CN103168391A - 用于形成远程波束的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于在天线阵列处远程形成波束的设备和方法。该设备包括：天线阵列，具有多个在空间上分布的元件；定位单元设备，与所述天线阵列耦接，所述定位单元设备被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；和接收器，被配置为从所述天线阵列接收所述定位信号，所述接收器具有处理器，所述处理器用于产生参考信号、将所述定位信号与修改的参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的积分时间段内将混合信号求和以产生累加信号，其中在将所述参考信号与所述接收的信号混合之前修改所述参考信号，以使得所述累加信号指示天线阵列的波束的方向和大小。

Description

用于形成远程波束的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及定位系统，具体地涉及用于接收定位信号的子系统。
本发明主要为了在多径环境中形成用于接收定位信号的远程波束而发展并且以下将参考本申请来进行描述。但是，将理解，本发明不局限于此特定的使用领域。
背景技术
贯穿说明书的现有技术的任何讨论决不应当被认为是这样的现有技术是普遍已知的或形成为本领域中公知常识的一部分的承认。
如在本领域中已知的，定位技术一般通过测量信号从信号源行进到接收设备所花的时间来操作。在大多数现有技术应用中，此测量是通过比较发送信号的时间与接收相同的信号的时间来完成的。诸如GPS之类的普通定位系统使用三个或更多个这样的信号，并且使用三角测量法来计算对象的位置。由于测量计算是时间敏感的，因此通常需要第四个信号来保证源和接收器的时钟恰当地同步。
多径是指从诸如墙壁和家具之类的其它对象反射定位信号的现象。这在诸如室内之类的封闭环境中特别普遍，但是也是在诸如城市之类的建造区域中显著的问题。简单地说，反射信号从源行进到接收器花费更长的时间，因此影响测量的准确度。此外接收器看到来源于相同的源的具有不同的定时信息的冲突信号。一些现代的接收器使用选择算法来试图确定最合适的信号以在位置确定中使用。但是，接收器通常不能任意高精度地区分多径信号与真正的定位信号。
还在本领域中已知的是由许多天线元件构成的相控阵列，所述许多天线元件可以被单独控制以引导波束。在典型的相控阵列中，在每个元件处接收的信号被单独地相位和增益操作，需要的准确的操作取决于需要的波束的方向。然后将来自于每个元件的结果相位和增益操作后的信号求和以获得波束的期望的方向。
在转让给本申请人因此通过引用整体并入本申请的公布的国际专利申请WO2011/000049A1中讨论了一种用于减轻多径的问题的方法。此申请讨论一种使用从发射源接收定位信号的本地接收器天线来形成波束的方法，从而忽略多径环境中的其它信号。
虽然此方法在减轻多径效应方面获得成功，但是本地接收器天线必定需要许多物理天线元件。这限制了本地接收器天线可以被小型化到的尺寸，因此限制了接收器的便携性。当接收装置被安装到例如叉车时，便携性不是问题。但是，如果接收装置被合并到例如移动电话中，则必需进一步小型化接收器天线。
本发明描述一种用于在高精度的定位应用中利用已经布置在便携式手持设备中的天线技术的装置和方法。
发明内容
本发明的一个目的是克服或改善现有技术的缺点中的至少一个或提供有用的可替换方式。
本发明的进一步的目的是同时产生多个波束。
本发明的进一步的目的是在高精度的定位应用中利用已经布置在便携式手持设备中的天线技术。
本发明的进一步的目的是使用用于同时形成多个波束的单个RF前端。
本发明的进一步的目的是使用相对大量的元件（一般多于32个元件）形成相对窄的波束同时最小化电子复杂度。
本发明的进一步的目的是重新使用标准的定位接收器组件/逻辑块来减小功耗、成本和复杂度。
本发明的进一步的目的是提供一种能够利用外部接收器天线来提高位置解的精度的可分级系统。
本发明的进一步的目的是提供一种使用用于定位系统的相对大量的元件（一般多于32个元件）在不同方向同时形成多个波束，同时避免对复杂的电路和校准的需要的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在天线阵列处远程形成波束的设备，该设备包括：
天线阵列，具有多个在空间上分布的元件；
定位单元设备，与所述天线阵列耦接，所述定位单元设备被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；和
接收器，被配置为从所述天线阵列接收所述定位信号，所述接收器具有处理器，所述处理器用于产生参考信号、将所述定位信号与修改的参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的积分时间段内将混合信号求和以产生累加信号，其中所述参考信号在与所述接收的信号混合之前被修改，以使得所述累加信号指示天线阵列的波束的方向和大小。
优选地，接收器包括具有相关器的至少一个接收信道，其中该相关器被配置为与接收定位信号基本上同步地选择性地操作参考信号的相位和/或增益。
该定位信号优选地包括在预定义的码片时间段之内具有唯一码片顺序的伪随机码，该唯一码片顺序用于提供参考信号和定位信号之间的基本上的同步。优选地，该预定的积分时间段分为许多子积分时间段，其中每个元件在子积分时间段的持续时间内被切换到第一状态。
每个元件的到第一状态的切换优选地与该唯一码片顺序内的码片边界对齐，其中该子积分时间段被同步以在与下一个码片时间段中的码片边界相同的时间开始。
优选地，每个子积分时间段被配置为访问用于存储定位信号的相应的累加器，其中每个相应的累加器与修改的参考信号混合以产生混合信号。
预定的积分时间段内的每个子积分时间段的持续时间优选地是动态可调整的，以使得从一个或多个元件发送的定位信号被选择性地排除与参考信号混合。
优选地，相位和/或增益的操作通过分别向参考信号施加相位和/或增益偏移来实现，其中根据预定的顺序计算相位和/或增益偏移的值。
相关器优选地包括载波数控振荡器（NCO），并且在载波NCO中合成参考信号。
优选地，由处理器实时地计算所述相位和/或增益偏移的值。可替换地，提前计算相位和/或增益偏移的值并且存储在可用于由处理器检索的数据库中。
优选地，元件在所述第一状态中是激活的并且在所述第二状态中非激活的。优选地，切换到第二状态的元件被配置为是非谐振的，以使得改善相互耦合的影响。
优选地，天线元件在空间上以三维配置分布，以使得设备可以在一个或多个维度形成波束。
每个接收器优选地包括多个接收信道，其中每个接收信道可适配为形成至少一个波束。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在天线阵列处远程形成波束的设备，该设备包括：
天线阵列，具有多个在空间上分布的元件；
定位单元设备，与所述天线阵列耦接，所述定位单元设备被配置为
a）以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送修改的定位信号；以及
b）与所述预定的顺序基本上同步地合成定位信号并且修改所述定位信号，以产生修改的定位信号；以及
接收器，被配置为从所述天线阵列接收所述修改的定位信号，所述接收器具有处理器，所述处理器用于产生参考信号、将所述修改的定位信号与所述参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的时间段内将混合信号求和以产生累加信号，以使得所述累加信号指示天线阵列的波束的方向和大小。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在天线阵列之间形成复合波束的系统，该系统包括：
发送天线阵列，具有多个在空间上分布的元件，所述发送天线阵列耦接到定位单元设备，所述定位单元设备被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
接收天线阵列，具有多个在空间上分布的元件，所述接收天线阵列耦接到定位接收器，所述定位接收器被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为接收定位信号；以及
