CN106291458B - 用于移动平台中发射器地理定位的方法和装置 - Google Patents

用于移动平台中发射器地理定位的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于移动平台中发射器地理定位的方法和装置。本文描述的是基于由便携设备接收的原始射频(RF)信号实现直接估计发射器的位置的架构、平台和方法。数学运算(诸如最大似然估计(MLE)算法，其利用从接收的原始RF信号收集的瞬象作为变量)被实施来执行直接估计。

Description

用于移动平台中发射器地理定位的方法和装置
技术领域
本申请一般地涉及用于定位的方法和装置，更具体地涉及用于移动平台中发射器地理定位的方法和装置。
背景技术
被应用于便携设备的越来越多的无线通信标准和朝向更小、更薄和更轻的便携设备的趋势可以导致多个天线或一个天线(下面在该文件中被称为天线)的设计挑战。天线代表可以与便携设备中的其它组件根本不同的一类组件。例如，天线可以被配置为在自由空间中有效地辐射，但是其它组件或多或少地与它们的周围隔离。
对于高数据速率短程链路，以毫米波(mm波)频率工作的天线被期望得到普及。此系统的一个示例被称为无线WiGig，其在60GHz频带上工作并且利用波导结构在该工作频率上发送或接收射频(RF)信号。估计无线发射器位置的当前天线设计可能需要在天线阵列的全部天线信道中低效使用多个模拟数字(A/D)采样器(如每个天线信道一个A/D采样器)。如此，需要提高估计准确度，尤其当在发射器位置估计期间包括弱发射信号时。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种估计发射器位置的方法，该方法包括：由至少一个天线阵列接收射频(RF)信号；在所述至少一个天线阵列的每个元件上相位偏移所接收的RF信号；组合被相位偏移的RF信号并且将组合的被相位偏移的RF信号转换成基带信号；将所述基带信号转换成数字基带信号；以及生成所接收的数字基带信号的瞬象(snapshot)，使用最大似然估计(MLE)运算生成估计的发射器位置。
根据本公开的另一方面，提供了一种设备，包括：至少一个天线阵列，该至少一个天线阵列被配置为接收射频(RF)信号；配置给所述至少一个天线阵列的每个元件的相位偏移器组件，该相位偏移器组件被配置为在所述至少一个天线阵列的每个元件上相位偏移所接收的RF信号；第一组合器组件，该第一组合器组件被配置为组合被相位偏移的RF信号；转换器组件，该转换器组件被配置为将组合的被相位偏移的RF信号转换成基带信号；模数(A/D)转换器组件，该模数(A/D)转换器组件被配置为将所述基带信号转换成数字基带信号；以及位置估计器组件，该位置估计器组件被配置为生成所接收的数字基带信号的瞬象，使用最大似然估计(MLE)运算生成估计的发射器位置。
附图说明
具体实施方式参考附图被描述。在图中，参考标号的最左边数字标识该参考标号首次出现的附图。全部附图中所使用的相同编号指类似的特征和组件。
图1是如本文呈现的实施方式中所描述的在毫米波无线通信期间毫米波(mm波)便携设备的示例布置。
图2是如本文呈现的实施方式中所描述的被配置为实现直接估计特定发射器位置的示例接收器电路。
图3是图示了用于通过便携设备实现直接估计发射器位置的示例方法的示例流程图。
具体实施方式
本文描述的是基于由便携设备接收的原始射频(RF)信号直接估计发射器的位置的架构、平台和方法。例如，直接估计可以是基于由便携设备平台内的至少一个天线阵列接收的原始RF信号。在该示例中，数学运算(诸如最大似然估计(MLE)算法，其利用从接收的原始RF信号收集的瞬象作为变量)被实施来执行直接估计。在此情况下，初始估计和使用到达角(AOA)作为随后估计发射器位置的基础的典型需要被忽略。
作为本文描述的示例实施方式，RF信号通过便携设备平台内的(一个或多个)天线或不同天线阵列的元件被接收。对于天线阵列中的每个天线，接收的RF信号被相位偏移。例如，相位偏移来自哈达玛(Hadamard)矩阵的行。
对于在天线阵列的每个天线上被相位偏移的接收的RF信号，组合步骤被实施以收集被相位偏移的接收的RF信号并且将其合并成一个接收的RF信号。接收的RF信号然后被转换成基带信号输出，并且基带信号输出通过每个天线阵列的单个A/D转换器被转换成数字基带信号。
在之后，每个天线阵列的数字基带信号的瞬象被获得，并且全部天线阵列的多个瞬象被收集以获得“N”个瞬象。如本文中所描述的，MLE算法利用“N”个瞬象来产生最终发射器位置。
