CN1717594A

CN1717594A - 多径缓解

Info

Publication number: CN1717594A
Application number: CN200380104063.1A
Authority: CN
Inventors: J·罗森菲尔德
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2006-01-04
Also published as: EP1567886A1; GB0227507D0; WO2004048998A1; AU2003278506A1; JP2006507750A; EP1567886B1; DE60305525D1; ATE327518T1; DE60305525T2

Abstract

从发射机(10)直接地(2)以及间接地(6)发射信号给接收机(20)，引起多径效应。提供许多预定相关形状以及各自的修正形状，所述修正形状是消除了直接视距分量的情况下的相关形状。将接收信号拟合到相关形状，可选地对相关形状进行缩放，然后从接收信号中减去对应于最好匹配相关形状的修正形状以得到修正相关形状。

Description

多径缓解

发明领域

本发明涉及一种多径缓解方法和装置以及一种产生用于该方法和装置的相关形状的方法。

发明背景

有若干种应用，尤其是定位应用，要求测量射频(RF)信号从基站到移动站的飞行时间。这些应用包括GPS定位，在GPS定位中需要非常精确地确定从卫星到移动站的飞行时间，以及利用多个地面基站的类似定位方案。尽管这里使用了措词“站”，但显然在任何给定方案中构成“该站”的特定部件、装置或设备不必是固定的，而经常可以是移动的。因而，例如，在这里总体上使用了措词“接收站”和“发射站”，应该理解的是在任何特定方案中有关的接收/发射部件可以是移动的或固定的。

在这些方案中，信号的飞行时间一般用相关法来测量。为了稍稍简化该方法，在已知时刻发射伪随机信号。在接收机处，接收信号与本地产生的、与发射信号相比具有可变延迟的信号相关。利用延迟锁定回路调整该延迟直至本地信号跟踪接收信号，则该延迟给出了信号的飞行时间。调整该延迟以使接收信号与本地产生的信号之间的相关性最大。

在移动站与基站之间传输的信号不一定沿着直接视距(LOS)路径，而可以沿着许多路径中的任意一条并且在稍稍不同的时刻到达。因此，接收信号是直接LOS信号与在多条路径上接收到的信号的总和。这些不同路径的作用称为多径效应。这样的多条路径可以引起跟踪误差并导致对视距路径的飞行时间计算不精确，从而导致定位误差。具体而言，本地产生的信号与接收信号之间的最大相关性可以在比直接LOS信号的延迟更长的延迟上发生。此外，多径效应能导致作为延迟的函数的相关性函数的形状发生变化，而这些变化能造成跟踪方法中的困难。多径效应还造成测距应用中的难题，在测距应用中需要测量直接信号的飞行时间。

多路径误差难以修正。它们是高度依赖位置和环境的，所以在一个位置确定的误差不能用来修正在另一位置上的结果。另外，多路径误差的统计特性是复杂的。

已经有若干种算法被用来进行修正。这些算法包括估计延迟锁定回路(MEDLL)和最小均方估计量(MMSE)，它们与其它方法相比的优点在于，它们在有噪声的情况下是适度鲁棒的。这些方法估算参数并在进一步的信息变得可用的情况下酌情改善估计值。这些现有技术的方法的缺点是它们是计算集中型的，并需要许多迭代来估算参数。

对MMSE方法尤其如此，MMSE法具有最好的理论性能。具体来说，没有任何别的估计量具有一致的更小均方差，即：如果在某些多路径条件下别的估计量用得比MMSE好，那么在其它条件下它将做得较差。然而，MMSE的一个重大缺点是：由于参数被作为随机变量来处理，所以它是高度计算集中型的。因此，相比MMSE而言减轻计算负担是有益的。

此外，没有一种算法在所有情况下都是最好的。不同的环境具有不同的多路径容量，目前没有一种算法在所有条件下都是最好的。因此，需要一种能容易地适应不同条件的解决多径缓解的方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种多径缓解方法，该方法包括：

