TWI741628B - 用於室內定位的電子裝置及方法 - Google Patents

用於室內定位的電子裝置及方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI741628B
TWI741628B TW109118235A TW109118235A TWI741628B TW I741628 B TWI741628 B TW I741628B TW 109118235 A TW109118235 A TW 109118235A TW 109118235 A TW109118235 A TW 109118235A TW I741628 B TWI741628 B TW I741628B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
antenna
arrival
processor
groups
receiving
Prior art date
Application number
TW109118235A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202147696A (zh
Inventor
曾晟揚
高柏山
曹嘉揚
張晏誠
Original Assignee
廣達電腦股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 廣達電腦股份有限公司 filed Critical 廣達電腦股份有限公司
Priority to TW109118235A priority Critical patent/TWI741628B/zh
Priority to CN202010581789.XA priority patent/CN113759312A/zh
Priority to US17/014,424 priority patent/US20210376891A1/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI741628B publication Critical patent/TWI741628B/zh
Publication of TW202147696A publication Critical patent/TW202147696A/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/04—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G01C21/206—Instruments for performing navigational calculations specially adapted for indoor navigation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2605—Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming

Abstract

一種用於室內定位的電子裝置，包括一陣列天線及一處理器。該陣列天線包括複數天線單元，用以接收一使用者裝置所發射的一無線訊號，並且每一該等天線單元接收該無線訊號的一接收參數。該處理器用以執行：將該等天線單元分成複數群；將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，生成一接收參數矩陣；以及依據該接收參數矩陣，計算從該使用者裝置至每一該等群天線單元的複數到達角。

Description

用於室內定位的電子裝置及方法
本發明係有關於一電子裝置，特別係有關於用於室內定位的電子裝置及方法。
隨著低功耗藍芽(Bluetooth Low Energy：BLE)標準的演進與普及，針對定位的相關應用也已經有許多系統服務被開發出來。就定位精準度而論，由於藍芽射頻訊號的特性，傳統使用接收訊號強度(RSSI)來實現的定位誤差可達數公尺，而最新藍芽標準5.1所新增的尋向(direction finding)功能，僅定義了訊號到達角(angle of arrival)的標準框架，如封包格式以及射頻天線的取樣模式，其訊號到達角的軟硬體實現以及角度估算演算法則沒有一定的標準。
欲做到訊號到達角方向(direction-of-arrival)估測，多重訊號分類方法(Multiple Signals Classification： Method：MUSIC)為最典型及具有最高解析度的演算法，其藉著分析訊號空間特徵的差異，分離出訊號子空間與雜訊子空間，並且依據上述兩個子空間的正交性，以求得訊號到達角方向。然而，上述方法必須在條件滿足下才能得到出色的估測結果，例如足夠的天線數量、良好的訊噪比(SNR)、足夠的天線取樣數量、訊號源彼此不相關等，此外運算量較大也是傳統MUSIC演算法的缺點，因而在需要即時運算的定位應用上造成效率瓶頸。
依據本發明實施例之用於室內定位的一電子裝置，該電子裝置包括一天線陣列及一處理器。該天線陣列包括複數天線單元，用以接收一使用者裝置(UE)所發射的一無線訊號，並且每一該等天線單元可獲得所接收該無線訊號的一接收參數。該處理器用以執行：將該等天線單元分成複數群；將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，而生成一接收參數矩陣；依據該接收參數矩陣，計算從該使用者裝置至每一該等群天線單元的複數到達角(angle of arrival：AOA)。
