CN113820951A - 用于到达角的动态切换模式选择 - Google Patents

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Abstract

用于到达角的动态切换模式选择。公开了一种用于改进到达角和离开角计算准确度的设备和方法。该设备和方法依赖于天线切换模式的操纵来实现到达角的改进计算。在一个实施例中，该设备使用常规方法计算估计到达角。然后，该设备确定多个不同天线切换模式中的哪一个在该估计的到达角产生更准确的结果。然后，使用优选天线切换模式重复AoA测量。在另一个实施例中，该设备捕获来自每个天线元件的信号的幅度和/或相位。然后，该设备对这些天线元件进行排序，并基于排序列表定义优选天线切换模式。然后使用优选天线切换模式来执行AoA测量。在另一个实施例中，可以利用神经网络来确定优选天线切换模式。

Description

用于到达角的动态切换模式选择
本公开描述了用于优化天线切换模式的系统和方法，并且更特别地描述了改变天线切换模式以最大化测向（direction finding）算法的准确度的系统和方法。
背景技术
到达角和离开角算法——统称为AoX算法——通过确定天线阵列中不同天线元件之间的相位差来操作。天线阵列可以是一维或二维阵列。由于天线元件之间的距离是已知的，因此该相位差可以用于确定信号源自的角度。
具体地，假设一维天线阵列，其中两个相邻天线元件之间的距离为d。当这两个相邻天线处检测到传入信号时之间的相位差可以给出为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。该相位差
Figure 531948DEST_PATH_IMAGE001
除以
Figure 58876DEST_PATH_IMAGE002
再乘以波长
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示从信号源观察时两个天线元件之间的距离。知道传入信号传播距离的该差允许计算到达角。具体地，到达角可以由传入信号传播的距离差除以表示传入信号余弦的d来给出。换句话说，到达角定义为
Figure 776296DEST_PATH_IMAGE004
的弧余弦。
该算法和其他算法依赖于几个参数的准确性。具体地，相邻天线元件之间的距离必须准确。这通常不是问题，因为天线阵列的几何形状被很好地定义。该算法还依赖于传入信号的质量。具体地，I和Q信号的质量对于任何测向算法的准确操作都至关重要。在许多系统中，来自天线阵列各种元件的信号被多路复用，并利用公共的电子器件。这些公共的电子器件可以包括电感或电容元件，它们不能瞬时切换，并且因此具有建立延迟。
然而，许多协议仅允许预定的时间量来从所有天线元件获取信号。因此，执行测向算法的设备必须用及时方式从天线阵列的每个元件获取必要的信号，尽管存在以上指出的建立延迟。
因此，如果存在一种最小化建立延迟的系统和方法，使得可以获得和评估准确的I和Q信号，则这将是有益的。这样，可以改进AoX算法的准确度。
发明内容
公开了一种用于改进到达角和离开角计算准确度的设备和方法。该设备和方法依赖于天线切换模式的操纵来实现到达角的改进计算。在一个实施例中，该设备使用常规方法计算估计到达角。然后，该设备确定多个不同天线切换模式中的哪一个在该估计到达角下产生更准确的结果。然后，使用优选天线切换模式重复AoA测量。在另一个实施例中，该设备捕获来自每个天线元件的信号的幅度和/或相位。然后，该设备对这些天线元件进行排序，并基于排序列表定义优选天线切换模式。然后使用优选天线切换模式来执行AoA测量。在另一个实施例中，该设备利用神经网络，该神经网络使用I和Q信号进行训练，并提供优选天线切换模式的指示。
根据一个实施例，公开了一种计算到达角或离开角的设备。该设备包括无线网络接口，其中该无线网络接口包括具有多个天线元件的天线阵列和模拟多路复用器，其中该无线网络接口接收来自天线元件的传入信号并生成与该天线元件相关联的I信号和Q信号；处理单元；以及存储器设备，包括指令，该指令当由处理单元执行时使得该设备能够：接收包括恒定音调扩展（CTE）的分组，其中CTE包括具有已知频率的音调，并且其中CTE包括多个切换时隙和多个采样时隙；使用默认天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样，其中天线切换模式确定模拟多路复用器选择天线阵列的每个天线元件的次序；使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算估计到达角；基于在估计到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，选择优选天线切换模式；使用优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；以及使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算到达角。