一種隨動跟蹤wifi傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，包括云臺控制器，以及與之連接的加速度傳感器、地磁傳感器、北斗導航接收機、無線通信單元、WIFI單元和天線云臺；還包括設置在天線云臺上的定向天線，定向天線連接到WIFI單元。本實用新型實現(xiàn)了WIFI的遠距離通信，并解決了使用定向天線時多接入點動態(tài)移動組網問題；使WIFI在提升通信距離、提升通信隱蔽性、提升網絡抗毀性、降低電磁干擾等方面效果明顯；能夠適合野外使用，大大地拓展了WIFI的用途與范圍；采用4陣元雙激勵MIMO定向天線結構可使定向天線獲得高增益，窄主瓣波束、低旁瓣等優(yōu)良特性。
【專利說明】
一種隨動跟蹤WIFI傳輸裝置
技術領域
[00011本實用新型涉及WIFI通信技術領域，具體為一種隨動跟蹤WIFI傳輸裝置。
【背景技術】
[0002] WIFI通信是當代社會應用非常普及的一種無線通信方式。WIFI通信具有諸多優(yōu) 點，例如用戶容量大、傳輸速度高、接入方便、使用廣泛、組網靈活等顯著的優(yōu)點?，F(xiàn)代智能 終端，如手機、移動筆記本等通常都把WIFI通信功能作為標準配置之一。
[0003] 民用無人飛行器尤其是多軸旋翼飛行器，具有成本低、開發(fā)容易、結構簡單、用途 廣泛的特點，得到了相當?shù)钠占?。但目前多?shù)無人飛行器主要通過專門的遙控器實現(xiàn)控制， 使用WIFI通信的無人機一般僅能在100米以內通信。如果無人飛行器能用WIFI實現(xiàn)數(shù)公里 的通信，將是非常方便的。這種情況下，使用現(xiàn)代智能終端設備就能很方便地與對飛行器實 現(xiàn)通信聯(lián)系，借助智能終端的平臺能方便地開發(fā)無人機新功能，無疑將極大地拓展無人飛 行器應用領域和范圍。
[0004] 另一方面，隨著汽車的普及，許多汽車上已具備了WIFI功能。如果汽車之間能以某 種方式實現(xiàn)WIFI組網，在數(shù)百米范圍實現(xiàn)WIFI互聯(lián)，這無疑將是非常有價值的事情。
[0005] 但遺憾的是，目前以上兩種場合應用均未實現(xiàn)。主要原因是WIFI通信采用多進制 寬帶數(shù)字調制，存在頻帶占用寬、信號的峰平功率比高，導致發(fā)射效率低等缺點。特別是由 于信號的峰平功率比高，導致發(fā)射器效率很低，使用寬帶通信導致接收機靈敏度低等，因此 WIFI通常只用作短距離通信?，F(xiàn)代移動終端上的小功率WIFI通信距離一般在數(shù)十米范圍 內，發(fā)射效率通常低于25 %，根本不適合遠距離通信。要提高通信距離，就需要提高發(fā)射功 率，由于發(fā)射效率低，要求發(fā)射機總消耗功率很大，電源消耗增加程度就十分顯著。此外，通 信功耗過高也不利于使用電池供電的系統(tǒng)使用。目前，在提高線性發(fā)射器效率方面，不少研 究者已提出了一些列諸如:前饋、預失真等新技術，在一定程度上改善了發(fā)射效率，在窄帶 通信方面獲得一定程度應用，寬帶通信具有復雜性目前仍舊處于實驗室研究階段，尚未能 達到實用化水平。
[0006] 鑒于以上原因，WIFI通常僅作為短距離通信使用，許多戶外通信只得使用其他方 式代替。例如，民用型無人飛行器的通信方式多采用模擬通信和部分數(shù)字通信相混合的方 式。圖像和聲音傳輸使用模擬調頻FM方式，命令控制則使用數(shù)字頻移鍵控FSK方式。地面車 輛間的通信甚至是采用傳統(tǒng)的對講機。一些性能更好的通信系統(tǒng)則使用全數(shù)字的⑶FDM、 QPSK等方式。這些通信方式，雖然能解決飛行器、車輛等遠距離通信問題，但它屬于專用性 質的通信與現(xiàn)代智能終端使用的WIFI有很大的差異，由于通信體制完全不同，失去了使用 WIFI的便利性優(yōu)點。
