CN101877816A - 一种距离检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种距离检测方法及装置，用以提高信号传播距离的检测精度。本发明提供的一种距离检测方法包括：距离检测装置在子载波上对用于传输用户设备UE的信号的信道进行信道估计，得到信道估计值；所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述信道上存在的多条散射径中的首径传播时延；所述距离检测装置根据所述首径传播时延，确定自身与所述UE之间的距离。

Description

一种距离检测方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种距离检测方法及装置。

背景技术

在长期演进(LTE)系统中存在多种定位技术，如：基于小区标识(Cell ID)的定位技术、基于多小区到达时间差定位(OTDOA，Observed Time DifferenceOf Arrival)的多基站定位技术、基于全球定位系统辅助定位(GPS，Assisted-Global Positioning System)的定位技术、基于基带单元(BBU，Base Band Unit)+远端射频单元(RRU，Remote Radio Unit)定位的室内定位技术和基于来波方向(AoA，Angle of Arrival)+定时提前(TA，Timing Advance)定位的单基站定位技术等。

其中，基于AoA+TA的单基站定位技术，是一种比较成熟的定位技术。如图1所示，基站通过多天线技术得到信号的来波方位信息(AoA)，并测量到用户设备(UE)发射信号到达基站的传播时延，进而得到UE与基站的传播距离，通过几何计算得到UE相对于基站的位置信息。

信号来波方向信息(AoA)的获取，利用多天线技术从上行SRS(SoundingReference Signal)或物理上行控制信道(PUCCH)得到信道信息，然后采用波束栅格(GOB，Grid of Beam)方法或特征值分解(SVD，Single ValueDecomposition)的方法计算得到AoA。

信号传播时延(TA)，即信号从UE发出到接收机接收到该信号所需要的时间，确定TA的方法一般有两种：

第一种方法：UE上报定时提前(Tadv)，Tadv的时间精度误差为16Ts，其中T_s＝1/(15000×2048)秒；基站测量信号到达的时间偏差(ΔT)，即信号的实际到达接收机的时间与期望的接收时间的差值，ΔT用于补偿UE上报Tadv的时间误差。Tadv和ΔT包括上、下行两侧的时间，基站计算信号传播时延TA＝(Tadv+ΔT)/2。

其中，所谓定时提前，是指由于传输距离会导致传输时延，因此UE需要提前于定时时钟发送信号，那么提前的时间量即定时提前。

第二种方法：在UE随机接入成功后，基站累加发送给UE的定时提前命令，计算出定时提前Tadv＝(NTA₀+∑NTA)·16Ts，其中，NTA₀为UE随机接入时的定时提前量，NTA为网络侧向UE发送的连续的定时提前命令，用于通知UE在定时时钟到达之前16Ts发送信号。

基站测量信号到达时间偏差ΔT，补偿UE上报Tadv的时间误差；基站计算信号传播时延TA＝(Tadv+ΔT)/2。

然而，现有技术得到的信号传播时延，为多散射路径时延，该多散射路径时延要大于直射路径时延，所以得到的信号传播路程的长度与空间直线距离(即实际距离)存在偏差。

综上所述，通过现有技术得到的UE与信号接收机之间的距离，与实际距离存在误差。

发明内容

本发明实施例提供了一种距离检测方法及装置，用以提高信号传播距离的检测精度。

本发明实施例提供的一种距离检测方法包括：

距离检测装置在子载波上对用于传输用户设备UE的信号的信道进行信道估计，得到信道估计值；

所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述信道上存在的多条散射径中的首径传播时延；

所述距离检测装置根据所述首径传播时延，确定自身与所述UE之间的距离。

本发明实施例提供的一种距离检测装置包括：

信道估计单元，用于在子载波上对用于传输用户设备UE的信号的信道进行信道估计，得到信道估计值；

首径传播时延确定单元，用于利用所述信道估计值，确定所述信道上存在的多条散射径中的首径传播时延；

距离确定单元，用于根据所述首径传播时延，确定所述UE与所述距离检测装置之间的距离。

本发明实施例，通过距离检测装置在子载波上对用于传输用户设备UE的信号的信道进行信道估计，得到信道估计值；所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述信道上存在的多条散射径中的首径传播时延；所述距离检测装置根据所述首径传播时延，确定自身与所述UE之间的距离，具有较高的信号传播距离检测精度。

