專利名稱：一種超寬帶無線電的快速時延估計算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超寬帶(UWB)無線電技術(shù)，具體是一種超寬帶無線電的快速時 延估計算法。
背景技術(shù)：
超寬帶無線電技術(shù)(UWB)是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無線傳輸技術(shù)，它通 常采用極窄脈沖(脈寬在納秒至皮秒量級)或極寬的頻譜(相對帶寬大于20%或絕 對帶寬大于500 MHz)傳送信息。相對于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng)，UWB無線 通信系統(tǒng)具有高傳輸速率、高空間頻譜效率、高測距精度、抗多徑干擾、低功 耗、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。UWB無線電信號抗干擾能力強(qiáng)以及對多徑的高分辨能 力，使UWB技術(shù)非常適合于室內(nèi)定位環(huán)境。
超寬帶直接發(fā)射脈沖，具有非常高的時間分辨率，從而可以精確估計信號傳 輸時延，因此比較適應(yīng)精確定位應(yīng)用，可是在實(shí)際應(yīng)用中，在合理的時間內(nèi)估 計信號傳輸時延是一個難題。采用傳統(tǒng)的基于相關(guān)序列搜索算法，對于探測區(qū)
域vv順次滑動探測，則有平均探測次數(shù)^—^2+(3Ar—力}{^，其中J為終止探測
的位置數(shù)，^為待測位置數(shù)，由于超寬帶無線電的帶寬達(dá)GHz，因此此方法非常 耗時且結(jié)果并不是最優(yōu)而是次優(yōu)解。為了加速估計過程，學(xué)者們提出了不同的 改進(jìn)策略，如比特反轉(zhuǎn)法，使用這一算法，將極大的減小脈沖對齊的搜索時間， 此外還有隨機(jī)搜索，采用泛化的最大似然(GML)迭代求解等方法，也有學(xué)者通過 引入周期性鋸齒形脈沖與導(dǎo)頻相關(guān)來縮小信號捕獲的范圍，然后通過比特反轉(zhuǎn) 法實(shí)現(xiàn)同步，但是這些算法仍需很高的采樣頻率。為此有學(xué)者提出了基于"臟 模板(dirty templates)思想，基于符號率采樣的非數(shù)據(jù)輔助的時間偏移量估計 算法，這些算法的主要不足在于其估計的TOA存在不確定性，且不確定區(qū)域等于
連續(xù)符號之間的噪聲持續(xù)時間長度。有學(xué)者采用多重信號分類(MUSIC)方法估計 超寬帶(DS-UWB)系統(tǒng)的時延，這種方法非常耗時。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種超寬帶 無線電的快速時延估計算法，它首先依據(jù)接收信號的能量估計第一條路徑信號 的所在的分組，然后基于符號采樣率的相關(guān)輸出精確估計時延，具有估計時延 快速，精確等特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，所述超寬帶無線電的快速時延估計算法為首先通
過接收信號強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時延估計，然后通過基于符號采樣率的相關(guān)
運(yùn)算估計精確的時延；具體步驟是
5) 建立系統(tǒng)模型 信道模型為
/2(/) = |>,雄-(/-1)7;-rj 接收信號為
<formula>formula see original document page 6</formula>其中
6) 將幀分組，即令^, = &7;+、7;，并收集每個分組的能量，通過收集iv;
幀內(nèi)每個分組的能量以此作為決策變量，艮口
<formula>formula see original document page 7</formula>其中c,為第y個幀的跳時碼
7) 根據(jù)最大能量原則，估計第一條路徑信號所在的分組，艮卩
& = arg max ";
8) 確定時延估計范圍，估計出粗粒度的到達(dá)時間&，再估計^e
，
搜索區(qū)間為h
"
; 5)估計相關(guān)模板,給定《個符號觀測時間，則集成信道分量相關(guān)模板為
<formula>formula see original document page 7</formula>
再將A(w,)進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模:
7) 基于符號采樣率的相關(guān)輸出精確的估計時延，相關(guān)輸出為^(0:<formula>formula see original document page 7</formula>精確的時延估計為f<formula>formula see original document page 7</formula>
以下對本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。 本發(fā)明中，首先建立TH-IR系統(tǒng)模型，即<formula>formula see original document page 7</formula>
其中P(O為發(fā)射脈沖，r,為幀的持續(xù)時間，q"o,1,…,^-1}為跳時碼，ivt=7>/7;