[0007] 目前使用定向天線擴展WIFI通信距離已有一定應用，定向天線陣具有比常規(guī)WIFI 系統(tǒng)所用的全向天線有更高的增益，加上它是定向傳輸?shù)?，因此信號傳輸時能量高度集中， 降低了噪聲干擾，可實現(xiàn)遠距離傳輸。在相同發(fā)射功率與相同接收機靈敏度情況下，定向天 線陣能有效地提高通信質量，使WIFI傳輸距離成倍增加成為可能。在定向通信方式下，由于 傳輸能量集中在所指方向上，對其它非傳輸方向的設備干擾也會很小。但是，定向天線具有 方向性，需要收發(fā)系統(tǒng)實時對準才能建立通信，而且由于定向通信系統(tǒng)組網的復雜度高，所 以目前都限于點對點固定位置之間的通信，例如2個高樓之間使用定向網橋實現(xiàn)WIFI通信 等。但這些常規(guī)設計要么采用增大發(fā)射功率，要么增加天線方向性和增益來提升通信距離， 沒有在WIFI信號本身上尋求解決方案。并且這些設計也無法滿足移動、隨機、多接入點組網 等實際需要。 【實用新型內容】
[0008] 針對上述問題，本實用新型提出一種能隨動跟蹤WIFI傳輸裝置設計方案，該方案 采用具有自動跟蹤能力的定向WIFI通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了任意移動通信節(jié)點間的WIFI定向通 信，并使通信距離成倍增加，主要技術方案如下：
[0009] 一種隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，包括云臺控制器，以及與云臺控制器連接的加速度 傳感器、地磁傳感器、北斗導航接收機、自組織低功耗無線通信單元、WIFI單元和第1天線云 臺；還包括設置在第1天線云臺上的第1定向天線，第1定向天線連接到WIFI單元。
[0010] 進一步的，所述WIFI單元包括WIFI主處理器和與之連接的第1射頻單元，WIFI主處 理器連接所述云臺控制器，第1射頻單元連接所述第1定向天線。
[0011]更進一步的，還包括第2定向天線，第2定向天線設置在第2天線云臺上，第2天線云 臺連接云臺控制器;所述WIFI單元還包括WIFI協(xié)處理器和第2射頻單元，WIFI協(xié)處理器連接 WIFI主處理器，第2射頻單元連接第2定向天線。
[0012] 更進一步的，所述第1定向天線和第2定向天線均為四陣元雙輸入激勵MMO結構， 其包括底層激勵輸入層，所述底層激勵輸入層下方設有金屬底面反射層，上方依次設有兩 個或兩個以上的引向器。
[0013] 更進一步的，所述第1射頻單元和第2射頻單元為雙頻模式，工作頻段為2.4GHz頻 段和5GHz頻段。
[0014] 更進一步的，所述5GHz頻段的射頻單元包括由射頻濾波器UFl、功率放大器PAdi 頻收發(fā)切換電子開關S1、射頻濾波器UF2、天線Pl順次連接構成的發(fā)射通路;還包括接收通 路，接收通路包括順次連接到射頻收發(fā)切換電子開關Sl的低噪聲放大器LNA和射頻濾波器 UF3;所述功率放大器PA為平衡放大器結構;還包括用于驅動收發(fā)切換的隔離驅動器。
[0015] 本實用新型的有益效果是：
[0016] 1)本實用新型采用自組織定向WIFI通信網絡與自組織全向低功耗輔助網絡互補 組合的系統(tǒng)構架，不但解決了當前高速WIFI網絡不能遠距離使用的問題，最重要的是解決 了定向WIFI多接入點隨機動態(tài)移動組網問題，使WIFI的用途獲得巨大拓展。自組織全向低 功耗輔助通信網絡是低速窄帶通信網絡，主要是輔助WIFI確定天線指向，不承擔用戶數(shù)據(jù) 傳輸。盡管是低功耗發(fā)射，但它屬于窄帶通信接收機靈敏度很高，具有比定向WIFI更遠的傳 輸距離，其高效率特性保障了整個WIFI系統(tǒng)能建立起精準的定向通信。
