CN112930699A - 无线系统中的动态天线阵列方向图切换 - Google Patents

无线系统中的动态天线阵列方向图切换 Download PDF

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Abstract

一种操作设备的示例方法包括：使用切换电路来从天线集群中选择第一天线子集；使用第一天线子集来接收第一蓝牙信号；生成第一蓝牙信号的第一方向值；使用处理元件来至少部分地基于第一方向值来评估天线集群中的至少一个天线；基于评估来选择第二天线子集；使用第二天线子集来接收第二蓝牙信号；以及生成第二蓝牙信号的第二方向值。还公开了设备的其它实施例及其操作。

Description

无线系统中的动态天线阵列方向图切换
优先权
本申请是于2019年3月6日提交的美国非临时申请第16/294,586号的国际申请，该美国非临时申请要求于2018年12月4日提交的美国临时申请第62/775,012号在美国专利法第119条e款下的优先权和权益，这些申请通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及无线设备/系统连接性问题。更具体地，其涉及天线阵列或集群动态方向图(pattern)切换实施例及其操作方法。
背景技术
计算设备可以经由诸如无线网络(例如，Wi-Fi网络、蓝牙网络等)之类的网络彼此通信。计算设备可以通过彼此发射和/或接收射频(RF)信号，来与无线网络中的另一个设备(例如，另一个计算设备)通信。在无线网络内的那些设备还可以利用发射/接收的RF信号来生成彼此的相对方向数据。技术之一是使用到达角(AoA)或离开角(AoD)估计来帮助生成那些数据。用于估计AoA或AoD的现有的设计和技术面临各种挑战(例如，向后兼容性问题)以及提高准确性并减少成本、占用空间、操作时间和功耗的要求。
附图说明
在附图的图中，通过示例而非限制的方式示出了本公开。
图1是示出根据本主题的一个实施例的使用AoA估计技术的无线设备的示意图；
图2是示出根据本主题的一个实施例的使用AoD估计技术的无线设备的示意图；
图3A是示出根据本主题的一个实施例的用于确定AoA估计的RF波传播模型的示意图；
图3B是示出根据本主题的一个实施例的天线阵列的个体天线处的相位差的曲线图；
图4是示出根据本主题的一个实施例的接收机的示意图；
图5是示出根据本主题的一个实施例的无线设备的示意图；
图6A和图6B是示出根据本主题的一个实施例的将RF波传播模型用于确定AoA估计的天线阵列的示意图；
图7是示出根据本主题的一个实施例的用于确定AoA估计的RF波传播模型的示意图；
图8是示出根据本主题的一个实施例的RF传播角度对灵敏度的影响的曲线图；
图9是示出根据本主题的一个实施例的估计AoA的方法的流程图；
图10A、图10B、图10C是示出根据本主题的一个实施例的天线阵列的动态切换的示意图；以及
图11是示出根据本主题的一个实施例的动态天线阵列切换实施例的一种应用的示意图。
具体实施方式
以下描述阐述了许多具体细节(例如，具体系统、组件、方法等的示例)，以便提供对本主题的若干实施例的良好理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践至少一些实施例。在其它实例中，公知的组件或方法没有被详细地描述，或者以简单的框图格式呈现，以便避免不必要地使本文所描述的技术难以理解。因此，下文中阐述的具体细节仅仅是示例性的。特定的实施方式可以与这些示例性细节不同，并且仍然被设想为在本主题的精神和范围内。
除非另有明确说明，否则如根据以下讨论显而易见的，应当理解的是，贯穿说明书，利用诸如“生成”、“检测”、“处理”、“计算”、“运算”、“确定”等的术语的讨论指代计算机或计算系统或类似电子计算设备的动作和/或过程，其将被表示为计算系统的寄存器和/或存储器内的物理(例如，电子)量的数据操纵和/或变换为：被类似地表示为计算系统的存储器、寄存器或其它这种信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。各种单元、电路、或其它组件可以被描述或要求为“被配置为”或“可配置为”执行一个或多个任务。在这样的上下文中，短语“被配置为”或“可配置为”被用于：通过指示单元/电路/组件包括在操作期间执行一个或多个任务的结构(例如，电路)来暗示结构。这样，即使当指定的单元/电路/组件不是当前可操作的(例如，未开启)时，也可以说该单元/电路/组件被配置为执行任务，或者可配置为执行任务。与“被配置为”或“可配置为”语言一起使用的单元/电路/组件包括硬件——例如，电路、存储可执行以实现操作的程序指令的存储器等。记载单元/电路/组件“被配置为”执行一个或多个任务，或者“可配置为”执行一个或多个任务，明确旨在不针对该单元/电路/组件援引美国专利法第112条第六款。另外地，“被配置为”或“可配置为”可以包括由软件和/或固件(例如，执行软件的FPGA或通用处理器)操纵的通用结构(例如，通用电路)，从而以能够执行讨论中的任务的方式工作。“被配置为”还可以包括使制造过程(例如，半导体制造设施)适于制造适于实现或执行一个或多个任务的设备(例如，集成电路)。“可配置为”明确旨在不适用于空白介质、未编程的处理器或未编程的通用计算机、或未编程的可编程逻辑器件、可编程门阵列、或其它未编程的设备，除非伴随有对未编程设备赋予能力以被配置为执行所公开功能的编程介质。
发明内容
本文所描述的示例、实施方式和实施例可以采用动态切换技术来更改天线集群方向图，以提高相对方向估计精度、功率节省、以及延时减少。
根据一个实施例，主题的方法可以包括以下步骤：使用切换电路来从天线集群中选择第一天线子集并且形成第一方向图；使用第一天线子集来接收第一蓝牙信号；生成第一蓝牙信号的第一方向值；将处理元件用于至少部分地基于第一方向值来评估天线集群的至少一个天线；基于评估至少一个天线的结果来使用切换电路从天线集群中选择第二天线子集，以形成第二方向图，该第二方向图不同于第一方向图；使用第二天线子集来接收第二蓝牙信号；以及生成第二蓝牙信号的第二方向值。
