发明领域
[0001] 本发明总体上涉及无线通信系统，并且特别地涉及用于基于无线网络
信号进行
定位的方法。
[0002] 背景
[0003]
现有技术中已知有用于找出移动无线收发器(诸如，蜂窝电话)的
位置的各种技术。例如，现在几乎所有的蜂窝电话都具有全球定位系统(GPS)接收机，该接收机根据从
地球同步卫星接收的信号导出位置坐标。然而，由于GPS对微弱
卫星信号的依赖，如果完全在室内以及在拥挤的城市环境中，GPS工作不佳。蜂窝网络还能够基于在蜂窝电话和多个蜂窝天线之间接收或发射的信号来对电话位置进行三角测量(triangulating)，但是这种技术不精确且不可靠。
[0004] 已经提出了用于基于现有的无线局域网(WLAN)
基础设施进行室内定位的许多方法。例如，由Kotaru等人在SIGCOMM'15(英国伦敦，2015年8月17日至21日)发表的“SpotFi:Decimeter Level Localization using WiFi”中描述的一种这样的方法。据作者介绍，SpotFi计算从接入点接收的多径分量的到达角(AoA)，并使用滤波和估计技术来识别定位目标和接入点之间的直接路径的AoA。
[0005] 作为另一示例，美国
专利申请公开2009/0243932描述了一种用于确定移动设备的位置的方法。该方法包括在多个已知位置之间发射信号，并在位置未知的设备(诸如，移动设备)处接收信号。该信号可以包括多个频调(tone)，该多个频调具有不同
频率并导致残余
相位差的集合。可以使用已知位置以及发射的频调之间的频率和
相位差来确定移动设备的位置。在一个
实施例中，可以在接入点和移动设备之间使用OFDM信号来确定移动设备的位置。
[0006] 作为另一示例，美国专利申请公开2016/0033614描述了一种涉及在无线通信网络中识别主瓣(main lobe)和栅瓣(grating lobe)的测向(DF)定位的方法。接收机在第一信道频率上对与多个天线相关联的无线
电信号执行DF
算法，并估计第一组DF解。接收机在第二信道频率上对与多个天线相关联的无线电信号执行DF算法，并估计第二组DF解。然后，接收机通过比较第一组DF解和第二组DF解来识别正确的DF解(例如，主瓣方向)。
[0007] 大多数当前的WLAN是根据由IEEE颁布的802.11标准集合运行的。在该系列中，IEEE 802.11n-2009标准(通常简称为“802.11n”)定义了使用多个天线以借助于“多输入多输出”(MIMO)发射和接收来提高
数据速率。MIMO借助于空分复用(SDM)使发射机和接收机能够一致地解析比使用单个天线可能解析的更多的信息，该空分复用在一个带宽的
频谱信道内对多个独立的数据流进行空分复用。较新的802.11ac标准同样支持MIMO传输，其比802.11n有更多的空间流和更高的传输速率。
[0008] 概述
[0009] 下文描述的本发明的一些实施例提供了用于从无线接入点信号中提取方向信息的改进方法，以及导出并利用这种信息的设备和系统。
[0010] 因此，根据本发明的实施例，提供了用于
信号处理的方法，该方法包括在给定位置处接收分别从无线发射机的至少第一天线和第二天线发射的至少第一信号和第二信号。该至少第一信号和第二信号使用在发射信号之间有预定义的循环延迟的多载波编码方案对相同的数据进行编码。使用循环延迟来处理接收的第一信号和第二信号，以便导出第一信号和第二信号之间的
相位延迟的度量。基于相位延迟的度量，估计第一信号和第二信号从无线发射机到给定位置的离开角(angle of departure)。
[0011] 在一些实施例中，接收至少第一信号和第二信号包括经由单个接收天线(诸如，安装在
移动电话中的全向天线)接收至少第一信号和第二信号。
[0012] 附加地或可替代地，多载波编码方案包括
正交频域复用(OFDM)方案。在一些实施例中，发射机是根据802.11标准操作的无线接入点。
[0013] 在所公开的实施例中，处理接收的第一信号和第二信号包括在所接收的信号中选择至少两个时频点(time-frequency bin)，并且响应于所选择的点(bin)的相应的循环移位来计算相位延迟的度量。在一些实施例中，选择至少两个时频点包括在由发射机发射的
帧内的不同的、相应的第一符号和第二符号中，以多载波编码方案内
选定的频率对第一点和第二点进行
采样。在其他实施例中，选择至少两个时频点包括在由发射机发射的帧内的选定的符号中，以多载波编码方案内不同的、相应的第一频率和第二频率对第一点和第二点进行采样。
[0014] 在公开的实施例中，选择至少两个时频点包括基于标准循环移位选择具有对极相位(antipodal phase)的第一点和第二点。附加地或可替代地，计算相位延迟的度量包括对从所选择的时频点中提取的信号应用线性变换。
[0015] 在其他实施例中，处理所接收的第一信号和第二信号包括计算第一信号和第二信号的时间相关函数，并且响应于该时间相关函数中峰值之间的时间差来找出相位延迟的度量。在公开的实施例中，根据无线通信标准，对信号中以预定义周期重复的一个或更多个符号来计算相关性，由此时间相关性函数中的峰值具有对应于预定义周期的周期性，并且找出度量包括响应于周期性识别一对或更多对峰值，使得每对峰值之间的时间差对应于预定义的循环延迟。
[0016] 时间相关函数可以选自由自相关函数和与预定义参考信号的互相关组成的函数组。附加地或可替代地，该方法包括基于峰值的数量及其在时间相关函数中的相对位置，找出从无线发射机发射信号的天线的数量和/或顺序。可以对给定帧的前导码的至少一部分来计算相关性，以便在接收信号中进行处理，例如对由无线通信标准定义的前导码中的一个或更多个同步符号来计算相关性。