所述定位接收器具有处理器，所述处理器被配置为：
从所述发送天线阵列接收所述定位信号，
合成参考信号；
与所述发送和接收天线阵列的所述元件切换到第一状态基本上同步地修改所述参考信号以产生修改的参考信号；
将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
在预定的时间段内将混合信号求和以产生累加信号，以使得所述累加信号指示所述发送和接收天线阵列的所述波束的方向和大小。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在天线阵列处形成波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备处以预定的顺序将所述天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
b）在接收器处接收定位信号；
c）在接收器的相关器中产生用于与所述定位信号相关的参考信号；
d）与接收所述定位信号基本上同步地将预定的偏移施加到所述参考信号以产生修改的参考信号；
e）将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
f）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述天线阵列的所述波束的方向和大小。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在天线阵列之间形成复合波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备处以预定的顺序将所述发送天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
b）在定位接收器处以预定的顺序将所述接收天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为接收定位信号；
c）在定位接收器处接收定位信号；
d）在所述定位接收器的相关器中产生用于与所述定位信号相关的参考信号；
e）与所述发送和接收天线阵列的所述元件切换到第一状态基本上同步地修改所述参考信号以产生修改的参考信号；
f）将所述定位信号与所述修改的参考信号以产生混合信号；以及
g）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述发送和接收天线阵列的所述波束的方向和大小。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在天线阵列处形成波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备中合成定位信号；
b）在定位单元设备处以预定的顺序将所述天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送修改的定位信号；
c）与所述元件中的一个切换到第一状态基本上同步地将预定的偏移施加到所述定位信号以产生修改的定位信号；
d）在接收器处接收所述修改的定位信号；
e）在接收器的相关器中产生用于与所述修改的定位信号相关的参考信号；
f）将所述修改的定位信号与所述参考信号混合以产生混合信号；以及
g）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述发送和接收天线阵列的所述波束的方向和大小。
附图说明
下面将参考附图仅仅通过举例方式来描述本发明的优选实施例，其中：
图1是根据本发明的一个方面的与定位单元设备耦接的天线阵列的示意性图；
图2是耦接到全向天线的图1的定位接收器的示意性图，显示了根据本发明的一个方面的接收器的一些内部组件；
图3是与由图1的天线阵列远程形成的波束交互的、由定位接收器本地形成的波束的示意性图；
图4a是显示根据本发明的一个方面的B时隙、R时隙和积分时间段之间的关系的时序图；
图4b是更详细地显示根据本发明的一个方面的B时隙、R时隙和相位和/或增益偏移如何施加于参考信号之间的关系的时序图；
图5是根据本发明的一个方面的用于远程形成波束所涉及的步骤的流程图；
图6是根据本发明的一个方面的修改的相关器的示意性图；和
图7a和7b是根据本发明的一个方面的两天线阵列的示意性图。
具体实施方式
系统概述
根据本发明，提供一种用于在定位接收器的方向上形成发送天线阵列的波束的设备和方法。由于发送天线阵列的波束由定位接收器远程形成，因此输入的定位信号的接收增益被最大化，而来自于其它方向的信号被衰减，从而减轻任何不希望的多径效应。根据发送天线阵列中的元件的数目和它们的物理分布，可以使得波束的宽度更细，以使得定位接收器仅仅需要简单的全向天线来实现准确的定位解。在进一步的实施例中，本发明可以与WO2011/000049A1的公开组合以形成复合波束以用于甚至更大的定位解准确度。
参考图1，描述了用于在全向接收天线和具有多个在空间上分布的元件106的发送天线阵列104之间形成远程波束的设备102。具有RF放大器/调制器126的定位单元设备108与天线阵列104耦接并且被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换发送天线元件106，其中在第一状态中，元件106被配置为发送定位信号；并且在第二状态中，元件106是非激活的。
在这种情况下，定位接收器114与全向天线112耦接并且被配置为从发送天线阵列104接收定位信号。定位接收器114具有处理器（未示出），所述处理器用于产生参考信号、将定位信号与修改的参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的时间段内将混合信号求和以产生累加信号，其中该参考信号在与所述接收的信号混合之前被修改，以使得累加信号指示发送天线阵列104的波束的方向和大小。
在一些实施例中，分立的组件/逻辑块用在中利用混合器、振荡器和累加器的电路中，以在传递到用于后续处理的定位接收器上之前产生必要的累加信号。但是，优选实施例是将本发明的波束形成方法合并到诸如接收器114之类的标准的定位接收器中，因为根据本发明的用于形成波束需要的电路的很多已经以相关器的形式作为标准的定位接收器的一部分，并且仅仅需要小的修改以允许同时的波束的形成。
图2示意地显示用在典型的定位网络中的定位接收器114。定位接收器114利用包括具有与处理器206通信的至少一个相关器204的至少一个接收信道202的现有组件。每个相关器204合并用于产生参考信号的载波数控振荡器（NCO）。此参考信号的相位和/或增益由处理器206与接收的定位信号的元件切换顺序基本上同步地修改，因而产生修改的参考信号。接收的定位信号随后与此修改的参考信号混合以产生混合信号。然后按照标准的相关器处理将此混合信号与码NCO参考信号混合，并且随后在预定的积分时间段内累加以产生累加信号。因此结果的累加信号指示来自于发送天线阵列104的在相关器204之内形成的波束122（图1所示）的方向和大小。在每个预定的积分时间段的结尾，相关器的跟踪回路按照正常的相关器操作来操作，不受相位和/或增益操作的扰动。
天线阵列的波束可以按照两种方式中的一种远程形成。根据一个实施例，定位单元设备108具有直接操作发送信号的相位和/或增益的逻辑。在此实施例中，与元件106切换到第一状态同步地向发送的定位信号直接施加相位和/或增益偏移。例如，当第一元件被切换到第一状态时，计算可应用的相位和/或增益偏移并且在经由第一元件发送信号之前使用其来操作定位信号。当第二元件被切换到第一状态时，在由第二元件将定位信号发送之前，将相位和/或增益修改的下一集合施加于定位信号，对于其余元件也是如此。但是，虽然相位和增益修改由定位单元设备108施加，但是重要的是，应当注意，波束122不被形成，直到定位接收器114接收到信号并且在等于发送阵列的元件根据预定的切换顺序被切换的时间的积分时间段内累加。因此，波束122仍然实际上由定位接收器114“远程”形成。
但是，此方法不适合用于定位系统，因为信号源必定是多路访问的。也就是说，在定位网络中，可能存在无限数目的定位接收器，它们全部被配置为从信号源接收信号。通过形成到一个特定定位接收器的发送波束，定位网络内的其它定位接收器然后被无限地拒绝访问该信号源。
