CN101315418A - 到达角估计系统、通信设备和通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种到达角估计系统，包括发送设备和接收设备，并且估计到达角，从发送设备利用无线电发送的帧以该到达角到达该接收设备。发送设备包括：两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于发送设备的正面以±θ度倾斜。接收设备包括具有朝向接收设备的正面的方向性的定向天线。各帧从发送设备的各个定向天线交替地被发送，并且对于各个发送定向天线，在接收设备侧的各帧的接收信号强度被相互比较，以估计到达角。

Description

到达角估计系统、通信设备和通信系统
技术领域
本发明涉及用于估计无线电波的到达角的到达角估计系统、通信设备和通信系统，尤其涉及用在并入无线LAN(如IEEE802.11)的无线通信设备的到达角估计系统、通信设备和通信系统。
更具体地，本发明涉及在充足视线的条件下的短距离内使用、并且简单、紧凑和低成本的到达角估计系统、通信设备和通信系统，尤其涉及用在配备有多个天线的无线通信设备的到达角估计系统、通信设备和通信系统。
背景技术
无线网络作为使用户摆脱了现有技术的有线通信方法中的线路正引人注目。这样的无线网络的典型例子是无线LAN(局域网)规范，如IEEE(电气和电子工程师协会)802.11a/b，g。无线LAN允许灵活的因特网连接，使得不仅替代现有的有线LAN，而且甚至在如宾馆、候机室、车站和咖啡馆的公共场所也能够提供因特网连接途径成为可能。
在许多无线通信中，数据在多路径环境中传输，在该环境中直接波和多个反射波/延迟波的重叠到达接收设备，因此由于多路径接收导致的延迟失真可能发生，引起通信错误。因此，标准无线LAN规范(如IEEE802.11a/b，g)采用OFDM调制方案，其是多载波方案之一。在OFDM调制方案中，发送数据被遍及具有相互正交的频率的多个载波分布，然后被发送，所以每个载波的频带变窄，因此提供了非常高效率的频率利用和抵抗频率选择性衰减的健壮性。
在无线LAN已经实现广泛使用的同时，近年来，将无线LAN功能并入紧凑和轻便的CE(消费电子)装置(如数字相机、音乐播放器和移动电话)中也变得越来越常见。许多无线通信方案通过使用非定向天线允许灵活的连接。相反，在并入移动装置的无线LAN的情形中，天线的大小必须小。而且，在此情形中，使用定向天线的应用(如连接到已经通过定向天线发信号(wave)给移动装置的特定通信方)是可想象的。这些应用要求用于检测或估计无线电波的到达角的技术。
关于检测无线电波的到达角的技术已经进行了大量研究，其代表性例子包括：基于使用OFDM技术的空间谱方法、MUSIC(多信号分类)算法和ESPRIT(通过旋转不变性技术的信号参数的估计)算法。按照MUSIC方法，通过使用阵列天线，从阵列天线接收信号中获得的相关矩阵的特征值和特征向量被找到以计算角度谱。尽管ESPRIT方法还涉及如MUSIC方法一样找到从阵列天线接收信号中获得的相关矩阵的特征值和特征向量，但是ESPRIT方法与MUSIC方法的不同之处在于：基于各子阵列天线之间的旋转不变性估计无线电波的到达角。而且，由ATR(AdvancedTelecommunications Research Institute International，高级电信国际研究所)开发的电子可操纵的寄生阵列辐射体天线，通过相互元件耦合利用以圆形安排的天线元件产生定向波束，由此使得可以操纵无线电波的到达角。
如上所述的每个信号到达方向估计技术即使在多路径环境中也提供高的到达角估计精度，甚至在存在障碍的情形中，也允许具有±3到5度的精度的估计。然而，这些技术被设计用于在例如距离几十米的建筑物之间的测量。同样地，这些技术要求具有特定机制的天线，如具有高维数和大尺寸的阵列天线，并且使用这些技术的系统由于涉及复杂计算是昂贵的，使得它们难以并入紧凑装置。
在并入无线LAN的紧凑装置的情形中，期望一种简单、紧凑和低成本的到达角估计系统。假设在用作无线电波的发送机的系统和执行到达角估计的系统之间的距离大约为2米。因为在好的视线条件中多路径的影响不必考虑这么多，所以一般来说，30到40度的精度就足够了。
如果在两个系统之间的距离足够短，则即使在两个系统之间存在某些障碍时，人们也能够通过使用视觉感知执行确保视线的操作来避免障碍。例如，在用作无线电波的发送机的系统和执行到达角估计的系统之一是移动设备的情形中，如果在两个系统之间存在障碍，则该系统的用户可以在搬运该移动设备、移除障碍、或识别到达角估计不起作用因此不执行估计操作的同时，简单地采取这样的操作，如移动到免受障碍影响的位置。
例如，已经提出了一种信号到达方向估计设备，其中两个有效区域天线每个形成为严格的波导角，该设备包括：混合电路，用于输出从该两个有效区域天线输入的一对天线输出信号的和与差信号，并且天线围绕旋转轴旋转360度，该旋转轴位于与包括两个有效区域天线的最大辐射方向的平面垂直的线上，并且穿过平分两个有效区域天线的电中心的点(例如，参见日本未审查专利申请公开No.2005-156521)。按照该提出的设备，所述和与差信号通过分开的宽频带接收机测量，所得数据在时域或频域中积分以求出每个角度的总的接收功率，并且一旦获得关于超宽频带信号的两个模式，则这两个模式的最大和最小值匹配的方向被估计为信号到达方向。
然而，将旋转驱动天线的旋转机制并入到紧凑的移动装置中是困难的，并且这样的可移动部件的存在引起故障容许和维护方面的问题。此外，这样的信号到达方向估计方法只能被应用于接收端。
发明内容
期望提供一种优良的到达角估计系统、通信设备和通信系统，其适合于用在并入如IEEE802.11的无线LAN的无线通信设备中。
还期望提供一种优良的到达角估计系统、通信设备和通信系统，其在相对短的距离内以及在能够提供足够的视线的条件下使用，并且配置为简单、紧凑和低成本。
按照本发明的第一方面(对应于实施例)，提供了一种到达角估计系统，包括发送设备和接收设备，该到达角估计系统估计到达角，从发送设备利用无线电发送的各帧以该到达角到达该接收设备，其中：发送设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于发送设备的正面以±θ度倾斜；接收设备包括具有朝向接收设备的正面的方向性的定向天线；以及各帧从发送设备的各个定向天线交替地被发送，并且对于各个发送定向天线，在接收设备侧各帧的接收信号强度被相互比较，以估计到达角。
应该注意到，在本说明书中使用的术语“系统”是指多个设备的逻辑组合，并且不局限于各个设备放置在相同外壳内的系统(同样适于下文)。
近些年来，将无线LAN功能并入紧凑移动装置变得越来越常见。从这一点讲，考虑应用(如连接到已经通过天线发信号给移动装置的特定通信方)，用于检测或估计无线电波的到达角的技术变得必要。
尽管高精度的信号到达方向估计技术(如MUSIC算法或ESPRIT算法)已经存在，但是这些技术要求天线具有特殊机制，并且使用这些技术的系统由于涉及复杂计算是昂贵的，使得难以将它们并入紧凑装置。
相反，按照本发明实施例的到达角估计系统包括：具有两个定向天线的发送设备，该定向天线每个被安排使得其方向性相对于正面以±θ度倾斜；以及具有定向天线的接收设备，该定向天线具有朝向正面的方向性。
大多数包括无线LAN卡的无线电装置配备有两个或多个天线元件、以及用于分集(diversity)操作的发送设备和接收设备。通过使用这样的安排，不存在涉及构建包括两个定向天线的通信设备的特殊成本增加。
考虑将到达角估计系统应用到如移动电话的主流紧凑装置，30至40度的精度足够。因此，使用大约40至120度的半功率角的紧凑定向天线是适合的。例如，可以使用不贵并且紧凑的微带天线，其一侧的长度大约为2厘米。
