DE112018001355T5

DE112018001355T5 - Schätzen von winkelmessungen zur quellenverfolgung unter verwendung eines phased-array-systems

Info

Publication number: DE112018001355T5
Application number: DE112018001355.3T
Authority: DE
Inventors: Ashutosh Pandey; Nhan Tran; Jie Lai; James Wihardja; Durai Thirupathi
Original assignee: Cypress Semiconductor Corp
Current assignee: Cypress Semiconductor Corp
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-11-28
Also published as: WO2018169659A1; CN110418974B; US20180348357A1; US20210041552A1; CN110418974A; US11397256B2; US10746864B2; US9989633B1

Abstract

Es wird hierin die Quellenverfolgung für Phased-Array-Systeme beschrieben. Eine Verarbeitungsvorrichtung umfasst einen Sendeempfänger zum Übertragen und Empfangen von Funkfrequenzsignalen (RF-Signalen) über eine Vielzahl von Antennenelementen und einen Prozessor, der mit dem Sendeempfänger gekoppelt ist. Der Prozessor führt ein Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug aus, das konfiguriert ist, um einen Satz Winkelschätzungswerte für einen Winkel zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne, einen Satz Vertrauensmessungen und mindestens einen von einem Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) oder einem Abgangsbereich-Wert (ARoD-Wert) basierend auf den RF-Signalen zu bestimmen und zu speichern. Jede des Satzes Vertrauensmessungen gibt ein Vertrauen für einen Winkelschätzungswert des Satzes Winkelschätzungswerte an.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine internationale Anmeldung der nicht vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 15/631.733 , eingereicht am 23. Juni 2017, die den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/471.728 , eingereicht am 15. März 2017, beansprucht, deren Inhalt durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin einbezogen ist.
HINTERGRUND
Quellenverfolgung bezieht sich auf eine Methode, bei der ein Winkel zwischen einer einzelnen Antenne und einem Phased-Array (phasengesteuerten Feld) von mehreren Antennen bestimmt wird. Das Ziel eines Quellenverfolgungs-Schätzungsalgorithmus besteht darin, eine Quelle in Bezug auf ein Phased-Array zu lokalisieren. Quellenverfolgung kann unter Verwendung eines Phased-Arrays an einem Empfänger und einer einzelnen Antenne an einem Sender vorgenommen werden. Diese Konfiguration ist bekannt als Ankunftswinkel (Angle-of-Arrival, AoA). Quellenverfolgung kann auch unter Verwendung eines Phased-Arrays an einem Sender und einer einzelnen Antenne an einem Empfänger vorgenommen werden. Diese Konfiguration ist bekannt als Abgangswinkel (Angle-of-Departure, AoD). Die Quellenverfolgungs-Schätzungsalgorithmen werden auch als Zeitverzögerung-bei-Ankunft (Time-Delay-of-Arrival, TDoA) oder Ankunftsrichtung (Direction-of-Arrival, DoA) bezeichnet.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird beispielhaft und nicht beschränkend in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen illustriert:

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug zum Schätzen von Winkeln zwischen einer Phased-Array-Antenne und einer zweiten Antenne gemäß einer Ausführungsform illustriert.
2 illustriert ein Wellenausbreitungsmodell, das zum Bestimmen eines Winkels zwischen einer Phased-Array-Antenne und einer zweiten Antenne gemäß einer Ausführungsform verwendet wird.
3 illustriert ein Hindernis, das zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne gemäß einer Ausführungsform positioniert ist.
4 ist ein Blockdiagramm einer Verarbeitungsvorrichtung mit einem Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug zum Schätzen von Winkeln zwischen einer Phased-Array-Antenne und einer zweiten Antenne gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein Graph, der drei Mischungen eines Gaußschen Mischungsmodells (GMM) zum Modellieren von rohen AoA-Schätzungswerten gemäß einer Ausführungsform illustriert.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schätzen von Winkeln zwischen einer Phased-Array-Antenne und einer zweiten Antenne gemäß einer Ausführungsform.
7A ist ein Blockdiagramm, das eine Ankunftswinkel-Konfiguration (AoA-Konfiguration) für einen Quellenverfolgungsalgorithmus des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs gemäß einer Ausführungsform illustriert.
7B ist ein Blockdiagramm, das eine Abgangswinkel-Konfiguration (AoD-Konfiguration) für einen Quellenverfolgungsalgorithmus des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs gemäß einer Ausführungsform illustriert.
8 ist ein Flussdiagramm eines Multiwinkel-Quellenverfolgungsverfahrens mit Vertrauensschätzung und Winkelbereichsschätzung gemäß einer Ausführungsform.
9 illustriert ein Hindernis, das zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne gemäß einer anderen Ausführungsform positioniert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen Technologie zum Schätzen von Winkelmessungen zur Quellenverfolgung für Phased-Array-Systeme. Wie oben beschrieben, bezieht sich Quellenverfolgung auf eine Methode, bei der ein Winkel zwischen einer einzelnen Antenne und einem Phased-Array von mehreren Antennen bestimmt wird, um eine Quelle in Bezug auf das Phased-Array zu lokalisieren. Quellenverfolgung kann 1) unter Verwendung eines Phased-Arrays an einem Empfänger und einer einzelnen Antenne an einem Sender in einer AoA-Konfiguration oder 2) unter Verwendung eines Phased-Arrays an einem Sender und einer einzelnen Antenne an einem Empfänger in einer AoD-Konfiguration vorgenommen werden. Die AoA- oder AoD-Konfiguration können für den hierin beschriebenen Quellenverfolgungs-Schätzungsalgorithmus austauschbar sein. Zur leichteren Beschreibung werden Ausführungsformen des Quellenverfolgungs-Schätzungsalgorithmus im Hinblick auf ein AoA-System dargelegt, aber in anderen Ausführungsformen kann der Quellenverfolgungs-Schätzungsalgorithmus in einem AoD-System verwendet werden.
In einer Ausführungsform umfasst eine Verarbeitungsvorrichtung einen Sendeempfänger zum Übertragen oder Empfangen von Funkfrequenzsignalen (RF-Signalen) über eine Phased-Array-Antenne (mehrere Antennenelemente) und einen Prozessor, der mit dem Sendeempfänger gekoppelt ist. Der Prozessor führt ein Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug aus, das konfiguriert ist, um einen Satz eines oder mehrerer Winkelschätzungswerte für einen Winkel zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne, einen Satz Vertrauensmessungen und mindestens einen von einem Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) oder einem Abgangsbereich-Wert (ARoD-Wert) basierend auf den RF-Signalen zu bestimmen und zu speichern. Es ist zu vermerken, dass der ARoA von mehreren Winkelwerten abgeleitet werden kann und in einigen Fällen der gleiche Wert wie der AoA sein kann. Der Satz Winkelschätzungswerte kann zu jedem Zeitpunkt einen oder mehrere Werte aufweisen. Jede des Satzes Vertrauensmessungen gibt ein Vertrauen für einen Winkelschätzungswert des Satzes Winkelschätzungswerte an. Die Verarbeitungsvorrichtung kann Teil eines Systems-auf-Chip (SoC) sein, das den Sendeempfänger und einen Prozessor zum Verarbeiten von digitalen Werten, die die von dem Sendeempfänger empfangenen oder übertragenen RF-Signale repräsentieren, umfasst. Der Sendeempfänger und der Prozessor können auf einem gemeinsamen Trägersubstrat residieren oder können in getrennten integrierten Schaltungen implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können die Genauigkeit der Quellenverfolgung durch Verwendung einer gewichteten Kostenfunktionsmetrik verbessern. Zusätzlich können die hierin beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche Indikatoren bereitstellen, die helfen würden, Quellen intuitiver und mit höherer Genauigkeit als bloß einem einfachen Winkelwert zu verfolgen. Die zusätzlichen Indikatoren können auch mit der Lokalisierungsgenauigkeit helfen. Wie hierin beschrieben, verbessern die Ausführungsformen des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs traditionelle Quellenverfolgungsverfahren bei den folgenden drei Vorgängen: 1) Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug erlangt eine laufende Gewichtungsfunktion in einem Quellenverfolgungsalgorithmus und verwendet die Gewichtungsfunktion, um die AoA-Schätzungsgenauigkeit mittels des Quellenverfolgungsalgorithmus zu verbessern. Die Gewichtung der AoA-Schätzung gibt eine Qualitätsmetrik (z. B. „Güte“) einer aktuellen Schätzung an. Die Gewichtung wird als Feedback an den Quellenverfolgungsalgorithmus verwendet, um eine Genauigkeit der AoA-Schätzung zu verbessern. In einer Ausführungsform wird die Gewichtung auf den Algorithmus basierend auf generalisierter Kreuzkorrelation (GCC) angewandt. In anderen Ausführungsformen kann die Gewichtung jedoch auf andere Quellenverfolgungsalgorithmen, wie etwa einem Mehrfachsignalklassifizierungsalgorithmus (MUltiple-Slgnal-Classification-Algorithmus, MUSIC-Algorithmus), einem auf generalisierter Kreuzkorrelation mit Phasentransformation (GCC-PHAT) basierenden Algorithmus, einem ESPIRIT-Algorithmus oder dergleichen, angewandt werden. 2) Im Gegensatz zu traditionellen Quellenverfolgungsverfahren kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug mehrere Winkelschätzungswerte mit assoziierten Vertrauensmessungen unter Verwendung eines statistischen Modells mit einem statistischen Klassifikator oder Maschinenlerntechniken unter Verwendung eines Klassifikators bereitstellen. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug kann die Qualität der Berechnung ableiten, um LOS-, NLOS- und Teil-LOS-Szenarien zu bestimmen. Dies nennt sich, wie hierin beschrieben, AoA/AoD-Szenenanalyse. Dies kann zum Beispiel durch Winkelszenenmodellierung, wie etwa AoA-Szenenmodellierung, unter Verwendung von Gaußschen Mischungsmodellen (GMM) vorgenommen werden. Alternativ können andere statistische Modellierungs- oder Maschinenlerntechniken verwendet werden. 3) Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug verwendet Vertrauensmessungen, um einen Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) in Fällen von schwachen direkten Wegen oder nicht existierenden direkten Wegen zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne zu melden.