測距和定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種包括發(fā)射器和接收器節(jié)點的測距和定位系統(tǒng)，所述發(fā)射器和接收器節(jié)點通過啁啾調(diào)制的無線電信號一起通信，所述測距和定位系統(tǒng)具有測距模式，在所述測距模式中信號的測距交換在主設(shè)備和從設(shè)備之間進行，其導致在其之間的距離的評估。所述從站被布置用于識別測距請求并且發(fā)射回包含在時間和頻率上與測距請求中的啁啾所精確對準的啁啾的測距響應(yīng)，于是所述主站能夠接收測距響應(yīng)、相對于其自己的時間參考來分析被包含在其中的啁啾的時間和頻率并且估計到所述從站的距離。
【專利說明】測距和定位系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明在實施例中涉及在無線電信道上傳輸信息的方法，并且特別地涉及基于啁啾(chirp)擴頻能夠以低功率消耗跨越長距離的無線傳輸方案。本發(fā)明的實施例同樣涉及根據(jù)發(fā)明的傳輸方案適合于無線傳輸?shù)牡蛷?fù)雜度的發(fā)射和接收設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字無線數(shù)據(jù)傳輸被用于在數(shù)據(jù)速率、傳輸距離和功率消耗中都呈現(xiàn)巨大可變性的各種系統(tǒng)。然而存在對結(jié)合長傳輸距離與低功率消耗并且能夠以簡單接收器和發(fā)射器來實現(xiàn)的數(shù)字傳輸方案的需要。
[0003]許多系統(tǒng)已知提供無線通信鏈路的端點之間的距離上的信息。可以引用例如GPS系統(tǒng)和基于發(fā)出直接調(diào)制擴頻信號的衛(wèi)星的所有類似定位系統(tǒng)。此類系統(tǒng)已經(jīng)示出長距離上的極好的測距精度，但是通常是非對稱的并且是計算密集的。然而，這些技術(shù)的限制是相當高的接收器復(fù)雜度、對于弱信號可能是非常長的獲取時間、其功率消耗和在室內(nèi)環(huán)境中的操作困難。
[0004]UffB測距系統(tǒng)已知可能能夠提供高精度測距測量并且傳輸數(shù)據(jù)，但是只在受限的距離上。
[0005]已知在WiFi系統(tǒng)中提取位置信息。然而，WiFi測距不能提供準確的位置信息。WiFi定位依靠監(jiān)聽接入點信標(beacon)并且使用接入點圖/數(shù)據(jù)庫。附加地可以使用RSSI，但是飛行時間不是可用的。同樣，與GPS同樣地，接收器得到定位信息，而不是網(wǎng)絡(luò)。
[0006]US6940893描述基于在發(fā)出無線電啁啾的主站(master)和從站(slave)之間的雙交換的測距系統(tǒng)。該技術(shù)使用類似于UWB系統(tǒng)的快速脈沖啁啾，并且由于非常大的帶寬而難以擴展到長距離。距離計算基于測距信息的雙交換，用以補償在主站和從站中的時間參考不精確同步的事實。這需要收發(fā)器中相當大的復(fù)雜度。同樣，因為距離估計顯式地在空中傳輸，該技術(shù)本質(zhì)上不安全。
[0007]歐洲專利申請EP2449690描述使用數(shù)字合成啁啾符號作為調(diào)制的通信系統(tǒng)以及合適的基于FFT的接收器。
[0008]本發(fā)明的目的是提出一種能夠以比本領(lǐng)域中已知系統(tǒng)更簡單和更少能源密集的方式而估計更長距離上的無線鏈路的端點之間距離的系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本發(fā)明，通過所附權(quán)利要求的對象來實現(xiàn)這些目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]借助于通過示例所給出并且由附圖所圖示的實施例描述，本發(fā)明將被更好地理解，其中:
圖1以示意性簡化方式示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的無線電調(diào)制解調(diào)器的結(jié)構(gòu)。
[0011]圖2a繪制根據(jù)本發(fā)明的一個方面的基礎(chǔ)啁啾和經(jīng)調(diào)制的啁啾的瞬時頻率。相同信號的相位被表示在圖2b中，并且圖2c在時域上繪制基礎(chǔ)啁啾的實數(shù)和復(fù)數(shù)分量。
[0012]圖3示意性地表示在本發(fā)明的測距方法期間在兩個設(shè)備之間被交換的數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。
[0013]圖4a和4b圖示在本發(fā)明的測距過程中涉及的主和從設(shè)備之間的啁啾的時間對準，示出兩個可能的定時誤差和所涉及的未對準。
[0014]圖5繪制根據(jù)本發(fā)明的一個方面的被用于估計距離的校正函數(shù)。
[0015]圖6示意性地示出被用于本發(fā)明的可能的實施例中的步驟。
[0016]圖7和8示意性地呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的定位系統(tǒng)。

