CN107431936A - 针对收集设备的波束成形 - Google Patents

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Abstract

本文描述了用于针对收集设备对无线信号进行波束成形的技术。在一个示例中，一种用于向收集设备增加可用能量的方法由WiFi发射设备来执行。该WiFi发射设备使用来自代理设备的输入确定至收集设备的优选无线路径。该WiFi发射设备随后沿着该优选无线路径针对该收集设备对WiFi信号进行波束成形。

Description

针对收集设备的波束成形
背景技术
无线能量收集技术能够被用来从诸如IEEE 802.11 WiFi信号之类的射频信号收集能量。该收集的能量能够被存储在电池中并且能够被用来为设备供电。然而，从这样的信号收集足以为设备完全供电的能量却是一项挑战。
附图说明
以下详细描述参考附图，其中：
图1a图示了根据示例的一种用于针对收集设备进行波束成形的方法。
图1b图示了根据示例的另一种用于针对收集设备进行波束成形的方法。
图2图示了根据示例的一种用于针对收集设备进行波束成形的接入点。
图3图示了根据示例的一种用于针对收集设备进行波束成形的计算机可读介质。
具体实施方式
根据一个示例，诸如无线接入点之类的具有无线(IEEE 802.11 WiFi)信号发射能力的计算设备可以执行一种方法以增加收集设备的可用能量。可以通过经由波束成形技术将WiFi信号集中于收集设备的方向来增加可用能量。波束成形(也被称作空间滤波)是一种信号处理技术，用于有向信号传输或接收，使得信号可以被在特定方向导向/集中从而增大该方向的信号强度。
波束成形通常要求来自接收设备的输入/反馈，以便发射设备为信号确定最为适当的无线路径。然而，收集设备可以是具有WiFi接收能力但是没有WiFi发射能力的设备。例如，收集设备可以是具有收集器和WiFi接收器的物联网设备。由于这种发射能力的缺失，收集设备可能无法向接入点提供有关要用于波束成形的优选无线路径(例如，方向)的输入/反馈。
为了克服该问题，接入点可以使用来自代理设备的输入确定至收集设备的优选无线路径。代理设备以是被配置为与收集设备进行交互的设备。例如，代理设备可以是被配置为经由诸如之类的一种短距离通信形式与收集设备进行通信的智能电话。当代理设备与收集设备交互时，该代理设备可以向接入点提供输入。由于短距离通信方法意味着代理设备处于收集设备的特定距离之内，所以来自代理设备的输入可以被用作收集设备的大致位置以及至收集设备的优选无线路径的代理信息。接入点因此可以使用来自代理设备的该输入来确定至收集设备的优选无线路径。接入点随后可以对沿该优选无线路径去往收集设备的WiFi信号进行波束成形。
作为结果，要被收集设备所收集的可用能量可能由于WiFi信号的波束成形增大了收集设备附近的信号强度而有所增加。以下参考附图对另外的示例、优势、特征和修改等进行描述。
图1a和1b图示了根据示例的用于针对收集设备进行波束成形的方法。方法100和120可以由计算设备或计算机(诸如无线接入点210和计算机310)来执行。用于实施方法100和120的计算机可读指令可以被存储在计算机可读存储介质上。在介质上所存储的这些指令在本文被称之为“模块”，并且可以由计算机来执行。
这里将关于图2的环境200来描述方法100和120。环境200可以包括无线接入点210、代理设备220和收集设备230。环境200可以是诸如家庭、办公室、店铺等的室内区域，或者是诸如公园、城市街区等的室外区域。
代理设备220可以是任意的各种计算设备，诸如移动电话、智能电话、平板计算机、膝上计算机、台式或工作站计算机等，并且可以诸如通过无线卡而包括无线通信能力。特别地，代理设备220能够经由IEEE 802.11 WiFi技术与接入点210进行通信。代理设备220还可以包括诸如或近场通信(NFC)之类的短距离无线通信能力以与收集设备230进行通信。
接入点210是WiFi发射设备，并且特别地可以是针对设备提供无线网络接入的无线接入点。接入点210可以实施已知的无线联网协议，诸如IEEE 802.11变化形式。接入点210可以包括用于发射和接收信号的天线212。接入点210还可以包括通过天线212发送和接收数据(例如，分组)的通信接口214。接入点210还可以包括用于确定用于波束成形的无线路径的路径确定模块216。因此，接入点210可以被配置为执行本领域普通技术人员已知的波束成形技术。因此，接入点210可以确定优选的无线路径，并且可以使用波束成形技术来沿着优选的无线路径对无线信号进行波束成形。在其它示例中，接入点210可以取而代之地是具有WiFi发射能力的不同类型的计算设备，诸如具有无线卡和天线的台式计算机、膝上计算机等。
