CN116781459A - 用于信道估计的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开用于信道估计的系统和方法。在一个方面，限定序列的超互补集合(SCS)，并且更任选但更具体地，从所述SCS产生超互补零和互相关(SZC)序列块并发送到接收器。所述接收器接收包含通过信道频率偏移(CFO)变形的所述SCS或SZC序列块的信号。所述接收器可将所述信号与已知SCS或SZC相关以产生具有极少或没有旁瓣的信号，可从其中去除CFO并形成信道估计。基于所述信道估计，可确定发送器与接收器之间的距离并用于其它目的，例如提供基于位置的服务。

Description

用于信道估计的系统和方法

优先权申请

本申请要求于2022年3月15日提交的标题为“使用超互补序列块进行低复杂性信道估计(LOW-COMPLEXITY CHANNEL ESTIMATION USING SUPERCOMPLEMENTARY BLOCKS OFSEQUENCES)”的第63/319,977号美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

本申请要求于2022年8月30日提交的标题为“用于信道估计的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CHANNEL ESTIMATION)”的第63/373,902号美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开的技术大体上涉及可用于例如测距的信道估计。

背景技术

在现代社会中，计算装置比比皆是，且更具体地，移动通信装置越来越普遍。这些移动通信装置的普及部分地由目前在此类装置上启用的许多功能驱动。此类装置中处理能力的提高意味着移动通信装置从纯通信工具演进为复杂移动娱乐中心，从而能够增强用户体验。提供给移动通信装置的许多服务可能取决于移动通信装置的位置(即，所谓的“基于位置的服务”)。已开发出许多技术来寻找发送器与对象之间的距离。超级宽带(UWB)通信的出现见证了实时定位系统(RTLS)的发展，其中许多RTLS基于IEEE 802.15.4(由IEEE于2015年发布)和2020年发布的修订，即IEEE 802.15.4z。这些标准为实施细节留了许多空间，并为创新留有余地。

发明内容

具体实施方式中公开的各方面包含用于信道估计的系统和方法。在特定方面，限定序列的超互补集合(SCS)，并且更任选但更具体地，从SCS产生超互补零和互相关(SZC)序列块并发送到接收器。所述接收器接收包含通过信道频率偏移(CFO)变形的所述SCS或SZC序列块的信号。所述接收器可将所述信号与已知SCS或SZC相关以产生具有极少或没有旁瓣的信号，可从其中去除CFO并形成信道估计。基于所述信道估计，可确定发送器与所述接收器之间的距离并用于其它目的，例如提供基于位置的服务。

在这点上，在一个方面，公开一种源。所述源包括天线。所述源还包括耦合到所述天线的收发器。所述源还包括耦合到所述收发器的控制电路。所述控制电路被配置成使所述收发器向远程装置发送互补低和互相关(CLS)序列块以用于测距。

在另一方面，公开一种移动装置。所述移动装置包括天线。所述移动装置还包括耦合到所述天线的接收器，所述接收器包括相关器。所述移动装置还包括耦合到所述接收器的控制电路。所述控制电路被配置成使所述相关器将接收到的信号与CLS序列块相关，以导出信道估计。

在另一方面，公开一种确定距离的方法。所述方法包括将CLS序列块从源发送到远程装置。所述方法还包括在所述远程装置处将所述CLS序列块的所接收版本与已知CLS序列块相关，以导出信道估计。所述方法还包括从所述信道估计中去除载波频率偏移。所述方法还包括将从所述信道估计导出的信息从所述远程装置发送到所述源。

附图说明

图1是具有由源检测到的移动终端的示例性定位查找系统的框图；

图2是图1的移动终端内的接收器的框图，其中接收器在去除载波频率偏移之前将接收到的信号与已知序列相关；以及

图3是示出根据本公开的示例性方面的用于确定移动终端的位置的示例性过程的流程图。

具体实施方式

下文阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例并说明实践实施例的最优模式所必需的信息。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并将认识到这些概念在此未特别述及的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。

应理解，尽管本文中可使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所用，术语“和/或”包含相关联所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。

应理解，当诸如层、区域或基板等元件被称为“在另一个元件上”或延伸“到另一个元件上”时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在居间元件。同样，应理解，当例如层、区域或衬底等元件被称为“在另一元件上”或“在另一元件上”延伸时，所述元件可直接在另一元件上或直接在另一元件上延伸，或者还可存在居间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件上”延伸时，不存在居间元件。还应理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在居间元件。

