TWI795804B - 估算方位角的通訊裝置、用於通訊裝置的估算方法以及利用計算發射角來估算位置的通訊裝置 - Google Patents

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Abstract

一種估算方位角的通訊裝置，包含接收電路及估算電路。接收電路用於依序切換多個方位角以接收來自第一通訊裝置的第一發射電路以第一發射角度所傳輸的第一信號。估算電路，用於計算所述接收電路於所述多個方位角接收到所述第一信號的多個信號功率；確定所述多個信號功率中的最大信號功率，依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判發射角，以及依據所述預判發射角以及所述多個方位角中鄰近所述預判發射角的至少一個方位角，計算得到關聯所述第一信號的最終發射角。

Description

估算方位角的通訊裝置、用於通訊裝置的估算方法以及利用計算發射角來估算位置的通訊裝置
本發明涉及通信技術領域，尤其涉及一種入射角(AOA)／發射角(AOD)之方位角估算系統、方法、裝置、定位方法及存儲介質。
如今，毫米波(mm-Wave)無線通訊作為5G移動網路高速率資料傳輸需求的重要解決方案。利用毫米波的資料傳輸高速率，為整合多個網路鋪平了道路，例如多媒體、虛擬實境(VR)、增強現實(AR)、機器對機器(M2M)、物聯網(IoT)、汽車、智能城市等。
為了提供令人滿意的服務品質，需要頻繁的進行通道估計和波束成形，以補償巨大的傳播損失並在低延遲要求下即時訪問網路。
波束成形(BF)控制通過設置多個天線元件的輻射信號相位而形成的最佳波束方向，並根據最佳波束方向最大化傳輸速率。基於估計整個通道狀態資訊(CSI)的毫米波BF方案遭受高計算負荷和大開銷。需要在無線傳輸系統中的主設備和從設備之間建立並保持健壯的RF鏈路。
目前，在毫米波頻段的通信系統中，若能使收發雙方在通信開始時就可以根據自身位置資訊及基站提供的入射角及發射角與位置之間的對應關聯式資料庫確定彼此來波方向，如AOA(angle of arrival，入射角)或AOD(angle of departure，發射角)，則收發雙方的通信鏈路可以快速建立。然而，目前在基站涵蓋範圍內測量毫米波信號的入射角及發射角與位置之間對應關係的測量方法過於複雜，且測量裝置過於複雜沉重。
鑒於以上內容，有必要提供一種入射角(AOA)／發射角(AOD)方位角之估算系統、方法、裝置、定位方法及存儲介質，以簡化方位角測量的估算步驟，實現AOA／AOD方位角的快速測量。
本申請第一方面提供一種AOD方位角估算系統，包含：第一發射電路，用於以發射角度傳輸信號；第一接收電路，用於依序切換波束指向方位角以接收所述信號；及估算電路，用於：計算所述第一接收電路於所述多個波束指向方位角接收到所述信號的多個信號功率；確定所述多個信號功率中的最大信號功率，依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判AOD，以及依據所述預判AOD以及所述多個方位角中鄰近所述預判AOD的至少一個方位角接收訊號電平，比如最接近所述預判AOD左右相鄰的兩個方位角，並計算得到最終AOD。依據所述得到最終AOD的計算方法，估算電路依據第一發射電路之發射信號及第一接收電路之接收信號亦可計算得到最終AOA。
在一些實施例中，所述估算電路進一步用於：獲取所述預判AOD的左右兩個方位角所對應的接收信號電平，並依據如下公式將所述兩個鄰近方位角之接收信號電平計算為和信號與差信號(φ)：
Figure 110121778-A0305-02-0005-1
 其中，SA及SB分別為鄰近所述預判AOD的兩個鄰近方位角，所對應的接收信號電平，d是所述第一接收電路中兩個相鄰天線元件之間的元件間距，φ為最終AOD與最大信號功率所對應的方位角之間的偏離角度誤差值。
依據如下公式獲取偏離角度誤差值φ可以表示為：φ=k f ．tan -1(△(φ)/Σ(φ))其中，k f 為校正所得之斜率參數；依據偏離角度及最大信號功率對應的方位角計算最終AOD。
在一些實施例中，所述估算電路進一步用於：通過如下公式獲取校正所得之斜率參數：
Figure 110121778-A0305-02-0006-2
；其中，θ BW 為天線之半功率波束寬度並做為所述第一接收電路的相鄰兩個方位角的間距角度。
在一些實施例中，所述估算電路進一步用於：獲取所述接收電路的偏移校準值；依據所述偏移校準值調整所述最終AOD。在一些實施例中，所述AOD估算系統進一步包括一第二發射電路，用於以發射角度傳輸信號，或所述AOD估算系統進一步包括一第二接收電路，用於依序切換多個波束指向方位角，達成多方位角接收所述第一發射電路發送的信號，作為AOD方位角估測依據。
在一些實施例中，所述AOD估算系統進一步包括：時間電路，用於獲取所述信號的傳輸時間；定位電路，用於依據所述傳輸時間確定所述信號的傳輸距離，依據所述傳輸距離及所述最終AOD確定第一發射電路或所述第一接收電路的位置。
本申請第二方面提供能一種AOD估算方法，所述方法包括：依序切換多個波束指向方位角，達成以多個方位角接收信號，所述信號具有預設發射角度；計算依據所述多個方位角接收到所述信號對應的多個信號功率；確定所述多個信號功率中的最大信號功率；依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判AOD；依據該預判AOD以及所述多個方位角中該預判AOD的相鄰兩個方位角，計算得到最終AOD。
在一些實施例中，所述依據該預判AOD以及所述多個方位角中該預判AOD的左右相鄰兩個方位角，計算得 到最終AOD，具體包括：獲取所述預判AOD的相鄰兩個方位角的信號電平；依據如下公式獲取兩個所述信號電平的和信號與差信號：
Figure 110121778-A0305-02-0007-3