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 zum Schätzen von Winkeln zwischen einer Phased-Array-Antenne und einer zweiten Antenne in einer AoA-Konfiguration 100 gemäß einer Ausführungsform illustriert. In der AoA-Konfiguration 100 wird eine Sender-Antenne (Tx-Antenne) 102 an einem Sender (Verarbeitungsvorrichtung 110) unter Verwendung von mehreren Empfänger-Antennen (Rx-Antennen) 104 an einem Empfänger (Verarbeitungsvorrichtung 106) verfolgt. Der Sender, der mit der Tx-Antenne 102 gekoppelt ist, sendet ein oder mehrere Signale mit einer bekannten Frequenz in einem vorher festgelegten Format, das/die von den mehreren Rx-Antennen 104 auf der Empfängerseite in einer geschalteten oder simultanen Weise empfangen wird/werden. Die TX-Antenne 102 kann in einem Winkel 101 von den mehreren RX-Antennen 104 lokalisiert sein. Gleichermaßen wird, in der AoA-Konfiguration 100, eine Tx-Antenne 108 an einem Sender (Verarbeitungsvorrichtung 112) unter Verwendung von mehreren Rx-Antennen 104 an dem Empfänger verfolgt. Die TX-Antenne 108 kann in einem Winkel 103 von den mehreren RX-Antennen 104 lokalisiert sein. Die Winkel 101, 103 können mit einer Uhrzeigersinn-Konvention gemessen werden. Alternativ können die Winkel mit einer Gegenuhrzeigersinn-Konvention gemessen werden. Außerdem werden die Winkel 101, 103 in einigen Figuren als zweidimensional illustriert, die Winkel 101, 103 sind Winkel im dreidimensionalen Raum. Zum Beispiel kann der Winkel mit verschiedenen Koordinatenangaben, wie etwa Azimut und Elevation, gemeldet werden. Die Verarbeitungsvorrichtung 106, unter Verwendung der relativen Größen und Phasenunterschiede der Signale, die über die mehreren Rx-Antennen 104 empfangen werden, bestimmen einen Winkel 101 mit bekannten Antennenmodellen unter Verwendung eines Wellenausbreitungsmodells, wie etwa eines Fernfeldmodells (wie in 3 illustriert). Obwohl in einigen der Ausführungsformen unten Fernfeldmodelle verwendet werden, können andere Wellenausbreitungsmodelle verwendet werden. In einer Ausführungsform umfasst die Verarbeitungsvorrichtung einen Empfänger oder einen Sendeempfänger, der RF-Signale über die mehreren Rx-Antennen 104 empfängt und diese in digitale Werte (auch als digitale Messwerte bezeichnet) umwandelt. Alternativ kann ein Empfänger verwendet werden, um RF-Signale über die mehreren Rx-Antennen 104 zu empfangen. Die Verarbeitungsvorrichtung 106 verwendet das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 zum Verarbeiten der digitalen Werte, um den Winkel 101, wie hierin beschrieben, zu schätzen. Zum Beispiel kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 einen AoA-Schätzungsblock, der eine rohe AoA-Schätzung durchführen kann, und einen Nachverarbeitungsblock, der eine gewisse Verarbeitung an der rohen AoA-Schätzung durchführen kann, wie hierin beschrieben, implementieren. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann einen oder mehrere Quellenverfolgungs-Schätzungsalgorithmen in drei primären Vorgängen ausführen, umfassend das Schätzen der Winkel unter Verwendung eines Quellenverfolgungsalgorithmus, das Modellieren der Winkel unter Verwendung eines Klassifikators unter Verwendung eines statistischen Modellierens oder Maschinenlernens, um mehrere Winkelschätzungswerte mit assoziierten Vertrauensmessungen bereitzustellen, und das Bestimmen eines ARoA-Wertes mit einem Vertrauenswert aus den mehreren Winkelschätzungswerten und entsprechenden Vertrauensmessungen. In einigen Ausführungsformen kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 einen Vertrauenswert für den ARoA aus den mehreren Winkelschätzungswerten und den entsprechenden Vertrauensmessungen berechnen. Zusätzliche Details hinsichtlich der drei primären Vorgänge werden unten in Bezug auf 2-5 beschrieben. Es ist zu vermerken, dass, obwohl in verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 in Verbindung mit einer einzelnen Antenne an einer Vorrichtung und einer Phased-Array-Antenne an einer anderen Vorrichtung verwendet wird, in anderen Ausführungsformen mehrere Antennenelemente unabhängig davon verwendet werden können, ob sie in einer Phased-Array-Antennen-Konfiguration verwendet werden können, und beide Vorrichtungen mehrere Antennenelemente aufweisen können, die verwendet werden.
In einer Ausführungsform bestimmt und speichert das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 einen einzelnen Winkelschätzungswert eines Winkels 101 zwischen einer Phased-Array-Antenne (mehrere Rx-Antennen 104) und einer zweiten Antenne Tx-Antenne 102. Zum Beispiel kann, wenn eine Sichtlinie (line of sight, LOS) zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne vorliegt, der einzelne Winkelschätzungswert des Winkels 101, wie hierin beschrieben, ein hohes Vertrauen aufweisen. In einigen Fällen kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 jedoch, zum Beispiel wenn eine Teil-LOS oder keine LOS (no LOS, NLOS) vorliegt, mehrere Winkelschätzungswerte eines Winkels zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne zusammen mit einem Satz Vertrauensmessungen bestimmen. Jede des Satzes Vertrauensmessungen gibt ein Vertrauen für einen Winkelschätzungswert des Satzes Winkelschätzungswerte an. In einer weiteren Ausführungsform bestimmt und speichert das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 mindestens einen von einem Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) oder einem Abgangsbereich-Wert (ARoD-Wert), wie hierin beschrieben.
In einer anderen Ausführungsform erlangt das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 eine laufende Gewichtungsfunktion in einem Quellenverfolgungsalgorithmus und verwendet die Gewichtungsfunktion, um die AoA-Schätzungsgenauigkeit mittels des Quellenverfolgungsalgorithmus zu verbessern. Die Gewichtung der AoA-Schätzung gibt eine Qualitätsmetrik (z. B. „Güte“) einer aktuellen Schätzung an. Die Gewichtung wird als Feedback an den Quellenverfolgungsalgorithmus verwendet, um eine Genauigkeit der AoA-Schätzung zu verbessern. In einer Ausführungsform wird die Gewichtung auf den Algorithmus basierend auf generalisierter Kreuzkorrelation (GCC) angewandt. In anderen Ausführungsformen kann die Gewichtung jedoch auf andere Quellenverfolgungsalgorithmen, wie etwa dem MUSIC-Algorithmus, dem GCC-PHAT-Algorithmus oder dergleichen, angewandt werden.
In einer Ausführungsform führt das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 zur Bestimmung des Satzes Winkelschätzungswerte und des Satzes Vertrauensmessungen einen Quellenverfolgungsalgorithmus durch, um rohe Winkelwerte basierend auf digitalen Messwerten der RF-Signale zu erhalten. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann beim Durchführen eines AoA- oder AoD-Schätzungsverfahrens einen Lenkungsvektor definieren, um unter Verwendung eines Wellenausbreitungsmodells Informationen zu erfassen, die aus einer gewissen Richtung kommen. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs 120 verwendet den Lenkungsvektor bei der Konjugation mit Signalen, die auf den Antennen erhalten werden, um entlang allen Richtungen zu suchen, um den Winkel zu finden (z. B. AoA oder AoD). Die Beziehung der Wellenausbreitung in einer Richtung wird in 2 illustriert. 2 illustriert ein Wellenausbreitungsmodell 200, das zum Bestimmen eines Winkels 202 zwischen einer Phased-Array-Antenne und einer zweiten Antenne gemäß einer Ausführungsform verwendet wird. Zum Beispiel kann eine Distanz zwischen unterschiedlichen Elementen des Phased-Arrays eine bekannte Distanz, d, sein. Die Größe und Phasenunterschiede an den unterschiedlichen Elementen können verwendet werden, um eine effektive Distanz zwischen Wellen an den zwei Elementen zu bestimmen, wie durch dcos(Θ) repräsentiert. Die effektive Distanz zwischen Wellen kann verwendet werden, um den Winkel 202 (Θ) zu bestimmen.
Einige hierin beschriebene Quellenverfolgungsalgorithmen können einen GCC-basierten Algorithmus, einen GCC-PHAT-Algorithmus, einen MUSIC-Algorithmus oder dergleichen umfassen. In einigen Ausführungsformen werden diese Algorithmen durch eine Kostenfunktion modifiziert. Die Kostenfunktion kann die rohen Winkelwerte zum Verbessern einer Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus gewichten. Zum Beispiel wird die mathematische Formulierung für die GCC-PHAT für ein kreisförmiges Array in der folgenden Gleichung (1) gegeben: $(θ_{s}, \emptyset_{s}) = max_{(θ, \emptyset)} \sum_{i, k} \frac{E [R_{i k}] e^{- j ω τ_{i k}}}{| E [R_{i k}] |} \forall θ \in [- 180,18 0), \emptyset \in [0,90]$
wobei i = 1 ... M - 1, k-+ i + 1 ... M und $τ_{i k} = (τ_{i} - τ_{k}),_{wobei} τ_{i} = (r_{i} / c) cos (θ_{i} - θ) cos {(\emptyset_{i} - \emptyset)}_{;}$
(r_i, θ_i , Ø_i Polarkoordinaten für Antenne I; c: Wellengeschwindigkeit R_ik ist die Kreuzkorrelation dazwischen für das Mikrofonpaar i, k bei Frequenz ω.
In einer anderen Ausführungsform kann die modifizierte GCC-PHAT, d. h. der GCC-PHAT-Algorithmus mit der Kostenfunktion, verwendet werden, um die Komplexität zu verringern, aber eine angemessene Leistung aufrechtzuerhalten. Die GCC-PHAT-Schätzung wird in der folgenden Gleichung (2) ausgedrückt: ${(θ_{s}, \emptyset_{s})}_{m} = (1 - C) (θ_{s}, \emptyset_{s}) m+C (θ_{s}, \emptyset_{s}),wobei C = f ({_{(θ, \emptyset)}^{max}}^{\frac{E [R_{12}] e^{- j ω τ_{12}}}{| E [R_{12}] |}})$

Wie in der folgenden Tabelle 1 dargelegt, kann die Kostenfunktion die Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus verbessern.

Quellenverfolgungsverfahren	Geschätzter AoA für LOS-Szenarium
Quellenverfolgungsverfahren	(GeschätztAoA_0Grad _SOL)	(GeschätztAoA_35Gra d_SOL_end_drive_way )	(cpm_Außenbereich_1)
MODIFI-ZIERTE GCC-PHAT	-4,7 ± 2	-40,2 ± 2,2	50,9 ± 22,5
GCC-PHAT	-5,7 ± 5,7	-41,2 ± 446,1	44,9 ± 377,5

Alternativ können andere Verbesserungen unter Verwendung der Kostenfunktion erreicht werden. Außerdem kann in anderen Ausführungsformen die Kostenfunktion möglicherweise nicht in Verbindung mit anderen Merkmalen verwendet werden, die in Verbesserungen des Prozesses auf andere Weise resultieren.
In dem Fall von Nicht-in-Sichtlinie (Non-Line-Of-Sight, NLOS) oder Teil-NLOS kann ein Quellenverfolgungsalgorithmus aufgrund der NLOS oder Teil-NLOS in die falsche Richtung weisen oder ständig zwischen zwei oder mehreren Winkeln wechseln. Beide Szenarien resultieren in ungenauen Schätzungen und können unakzeptabel, ärgerlich oder beides sein. Dieses Szenario kann einen hohen Schätzungs- oder Lokalisierungsfehler aufweisen. Dieses Szenario wird in der Ausführungsform von 3 illustriert. Es ist zu vermerken, dass das Wellenausbreitungsmodell 200 eines von vielen Ausbreitungsmodellen ist, die verwendet werden können.