例如“以下”或“以上”或“上”或“下”或“水平”或“竖直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与如图所示的另一元件、层或区域的关系。应理解，这些术语和上面讨论的那些旨在包含除附图中描绘的朝向之外的装置的不同朝向。

本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所使用，除非上下文另作明确指示，否则单数形式“一”和“所述”意在还包含复数形式。应进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”和/或“包含(including)”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，除非本文明确地定义，否则本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关技术中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。

具体实施方式中的各方面包含用于信道估计的系统和方法。在特定方面，限定序列的超互补集合(SCS)，并且更任选但更具体地，从SCS产生超互补零和互相关(SZC)序列块并发送到接收器。所述接收器接收包含通过信道频率偏移(CFO)变形的所述SCS或SZC序列块的信号。所述接收器可将所述信号与已知SCS或SZC相关以产生具有极少或没有旁瓣的信号，可从其中去除CFO并形成信道估计。基于所述信道估计，可确定发送器与所述接收器之间的距离并用于其它目的，例如提供基于位置的服务。

本公开的示例性方面非常适合使用IEEE 802.15.4和802.15.4z标准的脉冲无线电超宽带(UWB)装置中的实时定位系统(RTLS)。这些标准，特别是802.15.4z，要求在没有保护间隔的情况下发送来自所述源的测距信号。此要求使某些信道脉冲响应(CIR)估计过程的使用不合规。具体地，常规CIR可依赖于由位于同步标头包之后的非周期性伪随机序列组成的加扰时间戳序列(STS)。引入STS以产生对距离缩减攻击具有弹性的CIR估计字段。常规使用STS会导致CFO变形，这通常会通过添加比CIR更长的保护间隔来解决。然而，如所指出，802.15.4z禁止此类保护间隔。

因此，本公开的示例性方面考虑使用由SCS形成的SZC。这提供了没有任何相关性伪影的CIR估计，其中任意序列变形在序列块上一致。这允许在没有保护间隔的情况下进行发送，因此允许遵守802.15.4z。

在这点上，图1是定位查找系统100的框图，其中可能期望确定源104与移动装置106(可视为相对于源104的远程装置)之间的距离102。源104可设置在固定或已知位置，并且可通过例如互联网、公共交换电话网络(PSTN)等网络110耦合到外部装置108。一旦确定移动装置106的位置，如众所周知，外部装置108可提供基于位置的服务。

源104还可包含耦合到存储器114和收发器116的控制电路112。源104可使用收发器116通过天线120发送和接收信号118。操作软件和/或信号符号可根据需要或期望存储在存储器114中。

移动装置106可以是任何数目的便携式计算装置，例如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等，并且可包含可借以接收和发送信号的天线122。

如图2中更好地示出，移动装置106可包含耦合到天线122的接收器200。接收器200可利用具有存储器204的控制电路202操作。接收器200可包含模拟射频(RF)和基带(BB)处理电路206，所述处理电路获取所接收的RF信号(例如，信号118)并且提供传统的前端处理(例如，放大、滤波、降频转换到BB频率)且将基带信号传送到同相/正交(I/Q)取样电路208。将所取样信号传送到相关器210。相关器210使所取样信号与来自SCS块的已知符号相关，如下文更好地解释。在相关之后，通过电路212去除载波频率偏移(CFO)，并且所得信号由累加器214累加。此累加信号随后可用于提供信道估计，控制电路202可根据所述信道估计计算到达时间(TOA)和/或到源104的距离。或者，控制电路202可将与累加信号有关的信息发送回到源104，并且源104的控制电路112可执行计算以得出距离。基于计算出的距离，可提供基于位置的服务。

图3提供了概述本公开的过程的流程图。具体地，图3示出以限定互相关序列(框302)开始的过程300。如下文的数学建模部分中所解释，此互相关集合可以是序列的超互补集合(SCS)、由SCS构建的超互补零和互相关(SZC)序列块、互补低和互相关(CLS)序列块、互补零和互相关(CZC)序列块等。

已知符号或序列或序列块与可能的移动装置共享(例如，通过在规范中限定、由下载到移动装置的应用程序限定、存在于移动装置上的应用程序可访问的小组件中，诸如此类)。源104接着发送符号或序列(框304)。在发送期间，信号路径利用CFO使信号118中的符号或序列变形(框306)。

