ES2251602T3 - Estacion de radio y sistema de radio con modelizacion de propagacion por trayectos multiple. - Google Patents
Estacion de radio y sistema de radio con modelizacion de propagacion por trayectos multiple.Info
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Abstract
Estación (10) de radio que comprende medios (12) para recibir una primera señal de radio a través de un trayecto directo y a través de al menos un trayecto reflejado, medios (16) para crear un modelo de la primera señal de radio recibida, en los que el modelo comprende al menos un parámetro, medios (16) para estimar el valor del o de cada parámetro y medios (16) para explotar al menos un valor de parámetro estimado, caracterizada porque los medios (16) para crear el modelo de la primera señal recibida utilizan al menos uno: de los primeros datos de sondeo recibidos desde la fuente que transmite la primera señal de radio y derivados de las reflexiones recibidas de una primera señal (S3) de sondeo transmitida por esta fuente; y de los segundos datos de sondeo derivados de las reflexiones recibidas de una segunda señal (S1, S2) de sondeo transmitida por la estación (10) de radio.
Description
Estación de radio y sistema de radio con
modelización de propagación por trayectos múltiple.
La presente invención se refiere a un sistema de
radio y a una estación de radio que puede utilizarse en un entorno
de propagación por trayectos múltiples, y que tiene aplicación en,
por ejemplo, sistemas de radio y estaciones de radio que implementan
procesos que pueden beneficiarse de la información que caracteriza
las propiedades de los trayectos múltiples de un canal de radio o de
una señal de radio recibida. Estos procesos incluyen la
determinación de la distancia, la determinación de la situación y la
ecualización de señales.
En un entorno de propagación por trayectos
múltiples, una señal de radio se refleja desde superficies de
reflexión y se recibe a través de más de un trayecto de propagación.
Los varios componentes de la señal recibida a través de diferentes
trayectos tienen diferentes amplitudes, fases y retardos que pueden
hacer que la información extraída de la señal recibida compuesta no
sea fiable. Por ejemplo, si la señal transporta datos, la tasa de
error de datos puede degradarse, especialmente para una transmisión
con una velocidad de bits alta, y si la señal se utiliza para la
estimación de la distancia, la precisión de la estimación de la
distancia puede degradarse. Si las propiedades de propagación por
trayectos múltiples de la señal de radio pueden caracterizarse, los
efectos perjudiciales de la propagación por trayectos múltiples
pueden reducirse, por ejemplo, eliminando las reflexiones no
deseadas o combinando la señal recibida a través de los diferentes
trayectos de manera constructiva.
El documento
EP-A-0 664 619 da a conocer métodos
para predecir la propagación de radiofrecuencia RF dentro de una
estructura tal como un edificio. Tales predicciones están basadas en
las rutas de propagación entre una localización transmisora de
referencia y una pluralidad de localizaciones receptoras de
referencia, comprendiendo las rutas trayectos directos y de
reflexión. Sin embargo, existe todavía una necesidad de mejorar el
funcionamiento de los aparatos de radio en un entorno de
propagación por trayectos múltiples.
Por tanto, hay sistemas que utilizan antenas de
múltiples elementos (MEA) para conseguir una transmisión con una
velocidad de bits muy alta. Tales sistemas emplean una
caracterización de las propiedades de propagación por trayectos
múltiples de la señal de radio. Un sistema de antenas de múltiples
elementos se describe en "Layered Space-Time
Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When
Using Multi-Element Antennas", G.J.Foschini, Bell
Systems Technical Journal, otoño 1996, páginas
41-59.
Un enfoque para caracterizar la propagación por
trayectos múltiples es el uso de técnicas de estimación de
parámetros tales como el bucle de enganche de retardo de estimación
por trayectos múltiples (Multipath Estimating
Delay-Lock Loop, MEDLL) (véase, por ejemplo,
"Performance Evaluation of the Multipath Estimating Delay Lock
Loop", B. Townsend, D.J.R. van Nee, P. Fenton, y K. Van
Dierendonck, Proc of the Institute of Navigation Nacional Technical
Meeting, Anaheim, California, 18 al 20 de enero, 1995, páginas
227-283) y el estimador de mínimo error cuadrático
medio (MMSE,
Minimum-Mean-Square-Estimator)
(véase por ejemplo, "Conquering Multipath: The GPS Accuracy
Battle", L.R. Well, GPS World, Abril de 1997). En las técnicas de
estimación de parámetros, la señal recibida se representa mediante
un modelo matemático, por ejemplo un modelo que incluye parámetros
variables que representan la amplitud, fase y retardo de los
componentes de la señal recibidos a través de una pluralidad de
trayectos de propagación, y los valores de los parámetros se ajustan
de forma iterativa hasta que se alcanza una buena correspondencia
entre la señal recibida y el modelo matemático. Las técnicas de
estimación de parámetros pueden resultar en una caracterización
precisa de una señal de radio de trayectos múltiples, pero sufren la
desventaja de ser muy intensivas desde el punto de vista
informático.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar una estación de radio y un sistema de radio mejorados
para utilizarlos en un entorno de propagación por trayectos
múltiples.
