CN111165006B - 用于无线电测量应用的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于无线电测量应用的方法，第一无线电节点作为启动器工作，第二无线电节点作为应答器工作，每个无线电节点具有自己的定时器和数据接口，在第一步骤中，由启动器发送第一载波频率作为初始信号并由应答器在第一接收时间段期间接收初始信号，在第二步骤中由应答器以第二载波频率发送响应信号并由启动器在第二接收时间段期间接收响应信号，该方法包括第一模式和第二模式，在第一模式中响应信号至少由所接收的初始信号的一部分形成，传递函数根据所接收的响应信号的至少一部分求取，在第二模式中与所接收的初始信号无关地形成响应信号，根据所接收的响应信号的一部分和所接收的以及所传递的初始信号的一部分来求取传递函数。

Description

用于无线电测量应用的方法
技术领域
本发明涉及一种用于无线电测量应用的方法，该方法借助至少两个无线电节点用于求取无线电节点之间的传递函数和/或无线电节点之间的时间偏移。
背景技术
存在多种用于基于频域中的参考信号的相位和相位差的测量来求取距离的方法。基本原理(例如由US 3 243 812)从超过50年前起是已知的。该方法从数十年前起已经应用在不同的应用中。除了大量出版物外，还存在一整个系列的专利。
由DE 10 2009 060 505 B4已知一种用于在两个无线电节点之间进行通信的方法，其中，无线电节点交替地发送和接收信号，并且针对每次重复改变信号的载波频率。接下来将从第二无线电节点提取的相位值传输回到第一无线电节点，然后借助第一无线电节点所接收的信号来进行分析处理，以便确定两个无线电节点之间的距离。
由DE 10 2009 060 593 A1已知另一种用于测量两个无线电节点之间的距离的方法，其中，无线电节点交换未经调制的载波信号，每个无线电节点对于两个频率求取两个相位值，然后由总共四个相位值确定无线电节点之间的距离。
由DE 10 2009 060 592 B4和DE 10 2009 060 591 A1和WO 02/01247 A2已知用于测量两个无线电节点之间的距离的替代方法。
由WO 2005 119379 A1已知一种用于校正抖动的方法，其中，第一无线电节点关于所发送的初始信号从第二无线电节点获得响应信号，该响应信号不仅包含初始信号的由第二无线电节点求取的接收时刻，而且包含响应信号本身的发送时刻。
发明内容
在这些背景下，本发明的任务在于，说明一种扩展现有技术的设备。
该任务通过具有权利要求1的特征的用于无线电测量应用的方法来解决。本发明的有利构型是从属权利要求的主题。
根据本发明的主题，提出一种用于无线电测量应用的方法，其中，提供至少两个无线电节点。
至少一个第一无线电节点作为启动器(Initiator)工作并且至少一个第二无线电节点作为应答器(Transponder)工作。
第一无线电节点和第二无线电节点分别具有定时器和数据接口。
在第一无线电节点的定时器和第二无线电节点的定时器之间存在时间偏移。
在第一步骤中，由启动器发送第一载波频率作为初始信号(Initialsignal)并且由应答器在第一接收时间段期间接收初始信号。
在第二步骤中，由应答器以第二载波频率发送响应信号并且由启动器在第二接收时间段期间接收响应信号(Antwortsignal)。
以所提及的顺序重复由第一步骤和第二步骤组成的步骤序列至少一次，其中，初始信号和响应信号至少在每个步骤序列期间是相干的。
在每次重复时，初始信号的载波频率和响应信号的载波频率在预先确定的频率范围内改变。
该方法包括第一模式和第二模式。
在第一模式中，至少由所接收的初始信号的一部分形成响应信号，并且根据所接收的响应信号的至少一部分来求取传递函数和/或时间偏移。
在第二模式中，响应信号独立于接收信号地形成，并且借助所述另外的数据接口来传递至少两个所接收的初始信号，并且根据所接收的响应信号的至少一部分和所接收和传递的初始信号的至少一部分来求取至少一个传递函数和/或时间偏移。
应当理解，每个无线电节点都包括接收单元、发送单元、信号处理器、数据接口和至少一个天线。此外，应当理解，在一个步骤中分别仅有一个无线电节点进行发送。
应当注意，术语“时基”和术语“时域”同义地使用。
如果一个无线电节点包括多个天线，则初始信号和/或响应信号由天线中的一个发送，或者初始信号和/或响应信号由多个天线发射。例如天线在发送时间段期间按顺序依次发射。为此，发送时间段例如划分成多个时间窗，其中，天线中的一个分别在一个时间窗期间发送。应当理解，信号的接收也可以被相应地组织。
所有利用根据本发明的方法所传递的值或信号矢量可以通过合适的加密机制来操纵，以便相应地保护运行的过程。因此，例如可以以时间上可变化的数字序列来占用每个信号矢量，所述数字序列仅对于启动器和应答器是先验已知的。
根据替代的实施方式，数据接口被构造为有线连接的或无线的，并且能够实现数据(例如所求取的信号矢量)的交换以及无线电节点的粗同步。
在第一步骤中发送信号的无线电节点被称为启动器。
接收和处理在第一步骤中所发送的信号的无线电节点被称为应答器。在第二步骤中，应答器才发送回响应信号。
借助该方法可以确定各个定时器之间的时间偏移和/或传递函数。前提是，在第一步骤的信号和第二步骤的信号之间存在相干性。
传递函数反映了频域中两个无线电节点之间的传输特性(即通过传播介质传输信号)并且在无线数据传输的领域中表示通用名称。传递函数经常也称为传输函数。
应当理解，可以借助傅立叶变换将所记录的值从频域变换到时域。在时域中，术语“信道脉冲响应”对于传播介质的传输特性也是常见的。