依據本發明實施例之室內定位的方法，適用於具有一天線陣列的一電子裝置，該天線陣列包括複數天線單元，該方法包括：接收一使用者裝置(UE)所發射的一無線訊號，並且每一該等天線單元可獲得所接收該無線訊號的一接收參數；將該等天線單元分成複數群；將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，而生成一接收參數矩陣；依據該接收參數矩陣，計算從該使用者裝置至每一該等群天線單元的複數到達角。
本發明係參照所附圖式進行描述，其中遍及圖式上的相同參考數字標示了相似或相同的元件。上述圖式並沒有依照實際比例大小描繪，其僅僅提供對本發明的說明。一些發明的型態描述於下方作為圖解示範應用的參考。這意味著許多特殊的細節，關係及方法被闡述來對這個發明提供完整的了解。無論如何，擁有相關領域通常知識的人將認識到若沒有一個或更多的特殊細節或用其他方法，此發明仍然可以被實現。以其他例子來說，眾所皆知的結構或操作並沒有詳細列出以避免對這發明的混淆。本發明並沒有被闡述的行為或事件順序所侷限，如有些行為可能發生在不同的順序亦或同時發生在其他行為或事件之下。此外，並非所有闡述的行為或事件都需要被執行在與現有發明相同的方法之中。
第1圖為本發明實施例之室內定位系統的示意圖。如第1圖所示，室內定位系統100包括複數室內定位器102-1、…、102-n、複數室內定位標籤104-1、104-2、…、104-m、以及一定位引擎106。在一些實施例中，室內定位器102-1、…、102-n可設置於室內的不同位置(例如設置於走廊、走道轉角、樓梯、或房間內)，每一室內定位器具有一陣列天線，用以接收由定位標籤104-1、104-2、…、104-m所發射出的無線訊號。室內定位器102-1、…、102-n依據所接收無線訊號的接收強度及接收相位，計算出每一室內定位標籤104-1、104-2、…、104-m的到達角，並且將到達角的資訊傳送予一定位引擎106。定位引擎系統106依據所接收到達角資訊，計算並判斷每一室內定位標籤104-1、104-2、…、104-m的位置。在一些實施例中，上述到達角為二維訊號到達角(DoA)，亦即包括仰角及方位角。
在一些實施例中，室內定位標籤104-1、104-2、…、104-m可設置在使用者裝置上，例如可內建於使用者所配戴的智慧行動裝置上、或身分辨識的卡片中。室內定位標籤104-1、104-2、…、104-m跟隨著使用者的移動，持續週期性地發射無線訊號予設置於不同位置的室內定位器102-1、…、102-n。每一室內定位標籤104-1、104-2、…、104-m，以室內定位標籤104-2為例，具有一無線訊號發射器108及一感應器110。在一些實施例中，無線訊號發射器108係用以週期性地發射藍芽信標(beacon)。感應器110為一多軸慣性測量單元模組(Inertial measurement unit：IMU)。當無線訊號發射器108發出一個藍芽信標時，會連同當下感應器110的資料(其可計算出室內定位標籤104-2的移動狀態或速度方向，或稱狀態資料)傳送到室內定位器102-1，並且由室內定位器102-1的該陣列天線所接收。
第2圖為為本發明實施例之室內定位器的示意圖。如第2圖所示，室內定位器102-1包括一陣列天線200、一處理器202、一多重訊號分類模組202，以及一統計濾波器204。陣列天線200用以接收第1圖的室內定位標籤104-1、…、104-m所發射出的一無線訊號。在一些實施例中，該無線訊號為一藍芽訊號(或藍芽信標)。該藍芽信標中載有室內定位標籤104-1、…、104-m的一狀態資料。處理器202依狀態資料判斷室內定位標籤104-1、…、104-m為靜止或移動的狀態。處理器202將陣列天線200內的複數天線單元分成複數群，並且依據室內定位標籤104-1、…、104-m的狀態，將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，進而生成一接收參數矩陣。接著，處理器202將該接收參數矩陣輸入或傳送於多重訊號分類模組204中，用以計算從室內定位標籤104-1、…、104-m至每一該等群天線單元的複數到達角(angle of arrival：AOA)。最後，處理器202將多重訊號分類模組204所算出的該等到達角輸入於一統計濾波器206，用以將受多路徑干擾的該等到達角刪除。
第3圖為本發明實施例之室內定位器的一陣列天線示意圖。如第3圖所示，陣列天線200係設置在第1圖的室內定位器102-1、…、102-n的每一者。陣列天線200包括複數天線單元，例如為天線單元A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9，但本發明不限於此。天線單元A1-A9的每一者分別具有2個極化方向，例如為一極化方向A及一極化方向B。室內定位器102-1、…、102-n的每一者可依據設定(例如依據其軟體的編程)，切換天線單元A1-A9的極化方向。舉例來說，室內定位器102-1、…、102-n的每一者可於一第一時間將天線單元A1-A9切換為極化方向A，於該第一時間後的一第二時間將天線單元A1-A9切換為極化方向B，並於該第二時間後的一第三時間將其切換回極化方向A，用以得到增加所接收無線訊號的資料(例如接收強度及接收相位)的資料量，以提供做為後續運用多重訊號分類(MUSIC)模組204進行每一天線單元到達角估算的輸入資料。
