TWI661611B - 應用於被動式Ｗｉ－Ｆｉ裝置的智慧天線及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種智慧天線，其可包含：複數個天線單元及控制器。控制器可與該些天線單元連接。其中，控制器可根據該些天線單元之特徵向量及起始角度以第一角度間隔掃描角度區間；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，控制器則可將第一角度間隔乘以一倍數以產生第二角度間隔，並可以第二角度間隔繼續掃描角度區間；當控制器完成角度區間的掃描或任二個掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，控制器可產生功率頻譜。

Description

應用於被動式Wi-Fi裝置的智慧天線及其控制方法
本發明係有關於一種智慧天線，特別是一種高效率的智慧天線。本發明還涉及包含此智慧天線之控制方法，可以有效進行天線之波束追蹤。
一般而言，Wi-Fi被認為是一種耗能的通訊系統，因此尚未被廣泛地應用於感測器網路(Sensor network)及物聯網(IoT)。在2016年，一種被動式Wi-Fi裝置被開發出來，以改善傳統Wi-Fi耗能的缺點。
如第1圖所示，習知技藝之被動式Wi-Fi裝置1包含頻率合成器(Frequency synthesizer)11、基頻處理器(Baseband processor)12、背向散射調變器(Backscatter modulator)13及天線14。
頻率合成器11與基頻處理器12及背向散射調變器13連接。
基頻處理器12與背向散射調變器13連接。
背向散射調變器13與天線14連接。
背向散射調變器13可將輸入資料傳送至天線14，而當天線14接收到另一電子裝置之訊號時，天線14可吸收由電子裝置接收到的訊號做為電力來源，並可同時將輸入資料傳送至電子裝置。因此，透過背向散射通訊(Backscatter Communication)可使無線電波同時乘載資訊與電力，因此被動式Wi-Fi裝置1在沒有電力供應的情況下也能夠實現與其它電子裝置之間的雙向通訊。
被動式Wi-Fi裝置1可以傳輸基於802.11b標準的無線信號，且可以直接與多種行動裝置進行通訊，如智慧型手機及平板電腦等，且可以大幅降低能耗，有效地改善了傳統Wi-Fi裝置能耗過高的問題。
然而，被動式Wi-Fi裝置1無法針對將其波束場形向特定的方向集中，因此無法有效地接收到由另一電子裝置傳送而來的訊號，或傳送訊號至另一電子裝置。也導致被動式Wi-Fi裝置1之無線電覆蓋率(Radio coverage)始終無法有效地提升。且造成被動式Wi-Fi裝置1傳送之資料容易外洩，無法保障使用者的資料安全。
因此，如何提出一種被動式Wi-Fi裝置，能夠有效改善習知技藝之被動式Wi-Fi裝置的各種缺點已成為一個刻不容緩的問題。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種應用於被動式Wi-Fi裝置的智慧天線及其控制方法，以解決習知技藝之被動式Wi-Fi裝置的各種問題。
根據本發明之其中一目的，提出一種智慧天線，其可包含複數個天線單元及控制器。控制器可與該些天線單元連接。其中，控制器可根據該些天線單元之特徵向量及起始角度以第一角度間隔掃描一角度區間；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，控制器則可將第一角度間隔乘以一倍數以產生第二角度間隔，並可以第二角度間隔繼續掃描此角度區間；當控制器完成此角度區間的掃描或任二個掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，控制器可產生功率頻譜。
在一較佳的實施例中，控制器可由功率頻譜中選擇功率最大的二個掃描點，並可計算功率最大的二個掃描點對應的角度之平均值以產生估測角度。
在一較佳的實施例中，智慧天線更可包含複數個加權函數計算器，其可對應於該些天線單元，控制器可分別透過該些加權函數計算器與該些天線單元連接。
在一較佳的實施例中，控制器可根據估測角度透過該些加權函數計算器改變該些天線單元之權重以調整該些天線單元之波束場形。
在一較佳的實施例中，第一角度間隔係包含複數個角度單元。
在一較佳的實施例中，當該些天線單元的數量小於或等於2時，第二角度間隔可小於或等於50°；當該些天線單元的數量大於或等於3時，第二角度間隔可小於或等於20°。
根據本發明之其中一目的，再提出一種智慧天線之控制方法，特別是關於天線之波束追蹤方法，其可包含下列步驟：根據複數個天線單元之特徵向量及起始角度以第一角度間隔掃描一角度區間；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，將第一角度間隔乘以一倍數以產生第二角度間隔，並以第二角度間隔繼續掃描此角度區間；以及當完成此角度區間的掃描或任二個掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，產生功率頻譜。