该方法包括第一和第二模式，其中，每个模式都是自成一体的。对于模式1至关重要的是在信号交换内传输在测量信号内的附加信息，而模式2仅使用数据接口来传输这些信息。系统在一时间段内分别在模式之一中工作。模式之间的转换是可能的。
借助该方法可以确定对于传播介质从启动器到应答器或从应答器到启动器的传播行为的传输函数(也称为lWR单路径传递函数(1WR-Einwegtransferfunktionen))或对于循环——即从启动器到应答器并从应答器回到启动器的传输——的传输函数(也称为2WR循环传递函数(2WR-Umlauftransferfunktion))。
由频域中的所求取的传递函数又可以确定所参与的无线电节点之间的距离。
在此，信号之间的相位特性曲线(Phasengang)特别重要。如果介质内的传播行为由直接路径主导，则可以由相位特性曲线通过导数求取电磁波的群时延(Gruppenlaufzeit)tg。
通过电磁波的传播速度c，相应于d＝c·tg产生与无线电节点之间的距离d的直接关系。
对于所有测量方法，特征的是交替地发送和接收参考信号(即由其他节点所接收的初始信号或响应信号)，其中，每个无线电节点在复数平面中关于其内部的时间参考来评估接收信号的状况。
由第一步骤和第二步骤构成的步骤序列代表该方法的核心操作，其也称为原子操作(Atomic Operation)或乒乓(Ping-Pong)。
相位相干性必须最小在一个步骤序列上保持。
在许多情况下，传输信道的特征在于多个路径，因此，除了两个无线电节点之间的直接连接之外，其他路径还可以通过在对象上反射和/或通过折射和/或通过衍射来产生。
为了解析所接收的信号中的多个路径，将测量周期——即信号的交替的发送和接收——在带宽(预先确定的频率范围)上以频率步进(Frequenzschritt)多次重复。由此可以分别基于频率范围中的多个网格点(Stützstelle)来求取传递函数。
预先确定的频率范围的带宽决定该方法解析具有不同长度的信号路径的能力。由于涉及频率离散式的显示，因此频率步长确定了可以明确求取距离的范围，并且同时限制了可明确确定的时间偏移的大小。
多个步骤序列被称为测量周期。测量周期的持续时间取决于各个步骤序列的数量、类型和持续时间以及所使用的频率。
在限定的时间段上并且在无线电节点之间保持信号的相位相干性是该方法的重要特征和对于信号变化过程的重建的前提。
相干性要求根据实施方案可以扩展到多个步骤序列，即一个测量周期或者多个测量周期。
除了距离外，也可以提取其他参数，例如(两个或多个)无线电节点之间的用于确定相对位置的入射角。为此，可以分析处理多个天线的接收信号或将发送信号确定性地分布到多个天线上。这可以通过使用多个发送和接收单元并行地/同时进行。替代地，天线分配也可以在步骤序列内的不同时间窗上在时间上彼此相继地且通过在时间窗之间切换天线来实现。在切换时要注意相应的瞬变过程(Einschwingvorgang)。
优选地，预先确定的频率范围例如相应于可用的频率范围——即针对由所使用的无线电节点所提供的带宽。替代地，技术上可行的频率范围由于法律规定和/或由于具体的应用而受到限制，使得预先确定的频率范围仅包括可用频率范围的部分范围。
每个无线电节点遵循固定的时间序列(zeitlicher Ablauf)，该时间序列与定时器和相应的周期控制固定地相关并且因此具有确定性。因此，所有功能块在所要求的时间段上具有固定的参考时间和参考相位，并满足对相位相干性的相应要求。由于无线电节点的时间特性对于节点是先验已知的(初始相位、时间偏移和频率偏移除外)，因此在无线电节点之间会产生相干关系。
然而，对于运行该方法的方法而言重要的是，相应的发送和接收时间段(必要时发送和接收时间窗)互相对置(gegenüberstehen)并完成相应的瞬变过程，即建立稳定状态。
时间偏移的通过粗同步来确保的可容忍波动遵循测量范围的大小，并且例如在300m的测量范围时可容忍波动应小于lμs，以便避免在时间和频率偏移校正中增加开销。在2.4GHz范围内可达到的测量准确度小于1m。
在特性方面，此方法与已设立的UWB TDOA(英语Time Difference of Arrival，到达时间差)方法有很大不同。在此，由于测量准确度由同步确定，因此同步质量在可比较的准确度的情况下必须优于3ns。
应注意到，每个无线电节点都有自己的时间参考。优选地，时间参考构造为石英振荡器(XTAL/XOSC)。应当理解，粗的时间调整并不代替在核心操作中对实际的时间偏移的求取，而是前提。
优点是方法的灵活性和可靠性增大。另一优点是可以更快且成本更有利地执行该方法。有利地，在求取无线电节点在传感器网络的区域中的位置时可以使用该方法。此外，该方法能够实现在大的作用范围内(即在0.5m至10km的范围内)进行高分辨率的距离测量。尤其通过使用窄带架构(即信道滤波带宽小于1MHz)实现高动态范围和高抗干扰性。
对参与通信的两个无线电节点的时间偏置或时间偏移的求取对于测量结果的进一步处理很重要。
在一个扩展方案中，时间偏移也可以用于系统的单元的同步并且因此具有重要的意义。
数据交换的任何其他类型都被称为数据接口——例如用于无线交换的通信协议例如蓝牙、无线个域网(Zigbee)或IEEE 802.11，所述通信协议使得能够交换数据帧以进行粗同步。替代地，数据接口可以构造为数据线路或用于数据线路的连接端。
如果根据第一模式至少由所接收的初始信号的一部分形成响应信号，则相应地将关于所接收的初始信号的信息直接传送回到启动器。所接收的响应信号因此包含关于无线电节点之间的来回路径的信息。这能够实现，仅根据所接收的响应信号来求取2WR传递函数。
