CN1860695A - 过程状态改变的检测 - Google Patents

Abstract

过程状态改变的检测包括在多个具有不同时间常数的滤波器的每个中，从该过程的观测采样中产生一个估计的平均过程状态。通过将多个估计的过程状态中的每个与多个阈值中相应的一个进行比较而产生多个状态改变判定。如果所述状态改变判定中的任何一个或多个指示该过程已经改变了状态，那么就判定该过程已经改变了状态。

Description

过程状态改变的检测

相关申请的交叉参考

本申请要求2003年9月10日提交的美国临时申请No.60/501,430的权益，其因此在这里被全部结合以作为参考。

背景

本发明涉及检测过程状态改变。

在许多技术中，未来的操作是基于检测一个可测量的或者可检测的量是否已从一个状态改变为另一个状态。这种检测的问题可以存在于当该量是确定性过程的结果的情况下，但它在该量是随机(例如随意的)过程的结果时可能尤其困难。

例如，考虑比如在蓝牙(Bluetooth^)无线技术的方面出现的问题。蓝牙无线技术利用了称作“跳频”的扩展频谱通信技术的形式。根据常规的跳频技术，通信设备被分配一个无线电频谱的带宽，该带宽宽于其实际上传送信息所需的带宽。所分配的带宽被划分成通信系统的用户已知的一组相邻载波频率。为了传送信息，发射机选择多个载波频率中的一个并开始发射。然而，该发射机快速地从一个载波到另一个载波切换它的选择，其结果是该发射机在发射过程中不断地从一个载波“跳”到另一个载波上。为了确定下一次跳到哪个载波频率，该发射机通常依赖于预定的伪随机跳频序列。为了接收该发射，预定的接收机必须知道正在使用哪个跳频序列，并且必须将它的接收与该序列同步，因此它总是在适当时候侦听正确的载波频率。就不断地利用相同载波频率的发射技术而言，跳频提供了许多优点，包括跳频传输添加很少的噪声到所分配的总频带的事实，因此使得许多其他无线设备能够同时在分配的相同频带内进行操作。

跳频还在接收时提供了多个优点，包括抗频率选择性噪声/干扰。考察这一点的简单方式是通过考虑在该组的载波频率中的一个或几个上的噪声源；即使发射机碰巧在这些“有噪”载波频率之一上进行发射，此发射也仅仅是瞬时的。该传输很可能不久就跳到没有遭受频率选择性噪声的载波频率上。由于大部分现代通信系统还以对信息进行编码的方式使用错误检测和纠正机制，所以接收机通常可以检测到并经常纠正任何接收的错误信息。

尽管跳频可以抗噪声，但情况可能是一个或多个载波频率在相当长的一段时间内是有噪的。在这种情况下，通信可能由于必须不断纠正错误的接收比特或者必须请求并随后接收错误数据的重发而最大程度地变得效率低。这个问题的一种解决方案即自适应跳频(AFH)最近已经由蓝牙特别兴趣组在一个草拟规范中发表。使用这种技术，蓝牙无线电可以选择多个在跳频过程中将被跳过的载波频率，从而使它们在无线电通信中未被使用。AFH方案的例子已经在由J.C.Haartsen于1999年10月15日提交并被公布为WO01/29984的美国专利申请09/418,562中进行了描述。

在AFH的一些实施例中，确定一个给定载波频率在跳频过程中是否应该被跳过包括检测给定载波的质量的某一量度(measure)是否已经从可接受值改变为不可接受值。质量的量度可以是例如与一个载波或一组相邻载波相关的测量的分组差错率。质量的量度的另一个例子是一个载波或一组相邻载波的接收的干扰功率采样的比率。

质量的量度可以被认为是离散时间的二元随机过程的输出，其指示了在所考虑的载波或载波组上所观测的分组传输的成功或失败。于是在质量的量度(例如分组差错率)方面的显著变化是在相应载波或载波组上出现干扰的指示。当使用AFH时，这个载波或载波组应当被排除在所使用的载波组之外。

