用于在无线网络中确定到达角的系统及方法
【专利说明】
[0001] 相关专利申请案
[0002] 本申请案主张由安德拉斯杰奥杰别克菲杰斯（AndrasGyorgyBukkfejes)及彼得 吉尔维斯特科瓦奇（PeterSzilveszterKovacs)于2013年3月14日提出申请的标题为 "用于在无线网络中确定到达角的系统及方法（SystemandMethodforDeterminingan AngleofArrivalinaWirelessNetwork)" 的序列号为 61/784, 046 的共同拥有的美国 临时专利申请案的优先权；且所述美国临时专利申请案特此出于所有目的以引用方式并入 本文中。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种经配置以确定IEEE802. 15. 4射频（RF)包的到达角且定位其源 的无线网络设置。
【背景技术】
[0004] 无线网络，特定来说根据IEEE802标准（举例来说，例如IEEE802. 15且特定来 说，IEEE802. 15. 4)的无线网络，所述标准在50米通信范围内以250kbit/s的发射速率提 供无线网络。存在构建于基本IEEE802. 15. 4标准上的各种实施方案，例如ZigBee、MiWi 及类似物。所述实施方案中的一些实施方案使用专有无线协议且可增强发射速率。无线网 络（例如，（例如）IEEE802. 15. 4网络）中的发射器通常在富无线电波反射环境中操作， 且期望确定此（些）发射器的位置（location)。
【发明内容】
[0005] 因此，需要一种能够确定其发射及/或接收节点的位置（location)的无线网络设 置。
[0006] 根据一实施例，一种用于在无线网络中确定到达角的方法可包括以下步骤：用天 线阵列的多个天线接收多个包，其中所述多个天线中的每一者可依序接收从发射器发射的 所述多个包的符号；在所述所接收的多个包中的每一者的选定部分上测量及补偿载波频 率偏移（CF0);确定来自所述发射器的信号的每一所接收的符号与经重建相位之间的相位 差；且使用所述天线阵列的方向性特性确定所述信号的到达角（AoA)。
[0007] 根据所述方法的又一实施例，所述多个包可在多个不同频率上发射以减小影响所 述AoA的确定的多路径传播。根据所述方法的又一实施例，可包括将每一所接收包的角数 据提供到微控制器的步骤。根据所述方法的又一实施例，所述微控制器可在接收到中断之 后在所述多个天线中的不同者之间进行切换。根据所述方法的又一实施例，接收器可耦合 到所述多个天线中的不同者之间的天线阵列切换器。根据所述方法的又一实施例，可用针 对每一所接收包计算复相关的准相干接收器执行所述确定信号角数据的步骤。根据所述方 法的又一实施例，所述针对每一所接收包计算所述复相关的步骤可包括所接收的所述多个 包中的每一者的相关量值及角。根据所述方法的又一实施例，可延迟所述微控制器的中断 以补偿处理等待时间及天线切换时间。根据所述方法的又一实施例，耦合到所述天线阵列 的所述接收器可使在所述多个天线中的所述不同者之间的切换延迟以补偿处理等待时间 及天线切换时间。
[0008] 根据所述方法的又一实施例，所述多个包可包括多个直接序列展频（DSSS)符号。 根据所述方法的又一实施例，所述DSSS符号可为IEEE标准802. 15. 4顺应的。根据所述方 法的又一实施例，可使用所述信号的偏移正交相移键控（0QPSK)调制来发射所述多个包。
[0009] 根据另一实施例，一种用于在无线网络中确定到达角的方法可包括以下步骤：用 天线阵列的多个天线发射多个包，其中所述多个天线中的每一者可将所述多个包的符号依 序发射到接收器；在由所述接收器接收的所述多个包中的每一者的选定部分上测量及补偿 载波频率偏移（CF0);确定来自所述发射器的信号的每一所接收符号与经重建相位之间的 相位差；及使用所述天线阵列的方向性特性确定所述信号的到达角（AoA)。
[0010] 根据所述方法的又一实施例，所述多个包可在多个不同频率上接收以减小影响所 述AoA的确定的多路径传播。根据所述方法的又一实施例，可提供将每一所接收包的角数 据提供到与所述天线阵列相关联的微控制器的步骤。根据所述方法的又一实施例，所述微 控制器可在接收到中断之后在所述多个天线中的不同者之间进行切换。根据所述方法的又 一实施例，耦合到所述天线阵列的发射器可在所述多个天线中的不同者之间进行切换。根 据所述方法的又一实施例，可用针对每一所接收包计算复相关的准相干接收器执行所述确 定信号角数据的步骤。根据所述方法的又一实施例，所述针对每一所接收包计算所述复相 关的步骤可包括所接收的所述多个包中的每一者的相关量值及角。根据所述方法的又一实 施例，可延迟所述微控制器的中断以补偿处理等待时间及天线切换时间。根据所述方法的 又一实施例，耦合到所述天线阵列的所述发射器可使在所述多个天线中的所述不同者之间 的切换延迟以补偿处理等待时间及天线切换时间。根据所述方法的又一实施例，所述多个 包可包括多个直接序列展频（DSSS)符号。根据所述方法的又一实施例，所述DSSS符号可 为IEEE标准802. 15. 4顺应的。
