通过超宽带导频信号来同步 无线遥测系统的方法和设备 相关申请的交叉参考
本申请的主题涉及H.W.Tomlinson，Jr.、J.E.Hershey、R.T.Hoctor和K.B.Welles，II于2001年1月3日提交的、题为“Ultra-Wideband Communication System(超宽带通信系统)”(GEDocket RD-27，754)、序列号为No.09/753,443的共同未决的专利申请，R.T.Hoctor、D.M.Davenport、A.M.Dentinger、N.A.VanStralen、H.W.Tomlinson，Jr.、K.B.Welles，II和J.E.Hershey于2001年10月10日提交的、题为“Ultra-Wideband CommunicationSystem and Method Using a Delay-Hopped，Continuous NoiseTransmitted Reference(利用延迟跳跃、连续噪声发送参考的超宽带通信系统和方法)”(GE Docket RD-27，759)、序列号为No.09/974,032的共同未决的专利申请，R.T.Hoctor、J.E.Hershey和H.W.Tomlinson，Jr.于2001年10月9日提交的、题为“Transmitter Locationfor Ultra-Wideband，Transmitted-Reference，CDMA CommunicationSystem(超宽带、发送参考、CDMA通信系统的发射机定位)”(GE DocketRD-27，855)、序列号为No.09/973,140的共同未决地专利申请，以及，R.T.Hoctor和S.Hladik于2002年4月19日提交的、题为“Synchronization of Ultra-wideband communications using aTransmitted-reference Preamble(利用发送参考前同步的超宽带通信的同步)”(GE Docket RD-28，133)、序列号为No.10/125,092的共同未决的专利申请，所有这些申请都被转让给本申请的受让人。在此引入序列号为No.09/753,443、No.09/974,032、No.09/973,140和No.10/125,092的申请的公开阐述内容作为参考。
【技术领域】
本发明涉及到发送参考超宽带(TR-UWB)无线通信系统，并且更加具体而言，涉及到利用这样一个信号作为导频信号，使得覆盖范围内的所有无线发射机都能接收该信号并且从中得到时间同步的一种方案。
背景技术
在通信领域内，利用时分多址接入(TDMA)实现期望使用相同信道的多个发射机之间的同步，这是公知的。在TDMA方案中，多个发射机串行地使用通信信道，每个发射机接受一个时隙，在该时隙期间它可以专用该信道。另一种与TDMA相关、用于协调多个发射机的方案就是开槽的随机接入。这种技术的一个实例就是槽式ALOHA媒体接入方案。在开槽的随机接入系统中，发射机可以在其愿意的任意时刻使用该信道，但是其传输必须从特定时钟所确定的时间开始。该时钟确定传输将要发生在哪个时隙内。
与TDMA方案和开槽的随机接入方案相关的一个问题就是建立并且维护一个公共的时基，以调整该发射机的传输时间。总之，某种时钟必须被分配给所有的发射机，以允许它们在正确的时刻进行发送。在某些基于无线的TDMA系统中，通过把时隙指配给主接收机来做到这一点，在此期间该接收机广播一个消息，并且令所有发射机都接收这一信号，并且在发射机内使用该信号的到达时间作为时间标记。这样，信道带宽的某些部分就将被用于去发送定时信息，而不是数据。如果利用某种带外信道为发射机分发定时信息，则不需要失去承载信息的带宽。
