具体实施方式

公开了包括具有敏捷的多载波相位测距的无线设备的无线网络或系统，以及用于操作该无线网络或系统以检测和缓解干扰来提供高准确度间距测量(HADM)的方法。本公开的无线设备和敏捷的多载波相位测距方法在使用蓝牙(BT)、蓝牙低能耗(BLE)、各种IEEE802.15.4和WiFi协议的无线网络中特别有用或与这样的无线网络一起特别有用，在这样的无线网络中，期望测量第一无线设备与第二无线设备之间的间距或距离，以改进设备之间传递的信号的准确度和/或减少功耗。这种设备可以包括：例如，诸如被动无钥匙进入系统(PKES)之类的基于接近度的访问标签被广泛用于解锁、锁定或启动车辆，非接触式智能卡用于无现金支付系统中，应答器用于停车和高速公路收费中，并且射频识别(RFID)标签通常用于电子护照中并用于人员跟踪或库存控制。

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了若干具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中，未详细示出或以框图形式示出公知的结构和技术，以避免不必要地模糊对本说明书的理解。

在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用表示结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指代同一实施例。如本文所使用的术语“耦合”可以包括直接电连接两个或更多个组件或元件，以及通过一个或更多个中间组件间接地连接两个或更多个组件或元件。

现在将描述一种敏捷的多载波相位测距过程，其中，在该过程的周期期间检测到一个或多个信道处的干扰，并且暂时跳过受影响的信道，而不会针对该周期中或随后的周期中的所有时隙或时期永久地将干扰信道列入黑名单，由此使用于相位测距的(尤其是在频繁使用的2.4GHz工业、科学和医学(ISM)频带中的)信道的可用性最大化。“时期”表示通信事件发生的时间或期间。例如，出于相位测距的目的，在第一无线设备与第二无线设备之间通过信道交换恒定音调(CT)。“CT”表示在信道频率处的未经调制的连续波载波信号。“随后”表示在时间上稍后发生或在协商的信道的列表上稍后发生，而不一定紧接在稍早的时间或信道之后发生或在其后面发生。

通常，该方法包括：在发起无线设备或收发机(发起方)与反射无线设备(反射方)之间执行握手，以协商针对多载波相位测距过程的信道的列表和开始时间。该过程包括：在信道(f_i)上在时期(t_i)中，在发起方到反射方之间交换CT；测量接收到的CT与来自每个设备中的本地振荡器(LO)的信号之间的相位差；并且在在发起方和反射方中本地处理在其中接收到的CT的同相和正交(IQ)样本。可选地，敏捷的多载波相位测距过程还可以包括在交换CT之前或之后在发起方与反射方之间交换分组。交换的分组可以与在蓝牙测向中使用的用于寻找到达角(AoA)或离去角(AoD)的恒定音调扩展(CTE)分组相同或类似。使用发起方和反射方中的一个或两者中的软件和/或硬件检查IQ样本的干扰。如果没有检测到干扰，则发起方和反射方切换到随后的信道(f_i+1)，并且在下一时期(t_i+1)中交换CT。如果检测到干扰，则检测到干扰的设备与另一设备通信或用信号通知另一设备，并且针对至少下一时期跳过至少一个随后的信道。

图3是示出敏捷的多载波相位测距过程的单个周期(cycle_i)的示例性实施例的时间和频率图，其中，信道f_i和f_i+1受到干扰300的影响。参考图3，cycle_i开始于第一时期t₁处，其中发起方(设备A，其还由标记为A的框指示)在第一信道或频率(f₁)上以长度t_L朝向反射方(设备B，其还由图3中标记为B的框指示)发送CT。反射方将本地振荡器(LO)同步到接收到的信号、测量接收到的CT与来自LO的信号之间的相位差、并且将CT发送回发起方。在该时间期间，发起方(设备A)已经改变操作模式以用作接收机，然后接收反射信号、将其与其中的LO同步、并且测量接收到的CT与来自LO的信号之间的相位差。在发起方和反射方中本地处理接收到的CT的同相和正交(IQ)样本，并检查干扰。如果没有检测到干扰，则发起方和反射方索引或切换到随后的信道(f_i)，并从随后的时期(t_i)开始交换CT。将理解的是，信道(t_i)和时期(t_i)都不一定紧接在图3中的信道(f₁)和时期(t₁)之后，而是，CT可以在任何数量的时期中在未经受干扰的任何数量的信道上交换。将进一步理解的是，尽管图3中的信道的频率被示为线性增加(即，频率t_i大于f₁，并且频率f_i+1大于f_i，依此类推)，但在敏捷的多载波相位测距过程的每个实施例中不必都是这种情况。而是，两个设备可以具有伪线性、非线性、非随机或伪随机信道切换，如下面更详细解释的。

