一种使用波束赋形的5G通信方法、设备和系统

技术领域

本发明涉及通信方法、通信设备以及通信系统，特别涉及一种使用波束赋形的5G通信方法、设备和系统。

背景技术

在第五代移动通信(5G)中，借助最新的5G技术，将提供更快的通信速度以及更低的延迟时间，并且在此基础上可以开发新的服务。然而，5G中通信设备使用的频段高达24GHz以上，在该频段上进行通信，传播损耗将比4G通信增大很多，而且该频段为毫米波频段，毫米波的穿透性较4G时使用的频段差很多，使得物体遮挡对信号的衰减变得特别严重，再加上衍射等原因，使通信变得困难。另外，来自终端的上行信号具有较小的功率，在扩展服务区域方面造成了问题。因此期望提供一种扩大毫米波设备的服务区域的技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种使用波束赋形的5G通信方法、设备和系统。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种使用波束赋形的5G通信方法，适用于包括通信设备和无线基站的通信系统，所述通信设备包括使用波束赋形技术的高增益阵列天线，该方法包括，通信设备在固定位置通过阵列天线向无线基站发送波束，并在无线基站的方向上使用波束图案对波束赋形，当通信设备发送的波束与无线基站的波束未对准或失配时改变通信设备发送的波束方向。

优选地，所述通信设备对波束赋形的方法为，通信设备将其中预设的多个波束图案与无线基站的信号强度一一对应，并将强度最大的信号对应的波束图案赋形到阵列天线并设置波形，阵列天线依据设置的波形向无线基站发送波束。

优选地，所述波束图案与无线基站的信号强度一一对应的方法为，通信设备将其中预设的多个波束图案赋形于阵列天线形成相应的波形，通信设备解调来自无线基站的无线信号，将得出的信号强度记录下来，并与波形、基站一一对应，以使波束图案与无线基站的信号强度一一对应。

优选地，所述将强度最大的信号对应的波束图案赋形到阵列天线的方法为，将信号强度排序并存储，选择强度最大的信号对应的波束图案赋形到阵列天线。

优选地，所述设置波形的方法为，判断对来自无线基站的信号的解调是否满足门限要求，若满足，则将该信号对应的波束图案赋形到阵列天线，若不满足，则结束该流程。

优选地，改变通信设备发送的波束方向的方法为，按照信号强度的排列顺序将波束图案赋形到阵列天线中直至信号满足门限要求，记录并判断波束赋形的循环次数是否达到设定值，若是，则终止改变波束方向的流程，若否，则使用初始波束图案检测信号强度，若初始波束图案对应的信号强度优于当前信号强度，则使用初始波束图案赋形，若没有优于当前信号强度，则继续记录并判断波束赋形的循环次数是否达到设定值。

本发明还提供一种使用波束赋形的5G通信设备，包括控制单元和均与其连接的波束赋形单元、5G通信模块、计时器、计数器和存储器，还包括使用波束赋形技术的高增益阵列天线，所述5G通信模块通过波束赋形单元控制阵列天线。

优选地，该5G通信设备还包括WiFi通信模块和WiFi天线，用于将5G信号转换为WiFi信号。

优选地，该5G通信设备还包括4G通信模块和4G天线，用于与通信基站进行4G通信。

本发明还提供一种使用波束赋形的5G通信系统，包括如上所述的5G通信设备，所述5G通信设备固定于室内，并与通信基站进行通信。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明通过高增益阵列天线使波束图案变细、天线的方向性增强，并通过波束赋形技术，可以补偿5G信号的路径损耗，为室内5G信号非常弱的区域提供覆盖，提高5G网络的室内覆盖，扩大毫米波设备的服务区域。

附图说明

图1为本发明通信系统的示意图；

图2为本发明通信设备的功能模块框图；

图3为本发明通信设备向无线基站发送波束并对波束赋形的流程图；

图4为本发明通信设备改变波束方向的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

图1示出了本发明通信系统的示意图，通信设备100可以被安装在室内。通信设备100包括阵列天线102，通信设备100通过阵列天线102与无线基站20通信，无线基站20为使用毫米波进行无线通信的5G无线基站，该无线基站20为符合5G标准的5G无线基站，工作频率范围包括5G NR FR2(24GHz-52GHz)。另外，通信设备100为室内提供WiFi接入，房屋10中的UE通过通信设备100提供的WiFi信号，实现与无线基站20的通信，这使得室内的各种终端UE可以得到更高水平的服务。

通信设备100通过将高增益阵列天线102与无线基站20通信，该阵列天线20使用波束赋形技术，可以补偿5G信号的路径损耗，并为室内5G信号非常弱的区域提供覆盖。在此，通过使用高增益阵列天线102，可以补偿传播损失，但另一方面，由于高增益阵列天线102使用波束赋形技术，所需的波束图案变细、天线的方向性增强，因此需要将通信设备100固定在某个位置。由于是室内的固定设备，通常在无线基站20的方向上使用适当的波束图案就可以正常通信，然而在某些情况下，可能发生与无线基站20的发射波束未对准或失配的情况，使得通信恶化甚至中断。这时，需要改变通信设备100侧的阵列天线102的波束图案，使得通信条件达到最优状态。另外，由于通信设备100需要在固定的位置上搜索与无线基站20之间的最优波束赋形图，因此安装完毕后首次开机也需要进行初始化操作。