3 illustriert ein Hindernis 300, das zwischen einer Phased-Array-Antenne 302 und einer zweiten Antenne 304 gemäß einer Ausführungsform positioniert ist. Das Hindernis 300 kann ein beliebiges Objekt sein, das ein NLOS- oder Teil-NLOS-Szenario verursacht, bei dem ein Winkel 301 viel schwieriger zu bestimmen ist. Der Quellenverfolgungsalgorithmus könnte darin resultieren, dass die Schätzung des Winkels 301 ein erster Winkel 303 ist, der nicht der korrekte Winkel ist. Oder der Quellenverfolgungsalgorithmus könnte in einem ständigen oder periodischen Wechseln zwischen dem ersten Winkel 303 und einem zweiten Winkel 305, der ebenfalls nicht der korrekte Winkel ist, resultieren. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann sowohl den ersten Winkel 303 als auch den zweiten Winkel 305 und entsprechende Vertrauensmessungen bestimmen, um den Winkel 301, wie unten mit mehr Detail beschrieben, besser zu schätzen. Insbesondere kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 einen Bereich zwischen mehreren Winkeln melden (z. B. einen Bereich, der zwischen Winkel 303 und Winkel 305 definiert ist), anstatt bloß einen Winkel, der korrekt ist, oder einen, der in einer ärgerlichen Weise zwischen zwei unterschiedlichen Winkeln hin- und hergeht. Obwohl der Bereich in zwei Dimensionen illustriert wird, kann außerdem ein dritter Azimutwinkel vorliegen, der zu der Berechnung beiträgt. Es ist zu vermerken, dass das Hindernis sowohl ein Objekt als auch eine Wand sein kann. Alternativ kann der nicht direkte Weg ein Resultat eines Raums mit gewissen Wandformen sein, die verursachen, dass Signale im Raum herum hüpfen, und den nicht direkten Weg stärker machen.
Wiederum bezugnehmend auf 1 können die eine die mehreren oben bestimmten Winkelschätzungen unter Verwendung einer Nachverarbeitung weiter präzisiert werden. Um eine Unterscheidung bereitzustellen, kann die erste Schätzung als rohe Schätzung bezeichnet werden, und die abschließende Schätzung (oder erwartete Schätzung) wird nach der Nachverarbeitung veröffentlicht. In einer Ausführungsform kann die Nachverarbeitung Kalman-Filterung umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120, nachdem die rohen Winkelwerte erhalten wurden, eine Winkelszenenmodellierung an den rohen Winkelwerten durchführen, wie etwa AoA-Szenenmodellierung oder AoD-Szenenmodellierung. In einer Ausführungsform kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 die rohen Winkel mit einem Klassifikator statistisch modellieren. In einer anderen Ausführungsform kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 die rohen Winkelwerte mit einem GMM statistisch modellieren, um eine oder mehrere Mischungen zu erhalten, wobei jede Mischung der umfassenden GMM-Parameter Gewichte, Mittelwert und Abweichungswerte umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 rohe Winkelwerte unter Verwendung von Maschinenlernalgorithmen modellieren, um interne Parameter zu klassifizieren, um Vertrauensmessungen zu erlangen. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann einen erwarteten Winkelwert für jede der Mischungen aus den GMM-Parametern (oder anderen ML-Parametern) schätzen, um den Satz Winkelschätzungswerte für den Winkel zwischen der Phased-Array-Antenne 104 und der zweiten Antenne 102 zu erhalten. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann eine Vertrauensmessung für jeden des Satzes Winkelschätzungswerte der mehreren Mischungen aus den GMM-Parametern berechnen, um den Satz Vertrauensmessungen zu erhalten.
Im Gegensatz zu traditionellen Quellenverfolgungsverfahren kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 mehrere Winkelschätzungswerte mit assoziierten Vertrauensmessungen unter Verwendung eines statistischen Modells mit einem statistischen Klassifikator (oder Klassifikator beim Maschinenlernen) bereitstellen. Dies kann zum Beispiel durch Winkelszenenmodellierung, wie etwa AoA-Szenenmodellierung, unter Verwendung von Gaußschen Mischungsmodellen (GMM) oder Maschinenlernen vorgenommen werden. Alternativ kann eine andere statistische Modellierung verwendet werden.
Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 verwendet Vertrauensmessungen, um einen Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) in Fällen von schwachen direkten Wegen oder nicht existierenden direkten Wegen zwischen der Phased-Array-Antenne 104 und der zweiten Antenne 102 zu melden. Der ARoA-Wert oder der ARoD-Wert kann einen Winkelbereich in einer generellen Richtung zwischen der Phased-Array-Antenne 104 und der zweiten Antenne 102 repräsentieren. Die Konfiguration in 1 ist eine AoA-Konfiguration. Alternativ sind andere Konfigurationen möglich. Zum Beispiel ein Winkelschätzungswert des Satzes Winkelschätzungswerte ist mindestens einer von einem AoA-Wert, einem AoD-Wert, einem Zeitverzögerung-bei-Ankunft-Wert (TDoA-Wert), einem Zeitverzögerung-bei-Abgang-Wert (TDoD-Wert), einem Ankunftsrichtungs-Wert (DoA-Wert) oder einem Abgangsrichtungs-Wert (DoD-Wert). AoA- oder AoD-Systeme setzen mehrere Antennen an der Empfänger- oder Senderseite ein, um ein Ziel zu verfolgen. Das AoA- und AoD-Quellenverfolgungsverfahren sind austauschbar. Zwecks Einfachheit der Präsentation werden hierin verschiedene Ausführungsformen in Bezug auf AoA-Systeme beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform bestimmt ein Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 eine Gesamtvertrauensmessung aus dem Satz Vertrauensmessungen.
4 ist ein Blockdiagramm einer Verarbeitungsvorrichtung 406 mit einem Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 zum Schätzen von Winkeln zwischen einer Phased-Array-Antenne 404 und einer zweiten Antenne 405 gemäß einer Ausführungsform. Die Verarbeitungsvorrichtung 406 kann Teil einer Elektronikvorrichtung 400 sein, die eine Phased-Array-Antenne 404 umfasst. Die Verarbeitungsvorrichtung 406 umfasst eine Front-End-Schaltung 408, die mit der Phased-Array-Antenne 404 gekoppelt ist. Die Front-End-Schaltung 408 kann einen Sendeempfänger 412 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 414 umfassen. Der Sendeempfänger 412 ist konfiguriert, um mit der Phased-Array-Antenne 404 gekoppelt zu werden, um RF-Signale an eine zweite Antenne 405 einer zweiten Vorrichtung 407 zu übertragen oder von dieser zu empfangen. Die Verarbeitungsvorrichtung 406 kann einen Prozessor umfassen, der mit der Front-End-Schaltung 408 gekoppelt ist, um digitale Werte, die die RF-Signale repräsentieren, zu verarbeiten. Der Prozessor kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120, wie hierin beschrieben, implementieren. Der Prozessor kann ein Anwendungsprozessor, ein Hostprozessor, ein Mikrocontroller, ein Mikroprozessor oder eine andere Verarbeitungskomponente sein. In einer Ausführungsform erhält der Prozessor einen rohen Winkelmesswert und aktualisiert ein statistisches Modell mit dem rohen Winkelmesswert. Der Prozessor identifiziert ein oder mehrere Winkelszenarien aus dem statistischen Modell unter Verwendung eines statistischen Klassifikators. Der Prozessor bestimmt einen geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell und berechnet einen Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell. Wenn der Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für das eine oder die mehreren Winkelszenarien weniger als der Vertrauensschwellenwert ist, wird der Prozessor 1) eine Zahl von Multiwegen zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne aus dem einen oder den mehreren Winkelszenarien schätzen, 2) einen Winkelbereich zwischen der Phased-Array-Antenne 404 und der zweiten Antenne 405 aus den geschätzten Winkelwerten und den entsprechenden Vertrauenswerten schätzen, um einen geschätzten Winkelbereichswert zu erhalten, und 3) die Zahl von Multiwegen und den geschätzten Winkelbereichswert melden.
In einer weiteren Ausführungsform meldet der Prozessor den geschätzten Winkelwert, wenn der Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für das eine oder die mehreren Winkelszenarien gleich dem oder größer als der Vertrauensschwellenwert ist. In einer anderen Ausführungsform erhält der Prozessor einen zweiten rohen Winkelmesswert und aktualisiert das statistische Modell mit dem zweiten rohen Winkelmesswert.
In einer weiteren Ausführungsform führt der Prozessor, um den rohen Winkelmesswert zu erhalten, einen Quellenverfolgungsalgorithmus durch, um den rohen Winkelmesswert zu erhalten. Der Quellenverfolgungsalgorithmus umfasst eine Kostenfunktion zum Gewichten des rohen Winkelmesswertes, um eine Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus zu verbessern. Um das statistische Modell mit dem rohen Winkelmesswert zu aktualisieren und um das eine oder die mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell unter Verwendung des statistischen Klassifikators zu identifizieren, aktualisiert der Prozessor ein GMM, um eine oder mehrere Mischungen zu erhalten, wobei jede Mischung GMM-Parameter beinhaltet, die ein Gewicht, einen Mittelwert und eine Abweichung umfassen. Alternativ kann der Prozessor andere statistische Modelle aktualisieren.
In einer anderen Ausführungsform schätzt der Prozessor, um den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell zu bestimmen, einen erwarteten Winkelwert für jede der Mischungen aus den GMM-Parametern, um einen Satz Winkelschätzungswerte zu erhalten, die der Zahl von Multiwegen zwischen der Phased-Array-Antenne 404 und der zweiten Antenne 405 entsprechen. Um den Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell zu berechnen, berechnet der Prozessor eine Vertrauensmessung für jede der einen oder mehreren Mischungen aus den GMM-Parametern, um einen Satz Vertrauensmessungen zu erhalten, die dem Satz Winkelschätzungswerte entsprechen. In einer Ausführungsform ist der geschätzte Winkelwerte mindestens einer von einem Ankunftswinkel-Wert (AoA-Wert). In einer anderen Ausführungsform ist der geschätzte Winkelwerte ein Abgangswinkel-Wert (AoD-Wert). Alternativ kann der geschätzte Winkelwert ein Zeitverzögerung-bei-Ankunft-Wert (TDoA-Wert), ein Zeitverzögerung-bei-Abgang-Wert (TDoD-Wert), ein Ankunftsrichtungs-Wert (DoA-Wert) oder ein Abgangsrichtungs-Wert (DoD-Wert) sein. In einer Ausführungsform ist der geschätzte Winkelbereichswert mindestens einer von einem Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert). Alternativ ist der geschätzte Winkelbereichswert ein Abgangsbereich-Wert (ARoD-Wert).