超宽带(UWB)通信是一种通过发送脉冲而工作的无线传输类型的名称；实际上，这种通信的另一种名称就是“脉冲无线电”。参见M.Z.Win和R.A.Sholtz发表于IEEE Comm.Letters 1988年2月第2卷第36到38页，题为“Impulse Radio：how it works(脉冲无线电：它如何工作)”的文章，以及L.W.Fullerton的题为“Spread spectrum radiotransmission system(扩展频谱无线传输系统)”的美国专利(序列号No.4,641,317)中的公开阐述内容。
最近，提出了一种被称作发送参考、延迟跳跃(TR/DH)超宽带的新UWB通信方案，参见序列号为No.09/753,443(GE Docket RD-27，754)和序列号为09/974,032(GE Docket RD-28，759)的共同未决的专利申请。术语“发送参考”就是指以如下方式，即不需要与单个脉冲实现同步的方式，来发送和接收多个脉冲。发送参考UWB成对地传送脉冲，并且由此在接收机内引入可以通过标准手段测量的相关性。术语“延迟跳跃”就是指利用发送参考UWB的码分多址接入(CDMA)方案。
除了标准TR/DH的超宽带(或“脉冲无线电”)形式之外，发明人还发明并且试验了利用宽带噪声而不是脉冲序列作为载体的TR/DH形式。这种型式的发明通过发送两种版本的宽带连续噪声之和而在接收机内引入相关，这两种噪声版本由接收机已知的记录来分离。本发明的好处在于：噪声载体比脉冲序列载体更加容易生成，并且在序列号为No.09/974,032的共同未决的专利申请(GE Docket RD-28，759)中有描述。除了传输信息之外，TR/DH UWB可以被用于针对接收机内的时钟，去建立时间标记；这样它便可被用来分发一个时钟。在09/973,140(GEDocket RD-27，855)和10/125,092(GE Docket RD-28，133)的共同未决的专利申请中描述了该应用。
【发明内容】
本发明通过利用TR/DH超宽带传输作为导频信号，使处于覆盖范围内的所有设备都能够接收该导频信号并且从中获得同步，来解决与时分复用或分时隙通信相关的信号捕获问题。从位于该覆盖范围内的中央节点或基站向所有将要实现传输时间同步的设备广播该发送参考超宽带脉冲导频信号。该设备利用简单的信号检测算法，在大概10纳秒的精度条件下，实现与该导频信号的同步。然后如果有要求的话，可以通过精确捕获算法来完成信号的捕获。这样的结果就是，在局域网络内的所有设备都可以与该系统的比特时钟同步。这可以允许在从设备到中央节点的反向或回程方向中进行TDMA或开槽的传输。
本发明特别有用于医院资产和个人跟踪，对能够行动的病人进行监测的医疗遥测，以及用于产品和病人护理质量改善的无线局域网数据的通信。它还可用于无线处理监测与控制应用。
【附图说明】
图1是说明单个小区系统结构以及实施本发明的信号路径的框图；
图2是说明空中接口出站信号结构的框图；
图3是给出入站信号到出站信号的比特纪元(bit epoch)之间同步的时间框图；
图4A和4B分别是通过便携式设备与来自基站的出站信号，以及基站解调器的操作同步的过程的流程图；
图5给出入站脉冲串结构的实例框图；
图6说明出站导频信号的结构的时间框图；
图7是出站导频信号、入站脉冲串以及基站时钟之间的定时关系；
图8是移动UWB接收机和窄带发射机的框图；
图9是滞后D的脉冲对相关器的框图；
图10是UWB TR延迟跳跃CDMA接收机的第一级的框图，其中给出脉冲对相关器的一组输出的说明；
图11是延迟跳跃码相关器的简单实例的框图；以及
图12是说明DH码相关器输出的框图。
【具体实施方式】