收集设备230可以是计算设备，诸如物联网(IoT)设备。通常，IoT设备可以是能够连接到互联网或另一个计算设备(例如，智能电话)以便共享信息的嵌入式计算设备。IoT设备可以嵌入例如恒温器、冰箱、洗衣机、HVAC系统、电视机等之中或者是它们的一部分。IoT设备也可以简单地是传感器或传感器的集合。可替换地，收集设备230可以是另一种形式的计算设备，诸如外围设备(例如，无线鼠标、无线键盘等)。此外，收集设备230能够从诸如IEEE 802.11 WiFi信号之类的无线信号收集能量。收集设备230可以能够通过所收集的能量来仅为自己供电。
特别地，收集设备230可以包括用于发送和接收蓝牙信号的蓝牙收发器232。收集设备230能够经由蓝牙收发器与代理设备220进行通信。可替换地，收集设备230可以包括不同的短距离通信技术。收集设备230还可以包括用于接收WiFi信号的WiFi接收器234。收集设备230可以缺少WiFi收发器，因此使得其无法经由WiFi向接入点210提供输入/反馈。收集设备230可以包括用于从所接收的WiFi信号收集能量的WiFi收集器236。WiFi收集器可以包括诸如整流电路的收集电路，以从得自于所接收WiFi信号的模拟功率产生直流电压；以及用于向负载提供调节的电压从而为收集设备230供电的功率管理电路。关于收集设备和相关收集技术的附加细节在与本专利申请同日提交且与HP案卷号No.84111792相关联的题为“Supplying Power to a Computer Accessory from a Captured WiFi Signal(从捕获的WiFi信号向计算机附件供电)”的相关PCT申请中有所描述，该申请的全部内容通过引用结合于此。
接入点210、代理设备220和收集设备230可以包括一个或多个控制器以及一个或多个机器可读存储介质。控制器可以包括用于实施机器可读指令的处理器和存储器。处理器可以包括至少一个中央处理单元(CPU)，至少一个基于半导体的微处理器，诸如数字图像处理单元的至少一个数字信号处理器(DSP)，适于检索和执行存储在存储器中的指令的其它硬件设备或处理元件，或者它们的组合。处理器可以包括芯片上的单个或多个核心，跨多个芯片的多个核心，跨多个设备的多个核心，或者它们的组合。处理器可以从存储器提取、解码和执行指令从而实行各种功能。作为替换或者除了检索和执行指令之外，处理器可以包括至少一个集成电路(IC)、其它控制逻辑、其它电子电路，或者它们的包括用于实行各种任务或功能的多个电子组件的组合。
控制器可以包括诸如机器可读存储介质的存储器。机器可读存储介质可以是包含或存储可执行指令的任意电子、磁性、光学或其它物理存储设备。因此，机器可读存储介质可以包括例如各种随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存，以及它们的组合。例如，机器可读介质可以包括非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、存储驱动器、NAND闪存等。此外，机器可读存储介质可以是计算机可读的和非瞬态的。此外，接入点210、代理设备220和收集设备230可以包括与一个或多个控制器分离的一个或多个机器可读存储介质。
转向图1a，根据一个示例，方法100可以被用来对去往收集设备的无线信号进行波束成形。为了说明，方法100将被描述为由接入点210来执行。收集设备可以是被配置为收集射频(RF)能量的收集设备230。
如之前所描述的，RF能量收集器包括天线和收集电路。收集电路的效率被定义为所接收的无线功率中能够被该电路转换为DC功率的百分比。能够被收集的总能量取决于来自无线发射器的入射无线能量的量。如果无线源在距收集器天线R米的距离处利用Pt瓦特的功率进行发射，则该天线处的总体接收功率(Pr)为
Pr＝PtGtGr(λ/4πR)2
其中Gt和Gr分别是发射器和收集器的天线的天线增益，并且λ是2.4GHz的RF信号的波长，该波长大约为0.125米。诸如WiFi和蓝牙的大多数RF源具有包括天线增益在内的200mW的总发射功率。因此，如果RF源处于20米的距离，则可能能够收集到-17dBm(0.02mW)的功率，这足以驱动低功率传感器和RFID标签。另一方面，如果RF源处于附近，则可能能够收集多于0dBm(1mW)的功率。
更特别地，能够被收集的能量的量取决于收集器处所接收的能量。这进而取决于源(发射器)的发射功率。由于源可能在它所能够利用的发射功率的量方面具有限制，所以可能无法增大源的发射功率。此外，联邦通信委员会(FCC)规定将2.4GHz波段中的发射功率的量限制为4W的等效各向同性辐射功率(EIRP)。
另一种增加收集器处的所接收能量的方式是在发射器处使用波束成形技术。通常，无线源的发射功率中仅有一小部分可被收集天线使用。这之所以会发生是因为无线信号从源以所有方向行进，这使得能量随着所述无线信号行进穿过空气而消散。波束成形是一种将能量集中于一个方向的传输方法。假设发射器具有获知要在哪个方向发送无线电能量的充分信息，则无线信号可能触及更远并且更强，因此增加了收集器处的所接收能量。