 其中SA及SB分別為該預判AOD的左右相鄰兩個方位角的信號電平，d是兩個相鄰天線元件之間的元件間距，φ為AOD與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度；依據如下公式獲取AOD與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度φ：φ=k f ．tan -1(△(φ)/Σ(φ))；其中，k f 為校正所得之斜率參數；依據偏離角度及最大信號功率對應的方位角計算最終AOD。
在一些實施例中，所述方法還包括：通過如下公式獲取校正所得之斜率參數：
Figure 110121778-A0305-02-0007-4
。其中，θ BW 為接收電路相鄰兩個方位角的間距角度。
在一些實施例中，所述方法還包括：獲取所述接收電路的偏移校準值；依據所述偏移校準值調整所述AOD。
本申請協力廠商面提供一種定位方法，包括：應用上述實施例所述的AOD估算方法以獲取最終AOD；依據最終AOD確定所述待定位設備的位置，其中所述待定位設備可為所述信號的發射電路或接收電路。
本申請第四方面提供一種AOD估算裝置，所述AOD估算裝置包括：記憶體、處理器和通訊匯流排，所述記憶體通過所述通訊匯流排與所述處理器通信連接；以及所述記憶體中存儲有多個程式電路，所述多個程式電路由所述處理器載入並執行如上述實施所述的AOD估算方法。
本申請第五方面提供一種電腦可讀存儲介質，其上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現如上述實施例所述的AOD估算方法。
本申請中，所述方位角估算系統，通過依序切換多個方位角以接收信號；並確定接收到的多個信號的信號功率中的最大信號功率，依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判AOD，依據所述預判AOD以及所述多個方位角中該預判AOD的相鄰兩個相方位角之訊號電平，並計算得到最終AOD，如此簡化了AOD的估算步驟，實現AOD的快速測量，提升了AOD的估算精度。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，當一個元件被稱為“電連接”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“電連接”另一個元件，它可以是接觸連接，例如，可以是導線連接的方式，也可以是非接觸式連接，例如，可以是非接觸式耦合的方式。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“及／或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
下面結合附圖，對本發明的一些實施方式作詳細說明。在不衝突的情況下，下述的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
本申請提供一種基於時序波瓣演算法估算AOD／AOA方位角度的方法，又以AOD方位角度估測方法做為範例說明。其中，時序波瓣演算法為：在不同時序依次交替切換多輸入多輸出(MIMO)系統之天線波束，以估測目標方位角度的演算法，也稱之為時序切換演算法(sequential switching)和波瓣演算法(lobe switching)。本申請通過時序波瓣演算法檢測目標物的角度方向的資訊，操作簡單，運算精簡，可以實現高精度地定位目標。
示例性地，請參見第1圖，第1圖為極座標中時序波瓣演算法的圖形示例，天線波束交替在位置1和位置2之間切換，通過時序波瓣演算法估算目標天線的目標角度。
為了便於理解，將本申請供的時序波瓣演算法與單脈衝演算法(mono pulse algorithm)進行比較，兩種方法的區別在於硬體設計和實現的速率，其中第2B圖為使用單脈衝演算法的通道探測系統的功能框圖，該方法需要兩個功率分配網路(power distribution network，PDN)才能實現兩個輸出，一個是總通道，另一個是不同通道。將引入硬體設計的額外成本和複雜性。由於兩個通道(SUM和DIFF)同時運行，單脈衝演算法的資料速率高於連續測波法的資料速率。
請參見第2A圖，第2A圖為使用時序波瓣演算法的功能電路圖，該設備包括N個毫米波天線、N個前端電路(FEM)，功率分配網路將毫米波信號從升／降頻轉換器(Up／down-converter，UDC)傳遞到每個前端射頻電路(FEM)。UDC(升／降頻轉換器)包含一個升頻轉換器，用於將調變的中頻(IF)信號轉換頻率，將之升頻成為調變的毫米波輻射信號，以及一個降頻轉換器將接收的毫米波信號轉換頻率，將之降頻成為用於檢測的調變的中頻(IF)信號。射頻合成器(RF Synthesizer)生成本地振盪信號，以饋入UDC，做為升降頻器之主要射頻訊號。
請參見第2B圖，該設備包括N個毫米波天線、N個前端電路(FEM)系列及兩個功率分配網路(PDN1 和 PDN2)，兩個功率分配網路將毫米波信號從升／降頻轉換器(UDC)傳遞到每個相對應的FEM中。在傳輸模式下，
Figure 02_image019
混合耦合器(
Figure 02_image021
hybrid)作為和(SUM)訊號及差(DIFF)訊號功率分配器。在發射模式，
Figure 02_image021
混合耦合器工作在平衡模式(或稱為和(SUM)通道模式)，將兩路訊號以同相位及等功率的方式，將毫米波信號從UDC分配至PDN1及PDN2。在接收模式下，
Figure 02_image021
混合耦合器可以同時工作於平衡模式形成和(SUM)通道，以及工作於不平衡模式；將兩個PDN輸出的接收毫米波信號以等功率反相位(相差
Figure 02_image021
)方式組合差(DIFF)通道因此可以使用單脈衝演算法同時估計方位角度資訊。
請參見第3圖，第3圖為本申請一實施例中的通道探測器系統(Millimeter-wave Channel sounder system)的電路示意圖，其中，基帶電路可為，NI-MTS還可作為通道探測器系統的主控電腦單元；毫米波升降頻電路(FIH mmW head； ADI ADMV 1018)，毫米波升降頻電路用於將基帶信號升頻至毫米波信號，或將毫米波信號降頻至基帶信號；毫米波天線電路(AiM)為MIMO 毫米波天線電路，由 32(2
