毫米波天线方向控制方法、装置、终端设备及介质与流程

1.本发明涉及毫米波通信技术领域，特别涉及一种毫米波天线方向控制方法、装置、终端设备及介质。


背景技术：

2.cpe(customer premise equipment，用户驻地设备)是一种无线宽带接入的用户终端设备。cpe通常用于将基站发送的无线网络信号(如2g、3g、4g、5g)转换为wifi信号，用户只需要插入sim卡，接通电源即可接入无线通信网络，能够有效节省铺设有线网络(如光缆，铜线)的费用。因此，cpe设备大量应用于农村、城镇、医院、工厂、小区等未铺设有线网络的场合。
3.第五代移动通信技术(5th generation mobile networks，5g)由于具有较高的通信速度，备受用户青睐。比如，利用5g移动通信传输数据时的传输速度比4g移动通信技术传输数据的速度快数百倍。而毫米波是实现5g移动通信的重要频段。
4.然而，当毫米波天线应用于cpe时，由于毫米波难以折射和反射，必须保证波束对准才能保证通信质量。天线的电相控阵波束技术(beamforming，beamtracking)仅能保障毫米波天线(如图1所示，cpe天线板放置在x，y平面，朝向z方向)在theta角小于 /
‑
60
°
(即120
°
)或者 /
‑
45
°
(即90
°
)的圆锥范围内的基站无线信号波束对准和可靠连接。比如，基站在theta角90度(和cpe天线在同一水平面)，或180度的位置(cpe天线背面)，则cpe的毫米波天线无法接收到毫米波的信号。
5.因此需要机械旋转毫米波天线板以寻找无线信号来波(信号)位置，天线板旋转theta角0
°
到180
°
可接收右方到后方来波，天线板旋转theta角0
°
到
‑
180
°
可接收左方到后方来波。机械旋转的theta角度是由基站发射，cpe接收的来波方向所确定的。快速准确地确定theta角度有利于提高设备的性能。
6.发明人发现现有技术中，theta角度的寻找采用穷举搜索方式：天线板依次机械旋转一角度直到旋转一周，每次记录波束的信噪比、参考信号接收功率和参考信号接收质量指示等，根据信号质量最大值确定其旋转角(即theta角)。然而该方法首先需终端设备搜索基站同步信息(主同步和辅助同步参考信号)，获得基站的频率和mib(主广播消息)，因此需耗费大量时间才能确定旋转角度，用户体验性差。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明实施方式的目的在于提供一种毫米波天线方向控制方法、装置、终端设备及介质，以解决现有技术中需耗费大量时间才能确定旋转角度，造成终端设备接入基站时间长，影响用户使用体验的问题。
8.为解决上述技术问题，第一方面，本发明的实施方式提供了一种毫米波天线方向控制方法，应用于终端设备，所述方法包括：
9.在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向，根据搜索结果得到目标来波方
向角；
10.控制所述天线板从所述当前方位角旋转到所述目标来波方位角后采用电相控阵波束扫描进行同步和接入基站操作，若同步并接入所述基站成功，则记录所述目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；
11.若不满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则控制所述天线板旋转预设比例的所述天线板的电相控阵的圆锥扫描范围后，重复上述步骤以得到下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；
12.若满足所述结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则从记录的所有目标来波方向角对应的毫米波的信号质量中选取得到目标信号质量值及所述目标信号质量值对应的方位角；
13.控制所述天线板旋转至所述目标信号质量值对应的方位角。
14.另外，所述在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向，包括：
15.采用角度谱或者相干估计得到来波方向角。
16.另外，所述根据搜索结果得到目标来波方向角，包括：
17.若所述搜索结果包括多个来波方向角，则所述目标来波方向角为所述多个来波方向角中的最大可能的来波方向对应的来波方向角。
18.另外，所述根据搜索结果得到目标来波方向角，还包括：
19.若所述搜索结果中无来波方向角，则将所述天线板的当前方位角作为所述目标来波方向角。
20.另外，所述结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件为：
21.本次天线方向控制过程中所述天线板的累计旋转角度大于或者等于一周；或者
22.所述目标来波方向角对应的毫米波的信号质量大于预设信号质量值。
23.另外，所述预设比例大于或者等于1/2且小于或者等于1。
24.另外，所述预设比例为1或者2/3。
25.第二方面，本发明实施例还提供了一种一种毫米波天线方向控制装置，配置于终端设备，所述装置包括：