在一个实施例中，前述方法还可以包括以下步骤：使用处理元件来至少部分地基于第二蓝牙信号的第二方向值来评估没有被包括在第二方向图中的至少一个天线；基于评估的结果，来将至少一个天线添加到第二天线子集，以形成第三子集；使用第三天线子集来接收第三蓝牙信号；以及生成第三蓝牙信号的第三方向值。
在一个实施例中，第一蓝牙信号和第二蓝牙信号可以是包括恒定音调扩展(CTE)的蓝牙低功耗(BLE)信号。
在一个实施例中，第一方向值和第二方向值可以分别包括与第一蓝牙信号和第二蓝牙信号相关联的到达角(AoA)。
在一个实施例中，第二方向图与第一方向图相比包括更少的天线。
在一个实施例中，评估天线集群中的至少一个天线的步骤还可以包括以下步骤：生成并比较在第一方向图中的每个天线的一个或多个贡献因子。在实施例中，贡献因子可以包括第一蓝牙信号的以下各项中的至少一项：在第一方向图中的天线对相对于第一方向值的朝向、极性、接收信号强度指示符(RSSI)、以及信噪比(SNR)。
在一个实施例中，选择第二天线子集的步骤还可以包括：从第一天线子集中取消选择至少一个天线以形成第二天线子集。
在一个实施例中，可以选择在第一天线子集中的天线对以形成第二天线子集，这些天线对具有相对于第一蓝牙信号的传播方向的在90°或270°的预定门限值内的朝向。
在一个实施例中，前述方法还可以包括以下步骤：通知传输第一蓝牙信号的无线设备缩短第二蓝牙信号中的CTE的持续时间。
根据本公开的另一个实施例，装置可以包括：收发机；切换电路，其被配置为耦合到天线集群，其中，切换电路可以被进一步配置为将天线集群中的至少一个天线耦合到收发机；以及处理元件，其可以被配置为：使得切换电路将天线集群的第一天线子集耦合到收发机，以接收第一蓝牙信号；生成第一蓝牙信号的第一到达角(AoA)估计；使得切换电路至少部分地基于第一AoA估计，来将天线集群的第二天线子集耦合到收发机，以接收第二蓝牙信号，其中，天线的第一子集和第二子集彼此不同；以及生成第二蓝牙信号的第二AoA估计。
在一个实施例中，处理元件可以被进一步配置为：使得切换电路至少部分地基于第二AoA估计，来将第三天线子集耦合到收发机，以接收第三蓝牙信号，并且生成第三蓝牙信号的第三AoA估计。在另一个实施例中，处理元件还可以被配置为：基于第一子集中的每个天线在生成第一AoA估计时的一个或多个贡献因子，来评估第一子集中的每个天线。
在一个实施例中，贡献因子可以包括第一蓝牙信号的以下各项中的至少一项：基于第一AoA估计的在第一子集中的天线对相对于第一蓝牙信号的传播方向的朝向、极性、接收信号强度指示符(RSSI)、以及信噪比(SNR)。
在一个实施例中，处理元件还可以被配置为：基于不在第二子集中的至少一个天线在生成第二AoA估计时的一个或多个贡献因子，来评估不在第二子集中的至少一个天线。在实施例中，贡献因子可以包括第二蓝牙信号的以下各项中的至少一项：不在第二子集中的天线对相对于第二蓝牙信号的传播方向的朝向、极性、接收信号强度指示符(RSSI)、以及信噪比(SNR)。
在一个实施例中，第一蓝牙信号和第二蓝牙信号可以是包括恒定时间扩展(CTE)的蓝牙低功耗(BLE)信号。
在一个实施例中，第二子集可以与第一子集相比包括更少的天线。
根据本公开的另一个实施例，无线设备可以包括：天线集群，其可以具有至少三个天线；收发机；切换电路，其可以被配置为将天线集群中的至少两个天线耦合到收发机以形成天线子集；以及处理元件，其可以被配置为：生成由第一天线子集接收到的第一蓝牙信号的第一AoA估计；使得切换电路至少部分地基于第一AoA估计，来从第一天线子集中取消选择至少一个天线以形成第二天线子集；以及生成由第二天线子集接收到的第二蓝牙信号的第二AoA估计。
在一个实施例中，第一蓝牙信号和第二蓝牙信号可以是包括恒定时间扩展(CTE)的蓝牙低功耗(BLE)信号。
在一个实施例中，收发机可以具有单无线电配置，并且切换电路可以被配置为一次将一个天线耦合到收发机以形成天线子集。
在一个实施例中，处理元件可以被进一步配置为：使得切换电路至少部分地基于第二AoA估计，来添加不在第二天线子集中的至少一个天线，以形成第三天线子集；以及生成由第三天线子集接收到的第三蓝牙信号的第三AoA估计。
在一个实施例中，天线集群可以被配置为以下各项中的一项：线性方向图，圆形方向图、以及椭圆形方向图。
图1是示出根据本公开的一个实施例的包括使用AoA方法来确定相对方向的无线设备的无线网络100的示意图。参考图1，无线设备102正在向无线设备118传输RF信号108。无线设备102和118可以是经由无线网络彼此通信的任何无线设备。无线网络100可以是公共网络(例如，互联网)、专用网络(例如，局域网(LAN)或广域网(WAN))、或其组合。在一个实施例中，无线网络100可以包括无线基础设施，其可以由与网络和/或无线载波系统连接的一个或多个无线通信系统(例如，无线保真(Wi-Fi)接入点或热点)提供，该无线载波系统可以使用各种数据处理装备、通信塔(例如，手机信号塔)等来实现。在其它实施例中，网络100可以是个域网，例如蓝牙网络、蓝牙低功耗网络、ZigBee网络、Z-Wave网络等。
无线网络100可以承载无线设备102和118之间的通信(例如，数据、消息、分组、帧等)。作为示例，无线设备102和118是蓝牙低功耗(BLE)设备，其中，一个设备(例如，无线设备102)可以通过使用单个天线或多个天线(图1中未示出)传输附有定向分量(directionalfinding component)(例如，恒定音调扩展(CTE))的分组，来使其方向可用于对等设备(例如，无线设备118)。在一个实施例中，无线设备102可以包括天线104和RF发射机106。无线设备118可以包括天线集群或阵列110、RF开关组件112、RF接收机114、以及方向组件116。RF开关组件112在接收RF信号108的同时切换天线阵列110内的天线，并且捕获I和Q样本。在实施例中，RF接收机114可以包括一个或多无线电接收机。I和Q样本可以被方向组件116用于估计接收到的RF信号108的AoA。
