CN116643230A - 用于任意天线间隔的到达角度估计方法和对应通信装置 - Google Patents

用于任意天线间隔的到达角度估计方法和对应通信装置 Download PDF

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Abstract

本文描述了一种用于确定通信装置处的到达角度(β)的方法。所述方法包括在所述通信装置与另一通信装置之间执行消息交换。所述消息交换包括借助于第一天线和第二天线在所述通信装置处接收与第一频率相关联的至少一个第一消息，并且借助于所述第一天线和所述第二天线在所述通信装置处接收与第二频率相关联的至少一个第二消息。所述方法进一步包括确定由所述通信装置的朝向和所述消息交换的传输方向限定的所述到达角度(β)，其中所述到达角度(β)是基于所接收的所述第一消息和所接收的所述第二消息而确定。此外，描述了对应的通信装置。

Description

用于任意天线间隔的到达角度估计方法和对应通信装置
技术领域
本公开涉及一种用于确定通信装置处的到达角度的方法。本公开进一步涉及对应通信装置。在此上下文中，本公开可涉及射频通信的技术领域。
背景技术
射频(RF)测距系统可用于测量物体之间，例如移动电话与标签之间，的距离、位置和方向。近来，UWB无线电技术已越来越多地用于这些任务。此技术的大带宽实现利用基于时间和基于角度的测量的准确距离、位置和方向估计。到达角度(AoA)估计对于UWB在当今市场中的成功来说是尤其重要的。AoA估计可用于许多智能电子产品的测向、定位，甚至远程控制。
为了测量信号的到达角度(AoA)，UWB和其它RF系统利用在两个或更多个天线处的信号的到达相位差(PDoA)。为了避免不明确性，这些天线需要间隔小于频率载波的波长的一半。然而，这并不始终是可能的，例如，在类似于智能手机的具有硬性空间约束的UWB或其它RF装置中。增大天线之间的间隔会导致PDoA不明确性，其中多个AoA值可能会映射到单个PDoA，从而大大增大AoA估计中的误差。
已建议通过使用到达时间差(TDoA)估计来解决上述不明确性，但TDoA值展示比所要大得多的方差，这又会产生大AoA误差。
发明内容
本公开的目标为促进在通信装置处的到达角度的准确且可靠的确定。
为了实现此目标，提供根据独立权利要求的方法和装置。
根据本公开的一方面，描述一种用于确定通信装置处的角度(特别是到达角度)的方法。所述方法包括(a)在所述通信装置与另一通信装置之间执行消息交换。所述消息交换包括(a1)借助于第一天线和第二天线在所述通信装置处接收与第一频率相关联的至少一个第一消息，以及(a2)借助于所述第一天线和所述第二天线在所述通信装置处接收与第二频率相关联的至少一个第二消息。所述方法进一步包括(b)确定由所述通信装置的朝向和所述消息交换的传输方向限定的所述角度，其中所述角度是基于所接收的所述第一消息和所接收的所述第二消息而确定。
根据本公开的另一方面，描述一种通信装置，特别是UWB通信装置。所述通信装置包括(a)收发器单元，所述收发器单元包括第一天线和第二天线，其中所述收发器单元被配置成在所述通信装置与另一通信装置之间执行消息交换。所述消息交换包括(i)借助于所述第一天线和所述第二天线在所述通信装置处接收与第一频率相关联的至少一个第一消息，以及(ii)借助于所述第一天线和所述第二天线在所述通信装置处接收与第二频率相关联的至少一个第二消息。所述通信装置进一步包括(b)处理单元，所述处理单元被配置成确定由所述通信装置的朝向和所述消息交换的传输方向限定的角度，特别是到达角度，其中所述角度是基于所接收的所述第一消息和所接收的所述第二消息而确定。
在本公开的上下文中，术语“通信装置”可指能够与其它装置(例如，另一通信装置)交换信息的装置。可经由射频(RF)信号，特别是超宽带(UWB)信号，交换所述信息。因此，通信装置可为UWB通信装置。通信装置可为特别是具有UWB或其它RF功能性的移动装置、移动电话、收发器、电路、标签、钥匙、令牌或智能卡。
为了交换信息，通信装置配备有第一天线和第二天线。其可配备有第三天线或甚至多于三个天线。这些天线可能够接收和/或发送信号，特别是RF信号，例如UWB信号。因此，天线可为UWB天线。第一天线和第二天线可形成通信装置的“收发器单元”的部分。收发器单元可包括用于测量和/或分析由天线接收的信号以例如确定与信号相关联的消息的电路系统。收发器单元可为仅被配置成接收信号但不发送信号的接收器单元。