26.来波方向角搜索模块，用于在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向，根据搜索结果得到目标来波方向角；
27.信号质量记录模块，用于控制所述天线板从所述当前方位角旋转到所述目标来波方位角后采用电相控阵波束扫描进行同步和接入基站操作，若同步并接入所述基站成功，则记录所述目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；
28.旋转模块，用于若不满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则控制所述天线板旋转预设比例的所述天线板的电相控阵的圆锥扫描范围；
29.循环控制模块，用于控制所述天线板旋转预设比例的所述天线板的电相控阵的圆锥扫描范围后，重复执行上述模块对应的步骤以得到下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；
30.方位角选取模块，用于若满足所述结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则从记录的所有目标来波方向角对应的毫米波的信号质量中选取得
到目标信号质量值及所述目标信号质量值对应的方位角；
31.基站接入模块，用于控制所述天线板旋转至所述目标信号质量值对应的方位角。
32.第三方面，本发明实施例还提供了一种终端设备，配置有毫米波天线板，所述设备包括：存储器和处理器，存储器存储计算机程序，处理器运行所述计算机程序以实现如前任一实施例所述的毫米波天线方向控制方法。
33.第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现如本发明任意实施例所述的毫米波天线方向控制方法。
34.本发明实施例通过在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向，根据搜索结果得到目标来波方向角，控制天线板从当前方位角旋转到目标来波方位角后采用电相控阵波束扫描进行同步和接入基站操作，若同步并接入基站成功，则记录目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；若不满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则控制天线板旋转预设比例的天线板的电相控阵的圆锥扫描范围后，重复步骤以得到下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；若满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则从记录的所有目标来波方向角对应的毫米波的信号质量中选取得到目标信号质量值及目标信号质量值对应的方位角，最后控制天线板旋转至目标信号质量值对应的方位角，由于通过来波方向估计预先筛选出了毫米波天线板在当前方向角位置处的目标来波方向，所以在后续的电相控制扫描接入基站的过程中，仅需将天线板旋转至每个目标来波方向角位置处进行基站接入操作，即可根据得到的所有目标来波方向角对应的毫米波的信号质量及该信号质量对应的方位角得到目标信号质量值及目标信号质量值对应的方位角，相较于现有技术中逐个角度扫描接入基站直到扫描完成一周而言，极大地减少了扫描接入基站次数，从而大幅缩短了天线板方向的确定时间，提高了终端设备接入基站的效率，有利于提高用户体验。
附图说明
35.图1是天线板方位角坐标示意图；
36.图2是本发明实施例提供的毫米波天线方向控制方法的流程示意图；
37.图3是本发明实施例提供的毫米波天线方向控制装置的结构示意图；
38.图4是本发明一实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，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。
40.图2是本发明实施例提供的毫米波天线方向控制方法的流程图。本实施例的技术方案可适用于配置有5g毫米波天线板的终端设备的毫米波天线的方向控制。该方法可以由本发明实施例提供的一种毫米波天线方向控制装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并配置于终端设备应用。终端设备包括但不限于：cpe、智能手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、个人数字助理(personal digital assistant,pda)、便携式媒体播
放器、导航装置、可穿戴设备，本实施例不做具体限定。如图2所示，该方法具体包括如下步骤：
41.步骤201：在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向，根据搜索结果得到目标来波方向角。