如果根据第二模式与初始信号无关地形成响应信号，则根据第一替代实施方式，将至少一个由应答器所求取的接收信号矢量借助数据接口传递给启动器。因此，可以由启动器或与启动器进行通信的计算单元进行进一步的分析处理。根据所接收的响应信号和所接收的和传递的初始信号可以求取2WR传递函数。
时间偏移可以根据至少两个所接收的初始信号和至少两个所接收的响应信号来确定。时间偏移的求取是用于确定1WR传递函数的必要前提。
时间偏移的确定不仅可以在第一模式中实现而且可以在第二模式中实现。
因此，根据本发明的方法的优点是，省去了应答器的所有测量结果或至少多个测量结果的进一步数据传递。由此，既可以降低技术上的开销也可以降低时间上的开销。
根据第一实施方式，第二载波频率相应于第一载波频率。替代地，第二载波频率与第一载波频率不同。
应当理解，载波频率的时间变化过程或频率变化对于所参与的无线电节点是预先已知的。第二载波频率例如总是相应于第一载波频率地改变。替代地，第二载波频率的改变与第一载波频率的改变无关地进行或者根本不进行。
该改变(即在重复时进行的频率步进)在每次重复时是相同的或者在每次重复时变化，例如根据预给定的所有无线电节点已知的列表或数学函数，所述列表或数学函数也包括时间特性并且由此可以保持所要求的相位相干性。
根据一种扩展方案，测量周期由步骤序列的多次重复来形成，并且初始信号和响应信号至少在一个测量周期期间或者至少在多个测量周期期间是相干的。彼此相干的测量周期尤其在使用在一个无线电节点和/或另外的无线电节点内的多个天线时是有利的。
在一种实施方式中，由所接收的初始信号求取第一复数信号矢量(接收信号矢量)，其中，响应信号由第一复数信号矢量或者替代地由第一复数信号矢量的互反数(reziprok)形成。
在第一替代方案中，由启动器接收的响应信号相应于复数信号矢量与传播介质的信道传递函数以频率的方式相乘。结果产生在频域中离散采样的信道传递函数的平方。在时域内由此相应地得出信道脉冲响应与其自身的时间离散地采样的卷积。
在第二替代方案中，由启动器所接收的响应信号提供延迟算子ejω·2·Toff，其能够实现求取在两个无线电节点之间的时间偏移。借助所述时间偏移可以求取1WR信道传递函数。
此外，所求取的时间偏移也可以用作精确同步内的调节参量，并且也可以用于测试功能块的时间同步。
在另一实施方式中，求取第一复数信号矢量，并且响应信号由第一复数信号矢量的共轭复数形成。
所接收的响应信号由第一复数信号矢量的平方值和延迟算子ejω·2·Toff组成，其表示节点之间的时间偏移。
根据另一替代的实施方式，由所接收的初始信号求取第一相位，其中，要么由所述第一相位要么由反转(invertiert)的第一相位形成响应信号。这些替代方案特别简单和快速。
在另一替代的实施方案中，始终有至少一个无线电节点作为启动器工作，并且始终有至少一个无线电节点作为应答器工作，其中，每个无线电节点在多个步骤序列上至少一次作为启动器工作并且至少一次作为应答器工作，或者每个无线电节点在多个步骤序列上仅作为启动器工作或者仅作为应答器工作。
在另一实施方式中，测量周期由步骤序列的多次重复形成并且第一载波频率对于在测量周期期间的每次重复分别采取频率范围内的预先确定的值。
例如执行扫频(Frequenz-Sweep)，其中，在测量周期期间的每次重复中，第一载波频率在预给定的频率范围内分别增加或减少一恒定值。只需低的实施开销就可以实现扫频。通常，在多个较小的频率步进上保持相位关系较为容易。然而，由于法律规定，该实施方案对于许多应用都限制在允许的发送功率。
频率的不规则改变也称为跳频(Frequenz-Hopping)。载波频率对于每个单个重复的不同的频率或值例如被存储在查找表中或取决于预给定的数学函数。例如可以根据伪噪声式的序列来执行跳频，由此实现针对干扰源的高稳健性。同时，该方法的这种实施方案能够实现在遵守不同法律规定和法规要求的情况下使用更大的发送功率。因此使得可以将该方法的使用扩展到更大的作用范围。
在另一实施方式中，根据所求取的传递函数和/或时间偏移来确定至少一个启动器和至少一个应答器之间的距离。
根据一种扩展方案，对于至少一个所求取的信道传递函数执行多路径分析。该多路径分析聚焦在求取直接的传播路径。
根据另一扩展方案，在求取传递函数和/或时间偏移之前，在所接收的响应信号和/或所接收的初始信号上应用滤波器。例如，cos2-窗可以用作抑制失真(Nebenmaxima)的滤波器。更高的测量动态性或噪声抑制例如可以通过在步骤序列内对测量值求平均来实现。
在另一扩展方案中，在每次重复时除了初始信号的载波频率之外还改变初始信号的幅值和/或相位。
根据另一扩展方案，提供至少三个无线电节点并且在每个步骤序列中第二步骤重复至少一次，其中，在第一步骤中由至少两个充当应答器的无线电节点接收初始信号，在每个第二步骤中由应答器中的恰好一个发送响应信号并且由启动器以及由至少一个另外的应答器接收响应信号，在第二步骤的每次重复中由另一应答器发送响应信号，并且在第一模式中在第二步骤的每次重复中分别至少由所接收的初始信号的一部分或者由所接收的响应信号的一部分形成响应信号。
在另一实施方式中，启动器在第一发送时间段期间发送初始信号，并且应答器在第二发送时间段期间发送响应信号，其中，第一发送时间段和第二发送时间段分别包括多个、彼此相继的时间窗，分别仅在时间窗期间发送，并且各两个彼此相继的时间窗在时间上直接彼此相继或者在时间上彼此具有距离。
应当理解，接收时间段也可以包括多个时间窗，其中，发送时间段的时间窗和接收时间段的时间窗可以(除了时间偏移之外)彼此相应，但不是必须彼此相应。