图1是如本文呈现的实施方式中所描述的便携设备的示例布置100。便携设备例如可以利用具有毫米波波导结构的天线阵列来实现在WiGi频带(如60GHz)上的视线(LOS)无线通信。在该示例中，天线阵列可以被进一步用来帮助估计发送天线或设备的位置(例如方位和/或海拔)。
如所示的，布置100示出了具有多个天线阵列104-2、104-4和104-6的便携设备102和具有单个天线阵列108的另一便携设备106。布置100进一步示出了具有天线阵列112-2和112-4的接入点(AP)110。
便携设备102可以包括但不限于：平板电脑、上网本、笔记本电脑、膝上型计算机、移动电话、蜂窝电话、智能电话、个人数字助理、多媒体播放设备、数字音乐播放器、数字视频播放器、导航设备、数码相机等等。
由于便携设备102或104在WiGi工作频率操作的特征或能力，便携设备102或104被认为是毫米波便携设备。便携设备102例如利用天线阵列104-2与其它便携设备106或AP110进行LOS无线通信。在另一示例中，便携设备102利用天线阵列104-2和104-4从AP 110接收RF信号。在这些示例中，每个天线阵列104可以位于毫米波波导结构的开口端。
如本文所描述的，天线阵列104具有对便携设备102的已知定向(orientation)。例如，天线阵列104-2被最佳地布置在至少一条边缘上并且在便携设备平台内与另一天线阵列104-4成一定距离(如等于或小于半波长)。在该示例中，天线阵列104的已知定向可以在直接估计发射器位置(诸如发射AP 110或便携设备106的位置)期间被用于数学运算。
例如，便携设备102检测并接收来自AP 110和/或便携设备106的RF信号。在该示例中，天线阵列104的定向可以由便携设备102内的陀螺仪传感器(未示出)获得并且该定向被用作数学运算中的参考变量来计算和区分发射AP 110和/或便携设备106的估计位置。
虽然示例布置100以有限的方式示出了在便携设备102和106之间毫米波无线通信的基本组件，但是其它组件(诸如电池、一个或多个处理器、SIM卡等)未被描述以便简化本文描述的实施例。
图2示出了被配置为实现直接估计特定发射器位置的示例接收器电路200。接收器电路200例如形成便携设备102平台的一部分并且被配置为估计发射AP 110的位置。在该示例中，发射AP 110发送由便携设备102接收的RF信号。
如图2的总体概述，RF信号例如通过第一天线阵列104-2被接收；使用哈达玛矩阵被相位偏移；被降频转换成基带信号；并且使用每个天线阵列的单个A/D转换器被转换成数字基带信号。之后，数学运算被执行以获得接收的RF信号的模型，其包括在第一天线阵列104-2中接收的数字基带信号的第一组“n”个瞬象。
针对通过第二天线阵列104-4接收的RF信号执行类似运算(如前面所讨论的)以获得第二组“n”个瞬象，其是通过第二天线阵列104-4接收的数字基带信号的模型。在收集从每个天线阵列104获得的全部“n”个瞬象以获得总“N”个瞬象之后，数学运算(诸如MLE算法)被执行以计算发射AP 110的估计位置。
继续参考图2，接收器电路200包括针对第一天线阵列104-2和第二天线阵列104-4的单个信号处理运算。为了说明，来自发射AP 110的RF信号被假设通过但不限于天线阵列104-2和104-4接收。基于接收的RF信号，本文描述的数学运算可以直接帮助估计发射AP110的位置(如横坐标(x)、纵坐标(y)和/或角(z)定向)。
对于天线阵列104-2，RF信号可以通过天线202-2、202-4、…、202-m被检测和接收，其中“m”可以指天线阵列104-2中的天线或元件的数目。对于在天线202-2、202-4、…、202-m中的每个天线接收的RF信号，带通滤波器(BPF)204和低噪声放大器(LNA)206可以分别过滤和放大每个天线202-2、202-4、…、202-m接收的RF信号。之后，来自相应LNA 206的每个放大(和过滤)的RF信号通过相位偏移器组件208被相位偏移，该相位偏移器组件208将每个LNA206的放大的RF信号与相位偏移或加权向量210组合以生成被相位偏移(放大)的RF信号。
如本文描述的，相位偏移或加权向量210可以包括如下定义的哈达玛矩阵(即+-1)：
其中变量是相位偏移或加权向量210；指Kronecker矩阵积；“em”变量是M×1向量，其第m个条目是1并且其剩余条目是0。