包括在发送设备中的两个定向天线每个被安排，使得其方向性相对于发送设备的正面以±θ度倾斜。例如，在相对于接收侧以0度的角度时表现强的方向性的两个发送天线，可以安装为它们的方向性定向为±θ度倾斜。或者，在相对于接收侧以±θ度的角度倾斜时表现强的方向性两个定向天线，可以并行安装。
接着，在按照本发明的实施例的到达角估计系统中，各帧从发送设备的各个定向天线被交替地发送，并且对于各个发送定向天线，在接收设备侧的各帧的接收信号强度被相互比较，以估计到达角。
具体地讲，在以短间隔交替地切换用于发送的天线的同时从发送设备发送各帧。另一方面，在读取接收的各帧中嵌入的信息时，对于用作发送的每个天线，接收设备求出接收的各帧的信号强度的均值。接收信号强度的两个均值之间的差根据发送设备和接收设备之间的相对角度的差变化。
因此，在改变发送设备和接收设备之间的角度的同时，测量从各个发送定向天线接收的各帧的信号强度之间的差ΔS，并且事先存储在差ΔS和发送设备和接收设备间的角度之间的关系。接着，在发送设备和接收设备相互通信时，同时对于各个发送天线从信号强度测量差ΔS，并且通过参考在先测量的数据，从当前的ΔS值可以估计发送设备和接收设备之间的角度。
相对于每个发送天线的发送信号功率，影响来自各个发送天线的接收信号强度的差ΔS的因素是：发送天线增益、接收天线增益和传播损耗。这里，假设来自各个发送天线的发送功率相同，并且各个发送天线和接收天线之间的传播损耗也相同，那么来自各个发送天线的接收信号强度的差ΔS可以被当作是在各个发送天线之间的增益差。因此，可以理解到，ΔS由两个定向天线的发送增益确定并且不依赖于接收设备的增益和传播损耗。因此，用于事先测量的接收设备和实际上要用于角度检测的接收设备可能不相同。而且，发送设备和接收设备之间的距离也不影响ΔS。
应该注意到，在此使用的术语“发送设备”和“接收设备”不意味着数据帧的发送和接收端，而意味着用于到达角估计的帧的发送和接收端。因此，取决于通信顺序，数据帧的接收端(例如，响应于数据帧返回应答帧的通信装置)，而不是发送端，可以变为“发送设备”。
在发送设备在传输用于到达角估计的各帧时采取主动的方案中，例如，配备有定向天线的通信设备在切换用于发送的天线的同时传输数据帧，并且在接收设备侧测量所传输的数据帧的信号强度。如果在接收设备侧的上层没有要传输的发送数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。当传输数据帧时，用于发送的定向天线以固定周期被切换，使得各帧能够在接收设备侧以基本相同的频率从两个发送天线被接收。
另一方面，在接收设备在传输用于到达角估计的各帧时采取主动的方案中，估计到达角的接收设备以固定间隔发送数据帧，并且测量响应于发送数据帧从配备有两个定向天线的发送设备返回的应答帧的信号强度。如果在接收侧的上层没有要传输的数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
因为IEEE802.11规定在接收传输的数据帧时，应答帧(ACK/NACK)总是从接收侧返回，所以当数据帧以固定间隔发送时，应答帧可以类似地以基本固定的间隔被接收。因此，通过利用这样的通信过程，所述接收设备可以基于对各个发送天线发送的应答帧的接收的信号强度，估计到达角。
按照本发明的第二个方面，提供了一种到达角估计系统，包括发送设备和接收设备，该到达角估计系统估计到达角，从发送设备利用无线电发送的各帧以该到达角到达接收设备，其中：发送设备包括具有朝向发送设备的正面的方向性的定向天线；接收设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于接收设备的正面以±θ度倾斜；以及从发送设备发送的各帧通过交替利用定向天线来接收，并且将在各个接收定向天线的各帧的接收信号强度相互比较，以估计到达角。
在定向天线如上所述被用在接收设备上的情形中，与其中两个定向天线配备在发送设备侧的系统不同，在该系统中的定向天线每个被安排使得其方向性以±θ度倾斜，在发送设备侧不要求如存储与发送天线有关的信息到每个发送帧的特殊处理。
仍然在按照本发明的第二方面的到达角估计系统中，发送设备和接收设备中的任何一个可以在传输用于到达角估计的各帧中采取主动。
在前一情形中，发送设备传输数据帧，并且在交替切换接收天线的同时在接收设备侧测量数据帧的信号强度。如果在发送设备侧的上层没有要传输的发送数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。而且，接收设备以固定周期交替地切换用于接收的定向天线，使得所述各帧能够从两个天线以基本相同的频率被接收。
在后一情形中，估计到达角的接收设备通过利用定向天线的任何一个以固定的间隔发送数据帧，并且接收设备在交替地切换接收天线同时，接收响应于数据帧从发送设备返回的应答帧，并且测量应答帧的信号强度。如果在接收设备侧的上层没有要传输的数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
按照本发明的第三个方面，提供了一种到达角估计系统，包括发送设备和接收设备，该到达角估计系统估计到达角，从发送设备发送的各帧利用无线电以该到达角到达该接收设备，其中：发送设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于发送设备的正面以±θ度倾斜；接收设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于接收设备的正面以±θ度倾斜；以及从发送设备发送的各帧通过交替利用定向天线来接收，并且将在各个接收定向天线的各帧的接收信号强度相互比较，以估计到达角。
在按照本发明的第三个方面的到达角估计系统中，当改变发送设备和接收设备之间的角度时，发送设备在交替地切换发送天线的同时，发送各帧到接收设备。响应于此，对于各个接收天线，当在切换接收天线的同时由接收设备接收各帧时，测量来自各个发送天线的接收信号强度，并且计算接收信号强度的差ΔS。然后，相对于各个接收天线的每个发送天线的差ΔS和发送设备和接收设备间的角度之间的关系被事先存储。
随后，当发送设备交替地切换发送定向天线的同时与接收设备通信时，同时地，当接收设备在交替地切换接收天线的同时从发送天线接收各帧时，测量在各个接收天线处的接收信号强度。接着，对每个接收天线，一旦求出在各发送天线之间的接收信号强度的差ΔS的当前值，就将其与在先存储的数据比较，从而使得可以估计发送设备和接收设备之间的角度。
按此方法，接收设备可以从两个发送天线交替地发送的各帧中，对于每个接收天线，获得ΔS和发送设备和接收设备间的角度之间的关系，并且还可以获得关于发送设备和接收设备之间的相对角度的两组确定结果。基于这两组确定结果可以执行更强的到达角估计。
还是在按照第三方面的到达角估计系统中，如同在按照第一方面和第二方面的系统中一样，发送设备和接收设备中的任何一个在传输用于到达角估计的各帧中可以采取主动。
按照本发明的第四方面，提供了一种通信系统，包括：发送设备，其包括具有垂直极化的两个定向天线，所述定向天线被附接到正面使得所述定向天线的极化方向相互以大约90度倾斜；以及接收设备，其包括具有朝向正面的方向性的定向天线，其中从发送设备的各个定向天线交替地发送各帧，并且对于各个发送定向天线，将接收设备侧的各帧的接收信号强度相互比较，以估计发送设备相对于接收设备的倾角。
利用按照本发明的第四方面的通信系统，利用简单、紧凑和不昂贵的结构，可以估计发送设备相对于水平方向的倾角。
具体地讲，发送设备在改变发送设备相对于水平方向的倾角的同时，通过交替地切换发送定向天线将各帧发送到接收设备，而所述接收设备测量从各个发送定向天线接收的各帧的接收信号强度，以获得在各发送定向天线之间的差ΔP。然后，事先存储差ΔP和发送设备和接收设备间的角度之间的关系。