通信装置可进一步包括“处理单元”，所述处理单元可被配置成分析所接收的信号和/或所接收的消息。所述处理单元可被配置成确定在所接收的信号中编码的信息，例如，确定在所接收的信号中编码的消息。其可被配置成确定所接收的信号和/或所接收的消息的特定特性，例如相位、频率、波长或幅值。处理单元可包括处理电路系统。其可包括执行例如计算机程序等指令的电子电路系统。其可进一步包括存储器和/或输入/输出电路系统。
“另一通信装置”可但无需具有上述通信装置的特性。其可与所述通信装置共享仅一些特性。举例来说，所述另一通信装置可具有仅单个天线。因此，其可能不能够通过上述方法确定到达角度。其可具有两个或多于两个天线。
在本公开的上下文中，“消息”可指由对应信号携载的信息。信息可在信号中编码，例如就经调制载波信号而言，所述经调制载波信号可经频率调制、振幅调制和/或相位调制。可替换的是，可就无载波调制来编码信息。在实施例中，消息可直接指代例如RF信号的物理信号，特别是UWB信号。所述消息可指携载信息的信号和所述信息两者。信息可由信号的物理特性(例如，相关联频率的相位(例如，在信号的上升沿和/或第一路径处))组成或包括信号的物理特性。用于AoA估计的信号的部分可为前导码信号和/或对应于单个脉冲的序列的STS序列。
所述消息可为信标消息、最终信标消息、预轮询消息、轮询消息、最终消息或最终数据消息。所述至少一个第一消息可为单个第一消息，或可为多个第一消息，例如，两个、三个、四个、五个或更多个消息。类似地，所述至少一个第二消息可为单个第二消息，或可为多个第二消息，例如，两个、三个、四个、五个或更多个消息。
当消息与频率“相关联”时，这可指代与频率相关联的对应物理信号。举例来说，频率可为信号的载波频率，和/或其可涉及与信号相关联的频率范围，例如，通信信道或频带的频率范围。其可表示所述频率范围的下边界或上边界。其还可涉及用于无载波调制的频率。第一频率可不同于第二频率。
术语“消息交换”可指通信装置与另一通信装置之间的信息交换。在此消息交换中，消息可在通信装置处发送和/或接收和/或在另一通信装置处发送和/或接收。信息交换可为但无需为相互的，即，消息可以仅在一个方向上交换，例如，从通信装置到另一通信装置或从另一通信装置到所述通信装置。消息交换可包括与第一频率相关联且从通信装置发送的另外的消息和/或与第二频率相关联且从通信装置发送的另外的消息。消息交换可遵循给定通信协议，例如UWB消息交换协议。
在本公开的上下文中，“到达角度”由通信装置的朝向和消息交换的传输方向限定。可依据传入或所接收信号的方位角和仰角来指定到达角度。到达角度可限定为传输方向与天线轴线之间的角度。
可由通信装置的第一天线和/或第二天线的朝向(特别是那些天线的一或多个轴线)限定通信装置的“朝向”。天线轴线可以例如垂直于通过天线辐射最大功率的平面。通信装置的朝向可指通信装置的轴线，例如沿着通信装置的宽度、长度或高度。
消息交换的“传输方向”可指实施消息交换的对应信号的传播方向。其可指入射在第一天线和/或第二天线上的波或波前的传播方向，特别是例如射频波或UWB波的电磁波的传播方向。传输方向可由从另一通信装置到通信装置的方向限定，或反之亦然。
根据示例性实施例，本公开可基于有助于准确且可靠地确定通信装置处的到达角度的想法。上述方法和装置可在所确定的到达角度出现不明确性的情境中特别有利。举例来说，当第一天线与第二天线之间的天线间隔大于或至少与某一阈值一样大时，可发生此类不明确性。阈值可与第一频率和/或第二频率有关。举例来说，阈值可对应于对应于第一频率的第一波长的一半或对应于第二频率的第二波长的一半。
上述方法和对应装置可允许消除这些不明确性中的至少一些，特别是其全部。因此，可准确地确定到达角度。常规地，已尝试通过还确定到达时间差来消除到达角度中的不明确性。然而，与其中使用与两个或更多个频率相关联的消息用于确定到达角度的方法相比，此到达时间差的值可展示导致到达角度中的较大误差的大方差。
上述方法和对应装置可为有利的，因为在不需要添加另外的硬件(例如，额外天线)的情况下，可消除或至少减小确定到达角度时的不明确性。通过允许天线之间的任意距离同时解决所提及的不明确性的问题，可便于例如配备有UWB的装置等通信装置中的天线放置。这可尤其适用于具有严格空间约束的装置，例如智能手机，从而导致天线放置和系统设计中的较高自由度而不增大制造成本。
在下文中，将解释装置和方法的另外的示例性实施例。
根据实施例，角度是基于在借助于第一天线和第二天线接收第一消息时导致的第一相位差和在借助于第一天线和第二天线接收第二消息时导致的第二相位差而确定。
