CN104640202B - 一种适用于位置变化检测的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于位置变化检测的方法及其装置。本方法为：1)在检测装置的发射端设置两发射天线端口进行分时交替发射；导频图样中设有信道抵消测量导频R_CM；2)接收端根据信道抵消测量导频测量不同发射天线端口到接收天线端口的信道响应，并将信道干扰抵消系数P作用于对应发射天线端口；3)发射端生成发射信号并通过两发射天线端口同时发射；4)接收端根据信道抵消测量导频测量信道响应，更新信道干扰抵消系数P并作用于对应的发射天线端口；5)迭代执行步骤3)、4)，直到每一发射天线端口到接收天线端口的信道响应收敛；6)接收端根据当前信道响应检测位置是否发生变化。本发明具有成本低、检测精度高、适用范围广等特点。

Description

一种适用于位置变化检测的方法及其装置

技术领域

本发明涉及位置变化检测问题，尤其涉及一种适用于位置变化检测的方法及其装置，属于无线传感器技术领域。

背景技术

目前检测位置变化的方法主要分为两种：一是在室外借助于全球定位系统(GPS)辅助检测，二是在室内通过部署无线局域网接入点(AP)和定位卡来辅助检测。这两种方法实际应用中都存在一定的局限性，首先，借助全球定位系统需要将装置置于室外环境下，并确保天线接收面向上，且上方无金属物遮挡，对应用的环境条件要求比较苛刻，此外，GPS的定位精度约为10米左右，不能满足检测分米级别的位置变化的要求；其次，虽然通过部署无线局域网和定位卡在室内检测精度能够到达分米级别的要求，但部署成本比较高，系统功耗也比较高，无法适用于狭小隐蔽场景。

本发明所涉及的位置变化检测装置主要适用的是对位置变化比较敏感、需要检测分米级别位置变化的场景，如对环境监测设备、城市基础设施、建筑设施、室内重要设施、和物联网中各类传感器等位置变化的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种基于自发自收机制的多天线干扰抵消、峰值包络检测与相对阈值检测相结合的方法及其装置，以实现对位置变化敏感场景中分米级别位置变化的检测，这里所述的场景包括GPS信号无法覆盖的场景和室内场景中重要物品位置变化的检测，如对环境监测设备、城市基础设施、建筑设施、室内重要设施、和物联网中各类传感器等位置变化的检测。

为了解决上述技术问题，本发明首先设计了一种适用于位置变化检测的系统帧结构和导频图样，包括：

所述系统帧结构和导频图样是基于正交频分复用(OFDM)原理设计的，系统以帧为单位，帧在时域上由四个OFDM符号构成，分别为同步OFDM符号、信道抵消测量OFDM符号、解调OFDM符号和数据OFDM符号，在频域上由K个子载波构成，为保证位置变化检测的精度需要达到分米级别，子载波数目K应大于或者等于72。

所述导频图样涉及到两个发射天线端口，分别为端口0和端口1，两者在导频成分的组成上是相同的，包括同步导频、解调导频、信道抵消测量导频和数据导频四种，与现有导频图样相比，本发明导频图样中引入了信道抵消测量导频，用于测量周围无线信号的变化以实现对位置变化的检测。

所述同步导频在频域上是连续的，是基于Gold码序列生成的，用于在时间同步阶段中检测系统帧头和保持时间同步。

所述解调导频在频域上是连续的，是由Zadoff-Chu序列构成的，用于在系统帧号解析阶段中解调数据导频上承载的信息。

所述信道抵消测量导频在频域上是连续的，是由Zadoff-Chu序列构成的，用于在多天线干扰抵消阶段中信道状态信息的测量和多发射天线间的干扰抵消，以及为后续的位置变化检测提供干扰抵消后的信道状态测量数据。

所述数据导频承载的系统帧号(SFN)信息，需要经过添加CRC校验比特、信道编码、调制等操作后映射到数据导频上，用于在多天线干扰抵消阶段中用于控制接收侧与发射侧之间的帧时序。

所述发射天线端口0和端口1在初始阶段中承载的抵消测量导频是相同的，而在多天线干扰抵消阶段，发射天线端口0承载的抵消测量导频保持不变，而发射天线端口1承载的抵消测量导频随着作用于其上的信道干扰抵消系数发生变化，最终在接收天线端口达到干扰抵消的效果。