42.终端设备的天线板的当前方位角是天线板在当前摆放位置下的天线板法线方向在坐标轴的角度。其中，在一次天线方向控制过程中，天线板可能会被机械旋转多次，且该次天线方向控制过程中，在尚未对天线板进行任何机械旋转操作前的天线板的当前方位角可称为初始方位角，初始方位角可采用α表示。初始方位角α由天线板的初始摆放位置决定，因此，天线板的初始方位角度α是随天线板的初始摆放位置的变化而变化的随机角度。
43.来波方向角是来波到达天线板在坐标轴的角度。在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向的步骤中，可以采用角度谱估计得到来波方向角，角度谱估计适用于随机信号来波方向性估计，是一种较为常用的随机信号来波方向性估计方法，此处不再赘述。可以理解的是，在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向的步骤中，也可以在已知来波信号格式的基础上采用相干估计方法得到来波方向角，本实施例对来波方向角的获取方法不做具体限制。
44.在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向的搜索结果可以包括：1个来波方向角、多个来波方向角或者无来波方向角，多个来波方向角可以分别采用β1、β2、......βm表示，m为大于1的自然数。搜索结果中无来波方向角表明来波信号均是噪声信号。相应地，根据搜索结果得到目标来波方向角中，具体包括：若搜索结果包括多个来波方向角，则目标来波方向角为多个来波方向角中的最大可能的来波方向对应的来波方向角；若搜索结果仅包含一个来波方向角，则将该来波方向角作为目标来波方向角，且该来波方向角可能与天线板当前的方位角相同；若搜索结果中无来波方向角，则将当前方位角作为目标来波方向角。
45.步骤202：控制天线板从当前方位角旋转到目标来波方位角后采用电相控阵波束扫描进行同步和接入基站操作，若同步并接入所述基站成功，则记录目标来波方向角对应的毫米波的信号质量。
46.在获得目标来波方向角后，控制毫米波天线板从当前方位角机械旋转到目标来波方向角，从而提升了毫米波天线板增益，大幅度提高毫米波接入的可能性。假如天线板的当前方位角为天线板的初始方位角α，目标来波方向角采用β表示，则天线板机械旋转后的方位角为β。其中，当目标来波方向角β的取值为0时，即本次搜索结果中不包含来波方向角时，天线板不需旋转。然后，使旋转后的终端设备采用电相控阵波束扫描尝试同步和接入基站信号，同步接入基站成功后则记录下目标来波方向角对应的毫米波的信号质量。毫米波的信号质量可以包括以下一者或其任意组合：波束信噪比、参考信号功率和参考信号的信号质量。若终端设备接入基站失败，则记录该目标来波方位角的信号质量为“零”。
47.步骤203：确定是否满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，若不满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则执行步骤204，若满足所述结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则继续执行步骤205。
48.结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件可以为：本次
天线方向控制过程中天线板的累计旋转角度大于或者等于一周。相应地，确定是否满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，具体包括：确定本次天线方向控制过程中天线板的累计旋转角度是否大于或者等于一周，若大于或者等于一周，则确定满足获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，否则，确定不满足获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件。本次天线方向控制过程中天线板的累计旋转角度是指从开始机械旋转天线板到确定目标信号质量值对应的方位角的过程中的天线板的总的机械旋转角度，即天线板每次旋转的机械角度的和。
49.作为一种替换方式，结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件还可以为：目标来波方向角对应的毫米波的信号质量大于预设信号质量值。相应地，确定是否满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，具体包括：确定目标来波方向角对应的毫米波的信号质量是否大于预设信号质量值，若目标来波方向角对应的毫米波的信号质量大于预设信号质量值，则确定满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，否则，确定不满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件。其中，预设信号质量值可以根据终端设备的通信质量要求选择，在此不做具体限制。
50.步骤204：控制天线板旋转预设比例的天线板的电相控阵的圆锥扫描范围。
51.天线板的电相控阵的圆锥扫描范围通常为120
°
或者90