当在第一天线和第二天线处接收到与第一频率相关联的第一消息或对应信号时，可由传播延迟导致第一相位差。类似地，当在第一天线和第二天线处接收到与第二频率相关联的第二消息或对应信号时，可由传播延迟导致第二相位差。传播延迟可对应于两个天线之间的距离乘以到达角度的正弦。因此，相应相位差可对应于两个天线之间的距离乘以到达角度的正弦乘以与消息或对应信号相关联的频率除以与消息或对应信号相关联的传播速度(例如，光速)。所述相位差可为两个天线处的相应信号的载波相位的差。可在信号的上升沿测量相位差。可相对于信号的第一路径测量相位差，所述第一路径可对应于信号源与天线之间的视距。
当在布置成预定距离的两个天线处接收到消息或对应信号时，上述实施例指定确定到达角度的程序，即通过测量相位差。当此距离大于与消息相关联的波长的一半时，由于例如载波信号等对应频率信号的周期性，可能会产生不明确性。因为这些不明确性对于不同频率通常不同，所以可通过确定与不同频率相关联的两个相位差来避免其中的至少一些。
根据另一示例性实施例，通信装置(特别是收发器单元)包括一或多个另外的天线，例如第三天线。基于也关于这些另外的天线的相位差确定到达角度可增大例如在第一天线和第三天线和/或第二天线和第三天线处所确定的到达角度的准确性。还可能有可能使用第三天线结合第一天线和/或第二天线确定另一到达角度。因此，可能存在与三个天线相关联的三个接收器。一般来说，取决于接收器的数目，可使用两个或更多个天线来接收每一消息。可部署例如呈L形的三天线设置。天线中的两个可用于估计水平AoA(从在两个水平天线处测量的水平PDoA)，且不同天线对(可能重复使用一个天线)用作竖直天线对来估计竖直AoA(从竖直PDoA)。此外，系统可针对水平对使用多于两个天线，例如，以改进准确性。
根据另一实施例，第一天线与第二天线之间的距离为对应于第一频率的第一波长的至少一半。替代地或另外，其可为对应于第二频率的第二波长的至少一半。其可为第一波长和第二波长中的最小值的至少一半。其可为第一波长和第二波长中的最大值的至少一半。在所有这些情况下，其也可严格地较大。
第一波长可等于传播速度(与第一消息或对应信号相关联，例如，光速)除以第一频率。第二波长可等于传播速度(与第二消息或对应信号相关联，例如，光速)除以第二频率。第一频率和第二频率可为与相应消息或信号相关联的载波频率。信号的传播速度可为光在信号行进的介质(例如，空气)中的速度。第一频率和第二频率可为相应载波频率。
以上实施例可为有利的，因为可特别是在例如智能电话等具有严格空间要求的通信装置中便于天线放置。在此类装置中，可能并不始终有可能以第一波长和/或第二波长的一半或更小的距离布置两个天线。如所提及，将天线放置在较大距离处可导致如所描述而解决的不明确性。
根据另一实施例，第一频率与第一频道相关联，且第二频率与不同于第一频道的第二频道相关联。
在第一频道上，可传输与第一频率相关联的第一消息。在第二频道上，可传输与第二频率相关联的第二消息。第一频率可为第一频道的载波频率。第二频率可为第二频道的载波频率。第一频率和第二频率可以其它方式与相应频道相关，例如表示上边界或下边界。
经由不同频道传输消息可有利地区分第一频率和第二频率且确保相应相位差足够不同以解决不明确性。
根据另一示例性实施例，经由第一频道传输第一消息，且经由第二频道传输第二消息。
根据另一实施例，第一频道和/或第二频道为超宽带UWB频道。使用UWB信道可为有利的，因为UWB技术最近已用于确定到达角度。特别是，UWB无线电技术的大带宽已展示为对于准确到达角度测量是特别有效的。
举例来说，第一UWB频道可为信道5，且第二UWB频道可为信道9(例如，由IEEE802.15.4标准限定)，或反之亦然。由于相应载波频率之间的相当大的差异，这可能是有利的。并且，这些信道可为可在世界的许多地方可用的宽带信道。可替换的是，可以类似优点使用信道9和10或信道9和12。
根据另一实施例，第三频道在第一频道与第二频道之间。至少两个、三个、四个、五个或更多个频道可在第一频道与第二频道之间。此可有利地确保相应相位差之间的足够大的差异以在确定到达角度时解决不明确性。
根据另一实施例，至少一个第二消息是在至少一个第一消息之后或之前接收。举例来说，可在多个第一消息之后或之前接收单个第二消息。此实施例可为有利的，以便避免与那些频率有关的不同频率和/或信道之间的过多切换。其可有利地避免多信道测距，多信道测距可能是不可能的。