该处理方式尤其能够实现匹配于不同的应用匹配，如参考相位的分离传输、启动器与应答器之间的信号化(增益和发送功率匹配、加密)、通过求平均值的噪声抑制、分配用于产生空间多样性的不同的天线，特别用于求取入射角以及用于改善一般的测量精度(射束转向(英语：Beam Steering)、多输入多输出(MIMO)、智能天线)、或者还在LBT(英语：Listen-before-Talk，先听后说)、CS(英语：Carrier Sense，载波监听)和DAA(英语：Detectand Avoid，探测与躲避)要求的意义上探测信道占用，用于无线电系统的许可。
附图说明
下面参照附图详细说明本发明。在此，相同类型的部分用相同的附图标记标注。所示出的实施方式是高度示意性的，也就是说，距离以及横向和纵向延伸不是按比例的，并且只要未特别说明，也不具有可推导出的几何关系。附图中示出：
图1示出根据第一替代实施方式的用于无线电测量应用的测量装置，
图2示出第一替代实施方式的流程图，
图3示出关于各种发送矢量、接收矢量、基带矢量和相应的相关性的概览的表，
图4示出根据第一替代实施方式的用于无线电测量应用的方法的第一时间变化过程的图，
图5示出根据第一替代实施方式的用于无线电测量应用的方法的另一时间变化过程的图，
图6示出根据第二替代实施方式的用于无线电测量应用的测量装置，
图7示出测量信号的幅值变化过程，
图8示出转化到时域中的测量信号，
图9示出三个无线电节点的布置，
图10示出在使用三个无线电节点的情况下的流程图。
具体实施方式
对于所有实施方式，应注意：
提供被称为启动器的第一无线电节点FI和被称为应答器的第二无线电节点FT。启动者FI和应答器FT分别具有接收单元RX、发送单元TX、数据接口DS1或DS2和自己的定时器Z(t)或Z(t’)。应当理解，每个无线电节点包括信号处理器(未示出)。
数据接口DS1和DS2构造为用于无线的数据交换的通信协议。
启动器-无线电节点FI具有时基t并且应答器-无线电节点FT具有时基t’，其中，这两个时基t或t’彼此独立。
应当注意，同义地使用术语“时基”和术语“时域”。
相关的定时器Z(t)和Z(t’)分别包括一个石英振荡器并且预给定对于相应的无线电节点的相应的时基t或t’的时间度量。
定时器Z(t)和Z(t’)通过时间偏移Toffs彼此移位。假设定时器Z(t)和Z(t’)以相同的单位前进，也就是说，在石英振荡器之间没有频率偏移。
如果在两个定时器Z(t)和Z(t’)之间存在频率偏移，则必须校正频率偏移，以便执行所述方法。频率偏移的校正不是本申请的主题。
定时器Z(t)或Z(t’)分别为启动器-无线电节点FI和应答器-无线电节点FT中的流程控制装置产生时间参考。该流程控制装置控制在相应的无线电节点FI和FT中的所有相关功能块的时间特性。流程控制装置尤其预给定用于频率变换的时刻。应当注意，该流程控制装置也被称为时间-频率控制装置ZFS1和ZFS2。
应当注意，时间长度TMU或T’MU分别表示预给定的最小时间区间，其中，该最小时间区间也被称为测量单位时间TMU。
应当注意，该方法包括：
·步骤，其具有一个或多个发送窗或接收窗；
·步骤序列，其包括至少两个步骤，所述至少两个步骤具有用于启动器FI的时间长度TSF或用于应答器FT的时间长度T’SF；
·测量周期，其作为一系列的步骤序列，所述步骤序列具有用于启动器FI的时间长度Tz或用于应答器FT的时间长度T’z；
·一系列的测量周期。
每个步骤序列具有发送和接收范围，其分别被划分成发送窗和接收窗。无线电节点FI的发送窗或接收窗的时间长度是TMU。无线电节点FT的发送或接收窗的时间长度是T’MU。
每个无线电节点FI具有带有时间长度TMU的发送窗和带有时间长度TMU的接收窗。每个无线电节点FT具有带有时间长度T’MU的发送窗和带有时间长度T’MU的接收窗。
应当注意，索引n在步骤序列中的一个内说明时间窗的位置，并且具有TSF＝nmax·TMU的持续时间。该索引具有值的范围n＝0,l,…(nmax-l)，其中，nmax由测量周期的具体设计确定。
索引m在测量周期内说明步骤序列的位置，其中，m＝0,l,…(mmax-l)。通过具体的实施方案来确定mmax并且还取决于如下频率的数量：对于所述频率要求取传递函数。一系列的步骤序列被称为测量周期。无线电节点FI的一个测量周期具有Tz＝mmax·TSF的长度。无线电节点FT的一个测量周期具有T’z＝mmax·T’SF的长度。
为了区分启动器无线电节点FI和应答器无线电节点FT，应答器的相应参量通过撇(Anstriche)来标识(例如f’p,ω’p,t’等的频率和时间)。
下面区分时间连续的参量和时间离散的参量。启动器无线电节点FI的发送单元TX或应答器无线电节点FT的发送单元TX尤其产生时间上连续的发送信号TI(t)或TT(t’)，其中，图示TI(m,n)表示在时刻t＝n·TMU+m·TSF关于时基t的发送信号TI的值。相应地，图示TT(m,n)表示在时刻t’＝n·T’MU+m·T’SF关于时基t’的发送信号TT的值。
关于相位相干性应注意的是，应答器的发送和接收单元连同定时器Z(t)和时间频率流程控制装置形成相位相干的域。
无线电节点FI的相位相干的域对于所要求的时间长度(即对于任意数量的步骤)通过如下来表示：在一个步骤序列内发送单元发送的所有索引n的发送信号TI(m,n)的相位与在一个步骤序列内接收单元接收的所有索引n的用于求取接收矢量RI(m,n)的参考相位之间的固定关系。