°
，预设比例可以大于或者等于1/2且小于或者等于1。比如，当天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为120
°
，预设比例的为1时，控制天线板机械旋转120
°
。当天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为90
°
，且预设比例为1时，控制天线板机械旋转90
°
。或者，当天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为90
°
，且预设比例为1/2时，控制天线板机械旋转45
°
,当天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为120
°
，且预设比例为1/2时，控制天线板机械旋转60
°
。当然，预设比例还可以为2/3等。在预设比例小于1时，预设比例取值越大，天线方向控制方法中需要获取的目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的次数越少，整个控制方法的耗时越短；而当预设比例的取值适当增大时，可以提高天线方向控制的精准度，提高信号质量。
52.步骤204后，重复执行上述步骤201～步骤204，直到满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件。
53.步骤205：从记录的所有目标来波方向角对应的毫米波的信号质量中选取得到目标信号质量值及目标信号质量值对应的方位角。
54.步骤206：控制天线板旋转至目标信号质量值对应的方位角。
55.其中，目标信号质量值可以为所记录的毫米波的质量质量中的最大值，并选取目标信号质量值对应的方位角，目标信号质量值对应的方位角可以采用ε表示。目标信号质量值对应的方位角ε为目标来波方向角β经过同步后，且确定是基站的信号后记录的角度，从而可以排除掉非签约基站或者其他运营商的基站的来波信号或者其他干扰信号。在得到目标信号质量值对应的方位角后，控制天线板旋转至目标信号质量值对应的方位角ε，并控制终端设备执行常规的毫米波无线接入操作。
56.如下表1示出了一次天线方向控制过程中天线板在其各个当前方位角下测得的目标信号质量值v。其中，γ表示天线板的各个当前方位角。天线板在各个当前方位角下的目标来波方向角β均等于其当前方位角，天线板的电相控阵波束扫描的圆锥扫描范围为120
°
，
预设比例为1，且结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件为本次天线方向控制过程中天线板的累计旋转角度等于一周。
57.表1
58.vv1v2v3γαα 120α 240
59.由表1可知,在一次天线方向控制过程中,仅需机械旋转天线3次(0,120,240)即可搜索到目标信号质量值对应的方位角,即通信质量较佳的来波方向角。与现有技术中每1度单位角度均需要接入一次基站相比，极大地节约了接入基站的时间。
60.需要说明的是,如果根据搜索结果每次均能得到目标来波方向角β，则将表1中γ的值分别替换为对应的目标来波方向角β即可。
61.如下表2示出了一次天线方向控制过程中，天线板的电相控阵波束扫描的圆锥扫描范围为90
°
，而其余条件与表1相同的的情况下，天线板的各个当前方位角及其对应的目标信号质量值v。
62.表2
63.vv1v2v3v4γαα 90α 180α 270
64.由表2可知,在一次天线方向控制过程中,仅需机械旋转天线4次(0,90,180，270)即可搜索到目标信号质量值对应的方位角,即通信质量较佳的来波方向角。与现有技术中每1度单位角度均需要接入一次基站相比，极大地节约了接入基站的时间。
65.本实施例与现有技术相比，通过来波方向估计搜索出天线板当前方位角处的目标来波方向角，并将天线板机械旋转至目标来波方向角后，使终端设备接入基站并得到该目标来波方向角对应的毫米波的信号质量及其对应的来波方位角，然后以天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为步长控制天线板机械旋转，再重复执行前述旋转至目标来波方向角以及测量其毫米波信号质量的步骤，直到天线板相对其初始方位角旋转一周或者目标来波方向角的毫米波信号质量大于预设信号质量值时，从所有的目标来波方向角的毫米波信号质量中选取出信号质量最佳的目标信号质量，并控制天线板机械旋转至该目标信号质量对应的来波方向角，然后控制终端设备接入基站。由于本实施例的天线板机械旋转次数是以天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为步长的，相较于现有技术而言，天线板机械旋转次数(即来波信号质量检测次数)大幅降低，从而大大缩短天线方向检测过程耗时，在保证通信质量的基础上，提高终端设备接入基站的效率。
66.图3是本实施例提供的一种毫米波天线方向控制装置的结构框图。本发明实施例还提供一种毫米波天线方向控制装置300，配置于终端设备，用于执行上述任意实施例所提供的毫米波天线方向控制方法。该装置包括：