再次参考图3，在从时期t_i开始的交换中，发起方和反射方中的一个或两者执行算法302以检测在CT中或交换的分组中的干扰，并且在检测到干扰时进行操作以针对多个下一时期跳过多个随后的信道。例如，在所示的实施例中，发起方或反射方将不会在时期t_i+1处在信道f_i+1中发送恒定音调或分组。此后，发起方A和反射方B针对多个随后的时期正常地交换CT、在每次交换之后检查干扰，直到该周期完成在时期(t_n)处在信道f_n处的交换为止。在伪随机信道切换的情况下，在检测到干扰时，发起方或反射方决定在即将到来的时期跳过即将到来的干扰信道，即将到来的时期可能是稍后的多个时隙。

图4是描绘算法的流程图，通过该算法，发起方测距设备或反射方测距设备做出本地决策，以在多个下一时期中暂时跳过多个下一恒定音调交换。参考图4，在接收到CT之后并且在包括分组的情况下，发起方或反射方将执行相位测量，并且将对接收到的CT的多个IQ信号进行采样和处理(402)。这些IQ样本的集合具有预定的标准差分布，并且取决于该分布的实际标准差，发起方或反射方可以确定交换的CT是否已经受到干扰的影响(404)。另外地，对于一些应用，发起方或反射方可以包括多于一个天线，并且如果来自单个设备的所有天线的信号表现出大量的噪声和/或大标准差，则该设备可以得出这样的结论：CT受到干扰的影响。如果没有检测到干扰，则发起方将切换到下一信道，并且在下一时期发送CT和分组(406)，并继续处理经采样的IQ(402)。如果检测到干扰，则检测设备(发起方或反射方)将通知其他设备跳过很可能也是干扰信道的多个随后的信道(408)，并切换到协商的信道的列表的下一信道，并且针对从下一时期开始的多个时期保持空闲(410)。在已经经过多个时期之后，可以从处理经采样的IQ(402)开始，对下一未被跳过的信道恢复正常操作。跳过的信道数量和空闲时期的数量可以取决于检测到的干扰的属性和/或CT的信号路径。例如，单路径和/或多路径信道将具有稳定的相位(单音调)类型特征。因此，唯一的偏差将归因于噪声和/或相位/频率漂移，并且跳过的信道数量可能很小。然而，由非常快速的相位改变引起的干扰(其与干扰源的带宽成正比)可能导致跳过多个随后的信道。

图5是上面关于图3和图4描述的敏捷的多载波相位测距过程的单个周期的消息序列图。参考图5，发起方(设备A)和反射方(设备B)执行握手和协商操作502，其中设备关于测距过程的参数(例如，要使用的信道或频率、每个CT将被发送的时间长度(t_L)以及开始测距过程的时间)达成一致。接下来，多载波相位测距过程504的第一周期开始于时期t₁处，其中发起方(设备A)在第一频率f₁处朝向反射方B发送第一CT(如由箭头506指示的)。在接收到CT时，反射方B将本地振荡器锁定或同步到接收到的信号、执行相位测量、并且将CT发送回发起方A，如由箭头508指示的。设备A接收反射的CT并执行相位测量。在每个频率处，发起方或反射方将执行算法510，以决定对于下一时期和下一信道，是交换CT还是保持空闲并跳过交换。如果任一设备检测到干扰，则该设备将立即通知另一侧有关干扰的存在，并且将暂时保持空闲并跳过针对该干扰信道的恒定音调交换过程。例如，在图5中示出的实施例中，其中在信道f_i处在CT交换期间，由反射方B检测到干扰(如在图3中示出的实施例中示出的)，发起方A和反射方B决定保持空闲并跳过针对信道f_i+1的CT交换。然后，在其余时期直到最后时期t_n为止，针对频率或信道f₁至f_n重复先前步骤。之后，发起方和反射方交换相位测量结果512，并估计发起方与反射方之间的间距。