在一些實施例中，第1圖的室內定位器102-1、…、102-n的每一者則透過開關，在規範時間內循序對其天線單元A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9做射頻IQ取樣(sampling)。
第4圖為本發明實施例之第3圖的陣列天線200的取樣示意圖。如同時參考第1-4圖，舉例來說，於第一時段時，室內定位器102-1的處理器202導通連接於天線單元A1的開關，使得藍芽信標可透過天線單元A1被室內定位器102-1的處理器所取樣、解碼，而得到天線單元A1的接收參數(接收強度及接收相位)以及室內定位標籤104-2的狀態資料。同理，於第二時段時，室內定位器102-1導通連接於天線單元A2的開關，使得藍芽信標可透過天線單元A2被室內定位器102-1的處理器所取樣、解碼，而得到天線單元A2的接收參數以及室內定位標籤104-2的狀態資料。之後，室內定位器102-1依序導通連接於天線單元A3-A9的開關，用以得到天線單元A3-A9的接收參數及室內定位標籤104-2的狀態資料。
如第4圖所示，於一具體實施例中，天線單元A1-A9的每一者所能取樣所接收藍芽信標的持續時間(亦即室內定位器102-1分別導通連接於天線單元A1-A9的開關的時間)分別為12us，並且每2us取得8筆取樣資料。每1筆取樣資料包括接收該藍芽信標時的接收強度及接收相位。換句話說，從第4圖來看，取樣天線單元400的這一列中包括天線單元A1-A9，亦即室內定位器102-1依時序對天線單元A1-A9所接收的藍芽信標進行取樣。取樣資料數402的這一列表示室內定位器102-1對每一天線單元A1-A9所接收的藍芽信標的取樣資料數各為48筆。取樣時間404這一列表示室內定位器102-1對每一天線單元A1-A9所接收的藍芽信標的取樣時間各為12us。由取樣資料數402及取樣時間404可得知，室內定位器102-1的處理器係每2us對每一天線單元A1-A9所接收的藍芽信標進行8次的取樣。由於天線單元間切換的硬體因素，每一天線單元A1-A9所分配到的取樣時間槽(time slot)的最後2us的IQ取樣資料會因為開關切換造成干擾而影響軟體演算結果，因此本發明僅採用前面10us的取樣資料，因此每個天線單元在單一藍芽信標所能夠取得的IQ取樣資料的數量有系統上的限制(例如，第3圖中僅有8*5=40筆取樣資料)。本發明提出用於室內定位的電子裝置及方法係增加在單一藍芽信標或複數藍芽信標中所能取得的IQ取樣資料的數量，以增加多重訊號分類(MUSIC)模組204所估算每一天線單元所接收無線訊號的到達角的精準度。
需特別說明的是，原始IQ取樣資料係複數平面上之座標，包含一實數I以及一複數Q，而原始IQ取樣資料需經過轉換，而可計算出強度與相位訊號。
在一些實施例中，多重訊號分類(MUSIC)模組204之功能可由處理器202執行一多重訊號分類演算法而實現。多重訊號分類模組204係將天線單元A1-A9接收藍芽信標時的接收參數(包括接收強度及接收相位)分群後，以矩陣型態做為其輸入，依據分群所輸入的接收參數，對應地輸出對應於天線單元A1-A9分群的到達角。在一些實施例中，多重訊號分類模組204可由另一系統單晶片的處理器執行而得，本發明不限於此。一般來說，多重訊號分類演算法係透過分析接收參數矩陣內隨著空間特徵變化的無線訊號的接收強度及該接收相位的差異，用以分離出一訊號子空間及一雜訊子空間，並且依據訊號子空間及雜訊子空間之間的正交性，用以計算使用者裝置至每一該等群天線單元的等到達角。
一般來說，多重訊號分類演算法係應用在軍用的大型陣列雷達，用以處理數萬至數十萬筆的輸入資料，並且依據輸入資料計算出其雷達所偵測到一物件的位置。換句話說，當輸入於多重訊號分類演算法的資料量愈多，則多重訊號分類演算法所計算出的到達角(仰角+方位角)會愈準確。因此，本發明係設法增加單一藍芽信標中的取樣資料量。
在一些實施例中，同時參考第1-3圖，室內定位標籤104-2將有關於其運動狀態(例如停止或移動)的狀態資料載入於一藍芽信標中，並週期性地將藍芽信標發射出去。在室內定位器102-1的天線陣列200接收到室內定位標籤104-2所發射出的該藍芽信標之後，室內定位器102-1內的處理器202首先依據該藍芽信標中的狀態資料，判斷室內定位標籤104-2所在的使用者裝置是為停止狀態或移動狀態。接著，室內定位器102-1的處理器202對陣列天線200的天線單元A1-A9進行分群，在一些實施例中，依據天線單元的行列進行分群，例如依據行(X軸)，將天線單元A1、A2、A3分為第一群、將天線單元A4、A5、A6分為第二群、將天線單元A7、A8、A9分為第三群；依據列(Y軸)，將天線單元A1、A4、A7分為第四群、將天線單元A2、A5、A8分為第五群，以及將天線單元A3、A6、A9分為第六群，但本發明並不限定分群的方式。
當室內定位器102-1判斷該使用者裝置為移動狀態時，則室內定位器102-1依據每一群所包括天線單元所接收該藍芽信標的IQ取樣資料(其可轉換為接收強度及接收相位)產生一接收參數矩陣。例如，室內定位器102-1的該處理器將該第一群內的天線單元A1、A2、A3所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料(其可轉換成藍芽信標的接收強度及接收相位之資訊)進行組合，而生成一接收參數矩陣(1)，如下。
Figure 02_image001
其中，
Figure 02_image003