所接收能量由于波束成形所导致的增益还能够取决于存在于发射器处的天线的数量。利用三个天线，接收器处的信号强度能够平均改善3dB(2倍)。然而，为了正确进行波束成形，通常发射器需要来自接收器的反馈。根据波束成形机制，该反馈或者被用来得出接收器相对于发射器的方向，或者被用来计算发射器和接收器之间的所有传播路径。包括这样的反馈机制可能是不切实际的，因为在发射器仅能够进行WiFi通信时，收集设备也必须包括无线发射能力。然而，由于无线发射器/收发器消耗大量的能量，所以除非波束成形增益由于发射器处的大量天线而很高，否则发射器/收发器可能经常会消耗比收集器所收集的更多的能量。使用这里诸如在方法100和120中所描述的技术，反馈可以被提供至发射器从而使得能够在不要求收集设备中的WiFi发射能力的情况下进行波束成形。
方法100可以在101开始，其中可以使用来自代理设备220的输入来确定至收集设备230的优选无线路径。该优选无线路径可以随时间来确定和/或基于来自代理设备220的多个输入而更新。由于代理设备220的输入被用作来自收集设备230的输入/反馈的代理，所以优选地，当代理设备220距收集设备230不超过1米时，来自代理设备220的输入被接收。这可能与许多短距离通信技术相一致。
来自代理设备220的输入可以包括识别收集设备230的标识符。使用该标识符，接入点210可以知道该输入与向收集设备230提供经波束成形的信号相关(与简单地是来自代理设备的典型的WiFi分组相对)。此外，在环境200中可能存在多个收集设备，因此接入点210可以针对每个收集设备建立包含有关波束成形的信息的表格。在一个示例中，接入点210可以根据时间表而针对一个或多个收集设备进行波束成形。
该优选无线路径可以简单地是WiFi信号应当以其导向的方向。该优选无线路径也可以是接入点210和收集设备230之间的一个或多个特定无线传播路径，经常被称之为无线信道特性。
更具体地，对于使用一个或多个可导向有向天线的波束成形技术而言，可以简单地通过获知收集设备230相对于接入点210的方向来确定优选无线路径。该方向可以诸如经由代理设备220中的用户接口而在接入点230中进行预设。可替换地，该方向可以通过估计代理设备220在它与收集设备230进行通信时的位置来确定。该位置可以由接入点210和相邻接入点使用位置确定技术而凭借所接收到的WiFi分组240来确定，上述位置确定技术诸如基于飞行时间测量的位置确定技术。代理设备220的位置可以用作收集设备230的位置的代理。
如果使用数字波束成形技术，则优选无线路径可以基于以无线信道特性为基础而确定的一条或多条无线传播路径。为了获得无线信道特征，接入点210可以使用代理设备220的无线响应特性作为收集设备230的无线响应特性的代理。因此，接入点210可以基于从代理设备220所接收的WiFi分组240来确定无线信道特性。在一些情况下，基于这样的特性所确定的优选无线路径可能比简单地基于收集设备的方向所确定的无线路径更加准确，原因在于最优无线路径可能并非始终处于收集设备相对于发射设备的确切方向。
在102，WiFi信号可以沿着该优选无线路径而针对收集设备进行波束成形。具体地，例如，接入点210可以沿着所确定的优选无线路径向收集设备230提供经波束成形的WiFi信号250。在一个示例中，诸如在接入点210并未参与与其它客户端设备的单播通信时，接入点210可以以广播方式针对收集设备230对WiFi信号250进行波束成形。作为方法100的结果，WiFi信号的强度可以在收集设备230处有所增大，这增加了所要被收集的可用能量。
图1b图示了根据示例的可以被用于针对收集设备对无线信号进行波束成形的另一种方法120。出于说明的目的，方法120可以被描述为由环境200中的接入点210来执行。在121，接入点210从代理设备220接收WiFi分组240。WiFi分组240包括识别收集设备230的标识符。在122，接入点210使用来自WiFi分组240的信息确定至收集设备230的优选路线路径。在123，接入点210沿着该优选无线路径针对收集设备230对WiFi信号250进行波束成形。
图3图示了根据示例的一种用于针对收集设备对无线信号进行波束成形的计算机可读介质。计算机310可以是接入点210的一部分。例如，如关于接入点210所描述的，该计算机可以包括一个或多个控制器以及一个或多个机器可读存储介质。
处理器320可以是至少一个中央处理单元(CPU)，至少一个基于半导体的微处理器，适于检索和执行存储在机器可读存储介质330中的指令的其它硬件设备或处理元件，或者它们的组合。处理器320可以包括芯片上的单个或多个核心，跨多个芯片的多个核心，跨多个设备的多个核心，或者它们的组合。除其它之外，处理器320可以特别获取、解码和执行指令332-334从而实施各种处理。作为替换或者除了检索和执行指令之外，处理器320可以包括至少一个集成电路(IC)、其它控制逻辑、其它电子电路，或者它们的包括用于实行指令332-334的功能的多个电子组件的组合。
