CN113765560B - 一种光定位辅助的位置使能无线通信***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光定位辅助的位置使能无线通信***及方法，主要通过光定位子***实时获取用户位置信息和用户周围环境信息，对射频信号的波束成形进行优化，从而将能量更加精确地集中于用户。同时在信道估计的间隙中利用光定位子***监测用户所在环境和信道状态的变化情况，进一步辅助提升信道估计的准确度和实时性。基站发射在自由空间内周期性扫描的光定位信号，并在原有信号上叠加与偏转角严格相关的时变信号。用户接收到光定位信号后，读取方向信息并沿光信号路径发送反馈信号。反馈信号为原光定位信号叠加用户信息。

Description

一种光定位辅助的位置使能无线通信***及方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种光定位辅助的位置使能无线通信***及方法。
背景技术
随着大规模MIMO技术的发展和通信频段的提高，信号波束的能量更加集中且指向性更强。然而，这就需要基站精确地获取用户的位置。如果用户偏离波束到达位置，会造成波束能量的大量损失。基于该问题，通信定位一体化等技术概念被提出，通过对信道状态信息的处理，从中提取用户的到达角和距离。但是信道状态信息的获取，即信道估计，需要较长的时间和大量的运算。对于移动用户，该信道状态信息可能缺乏实时性并且包含多径分量，从中提取的位置信息也会不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光定位辅助的位置使能无线通信***及方法，用于改善现有多输入多输出射频通信中功率分配和波束成形精度，同时实时地监测信道状态的变化和环境信息，从而提高***的性能和鲁棒性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光定位辅助的位置使能无线通信***，所述无线通信***包括位于基站侧的光定位子***和射频通信子***，并且该光定位子***和射频通信子***并行工作；
所述光定位子***包括：
激光源，其产生并发射光定位信号；
机械舵机，其与所述激光源连接，并且根据舵机控制模块发出的控制信号，控制所述激光源偏转，使得所述发射光定位信号在自由空间内进行周期性的扫描；
光接收机，其接收反馈信号；
信号处理模块，其连接所述光接收机以及所述激光源，其根据所述反馈信号以及所述光定位信号，计算出用户侧的位置信息；
所述射频通信子***，其根据所述用户侧的位置信息，调节天线阵列的辐射方向并修正波束成形加权矩阵，从而改善基站侧的波束成形和功率分配；同时，根据所述用户侧的位置信息，对信道状态进行实时监测。
进一步的，所述反馈信号包括用户侧发送的反馈信号和非用户侧的反射信号，其中，所述用户侧发送的反馈信号为用户侧在所述光定位信号的基础之上添加有其自身用户信息的信号，所述非用户侧的反射信号为非用户侧反射光定位信号形成的信号，所述非用户侧包括非用户的障碍物。
进一步的，所述信号处理模块根据所述用户侧发送的反馈信号，计算出所述用户侧的位置信息，并且根据所述非用户侧的反射信号，绘制信道环境的地图，再通过该地图确定环境中非用户侧的位置，以及非用户侧与用户侧的相对位置。
进一步的，所述用户侧的位置信息具体包括：用户侧的到达角，以及基站侧与用户侧之间的距离。
进一步的，所述射频通信子***，根据所述用户侧的位置信息，对信道状态进行实时监测具体包括：
所述射频通信子***构建有实时的模拟信道系数矩阵，该矩阵用于信道状态的实时监测，当所述模拟信道系数矩阵发生达到预设值的变化时，所述射频通信子***通过执行信道估计，来对所述模拟信道系数矩阵进行校准。
一种光定位辅助的位置使能无线通信方法，包括如下步骤：
步骤S1、激光源发出光定位信号，机械舵机控制所述激光源使得光定位信号在自由空间中进行周期性的扫描，其中，所述光定位信号上加载的信息o(t)与时间和光束偏转角θ(t)严格相关，对应关系为：f：θ(t)→o(t)；
步骤S2、光接收机获取反馈信号，信号处理模块判断该反馈信号为用户侧发送的反馈信号还是非用户侧的反射信号，其中，所述用户侧发送的反馈信号为用户侧在所述光定位信号的基础之上添加有其自身用户信息的信号；所述非用户侧的反射信号为非用户侧反射光定位信号形成的信号；所述用户侧发送的反馈信号的表达式为：