如上面所说明的那样，通过在某一时段监测载波或载波组来确定质量的量度。所期望的是例如非常快地检测到分组差错率的剧烈增长(即从一个低值到一个很高值的突变)，因为不能这样做将明显降低通信链路性能。然而，能够可靠地检测到质量的量度的较小变化(例如分组差错率)也是重要的；对这些情况来说，较大的检测延迟是容许的。

以上结合在无线通信技术中的AFH所描述的问题并不是只有该环境才有的，而是代之以可以归纳为如下。考虑一个连续时间随机过程x(t)或一个离散时间随机过程x(k)，它们分别具有时变短时平均值X(t)或X(k)。检测过程状态的改变包括确定x的短时平均值是否已从一个初始值X₁增长到某个更大值X₂。该确定应当在一个合理的短延迟之后做出，并且还应当具有低虚警概率以及低检测失败概率的特征。

虚警概率是检测过程将从其对x的观测中推断出X已经增长到X₂，尽管事实上X并没有增长。检测失败概率是检测过程将从其对x的观测中推断出X仍然具有值X₁，尽管事实上X已经增长到X₂。

图1是说明常规过程状态改变检测器的框图。这种过程状态检测器通常使用滤波器101，该滤波器101从随机过程x的观测采样中产生y，即X的(通常为无偏的)估计。该估计y被提供给比较器103，该比较器103将y与阈值u进行比较。如果y(t)＞u，那么表示为d的该比较器的输出指示X已经增长到X₂的判定，否则该比较器的输出d指示X仍然等于(或者否则相关于)X₁。典型地，对于无偏估计y，X₁＜u＜X₂。

由于x是一个具有非零方差的非确定性过程，所以y也将具有某一(较小的)方差。因此，通常存在非零虚警概率Prob{y＞u|X＝X₁}以及非零检测失败概率Prob{y＜u|X＝X₂}。更准确地，考虑连续时间过程，虚警概率p_FA是在过去存在至少一个时间t₁＜T使得y(t₁)＞u的概率，尽管对于所有t＜T都有X(t)＝X₁。这里，T是当前时间。假定X有一个阶跃变化，检测失败概率p_DF是对于所有的t＜T都有y(t)＜u的概率，尽管在过去某一时间间隔内对于所有t都有X(t)＝X₂。如果考虑X的更复杂的特性，例如对于所有的t＜t₀都有X(t)＝X₁，对于t₀≤t＜t₁都有X(t)＝X₂，以及对于t＞t₁有X(t)＝X₁，那么对于所有t的y(t)＜u将被认为是检测失败，如果增长的时间段(t₁-t₀)大于容许的检测延迟的话。否则，所描述的X的特性会被认为是瞬时的，并且未检测到该瞬时将不被认为是检测器的失败。如果x是离散时间过程，那么虚警概率和检测失败概率的等价定义是适用的。

对于x的给定方差，在过程状态改变检测器的检测延迟、滤波器的有效平均时段、X₁和X₂之间的差、以及在对阈值u的理想选择下的虚警和检测失败概率之间存在基本的相互依赖。

对于x的给定的方差以及对判定错误概率p_FA和p_DF的某些需求，y的方差必须更小，需要X₁和X₂之间更小的差。这又意味着X₁和X₂之间更小的差需要更大的滤波器的有效平均窗口，这又增加了过程状态改变检测器的平均检测延迟。

这在许多应用中引起了问题，因为X将来可以改变为的值X₂不是先验已知的。代之以，过程状态改变检测器被需要可靠地检测到改变为大于某一最小值X_{2_min}的任意值X₂，但是必须在所有情况中保持低判定错误概率p_FA和p_DF。结果，滤波器不得不被设计成用于极限X₂＝X_{2_min}的情况，因为这种情况引起最大的判定错误概率。但是设计用于极限情况意味着将平均窗口相应选择为大的，这又增加了判定延迟，甚至是在实际X₂大大超过X_{2_min}的情况下。

因此，期望具有对于常规过程状态改变检测器的性能进行改善的过程状态改变检测器和方法。

概要

应当强调，术语“包括”和“包含”在本说明书中使用时被用来规定所述的的特征、整体、步骤或部件的存在；但是这些术语的使用并不排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、部件或其组合的存在或添加。