【具體實施方式】
[0017]在本發(fā)明中所采用的啁啾調(diào)制技術(shù)的若干方面在歐洲專利申請EP2449690中被描述，所述歐洲專利申請EP2449690由此通過引用被合并，并且將在此處被概要地提醒。在圖1中被示意性表示的無線電收發(fā)器是本發(fā)明的可能的實施例。所述收發(fā)器包括基帶部件200和射頻部件100。集中在發(fā)射器部分上，基帶調(diào)制器150基于存在于其輸入處的數(shù)字數(shù)據(jù)152而生成基帶信號，所述基帶信號的I和Q分量被RF部件100轉(zhuǎn)換至期望傳輸頻率、被功率放大器120放大并且被天線傳輸。
[0018]在不背離本發(fā)明的框架的情況下，所提出的架構(gòu)允許若干變形和修改，并且被提供作為非限制性示例。在可能的實施例中，極分量(振幅
/I和相位Φ)而不是笛卡爾分量I和$，可以被合成。
[0019]從基帶到所意圖的頻率的信號轉(zhuǎn)換在該示例中通過在混頻器110中將由放大器154所提供的信號與由電路190所生成并且與參考時鐘129有關(guān)聯(lián)的本地載波的同相和正交分量混頻而被完成。
[0020]一旦信號在無線電鏈路的另一端上被接收，則被圖1的收發(fā)器的接收部分處理，所述接收部分包括隨后為降頻轉(zhuǎn)換級170的低噪聲放大器160，所述降頻轉(zhuǎn)換級170生成包括一系列啁啾的基帶信號，所述基帶信號然后由基帶解調(diào)器180所處理，所述基帶解調(diào)器180的函數(shù)是調(diào)制器150的函數(shù)的逆并且提供重構(gòu)的數(shù)字信號182。
[0021]如在EP2449690中所討論的，調(diào)制器150合成包括一系列啁啾的基帶信號，所述一系列啁啾的頻率沿預(yù)定時間間隔從初始瞬時值Λ改變至最終瞬時頻率/i。為了簡化描述，將假定所有啁啾具有相同的持續(xù)時間Γ，盡管這對于本發(fā)明不是絕對的要求。
[0022]在基帶信號中的啁啾可以由其瞬時頻率的時間分布f(t)或也可以由將信號的相位定義為時間的函數(shù)的函數(shù).(O描述。重要地，調(diào)制器150能夠生成具有多個不同分布的啁啾，每個對應(yīng)于預(yù)定調(diào)制符號集(alphabet)中的符號。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的重要特征，調(diào)制器150可以生成具有特定和預(yù)定義頻率分布的基礎(chǔ)啁啾(在下文也被稱為未經(jīng)調(diào)制的啁啾)或出自通過對基礎(chǔ)頻率分布進行循環(huán)時間移位而從基礎(chǔ)啁啾所得到的一組可能的經(jīng)調(diào)制的啁啾中的一個。
[0024]圖2a通過示例的方式圖示在啁啾的開始處的時刻t = tQ和在所述啁啾的結(jié)束處的時刻t = q之間的基礎(chǔ)啁啾和一個經(jīng)調(diào)制的啁啾的可能的頻率和相位分布，而圖2b示出時域上對應(yīng)的基帶信號。水平尺度對應(yīng)于例如符號并且雖然曲線被表示為連續(xù)的，其在具體實現(xiàn)方式中將由有限數(shù)目的離散樣本所表示。關(guān)于垂直尺度，其被規(guī)范化至所意圖的帶寬或至對應(yīng)的相位跨度。特別地，為了更好地示出其連續(xù)性，所述相位在圖2b中被表示為好像其是無界變量，但是其在具體實現(xiàn)方式中事實上可以跨越若干轉(zhuǎn)數(shù)(revolut1n)。
[0025]在所描繪的示例中，基礎(chǔ)啁啾的頻率從初始值厶=-線性增大到最終值ft = 其中代表帶寬擴展量，但是下降的啁啾或其它啁啾分布也是可能的。因而，以啁啾的形式對信息進行編碼，所述啁啾具有出自相對于預(yù)定基礎(chǔ)啁啾的多個可能的循環(huán)移位中之一，每個循環(huán)移位對應(yīng)于可能的調(diào)制符號。
[0026]圖2c是在時域中對應(yīng)于基礎(chǔ)啁啾的基帶信號的實數(shù)和虛數(shù)分量I和Q的曲線圖。
[0027]優(yōu)選地，調(diào)制器也被布置以合成共軛啁啾并且在信號中插入共軛啁啾，所述共軛啁啾是基礎(chǔ)未經(jīng)調(diào)制的啁啾的復(fù)共軛的啁啾?？梢詫⑦@些看作降頻啁啾(down-chirp)，其中頻率從?ο = + BW /2的值下降至h = - BW /2。
[0028]優(yōu)選地，啁啾的相位由連續(xù)函數(shù)φ(?)描述，所述連續(xù)函數(shù)φ(Ι:〕在啁啾的開始處和結(jié)束處具有相同的值:Φ(?ο) 二 #(tl)。由于如此，信號的相位跨越符號邊界是連續(xù)的，這是在下文將被稱作符號間相位連續(xù)性的特征。在圖2a中所示出的示例中，函數(shù)f(t)是對稱的，并且信號具有符號間相位連續(xù)性。如由EP2449690更詳細解釋的，上述信號結(jié)構(gòu)允許接收器中的解調(diào)器單元180將其時間參考與發(fā)射器的時間參考對準，并且確定被賦予每個啁啾的循環(huán)移位量。評估所接收的啁啾相對于本地時間參考的時間移位的操作在下文可以被稱作“去啁啾(dechirp)”，并且能夠通過將所接收的啁啾與本地生成的基礎(chǔ)啁啾的復(fù)共軛相乘并且執(zhí)行FFT而被有利地實現(xiàn)。FFT的最大值的位置指示移位并且指示調(diào)制值。然而，去啁啾的其它方式是可能的。