在某些实施例中，存储器设备包括多个天线切换模式。在一些实施例中，预定关系将每个估计到达角与多个天线切换模式之一相关联。在某些实施例中，与每个估计到达角相关联的天线切换模式最小化绝对误差，其中绝对误差被定义为估计到达角和实际到达角之间的差的绝对值。在另一个实施例中，预定关系将估计到达角的范围与多个天线切换模式之一相关联。在某些实施例中，使用优选天线切换模式计算的到达角用于基于在到达角和多个天线切换模式之间的预定关系来选择更新的优选天线切换模式；并且该指令使得该设备能够：使用更新的优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；以及使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算改进的到达角。
根据另一个实施例，公开了一种用于计算到达角或离开角的方法。该方法包括使用具有无线网络接口的设备，其中无线网络接口包括具有多个天线元件的天线阵列和模拟多路复用器，其中无线网络接口接收来自天线元件的传入信号，并生成与天线元件相关联的I信号和Q信号，以接收包括恒定音调扩展（CTE）的分组，其中CTE包括具有已知频率的音调，并且其中CTE包括多个切换时隙和多个采样时隙；使用默认天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样，其中天线切换模式确定模拟多路复用器选择天线阵列的每个天线元件的次序；使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算估计到达角；基于估计到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，选择优选天线切换模式；使用优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；以及使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算到达角。在某些实施例中，优选天线切换模式选自多个天线切换模式之一。在一些实施例中，预定关系将每个估计到达角与多个天线切换模式之一相关联。在某些实施例中，预定关系将估计到达角的范围与多个天线切换模式之一相关联。在一些实施例中，通过以下各项创建预定关系：在固定位置设置信标；旋转具有与设备的天线阵列相同的天线配置的测试设备，其中测试设备旋转通过360度方位角；从信标对CTE进行采样以计算多个方位角的计算到达角；为多个天线切换模式中的每一个创建误差分布，其中误差分布表示在实际到达角和计算的到达角之间的差；以及基于误差分布最小化在每个方位角下的绝对误差。在某些实施例中，通过以下各项来最小化在每个方位角下的绝对误差：对于每个天线切换模式，确定在实际到达角和计算的到达角之间的差；选择具有该差的最小绝对值的天线切换模式。在某些实施例中，该方法进一步包括：基于在到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，使用到达角来选择更新的优选天线切换模式，使用优选天线切换模式来计算所述到达角；使用更新的优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；以及使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算改进的到达角。
根据另一个实施例，公开了一种软件程序。该软件程序包括指令，该指令当由设置在设备上的处理单元执行时，包括无线网络接口，其中该无线网络接口包括具有多个天线元件的天线阵列和模拟多路复用器，其中该无线网络接口接收来自天线元件的传入信号并生成与该天线元件相关联的I信号和Q信号，使得该设备能够：接收包括恒定音调扩展（CTE）的分组，其中CTE包括具有已知频率的音调，并且其中CTE包括多个切换时隙和多个采样时隙；使用默认天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样，其中天线切换模式确定模拟多路复用器选择天线阵列的每个天线元件的次序；使用来自多个采样时隙的I和Q 信号来计算估计到达角；基于估计到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，选择优选天线切换模式；使用优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；以及使用来自多个采样时隙的I和Q 信号来计算到达角。在某些实施例中，软件程序包括多个天线切换模式。在一些实施例中，预定关系将每个估计到达角与多个天线切换模式之一相关联。在一些实施例中，与每个估计到达角相关联的天线切换模式最小化绝对误差，其中绝对误差被定义为估计到达角和实际到达角之间的差的绝对值。在一些实施例中，软件程序进一步包括指令，该指令使得设备能够：基于到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，使用到达角来选择更新的优选天线切换模式，使用优选天线切换模式来计算所述到达角；使用更新的优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；以及使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算改进的到达角。