图2是示出根据本公开的一个实施例的包括使用AoD方法来确定相对方向的无线设备的无线网络200的示意图。类似于图1，无线设备202可以包括RF开关组件206，以周期性地使用天线阵列204中的一个或多个天线来传输从RF发射机208生成的RF信号210。在一个实施例中，无线设备202可以通过传输在传输期间附有CTE的分组来使RF传输信号的AoD可检测。无线设备212可以是包括RF接收机216和方向组件218的单天线或多天线(图2中未示出)实施例。天线214可以接收被传输的分组，并且在那些分组的CTE部分期间捕获I和Q样本。I和Q样本可以被方向组件218用于利用无线设备202侧的天线阵列204的简档级别信息来估计AoD。
在一些实施例中，图1和图2中出现的无线设备102、118、202、212还可以包括诸如处理设备(例如，处理器、中央处理单元(CPU)、存储器(例如，随机存取存储器(RAM))、存储设备(例如，硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)等)之类的硬件以及其它硬件设备(例如，声卡、显卡等)。无线设备102、118、202、212还可以包括具有可编程处理器的任何合适类型的计算设备或机器，包括例如服务器计算机、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能手机、个人数字助理(PDA)、机顶盒等。在一些实施例中，无线设备102、118、202、212可以包括单个机器或者可以包括多个互连机器(例如，配置成集群的多个服务器)。无线设备102、118、202、212可以执行或包括操作系统(OS)。无线设备102、118、202、212的OS可以管理其它组件(例如，方向、软件、应用等)的执行和/或可以管理对硬件(例如，处理器、存储器、存储设备等)的访问。
图3A是示出根据本主题的一个实施例的用于确定AoA估计的RF波传播模型300的示意图。如图1所讨论的，无线设备(例如，无线设备118)可以利用接收到的RF信号的AoA来确定对等设备(例如，无线设备102)的相对方向信息。参考图3A，天线1 308和天线2 306可以是天线阵列(例如，图1中的天线阵列110)中的两个天线。在各种实施例中，天线1 308和天线2 306可以是以下各项的一部分：线性阵列、圆形阵列、椭圆形阵列、或具有本领域已知天线的任何其它物理配置和数量的阵列。天线1 308和天线2 306可以彼此隔开距离(d)进行布置。RF传入方向图302可以是由远场发射天线(例如，图1中的天线104)传输的RF信号。在实施例中，可以对RF传入方向图302(例如，载波)进行调制，以编码消息和/或定义通信协议的方向图(流式的或分组化的)。传播方向304可以是RF传入方向图302的接近方向，并且AoA(θ)可以是在传播方向304与连接天线1 308和天线2 306的平面之间的角度。作为示例并且也在图3A中示出，RF传入方向图302的波前可以在到达天线2 306之前到达天线1 308，并且RF传入方向图302从天线1 308行进到天线2 306的额外距离可以被表示为路径差(ΔD)。AoA可以以以下等式(1)表示：
θ＝cos-1(ΔD/d) 等式(1)
路径差(ΔD)可以由RF传入方向图302的属性在数学上表示，如等式(2)：
Figure BDA0003041079680000081
其中，λ是RF传入方向图302的波长，并且
Figure BDA0003041079680000082
和
Figure BDA0003041079680000083
是分别在天线1 308和天线2 306处观察到的RF传入方向图302的相位值。由于波长(λ)＝光速(c)/频率(f)，因此AoA(θ)可以然后被如下表示：
Figure BDA0003041079680000084
如上所示，由于c、f和d是已知值，因此可以通过找出在天线2 306和天线1 308处观察/接收到的RF传入方向图302之间的相位差
Figure BDA0003041079680000085
来完成对相对于连接天线1 308和天线2 306的平面的RF传入方向图302的AOA的估计。
图3B是示出根据本主题的一个实施例的天线阵列的个体天线处的相位差的曲线图。使用图3A的天线1 308作为示例，图3B的图示1 350示出了当天线1 308接收RF传入方向图302时在t1处天线1 308的相位值
Figure BDA0003041079680000086
参考图3B的图示2 352，
Figure BDA0003041079680000087
是在t1处在天线2306上观察/接收到的RF传入方向图302的相位值。在一个实施例中，无线设备118可以是多无线电解决方案，其中，天线1 308和天线2 306被分别连接到两个专用无线电接收机，使得可以在t1处在天线1 308和天线2 306上均观察到RF传入方向图302。一旦获得了
Figure BDA0003041079680000088
和
Figure BDA0003041079680000089
就可以使用在天线1 308和天线2 306上观察到的信号的相位差以及等式(1)-(3)来生成AoA估计，如先前所讨论的。在一些实施例中，诸如天线阵列110之类的天线阵列可以具有多于两个的天线。参考图3B的图示3 354，
Figure BDA00030410796800000810
表示在t1处在天线3上观察到的RF传入方向图302的相位值。在一个实施例中，天线3(图3B中未示出)可以是以天线1 308和天线2 306为特征的相同天线阵列中的天线，并且被连接到其专用无线电接收机。天线3可以被布置或不被布置在连接天线1 308和天线2 306的相同平面上。一旦确定
Figure BDA00030410796800000811
就可以生成在天线1308和天线2 306、天线1 308和天线3、以及天线2 306和天线3上观察到的RF传入方向图302之间的相位差以用于AoA估计。在一个实施例中，将多个天线用于AoA估计可以允许无线设备(例如，无线设备118)的计算组件在确定传入RF信号的AoA时提高方向分辨率或方向精度。在实施例中，根据系统设计和要求，天线阵列或集群可以具有采用任何物理配置或空间布置的任何数量(多于两个)、任何朝向的天线，并且两个或更多个天线的相位值数据可以用于生成AoA估计。