[0029]因而，“循環(huán)移位值”在下文可以被用于在時域上指示調(diào)制，并且“調(diào)制位置”或“峰值位置”在頻域上表示它。
[0030]我們將IV記為符號的長度或等價地記為擴頻因子。為了允許使用FFT的容易接收，IV優(yōu)選地被選擇為是2的冪。奈奎斯特采樣頻率如果是則符號的長度是NfBW0但在不將本發(fā)明限制于這些特定數(shù)值的情況下，為確定所述想法，在可能的應(yīng)用中可以認為是IMHz,并且N等于1024、512或256。載波頻率可以在2.45GHz ISM
帶中。在該特定實施例中，本發(fā)明的調(diào)制方案可以與Bluetooth?收發(fā)器占用相同的RF帶并且可能重用或共享Bluetooth?收發(fā)器的RF部分。
[0031]因此，經(jīng)調(diào)制的符號是在O和N-1之間的任何數(shù)目的基礎(chǔ)符號循環(huán)移位。O調(diào)制值等價于不存在調(diào)制。因為N是二的冪，循環(huán)移位的值可以被編碼在1g2 ZV個比特上。
[0032]優(yōu)選地，通過本發(fā)明所發(fā)射和接收的信號被組織在包括被合適編碼的前導碼和數(shù)據(jù)段的幀中。所述前導碼和數(shù)據(jù)段包括經(jīng)調(diào)制和/或未經(jīng)調(diào)制的一系列啁啾，其允許接收器將其時間參考與發(fā)射器的時間參考時間對準、檢索信息、執(zhí)行動作或運行命令。在本發(fā)明的幀中，對于數(shù)據(jù)幀來說多種結(jié)構(gòu)是可能的，除其他外還依賴于信道條件、所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或命令。優(yōu)選地，所述幀包括前導碼以及表達所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或命令的有效負載，所述前導碼的目的是允許在發(fā)射器和接收器之間在時間和頻率上的同步。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的方面，發(fā)射器和接收器節(jié)點優(yōu)選地具有通信模式和/或測距模式，所述通信模式允許通過經(jīng)調(diào)制的啁啾信號交換數(shù)據(jù)，在所述測距模式中信號的測距交換在主設(shè)備和從設(shè)備之間進行，這導致對它們之間距離的評估。從站被布置用于識別測距請求并且發(fā)射回包含在時間和頻率上與測距請求中的啁啾所精確對準的啁啾的測距響應(yīng)，于是主站能夠接收測距響應(yīng)、相對于其自己的時間參考來分析被包含在其中的啁啾的時間和頻率并且估計到從站的距離。
[0034]圖3示意性地表示包括測距請求的幀的可能結(jié)構(gòu)。所述測距請求開始于前導碼并且包括基礎(chǔ)(即，未經(jīng)調(diào)制或具有等于零的循環(huán)移位)符號的檢測序列411，所述前導碼可以具有與用于其它目的的發(fā)明的系統(tǒng)中被交換的其它幀共同的結(jié)構(gòu)。檢測序列411被用于接收器中以檢測信號的開始并且優(yōu)選地執(zhí)行其時間參考與發(fā)射器中時間參考的第一同步。通過對經(jīng)解調(diào)的檢測序列進行去啁啾,例如將它與本地合成的共軛啁啾相乘并且執(zhí)行FFT操作，所述接收器能夠確定移位量。
[0035]檢測序列的長度可以任意長。這被用在以下應(yīng)用中:其中通信是稀疏的并且由不活動的長間隔所分離，在所述不活動的長間隔期間，所述接收器處于低功率備用模式。在接收第一信號的情況下，所述接收器通常表現(xiàn)出空閑時間，用于從備用狀態(tài)改換成完全喚醒狀態(tài)。所述前導碼優(yōu)選地被選擇為比接收器的空閑時間更長，其確保前導碼檢測的高概率。
[0036]檢測序列的結(jié)束由一個或多個(優(yōu)選地兩個)幀同步符號412標記，所述幀同步符號412是以預(yù)定值調(diào)制的啁啾,例如以調(diào)制值4的第一啁啾和以相對的(opposite)調(diào)制
JV —4的第二啁啾。這些經(jīng)調(diào)制的符號被用于得到幀同步。在所示出的示例中，接收器尋找3個連續(xù)的符號的存在:未經(jīng)調(diào)制、以第一值被調(diào)制的、以第二值被調(diào)制的。因為接收誤差主要是±1偏移，選擇這些值用于幀同步符號412將不是合理的。優(yōu)選地，幀同步符號的調(diào)制在絕對移位上大于3個單位，使得誤差的似然性最小化。
[0037]使用單個經(jīng)調(diào)制的符號作為幀同步標記是可能的，但是對于低信噪比不是最優(yōu)的，其中一出現(xiàn)從O到比方說4的解調(diào)誤差，就可能導致錯誤的幀同步事件。使用相同調(diào)制值用于若干符號也是可能的(雖然較不健壯)，因為單個解調(diào)誤差能夠?qū)狡埔粋€符號。