附图说明

图1为现有技术中基于AoA+TA方法的定位示意图；

图2为现有技术中的信号传播时延计算示意图；

图3为本发明实施例提供的一种距离检测方法的总体流程示意图；

图4为本发明实施例提供的由时延扩展引入的时延估计误差示意图；

图5为本发明实施例提供的信道的功率时延曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的一种距离检测装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种首径传播时延确定单元的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种首径传播时延确定单元的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种首径传播时延确定单元的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种距离检测方法及装置，用以提高信号传播距离的检测精度。

本发明实施例通过估计空间多条散射径的首径传播时延，即最短的散射径的传播时延，提高UE与距离检测装置之间的信号传播距离的估计精度，从而可以进一步提高对UE的定位精度。

下面结合附图对本发明实施例提供的技术方案进行说明。

参见图3，本发明实施例提供的一种距离检测方法总体包括步骤：

S101、距离检测装置在子载波上对基站与UE的天线对之间的信道，即用于传输UE的信息的信道，进行信道估计，得到信道估计值。

S102、距离检测装置利用信道估计值，确定该信道上存在的多条散射径中的首径传播时延。

S103、距离检测装置根据首径传播时延，确定UE与距离检测装置之间的距离。

较佳地，步骤S102包括：

距离检测装置对步骤S101得到的信道估计值进行离散傅里叶逆变换(IDFT)，并对经过离散傅里叶逆变换后的信道估计值进行循环搬移操作，得到信道的功率时延曲线，该曲线反映了该信道上存在的每条散射径的功率随时延变化的情况。

距离检测装置从信道功率时延曲线上的最小时延开始，将功率峰值点的功率(即功率时延曲线上的散射径对应的功率)与预先设置的功率阈值进行比较，确定第一个大于功率阈值的功率所对应的散射径，并将该散射径的传播时延作为首径传播时延。

或者，步骤S102包括：

距离检测装置对步骤S101得到的信道估计值进行离散傅里叶逆变换，并对经过离散傅里叶逆变换后的信道估计值进行循环搬移操作，得到信道的功率时延曲线。

距离检测装置对功率时延曲线上的每条散射径对应的时延进行加权平均，得到的加权平均值为信号最大能量的到达时延；并且，从信道的功率时延曲线的最小时延开始，将功率峰值点的功率与预先设置的功率阈值进行比较，确定第一个大于功率阈值的功率所对应的散射径，利用该散射径的传播时延以及信道的各散射径对应的时延的加权平均值，确定时延扩展估计值。

距离检测装置利用时延扩展估计值，对信号实际到达距离检测装置的时间进行补偿，并利用补偿后的值以及UE的定时提前(TA)确定首径传播时延。

本发明实施例中所述的时延扩展估计值，即为信号传播时延与首径传播时延的差值。

或者，步骤S102包括：

距离检测装置对步骤S101得到的信道估计值与另一子载波对应的信道估计值进行共轭相乘，得到乘积的相位；利用该相位，以及子载波频差，确定信号实际到达距离检测装置的时间与期望到达时间的差值；利用该差值的多个样本，计算其标准偏差，将得到的值作为时延扩展估计值；

距离检测装置利用时延扩展估计值，对信号实际到达距离检测装置的时间与距离检测装置中预先设置的期望到达时间的差值进行补偿，并利用补偿后的差值以及UE的定时提前确定首径传播时延。

较佳地，该方法还包括：

距离检测装置确定UE发送的信号的来波方向；利用UE与距离检测装置之间的距离，以及该来波方向，确定UE的位置信息。

下面给出详细的解释说明。

在实际空间的无线传播环境中，存在多径散射，相对于接收机分辨率，有些多径相隔很近无法区分，有些多径相隔较远，可以分辨。如果采用现有的AoA+TA的定位算法对信号传播时延进行估计，则存在多散射径传播时延与直线传播时延的偏差，和多散射径相关峰传播时延与首径传播时延的偏差，如图4所示，其中的时间轴上的坐标单位为纳秒(ns)，但对应的时间应该乘以10⁴，转换为秒。

而目前散射径与直射路径时延存在的误差还无法估计，因此不能充分补偿，但多散射径与首径间的时延偏差，即时延扩展，可以通过信号处理技术估计出来，并加以补偿，从而提高信号传播距离的检测精度，以及UE定位精度。