o'(t)＝o(t-τ)+u(t-τ-τo)
其中，τ为信号传播延时与用户处理延时的总和，τo为用户信息的长度，u(t)表示为用户信息；
步骤S3、若获取到的反馈信号为用户侧发送的反馈信号，则所述信号处理模块，根据所述用户侧发送的反馈信号中包括的所述光定位信号o(t)，以及信号传播延时与用户处理延时的总和τ，计算出用户侧的到达角θ(t)以及基站侧与用户侧之间的距离d；
步骤S4、以现有的信道系数矩阵以及现有的用户侧的位置信息为基础，并且根据理论模型构建实时的模拟信道系数矩阵，再通过该矩阵对信道状态进行实时监测；
步骤S5、若在步骤S2中获取到的反馈信号为非用户侧的反射信号，则根据该反馈信号绘制信道环境的地图，再通过该地图确定环境中非用户侧的位置，以及非用户侧与用户侧的相对位置。
进一步的，所述基站侧与用户侧之间的距离d的表达式为：
公式中，c为光速，tp为估计的用户处理延时。
进一步的，所述理论模型的表达式为：
公式中，NT,NR分别为基站和接收机的天线数，ρ为信道大尺度衰落，与距离负相关，ξk为信道功率分配系数，分别为信号的发射角和到达角，D为对角矩阵，其中，
dα为天线间距，λ为射频信号波长。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用的光定位信号，其中包含有基站的发射角信息且光信号具有高指向性，用户可以通过分析定位信号信息来确定基站的位置，直接朝基站发送上行反馈信号，从而提高了能量利用效率，并且光定位信号与射频通信信号间不会发生串扰，两者可以并行传输，提高了定位和通信的效率。
2、本发明对用户位置信息的获取不依赖于信道估计，从而减少了计算复杂度和时间，同时也可以保证用户位置信息的实时性；并且在本发明中基站可以根据反射的光定位信号，绘制出信道环境的地图，确定环境中用户以及其他散射体的位置；因此，相比于从信道状态信息中获取位置信息的通信定位一体化***，本发明获取的位置信息更加准确且有实时性。
3、本发明通过对信道状态变化的监测，来决定是否进行信道估计，从而进一步提高资源的利用率。
4、本发明提供的无线通信***的复杂度较低，光定位子***和射频通信子***都十分容易实现。
附图说明
图1是本实施例中提供的一种光定位辅助的位置使能无线通信***的结构框图；
图2是本实施例中提供的一种光定位辅助的位置使能无线通信***的原理示意图；
图3是本实施例中提供的一种光定位辅助的位置使能无线通信***在多单元移动通信场景下的应用示意图；
图4是本实施例中提供的光定位信号帧和用户反馈信号帧结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
光信号具有窄波束和高带宽的特征，并且不会与通信射频信号相互干扰。光信号的高指向性也提高了定位***的精度和能量利用效率。通过光定位信号实时获取用户位置信息和用户周围环境信息，基站可以对射频信号的波束成形进行优化，从而将能量更加精确地集中于用户。同时***在信道估计的间隙中利用光定位子***检测用户所在环境和信道状态的变化情况，进一步辅助提升信道估计的准确度和实时性。
基于上述内容，参见图1-图4，本实施例提供一种光定位辅助的位置使能无线通信***，无线通信***包括位于基站侧的光定位子***和射频通信子***，并且该光定位子***和射频通信子***并行工作；
光定位子***包括：激光源、机械舵机、舵机控制模块、光信号处理模块和光接收机组。
其中，激光源负责产生并发射光定位信号；机械舵机与激光源连接，并且根据舵机控制模块发出的控制信号，控制激光源偏转，使得发射光定位信号在自由空间内进行周期性的扫描；光接收机接收反馈信号；信号处理模块连接光接收机以及激光源，并且根据反馈信号以及光定位信号，计算出用户侧的位置信息。
射频通信子***包括射频收发天线和射频信号处理模块，其中射频收发天线与射频信号处理模块相连。射频通信子***根据用户侧的位置信息，调节天线阵列的辐射方向并修正波束成形加权矩阵，从而改善基站侧的波束成形和功率分配；同时，根据用户侧的位置信息，对信道状态进行实时监测。
具体的说，在本实施例中，反馈信号包括用户侧发送的反馈信号和非用户侧的反射信号，其中，用户侧发送的反馈信号为用户侧在光定位信号的基础之上添加有其自身用户信息的信号，非用户侧的反射信号为非用户侧反射光定位信号形成的信号。非用户侧在本实施例中为其它散射体，比如建筑物，构筑物，山体等等。