Según un primer aspecto de la invención, se
proporciona una estación de radio que comprende una estación de
radio comprendiendo medios para recibir una primera señal de radio a
través de un trayecto directo y a través de al menos un trayecto
reflejado, medios para generar un modelo de la primera señal de
radio recibida, en el que el modelo comprende al menos un
parámetro, medios para estimar el valor del o de cada parámetro y
medios para explotar al menos un valor de parámetro estimado de este
tipo, caracterizada por medios de utilización para crear el modelo
de la primera señal recibida en al menos uno de: los primeros datos
de sondeo recibidos de la fuente que transmite la primera señal de
radio y derivados de las reflexiones recibidas de una primera señal
de sondeo transmitida por esta fuente; y los segundos datos de
sondeo derivados de las reflexiones recibidas de una segunda señal
de sondeo transmitida por la estación de radio.
Según un segundo aspecto de la invención, se
proporciona un sistema de radio que comprende una primera y una
segunda estación de radio, en el que la primera estación de radio
comprende medios para transmitir una primera señal de radio y la
segunda estación de radio se configura según el primer aspecto de la
invención.
Según un tercer aspecto de la invención, se
proporciona un método de funcionamiento de un sistema de radio, que
comprende:
transmitir una primera señal de radio desde una
primera estación de radio;
recibir la primera señal de radio en una segunda
estación de radio a través de un trayecto directo y a través de al
menos un trayecto reflejado;
generar un modelo de la primera señal recibida en
la segunda estación de radio,
en el que el modelo comprende al menos un
parámetro,
calcular el valor del o de cada parámetro; y
explotar el al menos un valor de parámetro
estimado;
caracterizado por derivar al menos uno de:
los primeros datos de sondeo desde una primera
señal de sondeo transmitida y recibida por la primera estación de
radio, y los segundos datos de sondeo desde una segunda señal de
sondeo transmitida y recibida por la segunda estación de radio, y
utilizar los datos de sondeo para generar el modelo de la primera
señal de radio recibida en la segunda estación de radio.
La estimación puede realizarse utilizando
técnicas de estimación de parámetros. El modelo de la primera señal
de radio recibida puede ser un modelo de la función de correlación
que resulta de correlacionar la primera señal de radio recibida con
una réplica de la primera señal de radio transmitida.
Al utilizar la información derivada de una señal
de radio de sondeo sobre las superficies de reflexión en el entorno,
la primera señal de radio puede caracterizarse de manera más precisa
y/o caracterizarse con una necesidad de procesamiento reducida,
mejorando de esta manera el funcionamiento de una estación de radio
o sistema de radio que caracteriza y explota la primera señal de
radio. Tal explotación puede ser, por ejemplo, determinar la
distancia para determinar la separación entre una estación de radio
que transmite la primera señal de radio y otra estación de radio que
recibe la primera señal de radio, determinación de la situación para
determinar la situación de bien la primera o bien la segunda
estación de radio, o ecualización para mejorar la fiabilidad de la
información de demodulación transportada por la primera señal de
radio.
Una señal de radio de sondeo puede transmitirse
por la primera o por la segunda estación de radio o por las dos. Si
la primera estación de radio transmite una señal de radio de sondeo
y proporciona datos de sondeo, estos datos se transmiten a la
segunda estación de radio para utilizarlos en la creación del modelo
de la primera señal de radio recibida. Las mejoras en la precisión
de la caracterización y/o necesidad de procesamiento pueden hacerse
utilizando datos de sondeo derivados de las dos estaciones de radio
sobre las superficies de reflexión en su entorno. Ambos conjuntos de
datos de sondeo se combinan si los conjuntos de datos son
diferentes, indicando diferentes superficies de reflexión en el
entorno de cada estación de radio, o bien puede utilizarse un
conjunto de datos de sondeo si los dos conjuntos son similares,
indicando que las superficies de reflexión son comunes a las dos
estaciones de radio. Como ejemplo, la similitud de los dos conjuntos
de datos de sondeo puede determinarse por correlación, utilizándose
un grado predeterminado de correlación como un criterio para evaluar
si se utiliza uno o los dos conjuntos de datos. Pueden utilizarse
otros criterios para evaluar la similitud.
Los parámetros en el modelo de la primera señal
de radio recibida pueden incluir cualquiera de los siguientes:
distancia recorrida por esta señal a través del trayecto directo,
ángulo de llegada (tal como se define en la presente memoria) de
esta señal recibida a través del trayecto directo; amplitud de esta
señal recibida a través del trayecto directo, amplitud de las
reflexiones recibidas, amplitud de las reflexiones recibidas.
Además, pueden utilizarse equivalentes que son representativos de
estos parámetros, por ejemplo, el tiempo de vuelo es representativo
de la distancia recorrida a una velocidad constante.
Cualquiera de los valores de los parámetros del
modelo de la primera señal de radio recibida puede explotarse por
una estación de radio. Por ejemplo, la distancia recorrida puede
explotarse en una aplicación de determinación de la distancia, la
distancia recorrida y el ángulo de llegada pueden explotarse en una
aplicación de determinación de la localización, y la amplitud de las
reflexiones recibidas puede explotarse en una aplicación de
ecualiza-
ción.
ción.