附图说明
为了更好地理解本公开，对附图进行参考，其中相同的元件用相同的标号引用，并且其中：
图1是可以用于执行本文描述的方法的网络设备的框图；
图2是图1的网络设备的无线电接收器的框图；
图3A-3C示出了传输到图1的系统的代表性方向检测消息的格式；
图4示出了在一个天线切换模式期间的I信号、Q信号、幅度和相位；
图5示出了两种不同的天线切换模式的误差分布；
图6示出了根据一个实施例更准确地计算到达角的过程；
图7A示出了神经网络；
图7B示出了根据第二实施例更准确地计算到达角的过程；
图8示出了根据第三实施例更准确地计算到达角的过程；
图9A示出了来自天线阵列的多个天线元件的信号的幅度；和
图9B示出了在排序之后来自多个天线元件的信号的幅度。
具体实施方式
图1示出了可以用于执行本文描述的动态天线切换的网络设备。该动态天线切换可以与到达角（AoA）或离开角（AoD）算法一起使用。
网络设备10具有处理单元20和相关联的存储器设备25。处理单元20可以是任何合适的组件，诸如微处理器、嵌入式处理器、专用电路、可编程电路、微控制器或其他类似设备。存储器设备25包含指令，所述指令当由处理单元20执行时，使得网络设备10能够执行本文描述的功能。该存储器设备25可以是非易失性存储器，诸如闪存ROM、电可擦除ROM或其他合适的设备。在其他实施例中，存储器设备25可以是易失性存储器，诸如RAM或DRAM。存储器设备25内包含的指令可以被称为软件程序，其被设置在非暂时性存储介质上。
网络设备10还包括网络接口30，该网络接口30可以是包括天线阵列38的无线网络接口。天线阵列38可以包括多个天线元件37。网络接口30可以支持任何支持AoX确定的无线网络协议，诸如蓝牙。网络接口30用于允许网络设备10与网络39上设置的其他设备通信。
网络接口30包括无线电电路31。该无线电电路31用于处理传入信号并将无线信号转换成数字信号。在下面更详细地描述无线电电路31内的组件。
网络接口30还包括读取通道36。读取通道36用于接收、同步和解码从无线电电路31接收的数字信号。具体地，读取通道36具有前导码检测器，该前导码检测器用于标识传入分组的开始。读取通道36还具有同步检测器，该同步检测器用来标识被称为同步字符的特定比特序列。附加地，读取通道36具有解码器，该解码器用于将数字信号转换成正确对齐的数据字节。
网络设备10可以包括第二存储器设备40。从网络接口30接收的或者将经由网络接口30发送的数据也可以存储在第二存储器设备40中。该第二存储器设备40传统上是易失性存储器。
虽然公开了存储器设备25，但是可以采用任何计算机可读介质来存储这些指令。例如，可以采用只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、磁存储设备（诸如硬盘驱动器）或光存储设备（诸如CD或DVD）。此外，这些指令可以诸如例如通过网络连接（未示出）、经由CDROM或通过另一种机制被下载到存储器设备25中。这些指令可以用任何编程语言编写，这不受本公开限制。因此，在一些实施例中，可以存在包含本文描述的指令的多个计算机可读非暂时性介质。第一计算机可读非暂时性介质可以与处理单元20通信，如在图1中所示。第二计算机可读非暂时性介质可以是位于远离网络设备10的CDROM或不同的存储器设备。包含在该第二计算机可读非暂时性介质上的指令可以被下载到存储器设备25上，以允许网络设备10执行指令。
虽然处理单元20、存储器设备25、网络接口30和第二存储器设备40在图1中示出作为单独的组件，但理解，这些组件中的一些或全部可以集成到单个电子组件中。相反，图1用于图示网络设备10的功能，而不是其物理配置。
虽然未示出，但是网络设备10还具有电源，该电源可以是电池或者诸如墙壁插座的到永久电源的连接。