机器可读存储介质330可以是包含或存储可执行指令的任意电子、磁性、光学或其它物理存储设备。因此，机器可读存储介质可以包括例如各种随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存，以及它们的组合。例如，机器可读介质可以包括非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、存储驱动器、NAND闪存等。此外，机器可读存储介质330可以是计算机可读的和非瞬态的。机器可读存储介质330可以利用用于管理处理元件的一系列可执行指令进行编码。
在被处理器320(例如，经由处理器的一个处理元件或多个处理元件)执行时，指令332-334能够使得处理器320执行例如方法100和120和/或上述方法的多种变化形式和多个部分。现在将简要描述指令332-334，所述描述应当考虑以上对方法100、120以及接入点210的描述来阅读。
例如，无线路径确定指令332可以使得处理器320使用来自单独设备的输入来确定至收集设备的优选无线路径。该收集设备可以是具有无线能量收集能力的设备，诸如收集设备230。该单独设备可以是被配置为与该收集设备进行通信的计算设备，诸如代理设备220。波束成形指令334可以使得处理器320沿着该优选无线路径针对该收集设备对无线信号进行波束成形。作为结果，所要被收集的可用能量可以在收集设备处有所增加。
在以上描述中，给出了很多细节来提供对这里所公开主题的理解。然而，实施方式可以在没有一些或全部这些细节的情况下来实践。其它实施方式可以包括以上所讨论细节的修改和变化。所附权利要求意在覆盖这样的修改和变化。

Claims (16)

1.一种用于向收集设备增加可用能量的方法，包括由WiFi发射设备：
使用来自代理设备的输入确定至收集设备的优选无线路径；以及
沿着该优选无线路径针对该收集设备对WiFi信号进行波束成形。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该收集设备是具有WiFi能量收集能力的物联网设备。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该收集设备是具有WiFi能量收集能力的外围设备。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该收集设备缺少WiFi发射器。
5.根据权利要求1所述的方法，包括：
从代理设备接收WiFi分组，该WiFi分组构成该输入。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该WiFi分组包括该收集设备的标识符。
7.根据权利要求5所述的方法，其中该代理设备在开始与该收集设备的通信之后向该WiFi发射设备发送该WiFi分组。
8.根据权利要求5所述的方法，其中该WiFi分组中的信息被用来确定至该收集设备的优选无线路径。
9.根据权利要求1所述的方法，其中该收集设备被配置为与该代理设备进行通信。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该收集设备被配置为经由蓝牙无线技术与该代理设备进行通信。
11.根据权利要求1所述的方法，其中该WiFi发射设备被配置为以广播方式针对该收集设备对该WiFi信号进行波束成形。
12.根据权利要求1所述的方法，其中该WiFi发射设备被配置为仅在该WiFi发射设备并未参与与其它客户端设备单播通信时才针对该收集设备对该WiFi信号进行波束成形。
13.一种无线接入点，包括：
通信接口，用于从第一设备接收分组，该分组包括具有无线收集功能的第二设备的标识符；
路径确定模块，用于基于来自该分组的信息确定至该第二设备的无线路径；以及
天线，
该无线接入点用于经由该天线而沿着所确定的无线路径针对该收集设备对WiFi信号进行波束成形。
14.根据权利要求13所述的无线接入点，其中：
该第二设备无法与该无线接入点进行通信，以及
该第二设备能够与该第一设备进行通信。
15.根据权利要求13所述的无线接入点，其中该第二设备包括收集电路以从所接收的WiFi信号收集能量。
16.一种存储指令的非瞬态计算机可读存储介质，该指令在被处理器执行时使得该处理器：
使用来自单独设备的输入确定至收集设备的优选无线路径；
沿着该优选无线路径针对该收集设备对无线信号进行波束成形。
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