Figure 02_image023
16)組天線與8顆前端射頻電路(Front-End Module，FEM)製作而成的積體電路板(Printed circuit board，PCB)。前端射頻電路為積體電路(Integrated circuits，ICs)，由4鏈路通道之收發電路所組成，每一收發積體電路均包含放大器(或低雜訊功放)、相移器及衰減器；如此，以使通道探測器系統可通過SPI指令驅動前端電路實現波束賦形功能。
請同時參見第4A圖、第4B圖及第4C圖，第4A圖為毫米波天線電路的設計圖，第4B圖為PCB堆疊圖，第4C圖為成品照相圖。
其中，如第4A圖所示，毫米波天線電路包括多組微帶貼片天線電路，貼片電阻(Chip resistor)、波束成型器(Beam former)及混合耦合器(Hybrid coupler)。天線電路係由4個微帶貼片天線及一個毫米波射頻前端電路(FEM)所組成。
其中，第4B圖中貼片天線安裝在8層電路板上，8層電路板分別為：第一層為頂層，第二層為射頻層，第三層為接地層，第四層為電源層，第五層為輸入輸出層，第六層為接地層，第七層為射頻層，第八層為底層，同時第4B圖還示意出了各層的厚度。
其中，第4C圖中電路板包括四個平行外接埠端口、8毫米波射頻前端電路(FEM)晶片、散熱元件及電源接口。
請參見第5A圖與第5B圖，第5A圖是時序波瓣演算法的實現架構圖，第5B圖為目標位於天線視線(LOS)軸產生相同幅度
Figure 02_image025
的信號電平示意圖。在天線視線軸( Line Of Sight，LOS)的兩個預定對稱位置之間，依序切換天線的筆形波束，可以估算目標角度。也就是說，經由天線波束在兩個方位角之間依序切換，通道探測器系統可測量因為方位角差異所產生的誤差信號數值，並加以估計角度誤差值
Figure 02_image027
。其中，如第5B圖所示，信號電平為零誤差，例如，當目標物位於天線視線上，如第5A圖和5B所示，天線筆形波束(Pencil beam) A及B將接收到兩個具有相同幅度
Figure 02_image025
的信號電平(零誤差信號)的電磁反射波。因此，目標的角度誤差值為天線筆形波束A和B之間的平均值；
Figure 02_image029
。
當目標物偏離天線視線軸(如第5A圖和5B所示，目標物位於位置B時)，隨著天線筆形波束往B方向上切換時，從目標返回的信號電平幅度增至最大值，筆形波束方嚮往A波束切換時，從目標返回的信號電平將由幅度最大值遞減之最小值。
因此目標物回波信號電平的幅度不同，從波束B位置的最大值與到波束A位置的最小值之間呈現振幅變化。換句話說，幅度調製(AM)存在於回波信號的包絡。此AM包絡調變信號是相對應於波束B及波束A之間目標的相對位置變化。亦即，角度誤差值(
Figure 02_image027
)是可以經由提取的AM包絡，加以估測，而電壓差的符號決定了角度誤差(
Figure 02_image027
)的方向。
在一實施例中，如第6A圖所示，毫米波天線電路具有均勻分佈的陣列天線，陣列天線的波束指向方位角度依序在
Figure 02_image031
之間切換。第6B圖為目標偏離天線視線軸線產生不相同幅度的信號電平，即存在誤差信號的信號電平，如果目標方位偏離視軸(Boresight)方位角誤差為φ(-θ 0<φ<θ 0)，則對應於兩天線波束指向(-θ 0<φ<θ 0)所偵測的返回信號電平，兩組信號電平分別表示為：
Figure 110121778-A0305-02-0016-5
Figure 110121778-A0305-02-0016-6
 其中，φ為目標方位偏離視軸(Boresight)之方位角誤差，d為是兩個相鄰天線之間的元件間距，-θ 0及+θ 0分別為兩個天線的指向角度。
兩個天線波束指向的返回信號電平(SA和SB)的和信號與差信號，分別為：
Figure 110121778-A0305-02-0016-7
Figure 110121778-A0305-02-0016-8
當目標方位偏離視軸線所產生之方位角誤差(φ)，位於方位角度±θ 0之間，屬於小角度偏差值，可應用如下公式估算方位角誤差：
Figure 110121778-A0305-02-0016-9
 其中d是兩個相鄰天線元件之間的元件間距，k f 為校正所得的斜率參數。
其中第7圖為將陣列天線波束指向角切換到兩個相鄰方位角且目標方位偏離角誤差的示意圖。其中兩個天線波束的方位角分別為-θ 0和+θ 0，且目標方位偏離角誤差為φ，SA和SB分別為兩個天線波束對應信號的信號電平，d為是兩個相鄰天線之間的元件間距。
其中第8圖和第9圖分別是應用32組天線對第6圖所示的毫米波天線電路進行數值類比分析，第7圖為毫米波天線電路的天線輻射場型模擬圖，顯示天線電路的水準／垂直半功率波束寬(Half-Power Beam width，HPBW，半功率波束寬度，即3dB波束寬度)為
Figure 02_image049
／
Figure 02_image051
。陣列天線之相位誤差呈均勻分佈狀態且峰值變數在
Figure 02_image053
之間，第9圖為毫米波天線電路的天線輻射場型模擬比較圖，由第9圖可知，相位誤差會造成陣列天線場型的旁波瓣峰值升高、波束指向微幅偏移及增益降低。
請參見第10圖，第10圖為通道探測系統硬體架構設計示意圖，通道探測系統包括發射電路和接收電路，發射電路和接收電路均包括基帶電路、毫米波升降頻電路和毫米波天線電路。
其中，毫米波天線電路包括
Figure 02_image055
組毫米波天線。
其中發射電路和接收電路通過毫米波信號建立通信連接，發射電路和接收電路可以是位於結構不同的通訊裝置上，也可以是位於結構相同的通訊裝置上。例如，發射電路可以是位於毫米波基站等通訊裝置上，接收電路可以是位於手機等通訊裝置上；發射電路可以是位於手機等通訊裝置上，接收電路可以是位於毫米波基站通訊裝置上；或者所述發射電路和接收電路均為位於毫米波基站及／或手機等通訊裝置上。
