对多径信号建模的无线台.pdf

对多径信号建模的无线台
    【技术领域】

    本发明涉及经一条以上的传播路径接收信号的无线台，并且可以应用于(例如)实施如下过程的无线台，即该过程可以从表征无线信道或接收的无线信号的多径属性的信息中得到好处。这种过程包括测距、位置确定和信号均衡。

    背景技术

    在多径环境中，无线信号从反射表面反射，并且经一条以上的传播路径被接收到。经不同路径接收到的信号的各个分量具有不同的幅度、相位和时延，这可使得从合成的接收信号中提取出的信息不可靠。例如，如果该信号传递数据，则特别是针对高比特率传输来说，数据错误率可被降级，而且如果该信号被用于测距估计，则该测距估计的准确性可被降级。如果可以表征该无线信号的多径属性，则可以例如通过以建设性的方式来消除非期望的反射或将经不同路径接收到的信号合并起来，而减少多径传播的有害影响。而且还存在利用多元天线(MEA)来达到很高比特速率传输的系统。这种系统采用无线信号多径属性的特征。在G.J.Foschini发表于BellSystems Technical Journal(贝尔系统技术期刊，pp.41-59)上，题为“Layered Space-Time Architecture for WirelessCommunication ina Fading Environment When Using Multi-ElementAntnnas(使用多元天线时衰落环境中用于无线通信的分层空时结构)”(1996年秋季，第41-59页)中描述了MEA系统。

    一种用于描述多径传播特征的方案就是使用例如多径估计时延锁定环路(MEDLL)和最小均方误差估计器(MMSE)等的参数估计技术，分别参见例如B.Townsend，D.J.R.van Nee，P.Fenton和K.VanDierendonck发表于Proc of the Institute of NavigationNational Technical Meeting(航海国家技术学院会刊)(1995年1月18-20日，Califonia，Anaheim)中，题为“PerformanceEvaluation of the Multipath Estimating Delay Lock Loop(多径估计时延锁定环路的性能评价)”的论文(第277-283页)，以及L.R.Weill发表于GPS世界(1997年4月)，题为“ConqueringMultipath：The GPS Accuracy Battle(战胜多径：GPS准确性战役)”的论文。在参数估计技术中，由数学模型表示接收到的信号，例如包括表示经多条传播路径接收到的信号分量的幅度、相位和时延的可变参数在内的模型，而且可以迭代地调节该参数值，直到所接收信号与数学模型之间实现良好匹配。

    参数估计技术能够导致准确地描述多径无线信号的特征，但其有计算上强度大的缺点。

    发明概述

    本发明的目的在于提供一种改进的、用于接收多径无线信号的无线台。

    根据本发明，提供一种无线台，其包含用于接收经直达路径以及至少一条反射路径传播的第一无线信号的装置；用于生成所接收的第一无线信号的模型的装置，其中该模型包含至少一个参数和代表反射表面的平面与无线台之间的垂直距离的值；用于估计该参数值或每个参数值的装置，以及利用至少一个这样估计的参数值的装置。

    在存在一条以上反射路径的环境中，该模型可以包含多个数值，每个数值代表反射表面的平面与无线台之间的垂直距离。

    每个反射表面的平面与无线台之间的垂直距离可以由如下方式确定：从无线台发射第二无线信号，并且测量该反射的往返时延或每个反射的每个往返时延。在本说明书中，该第二无线信号被称作探测信号(sounding signal)。

    如果在需要时动态地确定该垂直距离或每个垂直距离，则该无线台可以是移动设备。

    除了使用探测信号去确定反射表面的平面与无线台之间的垂直距离之外，还可以在例如静态无线台的安装期间，预先确定该垂直距离或每个垂直距离，并且对其进行存储以备需要时使用。在后一种情况中，应确定对于一个或多个主导反射器的垂直距离，其中在办公室环境中该主导反射器很可能是墙。无论该无线台是移动的或是固定的，发射该第一无线信号的设备都可以是移动的。

    代表反射表面的平面与无线台之间垂直距离的该数值或每个数值可以被直接包括在该模型中，或间接地被包括在应用于该模型参数的边界条件中。

    在该模型中包括至少一个代表反射表面平面与无线台之间垂直距离的值，使得能够降低计算模型参数所要求的计算量。可以通过如下方式而降低计算量：即减少模型中参数的个数，或应用边界条件去限制参数值，或利用可从接收到的第一信号或探测信号中初始估计其值的参数，在这种情况下可以利用更加接近其最终值的参数来启动参数估计过程。相反，对于给定计算量来说，通过例如在模型中包括更多的反射平面，可以提高参数估计的准确性。当选择并且在模型中只包括反射的一个子集时，应给出优先选择以便包含具有最大接收幅度的反射，例如在办公室环境中，从墙体地反射。

