CN102947722A - 用于估计到达方向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的示例性实施方式，一种装置包括：接收机，被配置为接收在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的无线电信号的第二部分，无线电信号的第一部分包括时间冗余部分；相关器，被配置为确定第一部分和第二部分之间的相关值；以及处理器，被配置为至少部分地基于相关值估计无线电信号的到达方向。

Description

用于估计到达方向的方法和装置

技术领域

本申请一般涉及到达方向的估计。

背景技术

无线电发射机定位，也被称为到达方向(DoA)估计或到达角度估计，是旨在确定无线发射机相对于无线接收机的方向的技术领域。

现有技术中具有多种用于DoA估计的技术，其中大多数技术涉及通过阵列天线接收无线发射机所发射的需要估计其方向的信号，以及涉及处理这些信号以确定DoA。此外，使用天线阵列的DoA估计技术广义上可被分为两类：一类要求阵列中的每个天线都具有自己的接收机，另一类允许阵列中的一个或多个天线共享接收机。

发明内容

本发明的实施例的各方面在权利要求中得以阐明。

根据本发明的第一方面，一种装置，包括：接收机，被配置为接收在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的无线电信号的第二部分，无线电信号的第一部分包括时间冗余部分；相关器，被配置为确定第一部分和第二部分之间的相关值；以及处理器，被配置为至少部分地基于相关值估计无线电信号的到达方向。

根据本发明的第二方面，一种方法，包括：确定在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的所述无线电信号的第二部分之间的相关性，所述无线电信号的所述第一部分包括时间冗余部分；以及至少部分地基于所述相关性估计所述无线电信号的到达方向。

根据本发明的第三方面，一种计算机程序，包括：当所述计算机程序在处理器上运行时，用于确定在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的所述无线电信号的第二部分之间的相关性的代码，所述无线电信号的所述第一部分包括时间冗余部分；以及用于至少部分地基于所述相关性估计所述无线电信号的到达方向的代码。

附图说明

为了更全面地理解本发明的示例性实施方式，现参照以下结合附图所做的描述，在附图中：

图1示出了无线电信号通过无线介质的传播；

图2示出了用于保持平面波假设的距离无线电发射机足够远的天线阵列；

图3示出了示例性的正交频分复用符号；

图4(a)示出了根据本发明的示例性实施方式，如何由天线阵列接收OFDM符号(诸如图3中示出的OFDM符号)；

图4(b)示出了根据本发明的示例性实施方式，如何由天线阵列接收采用时域冗余的通用无线电信号；

图5示出了根据本发明的示例性实施方式的用于估计无线电信号的到达方向的装置；以及

图6是示出根据本发明的示例性实施方式的用于估计到达方向的操作的流程图。

具体实施方式

通过参考图1至图6来理解本发明的示例性实施方式及其潜在的优势。

图1示出了无线电信号通过无线介质的传播。无线电信号是以光速通过无线介质传播的电磁波。从无线电发射机100发出的无线电波可呈球状散开，使得球体上的每个点都具有相同的相位。在距离无线电发射机足够远的位置，球体110的半径变得足够大，由此可以假设球体表面上的两个点120和130位于同一平面上。在示例性实施方式中，这种假设被称为平面波假设。

图2示出了用于保持平面波假设的距离无线电发射机足够远的天线阵列220，例如图1中的无线电发射机100。天线阵列220包括沿直线安置的并且间隔距离为d的多个天线230。平面波210以角度θ到达天线阵列220。角度θ被称为天线阵列处无线电信号的到达角度或到达方向(DoA)。

应当注意到，很多其他天线阵列配置也可以与本发明的方法和装置以及本发明的教导一起使用，而不要求天线沿直线或等距离地安置。

本发明的各种实施方式利用无线电信号的时域冗余来确定其DoA。通信系统可以出于各种理由在它们的传输中选择实现时域冗余，这之中最常见的是防止由无线介质引入的失真。时域冗余可以通过复制一部分信号并将其附加于信号本身而被引入。正交频分复用(OFDM)是一种通过复制信号的一部分到其自身来利用时域冗余的调制技术。当前OFDM在多种无线通信系统中被使用，诸如各种IEEE 802.11无线局域网(WLAN)系统、全球微波接入互操作性(WiMAX)系统、长期演进(LTE)等。为了讨论起见，且不以任何方式限制本发明的范围，将关于符合用于WLAN的IEEEStd.802.11a-1999标准的系统来描述本发明的各种实施方式。

