TW202321715A - 用相控陣列測量到達角的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明有關於一種用可轉向相控陣列測量到達角（AoA）的方法。方法包含但不限於：通過具有第一轉向角和具有第二轉向角的可轉向相控陣列接收信號；獲得對應於第一轉向角的信號的第一功率相關信息（PRI1）；獲得對應於第二轉向角的信號的第二功率相關信息（PRI2）；以及基於第一功率相關信息和第二功率相關信息計算信號的到達角，其中第一轉向角不同於第二轉向角，且第一轉向角與第二轉向角之間的絕對差小於第一零點波束寬度/2。

Description

用相控陣列測量到達角的方法
本發明是有關於一種相控陣列，且特別是有關於一種用可轉向相控陣列快速測量到達角（angle of arrival；AoA）的方法。
Figure 02_image001
 (1)
在現代遠程通信系統中，載波的頻率變得越來越高以便允許更寬的信號帶寬。根據弗裏傳輸方程（Frii's transmission equation），由接收器（ P r ）接收的功率與由傳輸器（ P t ）發射的功率之間的比率表示為：
在方程（1）中， D t 和 D r 分別表示傳輸器的天線的方向性和接收器的天線的方向性。顯而易見，載波的波長隨著其頻率增加而减小，並且因此信號的衰减或衰變變得更差，因為比率 P r/P t 隨著波長 λ减小而减小。為了補償路徑損耗，常規和明顯的解决方案是增加天線的方向性 D t 和方向性 D r 中的任一個或兩個。
然而，隨著方向性增加，通常表示為半功率波束寬度（half-power beam width；HPBW）的波束寬度减小。因此，當傳輸器和接收器在移動時，傳輸器和接收器彼此易於遺失。裝置或波束跟踪技術為廣泛研究的領域。儘管現有技術已提出基於擴展卡爾曼濾波（extended Kalman filter；EKF）的一些算法，但AoA測量的準確度和精度仍對其預測結果具有影響。因此，需要一種測量波束的AoA的實時方法。
有鑒於此，本發明提供一種測量波束的到達角（AoA）的方法。所提供的方法可在實時應用中操作。
在一示範性實施例中，本發明有關於一種用可轉向相控陣列測量到達角（AoA）的方法。方法包含但不限於：通過具有第一轉向角和具有第二轉向角的可轉向相控陣列接收信號；獲得對應於第一轉向角的信號的第一功率相關信息（first power-related information；PRI1）；獲得對應於第二轉向角的信號的第二功率相關信息（second power-related information；PRI2）；以及基於第一功率相關信息和第二功率相關信息計算信號的AoA，其中第一轉向角不同於第二轉向角，且第一轉向角與第二轉向角之間的絕對差小於FNBW/2。
在一示範性實施例中，本發明有關於一種通信裝置。通信裝置包含但不限於收發器、儲存媒體以及處理器。收發器包含但不限於可轉向相控陣列。處理器耦合到收發器和儲存媒體。處理器經配置以：通過具有第一轉向角和具有第二轉向角的可轉向相控陣列接收信號；獲得對應於第一轉向角的信號的第一功率相關信息（PRI1）；獲得對應於第二轉向角的信號的第二功率相關信息（PRI2）；以及基於第一功率相關信息和第二功率相關信息計算信號的AoA，其中第一轉向角不同於第二轉向角，且第一轉向角與第二轉向角之間的絕對差小於FNBW/2。
本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍的範例。凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖1為根據本發明的實施例的相控陣列的波束輻射方向圖的示意圖。參看圖1，相控陣列的波束輻射方向圖可包含主瓣和若干旁瓣。主瓣為相控陣列的主波束，其中通過相控陣列輻射最大和恒定能量。波束寬度為在波束輻射方向圖的主瓣中輻射大部分功率的範圍。實際上，波束寬度通常表示為半功率波束寬度（HPBW）或第一零點波束寬度（first null beam width；FNBW）。
HPBW定義為波束輻射方向圖的功率從主波束的峰值减小50%（或-3dB）的點之間的角距。如圖1中所示，在兩側上的主瓣上的兩個半功率點之間繪製一條線。半功率點之間的角為波束輻射方向圖的HPBW。
FNBW定義為第一零點之間的角距，其中波束輻射方向圖的量值在主瓣附近為零。如圖1中所示，在兩側上的主瓣上的兩個第一零點之間繪製一條線。在第一零點之間的角為波束輻射方向圖的FNBW。從圖1可看出HPBW比FNBW更小。
相控陣列可在轉向角之間切換以測量到達角。不同轉向角可導致不同的波束輻射方向圖。因此，HPBW或FNBW可隨著不同轉向角改變。
均勻線性相控陣列（uniformly linear phased array；ULA）為最常使用的相控陣列。具有
Figure 02_image005
的轉向角的 N個天線單元的均勻線性相控陣列的半功率波束寬度可表示為：
Figure 02_image007
 （2）
此處， d表示兩個鄰近天線單元的質心之間的間距，且 λ表示由天線單元發射和/或接收的電磁波的波長。
舉例來說，對於具有四個天線單元（N=4）的相控陣列，其中間距（ d=λ/2）為波長的一半，且轉向角為零度（
Figure 02_image005