根据本发明的一个方面，前述的和其他的目的在检测过程中状态改变的方法和装置中实现。一方面，这种检测包括：在多个具有不同时间常数的滤波器的每个中，从该过程的观测采样中产生估计的平均过程状态。多个状态改变的判定是通过将所述多个估计的过程状态中的每个与多个阈值中相应的一个进行比较来产生的。如果所述状态改变判定中的任何一个或多个指示该过程已经改变了状态，那么判定该过程已经改变了状态。

另一方面，该过程是一个随机过程。

又一方面，该过程的观测采样是电信系统中用于给定载波或相邻载波组的质量的量度。例如，给定载波的质量的量度可以是与给定载波或相邻载波组相关联的分组差错率的量度。在另一个(可选的)例子中，给定载波的质量的量度可以是与给定载波或相邻载波组相关联的所接收的干扰功率采样的量度。在还有其他的(可选的)例子中，量度分组差错率和量度所接收的干扰的组合可以用作质量的量度。

在还有其他的方面中，在此描述的各种过程状态改变检测的方法和装置可以应用于确定在自适应跳频电信系统中一个载波频率是否应该被跳过。在这种系统中，随着时间的过去测量载波频率的传输质量。然后确定载波频率的质量是否已从一个可接受水平改变为一个不可接受水平；以及如果载波频率的质量已从可接受水平改变为不可接受水平，那么就判定跳过该载波频率。

附图简述

本发明的目的和优点将通过结合附图阅读以下的详细说明而被理解，其中：

图1是常规过程状态改变检测器的框图。

图2是根据本发明一个方面的示例性过程状态改变检测器的功能框图。

图3是一组曲线图，其对于四个滤波器中的每个示出了在过程状态增长之后作为短时平均值X₂的函数的滤波器的平均检测延迟、以及一个示例性实施例的平均延迟性能。

详细说明

现在将参考附图描述本发明的各种特征，在附图中相同的部分用相同的参考符号来标识。

现在将结合许多示例性的实施例来更加详细地描述本发明的各个方面。为了便于理解本发明，本发明的许多方面按照要由计算机系统的元件执行的操作的次序来描述。将会认识到，在每个实施例中，各种操作可以由专用电路(例如互连来执行专门功能的分立逻辑门和/或模拟电路，例如但不限于模拟滤波器和比较器)、由通过一个或多个处理器所执行的程序指令、或者由二者的组合来执行。此外，本发明还可以被认为是完全体现在任何形式的计算机可读载体中，例如固态存储器、磁盘、光盘或载波(例如无线电频率、音频频率或光学频率载波)，其包含一组将使处理器执行在此所述的技术的合适的计算机指令。因此，本发明的各个方面可以以许多不同的形式来体现，并且所有这样的形式都被预期在本发明的范围内。对于本发明的各个方面中的每个，任何这种形式的实施例都可以在此称为“逻辑，其被配置成”执行所述操作，或可选地称为“逻辑，其”执行所述操作。

按照本发明的一个方面，检测过程状态的改变包括调用多个具有不同时间常数的滤波器。将这些滤波器的每个的输出与多个阈值中相应的一个进行比较。如果这些比较中的任何一个检测到了状态的改变，那么过程状态检测的输出也指示状态的改变；否则，指示状态没有改变。这种配置不仅提供了对X的剧烈改变的快速检测，而且还提供了对X的小改变的可靠检测(但是以相应较低的速度)。

现在将通过参考图2中说明的示例性实施例来更详细地描述这些和其他方面。在该示例性实施例中，随机过程x的观测采样被提供给N个滤波器201-1...201-N中的每个。每个滤波器201-n(其中1≤n≤N)从随机过程x的观测采样中产生输出y_n，该输出是X的(典型为无偏)估计。估计y₁...y_N中的每个被提供给N个比较器203中相应的一个，其将每个值y_n与相应的阈值u_n进行比较。如果y_n(t)＞u_n，那么表示为d_n的比较器的输出就指示X已经增长到X₂的判定，否则，比较器的输出d_n就指示X仍然等于(或否则相关于)X₁。典型地，对于无偏估计y_n，X₁＜u_n＜X₂。