[0038]幀同步符號412的預(yù)定調(diào)制值也能夠被用作網(wǎng)絡(luò)簽名，在不接收彼此的分組的情況下允許若干網(wǎng)絡(luò)的共存。當接收器試圖使用與其正接收的幀相比不同的預(yù)定值來實現(xiàn)幀同步時，由于所預(yù)期的序列將不出現(xiàn)，幀同步將失敗。當為了該目的而被使用時，幀同步符號調(diào)制值對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當是唯一的。對于2個符號，所述集對于第一網(wǎng)絡(luò)可以例如是{3，N-3}，然后{6，N-6}，然后{9，N-9}等等。同樣地，3個值的分離是重要的，因為最可能的解調(diào)誤差是調(diào)制值上的±1偏移。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述前導碼優(yōu)選地包括頻率同步符號413，所述頻率同步符號413在于是基礎(chǔ)未經(jīng)調(diào)制啁啾的復(fù)共軛的一個或多個(優(yōu)選地兩個)啁啾。在基帶表示中可以將這些視為降頻啁啾，其中頻率從Λ = + mv /2的值下降至Z1 = — BW /2。一旦實現(xiàn)幀同步，接收器能夠使用經(jīng)修改的處理序列來解調(diào)這些:所述基帶信號與被用于解調(diào)前導碼和數(shù)據(jù)中所有其它符號的序列的復(fù)共軛相乘，并且然后進行FFT變換。
[0040]雖然用于頻率同步的共軛符號是有效的，但這不是僅有的可能性，并且本發(fā)明不必被這樣限制。所述共軛符號事實上可以由具有與基礎(chǔ)啁啾相比不同的帶寬或持續(xù)時間的啁啾所代替，因而表現(xiàn)出比基礎(chǔ)啁啾的頻率變化更快或更慢的頻率變化。該變形將需要更復(fù)雜的接收器，但是另一方面使共軛啁啾自由地用于數(shù)據(jù)傳輸。
[0041]由于啁啾的時間-頻率等價屬性，調(diào)制的視在值(apparent value)將給出頻率誤差。為了讓接收器在時間上對準，在符號413之后插入靜默(silence) 420。
[0042]兩個符號比一個更好，因為某一重復(fù)對于不產(chǎn)生解調(diào)誤差是必要的。同樣，因為所述兩個符號是利用相同的開始相位被調(diào)制的，所以可以提取精細頻率誤差。
[0043]可選地，報頭進一步包括精細同步符號414并且允許簡單地實施完全一致的接收器以及數(shù)據(jù)符號中更緊密的報頭和等價地更高比特速率，所述精細同步符號414例如是未經(jīng)調(diào)制的基礎(chǔ)啁啾并且給出精細時間和頻率同步的時機?？赡艿氖?，如以上所述地處理這些符號，將它們與共軛符號相乘、提取FFT并且確定對應(yīng)于精細時間移位的峰值位置。此類精細時間移位不受制于漂移，因為一旦粗糙同步已經(jīng)被實現(xiàn)，由于晶體參考中偏移的系統(tǒng)采樣漂移被適當?shù)乜紤]。比較不同符號中的該峰值的相對相位允許精細地同步在發(fā)射器和接收器之間的頻率。
[0044]如果頻率同步只依靠頻率同步符號413，則一些頻率偏移可能導致一個調(diào)制位置的誤差:這些頻率偏移是這樣的使得降頻啁啾的解調(diào)給出兩個同樣可能的值(這些是相鄰值)。簡單接收器不能夠辨別所述兩個值，并且可能采取錯誤的決定，產(chǎn)生小的殘余頻率偏移和一半的調(diào)制位置定時誤差。依賴于噪聲，此類誤差能夠給出全位置調(diào)制誤差。就在頻率同步之后給予接收器更好健壯性的可替換方式是以較低數(shù)據(jù)速率為代價的調(diào)制值縮減集。
[0045]除執(zhí)行精細時間對準之外，這些符號還能夠給出另一個精細頻率誤差估計。這允許實施簡單一致的接收器，其繼而使得除循環(huán)移位作為調(diào)制方法之外符號的相位調(diào)制是可能的。
[0046]幀的報頭部分是數(shù)據(jù)字段415，其包括幀意圖用于測距的指示和需要測距的特定設(shè)備的識別碼。只有具有等于在報頭中所指定的識別碼的識別碼的該特定設(shè)備應(yīng)當對所述測距請求進行響應(yīng)。
[0047]測距符號416是具有預(yù)定時間結(jié)構(gòu)的一連串未經(jīng)調(diào)制的啁啾。優(yōu)選地，所述測距符號416是一連串未經(jīng)調(diào)制的啁啾，即基礎(chǔ)啁啾。
[0048]圖6示意性地圖示在測距交換期間在主和從設(shè)備中可能的步驟序列。所述交換由主站發(fā)起，所述主站發(fā)射指明特定從設(shè)備的測距請求(步驟201)，并且然后等待(步驟230)適當?shù)捻憫?yīng)。所述從站接收請求(步驟300)并且起先如同正常傳輸那樣對它進行處理。其運行檢測、時間和頻率同步(步驟350)和報頭解碼的通常步驟。然后其發(fā)現(xiàn)所述幀是測距請求并且將所述測距請求ID與其自己的ID比較(步驟352)。如果它們匹配，則其將繼續(xù)進行緊接的步驟。在該第一階段期間，所述從站已經(jīng)估計在主站和其本身之間的頻率偏移。該頻率偏移被用于計算(步驟356)在其之間的定時漂移(timing drift),假定定時和頻率得自相同的時間參考。然后所述從站執(zhí)行測距特定步驟: a-測距同步(步驟357):這是用于與由主站所發(fā)射的測距符號在時間上對準。的確，就在報頭之后可能有時間偏移，因為所述報頭對于小時間偏移是健壯的。