类似地适用于应答器的是，无线电节点FT的相位相干的域对于所要求的时间长度(即对于任意数量的步骤)通过如下来表示：在一个步骤序列内发送单元发送的所有索引n的发送信号TI(m,n)的相位与在一个步骤序列内接收单元接收的所有索引n的用于求取接收矢量RI(m,n)的参考相位之间的固定关系。
如果相位相干性被限制在一个步骤序列，则对于无线电节点FI的相干性长度是TSF或对于无线电节点FT的相干性长度是T’SF。如果相位相干性扩展到一个测量周期，则对于无线电节点FI的相干性长度是Tz或对于无线电节点FT的相干性长度是Tz。
在一系列的测量周期中，所述相干性长度相应地延长到一系列测量周期的时间长度。
应当理解，通过瞬时振荡过程表示的过渡区域排除了对相干性的要求。
由关于相应的无线电节点的相位相干性的要求得出无线电节点彼此间的相位相干性，如果定时器的区别仅在于时间偏移，并且在其他方面两个节点遵循基于TMU或T’MU的相同的时间流程，则接收和发送特性是互补的(zueinander)。
图1的示图示出两个无线电节点(启动器FI和应答器FT)的装置，该装置用于执行根据本发明的用于无线电测量应用的方法的第一实施方式，其中，该装置设计用于实施根据本发明的方法的第一模式。
启动器FI设计成在第一步骤S1期间借助发送单元TX通过传播介质PM(例如空气)发送初始信号TI。应答器FT设计成在第一步骤S1期间在传输通过传播介质PM之后接收由启动器FI发送的初始信号TI作为接收信号RT。
启动器无线电节点FI的接收单元RX和应答器无线电节点FT的接收单元RX将所接收的信号转换为时间离散的表示。接收结果RI和RT还被称为接收矢量。
接收矢量RT(m,n)具有复数的形式，其中，其数值与所接收的信号的数值成比例。
复矢量RT(m,n)的相位相对于时基t’在时刻t’＝n·*T’MU+m·T’SF确定。
此外，应答器FT设计用于由接收信号RT借助函数F(RT,..)求取信号矢量VT并且借助数据接口DS2进行交换。
为了能够实施根据本发明的方法的第一模式，应答器FT附加地设计用于将信号矢量VT传递给发送单元TX并且借助发送单元TX进一步处理。
在第二步骤S2期间，应答器FT借助发送单元TX发送响应信号TT。
在第二步骤S2期间，启动器FI借助接收单元RX在传输通过传播介质PM之后接收由应答器发送的响应信号TT作为接收信号RI。
启动器的接收矢量RI(n,m)具有复数形式，其中，其数值与所接收的信号的数值成比例。复矢量RI(n,m)的相位相对于时基t在时刻t＝n·TMU+m·TSF确定。
此外，启动器FI设计用于，借助函数H(RI,..)由接收信号RI求取信号矢量VI并且与数据接口DS1进行交换。
通过传播介质PM的传输对所发送的信号的影响被称为传递函数G。
下面根据附图2、3和4进一步阐述根据用于无线电测量应用的方法的第一替代实施方式的方法流程。
如图2所示，两个无线电节点FI和FT分别具有发生器、上混频器、下混频器以及包含定时器Z(t)或Z(t')的时间和频率控制装置ZFS1或ZFS2，所述上混频器将复数信号矢量VT或VI从基带位置转换到HF位置，所述下混频器将高频信号转换到基带位置中的信号矢量RI或RT，所述时间和频率控制装置Z(t)或Z(t')在固定的时间制度(Zeitregime)中控制所有的系统状态变换。
时间和频率控制装置ZFS1或ZFS2基于时间单元TMU工作，并且能够确保所有相关的状态变换(对信号矢量的采样、RX/TX-TX/RX转变、频率变换)与通过相应的定时器预给定的时基存在固定关系并且以所述时基为基准。
时间和频率控制装置ZFS1或ZFS2还负责：在所要求的长度上保持信号与矢量之间的相干性，也就是说，考虑瞬时振荡过程并且所有功能单元也在过渡区域中位于线性的调节范围内(此外频率发生器、PLL)。在由步骤S1和S2构成的步骤序列期间，通过时间和频率控制装置ZFS1或ZFS2来控制无线电节点FI和FT。
步骤序列还包括过渡区域(步骤延迟)，其作为参量TSV的延迟环节示出。时间和频率控制装置ZFS1或ZFS2还接管在可用的频率范围上控制频率ωp。
由此，时间和频率控制装置ZFS1或ZFS2分别产生相位相干的域PD，在所述域中高频合成、相应的发送矢量的产生和接收矢量的提取在相位方面相互存在固定的关系。
此外，每个无线电节点分别具有逻辑单元，该逻辑单元借助函数F或H基于输入参数(此外所接收的信号矢量RI(m,n)和RT(m,n)和/或通过数据接口DS1或DS2提供的参数)提供用于产生相应的发送信号TI(m,n)或TT(m,n)的信号矢量VT或VI。
由测量周期的具体设计来确定步骤序列nmax的最大索引并且在所示的示例中选择nmax＝6。
如在图2和图4中所示，在启动器FI和应答器FT中的频率发生器首先产生频率fp，f’p或ωp＝2n·fp,ω’p＝2n·f’p的信号，其中，应答器的频率发生器的信号延迟时间偏移Toffs并且具有静态的相位偏移
在进一步阐述的意义上，频率被认为是相同的。前提是，已经执行了相应的频率偏移校正(如果必要)，或者已经提取了必要的参数，以便相应地校正接收矢量。因此，对于进一步的陈述而假设fp＝f’p，其中，如果Δf是已知的(例如通过接收架构预给定)，则该方法还包括频率差异fp＝f’p+Δf’。
在第一步骤S1中，其中m＝0,n＝0,l,2，由启动器FI借助混频器和频率发生器产生具有第一载波频率ωp的初始信号TI(m,n)，所述第一载波频率具有信号矢量VI(m,n)，并且作为初始信号TI(m,n)耦合输出到传播介质PM中。为了清楚起见并且如从图3所示的表中得知，信号矢量VI(m,n)＝1，也就是说，启动器-无线电节点发送具有载波频率ωp的参考信号作为初始信号TI。