图3示出了IEEE Std.802.11a-1999标准中描述的OFDM符号。IEEE Std.802.11a-1999标准定义了4微秒长的OFDM符号310，其总共包含80个采样。这些采样中的64个采样，即采样17-80是从快速傅里叶变换的输出得出的。最后的16个采样，即OFDM符号310的采样65-80330被复制于OFDM符号的开始，以作为循环前缀320，从而在OFDM符号中引入时域冗余以防止符号间干扰。因此，对于图3的OFDM符号，循环前缀为时域冗余部分，OFDM符号的最后16个采样构成从中得出时域冗余部分或循环前缀的符号部分。同样，前16个采样320和最后16个采样330被画有阴影，以指示这些采样是相同的。

图4(a)示出了根据本发明的示例性实施方式，如何由天线阵列接收OFDM符号，例如图3中的OFDM符号310。在本发明的该示例性实施方式中，天线阵列中的天线共享单个接收机，因此根据模式来切换天线，以使得接收机可以处理每个天线所接收的信号。

根据本发明的实施方式，执行天线切换以使得OFDM符号的循环前缀以及用于构建循环前缀的OFDM符号的部分由不同的天线接收。

如图4(a)所示，接收机从天线1接收符号1的循环前缀，然后接收机切换至天线2。切换发生在OFDM符号被天线1接收之后、且在OFDM符号的最后16个采样被天线1接收之前的时间，即切换可以发生在符号1的采样17至采样64之间的任意位置。由于切换，符号1的最后16个采样由天线2接收。由于符号1的最后16个采样是用于构建符号1的循环前缀的采样，所以由天线1接收的循环前缀的采样与由天线2接收的符号1的最后16个采样之间的相位差由两个天线之间的间隔引起。该相位差可以通过计算由天线1接收的循环前缀与由天线2接收的符号1的最后16个采样之间的相关值以及提取该复数相关的相位来计算。

在本发明的示例性实施方式中，在OFDM符号的中间切换天线。在这种情况下，天线1首先接收在前的符号1的采样41-80，之后是符号1的采样1-40。类似地，天线2将接收符号1的采样41-80，然后是符号2的采样1-40。因此，符号1的循环前缀将包含在天线1所接收的采样号41-56中，而符号1的最后16个采样将包含在天线2所接收的采样号25-40中。基于这一点，天线2和天线1之间的相位差

可以根据下列公式计算：

其中Ant1(i)表示天线1接收的第i个采样，Ant2(i)表示天线2接收的第i个采样，{...}^*表示复共轭操作，Angle(...)表示相位或角度算符以及k为虚变量，用作总和的索引。上述公式可以简写为：

其中U表示包含天线2所接收的采样25-40的列向量，V表示包含天线1所接收的采样41-56的列向量，而U^H表示列向量U的复共轭变换。

考虑到无线电信号的波长λ已知，可以基于相关角计算DoA。基于

天线1和天线2处无线电信号的DoA θ由下式给出：

其中d为天线1与天线2之间的距离。

应当注意到，在图4(a)中，OFDM符号仅被用作示例以示出一种可非常广泛应用的方法的实施方式。相同的原理可以用于任何采用时域冗余的无线电信号。

图4(b)示出了根据本发明的示例性实施方式，如何由天线阵列接收采用时域冗余的通用无线电信号。在图4(b)中，符号1的部分A是时域冗余部分，部分B是用于得出部分A的部分。在这种情况下，天线1接收符号1的部分A，然后系统切换至天线2，应当再次注意到，可以在时间t1和t2之间的任意时间切换至天线2。天线2然后接收符号1的部分B以及符号2的部分A。类似地，系统可以在时间t3和t4之间的任意时间切换至天线3。天线1所接收的符号1的部分A与天线2所接收的符号1的部分B之间的相位差给出了天线1和天线2之间的相位差。相位差的值与已知的天线1和天线2之间的间隔相结合可以被用于估计无线电信号的DoA。类似地，天线2所接收的符号2的部分A与天线3所接收的符号2的部分B之间的相位差可用于确定天线2和天线3之间的相位差。该相位差的值与已知的天线2和天线3之间的间隔相结合可以用于估计无线电信号的DoA。

利用符号1以及天线1和2获得DoA估计可与利用符号2以及天线2和3获得DoA估计相组合，以便利用例如求平均值运算来获得更可靠的DoA估计。

图5示出了根据本发明的示例性实施方式，用于估计无线电信号的到达方向的装置。多个天线505被耦合至装置500。装置500包括由开关控制器520控制的射频开关510。射频开关510耦合至无线电前端530。无线电前端530进一步耦合至相关器1(540)和相关器2(550)。相关器1的操作由相关器控制器1(570)控制，而相关器2的操作由相关器控制器2(575)控制。相关器2进一步耦合至处理器560。