表示由天線單元A1所接收藍芽信標的第1筆IQ取樣資料，
Figure 02_image005
表示由天線單元A2所接收藍芽信標的第2筆IQ取樣資料，以及
Figure 02_image007
表示由天線單元A3所接收藍芽信標的第40筆IQ取樣資料。
同理，室內定位器102-1的該處理器將該第二群內的天線單元A4、A5、A6所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(2)，如下。
Figure 02_image009
室內定位器102-1的該處理器將該第三群內的天線單元A7、A8、A9所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(3)，如下。
Figure 02_image011
室內定位器102-1的該處理器將該第四群內的天線單元A1、A4、A7所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(4)，如下。
Figure 02_image013
室內定位器102-1的該處理器將該第五群內的天線單元A2、A5、A8所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(5)，如下。
Figure 02_image015
室內定位器102-1的該處理器將該第六群內的天線單元A3、A6、A9所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(6)，如下。
Figure 02_image017
接著，室內定位器102-1的該處理器將對應於每一群的上述接收參數矩陣(1)-(6)輸入於該多重訊號分類(MUSIC)模組204，用以計算出從該使用者裝置(亦即室內定位標籤104-2)至每一群的複數到達角，例如可計算出對應於該第一群(天線單元A1、A2、A3)的到達角
Figure 02_image019
、對應於該第二群(天線單元A4、A5、A6)的到達角
Figure 02_image021
、對應於該第三群(天線單元A7、A8、A9)的到達角
Figure 02_image023
、對應於該第四群(天線單元A1、A4、A7)的到達角
Figure 02_image025
、對應於該第五群(天線單元A2、A5、A8)的到達角
Figure 02_image027
，以及對應於該第六群(天線單元A3、A6、A9)的到達角
Figure 02_image029
。室內定位器102-1之後對應列(X軸)之到達角
Figure 02_image019
-
Figure 02_image023
輸入至一統計濾波器中，以及將對應行(Y軸)之到達角
Figure 02_image025
-
Figure 02_image029
輸入至該統計濾波器中，藉以刪除受多路徑干擾(multipath interference)的到達角。
室內定位器102-1係將到達角
Figure 02_image019
-
Figure 02_image029
輸入至該統計濾波器中，用以刪除受多路徑干擾(multipath interference)的到達角。
在一些實施例中，當室內定位器102-1判斷該使用者裝置為移動狀態時，為了增加每一群的天線單元所接收該藍芽信標的IQ取樣資料的數量，室內定位器102-1可對2個藍芽信標進行取樣，並且將每一群的天線單元所接收IQ取樣資料進行組合，而生成另一接收參數矩陣。例如，室內定位器102-1的該處理器將該第一群內的天線單元A1、A2、A3所接收的2個藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(7)，如下。
Figure 02_image031
其中，
Figure 02_image033
表示由天線單元A1所接收的第39筆IQ取樣資料，
Figure 02_image035
表示由天線單元A2所接收的第41筆IQ取樣資料，以及
Figure 02_image037
表示由天線單元A3所接收的第80筆IQ取樣資料。換句話說，透過天線單元A1-A9，室內定位器102-1的處理器可在每1藍芽信標中取樣40筆取樣資料。
接收參數矩陣(1)為3*40的矩陣，接收參數矩陣(7)為3*80的矩陣。換句話說，當室內定位器102-1判斷該使用者裝置為移動狀態時，室內定位器102-1會將複數藍芽信標內所接收到的IQ取樣資料進行組合，而得到一更大的接收參數矩陣。舉例來說，若室內定位器102-1將3個藍芽信標內所接收到的IQ取樣資料進行組合，則可得到3*120的接收參數矩陣。
同理，室內定位器102-1的該處理器將該第二群內的天線單元A4、A5、A6所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(8)，如下。
Figure 02_image039
室內定位器102-1的該處理器將該第三群內的天線單元A7、A8、A9所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(9)，如下。
Figure 02_image041
室內定位器102-1的該處理器將該第四群內的天線單元A1、A4、A7所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(10)，如下。
Figure 02_image043