因此，本发明实施例采用信号处理技术，估计出需要检测的UE与距离检测装置之间的信道的多径传播时延和功率，并进而确定首径传播时延。

下面例举确定首径传播时延的三种方案。

方案1：

距离检测装置，在各子载波k上确定基站与UE的各天线对(u，s)之间的信道估计值H_u，s，k(t)：

$H_{u,s,k}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{u,s,n}\left(t\right)\·\exp (-j\·2\mathrm{\π}\·f_k\·{\mathrm{\τ}}_n)$ .................公式(1)

其中，N为散射路径数目，f_k为子载波k的频率，τ_n为散射径n的传播时延，h_u，s，n(t)表示天线对(u，s)的路径n的。

根据公式(1)，对各天线对(u，s)之间的信道估计，可以看作空间各散射径的离散傅里叶变换(DFT)，对全带宽或部分带宽的信道估计值H_u，s，k(t)作关于频点k的IDFT变换，得到功率时延曲线，其中体现了各散射径的传播时延和功率。

p(τ)＝fftshift(IDFT(H_u，s，k(t))).................公式(2)

其中，fftshif(·)表示对信号序列的循环搬移操作，将序列的中心搬移至边缘，τ为传播时延，p(τ)为信道随时延变换的功率。

IDFT变换后，得到的功率时延曲线如图5所示，其中的时间轴上的坐标单位为纳秒(ns)，但对应的时间应该乘以10⁴，将时间单位转换为秒。图5中，不规则的曲线为对信道估计值进行IDFT变换以及循环搬移操作后得到的各散射径时延曲线；虚线为信号到达时间偏差ΔT，即补偿前的信号到达时间偏差ΔT_old。

在功率时延曲线上，寻找首径峰值所在的时刻，即该功率时延曲线上第一条散射径对应的传播时延，寻找方法如下：

寻找功率时延曲线上的功率峰值，功率峰值即散射径对应的功率，按照预先设定的比例系数η％，确定功率门限＝功率最大值×η％；其中，η％的取值与小区环境有关，η％的值可以根据实际需要，通过仿真、测试或组网经验给出。在本发明实施例中该比例系数可以为10％。

从左至右检测功率时延曲线的峰值，将第一个大于所述功率门限的峰值作为检测到的第一条散射径所对应的传播时延，即首径传播时延τ₁。

方案2：

基于上述方案1得到的图5所示的功率时延曲线，可以看出，UE在天线对(u，s)之间的空间信道共存在6条散射径(有6个波峰)，得到的信号到达时间偏差ΔT对应于各散射径的加权平均。

对于功率时延曲线的时间轴的处理方法包括：

对IDFT变换后的时延像进行fftshif(·)后，时刻0位于时延像中心处；

IDFT变换得到的时延像上各点之间的时间差为dt＝1/B，其中B为信道带宽；

IDFT变换得到的时延像对应的时延宽度为T＝1/Δf，其中Δf为子载波频率间隔。

对得到的功率时延曲线上的每条散射径对应的时延进行加权平均，得到的加权平均值为信号最大能量的到达时延τ_spread，加权平均方法如下式(3)所示：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{spread}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_m\·t_m}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_m}$ .................公式(3)

其中，a_m为检测到的散射径m的功率，t_m为该散射径对应的时延，M为检测到的散射径的总数目。

将方案1中得到的首径传播时延τ₁作为初始值，将信号最大能量的到达时延τ_spread减去首径传播时延τ₁，得到空间信道的时延扩展估计值Δτ_spread；按照下面的公式(4)和(5)，将信号到达时间偏差ΔT(即补偿前的信号到达时间偏差ΔT_old)减去时延扩展估计值Δτ_spread，得到新的信号到达时间偏差ΔT_new，以补偿测量得到的信号到达时间偏差ΔT_old，再利用ΔT_new得到首径传播时延的最终值。

ΔT_new＝ΔT_old-Δτ_spread.................公式(4)

首径传播时延＝Tadv+ΔT_new.................公式(5)

其中，ΔT_new为补偿后的信号到达时间偏差；ΔT_old为补偿前的信号到达时间偏差；Δτ_spread为时延扩展估计值；Tadv为定时提前。

本发明实施例中确定信号到达时间偏差ΔT的方法包括：

利用公式(3)计算得到信道估计值H_u，s，k(t)。

将子载波k与另一子载波，例如相邻的子载波k+1，进行共轭相乘，如下面的公式(6)所示：

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{angle}(H_k\·H_{k+1}^{*})$ .................公式(6)