在示例性实施方式中，无线电信号由多个天线505接收。天线505可以等间隔地且沿直线布置，如图2所示。无线电信号可以包括如图3所示的OFDM符号。射频开关510确定哪个天线505耦合至无线电前端530。射频开关510的操作由开关控制器520控制。开关控制器520可以向无线频率切换510提供切换模式，以在天线之间切换，或者切换模式已预先存储在射频开关510中。在本发明的示例性实施方式中，切换模式包括从天线1开始，然后切换至天线2，切换回天线1，然后切换至天线3，切换回天线1，然后切换至天线4，以及继续该模式直到天线N耦合至无线电前端，并且最终切换回天线1。该模式可以简写为“天线1-天线2-天线1-天线3-天线1-...-天线N-天线1”。在本发明的另一示例性实施方式中，如图4所示，进行天线间的切换，以使得无线电信号的时间冗余部分与用于构建时间冗余部分的无线电信号部分由不同的天线接收。

无线电前端530从射频开关510接收模拟射频信号，并将其下变频为数字基带形式，以馈送至相关器540和550。无线电前端530可以包括直接变频接收机以及其后的模数转换器，该接收机用于解调天线所接收的无线电信号。无线电前端530可以进一步包括低噪声放大器、下变频单元以及模拟基带电路，该低噪声放大器用于放大从天线接收的无线电信号，该下变频单元用于将信号从射频转换为基带信号。模拟基带电路可以进一步包括低通滤波器、基带放大器和模数转换器。无线电前端还可以包括频带选择滤波器以隔离某个频带的信号。

无线电前端530将信号馈送至相关器1(540)和相关器2(550)。相关器1(540)和相关器2(550)的操作分别由相关器控制器1(570)和相关器控制器2(575)控制。相关器1(540)对接收的信号执行时间同步。在本发明的示例性实施方式中，可以通过对从无线电前端530接收的基带信号执行自相关操作而实现时间同步，从而通过利用基带信号的时间冗余部分获得基带信号的开始的估计。如果基带信号包括诸如图3中示出OFDM符号的OFDM符号，那么可以通过利用以循环前缀形式存在于OFDM符号中的时域冗余部分获得符号定时估计。相关器1(540)可以利用范围为1-80的定时偏移值计算已接收采样的自相关。由于循环前缀位于采样1-16中，并且为符号中采样65-80的复制版本，所以当定时偏移使得OFDM符号的循环前缀与OFDM符号的最后16个采样对齐时，期望自相关值突然增大。下一个符号出现在索引80加上定时同步值处。相关器1(540)可以在多个OFDM符号上计算时间同步并将它们结合(例如采用求平均值运算)，以达到时间同步的可靠估计。

无线电前端530还将基带信号馈送至相关器2(550)。相关器2(550)将从无线电前端530接收的基带信号进行相关，以获得天线对之间的相位差估计。如果天线由射频开关510切换，使得OFDM符号如图4(a)所示那样被接收，则每个OFDM符号将由天线阵列接收，由此OFDM符号的循环前缀与从中得到该循环前缀的OFDM符号的最后16个采样将由不同的天线接收。考虑到图4(a)中的符号1，符号1的循环前缀将由天线1接收，且OFDM符号的最后16个采样将由天线2接收。

相关器2(550)可计算第一天线所接收的时间冗余部分与第二天线所接收的用于构建时间冗余部分的信号部分之间的相关值。在OFDM符号的情况下，诸如图4(a)中所示的OFDM符号，相关器2(550)将计算OFDM符号的循环前缀与最后16个采样之间的相关值，以获得第一天线与第二天线之间的相位差估计。在本发明的示例性实施方式中，在符号1的中间切换天线，例如切换发生在OFDM符号的采样号40被接收后。在该实施方式中，天线1将接收符号1的采样1-40，以及天线2将接收符号1的采样41-80。相关器2(550)可以根据下述公式计算天线2与天线1之间的相位差

其中Ant1(i)表示天线1接收的第i个采样，Ant2(i)表示天线2接收的第i个采样，{.}^*表示复共轭操作，Angle(.)表示相位或角度算符以及k为虚变量，用作总和的索引。上述公式可以简写为：

其中U表示包括天线2所接收的采样25-40的列向量，V表示包括天线1所接收的采样41-56的列向量，而U^H表示列向量U的复共轭转置矩阵。

相关器2(550)向计算无线电信号到达角度的处理器馈送两个天线之间的相位差。在本发明的实施方式中，以距离d间隔开的天线1和天线2处的无线电信号的DoA θ可以基于天线2与天线1之间的相位差