=0），HPBW為約25.4度。如果信息信號來自接近轉向角的方向，那麼當轉向角改變約5度時，信息信號的接收功率將不會改變太多且因此通信的質量可保持可接受的。在短時間跨度內，轉向角之間的絕對差較小且可假設在不同轉向角處接收到的功率的改變可忽略，使得波束輻射方向圖的主瓣可由與差角和HPBW相關聯的抛物線曲線來近似。因此，假設轉向角之間的絕對差由閾值限定，可由轉向角和其對應功率相關信息（power-related information；PRI）評估到達角。在一個實施例中，閾值可與波束輻射方向圖的主瓣的FNBW和/或HPBW相關聯。
圖2為根據本發明的實施例的測量到達角的方法的流程圖。方法可適於相控陣列。在步驟S201中，相控陣列接收具有第一轉向角和具有第二轉向角的信號。在步驟S203中，相控陣列獲得對應於第一轉向角的信號的第一功率相關信息（PRI1）。在步驟S205中，相控陣列獲得對應於第二轉向角的信號的第二功率相關信息（PRI2）。在步驟S207中，相控陣列基於第一功率相關信息和第二功率相關信息計算信號的AoA。
應注意，第一轉向角不同於第二轉向角，且第一轉向角與第二轉向角之間的絕對差小於閾值。
步驟S201和步驟S203並不顯著地不利地影響信號傳輸。因此，方法可用於實時應用中，即，信號傳輸或信號接收參與電信的情形。
在一個實施例中，第一轉向角與第二轉向角之間的絕對差小於FNBW／2。
在一個實施例中，第一轉向角與第二轉向角之間的絕對差小於HPBW/2。
在一個實施例中，第一轉向角與第二轉向角之間的絕對差小於HPBW/4。
圖3為根據本發明的實施例的更新到達角的流程圖。圖3中的步驟可視為圖2中的步驟S207的變體。請參看圖3。在步驟S302中，相控陣列將所計算的AoA視為第三轉向角以接收信號。具體地，所計算的AoA可為從步驟S207計算的結果。所計算的AoA還可為通過例如卡爾曼濾波的預測機制所獲得的當前AoA的評估。在步驟S304中，相控陣列獲得對應於第三轉向角的信號的第三功率相關信息（third power-related information；PRI3）。在步驟S306中，相控陣列根據第三功率相關信息和第三轉向角更新AoA。
在一個實施例中，第一功率相關信息和第二功率相關信息可以包含但不限於接收功率、信噪比（signal-to-noise ratio；SNR）、錯誤矢量幅度（error vector magnitude；EVM）、位差錯率（bit-error rate；BER）以及載噪比（carrier-to-noise ratio；C/N）中的至少一個的度量表示。類似地，第三功率相關信息可以包含但不限於接收功率、信噪比（SNR）、錯誤矢量幅度（EVM）、位差錯率（BER）以及載噪比（C/N）中的至少一個的度量表示。
作為示範性實例，第一功率相關信息和第二功率相關信息可為載噪比（C/N）。現在的重點是如何獲得對應第一轉向角的信號的C/N 1和對應第二轉向角的信號的C/N 2 。可根據位差錯率（BER）計算 E b / N 0 ，關係隨調製和編碼方案而變化。
接著，基於以下方程所獲得的 E b / N 0 來計算C/N：
Figure 02_image009
 （3）
此處， f b 表示信道的淨比特率或資料速率，且 B表示信道帶寬。其中的兩者為預定的或可獲得的。因此，可基於BER計算C/N，且現從相對於對應於第一轉向角的信息信號的第一片段的資料的BER和相對於對應於第二轉向角的信息信號的第二片段的資料的BER獲得C/N 1和C/N 2 。
[抛物線近似]
基於所獲得的C/N 1和C/N 2計算到達角（AoA）的簡化機制是基於相控陣列的主瓣的形狀的抛物線近似。理想地，與具有 N個天線單元的均勻線性相控陣列有關的幅度的場方向圖可表示為：
Figure 02_image011
 （4）
此處， G A 表示相控陣列的幅度增益， AF表示陣列因子，且 EF表示單元因子，其也稱為天線單元的場方向圖。在一個實施例中,相控陣列首先切換到第一轉向角
Figure 02_image013
以從信號源接收信號。相控陣列接著通過數位方式和類比方式切換到第二轉向角
Figure 02_image015
，以從信號源接收相同信號。在第一轉向角處接收的功率與在第二轉向角處接收的功率之間的比率表示為：
Figure 02_image017
 （5）
因此，消除單元因子的影響。當所接收的功率和陣列因子 AF的模型的比率都已知時，接著可導出到達角AoA。已知陣列因子 AF可表示為：
Figure 02_image019
 （6-1）
Figure 02_image021
 （6-2）
然而，存在使方程（6-1）和/或方程（6-2）不適用的一些障礙。第一個問題是，這些方程是超越函數，且難以獲得其對數值（dB）。另一問題是，這些方程理論上僅適合於均勻線性相控陣列（ULA），而在使用中的大多數相控陣列不是完美的ULA，其實際輻射方向圖比方程（6-1）和/或方程（6-2）複雜得多。因此，在本發明中引入簡化的方法。已知可通過第二階多項式/抛物線函數近似或接近任何高階函數或任何超越函數。
圖4A為根據本發明的實施例的用於近似波束輻射方向圖的主瓣的HPBW和點的示意圖。參看圖4A，波束輻射方向圖的主瓣40的形狀可通過由半功率點401、半功率點402以及頂點403定義的抛物線曲線近似。半功率點401和半功率點402對應於具有半接收功率 P AF /2的兩個轉向角，且頂點403對應於具有峰值功率 P AF 的轉向角。因此，抛物線曲線由三個點，點401、點402以及點403的功率和轉向角判定以擬合主瓣40的形狀。