利用得到的乘积的相位Φ和子载波频差Δf，计算信号到达时间偏差ΔT，如下面的公式(7)所示：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Φ}}{2\mathrm{\π\Δf}}$ .................公式(7)

方案3：

在上述方案2的基础上，采用同样的确定信号到达时间偏差ΔT的方法，在全带宽或部分带宽内，确定信号到达时间偏差ΔT的多个样本，并计算这些样本的标准偏差ΔT_sd，将ΔT_sd作为时延扩展估计值Δτ_spread，从而利用上述公式(4)和公式(5)可以确定首径传播时延。

参见图6，本发明实施例提供的一种距离检测装置包括：

信道估计单元11，用于在子载波上对用于传输UE的信号的信道进行信道估计，得到信道估计值。

首径传播时延确定单元12，用于利用所述信道估计单元11得到的信道估计值，确定该信道上存在的多条散射径中的首径传播时延。

距离确定单元13，用于根据首径传播时延，确定UE与距离检测装置之间的距离。

较佳地，该装置还包括：

来波方向确定单元14，用于确定UE发送的信号的来波方向。

位置确定单元15，用于利用UE与距离检测装置之间的距离，以及所述来波方向确定单元14确定的来波方向，确定UE的位置信息。

较佳地，参见图7，所述首径传播时延确定单元12包括：

散射径信息确定单元21，用于对所述信道估计单元11得到的信道估计值进行离散傅里叶逆变换，并对经过离散傅里叶逆变换后的信道估计值进行循环搬移操作，得到该信道的功率时延曲线。

比较单元22，用于确定功率阈值，并从功率时延曲线上的最小时延开始，将功率时延曲线上的散射径对应的功率与功率阈值进行比较，确定第一个大于功率阈值的功率所对应的散射径，并将该散射径的传播时延作为首径传播时延。

或者，参见图8，所述首径传播时延确定单元12包括：

散射径信息确定单元31，用于对所述信道估计单元11得到的信道估计值进行离散傅里叶逆变换，并对经过离散傅里叶逆变换后的信道估计值进行循环搬移操作，得到该信道的功率时延曲线。

加权平均单元32，用于对功率时延曲线上的每条散射径对应的时延进行加权平均，得到加权平均值。

比较单元33，用于确定功率阈值，并从该信道的功率时延曲线上的最小时延开始，将该功率时延曲线上的散射径对应的功率与功率阈值进行比较，确定第一个大于功率阈值的功率所对应的散射径，即首径，并初步确定首径传播时延。

时延扩展估计单元34，用于利用加权平均单元32得到的加权平均值以及所述比较单元33确定的首径传播时延，确定时延扩展估计值。

补偿单元35，用于利用时延扩展估计值，对信号实际到达距离检测装置的时间与期望到达时间的差值进行补偿，并利用补偿后的差值以及UE的定时提前(TA，Timing Advance)更新所述比较单元33确定的首径传播时延的值。

或者，参见图9，所述首径传播时延确定单元12包括：

相位确定单元41，用于对所述信道估计单元11得到的信道估计值与另一子载波对应的信道估计值进行共轭相乘，得到乘积的相位。

到达时间偏差确定单元42，用于利用所述相位确定单元41得到的相位，以及子载波频差，确定信号实际到达距离检测装置的时间与期望到达时间的差值。

时延扩展估计单元43，用于利用到达时间偏差确定单元42得到的差值的多个样本，计算这些样本的标准偏差，将得到的值作为时延扩展估计值。

补偿单元44，用于利用该时延扩展估计值，对信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值进行补偿，并利用补偿后的差值以及UE的定时提前确定首径传播时延。

本发明实施例中所述的距离检测装置，不局限于上述结构，可以有多种结构，距离检测装置可以位于基站，也可以作为一个网路侧的独立装置存在。

综上所述，本发明实施例利用了LTE系统中可以得到不同频点信道估计的特点，估计出信道的首径传播时延，从而利用最短的首径传播时延，确定信号传播距离，提高了距离检测的精度，并且还可以进一步利用该距离对UE进行定位，还能够提高定位精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种距离检测方法，其特征在于，该方法包括：