移动装置106，具体地，接收器200，接收变形的符号或序列(框308)。应注意，接收器200被视作频率准确，因此从接收器的角度来看，所述发送通过CFO而变形。处理接收到的信号(框310)，包含以下任选步骤：由模拟RF和BB处理电路206进行RF和BB处理(框312)以及由I/Q取样电路208进行I/Q取样(框314)。

然后，相关器210将所取样信号与已知互相关序列相关(框316)，所述已知互相关序列先前已填充且存储在移动装置中，例如存储器204中。由于序列的互补性，这种相关性将提供低边带信号或无边带信号，从而容易地完成从其中对CFO的去除(框318)。然后，信号由累加器214累加(框320)。

可根据相关的信号形成信道估计。根据所述信道估计，可计算TOA和/或距离(框322)。在第一示例性方面，信道估计由控制电路202计算并报告给源104，在其中确定TOA和距离。在第二示例性方面，控制电路202还计算TOA和/或距离，并且向源104报告。在又一示例性方面，信道估计被提供给执行计算的远程计算装置(例如，外部装置108)。根据此计算(无论在哪里执行，也无论向何处报告)，都可作出关于提供基于位置的服务的决策。

虽然硬件和基本过程看起来相对简单，但必须完成大量工作才可实现源104和相关器210使用的互补集合。以下部分介绍上述硬件和过程所依据的理论和数学。

因此，为了帮助解释理论和数学，使用每个前导码片具有单个样本的接收器200的数学模型。然而，应了解，在真实接收器中，取样速率高于每个前导码片一个样本；因此，相对于这里引入的模型，对现实模型进行了上取样。此外，由于发送器中的相同参考时钟用于载波和基带信号生成，因此CFO还产生基带信号在时间上扩张/扩展的效果。因此，基带接收器处理也需要重新取样。然而，为了简单起见，在不丧失一般性的情况下，此处省略了这些考虑因素。

作为对此论述的初步尝试，提供了802.15.4下的非周期前导码接收的简化模型，其中取样速率等于码片速率f_p。前导码符号持续时间表示为T_sym＝R/f_p，其中R是码片中的符号持续时间。其中i≥0的第i前导码符号的第一部分由码片序列s_u(n)组成，所述码片序列在f_p下发送，对于n＝0，1，…，N-1为非零。序列s_i(n)通过信道，其中脉冲响应(CIR)表示为h(n)，对于n＝0，1，…，M-1为非零，其中N+M-1≤R。发送器与接收器之间的频率偏移表示为Δf。第i符号的所接收样本序列在0≤n≤N+M-2时为非零：

此处，表示非周期性卷积，v＝Δf/fp是离散时间频率偏移，/>是连续符号之间的相位偏移，并且/>是由CFO变形的s_i(n)的版本。

相关器将r_i(v，n)与s_i(n)相关：

等式(2)可重写为：

在此，

表示在频率v下s_l(n)和s_m(n)的交叉AF(CAF)，在n＝-N+1，…，0，…，N-1时为非零。对于m＝l，等式(4)表示自动模糊函数(AF)。

频率偏移在相关之后并在由载波环路基于每符号累加之前去除。因此，在k个前导符号之后，累加器具有形式

应注意，由于相关性等式(2)中省略了因果关系，因此对于n＝-N+1，…，0，…，N+M-2，d_k(v，n)具有非零值。此外，d_k(v，n)表示h(n)的估计值，其中n＝0，1，...，M-1。因此，累加器仅需要含有这些指数。

根据等式(5)，k个符号之后的信道估计的质量取决于平均AF的形状：

即，其主瓣和其旁瓣的电平。

SCSS的自动AF是互补的，因此SCSS直接应用在此场景中。对于k＝I，其中I是使用的SCSS的大小

成立，其中A(v)是主瓣的复振幅。等式(5)和(7)产生

d_I(v，n)＝IA(v)h(n)， (8)

其表示完美信道估计。

对于来自等式(4)的长度为N的单位级(|s_i(n)|＝1)序列，遵循

因此，增加CFO会降低信道估计水平并使其旋转，但不会通过旁瓣产生任何相关性伪影。

考虑其中R＝N的情况，即，其中在没有任何保护间隔的情况下发送前导段符号。信道长度的条件现在是M≤N。由于两个邻近符号现在与信道中的当前符号重叠，对于I个发送的符号，等式(1)变为