Wie in 4 veranschaulicht, kann der Prozessor mehrere AoA-Werte 421 und entsprechende Vertrauensmessungen 423 melden. Der Prozessor kann den ARoA 425 und eine Gesamtvertrauensmessung 427 melden. In einer Ausführungsform implementiert der Prozessor ein Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120, das einen rohen AoA-Schätzungsblock 416, einen Vertrauensschätzungsblock 418 und einen Modellierungsblock 420 umfasst. Der Modellierungsblock 420 kann ein statistischer Modellierungsblock, ein Maschinenlern-Modellierungsblock oder eine Kombination davon sein. Der rohe AoA-Schätzungsblock 416 kann einen Lenkungsfaktor definieren, um unter Verwendung eines Wellenausbreitungsmodells Informationen zu erfassen, die aus einer gewissen Richtung kommen. Der rohe AoA-Schätzungsblock 416 kann diesen Lenkungsfaktor bei der Konjugation mit Signalen verwenden, die auf der Phased-Array-Antenne 404 erhalten werden, um in allen Richtungen zu suchen, um die AoA-Schätzung zu finden. Dies kann als eine anfängliche Schätzung verglichen mit den gemeldeten abschließenden Schätzungen (z. B. 421, 423, 425 und 427) betrachtet werden. Der rohe AoA-Schätzungsblock 416 kann bei dieser anfänglichen AoA-Schätzung GCC, MUSIC oder dergleichen verwenden. Traditionelle Lösungen würden dann bloß eine gewisse Nachverarbeitung, wie Kalman-Filterung, durchführen, um den AoA zu schätzen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen führen unterschiedliche Nachverarbeitung durch, wie in dem Vertrauensschätzungsblock 418 und dem statistischen Modellierungsblock 420 dargelegt. Es ist wiederum zu vermerken, dass, obwohl AoA-Schätzung für die Beschreibung verwendet wird, in anderen Ausführungsformen die Blöcke 416, 418 und 420 für AoD- oder andere Schätzungsverfahren verwendet werden können.
Eine traditionelle Lösung (nach dem Stand der Technik) für ein Quellenverfolgungsverfahren setzt einen oder zwei Zustandsprozesse ein und stellt eine Richtungsschätzung pro Antennenpaar bereit. Die Ausführungsformen des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs 120 verbessern die traditionelle AoA-Schätzung in mehrfacher Weise. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann das Speichern der rohen AoA-Schätzung aus dem rohen AoA-Schätzungsblock 416 durch Verwendung einer gewichteten Kostenfunktionsmetrik verbessern. Im Gegensatz zur traditionellen AoA-Schätzung stellt das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 mehrere Winkel 421 mit assoziierten Vertrauensmessungen 423 mittels AoA-Szenenmodellierung, wie etwa unter Verwendung von GMM, bereit. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 verwendet ferner Vertrauensmessungen 423, um in dem Fall eines schwachen (nicht existierenden) direkten Weges zwischen der Phased-Array-Antenne 404 und der zweiten Antenne 405 den ARoA 425 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen stellt das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 zusätzliche Indikatoren bereit, die zusätzlich zum Verbessern der Genauigkeit des Quellenverfolgungskernalgorithmus bei dem Quellenverfolgungsszenario helfen würden. Die zusätzlichen Informationen können mehrere AoAs 421 (oder AoDs) zusammen mit assoziierten Vertrauensmessungen 423 umfassen. Es kann auch die Gesamtvertrauensmessung 427 melden, die verwendet werden könnte, um zu entscheiden, ob die veröffentlichte Richtung AoA oder ARoA verwenden soll. In einem Sichtlinienszenario (Line-Of-Sight-Szenario, LOS-Szenario) wird der AoA mit höchstem Vertrauen verwendet. In einem Teil-LOS- oder NLOS-Szenario wird der ARoA verwendet, der aus mehreren AoAs 421 und deren Vertrauensmessung 423 berechnet wird. In einer Ausführungsform kann der ARoA als zwei Winkel plus eine Vertrauensmessung gemeldet werden, wenn ein Raum zwischen den zwei Winkeln als der Bereich bezeichnet wird. Alternativ können mehrere ARoA-Werte gemeldet werden, jeder mit disparaten Vertrauensmessungen. Wie hierin beschrieben, kann der ARoA eine Gesamtvertrauensmessung 427 aufweisen oder das Gesamtvertrauen kann aus individuellen Vertrauensmessungen der mehreren geschätzten Winkelwerte abgeleitet werden.
Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 verwendet Quellenverfolgungsalgorithmen mit Kostenfunktionsgewichtung und eine gewisse Nachverarbeitung, um mehrere AoAs 421, Vertrauensmessungen 423 und ARoA 425 zu schätzen. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 führt als ersten Vorgang die rohe AoA-Schätzung mittels des rohen AoA-Schätzungsblocks 416 durch. Der rohe AoA-Schätzungsblock 416 erlangt eine laufende Gewichtungsfunktion und verwendet diese, um die AoA-Schätzungsgenauigkeit zu verbessern. Die Gewichtung gibt die Qualitätsmetrik der aktuellen Schätzung an, die als Feedback zum Verbessern der Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus verwendet wird. Zum Beispiel kann die Formulierung der GCC-PHAT ohne die Kostenfunktion in der folgenden Gleichung (3) ausgedrückt werden: $(θ_{s}, \emptyset_{s}) = max_{(θ, \emptyset)} \sum_{i, k} \frac{E [R_{i k}] e^{- j ω τ_{i k}}}{| E [R_{i k}] |} \forall θ \in [- 180,18 0), \emptyset \in [0,90]$
wobei i = 1 ... M - 1, k = i = 1 ... M und τ_ik = (τ_i - τ_k), wobei τ_i = (r_i/c)cos(θ_i- θ) cos(Ø_i-Ø); (r_i, θ_i, Ø_i): Polarkoordinaten für Antenne I; c: Wellengeschwindigkeit R_ik ist die Kreuzkorrelation dazwischen für das Mikrofonpaar i, k bei Frequenz ω.
Der rohe AoA-Schätzungsblock 416 verwendet eine Kostenfunktion zum Gewichten der AoA-Schätzung und somit zum Verbessern der Genauigkeit. Die Modifikation stellt eine geringere Komplexität und eine angemessene Leistung bereit. Die Komplexität wurde unter Verwendung weniger Paare verringert und ausgeglichen in der Leistung aufgrund weniger Antennenpaare wurde kompensiert durch Einschließen von Kostenfunktionsgewichtung in der GCC-PHAT-Schätzung. Die Gewichtungsfunktionsberechnung und modifizierte Schätzung wird in der folgenden Gleichung (4) ausgedrückt: ${(θ_{s}, \emptyset_{s})}_{m} = (1 - C) {(θ_{s}, \emptyset_{s})}_{m} +C (θ_{s}, \emptyset_{s}),wobei C = f ({_{(θ, \emptyset)}^{max}}^{\frac{E [R_{12}] e^{- j ω τ_{12}}}{| E [R_{12}] |}})$

Die Verbesserungen in den Resultaten mit der modifizierten GCC-PHAT verglichen mit der GCC-PHAT ohne die Kostenfunktion werden unten in Tabelle 1 gezeigt: Tabelle 1

Quellenverfolgungsalgorithmus	Geschätzter AoA für LOS-Szenarium
Quellenverfolgungsalgorithmus	(GeschätztAoA_0G rad_SOL)	(GeschätztAoA_35G rad_SOL)	(cpm_Außenbereich_ 1)
Modifizierte GCC-PHAT mit Kostenfunktion	-4,7 ± 2	-40,2 ± 2,2	50,9 ± 22,5
GCC-PHAT ohne Kostenfunktion	-5,7 ± 5,7	-41,2 ± 446,1	44,9 ± 377,5

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde die Abweichung unter Verwendung der modifizierten GCC-PHAT mit Kostenfunktion verglichen mit der GCC-PHAT ohne Kostenfunktion wesentlich reduziert. Die Abweichung kann bei der Quellenverfolgung ein Schlüsselfaktor sein. In der obigen Beschreibung wurde das Gewichten auf GCC-basierten Algorithmus angewandt, dies könnte jedoch auch in ähnlicher Weise in anderen Ausführungsformen auf andere Quellenverfolgungsverfahren, wie etwa MUSIC, erweitert werden.
Nach Erhalten der rohen AoA/AoD-Werte durch den rohen AoA-Schätzungsblock 416 wird die Nachverarbeitung angewandt, um mehrere AoAs und Vertrauensmessungen aus den rohen AoA-Märkten zu erhalten. Zu diesem Zweck kann der statistische/Maschinenlern-Modellierungsblock 420 GMMs verwenden, um die rohen AoA-Schätzungswerte zu modellieren. In einer Ausführungsform identifiziert der Nachverarbeitungsalgorithmus des statistischen Modellierungsblocks 420 die Szene durch Zerlegen der rohen Schätzungen in mehrere Szenen, einschließlich direkter Weg, starke Reaktion und Rauschen. Ein typisches Beispiel mit drei GMMs wird in 5 gezeigt.
5 ist ein Graph 500, der drei Mischungen eines Gaußschen Mischungsmodells (GMM) zum Modellieren von rohen AoA-Schätzungswerten gemäß einer Ausführungsform illustriert. Der Graph 500 umfasst die rohen AoA-Schätzungswerte 502, die statistisch in eine erste Mischung 504, eine zweite Mischung 506 und eine dritte Mischung 508 modelliert sind.