[0017] 在一些实施例中，根据无线通信标准发射第一信号和第二信号，该无线通信标准规定包括预定义前导码(preamble)的帧结构，并且处理所接收的第一信号和第二信号包括选择给定帧的前导码的至少一部分进行处理。
[0018] 附加地或可替代地，接收并处理至少第一信号和第二信号包括在移动
站点(mobile station)中接收并处理至少第一信号和第二信号，而无需在移动站点和接入点之间建立关联。在一个实施例中，接收并处理至少第一信号和第二信号包括根据预定义的无线通信标准接收从至少第一天线和第二天线发射的信标(beacon)。
[0019] 在一些实施例中，该方法包括接收关于无线接入点的位置信息，并基于所接收的位置信息和所估计的离开角来计算给定位置的坐标。典型地，计算坐标包括基于关于两个或更多个不同的无线接入点的所接收的位置信息和所估计的离开角来找出坐标。
[0020] 附加地或可替代地，该方法包括从所接收的第一信号和第二信号中的至少一个中提取无线接入点的标识符。在一个实施例中，该方法包括向
服务器报告标识符和所估计的离开角，以并入到包含多个接入点的相应位置的地图中。
[0021] 根据本发明的实施例，还提供了用于绘制地图的方法，该方法包括从在相应位置处的一组无线通信设备接收由无线通信设备从无线接入点接收的信号的相应估计的离开角的报告。基于估计的离开角构建无线接入点的地图。
[0022] 在公开的实施例中，无线通信设备包括具有单个天线的移动站点，而无线接入点各自都具有多个天线，并且基于由多个天线发射的信号之间的预定义的循环延迟来估计离开角。
[0023] 附加地或可替代地，接收报告包括从无线通信设备接收无线接入点的相应标识符和信号被接收到之处的无线通信设备的位置坐标。
[0024] 在一些实施例中，该方法包括向无线通信设备中的一个或更多个提供来自地图的位置信息。在一个实施例中，提供位置信息包括基于由无线通信设备从给定接入点接收的信号的所估计的离开角以及给定接入点在地图中的位置来识别无线通信设备的位置坐标。
[0025] 根据本发明的实施例，还提供了无线设备，该无线设备包括接收天线，其被配置为在给定位置处接收分别从无线发射机的至少第一天线和第二天线发射的至少第一信号和第二信号。该至少第一信号和第二信号使用在发射信号之间有预定义的循环延迟的多载波编码方案对相同的数据进行编码。处理
电路被配置为使用循环延迟来处理所接收的第一信号和第二信号，以便导出第一信号和第二信号之间的相位延迟的度量，并且基于相位延迟的度量来估计第一信号和第二信号从无线发射机到给定位置的离开角。
[0026] 根据本发明的一个实施例，还提供了用于绘制地图的装置，该装置包括
存储器和处理器，该处理器被配置为从相应位置处的一组无线通信设备接收由无线通信设备从无线接入点接收的信号的相应估计的离开角的报告，并且基于估计的离开角在存储器中构建无线接入点的地图。
[0027] 根据结合
附图进行的本发明的实施例的以下详细描述，本发明将得到更全面地理解，其中：
[0028] 附图简述
[0029] 图1是根据本发明实施例的用于无线通信和定位的系统的示意性图示；
[0030] 图2是根据本发明实施例的示意性图示了用于导出无线信号从接入点到接收机的离开角的
坐标系的示意图；
[0031] 图3是根据本发明实施例的示意性图示了用于导出关于无线接入点的坐标信息的移动接收机的组件的
框图；
[0032] 图4是根据本发明另一实施例的示意性图示了用于导出关于无线接入点的坐标信息的移动接收机的组件的框图；以及
[0033] 图5是根据本发明实施例的图1的系统的组成部分的示意性图示，其图示了用于找到移动通信设备的位置的方法。
[0034] 实施例的详细描述
[0035] 概要
[0036] 诸如由802.11n标准定义的MIMO SDM方案的实现对于每个空间流在发射机和接收机处都需要分立的天线。可替代地，可以调整流的相位，以实现接入点和移动站点之间的定向波束形成，从而最大化接收机处的信号。然而，许多移动设备(诸如，支持WiFi的智能手机)只有一个全向天线，因此本身不能支持MIMO或定向传输。
[0037] 除了主动形成朝向接收机的波束之外，802.11n标准还定义了防止无意波束形成(unintentional beamforming)的方案，如果在各个空间流中传输的数据无意中形成了相关模式，例如如果流的数量小于天线的数量，则可能发生无意波束形成。与有意波束形成(intentional beamforming)不同，由无意波束形成产生的零点和波瓣的模式可能不以最大化接收机处的信号的方式而被定向，因此可能不利于接收。为了避免无意波束形成，802.11n标准应用循环延迟分集(CDD)以使IFFT编码的数据流相对于每个天线偏移不同的恒定的非相关延迟。在由802.11n标准规定的多载波调制系统(称为正交频域复用(OFDM))中，通过添加时间上的预定义的循环移位来应用CDD，该循环移位影响每个天线上的每个载波，并被等效地称为循环移位分集(CSD)。
[0038] 尽管引入CDD作为避免多天线无线信号的非期望方向性的手段，但是本文描述的本发明的实施例利用接收信号中的CDD仅用于相反的目的：估计发射信号的接入点的角度定向。该角度定向是根据离开角来定义的，即发射波束的方向和发射接入点的轴(由穿过发射天线的位置的线来定义的)之间的角度。对发射机的离开角的这种测量与本领域中已知的用于确定信号在接收机处的到达角的技术是相对的。使用本文描述的技术，即使当经由单个接收天线(诸如，通常安装在移动电话中的那种全向天线)接收来自发射天线的信号时，也可以找出离开角。