其中1≤i≤I-2，

其中0≤n≤N-1。通过遵循与前文相似的导出线，在全部I个符号之后，累加器样本的表达现在是

其中0≤n≤N-1。

如前所述，SCSS内的自动AF是互补的。然而，这对于大体上不互补的等式(11)中的邻近符号CAF来说不成立。要解决这个问题，考虑以下结构。考虑像以前一样，在没有保护间隔的情况下发送I个符号的块的情况。然而，现在n＝-N+2，...，-1时的第0符号的样本与序列s_-1(n)相关，并累加到d(1)、...、d(N-1)中。类似地，n＝N，...，2N-2时的第I-1符号的样本与序列s_I(n)相关，并累加到d(0)、...、d(N-2)中。然后，等式(11)变为

其中0≤n≤N-1。

现在，SCSBg_i(n)由大小为I的s_i(n)构成：

序列g_-1(n)和g_2I(n)不发送，而仅用于接收器相关，例如当导出等式(12)时；因此，所发送的序列块的大小为2I。

根据等式(13)，块g_i(n)

X_i，i+1(v，n)＝-X_i+I，i+I+1(v，n)， (14a)

X_i，i-1(v，n)＝-X_i+I，i+I-1(v，n)， (14b)

对于i＝0、...、I-1时成立。等式(7)、(12)和(14)产生

d_2I(v，n)＝2IA(v)h(n)， (15)

其如等式(8)中那样表示复合电平因CFO而降低的完美信道估计。

如果I为偶数，则从等式(14)得出g_-1(n)＝g_2I-1(n)和g_2I(n)＝g₀(n)。因此，在无保护间隔的情况下重复发送L次SCSBg_i(n)会产生缩放L次的d_2I(v，n)(等式15)，前提是g_-1(n)和g_2I(n)如先前那样分别用于第0个发送符号的前标记(precursor)和最末发送符号的后标记(post-cursor)的相关。

此外，如果在中，除了通过频率偏移的变形之外，还包含例如视频削波等从符号到符号一致的其它变形，则前文推导成立。因此，SCSBg_i(n)是超互补的，但现在没有保护间隔。

在典型实施方案中，根据本公开的装置将在存储器中具有SCSSs_i(n)，并且根据等式(13)基于符号计数器-i从s_i(n)和反转逻辑生成SCSBg_i(n)。

当使用如前所描述的SCSB时，基本序列块s_i(n)可以是通过许多方法中的任一个构建的任何SCSS。对于长度为N的序列，最小SCSS大小为I＝N。因此，s_i(n)和g_i(n)分别至少具有N²和2N²个码片。在一些情况下，为了最小化广播时间，在无任何保护间隔的情况下仅发送s_i(n)块，即g_i(n)块的前半部，是有用的。因此，值得构建具有良好相关性质的基于SCSS的s_i(n)块。这是在ν＝0的情况下完成的，因为通常无法预期例如CFO等变形上的完全互补。S_l(n)与s_m(n)之间的相关性表示为c_l，m(n)＝X_l，m(n，0)。相关性如等式(12)中那样通过选择s_-1(n)＝s_I-1(n)和s_I(n)＝s₀(n)完成。对于ν＝0，等式(12)变为

其中0≤n≤N-1。根据这一选择，考虑到根据来自等式(4)的成立，以下是等式(16)中的两个互相关的总和：/>和/>分别产生作为彼此的共轭镜像的后标记和前标记互相关性旁瓣。应注意，这点对于未在此处考虑的s_-1(n)＝0和s_I(n)＝0的选择也是适用的。

此外，由于对于SCSS，c_i，i(n)的旁瓣完全互补，因此仅观察到一组互相关性旁瓣就足够了：

其中-(N-1)≤n≤-1。

现在考虑，基于沃尔什-阿达马(Walsh-Hadamard)矩阵的二元SCSS构建可轻松地扩展到多相或三元SCSS设计。根据本公开的旁瓣最小化的搜索程序如下。

构建表示为H_N的归一化N×N归一化阿达马矩阵，其中第i行表示s_i(n)，接着反复进行以下操作。

1)进行H_N的随机行排列。

2)进行H_N的随机列排列。

3)计算随机二元(±1)N×1列向量，并将H_N的每个列与其相乘。

4)计算随机二元(±1)1×N行向量，并将H_N的每个行与其相乘。

5)根据等式(17)计算H_N的交叉旁瓣sl(n)。

6)针对-(N-1)≤n≤-1寻找max{|sl(n)|}。

步骤1至4的次序不重要，可以更改。这些步骤与确保H_N保持为SCSS的变换一致。此外，这些变换表示阿达马矩阵的基本变换；即，所得矩阵始终保持为阿达马。

如果N足够小并且有足够的计算能力，则可确定地而不是随机地完成搜索。

对于N＝8，通过使用前述程序，已发现对于-(N-1)≤n≤-1具有max{|sl(n)|}＝0的阿达马矩阵，称为ZCSSB。示例是等式(18)。

此外，通过修改前述搜索准则以最小化-(N-1)≤n≤(N-1)时的max{|sl(n)|}，找到了在等式(19)中给出的N＝8ZCSSB，其对于-(N-1)≤n≤(N-1)具有sl(n)＝0。