根據上述假設和方程（2），近似可表示為：
Figure 02_image023
 （7）
此處，
Figure 02_image025
為表示所選擇的角與轉向角之間的差的差角。在方程（7）中，
Figure 02_image027
為天線陣列所在的第一介質中的載波信號的波長。在常規實例中，所述波長是自由空間或空氣中的載波信號的波長。然而，即使天線陣列位於海底，本發明的方法仍可適用。
以具有四個天線單元的一維陣列作為實例。如果兩個鄰近天線單元之間的間距 d等於操作波長的一半，那麼方程（7）産生以下結果：
Figure 02_image029
 （8）
Figure 02_image031
 （9）
對於前述實例，P AF 、 dB以分貝值表示陣列因子。如果差角
Figure 02_image025
的值不超過5度，那麼差值遠小於1。因此，可根據自然對數函數的第一階泰勒級數（first order Taylor series）近似方程（9），使得方程（9）可表示為以下方程（10）：
Figure 02_image033
 （10）
一般而言，
Figure 02_image035
為與天線單元的數目
Figure 02_image037
、兩個鄰近天線單元之間的間距
Figure 02_image039
以及波長
Figure 02_image027
相關聯的係數。在一個實施例中，對於具有四個天線單元（N=4）且間距
Figure 02_image041
的相控陣列，方程（10）中的係數
Figure 02_image035
為
Figure 02_image043
。
圖4B為根據本發明的實施例的波束輻射方向圖的陣列因子的主瓣的抛物線近似的示意圖。圖4B繪示用於具有四個天線單元（N=4）的相控陣列的真實模型、辛格函數（sinc function）近似以及陣列因子的抛物線近似。真實模型為如通過方程（6-1）描述的主瓣的形狀。辛格函數近似對應於如通過方程（6-2）描述的主瓣的形狀。抛物線近似對應於如通過方程（7）描述的主瓣的形狀。
在角
Figure 02_image045
度時，辛格函數近似和抛物線近似擬合在真實模型上的主瓣上的峰值功率點。點hp1和點hp2為根據抛物線近似的經近似半功率點。值得注意的是，抛物線近似在點hp1和點hp2處與辛格函數近似匹配，且點hp1和點hp2接近如真實模型表徵的左半功率點和右半功率點。因此，特別是當差角
Figure 02_image025
小時，通過方程（7）的抛物線近似將提供一個很好的真實模型的近似。舉例來說，在天線單元的數目為四且間距為波長的一半的實施例中，差角
Figure 02_image025
設置為小於5度，此比其理論上的HPBW的一半小得多。
圖5為根據本發明的實施例的切換轉向角以計算AoA的示意圖。請參看圖5。垂直線L為正交於相控陣列的陣列平面AP的參考線。相控陣列可轉向到對應於虛線L1的第一轉向角
Figure 02_image013
以接收到來的信號。接著，相控陣列可轉向到對應於虛線L2的第二轉向角
Figure 02_image015
以接收到來的信號。這對應於如圖2中所描述的步驟S201。應注意，第一轉向角
Figure 02_image013
和第二轉向角
Figure 02_image015
不同。現在，為測量到來的信號的到達角（AoA），用AoA替代所選擇的角，且將天線陣列在第一處轉向到由一些算法計算或預測為在AoA周圍的第一轉向角
Figure 02_image013
。差角
Figure 02_image047
和差角
Figure 02_image049
的值分別表示為AoA與第一轉向角
Figure 02_image013
和第二轉向角
Figure 02_image015
之間的差。
接著，所接收的功率可表示為：
Figure 02_image051
 （11）
假設信號功率本身保持不變，天線陣列接著將其轉向角切換到第二轉向角
Figure 02_image015
，且所接收的功率將可表示為：
Figure 02_image053
 （12）
Figure 02_image055
與
Figure 02_image057
之間的差（以dB為單位），等於功率的比率，將可寫為：
Figure 02_image059
 （13）
根據方程（10），方程（13）可重寫為：
Figure 02_image061
 （14）
在方程（13）到方程（14）中，
Figure 02_image063
為在第二轉向角
Figure 02_image015
處所接收的功率
Figure 02_image065
與在第一轉向角
Figure 02_image013
處所接收的功率
Figure 02_image067
之的比率的分貝值。
圖6A到圖6C為根據本發明的實施例用於理解當實際AoA為
Figure 02_image003
時的波束輻射場方向圖的示意圖。
請參看圖6A到圖6C。圖6A到圖6C中每一個描繪具有四個天線單元且間距為波長的一半的天線陣列的真實方向圖。右/上的軸和方向表示正，且左/朝下的軸和方向表示負。在圖6A到圖6C中，AoA為
Figure 02_image003
。在圖6A中，第一轉向角
Figure 02_image013
為
Figure 02_image069
而第二轉向角
Figure 02_image015
為
Figure 02_image071