随后发送设备在交替地切换发送定向天线的同时与接收设备通信，并且同时地，接收设备测量从发送设备的各个发送定向天线接收的各帧的接收信号强度，以获得各发送定向天线之间接收的信号强度差ΔP，并且将目前获得的差ΔP与在先测量的数据比较，以估计发送设备相对于水平方向的倾角。
至于每个发送天线，发送设备可以使用具有多个馈入点的微带天线。在此情形中，通过切换各个天线中的馈入点，可以改变两个定向天线的极化组合。接着，基于信号处理的结果、来自天线切换机制和馈入点切换机制的天线信息，测量通信装置的倾角和相对角度。通过利用如上所述配置的系统，可以单独通过一对天线执行两个功能，即发送设备和接收设备之间的相对角度的检测和发送设备的倾角的检测。
按照本发明的实施例，可以提供一种优良的到达角估计系统、通信设备和通信系统，其在相对短的距离内以及在能够提供足够视线的条件下应用，并且配置为简单、紧凑和低成本。
在按照本发明的实施例的到达角估计系统中，发送设备和接收设备中至少一个包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于正面以±θ度倾斜，在切换天线的同时发送或接收各帧，并且基于各发送设备或各接收设备之间的接收信号强度的差，在接收侧可以估计到达角。
考虑到这样的事实：大多数包括无线LAN卡的无线电装置配备有两个或多个天线元件以及用于分集操作的接收设备和发送设备，不存在涉及构建包括两个定向天线的通信设备的特殊成本增加，因此可以使系统简单、紧凑和不昂贵。而且，考虑应用到如移动电话的主流紧凑装置，可以获得大约30至40的足够的精度水平。
本发明假设无线通信装置使用基于IEEE802.11的技术，并且到达角估计能够在ad-hoc模式和基础设施(infrastructure)模式两种联网模式中以满意的方式执行。而且，通过现有无线电技术(如IEEE802.11)和简单的定向天线的结合，可以实现±30度量级的充分的估计精度。
从以下的附图和本发明实施例的详细描述中，本发明的其它目的、特征和优点将会变得明显。
附图说明
图1是显示微带天线及其阻抗匹配电路的配置的例子的图；
图2是显示具有60度的半功率角的定向天线的典型方向性的图；
图3是显示定向天线和接收设备的配置的例子的图；
图4是显示定向天线和接收设备的配置的例子的图；
图5是显示包括两个定向天线的系统的配置的例子的图；
图6是图示偏转方向性的图；
图7是显示包括两个其方向性相互偏转的定向天线的发送设备的方向性的图；
图8是显示当由接收设备从发送设备的各个定向天线接收帧时信号强度的均值、以及两个信号强度均值之间的差与发送设备和接收设备间的角度之间关系的图，该发送设备包括两个其方向性相互偏转的定向天线；
图9是显示按照IEEE802.11的帧格式的图；
图10是显示在执行到达角估计时由发送设备执行的处理过程的流程图；
图11是显示在执行到达角估计时由接收设备执行的处理过程的流程图；
图12是示意性地显示发送设备的配置的图；
图13是显示在由接收设备执行到达角估计时执行的处理过程的流程图，该接收设备配备有两个定向天线，其每个被安排使得其方向性以±θ度倾斜；
图14是显示在接收设备执行到达角估计时、在其中发送设备和接收设备都使用两个定向天线的系统中执行的处理过程的流程图；
图15是显示其中安装具有垂直极化的两个定向天线的状态的图，一个垂直而另外一个以90度倾斜；
图16是显示当在交替切换各天线并且旋转在其上安装有如图15所示的定向天线的表面的同时发送各帧时、在接收端接收的各帧的信号强度的变化的图；
图17是显示当由接收设备从发送设备的各个定向天线接收帧时的信号强度的均值、以及两个信号强度的均值间的差与发送设备的倾角之间的关系的图，该发送设备包括两个定向天线，其每个具有垂直极化且被安排使得它们的极化方向相互正交；
图18是显示具有两个馈入点的微带天线的配置的图；
图19是显示其中能够自由改变具有垂直极化的两个定向天线的极化组合的发送设备的配置的图；
图20是概念性地显示在包括由用户操作的发送设备、和安装在安装在墙上的屏幕内部或附近的接收设备的系统中发生的交互的图；
图21是概念性地显示一系统的图，在该系统中，用户操作具有安装在其上的定向天线的移动设备，多个接收设备被用来测量相对于该移动设备的相对角度，并且从测量结果估计该移动设备的位置；
图22是概念性地显示当各用户携带移动设备使得他们的移动设备相互相对时发生的交互的图；
图23A是显示将本发明应用于基于IEEE802.11的联网中的ad-hoc模式的例子的图；
图23B是显示将本发明应用于基于IEEE802.11的联网中的基础设施模式的例子的图；以及
图23C是显示将本发明应用于基于IEEE802.11的联网中的基础设施模式的例子的图；
具体实施方式
将参照附图详细描述本发明的实施例。
A.天线的配置
按照本发明实施例的到达角估计系统假设使用配备有多个天线的无线通信设备作为前提条件。目前，大多数无线通信设备配备有多个天线用于分集操作，所以通常可用的大多数无线通信设备满足该前提条件。
主要地假设按照本发明实施例的到达角估计系统的应用是其用于紧凑装置(如移动电话)的应用，所以一般来说，30至40度的精度足够了。因此，适合使用具有大约40至120度的半功率角的紧凑定向天线。例如，可以使用其一侧的长度是大约2厘米的不昂贵和紧凑的微带天线。
图1是显示微带天线及其阻抗匹配电路的配置的例子。该微带天线包括：相互相对的辐射导体和导体基板，它们之间有绝缘材料。尽管没有具体限定，但是主要使用矩形或圆形形状作为辐射导体的形状。在图示的例子中，使用了矩形形状的辐射导体。电介质被用作绝缘的主体，而其厚度通常等于或小于无线电频率的波长λ的1/10。因此，绝缘材料薄。
在实际制造时，微带天线通常通过蚀刻双覆铜电介质衬底产生，因此允许容易的制造或容易与电路板集成。在以最低量级模式激励的情形中(在矩形的情形中，TM10模式)的辐射方向性通常在z轴方向上显示单向性，并且可以获得几个分贝量级的方向增益。而且，为了允许激励，在稍微偏置中心的位置提供馈入点。通过调节该偏置长度可以实现匹配50欧姆。通过馈入点的偏置方向可以确定天线的极化方向。
按照本发明实施例的到达角估计系统可以被应用于用作发送端或接收端通信装置来执行通信的任何通信装置，只要该系统满足如上所述的配备有两个或多个天线、并且具有大约40至120度的半功率角的方向性的条件(关于此点的详细描述随后给出)
图2显示具有60度的半功率角的定向天线的典型方向性。在该图中，X轴表示发送天线和接收设备之间的相对角度，而Y轴表示在接收设备的帧的RSSI(接收信号强度渡指示符)。
可想象的到达角估计方法可以是这样：从发送设备的定向天线发送的无线电帧由接收设备接收，并且测量该帧的接收信号强度由此确定定向天线的角度。实施该方法在使用单个定向天线的情形中出现一些困难。图3显示其中定向天线与接收设备相面对、但是相互间隔相当大的距离的系统配置的例子，而图4显示其中定向天线与接收设备之间的距离小、但定向天线与接收设备不面对的系统的配置的例子。尽管在接收端测量的信号强度在这两种情形中可以取相同的值，但是仅仅从信号强度可能难以确定该两种情形中的哪种是目前的情形。
本发明利用这样的事实：大多数包括无线LAN卡的无线电装置配备有两个或多个天线元件、以及用于分集操作的接收设备和发送设备。
在正常的分集操作的情形中，每个无线电装置配备有两个天线元件和两个帧发送和接收设备，并且多个接收设备同时被操作，而且无线电帧由所有设备接收。通过采用该方法，即使在其中在一个接收设备处的接收信号强度暂时下降、并且因此数据的可靠性劣化的情形下，如果在另一接收设备处的信号强度足够，则通信仍然能够以稳定方式继续。
相反，按照本发明，发送和接收设备每个配备有具有如图2所示的方向性的定向天线。在发送设备10这侧，两个平面天线以如图5所示的倾角安装，使得各天线的方向性相互成一角度，并且被安排以便面对接收设备20。