图6是用于执行上面关于图3至图5描述的敏捷的多载波相位测距过程的方法的流程图。参考图6，该方法开始于在发起方与反射方之间执行握手，以协商针对多载波相位测距过程的周期(cycle_i)的信道的列表(f₁至f_n)和开始时间(602)。接下来，在时期(t_i)中，在信道(f_i)上在发起方与反射方之间交换CT(604)。在发起方和反射方中本地处理在其中接收到的CT的同相和正交(IQ)样本(606)，并且由发起方或反射方中的一个或两者检查干扰(608)。如果没有检测到干扰，则执行检查以查看最近交换的CT是否在协商的信道的列表的最后信道上(610)。如果最近的信道是最后信道，则结束该周期，并且发起方和反射方交换相位测量结果(612)。如果最近的信道不是最后信道，则发起方切换到随后的信道或下一信道(f_i+1)，并且在时期(t_i+1)处在发起方与反射方之间交换CT(614)，并针对该周期恢复本地处理(606)。

如果检测到干扰，则执行检查以查看最近交换的CT是否在协商的信道的列表的最后信道上(616)。如果最近的信道是最后信道，则结束该周期，并且发起方和反射方交换相位测量结果(612)。如果最近的信道不是最后信道，则检测到干扰的设备(发起方或反射方)将通知或用信号通知另一设备(发起方或反射方)，并切换到随后的信道或下一信道(f_i+1)，并且在时期(t_i+1)处保持空闲(618)。可以通过以下操作来实现通知或发信号通知另一设备：不在信道的列表中的下一信道上发送CT，由此隐式地用信号通知设备干扰；或者通过以比预期长度更短的长度发送CT。可替代地，在该过程包括在发起方与反射方之间交换分组的情况下，通知或用信号通知另一设备干扰可以包括：i)不发送分组；ii)发送具有特定访问地址的分组；或iii)发送具有跳过多个信道的信息或指令的分组。在下一时期或随后的时期(t_i+2)处，发起方将切换到随后的信道或下一信道(f_i+2)、在发起方与反射方之间交换CT(620)，然后针对该周期恢复本地处理(606)。

可选地，在第一周期或中间周期(cycle_i)已经结束并且交换了相位测量结果(612)之后，该方法还可以包括：执行第二握手或随后的握手(602)；以及执行多载波相位测距过程的第二周期或随后的周期(cycle_i+1)，而不会基于在第一周期或先前周期(cycle_i)中检测到的干扰而跳过信道的列表中的任何信道。在一些实施例中，该方法还包括：执行多个(n个)随后的周期，同时跳过信道的列表中的在先前周期或当前周期(cycle_i)中基于检测到的干扰而跳过的任何信道。

图7是敏捷的多载波相位测距过程的单个周期的另一实施例的另一消息序列图，其示出了其中取决于检测到的干扰的属性，发起方测距设备或反射方测距设备将决定是否针对多于一个时期和/或多于一个信道跳过恒定音调交换。参考图7，发起方(设备A)和反射方(设备B)执行握手和协商操作702，其中设备关于测距过程的参数(例如，要使用的信道或频率、每个CT将被发送的时间长度(t_L)以及开始测距过程的时间)达成一致。接下来，多载波相位测距过程704的周期开始于时期t_i处，其中发起方(设备A)在频率f_i处朝向反射方B发送CT(如由箭头706指示的)。在接收到CT时，反射方B执行算法708并检测干扰。当在时期t_i处在信道f_i处检测到干扰时，两个设备将决定保持空闲，并跳过在时期t_i+1和t_i+2处针对信道f_i+1和f_i+2的接下来的两个CT交换。之后，发起方和反射方交换相位测量结果710，并估计发起方与反射方之间的间距。

图8是示出敏捷的多载波相位测距过程的三个周期的时间和频率图，其中两个信道在第一周期和第三周期中受到干扰802的影响。参考图8，注意，信道f_i和f_i+1在cycle_i和cycle_i+2中受到干扰802的影响。在cycle_i中，反射方执行算法804，并且当在时期t_i中检测到干扰时，将通知发起方(例如，通过不响应)在当前周期中在当前信道f_i和下一信道f_i+1处为空闲。在下一周期(cycle_i+1)中，两个设备决定返回正常操作，并再次检查信道f_i和f_i+1是空闲的还是受到干扰的。在该示例中，如在cycle_i+1中一样，这些信道未受到干扰，两个设备将交换恒定音调。在cycle_i+2中，当再次检测到干扰802时，两个设备决定保持空闲并再次跳过音调交换。图8示出了敏捷的多载波相位测距过程的能力，以使用于相位测距的信道的可用性最大化。