具体的说，在本实施例中，信号处理模块根据用户侧发送的反馈信号，计算出用户侧的位置信息，并且根据非用户侧的反射信号，绘制信道环境的地图，再通过该地图确定环境中非用户侧的位置，以及非用户侧与用户侧的相对位置。
具体的说，在本实施例中，用户侧的位置信息具体包括：用户侧的到达角，以及基站侧与用户侧之间的距离。
具体的说，在本实施例中，射频通信子***构建有实时的模拟信道系数矩阵，该矩阵用于信道状态的实时监测，当模拟信道系数矩阵发生达到预设值的变化时，射频通信子***通过执行信道估计，来对模拟信道系数矩阵进行校准。
更具体的说，基于上述提供的一种光定位辅助的位置使能无线通信***，本实施例还提供一种光定位辅助的位置使能无线通信方法，包括如下步骤：
步骤S1、激光源发出光定位信号，机械舵机控制激光源使得光定位信号在自由空间中进行周期性的扫描，其中，光定位信号上加载的信息o(t)与时间和光束偏转角θ(t)严格相关，对应关系为：f：θ(t)→o(t)；
步骤S2、基站侧的光接收机获取反馈信号，信号处理模块判断该反馈信号为用户侧发送的反馈信号还是非用户侧的反射信号，其中，用户侧发送的反馈信号为用户侧接收到光定位信号后，在帧末尾添加自己的用户信息u(t)，并将修改后的光定位信号作为反馈信号发送给基站，非用户侧的反射信号为非用户侧反射光定位信号形成的信号，非用户侧在本实施例中为其它散射体，比如建筑物，构筑物，山体等等。
具体的说，在本实施例中，用户侧发送的反馈信号的表达式为：
o'(t)＝o(t-τ)+u(t-τ-τo)
其中，τ为信号传播延时与用户处理延时的总和，τo为用户信息的长度，u(t)表示为用户信息；
步骤S3、若获取到的反馈信号为用户侧发送的反馈信号，则信号处理模块，根据用户侧发送的反馈信号中包括的光定位信号o(t)，以及信号传播延时与用户处理延时的总和τ，计算出用户侧的到达角θ(t)以及基站侧与用户侧之间的距离d；
具体的说，在本实施例中，基站侧与用户侧之间的距离d的表达式为：
公式中，c为光速，tp为估计的用户处理延时。
更具体的说，基站侧可以调节天线阵列的辐射方向并修正波束成形加权矩阵，从而改善射频通信子***的波束成形和功率分配。
步骤S4、以现有的信道系数矩阵以及现有的用户侧的位置信息为基础，并且根据理论模型构建实时的模拟信道系数矩阵，再通过该矩阵对信道状态进行实时监测；
具体的说，在本实施例中，基站侧可以根据理论模型推导一个实时的模拟信息系数矩阵。该模拟矩阵虽然不能代替信道估计的结果但是可以用于信道的实时监测，当由于用户侧位置的变化带来模拟矩阵的大幅度变化时，***需要重新进行信道估计。对于线性均匀阵列天线，信道系数矩阵H的理论公式为：
公式中，NT,NR分别为基站和接收机的天线数，ρ为信道大尺度衰落，与距离负相关，ξk为信道功率分配系数，分别为信号的发射角和到达角，D为对角矩阵，其中，
dα为天线间距，λ为射频信号波长。
对于不同的信道和收发天线，该理论模型会有差别。由于实际信道与理论模型有很大的区别，所以不能用该理论模型替代信道估计。但是信道估计需要较长的时间和大量的计算，在实际***中无法进行实时的信道估计。
因此，在本实施例中，将上述理论模型得出的模拟信道系数矩阵用于信道状态的实时监测。当模拟信道矩阵发生较大的变化时，***将进行信道估计来对信道状态矩阵进行校准。
步骤S5、若在步骤S2中获取到的反馈信号为非用户侧的反射信号，则根据该反馈信号绘制信道环境的地图，再通过该地图确定环境中非用户侧的位置，以及非用户侧与用户侧的相对位置。
综上所述，与传统的MIMO微波无线通信***相比，本发明更适用于移动用户和快衰落信道，***的性能和鲁棒性得到极大改善。而与现在广泛被研究的通信定位一体化方法相比，本发明的实现更加简单，稳定且高效。具体表现为以下几点：
1、光定位信号中包含有基站的发射角信息且光信号具有高指向性，用户可以通过分析定位信号信息来确定基站的位置，直接朝基站发送上行反馈信号，从而提高了能量利用效率。
2、光定位信号与射频通信信号间不会发生串扰，两者可以并行传输，提高了定位和通信的效率。
3、用户位置信息的获取不依赖于信道估计，从而减少了计算复杂度和时间，同时也可以保证用户位置信息的实时性。相比于从信道状态信息中获取位置信息的通信定位一体化***，该发明获取的位置信息更加准确且有实时性。
4、该发明中***可以根据对信道状态变化的监测，决定是否进行信道估计，从而进一步提高资源的利用率。
5、该发明中基站可以根据反射的光定位信号，绘制出信道环境的地图，确定环境中用户以及其他散射体的位置。