    还可以通过在模型中直接包括或在边界条件内包括一个或多个反射表面的反射率，来降低计算量。在建筑物中，由于在例如办公室或仓库等类似建筑中使用类似的材料，因此这一数值可以是公知的。而且对于每个主导反射表面来说，其反射率也可是类似的。

    也可以通过在模型中直接包括或在边界条件内包括所接收的、由无线台发出的探测无线信号的幅度，而测量至少一个反射表面平面与无线台之间的垂直距离，以此来降低计算量。此数据固有地包括有关反射表面反射率的数据。

    该模型参数的一个实例就是代表经直达路径接收到的第一无线信号行进距离的参数。例如，代表直达路径飞行时间(flight time)的参数将潜在地表示以光速行进的距离。

    另一个实例参数就是代表经直达路径接收到的第一无线信号的到达角度(随后给出定义)或接收幅度的参数，或是代表探测信号反向散射的幅度的参数。

    从参数估计过程中得到的参数值描述多径传播的特征，并且可以被以各种方式利用。例如它们可以有助于接收信号的均衡，以降低比特误码率，它们能够提供来自无线台的第一无线信号的发射源的距离估计，这对定位配有目标的无线台和人是有用的，并且它们还可以被用于信号的解调。

    附图简述

    现在仅通过实例，并且参考附图描述本发明，其中：

    图1是多径环境中无线系统的示意框图，

    图2是说明图1中多径传播场景的几何示意图，

    图3是说明当直达传播路径平行于反射表面时的多径几何示意图，

    图4是说明当直达传播路径垂直于反射表面时的多径几何示意图，以及

    图5是有关无线台根据本发明实施例进行操作时的流程图。

    在附图中，相同的参数数字被用于指示相应的功能。

    执行本发明的模式

    随后在将本发明应用于无线测距系统的环境中描述本发明的示范实施例，其中无线台估计与目标台的距离，无线台从该目标台中接收无线信号。

    参考图1，其中说明了包含耦合到第一天线14以及处理装置16的第一收发机12的无线台10。耦合到处理装置的是第一时钟18以及存储装置19。存储装置19供处理装置使用，用于暂时存储数据。在图1中还有目标台20，其中包含耦合到第二天线24和第二时钟28的第二收发机22。该第一和第二时钟18和28是同步的。同步方法都是公知的，因而在本说明书中不需要详细地描述。无线台10和目标台20都是移动设备。收发机12和22都被配置为利用扩频信令进行通信。而且图1中还说明，第一和第二反射表面40和50可以例如是墙体。

    当要测量目标台20距无线台10的距离时，处理装置16启动由第一收发机12和第一天线14进行的探测信号的传输。该探测信号被反射表面40和50反射，并且被第一收发机12收回，这里接收到的探测信号被传递给处理装置16。在图1中，由第一反射表面40的反射被表示为R₁，以及第二反射表面50的反射被表示为R₂。利用第一时钟18作为时间参考，该处理装置16估计发射探测信号与从第一和第二反射表面40和50接收到探测信号的反射R₁和R₂之间的时延。这些时延中的每个时延分别被表示为T₁和T₂。反射的检测可以通过使接收到的探测信号与被发射的探测信号的复制品相关来完成。特别是当存在一条以上反射路径时，通过计算接收到的探测信号的相关函数的二阶导数出现峰值的时间，可辅助时延的测量。

    现在参考图2，其中给出如图1所示的相同的多径场景，只是其中标注了距离。根据估计到的时延T₁和T₂，处理装置16估计从无线台10到每个反射表面的距离；D₁＝c.T₁和D₂＝c.T₂，其中c是光速。这些距离都被确定为垂直于反射表面。

    在现有实施例中，探测信号服务于两个目的。除了使得能够估计距离D₁和D₂之外，该探测信号还由目标台20接收。响应于接收该探测信号，该目标台20发送第一无线信号，在本说明书中该第一无线信号被称作测距信号。测距信号经过三条路径到达无线台10：直达路径、第一反射表面40的反射以及第二反射表面50的反射。图1中分别以P₀、P₁和P₂表示这三条路径。处理装置16执行对接收到的测距信号的分析，以生成目标台20到无线台10的距离估计。该分析中包含生成接收到的测距信号的数学模型，其中包含代表经过直达路径和反射路径接收到的各个信号分量的参数。这一模型可以被表示为：