。第一轉向角對應於主瓣上的點601。在點601處，所接收的功率（以dB為單位）為-0.5265 dB。第二轉向角對應於主瓣上的點602。在點602處，所接收的功率（以dB為單位）為-0.5930 dB。從圖6A中的實例，獲得在點601與點602之間所接收的功率的差（以dB為單位）為-0.0665 dB。
在先前假設中，已知：
Figure 02_image073
 （15）
Figure 02_image075
 （16）
Figure 02_image077
 （17）
Figure 02_image079
 （18）
Figure 02_image081
 （19）
在一個實施例中，m的值計算為：
Figure 02_image083
 （20）
在方程（20）中，
Figure 02_image037
為天線單元的數目，
Figure 02_image039
為兩個鄰近天線單元的間距，且
Figure 02_image027
為信號的波長。此處，方程（20）的右側上的分母“296”為局部最優值。在其它實施例中，分母的值可稍微不同於“296”。由於差角
Figure 02_image085
的差值將影響近似錯誤，因此分母的範圍可隨著差角
Figure 02_image085
改變。
在方程（15）和方程（19）代入所有已知變量的情况下，所計算的第一差角
Figure 02_image047
為
Figure 02_image087
，因此從第一轉向角和第一差角將所計算的AoA計算為
Figure 02_image089
。也就是說，當實際AoA在兩個轉向角之間時，所計算的AoA極接近於實際AoA。
在圖6B中，第一轉向角
Figure 02_image013
為
Figure 02_image069
而第二轉向角
Figure 02_image015
為
Figure 02_image091
。第一轉向角對應於主瓣上的點611。在點611處，所接收的功率（以dB為單位）為-1.1648 dB。第二轉向角對應於主瓣上的點612。在點612處，所接收的功率（以dB為單位）為-0.5266 dB。從圖6B中，獲得在點611與點612之間所接收的功率（以dB為單位）的差為-0.6382 dB。在方程（15）到方程（20）取代所有已知變量的情况下，所計算的第一差角
Figure 02_image047
為
Figure 02_image093
，因此所計算的AoA為
Figure 02_image095
。在此實例中，即使與第一轉向角進行比較，第二轉向角遠離實際AoA移動，所計算的AoA仍極接近於實際AoA。
在圖6C中，第一轉向角
Figure 02_image013
為
Figure 02_image097
而第二轉向角
Figure 02_image015
為
Figure 02_image071
。第一轉向角對應於主瓣上的點621。在點621處，所接收的功率（在dB中）為-0.5930。第二轉向角對應於主瓣上的點622。在點622處，所接收的功率（以dB為單位）為-1.3302。從圖6C中，獲得在點621與點622之間所接收的功率（以dB為單位）的差為0.7372 dB。在方程（15）到方程（19）取代所有已知變量的情况下，所計算的
Figure 02_image047
為
Figure 02_image099
，因此所計算的AoA為
Figure 02_image101
。因此，可基於在第二轉向角處接收到的功率與在第一轉向角處接收到的功率之間的比率來估計實際AoA，反之亦然。在此實例中，即使實際AoA遠離第一轉向角和第二轉向角，所計算的AoA仍提供實際AoA的相對準確預測。
假設信號源與接收器之間的信道為加性高斯白噪聲（additive white Gaussian noise；AWGN）信道，當轉向角稍微改變時，系統中的噪聲將保持不變。因此，這兩個測量周期（第一轉向角和第二轉向角）處的載波信號之間的比率與其SNR之間的比率相同。也就是說，SNR 2/SNR 1的比率或SNR 2,dB與SNR 1,dB之間的差具有與載波信號之間的比率相同的含義。也就是說，所有功率相關信息可以例如SNR、BER、C/N、EVM和/或所接收的信號的功率的度量表示。不同度量在本發明的實施例中都可適用。
基於上文，可推導一些擴展的方法。第一，將到來的信號的連續三個測量可基於從第二轉向角和從第一轉向角獲得的SNR比率，且基於從第三轉向角和從第二轉向角獲得的SNR比率提供AoA中所估計的改變。如步驟S302、步驟S304以及步驟S306中所描述，相控陣列可基於新轉向角和對應SNR比率保持迭代地計算和更新新AoA。所檢索的AoAs（每一個或組合）可充當用於卡爾曼濾波的輸入資料以預測未來的AoA。此外，即使所預測的AoA並不完全是正確的AoA，所提出的方法能夠表明正確的AoA的近似方向。
圖7A和圖7B為示出根據本發明的實施例的所提出的方法提供用於快速跟踪的收斂結果的實例的示意圖。在圖7A和圖7B中，AoA為
Figure 02_image069
。
請參看圖7A。舉例來說，如果所預測的AoA為
Figure 02_image103
，那麼實際AoA為
Figure 02_image069
。第一實例可在圖7A中觀測到第一轉向角為
Figure 02_image103
且第二轉向角為
Figure 02_image105