[0017] 2)本實用新型采用新的定向天線結構，使WIFI在定向傳輸方面提升了收發(fā)性能， 使發(fā)射信號雜散與諧波更小、接收信噪比更高。使用多層疊合PCB方式設計，具有取材容易、 加工簡單、安裝方便、成本低廉等優(yōu)勢。
[0018] 3)本實用新型采用多濾波器方式的射頻前后端電路結構，有效提升了 WIFI長距離 通信性能。發(fā)射電路使用平衡放大器作為功率合成，提高了 WIFI發(fā)射功率;使用噪聲系數(shù)低 于IdB的超低噪聲放大器采用損耗低于0.5dB的電子切換開關提升接收機靈敏度;多濾波器 設計有效抑制帶外信號進入接收機，并阻止發(fā)射機諧波和雜散輻射。多種措施提高了發(fā)射 信號質量和接收靈敏度。這個設計解決了WIFI長距離通信問題，與傳統(tǒng)設計相比，本專利的 WIFI收發(fā)性能提升巨大。
[0019] 4)本實用新型提出了一種可拆分式硬件結構，最大程度降低不同使用環(huán)境下的成 本，同時也不需要改變現(xiàn)有WIFI的基本體制，也能和現(xiàn)有WIFI實現(xiàn)正常通信，極具實用價 值。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實用新型隨動跟蹤WIFI傳輸裝置的結構框圖。
[0021]圖2為本實用新型隨動跟蹤WIFI傳輸裝置中WIFI單元的結構框圖。
[0022] 圖3為2個WIFI系統(tǒng)組網的最小通信鏈路示意圖。
[0023] 圖4為3個WIFI系統(tǒng)組網的最小通信鏈路示意圖。
[0024]圖5為4個或4個以上WIFI系統(tǒng)組網的最小通信鏈路示意圖。
[0025]圖6為本實用新型5G頻段射頻單元結構框圖。
[0026]圖7為本實用新型5G頻段射頻單元電路原理圖。
[0027] 圖8為本實用新型空間大地坐標系示意圖。
[0028] 圖9為本實用新型空間直角坐標系示意圖。
[0029] 圖10為通信節(jié)點布局及通信鏈路規(guī)劃示意圖。
[0030] 圖11為本實用新型具有2個通信方向的通信鏈路規(guī)劃示意圖。
[0031 ]圖12為本實用新型繞開障礙物的通信鏈路選擇示意圖。
[0032]圖13為本實用新型最優(yōu)通信鏈路確定方法流程框圖。
[0033]圖14為本實用新型定向MBTO天線結構圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施對本實用新型做進一步詳細說明。如圖1所示，一種隨動 跟蹤WIFI傳輸裝置，包括云臺控制器，以及與云臺控制器連接的加速度傳感器、地磁傳感 器、北斗導航接收機、自組織低功耗無線通信單元、第1天線云臺，構成天線輔助控制系統(tǒng)； 還包括設置在第1天線云臺上的第1定向天線，第1定向天線連接到WIFI單元。如圖2所示，所 述WIFI單元包括WIFI主處理器和與之連接的第1射頻單元，WIFI主處理器連接所述云臺控 制器，第1射頻單元連接所述第1定向天線。其中，WIFI輸出信號通過可旋轉連接的電纜與定 向天線相連，確保WIFI信號能通過定向天線實現(xiàn)傳輸。