根据另一实施例，所述方法进一步包括基于所述至少一个第一消息，特别是结合与所述第一频率相关联且从所述通信装置发送的另外的消息确定所述通信装置与所述另一通信装置之间的距离。所述距离可排他性地基于所述至少一个第一消息结合所述另外的消息而确定。可替换的是，所述至少一个第二消息也可用于确定所述距离，特别是结合所述至少一个第一消息和所述另外的消息。因此，所述至少一个第一消息，可能与相关联于第一频率且从所述通信装置发送到所述另一通信装置的另外的消息组合，可形成特别是用于确定所述通信装置与所述另一通信装置之间的距离的测距消息交换的部分或构成所述测距消息交换。这可为可广泛使用的常规测距消息交换，和/或通过标准化机构(例如，FiRa协会)建立的标准化消息交换。举例来说，测距消息交换可为广告消息交换、双侧双向测距(DS-TWR)消息交换、单侧双向测距(SS-TWR)消息交换或FiRa遵从性双侧双向测距(FiRaDS-TWR)消息交换。由于确定通信装置与另一通信装置之间的距离和角度两者，此实施例可有利地确定通信装置与另一通信装置之间的相对位置。
根据另一实施例，所述另一通信装置的频率电路系统(特别是锁相环路(PLL))被配置成用于提供时间源并且用于提供第一频率和第二频率中的至少一个，特别是两者。频率电路系统可为所述另一通信装置的唯一时间源。替代地或另外，所述通信装置可具有相同或类似的频率电路系统。此实施例可为有利的，因为其允许所述另一通信装置的有效但低廉的设置。改变频率，例如从第一频率改变到第二频率或反之亦然，可能会不利地影响时间源的准确性。这又可能会使距离测量较不精确。因此，如果在测距或距离测量期间不改变频率和/或对应的频道，那么所述实施例可特别有利。
根据另一实施例，消息交换包括标准化消息交换，特别是标准化测距消息交换，特别是广告消息交换、DS-TWR消息交换、SS-TWR消息交换和FiRa DS-TWR消息交换中的一个，或由其组成。标准化消息交换可为广泛使用的消息交换和/或由标准化组织建立的消息交换。标准化消息交换可包括至少一个第一消息或由至少一个第一消息组成，可能与相关联于第一频率且从通信装置发送的另外的消息组合。标准化测距消息交换可被配置成用于确定通信装置与另一通信装置之间的距离。替代地或另外，消息交换可包括用于除测距外的目的的其它标准化消息交换。因此，所述至少一个第一消息，可能与至少一个第二消息组合，可服务于除测距外的目的。
根据另一实施例，所述至少一个第二消息与标准化测距消息交换分离。所述至少一个第二消息可为或包括最终信标消息。举例来说，如果标准化测距消息交换是DS-TWR消息交换，那么至少一个第二消息可为或包括例如经由与第二频率相关联的频道从所述另一通信装置发送到所述通信装置的最终信标。这对于保持测距或距离确定与到达角度确定任务分开可能是有利的。所述实施例还可为有利的，因为至少在某些情境中，例如多信道测距的基于不同频率进行测距可能是不可能的。
根据另一实施例，与标准化测距消息交换的标准化消息相关联的频率从第一频率改变到第二频率，特别是使得标准化消息形成第二消息或至少一个第二消息的至少部分。标准化消息可为测距消息交换的开始或结束处的消息。其可为当距离确定尚未开始或已经结束时发送的消息，使得频率的改变不干扰距离确定。其可例如为预轮询消息或最终数据消息。此类实施例可为有利的，因为其可减少所发送的消息的总数目和/或信道利用率。
根据另一实施例，第二消息包括以下各者中的至少一个或由以下各者中的一个组成：信标消息、最终信标消息、初始信标消息、预轮询消息和最终数据消息。术语“初始”和“最终”可指整个消息交换内或形成消息交换的部分的测距消息交换内的次序或位置。所列出的消息类型在添加时可能特别简单，或改变其相关联频率可能特别简单而无不利影响。举例来说，在已执行测距消息交换之后，可特别简单地添加最终信标消息。可能有可能改变预轮询消息或形成测距消息交换的部分的最终数据消息的相关联频率而不影响距离确定。
根据另一实施例，使用适用于第一天线和第二天线的机器学习模型确定到达角度。所述机器学习模型可适用于第一天线和第二天线的特定特性，例如其相对位置、其相对朝向和/或其辐射特性。可基于使所测量的相位差(特别是第一相位差和第二相位差)与所测量的角度(特别是到达角度)相关的训练数据来构建机器学习模型。
在使用两个天线对(一个用于水平角度且一个用于竖直角度)的3DAoA估计的情况下，可用使3D角度相关的数据来训练算法。如果与水平角度有关的PDoA中存在仰角的某一影响且反之亦然，那么这可为有利的。
机器学习模型可通过机器学习方法建立。机器学习方法可包括(i)收集训练数据，所述训练数据可使测量和/或模拟相位差与对应的测量和/或模拟到达角度相关，(ii)基于训练数据训练模型，特别是例如神经网络、决策树或随机森林等机器学习模型，(iii)使用所述模型基于第一相位差和第二相位差确定到达角度。所述模型可为概述所收集的训练数据的查找表。替代机器学习方法或除了机器学习方法之外，可使用迭代方法或分析解决方案。