提供根据预定多径环境的多个预定多径相关形状和相当于消除了直接视距分量的情况下的各个预定相关形状的对应修正形状；

从发射已知形式的信号的发射机接收信号；

计算接收信号与已知形式的发射信号之间的相关形状；

通过将所计算的相关形状与对应于各个多径环境的多个预定多径相关形状进行比较来确定所计算的相关形状的最好匹配预定相关形状；以及

从所计算的接收相关形状中减去对应于所确定的最好匹配相关形状的相应修正形状，以获得修正相关形状。

由于用来确定最好匹配的模式匹配是唯一主要的计算负担，所以该方法对计算方面的要求不苛刻。此外，该方法在多种不同情形下都能提供令人满意的结果。

发明人已经认识到：存在多种不同的多径机理，并且这些机理导致与潜在物理现象有关的相关形状。例如，多径漫散射引起相关函数的指数式衰减。主反射(dominant reflection)导致不同的相对衰减。尽管两个峰的物理意义可能是相同的，但是由于时标和幅度根据环境的尺寸可能会较大或较小，所以峰本身将不是一样的。因此，需要一个参数，或者优选地需要两个参数即时间和尺寸，来将所存储的相关形状缩放到测量形状。

因此，确定根据测量数据获得的所计算的相关形状的最好匹配预定相关形状的步骤可以包括将所计算的相关形状与按照一个或多个缩放参数缩放后的预定相关形状进行比较以及确定给出最好匹配的相关形状与缩放参数，并且所述减去相关形状的步骤减去按照所述缩放参数缩放后的修正形状。

在实施例中，该方法用来缓解测距中的多径效应。因此，该方法还包括定位所述修正相关形状的峰、以确定所述从发射机发射给接收机的信号的时延的步骤。

有利地，预先执行所有的数据采集和分类以确定所存储的修正及相关形状，因而不需要在发射机和接收机的、可能具有有限处理资源的处理器中实时执行。

本发明还包括一种产生用于上述多径缓解方法的预定多径相关形状的方法，该产生预定多径相关形状的方法包括：

利用许多环境下的多个发射和接收位置测量和记录为时间的函数的实验相关性数据组；

在物理遮挡直接视距信号时重复测量和记录所述实验相关性数据组的实验数据；

利用自动模式匹配方法将所记录的实验相关性数据分成多个组；

存储代表每个组的一个相关性数据组；以及

存储对应于相关性数据代表组的相应修正相关形状，所述修正相关形状是对应于各个代表数据组的、在没有直接LOS分量的情况下重复测量的相关形状。

在另一个方面，本发明涉及一种接收站(部件、装置、设备)，该接收站包括：接收机，该接收机被安排以接收从发射站(部件、装置、设备)发射的已知形式的信号；和存储器，该存储器存储对应于在预定多径环境下从发射机发射给接收机的发射与接收信号的相关性的多个预定多径相关形状以及各自的修正形状，所述修正形状是在消除了所述从发射机发射给接收机的信号的直接视距分量的情况下在所述多径环境下的相关形状，其中接收站被安排以：计算接收信号与已知形式的发射信号之间的相关形状；通过将所计算的相关形状与对应于各个多径环境的多个预定多径相关形状进行比较来确定所计算的相关形状的最好匹配预定相关形状；和从所计算的接收相关形状中减去对应于所确定的最好匹配相关形状的相应修正形状以获得修正相关形状。

本发明还涉及一种多径缓解系统，该系统包括：上述接收站和被安排以发射已知形式的信号的发射站。

附图简述

为了更好地理解本发明，现在将参照附图描述一个实施例，仅举例，其中：

图1图解了一种多径缓解系统；

图2图解了相关形状；

图3是采集用于多径缓解的合适数据的方法的流程图；和

图4示出了应用数据组的多径缓解方法的流程图。

实施例详述

参照图1，总体上用10表示的发射站包括天线12、发射机14、控制单元16和存储器18。信号2被发射给总体上用20表示的接收单元，该接收单元类似地具有天线12、接收机22、控制单元16和存储器18。一般而言，控制单元16可以是一个常规处理器。

发射站10被安排以将具有一个已知伪随机序列的信号2发射给接收机。该信号沿着图1中示意性图解的直接视距路径2以及一条或多条附加路径6传输。这些附加路径6的影响称为多径效应。