Bei GMM nimmt der Algorithmus an, dass die ausreichenden Statistiken aus dem Quellenverfolgungsalgorithmus stammen. In einer Ausführungsform identifiziert der Nachverarbeitungsalgorithmus die Szene durch Zerlegen der rohen Schätzungen in mehrere Szenen - direkter Weg, starke Reflexion und Rauschen - mit der folgenden Gleichung (5): $p (y_{i}) = \sum_{j = 1}^{N} w_{j} p (y_{i} | m_{j}) = \sum_{j = 1}^{N} w_{j} N (y_{i} | μ_{j}, Σ_{j})$
Eine Anpassung kann unter Verwendung eines Erwartungsmaximierungsalgorithmus (EM-Algorithmus) vorgenommen werden. Zum Beispiel wird jedes Gaußsche Mischungsmodell (m_j,j = 1,2,3) zum Zeitpunkt n durch drei Parameter - Gewichtung (w_n,j ), Mittelwert (µ_n,j ) und Abweichung (Σ_n,j) - repräsentiert. Diese Parameter werden unter Verwendung der rohen Werte, wie (y_n ), zum Zeitpunkt n unter Verwendung eines beispielhaften Erwartungsmaximierungsalgorithmus, wie in der Gleichung (6) unten gezeigt, angepasst: $μ_{n, j} = (1 - α_{n, j}) μ_{n - 1, j} + α_{n, j} y_{n, j}$
$Σ_{n, j} = (1 - α_{n, j}) (Σ_{n - 1, j} + μ_{n - 1, j} μ_{n - 1, j}^{T}) + α_{n, j} y_{n, j} y_{n, j}^{T} - μ_{n, j} μ_{n, j}^{T}$
$π_{n, j} = [(1 - α_{n, j}) π_{- 1, j} + α_{n, j}] / λ_{n, j}$
wobei: $α_{n} = \frac{P (D P | y_{n}) P (m_{j} | y_{n})}{θ_{n, j} + τ}$
$θ_{n, j} = \sum_{k = 1}^{n} P (m_{j} | y_{k})$
$λ_{n, j} = \sum_{i} π_{n, i}$
τ = Relevanzfaktor, der zum Hervorheben des Modell-Priors verwendet wird
Zum Zeitpunkt n werden die Vertrauensmessung und die geschätzten AoAs 421 für jede Mischung aus den GMM-Parametern für jeden neuen Messwert durch den Vertrauensschätzungsblock 418 geschätzt. Die Vertrauensmessung 423 für Mischung k zum Zeitpunkt n wird aus dem Prior/der Abweichung der Mischung k berechnet. Generell gilt, je schmaler die Mischung, umso besser das Vertrauen, und je höher der Prior, umso besser ist die Vertrauensmessung 423. Ein Beispiel der Vertrauensberechnung wird in der folgenden Gleichung (7) ausgedrückt: $C o n f {k_{n}} = f (w_{n, k}, Σ_{n, k})$
$E {A o A | k_{n}} = \sum_{j = 1}^{3} E {A o A | m_{j}} P (m_{j} | k_{n}) = \frac{\sum_{j = 1}^{3} w_{j} P (k_{n} | m_{j}) E {A o A | m_{j}}}{\sum_{l = 1}^{3} w_{l} P (k_{n} | m_{l})}$
Sobald die Vertrauensmessungen 423 erhalten wurden, wird eine weitere Bewertung vorgenommen, um die Gesamtvertrauensmessung 427 und den ARoA-Wert 425 festzustellen. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann die mehreren AoA-Schätzungswerte 421, die entsprechenden Vertrauensmessungen 423, einen ARoA 425, eine Gesamtvertrauensmessung 427 oder eine beliebige Kombination davon melden. Der Prozessor oder ein getrennter Hostprozessor kann diese Informationen in Quellenverfolgungsanwendungen verwenden.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schätzen von Winkeln zwischen einer Phased-Array-Antenne und einer zweiten Antenne gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 600 kann durch Verarbeitungslogik durchgeführt werden, die Hardware (Schaltungen, zweckgebundene Logik usw.), Software (wie sie beispielsweise auf einem Allzweck-Computersystem oder einer zweckgebundenen Maschine ausgeführt wird), Firmware (eingebettete Software) oder eine Kombination davon beinhaltet. In einer Ausführungsform führt die Verarbeitungslogik der Verarbeitungsvorrichtung 106 von 1 das Verfahren von 6 durch. In einer anderen Ausführungsform führt die Verarbeitungslogik des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs 120 von 1 das Verfahren 600 durch. Alternativ kann die Verarbeitungslogik der Quellenvorrichtungen mit dem Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 einen Teil oder alles von dem Verfahren 600 durchführen.
Im Block 602 kann die Verarbeitungslogik rohe Winkelmesswerte aus RF-Signalen erhalten, die von einer Phased-Array-Antenne übertragen oder empfangen werden (Block 602). Die Verarbeitungslogik aktualisiert ein statistisches Modell mit den rohen Winkelmesswerten (Block 604), wie etwa durch Aktualisieren des GMM mit den neuen Daten. Die Verarbeitungslogik identifiziert ein oder mehrere Winkelszenarien aus dem statistischen Modell (oder Maschinenlernen) unter Verwendung eines statistischen Klassifikators und bestimmt einen geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell. Die Verarbeitungslogik berechnet einen Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell (Block 606). Zum Beispiel kann eine Vertrauensmessung für jede Mischung des GMM abgeleitet werden. Die Verarbeitungslogik kann eine Gesamtvertrauensmessung in dem AoA-Szenario berechnen (Block 608). Zum Beispiel kann ein hohes Vertrauen auf ein LOS-Szenario oder ein Szenarium mit starkem direktem Weg hindeuten.
Im Block 610 bestimmt die Verarbeitungslogik die Möglichkeit, dass der geschätzte Winkel der verfolgten Vorrichtung angemessen nahe liegt. In einer anderen Ausführungsform, im Block 610, kann die Verarbeitungslogik schätzen, dass der Winkel der verfolgten Vorrichtung angemessen nahe liegt. Wenn die Vertrauensmessung den Vertrauensschwellenwert im Block 610 überschreitet, meldet die Verarbeitungslogik den geschätzten AoA mit hohem Vertrauen (Block 612). Falls die Vertrauensmessung den Vertrauensschwellenwert im Block 610 nicht überschreitet, schätzt die Verarbeitungslogik eine Zahl von Multiwegen zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne aus dem einen oder den mehreren Winkelszenarien (Block 614). Die Verarbeitungslogik schätzt einen Winkelbereich zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne aus den geschätzten Winkelwerten und den entsprechenden Vertrauenswerten, um einen geschätzten Winkelbereichswert zu erhalten, und meldet den geschätzten Winkelwert für jeden Multiweg und den geschätzten ARoA (Block 616). In einer anderen Ausführungsform ist ein Vertrauen mit dem geschätzten ARoA assoziiert.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren 600 wiederholt werden und kann die Verarbeitungslogik einen zweiten rohen Winkelmesswert erhalten und das Modell mit dem zweiten rohen Winkelmesswert aktualisieren.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungslogik im Block 602 den rohen Winkelmesswert durch Durchführen eines Quellenverfolgungsalgorithmus erhalten, um den rohen Winkelmesswert zu erhalten. Dieser Quellenverfolgungsalgorithmus kann eine Kostenfunktion zum Gewichten des rohen Winkelmesswertes umfassen, um eine Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus zu verbessern. In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungslogik im Block 604 das GMM durch Aktualisieren eines GMM aktualisieren, um mehrere Mischungen, wobei jede Mischung GMM-Parameter aufweist, die ein Gewicht, einen Mittelwert und eine Abweichung umfassen. Der Quellenverfolgungsalgorithmus kann mindestens einer von einem GCC-basierten Algorithmus, der durch eine Kostenfunktion zum Gewichten des rohen Winkelmesswertes modifiziert wird, einem GCC-PHAT-Algorithmus, der durch die Kostenfunktion modifiziert wird, einem MUSIC-Algorithmus, der durch die Kostenfunktion oder dem Messwert modifiziert wird, sein.
In einer anderen Ausführungsform, der Verarbeitungslogik in den Blöcken 614, 616, bestimmt die Verarbeitungslogik den geschätzten Winkelwert durch Schätzen eines erwarteten Winkelwertes für jede der Mischungen aus den GMM-Parametern, um einen Satz Winkelschätzungswerte zu erhalten, die der Zahl von Multiwegen zwischen der Phased-Array-Antenne und der zweiten Antenne entsprechen. Die Verarbeitungslogik berechnet den Vertrauenswert durch Berechnen einer Vertrauensmessung für jede der Mischungen aus den GMM-Parametern, um einen Satz Vertrauensmessungen zu erhalten, die dem Satz Winkelschätzungswerte entsprechen. Die Verarbeitungslogik meldet den Satz Winkelschätzungswerte und den Satz Vertrauensmessungen. Der Satz Winkelschätzungswerte kann AoA-Werte, AoD-Werte, TDoA-Werte, TDoD-Werte, DOA-Werte oder DoD-Werte, wie hierin beschrieben, sein. Die Verarbeitungslogik kann einen geschätzten ARoA- oder andere Winkelbereichswerte, wie hierin beschrieben, melden. Die Winkelbereichswerte können ARoA-Werte oder ARoD-Werte, wie hierin beschrieben sein.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können zusätzliche Informationen bereitstellen, die in dem Fall von Mehrweg-, Teil-/Nicht-LOS nützlich sein würden. In dem folgenden Beispiel wird ein Szenario präsentiert, bei dem das traditionelle System einen AoA wahllos in Gegenwart eines Mehrweges wählt. Dem gegenüber würden die hierin beschriebenen Ausführungsformen darauf hinweisen, dass die Schätzung nicht vertrauenswert ist, und der Winkel wird weiter verarbeitet, um den Winkelbereich zu spezifizieren, was helfen würde, wenn dieser mit anderen Messungen kombiniert wird.
Wie hierin beschrieben, bezieht sich die Quellenverfolgung auf eine Methode, bei der ein Winkel zwischen einer einzelnen Antenne und einer Phased-Array-Antenne (mit mehreren Antennenelementen) bestimmt wird. Die Quellenverfolgung kann unter Verwendung einer Phased-Array-Antenne an einem Empfänger und einer einzelnen Antenne an einem Sender vorgenommen werden. Diese Konfiguration ist bekannt als Ankunftswinkel-Konfiguration (AoA-Konfiguration), die in 7A gezeigt wird. Andererseits, falls die Phased-Array-Antenne an einem Sender liegt und eine einzelne Antenne an einem Empfänger liegt, ist die Konfiguration bekannt als Abgangswinkel-Konfiguration (AoD-Konfiguration), die in 7B gezeigt wird. Der Quellenverfolgungsalgorithmus bleibt bei AoA und AoD gleich. Manchmal wird AoA als Ankunftsrichtung (DoA) oder Zeitverzögerung-bei-Ankunft (TDoA) bezeichnet. Zeitverzögerung und Winkel hängen zusammen, sodass die deduzierten Informationen äquivalent sind. Es sind viele Quellenverfolgungsverfahren verfügbar. Einige der beliebten sind Strahlenformung (bei dem Strahlen in unterschiedlichen Richtungen erzeugt werden und die Energie überwacht wird), generalisierte Kreuzkorrelation (GCC), Mehrfachsignalklassifizierung (MUSIC) usw. Die Kostenfunktion in dem GCC-Algorithmus kann auf unterschiedliche Weisen normalisiert werden, um unterschiedliche Varianten des Algorithmus zu erzeugen. Eine der populären ist GCC-PHAT, bei der die Kostenfunktion durch Größe normalisiert wird.
7A ist ein Blockdiagramm, das eine Ankunftswinkel-Konfiguration (AoA-Konfiguration) 700 für einen Quellenverfolgungsalgorithmus des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs 120 gemäß einer Ausführungsform illustriert. Die AoA-Konfiguration 700 umfasst eine Verfolgervorrichtung 702 und eine Zielvorrichtung 704. Die Verfolgervorrichtung 702 umfasst einen Sendeempfänger 708, der mit einem RF-Schalter 710 gekoppelt ist, der mit mehreren Antennenelementen 706 gekoppelt ist, die in einer Phased-Array-Antenne organisiert sind. Die Zielvorrichtung 704 umfasst einen Senderempfänger 714, der mit einer einzelnen Antenne 712 gekoppelt ist. Der Sendeempfänger 714 kommuniziert RF-Signale über die einzelne Antenne 712 und der Sendeempfänger 708 empfängt RF-Signale über die Antennenelemente 706. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 an der Verfolgervorrichtung 702 kann einen AoA-Wert 716 basierend auf den RF-Signalen, wie hierin beschrieben, schätzen.