本发明检测位置变化的方法，其实现步骤如下：

1.发射侧参照系统帧结构与导频图样，根据导频图样的数据导频中的帧号控制信号的生成。

2.接收侧使用本地同步导频序列与接收信号进行相关运算，检测出系统帧头，并实现接收侧与发射侧的时间同步。

3.接收侧借助解调导频，使用信道估计算法计算出信道响应，通过对数据导频进行频域均衡、解调、译码等步骤解析出系统帧号。

4.接收侧利用信道抵消测量导频实现多天线干扰抵消，分为初始抵消和迭代抵消两步来实现：

1)初始抵消：采用发射天线分时发射来分别测量不同发射天线端口到接收天线端口的信道响应，并计算得到各自的信道干扰抵消系数，再分别作用于对应的发射天线端口，从而抵消多根发射天线端口到接收天线端口的大部分干扰信号。

2)迭代抵消：采用发射天线同时发射来分别测量全部发射天线端口到接收天线端口的信道响应，据此计算不同发射天线端口到接收天线端口的信道响应，并更新各自的信道干扰抵消系数，再分别作用于对应的发射天线端口，迭代执行直到多根发射天线端口到接收天线端口的信道响应趋于零，即收敛为止。

5.发射侧同时发射信号，接收侧测量信道响应并判断位置是否发生变化，依次进行峰值包络检测和相对阈值检测这两步来实现：

1)峰值包络检测：多天线干扰抵消完成后，通过对信道响应的幅值进行滤波，获得其峰值包络，若峰值包络的持续时间和最大值的乘积大于设定的阈值H1，则执行相对阈值检测，否则，认为位置未发生变化而无需执行相对阈值检测。

2)相对阈值检测：取峰值包络前后设定时间窗内的信道响应，并分别计算得到两者的统计量，若两统计量之间的变化超过设定的阈值H2，则认为位置已经发生变化并给出告警，否则，认为位置未发生变化。

6.利用同步导频序列进行同步跟踪，以保持时间同步，但若对数据导频的解析连续出错，则认为系统的时间同步丢失，需要重新执行步骤2～4；否则，仅执行步骤5。

为了解决上述技术问题，本发明首先设计了一种适用于位置变化检测的装置，包括：

(1)一个接收天线端口和至少两个发射天线端口：接收天线端口和发射天线端口与射频处理模块以有线方式相连；

(2)位置变化检测模块：根据接收天线端口和发射天线端口周围无线信道的变化，用于检测位置是否发生变化；

其特征在于，该装置进一步包括：

(1)系统帧生成和发射模块：用于生成系统帧，并通过所述发射天线端口发射到无线空间中；

(2)时间同步模块：在初始阶段用于时间同步的捕获，在跟踪阶段用于维持时间同步；

(3)系统帧号解析模块：用于接收并解析出系统帧号，系统帧号在多天线干扰抵消阶段中用于控制接收侧与发射侧之间的帧时序；

(4)多天线干扰抵消模块：用于根据不同发射天线端口到达接收天线端口的信道响应计算得到信道干扰抵消系数，再将其作用于相应的发射天线端口，最终通过迭代抵消运算，使得多根发射天线端口到接收天线端口的信道响应趋于零；

(5)峰值包络检测和相对阈值检测模块：用于根据迭代抵消后的信道响应判断出位置是否已发生变化。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明具有成本低、检测精度高、适用范围广等特点，能够实现对位置变化敏感场景中分米级别位置变化的检测，包括GPS信号无法覆盖的场景和室内场景中重要物品位置变化的检测，如对环境监测设备、城市基础设施、建筑设施、室内重要设施、和物联网中各类传感器等位置变化的检测。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1位置变化检测算法处理流程图；

图2适用于检测位置变化的系统帧结构图；

图3适用于检测位置变化的系统导频图样图；

图4发射侧信号生成处理流程图；

图5多天线干扰抵消算法处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行更全面的描述：实施案例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

应用实例1：

本实施例给出了一种基于自发自收机制的多天线干扰抵消、峰值包络检测与相对阈值检测相结合的方法及其装置，以用于检测位置变化，方案流程如图1所示，其实现步骤如下：

1.发射侧生成信号并发射

发射侧在系统帧号后添加CRC校验比特，对其进行信道编码(可采用重复码或卷积码)，通过QPSK调制后按照如图2所示的系统帧结构和如图3所示的导频图样进行资源映射，最后生成OFDM信号，处理流程如图4所示。