但是，用于远程形成波束的优选的方法是以预定的切换顺序切换发送天线元件，而不是在发送端处改变相位和/或增益。在定位接收器端处通过同步地操作由每个相关器信道中的载波NCO合成的参考信号来进行对相位和/或增益的改变。以这种方式，网络内的全部定位接收器获得来自于信号源的相同的切换的、但是未修改的信号。但是，修改的仅仅是定位信号的定位接收器的内部“拷贝”。这使得多个定位接收器由单个发送器形成独立的波束，因而产生多路访问系统。因为这是远程形成波束的优选的方法，所以这是这里将更完整地讨论的方法。
参考信号的修改
在参考信号由载波NCO合成之后，通过与定位信号的接收基本上同步地选择性地操作参考信号的相位和/或增益来修改它。具体地，相位和/或增益的操作通过向参考信号施加相位和/或增益偏移来实现，其中根据发送天线阵列104的元件106在第一和第二状态之间切换的预定的顺序计算相位和/或增益偏移的值。
发送天线阵列104通过相关器电路内的相应的相位和/或增益偏移的同步插入来可操作地与相关器204相关联。下面参考图6进一步详细地描述相关器的操作以及相位和增益偏移的插入。
再次参考图2的实施例，相位和/或增益偏移的值通过检索存储在可由定位接收器内的处理器访问的数据库208中的预定值来确定。诸如下面的说明性示例所示的表之类的偏移表存储在数据库208中并且选择性地可由处理器206访问。虽然示出了对于已知的天线元件分布的预定的偏移值的存储数据库，但是这不一定是优选的方法。本领域技术人员将理解，在可替换实施例中，由处理器206利用天线阵列的先验模型实时地计算相位和/或增益偏移。也就是说，使用天线元件位置的已知的分布来计算必要的相位和/或增益以产生需要的波束。
天线元件
在各个图所示的实施例中，在3x3阵列中描述区块元件。但是，本领域技术人员将理解，在其它实施例中，利用单极子、偶极子或其它合适的天线元件。将进一步理解，这里的公开同样适用于以具有多个维度的天线阵列布置的天线元件。事实上，在许多实际应用中，天线元件在空间上以三维形状分布。
贯穿此说明书并且在权利要求书中，“第一”状态是指在元件是激活的时，并且“第二”状态是指在元件是非激活的时。非激活状态的实际实现根据使用的元件的类型而变化，其中焦点放在使得元件非谐振以减轻寄生耦合或相互耦合的影响。例如，切换1/4λ单极子元件以在第二状态下断开而切换区块元件以在第二状态下接地。在一些实施例中，在第二状态下，开关也提供到诸如50Ω之类的电阻的连接。本领域技术人员将理解，在第二状态中也可以切换到其它条件，诸如无功负载。
波束形成时隙
在优选实施例中，在定位接收器的预定的积分时间段期间的时间处仅仅一个元件106处于第一状态，而全部其它元件处于第二状态。也就是说，对于在定位接收器的预定的积分时间段完成时形成的每个波束，每个元件106在积分时间段之内已经至少发送了一次。在小于预定的积分时间段的子积分时间段的持续时间内，每个元件106被切换到第一状态。在一个实施例中，这些子积分时间段被称为“远程波束形成时隙”（R时隙）。
R时隙和积分时间段之间的关系最佳地示出在图4a中，图4a显示每个是1μs长的多个R时隙402以及积分时间段是Nμs长。实质上，积分时间段的长度简单地分成许多R时隙，其数目等于天线阵列上的元件的数目。虽然是优选的，但是应当注意，不需要R时隙具有相等的长度，或者不需要一次仅仅一个元件被切换到第一状态。因此R时隙简单地是定位接收器114被配置为接收从被切换到第一状态的发送天线阵列104中的任何元件发送的定位信号的时间段。在积分时间段的结尾时累加所有R时隙以形成波束之前，R时隙之内的信号片段由定位接收器通过利用预定的相位和/或增益偏移修改它来操作。
在一个实施例中，需要的R时隙的最小数目对应于在空间上分布在发送天线阵列104上的元件106的数目。例如，在天线阵列仅仅包括两个元件的实施方式中，需要的R时隙的最小数目是两个。当元件106被切换到第一状态时，接收器被配置为在分配的R时隙的整个持续时间内接收发送的定位信号。
在进一步的实施例中，在发送天线阵列中在空间上分布十个元件并且提供十个R时隙，每个元件一个R时隙。使用作为标准的GPS接收器的典型的积分时间段的1000μs的积分时间段，以预定的顺序（诸如依次或伪随机地）在每个100μs的时间段内将元件切换到第一状态。定位单元设备108将第一元件切换到第一状态并且开始发送定位信号。一旦定位接收器114接收到发送的信号，并且与发送的R时隙的同步已经发生，处理器206就确定需要被施加于参考信号的相位和/或增益偏移，其对应于发送天线阵列104之内的第一元件的位置和定位接收器114所需的波束的方向。然后在第一分配的R时隙的整个持续时间内将偏移施加于参考信号。在后来的100μs的R时隙中，定位单元设备108将第二元件切换到第一状态而第一元件和所有其它元件被切换到它们的第二状态。再次，定位接收器114的处理器206确定与阵列之内的第二元件的位置和定位接收器所需的波束的方向对应的相位和/或增益偏移，并且在第二R时隙的整个持续时间内施加该相位和/或增益偏移。在使用顺序切换方案的此示例中，定位单元设备然后在第三R时隙内将第三元件切换到第一状态而其它元件被切换到它们的第二状态，对于后来的元件和积分时间段之内的R时隙类似。在1000μs的积分时间段完成时，所有十个100μs的R时隙将与必要的相位和/或增益偏移累加以产生定位接收器所需的期望的波束。
应当注意，定位单元设备108在物理上与定位接收器114分开，因此发送天线阵列104中的各个元件106不能直接访问接收器114。但是，定位接收器114先验地知道发送天线阵列104中的元件106将被切换到第一状态的顺序、发送阵列之内的元件的分布和发送阵列的朝向。在优选实施例中，从每个定位单元设备向被考虑的所有定位接收器广播合并天线元件切换顺序和每个单个天线元件的地理位置的发送阵列信息。与接收发送的定位信号R时隙的定位接收器114基本上同步地，视情况操作参考信号的相位和/或增益以便在期望的方向形成波束。此外，为了获得分配的R时隙的完整的益处，遵循：贯穿整个分配的R时隙，相位和/或增益操作必须施加于参考信号。
因为定位接收器114控制由发送天线阵列104形成的波束的方向，所以此波束形成的方法被称为“远程波束形成”，并且用于累加发送的定位信号的时隙被称为R时隙。
此外并且如在WO2011/000049A1中讨论，定位接收器114还可以被配置为使用直接连接到定位接收器114的接收天线阵列形成“本地”波束。这以与远程波束形成类似的方式工作，但是具有显著的差异。在远程波束形成中，定位接收器114独立地同步每个相关器信道的R时隙切换，此同步的定时取决于定位接收器与每个发送器的距离。在本地波束形成中，定位接收器直接控制接收天线阵列中的元件的切换。因为元件被切换到第一状态，所以定位接收器同时操作跨全部相关器信道的每个参考信号的相位和/或增益，并且一旦被混合和累加，就在每个相关器中形成唯一的接收天线波束。再次，用于本地波束形成的积分时间段分为称为“波束形成时隙”或B时隙的时隙。
因此遵循：可以组合本地和远程波束形成方法二者以形成复合波束以提供准确的位置解。这最佳地显示在图3的实施例中，其中定位单元设备108与发送天线阵列104耦接，如前所述。定位接收器114还耦接到接收天线阵列302，接收天线阵列302在这种情况下包括区块元件304，区块元件304被配置在与发送天线阵列104相似的3x3矩阵中。形成发送波束122和接收波束308，以使得它们彼此跟踪，如图所示，以实质上提供定位接收器114和定位单元设备108之间的点对点通信链路。
在此实施例中，在定位接收器114的相关器中形成远程和本地波束二者。如最佳地在图4a中所示，积分时间段分为B时隙404和R时隙402二者，其中一些R时隙402可以与B时隙404重叠。因此，在一些情况下，可以参考当前激活的B时隙404并且参考当前激活的R时隙402二者修改参考信号的相位和/或增益以给出需要的复合波束。这是因为B时隙操作在本地接收天线阵列中的元件被切换到第一状态时由定位接收器114直接触发，而R时隙操作根据接收的R时隙定时并且结合发送天线阵列104的预定的切换顺序在每个信道之间被独立地触发。此定时受每个发送器和定位接收器之间的各个传播延迟的影响。