使用机器学习方法确定到达角度可为有利的，因为此类方法可考虑通信装置和/或另一通信装置的特殊性，这可能不容易通过分析来确定。其可容易地适于特定设置，特别是天线设置。因此，其可使到达角度的确定更精确。并且，分析解决方案可能不可用。
根据另一示例性实施例，在不使用第一天线和第二天线处的到达时间差(TDoA)(特别是关于第一消息和/或第二消息)的情况下确定到达角度。可单独地基于第一相位差和第二相位差的测量来确定到达时间差。这可为有利的，因为到达时间差测量可能具有相当大的方差。当发生不明确性时，其可能不足够精确以选择所要PDoA区。因此，可能会导致确定到达角度时的大误差。
可替换的是，可以通过还考虑第一天线和第二天线处的到达时间差来确定到达角度。因此，可用包括到达时间差的数据来训练机器学习模型。这可例如在具有间隔小于一半波长的天线的具有挑战性的环境中是有利的。
根据另一示例性实施例，通信装置为移动装置、移动电话、收发器、电路、标签、钥匙、令牌、智能卡中的一个。
根据另一示例性实施例，所述另一通信装置为移动装置、移动电话、收发器、电路、标签、钥匙、令牌、智能卡中的一个。
如上文所限定的方面和本公开的另外方面从下文所描述的实施例的例子中显而易见，且参考实施例的例子来解释。本公开将在下文中参考实施例的例子更详细地进行描述，但本公开不限于所述例子。
附图说明
图1示出根据本公开的示例性实施例的通信装置与另一通信装置之间的消息交换。
图2示出根据本公开的示例性实施例的具有参与消息交换的两个天线的通信装置。
图3到5示出根据本公开的示例性实施例的通信装置与另一通信装置之间的不同消息交换。
图6示出关于因根据本公开的示例性实施例的方法而产生的到达角度的不明确性。
图7示出当使用根据本公开的示例性实施例的方法时PDoA与TDoA测量的方差。
图8示出使用由根据本公开的示例性实施例的方法产生的不同频道的不明确性。
图9示出根据本公开的示例性实施例的在确定到达角度时的误差矩阵。
图式中的图示是示意性的。在不同图式中，用相同的附图标记表示类似或相同的元件。
具体实施方式
在参考图式更详细地描述示例性实施例之前，已概述形成本公开的示例性实施例所依据的一些基本考虑因素。
根据本公开的实施例，描述一种利用多个信道用于AoA估计的方法，其中天线间隔d大于所传输信号的波长的一半(＞λ/2)。更具体地说，所述方法利用两个或更多个RF信道的不同相位行为来解决当天线间隔d＞λ/2用于具有两个或更多个天线102、103的AoA估计系统中的AoA估计时呈现的PDoA不明确性。不明确性问题为当构建例如配备有UWB的装置(例如，智能手机)时可能容易出现的实际问题。为此目的，可利用具有不同载波频率的至少两个频道(例如，具有fc≈6.5GHz的信道5及具有fc≈8GHz的信道9)上的传输来利用消息交换，从而呈现可以组合方式使用以解决不明确性且因此准确地确定所接收信号的AoA的不同相位行为。
图1示出根据示例性实施例的通信装置100与另一通信装置110之间的消息交换120。通信装置100包括收发器单元101，所述收发器单元包括第一天线102和第二天线103，其中所述收发器单元101被配置成与另一通信装置110执行消息交换120。消息交换120包括借助于第一天线102和第二天线103在通信装置100处接收与第一频率相关联的至少一个第一消息321，并且借助于第一天线102和第二天线103在通信装置100处接收与第二频率相关联的至少一个第二消息324。通信装置100进一步包括处理单元104，所述处理单元被配置成确定由通信装置100的朝向105和消息交换120的传输方向126限定的到达角度β，其中所述到达角度β是基于所接收的第一消息321和所接收的第二消息324而确定。所述另一通信装置110包括频率电路系统111以提供时间源并且提供第一频率和第二频率。
图1示出由通信装置100(此处为手机)和另一通信装置110(此处为标签)组成的到达角度系统的例子。通信装置100具有间隔λ/2或更大的两个天线102、103。所述另一通信装置110与通信装置100执行距离d的距离测量。基于消息交换120，通信装置100能够测量对应信号的距离d以及传入角度β(其中与图2相比，传入角度以相反正负号限定)。这允许用户确定所述另一通信装置110离通信装置100有多远以及信号来自的方向。在不使用基于两个频率的消息交换120(例如，如图3到5和7到9中示出且进一步解释的双信道消息交换)的情况下，对于具有此类大天线间隔d的通信装置100来说，不可能没有相当大的误差的风险。