[0039] 下文描述的本发明的实施例具体提供了用于找出分别从无线接入点的多个天线发射并在给定位置处接收的多个信号的离开角的方法。发射的信号至少部分地对相同的数据进行编码，其中每个天线在发射的信号之间有预定义的循环延迟。通常根据已知的无线通信标准来定义并发送数据，使得数据的至少一部分以及循环延迟是可预测的。例如，802.11标准规定了包括预定义前导码的帧结构，在本上下文中，接收机可以选择该预定义前导码进行处理。
[0040] 接收机使用已知的循环延迟来处理接收到的信号，以便导出信号之间实际
相移的度量。该相移反过来又指示信号到达接收机时通过(traverse)的路径长度上的差别。发射天线之间的间距也是已知的：通常为λ/2(发射的无线电信号的
波长的一半)。因此，基于相移的度量，连同天线之间的已知距离和已知的循环延迟量，可以估计信号从无线接入点到接收机位置的离开角。
[0041] 在一些实施例中，信号是多载波信号(诸如在802.11n标准中使用的那种OFDM信号)，因此通过对不同的天线应用不同的、各自的循环移位来实现循环延迟。在这种情况下，接收机能够通过在接收的信号中适当地选择两个时频点并通过使用由多个天线发射的点的相应循环移位来计算相移的度量，来估计天线之间的相移。通过点的明智选择，可以通过例如对提取的频点(frequency bin)应用简单的线性变换来计算离开角。为此目的，基于由适用标准定义的循环延迟来选择点，以便具有对极的循环移位是有利的。
[0042] 在本
说明书的上下文中和
权利要求书中使用的术语“时频点”是指在从发射机发射的帧开始的给定的、预定义的时间处，以给定的、预定义的频率获取的接收信号的采样。两个时频点可以频率相同或频率不同，并且可以在相同或不同的时间出现。例如，在
802.11OFDM传输中，在通过快速傅立叶逆变换(IFFT)(诸如对于20MHz的802.11OFDM，N＝
64)转换到时域之前，以频率的形式将点定义为在数据编码中使用的N个预定义复数之一。
OFDM系统中的IFFT
编码器(其将频域信号转换为时域信号)的输入是固定大小的复数集合，每个复数对应于一个频点。
[0043] 因此，在一些实施例(称为“时域”实施例)中，通过在不同的、相应的OFDM符号处对多载波编码方案内的选定的频率进行采样来定义两个点，该OFDM符号由发射机发射的帧内的不同的、相应的循环(时间)移位来编码。在其他实施例(称为“频域”实施例)中，通过在发射帧内的相同选择的OFDM符号处对多载波编码方案内的两个不同的频率进行采样来定义两个点。
[0044] 在其他实施例中，接收机通过计算时间相关函数(诸如，自相关或与参考信号的互相关)并在相关性中找出由适当的时间差(由循环延迟决定)分开的峰值，来估计天线之间的相移。如由适用标准所定义的，可以有利地通过帧前导码来对相关函数进行计算，特别是通过前导码中具有良好相关性
质量的同步符号来进行计算。相关性中峰值的数量和预期位置也可以用于找出由无线发射机在发射信号中所使用的天线的数量。
[0045] 本技术的另一优点在于，它们能够在移动站点中接收并处理接入点信号，以便测量离开角，而无需在移动站点和接入点之间建立关联。换句话说，移动站点可以简单地无声地捕获信号，而不将信号发射回接入点，并且可以使用已知的标准前导码结构和循环延迟来分析信号。即使在移动站点没有与接入点通信的情况下，移动站点也可以根据某些802.11标准将该分析应用于例如由接入点发射的信标。可替代地，移动站点可以接收并分析被引导到其他移动站点的信号。
[0046] 尽管离开角本身并不唯一地识别发射接入点的位置，但是来自不同的、已知的接收机位置的离开角的多次测量可以用于通过三角测量来找出接入点位置。因此，本发明的一些实施例提供了通过组合来自不同接收机位置的离开角的多个测量结果来对接入点位置绘制地图的方法。由接入点发射的信号还(例如，通过宣告(announce)基本服务集标识符—BSSID)识别接入点，以便每个接入点的标识可以与其位置相关联。
[0047] 同样，当接入点的位置已知时，使用上述技术，通过测量从这些已知接入点中的两个或更多个到接收机的离开角，可以找出接收机的位置。因此，一旦对某个区域中的接入点的位置绘制了地图，接收机(诸如，移动电话)就可以基于它们从接入点接收的信号在该区域中精确地找出它们自己的位置(即使没有如上所述与接入点的关联或以其他方式回传)。因此，这种接入点的地图可以用于精确并便利的地理定位，而不依赖于GPS，例如在室内和城市位置。
[0048] 尽管为了具体和清楚起见，下文描述的实施例具体涉及802.11无线接入点，但本发明的原理可以(加以必要的
修改)类似地应用于使用多载波编码方案发射信号的其他类型的多天线发射机。例如，在本发明的可替代实施例中，接收机可以被配置成测量根据适用标准发射OFDM信号的多天线蜂窝基站的离开角。本原理的所有这些可替代实施方式被认为在本发明的范围内。
[0049] 系统描述
[0050] 图1是根据本发明实施例的用于无线通信和定位的系统20的示意性图示。举例来说，图1示出了典型的室内或城市环境，其中通常由不同的WLAN所有者彼此独立地部署多个接入点22、24、26、…。来自接入点的信号由移动站点28、30、…接收，这些移动站点由在系统20内自由移动的用户32操作。在图示的实施例中，站点28、30、…被示为智能手机；但是可以以类似的方式使用其他类型的移动设备(诸如，膝上型计算机和平板计算机)，并且可以如下所述类似地对接入点22、24、26、…的离开角绘制地图。