在多无线电设备中，每个天线(例如，天线1 308、天线2 306、以及天线3)与复杂度水平相关联。不仅收发机的数量会影响无线设备的材料清单(BOM)和占用空间，而且天线数量和复杂度之间还存在线性关系，这会影响功耗以及其它性能目标。一些无线设备可以使用切换电路来将其单个收发机(例如，单无线电)一次一个地耦合到多个天线，这可能会引起减少的BOM、占用空间、复杂度、以及整体功耗(例如，与多无线电解决方案相比)。这些系统可以具有与一个天线相关联的复杂度，加上用于切换控制的较小开销。在单无线电解决方案中，在不同的时间处通过天线接收RF信号，因此确定相关的相位差(例如，用于AoA估计)可能依赖于固定频率的RF信号(例如，蓝牙信号的恒定音调扩展(CTE))，以提供相当准确的AoA估计。在一个实施例中，无线设备118可以是单无线电解决方案，其中，可以使用诸如开关组件112之类的切换电路来在不同的时间处对天线1、天线2、天线3、……、天线N进行采样。参考图示4 356，
Figure BDA0003041079680000091
表示在t1处在天线1 308上观察到的传入RF信号(例如，RF传入方向图302)的相位值。在一个实施例中，
Figure BDA0003041079680000092
表示在t2处在天线2 306上观察到的传入RF信号的相位值。由于两次观察之间存在时间推移(t2-t1)，因此在t1处在天线1 308和天线2 306上的观察到的信号的相位差可以被如下生成：
Figure BDA0003041079680000093
其中，
Figure BDA0003041079680000094
(t2-t1)是在t2和t1之间在天线2 306上的RF信号的相位变化。当传入RF信号的频率(f)恒定且已知时，可以如下生成相位变化：
Figure BDA0003041079680000095
在一个实施例中，可以使用等式4和5来生成在多个天线(例如，天线,1 308、天线2306和天线3)中的两个天线之间的相位差，以用于RF传入方向图302的AoA估计。将理解的是，上面讨论的实施例是用于单无线电解决方案中的AoA估计的方法之一，仅仅出于解释的目的。本领域的普通技术人员可以用其它算法和方法在单无线电解决方案中生成AoA估计。
如先前所讨论的，图1的无线设备118、102和图2的202、212可以是蓝牙设备。在一个实施例中，蓝牙低功耗(BLE)设备可以出于方向估计的目的利用恒定音调扩展(CTE)。CTE是具有固定频率的信号，其被附于经由具有可变长度的RF信号(例如，RF传入方向图302)传输的蓝牙分组。在一个实施例中，如果设备支持1μs长的切换和采样时隙，则设备可以在允许CTE的所有被支持的PHY上支持它们。CTE可以是以下两种类型之一：AoA或AoD。在实施例中，CTE可以是有限的资源。
图4是示出根据实施例的接收机404的框图。图4的接收机404是用于为无线设备(例如，图1中的无线设备118的RF接收机114)提供解调功能的模拟和数字信号处理的示例。接收机404被示出为包括全部沿着接收路径430的连续时间信号处理432、模数转换器(ADC)434、相位估计器436、以及解调器438。在一个实施例中，RF信号431(例如，在图3A和图3B中在天线1、天线2或天线3上观察到的RF信号)进入连续时间信号处理432，其中，该RF信号431被滤波并且与本地振荡器信号433混合，以将期望的频率(例如，或信道)降频转换到中频。在一个实施例中，降频转换过程提供中频作为由ADC 434采样并数字化的复数I和Q信号。相位估计器436可以执行计算以使用I和Q值435来估计在天线处接收到RF信号431时该信号的相位437，并且将相位值转发到解调器438，该解调器438转发数据439(例如，解码后的1和0的序列)以进一步处理(例如，分组处理)。相位估计器436还将相位437转发到图5的方向估计器522(例如，或转发到存储器)以用于AoA估计，如本文所描述的。将理解的是，出于解释的目的，图4所示的实施例是RF接收机的一个示例，并且不应当被解释为限制。
图5是示出根据实施例的用于基于RF信号来估计AoA的无线设备500的框图。在实施例中，无线设备500可以是图1的无线设备118。图5中的各种功能块被示出为通过总线系统526彼此耦合。包括各个块之间的连接(例如，箭头)的总线系统526可以表示一种或多种介质，其用于模拟信号、数字数据、控制信号、电源供应、和/或任何其它通信的传播。总线系统526可以在不背离所要求保护的主题的情况下包括任何适当的总线配置。
方向估计器522用于：使用RF信号的一个或多个属性来估计RF信号相对于多个接收天线(例如，三个或更多个)的AoA、AoD、或信号源(例如，图1中的发射天线104)的方向。方向估计器522可以至少部分地基于如上面关于图3A所讨论的等式(3)中的相位差分(differentiation)来估计方向。AoA估计的准确性可以取决于各种因素，包括但不限于幅度差分、RF信号的极性、天线的数量(例如，空间分集)、天线之间的距离、在每个天线上接收到的RF信号的持续时间(例如，样本的数量)、直接RF路径可用性、以及信号质量。在实施例中，RF信号的样本全部对应于一个或多个通信协议分组(例如，连续分组)，并且方向估计器522可以在不与源设备建立调制(例如，高斯频移键控(GFSK))连接的情况下估计AoA。在实施例中，方向估计器522可以提供或发起原始数据处理以执行噪声过滤、随时间的数据平均、和/或用于最终结果的估计的天线模型相关性。
接收机512用于通过天线集群或阵列530中的一个或多个天线来接收RF信号。在一个实施例中，接收机512可以通过切换电路(例如，开关组件510)耦合到天线阵列530中的任何天线。在实施例中，接收机512连同发射机514一起可以是收发机528的一部分。在一个实施例中，开关组件510可以是由处理组件516通过输入信号控制的多极开关。开关组件510可以是本领域中已知的任何适当的耦合电路或复用组件(例如，电路、电线、迹线、引脚等)，其切换和/或选择功能可以由耦合到其输入的任何块(例如，在无线设备500内部或外部)控制。在一些实施例中，除了估计用于AoA估计的RF信号的相位值之外，接收机512还可以提供模拟和数字信号处理以为无线设备500提供RF信号的解调。