2.时间同步

接收侧使用本地同步导频序列R_SS与接收信号Y进行最大似然检测，以实现接收侧与发射侧的时间同步,时间偏移m对应于最大相关值所处的位置,即

这里，i是时间索引，m是时间偏移，N是本地同步导频序列R_SS的长度，Y[i]是时刻i对应的接收信号，是时刻i对应的本地同步导频序列的共轭。

3.解析系统帧号

接收侧借助解调导频，使用信道估计算法计算出信道响应，通过对数据导频进行频域均衡、解调、译码等步骤解析出系统帧号SFN。

4.多天线干扰抵消

接收侧利用信道抵消测量导频实现多天线干扰抵消，分为初始抵消和迭代抵消两步来实现，处理流程如图5所示。

1)初始抵消：首先，发射天线端口0发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1不发射信道抵消测量导频R_CM，根据接收天线端口收到的信号通过信道估计计算出信道响应然后，发射天线端口0不发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1发射信道抵消测量导频R_CM，接收侧根据接收信号通过信道估计计算出信道响应最后，根据信道估计得到的两次信道响应，通过计算得出信道干扰抵消系数

2)迭代抵消：发射天线端口0和发射天线端口1同时发射，其中发射天线端口0发射R_CM，发射天线端口1发射P·R_CM,根据接收天线端口收到的信号通过信道估计计算得到信道响应获取系统帧号SFN，若系统帧号SFN为偶数，则通过进行更新；否则，通过对进行更新；然后，更新信道干扰抵消系数并通过上述步骤进行迭代运算直至和收敛为止，从而获得对信道响应和更为准确的估计，以使干扰抵消达到更好的效果。

5.峰值包络检测和相对阈值检测

发射侧同时发射信号，接收侧测量信道响应并判断位置是否发生变化，依次进行峰值包络检测和相对阈值检测这两步来实现：

1)峰值包络检测：多天线干扰抵消完成后，通过对信道响应H_res取绝对值并对其进行低通滤波，获得其峰值包络，若峰值包络的持续时间T和峰值H_peak的乘积W＝T·H_peak大于设定阈值W_thr，则执行相对阈值检测，否则，认为位置未发生变化而无需执行相对阈值检测。

2)相对阈值检测：通过对峰值包络前后时间窗T_w内的信道响应H_res取绝对值，并分别计算得到两者的算数平均值为S_bef和S_aft，然后计算S_bef和S_aft的相对误差百分比为若Q大于设定阈值Q_thr，则认为位置已经发生变化并给出告警，否则，认为位置未发生变化。

6.保持时间同步

利用同步导频序列进行同步跟踪，以保持时间同步，但若对数据导频的解析连续出错，则认为系统的时间同步丢失，需要重新执行步骤2～4；否则，仅执行步骤5。

至此，通过上述方案完成了对位置变化的检测。

综上所述，本发明公开了一种适用于检测位置变化的方法及其装置。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。显然，本领域的普通技术人员可以对本发明的示例进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和原则。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种适用于位置变化检测的方法，其步骤为：

1)在检测装置的发射端设置至少两发射天线端口，发射端根据帧结构与导频图样生成发射信号并通过发射天线端口进行分时交替发射；其中，导频图样中设有一信道抵消测量导频R_CM；

2)检测装置的接收端根据接收信号中的信道抵消测量导频分别测量不同发射天线端口到接收天线端口的信道响应，并将根据所述信道响应计算得到的信道干扰抵消系数P作用于对应的发射天线端口；

3)发射端根据帧结构与导频图样生成发射信号并通过两发射天线端口同时发射；其中，一发射天线端口发射信号中的信道抵消测量导频R_CM，另一发射天线端口发射信号中的信道抵消测量导频P·R_CM；

4)接收端根据接收信号中的信道抵消测量导频分别测量不同发射天线端口到接收天线端口的信道响应，并将根据当前信道响应计算的信道干扰抵消系数P作用于对应的发射天线端口；