然后，对于N＝16，如在等式(20)中，从构建ZCSSB。

在等式(20)中，表示/>的每个第二行反相的版本，如等式(21)中所给出。

对N≥16的直接搜索未得到任何ZCSSB，而仅得到LCSSB。

还应注意，描述本文中的示例性方面中的任一者中所描述的操作步骤是为了提供示例和论述。可以用除了所说明的顺序之外的大量不同顺序执行所描述的操作。此外，单个操作步骤中所描述的操作实际上可在许多不同步骤中执行。另外，可组合在示例性方面中所论述的一个或多个操作步骤。应理解，所属领域的技术人员将容易明白，流程图中示出的操作步骤可容许许多不同修改。所属领域的技术人员还将了解，可使用多种不同技术和技法中的任一者来表示信息和信号。例如，可用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示在整个上文描述中可能参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。

提供对本公开的先前描述，使得本领域的任何技术人员都能够进行或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域的技术人员来说将显而易见，并且本文中定义的一般原理可应用于其它变型。因此，本发明并不希望限于本文中所描述的实例和设计，而应被赋予与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。

Claims (20)

1.一种源，其包括：

天线；

收发器，其耦合到所述天线；以及

控制电路，其耦合到所述收发器并且被配置成：

使所述收发器将互补低和互相关(CLS)序列块发送到远程装置以用于测距。

2.根据权利要求1所述的源，其中所述CLS序列块包括互补零和互相关(CZC)序列块。

3.根据权利要求1所述的源，其中所述CLS序列块包括超互补集合(SCS)序列块。

4.根据权利要求1所述的源，其中所述CLS序列块包括超互补零和互相关(SZC)序列块。

5.根据权利要求1所述的源，其另外包括与所述控制电路相关联的存储器，所述存储器被配置成存储所述CLS序列块。

6.根据权利要求5所述的源，其中所述控制电路被配置成从所述存储器检索所述CLS序列块。

7.根据权利要求1所述的源，其中所述控制电路还被配置成响应于已发送所述CLS序列块而通过所述天线和收发器从所述远程装置接收信息。

8.根据权利要求7所述的源，其中所述信息包括信道估计。

9.根据权利要求7所述的源，其中所述信息包括到达时间(TOA)。

10.根据权利要求7所述的源，其中所述信息包括所述源与所述远程装置之间的距离。

11.一种移动装置，其包括：

天线；

接收器，其耦合到所述天线，所述接收器包括相关器；以及

控制电路，其耦合到所述接收器并且被配置成：

使所述相关器将接收到的信号与互补低和互相关(CLS)序列块相关，以导出信道估计。

12.根据权利要求11所述的移动装置，其中所述控制电路还被配置成从来自所述相关器的相关的信号去除载波频率偏移。

13.根据权利要求11所述的移动装置，其另外包括存储器，其中所述控制电路被配置成从所述存储器检索所述CLS序列块。

14.根据权利要求11所述的移动装置，其中所述CLS序列块包括互补零和互相关(CZC)序列块。

15.根据权利要求11所述的移动装置，其中所述CLS序列块包括超互补集合(SCS)序列块。

16.根据权利要求11所述的移动装置，其中所述CLS序列块包括超互补零和互相关(SZC)序列块。

17.根据权利要求11所述的移动装置，其中所述控制电路还被配置成将信息发送到源，其中所述信息从所述信道估计导出。

18.根据权利要求17所述的移动装置，其中所述信息包括所述信道估计。

19.根据权利要求17所述的移动装置，其中所述信息包括到达时间(TOA)。

20.一种确定距离的方法，其包括：

将互补低和互相关(CLS)序列块从源传输到远程装置；

在所述远程装置处将所述CLS序列块的所接收版本与已知CLS序列块相关，以导出信道估计；

从所述信道估计去除载波频率偏移；以及

将从所述信道估计导出的信息从所述远程装置发送到所述源。