图9是示出敏捷的多载波相位测距过程的三个周期902a、902b、902c的消息序列图，其中，在每个信道处在每个CT交换处，发起方测距设备或反射方测距设备将执行算法904并决定是交换CT还是保持空闲并跳过音调交换。在每个周期902a、902b、902c之前，发起方(设备A)和反射方(设备B)执行握手906，以协商针对测距周期的信道的列表(f₁至f_n)和开始时间。在每个周期902a、902b、902c之后，发起方(设备A)和反射方(设备B)交换相位测量结果908，并估计发起方与反射方之间的间距。可选地，在一些实施例中，握手包括标识在先前周期902a、902b、902c中检测到干扰的信道(f₁至f_n)，并且执行随后的周期包括跳过在至少一个周期中在其中检测到干扰的信道上交换CT。

现在将参考图10和图11描述使用伪随机信道切换的敏捷的多载波相位测距过程的实施例。在伪随机信道跳跃场景中，当在时期t_i处在信道f_i处检测到干扰时，两个设备将决定保持空闲，并跳过针对相邻信道f_i+k和f_i+k+1的接下来两个即将到来的CT交换，这两个即将到来的CT交换被安排在k个时期之后在时期t_i+k和t_i+k+1处进行。简言之，伪随机信道切换指代这样一种过程：其中，在连续的时期中交换CT的信道不一定彼此相邻或在频率上单调增加或减少。例如，在图10中可以看出，在敏捷的多载波相位测距过程的周期(cycle_i)中的第一时期(t₁)处，在具有频率f_i+2的信道上在发起方(A)与反射方(B)之间交换CT信号。在随后的时期(t_i)处，信道切换到或跳跃到具有较低频率f_i的信道，并且在下一时期(t_i+1)处，切换到或跳跃到具有甚至更低频率f₁的信道。然而，在紧接在后面的时期(t_i+2)处，信道切换到或跳跃到具有较高频率f_i+1的信道，并且在随后的时期(t_n)处，信道切换到或跳跃到具有甚至更高的频率f_n的信道。

参考图10，在其中使用伪随机信道切换的敏捷的多载波相位测距过程中，如在上面描述的线性切换实施例中那样，发起方A和反射方B中的一个或两者执行算法1000，然后从第一时期t₁开始进行每次CT交换。当在时期t_i处在信道f_i处检测到干扰1002时，两个设备(即，发起方A和反射方B)将决定保持空闲，并跳过针对相邻信道f_i+1的即将到来的或随后的CT交换，这些CT交换在所示的实施例中被安排在两个时期之后在时期(t_i+2)处进行。因此，在下一个紧接在后面的时期(t_i+1)处，发起方A和反射方B针对未受到干扰1002的信道f₁正常地交换CT。然后，在如先前决定的时期(t_i+2)处，发起方A和/或反射方B保持空闲并跳过针对干扰信道f_i+1的CT交换。此后，发起方A和反射方B针对多个随后的时期正常地交换CT、在每次交换之后检查干扰，直到该周期完成在时期(t_n)处在信道f_n处的交换为止。

图11是示出图10的敏捷的相位测距过程的一个周期的消息序列图。参考图11，消息序列开始于发起方(设备A)和反射方(设备B)执行握手和协商操作1102，其中设备关于测距过程的参数(例如，要使用的信道、每个CT将被发送的时间长度(t_L)以及开始测距过程的时间)达成一致。另外地，在伪随机信道切换场景中，发起方A和反射方B关于信道切换的伪随机次序达成一致。接下来，多载波相位测距过程1104的第一周期开始于时期t₁，其中发起方(设备A)以基于达成一致的伪随机次序而选择的在f₁与f_n之间的频率或信道发送第一CT。在所示的实施例中，在时期t₁处的交换在信道f_i+2上进行。在每次交换之后，发起方A和/或反射方B将执行算法1106，以决定对于在达成一致的信道的列表中的下一信道或最邻近的信道在适当的或相关联的时期处，是交换CT还是保持空闲并跳过交换。因此，在随后的时期t_i中，当反射方B检测到干扰时，发起方A和反射方B在本地决定跳过在下一相邻信道f_i+1上在适当的时期处的CT交换，但是在下一紧接在后面的时期t_i+1中，发起方和反射方在非干扰信道f₁上交换CT。在时期t_i+2处，发起方和反射方如先前本地决定的那样跳过在干扰信道f_i+1上的CT交换。此后，发起方A和反射方B针对多个随后的时期正常地交换CT、在每次交换之后检查干扰，直到该周期完成在时期(t_n)处在信道f_n处的交换为止。在周期完成之后，发起方和反射方交换相位测量结果1108，并估计发起方与反射方之间的间距。