属性估计器520用于估计RF信号的属性。RF信号的属性可以包括但不限于：信号频率、角频率、幅度、相位、波长、波速、到达时间、到达时间差、相位差、到达相位差、信号强度、和/或任何其它RF信号属性或其派生物。属性估计器520用于将估计出的属性提供给方向估计器522，以用于估计AoA。在一些实施例中，属性估计器520从接收机512中接收表示RF信号属性或与其有关的属性信息，并且属性估计器520可以使用属性信息来估计RF信号属性。属性估计器520可以包括模拟和/或数字逻辑和/或测量配置，以基于在沿着RF信号的接收路径的一个或多个位置处进行的测量或采样来获得RF属性。尽管被示出为分离的，但是属性估计器520可以被全部或部分地实现在方向估计器522或接收机512内。在一个实施例中，接收机512可以包括其自己的属性估计器。
调节器518用于调节和/或补偿接收机512的状况，使得接收到的RF信号的属性可以被依赖以用于AoA估计。例如，调节器518可以确定和/或调节到接收机512的输入或来自接收机512的输出的频率、相位或其它特性，以控制对用于AoA估计的RF信号属性的影响。
在实施例中，处理组件516用于：使用存储在存储器组件524中的对应固件来执行无线设备500的方向估计器522、属性估计器520、调节器518、或任何其它功能块中的一个或多个的至少一部分。可替代地或另外地，图5所示的无线设备500的功能块中的任一个都可以包括其自己的处理电路(未示出)和/或存储器。例如，无线设备500的方向估计器522、属性估计器520、调节器518、或任何其它功能块可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(例如，在通用计算系统或专用机器上运行)、固件(嵌入式软件)、或其任何组合，以执行其功能。
在实施例中，处理组件516、存储器组件524、接收机512、以及开关组件510是片上系统(SoC)的一部分，并且可以驻留在公共载体衬底(common carrier substrate)上或以分离的集成电路的不同组合来实现。根据实施例，示例SoC可以被配置为实现属性估计器520、方向估计器522、和/或调节器518。
图6A和图6B是示出根据本公开的实施例的天线阵列的两个示例的示意图。图7是示出天线阵列的两个天线的示意图。如先前所讨论的，测量结果的差异(包括两个天线之间的相位差分和幅度差分)可以有助于方向估计，例如RF信号的AoA、AoD、或源。在一个实施例中，幅度差分在具有方向天线的天线阵列中可以是更有用的。在一些实施例中，由于RF信号(波)的耦合和干扰，因此具有全向天线的某些复杂天线集群在引入幅度方向辨别的方向估计方面可以是有用的。在一个实施例中，不管生成方向估计时的算法和天线阵列几何结构如何，相位差分和幅度差分信噪比(SNR)可以定义AoA或AoD分辨率的上限。
参考图7，天线1和天线2是彼此距离为D的两个接收天线。在一个实施例中，天线1和天线2可以是全向天线，相位测量误差分布对于整体方向估计误差分布可以是至关重要的。如图所示，在图7中，RF1、RF2、以及RF3分别是以大约90°、0°和45°(θ＝传播方向角或AoA)向连接天线1和天线2的平面传播的三个RF信号。为了区分传播方向角度变化，无线设备可以在统计上区分对应的相位差变化，如下：
θ2＝θ1+Δθ
其中，Δθ是方向角变化。并且对应地，
Figure BDA0003041079680000131
其中，
Figure BDA0003041079680000132
是天线对(例如，天线1和天线2)之间的相位差变化。Δθ和
Figure BDA0003041079680000133
之间的关系可以被定义如下：
Figure BDA0003041079680000134
Figure BDA0003041079680000135
Figure BDA0003041079680000136
其中，相位差变化
Figure BDA0003041079680000137
可以指示天线对的方向估计方面的RF灵敏度。参考图8，示出了说明在RF灵敏度、方向角(θ)和θ变化(Δθ)之间的关系的图示。如图所示，在两个RF灵敏度水平(
Figure BDA0003041079680000138
和
Figure BDA0003041079680000139
)处相对于θ绘制了Δθ。在两个灵敏度水平中，结果示出了当θ从90°减小到0°时，RF灵敏度会降低，这是由于它将采取较大的方向角变化(Δθ)来实现相同的相位差变化(30°或10°)。例如，在
Figure BDA00030410796800001310
处，并且D和λ二者为125mm，结果示出：
当θ≈90°时，Δθ＝4.78°；
当θ≈60°时，Δθ＝5.69°；以及
当θ≈0°时，Δθ＝23.56°。
由于天线1和天线2可以是全向的，因此结果可以指示：具有与RF信号的传播方向垂直(θ＝90°/270°)的连接平面的天线对可以具有最高的RF灵敏度，而与其平行(θ＝0°/180°)的连接平面的天线对可以具有最低的RF灵敏度。因此，参考图7，以天线1和天线2为特征的天线对可以对RF1最敏感，其次是RF3，并且对RF2最不敏感。在一个实施例中，当传入RF信号平行于连接天线的平面时，线性阵列在AoA和AoD的方向估计方面的性能可能劣化高达五倍。这示出了与传入RF信号的天线朝向是可能影响方向估计分辨率和准确性的贡献因子中的一个。
图6A示出了圆形天线阵列，其具有在其周长周围等距间隔的4个天线(天线1、天线2、天线3和天线4)。根据在图7和图8中的先前讨论，从天线朝向角度来看，以天线1和天线2为特征的对可以是最敏感的，并且因此是用于RF信号1的方向估计(θ≈90°)的最高效对。类似地，天线3和天线4可以形成用于RF信号2的最高效对。在一个实施例中，天线1和天线2以及天线3和天线4可能都无法形成用于RF信号3的高效天线对，该RF信号3在大约45°处传入。在一个实施例中，从纯天线朝向角度来看，天线2和天线3可以形成用于RF信号3的高效对。然而，天线2和天线3之间的距离可能较短，并且该较短距离可能不利地影响其在方向估计方面的效率和灵敏度。因此，它指示天线对朝向仅是在方向估计方面决定高效或贡献最大的天线的贡献因子之一。