[0035]本實用新型采用北斗衛(wèi)星對收發(fā)系統(tǒng)位置進行定位，天線控制系統(tǒng)根據(jù)收發(fā)通信 機衛(wèi)星定位信息進行方向角計算，并使用一種具有運動能力的云臺將天線方向進行自動調 節(jié)，實現(xiàn)方向對準。工作原理如下：云臺控制器通過接收北斗衛(wèi)星信號確認自身位置坐標， 并把自身位置坐標通過低功耗無線通信單元組成的網絡傳輸給所有云臺控制器。這里的無 線通信單元采用全向天線，使用窄帶GFSK調制，并組成自組織網絡，在此工作方式下無線通 信效率很高，因此只需要很小的功耗就能實現(xiàn)非常遠的通信距離。采用自組織方式的好處 是，當多個接入點通信時，整個網絡可以相互通信，僅需要較小的發(fā)射功率就能實現(xiàn)較遠距 離通信。對于整個通信系統(tǒng)而言，通過這個低功耗無線通信網，每個云臺控制器實際上知道 所有接入點的位置坐標，因此它能精確計算出自身定向天線應該的指向。加速度傳感器的 作用是系統(tǒng)在運動過程中，云臺會出現(xiàn)起伏顛簸導致天線不能實時對準，但加速度傳感器 能檢測這個起伏變化，通過自動調整云臺可使定向天線保持精確對準。地磁傳感器所起作 用是實現(xiàn)通信系統(tǒng)自身方位的確認，以便能控制天線云臺的對準。這里用戶信息傳輸交給 WIFI系統(tǒng)完成，對準系統(tǒng)通過低功耗窄帶傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)位置感知，協(xié)調天線系統(tǒng)之間的相 互對準。本系統(tǒng)關鍵技術如下：
[0036] 1)遠程通信。采用模式控制、定向天線以及改進射頻電路3個基本措施提升WIFI的 通信距離。但使用定向天線后帶來移動通信過程中的對準與組網困難等問題，本方案通過 設計輔助通信系統(tǒng)解決這些問題。
[0037]通信模式控制使WIFI適合遠程移動通信。如圖1所示，云臺控制器和WIFI單元之間 具有相互連接。云臺控制器通過北斗定位確定收發(fā)雙方距離和信號質量控制WIFI單元的通 信模式。避免在移動過程中WIFI系統(tǒng)自己根據(jù)信號情況切換通信模式，從而帶來通信中斷 問題。在遠距離通信模式下，WIFI的MCS值需要設定為較低數(shù)值，調整為較窄的通信帶寬。 [0038]定向天線應用提升通信距離。定向天線提高了天線增益，并使收發(fā)能量集中在天 線所指方向上，提高了信號傳輸?shù)男旁氡?。在相同接收機靈敏度和發(fā)射功率的情況下，大大 提高通信距離。
[0039]改進射頻電路提升通信距離。如圖6,圖7所示。常規(guī)WIFI發(fā)射功率小，通常使用單 放大器。本設計使用平衡放大器結構，使用雙放大器，并用混合器進行功率分配和合成耦 合，實現(xiàn)較大功率輸出。在接收方面，使用了超低噪聲前置放大，并使用多濾波器結構。在接 收和發(fā)射通路都有2個濾波器。如圖6所示，5GHz頻段的射頻單元包括由射頻濾波器UF1、功 率放大器PA、射頻收發(fā)切換電子開關S1、射頻濾波器UF2、天線Pl順次連接構成的發(fā)射通路， 還包括接收通路，接收通路包括順次連接到射頻收發(fā)切換電子開關Sl的低噪聲放大器LNA 和射頻濾波器UF3。工作原理圖如圖7所示，這里使用了 3個射頻濾波器UFl、UF2、UF3，其目的 是降低發(fā)射時的雜散輻射，抑制接收時的其它干擾信號，這樣設置可使收發(fā)系統(tǒng)信噪比提 高，有利于遠程通信。U6及其外圍元件構成低噪聲放大器LNAWl、^、^、^及其外圍元件構 成功率放大器PA，這里采用平衡放大器，U2、U3為3dB混合橋，混合橋可使Ul與U4輸出的功率 合成，并使Ul與U4之間實現(xiàn)隔離，即便其中一只損壞了也不會影響另一只的正常工作，該電 路能提高WIFI通信的可靠性。Sl及其外圍元件構成射頻收發(fā)切換電子開關，實現(xiàn)收發(fā)電路 的天線共享。