室內定位器102-1的該處理器將該第五群內的天線單元A2、A5、A8所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(11)，如下。
Figure 02_image045
室內定位器102-1的該處理器將該第六群內的天線單元A3、A6、A9所接收的該藍芽信標的IQ取樣資料進行組合，而生成一接收參數矩陣(12)，如下。
Figure 02_image047
接著，室內定位器102-1的該處理器將對應於每一群的上述接收參數矩陣(7)-(12)輸入於該多重訊號分類(MUSIC)模組204，用以計算出從該使用者裝置(亦即室內定位標籤104-2)至每一群的複數到達角，例如可計算出對應於該第一群(天線單元A1、A2、A3)的到達角
Figure 02_image049
、對應於該第二群(天線單元A4、A5、A6)的到達角
Figure 02_image051
、對應於該第三群(天線單元A7、A8、A9)的到達角
Figure 02_image053
、對應於該第四群(天線單元A1、A4、A7)的到達角
Figure 02_image055
、對應於該第五群(天線單元A2、A5、A8)的到達角
Figure 02_image057
，以及對應於該第六群(天線單元A3、A6、A9)的到達角
Figure 02_image059
。室內定位器102-1的處理器202之後係分別將對應列(X軸)之到達角
Figure 02_image049
-
Figure 02_image053
，以及對應行(Y軸)之到達角
Figure 02_image055
-
Figure 02_image059
分別輸入至統計濾波器206中，用以將刪除受多路徑干擾的到達角。
上述接收參數矩陣(1)-(12)僅為例示，不做為本發明的限制。
第5圖為本發明實施例之統計濾波器對複數到達角進行過濾的示意圖。於一具體實施例中，統計濾波器為修整平均濾波器(Trim-mean filter)。首先，統計濾波器500將所有到達角
Figure 02_image019
-
Figure 02_image059
由小到大進行排序，接著將頭尾排名一定比例的到達角刪除，例如將最小排名的前10%以及最大排名的前10%刪除。最後，將剩餘的到達角取平均。藉以濾除受多路徑干擾的到達角。
舉例而言，如第5圖所示，統計濾波器500於時間點t1對到達角
Figure 02_image019
-
Figure 02_image059
進行排序，例如洽好是
Figure 02_image019
-
Figure 02_image059
。接著將排名依最小順序前10%以及排名最大前10%刪除，例如分別刪除排名最小之到達角
Figure 02_image019
以及排名最大之到達角
Figure 02_image059
。之後將剩餘的到達角
Figure 02_image021
-
Figure 02_image057
取算術平均數。由於每一時間點都會有新的來自該多重訊號分類(MUSIC)204模組所輸出的複數到達角輸入於統計濾波器500之中，因此統計濾波器500係以修整平均濾波的概念，將不符合規範的到達角刪除，用以濾除受多路徑干擾的到達角。
第1圖的定位引擎106的一處理器將經過濾後的到達角轉換為該使用者裝置的位置座標，而完成對該使用者裝置的定位動作。在一些實施例中，統計濾波器206可由室內定位器102-1的處理器202執行濾波演算法而實現。在一些實施例中，統計濾波器206、500可由另一系統單晶片的處理器執行而得，本發明不限於此。雖然在上述實施例中到達角
Figure 02_image019
-
Figure 02_image029
係分別由40筆的IQ取樣資料輸入於多重訊號分類模組204而得，並且到達角
Figure 02_image049
-
Figure 02_image059
為80筆的IQ取樣資料輸入於多重訊號分類模組204而得，但對於到達角是由幾筆IQ取樣資料輸入於多重訊號分類模組204所得到，本發明係不限定。
第6圖為本發明實施例之室內定位方法的示意圖。如第6圖所示，本發明揭露一種室內定位的方法，適用於具有一天線陣列的一電子裝置，該天線陣列包括複數天線單元，該方法包括：接收一使用者裝置(UE)所發射的一無線訊號，並且每一該等天線單元接收該無線訊號的一接收參數(步驟S600)；其中，該無線訊號包括該使用者裝置的一狀態資料；依據該狀態資料判斷該使用者裝置為靜止或移動的狀態；將該等天線單元分成複數群(步驟S602)；將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，而生成一接收參數矩陣(步驟S604)；根據該接收參數矩陣，計算從該使用者裝置至每一該等群天線單元的複數到達角(步驟S606)。
在一些實施例中，步驟S602係為選擇性(optional)之步驟。
在一些實施例中，第2圖的室內定位器102-1的處理器202係執行步驟S600、S602、S604及S606。在一些實施例中，第1圖的室內定位器102-1、…、102-n各別具有一儲存裝置，用以儲存執行步驟S600、S602、S604及S606的一程式碼，亦儲存一多重訊號分類模組204，以及一統計濾波器206。第1圖的定位引擎106的一處理器將執行步驟S606後所得到的複數到達角轉換為該使用者裝置的位置座標，而完成對該使用者裝置的定位動作。