[0051] 如图1所示，假设系统20中的接入点22、24、26、…符合802.11n标准，每个接入点具有两个或三个天线34。本发明的原理同样适用于802.11ac接入点，其可以具有甚至更多数量的天线。尽管本文描述的用于对离开角绘制地图的技术可以类似地由多天线站点实现，但移动站点28、30、…各自都假设具有单个全向天线36。
[0052] 移动站点28、30、…处理从天线34接收的信号，以便估计来自相应接入点22、24、26、…的信号的离开角，以及提取关于每个接入点的识别信息(诸如，BSSID)。如下文进一步描述的，移动站点能够执行这些功能，而不必与接入点关联。
[0053] 另一方面，出于互联网通信的目的，移动站点28、30、…可以与接入点22、24、26、…中的一个或更多个关联。可替代地或附加地，移动站点可以经由蜂窝网络或其他连接
访问互联网。在任何情况下，移动站点28、30、…将它们收集的离开角数据和接入点标识经由网络38传送到地图服务器40。此外，移动站点可以将它们当前的(例如，根据GPS信号或者根据由服务器提供的接入点或基站的已知位置导出的)位置坐标传送给地图服务器。该信息可以由在移动站点的后台运行的合适的应用程序(“app”)自主地且自动地收集并报告。
[0054] 服务器40通常包括通用计算机，该计算机包括可编程处理器42和存储器44。通常在处理器42上运行的
软件中实现本文描述的服务器40的功能，该软件可以存储在有形的、非暂时性的计算机可读介质上，诸如光学介质、
磁性介质或
电子存储器介质。
[0055] 基于由移动站点28、30、……通过网络38传送的离开角信息、接入点标识和位置坐标，处理器42在存储器44中建立接入点位置和定向的地图。随着越来越多的用户32下载应用程序并将信息传递到服务器40，通过从
种子信息的初始基础引导的过程，地图将在接入点数据的地理范围和精确度方面都有所增长。基于该地图，服务器40还可以基于由移动站点在任何给定时间接收到的接入点信号，经由在它们的移动站点上运行的应用程序来向用户32提供位置和导航信息。
[0056] 用于估计离开角的基于频率的方法
[0057] 图2是根据本发明实施例的示意性图示了用于导出无线信号从接入点24到移动站点28的离开角的坐标系的图。选择该特定对的接入点和移动站点纯粹是为了方便起见，并且类似的原理将适用于任何给定的对。尽管接入点24被示为具有两个天线34(标记为Tx1和Tx2)，但是相同的几何原理适用于具有以线性阵列布置的三个或更多个天线的接入点。
[0058] 天线34将阵列轴线(array axis)定义为穿过天线底部的线。沿阵列轴线以已知的距离d将天线分开，该距离通常被设计为半个波长，例如，在标准的2.4GHz的WLAN频率下为λ/2＝6.25cm。如图2所示，信号从天线34到移动站点28的天线36的离开角θ是相对于阵列轴线的法线取的。假设从接入点24到移动站点28的距离远大于d，则从Tx1到天线36(称为Rx)的路径长度相对于从Tx2到天线36的路径长度将有d*sinθ的差值。
[0059] 例如，假设从Tx2到Rx的路径长度为6.0000m，θ＝30°，则从Tx1到Rx的稍长的路径将为6.03125m。该路径差转化为90°相位差： 6m上的传播延迟为L/C＝6米/(0.3米/纳米)＝20纳秒。来自Tx1和Tx2的两条路径都经历了作为频率的函数的线性相移，假设该线性相移在f0＝2.412GHz时为零，并且在f1＝2.432GHz时线性增长到φ＝(360°*20纳秒)/50纳秒＝144°，其中T＝50纳秒＝1/20MHz由两个频率之间的差值B＝20MHz给定。由于路径长度不同，两条路径上两个频率之间的线性相移
是两个频率上较长路径的90°恒定相移之外的相移。(实际上，因为波长稍长，线性和恒定的相移在2.432GHz时都稍大，但该影响可以忽略，因为B＜＜f0。)
[0060] 此外，根据802.11n标准，不同的循环移位将被应用于由Tx2相对于Tx1发射的OFDM信号。Tcs<0纳秒的循环移位相当于频点k乘以 其中，n＝-B*Tcs，且N＝64是频点的数量。如下所述，在给定标准循环移位的情况下，选择具有对极关系的频点是有利的，这意味着在所讨论的点中在Tx1和Tx2之间存在完美的180°移位。类似地，在三天线排列(constellation)中，标准规定了Tx2和Tx3相对于Tx1应用不同循环移位。从Rx天线36的视角来看，无法预先知道哪个天线34是Tx1，哪个是Tx2(或Tx3)。有两种可能的两个天线(2Tx)的物理排列：(1，2)和(2，1)，即天线阵列可以相对于接收机翻转(flip over)。有六种可能的三天线(3Tx)排列：(2，1，3)、(1，2，3)、(1，3，2)及它们的翻转版本(version)。一般来说，在计算离开角时，所有可能的排列都被考虑在内。
[0061] 根据采用OFDM PHY的802.11标准，由接入点发射的数据帧具有前导码，该前导码包括“短训练字段”(STF)和“长训练字段”(LTF)，它们包含由标准
指定的预定义符号序列。802.11a标准定义了帧格式，该帧格式现在被称为“传统”格式，其包括带有L-STF字段和L-LTF字段的传统(L)前导码。802.11n标准定义了被称为“高吞吐量”(HT)的新格式，其具有HT-STF字段和HT-LTF字段。根据802.11n标准操作的接入点可以以传统模式、HT模式(“绿地(greenfield)”)或混合模式来发射帧，其中帧包括传统训练字段和HT训练字段。