或者，具有如图6所示的偏转方向性的定向天线可以并行安排(例如，其方向性相互倾斜的各平面天线被安排在相同平面)。
在如图5所示的其中两个定向天线以一倾角安排的系统、和使用具有如图6所示的方向性的定向天线的系统的任何一个中，两个定向天线的方向性如图7所示。尽管图7没有考虑两个天线元件之间的干扰，但是实际上，各个天线的方向性由于各天线之间的互耦合而稍微向中心偏转，该互耦合在将两个天线元件相互靠近时发生。由于该原因，最好作为整体测量具有在适当位置放置的两个定向天线发送设备的方向性，而不单独地测量每个天线的方向性。
B.测量信号强度的方法
如上所述，按照本发明实施例的到达角估计系统包括：包括两个定向天线的发送设备10，该定向天线每个被安排使得其方向性相对于正侧以±θ度(例如，θ＝30度)倾斜；和接收设备20，其包括具有朝向正侧的方向性的定向天线。
发送设备10在以短间隔交替切换用于发送的各天线的同时发送帧。此时，将指示帧已经从哪个天线发送的信息添加到每个发送的帧。
在读取嵌入在接收的帧中的信息时，接收设备20确定接收的帧已经从发送设备10侧上的天线中的哪个天线发送(然而，用于确定帧已经从其发送的天线的具体技术将随后描述)。接着，为用于发送的每个天线求出接收的各帧的信号强度的均值。此时，从天线1发送的各帧的接收信号强度的均值是Sig1，从天线2发送的各帧的接收信号强度的均值是Sig2，而两个信号强度的均值的差ΔS通过ΔS＝Sig1-Sig2求出。该差值ΔS根据安装定向天线的发送设备10和接收设备20之间的相对角度的差变化。
因此，在改变发送设备10和接收设备20之间的角度的同时，测量从各个天线接收的各帧的信号强度之间的差ΔS，并且事先存储在差ΔS和发送设备10和接收设备20间的角度之间的关系。随后，当发送设备10和接收设备20相互执行通信时，同时从信号强度测量ΔS，并且参考在先测量的数据，由此使得可以从ΔS的当前值估计发送设备10和接收设备20之间的角度。
应该注意到，在此使用的术语“发送设备”和“接收设备”不意味着数据帧的发送和接收端，而意味着用于到达角估计的帧的发送和接收端。因此，取决于通信顺序，数据帧的接收端而不是发送端，可以变为“发送设备”。
在图8中，在用作发送的各天线之间的接收信号强度的差ΔS和发送设备10和接收设备20间的角度之间的关系用用实线表示。应该注意到，具有如图1所示的方向性的两个定向天线每个相对于如图5所示的发送设备10的正面以±30度的角度安排。而且，假设接收设备20的天线具有朝向正面的方向性。在图8中，表示从天线1发送的帧的接收信号强度的Sig1和表示从天线2发送的帧的接收信号强度的Sig2，分别由虚线、交替的长和短的点线指示。
在图8中，X轴表示发送设备10端和接收设备20上的每个定向天线之间的相对角度，而Y轴表示信号强度。从附图可以看到，当发送设备10和接收设备20之间的相对角度是0度，也就是说，当发送设备10的正面面对接收设备20的正面时，从天线1和天线2接收的各帧的信号强度的差ΔS是0。接着，随着相互面对的发送设备10的正面方向和接收设备20的正面方向之间的角度差变得更大，ΔS逐渐增加或减少。
按照本发明实施例的到达角估计系统如图5或6所示配置。基于从各个发送天线接收的各帧的信号强度之间的差ΔS和发送设备10与接收设备20间的角度之间的关系，估计从发送设备10发送的各帧到达接收设备20的到达角。首先，在改变发送设备10和接收设备20之间的角度的同时测量ΔS，并且所得数据事先记录在到达角估计系统中。接着，当发送设备10和接收设备20进行通信时，同时从信号强度测量ΔS，并且参考在先测量的数据，由此从ΔS的当前值估计发送设备10和接收设备20之间的角度。
现在，假设在接收设备20处的接收信号强度是Pr[dBm]，Pr可以由下面的等式1表示。
[等式1]
Pr＝Pt-Γ+Gt+Gr...(1)
在上面的等式1中，Pt[dBm]表示发送设备10处的无线电波的发送功率，Gt[dBi]表示发送天线的增益，而Gr[dBi]表示接收天线的增益。Γ表示在自由空间中的无线电波的传播损耗。这里，使安装在发送设备10上的定向天线1的增益、发送功率和传播损耗分别是G1t、P1t和Γ1，此外，使定向天线2的增益、发送功率和传播损耗分别是G2t、P2t和Γ2。如果当接收设备20接收通过利用单独的定向天线1和单独的定向天线2发送的无线电波时的接收信号强度分别是P1r[dBi]和P2r[dBm]，则接收信号强度P1r和P2r可以用下面的等式(2)和(3)表示。
[等式2]
P1r＝P1t-Γ1+G1t+Gr...(2)
[等式3]
P2r＝P2t-Γ2+G2t+Gr...(3)
当相同的电功率被施加到在发送设备10侧的两个定向天线时，来自各自发送天线1和2的发送功率P1t和P2t是相同的值。传播损耗Γ1和Γ2每个是这样的值，该值取决于如两个发送天线和接收设备20之间的距离、或关于其间的障碍或反射物体的存在/不存在的条件而变化。本发明假定的前提条件是：在发送设备10侧的两个定向天线之间的距离大约为3到20厘米，并且发送天线和接收天线之间的距离为3米或更少。因此，可以假设：关于在两个发送天线和接收天线之间的障碍或反射物体的存在/不存在的条件或距离实质上是相同的，并且因此各个传播损耗Γ1和Γ2可以被认为是相同值。因此，在接收设备20，从发送设备10上的两个定向天线发送的无线电波的接收功率之间的差P1r-P2r可以由下面的等式(4)表示。
[等式4]
P1r-P2r＝G1t-G2t...(4)
该值P1r-P2r对应上述ΔS。从上面的等式(4)可以理解到，ΔS由两个定向天线的发送增益确定，并且不取决于接收设备20的增益和传播损耗。因此，用于事先测量的接收设备20和实际上用于角度检测的接收设备20可能不相同。而且，发送设备10和接收设备20之间的距离也不影响ΔS。
不必说，上述模型基于理想条件，而实际上，Γ1和Γ2经常不相同。然而，可以获得对要求相对低的精度的确定足够的精度水平，如是否发送设备10与接收设备20“基本上面对”、“面对其左边”或“面对其右边”的确定。
图12示意性地显示了发送设备10的配置。发送设备10包括两个定向天线1和2，其每个被安排使得其方向性相互偏转。在下文中，发送设备10的两个定向天线分别被称作为“天线1”和“天线2”。信号处理部分3施加如基带处理的预定处理到从通信协议的上层提供的发送数据。RF部分4转换发送的基带信号为模拟信号，并且将该信号上变频(upconvert)为RF信号。按照来自传输控制部分6的指令，天线切换机制5在以短的固定间隔交替切换用于发送的天线的同时发送帧。此时，用于确定从哪个天线已经发送帧的信息被添加到每个发送的帧。
图10是显示当执行到达角估计时由发送设备10执行的处理过程的流程图。
首先，由信号处理部分和RF部分进行用于帧发送的准备(步骤S1)。接着，传输控制部分以短的固定间隔交替切换用于发送的天线(步骤S2)。
当天线1被选择为用于发送帧的天线时，关于该天线1的信息被添加到帧，并且RF发送信号经由天线切换机制被传输到天线1(步骤S3)。当天线2被选择为用于发送帧的天线时，关于该天线2的信息被添加到帧，并且RF发送信号经由天线切换机制被传输到天线2(步骤S4)。
图11是显示当执行到达角估计时由接收设备20执行的处理过程的流程图。
当从发送设备接收帧时(步骤S11)，接收设备读取嵌入到所述帧中的信息，以确定该帧已经从发送设备侧的天线中的哪个发送(步骤S12)，并且还测量接收的帧的信号强度。
如果确定接收的帧已经从天线1发送，则测量的接收信号强度被存储作为关于天线1的数据(步骤S13)，而如果确定接收的帧已经从天线2发送，则测量的接收信号强度被存储作为关于天线2的数据(步骤S14)。