在参照图1-4描述的实施例中，目的是通过计算直接视距信号2从发射单元到接收单元的飞行时间来测定接收单元20的位置。因为发射信号包括一个已知伪随机序列，而该伪随机序列根据发射单元的时钟在一个已知时刻被发射，所以可以确定信号2的飞行时间。这通过将接收信号与经过各个延迟D之后的已知发射信号进行比较并找出使接收信号与已知发射信号之间具有最好匹配的延迟D来完成。

通过获得使接收信号与已知信号之间具有最好相关性的延迟D来实现该匹配。实现这一计算的逻辑电路和算法是已知的，因此将不进一步描述。

如果发射单元10与接收单元20之间仅有的路径是直接视距路径2，则预期为时间的函数的相关性具有的形状与图2中用实线(曲线30)所示出的相似。假定发射单元10所发射的伪随机数字序列的每个比特的发射需要时间t并且连续比特是完全不相关的，那么相关峰的形状是一个在延迟D0处具有最大值的三角形，相关性线性减小、在延迟D0+t和D0-t处减至零。

(图1中用6示意性示出的)其它路径的影响虽然根据环境而变化，但是可以将相关峰展开或者可以替代地或额外地提供附加峰。峰与分散的反射体有关，而相关峰的总拖尾效应(smearing)是由扩散(extended)反射体或漫(diffused)反射体引起的。若干个密排的镜面反射也能引起拖尾效应。实际上，很可能看到这些作用的综合如图2中的点线(曲线32)所示。

根据本发明的多径缓解使用实验相关性数据和修正数据。现在将参照图3描述获得该数据的方法。

首先，针对一个已知的发射机和接收机位置测量实验相关性数据(步骤40)。

然后，将发射机与接收机之间的直接视距遮挡(步骤42)，例如，通过在直接路径上设置一个诸如图1中虚线所示的物理块4之类的合适吸收体。然后，测量为延迟的函数的相关性(步骤44)，在下面将把该相关性数据称作“修正数据”以区别在步骤40中记录的数据。因而，“修正数据”是在视距信号被遮挡时获得的相关性数据。使用术语“修正数据”的原因稍后将变得明显。

图2中的虚线(曲线34)示出了修正数据。注意到由直接视距信号2引起的位于延迟D0附近的峰是修正数据所没有的，该修正数据与视距信号2存在时的相关性数据(曲线32)明显不同，该相关性数据显示出一个位于延迟D0附近的主峰。

然后，重复步骤40、42和44(步骤46)以确定在许多环境下的各个发射机和接收机位置的相关性数据和修正数据，其中许多环境代表特定应用将会需要的环境。在这个例子中，多径缓解预定用于各种室内环境中，因此实验数据应该在有代表性的多种室内环境下获得。

所得到的数据收集将包括大量相关性数据曲线以及对应的修正数据曲线。这些曲线一般用计数法来记录，因此将使用术语相关性数据组和修正数据组以避免含有图解表示法。所谓一组数据指的是代表为延迟的函数的相关峰形状的一个数据组。

然后，利用模式匹配法将相关性数据组分成许多个类形状(步骤48)。替换地，可以对修正数据进行模式匹配。用于将大量数据组分类和分组的适当模式匹配算法与程序是本技术领域已知的，因此将不作进一步描述。例如，可以使用根据多变量数据分析的统计聚类方法。替换地，可以确定两个参数按比例变化的(scaled)数据组之间的均方差，并可以将具有足够小的均方差的数据组合并。

该模式匹配是在这样的基础上进行的，即：因为只有有限数量的传播效果，所以只有有限数量的、由不同传播结果引起的相关形状。因此，可以通过在时间和幅度上进行缩放之后找出具有相似模式或形状的数据组来确定分组。

一种方法是选择第一数据组，然后找出所有其它除尺寸外形状相似的数据组。适当的“相似”标准可以是至少90％的相关性，优选95％或者甚至99％的相关性。

选择一个数据组，适当地为第一数据组，作为代表。重复这一过程直至将所有数据组分组——当然，有些组可能只有一个成员，但这并不造成困难。

只有在已经记录了代表数据组之后才重复这些实验以获得修正数据是可能的。这减少了需要记录的修正数据组的数量，当然，尽管这的确要求非常精确地记录发射机和接收机的位置。

然而，一般而言，优选地在进行最初测量时测量遮挡LOS的修正数据组。这样做有两个优点。首先，这不必同前面一样在完全相同的位置重新设置测量装置。其次，有些形象(feature)(尤其是人)可能随着时间的过去而改变位置，因此在采集相关性数据的同时采集修正数据避免了在采集相关性数据的时间与采集修正数据的时间之间进行的移动所造成的影响。