图6B示出了圆形天线阵列，其具有在其周长周围等距间隔的8个天线(天线1-8)。与图6A中的四天线阵列类似，八天线阵列可以具有用于RF信号1(天线1和天线5)和RF信号2(天线3和天线7)二者的最高效对。另外地，天线2和天线6可以形成针对RF信号3的高效对，该RF信号3在大约45°处传入。在一个实施例中，与四天线阵列中的最坏情况相比，八天线阵列在方向估计分辨率方面可以提高高达1.3倍。这指示阵列中天线的数量也可以是在方向估计时决定高效天线方面的贡献因子中的一个。尽管可以通过在阵列中具有更多有源天线和增加天线之间的物理距离来提高方向分辨率，但是在一些应用中，它们可能由于功耗、BOM和占用空间方面的限制而不可行。另外，并非阵列中的所有天线都可以响应于以不同角度传入的RF信号而同等地做出贡献。使用图6A中的四天线阵列作为示例，对于RF信号1，以天线3和天线4为特征的对是用于方向估计的最不敏感的对，并且可以在提高方向分辨率方面贡献最小。在一些实施例中，天线3和天线4甚至生成可能不利地影响四天线阵列的方向分辨率的方向估计数据。因此，出于以特定传入角传播的RF信号的方向估计的目的，可以通过取消选择或不采样一个或多个天线来节省功率、减少延时、以及节省资源。类似地，并非八天线阵列中的所有八个天线都可以高效地有助于方向估计的分辨率提高或者在方向估计的分辨率提高方面至关重要。例如，针对RF1的方向估计，天线3和天线7可以被取消选择，而针对RF 3的方向估计，天线4和天线8可以被取消选择。
图9是示出根据本主题的一个实施例的方向估计的方法900的流程图。图10A是示出初始或第一方向估计的实施例的示意图，而图10B是示出第二方向估计的实施例的示意图，二者都根据本公开。在一个实施例中，当无线设备正在从对等无线设备接收RF信号时，方法900开始。使用图1所示的实施例作为示例，无线设备102发射RF信号108，并且这些信号被无线设备118接收。如先前所讨论的，在一个实施例中，RF信号108可以是蓝牙或BLE信号，其中，出于定向的目的可以附有恒定音调扩展(CTE)。CTE的持续时间由蓝牙协议控制和限制。尽管CTE持续时间可以通过乘以被传输的AoA分组来延长，但是较长的或相乘的CTE持续时间可能耗尽发射设备(例如，无线设备102)和接收设备(例如，图1的无线设备118)二者上的电源供应。由于CTE是有限的资源，因此可以通过取消选择最小贡献的天线来改善方向估计方面的功率节省和分辨率。在其它实施例中，RF信号108可以是其它网络(例如，Wi-Fi)的RF信号，其具有出于定向的目的而被附加的恒定频率分量。
参考图9和图10A，天线阵列1002可以是图1的无线设备118的天线阵列110或图5的无线设备500的天线阵列530。在一个实施例中，天线阵列1002包括十个天线。将理解的是，图10A所示的天线阵列1002中的天线的数量和空间布置仅出于说明性的目的，并且不应当被解释为限制。在实施例中，本领域的普通技术人员将根据系统设计和要求来决定那些配置。天线阵列1002可以被耦合到切换电路1004，该切换电路1004可以与图1中的开关组件112或图5中的开关组件510类似。切换电路1004可以一次将一个天线耦合到单个接收机或接收机组件(例如，开关组件510可以在多个天线之间旋转并且一次将一个天线耦合到接收机512)。在另一个实施例中，切换电路1004可以一次将多个天线耦合到单个接收机或接收机组件。在另一个示例中，切换电路可以将一个天线耦合到第一接收机或接收机组件，并且可以将多个天线耦合到第二接收机或接收机组件。切换电路1004可以是本领域中已知的任何适当的耦合或复用电路，其中，可以通过耦合到其输入的任何块来控制切换、复用和/或选择功能。如图9和图10A所最佳地示出的，在步骤902中，切换电路1004选择第一天线子集以用于初始方向估计。在一个实施例中，八个所选择的天线1008可以形成第一或初始天线方向图(或子集)1006。出于方向估计的目的，可以关闭或者不采样取消选择的天线1010。将理解的是，初始天线方向图1006仅出于说明性的目的，并且不旨在是限制。随后，在步骤904中，初始天线方向图1006可以用于生成传入RF信号1012的方向估计。在实施例中，初始天线方向图1006的所选择的天线1008可以根据图3A、图3B、图4和图5所公开的实施例或本领域中已知的其它算法，来形成天线对，以用于传入RF信号1012的方向(AoA或AoD)估计。在步骤904的结尾处，第一或初始估计方向可以被生成。
在一些替代实施例中，初始估计方向可以不由天线阵列1002和接收机生成。相反，初始估计方向可以至少部分地由以下各项来生成或提供：全球导航卫星(GPS)系统、基于Wi-Fi的定位系统(WPS)、RFID、到达时间(ToA)或非无线电系统(例如，磁定位、惯性测量、基于视觉标记的定位、基于已知视觉特征的位置等)。
使用初始估计方向，在步骤906中，可以根据天线阵列1002中的每个天线在提高初始估计方向的方向分辨率方面的贡献或有效性，来评估天线阵列1002中的每个天线。在替代实施例中，可以仅评估先前取消选择的天线1010或被选择的天线1008。或者可以仅评估天线阵列1002中的天线中的一些。如先前所解释的，贡献因子可以包括但不限于如图6A至图8所解释的天线(对)朝向、RF信号的极性、幅度差分、接收信号强度指示符(RSSI)、天线的数量(例如，空间分集)、天线之间的距离、在每个天线上接收到的RF信号的持续时间(例如，天线的数量)、SNR、以及信号质量等。在一个实施例中，无线设备中的天线贡献分析器可以考虑天线阵列1002中的天线的贡献因子，以生成用于天线选择的天线贡献矩阵。在一个实施例中，天线贡献分析器可以是处理器的一部分，例如无线设备500的处理组件516。