67.来波方向角搜索模块301，用于在终端设备的天线板的当前方位角搜索来波方向，根据搜索结果得到目标来波方向角；
68.信号质量记录模块302，用于控制所述天线板从所述当前方位角旋转到所述目标来波方位角后采用电相控阵波束扫描进行同步和接入基站操作，若同步并接入所述基站成功，则记录所述目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；
69.旋转模块303，用于若不满足结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号
质量的预设条件，则控制所述天线板旋转预设比例的所述天线板的电相控阵的圆锥扫描范围；
70.循环控制模块304，用于控制所述天线板旋转预设比例的所述天线板的电相控阵的圆锥扫描范围后，重复执行上述模块对应的步骤以得到下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量；
71.方位角选取模块305，用于若满足所述结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件，则从记录的所有目标来波方向角对应的毫米波的信号质量中选取得到目标信号质量值及所述目标信号质量值对应的方位角；
72.基站接入模块306，用于控制所述天线板旋转至所述目标信号质量值对应的方位角。
73.可选地，来波方向角搜索模块301具体用于采用角度谱或者相干估计得到来波方向角。
74.可选地，来波方向角搜索模块301具体用于若搜索结果包括多个来波方向角，则目标来波方向角为多个来波方向角中的最大可能的来波方向对应的来波方向角。
75.可选地，来波方向角搜索模块301还用于若搜索结果中无来波方向角，则将天线板的当前方位角作为目标来波方向角。
76.可选地，结束获取下一目标来波方向角对应的毫米波的信号质量的预设条件为：
77.本次天线方向控制过程中天线板的累计旋转角度大于或者等于一周；或者
78.目标来波方向角对应的毫米波的信号质量大于预设信号质量值。优选地，预设比例大于或者等于1/2且小于或者等于1。进一步地，预设比例为1或者2/3。
79.本实施例的毫米波天线方向控制装置与现有技术相比，由于天线板机械旋转次数是以天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为步长的，相较于现有技术而言，天线板机械旋转次数(即来波信号质量检测次数)大幅减少，从而大大缩短天线方向检测过程耗时，在保证通信质量的基础上，提高终端设备接入基站的效率。
80.本发明实施例还提供一种终端设备，该终端设备配置有毫米波天线板。如图4所示，该设备包括：存储器402、处理器401；
81.其中，所述存储器402存储有可被所述至少一个处理器401执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器401执行以实现前述实施方式所述的毫米波天线方向控制方法。
82.该终端设备包括一个或多个处理器401以及存储器402，图4中以一个处理器401为例。处理器401、存储器402可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。存储器402作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块。处理器401通过运行存储在存储器402中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述毫米波天线方向控制方法。
83.存储器402可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序。此外，存储器402可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。
84.一个或者多个模块存储在存储器402中，当被一个或者多个处理器401执行时，执
行上述任意方法实施方式中的毫米波天线方向控制方法。
85.上述设备可执行本发明实施方式所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果，未在本实施方式中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施方式所提供的方法。
86.本实施例的终端设备与现有技术相比，由于天线板机械旋转次数是以天线板的电相控阵的圆锥扫描范围为步长的，相较于现有技术而言，天线板机械旋转次数(即来波信号质量检测次数)大幅减少，从而大大缩短天线方向检测过程耗时，在保证通信质量的基础上，提高终端设备接入基站的效率。
87.本发明实施例还涉及一种非易失性存储介质，用于存储计算机可读程序，所述计算机可读程序用于供计算机执行上述部分或全部的方法实施例。
88.即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
89.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。