判定d₁...d_N中的每个被提供给逻辑OR功能205的N个输入中相应的一个，该逻辑OR功能205的输出d当且仅当输入d₁...d_N中的至少一个被断言(assert)时才被断言。逻辑OR功能205的输出d表示该示例性过程状态改变检测器的最终判定。

在本发明的一个方面中，滤波器201-1...201-N中的每个优选具有不同的时间常数。而且，如上所述，如果比较器203-1...203-N中的任何一个检测到了改变，那么就判定X从X₁改变为X₂＞X_{2_min}。假设第一个滤波器201-1是具有最大平均窗口的滤波器，第N个滤波器201-N是具有最小平均窗口的滤波器，以及剩下的滤波器201-2...201-N-1具有其尺寸在最大和最小之间的不同平均窗口。对于滤波器201-1...201-N中的每个，相应的阈值u₁...u_N被设定为将导致低的和/或否则可接受的虚警概率p_FA的水平。例如，第N个阈值u_N应该被设定为足够大的水平以使所得的虚警概率p_FA即使y_N的方差大(由于小的平均窗口尺寸)也为低。也就是，使用较大的阈值u_N(与其他的阈值u₁...u_N-1相比)来补偿y_N的较大方差(与其他的估计y₁...y_N-1的方差相比)，以使最后一个比较器203-N维持低的虚警概率p_FA。另外，与第N个滤波器201-N相对较小的平均窗口结合的相对较大值的u_N意味着，X的剧烈增长将很快被检测到并在判定d_N中指示，而不牺牲低的检测失败概率，尽管存在X的小增长。

在范围的另一端，X的最小增长(例如从X₁到X₂＝X_{2_min})被结合有最低阈值u₁的第一滤波器201-1(其具有最大的平均窗口)可靠地检测到，但是该检测需要相应较大的检测延迟。结合相应的阈值u₂...u_N-1，具有在这两个极限之间的平均窗口的滤波器201-2...201-N-1被用来检测X到值X₂＞X_2min的适度增长。与这些不同滤波器路径相关联的检测延迟具有在最长延迟(与第1滤波器201-1相关联)与最短延迟(与第N个滤波器201-N相关联)之间相应的范围。

为了评估这样一个系统的整体性能，考虑一个示例性的过程状态改变检测器，其包括四个滤波器F₁...F₄。图3是一组曲线图301、303、305、307，其对于四个滤波器F₁...F₄中的每个示出了在增长之后作为随机过程的短时平均值X₂的函数的滤波器的平均检测延迟。因为随机过程x的观测采样具有可以用分布函数描述的值，所以检测短时平均值X₂的改变就相当于检测在分布函数中的移位(即检测所观测的采样现在在一个不同值周围群集)。因此，对于四个滤波器F₁...F₄中的每个，对于X₂的较大改变的检测比对于小改变的检测进行得更快；这个特征由四个曲线图301、303、305和307中的每个来说明。

然而，四个滤波器F₁...F₄的平均检测延迟由于它们的不同平均窗口长度而彼此不等。更确切地说，从四个曲线图301、303、305、307中可以看出，对于X₂的足够大的值，第4个滤波器F₄将显示出最短的平均检测延迟；对于仅仅较低值的范围，第3个滤波器F₃将显示出最短的平均检测延迟，等等，直到对X₂的最低值的检测可以由第1滤波器F₁最快地执行。此整体性能可以通过将四个阈值u₁...u₄设定为将对整个检测器实现期望的虚警概率p_FA的合适值来完成。因此这些值基于滤波器F_n的每个的平均窗口尺寸。曲线309(用虚线表示)说明了通过设定这种特性可以实现的整体性能的近似值。