。第一轉向角對應於主瓣71。第二轉向角對應於主瓣72。可分別獲得主瓣71上的點701處的功率和主瓣72上的點702處的功率。在點701處，所接收的功率（以dB為單位）為-1.2024 dB。在點702處，所接收的功率（以dB為單位）為-0.4504 dB。對於具有四個天線單元（N=4）和間距d=λ/2的相控陣列，係數為
Figure 02_image043
。根據所獲得的功率比（SNR比），基於方程（15）到方程（19）所計算的AoA為
Figure 02_image107
。如果第三轉向角選擇為
Figure 02_image109
，那麼基於在
Figure 02_image105
處的功率和在
Figure 02_image109
處的功率計算的AoA為
Figure 02_image111
。
請參看圖7B。類似地，第二實例可在圖7B中觀測到第一轉向角為
Figure 02_image103
且第二轉向角為
Figure 02_image113
。第一轉向角對應於主瓣71。第二轉向角對應於主瓣73。可分別獲得主瓣71上的點701處的功率和主瓣73上的點703處的功率。在點701處，所接收的功率（以dB為單位）為-1.2024 dB。在點703處，所接收的功率（以dB為單位）為-2.668 dB。根據基於方程（15）到方程（19）的相同方法，所計算的AoA為
Figure 02_image115
，且這表明正確側（左側）。如果第三轉向角選擇為
Figure 02_image117
，那麼基於在
Figure 02_image103
處的功率和在
Figure 02_image117
處的功率計算的AoA為
Figure 02_image119
。因此，方法能夠從S207中計算的AoA産生與S302的收斂結果。圖2和圖3中所提出的方法可應用於實時應用，且收斂效應可在實際使用情况下對快速跟踪有利。方法可適用於使用類比波束成形架構的相控陣列或使用數位波束成形架構的相控陣列。
圖8為根據本發明的實施例的使用類比波束成形架構的相控陣列的示意圖。在類比波束成形架構中，相控陣列80可包含數位處理器81、AD/DA轉換器82、聚合器83、多個混合器MX、多個移相器PHS、多個增益可控放大器GCA以及多個天線單元ANT。數位處理器81耦合到AD/DA轉換器82。AD/DA轉換器耦合到多個混合器MX。在類比波束成形中，相控陣列80接收不同時隙中的信號。具體地，可將相控陣列80轉向到第一轉向角以接收第一時隙中的第一信號，且接著可將相控陣列80轉向到第二轉向角以接收第二時隙中的第二信號。在先前實施例中，第一信號和第二信號都來自相同信號源，以判定來自所述信號源的信號的AoA。然而，第一信號和第二信號可來自不同信號源。增益可控放大器GCA分別調整從天線單元ANT接收到的信號的增益。在接收到的信號穿過移相器PHS和混合器MX之後，聚合器83聚合信號且將聚合的信號饋入到AD/DA轉換器82。AD/DA轉換器82接著將信號轉化成由數位處理器81進一步處理的數位資料。應注意，類比波束成形架構可需要用於多個天線單元ANT的僅一個AD/DC，但信號必須在不同時隙中接收。
圖9為根據本發明的實施例的使用數位波束成形架構的相控陣列的示意圖。在數位波束成形架構中，相控陣列90可包含數位處理器91、多個AD/DA轉換器92、多個混合器MX、多個放大器AMP以及多個天線單元ANT。數位處理器91耦合到多個AD/DA轉換器92。從天線單元ANT接收的信號分別穿過其對應放大器AMP和混合器MX。接著，多個AD/DA轉換器92將信號轉換成待由數位處理器91進一步處理的數位資料。
在一個實施例中，如果天線陣列使用數位波束成形技術，那麼不需要接收不同時隙中的信號。步驟S201和步驟S203可通過數字地改變轉向角且在上文所示出的步驟S205到步驟S207中進行相同處理來在基帶中完成。
明確地，由陣列接收無線信號SEQ1的第一序列。接著,數位處理器91將第一轉向設置參數集合應用到SEQ1上使得陣列似乎在第一轉向角
Figure 02_image013
處轉向以接收SEQ1。同時，SEQ1存儲於例如數位處理器91的非瞬時性記憶體中以供進一步處理。接著，當數位處理器91繼續將第一轉向設置參數集合應用到所接收的信號的一下序列上，相同處理器中的另一處理器或線程將第二轉向設置參數集合應用到SEQ1上，使得SEQ1似乎由具有第二轉向角
Figure 02_image015
的陣列接收。在一個實施例中，C/N 1和C/N 2接著用於執行步驟S205以獲得SEQ1的AoA。在此實施例中，C/N 1和C/N 2有關於信號SEQ1的相同序列，因此已消除影響C/N或功率的環境因素且因此AoA的預測將更接近實際AoA。
前述實施例假設來自信號源的信號在測量期間保持不變。如圖2和圖3中所描述的測量AoA的方法可通常應用於包含使用類比波束成形的相控陣列80或使用數位波束成形的相控陣列90的通信裝置。
圖10為根據本發明的實施例的通信裝置的方塊圖。參看圖10，通信裝置100可包含但不限於收發器110、處理器120以及儲存媒體130。處理器120耦合到收發器110和儲存媒體130。
收發器110耦合到處理器120。收發器110可接收DL信號且傳輸UL信號。收發器110可執行低噪聲放大（Low Noise Amplifying；LNA）、阻抗匹配、類比-數位（analog-to-digital；ADC）轉換、數位-類比（digital-to-analog；DAC）轉換、混頻、上下變頻、過濾、放大和/或類似操作。收發器110可包含使用類比波束成形的相控陣列80或使用數位波束成形的相控陣列90，且相控陣列可包含用於傳輸和接收全向天線波束或定向天線波束的一個或多個天線單元。