形成复合波束的过程最佳地显示在图4b的实施例中，图4b是用于使用发送侧和接收侧二者上的64个元件天线阵列的假设的定位系统的时序图。首先，注意，R时隙406对单个信道是唯一的，而B时隙408在全部信道之间是公共的。这是因为，如上所述，R时隙在每个信道之间被独立地触发，而所有B时隙由定位接收器与接收天线阵列中的元件被切换到第一状态同时触发。
参考发送天线阵列，因为码片顺序边界410慢速运转（tick over），所以在点412，发送天线的元件1被切换到第一状态，并且开始发送定位信号片段以形成下一个波束（在图4b中被表示为“波束B”）。在此点，第一R时隙开始，并且用于此信道的R时隙序列从点412向前同步。如图4b所示，施加于用于波束B的第一R时隙的参考信号的相位和/或增益偏移被表示为{B}1。
与R时隙序列同时并且异步地，接收天线阵列也切换B时隙。刚好在点412之前，接收天线阵列形成波束（表示为“波束X”）并且从接收天线阵列的元件63接收信号；施加于相对于接收信号的参考信号的偏移被表示为{X}63。在点412，定位接收器将远程发送波束视角从“波束A”更新为“波束B”，并且将本地接收波束视角从“波束X”更新为“波束Y”。这使得定位接收器停止将由{A}64表示的远程发送相位和/或增益偏移施加到参考信号并且开始将由{B}1表示的相位和/或增益偏移施加到参考信号。同时，定位接收器停止将由{X}63表示的本地接收相位和/或增益偏移施加到参考信号并且开始将用于第63个B时隙的剩余部分的由{Y}63表示的相位和/或增益偏移施加到参考信号。定位接收器然后继续根据预定的顺序切换接收天线阵列的元件，但是现在通过将由{Y}n表示的相位和/或增益偏移施加到参考信号来形成本地波束Y，并且通过将由{B}n表示的相位和/或增益偏移施加到参考信号来形成远程波束B。
在优选实施例中，组合R时隙和B时隙相位和/或增益偏移值（优选地，将相位求和并且乘以增益），如RX/TX组合的相位/增益偏移414所示。然后将组合的偏移值施加于参考信号以形成发送天线阵列和接收天线阵列之间的复合波束，如最佳地图3所示。
同步
对于本地波束形成，接收天线阵列的每个元件连接到相应的开关，相应的开关又馈入到单个RF前端以被下变频并且发送给相关器。一般地，将元件和开关互连的传输线具有相等的长度，以保证接收信号通过天线阵列馈电系统是相位相干的。但是，在一些实施例中，考虑传输线的长度的差异并且在施加相位和/或增益偏移时校正。
接收天线阵列和定位接收器，以及RF前端、包含在相关器中的电子设备和实际的开关本身之间的互连将不可避免地引起延迟。在一个实施方式中，测量此延迟为大约950ns，但是当然，本领域技术人员将理解延迟的长度将根据选择的硬件而变化。因此，相关器中的相位和/或增益操作的操作不能与元件切换到第一状态同时出现，因为必须考虑此延迟。也就是说，在此实施例中，相关器中的相位和/或增益的操作必须被延迟高达950ns。
在实际的实施方式中，接收天线阵列包含64个元件，其中具有100μs的积分时间段。因此，B时隙的时间段处于仅仅1μs或2μs的区域中，因而几乎1μs的延迟是显著的并且必须被考虑。
因此，为了本地波束形成，在考虑此950ns的延迟之后同时更新并且触发对于定位接收器114的每个相关器204的积分时间段的第一B时隙以开始。
但是，为了远程波束形成，每个相关器异步地开始，因为每个相关器基于接收定位信号的时间被单独地更新和触发。也就是说，远程波束形成所需的同步过程显著地不同于本地波束形成所需的同步。
定位单元设备108将元件切换到第一状态，其然后开始发送定位信号。定位接收器必须被同步，以使得它考虑信号在相关器中被接收之前的传播和接收器延迟，在元件106被切换到第一状态时操作参考信号的相位和/或增益。此外，在产生定位信号和通过天线发送它之间出现传输延迟，其主要是由RF调制器/放大器126引入的。实际上，此传输延迟与在接收器中引起的传输延迟相似并且通常大约为950ns。
在优选实施例中，定位单元设备的伪随机码（PRN）发生器的码片序列被用作准定时器以触发R时隙序列。此方法具有消除传播和接收器延迟的影响的附加益处，但是发送器延迟仍然必须被考虑。
对于此实施例，假定定位接收器114先验地知道发送天线阵列104的切换顺序、耦接到定位单元设备108的天线阵列104的类型、以及天线阵列104位置和朝向。因此，此信息向定位接收器114提供每个单个天线元件的精确的地理坐标。
在定位单元设备中，PRN码是随机的但是有限的二进制序列，其对于每个定位单元设备是唯一的并且在此实施例中是1023码片长。也就是说，PRN码对于给定的定位单元设备108重复每1023个码片。由于定位接收器知道接收的定位信号将是1023码片长，因此它可以定义相对于码片时间段的R时隙持续时间。
例如，如果发送天线阵列由50个元件构成，并且PRN码的序列长度是1023片，则在此实施例中，R时隙被定义为积分时间段之内的等于20片的时间段（向下舍入到最近的整数）。此外，元件106被配置为以预定的顺序与R时隙的边界码片同步地切换状态。
例如，假定元件106被设置为从元件1开始以顺序的切换序列切换，并且PRN码的码片1被设置为第一R时隙的开始。当下一个积分时间段的码片1慢速行进时，定位单元设备108将元件1切换到第一状态并且开始发送定位信号。类似地，当第21码片慢速行进时，第二R时隙开始并且定位单元设备108将元件2切换到第一状态，而将开关元件1和其它元件切换到第二状态。在第41码片处，第三R时隙开始并且元件3切换到第一状态，所有剩余元件也是如此。
如下面更详细地所述，一旦定位接收器114接收到定位信号，它就将接收的PRN码序列与内部产生的PRN码序列相关，从而使得内部产生的码序列与接收的PRN序列对准。因此，定位接收器114也被配置为对码序列中的码片“计数”以确定触发下一个R时隙的边界码片。
知道当前R时隙并且切换到第一状态的发送天线阵列104中的相关元件，定位接收器114然后可以计算合适的相位和/或增益偏移值以施加于参考信号，以便在积分时间段结束时获得指向波束122的期望的方向。
波束形成方法
使用这里公开的设备形成波束所遵循的步骤以图形方式示出在图5的流程图中。下面提供所采取的步骤的描述。
a）在步骤502，选择发送天线阵列中的在空间上分布的元件中的一个。
b）在步骤504，在步骤502中选择的元件被切换到第一状态。
c）在步骤506，在步骤504中切换到第一状态的元件开始在预定的R时隙中发送定位信号。
d）在步骤508，在相关器中产生基于要接收的已知的PRN码序列的内部参考信号，以用于与输入的定位信号混合。
e）在步骤510，与当前接收的预定的R时隙定位信号基本上同步地将预定的偏移施加于参考信号，以产生修改的参考信号。
f）在步骤512，修改的参考信号与接收的定位信号混合以产生混合信号。
g）在步骤514，在累加器中累加混合信号以产生累加信号。
h）在步骤516，选择的元件被切换到第二状态，下一个元件在下一个R时隙中被切换到第一状态，并且该过程再次从步骤502开始。
i）在步骤518，在积分时间段结束时将所有R时隙累加在一起之后，基于所有R时隙信号的值在累加器中形成波束。
j）在步骤520，使用累加的R时隙信号更新载波和码锁定环。
相关器操作
GPS位置接收器通常使用称为相关器的逻辑块来将输入的定位信号与内部产生的参考信号相关。参考图6，在相关器204中，输入的定位信号与两个内部产生的参考信号混合。第一参考信号是由载波NCO608产生的载波参考信号。将载波参考信号与输入的定位信号混合产生表示载波参考信号和输入的信号之间的相位和频率差的误差信号。第二参考信号是码参考信号，其在此实施例中由码NCO616产生。一旦输入的定位信号已被与载波参考信号混合，输入的定位信号就与码参考信号混合，其产生表示码参考信号和输入的定位信号之间的时间延迟的误差信号。
为简单起见，图6仅仅显示定位接收器的单个接收信道。但是，本领域技术人员将理解，现代接收器通常包括多于单个接收信道，其中每个信道通常包括多于一个相关器。
在图6中，在输入端602处接收输入的定位信号，并且通过在混合器604和606中将输入的信号与参考载波信号混合来除去载波分量，以产生同相（I）和正交相（Q）采样数据。分别在载波NCO608以及分立的正弦和余弦映射功能610和612中合成参考载波信号。此除去过程产生如图所示的I和Q信号。在操作中，载波NCO由载波锁定环614控制。载波锁定环的目的是保持由载波NCO产生的参考信号和输入的位置信号之间的相位误差为零或尽可能接近零。当相位误差为零时，信号可以说被“相位锁定”并且I信号处于最大值而Q信号几乎为零。此操作也称为“相位锁定环”（PLL）操作。