对于来自每个相位偏移或加权向量210的被相位偏移的RF信号输出，第一组合器组件212-2被配置为将来自第一天线阵列104-2的“m”个元件/分支(如天线202-2、202-4、…、202-m)的全部被相位偏移的RF信号输出进行组合以生成组合的相位偏移RF信号输出。之后，组合的相位偏移的RF信号输出通过转换器组件214被降频转换成基带信号。例如，转换器组件214被配置为混合来自第一组合器组件212-2的组合的相位偏移的RF信号输出与来自本地振荡器(LO)216的降频转换信号。
在实施中，提供降频转换信号到转换器组件214-2的LO 216可以与如虚线所示的提供另一降频转换信号到另一转换器组件214-4的LO不同。在此情形下，本文所述的天线阵列104-2和104-4不必被同步来执行对发射器位置的直接估计。此外，对发射器位置的直接估计可以通过诸如天线阵列104-2或天线阵列104-4之类的单个天线阵列被实现。
在从转换器组件214获得基带信号输出后，幅度相位(I/Q)组件218-2被配置为在将I/Q分量转换成数字基带信号之前处理基带信号的同相(I)和正交(Q)分量。例如，单个A/D转换器组件220(如每个天线阵列的)被配置为将模拟I/Q基带信号转换成数字I/Q基带信号。
如本文呈现的实施方式中所描述的，第二组合器组件222-2可以被配置为生成通过天线阵列104-2接收的RF信号的模型。模型可以包括例如从第一天线阵列104-2接收的RF信号的第一组“n”个瞬象。在该示例中，假设信道路径的复合增益保持恒定并且在瞬象之间不改变。
将全部训练字段样本合并成向量，第n个瞬象可以被定义为：
其中变量是针对全部可能相位偏移的相位偏移/加权向量；变量是针对天线阵列的全部天线/元件接收的信号的模型；以及变量是加性高斯噪声。
以另一形式(诸如矩阵形式)，第n个天线阵列瞬象通过下式给出：
其中变量是函数“p”(如位置)的接收阵列导向(steering)向量；变量是与由第阵列观测的第一信道抽头(tap)相关联的未知复合增益。在该情形中，由于天线阵列是共同定位(co-located)的，所以复合衰减系数被假设是互相关的。
上述针对天线阵列104-2的操作和/或处理可以被类似地实施到第二天线阵列104-4。如所示的，通过第二天线阵列104-4接收的RF信号可以经历BPF 228、LNA 230、相位偏移组件232、第一组合器212-4、转换器组件214-4、I/Q组件218、单个A/D 220-4处理，并且最后，以矩阵形式，第二组“n”个瞬象从第二组合器222-4的输出被推导出。
在从天线阵列104-2和104-4收集全部“n”个瞬象获得“N”个瞬象后，在存在高斯加性噪声的情况下，MLE被推导出。即，假定从每个阵列收集N个瞬象，下面余弦函数被写为：
其中下面是定义：
其中1N是(全部)1的N×1向量。
使用等式3，余弦函数Q(p)可以被进一步改写成：
使用Kronecker算子属性，的最小二乘估计由下式给出：
由于变量是哈达玛矩阵，所以应该注意：
此外，因此导出：
又进一步地，被表示的是并且将等式(7)带入等式(2)，得到：
由于与和无关，所以最小化等式8等同于最大化下面余弦函数：
其中Tr{.}指矩阵迹算子，并且是由下式给出的样本协方差矩阵：
如本文所述的，θ和φ的MLE可以被表示为：
其中
此外，等式11的最大化可以通过二维格点搜索被实现。
关于p的MLE，角(如θ和φ)和位置之间的关系可以通过下面的等式12被定义：
重新参考上述等式(2)-等式(7)，下面由表示。如此，被示出为和
在将等式7带入等式2后，下面被得出：
由于独立于p，所以最小化等式13等同于最大化下面余弦函数：
其中Tr{.}指矩阵迹算子，并且是由下式给出的样本协方差矩阵：
p的MLE被表示为：
其中与上述利用二维格点搜索的等式11的最大化相反，等式16的最大化通过在{x,y,z}坐标范围上的三维格点搜索被实现。
继续参考图2，位置估计器组件224可以被配置为实现上述的数学算法。位置估计器可以进一步被实现为固件、软件、硬件或其组合。数学算法可以帮助输出226，其是发射AP110的估计的实际位置。
图3示出了图示说明用于通过便携设备实现直接估计发射器位置的示例方法的示例流程图300。例如，直接估计可以基于从发射器接收的原始信号并且使用可以不需要AOA的初始估计的数学运算，该AOA的初始估计一般用作估计发射器位置的基础。方法被描述的顺序不意在被当做限制，并且任意数目的所描述的方法块可以被以任意顺序组合以实现该方法或替代的方法。另外，单个块可以被从方法中删除而不背离本文所述主题的精神和范围。此外，方法可以以任意合适的硬件、软件、固件或其组合被实现，而不背离本发明的范围。