上述改变通信设备100侧的阵列天线102的波束图案或者初始化的过程，旨在能够在未建立与无线基站20的通信的状态或者通信状态恶化的情况下，对来自无线基站20的控制信号进行解码，控制阵列天线102的波束图案，并调整阵列天线102的波束112的方向性。例如，通信设备100按顺序切换多个预设波束图案来确定能够解调来自无线基站20的控制信号的最优波束图案，使得接收到的来自无线基站20的信号强度最大。

图2示出了通信设备100的功能模块框图。通信设备100包括控制单元101、阵列天线102，5G通信模块103、波束赋形单元104、4G通信模块105、4G天线106、计时器107、计数器108、存储器109、WiFi通信模块110、WiFi天线111。

5G通信模块103通过波束赋形单元104控制阵列天线102，并通过阵列天线102与无线基站20通信。波束赋形单元104可以按照出厂的波束图控制阵列天线102的波束图案，以确定哪种波束图能够最优解调来自无线基站20的信号。通信设备100还可以通过4G通信模块105和4G天线106与无线基站30进行无线通信。无线基站30为符合LTE标准的4G无线基站，使用的频率比无线基站20使用的频率更低。本发明的4G通信模块105和5G模块103、4G天线106和阵列天线102并非强制分离为不同的部分，也可以设计为一个模块。

计时器107和计数器108用于通信设备100选择最优的波束图与无线基站20通信时的计时和计数。WiFi通信模块110和WiFi天线111用于将5G信号转换为WiFi信号，覆盖室内。

图3示出了通信设备100向无线基站20发送波束并对波束赋形的流程图。这里，将描述上述改变阵列天线102的波束图案或者初始化时，通信设备100进行的处理的流程。通信设备100由用户安装在房屋100的窗户附近，然后执行图3所示的初始设置处理。图中所示的每个处理步骤都由通信设备100中包括的控制单元101执行。

在S102中，从多个预设的波束图案中读取一个波束图案。该波束图案，可以在通信设备100的产品出厂之前，将多个波束图案存储在通信设备100中，也可以在通信设备100的使用过程中通过OTA进行升级。

在S103中，控制单元101通过波束赋形单元106将读取的波束图案赋形给阵列天线102，然后转入S104。

在S104中，5G通信模块103解调来自无线基站20的信号，得出信号强度，如果在可搜索范围内存在多个无线基站，则解调每一个基站的信号强度，选择信号强度最大的基站记录。

在S105中，将S104得到的信号强度记录下来，并与波形、基站一一对应。

在S106中，判断是否还有未处理的波速图案，如果有(Y)，则转入S102，重复步骤S102-S106，如果没有(N)，则进入S107。

在S107中，将所有波束图案对应的信号强度排序，按照从强到弱的顺序排列，将结果存入存储器109，然后选择信号强度最大的波束图案赋形到阵列天线102(S108)，确定对来自无线基站20的控制信号的解码是否满足门限要求(S109)。该门限可以通过事先指定的吞吐量标准来制定，也可以根据实际的业务需求来动态调整。如果满足门限(Y)，则将S108选择的波形赋形给阵列天线102，然后结束流程。如果不满足门限(N)，则通知用户设备初始化失败，再次选择安装位置后重新初始化。

图4示出了通信设备100工作过程中信号恶化或者连接中断时，通信设备100改变波束方向的流程图。由于毫米波频段的通信链路容易受到影响，比如物体遮挡，当有行人、车辆、飞行物等物体出现在通信设备100和无线基站20之间时，通信设备100和无线基站20之间的通信状况可能会恶化，当解调信号低于门限时，按照图4的流程进行处理，当前使用的波束图案记为初始波束图案。

在S202中，按照S107中排列好的优先级，按顺序选择波束图案，并设置到阵列天线102中(S203)，如果不满足解调门限(N)，则重复S202-S204；如果满足解调门限(Y)，则转入S205。

按照S205设置波形后，由于相比之前的工作状态，并非最佳状态，可能是由于临时出现遮挡物使得通信条件恶化，因此当遮挡物离去后通信条件会恢复到初始的状态，这时，就可以将波束图案恢复到初始设置。

在S206中，控制单元101控制计时器107开始计时，到达一定的时间后，计数器108的数值加1。

在S207中，判断计时的循环次数是否达到指定值，如果否(N)，则使用初始波束图并检测信号强度(S208)，如果优于当前信号强度(S209判断为Y)，则说明上述影响信号的物体已经离去，将波束图设置为初始波束图(S210)，然后结束流程，并将计数器108的数值归零。如果S209判断为否(N)，则返回S206。如果S207的次数达到指定值(Y)，则判断为之前的通信链路状态短期无法恢复。转入S211结束流程，并将计数器108的数值归零。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。