[0011] 根据又一实施例，一种用于在无线网络中确定到达角的方法可包括以下步骤：在 中断请求之后收集在包的每一符号边界上的角数据；当可接收不具有循环冗余检查（CRC) 错误的包时，将所述角数据推送到缓冲器；从所述缓冲器选择第一包；使用多个天线中的 仅一者估计所述包的第一符号中的残余载波频率偏移（CF0);估计及补偿在所述多个天线 上接收的后续多个符号的CF0 ;用所述多个天线中的相应者将所述所接收的后续多个符 号的样本分组；使用傅立叶（Fourier)估计的整数及增强版本估计关于给定包的到达角 (AoA);将相关对角结果附加到平均总和；从具有最大可能频率差的多个信道上的多个包 收集估计结果以用于频谱求平均；及报告所述频谱求平均的结果。根据所述方法的又一实 施例，可将所述频谱求平均报告提供到用户接口。
[0012] 根据再一实施例，一种用于在无线网络中确定到达角的方法可包括以下步骤：提 供具有多个天线元件的天线阵列；提供用于接收及解调在所述多个天线元件中的至少一者 上接收的多个包的半相干接收器；在用于接收多个包的所述多个天线元件之间进行切换以 确定所述多个包中的每一者的残余载波频率偏移（CF0)，且在所述多个天线元件之间进行 切换以用于确定不同位置处的相关相位值；在每一包的部分上测量残余CF0 ;补偿每一包 的剩余部分的所述残余CF0 ;及基于所述多个天线中的哪些天线接收了所述多个包中的所 述相应者来确定所述所接收包中的每一者的信号角数据。
[0013] 根据所述方法的又一实施例，傅立叶估计的整数及增强版本可确定所接收的所述 多个包的AoA。根据所述方法的又一实施例，所述方法可包括以下步骤：用所述多个天线元 件中的多个天线元件在多个信道上接收多个包以补偿多路径传播；及将所述多个包累加为 总和以执行其频谱求平均。
[0014] 根据另一实施例，一种用于在无线网络中确定到达角的系统可包括：发射器，其用 于发射多个包；天线阵列，其可包括多个天线；天线切换器，其耦合到所述多个天线；接收 器，其耦合到所述天线切换器，其中所述天线切换器将所述接收器一次一个地耦合到所述 多个天线中的每一者；数字装置，其耦合到所述接收器及所述天线切换器；所述接收器用 所述多个天线接收所述多个包，其中所述多个天线中的每一者依序接收从所述发射器发射 的每一包的符号；所述接收器在所述所接收的多个包中的每一者的选定部分上测量及补偿 载波频率偏移（CF0);所述接收器确定来自所述发射器的信号的每一所接收符号与经重建 相位之间的相位差；且所述数字装置使用所述天线阵列的方向性特性确定所述信号的到达 角（AoA)〇
[0015] 根据又一实施例，所述数字装置可为微控制器。根据又一实施例，所述天线阵列可 包括多个贴片天线。根据又一实施例，所述天线阵列可包括四个贴片天线。根据又一实施 例，所述多个贴片天线可制作于绝缘衬底及气隙芯上。根据又一实施例，所述多个贴片天线 可为圆形偏振的。根据又一实施例，所述多个贴片天线中的每一者可间隔开大于半个波长。 根据又一实施例，可在所述多个天线与所述天线切换器之间提供隔离切换器。根据又一实 施例，所述接收器可为针对每一所接收包计算复相关的准相干接收器。根据又一实施例，通 过切换所述多个天线中的每一者来调整所述天线阵列的所述方向性特性。
[0016] 根据又一实施例，一种用于在无线网络中确定到达角的系统可包括：接收器，其用 于接收多个包；数字装置，其耦合到所述接收器；天线阵列，其包括多个天线；天线切换器， 其耦合到所述多个天线；发射器，其耦合到所述天线切换器，其中所述天线切换器将所述发 射器一次一个地耦合到所述多个天线中的每一者；所述发射器用所述多个天线发射所述多 个包，其中所述多个天线中的每一者发射包括符号的包；所述接收器在所述所接收的多个 包中的每一者的选定部分上测量及补偿载波频率偏移（CF0);所述接收器确定来自所述发 射器的信号的每一所接收符号与经重建相位之间的相位差；且所述数字装置使用所述天线 阵列的方向性特性确定所述信号的到达角（AoA)。
[0017] 根据又一实施例，所述数字装置可为微控制器。根据又一实施例，所述接收器可为 针对每一所接收包计算复相关的准相干接收器。根据又一实施例，可通过切换所述多个天 线中的每一者来调整所述天线阵列的所述方向性特性。
【附图说明】
[0018] 可通过结合所附图式参考以下说明获取对本发明的更完整理解，其中：
[0019] 图1图解说明根据本发明的特定实例性实施例的用于在无线网络中确定信号的 到达角的系统的示意性框图；
[0020] 图2图解说明根据本发明的另一特定实例性实施例的用于在无线网络中确定信 号的到达角的系统的部分示意性框图，其中定位器在单独天线上依序发射包且单个天线接 收器确定其到达角；
[0021] 图3图解说明根据本发明的特定实施例的接收器架构的示意性框图；
[0022] 图4图解说明根据本发明的特定实例性实施例的四元件贴片天线阵列；
[0023]图5图解说明根据本发明的特定实例性实施例的在使用四个⑷贴片天线元件的 傅立叶估计的笛卡尔（Descartes)坐标平面中所展示的示意性图表；
[0024]图6图解说明根据本发明的特定实例性实施例的使用四个⑷贴片天线元件的傅 立叶估计的极坐标平面中所展示的示意性图表；
[0025]图7图解说明根据本发明的特定实例性实施例的使用两个（2)贴片天线元件的傅 立叶估计的笛卡尔坐标平面中所展示的示意性图表；
[0026]图8图解说明根据本发