距离检测装置在子载波上对用于传输用户设备UE的信号的信道进行信道估计，得到信道估计值；

所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述信道上存在的多条散射径中的首径传播时延；

所述距离检测装置根据所述首径传播时延，确定自身与所述UE之间的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述首径传播时延的步骤包括：

所述距离检测装置对所述信道估计值进行离散傅里叶逆变换，并对经过离散傅里叶逆变换后的信道估计值进行循环搬移操作，得到所述信道的功率时延曲线；

所述距离检测装置从所述功率时延曲线上的最小时延开始，将所述功率时延曲线上的散射径对应的功率与功率阈值进行比较，确定第一个大于所述功率阈值的功率所对应的散射径，并将该散射径的传播时延作为首径传播时延。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述首径传播时延的步骤还包括：

所述距离检测装置对所述功率时延曲线上每条散射径对应的时延进行加权平均，得到加权平均值；

所述距离检测装置利用所述加权平均值以及所述首径传播时延，确定时延扩展估计值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述首径传播时延的步骤还包括：

所述距离检测装置利用所述时延扩展估计值，对信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值进行补偿，并利用补偿后的差值以及所述UE的定时提前更新所述首径传播时延的值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述距离检测装置利用所述信道估计值，确定所述首径传播时延的步骤包括：

所述距离检测装置对所述信道估计值与另一子载波对应的信道估计值进行共轭相乘，得到乘积的相位；

所述距离检测装置利用所述相位，以及子载波频差，确定信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值；

所述距离检测装置利用信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值的多个样本，计算所述多个样本的标准偏差，将得到的值作为时延扩展估计值；

所述距离检测装置利用所述时延扩展估计值，对信号实际到达所述距离检测装置的时间和与期望到达时间的差值进行补偿，并利用补偿后的差值以及所述UE的定时提前确定首径传播时延。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

所述距离检测装置确定所述UE发送的信号的来波方向；

利用所述UE与自身之间的距离，以及所述来波方向，确定所述UE的位置信息。

7.一种距离检测装置，其特征在于，所述装置包括：

信道估计单元，用于在子载波上对用于传输用户设备UE的信号的信道进行信道估计，得到信道估计值；

首径传播时延确定单元，用于利用所述信道估计值，确定所述信道上存在的多条散射径中的首径传播时延；

距离确定单元，用于根据所述首径传播时延，确定所述UE与所述距离检测装置之间的距离。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述首径传播时延确定单元包括：

散射径信息确定单元，用于对所述信道估计值进行离散傅里叶逆变换，并对经过离散傅里叶逆变换后的信道估计值进行循环搬移操作，得到所述信道的功率时延曲线；

比较单元，用于从所述功率时延曲线上的最小时延开始，将所述功率时延曲线上的散射径对应的功率与功率阈值进行比较，确定第一个大于所述功率阈值的功率所对应的散射径，并将该散射径的传播时延作为首径传播时延。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述首径传播时延确定单元还包括：

加权平均单元，用于对所述功率时延曲线上每条散射径对应的时延进行加权平均，得到加权平均值；

时延扩展估计单元，用于利用所述加权平均值以及所述首径传播时延，确定时延扩展估计值。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述首径传播时延确定单元还包括：

补偿单元，用于利用所述时延扩展估计值，对信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值进行补偿，并利用补偿后的差值以及所述UE的定时提前更新所述首径传播时延的值。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述首径传播时延确定单元包括：

相位确定单元，用于对所述信道估计值与另一子载波对应的信道估计值进行共轭相乘，得到乘积的相位；

到达时间偏差确定单元，用于利用所述相位，以及子载波频差，确定信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值；

时延扩展估计单元，用于利用信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值的多个样本，计算所述多个样本的标准偏差，将得到的值作为时延扩展估计值；

补偿单元，用于利用所述时延扩展估计值，对信号实际到达所述距离检测装置的时间与期望到达时间的差值进行补偿，并利用补偿后的差值以及所述UE的定时提前确定首径传播时延。

12.根据权利要求7至11任一权项所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

来波方向确定单元，用于确定所述UE发送的信号的来波方向；

位置确定单元，用于利用所述UE与所述距离检测装置之间的距离，以及所述来波方向，确定所述UE的位置信息。

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