎo)，其表達(dá)式為:

其中k＝M(M_t-M),

這樣，就可以在每個(gè)信道實(shí)例下，通過預(yù)編碼碼本的更新，波束追蹤矩陣F_m的選擇，使互信息函數(shù)最大化，從而達(dá)到信道追蹤的目的。

4、位置或位移計(jì)算方法

本發(fā)明中根據(jù)圖像計(jì)算通信對(duì)端位置或位移的方法可以但不局限于如下方法：

(1)基本思想

使用基于MeanShift向量的方法。

給定d維空間R_d的n個(gè)樣本點(diǎn)x_i,i＝1,…,n,在空間中任選一點(diǎn)x，那么MeanShift向量的基本形式定義為:

其中，S_k是一個(gè)半徑為h的高維球區(qū)域,滿足以下關(guān)系的y點(diǎn)的集合,

S_h(x)＝{y:(y-x_i)_T(y-x_i)<h²} (12)

K表示在這n個(gè)樣本點(diǎn)x_i中,有K個(gè)點(diǎn)落入S_k區(qū)域中。

再以Meanshift向量的終點(diǎn)為圓心，再做一個(gè)高維的球。如下圖所以，重復(fù)以上步驟，就可得到一個(gè)Meanshift向量。如此重復(fù)下去，Meanshift算法可以收斂到概率密度最大的地方。也就是樣本點(diǎn)分布最稠密的位置。

(2)算法實(shí)現(xiàn)

在圖像中進(jìn)行Meanshift追蹤算法，首先需要在起始幀內(nèi)為選中的跟蹤目標(biāo)建立概率模型，即計(jì)算核函數(shù)窗口中的直方圖分布。

核函數(shù)指所謂徑向基函數(shù)(Radial Basis Function簡(jiǎn)稱RBF)，就是某種沿徑向?qū)ΨQ的標(biāo)量函數(shù)。通常定義為空間中任一點(diǎn)x到某一中心x_O之間歐氏距離的單調(diào)函數(shù),可記作k(||x-x_O||)，其作用往往是局部的,即當(dāng)x遠(yuǎn)離x_O時(shí)函數(shù)取值很小,反之則與中心點(diǎn)距離越小取值越大。在本算法中用于平滑概率密度函數(shù)。

設(shè)初始內(nèi)核窗口的帶寬h，x₁,x₂,...,x_n為內(nèi)核窗口所包含采樣點(diǎn)，x₀為目標(biāo)中心，則目標(biāo)的顏色直方圖分布為：

式中：k為核函數(shù)，m為圖像可選灰度個(gè)數(shù)，δ為Kronecker函數(shù)，b(y_i)為像素y_i對(duì)應(yīng)的特征值，C為歸一化系數(shù)，h為核函數(shù)的帶寬。

位于y候選目標(biāo)可以描述為

因此物體跟蹤可以簡(jiǎn)化為尋找最優(yōu)的位置y，使得與最相似。與的相似性用Bhattacharyya系數(shù)來度量，即

該式可以進(jìn)行泰勒展開，寫為：

其中，上式子中只有第二項(xiàng)是Bhattacharyya系數(shù)里唯一和位置y有關(guān)的變量，其極大化過程可以通過：每次將式(16)中第二部分對(duì)變量y求導(dǎo)并置0求局部最大值位置，將新位置再次代入Bhattacharyya系數(shù)找到下一次的最大值位置。通過從候選區(qū)域的中心向真實(shí)區(qū)域中心的Meanshift逐次迭代實(shí)現(xiàn)。

式(16)約等號(hào)右側(cè)第二部分對(duì)y的求導(dǎo)為

其中核函數(shù)g(x)是核函數(shù)k(x)的求導(dǎo)的相反數(shù)，核函數(shù)k(x)可以稱為g(x)的影子核。

此時(shí)的Meanshift向量可以簡(jiǎn)單地表示為：

則對(duì)應(yīng)的迭代公式為

式中為新的目標(biāo)中心位置。

迭代過程就是不斷計(jì)算式(19)，直至兩次迭代位置的距離低于設(shè)定好的某一閾值，則可以認(rèn)為迭代結(jié)束，最終的位置就是目標(biāo)被跟蹤到的位置。