应当理解，前述描述并不排除如下情况，在信号最后通过转换被转换到实际的目标频率ωp之前，在耦合输出之前在另一混频器中通过乘以辅助载波——通常称为本机振荡器(英语Local Oscillator)——将信号矢量VI,T转换到中频IF。
在具有m＝0,n＝0,l,2的第一接收时间段S1期间，应答器FT通过将所接收的HF信号与频率为f’p的频率发生器的信号混合来确定接收矢量RT(m,n)，该接收矢量相对于启动器的发生器信号在时间上偏移Toffs。
所述接收矢量RT(n,m)具有复数的形式，其中，其数值与接收信号的数值成比例。
在图2中，通过在时刻t’＝t’＝n·T’MU+m·T’SF处对传输通过传播介质的发送信号TI关于时间连续的信号exp(jω’p·t’)的采样来产生通过应答器的接收单元所确定的信号矢量RT(m,n)的相位。
接收信号RT(m,n)决定性地通过无线电信道在频率fp上的传递函数和定时器之间的时间和相位偏移Toffs或来确定。
在该方法的意义上，TMU＝T’MU，TSF＝T’SF，TZ＝T’Z等。根据接收信号RT(m,n)形成信号矢量VT(m,n+3)＝F(RT(m,n),…)并且作为信号矢量VT传递给应答器FT的发送单元TX。
应答器也形成具有t’＝n·T’MU+m·T’ASF的时间离散的系统。
在第二步骤S2中，其中m＝0，n＝3,4,5，应答器FT由所求取的基带矢量VT(m,n)借助混频器和频率发生器产生具有频率f’p的发送信号TT(m,n)，并且将其作为响应信号TT耦合输出到传播介质PM中。
在此，响应信号TT(其中m＝0，n＝3,4,5)借助函数F(RT(m,n),…)由接收矢量RT(m,n)(其中m＝0，n＝1,2,3)形成并且因此至少由接收矢量RT的一部分形成。响应信号TT形成的一些可能性可以从图3的表的第2至6行中看出。
在第二接收时间段期间(其中m＝0，n＝3,4,5)，启动器FI确定接收矢量RI(m,n),…)，其中m＝0，n＝3,4,5。
该接收矢量RI(n，m)具有复数的形式，其中，其数值与接收信号的数值成比例。
类似地，通过在时刻t＝t＝n·TMU+m·TSF处对传输通过传播介质的发送信号TT关于时间连续的信号exp(jωp·t)的采样来产生通过启动器的接收单元所确定的信号矢量RT(m,n)的相位。
所接收的频率为f’p的HF信号利用混频器和频率为fp的频率发生器的信号被转换到基带位置。相应的接收矢量RI同样在图3的表格中说明。
相应的时间离散的值对于启动器来说由t＝n·TMU+m·TSF得出，并且对于应答器由t’＝n·T’MU+m·T’SF得出。
参考图2，应答器的发送和接收单元连同定时器和流程控制装置形成相位相干的域PD，其特征在于，在时刻t’＝n·T’MU+m·T’SF(S2：n＝{4,5})，发送信号的相位TT＝VT(m,n)·exp(jω’p·t’)作为TT(S2,m,n)与连续时间信号的参考相位exp(jω’p·t’)是相位相干的，其用于求取在时刻t’＝n·T’MU+m·T’SF(S1：n＝{1,2})接收矢量RT的相位。
参考图2，启动器的发送单元和接收单元连同定时器和流程控制装置形成相位相干的域PD，其特征在于，在时刻t＝n·TMU+m·TSF(S1：n＝{1,2})，发送信号的相位TI＝VI(m,n)·exp(jωp·t)作为TI(S1,m,n)与连续时间信号的参考相位exp(jωp·t)是相位相干的，其用于求取在时刻t’＝n·T’MU+m·T’SF(S2：n＝{4,5})接收矢量RT的相位。
由关于各个无线电节点的相位相干性的要求得出无线电节点彼此间的相位相干性，如果定时器的区别仅在于时间偏移并且在其他方面两个节点遵循基于TMU或T’MU的相同的时间变化过程，则接收和发送特性是互补的。
如从图3的表格中得出，通过借助响应信号TT传递关于所接收的初始信号TI的信息能够实现直接根据所接收的响应信号TT来求取用于循环的传递函数(由步骤S1和步骤S2构成的步骤序列)和/或时间偏移。在图3的表格中列出了可能的接收矢量和响应信号矢量的选择。
由第一步骤S1和第二步骤S2组成的步骤序列被多次重复，其中，在每次重复中在预先确定的频率范围内根据相应的要求来选择载波频率ωp和ω’p。在所示的实施例中，第二载波频率ω’p相应于第一载波频率ωp。
步骤序列的重复形成一个测量周期，其中，m随着每个完成的步骤序列而增加，并且ωp相应于所述的要求来选择。在扫频的情况下，ωp随着每个测量周期增加ωstep。
为了在一个步骤序列期间确保每个初始信号TI和随后的响应信号TT的相干性或者在至少一个测量周期上确保初始信号TI和响应信号TT的相干性(在更复杂的导数的情况下相干性可以在整个测量周期上延展)，启动器FI以及应答器FT分别具有相干的时间和频率控制，其中，粗的时间同步例如通过经由数据接口DS1和DS2的数据帧的交换来实现。
在图4中示出该方法的时间变化过程。在时间轴t或t’＝t+Toffs上，频率ωp或ω’p的变化过程是应答器FT和启动器FI的发送单元TX、应答器FT以及启动器FI的接收单元RX在三个步骤序列上(其中m＝0至m＝2)的活动，其中，一个步骤序列占用一个时间段TSF。对此，应答器FT和启动器FI的活动表示为垂直延伸的条，其中，粗条分别表示从接收到发送或从发送到接收的切换，细条分别表示信号的发送，并且箭头表示信号的接收。