     r ( t ) = Σ k = 0 K a k p ( t - d k / c ) e j ( ax + θ k ) - - - ( 1 ) ]]>

    其中c是光速，

    ω是第一信号的载波频率，

    p(t)是在时刻t发出的第一信号的扩展信号，

    针对直达路径k＝0，以及针对至少一条反射路径k＞0，

    K是模型中表示的反射信号路径的个数，

    a_k是经过第k条路径接收到的测距信号的幅度，

    d_k是经过第k条路径接收到的测距信号行进的距离(在该场景中，如图2所示，d₁＝d’₁+d”₁以及d₂＝d’₂+d”₂)，以及

    θ_k是经过第k条路径接收到的测距信号的相位。

    等效地，d_k/c可以由τ_k表示，即经过第k条路径接收到的测距信号的传播时延。

    K的取值至少为1。理想情况是表示各个大型反射器。越多的反射信号路径被表示，则模型的准确性可以越高。

    例如上述被称作MEDLL或MMSE的参数估计技术被用于去查找参数a_k、d_k和θ_k的取值，这导致在预定目标范围内与接收到的测距信号相匹配的公式1的模型。该预定目标可以例如是接收到的测距信号与模型之间均方误差的特定最大可接受值，在这种情况下，当均方误差值就是或者小于最大可接受值时达到目标。又如另一实例，该预定目标可以是均方误差的最小化，在这种情况中，当均方误差达到最小值时就达到该目标。又如另一实例，该预定目标可以是由无线台10所用的参数值的预定的准确性。

    根据本发明，在模型中直接或间接地包含一个值，该值代表至少一个反射表面40、50平面与无线台10之间的垂直距离D_k。直接包含可以通过用D_k的函数来替换一个或多个参数a_k和d_k得以实现，或者通过把一个或多个边界条件应用于一个或多个参数a_k和d_k而得以间接包含，该边界条件是D_k的函数。

    下面给出应用于被反射信号路径的10个函数，即k＞0。技术人员可以得到其它或替代的函数。

    对图2中说明的多径几何的分析给出：经第k条路径接收到的测距信号的行进距离可以被表示为：

     对于k＞0    函数1

    其中_k是经直达路径接收到的测距信号的到达角。到达角_k被定义为直达路径与垂直于第k个反射表面的直线之间的角，这样该角并不与第k条反射路径相交，如图2和图3所示。

    d_k的最大值出现在_k为零时，即从目标台到无线台的镜面反射的传播方向垂直于第k个反射表面。图4中说明了这种情况，从中可以看到d_k的最大值可以被表示为：

              d_k≤d₀+2D_k                 函数2

    d_k的最小值出现在_k是90度时，即从目标台到无线台的镜面反射的传播方向平行于第k个反射表面。图3中说明了这种情况，从中可以看到d_k的最小值可以被表示为：

     d k ≥ d 0 2 + 4 D k 2 ]]>               函数3

    参考图2，d_k的最小值还可以被表示为：

             d_k≥2D_k                   函数4

    这一边界条件的最小值对应于无线台10与目标台20处于同一位置。

    采用一般接受的逆平方传播定律(inverse square propagationlaw)，则经第k条路径(k＞0)接收到的测距信号的幅度a_k正比于被发射测距信号的幅度A，反比于d_k²，并且还正比于第k个反射表面的反射率μ_k，即：

     a k = Aμ k d k 2 - - - ( 2 ) ]]>

    类似地，从第k个反射器(被称作反向散射)收回的探测信号的幅度a_bk为：

     a b k = Bμ k 4 D k 2 ]]>对于k＞0

    其中B是被发射的探测信号的幅度。通过合并公式(2)和(3)，而消除反射表面的反射率μ_k，并且a_k可以被表示为：

     a k = a b k 4 D k 2 d k 2 · A B - - - ( 4 ) ]]>

    通过分别在时刻T₁和T₂测量接收的探测信号的幅度，可以估计a_b1和a_b2的取值。

    通过把函数1的表示代入公式(4)，可以得到下面对于a_k的表达式：

     函数5

    函数2中对于d_k最大值的边界条件可以与公式(4)合并，从而得到对于a_k最小值的如下表达式：

     a k ≥ a b k 4 D k 2 ( d 0 + 2 D k ) 2 · A B ]]>函数6

    对于函数3内d_k最小值的边界条件可以与公式(4)合并，从而得到对于a_k最大值的如下表达式：

     a k ≤ a b k 4 D k 2 d 0 2 + 4 D k 2 · A B ]]>函数7

    采用逆平方传播定律，则a₀可以被表示为：

     a 0 = A d 0 2 - - - ( 5 ) ]]>

    合并公式(2)和(5)得到：

     a k = μ k a 0 d 0 2 d k 2 - - - ( 6 ) ]]>

    合并公式(6)和函数1得到：

     函数8

    它独立于a_bk，并且即使在不使用探测信号时也可以使用。通常来讲，办公室环境的墙体都是由具有类似反射率的材料制成的，在这种情况下，可以假设所有反射表面的μ_k值都是标准的。