接着，如果获得足够量的数据(在步骤S15中为是)，则作为从天线1发送的各帧的接收信号强度的均值的Sig1、和作为从天线2发送的各帧的接收信号强度的均值的Sig2之间的差ΔS被求出，并且通过参考在先测量的数据，从ΔS的当前值估计发送设备和接收设备之间的角度(步骤S16)。
C.确定发送天线的方法
在接收设备侧，有必要确定接收的帧已经从发送设备侧上的天线中的哪个发送。在下文中，将描述确定发送天线的方法。
本发明假设无线通信装置使用基于IEEE802.11(802.11a、802.11b、802.11g)的技术。
图9显示基于IEEE802.11的帧格式。基于IEEE802.11的帧包括MAC(机器访问控制)报头，其具有30字节的大小；帧主体，其具有0到2312自己的大小；以及FCS(帧检查顺序)，其具有4字节的大小。30字节的MAC报头的开始2字节(16比特)被称作为帧控制，其中存储了帧控制信息。该帧控制字段的16比特具有如图9中的下面部分所示的结构。它们中，对应类型字段的两个比特和对应子类型字段的4比特被用来限定帧类型。例如，当类型字段的值是1时，这指示正在讨论的帧是包括控制信息的帧，而当子类型字段的值是13(二进制1101)时，这指示正在讨论的帧是包括应答信息的各控制帧之一。
在如图5所示的通信系统中，发送设备10将与发送天线有关的信息添加到两种类型的帧(数据帧和应答帧)的每个，以便标识已经从其发送每个帧的天线。在数据帧的情形中，类型字段的值变为2。此时，子类型字段被用来指示数据帧类型，并且取0至3的值(要被存储的信息按照子类型的值稍微不同)，以指示正在讨论的帧是存储数据的帧。等于或大于8(二进制为1000)的子类型字段的值目前没有被定义。该子类型字段的未被定义的值可以被用于发送与发送天线有关的信息。也就是说，从8至11(二进制1000到1011)的子类型字段的值指示该帧已经从天线1发送，而从12至15(二进制1100到1111)的子类型字段的值指示该帧已经从天线2发送。
因为应答帧是一种控制帧，所以类型字段取值1。用于应答帧的子类型的值只有13(二进制1101)。在控制帧的子类型中，从0至9(二进制0000至1001)的值未定义。用于标识发送天线的信息可以通过使用该部分发送。也就是说，如果子类型字段的值是5(二进制0101)，则这指示已经通过利用天线1发送帧，而如果子类型字段的值是6(二进制0110)，则这指示已经通过利用天线2发送帧。
D.帧传输方案
在按照本发明实施例的到达角估计系统中，从配备有定向天线的通信设备发送的各帧通过接收设备观测，以估计在配备有定向天线的通信设备和接收设备之间的相对角度。因此，有必要规律地从发送设备侧上的天线传输用于到达角的估计(即，接收信号强度的测量)的各帧到接收设备。
应该注意到，在此使用的术语“发送设备”和“接收设备”不意味着数据帧的发送和接收端，而意味着用于到达角估计的帧的发送和接收端。换句话说，要为其测量到达角的装置是“发送设备”，而测量到达角的装置是“接收设备”。取决于通信顺序，数据帧的接收端而不是发送端，可以变为“发送设备”。例如，在移动设备用作“发送设备”、而固定的通信装置(如PC)用作“接收设备”(即“感测设备”)的情况下，在PC侧估计由用户从移动设备发信号的到达角。
在IEEE802.11中的联网基于BSS(基本的服务集)的概念。存在两种BBB：由其中存在接入点(AP)的“基础设施模式”定义的BSS；和由仅仅包括多个MT(移动终端：移动站或设备站)的“ad-hoc模式”定义的IBSS(独立的BSS)。
图23A显示在ad-hoc模式中、在PC侧如何估计来自移动设备的到达角。当移动设备和PC在ad-hoc模式下直接相互通信时，PC能够通过测量由移动设备发送到PC的各帧的接收信号强度来测量到达角。
图23B显示在基础设施模式中、在PC侧如何估计来自移动设备的到达角。在图示的例子中，移动设备和PC经由接入点相互通信，并且PC通过测量从移动设备寻址到接入点的各帧的接收信号强度来执行到达角估计。此外，在图23C示出的例子中，当移动设备和PC在基础设施模式中经由接入点相互通信时，不是通信方的PC测量由移动设备寻址到接入点的各帧的接收信号强度，由此估计到达角。
两类传输方案可以构思为用于到达角估计(即，接收信号强度的测量)的帧传输方案：基于发送机的帧传输方案和基于接收机的帧传输方案
在基于发送机的帧传输方案中，配备有定向天线的发送设备10以固定的间隔传输数据帧，并且在接收设备20侧测量传输的数据帧的信号强度。如果在上层没有要传输的发送数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。当传输数据帧时，用于发送的各定向天线以固定周期切换，使得各帧能够在接收设备20侧从两个发送天线用基本相同的频率接收。
另一方面，在基于接收机的帧传输方案中，估计到达角的接收设备20以固定的间隔发送数据帧，并且测量应答帧的信号强度，该应答帧响应于发送的数据帧从配备有两个定向天线的发送设备10返回。如果在上层没有要传输的数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。IEEE802.11规定：当接收到传输数据帧时，总是从接收端返回应答帧(ACK/NACK)。因此，通过利用由IEEE802.11开发的这种规范，可以基于各个发送天线发送的应答帧的接收信号强度估计到达角。
E.利用在接收设备上的两个定向天线的系统
前面的描述贯注于这样的系统，该系统中在发送设备10侧配备两个定向天线，其每个被安排使得其方向性以±θ度倾斜。然而，两个定向天线可以类似地不在发送设备10侧而在接收设备20侧配备，以确定发送设备10和接收设备20之间的相对角度。
在后者的到达角估计系统中，当从发送设备10接收帧时，接收设备20在以固定的间隔在天线1和天线2之间切换的同时接收帧，测量各个天线的各帧的接收信号强度的均值Sig1和Sig2，求出均值接收信号强度之间的差ΔS＝Sig1-Sig2，并且事先存储该结果作为在先存储的ΔS与发送设备10和接收设备20间的角度之间的关系。接着，在到达角估计时，接收设备20在以固定的间隔在天线1和天线2之间切换的同时，从发送设备10接收帧，测量在各个天线处的接收信号强度之间的差ΔS，并且基于在先存储的ΔS和到达角之间的关系确定发送设备10和接收设备20之间的相对角度。
在该情形中的接收设备20的配置与如图12所示的相同，因此在此省略对其详细的描述。
图13是显示当执行到达角估计时、由接收设备20执行的处理过程的流程图，接收设备20配备有两个定向天线，其每个被安排使得其方向性以±θ度倾斜。
传输控制部分6选择要用于接收的定向天线(步骤S21)，并且在来自发送设备的帧到达时(步骤S22)，检查接收天线(步骤S23)。
当天线1被选择为接收天线时，经由天线切换机制5由天线1接收的RF信号被传输到RF部分，在其之后是在信号处理部分3中的解码/解调处理。而且，此时测量的接收信号强度被存储为关于天线1的数据(步骤S24)。另一方面，当天线2被选择为接收天线时，经由天线切换机制5由天线2接收的RF信号被传输到RF部分，在其之后是在信号处理部分3中的解码/解调处理。此外，此时测量的接收信号强度被存储为关于天线2的数据(步骤S25)。
接着，如果已经获得足够量的数据(在步骤S26中是)，则在由天线1接收的帧的接收信号强度均值Sig1、和由天线2接收的帧的接收信号强度均值Sig2之间的差ΔS被求出，并且通过参考在先存储的测量的数据，从差ΔS的目前值估计发送设备和接收设备之间的角度(步骤S27)。
在定向天线如上所述被用在接收设备20上的情形中，与其中在发送设备10侧配备两个定向天线的系统不同，该两个定向天线每个被安排使得其方向性以±θ度倾斜，在发送设备10侧不要求特殊的处理，如存储与发送天线的信息到每个发送的帧中。
还是在在接收设备20侧利用定向天线的到达角估计系统的情形中，发送设备10和接收设备20中的任何一个可以在传输用于到达角估计的帧中采取主动。