图1说明了本发明的一个实施例的框图。其中包括基站11以及一个或多个移动无线设备121、122、123、12n，该基站发送一个延迟跳跃、发送参考超宽带(TR/DH-UWB)导频信号(参见在序列号为No.09/753,443(GE Docket RD-27，754)以及序列号为No.09/974,032(GEDocket RD-28，759)的共同未决的专利申请中的公开内容)。这些移动无线设备中包括能够接收TR/DH导频信号的接收机以及用于向该基站发送消息的发射机。由移动无线设备发送的脉冲串信号将与由导频信号承载的周期性小区纪元(cell epoch)实现同步。这样的结果是，通过使用开槽的传输方案，基站处入站脉冲串的到达时间的不确定性就被大大降低了。这反过来又会减小信号捕获所要求的搜索间隔、接收机信号处理的复杂度以及消息前同步的长度。或者通过使用TDMA方案，可以消除同一频带内入站脉冲串之间的干扰。在优选实施例中，移动设备发送经过例如高斯最小移位键控(GMSK)的窄带调制的信号。
由基站11发送的出站信号可以是未经调制的、发送参考、延迟跳跃UWB，即仅被移动设备使用去获得与基站的符号时钟同步的导频信号，或者它可以包括导频以及承载如图2所示成分的消息(数据)。设计本发明的空中接口，使得入站脉冲串与由基站经过其出站信号传递到该移动设备的周期性纪元相一致。
TR/DH UWB调制方案通过使用延迟跳跃CDMA码来提供多址接入能力。多个DH码可以被同时发送并且可以无误地接收的事实意味着可以利用该方案同时操作多个未经协调的TDMA或开槽的系统。
在本发明的一个开槽的随机接入方案实施例中，小区纪元可以是接收到的出站信号的任意比特纪元。在图3所示的本发明的优选实施例中，移动无线设备发送以出站信号内的任意接收比特中的比特边界起始的入站消息。作为实例，图3中给出被发送的出站信号、在给定便携式设备中接收到的出站信号、以及由若干便携式设备发送的入站消息信号之间的定时关系。如果使用M进制调制(M＞2)，入站传输则与接收到的出站信号中的任意符号纪元同步。另一个可选实施例就是：已接收出站信号中的任意指定域的开始都被当作小区纪元。还有一个实施例就是：该指定域可以被用于去识别特定移动设备或一组允许发射的移动设备。这种特性可以被用于去实施TDMA系统。
图4A是描述由移动设备使用去实现其传输与小区的比特纪元同步的方法的流程图。当移动设备在输入块41内有数据将要被发送时，在功能块42内，其接收机将与由基站广播的导频信号同步。然后在功能块43内，由移动设备在估计到的周期性比特纪元(或符号纪元)上开始其脉冲串传输，直到在输出块44内消息终止。
在基站内，通过利用如下的先验知识，即将会在出站导频信号的符号纪元附近找到入站脉冲串的开始，可以简化脉冲串捕获过程。图4B是基站解调器操作的流程图。当解调器处于就绪状态45去捕获新脉冲串时，在功能块46内，它在小区的周期性纪元处开始捕获过程。当捕获间隔结束时，在判决块47内做出有关是否已经捕获到脉冲串的判决。如果没有，则解调器返回就绪状态45。如果已经捕获到脉冲串，则在功能块48内，解调器继续对该脉冲串进行解调。在该脉冲串已经被解调之后，解调器返回到就绪状态45。
应该强调的是，图4A和4B的流程图可以被应用于利用TR/DH导频信号实施的TDMA系统或者开槽的随机接入系统。在TDMA系统中，在出站消息内必须提供手段，以识别可能进行发射的移动设备。在开槽的系统中，由于移动设备本身作出自己何时进行传输的判断，因此没有必要进行这种识别。在TDMA系统中，导频信号的结构必须如此，以便在其它潜在的干扰设备被允许传输之前，允许“拥有”该时隙的设备完成它的传输。在开槽的随机接入系统中，即使会造成干扰，传输也是允许相互重叠的，因此，与来自移动设备的消息的持续时间相比，这种系统中的时隙的间隔可以更近。
图5给出入站脉冲的一种可能的实施例。它包含有助于脉冲串捕获的前同步符号、脉冲串头和数据。