图2示出了无线电电路31的框图。无线信号首先通过天线阵列38的一个天线元件37进入无线电电路31。天线阵列38可以是一维阵列，诸如线性阵列。替代地，天线阵列38可以是二维阵列，诸如M×N阵列。模拟多路复用器50可以用于从天线阵列38选择一个天线元件37。一旦被选择，该天线元件37就与低噪声放大器（LNA）51电通信。LNA 51从天线元件37接收非常弱的信号，并放大该信号，同时维持传入信号的信噪比（SNR）。放大的信号然后被传递到混频器52。混频器52还与本地振荡器53通信，该本地振荡器53向混频器52提供两个相位。频率的余弦可以称为Io，而频率的sin可以称为Qo。然后，Io信号与传入信号相乘，以创建同相信号Im。Qo信号然后乘以传入信号的90°延迟版本，以创建正交信号Qm。来自混频器52的同相信号Im和正交信号Qm然后被馈送到可编程增益放大器（PGA）54。PGA 54以可编程的量放大Im和Qm信号。这些放大的信号被称为Ig和Qg。放大的信号Ig和Qg然后从PGA 54馈送到模数转换器（ADC）55。ADC 55将这些模拟信号转换成数字信号Id和Qd。这些数字信号可以通过信道滤波器56，然后作为I和Q 信号离开无线电电路31。在某些实施例中，I值和Q值可以被认为是复数，其中I值是实部，并且Q值是虚部。
然后，I和Q 信号进入CORDIC（坐标旋转数字计算机），该CORDIC（坐标旋转数字计算机）确定信号的幅度和相位。幅度由I2和Q2的平方根给出，而相位由
Figure DEST_PATH_IMAGE005
给出。CORDIC可以设置在无线电电路31中或者网络接口30内的其他地方。在某些实施例中，CORDIC可以用软件实现。
在某些实施例中，网络接口30在利用蓝牙网络协议的无线网络上操作。图3A示出了用于方向检测的特殊蓝牙分组的格式。这些分组通常以前导码300、地址字段310、有效载荷320和校验和或CRC 330开始。然而，特殊分组还包括恒定音调扩展（CTE）340。图3B和图3C示出了CTE 340的两种不同格式。在两种格式中，CTE 340包括保护周期341、参考周期342以及多个切换时隙343和采样时隙344。每个切换时隙343和采样时隙344的持续时间可以是1µ秒或2 µ秒，如分别在图3B和图3C中所示。CTE 340是对蓝牙分组的特殊扩展，其传输恒定的频率，诸如250kHz音调。例如，CTE 340可以是一串连续的“1”。CTE 340可以长至160 µ秒并且短至16 µ秒。实际上，网络设备10在保护周期341和参考周期342期间使用天线阵列38的单个天线元件37来接收CTE 340。然后，网络设备10通过改变无线电电路31中模拟多路复用器50的选择，在每个切换时隙343期间切换到另一个天线元件37。网络设备10在采样时隙344期间用该新的天线元件37再次采样音调。网络设备10在每个切换时隙343期间继续切换天线元件37，并在采样时隙344期间采样音调。如果采样时隙344比天线元件多，则网络设备10可以返回到第一天线元件37并重复该序列。一个样本集合，其中每个天线元件已经被用于对CTE 340精确地采样一次，其可以被称为快照。
在整个CTE 340期间，发送设备以恒定的已知频率传送音调。如以上陈述，网络设备10可以使用天线阵列的一个天线元件37接收该音调。具体地，使用相同的天线元件37接收具有组合持续时间为12 µ秒的保护周期341和参考周期342。
网络设备10然后执行上述步骤来生成I和Q 信号。在某些实施例中，处理单元20以非常高的速率采样I和Q 信号，诸如比传入音调的频率快7倍或更快。例如，如果传入音调为250kHz，则可以使用4.0 MHz（十六倍过采样）或8.0 MHz（三十二倍过采样）的过采样速率。然后，I和Q 信号进入CORDIC，其确定了信号的幅度和相位。幅度给出为I2和Q2的平方根，而相位由
Figure 109188DEST_PATH_IMAGE005
给出。
理想情况下，当模拟多路复用器50切换到不同的天线单元时，I和Q 信号将立即跟踪新的天线单元。然而，并非在所有情况中都是如此。图4示出了I信号400、Q信号401、幅度402和相位403。在该图解中，模拟多路复用器50在时间404从第一天线元件切换到第二天线元件。在时间405，模拟多路复用器50从第二天线元件切换到第三天线元件。
在该示例中，来自第一天线元件的信号的幅度和来自第三天线元件的信号的幅度粗略地相等。来自第二天线元件的信号幅度比来自其他两个天线元件的信号粗略地小20dB。附加地，来自三个天线元件的信号的相位粗略地相同。
注意到，在时间404，当模拟多路复用器50切换到第二天线元件时，幅度如预期的那样相对快速地下降。然而，还注意到，存在大的相位尖峰406。这是由读取通道中的所有组件无法立即适应新的幅度引起的。如以上指出的，读取通道中的电感和电容元件不能瞬时改变，导致相位尖峰406。在该图中，数据在每秒4.8M个样本下被采样。此外，时间404之后的阶段403的建立时间粗略地为18个样本，或大约3.75 µ秒。当从第二天线元件切换到第三天线元件时，另一个相位尖峰407出现在时间405。同样，建立时间粗略地为18个样本。
注意到，如果相位信号没有足够快地建立，则诸如MUSIC的任何测向算法的结果都可能不准确。