    合并对函数2中d_k最大值的边界条件与公式(6)，便得到对a_k最小值的如下边界条件：

     a k ≥ μ k a 0 d 0 2 ( d 0 + 2 D k ) 2 ]]>函数9

    对函数3中d_k最小值的边界条件可以与公式(6)组合，从而得到对a_k最大值的如下边界条件：

     a k ≤ μ k a 0 d 0 2 d 0 2 + 4 D k 2 ]]>函数10

    如果可以根据接收到的测距信号去估计经直达路径接收到的测距信号的幅度a₀，以及如果可以估计反射表面的反射率μ_k，则尽管并不依赖于D_k的取值，但是还可以采用如下额外的函数：

                a_k＜μ_ka₀                (7)

    适用于任意特定情况的最佳函数将取决于如下的若干考虑，其中包括：第一收发机12和第一天线14的能力；对参数值施加最大限制的函数；可从接收到的测距信号和探测信号中最可靠地提取出来的数据；在参数估计过程中减少参数个数的函数。例如，无线台10可被装配或者可不被装配去测量探测信号反向散射的到达角_k。又如另一实例，由于多径环境的特征，无线台10可能能够更准确地估计探测信号反向散射的幅度a_bk，这是与其可估计经直达路径接收到的测距信号的幅度a₀相比而言的。在这种情况下，根据μ_k是有一个假设值还是被保留做为变量，与应用包含a₀的函数8、9或10相比，应用包含a_k的函数5、6、或7将导致较少的计算。

    函数2和3允许公式(1)中的参数值d_k(对于k＞0)被限制为根据参数d₀和D_k值定义的取值。由于减少了参数的数量，而且限制了d_k的取值，因此可以减少计算。如果根据接收到的测距信号对d₀值进行初始估计，则可以进一步减少计算。

    进行d₀值初始估计的一个方法就是使所接收的测距信号与被发送的测距信号的复制品进行相关，以估计经直达路径接收到的测距信号的传播时延τ₀；则d₀＝c.τ₀。

    当k＞0时，函数1和5到10允许公式(1)中参数d_k或a_k的取值被限制在以参数d₀和D_k值定义的取值，但是由于这些函数中引入了额外参数，因此并不减少参数的总体数量。然而，由于可以根据接收到的测距信号和/或探测信号的测量来估计额外参数的取值，因此仍然可以减少计算。这些额外的参数有：函数1、5和8中测距信号的到达角_k；函数5、6和7中探测信号反向散射的幅度a_bk；以及函数8、9和10中经直达路径接收到的测距信号的幅度a₀。

    利用公知的测量技术，例如拥有天线阵列，便可通过适当地安装无线台来估计到达角_k。

    可以根据接收到的测距信号的测量去估计经直达路径接收到的测距信号的幅度a₀。

    可以根据接收到的探测信号的测量去估计探测信号反向散射的幅度a_bk。

    在根据接收到的信号测量而估计到的参数值中很可能存在不确定性的容限，在这种情况下应该将一个错误容限应用于各函数，而不是精确地解释该函数。容限的范围将取决于接收到的、根据其来得出估计的探测信号和/或测距信号的质量。

    如果不能可靠地做出这种参数估计，例如由于接收到的探测信号和/或测距信号的分辨率较差而导致，则在参数估计过程中可以让参数进行自由地变化。

    其中对参数值而言存在上限和下限，通过以接近上限和下限间的中点的区域中的参数值开始进行参数估计，便可以降低计算量。

    通过初始地以模型中包括的所有反射路径来执行参数估计过程，以及通过把一个或多个函数应用于这些参数，可以确定由公式(1)定义的模型的参数值。参数估计一直继续到模型与接收到的测距信号之间的均方误差达到预定目标。或者还可以使用迭代过程，初始地在该模型中只包括一条反射路径或反射路径的一个子集，并且利用参数估计过程去估计参数值，然后以迭代方式包括该模型中的其它的反射路径，并且再次执行参数估计过程，以精细化参数值。再次地，参数估计一直继续到模型和接收到的测距信号之间的均方误差达到预定的目标。为至少一次迭代而应用一个或多个函数。