本發明所揭露的用於室內定位的電子裝置及方法係以一多重訊號分類(MUSIC)演算法為基礎，並針對藍芽無線標準架構做改良優化，進而延伸設計開發出多重線性子天線陣列用以估測二維訊號到達角(DoA)，並透過前後統計濾波處理進行角度估測的優化，可做到高解析二維訊號到達角(DoA)估測技術，其所需天線設計、硬體複雜度、軟體運算資源需求，以及執行速度比起傳統的多重訊號分類演算法，其複雜度明顯降低且運算效率更快，此外亦能應對泯除多路徑效應所造成之測向干擾，能夠精準估測訊號到達角的正確角度。
本發明的藍芽高精度測向系統架構，經由實際之測試數據顯示，最佳之角度誤差(Root-Mean-Square Error：RMSE)可達一度以內，後端(即第1圖的定位引擎106)所能獲得的誤差為公分等級之定位誤差，可應用於需要高精準度之藍芽定位應用服務。
雖然本發明的實施例如上述所描述，我們應該明白上述所呈現的只是範例，而不是限制。依據本實施例上述示範實施例的許多改變是可以在沒有違反發明精神及範圍下被執行。因此，本發明的廣度及範圍不該被上述所描述的實施例所限制。更確切地說，本發明的範圍應該要以以下的申請專利範圍及其相等物來定義。儘管上述發明已被一或多個相關的執行來圖例說明及描繪，等效的變更及修改將被依據上述規格及附圖且熟悉這領域的其他人所想到。此外，儘管本發明的一特別特徵已被相關的多個執行之一所示範，上述特徵可能由一或多個其他特徵所結合，以致於可能有需求及有助於任何已知或特別的應用。
本說明書所使用的專業術語只是為了描述特別實施例的目的，並不打算用來作為本發明的限制。除非上下文有明確指出不同，如本處所使用的單數型，一、該及上述的意思係也包含複數型。再者，用詞「包括」，「包含」，「（具、備）有」，「設有」，或其變化型不是被用來作為詳細敘述，就是作為申請專利範圍。而上述用詞意思是包含，且在某種程度上意思是等同於用詞「包括」。除非有不同的定義，所有本文所使用的用詞(包含技術或科學用詞)是可以被屬於上述發明的技術中擁有一般技術的人士做一般地了解。我們應該更加了解到上述用詞，如被定義在眾所使用的字典內的用詞，在相關技術的上下文中應該被解釋為相同的意思。除非有明確地在本文中定義，上述用詞並不會被解釋成理想化或過度正式的意思。
100:室內定位系統 102-1,102-n:室內定位器 104-1,104-2,104-m:室內定位標籤 106:定位引擎 108:無線訊號發射器 110:感應器 200:陣列天線 202:處理器 204:多重訊號分類模組 206:統計濾波器 A1,A2,A3,A4,A5:天線單元 A6,A7,A8,A9:天線單元 A,B:極化方向 400:取樣天線單元 402:取樣資料數 404:取樣時間 500:統計濾波器
Figure 02_image019
,
Figure 02_image061
,
Figure 02_image063
,
Figure 02_image065
,
Figure 02_image067
,
Figure 02_image069
:到達角
Figure 02_image049
,
Figure 02_image071
,
Figure 02_image073
,
Figure 02_image075
,
Figure 02_image077
,
Figure 02_image079
:到達角
Figure 02_image081
,
Figure 02_image083
,
Figure 02_image085
,
Figure 02_image087
,
Figure 02_image089
,
Figure 02_image091
:到達角
Figure 02_image093
,
Figure 02_image095
,
Figure 02_image097
,
Figure 02_image099
,
Figure 02_image101
,
Figure 02_image103
:到達角 S600,S602,S604,S606:步驟
第1圖為本發明實施例之室內定位系統的示意圖。 第2圖為本發明實施例之室內定位器的示意圖。 第3圖為本發明實施例之室內定位器的一陣列天線示意圖。 第4圖為本發明實施例之第2圖的陣列天線200的取樣示意圖。 第5圖為本發明實施例之統計濾波器對複數到達角進行過濾的示意圖。 第6圖為本發明實施例之室內定位方法的示意圖。
S600,S602,S604,S606:步驟

Claims (10)

  1. 一種電子裝置，用於室內定位，包括：一陣列天線，包括複數天線單元，用以接收一使用者裝置(UE)所發射的一無線訊號，並且每一該等天線單元接收該無線訊號的一接收參數；一處理器，用以執行：將該等天線單元分成複數群；將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，而生成一接收參數矩陣；提供一多重訊號分類模組；以及根據該接收參數矩陣，計算從該使用者裝置至每一該等群天線單元的複數到達角(angle of arrival：AOA)。
  2. 如請求項1所述之電子裝置，其中，該處理器更執行：對該等到達角進行過濾，用以刪除受多路徑干擾(multipath interference)的到達角。
  3. 如請求項1所述之電子裝置，其中，該處理器係將該天線陣列中同一行的該等天線單元分為同一群，以及同時將同一列的該等天線單元分為同一群。
  4. 如請求項1所述之電子裝置，其中，該無線訊號載有該使用者裝置的一狀態資料；該處理器更執行：依據該狀態資料判斷該使用者裝置為靜止或移動的狀態。