图5示出了图示该现象的图。信标被设置在受控环境中的测试设备附近。例如，环境可以被配置为使得测量可以在没有任何多径干扰的情况下进行。测试设备被放置在转盘上，使得它至少旋转了360°。当测试设备旋转时，它捕获I和Q 信号，并基于这些I和Q 信号计算到达角（AoA）。然后，可以将该计算的角度与实际到达角进行比较，该实际到达角可以基于测试设备的方位角和信标的实际位置凭经验导出。
在图5中，水平轴表示在测试设备旋转时测试设备的方位角。在该测试中，测试设备的天线阵列是4 x 4阵列。垂直轴表示实际到达角和设备在该方位角处计算的到达角之间的差。换句话说，垂直轴上的0值指示计算的到达角与实际到达角完全相同。线500示出了第一天线切换模式的方位误差。在该第一天线切换模式中，对第一行中的所有天线元件进行排序，然后对第二行中的所有天线元件进行排序。这也对于第三和第四行进行重复。线501示出了第二天线切换模式的方位误差。在该第二天线切换模式中，对第一列中的所有天线元件进行排序，然后对第二列中的所有天线元件进行排序。这也对于第三和第四列进行重复。因此，如果天线元件在第一行中编号为1-4，在第二行中编号为5-8，在第三行中编号为9-12，并且在第四行中编号为13-16，则第一天线切换模式将按照以下次序选择天线元件：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。第二天线切换模式将按以下次序选择天线元件：1、5、9、13、2、6、10、14、3、7、11、15、4、8、12、16。
该图的每个线可以被称为该天线切换模式的误差分布。注意到，对于某些方位角，第一天线切换模式产生更准确的结果。具体地，对于从大约40°到大约90°以及从大约230°到大约330°的方位角，线500（即，第一天线切换模式）具有较小的绝对误差。类似地，对于从大约0°到大约40°以及从120°到大约220°的方位角，线501（即，第二天线切换模式）具有较小的绝对误差。其他天线切换模式可以展现不同的结果。
换句话说，在CTE 340期间，切换天线元件所用的顺序影响了AoA测量的准确度。该信息可以以多种不同的方式使用。
附加地，尽管图5示出了作为方位角的函数的不同天线切换模式的效果，但类似的结果也可以出现在不同的仰角。
根据一个实施例，在图6的过程600中图示，网络设备10可以首先创建多个图，诸如图5中所示的那些。这些图特定于天线阵列的几何形状和天线切换模式。在某些实施例中，网络设备10不创建这些图。相反，它们是使用具有相同或相似天线配置的测试设备创建的。在创建多个图之后，可以在估计到达角和优选天线切换模式之间创建关系，如在过程610中所示。例如，在图5中，如果估计的AoA在0°和40°之间或者在120°和220°之间，则网络设备10可以创建使用第二天线切换模式的关系。网络设备10还可以得出结论：第一天线切换模式用于所有其他估计角度。当然，如果创建了多于两个的天线切换模式，则关系可能更复杂。该关系可以用多种方式表述。在一个实施例中，网络设备10可以创建将每个方位角与优选天线切换模式相关联的表格。在某些实施例中，为了节省存储器空间，该表格可以将方位角范围与优选天线切换模式相关联。例如，该表格可以将方位角分组在例如5°的组中。在另一个实施例中，该关系可以以不同的方式表示。
网络设备10然后可以使用默认天线切换模式来接收CTE 340的至少一部分，如在过程620中所示。例如，网络设备10可以在多个采样时隙344处获得I和Q 信号，其中采样时隙与多个天线元件相关联。在某些实施例中，网络设备10为天线阵列中的每个天线元件获得I和Q 信号的至少一个集合。
如在过程630中所示，使用诸如MUSIC的测向算法，网络设备10可以计算估计到达角。基于从多个采样时隙获得的I和Q信号来确定估计到达角的方法是公知的，并且因此不进一步描述。
如在过程640中所示，基于该估计到达角，设备然后可以基于上面创建的关系选择优选天线切换模式。如在过程650中所示，网络设备10然后使用该优选天线切换模式重复AoA测量。重复AoA测量涉及接收CTE 340，使用优选天线切换模式在每个天线单元相应采样时隙中的至少一个期间获得与每个天线单元相关联的I和Q信号，以及使用这些I和Q信号执行诸如MUSIC的AoA算法。
在某些实施例中，过程630-650可以重复多次，以进一步改进结果的准确性。具体地，通过重复过程640，在过程650中计算的到达角可以用于选择更新的优选天线切换模式。如在过程650中所示，该更新的优选天线切换模式然后被用于计算改进的到达角。
该方法在没有多径干扰的环境中可能更有效。
然而，也可以采用其他方法。
在另一个实施例中，在图7A-7B中所示，该设备可以使用机器学习来选择优选天线切换模式。图7A示出了神经网络的配置，而图7B示出了该实施例中设备的操作。神经网络750可以包括一个或多个处理层760。处理层760可以是卷积层或全连接层。在任一配置中，都存在用于教导神经网络750的可训练参数770。