處理器120是例如中央處理單元（Central Processing Unit；CPU）或其它可程式通用或專用微處理器、數位信號處理器(digital signal processor；DSP)、可程式控制器、專用積體電路（application specific integrated circuit；ASIC）、圖形處理單元（graphics processing unit；GPU）或其它類似組件，或以上組件的組合。處理器120可經配置以執行用於測量AoA的方法，如圖2和圖3中所描述。
儲存媒體130耦合到處理器120，且是例如任何類型的固定或可移動隨機存取記憶體（Random Access Memory；RAM）、只讀記憶體（Read-Only Memory；ROM）、快閃記憶體、硬碟驅動器（Hard Disk Drive；HDD）、固態驅動器（Solid State Drive；SSD）或類似組件，或以上組件的組合。儲存媒體130存儲多個模塊或程序以用於處理器120進行存取，使得處理器120可執行通信裝置100的各種通信功能。
通信裝置100可為通信系統中的用戶設備。本發明中的術語“用戶設備”（user equipment；UE）可以是例如移動台、高級移動台（advanced mobile station；AMS）、服務器、客戶端、臺式計算機、膝上計算機、網絡計算機、工作站、個人數字助理（personal digital assistant；PDA）、平板個人計算機（tablet personal computer；PC）、掃描儀、電話裝置、尋呼機、相機、電視、手持式視頻游戲裝置、音樂裝置、無線傳感器等。在一些應用中，UE可以是在例如公共汽車、火車、飛機、船隻、汽車等移動環境中操作的固定計算機裝置。
通信裝置100可為通信系統中的基站。本發明中的術語“基站”（base station；BS）可例如與“gNodeB”（gNodeB；gNB）、“eNodeB”（eNodeB；eNB）、節點B、高級BS（advanced BS；ABS）、傳輸接收點（transmission reception point；TRP）、未許可TRP、基站收發器系統（base transceiver system；BTS）、接入點、家用BS、中繼站、散射器（scatterer）、中繼器、中間節點、中間物（intermediary）、基於衛星的通信BS等的變體或子變體同義。
在具有彼此通信的兩個裝置（所述基站（STA）和用戶設備（UE））的更複雜系統中，所發射的信號功率可不時地變化，因為信號源的轉向角可改變以追求較好的通信質量。
圖11A為根據本發明的實施例的具有基站掃描用戶設備的通信系統的示意圖。舉例來說，參看圖11A，基站STA可執行從波束1101a到波束1101b的掃描以與UE建立通信。在第一階段，基站STA以對應於波束1101a的轉向角
Figure 02_image121
操作。隨後，在第二階段，基站STA切換到對應於波束1101b的不同轉向角
Figure 02_image123
。
圖11B為根據本發明的實施例的具有用戶設備掃描基站的通信系統的示意圖。舉例來說，參看圖11B，UE可執行從波束1102a到波束1102b的掃描以與STA建立通信。在第一階段，UE以對應於波束1102a的轉向角
Figure 02_image125
操作。隨後，在第二階段，基站STA切換到對應於波束1102b的不同轉向角
Figure 02_image127
。
圖11C為根據本發明的實施例的具有基站和用戶設備彼此掃描的通信系統的示意圖。在圖11C中，當基站STA掃描UE時，UE也掃描基站。在第一階段，基站以轉向角
Figure 02_image121
操作，且UE以轉向角
Figure 02_image125
操作。在第二階段，基站以轉向角
Figure 02_image121
操作，且UE以轉向角
Figure 02_image125
操作。
應注意，對於測量UE的AoA的基站STA，方程（7）到方程（11）到假設可能不一定成立，因為UE的轉向角從
Figure 02_image125
改變到
Figure 02_image127
。
在這些情形下，從STA到UE的所傳輸的分組可進一步包含轉向角、陣列大小以及由STA測量的所估計的AoA的信息。通過此類信息，UE能夠在從STA到UE的方向上評估STA的天線增益。通過基站STA與UE之間的通信，基站STA可獲得額外信息，例如由UE評估的基站STA的AoA和/或UE在不同階段的轉向角。因此，在UE的AoA的測量中，額外信息可用以補償由於UE的轉向角改變而産生的錯誤。
已知所接收的功率 P r 與所傳輸的信號 P t 之間的關係是：
Figure 02_image129
 （20）
此處，
Figure 02_image131
表示信號源（即，基站STA）的轉向角，
Figure 02_image133
表示通過信號源（即，UE）看到的接收器的轉向角，
Figure 02_image135
表示接收器的轉向角，
Figure 02_image137
表示通過接收器看到的AoA， G TX 和 G RX 分別表示信號源和接收器的功率增益，
Figure 02_image027