[0049]b-測距計算(步驟359)。對于每個符號，執(zhí)行經(jīng)調(diào)整的去啁啾操作。不同的本地啁啾被合成用于對每個符號進行去啁啾，以便針對定時漂移而調(diào)整:首先，所述啁啾的斜率被修改與晶體偏移對應(yīng)的非常小的部分。其次，所述啁啾的開始頻率被修改以適應(yīng)自測距同步時刻以后所累積的定時誤差，該值等于符號索引(symbol index)乘以所評估的每符號定時漂移。此處我們使用啁啾的完全頻率-時間等價，以及這些補償是非常小的事實。在可替換方案中，接收器可以在時間上內(nèi)插，但是這將比頻率移位復(fù)雜得多。所述補償是小的，一些PPM的頻率移位將不使信號偏離信道。啁啾的頻率-時間等價意味著在某些方面上，時間偏移等價于頻率偏移。
[0050]在FFT之后，在預(yù)期位置(頻段(bin) 0，沒有調(diào)制)處的輸出的相對值與其鄰居相比較。然后內(nèi)插被執(zhí)行以找到精細定時(步驟362)。這相當于(amount to)根據(jù)沒有被確切置于期望頻率上的FFT值的離散觀測來評估正弦曲線的頻率，并且能夠以各種方式來執(zhí)行。
[0051]對若干符號一起求平均以得到精細定時估計。這允許從站確定確切定時時刻，在所述確切定時時刻通過把從報頭所確定(步驟350)的粗糙定時移位和精細定時移位、由表達式 Ranging_symbols_numbers x (symbol_durat1n+timing_drift_per_symbol)所給出的測距序列的持續(xù)時間和預(yù)定測距響應(yīng)偏移加在一起來發(fā)射響應(yīng)。所述從站因而等待直到定時時刻為止(步驟364)并且發(fā)射測距響應(yīng)(步驟367)。
[0052]所述測距響應(yīng)偏移是預(yù)定時間間隔，所述預(yù)定時間間隔適應(yīng)處理時間并且使用在從站的接收和發(fā)射無線電內(nèi)部的延遲。假定所述估計是正確的，則在天線處的信號的測距響應(yīng)開始時間應(yīng)當?shù)扔谒邮照埱蟮拈_始時間加上固定偏移，所述固定偏移優(yōu)選地對應(yīng)于整數(shù)數(shù)目的符號。所述測距響應(yīng)偏移可以是恒定的或被自適應(yīng)地調(diào)整以便補償溫度改變或其它漂移源。
[0053]重要地，通過確定粗糙和精細時間移位估計和定時漂移，由于包括如以上所解釋的啁啾調(diào)制信號的測距請求的特殊屬性，本發(fā)明的從設(shè)備能夠基于被包含在測距請求中的啁啾的時間和頻率來確定其自己的時間參考相對于主站的時間參考的時間和頻率移位。
[0054]所述測距響應(yīng)由若干未經(jīng)調(diào)制的啁啾構(gòu)成。優(yōu)選地，在測距計算中，與經(jīng)調(diào)整的去啁啾步驟359期間相比，相同的補償被使用:斜率補償加上定時漂移累積補償。根據(jù)所估計的頻率，這附加于發(fā)射頻率的補償而發(fā)生。以這種方式，所述測距響應(yīng)在時間和頻率上與所述主站的時間參考精確對準。
[0055]此處，重要的是注意到，所述系統(tǒng)對于頻率偏移估計中的小誤差是健壯的。如果小誤差出現(xiàn)，則接收頻率和發(fā)射頻率將是略微錯誤的，然而定時漂移估計將幾乎是正確的。這是因為，定時漂移估計是將所估計的頻率除以載波頻率。例如在868MHz處，120Hz的誤差(其是使用4096的擴頻因子和500KHz的帶寬的全FFT頻段的不太可能的誤差)導致僅僅
0.13ppm的誤差:這將給出僅1.5米測距誤差。其次，由于所述響應(yīng)與所述請求是時間對準的，如果在所估計的頻率中有誤差，則其將由時間同步中成比例的誤差所補償，使得接收信號和解調(diào)信號的frequency (頻率)=f (time (時間))的函數(shù)是對準的。未同步的影響于是只是所接收能量的微小降級。
[0056]這兩個效應(yīng)在圖4a和4b中被圖不，所述圖4a和4b繪制在王站中和在從站中一系列啁啾的瞬時頻率。在主設(shè)備中所生成的啁啾由雙線表示，而關(guān)于從設(shè)備的那些由單線描繪。實線指示在主站和從站之間所傳輸?shù)男盘?，而虛線代表用于去啁啾的本地信號，例如:
圖4a示出所述方案對于來自從站的小頻率估計誤差是健壯的，圖4b示出定時補償是強制性的。
[0057]現(xiàn)在回到圖6，在主站側(cè)上，測距響應(yīng)的接收(步驟231)不需要同步步驟。主站假定頻率和定時是完美對準的。測距響應(yīng)不需要嵌入頻率估計符號。主站僅估計定時，在沒有補償?shù)臏y距計算中確切地執(zhí)行與從站相同的步驟(236和240)。這簡化調(diào)制解調(diào)器，因為測距核對主站和從站這兩者是共同的。
[0058]優(yōu)選地,本發(fā)明包括分集合并(diversity combining)以改進距離估計的可靠性和精度。通過分集，此處意圖的是在相同設(shè)備之間執(zhí)行若干測距測量。這些測量可以用不同的交換接連進行、在相同交換期間并行進行或這兩者。