  5. 如請求項4所述之電子裝置，其中，該處理器依據 使用者裝置為靜止或移動的狀態，將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，而生成該接收參數矩陣。
  6. 一種室內定位的方法，適用於具有一天線陣列及一處理器的一電子裝置，該天線陣列包括複數天線單元，該方法包括：接收一使用者裝置(UE)所發射的一無線訊號，並且每一該等天線單元接收該無線訊號的一接收參數；將該等天線單元分成複數群；將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，而生成一接收參數矩陣；以及根據該接收參數矩陣，計算從該使用者裝置至每一該等群天線單元的複數到達角。
  7. 如請求項6所述之方法，其中，將該等天線單元分成複數群包括將該天線陣列中同一行的該等天線單元分為同一群，以及同時將同一列的該等天線單元分為同一群。
  8. 如請求項6所述之方法，其中，該方法更包括：對該等到達角進行過濾，用以刪除受多路徑干擾的到達角。
  9. 如請求項6所述之方法，其中，該無線訊號載有該使用者裝置的一狀態資料；該方法更包括：依據該狀態資料判斷該使用者裝置為靜止或移動的狀態。
  10. 如請求項9所述之方法，其中，該方法更包括：依據使用者裝置為靜止或移動的狀態，將每一該等群所包括的該等天線單元的該接收參數進行組合，而生成該接收參數矩陣。
TW109118235A 2020-06-01 2020-06-01 用於室內定位的電子裝置及方法 TWI741628B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109118235A TWI741628B (zh) 2020-06-01 2020-06-01 用於室內定位的電子裝置及方法
CN202010581789.XA CN113759312A (zh) 2020-06-01 2020-06-23 用于室内定位的电子装置及方法
US17/014,424 US20210376891A1 (en) 2020-06-01 2020-09-08 Electronic device and method for indoor positioning

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109118235A TWI741628B (zh) 2020-06-01 2020-06-01 用於室內定位的電子裝置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI741628B true TWI741628B (zh) 2021-10-01
TW202147696A TW202147696A (zh) 2021-12-16

Family

ID=78705692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109118235A TWI741628B (zh) 2020-06-01 2020-06-01 用於室內定位的電子裝置及方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20210376891A1 (zh)
CN (1) CN113759312A (zh)
TW (1) TWI741628B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080191941A1 (en) * 2007-02-12 2008-08-14 Mobileaccess Networks Ltd. Indoor location determination
CN106664265A (zh) * 2014-07-17 2017-05-10 欧利景无线有限公司 无线定位系统
CN110290491A (zh) * 2019-05-17 2019-09-27 重庆邮电大学 一种基于多径辅助的室内目标定位方法
CN110658492A (zh) * 2019-10-10 2020-01-07 重庆邮电大学 一种室内目标与散射体位置优化的迭代方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201069880Y (zh) * 2007-06-11 2008-06-04 广达电脑股份有限公司 用以定位无线通信装置的定位系统
US8797213B2 (en) * 2009-09-30 2014-08-05 Broadcom Corporation Methods and systems for estimating angle of arrival
GB201401580D0 (en) * 2014-01-30 2014-03-19 Ucl Business Plc Apparatus and method for calibrating a wireless access point comprising an array of multiple antennas
CN109327249A (zh) * 2018-11-13 2019-02-12 钟祥博谦信息科技有限公司 Mimo系统中的到达角估计方法
US10976407B2 (en) * 2019-09-27 2021-04-13 Intel Corporation Locating radio transmission source by scene reconstruction