测量时间单位——即不同活动之间的时间距离——被称为TMU或T’MU。在第一发送活动与第一接收活动之间或反之总是存在步骤延迟TSV。由此避免通过无线电节点的瞬时振荡过程引起的影响或干扰。步骤延迟TSV相应地大于瞬时振荡时间Tsettle。同时应当注意，所提出的关系以经瞬时振荡的稳态为前提。该条件仅对通过过渡区域限制的步骤序列的区域满足，在所述过渡区域中发生相应的瞬时振荡过程。在这些瞬时振荡过程中，相应的信号矢量在该方法的意义上仅可受限地使用。对于所示的情况，这涉及矢量RI,T(m,n)，其中n＝0,3。
为了在上述的意义上实现该方法，在步骤序列内的每个步骤每个无线电节点需要至少一个有效的接收矢量。
图5的图示说明用于无线电测量应用的根据本发明的方法的另一替代实施方式的流程图，其中，下面仅阐述相对于先前的图的区别。
该实施方式基于在具有多个分离的发送或接收时间窗的发送和接收时间段中的步骤序列的扩展，其中，这样的配置以nmax＝8示出。
如果认为启动器FI与应答器FT之间的对称分布，则相应的时间连续的发送信号TI,T——其具有在时刻t＝n·TMU+m·TSF和t’＝n·T’MU+m·T’SF的值(TI(m,n＝0:l/2·nmax-l)和TT(m,n＝0:l/2·nmax-l))——在另一侧与相应数量的接收时间窗彼此对置，并且因此能够实现求取所属的接收矢量RT(m,n＝0:l/2·nmax-l)和RI(m,n＝0:l/2·nmax-l)：
因此，提供的时间窗适合于不同的目的。选择在此被概括为：
·传输应答器的参考相位；
·启动器和应答器之间的信号化(增益和发送功率匹配，…，加密)；
·通过对基于对侧(Gegenseite)的发送矢量产生的多个接收矢量进行平均来降低噪声；
·分配不同的天线，用于产生空间多样性，特别用于求取入射角以及通常用于改善测量精度(射束转向、多输入多输出、智能天线)；
·在LBT(英语：Listen-before-Talk，先听后说)、CS(英语：Carrier Sense，载波监听)和DAA(英语：Detect and Avoid，探测与躲避)要求的意义上探测信道占用，用于无线电系统的许可。
在确定尺寸时，既要注意相应的瞬时振荡过程，也要注意通过粗同步可实现的最大时间偏移波动的极限，并且相应地设计步骤延迟区间或保护区间TSV。
在图6中示出根据模式2的第一实施方式的根据本发明的方法。下面阐述与先前的附图的区别。
图6示出模式2中的启动器FI和应答器FT的布置。
首先，以与模式1相同的形式执行第一步骤S1。在第二步骤S2的范畴内，应答器FT设计成借助发送单元TX产生响应信号TT，其中，基带矢量VT被选择为VT(m,n)＝l，用于产生响应信号TT。
这意味着，应答器发送信号TT，该信号只取决于其自己的时间参考并且因此与接收的启动器发送信号TI或由此所求取的接收信号矢量RT无关。该实施方式相应于图3的表格的第一行。
应答器FT附加地设计用于，将在第一步骤S1中所求取的接收矢量RT借助数据接口DS2传递给启动器。
启动器FI附加地设计用于，借助数据接口DS1获得接收矢量RT，并且根据所获得的接收矢量RT的至少一部分和所求取的测量矢量RI的至少一部分来确定时间偏移Toffs。
根据该时间偏移Toffs并且根据由启动器FI所接收的接收矢量RI的至少一部分，然后可以求取应答器FT和启动器FI之间无线电信道的传递函数。因此，可以直接确定对于启动器与应答器之间的一个简单路径的传递函数，而不是对于包括两个路径的循环的传递函数。
下面涉及简单的信道传递函数G1WR(jω)＝G(jω)相对于循环信道传递函数G2WR(jω)＝G2(jω)的广泛求取的基本特性。
在图7的图示中，示例性地示出在典型的多路径环境中基于测量值的两个函数在频率范围中的幅值变化过程。由于循环信道传递函数与单路径信道传递函数的平方相对应，循环信道传递函数以10log10定标，而单路径信道传递函数以20log10定标。相应的变化过程是近似相同的。
单路径信道传递函数的提取的意义借助傅里叶在时域中展开；相应的信道脉冲响应给出关于多路径特性的说明。
相应的脉冲响应在图8中示出。在上面的曲线图中示出对于启动器与应答器之间的唯一路径的所求取的传递函数，并且在下面的曲线图中示出根据第一模式所求取的对于循环的传递函数。可以清楚地看到，对于循环的测量结果更强烈地由其他路径主导，而单路径信道传递函数的测量结果由直接路径1的能量主导并且反映其它路径2和3。
原因在于电磁波两次穿过相应的传播介质。所得到的传递函数在时域中相应于1WR信道脉冲响应与其自身的卷积。因此，除了1WR信道脉冲响应(1,2,3)的路径之外，2WR信道脉冲响应还包括附加的路径(1-2,1-3,2-3)，其由路径的彼此卷积而形成。
从图示中可以清楚地看出，该卷积乘积也可以影响2WR示图内的路径1,2,3的特征，由于它们重叠。这在2WR示图内的路径2处变得清楚。同时清楚的是，卷积乘积也可以完全主导直接路径。因此，在1WR示图中，路径1是受主导的。反之，2WR的结果则通过卷积乘积1-2的能量来主导。
图9的图示意性地示出三个无线电节点FI、FT1和FT2的布置，用于实施用于无线电测量应用的根据本发明的方法的另一替代实施方式。三个无线电节点FI、FT1和FT2中的每一个分别具有接收单元RX、发送单元TX、数据接口DS1或DS2或DS3和自己的定时器Z(t)或Z(t’)或Z(t”)。
图10的图说明了根据本发明的方法的变化过程，其在相应的时间轴t或t’或t”上具有三个无线电节点。在各个时基之间分别存在时间偏移Toffs,1或Toffs,2。第一无线电节点FI形成启动器，而两个另外的无线电节点FT1和FT2分别形成应答器。下面仅阐述与前面的附图(尤其与图4)的区别。