6、整个***的复杂度较低，光定位子***和射频通信子***都十分容易实现。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光定位辅助的位置使能无线通信***，其特征在于，所述无线通信***包括位于基站侧的光定位子***和射频通信子***，并且该光定位子***和射频通信子***并行工作；
所述光定位子***包括：
激光源，其产生并发射光定位信号；
机械舵机，其与所述激光源连接，并且根据舵机控制模块发出的控制信号，控制所述激光源偏转，使得所述发射光定位信号在自由空间内进行周期性的扫描；
光接收机，其接收反馈信号；
信号处理模块，其连接所述光接收机以及所述激光源，其根据所述反馈信号以及所述光定位信号，计算出用户侧的位置信息；
所述射频通信子***，其根据所述用户侧的位置信息，调节天线阵列的辐射方向并修正波束成形加权矩阵，从而改善基站侧的波束成形和功率分配；同时，根据所述用户侧的位置信息，对信道状态进行实时监测；
所述射频通信子***，根据所述用户侧的位置信息，对信道状态进行实时监测具体包括：
所述射频通信子***构建有实时的模拟信道系数矩阵，该矩阵用于信道状态的实时监测，当所述模拟信道系数矩阵发生达到预设值的变化时，所述射频通信子***通过执行信道估计，来对所述模拟信道系数矩阵进行校准；
位置使能无线通信方法包括如下步骤：
步骤S1、激光源发出光定位信号，机械舵机控制所述激光源使得光定位信号在自由空间中进行周期性的扫描，其中，所述光定位信号上加载的信息o(t)与时间和光束偏转角格相关，对应关系为：/>
步骤S2、光接收机获取反馈信号，信号处理模块判断该反馈信号为用户侧发送的反馈信号还是非用户侧的反射信号，其中，所述用户侧发送的反馈信号为用户侧在所述光定位信号的基础之上添加有其自身用户信息的信号；所述非用户侧的反射信号为非用户侧反射光定位信号形成的信号；所述用户侧发送的反馈信号的表达式为：
o'(t)＝o(t-τ)+u(t-τ-τo)
其中，τ为信号传播延时与用户处理延时的总和，τo为用户信息的长度，u(t)表示为用户信息；
步骤S3、若获取到的反馈信号为用户侧发送的反馈信号，则所述信号处理模块，根据所述用户侧发送的反馈信号中包括的所述光定位信号上加载的信息o(t)，以及信号传播延时与用户处理延时的总和τ，计算出用户侧的到达角θ(t)以及基站侧与用户侧之间的距离d；
步骤S4、以现有的信道系数矩阵以及现有的用户侧的位置信息为基础，并且根据理论模型构建实时的模拟信道系数矩阵，再通过该矩阵对信道状态进行实时监测；
步骤S5、若在步骤S2中获取到的反馈信号为非用户侧的反射信号，则根据该反馈信号绘制信道环境的地图，再通过该地图确定环境中非用户侧的位置，以及非用户侧与用户侧的相对位置。
2.根据权利要求1所述的一种光定位辅助的位置使能无线通信***，其特征在于，所述反馈信号包括用户侧发送的反馈信号和非用户侧的反射信号，其中，所述用户侧发送的反馈信号为用户侧在所述光定位信号的基础之上添加有其自身用户信息的信号，所述非用户侧的反射信号为非用户侧反射光定位信号形成的信号，所述非用户侧包括非用户的障碍物。
3.根据权利要求2所述的一种光定位辅助的位置使能无线通信***，其特征在于，所述信号处理模块根据所述用户侧发送的反馈信号，计算出所述用户侧的位置信息，并且根据所述非用户侧的反射信号，绘制信道环境的地图，再通过该地图确定环境中非用户侧的位置，以及非用户侧与用户侧的相对位置。
4.根据权利要求1所述的一种光定位辅助的位置使能无线通信***，其特征在于，所述用户侧的位置信息具体包括：用户侧的到达角，以及基站侧与用户侧之间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种光定位辅助的位置使能无线通信***，其特征在于，所述基站侧与用户侧之间的距离d的表达式为：
公式中，c为光速，tp为估计的用户处理延时。
6.根据权利要求5所述的一种光定位辅助的位置使能无线通信***，其特征在于，所述理论模型的表达式为：
公式中，NT,NR分别为基站和接收机的天线数，ρ为信道大尺度衰落，与距离负相关，ξk为信道功率分配系数，分别为信号的发射角和到达角，D为对角矩阵，其中，
dα为天线间距，λ为射频信号波长。
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