在该实施例中，至神经网络750的输入可以是从每个采样时隙获得的I和Q 信号。具体地，如在过程700中所示，在CTE 340期间，可以使用默认天线切换模式从各种天线元件接收I和Q 信号。例如，网络设备10可以在多个采样时隙344处获得I和Q 信号，其中采样时隙与多个天线元件相关联。在某些实施例中，网络设备10为天线阵列中的每个天线元件获得I和Q 信号的至少一个集合。
接下来，这些I和Q 信号可以被供应到设置在网络设备10中的神经网络750，如在过程710中所示。
如在过程720中所示，神经网络750然后可以提供给定供应的I和Q 信号，哪个天线切换模式将是更优选的指示。例如，神经网络750可以具有一个或多个输出，其中每个输出代表与使用特定天线切换模式相关联的置信水平。例如，神经网络750可以指示第一切换模式优选具有72%的置信水平，而第二切换模式优选具有28%的置信水平。在该情况下，网络设备10将选择第一天线切换模式作为优选天线切换模式。
在该实施例中，没有必要计算估计到达角。相反，可以仅使用来自各种天线元件的I和Q 信号来训练神经网络750，以选择优选天线切换模式。在某些实施例中，可以预定义多个天线切换模式，诸如参考图6的过程600和图5所述。使用该信息，可以使用I和Q信号来训练神经网络。例如，如上所述，信标可以设置在固定位置上，并且测试设备可以旋转大约360°的方位角。测试设备在每个角度处接收的I和Q信号可以用作训练数据。此外，（如以上确定的）优选天线切换模式可以在训练期间作为基础真值供应到神经网络750。在被训练之后，神经网络750能够为I和Q 信号的任何集合提供优选天线切换模式的指示。然后，如在过程730中所示，优选天线切换模式被用于执行AoA测量。执行AoA测量涉及接收CTE 340，在每个天线单元相应采样时隙中的至少一个期间获得与每个天线单元相关联的I和Q 信号，并使用这些I和Q 信号执行诸如MUSIC的AoA算法。
在某些实施例中，过程700-720可以被执行多次以改进结果的准确性。例如，在神经网络750提供优选天线切换模式的指示之后，网络设备10然后可以使用该优选切换模式来接收CTE 340，如在过程700中所示。在该CTE 340期间获得的I和Q 信号然后可以成为至神经网络750的更新输入，如在过程710中所示。如在过程720中所示，神经网络750然后提供未注明日期的优选天线切换模式，该未注明日期的优选天线切换模式可以用于执行AoA测量。
图8示出了可以用于创建优选天线切换模式的另一过程。在该实施例中，没有预定义的天线切换模式。相反，网络设备10接收CTE 340，如在过程800中所示。这可以使用默认天线切换模式来执行。例如，网络设备10可以在多个采样时隙344处获得I和Q 信号，其中采样时隙与多个天线元件相关联。在某些实施例中，网络设备10为天线阵列中的每个天线元件获得I和Q 信号的至少一个集合。如在过程810中所示，网络设备10然后使用在CTE 340期间获得的I和Q 信号的这些集合来计算与同每个天线元件相关联的信号相关联的至少一个参数。这些参数可以包括幅度和/或相位。在某些实施例中，仅计算这两个参数中的一个。图9A示出了显示具有8个天线元件的天线阵列以及与天线阵列中的每个天线元件相关联的信号幅度的代表性图。
如在过程820中所示，网络设备10然后基于相应的I和Q 信号的幅度或相位对天线元件进行排序。天线元件可以按升序或降序排序。图9B示出了图9A按幅度升序排序的天线元件。然后，如在过程830中所示，排序的列表然后用于定义优选天线切换模式。换句话说，在图9B中所示的示例中，优选天线切换模式可以定义为：6、8、3、1、4、2、7。
然后，如在过程840中所示，网络设备10使用该优选天线切换模式来执行AoA测量。执行AoA测量涉及接收CTE 340，在每个天线单元相应采样时隙中的至少一个期间获得与每个天线单元相关联的I和Q 信号，并使用这些I和Q 信号执行诸如MUSIC的AoA算法。
在某些实施例中，排序的天线元件的次序可以不是严格的上升或下降。相反，可以对天线元件进行排序，使得列表中两个相邻天线元件之间的幅度或相位差小于预定阈值。
如果期望，则网络设备10可以将过程800-830而不是计算AoA重复一个或多个附加次数，以细化优选天线切换模式。具体地，在过程830中创建的优选天线切换模式可以用于对CTE进行采样。类似于过程830，在过程820中找到的更新的幅度和/或相位然后可以被排序到更新的排序列表中。如在过程830中所示，该更新的排序列表用于创建更新的优选天线切换模式，然后如在过程840中所示，该优选天线切换模式用于计算改进的到达角。