表示信號的波長，且
Figure 02_image139
表示信號源與接收器之間的距離。在本實例中，假設距離在此短時間內不變，信號的波長保持不變，儘管存在一點變化，且所傳輸的信號 P r 的功率也保持不變。因此，當
Figure 02_image141
和
Figure 02_image135
已知時，可精確獲得
Figure 02_image137
。在一個實施例中，UE可視為信號源，且基站可視為接收器，且反之亦然。
圖12為根據本發明的實施例的二維相控陣列的示意圖。如圖2和圖3的實施例中所描述的測量AoA的方法還可應用於二維相控陣列。舉例來說，如圖12中所示，二維相控陣列可包含 MN天線單元。天線單元可分別沿著x軸和y軸以均勻間距
Figure 02_image027
/2布置。在此配置下，小HPBW可引起計算AoA的大量迭代。然而，所提出的方法需要更少掃描時間且更高效，因為所提出的方法僅需要較少資料量和計算量來獲得令人滿意的AoA評估。
綜上所述，本發明提供一種用可轉向相控陣列測量到達角（AoA）的方法。本發明的實施例中公開用於波束輻射方向圖的陣列因子的抛物線近似。方法提供用於正確的AoA的快速測量時的快速跟踪的收斂結果。方法應用於類比波束成形和數位波束成形架構，且方法可在裝置或波束跟踪的實時應用中操作。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
40、71、72、73:主瓣 80、90:相控陣列 81、91:數位處理器 82、92:AD/DA轉換器 83:聚合器 100:通信裝置 110:收發器 120:處理器 130:儲存媒體 401、402:半功率點 601、602、611、612、621、622、701、702、703、hp1、hp2:點 403:頂點 1101a、1101b、1102a、1102b:波束 AMP:放大器 ANT:天線單元 AP:陣列平面 GCA:增益可控放大器 L:垂直線 L1、L2:虛線 MX:混合器 PHS:移相器 S201、S203、S205、S207、S302、S304、S306:步驟 STA:基站 UE:用戶設備 x、y、z:軸
Figure 02_image047
、
Figure 02_image049
:差角 θ S1 :第一轉向角 θ S2 :第二轉向角
圖1為根據本發明的實施例的相控陣列的波束輻射方向圖的示意圖。 圖2為根據本發明的實施例的測量到達角的方法的流程圖。 圖3為根據本發明的實施例的更新到達角的流程圖。 圖4A為根據本發明的實施例的HPBW和用於近似波束輻射方向圖的主瓣的點的示意圖。 圖4B為根據本發明的實施例的波束輻射方向圖的主瓣的抛物線近似值的示意圖。 圖5為根據本發明的實施例的切換轉向角以計算AoA的示意圖。 圖6A到圖6C為根據本發明的實施例的用於理解當實際AoA為
Figure 02_image003
時的波束輻射場方向圖的示意圖。 圖7A和圖7B為示出根據本發明的實施例的所提出的方法提供用於快速跟踪的收斂結果的實例的示意圖。 圖8為根據本發明的實施例的使用類比波束成形架構的相控陣列的示意圖。 圖9為根據本發明的實施例的使用數位波束成形架構的相控陣列的示意圖。 圖10為根據本發明的實施例的通信裝置的方塊圖。 圖11A為根據本發明的實施例的具有基站掃描用戶設備的通信系統的示意圖。 圖11B為根據本發明的實施例的具有用戶設備掃描基站的通信系統的示意圖。 圖11C為根據本發明的實施例的具有基站和用戶設備彼此掃描的通信系統的示意圖。 圖12為根據本發明的實施例的二維相控陣列的示意圖。
S201、S203、S205、S207:步驟

Claims (16)

  1. 一種用可轉向相控陣列測量到達角（AoA）的方法，包括： 通過具有第一轉向角和具有第二轉向角的所述可轉向相控陣列接收信號； 獲得對應於所述第一轉向角的所述信號的第一功率相關信息（PRI1）； 獲得對應於所述第二轉向角的所述信號的第二功率相關信息（PRI2）；以及 基於所述第一功率相關信息和所述第二功率相關信息計算所述信號的到達角， 其中所述第一轉向角不同於所述第二轉向角，且所述第一轉向角與所述第二轉向角之間的絕對差小於第一零點波束寬度/2。
  2. 如請求項1所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中通過具有所述第一轉向角和具有所述第二轉向角的所述可轉向相控陣列接收所述信號的步驟包括： 將所述相控陣列切換到所述第一轉向角以在第一時隙中接收所述信號；以及 將所述相控陣列切換到所述第二轉向角以在緊接在所述第一時隙之後的第二時隙中接收所述信號。
  3. 如請求項1所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中通過具有所述第一轉向角和具有所述第二轉向角的所述可轉向相控陣列接收所述信號的所述步驟包括： 通過所述相控陣列中的N個所選擇的天線單元接收所述信號以獲得對應於第一時隙的N個信號流； 在聚合所述N個信號流之前將第一參數集合應用到所述N個信號流上以數位方式將所述第一轉向角應用到聚合信號上；以及 在聚合所述N個信號流之前將第二參數集合應用到所述N個信號流上以數位方式將所述第二轉向角應用到所述聚合信號上。
  4. 如請求項1所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中所述第一功率相關信息和所述第二功率相關信息以選自由接收功率、信噪比、錯誤矢量幅度、位差錯率以及載噪比組成的群組的度量表示。