以下的指导是相对于如何选择滤波器的数目和/或如何判定所有滤波器的平均窗口的尺寸而提供的。对于给定的随机过程和具有检测性能需求的装置，进行以下操作：对于不同的滤波器参数(例如平均窗口尺寸)，确定最佳的阈值u和常规改变检测器的性能。对于所研究的滤波器参数设置的性能结果被画在图中，类似于图3。对于完整检测器的检测性能的需求像X_{2_min}和对于大X₂的最大检测延迟限制了图中的相关区域，并指示了需要多少不同的滤波器，以及它们应当具有哪些参数。例如在图3中，各个滤波器的曲线301、303、305和307在它们在图中覆盖足够不同的区域的范围的意义上来讲是足够不同的。如果某一滤波器对图(像图3)中总覆盖区域的贡献是不相关的，那么可以将它从结合的改变检测器中移除。同样，如果给定的装置并不提供对期望覆盖区域的足够覆盖，则应该添加另一个滤波器。

已经参考特定实施例描述了本发明。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，除了上面描述的优选实施例的形式之外，还有可能以特定形式来体现本发明。

例如，图2中描述的示例性的实施例使用了逻辑OR功能来确定判定d₁...d_N中的任何一个是否被断言。然而在可选实施例中，任何等价的逻辑装置可以将其替换，包括但不限于负逻辑装置(例如包括NOR或NAND装置)或者确定当前断言的判定d₁...d_N的数目是大于还是等于1的逻辑的使用。

另外，在许多实施例中，状态改变检测所基于的过程的观测采样是电信系统中对于给定载波或相邻载波组的质量的量度。在这些实施例的一些中，给定载波的质量的量度可以是与该给定载波和/或邻近载波组相关联的分组差错率的量度。在其它(可选的)实施例中，给定载波的质量的量度是与该给定载波和/或相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度。在还有其它的(可选的)实施例中，给定载波的质量的量度是由与该给定载波和/或相邻载波组相关联的分组差错率的量度和与该给定载波和/或相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度的结合而形成的。

因此，优选实施例仅仅是说明性的，并且不应以任何方式认为是限制性的。本发明的范围通过所附的权利要求书而不是通过前面的描述来给出，并且落入权利要求书范围的所有变化和等同物都打算被包含于此。

Claims (27)

1.一种检测过程中状态改变的方法，该方法包括：

在多个具有不同时间常数的滤波器的每个中，从该过程的观测采样中产生一个估计的平均过程状态；

通过将多个估计的过程状态中的每个与多个阈值中相应的一个进行比较来产生多个状态改变判定；以及

如果所述状态改变判定中的任何一个或多个指示该过程已经改变了状态，那么就判定该过程已经改变了状态。

2.权利要求1所述的方法，其中该过程是随机过程。

3.权利要求1所述的方法，其中该过程的观测采样是电信系统中给定的载波或相邻载波组的质量的量度。

4.权利要求3所述的方法，其中给定载波的质量的量度是与该给定载波或相邻载波组相关联的分组差错率的量度。

5.权利要求3所述的方法，其中给定载波的质量的量度是与该给定载波或相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度。

6.权利要求3所述的方法，其中给定载波的质量的量度是由与该给定载波或相邻载波组相关联的分组差错率的量度和与该给定载波或相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度的组合而形成的。