随后，在步骤908中，初始天线方向图1006中的一个或多个先前选择的天线1008可能由于其较低的贡献因子并且在具有初始估计方向的RF信号的方向估计方面被认为是非关键的而被取消选择。在一个实施例中，切换电路1004可以然后仅切换以观察或采样所选择的天线1008，并且因此形成第二天线方向图(或子集)1009，如图10B所最佳地示出的。在第二天线方向图1009中的所选择的天线的数量的潜在减少可以帮助接收无线设备(例如，无线设备118)节省功率并减少延时。在一个实施例中，在第二天线方向图1009中的所选择的天线1008可以具有较长的观察时间，以提高方向分辨率和精度。另外地或可替代地，方向估计的整体时间可以由于提高的分辨率而被减少。因此，这可以帮助节省CTE资源或其它定向附件，这是由于它被仅提供给贡献最大的天线。在实施例中，接收设备(例如，无线设备118)可以通知发射设备(例如，无线设备102)减少被传输的分组中的CTE持续时间。在实施例中，可以不根据第一天线方向图1006减少第二天线方向图1009中的天线的数量，而是出于方向分辨率和精度提高的目的，仅选择具有高贡献因子的天线。在一些实施例中，第一天线方向图1006中的先前取消选择的天线1010可以由于其在潜在地生成初始估计方向方面的高贡献因子，而被选择用于第二天线方向图1009。
随后，在步骤910中，接收设备可以使用第二天线方向图1009生成传入RF信号的第二估计方向。在一个实施例中，第二估计方向可以被认为是方向估计精度的提高，这是因为仅贡献最大的天线被选择。另外地或可替代地，这可以节省功率、CTE资源并减少延时，这是因为整体操作时间可以被减少。
随后或可选地，在步骤912中，接收设备可以基于它们在第二天线方向图1009中的贡献因子来周期性地重新评估被取消选择的天线1010。重新评估过程可以类似于906，其中，每个取消选择的天线1010可以被评估是否应当保持取消选择它。在一个替代实施例中，第二天线方向图1009中的一个或多个当前选择的天线1008也可以被重新评估为是否应当保持选择它。
随后，在步骤914中，基于步骤912的结果，某些天线的选择状态可能已经改变。如果需要第二天线方向图1009的修改，则过程可以返回到步骤908。其中，切换电路1004可以打开一个或多个先前取消选择的天线1010，或者关闭一个或多个先前选择的天线1008。然后，接收设备可以使用经修改的第二天线方向图来继续生成传入RF信号的AoA估计。如果天线的状态不变，则不需要修改第二天线方向图1009，并且接收设备可以继续将第二天线方向图1009用于方向估计。在一个实施例中，接收设备可以动态地改变或修改其天线方向图，使得可以响应于不断变化的环境因素和RF信号1012属性而仅选择贡献最大的天线。
方向估计的方法900可以被修改以用于AoD估计。在一个实施例中，天线阵列1002可以被布置在发射设备(例如，图2的无线设备202)中。切换电路1004可以类似于开关组件206。接收设备(例如，无线设备212)可以负责生成用于天线选择的天线贡献矩阵。无线设备212可以将指令传输给无线设备202，以用于使用至少开关组件206来形成并动态地改变天线阵列204的天线方向图。
图10C是示出根据本公开的一个实施例的第二天线方向图中的所选择的天线的代表性示意图。如所讨论的，天线朝向可以是在天线方向图中选择天线以用于方向估计方面的贡献因子中的一个。如图10C所示，所选择的天线1、天线2、以及天线3可以形成三个天线对，它们具有相对于第一估计方向的角度(AoA)α1、α2、α3。从纯粹的天线朝向角度来看，当α1–α3在90°或270°的门限角度内时，天线1-3可以有巨大贡献。
图11是示出根据实施例的适用于各种应用的AoA估计配置1100的框图。在实施例中，被跟踪设备1102包括至少一个天线(未示出)以传输RF信号，并且跟踪设备1104和1106各自包括至少三个天线或一个天线集群，并使用本文所描述的系统和方法来估计被跟踪设备1102的AoA。在替代实施例中，被跟踪设备1102可以包括多个天线或天线阵列(未示出)以传输RF信号，并且跟踪设备1104和1106可以使用本文所描述的系统和方法来估计被跟踪设备的AoD。来自多个跟踪设备1104和1106的AoA或AoD估计和/或其它信息(例如，测距或拓扑知识)可以(例如，由任何网络节点)用于估计被跟踪设备1102的二维或三维位置。此能力可以用于但不限于仓库/零售库存跟踪室内位置/导航服务、网络效率、具有位置辅助的家庭自动化设备、资产跟踪、以及用于汽车的无钥匙进入。
主题的实施例包括本文所描述的各种操作。这些操作可以由硬件组件、软件、固件、或其组合来执行。
尽管已经参考具体示例性实施例描述了本公开，但是将显而易见的是，在不背离本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被视为说明性的而不是限制性意义的。
提供本公开的摘要以符合美国联邦法规第1.72条b款，其要求将允许读者快速确定技术公开的一个或多个实施例的本质的摘要。提交时，应理解不会将其用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在前述具体实施方式中，可以看出的是，出于简化本公开的目的，在单个实施例中将各种特征组合在一起。此公开方法不应当被解释为反映这样的意图：所要求保护的实施例要求与每个权利要求中明确记载的特征相比更多的特征。相反，如所附权利要求书反映的，发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，所附权利要求书由此被并入到具体实施方式中，其中，每个权利要求独立地作为单独的实施例。
在说明书中对一个实施例或实施例的引用表示：结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在电路或方法的至少一个实施例中。说明书中的各个位置中出现的短语“一个实施例”不一定全部指代同一个实施例。
在前述说明书中，已经参考本主题的具体示例性实施例描述了本主题。然而，将显而易见的是，在不背离如所附权利要求书所阐述的主题的更广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被视为是说明性意义的而不是限制性意义的。

Claims (21)

1.一种方法，包括：
使用切换电路，从天线集群中选择第一天线子集，以形成第一方向图；
使用所述第一天线子集，接收第一蓝牙信号；
生成所述第一蓝牙信号的第一方向值；
使用处理元件，至少部分地基于所述第一蓝牙信号的所述第一方向值来评估所述天线集群中的至少一个天线；
基于评估所述至少一个天线的结果，使用所述切换电路来从所述天线集群中选择第二天线子集，以形成第二方向图，其中，所述第二方向图不同于所述第一方向图；