[0062] 802.11n标准在传统前导码和HT前导码中定义了以下的每发射天线的循环移位值(Tcs)(参见标准中的表20-9和表20-10)。根据上面给出的公式 对于不同的时频点(n，k)，这些Tcs值依次产生不同的
子载波相移，其中对于20MHz信道，N＝64：
[0063]传统 HT Tcs n k＝0 k＝4 k＝8 k＝16
Tx1 Tx1 0 0 0 0 0 0
Tx2 - -100 2 0 π/4 π/2 π
Tx3 Tx3 -200 4 0 π/2 π 2π
- Tx2 -400 8 0 π 2π 4π
[0064] 表1
[0065] 选定的点之间的对极性(antipodality)(即CDD之后的180°相移)提供了信号之间最大的欧几里德距离(Euclidean distance)，从而增强了抗噪性。
[0066] 本发明的实施例使用两种不同的方法来实现对极性：
[0067] (1)在时域方法中，以某一固定频率在传统OFDM符号中选择点k0和在HT符号中选择点k0。
[0068] (2)在频域方法中，在单个OFDM符号(例如，传统OFDM符号)中，以不同频率选择两个点。
[0069] 对极性为抗噪性提供了最佳欧几里德距离。
[0070] 将天线之间的路径差投射回到发射机天线馈源(antenna feed)，对于双天线情况，两个信号的相位是(0，θ)，或者等效为复数形式（ej0，ejθ)，而在三天线情况下，相位是(-θ，0，θ)，等效于(e-jθ，ej0，ejθ)，其中θ是如图2所示的离开角。对于明智选择的移位和点，将后IFFT(post-IFFT)编码器循环移位投射到发射机“频域”上，给出0或180°的相位。在接收机的单个天线上
叠加从发射机发出的两条或更多条射线。
[0071] 对于两个天线，路径传播、循环移位和叠加的组合效应是1±ejθ形式的信号。对于三个天线，有两种物理上不同的情况：反对称情况(“情况I”)和对称情况(“情况II”)，分别得出e-jθ+1±ejθ或e-jθ±1+ejθ的组合信号。
[0072] 现在回到图2所示的具体双天线示例和上面计算的路径相位差，选择时域中的jπ的自然指数(如表1中的“π”条目所示)，在混合模式帧的L-LTF字段和HT-LTF字段中，在f0＝2.412MHz时，由天线36从天线34Tx1和Tx2接收的信号之间的相移如下：
[0073]Tx L-LTF HT-LTF
1 0° 0°
2 -90° -90°+180°
[0074] 在上面的示例中，天线路径中的-90°的差仅适用于Tx2，而180°是由于循环移位，其仅适用于Tx2上的HT-LTF。
[0075] 在f1＝2.432MHz时，相应接收的信号的相位为：
[0076]Tx L-LTF HT-LTF
1 0°+144° 0°+144°
2 -90°+144° -90°+144°+180°
[0077] 这里额外的144°是由于从发射机到接收机的公共路径上的相移，适用于所有时隙。
[0078] 一旦从接入点24接收到来自频域情况下发射的L-LTF点或者时域情况下的HT-LTF点和L-LTF点的信号，移动站点28就计算Tx1路径和Tx2路径之间的相位差。如图2所示，该差转而又指示信号从接入点24的离开角。下面描述可以用于以这种方式导出离开角的计算方法。
[0079] 图3是根据本发明实施例的示意性图示了用于导出关于无线接入点的坐标信息的移动站点28的组件的框图。下面的描述假设移动站点28具有单个天线36，该天线接收由接入点的两个或三个天线34发射的信号流，但是该实施例的原理可以(加以必要的修改)类似地应用于多天线接收机，以便在测量相同的离开角的同时实现路径分集。如上所述，由移动站点28执行的分析依赖于这样的事实，即从不同天线发射的信号对帧前导码中的相同数据进行编码，其中在发射信号之间有由802.11n标准定义的预定义的循环延迟。
[0080] 如本领域已知的，移动站点28中的前端(FE)电路50放大、滤波并数字化由天线36接收的信号，并将得到的数字采样传递给数字处理电路52。电路52中的快速
傅立叶变换(FFT)电路54将
输入信号分成时频点(n，k)，其中每个频率对应于不同的OFDM子载波，并且每个点中的信号分量的相位由其编码的数据值确定。媒体访问控制(MAC)处理电路56从帧头中提取数据，该帧头包括识别发射帧的接入点的BSSID。电路50、54和56以及数字处理电路52的其他组件是802.11接收机的常规元件，诸如安装在本领域中已知的用于数据接收和发射的支持WiFi的智能电话中的那些元件。为了简洁起见，省略了对理解本发明不重要的接收机的其他元件。
[0081] 由FFT电路54生成的信号复频点被输入到角度估计
块，该角度估计块包括点选择器(bin selector)58、变换模块60和角度微分器61。这些元件将复数值转换成估计的离开角。通常在移动站点28中的可编程处理器上运行的软件中实现它们。如上所述，该软件，连同由已经存在于移动站点中的处理器执行的其他功能，可以是在移动站点上运行的应用程序的一部分。该程序可以存储在有形的、非暂时性计算机可读介质中，诸如光学、磁性或电子存储器介质。可替代地或者另外地，本文描述的角度估计功能的至少一部分可以由专用或可编程
硬件逻辑执行。
[0082] 点选择器58选择待从接收到的信号的前导码中提取的一对时频点(n1，k1)和(n2，k2)，并提取相应的相位值。对于每个点，点选择器计算从两个天线34接收的各个信号之间的复向量yi。两个选定的复点(complex bin)定义了复向量 该复向量被输入到复数变换模块60。尽管可以为此目的选择任何一对点，但是基于已知的循环移位来选择一对点是有利的，在该循环移位中相对相位延迟可以与从接入点发射的信号的离开角在宽角度跨度上线性相关。