具體地，發射電路在特定時序時將天線波束指向AOD方位角度並發射信號，接收電路依照協定時序在波束掃描範圍內，以半功率波束寬度為間距，依序切換不同的波束指向並接收對應指向的信號。
在一實施例中，發射電路發送的載波信號頻率為28GHz，基頻信號為頻寬800MHz的ZCPN脈波(Sequence)。依照半功率波束寬度(即
Figure 02_image057
)，需31個不同的波束指向即可涵蓋
Figure 02_image053
的波束掃描範圍。
在一實施例中，通道探測器系統接收電路的陣列天線波束掃描四個掃描區域，每個區域具有至少一組陣列天線。控制所述陣列天線的系統會依照設定方位角進行掃描並接收發射電路所發送的毫米波信號。本實施方式中，所述區域之陣列天線為16的天線結構。
通道探測器系統接收電路的陣列天線波束掃描四個掃描區域，每個區域具有至少一組陣列天線。控制所述陣列天線的系統會依照設定方位角進行掃描並接收發射電路所發送的毫米波信號。
本實施方式中，在接收電路的三個掃描區中的陣列天線在預設迴圈掃描時間內進行掃描並以不同的入射角度接收發射電路發送的毫米波信號時，所述三個磁區分別在0~120度、120~240度及240~360度中通過掃描區域中之陣列天線以不同的波束的入射角度接收發射電路發送的毫米波信號。
以第10圖為例說明，接收電路依序切換不同的波束指向並接收波束1，波束2，波束3，波束4及波束5，5個方位的信號，並計算各方位接收信號之信號功率(carrier-to-interference ratio，CIR)，各方位的信號功率依序為 P1、P2、P3、P4 及 P5。
第11圖為5個波束掃描指向的天線輻射場型模擬圖，其中5個波束的指向角度依次為-6°、-3°、0、+3°及+6°。
請再次參見第10圖，接收電路的波束3方位指向與接收電路發射信號方位指向最接近，因此經接收電路計算並判斷可知：波束3方位指向的信號功率P3為五個接收信號中的最大值，即AOD方位角度位於波束3方位與相鄰波束指向(
Figure 02_image059
)之間，然後應用時序波瓣演算法，接收電路依序接收兩個不同波束指向(
Figure 02_image061
及
Figure 02_image063
)信號(例如，波束2和波束4)。
如第12圖所示。令
Figure 02_image065
，通過時序波瓣演算法計算AOD方位角度之估測值(例如：參見公式3)。
在一實施例中，設定縱向距離(Down-range； Z 軸線)為60米且橫向位移(cross-range；X 軸線)變化在3米之間。第13圖為模擬結果說明圖，實線E代表橫向位移(cross-range；X 軸線)所對應的AOD方位角(
Figure 02_image001
)，虛線F圓圈符號代表當發射電路橫向位移時，模擬結果之AOD方位角，比對顯示與原設定之方位角會存在誤差值，虛線G方形符號代表估測角度誤差值。由數值分析模擬結果顯示，應用時序波瓣演算法所估算方位角的精度在0.5度之內。
然而，在實測環境將會存在散射物的多重反射效應及雜訊所導致的量測誤差，因此，必須應用數值分析方式驗證時序切換演算法的可靠性。在一實施例中，假設所有環境因素所產生的量測誤差值為零平均數(Zero mean)的高斯分佈(Gaussian distribution)，並設定三種不同標準誤差值：2.5dB、1.5dB及0.5dB。應用模擬建模(例如，Matlab程式碼)並執行10萬次蒙地卡羅數值模擬分析(Monte-Carlo Simulation)，分析結果如第14圖所示。
由第14圖中數值模擬分析結果可知，所估算方位角度的標準誤差值(Standard deviation error)小於0.5度，亦即當目標物位於距離60米處時，應用本方法所估測的 AOA／AOD方位誤差值，皆小於0.53米。此角度估算精度優於衛星定位系統(定位精度小於1米)及藍牙室內定位系統(定位精度在5米-20米之間)的定位精度，本申請提供的定位方法，在室外與導航衛星定位方法相比較，在室內與藍牙定位相比較，定位方位角精度相對提升20%以上。
在一實施例中，第15圖為實驗裝置示意圖，第15圖可應用於空中介面縮距場測試暗房中，空中介面縮距場測試暗房可提供穩定的場測環境，以驗證時序波瓣演算法的方位角估算精度。第15圖中應用遠場平面波類比遠處的目標物，同時，縮距場平面波效應可保證發射信號穩定，且不受毫米波嚴重的空間衰減損耗所影響。
具體地，將毫米波天線電路(相當於第6圖中之接收電路)放置於 OTA測試暗房之旋轉臺上，經由旋轉台旋轉得以控制AOD方位角度(
Figure 02_image001
)，並由縮距場之反射面天線接收來自天線電路的發射信號。用二條同軸電纜線(K-band cables)將毫米波
Figure 02_image055
組天線系統與縮距場反射面天線分別連接至4埠VNA(向量網路分析儀)，VNA被用來取代NI／MTS及FIH mm-Wave Head，並執行通道探測系統的收發功能。測試系統之控制系統由外接之NB(或電腦) 執行。將程式指令代碼經由USB介面下達毫米波
Figure 02_image055
主動陣列天線系統的波束指向(
Figure 02_image067
1、
Figure 02_image067
2、
Figure 02_image067
3、
Figure 02_image067
4或
Figure 02_image067
5)指令，由波束掃描控制器(例如，可由4個Arduino MCU所組成)將波束方位指令轉換成SPI數位控制脈波，並分送至毫米波2x16主動陣列天線系統中之每一個前端電路(FEM)，快速達成天線波束指向。另外、NB經由GPIB介面控制VNA，將測試獲得之S-參數計算轉換為接收信號功率，記為P1、P2、P3、P4及P5，再由接收到之最大功率預判AOD方位角度(
Figure 02_image001
)大致範圍後，應用時序切換演算法，估測AOD方位角度(
Figure 02_image001
)。
請參見第16圖，本申請一實施例中，AOD估算系統100包括第一發射電路10、第一接收電路20及估算電路30。