而得出：

其中λ为无线电信号的波长。

在另一示例性实施方式中，处理器560可以组合来自多个天线对的到达角度估计，以获得更为可靠的到达角度估计。如果存在m个天线对，那么处理器可以将来自每个天线对的估计组合为：

其中是利用m个天线对中的每个天线对获得的到达角度的估计总和。

在本发明的再一个实施方式中，如果天线之间出现频率偏移，那么使用下述模式切换天线：天线1-天线2-天线1-天线3-天线1-...-天线N-天线1。天线之间的频率偏移导致天线之间恒定的相位变化，该切换模式能够使得能够消除两个天线之间的频率偏移。例如，通过从天线1切换至天线2而计算出的相位差由下式给出：

其中

是取决于到达角度的相位差的分量，而

是由天线1与天线2之间的频率偏移所引起的相位差的分量。类似地，从天线2切换至天线1将得到等于

的相位差。将两个相位差相减将得到其独立于天线1与天线2之间的频率偏移。通过遵循该切换模式，对于其他天线对重复相同的过程。应当注意到，在该实施方式中，DoA估计需要在实现定时同步之后的2N-1个OFDM符号。

图6是示出根据本发明的示例性实施方式的用于估计到达方向的操作的流程图。

在方框610处，该装置执行定时同步。在示例性实施方式中，定时同步是对无线电信号的开始进行估计的过程。在OFDM信令中，定时同步可以意指确定OFDM符号的开始。如果系统以每帧为基础利用时间冗余，则定时同步可以意指确定帧的开始。通常，定时同步可以意指确定利用时域冗余的数据块的开始。

在方框620处，采用天线切换，使得数据块的时间冗余部分以及用来构建该时间冗余部分的数据块部分由不同的天线接收。例如，在图4(a)中，采用天线切换，使得OFDM符号的循环前缀以及用于得到该循环前缀的OFDM符号的采样由不同的天线接收。

在方框630处，该装置确定第一天线所接收的时间冗余部分与第二天线所接收的用于从其构建该时间冗余部分的信号部分之间的相关值。

在方框640处，该装置至少部分地基于方框630处所确定的相关值，确定无线电信号的到达角度。

在不以任何方式限制后面出现的权利要求的范围、解释或应用的情况下，此处公开的一个或多个实施方式的技术效果在于无线电信号的到达方向估计。此处公开的一个或多个实施方式的另一技术效果在于包括时间冗余部分的无线电信号的到达方向估计。此处所公开的一个或多个实施方式的另一技术效果在于包括OFDM符号的无线电信号的到达方向估计。

本发明的实施方式可以以软件、硬件、应用逻辑或者软件、硬件和应用逻辑的组合来实现。软件、应用逻辑和/或硬件可以驻留在无线电接收机上。如果期望的话，部分软件、硬件和/或应用逻辑可以驻留在射频开关上，部分软件、硬件和/或应用逻辑可以驻留在无线电前端上，以及部分软件、硬件和/或应用逻辑可以驻留在相关器上。在示例性实施方式中，应用逻辑、软件或指令集被维护在各种传统计算机可读介质中的任一个上。在该文档的上下文中，“计算机可读介质”可以是任何能够存储、通信、传播或传输用于供诸如计算机的指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备相结合的指令的介质或装置，其中计算机的一个实例即为图5中描述的计算机。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，其可以是能够容纳或存储用于供诸如计算机的指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备相结合的任意介质或装置。

如果期望的话，此处所讨论的不同功能可以以不同的顺序执行和/或彼此同时发生。此外，如果期望的话，一个或多个上述功能是可选择的或可组合的。

尽管独立权利要求中阐述了本发明的各方面，但是包括来自于所描述的实施方式中的特征的其他组合和/或具有独立权利要求特征的从属权利要求的本发明的其他方面，以及并非唯一的组合在权利要求书中得以明确阐明。

应当注意到，尽管上面描述了本发明的示例性实施方式，但是不应当从限制的意义上来看待这些描述。相反，如所附权利要求所限定的，可以做出多种变形及修改且不背离本发明的保护范围。

Claims (26)

1.一种装置，包括：

接收机，被配置为接收在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的所述无线电信号的第二部分，所述无线电信号的所述第一部分包括时间冗余部分；

相关器，被配置为确定所述第一部分和所述第二部分之间的相关值；以及

处理器，被配置为至少部分地基于所述相关值估计所述无线电信号的到达方向。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述无线电信号的所述时间冗余部分是通过将所述无线电信号的一部分附加于其自身而获得的。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述无线电信号的所述时间冗余部分是从所述无线电信号的所述第二部分得出的。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述无线电信号的所述时间冗余部分包括正交频分复用符号的循环前缀。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述处理器被进一步配置为基于所述相关值的角度来估计所述第一和第二天线之间的相位差。