U5構成隔離驅動電路，實際工作工程中U5不但是實現(xiàn)邏輯控制信號的驅動，更 重要的是對來自WIFI處理器的雜散信號實現(xiàn)隔離，不讓數(shù)字系統(tǒng)脈沖雜波進入射頻電路， 提高射頻通信質量。此外，每個濾波器的兩端都用高精度電阻設計了η型阻抗匹配網絡，如 圖7中射頻濾波器UF1-端的RF9、RFl 0、RF 11這樣的網絡，RFl 0-端連接到射頻濾波器UF1， 另一端用于連接其它元件，同時RFlO的兩端分別通過RF9和RFll接地。在一般應用中不用這 樣設計，因為匹配電阻會帶來一定的損耗。但這里考慮定向遠程傳輸，匹配電阻網絡可使陶 瓷濾波器性能做到最佳，工作時收發(fā)通路都有2個濾波器起作用，使射頻信號的帶外抑制能 大于50dB，兩組濾波器雖然增加了傳輸信號的損耗，但是也降低了收發(fā)電路的帶寬有利于 抑制帶外信號提高接收靈敏度，并降低系統(tǒng)噪聲，適當選擇濾波器的帶寬控制好插入損耗 就能最大程度提高通信的信噪比，有利于遠程通信應用。
[0040]圖7中發(fā)射通路為:5G_TX_1發(fā)射輸入一 UFl濾波器一 U3混合橋功率分配一 U1/U4功 率放大器一 U2混合橋功率合成一 Sl收發(fā)電子開關一 UF2濾波器一 Pl天線；
[0041 ] 接收通路為:Pl天線一 UF2濾波器一 Sl收發(fā)電子開關一 U6低噪聲放大器一 UF3濾波 器一 5G_RX_1接收輸出。
[0042] 上述措施解決了遠程通信問題，但是使用定向天線后動態(tài)對準、初始對準成為新 的問題。一種情況是，當收發(fā)系統(tǒng)處于定向通信距離以內，但由于天線系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)對 準，通信暫時沒有建立起來，實際上會一直無法獲知對方位置信息，最終無法建立天線對 準，也就無法建立通信。另外一種可能是正常通信過程中，因為收發(fā)系統(tǒng)均在移動，可能被 突然出現(xiàn)的障礙物遮擋而使通信中斷，即便脫離遮擋區(qū)由于雙方的位置已經改變，因為無 法獲知對方當前位置也會導致通信無法建立。其次，當多個WIFI系統(tǒng)要實現(xiàn)組網時遇到相 當?shù)睦щy，如何確定天線的方向？
[0043] 這些問題的解決需要設計2個獨立的定向天線，即設置第2定向天線，以及輔助通 信系統(tǒng)才能獲得解決。本系統(tǒng)中第2定向天線設置在第2天線云臺上，第2天線云臺連接云臺 控制器;相應的，WIFI單元需包括WIFI協(xié)處理器和第2射頻單元，WIFI協(xié)處理器連接WIFI主 處理器，第2射頻單元連接第2定向天線。圖1中給出了低功耗無線通信單元，這個輔助系統(tǒng) 能實現(xiàn)各個云臺處理器之間的相互通信，由于有北斗定位接收機，因此每個云臺輔助系統(tǒng) 知道所有組網WIFI的位置，因此能選擇出最佳方式實現(xiàn)2個方向的天線指向。
[0044] 圖3為2個WIFI系統(tǒng)組網的最少通信鏈路示意圖，圖4為3個WIFI系統(tǒng)組網的最少通 信鏈路示意圖，圖5為4個或以上WIFI系統(tǒng)組網的最少通信鏈路示意圖，該方法可實現(xiàn)多個 系統(tǒng)的組網，當WIFI接入數(shù)量不大時能很好地解決組網問題。
[0045] 實際上，定向天線具有波瓣寬度，它輻射的信號是發(fā)散的，這在一定程度上可以減 小衛(wèi)星定位誤差帶來的影響，也使多個WIFI在通信時盲區(qū)更少，實際應用中可能建立起更 多組合的通信鏈路，圖5只是極端情況下的通信鏈路組建模式，圖中箭頭表示定向天線的指 向。