使用所述第二天线子集，接收第二蓝牙信号；以及
生成所述第二蓝牙信号的第二方向值。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
使用所述处理元件，至少部分地基于所述第二蓝牙信号的所述第二方向值，来评估没有被包括在所述第二方向图中的至少一个天线；
基于评估没有被包括在所述第二方向图中的所述至少一个天线的结果，来将至少一个天线添加到所述第二天线子集，以形成第三天线子集；
使用所述第三天线子集，接收第三蓝牙信号；以及
生成所述第三蓝牙信号的第三方向值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一蓝牙信号和所述第二蓝牙信号是包括恒定音调扩展(CTE)的蓝牙低功耗(BLE)信号。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
通知传输所述第一蓝牙信号的无线设备缩短所述第二蓝牙信号中的CTE的持续时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一天线子集中的天线对被选择以形成所述第二天线子集，所述天线对具有相对于所述第一蓝牙信号的传播方向在90°或270°的预定门限值内的朝向。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一方向值和所述第二方向值分别包括与所述第一蓝牙信号和所述第二蓝牙信号相关联的到达角(AoA)。
7.根据权利要求1所述的方法，所述第二方向图与所述第一方向图相比包括更少的天线。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，评估所述天线集群中的至少一个天线包括：
生成并比较在所述第一方向图中的每个天线的一个或多个贡献因子，其中，贡献因子包括所述第一蓝牙信号的以下各项中的至少一项：在所述第一方向图中的天线对相对于所述第一方向值的朝向、极性、接收信号强度指示符(RSSI)、以及信噪比(SNR)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述第二天线子集包括：
从所述第一天线子集中取消选择至少一个天线，以形成所述第二天线子集。
10.一种装置，包括：
收发机；
切换电路，其被配置为耦合到天线集群，其中，所述切换电路被进一步配置为将所述天线集群中的至少一个天线耦合到所述收发机；以及
处理元件，其被配置为：
使得所述切换电路将所述天线集群的第一天线子集耦合到所述收发机，以接收第一蓝牙信号；
生成所述第一蓝牙信号的第一到达角(AoA)估计；
使得所述切换电路至少部分地基于所述第一AoA估计，来将所述天线集群的第二天线子集耦合到所述收发机，以接收第二蓝牙信号，其中，所述第一天线子集和所述第二天线子集彼此不同；以及
生成所述第二蓝牙信号的第二AoA估计。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述处理元件被进一步配置为：
使得所述切换电路至少部分地基于所述第二AoA估计，来将第三天线子集耦合到所述收发机，以接收第三蓝牙信号；以及
生成所述第三蓝牙信号的第三AoA估计。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述处理元件被进一步配置为：基于所述第一子集中的每个天线在生成所述第一AoA估计时的一个或多个贡献因子，来评估所述第一子集中的每个天线。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，贡献因子包括所述第一蓝牙信号的以下各项中的至少一项：基于所述第一AoA估计的在所述第一子集中的天线对相对于所述第一蓝牙信号的传播方向的朝向、极性、接收信号强度指示符(RSSI)、以及信噪比(SNR)。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述处理元件被进一步配置为：基于不在所述第二子集中的至少一个天线在生成所述第二AoA估计时的一个或多个贡献因子，来评估不在所述第二子集中的至少一个天线，其中，贡献因子包括所述第二蓝牙信号的以下各项中的至少一项：不在所述第二子集中的天线对相对于所述第二蓝牙信号的传播方向的朝向、极性、接收信号强度指示符(RSSI)、以及信噪比(SNR)。
15.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一蓝牙信号和所述第二蓝牙信号是包括恒定时间扩展(CTE)的蓝牙低功耗(BLE)信号。
16.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第二子集与所述第一子集相比包括更少的天线。
17.一种无线设备，包括：
天线集群，其包括至少三个天线；
收发机；
切换电路，其被配置为将所述天线集群中的至少两个天线耦合到所述收发机，以形成天线子集；以及
处理元件，其被配置为：
生成由第一天线子集接收到的第一蓝牙信号的第一AoA估计；
使得所述切换电路至少部分地基于所述第一AoA估计，来从所述第一天线子集中取消选择至少一个天线，以形成第二天线子集；以及
生成由所述第二天线子集接收到的第二蓝牙信号的第二AoA估计。
18.根据权利要求17所述的无线设备，其中，所述第一蓝牙信号和所述第二蓝牙信号是包括恒定时间扩展(CTE)的蓝牙低功耗(BLE)信号。
19.根据权利要求17所述的无线设备，其中，所述收发机具有单无线电配置，并且所述切换电路被配置为一次将一个天线耦合到所述收发机，以形成所述天线子集。
20.根据权利要求17所述的无线设备，所述处理元件被进一步配置为：
使得所述切换电路至少部分地基于所述第二AoA估计，来添加不在所述第二天线子集中的至少一个天线，以形成第三天线子集；以及
生成由所述第三天线子集接收到的第三蓝牙信号的第三AoA估计。
21.根据权利要求17所述的无线设备，其中，所述天线集群被配置为以下各项中的一项：线性方向图、圆形方向图、以及椭圆形方向图。
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