到达角或离开角可以用于许多功能。例如，一个到达角定位器可以用于定位信标。该类应用可以称为寻路（wayfinding）。例如，信标可以是汽车钥匙或用户需要找到的另一个设备集合。持有定位器设备的用户可以基于定位器设备检测到的到达角被引导到信标。作为示例，汽车可以配备有蓝牙。车主可以向设置在停车场中的汽车发送命令，以传送信标或信标序列。由车主携带的定位器设备检测到达角，并且可以将车主引导向停车场中的汽车。在另一个实施例中，购物中心可以在某些位置处安装信标，诸如在出口、某些商店或美食广场附近。购物者可以使用便携式定位器设备使用这些信标来引导他们通过购物中心。类似地，到达角可以用于引导操作员朝向仓库或其他结构中的资产。定位器设备可以包括指示器，该指示器允许操作员确定到达角。例如，定位器设备可以具有指示信标方向的可视显示器。替代地，定位器设备可以具有音频输出，该音频输出向用户通知信标的方向。
当使用多个定位器时，可以确定传送器的确切位置。该类应用被称为空间定位。例如，在具有多个定位器设备的结构内部，可以确定任何传送器的确切位置。这可以有助于在这些环境中取代GPS，因为GPS定位需要更多的电力来执行。在一个示例中，操作员可以携带移动电话。多个定位器设备各自确定由该电话传送的信标的到达角。在一个实施例中，这些到达角被转发到移动电话。在另一个实施例中，这些到达角被转发到集中式计算设备，该集中式计算设备基于所有接收到的到达角来计算移动电话的位置。因此，移动电话或另一设备可以使用来自每个定位器设备的到达角来精确定位（pinpoint）移动电话的具体位置。如果采用多个定位器设备，则三维空间定位也是可能的。
可以使用离开角算法执行类似的功能。例如，用户可以具有拥有单个天线的设备，而不是天线阵列。如果诸如上面在购物中心或仓库中描述的信标之类的信标利用天线阵列，则用户的设备可以确定离开角。
该设备还可以能够确定从多个信标的离开角。如果信标的位置是已知的，则设备可以能够从这些离开角计算其空间位置。
换句话说，该信息可以以与到达角信息相同的方式用在寻路和空间定位中。此外，该设备可以具有用以向用户提供离开角的指示的指示器。在其他实施例中，该设备可以具有用以向用户通知其空间位置的指示器。
本系统和方法具有许多优点。首先，在所有实施例中，本文描述的方法导致更准确的角度估计准确度。因为该设备实现了更好的准确性，所以CTE分组的数量方面的减少也是可能的。这也可能导致更低的功率消耗和更快的响应时间。
本公开在范围方面不受本文描述的具体实施例限制。实际上，本公开的其他各种实施例和对本公开的修改——除了本文描述的那些之外——对于本领域普通技术人员而言从前面的描述和附图中将是清楚的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本文已经在特定环境中为特定目的的特定实现的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本公开可以有益地在任何数量的环境中为任何数量的目的实现。因此，下面阐述的权利要求应该根据如本文描述的本公开的完全宽度和精神来解释。

Claims (19)

1.一种计算到达角或离开角的设备，包括：
无线网络接口，其中无线网络接口包括具有多个天线元件的天线阵列和模拟多路复用器，其中无线网络接口接收来自天线元件的传入信号并生成与所述天线元件相关联的I信号和Q信号；
处理单元；和
存储器设备，包括指令，所述指令当由处理单元执行时使得所述设备能够：
接收包括恒定音调扩展（CTE）的分组，其中CTE包括具有已知频率的音调，并且其中CTE包括多个切换时隙和多个采样时隙；
使用默认天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样，其中天线切换模式确定模拟多路复用器选择天线阵列的每个天线元件的次序；
使用来自多个采样时隙的I和Q信号来计算估计到达角；
基于在估计到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，选择优选天线切换模式；
使用优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；和
使用来自所述多个采样时隙的I和Q信号来计算到达角。
2.根据权利要求1所述的设备，其中存储器设备包括所述多个天线切换模式。
3.根据权利要求2所述的设备，其中预定关系将每个估计到达角与所述多个天线切换模式之一相关联。
4.根据权利要求3所述的设备，其中与每个估计到达角相关联的天线切换模式最小化绝对误差，其中所述绝对误差被定义为在估计到达角和实际到达角之间的差的绝对值。
5.根据权利要求2所述的设备，其中预定关系将估计到达角的范围与所述多个天线切换模式之一相关联。
6.根据权利要求5所述的设备，其中与估计到达角的每个范围相关联的天线切换模式最小化绝对误差，其中所述绝对误差被定义为在所述范围内的估计到达角和实际到达角之间的差的绝对值。
7.根据权利要求1所述的设备，其中使用优选天线切换模式计算的到达角用于基于在到达角和多个天线切换模式之间的预定关系来选择更新的优选天线切换模式；并且
其中所述指令使得所述设备能够：
使用更新的优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；和