图2示出根据本公开的示例性实施例的具有参与消息交换120的两个天线102、103的通信装置100。其示出由其间具有相对距离L的两个接收天线102、103组成的测量系统的示例天线设计。此距离L可称为天线间隔。这两个天线102、103接收与参考轴线105成角度β的信号。所述信号可与消息交换120的第一消息和/或第二消息相关联。信号的传播方向对应于消息交换120的传输方向126。
取决于信号的到达角度β，一个天线102比另一天线103更早地接收信号。这导致涉及在两个天线102、103处测量到的所接收信号的到达时间差(PDoA)和到达时间差(TDoA)的信号传播延迟Δl。由于频率法规限制，常见UWB收发器或其它RF收发器以有限带宽操作，这又会限制TDoA估计中的可实现精度。这使得TDoA测量不足够准确以提供信号到达角度β的良好估计。然而，可非常准确地测量PDoA，从而得到准确的AoA估计度数。
两个天线102、103之间的距离转换为不同传播延迟Δl，所述传播延迟可用于测量由朝向105和传输方向126限定的信号的到达角度β。AoAβ与PDoA之间的基于到两个天线102、103的信号传播延迟中的差Δl的关系如下：
基于此关系，可以从PDoA、载波频率fc、天线间隔L和传播速度c确定到达角度：
遗憾的是，由于所测得的PDoA∈[-180°，180°]，并不始终可能找出对于大于载波频率fc的波长的一半λ/2的天线间隔L的唯一解决方案。然而，此类较大天线间隔L将有益于将多个UWB天线102、103放置在例如智能手机等具有空间约束的通信装置100中，其中存在来自相机、无线充电和其它子系统的多个限制。
图3到5示出根据本公开的示例性实施例的通信装置100与另一通信装置110之间的不同消息交换120。更确切地说，这些图式示出用于实现低成本的基于多信道的AoA测量的当前现有测距协议的不同消息交换扩展。为了构建所述方法，使用多信道消息交换120，可以从所述多信道消息交换获得两个或更多个RF信道上的PDoA测量。如何扩展实际消息交换取决于使用情况、系统和协议。
对于如图3中所示的广告/信标使用情况，最简单的解决方案是在信道5中发送对应于第一消息321的一组组合广告信标331，例如，一个信标331，随后在信道9中发送对应于第二消息324的另一信标331。信标331从对应于另一通信装置110的发起者发送到对应于通信装置100的响应者。
在如图4中所示的DS-TWR消息交换120的情况下，其中响应者(此处为通信装置100)需要能够估计AoA，此处为另一通信装置110的发起者可在信道9上发送对应于第二消息324的最终信标435，紧接着为对应于多个第一消息321的其它信道5消息，即轮询消息432、响应消息433和最终消息434。
如图5中所示的SS-TWR消息交换120以与图4的DS-TWR消息交换类似的方式扩展，即通过在由轮询消息432后接响应消息433组成的多个第一消息321之后添加最终信标435作为第二消息324。
再次参考所有图3到5，消息交换120可用最终信标435扩展或通过在例如信道9等不同信道上传输消息交换120的特定消息而扩展，这将减少所发送的消息的数目且因此降低信道利用率。例如，如果预轮询消息(即，第一个消息)或最终数据消息在例如信道9等不同信道上传输，那么将发生相同的消息减少。不同信道9消息对应于第二消息324。此外，如果协议将服务多于两个信道，那么对应于第二消息324的最终信道9消息可通过应包括于测量中的不同信道上的一个或多个消息来扩展。
用于未在已经存在的消息交换中集成信道切换的推理可能不会在测距期间失去共同时间基础。举例来说，如果对于图5的SS-TWR消息交换，轮询消息432将在信道9上传输，但在信道5上传输响应消息433，那么在两个消息传输之间需要改变信道。这意味着负责产生载波频率的射频锁相环路(RF-PLL)通常需要改变其频率。可存在代替改变频率而改变分频器值的PLL架构。在此类频率改变期间，如果其它装置时钟是从RF-PLL导出，那么系统中不存在可用的准确时间源。准确时间源的此损失将意味着测距性能大幅降低。
距离d是往返时间Tround和应答时间Treply以及传播速度c的函数：
往返时间Tround是在发起者侧上(即，在另一通信装置110的侧上)测量，且应答时间Treply是在响应者侧(即，通信装置100)上测量。如果这些时间中的一个关闭1纳秒，那么这将产生大致15cm的距离测量误差。由于UWB技术用于在优选最大误差＜10cm的情况下的准确距离测量，因此在时间基础上已经有小的偏移将导致巨大的误差，从而意味着所述技术的关键特征中的一个不再起作用。由于所述原因，在使用单个PLL系统的情况下，由于对距离测量准确性的影响，多信道测距可能是不可能的。