7.一种在自适应跳频电信系统中确定载波频率是否应该被跳过的方法，该方法包括：

随着时间的过去测量载波频率的传输质量；

确定载波频率的传输质量是否已经从一个可接受水平改变为一个不可接受水平；以及

如果载波频率的传输质量已经从可接受水平改变为不可接受水平，那么就判定跳过该载波频率，

其中确定载波频率的传输质量是否已经从可接受水平改变为不可接受水平包括：

在多个具有不同时间常数的滤波器的每个中，由对载波频率的传输质量的测量来产生质量的估计的平均量度；

通过将多个质量的估计的平均量度中的每个与多个阈值中相应的一个进行比较来产生多个状态改变判定；以及

如果所述状态改变判定中的任何一个或多个指示载波频率的传输质量已经从可接受水平改变为不可接受水平，那么就判定载波频率的传输质量已经从可接受水平改变为不可接受水平。

8.权利要求7所述的方法，其中载波频率的传输质量的量度是与该载波频率相关联的分组差错率的量度。

9.权利要求7所述的方法，其中载波频率的传输质量的量度是与该载波频率和相邻载波组相关联的分组差错率的量度。

10.权利要求7所述的方法，其中载波频率的传输质量的量度是与该载波频率相关联的接收的干扰功率采样的量度。

11.权利要求7所述的方法，其中载波频率的传输质量的量度是与该载波频率和相邻载波频率组相关联的接收的干扰功率采样的量度。

12.权利要求7所述的方法，其中给定载波的传输质量的量度是由与该给定载波相关联的分组差错率的量度和与该给定载波相关联的接收的干扰功率采样的量度的组合而形成的。

13.权利要求7所述的方法，其中给定载波的传输质量的量度是由与该给定载波和相邻载波组相关联的分组差错率的量度和与该给定载波和相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度的组合而形成的。

14.一种过程状态改变检测器，包括：

多个具有不同时间常数的滤波器，其中每个滤波器从该过程的观测采样中产生一个估计的平均过程状态；

比较逻辑，其通过将多个估计的过程状态中的每个与多个阈值中相应的一个进行比较而产生多个状态改变判定；以及

最终判定逻辑，如果所述状态改变判定中的任何一个或多个指示该过程已经改变了状态，那么它就判定该过程已经改变了状态。

15.权利要求14所述的过程状态改变检测器，其中该过程是随机过程。

16.权利要求14所述的过程状态改变检测器，其中该过程的观测采样是电信系统中给定载波或相邻载波组的质量的量度。

17.权利要求16所述的过程状态改变检测器，其中给定载波的质量的量度是与该给定载波或相邻载波组相关联的分组差错率的量度。

18.权利要求16所述的过程状态改变检测器，其中给定载波的质量的量度是与该给定载波或相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度。

19.权利要求16所述的过程状态改变检测器，其中给定载波的质量的量度是由与该给定载波或相邻载波组相关联的分组差错率的量度和与该给定载波或相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度的组合而形成的。

20.权利要求14所述的过程状态改变检测器，其中最终判定逻辑执行逻辑OR功能。

21.一种在自适应跳频电信系统中确定载波频率是否应该被跳过的装置，该装置包括：

随着时间的过去测量载波频率的传输质量的逻辑；

确定载波频率的传输质量是否已经从一个可接受水平改变为一个不可接受水平的逻辑；以及

如果载波频率的传输质量已经从可接受水平改变为不可接受水平，那么就判定跳过该载波频率的逻辑，

其中确定载波频率的传输质量是否已经从可接受水平改变为不可接受水平的逻辑包括：

多个具有不同时间常数的滤波器，其中每个滤波器由对载波频率的传输质量的测量来产生质量的估计的平均量度；

通过将多个质量的估计的平均量度中的每个与多个阈值中相应的一个进行比较而产生多个状态改变判定的逻辑；以及

最终判定逻辑，如果所述状态改变判定中的任何一个或多个指示载波频率的传输质量已经从可接受水平改变为不可接受水平，那么它就判定载波频率的传输质量已经从可接受水平改变为不可接受水平。

22.权利要求21所述的装置，其中载波频率的传输质量的量度是与载波频率相关联的分组差错率的量度。

23.权利要求21所述的装置，其中载波频率的传输质量的量度是与载波频率和相邻载波组相关联的分组差错率的量度。

24.权利要求21所述的装置，其中载波频率的传输质量的量度是与载波频率相关联的接收的干扰功率采样的量度。

25.权利要求21所述的装置，其中载波频率的传输质量的量度是与载波频率和相邻载波频率组相关联的接收的干扰功率采样的量度。

26.权利要求21所述的装置，其中给定载波的传输质量的量度是由与该给定载波相关联的分组差错率的量度和与该给定载波相关联的接收的干扰功率采样的量度的组合而形成的。

27.权利要求21所述的装置，其中给定载波的传输质量的量度是由与该给定载波和相邻载波组相关联的分组差错率的量度和与该给定载波和相邻载波组相关联的接收的干扰功率采样的量度的组合而形成的。

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