入站脉冲串与由出站信号中传递的小区纪元同步可以大大降低脉冲串到达时间的不确定性，特别是在局域网的情况下，其中与比特间隔相比，传播延迟非常小。结果是，基站解调器的脉冲串捕获时间被大大减小。在非同步脉冲串传输的接收过程中的时间不确定性要求：接收机首先检测RF脉冲串的出现，然后与其符号定时同步，并且最终相对于本地相位源同步到它的相位。相反，本发明中基站的入站脉冲串纪元的不确定性被限制在最大传播延迟的大概两倍，而在无线局域网内，该传播延迟典型地大大小于符号间隔。例如，在发射机和接收机之间每3米范围内，传播延迟只有10纳秒。即使在60米的范围内，与10kbps链路的符号间隔(100毫秒)相比，传播延迟也很小(为200纳秒)。对于该实例而言，基站的时间不确定性将会被降低500倍。尽管仍然必须要完成相位同步，但这还是允许接收机无需进行脉冲串检测以及符号定时同步。
图6中说明了当TR/DH信号的脉冲无线电形式被用于导频信号时，本发明内使用的出站导频信号。如图6所示，每个码片内包含Nh个时间跳跃间隔，其间信息承载脉冲与参考脉冲之间的延迟是恒定的。还如图6所示，第k个延迟跳跃间隔(或者停留间隔)内的信息承载脉冲与参考脉冲之间的延迟被表示为Tdk。
图7中说明了利用出站超宽带导频信号去建立开槽的随机接入方案的系统内的各种信号之间的定时关系。在该图中，在时间轴上标注的记号表示以发射机为参考的出站(基站到移动台)信号的比特间隔。注意到，出站比特间隔Tbo可以不同于入站比特间隔Tbi。通过实例，图7中的底部给出基站接收到的入站信号(来自移动设备发射机)的定时的放大示意图。在该实例内，入站信号的第一个比特到达基站，与第n个出站比特边界的前沿之间存在Toffset秒的偏移。出站比特纪元和接收的入站信号的初始比特纪元之间的时间偏移大概等于移动台和基站收发机之间传播延迟的两倍。这样的结果就是，入站消息的到达时间的最大不确定性主要由基站和移动单元之间的最大距离所确定。当基站和移动台以相同的比特速率进行发射时，Toffset就是接收的入站消息内的任意比特纪元与出站信号内相距最近的纪元之间的时间偏移。
图8是被移动设备所用的TR/DH接收机和窄带发射机的框图。TR/DH码字的接收机内包含天线81和RF放大器82，然后是一组脉冲对相关器831到83n，以及DH码字相关器85。在输入到全数字DH码字相关器85之前，需要由相应的模拟数字转换器(ADC)841到84n之一把每个脉冲对相关器的模拟输出进行数字化。进行这种数字化的采样频率的典型值将介于1到20MHz之间，并且在每个码片间隔内至少提供两个样值。
图9中描述了脉冲对相关器。脉冲对相关器由延迟单元91、信号乘法器92和有限时间积分器93构成。信号被分为两条路径，其中一条经过延迟单元91的延迟。在乘法器92内把两个版本的接收信号相乘，并且由积分器93在指定时间Tc内对以上乘积进行积分。积分时间等于码片时间。该延迟单元使得该延迟电路路径中的前导脉冲或噪声载波在时间上与未延迟电路路径中的尾脉冲或噪声载波对齐。在码片间隔内对该非零均值的乘积进行积分，以生成码片信号。
如图10所示，该组脉冲对相关器输出处的码片信号的特征在于成峰状。天线101为相关器1021到102Nc提供输入，其中包含一组如图9所示的脉冲对相关器。这些信号的持续时间大概等于脉冲对相关器的积分时间的两倍。以每码片周期产生至少两个样值的速率，对该组波形进行采样，然后将其发送到延迟跳跃码检测器。
图8中的CDMA码相关器85会取该组脉冲对相关器831到83n的多个输出中的样值，并且以预期的CDMA码字所规定的方式，把它们相加在一起。这种操作的目的在于产生所有码片信号的已对齐的和。当预期的码字与被发送的码字相匹配时，这个操作就会具有如下效果：把与整个延迟跳跃(DH)码字波形相匹配的波门应用于在相关器输出端所观测到的数据中。如果该波门与码片信号波形的形状相匹配，则实施一个匹配滤波器；然而，这要求采样时钟和发射机码片时钟之间的相对定时的知识。如果应用于单个码片的波门是矩形的，且持续时间为2Tc，则CDMA码字相关器的作用就是把所有同相的单个码片波形相加起来生成一个输出，该输出是该单个码片波形的高SNR版本。