7B ist ein Blockdiagramm, das eine Abgangswinkel-Konfiguration (AoD-Konfiguration) 750 für einen Quellenverfolgungsalgorithmus des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs 120 gemäß einer Ausführungsform illustriert. Die AoD-Konfiguration 750 umfasst eine Verfolgervorrichtung 752 und eine Zielvorrichtung 754. Die Verfolgervorrichtung 752 umfasst einen Senderempfänger 758, der mit einer einzelnen Antenne 756 gekoppelt ist. Die Zielvorrichtung 754 umfasst einen Sendeempfänger 762, der mit einem RF-Schalter 764 gekoppelt ist, der mit mehreren Antennenelementen 760 gekoppelt ist, die in einer Phased-Array-Antenne organisiert sind. Der Sendeempfänger 762 kommuniziert RF-Signale über die mehreren Antennenelemente 760 und der Sendeempfänger 758 empfängt RF-Signale über die einzelne Antenne 756. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 an der Zielvorrichtung 754 kann einen AoD-Wert 766 basierend auf den RF-Signalen, wie hierin beschrieben, schätzen. Es ist zu vermerken, dass 7B einen einzelnen Sendeempfänger 762 mit einem RF-Schalter 764 zeigt, in anderen Ausführungsformen können mehrere Sendeempfänger ohne einem RF-Schalter mit mehreren Antennen gekoppelt sein.
8 ist ein Flussdiagramm eines Multiwinkel-Quellenverfolgungsverfahrens 800 mit Vertrauensschätzung und Winkelbereichsschätzung gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 800 kann durch Verarbeitungslogik durchgeführt werden, die Hardware (Schaltungen, zweckgebundene Logik usw.), Software (wie sie beispielsweise auf einem Allzweck-Computersystem oder einer zweckgebundenen Maschine ausgeführt wird), Firmware (eingebettete Software) oder eine Kombination davon beinhaltet. In einer Ausführungsform führt die Verarbeitungslogik der Verarbeitungsvorrichtung 106 von 1 das Verfahren von 800 durch. In einer anderen Ausführungsform führt die Verarbeitungslogik des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs 120 von 1 das Verfahren 800 durch. Alternativ kann die Verarbeitungslogik der Quellenvorrichtungen mit dem Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 einen Teil oder alles von dem Verfahren 800 durchführen.
Im Block 802 kann die Verarbeitungslogik rohe Winkelmesswerte 801 aus RF-Signalen erhalten, die von einer Phased-Array-Antenne oder einer einzelnen Antenne übertragen oder empfangen werden. Die Verarbeitungslogik kann auch eine Geometrie 803 der Phased-Array-Antenne und ein Antennenmodell 805, welche von einer Elektronikvorrichtung verwendet werden, empfangen. Das Verfahren kann auf den Informationen für die mehreren Antennen (I/Q) und der Antennengeometrie basieren, um die Richtung zwischen zwei Vorrichtungen zu schätzen. Im Block 802 bestimmt die Verarbeitungslogik anfängliche Schätzungen des/der Winkels/Winkel. Im Block 802 führt die Verarbeitungslogik einen Quellenverfolgungsalgorithmus mit einer Kostenfunktion, wie hierin beschrieben, durch. In einer Ausführungsform kann die Gewichtung durch die Kostenfunktion angewandt werden, um die Genauigkeit zu verbessern. Ähnliche Verbesserungen können erreicht werden, falls die Kostenfunktion als weicher Klassifikator verwendet wird, um zu bestimmen, ob die aktuellen Statistiken bei der Quellenverfolgung verwendet werden sollen. Falls ein weicher Klassifikator verwendet wird, kann die Leistung nahe der gewichteten Kostenfunktion liegen.
Im Block 804 führt die Verarbeitungslogik eine gewisse Nachverarbeitung unter Verwendung von GMM durch. Im Block 806 führt die Verarbeitungslogik eine Vertrauensschätzung durch, um Vertrauensmessungen zu erhalten, die den geschätzten Winkel werden im Block 802 entsprechen. Die Kostenfunktionsgewichtung, die statistische Modellierung unter Verwendung von GMM und die Vertrauensschätzung unter Verwendung der GMM-Parameter können verwendet werden, um eine verbesserte Leistung zu erreichen. In einer Ausführungsform, bei der GMMs verwendet werden, um Vertrauensmessungen zu bestimmen, kann ein anderer statistischer Klassifikator, wie etwa Regression, neuronale Netzwerke oder dergleichen, verwendet werden. Parameter von diesen Klassifikatoren könnten verwendet werden, um Vertrauensmessungen abzuleiten.
Im Block 808 führt die Verarbeitungslogik eine ARoA-Berechnung basierend auf den AoA/AoD-Schätzungswerten und den entsprechenden Vertrauensmessungen durch.
Die „Gut-genug“-Leistung (z. B. Qualitätsmetrik) kann erreicht werden, falls weiche Klassifikatoren oder Gewichtungen durch harte Klassifikatoren ersetzt werden. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können die rohe Winkelschätzungsgenauigkeit verbessern. Zusätzlich können die hierin beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche Informationen bereitstellen, um in schwierigen Szenarien den Ankunftswinkel zu lösen, der aktuell möglicherweise als unlösbar betrachtet wird. Es ist zu vermerken, dass ein ähnliches Verfahren unter Verwendung von Maschinenlernen durchgeführt werden kann.
9 illustriert ein Hindernis, das zwischen einer Phased-Array-Antenne 902 und einer zweiten Antenne 904 gemäß einer anderen Ausführungsform positioniert ist. Das Hindernis 900 kann ein beliebiges Objekt sein, das ein NLOS- oder Teil-NLOS-Szenario verursacht, bei dem ein Winkel 901 viel schwieriger zu bestimmen ist. Der Quellenverfolgungsalgorithmus könnte darin resultieren, dass die Schätzung des Winkels 901 ein erster Winkel 903 ist, welche nicht die korrekten Winkel sind. Oder der Quellenverfolgungsalgorithmus könnte in einem ständigen oder periodischen Wechseln zwischen dem ersten Winkel 903 und einem zweiten Winkel 905, der ebenfalls nicht der korrekte Winkel ist, resultieren. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug120 kann sowohl den ersten Winkel 903 als auch dem zweiten Winkel 905 und entsprechende Vertrauensmessungen bestimmen, um den Winkel 901, wie hierin beschrieben, besser zu schätzen. Insbesondere kann das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 mehrere Winkel (903, 905) melden, anstatt bloß einen Winkel, der korrekt ist, oder einen, der in einer ärgerlichen Weise zwischen zwei unterschiedlichen Winkeln hin- und hergeht.
In der Ausführungsform von 9 können eine zweite Phased-Array-Antenne 906 und die zweite Antenne 904 ein LOS-Szenario aufweisen, das von dem Hindernis 900 nicht blockiert wird. Ein Winkel 907 zwischen der zweiten Phased-Array-Antenne 906 und der zweiten Antenne 904 kann bestimmt werden. Der Winkel 907 kann in Verbindung mit dem geschätzten Winkel 901 zur Quellenverfolgung verwendet werden. Der Winkel 907 und sein Vertrauen werden mit Winkelwerten von 902 kombiniert, um die Zielvorrichtung zu lokalisieren. Die Kombination kann durch eine der Verfolgervorrichtungen durch Kommunizieren mit anderen Verfolgervorrichtungen oder durch andere Vorrichtungen, die mit allen Verfolgervorrichtungen über einen bekannten Kanal kommunizieren, wie etwa über ein persönliches Bereichsnetzwerk oder drahtloses lokales Bereichsnetzwerk, vorgenommen werden.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können in einem Elektroniksystem implementiert werden, das eine Verarbeitungsvorrichtung umfasst, die die gleichen oder ähnliche Funktionen, wie in Bezug auf die obigen Figuren beschrieben, durchführen kann, und umgekehrt. In einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsvorrichtung ein Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller sein. Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann als Firmware implementiert sein, die auf dem Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgeführt wird. Der Mikrocontroller kann die hierin beschriebenen Schätzungen an einen Anwendungsprozessor melden. Das Elektroniksystem kann einen Hostprozessor für ein Computersystem umfassen, das den Mikrocontroller benutzt, um die hierin beschriebenen Schätzungen bereitzustellen. Der Hostprozessor kann eine oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen, einen Speicher und andere Hardware- oder Softwarekomponenten umfassen, die Vorgänge für das Elektroniksystem durchführen.
Die Verarbeitungsvorrichtung kann analoge und/oder digitale Allzweck-Eingangs/Ausgangs-Ports („GPIO“-Ports, GPIO = General Purpose Input/Output) umfassen. Die GPIO-Ports können programmierbar sein. Die GPIO-Ports können mit einer programmierbaren Verbindung und Logik (Programmable Interconnect and Logic, „PIL“) gekoppelt werden, welche als Zwischenverbindung zwischen GPIO-Ports und einem digitalen Blockarray der Verarbeitungsvorrichtung fungiert. Die Verarbeitungsvorrichtung kann analoge Blöcke umfassen, die in einigen Fällen programmiert und neu programmiert werden können, um verschiedene analoge Funktionen zu implementieren. Die Verarbeitungsvorrichtung kann auch ein digitales Blockarray umfassen. Das digitale Blockarray kann konfigurierbar sein, um eine Reihe von digitalen Logikschaltungen (z. B. DACs, digitale Filter oder digitale Steuerungssysteme) unter Verwendung, in einer einzelnen Ausführungsform, von konfigurierbaren Benutzermodulen (User Modules, „UMs“) zu implementieren. Das digitale Blockarray kann mit einem Systembus gekoppelt sein. Die Verarbeitungsvorrichtung kann auch eine Speichervorrichtung, wie etwa einen Arbeitsspeicher (Random Access Memory, RAM) und Programm-Flash, umfassen. Der RAM kann ein statischer RAM („SRAM“) sein und der Programm-Flash kann eine nicht flüchtige Speicherung sein, die verwendet werden kann, um Firmware (z. B. Steuerungsalgorithmen, die durch einen Prozessor ausführbar sind, um die hierin beschriebenen Vorgänge zu implementieren) zu speichern. Die Verarbeitungsvorrichtung kann auch eine Speichersteuerungseinheit (Memory Controller Unit, „MCU“) umfassen, die mit dem Speicher und dem Prozessor gekoppelt ist. Der Prozessor kann ein Verarbeitungselement (z. B. Prozessorkern) sein, das konfiguriert ist, um Anweisungen auszuführen oder Vorgänge durchzuführen. Der Prozessor kann andere Verarbeitungselemente umfassen, wie ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet mit dem Nutzen dieser Offenbarung erkennen kann. Es ist zu vermerken, dass der Speicher intern zur Verarbeitungsvorrichtung oder extern dazu vorliegen kann. In dem Fall, bei dem der Speicher intern vorliegt, kann der Speicher mit einem Verarbeitungselement, wie etwa dem Verarbeitungskern, gekoppelt sein. In dem Fall, bei dem der Speicher extern zur Verarbeitungsvorrichtung vorliegt, ist die Verarbeitungsvorrichtung mit der anderen Vorrichtung gekoppelt, in der der Speicher residiert, wie ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet mit dem Nutzen dieser Offenbarung erkennen kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Verarbeitungsvorrichtung ferner eine Verarbeitungslogik. Einige oder alle Vorgänge der Verarbeitungslogik können in Firmware, Hardware oder Software oder einer Kombination davon implementiert werden. Die Verarbeitungslogik kann von der Phased-Array-Antenne oder der einzelnen Antenne, wie hierin beschrieben, Signale empfangen. Die Verarbeitungsvorrichtung kann auch ein analoges Blockarray (z. B. feldprogrammierbares, analoges Array) umfassen. Das analoge Blockarray kann ebenfalls mit dem Systembus gekoppelt sein. Das analoge Blockarray kann ebenfalls konfigurierbar sein, um eine Reihe von analogen Schaltungen (z. B. ADCs oder analoge Filter) unter Verwendung, in einer einzelnen Ausführungsform, von konfigurierbaren UMs zu implementieren. Das analoge Blockarray kann ebenfalls mit den GPIO-Ports gekoppelt sein. Die Verarbeitungsvorrichtung kann einen internen Oszillator-/Taktgeber-Block und einen Kommunikationsblock („COM“) umfassen. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Verarbeitungsvorrichtung einen Spread-Spectrum-Taktgeber. Der Oszillator-/Taktgeber-Block stellt einer oder mehreren der Komponenten der Verarbeitungsvorrichtung Taktsignale bereit. Der Kommunikationsblock kann verwendet werden, um mit einer externen Komponente, wie etwa einem Hostprozessor (auch als Anwendungsprozessor bezeichnet), über die Anwendungsschnittstellen(„I/F“)-Leitung zu kommunizieren.