[0059]優(yōu)選地，分集合并基于接收信號強度指示。與低于給定閾值的RSSI對應(yīng)的測量被舍棄。然后，對剩余的測量求平均以得到初始距離估計。在線性尺度中使用RSSI作為權(quán)重來對估計求加權(quán)平均也是可能的。
[0060]在可能的實現(xiàn)方式中，所應(yīng)用的閾值大約6dB:具有比測量集的最大RSSI低6dB的關(guān)聯(lián)的RSSI的測距測量被舍棄。該閾值來自實驗數(shù)據(jù)。
[0061]如果空間(即天線分集)和頻率分集這兩者都被使用，則優(yōu)選地針對每個天線來計算閾值。
[0062]一旦所選擇的測量的平均值是可用的，則距離估計被補償用于多徑。視線情況下，與單徑相比，多徑的平均效應(yīng)是會增大所測量的飛行時間(time of flight)。因為由直接路徑的測量來表示距離更好，該補償是重要的。因為由于本發(fā)明的系統(tǒng)的窄帶，本發(fā)明的系統(tǒng)通常不能夠解析信道的時間結(jié)構(gòu)(即，解析單獨回聲(echo))，適當?shù)难a償能夠相當大地改進距離估計的可靠性。
[0063]在設(shè)備之間的距離越長，則傳播信道的延遲擴展(delay spread)越大。然而，延遲擴展的影響被限制:在比系統(tǒng)的時間分辨率更長的延遲之后發(fā)生的回聲不修改距離估計。
[0064]在非常短的距離處(在幾米以下)，信道的功率分布快速衰減。我們觀測到，距離越短，多徑的影響越低。實際上對于在設(shè)備之間零距離的限制情況來說，直接路徑非常多地支配回聲，以便其影響是非常小的。
[0065]該行為已經(jīng)從實驗數(shù)據(jù)確定；圖5圖示被用于從由多徑所影響的距離估計提取真實距離的可能的補償曲線。使用各種長度的RF電纜的測量證實，空中的無線電傳播是該依賴距離的測距偏置的來源。
[0066]本發(fā)明優(yōu)選地包括自動自適應(yīng)測量，例如速率自適應(yīng)、用于分集的自適應(yīng)跳頻和對在“找到我的物品”應(yīng)用中的一對設(shè)備的執(zhí)行自動校準的能力。
[0067]自適應(yīng)速率被用于最大化網(wǎng)絡(luò)容量或鏈路容量。本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選地能夠基于信道狀態(tài)而適配信號的頻率和/或帶寬和/或擴頻因子。
[0068]通過進行速率自適應(yīng)，如果信噪比足夠好，則測量速率可以被增大。與傳輸系統(tǒng)相比，利用相同的方案來完成速率自適應(yīng):改變擴頻因子，使用通信路徑來交換擴頻因子的值。由于更平均，更短的測量能夠提供更高的準確度、追蹤更多項目或節(jié)省功率。
[0069]自適應(yīng)跳頻是特別是在2.4GHz ISM帶中非常有用的特征，因為2.4GHz ISM帶被許多其它應(yīng)用擠滿。因為本發(fā)明的系統(tǒng)是窄帶，其甚至當大多數(shù)帶被使用時也可以提供測距服務(wù)。這不能通過較小靈活的較寬帶系統(tǒng)完成?？梢酝ㄟ^各種已知方法確定最佳頻率，并且使用通信路徑來傳輸關(guān)于跳頻序列的足夠的信息。
[0070]本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選地被布置以使用依賴距離的測距誤差來自動校準測距測量。如在圖5中所示出的，隨著距離減小，所估計的距離對距離的斜率增大直到對于例如小于15米的非常接近的距離為5的斜率。在典型點對點應(yīng)用中，以步行速度的用戶瞄準所搜尋的人或物，因而可以假定，真實距離的改變速率或多或少是恒定的并且被限制于例如1.5m/s。一旦在未被補償?shù)木嚯x估計(在2中所描述的偏置補償之前)中有突變并且如果對應(yīng)的速度太高了以致不能是行人速度，則系統(tǒng)可以推斷，到所搜索對象的真實距離小于15米。這能夠被用于修改主設(shè)備的校準，以補償主站的、或更可能為從站(所搜索設(shè)備)的校準誤差。所修改的主站校準實際上改進所述對的校準。相反地，如果距離估計低于15米，但是如果同時未被補償?shù)木嚯x估計以行人速度變化，那么系統(tǒng)可以檢測誤差并且增大所估計的距離，因為對于短距離來說，估計應(yīng)當更快速地變化。該自動校準僅當設(shè)備是接近的時發(fā)生，這正是當它被需要的時候。具有該自動校準(其中所估計距離的改變速率被用作真實距離的指示)，改進系統(tǒng)中的置信度，其中可以讓設(shè)備長時段內(nèi)沒有測距活動。
[0071]由于系統(tǒng)提供的長距離，本發(fā)明能夠操作于高度阻塞的條件中。在這些情形中，測距估計將仍然是幾乎準確的，因為其是基于飛行時間測量。然后，比較距離估計與平均接收信號強度，本發(fā)明能夠建立并顯示阻礙指示。計算該指示的一種方式是首先計算路徑損耗指數(shù)，其在視線的情況下應(yīng)當?shù)扔?。路徑損耗指數(shù)是這樣的使得接收功率與距離乘指數(shù)冪成反比。為此，需要知道發(fā)射功率，但是該信息不需要是高度準確的，因為阻礙效應(yīng)通常是占優(yōu)勢的?？赡艿淖璧K指示通過從路徑損耗指數(shù)減2并且將該數(shù)目報告給用戶而得到。