图6示出关于因根据本公开的示例性实施例的方法而产生的到达角度β的不明确性。其示出理想PDoA 722和TDoA 723随到达角度β而变的曲线，假设天线间隔L为1.5波长(1.5λ)。对于AoAβ＝0°，PDoA 722可具有约0°、-50°和+50°的三个潜在值，其可产生约50°的大AoA估计误差，这对于依赖于AoA估计的大多数系统来说是不可接受的。已表明，在两个天线处的接收时戳(即TDoA 723)的差异可用于解决这些不明确性。然而，归因于现实世界UWB系统或其它RF系统的有限带宽，这些TDoA测量展现出将产生大AoA估计误差的大方差。
图7示出当使用根据示例性实施例的方法时PDoA与TDoA测量的方差。示出TDoA测量723和PDoA测量722对到达角度β的方位角。TDoA和PDoA值是在两个天线分隔开d＝λ/2的平台中测量。如图所示，TDoA测量723呈现使其不适合于AoA估计(明确地说，用于在大于λ/2的天线间隔d的情况下解决不明确性)的大方差。虽然天线间隔d的进一步增大可降低用于AoA估计的TDoA的精度要求，但其也会增大PDoA中的不明确性。使用TDoA值用于解决不明确性导致用于具有大于λ/2的天线间隔d的AoA估计的不方便且不精确的技术。
图8示出使用由根据示例性实施例的方法产生的不同频道的不明确性。使用分隔开一个信道5波长的两个天线，针对不同到达角度β示出两个不同频道(此处为信道5和9)的PDoA曲线722、925。
图8示出了具有基于多信道的PDoA测量的模拟的两个或更多个频道的相位行为差异。示出，PDoA曲线722、925呈现其行为的显著差异，尤其在具有不明确性且因此具有关于AoAβ估计的不确定性的区中。举例来说，针对信道9的曲线925在β≈±20°处呈现突然变化(竖直跳变)。相比之下，针对信道5的曲线722在相同区中展示更线性的行为，而无这些突然变化。利用PDoA曲线722、925中的这些差异来解析AoA估计中的不明确性。
为了进一步说明两个曲线722、925的差异和可如何使用所述差异，假设UWB装置或另一RF装置接收来自β＝0°的角度AoA的信号。在此情况下，针对信道9的PDoA曲线925以及针对信道5的PDoA曲线722示出～0°的PDoA值。然而，对于信道9，还可针对β＝+40°和-40°的AoA值发现～0°的PDoA值。不同的是，对于信道5，与PDoA＝0匹配的AoA值大致为β＝0°、+50°、-50°。这意味着单独使用一个信道，真实AoA值无法基于相应PDoA曲线与其它两个潜在值区分开。然而，如果使用两个信道的PDoA值以及其相位行为的先前知识，那么可确定β＝0°的唯一常见解决方案，这实际上是正确的AoA。具有其不同相位行为的两个或更多个信道以及具有多接收器UWB的PDoA估计的低方差的组合允许准确地确定到达角度β。
通常，在两个RF信道上，AoAβ估计为PDoA值722、925的函数f：
AoA＝f(PDoACH5，PDoACH9)
取决于天线系统，可合理地使用多于两个信道的相位测量，这将产生AoAβ估计，作为N个频道上的PDoA值的函数f：
AoA＝f(PDoACH1，PDoACH2，...，PDoACHN)
因此，使用PDoA曲线722、925，其中不明确性处于不同区中。此现象连同PDoA估计的低得多的方差(例如，与TDoA估计(见图7)相比)促进天线间隔d＞λ/2的情况下的准确AoA估计。取决于天线系统，可使用来自给定信道中的多个天线对的PDoA估计。
图9示出根据本公开的示例性实施例在确定到达角度β时的误差矩阵1040。取决于到达角度β的方位角(x轴)和仰角(y轴)而示出角度相依性误差1041。使用多信道AoA估计方法，可解决PDoA不明确性，且可非常准确地估计AoA。
组合PDoA值的实际方式取决于实施方案，且可取决于使用情况和在测量系统中可用的计算能力而变化。用于创建此类函数的一个潜在方法是使用机器学习(ML)模型，例如，输入特征为多个信道上的原始PDoA值的神经网络或原始PDoA值的正弦/余弦函数。图9示出使用具有双信道测量的此类机器学习方法(此处为在用来自信道5和9的PDoA曲线训练之后的机器学习模型)的在角度相依性误差1041方面的AoA估计准确性。使用单个信道，平均误差为约30°，使用多信道方法，平均误差减小到小于0.5°，如图9中所示。
在本说明书中，已经依据选定的细节集合而呈现实施例。然而，本领域的普通技术人员应理解，可实践包括这些细节的不同选定集合的许多其它实施例。希望所附权利要求书涵盖所有可能的实施例。
参考数字
100 通信装置
101 收发器单元
102 第一天线
103 第二天线