I和Q信号然后与参考码信号相关，参考码信号在此实施例中在码NCO616中合成。为了简化起见，在此实施例中合成仅仅一个参考码信号。但是，本领域技术人员将认识到，在大多数定位接收器中，合成多于一个码参考信号。例如，在一个应用中，三个码参考信号–早期、即时和后期信号–被合成并且分别与I和Q信号单独地相关。
相关器204在混合器614和620中将内部合成的码参考信号与输入的I和Q信号混合。在操作中，码NCO616由码锁定环626控制。码锁定环的目的是保持内部产生的码参考信号和输入的码定位信号之间的时间误差为零或尽可能接近零。当时间误差为零时，信号可以说被“码锁定”。此操作也称为“延迟锁定环”（DLL）操作。
也就是说，码锁定环626的操作与载波锁定环614相似。当参考信号码相位与输入的定位信号码相位完全对准时，获得最大相关性。
然后在积分时间段内在累加器622和624中将结果的混合信号积分，以提供Ip和Qp信号，其随后由处理器206访问来用于跟踪环操作。
积分时间段是指累加接收信号的时间长度，并且传统上基于卫星的伪随机码噪声长度或其倍数来确定。在GPS中，此码时间段是1ms，从而接收器中的积分时间段也通常被设置为1ms或更大。
相位和/或增益偏移
在优选实施例中，在载波参考信号由载波NCO608合成之后并且在合成的载波参考信号与输入的定位信号的载波分量混合之前，在点628处插入用于操作发送的定位信号的相位和/或增益的相位和/或增益偏移，以完成载波锁定环614。在此优选实施例中，将相位偏移与合成的载波参考信号求和，并且将增益偏移乘以合成的载波参考信号。通过修改在相关器的积分时间段之内合成的载波参考信号来实现输入的定位信号的操作，因此不干扰载波NCO608或载波锁定环614的正常操作。然后以通常的方式将修改的参考信号与输入的定位信号混合，并且在积分时间段内在累加器中将混合信号积分以产生累加信号。
如本领域技术人员所知的，波形的积分简单地是波形的样本在给定的时间段（在这种情况下，为积分时间段）内的求和。因此，结果的混合信号（通过将输入信号和参考信号混合而产生）的积分简单地是该信号的样本在一时间段–其在如上所述的实施例中的一个中是1ms的积分时间段–内的求和。
在一个实施例中，以75MHz的速率接收定位信号，然后将样本与修改的参考信号混合，所述修改的参考信号也以75MHz合成。因此，对于积分时间段是由10个R时隙构成的1ms的设想方案，每个R时隙的持续时间是100μs，因此包含输入的定位信号的7,500个样本。这些7,500个样本的每一个依次与修改的参考信号混合以形成混合信号。修改的参考信号基于施加于参考信号的相位和/或增益偏移，该参考信号由相关器的载波NCO产生。具体地，对于输入的定位信号的、与处于第一状态的天线元件同步的7,500样本的每个块，通过将相位和/或增益偏移施加到载波NCO的输出来修改参考信号。此修改的输出然后乘以（混合）输入的定位信号样本。这些混合信号按照正常的相关器操作然后被传递通过码NCO混合器，然后在累加器中求和以形成累加信号。因此，在整个1ms的积分时间段内，将75,000个样本求和并且存储在累加器中，这些样本合并十个R时隙块，每个R时隙块包括7,500个修改的样本。换句话说，这十个R时隙每个包含7,500个修改的样本，在累加过程中将每个样本相加在一起，因此在积分时间段结束时75,000个累加的样本表示期望的波束122。如图6所示，在与定位接收器114耦接的全向天线112的方向上指向期望的波束。
一旦相位和/或增益操作被正确地施加于参考信号并且与从相应的元件接收到的信号混合，然后就在累加器中组合结果的混合信号（求和过程）以产生累加信号，从而在相关器中形成期望的波束。然后在相关器中按照如上所述的正常的PLL操作处理此累加信号。由载波NCO608合成的载波参考信号在积分时间段期间不改变，而是仅仅在积分时间段结束时由载波锁定环614更新。因此，对公共的载波NCO608值施加在积分时间段之内对参考信号的相位和/或增益修改，并且该修改不能被PLL或DLL检测到。PLL和DLL按照正常操作，不知道发生的操作。
通过描述的实施例，传统的相关器的使用可适配为控制每相关器信道唯一的波束的方向和宽度，从而允许形成多个同时的波束。能够被形成的波束的数目等于可用的相关器信道的数目。这是因为相关器已经包含用于混合和积分信号的逻辑-这些简单地被适配为除了相关以外的使用。
虽然如上所述的实施例在相关器电路中的点628处将偏移施加到增益和相位二者，但是在其它实施例中，在电路的其它部分中提供用于施加增益偏移的附加乘法器。例如，可以在载波NCO混合器和码NCO混合器之间的同相和正交相路径中增加乘法器以提供增益操作。类似地，也可以在相关器电路中的其它部分处施加相位偏移。例如，可以向码NCO的输出增加相位偏移。
在优选实施例中，根据需要并且在需要时在硬件中计算用于在任何给定方向形成发送波束122（图3的）的相位和/或增益偏移。定位接收器的处理器206确定需要的波束的方向，并且在积分时间段内的每个R时隙中计算对于每个元件的正确的相位和/或增益偏移以在期望方向形成波束，并且在点628处插入必需的偏移，以使得在定位接收器114的方向形成波束。还注意，获得并且插入对于发送波束的相位和/或增益偏移必须基本上与接收R时隙同步，以使得在积分时间段内正确地操作相位和/或增益。
类似地，也计算用于在任何给定方向形成（图3的）本地接收波束308的相位和/或增益偏移。处理器206确定发送波束122的方向，在积分时间段内计算在每个B时隙中对于接收天线阵列302的每个元件的正确的相位和/或增益偏移（图3的）以在与发送波束122对应的方向形成接收波束308，并且在点628处插入必需的偏移以使得在合适的方向形成波束。获得并且插入对于接收波束308的相位和/或增益偏移必须基本上与本地天线阵列的相应的元件304切换到第一状态同步，以使得在积分时间段内正确地操作相位和/或增益。
在其它实施例中，用于在任何给定方向形成远程发送波束122和本地接收波束308二者的相位和/或增益偏移是预定的，并且存储在（图2的）可由处理器206访问的数据库208中。偏移数据的格式可以采取许多形式，诸如偏移表。处理器206确定需要的波束的方向，访问数据库208以获得在积分时间段内对于每个元件的正确的相位和/或增益偏移以在期望方向形成波束，并且在点628处插入必需的偏移，以使得在合适的方向形成波束。
天线阵列包含的元件的数目是用于形成窄波束的一个准则。其它同样重要的准则包括相位和/或增益偏移的计算速度和元件的物理间隔。例如，在具有60个元件的实施例中，将要形成波束的每个方向必须具有60个增益偏移和60个相位偏移，在此实施例中在硬件中实时地计算这些增益偏移和相位偏移。
元件的物理间距也重要以便产生元件之间的相位差。实际上，元件的物理间距使得定位信号能够以固有地不同的相位被发送。元件之间的半波长间距提供具有最小栅瓣（grating blob）的最大相位。那些相位的操作，例如如上所述的与修改的参考信号混合，允许波束在期望的方向形成。
在特别优选实施例中，元件106以多于二维的配置在空间上分布，以使得设备可以在多于二维形成波束。在很大程度上，可能形成波束的方向取决于使用的元件。例如，由区块元件构成的平面阵列将能够以半球形形成波束，并且由单极子构成的平面阵列将能够在平面中形成波束。
到达角对发送角
传统上，到达角解通过估计到达基站的信号相对于参考方向（诸如地理北）的角来求出。多个接收元件在空间上分布在基站处，并且执行相位比较以确定从用户终端发送的信号的到达角。如果许多这样的基站可用，则可以通过基站的网络使用角的交点计算用户终端的位置。但是，此技术仅仅允许网络执行位置计算，而不允许用户终端。用户终端不知道它自己的位置。
但是，本发明克服此局限性，并且使得位置接收器可以使用为了讨论的目的被称为“发送角”的事项计算它自己的位置。概念上，可以按照与到达角类似的方式使用从定位单元设备发送定位信号的角（如果已知的话）以计算定位接收器的位置。但是，由于通常广播定位信号以使得多个定位接收器可以访问信号并且计算它们相应的位置，因此不可以计算“发送角”。