Die Verarbeitungsvorrichtung kann auf einem gemeinsamen Trägersubstrat, wie zum Beispiel einem integrierten Schaltungs(„IC“)-Die-Substrat, einem Multi-Chip-Modul-Substrat oder dergleichen, residieren. Alternativ können die Komponenten der Verarbeitungsvorrichtung eine oder mehrere integrierte Schaltungen und/oder diskrete Komponenten sein. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Verarbeitungsvorrichtung das „Programmable System on a Chip (PSoC®)“, das von Cypress Semiconductor Corporation, San Jose, Kalifornien, entwickelt wurde. Alternativ kann die Verarbeitungsvorrichtung eine oder mehrere andere Verarbeitungsvorrichtungen sein, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, wie etwa ein Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, eine Steuerung, ein Spezialprozessor, ein digitaler Signalprozessor („DSP“), eine anwendungsspezifische, integrierte Schaltung („ASIC“), ein frei programmierbares Gatearray („FPGA“) oder dergleichen.
Es ist zu vermerken, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen nicht darauf beschränkt sind, eine Konfiguration einer mit einem Anwendungsprozessor gekoppelten Verarbeitungsvorrichtung aufzuweisen, sondern ein System umfassen können, das die RF-Signale misst und die rohen Daten an einen Hostcomputer sendet, wo sie von einer Anwendung analysiert werden. Tatsächlich kann die Verarbeitung, die von der Verarbeitungsvorrichtung vorgenommen wird, in dem Anwendungsprozessor vorgenommen werden.
Das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 kann in der IC der Verarbeitungsvorrichtung oder alternativ in einer getrennten IC integriert sein. Alternativ können Beschreibungen des Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs 120 für die Einbeziehung in andere integrierte Schaltungen erzeugt und kompiliert werden. Zum Beispiel kann ein Verhaltensebenencode, der Parameter für das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 oder Teile davon beschreibt, unter Verwendung einer Hardware beschreibenden Sprache, wie etwa VHDL oder Verilog, erzeugt und auf einem maschinenzugreifbaren Medium (z. B. CD-ROM, Festplatte, Diskette usw.) gespeichert werden. Des Weiteren kann der Verhaltensebenencode in Registertransferebenen(Register Transfer Level, „RTL“)-Code, einer Netzliste oder sogar einem Schaltungslayout kompiliert und auf einem maschinenzugreifbaren Medium gespeichert werden. Der Verhaltensebenencode, der RTL-Code, die Netzliste und das Schaltungslayout repräsentieren verschiedene Ebenen der Abstraktion, um das Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeug 120 zu beschreiben. Es ist zu vermerken,, dass die Komponenten des Elektroniksystems alle, einige oder keine der oben beschriebenen Komponenten umfassen können.
In einer Ausführungsform kann das Elektroniksystem in einem Tablet-Computer verwendet werden. Alternativ kann die Elektronikvorrichtung in anderen Anwendungen verwendet werden, wie etwa einem Notebook-Computer, einem mobilen Handapparat, einem persönlichen Datenassistenten („PDA“), einer Tastatur, einem Fernsehgerät, einer Fernbedienung, einem Monitor, einem handgehaltenen Multimediagerät, einem handgehaltenen Media(Audio- und/oder Video)-Player, einem handgehaltenen Gaming-Gerät, einem Signatureingabegerät für Verkaufstransaktionen, einem eBook-Lesegerät, medizinische Instrumente, Lagerverfolgungsvorrichtungen, wie etwa von Speditionsunternehmen verwendete Scanner, Automobilvorrichtungen, wie etwa Wagenschlüssel und Elektronikvorrichtungen innerhalb eines Fahrzeugs, einem globalen Positionssystem („GPS“) oder einem Bedienfeld. Gewisse Ausführungsformen können als Computerprogrammprodukt implementiert werden, das auf einem nicht transitorischen maschinenlesbaren Medium gespeicherte Anweisungen umfasst. Diese Anweisungen können verwendet werden, um einen Allzweck- oder Spezialzweck-Prozessor zu programmieren, um die beschriebenen Vorgänge auszuführen. Ein maschinenlesbares Medium umfasst einen beliebigen Mechanismus zum Speichern oder Senden von Informationen in einer Form (z. B. Software, Verarbeitungsanwendung), die von einer Maschine (z. B. einem Computer) lesbar ist. Das maschinenlesbare Speichermedium kann unter anderem magnetisches Speichermedium (z. B. Disketten); optisches Speichermedium (z. B. CD-ROM); magnetooptisches Speichermedium; Festwertsspeicher (ROM); Arbeitsspeicher (RAM); löschbaren, programmierbaren Speicher (z. B. EPROM und EEPROM); Flash-Speicher oder einen anderen Typ von Medium, das für das Speichern von elektronischen Anweisungen geeignet ist, umfassen.
Darüber hinaus können einige Ausführungsformen in verteilten Computerumgebungen ausgeübt werden, wo das maschinenlesbare Medium auf mehr als einem Computersystem gespeichert ist und/oder von mehr als einem Computersystem ausgeführt wird. Zusätzlich können die zwischen Computersystemen übertragenen Informationen entweder über das Kommunikationsmedium, das die Computersysteme verbindet, gezogen oder gedrückt werden.
Obwohl die Vorgänge des Verfahrens hierin in einer bestimmten Reihenfolge gezeigt und beschrieben werden, kann die Reihenfolge von jedem Verfahren geändert werden, sodass gewisse Vorgänge in einer umgekehrten Reihenfolge durchgeführt werden können oder sodass gewisse Vorgänge, mindestens teilweise, gleichzeitig mit anderen Vorgängen durchgeführt werden können. In einer anderen Ausführungsform können Anweisungen oder Untervorgänge von separaten Vorgängen auf eine intermittierende und/oder alternierende Weise erfolgen. Die Begriffe „erste/r/s“, „zweite/r/s“, „dritte/r/s“, „vierte/r/s“ usw., wie hierin verwendet, werden als Etiketten verwendet, um zwischen unterschiedlichen Elementen zu unterscheiden, und weisen nicht unbedingt eine ordinale Bedeutung gemäß ihrer numerischen Bezeichnung auf. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „gekoppelt“ durch einen oder mehrere dazwischenliegende Komponenten direkt oder indirekt verbunden bedeuten. Alle der hierin beschriebenen über verschiedene Busse bereitgestellten Signale können mit anderen Signalen zeitgemultiplext und über einen oder mehrere gemeinsame chipinterne Busse (On-Die-Busse) bereitgestellt werden. Zusätzlich können die Zwischenverbindung und Schnittstellen zwischen Schaltungskomponenten oder Blöcken als Busse oder als Einzelsignalleitungen gezeigt werden. Jeder der Busse kann alternativ eine oder mehrere Einzelsignalleitungen sein und jede der Einzelsignalleitungen kann alternativ Busse sein.
Die obige Beschreibung legt zahlreiche spezifische Details dar, wie etwa Beispiele für spezifische Systeme, Komponenten, Verfahren und so weiter, um ein Verständnis von mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es wird einem Fachmann auf dem Gebiet jedoch klar sein, dass mindestens einige Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden gut bekannte Komponenten oder Verfahren nicht im Detail beschrieben oder werden in einem einfachen Blockdiagrammformat präsentiert, um das Verständnis der vorliegenden Ausführungsformen nicht unnötig zu erschweren. Die dargelegten spezifischen Details sind daher lediglich beispielhaft. Besondere Ausführungsformen können von diesen beispielhaften Details abweichen und trotzdem im Umfang der vorliegenden Ausführungsformen vorgesehen sein.
Ausführungsformen des beanspruchten Gegenstands umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, verschiedene hierin beschriebene Vorgänge. Diese Vorgänge können durch Hardwarekomponenten, Software, Firmware oder eine Kombination davon durchgeführt werden.