    图5是说明无线台10的操作的流程图。该流程图从块101开始，其中无线台10发射探测信号，并且从反射表面40、50接收反射。根据接收到的探测信号的反射，在块102中计算至少一个反射表面平面40、50与无线台10之间的垂直距离D_k的估计。而且在模块102中，可选地对于k＞0而估计从第k个反射器收回的探测信号的幅度a_bk。如果无线台10是静止的，则块101和102的另一种选择就是预先估计这一垂直距离D_k，并且在无线台10中存储，以作好准备用于描述无线信号的特征，由此而避免发射探测信号的要求。在块103，无线台10接收测距信号，以及在块104，对接收到的测距信号进行分析，以产生一个或多个参数a_k、d_k和_k的估计值，其中k＞＝0。在块105，利用公式(1)选择接收信号的初始模型，其中包含直达路径以及至少一个反射路径。在块106，利用块104中计算的一个或多个估计，来根据该模型的参数计算函数。在块107，对该模型应用参数估计过程，由此该参数值在从块106中得到的函数的限制内进行变化，使得该模型与块103中接收到的测距信号之间的均方误差最小。在块108，最小均方误差与预定目标值比较，而且如果均方误差超过预定目标值，则在块109内通过向模型添加代表额外反射信号路径的参数来改进该模型。然后该流程返回到块106，其中针对改进的模型来计算函数。在块107内还进行其它的参数估计，以及当块108内比较的均方误差小于预定目标值时，流程转至块110，在那里利用一个或多个得到的参数值。在该示范实施例中，这种利用包括显示代表目标台20与无线台10的距离的参数值d₀，或者将该参数值存储用于随后的处理。例如，无线台10可以是由用户携带的便携式设备，并且为用户提供一个包含目标台20的第二便携式设备的范围估计。又如另一实例，无线台10可以是由用户携带的便携式设备，该便携式设备可以起到近程探测器的作用，无论何时目标台20移动超出或者替换地进入预定范围都提供告警。这种应用可以对小孩离开其父母、或者一物体被非法地移离建筑物的情况进行警告。

    可选地，还可以应用一个或多个到达角_k的值，到达角连同d₀一起提供了足够的信息，以计算目标台20相对于无线台10以及每个反射表面40、50在二维中的位置。例如在建筑物内，反射表面40、50可以是墙体，并且可以相对墙体以及由用户携带的便携式设备(包含无线台10)去计算包含目标台20的设备的位置。这种对位置确定目的的参数值的利用可由处理装置16来执行。

    或者在参数估计之前，检验接收到的测距信号或探测信号，以评估其幅度衰减是否大约与时间t成反比。这种评估可以例如通过曲线拟合的方式执行。这种衰减是大量随机定位的反射器的指示。如果衰减大约反比于时间，则可以利用简化的模型来执行参数估计的初始迭代，在该模型中被反射的信号路径由β/t形式的表示给出，即：

     r ( t ) = a 0 p ( t - d 0 c ) e j ( ax + θ 0 ) + β t - - - ( 8 ) ]]>

    其中β是一自由参数。在参数估计的随后迭代期间，添加在公式(1)中反射信号路径的表式。

    典型地，第一无线信号以及探测信号可以是扩频信号，但是也可以使用其它的信令方案。

    可选地，还可以采用其它方法去启动测距信号的发射。例如，通过从无线台10发出探测信号之外的信号去启动测距信号的发射。又如另一实例，目标台20可以周期性地启动测距信号的发射。

    可选地，可以在探测信号之前发射测距信号。

    可选地，还可以使用所接收的测距信号的其他模型。例如，该模型中可以不管所接收信号中信号分量的相位如何，而只对信号的包络建模。这种模型可以采用如下的形式：

     r ( t ) = | Σ k = 0 K a k p ( t - d k / c ) | - - - ( 9 ) ]]>

    可选地，该反射表面40、50的反射率μ_k可以是该模型中的参数，在这种情况下，参数估计可以生成对于反射率μ_k的值，该值与各种材料的反射率值的数据库一起被用于确定该反射表面40、50的材料。这种材料的知识可以提供补充信息，以帮助识别该目标台20的位置。

    利用从参数估计过程得到的至少一个参数值的另一实例就是在多径信号的均衡中使用这种值，这一过程可以由处理装置16执行。参数值a_k、d_k(或等效地τ_k)以及θ_k描述多径信号分量的特征，而且要么把所表征的分量相干地合并以产生可以以增加的可靠性来解调的合成信号，要么可删除分量，以使得剩余分量在来自被删除分量干扰减少的情况下被解调。

    工业应用

    用于在多径信号操作环境中工作的无线设备。