但是，在本发明中，定位接收器可以从在定位接收器自身处引导的发射源形成波束。因此，在发送阵列的朝向先验地已知的情况下，可以从每个发射源确定发送角。位置接收器随后使用多个地理上分布的信号源来使用角的交点计算位置。此外，在一个实施例中，定位接收器仅仅配备有简单的全向天线。在这样的实施例中，定位接收器不可能使用诸如到达角之类的标准的角方法计算它的位置。代之以必须依赖于来自于发送源的波束的角。
说明性的实施例
为了说明性的目的，现在将使用最简单的天线阵列–仅仅具有两个元件的阵列，如图7a和7b所示–描述本发明。但是，本领域技术人员将能够在不用附加的发明能力的情况下将这里的教导修改为具有以多维形状在空间上分布的很多元件的天线阵列。
在此说明性的实施例中，元件702和704是四方之一波长的单极子。将两个元件彼此在空间上离开半波长放置在已知的地理位置处，并且相位相干的信号由每个元件发送。当由两个元件发送的信号被求和在一起时，元件的相应的全向增益图案组合，以使得从元件的二维地形图形成图形8的波束图，如图7a所示。在此配置中，来自于元件702和704的宽边方向的输出的定位信号是同相的，因此被相长求和，而来自于元件的端射方向的信号不同相，因此被抵消。
相位操作
在本发明中，可以将图形8旋转90°，以使得在端射方向指向最大增益，如图7b所示。这通过在位置接收器的积分时间段之内操作元件702和元件704的相位和/或增益来实现。元件702和元件704每个连接到开关，以使得任一元件可以通过定位单元设备在第一和第二状态之间切换，并且信号的求和出现的积分时间段分成两个R时隙。
由于元件702和704之间的相位分离是已知的，因此可以操作元件中的一个的相位，以使得从端射方向发送的波被相长求和而不是相消求和。在这种情况下，因为元件相隔半波长，所以在元件704处需要的相位操作是180°。类似地计算每个方向所需的相位操作以构造偏移表。为了简化起见，增益偏移被设置为1，并且可以调整波束的方向限于宽边方向或者端射方向。下面提供合并这些限制的示例偏移表。
为了在端射方向形成波束，元件702和704以预定的顺序被切换到第一状态。首先，在发送端，元件702被切换到第一状态并且开始发送定位信号。当在接收器端处接收到来自于元件702的信号时，第一R时隙开始并且相位偏移在累加器中累加的同时被保持在0°-不必需操作，因为此元件已经在0°。接着，元件704具有在端射方向相对于元件702的180°的接收相位，并且期望定位信号的相位在此方向与元件704相长求和。因此，当定位接收器在第二R时隙中接收到定位信号时，必须将180°的相位偏移添加到从元件704接收到的信号，以使得从元件704发送的信号变得与元件702相位相干。在累加过程中将两个R时隙求和在一起，因此在积分时间段结束时的累加值表示端射波束。
本领域技术人员将理解，在本发明中，可以根据偏移表的复杂度在任何方向形成图形8波束。
对于在此简单示例中的两个元件，1的增益偏移（单位增益）乘以输入的定位信号，因此不修改形成的波束。合适的增益偏移允许对波束的形状的修改，从而允许栅瓣的减轻，其在相控阵列的领域中为大家所熟知并且不是本发明的主题。
如上所述，必须与从被切换到第一状态的元件接收到定位信号基本上同步地施加相位操作；否则不会正确地形成波束的增益图案。
根据本发明的实施例，定位信号从第一元件开始发送。在定位接收器获取此定位信号之后，定位接收器相关器之内的载波NCO合成基本上与定位信号相似的参考信号。
定位接收器确定它相对于定位单元设备处于端射方向，因此做出在该方向形成波束的决定。接收器处理器计算并且确定在积分时间段期间的对应于元件702的第一R时隙不需要偏移。类似地，处理器确定在对应于元件704的第二R时隙期间需要180°或1/2λ的偏移。在向载波NCO施加每个偏移以产生修改的参考信号之后，按照相关器的正常操作在混合器中混合输入的定位信号和修改的参考信号并且在累加器中累加。
通过将接收的定位信号与由载波NCO608以及分立的正弦和余弦映射功能610和612合成的载波参考信号混合，将接收的定位信号拆成它的同相和正交相分量，如图6所示。但是，在修改的参考信号与接收的定位信号混合之前，处理器确定定位接收器处于定位单元设备的端射方向。对于对应于定位接收器从元件702接收定位信号的时间的第一R时隙，处理器计算不需要偏移因此不必需对参考信号的修改。因此允许累加按照正常的相关器操作进行。也就是说，在混合器604和606中将未修改的参考信号与接收的定位信号混合以产生混合信号，然后与码参考信号混合，并且随后在累加器622和624中累加。
对于第二R时隙，处理器计算需要180°的相位偏移。当第二R时隙开始并且接收到来自于元件704的定位信号时，将偏移施加于当前载波参考信号相位值以产生修改的参考信号。在R时隙的持续时间期间连续地向载波NCO值施加相位偏移。将修改的参考信号与接收的定位信号混合以产生混合信号，然后与码参考信号混合，并且随后在累加器622和624中与第一R时隙的值累加以产生累加信号。因此在累加过程中将两个R时隙求和在一起，因此在积分时间段结束时的累加值表示端射波束。
注意，由载波NCO608合成的载波参考信号在积分时间段期间不改变，而是仅仅在积分时间段结束时由载波锁定环614更新。
在这里讨论的实施例中，在积分时间段的整个持续时间内在累加器中产生累加信号。但是，在其它实施例中，每个R时隙在它自己的各个累加器中被累加，累加器的最小数目与需要的R时隙的最小数目对应。在这些实施例中，通过组合各个累加器中的信号获得累加信号。
在讨论的实施例中，在积分时间段之内的任何时刻，仅仅一个元件可以处于第一状态。因此，当元件704被切换到第一状态时，元件702被同时切换到第二状态。
在经历码锁定环626之后，在累加器622和624中积分混合信号以产生累加信号。由于对信号的操作串行地发生，因此混合信号的积分实际上是无穷多的修改的信号在积分时间段内的求和。因此，累加信号表示在期望的方向形成的新的波束。
优点、应用和用途
如上所述，天线阵列和开关电路耦接到定位单元设备，而在物理上分开的定位接收器执行需要的PVT解以确定接收器的位置。由于发送天线阵列的元件被切换到第一状态的顺序是预定的，发送天线阵列类型和朝向是已知的，并且定位接收器位置可以是确定的，因此在每个相关器信道中形成的波束可以朝向定位接收器以最大化由定位接收器接收到的输入信号的增益同时衰减来自于其它方向的信号，因此减轻多径效应。
诸如GPS之类的当前定位技术在能够直接访问三个或四个定位信号的环境中工作得很好。但是，由于多径的普遍，现有的系统在封闭的环境中不那么有用。
限制多径的一个解决方案是通过使用天线阵列形成波束。如在PCT/AU2010/000839中讨论的，天线阵列与定位接收器耦接以形成波束以经由简单的全向天线接收从定位单元设备发送的定位信号。
本说明书描述两个附加的定位网络拓扑：
1)使用与定位单元设备耦接的天线阵列来形成指向定位接收器的远程波束，所述定位接收器使用简单的全向天线接收信号；以及
2)使用耦接到定位单元设备和定位接收器二者的天线阵列来产生如图3所示的“复合”波束。
在一些实施例中，组合这两个附加的拓扑以提供可分级的定位系统。例如，当将定位接收器集成到诸如蜂窝或移动电话之类的便携式设备中时，它可以利用简单的全向天线，假如定位单元设备与被配置为根据本发明形成波束的天线阵列耦接。当需要更准确的定位解或在定位单元设备不配备有合适的天线阵列的环境中时，外部天线阵列可以被配置为便携式设备的附加物以用于定位应用。可以使得这样的外部天线阵列根据需要的定位解的准确度并且考虑与定位网络中的定位单元设备耦接的天线阵列的尺寸和类型来改变大小。
波束的紧密度与元件的数目，因此天线阵列的物理尺寸，成比例。因此，由此可见，如果与定位单元设备耦接的天线阵列大，则与定位接收器耦接的天线阵列可以成比例地小，反之亦然。
虽然已经参考特定示例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明可以用许多其它形式实施。
在下面的权利要求书和这里的说明书，术语“包括”、“由构成”或“其包括”中的任何一个是意指至少包括随后的元件/特征的开放术语，而不排除其它。因而，术语“包括”在用在权利要求书中时不应该被解释为限制其后列出的装置或元件或步骤。例如，表达包括A和B的设备的范围不应该限于设备仅仅由元件A和B组成。这里使用的术语“包括”、“其包括”或“其包括”中的任何一个也是意指至少包括随后的元件/特征的开放术语，而不排除其它。因而，“包括”与“包含”是同义的并且意思是相同的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于在天线阵列处远程形成波束的设备，该设备包括：