在一較佳的實施例中，應用於智慧天線之控制方法更可包含下列步驟：根據各個天線單元之輸入值產生特徵向量。
在一較佳的實施例中，應用於智慧天線之控制方法更可包含下列步驟：由功率頻譜中選擇功率最大的二個掃描點，並計算功率最大的二個掃描點對應的角度之平均值以產生估測角度。
在一較佳的實施例中，應用於智慧天線之控制方法更可包含下列步驟：根據估測角度透過該些加權函數計算器改變該些天線單元之權重以調整該些天線單元之波束場形。
根據本發明之其中一目的，又提出一種應用於被動式Wi-Fi裝置之智慧 天線，被動式Wi-Fi裝置可包含背向散射調變器，其可與智慧天線連接，並可輸入輸入資料至智慧天線。智慧天線可包含複數個天線單元及控制器。控制器可與該些天線單元連接。其中，控制器可根據該些天線單元之特徵向量及起始角度以第一角度間隔掃描一角度區間；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，控制器則可將第一角度間隔乘以一倍數以產生第二角度間隔，並可以第二角度間隔繼續掃描此角度區間；當控制器完成此角度區間的掃描或任二個掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，控制器可產生功率頻譜。
在一較佳的實施例中，控制器可由功率頻譜中選擇功率最大的二個掃描點，並可計算功率最大的二個掃描點對應的角度之平均值以產生估測角度。
在一較佳的實施例中，智慧天線更可包含複數個加權函數計算器，其可對應於該些天線單元，控制器可分別透過該些加權函數計算器與該些天線單元連接。
在一較佳的實施例中，控制器可根據估測角度透過該些加權函數計算器改變該些天線單元之權重以調整該些天線單元之波束場形。
在一較佳的實施例中，第一角度間隔係包含複數個角度單元。
在一較佳的實施例中，當該些天線單元的數量小於或等於2時，第二角度間隔可小於或等於50°；當該些天線單元的數量大於或等於3時，第二角度間隔可小於或等於20°。
承上所述，依本發明之應用於被動式Wi-Fi裝置的智慧天線及其控制方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)本發明之一實施例中，被動式Wi-Fi裝置之智慧天線之波束場形可向特定的方向集中以追蹤一個或多個目標，因此可以更有效地追蹤接收到 由其它電子裝置傳送而來的訊號，或傳送訊號至其它電子裝置。
(2)本發明之一實施例中，被動式Wi-Fi裝置之智慧天線之波束場形可向特定的方向集中，因此可以使被動式Wi-Fi裝置之無線電覆蓋率(Radio coverage)大幅提升。
(3)本發明之一實施例中，被動式Wi-Fi裝置之智慧天線之波束場形可向特定的方向集中，故由被動式Wi-Fi裝置傳送之資料不容易外洩，因此使用者的資料安全能夠得到保障。
(4)本發明之一實施例中，被動式Wi-Fi裝置之智慧天線具有特殊波束追蹤機制，因此具有更高的效率且更低的能耗，故可以大幅改善傳統延遲疊加法(Delay-and-Sum Method)效率不佳且能耗過高的問題。
(5)本發明之一實施例中，被動式Wi-Fi裝置整合了具有特殊波束追蹤機制的智慧天線，因此可以有效地提升被動式Wi-Fi裝置之訊噪比(Signal-to-Noise Ratio)。
(6)本發明之一實施例中，被動式Wi-Fi裝置整合了具有特殊波束追蹤機制的智慧天線，因此可以在通訊系統中實現情境感知(Context-aware)服務，應用上更為廣泛。
1‧‧‧傳統之被動式Wi-Fi裝置
2‧‧‧被動式Wi-Fi裝置
11、21‧‧‧頻率合成器
12、22‧‧‧基頻處理器
13、23‧‧‧背向散射調變器
14‧‧‧天線
24‧‧‧智慧天線
241‧‧‧控制器
242a、242b、242c‧‧‧天線單元
243a、243b、243c‧‧‧加權函數計算器
θ1、θ2、θ3‧‧‧輸入值
S51~S56‧‧‧步驟流程
第1圖 係為習知技藝之被動式Wi-Fi裝置1之方塊圖。
第2圖 係為本發明之被動式Wi-Fi裝置之第一實施例之方塊圖。
第3圖 係為傳統延遲疊加法之功率頻譜圖。
第4圖 係為本發明之被動式Wi-Fi裝置之第一實施例之功率頻譜圖。
第5圖 係為本發明之第一實施例之流程圖。
第6圖，其係為本發明之被動式Wi-Fi裝置之第二實施例之方塊圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之應用於被動式Wi-Fi裝置的智慧天線及其控制方法之實施例，為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋。為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第2圖，其係為本發明之被動式Wi-Fi裝置之第一實施例之方塊圖。如圖所示，被動式Wi-Fi裝置2可包含頻率合成器(Frequency synthesizer)21、基頻處理器(Baseband processor)22、背向散射調變器(Backscatter modulator)23及智慧天線24。