5)迭代执行步骤3)、4)，直到每一发射天线端口到接收天线端口的信道响应收敛；

6)接收端根据接收信号进行信道估计，得到信道响应；然后计算信道响应的峰值包络，并根据峰值包络的持续时间和最大值的乘积来判定位置是否发生变化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，信道干扰抵消系数P的计算方法为：设两发射天线端口为端口0和端口1；首先，发射天线端口0发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1不发射信道抵消测量导频R_CM，根据接收端根据收到的信号Y通过信道估计计算出信道响应然后，发射天线端口0不发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1发射信道抵消测量导频R_CM，接收端根据接收信号Y通过信道估计计算出信道响应最后，接收端计算得出信道干扰抵消系数

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述迭代执行步骤3)、4)，直到每一发射天线端口到接收天线端口的信道响应收敛的方法为：首先，发射天线端口0和发射天线端口1同时发射信号，其中，发射天线端口0发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1发射信道抵消测量导频P·R_CM；接收端根据收到的信号通过信道估计计算得到信道响应H_res，获取系统帧号SFN，若系统帧号SFN为偶数，则通过对信道响应进行更新；否则，通过对信道响应进行更新；然后，更新信道干扰抵消系数然后迭代运算直至和收敛为止。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，每一帧在时域上包括四个OFDM符号：同步OFDM符号、信道抵消测量OFDM符号、解调OFDM符号和数据OFDM符号，在频域上包括K个子载波。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述子载波数目K大于或者等于72。

6.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述接收端检测位置是否发生变化的方法为：首先对信道响应的幅值进行滤波，获得其峰值包络，若峰值包络的持续时间和最大值的乘积大于设定的阈值H1，则执行相对阈值检测，否则，认为位置未发生变化而无需进行相对阈值检测。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述相对阈值检测的方法包括：取峰值包络前后设定时间窗内的信道响应，并分别计算得到两者的统计量，若两统计量之间的变化超过设定的阈值H2，则认为位置已经发生变化，否则，认为位置未发生变化。

8.一种适用于位置变化检测装置，其特征在于，包括一接收端和一发射端；所述发射端设置至少两发射天线端口，所述发射端包括帧生成和发射模块，所述接收端包括时间同步模块、系统帧号解析模块、多天线干扰抵消模块和位置检测模块；其中，

所述帧生成和发射模块：用于根据帧结构与导频图样生成发射信号并通过两发射天线端口进行发射，该导频图样中设有一信道抵消测量导频R_CM；

所述时间同步模块：用于时间同步的捕获和维持时间同步；

所述系统帧号解析模块：用于接收并解析出帧号；

多天线干扰抵消模块：用于根据不同发射天线端口到达接收端的信道响应计算得到信道干扰抵消系数，再将其作用于相应的发射天线端口，最终通过迭代抵消运算直到每一发射天线端口到接收端的信道响应收敛为止；

位置检测模块：用于获得迭代抵消后的信道响应，然后计算信道响应的峰值包络，并根据峰值包络的持续时间和最大值的乘积来判断位置是否已发生变化。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，每一帧在时域上包括四个OFDM符号：同步OFDM符号、信道抵消测量OFDM符号、解调OFDM符号和数据OFDM符号，在频域上包括K个子载波；所述子载波数目K大于或者等于72。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述多天线干扰抵消模块计算所述信道干扰抵消系数P的方法为：设两发射天线端口为端口0和端口1；首先，发射天线端口0发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1不发射信道抵消测量导频R_CM，接收端根据收到的信号Y通过信道估计计算出信道响应然后，发射天线端口0不发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1发射信道抵消测量导频R_CM，接收端根据接收信号Y通过信道估计计算出信道响应最后，接收端计算得出信道干扰抵消系数

所述多天线干扰抵消模块通过迭代抵消运算直到每一发射天线端口到接收端的信道响应收敛为止的方法为：首先，发射天线端口0和发射天线端口1同时发射信号，其中，发射天线端口0发射信道抵消测量导频R_CM，发射天线端口1发射信道抵消测量导频P·R_CM；接收端根据收到的信号通过信道估计计算得到信道响应H_res，获取系统帧号SFN，若系统帧号SFN为偶数，则通过对信道响应进行更新；否则，通过对信道响应进行更新；然后，更新信道干扰抵消系数然后迭代运算直至和收敛为止。