图11中描述了CDMA码相关器的一个实施例的结构。所描述的特定的码相关器利用与图10所描述的相关器组输出相匹配的CDMA码字。该码字相关器中包含多个码片时延单元(Dchip time)1111到111Nc，以及加法器112。注意到，码片时延(Dchip time)和符号(加和减)会造成基本(elementary)相关器峰值在时间上与该相同的符号一致。加法器把来自CDMA码字相关器的模拟到数字转换器(ADC)的延迟的输出相加，并且将其被提供作为输出。由于ADC的采样周期已经被指定为该码片周期的一部分，因此在一实施例内，图11中的所有延迟都可以被实施为多个数字存储设备，规定把所存储的数据从一个设备传递到下一个设备。这样，在一个实施例内，图11的CDMA码字相关器描述了同步数字电路，例如可以被实施在可编程逻辑器件(PLD)中，例如现场可编程门阵列(FPGA)或类似设备，或专用集成电路(ASIC)。
一旦已经构成码字相关器的输出样值(在图12中由黑色的菱形表示)，则接收机必须决定在上一个采样间隔内是否已经接收到码字。如果判决结果是肯定的，则必须从样值中得到其它数据。在TR/DH数据传输应用中，该码字应该被将表示被发送的信息的±1调制。
对于本发明的应用来说，接收到码字的时刻是最重要的信息片。估计该值的一种方式就是使得脉冲对相关器输出波形的模型与码字生成器输出中的样值相适配。可以在最小均方误差的基础上来完成这种适配，这样就可以导致对于高斯观测噪声的最佳适配。图12中给出了该算法的可能结果，它叠加在采样样值上。适配的模型在形状上是三角形，以便与DH CDMA码字相关器输出函数的主瓣相匹配，该模型受到两个参数的控制，峰值高度h以及峰值的时间位置τ。该信息可以由最佳适配的平方误差和来补充，该最佳适配的峰值处于当前的采样间隔内。可以组合该峰值的绝对值以及平方误差和，并且与门限比较，以检测该码字。τ的取值可以被用作该码字到达时间的估计值。
特别是，给定DH码相关器输出数据{x0、x1、...、xN}，适配的三角形高度的最小均方误差估计由下式给出：
hφ^=Σn=0NxnT(n,φ)Σn=0NT2(n,φ)]]>
其中函数T(n，φ)是预期波形的三角模型。第一个自变量n是样值的号码；该模型的相邻样值可以被考虑为由与分隔数据样值相同的时间间隔来分隔。对应于在码相关器输出波形的主瓣中预期的样值个数，在该模型中将有N+1个样值。该模型的第二个自变量是相对在上述乘法中使用的样值的该模型的相对相位。该模型的相位可以通过假设以高速率，即码相关器输出样值速率的M倍，对该模型进行采样来解释，并且因此整个模型由M(N+1)个样值组成。可以选择M组不同的(N+1)个模型点，其中由该模型点由M个高速率样值分隔。对于相位下标φ＝1、…、M，这些组模型点中的每一组都被认为是该模型的不同相位。
当接收机没有任何先验同步信息而去查找TR/DH码字时，为每个新的样值组，即在每个采样间隔结束时去执行上述算法。对于每个新的样值来说，该模型的所有相位都必须被应用到最近的(N+1)个被保存的数据样值中。当计算出一组结果，对于其该高度超过预定门限，而且模型化误差低于针对该模型的所有附近的相位计算得到的误差值时，我们就把该样值号码和相位转换为TR/DH脉冲串的到达时间。结果得到的到达时间测量已知是关于ADC采样时钟87的，该时钟确定DH CDMA码相关器85的输出样值时间。
值得注意的是，对于本发明的脉冲无线电形式而言，即使是在给定理想的有限间隔积分器的情况下，脉冲对相关器的输出也只是近似为三角形。其原因在于：单个脉冲对相关器输出波形并不是平滑的三角形，而是以离散阶跃形式、并非平滑地上升和下降，参见图10所示。这些阶跃的时间位置是随机变化的，并且对应于单个脉冲对的到达时间。可以看到：这种波形之和将汇聚为三角形。另一方面，对于噪声载体来说，码片波形是三角形的。
在上述的到达时间(TOA)估计方法中，真正测量的是分组的上一个码片信号的峰值时间。该峰值表示被特定滞后所分割的脉冲对停止到达的时刻，而且该滞后对应于被发送构成该码字的最后码片的滞后。如果发送设备只具有从发射机到接收机的直接传输，则可以由传输时间和所涉及的接收机与发射机之间的距离来确定到达时间的取值。