頻率合成器21與基頻處理器22及背向散射調變器23連接。
基頻處理器22與背向散射調變器23連接。
背向散射調變器23與智慧天線24連接。
背向散射調變器23可將輸入資料傳送至智慧天線24，而當智慧天線24接收到另一電子裝置之訊號時，智慧天線24可吸收由電子裝置接收到的訊號做為電力來源，並可同時將輸入資料傳送至電子裝置。
智慧天線24可包含控制器241、複數個天線單元242a及242b及複數個加權函數計算器243a及243b。
天線單元242a可根據由一電子裝置傳送而來的輸入訊號產生輸入值θ1，而天線單元242b可根據由此電子裝置傳送而來的輸入訊號產生輸入值θ2；在本實施例中，天線單元的數量可為二個；在另一實施例中，天線單元的數量可為二個可包含二個以上。
該些加權函數計算器243a及243b可分別對應於該些天線單元242a及242b。
控制器241可分別透過該些加權函數計算器243a及243b與該些天線單元242a及242b連接。
控制器241可根據該些天線單元242a及242b之輸入值θ1及θ2獲得特徵向量，並可根據特徵向量及以一第一角度間隔N掃描一角度區間；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，控制器241則可將第一角度間隔N乘以一倍數M以產生第二角度間隔K，如下式(1)所示：N×M=K............................................................................(1)
其中，N表示第一角度間隔，其可包含複數個角度單元；在本實施例中，一個角度單元為1°；M表示倍數；K表示第二角度間隔。
在本實施例中，由於該些天線單元242a及242b的數量小於或等於2時，第二角度間隔K需小於或等於50°，如下式(2)所示：K≦50°..............................................................................(2)
然後，控制器241可以第二角度間隔K繼續掃描此角度區間；當控制器241完成角度區間的掃描或任二個掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，控制器241可產生功率頻譜；接著，控制器241可由功率頻譜中選擇功率最大的二個掃描點，並可計算功率最大的二個掃描點對應的角度之平均值以產生估測角度；最後，控制器241可根據估測角度透過該些加權函數計算器改變些天線單元242a及242b之權重以調整該些天線單元242a及242b之波束場形(Beam pattern)；如此，智慧天線24可以更為有效地接收由此電子裝置傳送而來的輸入訊號。
請參閱第3圖，其係為傳統延遲疊加法(Delay-and-Sum Method)之功率頻譜圖。如圖所示，若利用傳統延遲疊加法來掃描一角度區間(-100°~100°)， 則需要對此角度區間的每一個角度單元(1°)進行掃描，以獲得功率頻譜，再選擇功率頻譜之峰值做為估測角度，再根據此峰值對應的角度來調整天線的波束場形；因此，傳統延遲疊加法極度缺乏效率且能耗過高。
請參閱第4圖，其係為本發明之被動式Wi-Fi裝置之第一實施例之功率頻譜圖。如圖所示，被動式Wi-Fi裝置2之智慧天線24改良了傳統延遲疊加法，智慧天線24可利用包含20個角度單元第一角度間隔N掃描此角度區間，並可透過上述機制產生功率頻譜，即可快速產生估測角度以調整智慧天線24之波束場形；透過上述機制，智慧天線24可在不降低精確度的前提下大幅地減少掃描時間，因此也可同時降低能耗，確實改進了傳統延遲疊加法之缺點。
由上述可知，本實施例之被動式Wi-Fi裝置可包含智慧天線，其波束場型可向特定的方向集中以追蹤一個或多個目標，因此可以更有效地追蹤接收到由其它電子裝置傳送而來的訊號，或傳送訊號至其它電子裝置，且可大幅提升被動式Wi-Fi裝置之無線電覆蓋率(Radio coverage)。
另外，本實施例之被動式Wi-Fi裝置之智慧天線具有特殊波束追蹤機制，因此具有更高的效率且更低的能耗，故可以大幅改善延遲疊加法效率不佳且能耗過高的問題。
請參閱第5圖，其係為本發明之被動式Wi-Fi裝置之第一實施例之流程圖。如圖所示，本實施例之被動式Wi-Fi裝置之控制方法可包含下列步驟：
步驟S51，由複數個天線單元接收由一電子裝置傳送一輸入訊號以分別產生一輸入值。
步驟S52，根據該些天線單元之輸入值產生一特徵向量。