在块302，接收RF信号通过至少一个天线阵列被执行。例如，便携设备(如便携设备102)通过天线阵列104检测并接收毫米波无线信号或RF信号。
如本文描述的，便携设备102可以包括非同步的两个或多个天线阵列来接收RF信号。例如，非同步的两个或多个天线阵列104可以被连接到便携设备102内的不同LO。在该示例中，本文描述的对发射器位置的估计可以利用单个天线阵列104或多个天线阵列104。
在块304，RF信号的相位偏移在至少一个天线阵列的每个天线上被执行。例如，哈达玛矩阵算法可以帮助每个接收的RF信号在至少一个天线阵列104的每个天线上相位偏移。相位偏移具有+π或–π(如±1)相位偏移并且从哈达玛矩阵的行获得。
在块306，组合被相位偏移的RF信号被执行。例如，第一组合器组件212-2可以组合来自天线阵列104-2的不同天线/元件的被相位偏移的RF信号。之后，组合的相位偏移的RF信号通过转换器组件214被转换成基带信号。
在块308，将基带信号转换成数字信号被执行。例如，针对每个天线阵列104的单个A/D被用来执行对基带信号的模数转换，其从第一组合器组件212-2的组合的相位偏移RF信号输出被推导出。
在块310，基于组合的相位偏移RF信号执行数学运算来估计发射器位置。例如，给定从每个天线阵列104收集的N个瞬象，余弦函数被推导以生成发射器的估计位置。
以下示例涉及其它实施例。
示例1是一种估计发射器位置的方法，该方法包括：由至少一个天线阵列接收射频(RF)信号；在所述至少一个天线阵列的每个元件上相位偏移所接收的RF信号；组合被相位偏移的RF信号并且将组合的被相位偏移的RF信号转换成基带信号；将所述基带信号转换成数字基带信号；以及生成所接收的数字基带信号的瞬象，使用最大似然估计(MLE)运算生成估计的发射器位置。
在示例2中，如示例1中所述的方法，其中所述相位偏移所接收的RF信号包括从哈达玛矩阵的行生成相位偏移。
在示例3中，如示例1中所述的方法，其中所述转换成数字基带信号包括使用每个天线阵列的单个模数(A/D)转换器。
在示例4中，如示例1中所述的方法，其中生成瞬象包括生成每个天线阵列的单独瞬象，以及收集全部天线阵列的单独瞬象。
在示例5中，如示例1中所述的方法还包括在相位偏移之前过滤并放大所接收的RF信号。
在示例6中，如示例1中所述的方法，其中所述转换成数字基带信号包括使用每个天线阵列的不同本地振荡器。
在示例7中，如示例6中所述的方法，其中天线阵列与任意其它天线阵列被分开地同步。
在示例8中，如示例1中所述的方法，其中所述MLE运算是基于高斯加性噪声的。
在示例9中，如示例1-8中任一个所述的方法，其中所估计的位置包括发射器位置的方位和海拔。
示例10是一种设备，包括：至少一个天线阵列，该至少一个天线阵列被配置为接收射频(RF)信号；配置给所述至少一个天线阵列的每个元件的相位偏移器组件，该相位偏移器组件被配置为在所述至少一个天线阵列的每个元件上相位偏移所接收的RF信号；第一组合器组件，该第一组合器组件被配置为组合被相位偏移的RF信号；转换器组件，该转换器组件被配置为将组合的被相位偏移的RF信号转换成基带信号；模数(A/D)转换器组件，该模数(A/D)转换器组件被配置为将所述基带信号转换成数字基带信号；以及位置估计器组件，该位置估计器组件被配置为生成所接收的数字基带信号的瞬象，使用最大似然估计(MLE)运算生成估计的发射器位置。
在示例11中，如示例10中所述的设备，其中所述相位偏移器组件被配置为从哈达玛矩阵的行生成相位偏移。
在示例12中，如示例10中所述的设备，其中所述转换器组件包括每个天线阵列的单个模数(A/D)转换器。
在示例13中，如示例10中所述的设备还包括本地振荡器，该本地振荡器被配置为提供降频转换信号到所述转换器组件。
在示例14中，如示例13中所述的设备，其中天线阵列与任意其它天线阵列被分开地同步。
在示例15中，如示例10-14中任一个所述的设备，其中所述位置估计器组件被配置为基于高斯加性噪声计算MLE。
示例16是接收器电路，包括：具有多个元件的至少一个天线阵列，该具有多个元件的至少一个天线阵列被配置为在每个元件上接收射频(RF)信号；在所述至少一个天线阵列的每个元件上的相位偏移器组件，该相位偏移器组件被配置为在所述至少一个天线阵列的每个元件上相位偏移所接收的RF信号；第一组合器组件，该第一组合器组件被配置为组合来自所述至少一个天线阵列的每个元件的被相位偏移的RF信号；转换器组件，该转换器组件被配置为将组合的被相位偏移的RF信号转换成基带信号；模数(A/D)转换器组件，该模数(A/D)转换器组件被配置为将所述基带信号转换成数字基带信号；以及位置估计器组件，该位置估计器组件被配置为对所接收的数字基带信号执行最大似然估计(MLE)运算以生成估计的发射器位置。