天线阵列，具有多个在空间上分布的元件；
定位单元设备，与所述天线阵列耦接，所述定位单元设备被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；和
接收器，被配置为从所述天线阵列接收所述定位信号，所述接收器具有处理器，所述处理器用于产生参考信号、将所述定位信号与修改的参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的积分时间段内将混合信号求和以产生累加信号，其中在将所述参考信号与所述接收的信号混合之前修改所述参考信号，以使得所述累加信号指示天线阵列的波束的方向和大小。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述接收器包括至少一个具有相关器的接收信道，其中所述相关器被配置为与所述预定的顺序基本上同步地选择性地操作所述参考信号的相位和/或增益。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述定位信号包括在预定义的码片时间段之内具有唯一的码片序列的伪随机码，所述唯一的码片序列用于提供所述基本上的同步。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述预定的积分时间段分为多个子积分时间段，其中对于所述子积分时间段的持续时间，所述元件的每一个被切换到所述第一状态。
5.根据权利要求4所述的设备，其中每个所述元件到所述第一状态的切换与所述唯一的码片序列内的码片边界对准，其中所述子积分时间段被同步以在下一个码片时间段中与所述码片边界同时开始。
6.根据权利要求4所述的设备，其中每个子积分时间段被配置为访问用于存储所述定位信号的相应的累加器，其中每个所述相应的累加器与所述修改的参考信号混合以产生所述混合信号。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述预定的积分时间段内的每个子积分时间段的持续时间是动态可调整的，以使得从一个或多个元件发送的定位信号被选择性地排除与所述参考信号混合。
8.根据权利要求2所述的设备，其中所述相位和/或增益的操作通过分别向所述参考信号施加相位和/或增益偏移来实现，其中根据所述预定的顺序计算所述相位和/或增益偏移的值。
9.根据权利要求2所述的设备，其中所述相关器包括载波数控振荡器（NCO），并且所述参考信号在所述载波NCO中被合成。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述相位和/或增益偏移的值由所述处理器实时地计算。
11.根据权利要求8所述的设备，其中所述相位和/或增益偏移的值被提前计算并且存储在可用于由所述处理器检索的数据库中。
12.根据权利要求1所述的设备，其中在所述第一状态中，所述元件是激活的，并且在所述第二状态中，所述元件是非激活的。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述天线元件以三维配置在空间上分布，以使得该设备可以在一个或多个维度中形成波束。
14.根据权利要求1所述的设备，其中每个接收器包括多个接收信道，其中每个接收信道可适配为形成至少一个波束。
15.根据权利要求1所述的设备，其中切换到第二状态的元件被配置为是非谐振的，以使得改善相互耦合的影响。
16.一种用于在天线阵列处远程形成波束的设备，该设备包括：
天线阵列，具有多个在空间上分布的元件；
定位单元设备，与所述天线阵列耦接，所述定位单元设备被配置为
a）以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送修改的定位信号；以及
b）与所述预定的顺序基本上同步地合成定位信号并且修改所述定位信号，以产生修改的定位信号；以及
接收器，被配置为从所述天线阵列接收所述修改的定位信号，所述接收器具有处理器，所述处理器用于产生参考信号、将所述修改的定位信号与所述参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的时间段内将混合信号求和以产生累加信号，以使得所述累加信号指示所述天线阵列的波束的方向和大小。
17.一种用于在天线阵列之间形成复合波束的系统，该系统包括：
发送天线阵列，具有多个在空间上分布的元件，所述发送天线阵列耦接到定位单元设备，所述定位单元设备被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
接收天线阵列，具有多个在空间上分布的元件，所述接收天线阵列耦接到定位接收器，所述定位接收器被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为接收定位信号；以及
所述定位接收器具有处理器，所述处理器被配置为：
从所述发送天线阵列接收所述定位信号，
合成参考信号：
与所述发送天线阵列和接收天线阵列的所述元件切换到第一状态基本上同步地修改所述参考信号以产生修改的参考信号；
将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
在预定的时间段内将混合信号求和以产生累加信号，以使得所述累加信号指示所述发送天线阵列和接收天线阵列的所述波束的方向和大小。
18.一种用于在天线阵列处形成波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备处以预定的顺序将所述天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
b）在接收器处接收定位信号；
c）在接收器的相关器中产生用于与所述定位信号相关的参考信号；
d）与接收所述定位信号基本上同步地将预定的偏移施加到所述参考信号以产生修改的参考信号；
e）将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
f）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述天线阵列的所述波束的方向和大小。
19.一种用于在天线阵列之间形成复合波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备处以预定的顺序将发送天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
b）在定位接收器处以预定的顺序将接收天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为接收定位信号；
c）在定位接收器处接收定位信号；
d）在所述定位接收器的相关器中产生用于与所述定位信号相关的参考信号；
e）与所述发送和接收天线阵列的所述元件切换到第一状态基本上同步地修改所述参考信号以产生修改的参考信号；
f）将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
g）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述发送天线阵列和接收天线阵列的所述波束的方向和大小。
20.一种用于在天线阵列处形成波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备中合成定位信号；
b）在定位单元设备处以预定的顺序将所述天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送修改的定位信号；
c）与所述元件中的一个切换到第一状态基本上同步地将预定的偏移施加到所述定位信号以产生修改的定位信号；
d）在接收器处接收所述修改的定位信号；
e）在接收器的相关器中产生用于与所述修改的定位信号相关的参考信号；
f）将所述修改的定位信号与所述参考信号混合以产生混合信号；以及