[0046]定向天線結構如圖14所示，該圖使用MMO方式，用雙輸入激勵，在圖14的左圖為底 層激勵輸入布局圖，該層的下方還有一個金屬底面反射層，中圖和右圖為引向器，分別在激 勵輸入層的上方順次排列。該天線尺寸小，使用PCB制作具有低成本、加工簡單、安裝方便的 優(yōu)點，使用多引向器結構使波束匯聚更集中，與一般4單元陣列天線相比具有更窄的主瓣波 束、更低的旁瓣，使WIFI信號在長距離通信方面獲得優(yōu)秀性能。本專利中將天線的2個激勵 分別做水平極化和垂直極化有利于提升通信速率。
[0047] 2)位置坐標感知。天線的指向取決于需要通信的方向，系統(tǒng)根據(jù)自身坐標和需要 通信的坐標可計算出天線指向。下面對定向天線的控制方法做進一步的說明，其工作過程 如下：
[0048]每個節(jié)點通過北斗導航接收機接收北斗衛(wèi)星信號，確定自身位置坐標；
[0049] 檢測與其它通信接入點的信號強度確認信道通信質量；
[0050] 發(fā)布自身坐標信息和自身接收信號強度信息給其它接入點；
[0051] 根據(jù)整個通信網絡的坐標信息、信道質量信息結合路由算法確定最優(yōu)通信鏈路；
[0052] 通過地磁傳感器確定自身姿態(tài)信息；
[0053]根據(jù)自身位置坐標、自身姿態(tài)和最優(yōu)通信鏈路中需要指向的接入點的位置坐標計 算天線方位角，控制天線云臺實現(xiàn)天線對準；
[0054]通過加速度傳感器檢測自身運動過程中的起伏變化，隨時調整天線云臺使定向天 線保持精確對準。
[0055]由于北斗接收機輸出信息是海拔高度、經度、維度等，是大地坐標系方式，不利于 快速計算，本系統(tǒng)使用坐標變換方法實現(xiàn)大地坐標與直角坐標的轉換，其計算方法為： [0056]圖8為北斗衛(wèi)星所用的空間大地坐標系，P點表示某個通信節(jié)點的位置點，P點的角 度B表示煒度信息，角度L表示經度信息，高度H表示海拔高度，空間大地坐標系中P點的坐標 為(B，L，H)，將該坐標轉換為圖9所示的空間直角坐標系的坐標：以地心為原點，建立空間直 角坐標系，z軸指向北極，X軸是起始子午面與赤道平面的交線，y軸位于赤道平面上且按右 手系與X軸呈90°夾角，則在空間直角坐標系中點P的坐標為(X，Y，Z)。
[0057] 利用在相同的原點與坐標方向的空間大地坐標系向空間直角坐標系的轉換公式 (1)，可求出直角空間坐標，從而實現(xiàn)每個通信節(jié)點的位置定位。
[0058]
[0059] 式（1)中，心J1 - /sin2 g，Ν為橢球的卯酉圈曲率半徑;^ e為橢球的第一 偏心率;a = 6377.830km，b = 6356.9088km，a為橢球長半軸即地球赤道半徑，b為橢球短半軸 即地球極半徑。
[0060] 根據(jù)上述計算原理，每個通信節(jié)點都能計算出自身在直角坐標系中的位置，通過 組網通信即可描繪出整個通信網絡在三維立體空間中的節(jié)點位置圖。這就實現(xiàn)了整個網絡 的坐標感知。
[0061] 3)最佳組網。選擇整體最佳傳輸質量的鏈路實現(xiàn)組網。
[0062] 在通信鏈路規(guī)劃方面，本實用新型涉及的問題與傳統(tǒng)通信方式存在巨大差別。原 因是傳統(tǒng)通信網絡使用全向天線，通信覆蓋范圍內數(shù)據(jù)鏈路都能建立，路由規(guī)劃上不存在 受限問題。但定向天線只能是有限方向上的通信，多個接入點即便在覆蓋范圍內也必需給 定優(yōu)先通信。此外，傳統(tǒng)通信中由于使用全向天線，在通信距離不遠的情況下，整個網絡即 便有位置高度的不同，但是由于能實現(xiàn)通信可以看成是平面上的點組成的通信網，其通信 路徑規(guī)劃相對簡單。