使用来自所述多个采样时隙的I和Q 信号来计算改进的到达角。
8.一种计算到达角或离开角的方法，包括：
使用具有无线网络接口的设备，其中无线网络接口包括具有多个天线元件的天线阵列和模拟多路复用器，其中无线网络接口接收来自天线元件的传入信号，并生成与天线元件相关联的I信号和Q信号，以接收包括恒定音调扩展（CTE）的分组，其中CTE包括具有已知频率的音调，并且其中CTE包括多个切换时隙和多个采样时隙；
使用默认天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样，其中天线切换模式确定模拟多路复用器选择天线阵列的每个天线元件的次序；
使用来自所述多个采样时隙的I和Q信号来计算估计到达角；
基于在估计到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，选择优选天线切换模式；
使用优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；和
使用来自所述多个采样时隙的I和Q信号来计算到达角。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，优选天线切换模式是从多个天线切换模式之一中选择的。
10.根据权利要求8所述的方法，其中预定关系将每个估计到达角与所述多个天线切换模式之一相关联。
11.根据权利要求8所述的方法，其中预定关系将估计到达角的范围与所述多个天线切换模式之一相关联。
12.根据权利要求8所述的方法，其中预定关系通过以下各项创建：
将信标设置在固定位置处；
旋转具有与设备的天线阵列相同的天线配置的测试设备，其中测试设备旋转通过360度方位角；
从信标对CTE进行采样以计算多个方位角的计算到达角；
为多个天线切换模式中的每一个创建误差分布，其中误差分布表示在实际到达角和计算的到达角之间的差；和
基于误差分布最小化在每个方位角下的绝对误差。
13.根据权利要求12所述的方法，其中最小化在每个方位角下的绝对误差通过以下各项来执行：
对于每个天线切换模式，确定在实际到达角和计算的到达角之间的差；
选择具有所述差的最小绝对值的天线切换模式。
14.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
基于在到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，使用到达角来选择更新的优选天线切换模式，使用优选天线切换模式来计算所述到达角；
使用更新的优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；和
使用来自所述多个采样时隙的I和Q 信号来计算改进的到达角。
15.一种设置在非暂时性存储介质上的软件程序，包括指令，所述指令当由设置在设备上的处理单元执行时，包括无线网络接口，其中所述无线网络接口包括具有多个天线元件的天线阵列和模拟多路复用器，其中所述无线网络接口接收来自天线元件的传入信号并生成与所述天线元件相关联的I信号和Q信号，使得所述设备能够：
接收包括恒定音调扩展（CTE）的分组，其中CTE包括具有已知频率的音调，并且其中CTE包括多个切换时隙和多个采样时隙；
使用默认天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样，其中天线切换模式确定模拟多路复用器选择天线阵列的每个天线元件的次序；
使用来自所述多个采样时隙的I和Q 信号来计算估计到达角；
基于在估计到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，选择优选天线切换模式；
使用优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；和
使用来自所述多个采样时隙的I和Q 信号来计算到达角。
16.根据权利要求15所述的软件程序，进一步包括多个天线切换模式。
17.根据权利要求15所述的软件程序，其中预定关系将每个估计到达角与所述多个天线切换模式之一相关联。
18.根据权利要求17所述的软件程序，其中，与每个估计到达角相关联的天线切换模式最小化绝对误差，其中，所述绝对误差被定义为在估计到达角和实际到达角之间的差的绝对值。
19.根据权利要求15所述的软件程序，进一步包括指令，所述指令使得所述设备能够：
基于在到达角和多个天线切换模式之间的预定关系，使用到达角来选择更新的优选天线切换模式，使用优选天线切换模式来计算所述到达角；
使用更新的优选天线切换模式在多个采样时隙期间对CTE进行采样；和
使用来自所述多个采样时隙的I和Q 信号来计算改进的到达角。
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