然后，对每组数据记录一个相关性数据组和修正数据组(步骤50)。相关性数据和修正数据可以是该组的一个典型元素，或者可以通过某种形式的取平均过程对该组中的各个元素取平均来获得。

在一个具体例子中，可以将发射机和接收机放在室内环境的同一个屋子里，例如厨房。可以将接收机移到许多位置上，并采集LOS存在时以及LOS被遮挡时的相关性数据。针对许多的厨房或单个屋子重复这一过程。然后，可以将接收机放在一个屋子里，将其用一面墙与发射机隔开，并再采集若干个结果。可以针对许多不同的两个屋子的情况、在不同的距离上重复该过程。

然后，将相关性数据和修正数据存储，供在针对从发射机发射给接收机的信号的多径缓解方法中使用。现在将参照图4描述该多径缓解方法。一般会将相关性数据和修正数据存储在接收机中，但是，替换地，可将数据存储在别的设备中，尤其在接收数据的处理不在接收机中执行而在另一设备或另外的设备中执行的情况下。

参照图4，在接收机处以本技术领域公知的方式从发射机接收信号(步骤60)。然后，将接收信号与发射信号之间的相关形状计算为延迟的函数(步骤62)。

仅需要计算在离散延迟值处的许多相关性值。实际上，有关的只是靠近延迟D0的延迟值处的相关形状，其中D0对应于信号的飞行时间，尽管将会意识到，仅计算位于延迟D0附近的相关形状需要一定程度地预先知道延迟D0的大概值。如果重复该方法，这可以通过计算位于初步的D0值附近的延迟值D处的相关性来完成。然而，这要求当发射开始时，在更精细地确定这些延迟值D附近的形状之前，计算D的多个可能值处的形状以确定在相关模式下具有主要功率的D的大概值。实现该计算的各种方法是技术人员已知的，因此将不作进一步描述，至于它们与本发明有关的情况除外。

接下来，得到所计算的相关形状对各个存储的相关形状的最好匹配(步骤64)。可以将所存储的相关形状在时间和幅度上线性缩放，因此找出最好匹配的步骤包括确定给出最好匹配的缩放因子。用于确定数据组之间最好匹配的合适算法仍然可容易地获得。例如，可以使用模式识别法或最小二乘拟合。

按照在确定最好匹配时得到的最好匹配缩放因子将对应于最好匹配相关性数据组的修正数据组进行缩放(步骤66)，并从所计算的接收相关形状中减去该缩放后的修正形状以得到修正了多径效应的修正相关形状(步骤68)。从图2中曲线32与曲线34的比较中将会注意到，通过从曲线32中减去曲线34就得到一条由曲线30的视距峰的形状支配的曲线。

最后，利用修正相关形状的峰来确定延迟D0(步骤70)。因为修正相关形状是由视距峰30支配的，所以确定D0非常简单。

通过针对发射机或接收机中的任何已知迟延来修正延迟D0并乘以空气中的已知光速c，可以将延迟D0转化成发射机与接收机之间的距离。

为了用该系统定位，然后利用多个不同的基站针对一个位置待定的移动站重复该过程。移动站可以充当发射机或接收机，而基站相应地充当接收机或发射机——将会意识到，大多数射频装置被配置以能够充当接收机或发射机。

然后，假定基站的位置是已知的，则可以利用该移动站到多个基站中每一个基站的距离来查明移动站的位置。该过程叫做三边测量。

通过提供各种适当环境下的实验相关形状，有可能修正各种各样不同环境下的多径效应。此外，该方法不是计算集中型的，因此，例如，甚至可以在移动设备中执行而不需要昂贵的处理器。

根据本发明的配置尤其适用于其中的多径效应特别严重的室内定位系统。然而，这决不是唯一的应用，该配置还适合在室外使用。实际上，通过测量室内和室外的实验相关形状，根据本发明的系统和方法在室内和室外都行得通，这是非常便利的。