步驟S53，根據該些天線單元之特徵向量及一起始角度以一第一角度間隔掃描一角度區間
步驟S54，若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，將第一角度間隔乘以一倍數以產生第二角度間隔，並以第二角度間隔繼續掃描此角度區間。
步驟S55，當完成此角度區間的掃描或任二個掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，產生功率頻譜。
步驟S56，由功率頻譜中選擇功率最大的二個掃描點，並計算功率最大的二個掃描點對應的角度之平均值以產生估測角度。
步驟S57：根據估測角度透過對應於該些天線單元的加權函數計算器改變該些天線單元之權重以調整該些天線單元之波束場形。
值得一提的是，習知技藝之被動式Wi-Fi裝置無法針對將其波束場形向特定的方向集中，因此無法有效地接收到由另一電子裝置傳送而來的訊號，或傳送訊號至另一電子裝置。也導致被動式Wi-Fi裝置1之無線電覆蓋率始終無法有效地提升。且造成被動式Wi-Fi裝置1傳送之資料容易外洩，無法保障使用者的資料安全。相反的，根據本發明之實施例，被動式Wi-Fi裝置之智慧天線之波束場形可向特定的方向集中以追蹤一個或多個目標，因此可以更有效地追蹤接收到由其它電子裝置傳送而來的訊號，或傳送訊號至其它電子裝置；此外，此智慧天線不但可以使被動式Wi-Fi裝置之無線電覆蓋率大幅提升，且可防止資料外洩，因此使用者的資料安全更能夠得到保障。
此外，習知技藝之智慧天線通常採用延遲疊加法(Delay-and-Sum Method)來追蹤目標；然而，延遲疊加法而要對一個角度區間的每一個角度單元進行掃描，以獲得功率頻譜，再選擇功率頻譜之峰值，再根據此峰值對應的角度來調整天線的波束場形，因此極度缺乏效率且能耗過高。相反的，根據本發明之實施例，被動式Wi-Fi裝置之智慧天線具有特殊的追蹤機 制，因此具有更高的效率且更低的能耗，故可以大幅改善延遲疊加法效率不佳且能耗過高的問題。
另外，根據本發明之實施例，被動式Wi-Fi裝置整合了具有特殊波束追蹤機制的智慧天線，因此可以有效地提升被動式Wi-Fi裝置之訊噪比(Signal-to-Noise Ratio)。
再者，根據本發明之實施例，被動式Wi-Fi裝置整合了具有特殊波束追蹤機制的智慧天線，因此可以在通訊系統中實現情境感知(Context-aware)服務，應用上更為廣泛。由上述可知，本發明實具進步性之專利要件。
請參閱第6圖，其係為本發明之被動式Wi-Fi裝置之第二實施例之方塊圖。如圖所示，被動式Wi-Fi裝置2可包含頻率合成器21、基頻處理器22、背向散射調變器23及智慧天線24。
頻率合成器21與基頻處理器22及背向散射調變器23連接。
基頻處理器22與背向散射調變器23連接。
背向散射調變器23與智慧天線24連接。
背向散射調變器23可將輸入資料傳送至智慧天線24，而當智慧天線24接收到另一電子裝置之訊號時，智慧天線24可吸收由電子裝置接收到的訊號做為電力來源，並可同時將輸入資料傳送至電子裝置。
與前述實施例不同的是，在本實施例中，智慧天線24可包含控制器241、複數個天線單元242a、242b及242c及複數個加權函數計算器243a、243b及243c。
天線單元242a可根據由一電子裝置傳送而來的輸入訊號產生輸入值θ1，天線單元242b可根據由此電子裝置傳送而來的輸入訊號產生輸入值θ2，而天線單元242c可根據由此電子裝置傳送而來的輸入訊號產生輸入值θ3；在本實施例中，天線單元的數量可為三個。
該些加權函數計算器243a、243b、243c可分別對應於該些天線單元242a、242b及242c。
控制器241可分別透過該些加權函數計算器243a、243b及243c與該些天線單元242a、242b及242c連接。
控制器241可根據該些天線單元242a、242b及242c之輸入值θ1、θ2及θ3獲得特徵向量，並可根據特徵向量及以一第一角度間隔N掃描一角度區間；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，控制器241則可將第一角度間隔N乘以一倍數M以產生第二角度間隔K，如上式(1)所示：在本實施例中，由於該些天線單元242a、242b及242c的數量大於或等於3時，第二角度間隔K需小於或等於50°，如下式(3)所示：K≦20°.............................................................................(3)
同樣的，控制器241可以第二角度間隔K繼續掃描此角度區間；當控制器241完成角度區間的掃描或任二個掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，控制器241可產生功率頻譜；接著，控制器241可由功率頻譜中選擇功率最大的二個掃描點，並可計算功率最大的二個掃描點對應的角度之平均值以產生估測角度；最後，控制器241可根據估測角度透過該些加權函數計算器改變些天線單元242a及242b之權重以調整該些天線單元242a及242b之波束場形；如此，智慧天線24可以更為有效地接收由此電子裝置傳送而來的輸入訊號。