在前一情形中，发送设备10传输数据帧，并且在交替切换接收天线的同时在接收设备20侧测量数据帧的信号强度。如果在上层没有要传输的发送数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。而且，接收设备20交替地以固定周期切换用于接收的定向天线，使得各帧能够从两个天线以基本相同的频率被接收。
在后一情形中，估计到达角的接收设备20通过利用定向天线中的任何一个以固定的间隔发送数据帧，并且接收设备20在交替地切换接收天线的同时接收响应于数据帧从发送设备10返回的应答帧，并且测量应答帧的信号强度。如果在上层没有要传输的数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
F.利用在发送和接收设备上的两个定向天线的系统
前面的描述贯注于这样的系统，该系统中两个定向天线仅仅在发送设备10和接收设备20之一上被配备，该定向天线每个被安排使得其方向性以±θ度倾斜。然而，发送设备10和接收设备20之间的相对角度还可以通过将两个定向天线装备到发送设备10和接收设备20来确定。
在发送设备10和接收设备20都使用两个定向天线的系统中，发送设备10在以固定的间隔切换用于发送的天线的同时发送帧。此时，与发送天线有关的信息被添加到每个帧(和上文相同)。另一方面，当从发送设备10接收帧时，接收设备20在以固定的间隔在天线1和天线2之间切换的同时接收帧，测量各个接收天线的帧的接收信号强度的均值Sig1和Sig2，求出均值接收信号强度的之间的差ΔS＝Sig1-Sig2，并且事先存储该结果作为在先存储的ΔS与发送设备10和接收设备20间的角度中间的关系。
接着，在到达角估计时，发送设备10在以固定的间隔切换用于发送的天线的同时发送帧。此时，与发送天线有关的信息被添加到所述帧(和上文相同)。另一方面，接收设备20在以固定的间隔在两个接收天线之间切换的同时接收帧。此时，对于每个接收天线，测量从各个发送天线发送的帧的接收信号强度之间的差ΔS，并且基于在先存储的ΔS和到达角之间的关系，确定发送设备10和接收设备20之间的相对角度。
因此，按照该系统，接收设备20对于每个接收天线，可以从交替从两个发送天线发送的帧中获得ΔS和发送设备10和接收设备20间的角度之间的关系，并且还可以获得两组到达角确定结果。基于该两组确定结果，可以进行更强的到达角估计。
在该情形中的发送设备10和接收设备20的每个的配置与如图12所示的相同，因此在此省略对其的详细描述。
图14是显示在接收设备20执行到达角估计时、在其中发送设备10和接收设备20都使用两个定向天线的系统中执行的处理过程的流程图。
传输控制部分6选择要被用于接收的定向天线(步骤S31)，并且在来自发送设备的帧到达时(步骤S32)，检查接收天线(步骤S33)。
当天线1被选择为接收天线时，经由天线切换机制5由天线1接收的RF信号被传输到RF部分4，在其之后是在信号处理部分3中的解码/解调处理。而且，此时测量的接收信号强度被存储为关于天线1的数据(步骤S34)。
接着，嵌入到每个帧中的信息被读取，以便检查已经通过发送设备10侧的各天线的哪一个来发送所述帧(步骤S36)。如果接收的帧已经从发送设备10侧的天线1发送，则将测量的接收信号强度存储为有关天线1的数据(步骤S37)，并且如果接收的帧已经从发送设备10侧的天线2发送，则将测量的接收信号强度存储为有关天线2的数据(步骤S38)。
另一方面，当天线2被选择为接收天线时，经由天线切换机制5由天线2接收的RF信号被传输到RF部分4，在其之后是在信号处理部分3中的解码/解调处理。而且，此时测量的接收信号强度被存储为关于天线2的数据(步骤S35)。
接着，嵌入到每个帧中的信息被读取，以便检查已经通过发送设备10侧的各天线的哪一个来发送所述帧(步骤S39)。如果接收的帧已经从发送设备10侧的天线1发送，则将测量的接收信号强度存储为有关天线1的数据(步骤S40)，并且如果接收的帧已经从发送设备10侧的天线2发送，则将测量的接收信号强度存储为有关天线2的数据(步骤S41)。
接着，如果足够量的数据已经获得(在步骤S42中是)，则在由天线1发送的各帧的接收信号强度均值Sig1、和由天线2发送的各帧的接收信号强度均值Sig2之间的差ΔS被求出，并且通过参考在先存储的测量的数据，从ΔS的目前值估计发送设备和接收设备之间角度(步骤S43)。
还是在在接收设备20侧利用定向天线的到达角估计系统的情形中，发送设备10和接收设备20中的任何一个可以在传输用于到达角估计的帧中采取主动。
在前一情形中，发送设备10在交替地切换发送天线的同时传输数据帧，并且在交替切换接收天线同时在接收设备20侧测量数据帧的信号强度。如果在发送设备10侧的上层中没有要传输的发送数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。而且，接收设备20以固定周期交替地切换用于接收的定向天线，使得各帧能够从两个天线以基本相同的频率被接收。
在后一情形中，估计到达角的接收设备20在以固定的间隔切换发送天线的同时，通过利用定向天线中任何一个发送数据帧，并且接收设备20在交替地切换接收天线的同时，接收响应于数据帧从发送设备10返回的应答帧，并且测量应答帧的信号强度。如果在接收设备20的上层中没有要传输的数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
G.利用极化的通信系统的倾角的估计
通过上述到达角估计方法的应用，还可以检测配备有定向天线的移动通信装置的倾角。
例如，如图15所示，具有垂直极化的两个定向天线被安装，在发送设备10的相同表面上，一个垂直，另一个以90度倾斜。此时，在按附图中的箭头所示旋转其上安装两个天线的表面的情况下，在以固定的间隔交替切换天线的同时各帧被发送。图16显示了在接收设备20侧上接收的各帧的信号强度的变化。在附图中，X轴表示相对于发送设备10的水平方向的倾斜的角度，而Y轴表示所接收的帧的信号强度。
利用如上所述的相同方法，接收设备20读取嵌入到每个所接收的信号中的信息，以便确定所述帧已经从哪个天线发送。接着，对于每个发送天线，求出各帧的接收信号强度的均值。此时，如果从发送设备10侧的天线1发送的帧的信号强度的均值是Sigp1，并且从发送设备10侧上的天线2发送的帧的信号强度的均值是Sigp2，则在两个信号强度之间的差ΔP可以用差ΔP＝Sigp1-Sigp2表示。ΔP随着其上安装定向天线的发送设备10的水平方向的倾斜的角度而变化。图17显示了ΔP和相对于发送设备10的水平方向的倾斜的角度之间的关系。在图中，ΔP由实线表示，而表示从天线1发送的帧的接收信号强度的均值Sigp1和从天线2发送的帧的接收信号强度的均值Sigp2，分别由虚线和交替的长短点线表示。
相对于发送设备10的水平方向的角度可以通过利用ΔP的该值估计。也就是说，在相对于发送设备10的水平方向改变角度的同时发送帧，并且在接收设备20侧测量接收的帧的信号强度。同时，各发送天线之间的接收信号强度的差ΔP、与相对于发送设备10的水平方向的角度之间的关系被求出并且被事先记录。
当发送设备10与接收设备20在交替切换发送天线的同时通信时，接收设备20接收来自发送设备10的各个发送天线的帧并且测量信号强度，而且还求出各发送天线之间的接收信号强度的差ΔP。接着，通过参考在先存储的差ΔP的测量数据，从ΔP的目前值可以估计发送设备10的倾斜的角度。
通过利用极化检测倾角的问题在于：ΔP的值根据发送设备10和接收设备20之间的相对角度变化。因此，在检测倾角时，倾角检测必须在发送设备10和接收设备20之间的角度变为预定角度(例如，它们相互相对的角度)之后进行。