具體地，第一發射電路10用於以發射角度傳輸信號；第一接收電路20用於依序切換多個方位角以接收所述信號；估算電路30用於：計算所述接收電路於所述多個方位角接收到所述信號的多個信號功率；確定所述多個信號功率中的最大信號功率，依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判AOD，以及依據所述預判AOD以及所述多個方位角中鄰近所述預判AOD的兩個方位角，計算得到最終AOD。
如此，AOD估算系統100通過接收到的多個信號中的最大信號功率，確定與發送的信號的發射角度最接近的接收角度，依據與該接收角度相鄰的兩個方位角確定接收角度與發射角度之間的偏差值，依據該偏差值即接收角度即可確定最終AOD。
在一實施例中，所述估算電路30進一步用於：獲取最接近所述預判AOD的兩個方位角對應的信號電平；依據如下公式確定所述兩個信號電平的和信號與差信號：
Figure 110121778-A0305-02-0022-10
 其中，SA及SB分別為最接近所述預判AOD的兩個方位角對應的信號電平，d是所述接收電路中兩個相鄰天線元件之間的元件間距，φ為最終AOD與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度；依據如下公式獲取AOD與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度φ：φ=kf．tan-1(△(φ)/Σ(φ))；其中，kf為校正所得之斜率參數；依據偏離角度及最大信號功率對應的方位角計算最終AOD。
如此，第一發射電路10以發射角度傳輸信號；第一接收電路20依序切換多個波束指向之方位角，使依序接收到所述信號係來自多個不同方位的信號功率；估算電路30獲取最接近所述預判AOD的兩個方位角對應的信號電平，並依據該信號電平及以上公式獲取偏離角度，並依據偏離角度及預判AOD確定最終AOD。
本申請一實施例中，所述估算電路30進一步用於：通過如下公式獲取校正所得之斜率參數：
Figure 02_image075
； 其中，
Figure 02_image011
為所述接收電路的相鄰兩個方位角的角度差。
具體地，估算電路依據接收電路中的兩組天線之間方位角的角度差確定斜率參數，並依據斜率參數調整偏離角度，依據偏離角度確定最終AOD。
在一實施例中，估算電路30進一步用於：獲取所述接收電路的偏移校準值；依據所述偏移校準值調整所述最終AOD。
具體地，每個系統具有對應的誤差偏移量，可以通過預設檢測等方法獲取AOD估算系統的誤差偏移量，依據偏移量調整最終的AOD，以提升AOD的準確度。
示例性的，偏移校準值為0.1°，若通過計算獲得AOD角度為29.9°，則實際的AOD角度為30°。
本申請一實施例中，AOD估算系統100還包括一第二發射電路40，第二發射電路40用於以發射角度傳輸信號。
如此，通過第一發射電路10和第二發射電路40配合，分別獲取第一接收電路20接收第一發射電路10發送的信號的第一AOD和第一接收電路20接收第二發射電路40發送的信號的第二AOD，依據第一發射電路10的位置、第二發射電路40的位置、第一AOD及第二AOD可確認第一接收電路20的位置。
請參見第17圖，第17圖示意圖出一種定位系統的示意圖。該定位系統包括兩個基站和一個使用者設備，兩個基站在第一坐標系XY中的座標分別為A1(0，811)和A2(122，952)；設定使用者設備的位置為C。可通過時序波瓣演算法獲取A1C和A2C之間的AOD角度。
具體地，將使用者設備作為發射電路，將兩個基站作為接收電路，通過上述實施例描述的時序波瓣演算法獲取AOD1和AOD2；獲取AOD1和AOD2之間的差值，例如：AOD1和AOD2之間的差值φ=7.06°。
然後，將第一坐標系XY中的定位系統的座標轉換為第二坐標系X’Y’的座標，例如，第二坐標系中兩個基站的座標分別為(0，0)和(186.5，0)，則設定使用者設備座標的為(x’，y’)，可通過以下公式獲取使用者設備的座標：x'=x1-R 2．cos(φ)；y'=y1+R 2．sin(φ)；其中R2為基站A1與使用者設備之間的距離，φ為AOD1和AOD2之間的差值，基站A1的座標為(x1，y1)。
請參見第18圖，x1=0；y1=0；R2=1517.76，φ=7.06°，則通過上述公式可獲取使用者設備的座標：x'=-154.6、y'=1510cm。
然後依據基站的座標確定兩個坐標系之間的關聯關係，並依據關聯關係獲取使用者設備在第一坐標系XY中的座標。例如：x=1165.6cm、y=-139.6cm。
可以理解，第17圖和第18圖僅為本申請提供的一種定位系統獲取使用者設備位置的方法，可以理解，上述實施例僅為本申請提供的一種定位方式，本申請獲取接收電路或發射電路的方式不限於上述實施例提供的方式。
本實施例中，AOD估算系統100包括第一發射電路10、第一接收電路20、估算電路30及第二發射電路40，第一發射電路10及第二發射電路40的位置固定且已知，可通過兩個發射電路的位置確定第一接收電路20的位置。同理，在另一實施例中，如第19圖所示，AOD估算系統100可包括第一發射電路10、第一接收電路20、估算電路30及第二接收電路50，第一接收電路20及第二接收電路50的位置固定且已知，可通過兩個接收電路的位置確定第一發射電路10的位置。同理，在另一實施例中，可通過已知的兩個電路(發射/發射、發射/接收、或接收/接收)位置確定另一電路(發射或接收)的位置。
在一實施例中，AOD估算系統100還包括時間電路60，時間電路60用於信號的傳輸時間，即發射電路發送該信號至接收電路接收該信號之間信號的傳輸時間。另信號的傳送速率為已知，可通過傳輸時間及傳送速率獲取發射電路和接收電路之間的距離。
具體地，在一實施例中，發射電路發送的信號攜帶有第一時間資訊，第一時間資訊包括發射電路發送該信號的時間，接收電路接收該信號之後，時間電路生成第二時間資訊，第二時間資訊包括接收電路接收該信號的時間。依據第一時間資訊和第二時間資訊確認信號的傳輸時間，依據傳輸時間及預設的速度資訊確定發射電路和接收電路之間的距離。