[0083] 点的频率之间的差Δk＝k1-k2的选择涉及在热噪声(对于小的Δk很重要)和信道偏差以及对飞行时间(time of flight)的灵敏度(其随着Δk的增加而增加)之间进行折衷。这里提供的数值示例假设选择循环移位以便实现对极性。接入点和接收机之间的无线信道的频率响应例如由于反射的影响，在相位上不是线性的。一般来说，Δk的值越大，由于信道响应的变化，所估计的相位延迟的附加误差就越大。例如，在带宽为20MHz的802.11n信号的情况下，Δk＝8可以实现合理的折衷，这反映了8/64*20MHz＝2.5MHz的频率差。下面的频率组合(k1，k2)满足该标准：(0，8)、(16，8)、(16，24)、(32，40)、(48，40)、(48，56)和(0，56)。然而，由于HT-LTF不填充频率0和32，组合(0，8)和(32，40)不适用。也可以使用形式为(k0，k0+8)的其它点对模式，只要两个前导码点都携带
能量。
[0084] 变换模块60应用线性变换T，以便将复数输入向量转换成输出向量： 该变换的目的是生成一对值 使得x1和x2的相位可以容易地被微分器61提取并减去，以给出估计的离开角：
[0085] 例如，在两个天线元件的情况下，以下变换提供了输出向量的线性估计：
[0086]
[0087] 移动站点28经由网络38向服务器40发送估计的离开角、连同由MAC处理电路56提取的BSSID。此外，移动站点28向服务器40发送关于移动站点的当前位置的信息，如由位置解析模块62所提供的位置信息。例如，模块62可以包括基于卫星信号来输出位置坐标的GPS接收机。附加地或可替代地，可以在处理单元52中的处理器上运行的软件中实现模块62，并且可以基于从已经由服务器40或其他源绘制了地图的其他已知接入点接收的信号来计算移动站点28的当前位置坐标。在任何情况下，服务器40都接收所估计的离开角度数据连同移动站点的当前估计的位置。因此，服务器能够基于由移动站点28(或由多个移动站点)从不同位置报告的多个角度测量结果来找出接入点24的实际位置。
[0088] 离开角估计的示例
[0089] 双天线，混合格式(MF，带传统兼容性的HT)模式
[0090] 在两个发射天线的情况下，时频点对的合理的“时域”选择是(n，k)＝(4，k0)和(8，k0)，其中k0是集合{8，24，40，56}中的任何元素。该选择提供了对极性，即循环移位的相位贡献为0或180°。时间点(time bin)n＝4在传统前导码(L-LTF)中，而点n＝8(400ns*20MHZ)在HT前导码(HT-LTF)中。(点n＝4对应于200ns*20MHZ，其中200ns是由标准规定的CDD，且20MHz是典型的802.11OFDM信道带宽。40MHz、80MHz和160MHz的信道带宽也是可能的。)点的这种选择在两个读数之间产生对极相位，即，对来自测量的点中的两个天线的信号进行求和(或等效地，相减)给出复向量
[0091] 变换模块60将该向量线性变换成 因此，所估计的离开角为
[0092] 三天线，MF模式
[0093] 情况I
[0094] 假设以(1，3，2)或(2，1，3)的顺序或这些顺序的翻转版本沿着发射接入点的轴线排列天线34，则选择与前面示例中相同的时频点。在所有这些情况下，从点对(n，k)＝(4，k0)和(8，k0)中提取相位将得出以下复向量： 产生这一结果的原因是天线Tx1和Tx3具有相同的循环移位(n＝4)，而Tx2具有n＝8的循环移位，这对于上述k0值的集合产生完整的180°旋转。
[0095] 在模块60中应用与前述示例中相同的变换会产生角度向量：
[0096]
[0097] 因此，
[0098] 情况II
[0099] (1 ，2 ，3 ) 的 阵 列 排 列 及 其 翻 转 情 况 产 生 以 下 相 位 向 量 ：在这种情况下，模块60应用变换 该变换生成作
为相位的函数的角度的非线性S曲线，跨越 该曲线围绕视轴(boresight)方向(即，垂直于图2所示阵列轴线的方向)对称。换句话说，对于给定的相位延迟，离开角具有唯一对应的绝对值，其中符号可以是正的或负的。
[0100] 通过频域分析可以获得类似的结果：如上面表1所示，当使用HT-LTF的不同频点时，来自每个天线的信号被循环移位不同的延迟。Δk＝8的情况在相移上与上面分析的三天线时域情况相同，相移为0和π：
[0101]
[0102] 点(n，k)＝(8，0)和(n，k)＝(8，8)导致与上述时域情况I相同的相位组合：具有与上面相同的角度估计器。所得到的估计器完全是线性的，
其中输出跨度为3π，且全跨度设置在π的倾斜度(slant)上。
[0103] 三天线，传统模式
[0104] 在传统模式中，接入点24周期性地发送信标，通常大约每100ms发送一次。因此，因为信标的发送与移动站点的任何关联无关，移动站点28可以有利地接收并处理这些信标，以找出接入点24的离开角。此外，因为总是以20MHz的带宽发送信标，所以接收机可以不知道用于数据的实际带宽(例如，其可以是20MHz、40MHz、80MHz或160MHz)。
[0105] 在L-LTF的情况下，Tx2相对于Tx1的循环移位为100ns，以及Tx3相对于Tx1的循环移位为200ns，分别如下：
[0106] n Tcs k＝0 k＝16
e-jθ 0 0 1 1
ej0 2 -100 1 -1
+jθ
e 4 -200 1 1
[0107] 因此，对于Δk＝16(两倍于上面关于HT的
频率偏移Δk＝8)，相位模式与上面情况I相同。