使发送设备10和接收设备20之间的角度为特定角度，可以通过事先给用户提供在执行倾角检测时要假设的信息(如站立位置、方向等)来实现。
H.通过利用多个馈入点的通信装置的倾角和相对角度的检测
本发明假设使用低成本和紧凑的微带天线。微带天线的优点是，通过仅仅改变馈入点，其能够被适用于各种极化。
例如，可以采纳这样的设计，使得当具有如图18所示的两个馈入点1和2的微带天线被用来从馈入点1馈送功率时，在从馈入点1馈送功率时产生垂直极化，而在从馈入点2馈送功率时产生水平极化。当这些天线按照如图15所示的相同方式被安装在发送设备的同一表面时，两个定向天线的极化的组合可以通过切换馈入点自由变化。例如，可以采用这样的组合，使得具有垂直极化的两个定向天线的极化方向相互一致或相互正交。
图19显示发送设备10的配置，该发送设备10中具有垂直极化的两个定向天线的极化组合可以被自由改变。
信号处理部分3对从通信协议的上层提供的传输数据施加如基带处理的预定处理。RF部分4将传输的基带信号转换为模拟信号，并且将该信号上变频为RF信号。馈入点切换机制7按照来自传输控制部分6的指令切换每个定向天线的馈入点。而且，按照来自传输控制部分6的指令，天线切换机制5在以固定的间隔交替地切换用于发送的天线的同时发送帧。此时，用于确定每个帧已经从哪个天线发送的信息被添加到每个发送的帧。
每个定向天线包括两个馈入点，并且传输控制部分6通过控制从哪个点馈送功率的馈入点切换机制7来改变极化组合。
接着，基于信号处理的结果、以及来自天线切换机制5和馈入点切换机制7的天线信息，测量通信装置的倾角和相对角度。通过采用如上所述配置的系统，可以单独由一对天线执行两个功能，即发送设备10和接收设备20之间的相对角度的检测和通信设备10的倾角的检测。
I.例子
在下文中，如上所述的到达角估计系统的具体应用将被详细描述。
I-1.安装在墙壁上的屏幕和移动设备的交互
在这个例子中，用户操作配置为其上安装有定向天线的移动设备的发送设备。接收设备被安装在墙壁上安装的屏幕的里面或附近，并且能够测量由用户携带的移动设备和接收设备之间的相对角度。此时，要显示在屏幕上的信息按照移动设备的角度改变。图20是该安排的概念图。
作为该例子的一个应用，还可以实现这样的系统，在该系统中在存在多个用户携带其上安装定向天线的移动设备的情况下，面对接收设备的设备可以经由安装在墙壁上的接收设备互换信息。在信息互换期间，执行如在屏幕上显示面对该接收设备的所述设备的信息的处理。
I-2.移动设备的位置的测量
在该例子中，如图21所示，用户操作其上安装有定向天线的移动设备。此时，多个接收设备被用来测量相对于接收设备的相对角度。在空间中的移动设备的位置从测量结果估计。
I-3.各移动设备之间的交互
在该例子中，如图22所示，每个用户操作其上安装有定向天线的移动设备。此时，每个移动设备以固定的间隔检查是否另一个通信装置存在于面对该移动设备的位置。接着，当携带该移动设备的用户使他们的移动设备相互面对时，开始数据传输过程，并且在至少一个移动设备中估计到达角。
I-4.移动设备的倾角的检测
在该例子中，移动设备的倾角通过利用上面的G项描述的技术检测。用户操作其两个定向天线之一以90度倾角安装的移动设备。接收设备被安装在墙壁上安装的屏幕的里面或附近，并且可以测量相对于由用户携带的移动设备的水平方向的倾斜角度(参见图20作为参考)。携带移动设备的用户仍然站在作为初始位置的面对所述屏幕的位置，并且按任意方式改变移动设备的倾角。在接收设备侧，要在屏幕上显示的信息按照移动设备的倾角改变。
利用本发明的具体实施例，对本发明进行了如上所述的详细描述。然而，将对本领域技术人员显而易见的是，能够预见对上述各实施例的各种修改和替换，而不偏离本发明的范围。
尽管在本说明书中，描述主要集中于本发明的各实施例应用于遵守IEEE802.11的无线电技术，但是本发明的范围不必局限于此。本发明可以类似地被应用于各种无线通信系统，其中大约±30度的精度作为到达角估计的精度足够了。
即，本发明的前面的公开仅仅通过示例方式进行，并且不应该被限制性地解释。本发明的范围应该参照权利要求书来确定。
相关申请的交叉引用
本发明包含与于2007年5月29向日本专利局提交的日本专利申请JP2007-141820相关的主题，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (33)

1.一种到达角估计系统，包括发送设备和接收设备，该到达角估计系统估计到达角，从发送设备利用无线电发送的各帧以该到达角到达该接收设备，其中：
发送设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于发送设备的正面以±θ度倾斜；
接收设备包括具有朝向接收设备的正面的方向性的定向天线；以及
各帧从发送设备的各个定向天线交替地被发送，并且对于各个发送定向天线，在接收设备侧各帧的接收信号强度被相互比较，以估计到达角。
2.如权利要求1所述的到达角估计系统，其中：
发送设备在改变发送设备和接收设备之间的角度的同时，通过交替地切换各发送定向天线将各帧发送到接收设备，所述接收设备测量从各个发送定向天线接收的各帧的接收信号强度，以获得各发送定向天线之间的接收信号强度的差ΔS，并且事先存储差ΔS和发送设备和接收设备之间的角度之间的关系；以及
发送设备在交替地切换发送定向天线的同时与接收设备通信，同时，接收设备测量从发送设备的各个发送定向天线接收的各帧的接收信号强度，以获得在各发送定向天线之间的接收信号强度差ΔS，并且将目前获得的差ΔS与在先测量的数据比较，以估计发送设备和接收设备之间的角度。
3.如权利要求2所述的到达角估计系统，其中：
通过假设发送设备以相同的发送功率从各发送定向天线发送各帧，以及在每个发送定向天线和接收定向天线之间的传播损耗相同，各发送定向天线之间的增益的差被作为各发送定向天线之间的接收信号强度差ΔS。
4.如权利要求2所述的到达角估计系统，其中：
发送设备在以固定的间隔交替切换用于发送的定向天线的同时传输数据帧，并且接收设备测量传输的数据帧的信号强度。
5.如权利要求4所述的到达角估计系统，其中：
如果在上层没有要传输的发送数据，则发送设备产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
6.如权利要求2所述的到达角估计系统，其中：
接收设备以固定的间隔发送数据帧，并且在交替地切换发送定向天线的同时，所述接收设备测量所接收的响应于来自该发送设备的数据帧而返回的应答帧的信号强度。
7.如权利要求6所述的到达角估计系统，其中：
如果在上层没有数据要传输，则接收设备产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
8.一种到达角估计系统，包括发送设备和接收设备，该到达角估计系统估计到达角，从发送设备利用无线电发送的各帧以该到达角到达该接收设备，其中：
发送设备包括具有朝向发送设备的正面的方向性的定向天线；
接收设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于接收设备的正面以±θ度倾斜；以及
从发送设备发送的各帧通过交替利用定向天线来接收，并且将在各个接收定向天线的各帧的接收信号强度相互比较，以估计到达角。
9.如权利要求8所述的到达角估计系统，其中：
接收设备在改变发送设备和接收设备之间的角度的同时，通过交替地切换接收定向天线接收来自发送设备的各帧，并且测量在各个接收定向天线的各帧的接收信号强度，以获得各接收信号强度之间的差ΔS，并且事先存储差ΔS和发送设备和接收设备间的角度之间的关系；以及
发送设备与接收设备相互通信，同时，接收设备交替地切换接收定向天线，并且测量在各个接收定向天线处接收的各帧的信号强度，以获得在各接收定向天线之间的接收信号强度之间的差ΔS，并且将目前获得的差ΔS与在先测量的数据比较，以估计发送设备和接收设备之间的角度。