如此，可通過接收電路和發射電路組成一組AOD系統，以獲取對應的AOD，並依據對應的AOD、至少兩個接收電路的位置確定發射電路的位置。
接收電路及估算電路屬於不同的電路且具有不同的功能。如第16圖所示的實施例中，第一接收電路20及估算電路30為一體式設置，執行信號接收和AOD估算的功能。同理，如第19圖所示的實施例中，第一接收電路20及估算電路30為一體式設置，且第二接收電路50及估算電路30亦為一體式設置，執行信號接收和AOD估算的功能。
請參見第20圖，為第19圖所示的實施例所提供的一種AOD估算方法的流程圖，根據不同需求，所述流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略或合併。所述方法包括如下步驟。 該方法包括如下步驟。
步驟S191、第一接收電路20依序切換多個波束指向之方位角來接收第一發射電路10所發射之信號，所述信號具有預設發射角度。
具體地，發射電路以預設發射角度發送信號，接收電路依序切換多個方位角度以接收該信號。
步驟S192、估算電路30計算依據所述多個波束指向之方位角所接收到所述信號對應來自多個不同方位角的信號功率。
步驟S193、估算電路30確定所述多個信號功率中的最大信號功率。
步驟S194、估算電路30依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判AOD。
步驟S195、估算電路30依據該預判AOD以及該多個方位角中鄰近該預判AOD的兩個方位角，比如最接近所述預判AOD左右相鄰的兩個方位角，計算得到最終AOD。
如此，通過接收到的多個信號的信號功率的最大信號功率確定對應的方位角，依據該方位角確定預判AOD，依據預判AOD及與該方位角相鄰的方位角確定最終AOD。
在一實施例中，請參見第21圖，步驟S195具體包括以下步驟。
步驟S1951、獲取鄰近所述預判AOD的兩個方位角的信號電平，比如最接近所述預判AOD左右相鄰的兩個方位角。
例如預判AOD為30度，則與預判AOD最接近的相鄰兩方位角可分別位於預判AOD的兩側，即可分別為33度和27度。
步驟S1952、依據公式一獲取兩個所述信號電平的和信號與差信號。
其中公式為：
Figure 110121778-A0305-02-0028-11
 其中SA及SB分別為鄰近該預判AOD的兩側相鄰方位角的信號電平，d是兩個相鄰天線元件之間的元件間距，φ為預判AOD與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度。
步驟S1953、依據公式二獲取預判AOD與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度φ。
其中公式二為：φ=kf．tan-1(△(φ)/Σ(φ))；其中，k f 為校正所得之斜率參數。
步驟S1954、依據偏離角度及最大信號功率對應的方位角計算最終AOD。
在一實施例中，所述的AOD估算方法還包括：通過如下公式獲取校正所得之斜率參數：
Figure 110121778-A0305-02-0028-12
 其中，θ BW 為接收電路相鄰兩個方位角的間距角度。
在一實施例中，所述AOD估算方法還包括：獲取所述接收電路的偏移校準值；依據所述偏移校準值調整所述AOD。
進一步地，本申請還提供一種定位方法，所述定位方法包括：應用如上述實施例所述的AOD估算方法獲取最終AOD；依據最終AOD可確定待定位設備的位置，其中待定位設備可為信號的發送端，也可為信號的接收端。
在一實施例中，定位方法還包括：獲取所述信號的發送時間；獲取所述信號的接收時間；依據發送時間、接收時間及預設的速度資訊確定信號的傳播距離；依據傳播距離及最終AOD確定待定位終端的位置。
示例性地，不同信號在空氣中的傳播速度為已知的，例如聲波或電磁波在空氣的傳播速度。
第22圖為本申請一實施例所提供的AOD估算裝置的架構示意圖。所述AOD估算裝置1包括記憶體11、處理器12和通訊匯流排13，所述記憶體11通過所述通訊匯流排13與所述處理器12通信連接。
所述AOD估算裝置1還包括存儲在所述記憶體11中並可在所述處理器12上運行的電腦程式14，例如AOD估算的程式。
所述處理器12執行所述電腦程式14時實現所述方法實施例中車位元自動搜索方法的步驟。或者，所述處理器12執行所述電腦程式14實現所述系統實施例中各電路／單元的功能。
示例性的，所述電腦程式14可以被分割成一個或多個電路／單元，所述一個或者多個電路／單元被存儲在所述記憶體11中，並由所述處理器12執行，以完成本申請。所述一個或多個電路／單元可以是能夠完成特定功能的一系列電腦程式指令段，所述指令段用於描述所述電腦程式14在所述AOD估算裝置1中的執行過程。
可以理解地，所述第22圖僅僅是AOD估算裝置1的示例，並不構成對AOD估算裝置1的限定，AOD估算裝置1可以包括比圖示更多或更少的部件，或者組合某些部件，或者不同的部件，例如所述AOD估算裝置1還可以包括輸入裝置等。
所稱處理器12可以是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，還可以包括其他通用處理器、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、專用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、現成可程式設計閘陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可程式設計邏輯器件、分立門或者電晶體邏輯器件、分立硬體元件等。通用處理器可以是微處理器或者所述處理器也可以是任何常規的處理器等，所述處理器12是所述AOD估算裝置10的控制中心，利用各種介面和線路連接整個AOD估算裝置10的各個部分。