[0108] 天线排列
[0109] 当由变换模块60应用时，上述变换给出离开角的估计，但不一定解析发射天线排列的实际配置。因此，数字处理单元52可以应用附加的并行估计器，以便区分一个、两个和三个发射天线，并且在三个天线的情况下，区分上面定义的情况I和情况II。
[0110] 在本发明的一个实施例中，变换模块60通过在时域中应用不同的线性变换来提取天线排列：三天线情况II中，没有变换会导致任何离开方向上的输出差为0或π。在双天线的情况下，以下变换导致任何离开方向上的输出差为0或π：
[0111] 确定天线元件的数量及其线性排列(formation)的第二方法是基于使用多个时频对(n，k)，所有这些时频对都提供无偏的离开时间估计。例如，在上述使用点(n，k0)和(n，k0+8)的频域方法中，k0＝0，1，2，…，55的值可以用于承载能量的点(n＝4且N＝64)。
[0112] 通常不可能确定在双天线情况下，天线顺序是(1，2)还是(2，1)。然而，通过使用同一接收机或不同位置处的多个不同接收机对离开角进行多次测量，可以容易地解决顺序的模糊性。
[0113] 使用上述技术，三天线发射机可以容易地与双天线发射机区分开来：由于在双天线设备和三天线设备中使用不同的循环延迟，单个MF分组的接收并处理足以在上述时域估计和频域估计之间应用交叉校验(crosscheck)。对于时域估计和频域估计，只有正确的天线估计器(双天线或三天线)才会给出相同的结果。
[0114] 用于估计离开角的基于相关性的方法
[0115] 图4是根据本发明的可替代实施例的示意性图示了用于导出关于无线接入点的坐标信息的移动站点28的组件的框图。如在前面的实施例中，下面的描述假设移动站点28具有单个天线36，该天线接收由接入点的两个、三个或更多个天线34发射的信号流。由移动站点28执行的分析依赖于这样的事实，即从不同天线发射的信号对帧前导码中相同的数据进行编码，其中在发射信号之间有由适用标准(诸如，802.11n、802.11ac或者已经或将来可能颁布的其他标准)定义的预定义的循环延迟。用相同的参考数字来标记与图3的实施例中的相应元件具有相同结构和功能的图4所示的移动站点的元件，并且为了简洁起见，从下面的描述中省略。
[0116] 根据802.11n标准，本实施例利用由发射机(诸如，接入点24(图2))发射的每个帧的前导码中存在的同步符号。这些同步符号具有良好的相关性质量，这意味着通过帧计算的相关函数具有尖锐的、明确的(well-defined)峰值。在同步符号中，首先发送传统短训练字段(STF)。可以使用短相关器来检测该字段的精确定时，并且在估计粗略频率偏移时是有效的。随后的传统长训练字段(LTF)需要五倍长的相关器，并且还用于符号对准和信道估计。
[0117] 源自不同发射机天线34的信号在时间上几乎完全重叠：典型的分组持续时间约为200μs，而循环移位量仅约为200ns(千分之一长)。然而，LTF的去相关时间甚至更短，并且受到信道带宽的物理限制，信道带宽至少为20MHZ，在时间上对应于50ns。传统LTF包括64元素复向量的两次半重复，在20MHz下总共有160个时间采样。因此，由天线36接收的信号和LTF参考信号之间的互相关性将呈现两个强峰值，间隔64个采样，并且较弱的峰值离得更远。传统STF包括16元素复向量的十次重复，在20MHz下总共160个时间采样，并产生许多互相关峰值。
[0118] 在802.11n的情况下，如上所述，相同的数据由所有天线34发射，其中每个天线有唯一的循环移位。两个天线的传统循环移位为200ns，其相当于20MHz下四个采样的间隔(在上面的表1中列出了其他循环移位值)。只要信号之间的循环移位大于去相关时间(在本示例中，为50ns)，相关器就可以区分由不同天线发射的携带相同数据(例如，同步符号)的信号。因此，在接收机(移动站点28)处计算的相关函数对于每个发射天线34都将具有峰值，该峰值由天线之间的精确相对循环移位分开(假设信道多径效应很小，例如室内预期的那样)。
[0119] 图4的实施例中的数字处理电路70利用这些相关特性来提取由天线34发射的信号之间的相位差，从而提取离开角θ(如图2所示)。相关器72对由前端50输出的
数字化信号应用相关函数。例如，相关器72可以计算数字化信号的
时移自相关，或者可以计算数字化信号和参考之间的互相关。峰值分析器74识别相关性中的峰值，从而能够确定由不同天线发射的信号之间的循环移位。例如，如上所述，通过802.11n前导码中的传统LTF计算的相关函数，由于64元素LTF符号向量的重复，将具有一对间隔64个采样的峰值，连同由于天线之间的-200ns的循环移位而由四个采样移位的附加峰值。
[0120] 相关器72将从前端50接收的复数输入乘以已知信号的共轭，并对几十个采样进行积分。峰值分析器74测量相关器输出中给定
时间窗口内的N个最强峰值的出现时间(epoch)，并试图定位出现时间间隔四个采样(由于已知的-200ns的循环移位)和出现时间间隔64个采样(由于发射的传统LTF符号的固有重复，其中有64个采样的2.5倍副本(replica)，总共两个符号且160个采样)的预期模式。因此，两个天线的组合模式将在位置{0，4，64，68}处给出峰值。峰值分析器74还可以处理一些峰值丢失的情况(例如，当发射机只具有一个天线时)和一些峰值是幻象(phantom)(不是源自感兴趣的发射机或者来自发射机的实际信号的旁瓣(sidelobe))的情况。
[0121] 在本发明的一个实施例中，峰值分析器74应用两阶段程序：