另一方面，任意多径都将趋向于(在时间上)扩展该码片信号的峰值，这将会起到如下作用，即相对于直接路径的到达时间，被检测到的到达时间将会被延迟。这个延迟将可以达到所观测到的多径扩展的一半，并且对于类似办公建筑物的室内环境，更可能是约为10到50纳秒。(参见John Wiley & Sons于1999年出版的，Saunders的“Antennas andPropagation for Wireless Communication Systems(无线通信系统的天线和传播)”一书。)
TOA估计中另一种潜在不准确的来源就是发射机的码片时钟和接收机采样时钟之间的时钟不匹配。这种不匹配会存在如下影响：使得来自脉冲对相关器的积分器的波形中的样值定位发生偏移。在接收被发送TR/DH码字的过程中，这种相对接收波形相位的采样时钟相位的进动将具有如下影响：即在时间上把输出波形抹平。例如，如果被发送码字长400毫秒，而且发送和接收时钟频率之间的误配为10PPM，则CDMA码相关器输出的合成波形就会被抹去4纳秒。结果得到的TOA估计误差的预期值将是该数值的一半。与只产生过估计误差的多径不同的是，时钟频率的这种进动可以导致TOA的过估计或欠估计。本领域的技术人员将会理解到：最大的时钟不匹配是由用于产生发送和接收时钟波形的振荡器的稳定性所决定的。最大的时钟频率不匹配以及由此导致的可允许误差将确定可以被相干组合以构成TOA估计值的码字的最大长度，以及因此可以确定TR/DH前同步的最大长度。码字长度直接影响检测概率，并且因此可以影响最大传输距离。本领域的技术人员可进行进行这种设计折衷。
总之，到达时间估计的精确度将随噪声电平和多址接入干扰电平而降低。另一方面，由于最终步骤的有效SNR将随编码增益而增加，因此精确度将随码字长度而增加。由于样值数量更多，适配该模型的误差就会越小，因此精确度也将随样值速率而增加。
采用原型TR/DH发射机和接收机在室内环境中的实验已经表明：以上描述的方法的精确度在小于10纳秒的误差范围内。在典型的室内多径情况中，这意味着入站脉冲串的开始时间的不确定性仍然是由双路传播时间所主导的。
返回参考图8，我们将描述用于从TR/DH接收码字中得到时间标记并且利用它去触发用于窄带脉冲串数据传输的发射机。DH CDMA码相关器85的输出样值被输入到多相滤波器和门限逻辑模块86。该模块实施上述给出的最小均方误差的计算。因为对于每个输入样值来说，需要针对波形模型的所有相位计算所有的平方误差，因此这是一种多相计算。由于该模块的输入可以以高达20M样值/秒的速率被采样，因此该模块可以被实施为小规模的ASIC或PLD。或者，对于较低的采样速率和较长的码片时间来说，可以在数字信号处理器(DSP)中实施这一功能。
多相滤波器和门限逻辑模块86的输出可以很方便地以相对于最近样值的样值序号，以及可以被当作是采样周期一部分的相位的形式来表示。这种数值数据识别时间上的一个时刻，并且必须被转换为触发信号，它能够在适当的时刻去启动该窄带发射机。为了使得该操作能够继续，必需收集至少某些要被发送的数据，并且在生成该启动信号之前进行缓冲存储。生成该启动信号的功能由生成启动时间信号模块88来执行，其最方便的实施方式就是通过DSP，该DSP可以访问该数值时间标记所参考的采样时钟87。该启动信号被输入到窄带遥测发射机89，它接收并且缓冲存储要被发送的比特。该发射机89被连接到其自己的天线90中。
注意到，尽管采样时钟87只是图8中框图上所示的时钟，但是必须分发一个或多个更高频率的时钟，以操作实施中所使用的ASIC、PLD或DSP。图8中没有给出这些时钟。
尽管已经根据优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解到：本发明可以在附加权利要求的精神和覆盖范围内加以修改地实践。