[0072]對于其中用戶具有手持設(shè)備的應(yīng)用，阻礙指示可以是隨著阻礙增加而在大小上增長和/或改變顏色的條(bar)。這樣，手持設(shè)備能夠同時報告所估計的距離和所估計的阻礙。阻礙級別可以被用作方向提示:室外，當阻礙高時，其經(jīng)常指示用戶的身體正阻礙信號，并且面向不同方向能夠確認這點。室內(nèi)，高阻礙級別指示用戶正瞄準的項目不在相同房間/樓層中。這對于該應(yīng)用是非常方便的信息，如由若干測試所證明的。
[0073]圖7表示根據(jù)本發(fā)明的方面的定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)允許確定移動設(shè)備510的位置。設(shè)備510能夠通過包括如以上所解釋的一系列啁啾的無線電信號來與多個定位設(shè)備521-524進行通信。
[0074]定位設(shè)備521-524充當信標并且能夠通過適合的數(shù)據(jù)鏈路540進行通信。數(shù)據(jù)鏈路540可以是例如也基于啁啾調(diào)制無線電信號或基于任何適合的通信標準的無線無線電鏈路，或基于電纜、電纖維(electric fibre)或任何其它適當數(shù)據(jù)傳輸裝置的有線鏈路。重要地，數(shù)據(jù)鏈路540允許使設(shè)備521-524的相應(yīng)時間參考同步，如在本領(lǐng)域中所已知的。所述圖表示其間互連并且互相同步其時鐘的定位設(shè)備521-524，但是在未表示的變形中，它們可以代替地將其時間參考與共同主參考同步。
[0075]定位設(shè)備521-524優(yōu)選地是固定的或至少緩慢移動，并且其位置或至少其相對于彼此的相對位置是精確已知的。
[0076]定位系統(tǒng)也包括至少一個解算器(solver)設(shè)備560，所述解算器設(shè)備560知道定位設(shè)備521-524的位置并且能夠與其交換數(shù)據(jù)，以便計算移動設(shè)備510的位置，如將被進一步解釋的。即使概括地講，解算器設(shè)備560在此處被表示為與定位設(shè)備521-524是物理上不同的，但這并不是本發(fā)明的限制特征，并且事實上每個定位設(shè)備521-524或同時它們所有可以充當解算器，在這種情況下，鏈路540可以被用于時鐘同步和數(shù)據(jù)交換這兩者。
[0077]優(yōu)選地，移動設(shè)備向所有定位設(shè)備發(fā)射測距請求535，例如如在圖3中所格式化的。每個定位設(shè)備接收測距請求535并且以相同方式(應(yīng)用圖6的步驟350-362)來對所述測距請求535進行解碼，但是每個定位設(shè)備將確定不同的測距響應(yīng)偏移，因為每個離移動設(shè)備510都具有不同的距離。
[0078]在該點處，所述定位方法偏離先前的實施例，在于代替生成測距響應(yīng)，偏移被傳輸?shù)浇馑闫髟O(shè)備560，所述解算器設(shè)備560計算移動設(shè)備560相對于定位設(shè)備521-524的位置。為此，需要的是，足夠數(shù)目的定位設(shè)備確定偏移。在通常情況下，解算器將必須求解包括四個未知量的系統(tǒng):移動設(shè)備510的坐標x,y, Z和其時鐘的偏移,因此來自四個獨立定位設(shè)備的至少四個偏移需要被確定。求解這種系統(tǒng)的方法在本領(lǐng)域中是已知的。
[0079]根據(jù)在圖8中所表示的另一個實施例，移動節(jié)點的位置可以在節(jié)點自身中被確定。在這種情況下，多個固定的定位信標521-524如以上所提及的使其時間參考由鏈路540同步并且同時或以預(yù)定時間間隔發(fā)出包括例如如在圖3中的啁啾的測距序列。如參考圖6所解釋的，移動設(shè)備510能夠估計相對時間偏移。因為定位節(jié)點的時間參考是同步的，假如移動設(shè)備510至少確定來自四個獨立定位設(shè)備的延遲并且知道其位置，則所述移動設(shè)備510能夠確定其自己的坐標X, y, z和其時鐘的偏移At。
[0080]重要地，在最后兩個實施例中，移動節(jié)點510的位置從未被傳輸并且其僅被解算器560或在后者中被移動設(shè)備510已知。
【權(quán)利要求】
1.一種包括至少發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備的系統(tǒng)，每個設(shè)備包括時間參考并且被布置用于發(fā)射和接收包括多個啁啾的無線電信號，其中每個啁啾在時間上被限制在初始時刻(Tp和最終時刻(Tp之間，在所述初始時刻(Tp處信號具有初始瞬時頻率(4)，并且在所述最終時刻(G)處信號具有最終瞬時頻率()，所述初始和最終時刻以及所述初始和最終頻率由時間參考確定，所述設(shè)備具有測距模式，在所述測距模式中測距請求從發(fā)射設(shè)備被發(fā)射(201)到接收設(shè)備，并且其中接收設(shè)備被布置用于接收(300)所述測距請求并且用于基于被包含在測距請求中的啁啾的時間和頻率來確定接收設(shè)備