為一幀內(nèi)的碼片數(shù), 考慮以下信道模型:
/=1
則接收信號可表示為:
/=1
:中
卞w
進(jìn)一步地說，通過接收信號強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時延估計，將每幀進(jìn)行 分組，收集每個分組的能量，估計第一條路徑駐留的分組位置，即假定
r7a4 =+， t; = 5rc ， & e [o,ive/s -1] ， & e [o，5 -1]。 同時假定< r,，
7; >(Z + max(cJ)7;。
進(jìn)一步地說，就是將M幀內(nèi)相同序號的組的能量加在一起，然后比較每個序 號的組的能量總和，以此作為決策變量，即
K = g l ( K即這M個幀的第i組的能量總和)
戶o '■
進(jìn)一步說，就是通過分組中最大能量估計第一條路徑駐留分組位置，即估
計
& 二 arg max K
進(jìn)一步說，估計出第一條路徑駐留的分組位置后，即估計出粗粒度的到達(dá)
時間&，下一步就是估計、e
，這等價于搜索區(qū)間"[^A(^+1)^-1]。然
而第一條路徑由于多徑效應(yīng)可能先于能量最強(qiáng)的分組到達(dá)，因此需要將搜索區(qū) 間向后延拓M個碼片時間，此時搜索區(qū)間為Ae[&5-M,A+，-l]。設(shè) "、.=《^-M, "e=(&+1)3-1，則搜索區(qū)間可表示為<formula>formula see original document page 9</formula> 。
進(jìn)一步說為了精確估計時延，我們將接收信號做如下變化 設(shè)第j個多徑的時延與第一個多徑的時延差為^ ， =、 ，則接收信
號A(f)可表示為
其中
"表示第7'個多徑的時延<formula>formula see original document page 9</formula>則接收信號
<formula>formula see original document page 9</formula>
通常，時延^通過r(0與理想模板A(0相關(guān)的峰值來估計，可惜，由于無法 知道信道模型，因此無法得到A(O。但是如果選擇傳輸模板A(f)，則相關(guān)輸出 會出現(xiàn)多個峰值，因此無法估計時延，那么先建立一個噪聲模板來匹配未知的 多徑信道，從"/)中估計^《)必須知道r,，而^是未知，因此我們估計未同步的
e[o,rv]。給定y恒為1 ，及&個符號觀測時間，則
<formula>formula see original document page 9</formula>將其進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模 <formula>formula see original document page 9</formula>，則相關(guān)輸出為w (":
進(jìn)一步說，由于在第一階段，已經(jīng)確定了時延的搜索區(qū)間，則相關(guān)輸出W(r) 可表示為^(0:
進(jìn)一步說，精確的時延估計表示為L
<formula>formula see original document page 10</formula>
由以上可知，本發(fā)明為一種超寬帶無線電的快速時延估計算法，它首先依 據(jù)接收信號的能量估計第一條路徑信號的所在的分組，然后基于符號采樣率的 相關(guān)輸出精確估計時延，具有估計時延快速，精確等特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式


圖1是本發(fā)明的快速時延估計算法的流程圖。本時延估計算法分為二個階 段通過接收信號強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時延估計階段，通過基于符號采樣率 的相關(guān)運(yùn)算估計精確的時延階段。其具體步驟包括
1) 建立系統(tǒng)模型； 考慮以下信道模型
則接收信號可表示為
<formula>formula see original document page 10</formula>其中
_+QO—
2) 將幀分組，即令^, = ^7;+、7;，并收集每個分組的能量，即通過收集M 幀內(nèi)每個分組的能量以此作為決策變量，即 <formula>formula see original document page 11</formula>
3)根據(jù)最大能量原則，估計第一條路徑信號所在的分組，即
<formula>formula see original document page 11</formula>4) 確定時延估計范圍，估計出粗粒度的到達(dá)時間&，第二步就是估計 ^e
，這等價于搜索"[&S,A+1)B-1]。然而第一條路徑由于多徑效
應(yīng)可能先于能量最強(qiáng)的分組到達(dá)，因此需要將搜索區(qū)間向后延拓，此時搜 索區(qū)間為A e [&S - + l)S -1]設(shè)"，=- M ， =+ l)S -1 ，則搜索區(qū)間可
表不為<formula>formula see original document page 11</formula>
5) 估計相關(guān)模板,給定《個符號觀測時間，則集成信道分量相關(guān)模板為 A(/;rXl/《)5^。K"^),"