与上面描述的实施例一样，在伪随机信道场景中的敏捷的多载波相位测距过程可以并且通常针对任何数量的周期重复，每个周期之前都有另一握手和协商操作1102。可以执行这些随后的周期，而不会基于在先前周期中检测到的干扰而跳过任何信道，或者可以针对多个随后的周期跳过在先前周期中在其上检测到干扰的信道，而不会将先前被干扰的信道永久列入黑名单。

图12是示出系统的示意框图，敏捷的多载波相位测距过程对于该系统是有用的。参考图12，系统1200通常包括两个或更多个无线设备1202(例如，收发机或应答器)，每个无线设备1202包括发射机1204、接收机1206以及一个或多个天线1208。无线设备1202中的每一个包括蓝牙低能耗(BLE)或能够在包括2.4GHz工业、科学和医学(ISM)频带的频带中在多个频率或信道处操作的802.15.4无线电。无线设备1202中的每一个包括硬件和软件，以通过测量发起设备与反射设备之间交换的CT中的相位差来以亚米级准确度测量发起设备与反射设备之间的间距。另外地，在测距对中的无线设备1202中的至少一个(发起设备或反射设备)还包括用于执行算法并做出本地决策以针对随后的(多个)信道和/或(多个)时期交换恒定音调或跳过音调交换的架构。

图13是示出无线设备1300(例如，收发机或应答器)的一部分的示意框图，该无线设备1300包括天线1302、收发机的接收机部分1304、以及用于执行算法并做出本地决策以针对随后的(多个)信道和/或(多个)时期交换恒定音调或跳过音调交换的架构或框的实施例1306。

参考图13，接收机部分1304包括：RF带通滤波器1308，其用于阻挡任何强的带外信号；低噪声放大器(LNA)1310，其用于放大接收到的RF信号，该RF信号包括用于敏捷的多载波相位测距过程的CT或连续波载波信号；以及下变频RF混频器1312，其与LNA的输出和本地振荡器(LO)1314耦合，以将RF频率转换为较低的中频(IF)。有源复数滤波器1316和幅度限制器用于去除耦合到模数转换器ADC 1320的任何幅度扰动1318，该模数转换器ADC 1320用于将接收到的信号从模拟转换为数字，并且高斯频移键控(GFSK)解调器1322用于解调数字信号。

用于执行算法的架构或框1306通常包括：硬件(例如，处理器1324)，其用于对接收到的信号应用信号处理；IQ处理软件1326(例如，体现在处理器中的存储器或耦合到处理器的存储器中的固件)，其用于对原始IQ样本应用信号处理；以及干扰检测软件1328(例如，体现在处理器中的存储器或耦合到处理器的存储器中的固件)，其用于决定样本是否被干扰。

因此，已经公开了包括支持敏捷的多载波相位测距的硬件和/或软件的无线设备以及用于操作该无线设备以检测和缓解来自网络中的共存设备的干扰的影响的方法。上面已经借助于示出了指定功能的实现方式及其关系的功能和示意框图描述了本发明的实施例。为了方便描述，本文已经任意定义了这些功能构建框的边界。只要适当执行指定功能及其关系，就可以定义其他边界。

对特定实施例的前述描述将如此充分地揭示本发明的一般性质，以至于他人可以通过应用本领域技术范围内的知识，在不脱离本发明的一般概念的情况下，容易地修改和/或适应于诸如特定实施例之类的各种应用，而无需进行过度的实验。因此，基于本文提出的教导和指导，这样的适应和修改意图在所公开的实施例的等同物的含义和范围内。应当理解，本文的措词或术语是出于描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由技术人员鉴于教导和指导来解释。

应当理解，“具体实施方式”部分而不是“发明内容”部分和“摘要”部分旨在用于解释权利要求书。“发明内容”部分和“摘要”部分可以阐述如(多个)发明人设想的本发明的一个或多个示例性实施例但不是全部的示例性实施例，因此，不旨在以任何方式限制本发明和所附权利要求书。

本发明的广度和范围不应由上述示例性实施例中的任一个限制，而应仅根据所附权利要求书及其等同物来限定。