而定向通信方式下，起伏的高度在通信網中就變成立體空間問題，在 空一地通信、空一空通信更是如此。如圖10所示，假設晶格中的黑色點為通信節(jié)點，顯然每 個節(jié)點如果有前、后、左、右、上、下6個方向是最優(yōu)的方式，但構成6天線的成本會很高，不易 實現(xiàn)。若只有2個方向，那么整個通信網的組建必需按圖5所示的原理構成串聯(lián)的方式，實現(xiàn) 的方式有多種可能。如圖11所示。實際使用中顯然可以根據(jù)信號質量選擇其中一種作為最 佳通信鏈路從而保障通信，如圖12所示。這正是本定向通信系統(tǒng)的一個優(yōu)點。
[0063] 由圖10還可以知道，相比只用2個通信方向的問題，若每個節(jié)點有3個通信方向，這 個網絡的通信鏈路就更容易規(guī)劃，方向數(shù)越多越能方便地組網，全向通信顯然是最簡單的 模式。但在有限通信方向情況下，如果節(jié)點數(shù)量較多，總會有節(jié)點需要其它節(jié)點給予中繼才 能建立起通信，這是定向通信帶來的又一個問題。本系統(tǒng)建立了一種能根據(jù)通信信號質量、 節(jié)點坐標位置、節(jié)點通信方向數(shù)等為參考變量的通信網絡系統(tǒng)，使得天線指向問題得到很 好的解決。其流程如圖13所示，簡單來說最佳規(guī)劃實現(xiàn)過程是這樣的：
[0064]獲取所有接入點的基本信息，計算出所有可能的通信鏈路；
[0065]檢驗每條通信鏈路的可行性；
[0066]將所有可行的通信鏈路根據(jù)信號通信質量排序；
[0067]選擇數(shù)據(jù)通信速度最快的鏈路作為最優(yōu)通信鏈路。
[0068] 最后將最優(yōu)鏈路作為云臺控制參數(shù)。上述鏈路規(guī)劃中，每個天線輔助系統(tǒng)都通過 低功耗無線單元獲得相同的各種信息，在相同算法情況下各節(jié)點獲得的處理結果相同，因 此每個節(jié)點都可以按最佳通信鏈路實現(xiàn)天線的指向。這個網絡的最佳鏈路處理是各自獨立 實現(xiàn)的，只要網絡中的節(jié)點能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，各個節(jié)點就能知道自身應該建立的鏈路，因此 具有抗毀性能。當某個節(jié)點脫離網絡或者損壞停止工作時，不會使整個網絡癱瘓。
[0069] 4)可拆分設計。根據(jù)實際需要組建系統(tǒng)，最大程度節(jié)約成本。
[0070] 在具體實施中，很多應用情況下系統(tǒng)不需要那么復雜，例如點對點的通信模式。點 對點模式下系統(tǒng)中的定向天線系統(tǒng)實際上只需要一路就能滿足要求，第二路可作為本地設 備無線接入端，也不需要云臺，在這種情況下可以省去一路云臺。點對點地面固定通信時， 可以不需要任何云臺，云臺輔助控制系統(tǒng)也就不需要，這就是常見的WIFI系統(tǒng)。移動模式 下，如果終端接入使用有線通信，第2射頻單元以及WIFI協(xié)處理器都可以省去。對于3G/4G通 信卡單元，有的情況也是不需要的，也可以省去。因此考慮實際情況將整個系統(tǒng)設計為可拆 分使用的結構比較合理，可以降低使用成本。整機按可拆卸單元主要分成圖1、圖2中虛線所 示A~H8個硬件部分。圖1中A~E5個單元主要為云臺輔助控制系統(tǒng)，圖2中F~H3個部分為 WIFI部分。8個模塊在硬件上是相互獨立的單元，通過接口實現(xiàn)互聯(lián)組成系統(tǒng)。