一个步骤序列由三个步骤组成，其中，在第一步骤Sl中，启动器FI在发送模式中发送初始信号TI，该初始信号被两个应答器FT1和FT2接收，在第二步骤S2中，第一应答器FT1发送响应信号TT1，该响应信号被启动器FI和第二应答器FT2接收，并且在第三步骤S3中，第二应答器FT2发送响应信号TT2，该响应信号被启动器FI和第一应答器FT1接收。
步骤序列占用时间区间TSF并且重复多次，其中，索引m表示重复。初始信号TI以及两个响应信号TT1和TT2至少在一个步骤序列期间、即在时间区间TSF期间是相干的。
因此，第三步骤S3相应于第二步骤S2的重复，只是另一应答器发送响应信号。

Claims (11)

1.一种用于无线电测量应用的方法，其中
-提供至少两个无线电节点，
-至少一个第一无线电节点作为启动器工作并且至少一个第二无线电节点作为应答器工作，
-所述第一无线电节点和所述第二无线电节点分别具有自己的定时器、信号处理器、至少一个天线并且具有数据接口，
-在所述第一无线电节点的定时器和所述第二无线电节点的定时器之间存在时间偏移，
-在第一步骤中，由所述启动器以第一载波频率发送初始信号并且在第一接收时间段期间由所述应答器接收所述初始信号，
-在第二步骤中，由所述应答器以第二载波频率发送响应信号并且由所述启动器在第二接收时间段期间接收所述响应信号，
-由所述第一步骤和所述第二步骤组成的步骤序列以所提及的顺序重复至少一次，
-所述初始信号和所述响应信号至少在每个步骤序列期间是相干的，并且
-在预先确定的频率范围内，在每次重复时改变所述初始信号的载波频率和所述响应信号的载波频率，
其特征在于
-所述方法要么在第一模式中要么在第二模式中工作，其中
-在所述第一模式中，应答器至少由所接收的初始信号的一部分形成所述响应信号并且根据所接收的响应信号的至少一部分来求取传递函数和/或所述时间偏移，其中
-在所述第一模式中，所述应答器要么由所述初始信号求取第一复数信号矢量并且由所述第一复数信号矢量来形成所述响应信号，或者由第一复数信号矢量的互反数来形成所述响应信号，或者由第一信号矢量的共轭复数来形成所述响应信号，
-要么所述应答器由所述初始信号求取第一相位并且由所述第一相位或反转的所述第一相位来形成所述响应信号；
-在所述第二模式中，独立于所接收的初始信号地形成所述响应信号，借助数据接口来传递所接收的至少两个初始信号，并且根据所接收的响应信号的至少一部分和所接收且传递的初始信号的至少一部分来求取至少一个传递函数和/或所述时间偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二载波频率相应于所述第一载波频率或者与所述第一载波频率不同。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述步骤序列的多次重复形成一个测量周期，并且所述初始信号和所述响应信号至少在一个测量周期期间或者至少在多个测量周期期间是相干的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，始终有至少一个无线电节点作为启动器工作，并且始终有至少一个无线电节点作为应答器工作，其中，每个无线电节点在多个步骤序列上至少一次作为启动器工作并且至少一次作为应答器工作，或者每个无线电节点在多个步骤序列上仅作为启动器或者仅作为应答器工作。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述步骤序列的多次重复形成一个测量周期，并且所述第一载波频率对于在所述测量周期期间的每次重复分别采用在所述频率范围内的一个预先确定的值。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所求取的传递函数和/或所述时间偏移来确定至少一个所述启动器与至少一个所述应答器之间的距离。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于至少一个所求取的传递函数执行多路径分析。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所接收的响应信号和/或所接收的初始信号上应用滤波器。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在每次重复时，除了所述初始信号的载波频率之外，还改变所述初始信号的幅值和/或所述初始信号的相位。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，提供至少三个无线电节点并且在每个步骤序列中重复所述第二步骤至少一次，其中，在所述第一步骤中由充当应答器的至少两个无线电节点接收所述初始信号，在每个第二步骤中由所述应答器中的恰好一个发送所述响应信号，并且由所述启动器以及由至少一个另外的应答器接收所述响应信号，在所述第二步骤的每次重复时另一应答器发送所述响应信号，并且在所述第一模式中在所述第二步骤的每次重复时分别至少由所接收的初始信号的一部分或者由所接收的响应信号的一部分形成所述响应信号。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述启动器在第一发送时间段期间发送所述初始信号，并且所述应答器在第二发送时间段期间发送所述响应信号，其中，所述第一发送时间段和所述第二发送时间段分别包括多个彼此相继的时间窗，分别仅在所述时间窗期间进行发送，并且两个彼此相继的时间窗分别在时间上直接彼此相继或者在时间上彼此具有距离。
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