  5. 如請求項1所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中所述到達角是基於所述第一功率相關信息與所述第二功率相關信息的比率計算。
  6. 如請求項5所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中根據所述第一轉向角和第一差角
    Figure 03_image143
    計算所述到達角，其中所述第一差角
    Figure 03_image143
    通過以下計算：
    Figure 03_image145
    ， 其中
    Figure 03_image147
    為所述第一轉向角，
    Figure 03_image149
    為所述第二轉向角，
    Figure 03_image151
    為所述第一轉向角與所述第二轉向角之間的差，且係數
    Figure 03_image153
    、
    Figure 03_image155
    以及
    Figure 03_image157
    為
    Figure 03_image159
    ，
    Figure 03_image161
    ，
    Figure 03_image163
    ，
    其中
    Figure 03_image165
    為所述第一功率相關信息與所述第二功率相關信息之間的比率的分貝值，且 m為實數。
  7. 如請求項6所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中：
    Figure 03_image167
    ， 其中
    Figure 03_image169
    為天線單元的數目，
    Figure 03_image171
    為兩個相鄰天線單元之間的間距，
    Figure 03_image173
    為所述信號的波長。
  8. 如請求項1所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中所述第一轉向角與所述第二轉向角之間的所述絕對差小於半功率波束寬度/2。
  9. 如請求項8所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中所述第一轉向角與所述第二轉向角之間的所述絕對差小於半功率波束寬度/4。
  10. 如請求項1所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，進一步包括： 將所述所計算的到達角視為第三轉向角以接收所述信號； 獲得對應於所述第三轉向角的所述信號的第三功率相關信息（PRI3）；以及 根據所述第三功率相關信息和所述第三轉向角更新所述到達角。
  11. 如請求項10所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中更新所述到達角的步驟進一步包括： 基於所述第三功率相關信息以及所述第一功率相關信息和所述第二功率相關信息中的至少一個計算新到達角；以及 通過所述新到達角更新所述到達角。
  12. 如請求項10所述的用可轉向相控陣列測量到達角的方法，其中更新所述到達角的所述步驟進一步包括： 根據從所述第一轉向角、所述第二轉向角和所述第三轉向角以及對應第一功率相關信息、第二功率相關信息和第三功率相關信息中的三對獲得的抛物線曲線計算具有最大功率相關信息的轉向角；以及 通過所述所計算的轉向角更新所述到達角。
  13. 一種通信裝置，包括： 收發器，包括可轉向相控陣列； 儲存媒體；以及 處理器，耦合到所述收發器和所述儲存媒體，其中所述處理器經配置以： 通過具有第一轉向角和具有第二轉向角的所述可轉向相控陣列接收信號； 獲得對應於所述第一轉向角的所述信號的第一功率相關信息（PRI1）； 獲得對應於所述第二轉向角的所述信號的第二功率相關信息（PRI2）；以及 基於所述第一功率相關信息和所述第二功率相關信息計算所述信號的到達角， 其中所述第一轉向角不同於所述第二轉向角，且所述第一轉向角與所述第二轉向角之間的絕對差小於第一零點波束寬度/2。
  14. 如請求項13所述的通信裝置，其中所述處理器進一步經配置以： 將所述所計算的到達角視為第三轉向角以接收所述信號； 獲得對應於所述第三轉向角的所述信號的第三功率相關信息（PRI3）；以及 根據所述第三功率相關信息和所述第三轉向角更新所述到達角。
  15. 如請求項14所述的通信裝置，其中所述處理器進一步經配置以： 基於所述第三功率相關信息以及所述第一功率相關信息和所述第二功率相關信息中的至少一個計算新到達角；以及 通過所述新到達角更新所述到達角。
  16. 如請求項14所述的通信裝置，其中所述處理器進一步經配置以： 根據從所述第一轉向角、所述第二轉向角和所述第三轉向角以及對應第一功率相關信息、第二功率相關信息和第三功率相關信息在的三對獲得的抛物線曲線計算具有最大功率相關信息的轉向角；以及 通過所述所計算的轉向角更新所述到達角。
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