，將其進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模<formula>formula see original document page 11</formula>
6) 基于符號采樣率的相關(guān)輸出精確的估計時延，即相關(guān)輸出為R(":
<formula>formula see original document page 11</formula>,…,尺 在第一階段，我們已經(jīng)確定了時延的搜索區(qū)間，此時相關(guān)輸出則表示
<formula>formula see original document page 11</formula>
而精確的時延估計可以表示為
<formula>formula see original document page 11</formula>
權(quán)利要求
1、一種超寬帶無線電的快速時延估計算法，其特征是，該方法為首先通過接收信號強(qiáng)度進(jìn)行粗粒度的時延估計，然后通過基于符號采樣率的相關(guān)運(yùn)算估計精確的時延。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述超寬帶無線電的快速時延估計算法，它的具體步驟是1) 建立系統(tǒng)模型 信道模型<formula>formula see original document page 2</formula>其中丄為總多徑數(shù)，^為每個多徑的衰減因子，W0為沖激函數(shù)，7;為碼片時間，5.。,為時延，/表示第/個多徑， 接收信號《t)為<formula>formula see original document page 2</formula>其中pW為發(fā)射脈沖，？>為幀的持續(xù)時間，Q^O,l,…,iV。-0為跳時碼，A^r,/z;為一幀內(nèi)的碼片數(shù)，^是信息比特，^W為接收機(jī)處的接收函數(shù)，n(t)為噪聲序列，^表示信號的能量；2) 將幀分組，令<formula>formula see original document page 2</formula>;，即將時延分解為分組時延與碼片時延之禾口，并收集每個分組的能量，通過收集M幀內(nèi)每個分組的能量以此 作為決策變量，艮p- <formula>formula see original document page 3</formula> ;為每個分組的時間，F(xiàn);,為第/個幀內(nèi)第/個分組的能量，r;表示M 幀內(nèi)第/個分組的能量，w)為接收到的信號，。為第7'個幀的跳時碼，& 表示到達(dá)信號所在的分組位置，^表示到達(dá)信號所在的碼片位置；3) 根據(jù)最大能量原則，估計第一條路徑信號所在的分組&，艮P:<formula>formula see original document page 3</formula>A^為總的分組個數(shù)4) 確定時延估計范圍，估計出粗粒度的到達(dá)時間&，再估計^e
， 搜索區(qū)間為h<formula>formula see original document page 3</formula>^是每一個分組擁有的碼片個數(shù)。M為向左進(jìn)行的延拓的碼片個數(shù)；5) 估計相關(guān)模板,給定&個符號觀測時間，則集成信道分量相關(guān)模板為<formula>formula see original document page 3</formula>^是一個自行設(shè)定的參數(shù)，？;是一個信息比特的時間(一個信息比特用iV,個脈沖表示)，t表示時間，^表示模板的延時參數(shù)； 再將A(^,)進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模A^^):<formula>formula see original document page 3</formula>6) 基于符號采樣率的相關(guān)輸出的精確時延估計，相關(guān)輸出為W(O:<formula>formula see original document page 3</formula>K是信號的支撐域，設(shè)<formula>formula see original document page 4</formula>表示第Ws個碼 片，為&表示第"e個碼片；精確的時延估計為f:<formula>formula see original document page 4</formula>于是，在第&個分組內(nèi)的精確的時延&" 其中￡為求均值運(yùn)算符。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超寬帶無線電快速的時延估計算法，它分為兩個階段，首先通過接收信號強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時延估計，確定第一條路徑信號所駐留的分組位置，然后估計相關(guān)模板，通過基于符號采樣率的相關(guān)運(yùn)算精確估計時延。具有估計時延快速，精確等特點(diǎn)。
文檔編號H04B17/00GK101170367SQ20071003617
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者曾凡仔, 李仁發(fā), 娟 羅, 凡 鄧 申請人:湖南大學(xué)