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080191941A1 (en) * 2007-02-12 2008-08-14 Mobileaccess Networks Ltd. Indoor location determination
CN106664265A (zh) * 2014-07-17 2017-05-10 欧利景无线有限公司 无线定位系统
CN110290491A (zh) * 2019-05-17 2019-09-27 重庆邮电大学 一种基于多径辅助的室内目标定位方法
CN110658492A (zh) * 2019-10-10 2020-01-07 重庆邮电大学 一种室内目标与散射体位置优化的迭代方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20210376891A1 (en) 2021-12-02
TW202147696A (zh) 2021-12-16
CN113759312A (zh) 2021-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ibrahim et al. CNN based indoor localization using RSS time-series
Shao et al. Indoor positioning based on fingerprint-image and deep learning
Wang et al. RSSI-based bluetooth indoor localization
Altintas et al. Improving RSS-based indoor positioning algorithm via k-means clustering
CN112073895A (zh) 一种基于csi高精度人员定位跟踪方法
US10145933B2 (en) Angle determining system and method
Ye et al. A method of indoor positioning by signal fitting and PDDA algorithm using BLE AOA device
US20210302528A1 (en) System and method for estimating the angle of arrival using antenna arrays
Cai et al. Ensemble learning particle swarm optimization for real-time UWB indoor localization
CN110888108B (zh) 一种基于rfid与相位校准的定位方法
CN106501768B (zh) 一种单站动中定位方法
CN111982121B (zh) 一种混合视距和非视距环境下的高精度定位方法
Dai et al. DeepAoANet: Learning angle of arrival from software defined radios with deep neural networks
Zhang et al. Tips: Transformer based indoor positioning system using both csi and doa of wifi signal
Paulino et al. Self-localization via circular bluetooth 5.1 antenna array receiver
TWI741628B (zh) 用於室內定位的電子裝置及方法
CN113391267A (zh) 一种基于atdoa算法的频谱检测系统定位方法
KR20190122423A (ko) 머신러닝 기반의 실내 측위 방법 및 시스템
US20210173038A1 (en) Apparatus, system and method of tracking a radio beacon
Li et al. Radar-based UAV swarm surveillance based on a two-stage wave path difference estimation method
Li et al. Multipath-assisted indoor localization: turning multipath signal from enemy to friend
Steffes et al. Fused Single Sensor Emitter Localization Using Time-Multiplex AOA and S 4 TDOA Measurements
CN114325581A (zh) 一种存在时钟同步误差的椭圆目标定位方法
Tian et al. SAPIL: single access point based indoor localisation using Wi‐Fi L‐shaped antenna array
Qin et al. A ML-based direct localization method for multiple sources with moving arrays