[0122] 峰值分析器74首先应用符号对齐(SA)来决定哪个输入采样是分组的第一符号中的第一采样。如上所述，SA查找64个符号的传统LTF重复。可选选地，因为以精确的发射机时钟速率对接收到的信号进行时间采样，但是不与其对准(并且因此可能有长达半个时钟周期的偏差(skewed))，所以峰值分析器74可以被配置成容许时间上高达一个采样误差，例如，可以接受63或65个采样的时间差，而不是标称64个采样的时间差。
[0123] 为了执行SA阶段，峰值分析器74可以应用以下算法：在预定义的时间窗口内提取四个最强峰值，按时间(不是信号强度)升序排列n0、n1、n2和n3。将“良好对(good pair)”定义为间隔63、64或65个采样的一对出现时间。
[0124] A：如果(n3，n1)是良好的，则选择n3。
[0125] B：否则，如果(n2，n0)是良好的，则选择n2。
[0126] C：否则，如果(n2，n1)是良好的，则选择n2。
[0127] D：否则，如果(n3，n0)是良好的，则选择n3。
[0128] E：否则，如果(n1，n0)是良好的，则选择n1。
[0129] A是任意决定；C推测第三个峰值太弱；D推测中间有幻象信号；E推测发射机只具有一个天线。
[0130] 一旦建立了符号对准，从而识别了第一符号的第一采样，处理电路70就可以找出采样位置{0，4}处的两个早期峰值之间的载波相位差(如果两者都存在)，和/或采样位置{64，68}处的两个后期峰值之间的载波相位差(如果两者都存在)。如下所述，该相位差用于估计离开方向。这两个估计值也可以(例如，通过平均)被组合用于提高
精度。
[0131] 离开方向(DD)检测：如上所述，基于成功的SA，如果任意一对峰值{0，4}或{64，68}幸存下来(即，位置0和4处的两个峰值或位置64和68处的两个峰值，或者更好的是，所有四个峰值都足够强到被考虑)，则可以提取离开角。在这种情况下，DD算法从可用的一对或多对峰值提取离开角。当两对都可用时，相应的估计可以(例如，通过平均或滤波)被简化为单个、更好的估计。
[0132] 相位提取电路76使用相对峰值位置来估计发射信号的每个副本(诸如，分别由图2中的天线Tx1和Tx2发射的副本)的载波相位。由于路径差dsinθ，两个信号之间的相位被偏移。假设在天线36处从Tx1和Tx2接收的信号在强度上大致相等(以避免与相关旁瓣混淆)，电路76可以使用信号和LTF的适当移位版本之间的相关性来对来自两个天线的信号执行单独的载波相位估计。载波相位差指示小的路径差dsinθ，因此可以由电路76用于提取离开角θ。可替代地，已知在发射信号中的任何其他合适的符号可以以这种方式(在原始和循环移位版本中)用于估计信号之间的相位差。
[0133] 处理电路70通常不具有关于发射天线34的排列的预先信息。例如，接入点24可以包括如图2所示的两个天线或者三个或更多个天线。峰值分析器74可以通过找出由相关器72计算的相关函数中峰值的数量和相对位置来解析接入点的阵列中的天线数量。
[0134] 此外，在天线的线性阵列中，循环移位可以沿着线以任何顺序应用于天线。在双天线的情况下，交换天线的顺序将导致无法区分的镜像角度估计。在多于两个天线的情况下，当移动站点28位于远场中时，处理电路70能够根据循环移位和相位差推断出天线的实际顺序。因此，处理电路70将能够基于相对循环移位来区分天线顺序为1-2-3的阵列和顺序为1-3-2的阵列，但是仍然不能区分1-2-3和3-2-1。可以通过在不同接收机位置处测量来自相同接入点24的信号来填充缺失的信息。
[0135] 系统应用
[0136] 图5是根据本发明实施例的图1的系统的组成部分的示意性图示，其图示了用于找出移动通信设备80的位置的方法。该方法假设接入点22、24和26各自的位置坐标和BSSID已经由服务器40基于由其他移动站点先前进行的离开角测量和/或其他输入数据进行了绘制地图。
[0137] 设备80从接入点22、24和26中的每一个接收多天线信号，并使用上述技术提取每个接入点的相应离开角(在图中标记为θ1、θ2和θ3)连同各自的BSSID。设备80经由网络38向服务器40报告这些发现，服务器40返回相应的位置坐标。服务器可以返回接入点的位置坐标，在这种情况下，设备80可以基于这些坐标和测量的离开角对其自身位置进行三角测量。可替代地或附加地，设备80将它已经估计的离开角的值传递给服务器40，然后服务器40返回设备80的位置坐标。
[0138] 为了向设备80提供这些类型的位置数据，服务器40在存储器44(图1)中建立并维护接入点位置和定向的地图。典型地，地图是基于由不同区域中的移动站点报告的离开角、BSSID和设备位置的测量来建立的。如图4所示，服务器40可以使用由设备80报告的信息，不仅向设备80提供位置信息，而且扩展并细化(refine)由服务器维护的地图。通过这种方式，例如，服务器可以不断地将新的接入点添加到地图中，并且可以细化地图中接入点位置和定向的精确性。
[0139] 服务器40可以建立该接入点地图，而不需要接入点运营商的任何合作。类似地，一旦移动设备的用户安装了绘制地图应用程序，他们的移动设备就可以自主地测量接入点数据并将其报告给服务器，而无需用户主动参与。订阅的绘制地图应用程序的用户越多，他们所提供的得到的地图和接入点位置就越广泛且越精确。
[0140] 将认识到，以上描述的实施例是通过示例的方式被引用的，并且本发明不限于上文中已经特别示出并描述的那些。更确切地，本发明的范围包括在上文中所述的各种特征的组合和子组合，以及本领域中的技术人员在阅读了前述描述时将想到的且在现有技术中未公开的其
变形和修改。