所述記憶體11可用於存儲所述電腦程式14和／或電路／單元，所述處理器12通過運行或執行存儲在所述記憶體11內的電腦程式和／或電路／單元，以及調用存儲在記憶體11內的資料，實現所述AOD估算裝置1的各種功能。記憶體11可以包括外部存儲介質，也可以包括記憶體。此外，記憶體11可以包括高速隨機存取記憶體，還可以包括非易失性記憶體，例如硬碟、記憶體、插接式硬碟、智慧存儲卡(Smart Media Card，SMC) 、安全數位(Secure Digital，SD)卡、快閃記憶體卡(Flash Card) 、至少一個磁碟記憶體件、快閃記憶體器件、或其他易失性固態記憶體件。
所述AOD估算裝置1集成的電路／單元如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個電腦可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本申請實現所述實施例方法中的全部或部分流程，也可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，所述的電腦程式可存儲於一電腦可讀存儲介質中，所述電腦程式在被處理器執行時，可實現所述各個方法實施例的步驟。需要說明的是，所述電腦可讀介質包含的內容可以根據司法管轄區內立法和專利實踐的要求進行適當的增減，例如在某些司法管轄區，根據立法和專利實踐，電腦可讀介質不包括電載波信號和電信信號。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換都不應脫離本發明技術方案的精神和範圍。
1:AOD估算裝置 11:記憶體 12:處理器 13:通訊匯流排 14:電腦程式 100:AOD估算系統 10:第一發射電路 20:第一接收電路 30:估算電路 40:第二發射電路 50:第二接收電路 60:時間電路
為讓本揭示之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能夠更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為本發明一實施方式的極座標中時序波瓣演算法的圖形示例； 第2A圖為本發明一實施方式中應用時序波瓣演算法的功能電路圖； 第2B圖為本發明一實施方式中應用的功能電路圖； 第3圖為本發明一實施方式中通道探測器系統的電路示意圖； 第4A圖為本申請一實施方式中的毫米波天線電路的示意圖； 第4B圖為本申請一實施方式中的PCB堆疊的示意圖； 第4C圖為本申請一實施方式中的成品照相圖的示意圖； 第5A圖為本申請一實施方式中的時序波瓣演算法的實現架構圖； 第5B圖為本申請一實施方式中目標位於天線視線軸產生相同幅度的信號電平示意圖； 第6A圖為本申請另一實施方式中的時序波瓣演算法的實現架構圖； 第6B圖為本申請一實施方式中的目標偏離天線視線軸線產生不相同幅度的信號電平的示意圖； 第7圖為本發明一實施方式中的陣列將天線波束指向角切換到兩個方向的方位偏離角誤差的示意圖； 第8圖為本發明一實施方式中毫米波天線電路架構之天線輻射場型模擬圖； 第9圖為本發明一實施方式中毫米波天線電路架構的天線輻射場型模擬比較圖； 第10圖為本發明一實施方式中通道探測系統硬體架構設計示意圖； 第11圖為本發明一實施方式中波束掃描指向的天線輻射場型模擬圖； 第12圖為本發明一實施方式中依序兩波束掃描指向的天線輻射場型模擬圖； 第13圖為本發明一實施方式中應用時序波瓣演算法估算方位角誤差並計算之橫向位移變化的數值分析模擬結果； 第14圖為本發明一實施方式中執行10萬次蒙地卡羅數值模擬分析結果圖； 第15圖為本發明一實施方式中試驗裝置示意圖； 第16圖為本發明一實施方式中AOD估算系統的電路示意圖； 第17圖為本發明一實施方式中定位系統的示意圖； 第18圖為本發明一實施方式中定位系統另一狀態的示意圖； 第19圖為本發明另一實施方式中AOD估算系統的電路示意圖； 第20圖為本發明一實施方式中AOD估算方法的流程圖； 第21圖為本發明一實施方式中獲取最終AOD的流程圖；以及 第22圖為本發明一實施方式中AOD估算裝置的示意圖。
100:AOD估算系統
10:第一發射電路
20:第一接收電路
30:估算電路
40:第二發射電路
50:第二接收電路
60:時間電路

Claims (20)

  1. 一種估算方位角的通訊裝置，包含：接收電路，用於依序切換多個方位角以接收來自第一通訊裝置的第一發射電路以第一發射角度所傳輸的第一信號；及估算電路，用於：計算所述接收電路於所述多個方位角接收到所述第一信號的多個信號功率；確定所述多個信號功率中的最大信號功率，依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判發射角，以及依據所述預判發射角以及所述多個方位角中鄰近所述預判發射角的至少一個方位角，計算得到關聯所述第一信號的最終發射角。
  2. 如請求項1所述的通訊裝置，鄰近所述預判發射角的所述至少一個方位角為最接近所述預判發射角左右相鄰的兩個方位角。
  3. 如請求項2所述的通訊裝置，所述估算電路進一步用於：獲取所述鄰近所述預判發射角的兩個方位角對應的信號電平；依據如下公式確定所述兩個信號電平的和信號與差信 號：
    Figure 110121778-A0305-02-0034-13
     其中，SA及SB分別為鄰近所述預判發射角的兩個方位角對應的信號電平，d是所述第一接收電路中兩個相鄰天線元件之間的元件間距，φ為最終發射角與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度；依據如下公式獲取發射角與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度φ：φ=kf．tan-1(△(φ)/Σ(φ))，其中，kf為校正所得之斜率參數；以及依據偏離角度及最大信號功率對應的方位角計算最終發射角。
  4. 如請求項3所述的通訊裝置，所述估算電路進一步用於：通過如下公式獲取校正所得之斜率參數：
    Figure 110121778-A0305-02-0034-14
     其中，θ BW 為所述第一接收電路的相鄰兩個方位角的角度差。