由上述可知，若被動式Wi-Fi裝置2之智慧天線24包含三個以上的天線單元，被動式Wi-Fi裝置2仍可採用上述的控制方法以提供被動式Wi-Fi裝置2之智慧天線24之效能。
可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利 之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (8)

  1. 一種智慧天線，係包含：複數個天線單元；以及一控制器，係與該些天線單元連接；其中，該控制器根據該些天線單元之一特徵向量及一起始角度以包含複數個角度單元之一第一角度間隔掃描一角度區間，該特徵向量由該些天線之輸入值獲得；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，該控制器則將該第一角度間隔乘以一倍數以產生一第二角度間隔，並以該第二角度間隔繼續掃描該角度區間；當該控制器完成該角度區間的掃描或任二個該掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，該控制器產生一功率頻譜；其中，當該些天線單元的數量小於或等於2時，該第二角度間隔小於或等於50°；當該些天線單元的數量大於或等於3時，該第二角度間隔小於或等於20°。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之智慧天線，其中該控制器係由該功率頻譜中選擇功率最大的二個該掃描點，並計算功率最大的二個該掃描點對應的角度之平均值以產生一估測角度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之智慧天線，更包含複數個加權函數計算器，係對應於該些天線單元，該控制器分別透過該些加權函數計算器與該些天線單元連接。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之智慧天線，其中該控制器係根據該估測角度透過該些加權函數計算器改變該些天線單元之權重以調整該些天線單元之波束場形。
  5. 一種應用於智慧天線之控制方法，特別是關於天線之波束追蹤方法，係包含下列步驟：由複數個天線單元之輸入值產生一特徵向量；根據該些天線單元之該特徵向量及一起始角度以一第一角度間隔掃描一角度區間，該第一角度間隔係包含複數個角度單元；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，將該第一角度間隔乘以一倍數以產生一第二角度間隔，並以該第二角度間隔繼續掃描該角度區間，當該些天線單元的數量小於或等於2時，該第二角度間隔小於或等於50°，而當該些天線單元的數量大於或等於3時，該第二角度間隔小於或等於20°；以及當完成該角度區間的掃描或任二個該掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，產生一功率頻譜。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之應用於智慧天線之控制方法，更包含下列步驟：由該功率頻譜中選擇功率最大的二個該掃描點，並計算功率最大的二個該掃描點對應的角度之平均值以產生一估測角度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之應用於智慧天線之控制方法，更包含下列步驟：根據該估測角度透過該些加權函數計算器改變該些天線單元之權重以調整該些天線單元之波束場形。
  8. 一種應用於被動式Wi-Fi裝置的智慧天線，該被動式Wi-Fi裝置係包含一背向散射調變器，該背向散射調變器係與該智慧天線連接，並輸入一輸入資料至該智慧天線，該智慧天線包含：複數個天線單元；以及一控制器，係與該些天線單元連接；其中，該控制器根據該些天線單元之一特徵向量及一起始角度以包含複數個角度單元之一第一角度間隔掃描一角度區間，該特徵向量由該些天線之輸入值獲得；若任二個掃描點之間的功率呈現下降趨勢，該控制器則將該第一角度間隔乘以一倍數以產生一第二角度間隔，並以該第二角度間隔繼續掃描該角度區間；當該控制器完成該角度區間的掃描或任二個該掃描點之間的功率呈現上升趨勢時，該控制器產生一功率頻譜；其中，當該些天線單元的數量小於或等於2時，該第二角度間隔小於或等於50°；當該些天線單元的數量大於或等於3時，該第二角度間隔小於或等於20°。
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