Die obige Beschreibung legt zahlreiche spezifische Details dar, wie etwa Beispiele für spezifische Systeme, Komponenten, Verfahren und so weiter, um ein Verständnis von mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es wird einem Fachmann auf dem Gebiet jedoch klar sein, dass mindestens einige Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden gut bekannte Komponenten oder Verfahren nicht im Detail beschrieben oder werden in einem einfachen Blockdiagrammformat präsentiert. Die dargelegten spezifischen Details sind daher lediglich beispielhaft. Besondere Ausführungsformen können von diesen beispielhaften Details abweichen und trotzdem im Umfang des beanspruchten Gegenstands vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15631733 [0001]
US 62471728 [0001]

Claims

Eine Vorrichtung, die Folgendes beinhaltet: einen Sendeempfänger zum Übertragen und Empfangen von Funkfrequenzsignalen (RF-Signalen) über eine Vielzahl von Antennenelementen; und einen Prozessor, der mit dem Sendeempfänger gekoppelt ist, wobei der Prozessor zum Ausführen eines Multiwinkel-Quellenverfolgungswerkzeugs dient, das konfiguriert ist, um einen Satz Winkelschätzungswerte für einen Winkel zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und einer zweiten Antenne, einen Satz Vertrauensmessungen und mindestens einen von einem Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) oder einem Abgangsbereich-Wert (ARoD-Wert) basierend auf den RF-Signalen zu bestimmen und zu speichern, wobei jede des Satzes Vertrauensmessungen ein Vertrauen für einen Winkelschätzungswert des Satzes Winkelschätzungswerte angibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Prozessor, um den Satz Winkelschätzungswerte und den Satz Vertrauensmessungen zu bestimmen, Folgendem dient: Durchführen eines Quellenverfolgungsalgorithmus, um rohe Winkelwerte basierend auf digitalen Messwerten der RF-Signale zu erhalten, wobei der Quellenverfolgungsalgorithmus eine Kostenfunktion zum Gewichten der rohen Winkelwerte zum Verbessern einer Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus beinhaltet; statistisches Modellieren der rohen Winkelwerte mit einem Gaußschen Mischungsmodell (GMM), um eine Vielzahl von Mischungen zu erhalten, wobei jede Mischung der Vielzahl von Mischungen GMM-Parameter beinhaltet, die ein Gewicht, einen Mittelwert und eine Abweichung umfassen; Schätzen eines erwarteten Winkelwertes für jede der Vielzahl von Mischungen aus den GMM-Parametern, um den Satz Winkelschätzungswerte für den Winkel zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne zu erhalten; und Berechnen einer Vertrauensmessung für jeden des Satzes Winkelschätzungswerte der Vielzahl von Mischungen aus den GMM-Parametern, um den Satz Vertrauensmessungen zu erhalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Prozessor dazu dient, den mindestens einen von dem ARoA-Wert oder dem ARoD-Wert aus dem Satz Winkelschätzungswerte und dem Satz Vertrauensmessungen zu bestimmen, wobei der mindestens eine von dem ARoA-Wert oder dem ARoD-Wert einen Winkelbereich zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne repräsentiert und wobei ein Winkelschätzungswert von dem Satz Winkelschätzungswerte mindestens einer von einem Ankunftswinkel-Wert (AoA-Wert), einem Abgangswinkel-Wert (AoD-Wert), einem Zeitverzögerung-bei-Ankunft-Wert (TDoA-Wert), einem Zeitverzögerung-bei-Abgang-Wert (TDoD-Wert), einem Ankunftsrichtungs-Wert (DoA-Wert) oder einem Abgangsrichtungs-Wert (DoD-Wert) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Prozessor ferner dazu dient, eine Gesamtvertrauensmessung aus dem Satz Vertrauensmessungen zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Quellenverfolgungsalgorithmus einen Algorithmus basierend auf generalisierter Kreuzkorrelation (Generalized Cross Correlation, GCC) beinhaltet, der durch die Kostenfunktion modifiziert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Quellenverfolgungsalgorithmus einen Algorithmus basierend auf generalisierter Kreuzkorrelation mit Phasentransformation (GCC-PHAT) beinhaltet, der durch die Kostenfunktion modifiziert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Quellenverfolgungsalgorithmus einen Mehrfachsignalklassifizierungsalgorithmus (MUSIC-Algorithmus) beinhaltet, der durch die Kostenfunktion modifiziert wird.
Ein System-auf-Chip (SoC), das Folgendes beinhaltet: einen Sendeempfänger, der konfiguriert ist, um mit einer Vielzahl von Antennenelementen gekoppelt zu werden, um Funkfrequenzsignale (RF-Signale) an eine zweite Antenne zu übertragen oder von dieser zu empfangen; einen Prozessor, der mit dem Sendeempfänger gekoppelt ist, um digitale Werte, die die RF-Signale repräsentieren, zu verarbeiten, wobei der Prozessor Folgendem dient: Erhalten eines rohen Winkelmesswertes; Aktualisieren eines statistischen Modells mit dem rohen Winkelmesswert; Identifizieren von einem oder mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell unter Verwendung eines statistischen Klassifikators; Bestimmen eines geschätzten Winkelwertes für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell; Berechnen eines Vertrauenswertes für den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell; und wobei der Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für das eine oder die mehreren Winkelszenarien weniger als ein Vertrauensschwellenwert ist, Schätzen einer Zahl von Multiwegen zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne aus dem oder den mehreren Winkelszenarien, Schätzen eines Winkelbereichs zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne aus den geschätzten Winkelwerten und den entsprechenden Vertrauenswerten, um einen geschätzten Winkelbereichswert zu erhalten, und Melden der Zahl von Multiwegen und des geschätzten Winkelbereichswertes.
SoC gemäß Anspruch 8, wobei der Prozessor ferner dazu dient, den geschätzten Winkelwert zu melden, wenn der Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für das eine oder die mehreren Winkelszenarien gleich dem oder größer als der Vertrauensschwellenwert ist.
SoC gemäß Anspruch 8, wobei der Prozessor ferner Folgendem dient: Erhalten eines zweiten rohen Winkelmesswertes; und Aktualisieren des statistischen Modells mit dem zweiten rohen Winkelmesswert.
SoC gemäß Anspruch 8, wobei, um den rohen Winkelmesswert zu erhalten, der Prozessor dazu dient, einen Quellenverfolgungsalgorithmus durchzuführen, um den rohen Winkelmesswert zu erhalten, wobei der Quellenverfolgungsalgorithmus eine Kostenfunktion zum Gewichten des rohen Winkelmesswertes beinhaltet, um eine Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus zu verbessern, wobei, um das statistische Modell mit dem rohen Winkelmesswert zu aktualisieren und um das eine oder die mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell unter Verwendung des statistischen Klassifikators zu identifizieren, der Prozessor dazu dient, ein Gaußsches Mischungsmodell (GMM) zu aktualisieren, um eine Vielzahl von Mischungen zu erhalten, wobei jede Mischung der Vielzahl von Mischungen GMM-Parameter beinhaltet, die ein Gewicht, einen Mittelwert und eine Abweichung umfassen.
SoC gemäß Anspruch 11, wobei, um den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell zu bestimmen, der Prozessor dazu dient, einen erwarteten Winkelwert für jede der Vielzahl von Mischungen aus den GMM-Parametern zu schätzen, um einen Satz Winkelschätzungswerte zu erhalten, die der Zahl von Multiwegen zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne entsprechen, und wobei, um den Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell zu berechnen, der Prozessor dazu dient, eine Vertrauensmessung für jede der Vielzahl von Mischungen aus den GMM-Parametern zu berechnen, um einen Satz Vertrauensmessungen zu erhalten, die dem Satz Winkelschätzungswerte entsprechen.
SoC gemäß Anspruch 8, wobei der geschätzte Winkelwert mindestens einer von einem Ankunftswinkel-Wert (AoA-Wert), einem Abgangswinkel-Wert (AoD-Wert), einem Zeitverzögerung-bei-Ankunft-Wert (TDoA-Wert), einem Zeitverzögerung-bei-Abgang-Wert (TDoD-Wert), einem Ankunftsrichtungs-Wert (DoA-Wert) oder einem Abgangsrichtungs-Wert (DoD-Wert) ist und wobei der geschätzte Winkelbereichswert mindestens einer von einem Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) oder einem Abgangsbereich-Wert (ARoD-Wert) ist.
Ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: Erhalten, durch eine Verarbeitungsvorrichtung, von rohen Winkelmesswerten von Funkfrequenzsignalen (RF-Signal), die von einer Vielzahl von Antennenelementen übertragen oder empfangen werden; Aktualisieren, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines statistischen Modells mit den rohen Winkelmesswerten; Identifizieren, durch die Verarbeitungsvorrichtung, von einem oder mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell unter Verwendung eines statistischen Klassifikators; Bestimmen, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines geschätzten Winkelwertes für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell; Schätzen, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines Vertrauenswertes für den geschätzten Winkelwert für jedes des einen oder der mehreren Winkelszenarien aus dem statistischen Modell; und wobei der Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für das eine oder die mehreren Winkelszenarien weniger als ein Vertrauensschwellenwert ist, Schätzen, durch die Verarbeitungsvorrichtung, einer Zahl von Multiwegen zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und einer zweiten Antenne aus dem oder den mehreren Winkelszenarien,Schätzen, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines Winkelbereichs zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne aus den geschätzten Winkelwerten und den entsprechenden Vertrauenswerten, um einen geschätzten Winkelbereichswert zu erhalten, und Melden, durch die Verarbeitungsvorrichtung, der Zahl von Multiwegen und des geschätzten Winkelbereichswertes.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner das Melden, durch die Verarbeitungsvorrichtung, des geschätzten Winkelwertes beinhaltet, wenn der Vertrauenswert für den geschätzten Winkelwert für das eine oder die mehreren Winkelszenarien gleich dem oder größer als der Vertrauensschwellenwert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner Folgendes beinhaltet: Erhalten, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines zweiten rohen Winkelmesswertes; und Aktualisieren, durch die Verarbeitungsvorrichtung, des statistischen Modells mit dem zweiten rohen Winkelmesswert.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Erhalten der rohen Winkelmesswerte das Durchführen, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines Quellenverfolgungsalgorithmus beinhaltet, um die rohen Winkelmesswerte zu erhalten, wobei der Quellenverfolgungsalgorithmus eine Kostenfunktion zum Gewichten des rohen Winkelmesswertes beinhaltet, um eine Genauigkeit des Quellenverfolgungsalgorithmus zu verbessern, wobei das Aktualisieren des statistischen Modells und das Identifizieren des einen oder der mehreren Winkelszenarien das Aktualisieren eines Gaußschen Mischungsmodells (GMM) beinhaltet, um eine Vielzahl von Mischungen zu erhalten, wobei jede Mischung der Vielzahl von Mischungen GMM-Parameter beinhaltet, die ein Gewicht, einen Mittelwert und eine Abweichung umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Erhalten der rohen Winkelmesswerte das Durchführen, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines Quellenverfolgungsalgorithmus beinhaltet, um die rohen Winkelmesswerte zu erhalten, wobei der Quellenverfolgungsalgorithmus mindestens eines von Folgendem beinhaltet: einen Algorithmus basierend auf generalisierter Kreuzkorrelation (GCC), der durch eine Kostenfunktion zum Gewichten des rohen Winkelmesswertes modifiziert wird; einen Algorithmus basierend auf generalisierter Kreuzkorrelation mit Phasentransformation (GCC-PHAT), der durch die Kostenfunktion modifiziert wird; oder einen Mehrfachsignalklassifizierungsalgorithmus (MUSIC-Algorithmus), der durch die Kostenfunktion modifiziert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Bestimmen des geschätzten Winkelwertes das Schätzen, durch die Verarbeitungsvorrichtung, eines erwarteten Winkelwertes für jede von einer Vielzahl von Mischungen eines Gaußschen Mischungsmodells (GMM) aus GMM-Parametern beinhaltet, um einen Satz Winkelschätzungswerte zu erhalten, die der Zahl von Multiwegen zwischen der Vielzahl von Antennenelementen und der zweiten Antenne entsprechen, und wobei das Schätzen des Vertrauenswertes das Schätzen einer Vertrauensmessung für jede der Vielzahl von Mischungen aus den GMM-Parametern beinhaltet, um einen Satz Vertrauensmessungen zu erhalten, die dem Satz Winkelschätzungswerte entsprechen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der geschätzte Winkelwert mindestens einer von einem Ankunftswinkel-Wert (AoA-Wert), einem Abgangswinkel-Wert (AoD-Wert), einem Zeitverzögerung-bei-Ankunft-Wert (TDoA-Wert), einem Zeitverzögerung-bei-Abgang-Wert (TDoD-Wert), einem Ankunftsrichtungs-Wert (DoA-Wert) oder einem Abgangsrichtungs-Wert (DoD-Wert) ist und wobei der geschätzte Winkelbereichswert mindestens einer von einem Ankunftsbereich-Wert (ARoA-Wert) oder einem Abgangsbereich-Wert (ARoD-Wert) ist.