104 处理单元
105 通信装置的朝向
110 另一通信装置
111 频率电路系统
120 消息交换
121 传输方向
321 第一消息
324 第二消息
331 信标消息
432 轮询消息
433 响应消息
434 最终消息
435 最终信标消息
722 到达相位差(第一消息)
723 到达时间差(第一消息)
925 到达相位差(第二消息)
1040 误差矩阵
1041 角度相依性误差
d 通信装置与另一通信装置之间的距离
β 到达角度
L 第一天线与第二天线之间的距离
Δl 传播延迟。

Claims (10)

1.一种用于确定通信装置(100)处的到达角度(β)的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述通信装置(100)与另一通信装置(110)之间执行消息交换(120)，其中所述消息交换(120)包括
借助于第一天线(102)和第二天线(103)在所述通信装置(100)处接收与第一频率相关联的至少一个第一消息(321)，以及
借助于所述第一天线(102)和所述第二天线(103)在所述通信装置(100)处接收与第二频率相关联的至少一个第二消息(324)；
确定由所述通信装置(100)的朝向(105)和所述消息交换(120)的传输方向(126)限定的所述到达角度(β)，
其中，所述到达角度(β)是基于所接收的所述第一消息(321)和所接收的所述第二消息(324)而确定。
2.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述到达角度(β)是基于在借助于所述第一天线(102)和所述第二天线(103)接收所述第一消息(321)时导致的第一相位差(722)以及在借助于所述第一天线(102)和所述第二天线(103)接收所述第二消息(324)时导致的第二相位差(925)而确定。
3.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一天线(102)与所述第二天线(103)之间的距离(L)为对应于所述第一频率的第一波长的至少一半，并且为对应于所述第二频率的第二波长的至少一半。
4.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一频率与第一频道相关联，并且所述第二频率与不同于所述第一频道的第二频道相关联。
5.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一频道和所述第二频道是超宽带UWB频道。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，第三频道在所述第一频道与所述第二频道之间。
7.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述至少一个第二消息(324)是在所述至少一个第一消息(321)之后或之前接收。
8.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括
基于所述至少一个第一消息(321)确定所述通信装置(100)与所述另一通信装置(110)之间的距离(d)。
9.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述另一通信装置(110)的频率电路系统(111)被配置成用于提供时间源并且用于提供所述第一频率和所述第二频率中的至少一个。
10.一种通信装置(100)，其特征在于，包括
收发器单元(101)，所述收发器单元包括第一天线(102)和第二天线(103)，其中所述收发器单元(101)被配置成执行所述通信装置(100)与另一通信装置(110)之间的消息交换(120)，
其中，所述消息交换(120)包括
借助于所述第一天线(102)和所述第二天线(103)在所述通信装置(100)处接收与第一频率相关联的至少一个第一消息(321)，以及
借助于所述第一天线(102)和所述第二天线(103)在所述通信装置(100)处接收与第二频率相关联的至少一个第二消息(324)；
处理单元(104)，所述处理单元被配置成确定由所述通信装置(100)的朝向(105)和所述消息交换(120)的传输方向(126)限定的到达角度(β)，
其中，所述到达角度(β)是基于所接收的所述第一消息(321)和所接收的所述第二消息(324)而确定。
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