的時間參考相對于發(fā)射設(shè)備的時間參考的時間和頻率移位(350、359、362)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中接收設(shè)備被布置用于發(fā)射回(367)測距響應(yīng)，所述測距響應(yīng)包含在時間和頻率上與發(fā)射設(shè)備的時間參考對準的啁啾，并且主設(shè)備被布置用于接收(231)測距響應(yīng)，并且用于基于被包含在測距響應(yīng)中的啁啾的時間和頻率來估計(240)到從節(jié)點的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括具有共同時間參考的多個接收設(shè)備(521-524)和計算裝置(560)，所述接收設(shè)備(521-524)被布置用于接收測距請求(535)并且用于確定依賴于在發(fā)射設(shè)備(510)和每個接收設(shè)備之間的距離的多個時間偏移，所述計算裝置(560)被布置用于基于所述時間偏移來確定發(fā)射設(shè)備的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括具有共同時間參考的多個發(fā)射設(shè)備(521-524)和接收設(shè)備(510)，所述發(fā)射設(shè)備(521-524)被布置用于發(fā)射所述測距請求(535)，所述接收設(shè)備(510)被布置用于接收測距請求和用于確定依賴于在接收設(shè)備(510)和每個發(fā)射設(shè)備之間的距離的多個時間偏移，并且用于基于所述時間偏移來確定接收設(shè)備(510)的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個啁啾被數(shù)字合成并且在時間上被限制在初始時刻(&)和最終時刻(7；)之間，在所述初始時刻(T0)處信號具有初始瞬時頻率(&)和初始相位(I^CI)，并且在所述最終時刻(Tp處信號具有最終瞬時頻率(f\)和最終相位(φρ，所述信號相位基本上是連續(xù)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中測距請求包括一系列相同的啁啾(416)，并且接收設(shè)備被布置用于執(zhí)行去啁啾操作(357)，其中每個所接收的啁啾與本地生成的共軛啁啾相乘，并且在結(jié)果上執(zhí)行FFT，于是FFT的峰值是在所接收的啁啾和本地生成的啁啾之間的時間移位的指示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中接收設(shè)備被布置用于執(zhí)行經(jīng)調(diào)整的去啁啾(357)，其中不同的本地生成的啁啾被用在每個所接收的啁啾處，以便針對定時和頻率移位調(diào)整。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的系統(tǒng)，其中測距響應(yīng)包括一系列相同的啁啾(416)，所述啁啾(416)是對每個啁啾應(yīng)用不同參數(shù)而在接收設(shè)備中被合成的(367)，使得其在時間和頻率上與發(fā)射設(shè)備的時間參考對準。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中接收和/或發(fā)射設(shè)備被布置成執(zhí)行若干測距測量并且用于基于關(guān)聯(lián)的信號強度來合并它們。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中基于信道狀態(tài)來適配無線電信號的頻率和/或帶寬和/或擴頻因子。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項所述的系統(tǒng)，其中接收設(shè)備被布置成通過應(yīng)用補償曲線來補償被多徑所影響的距離估計。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，被布置成執(zhí)行補償曲線的自動校準，其中所估計距離的改變速率被用作真實距離的指示。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，進一步被布置成基于距離估計和接收信號強度來計算阻礙指示。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項所述的系統(tǒng)，其中發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備具有通信模式，所述通信模式允許它們通過啁啾調(diào)制的無線電信號來交換數(shù)字數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H04B1/69GK104135305SQ201410051493
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月14日
【發(fā)明者】O.B.A.塞勒 申請人:商升特公司, 商升特國際股份有限公司