  5. 如請求項3所述的通訊裝置，所述估算電路進一步用於：獲取所述接收電路的偏移校準值；以及 依據所述偏移校準值調整所述最終發射角。
  6. 如請求項1所述的通訊裝置，可進一步用於：依序切換多個方位角以接收來自第二通訊裝置的第二發射電路以第二發射角度所傳輸的第二信號；計算得到關聯所述第二信號的最終發射角；根據所述第一通訊裝置的已知位置及所述第一信號的最終發射角，以及所述第二通訊裝置的已知位置及所述第二信號的最終發射角來計算所述通訊裝置的位置。
  7. 如請求項6所述的通訊裝置，進一步包括：時間電路，用於獲取所述第一及第二信號的傳輸時間；定位電路，用於依據所述傳輸時間確定所述第一及第二信號的傳輸距離，依據所述傳輸距離及所述最終發射角確定所述通訊裝置的位置。
  8. 如請求項1所述的通訊裝置，可進一步用於：接收來自第三通訊裝置所計算得到關聯所述第一信號的最終發射角；根據所述通訊裝置的已知位置及其所計算得到所述第一信號的最終發射角，以及所述第三通訊裝置的已知位置 及其所計算得到所述第一信號的最終發射角來計算所述第一通訊裝置的位置。
  9. 如請求項1所述的通訊裝置，可以是手機或基站。
  10. 如請求項1所述的通訊裝置，可進一步用於：所述估算電路依據所述得到最終發射角的計算方法可計算得到最終入射角。
  11. 一種用於通訊裝置的估算方法，所述方法包括：依序切換多個方位角來接收信號，所述信號具有預設發射角度；計算依據所述多個方位角接收到所述信號對應的多個信號功率；確定所述多個信號功率中的最大信號功率；依據所述最大信號功率對應的方位角，確定預判發射角；以及依據該預判發射角以及所述多個方位角中鄰近該預判發射角的至少一個方位角，計算得到最終發射角。
  12. 如請求項11所述的估算方法，鄰近該預判 發射角的所述至少一個方位角為最接近該預判發射角左右相鄰的兩個方位角。
  13. 如請求項12所述的估算方法，所述依據該預判發射角以及所述多個方位角中鄰近該預判發射角的兩個方位角，計算得到最終發射角，具體包括：獲取所述鄰近所述預判發射角的兩個方位角的信號電平；依據如下公式獲取兩個所述信號電平的和信號與差信號：
    Figure 110121778-A0305-02-0037-15
     其中SA及SB分別為鄰近該預判發射角的兩個方位角的信號電平，d是兩個相鄰天線元件之間的元件間距，φ為發射角與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度；依據如下公式獲取發射角與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度φ：φ=k f ．tan -1(△(φ)/Σ(φ))；其中，k f 為校正所得之斜率參數；依據偏離角度及最大信號功率對應的方位角計算最終發射角。
  14. 如請求項13所述的估算方法，所述方法還包括： 通過如下公式獲取校正所得之斜率參數：
    Figure 110121778-A0305-02-0038-16
     其中，θBW為接收電路相鄰兩個方位角的角度差。
  15. 如請求項13所述的估算方法，所述方法還包括：獲取所述接收電路的偏移校準值；以及依據所述偏移校準值調整所述發射角。
  16. 如請求項11所述的估算方法，所述通訊裝置可以是手機或基站，且所述得到最終發射角的計算方法亦可計算得到最終入射角(Angle of Arrival)。
  17. 一種利用計算發射角來估算位置的通訊裝置，包含：接收電路，用於依序切換多個方位角以接收來自第一通訊裝置的第一發射電路以第一發射角度所傳輸的第一信號，以及來自第二通訊裝置的第二發射電路以第二發射角度所傳輸的第二信號；以及估算電路，用於：計算所述接收電路於所述多個方位角接收到所述第一及第二信號的多個信號功率；確定所述多個信號功率中的最大信號功率；依據所述最大信號功率對應的方位角，確定所述第一 及第二信號的預判發射角；以及依據所述預判發射角以及所述多個方位角中鄰近所述預判發射角的至少一個方位角，計算得到所述第一及第二信號的最終發射角；以及根據所述第一通訊裝置的已知位置及所述第一信號的最終發射角，以及所述第二通訊裝置的已知位置及所述第二信號的最終發射角來計算所述通訊裝置的位置。
  18. 如請求項17所述的通訊裝置，鄰近所述預判發射角的所述至少一個方位角為最接近所述預判發射角左右相鄰的兩個方位角；其中，所述通訊裝置可以是手機或基站，且所述得到最終發射角的計算方法亦可計算得到最終入射角(Angle of Arrival)。
  19. 如請求項18所述的通訊裝置，所述估算電路進一步用於：獲取所述鄰近所述預判發射角的兩個方位角對應的信號電平；依據如下公式確定所述兩個信號電平的和信號與差信號：
    Figure 110121778-A0305-02-0039-17
     其中，SA及SB分別為鄰近所述預判發射角的兩個方位角對應的信號電平，d是所述第一接收電路中兩個相鄰天 線元件之間的元件間距，φ為最終發射角與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度；依據如下公式獲取發射角與最大信號功率對應的方位角之間的偏離角度φ：φ=k f ．tan -1(△(φ)/Σ(φ))，其中，k f 為校正所得之斜率參數；依據偏離角度及最大信號功率對應的方位角計算最終發射角；及通過如下公式獲取校正所得之斜率參數：
    Figure 110121778-A0305-02-0040-18
     其中，θ BW 為所述第一接收電路的相鄰兩個方位角的角度差；及獲取所述接收電路的偏移校準值；以及依據所述偏移校準值調整所述最終發射角。
  20. 如請求項19所述的通訊裝置，進一步包括：時間電路，用於獲取所述第一及第二信號的傳輸時間；以及定位電路，用於依據所述傳輸時間確定所述第一及第二信號的傳輸距離，依據所述傳輸距離及所述最終發射角確定通訊裝置的位置。
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