10.如权利要求9所述的到达角估计系统，其中：
发送设备传输要被传输的数据帧；以及
接收设备在以固定的周期切换用于接收的定向天线的同时，测量传输的数据帧的信号强度。
11.如权利要求10所述的到达角估计系统，其中：
如果在上层没有要传输的发送数据，则发送设备产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
12.如权利要求9所述的到达角估计系统，其中：
接收设备以固定的间隔从所述定向天线之一发送数据帧，并且所述接收设备在交替地切换各接收定向天线的同时，接收响应于数据帧而从所述发送设备返回的应答帧，并且测量所述应答帧的信号强度。
13.如权利要求12所述的到达角估计系统，其中：
如果在上层没有数据要传输，则接收设备产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
14.一种到达角估计系统，包括发送设备和接收设备，该到达角估计系统估计到达角，从发送设备利用无线电发送的各帧以该到达角到达该接收设备，其中：
发送设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于发送设备的正面以±θ度倾斜；
接收设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于接收设备的正面以±θ度倾斜；以及
从发送设备发送的各帧通过交替利用定向天线来接收，并且将在各个接收定向天线的各帧的接收信号强度相互比较，以估计到达角。
15.如权利要求14所述的到达角估计系统，其中：
发送设备在改变发送设备和接收设备之间的角度的同时，通过交替地切换各发送定向天线将各帧发送到接收设备，接收设备在交替地切换各接收定向天线的同时接收所述各帧，并且测量在各个接收定向天线处来自各个发送定向天线的各帧的接收信号强度，以获得各发送定向天线之间的接收信号强度之间的差ΔS，并且对于每个接收定向天线，事先存储差ΔS和发送设备和接收设备间的角度之间的关系；以及
发送设备在交替地切换发送定向天线的同时与接收设备通信，同时，接收设备通过交替地切换各接收定向天线从所述发送设备接收各帧，并且测量在各个接收定向天线处的各帧的接收信号强度，以获得各发送定向天线之间的接收信号强度之间的差ΔS，并且对于每个接收定向天线，将目前获得的差ΔS与在先测量的数据比较，以估计发送设备和接收设备之间的角度。
16.如权利要求15所述的到达角估计系统，其中：
发送设备在交替地切换发送定向天线的同时传输数据帧，而接收设备在交替地切换接收定向天线的同时，测量从发送设备传输的数据帧的信号强度。
17.如权利要求16所述的到达角估计系统，其中：
如果在上层没有要传输的发送数据，则发送设备产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
18.如权利要求15所述的到达角估计系统，其中：
接收设备以固定的间隔发送数据帧，并且所述接收设备在交替地切换发送定向天线的同时，测量响应于来自该发送设备的数据帧而返回的应答帧的接收信号强度。
19.如权利要求18所述的到达角估计系统，其中：
如果在上层没有要传输的发送数据，则接收设备产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
20.一种通信设备，包括：
两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于正面以±θ度倾斜；
天线切换机制，其交替地切换用于各帧的发送或接收的定向天线；
RF部分，其处理RF发送/接收信号；
信号处理部分，其处理所述RF发送/接收信号；以及
传输控制部分，其按照传输操作控制天线切换机制的天线切换操作。
21.如权利要求20所述的通信设备，其中：
当发送各帧到预定通信方时，所述各帧在交替地切换用于发送的定向天线的同时被发送。
22.如权利要求20所述的通信设备，其中：
当从预定通信方接收各帧时，所述各帧在交替地切换用于接收的定向天线的同时被接收，并且将在用于接收的各个定向天线处的各帧的接收信号强度相互比较，以估计所述到达角。
23.如权利要求22所述的通信设备，其中：
在相对于通信方改变角度的同时通过交替地切换用于接收的定向天线，从所述通信方接收各帧，测量在各个定向天线处的各帧的接收信号强度，以获得各接收信号强度之间的差ΔS，并且事先存储在差ΔS和发送设备和接收设备间的角度之间的关系；以及
在执行与通信方通信的同时，通过交替地切换用于接收的定向天线来接收各帧，测量在各个定向天线处接收的各帧的接收信号强度，以获得在所述定向天线之间的接收信号强度的差ΔS，并且将目前获得的差ΔS与在先测量的数据比较，以估计相对于通信方的角度。
24.如权利要求22所述的通信设备，其中：
在以固定的周期切换用于接收的定向天线的同时，接收从通信方传输的数据帧，并且测量所传输的数据帧的信号强度。
25.如权利要求22所述的通信设备，其中：
以固定的间隔从所述定向天线之一发送数据帧，并且在交替地切换用于接收的定向天线的同时，接收响应于数据帧而从所述通信方返回的应答帧，并且测量所述应答帧的信号强度。
26.如权利要求22所述的通信设备，其中：
如果在上层没有要传输的发送数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
27.一种执行与发送设备的通信的通信设备，所述发送设备包括两个定向天线，其每个被安排使得其方向性相对于正面以±θ度倾斜，该通信设备包括：
天线，用于发送/接收；
RF部分，其处理RF发送/接收信号；
信号处理部分，其处理RF发送/接收；以及
传输控制部分，其控制传输操作，
其中从发送设备的各个定向天线交替地发送各帧，并且将在各个发送定向天线接收的各帧的接收信号强度相互比较，以估计发送设备相对于接收设备的倾角。
28.如权利要求27所述的通信设备，其中：
在以固定的周期交替地切换发送定向天线的同时，测量从发送设备传输的数据帧的接收信号强度。
29.如权利要求27所述的通信设备，其中：
以固定的间隔发送数据帧，并且测量应答帧的接收信号强度，该应答帧在交替地切换发送定向天线的同时响应于来自发送设备的数据帧而被返回。
30.如权利要求29所述的通信设备，其中：
如果在上层没有要传输的发送数据，则产生并且发送其数据大小为0的数据帧。
31.一种通信系统，包括：
发送设备，其包括具有垂直极化的两个定向天线，所述定向天线被附接到正面使得所述定向天线的极化方向相互以大约90度倾斜；以及
接收设备，其包括具有朝向正面的方向性的定向天线，其中
从发送设备的各个定向天线交替地发送各帧，并且对于各个发送定向天线，将接收设备侧的各帧的接收信号强度相互比较，以估计发送设备相对于接收设备的倾角。
32.如权利要求31所述的通信系统，其中：
发送设备在改变发送设备相对于水平方向的倾角的同时，通过交替地切换发送定向天线将各帧发送到接收设备，所述接收设备测量从各个发送定向天线接收的各帧的接收信号强度，以获得各发送定向天线之间的接收信号强度差ΔP，并且事先存储差ΔP和发送设备和接收设备间的角度之间的关系；以及
发送设备在交替地切换发送定向天线的同时与接收设备通信，同时，接收设备测量从发送设备的各个发送定向天线接收的各帧的接收信号强度，以获得各发送定向天线之间的接收信号强度差ΔP，并且将目前获得的差ΔP与在先测量的数据比较，以估计发送设备相对于水平方向的倾角。
33.如权利要求31所述的通信系统，其中：
每个发送天线是具有多个馈入点的微带天线；以及
两个定向天线的极化组合通过切换馈入点来改变。
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