g）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述天线阵列的所述波束的方向和大小。

Claims (19)

1.一种用于在天线阵列处远程形成波束的设备，该设备包括：
天线阵列，具有多个在空间上分布的元件；
定位单元设备，与所述天线阵列耦接，所述定位单元设备被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；和
接收器，被配置为从所述天线阵列接收所述定位信号，所述接收器具有处理器，所述处理器用于产生参考信号、将所述定位信号与修改的参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的积分时间段内将混合信号求和以产生累加信号，其中在将所述参考信号与所述接收的信号混合之前修改所述参考信号，以使得所述累加信号指示天线阵列的波束的方向和大小。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述接收器包括至少一个具有相关器的接收信道，其中所述相关器被配置为与所述预定的顺序基本上同步地选择性地操作所述参考信号的相位和/或增益。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述定位信号包括在预定义的码片时间段之内具有唯一的码片序列的伪随机码，所述唯一的码片序列用于提供所述基本上的同步。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述预定的积分时间段分为多个子积分时间段，其中对于所述子积分时间段的持续时间，所述元件的每一个被切换到所述第一状态。
5.根据权利要求4所述的设备，其中每个所述元件到所述第一状态的切换与所述唯一的码片序列内的码片边界对准，其中所述子积分时间段被同步以在下一个码片时间段中与所述码片边界同时开始。
6.根据权利要求4所述的设备，其中每个子积分时间段被配置为访问用于存储所述定位信号的相应的累加器，其中每个所述相应的累加器与所述修改的参考信号混合以产生所述混合信号。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述预定的积分时间段内的每个子积分时间段的持续时间是动态可调整的，以使得从一个或多个元件发送的定位信号被选择性地排除与所述参考信号混合。
8.根据权利要求2所述的设备，其中所述相位和/或增益的操作通过分别向所述参考信号施加相位和/或增益偏移来实现，其中根据所述预定的顺序计算所述相位和/或增益偏移的值。
9.根据权利要求2所述的设备，其中所述相关器包括载波数控振荡器（NCO），并且所述参考信号在所述载波NCO中被合成。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述相位和/或增益偏移的值由所述处理器实时地计算。
11.根据权利要求8所述的设备，其中所述相位和/或增益偏移的值被提前计算并且存储在可用于由所述处理器检索的数据库中。
12.根据权利要求1所述的设备，其中在所述第一状态中，所述元件是激活的，并且在所述第二状态中，所述元件是非激活的。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述天线元件以三维配置在空间上分布，以使得该设备可以在一个或多个维度中形成波束。
14.根据权利要求1所述的设备，其中每个接收器包括多个接收信道，其中每个接收信道可适配为形成至少一个波束。
15.根据权利要求1所述的设备，其中切换到第二状态的元件被配置为是非谐振的，以使得改善相互耦合的影响。
18.一种用于在天线阵列处远程形成波束的设备，该设备包括：
天线阵列，具有多个在空间上分布的元件；
定位单元设备，与所述天线阵列耦接，所述定位单元设备被配置为
a）以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送修改的定位信号；以及
b）与所述预定的顺序基本上同步地合成定位信号并且修改所述定位信号，以产生修改的定位信号；以及
接收器，被配置为从所述天线阵列接收所述修改的定位信号，所述接收器具有处理器，所述处理器用于产生参考信号、将所述修改的定位信号与所述参考信号混合以产生混合信号，并且在预定的时间段内将混合信号求和以产生累加信号，以使得所述累加信号指示所述天线阵列的波束的方向和大小。
19.一种用于在天线阵列之间形成复合波束的系统，该系统包括：
发送天线阵列，具有多个在空间上分布的元件，所述发送天线阵列耦接到定位单元设备，所述定位单元设备被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
接收天线阵列，具有多个在空间上分布的元件，所述接收天线阵列耦接到定位接收器，所述定位接收器被配置为以预定的顺序在第一和第二状态之间切换所述天线元件，其中在所述第一状态中，所述元件被配置为接收定位信号；以及
所述定位接收器具有处理器，所述处理器被配置为：
从所述发送天线阵列接收所述定位信号，
合成参考信号：
与所述发送天线阵列和接收天线阵列的所述元件切换到第一状态基本上同步地修改所述参考信号以产生修改的参考信号；
将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
在预定的时间段内将混合信号求和以产生累加信号，以使得所述累加信号指示所述发送天线阵列和接收天线阵列的所述波束的方向和大小。
20.一种用于在天线阵列处形成波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备处以预定的顺序将所述天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
b）在接收器处接收定位信号；
c）在接收器的相关器中产生用于与所述定位信号相关的参考信号；
d）与接收所述定位信号基本上同步地将预定的偏移施加到所述参考信号以产生修改的参考信号；
e）将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
f）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述天线阵列的所述波束的方向和大小。
20.一种用于在天线阵列之间形成复合波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备处以预定的顺序将发送天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送定位信号；
b）在定位接收器处以预定的顺序将接收天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为接收定位信号；
c）在定位接收器处接收定位信号；
d）在所述定位接收器的相关器中产生用于与所述定位信号相关的参考信号；
e）与所述发送和接收天线阵列的所述元件切换到第一状态基本上同步地修改所述参考信号以产生修改的参考信号；
f）将所述定位信号与所述修改的参考信号混合以产生混合信号；以及
g）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述发送天线阵列和接收天线阵列的所述波束的方向和大小。
21.一种用于在天线阵列处形成波束的方法，该方法包括步骤：
a）在定位单元设备中合成定位信号；
b）在定位单元设备处以预定的顺序将所述天线阵列的在空间上分布的元件从第二状态切换到第一状态，其中，在所述第一状态中，所述元件被配置为发送修改的定位信号；
c）与所述元件中的一个切换到第一状态基本上同步地将预定的偏移施加到所述定位信号以产生修改的定位信号；
d）在接收器处接收所述修改的定位信号；
e）在接收器的相关器中产生用于与所述修改的定位信号相关的参考信号；
f）将所述修改的定位信号与所述参考信号混合以产生混合信号；以及
g）在积分时间段内将所述混合信号累加以产生累加信号，其中所述累加信号指示所述天线阵列的所述波束的方向和大小。
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