在示例17中，如示例16中所述的接收器电路，其中所述相位偏移器组件被配置为从哈达玛矩阵的行生成相位偏移。
在示例18中，如示例16中所述的接收器电路还包括本地振荡器，该本地振荡器被配置为提供降频转换信号到所述转换器组件。
在示例19中，如示例16中所述的接收器电路，其中所述位置估计器组件被配置为基于高斯加性噪声计算MLE。
在示例20中，如示例16-19中任一个所述的接收器电路，其中所述转换器组件包括每个天线阵列的单个模数(A/D)转换器。

Claims (15)

1.一种估计发射器位置的方法，该方法包括：
由多个天线阵列接收射频(RF)信号，其中所述多个天线阵列中的每个天线阵列包括多个元件；
在所述多个天线阵列中的每个天线阵列的每个元件上相位偏移所接收的RF信号；
组合被相位偏移的RF信号并且将组合的被相位偏移的RF信号转换成基带信号；
将所述基带信号转换成数字基带信号；
针对所述多个天线阵列中的每个天线阵列生成包括所述数字基带信号的一组瞬象的模型；
收集针对所述多个天线阵列中的每个天线阵列所生成的模型；
基于所收集的模型执行最大似然估计(MLE)运算；以及
基于所执行的MLE运算生成估计的发射器位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述相位偏移所接收的RF信号包括从哈达玛矩阵的行生成相位偏移。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述转换成数字基带信号包括使用每个天线阵列的单个模数(A/D)转换器。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述生成模型包括生成每个天线阵列的单独的一组瞬象。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述相位偏移之前过滤并放大所接收的RF信号。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述转换成数字基带信号包括使用每个天线阵列的不同本地振荡器。
7.如权利要求6所述的方法，其中天线阵列与任意其它天线阵列被分开地同步。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述MLE运算是基于高斯加性噪声的。
9.如权利要求1所述的方法，其中所估计的位置包括所述发射器位置的方位和海拔。
10.一种估计发射器位置的设备，包括：
多个天线阵列，该多个天线阵列被配置为接收射频(RF)信号，其中所述多个天线阵列中的每个天线阵列包括多个元件；
配置给所述多个天线阵列中的每个天线阵列的每个元件的相位偏移器组件，该相位偏移器组件被配置为在所述多个天线阵列中的每个天线阵列的每个元件上相位偏移所接收的RF信号；
第一组合器组件，该第一组合器组件被配置为组合被相位偏移的RF信号；
转换器组件，该转换器组件被配置为将组合的被相位偏移的RF信号转换成基带信号；
模数(A/D)转换器组件，该模数(A/D)转换器组件被配置为将所述基带信号转换成数字基带信号；
第二组合器组件，该第二组合器组件被配置为针对所述多个天线阵列中的每个天线阵列生成包括所述数字基带信号的一组瞬象的模型；以及
位置估计器组件，该位置估计器组件被配置为收集针对所述多个天线阵列中的每个天线阵列所生成的模型，并且基于所收集的模型执行最大似然估计(MLE)运算以生成估计的发射器位置。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述相位偏移器组件被配置为从哈达玛矩阵的行生成相位偏移。
12.如权利要求10所述的设备，其中所述转换器组件包括每个天线阵列的单个模数(A/D)转换器。
13.如权利要求10所述的设备，还包括本地振荡器，该本地振荡器被配置为提供降频转换信号到所述转换器组件。
14.如权利要求13所述的设备，其中天线阵列与任意其它天线阵列被分开地同步。
15.如权利要求13所述的设备，其中所述位置估计器组件被配置为基于高斯加性噪声计算MLE。
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