通过阅读该内容，其它变体和改型对本领域的普通技术人员来说将是显然的。这样的变体和改型可以包括等价物和在多径缓解系统的设计、制造与应用中已经已知的以及除了这里所描述的特征之外还可以使用的或者可以用来代替这里所描述的特征的其它特征。尽管在该申请中权利要求被陈述为特定的特征组合，但是应该理解的是，发明内容的范围还包括在这里明确地或隐含地公开的任何新特征或任何新的特征组合或它们的任何概括，而不论其是否缓解了同本发明相同的技术问题中的任一或全部。据此，申请人提请注意：在本申请或源自本申请的任何其它申请的实施过程中，新的权利要求可以被陈述为任何上述特征和/或任何上述特征的组合。

例如，本发明应用于各种各样的用于定位人、物和警报装置的定位系统中以及应用于游戏和运动中。

本发明还可用作确定各种环境下多径传播的主要机理的方法，这可以帮助测绘环境。

尽管参照定位系统方面的多径缓解对本发明进行了描述，但是在其它应用中也需要多径缓解，而本发明可以用于这些其它的应用中。例如，多径缓解方法可以用于蜂窝式电话学(telephony)中，以评估和修正发射机与移动装置之间的多径效应。

在移动电话学上的一个应用是利用该系统定位移动电话，例如，以使应急服务能定位移动电话。

可替换地，本发明可用来以完全相同的方式消除通信信号中的多径效应。该方法可以比现有技术的耙式接收机技术更有效地实现，并且尤其适用于具有高信噪比的信号。

Claims

1.一种当从发射机(10)发射信号给接收机(20)时的多径缓解方法，该方法包括：

提供对应于在预定多径环境下从发射机发射给接收机的发射与接收信号的相关性的多个预定多径相关形状(32)以及各自的修正形状(34)，所述修正形状是在消除了所述从发射机发射给接收机的信号的直接视距分量的情况下在所述多径环境下的相关形状；

从发射已知形式的信号的发射机(10)接收信号(2)；

计算接收信号与已知形式的发射信号之间的相关形状；

从所计算的接收相关形状中减去对应于所确定的最好匹配相关形状的相应修正形状，以获得修正了多径效应的修正相关形状。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所计算的相关形状的最好匹配预定相关形状的步骤包括将所计算的相关形状与按照一个或多个缩放参数缩放后的预定相关形状进行比较以及确定给出最好匹配的相关形状与缩放参数，并且所述减去相关形状的步骤减去对应于最好匹配的、按照最好匹配缩放参数缩放后的修正形状。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括利用修正相关形状确定所述从发射机发射给接收机的信号的时延的步骤。

4.一种产生用于如权利要求1-3中任一权利要求所述的多径缓解方法的预定多径相关形状的方法，该产生预定多径相关形状的方法包括：

存储代表每个组的一个相关性数据组；以及

5.一种接收站(20)包括：

接收机(22)，该接收机被安排以接收从发射站发射的已知形式的信号；和

存储器(18)，该存储器存储对应于在预定多径环境下从发射机发射给接收机的发射与接收信号的相关性的多个预定多径相关形状以及各自的修正形状，所述修正形状是在消除了所述从发射机发射给接收机的信号的直接视距分量的情况下在所述多径环境下的相关形状，

其中接收站被安排以：

计算接收信号与已知形式的发射信号之间的相关形状；

通过将所计算的相关形状与对应于各个多径环境的多个预定多径相关形状进行比较来确定所计算的相关形状的最好匹配预定相关形状；和

6.如权利要求5所述的接收站，其特征在于，该接收站被安排以通过将所计算的相关形状与按照一个或多个缩放参数缩放后的预定相关形状进行比较以及确定给出最好匹配的相关形状与缩放参数来确定所计算的相关形状的最好匹配预定相关形状，以及还被安排以减去按照最好匹配缩放参数缩放后的修正形状。

7.如权利要求5或6所述的接收站，其特征在于，该接收站还被安排以利用修正相关形状确定所述从发射机发射给接收机的信号的时延。

8.一种多径缓解系统，包括：

如权利要求5-7中任一权利要求所述的接收站(20)，和

发射站(10)，该发射站被安排以发射已知形式的信号。