[0071]第1射頻單元和第2射頻單元都為雙頻模式，射頻可工作于2.4GHz~2.5GHz以及 5. IGHz~5.8GHz可選擇;在無人機上可使用5GHz頻段，這樣可以縮小天線尺寸，并降低重 量，2.4GHz頻段更適合車載使用。圖2中3G/4G通信卡的作用是實現(xiàn)WIFI與3G/4G網絡的通 信，使得WIFI系統(tǒng)能在移動中接入Internet網實現(xiàn)資源共享。在一些情況下也可以使用交 換機接口采用有線方式接入。
[0072]與傳統(tǒng)單個隨動跟蹤天線方式相比，本系統(tǒng)采用可拆卸式結構，且具有多個隨動 天線，控制更為復雜，適應性更好。在無人機上，本系統(tǒng)主要考慮2類布局結構:第一種情況， 多個隨動天線處于同一水平平面上;另一種情況，多個隨動天線處于垂直分布的方向上。多 個隨動天線處于同一水平平面上，這個布局適合地面移動平臺上應用，也適合空一地通信 問題，可節(jié)約占用空間；多個隨動天線處于垂直分布的方向上，更適合空中無人機之間的通 信使用，處于上方的云臺可解決比自身坐標位置更高的通信，處于下方的云臺可解決比自 身坐標位置低的通信。
【主權項】
1. 一種隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，包括云臺控制器，以及與云臺控制器連接 的加速度傳感器、地磁傳感器、北斗導航接收機、自組織低功耗無線通信單元、WIFI單元和 第1天線云臺；還包括設置在第1天線云臺上的第1定向天線，第1定向天線連接到WIFI單元。2. 根據(jù)權利要求1所述的隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述WIFI單元包括WIFI 主處理器和與之連接的第1射頻單元，WIFI主處理器連接所述云臺控制器，第1射頻單元連 接所述第1定向天線。3. 根據(jù)權利要求2所述的隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，還包括第2定向天線，第 2定向天線設置在第2天線云臺上，第2天線云臺連接云臺控制器;所述WIFI單元還包括WIFI 協(xié)處理器和第2射頻單元，WIFI協(xié)處理器連接WIFI主處理器，第2射頻單元連接第2定向天 線。4. 根據(jù)權利要求3所述的隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述第1定向天線和第2 定向天線均為四陣元雙輸入激勵MMO結構，其包括底層激勵輸入層，所述底層激勵輸入層 下方設有金屬底面反射層，上方依次設有兩個或兩個以上的引向器。5. 根據(jù)權利要求3所述的隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述第1射頻單元和第2 射頻單元為雙頻模式，工作頻段為2.4GHz頻段和5GHz頻段。6. 根據(jù)權利要求5所述的隨動跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述5GHz頻段的射頻單 元包括由射頻濾波器UF1、功率放大器PA、射頻收發(fā)切換電子開關S1、射頻濾波器UF2、天線 Pl順次連接構成的發(fā)射通路;還包括接收通路，接收通路包括順次連接到射頻收發(fā)切換電 子開關Sl的低噪聲放大器LNA和射頻濾波器UF3;所述功率放大器PA為平衡放大器結構；還 包括用于驅動收發(fā)切換的隔離驅動器。
【文檔編號】H01Q3/00GK205545968SQ201620290434
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】王力豪, 麥文, 仰石, 張亮晶
【申請人】四川師范大學