6.如权利要求1所述的装置，其中使用求平均值运算将所述到达方向的估计与使用多个天线对所获得的到达方向的估计相结合。

7.如权利要求6所述的装置，其中构成所述多个天线对的天线以彼此之间基本上均匀的间隔排列。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述处理器被进一步配置为将相关角确定为

其中U表示包括时间冗余采样的列向量，所述时间冗余采样包含在所述无线电信号的所述第一部分中，V表示包括所述无线电信号的所述第二部分中所包含的采样的列向量，U是从V得出的，U^H表示列向量U的复共轭转置，Angle(U^HV)表示复数U^HV的角度。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述处理器被进一步配置为将到达方向估计为：

其中

是k个天线对之间的相位差之和，d为每个所述天线对中的两个天线之间的距离，λ为所述无线电信号的波长。

10.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

多个天线，即天线1，天线2，…，天线N；以及

射频开关，被配置为按照以下顺序对所述天线进行切换：

天线1-天线2-天线1-天线3-天线1-…-天线N-天线1。

11.如权利要求1所述的装置，进一步包括射频开关，所述射频开关被配置为对天线进行切换，使得所述无线电信号的所述时间冗余部分以及用来构建所述时间冗余部分的无线电信号部分由不同的天线接收。

12.一种方法，包括：

确定在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的所述无线电信号的第二部分之间的相关性，所述无线电信号的所述第一部分包括时间冗余部分；以及

至少部分地基于所述相关性估计所述无线电信号的到达方向。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述无线电信号的所述时间冗余部分是通过将所述无线电信号的一部分附加于其自身而获得的。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述无线电信号的所述时间冗余部分是从所述无线电信号的所述第二部分得出的。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述无线电信号的所述时间冗余部分包括正交频分复用符号的循环前缀。

16.如权利要求12所述的方法，进一步包括基于相关角估计所述第一和第二天线之间的相位差。

17.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

由不包括所述第一天线和所述第二天线的一组天线形成多个天线对；

基于每个天线对形成所述无线电信号的到达方向的估计；以及

通过将使用所述第一天线和所述第二天线所获得的到达方向的估计与对应于每个天线对的估计进行平均，确定到达方向的联合估计。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述多个天线以彼此之间基本上均匀的间隔排列。

19.如权利要求12所述的方法，其中相关角被计算为

其中U表示包括来自所述无线电信号的所述时间冗余部分的采样的列向量，V表示包括所述无线电信号的所述第二部分中所包含的采样的列向量，U是从V得出的，U^H表示列向量U的复共轭转置，Angle(U^HV)表示复数U^HV的角度。

20.如权利要求12所述的方法，其中所述到达方向被计算为：

其中是k个天线对之间的相位差之和，d为每个天线对中的两个天线之间的距离，λ为所述无线电信号的波长。

21.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

按照以下顺序对多个天线，即天线1，天线2，…，天线N进行切换：天线1-天线2-天线1-天线3-天线1-…-天线N。

22.如权利要求21所述的方法，进一步包括在多个天线之间进行切换，使得所述无线电信号的所述时间冗余部分以及用来构建所述时间冗余部分的无线电信号部分由不同的天线接收。

23.一种装置，包括：

至少一个处理器；以及

至少一个存储器，其包括计算机程序代码；

所述至少一个存储器和计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器相结合使得所述装置至少执行以下操作：

确定在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的所述无线电信号的第二部分之间的相关性，所述无线电信号的所述第一部分包括时间冗余部分；以及

至少部分地基于所述相关性估计所述无线电信号的到达方向。

24.一种计算机程序，包括：

当所述计算机程序在处理器上运行时，

用于确定在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的所述无线电信号的第二部分之间的相关性的代码，所述无线电信号的所述第一部分包括时间冗余部分；以及

用于至少部分地基于所述相关性估计所述无线电信号的到达方向的代码。

25.如权利要求24所述的计算机程序，其中所述计算机程序是包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质承载有体现在其中的用于与计算机一起使用的计算机程序代码。

26.一种编码有指令的计算机可读介质，当由计算机运行时其执行：

确定在第一天线处所接收的无线电信号的第一部分和在第二天线处所接收的所述无线电信号的第二部分之间的相关性，所述无线电信号的所述第一部分包括时间冗余部分；以及

至少部分地基于所述相关性估计所述无线电信号的到达方向。

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