La invención se describirá ahora, solamente a
modo de un ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los
que:
la figura 1 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de radio en un entorno de trayectos múltiples,
la figura 2 es un diagrama de flujo relacionado
con el funcionamiento de una estación de radio que funciona según
una realización de la invención,
la figura 3 es un diagrama que ilustra la
geometría del escenario de propagación por trayectos múltiples de la
figura 1,
la figura 4 es un diagrama de bloques esquemático
de otro sistema de radio en un entorno de trayectos múltiples, y
la figura 5 es un diagrama de flujo relacionado
con el funcionamiento de una estación de radio que funciona según
otra realización de la invención.
En los dibujos se han utilizado los mismos
números de referencia para indicar las características
correspondientes.
Las realizaciones a modo de ejemplo de la
invención que se describen a continuación son sistemas de radio de
determinación de la distancia en los que una estación de radio
estima la distancia de una estación de destino desde la que recibe
una señal de radio. En las realizaciones a modo de ejemplo, la
primera señal de radio se indica como una señal de determinación de
la distancia y la primera estación de radio se indica como la
estación de destino. Con referencia al sistema 1 de radio de la
figura 1, se ilustra una estación 10 de radio que comprende un
primer transceptor 12 acoplado a una primera antena 14 y a un primer
medio 16 de procesamiento. Acoplado al primer medio 16 de
procesamiento hay un primer reloj 18 y un primer medio 19 de
almacenamiento. El reloj 18 está acoplado, por tanto, al primer
transceptor 12. En la figura 1 también hay una estación 20 de
destino que comprende un segundo transceptor 22 acoplado a una
segunda antena 24 y también acoplado a un segundo 26 medio de
procesamiento. Un segundo reloj 28 y un segundo medio 29 de
almacenamiento están acoplados al segundo 26 medio de procesamiento.
El primer y el segundo medio 16, 26 de procesamiento utilizan el
primer y el segundo medio 19, 29 de almacenamiento, respectivamente,
para almacenar datos temporalmente. El primer y el segundo reloj 18,
28 están sincronizados. Los métodos de sincronización son muy
conocidos y no se describen en esta especificación. Tanto la
estación 10 de radio como la estación 20 de destino son dispositivos
móviles. Ambos transceptores 12, 22 están equipados para la
comunicación utilizando la señalización de espectros ensanchados.
También en la figura 1 se ilustran una primera y segunda superficie
40, 50 de reflexión que pueden ser, por ejemplo, paredes. En un
escenario práctico puede haber más superficies de reflexión pero por
razones de claridad solamente se ilustran dos en la
figura 1.
figura 1.
Con referencia al diagrama de flujo de la figura
2, cuando va a medirse la distancia de la estación 20 de destino
desde la estación 10 de radio, el funcionamiento de la estación 10
de radio comienza en el bloque 101. En el bloque 101 el primer medio
16 de procesamiento inicia la transmisión de una señal de sondeo por
el primer transceptor 12 y la primera antena 14. La señal de sondeo
se refleja en las superficies 40, 50 de reflexión y en cualquier
otra superficie de reflexión en el entorno local y se recibe de
vuelta en el primer transceptor 12 de la estación 10 de radio. La
señal de sondeo recibida se correlaciona con una réplica de la señal
de sondeo transmitida y la función de correlación resultante se
muestrea K veces. Las muestras K de la función de correlación de la
señal de sondeo recibida pasan al primer medio 16 de procesamiento.
En la figura 1, la reflexión de la señal de sondeo en la primera
superficie 40 de reflexión se indica con S_{1} y la reflexión en
la segunda superficie 50 se indica con S_{2}; por razones de
claridad no se ilustran otras reflexiones.
En el bloque 102 de la figura 2, las muestras de
la función de correlación de la señal de sondeo recibida se procesan
por el primer medio de procesamiento. Se mide la amplitud a_{bk},
k= l, K de cada una de las muestras K y, utilizando el primer reloj
18 como una referencia de tiempo, se mide el retardo del tiempo
\tau_{bk}, K = 1, K de cada muestra con respecto a la señal de
sondeo transmitida. Entonces, el primer medio 16 de procesamiento
genera un modelo de la función R_{b} (\tau) de correlación de la
señal de sondeo recibida utilizando la siguiente expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
(1)R_{b}(\tau)
= \sum\limits^{K}_{k=1} a_{b_{k}} F_{b}
(d_{b_{k}}/c)
\vskip1.000000\baselineskip
en la que d_{bk} = c.\tau_{bk},
c es la velocidad de la luz, y F_{b}(\tau) es la función
de correlación ideal de la señal de sondeo recibida mediante un
único trayecto con retardo \tau y normalizada para tener un máximo
de amplitud de unidad. Este modelo puede considerarse como
representación de una superficie de reflexión hipotética para cada
una de las K muestras, siendo cada superficie de reflexión una
distancia d_{bk}/2 desde la estación 10 de radio. El parámetro
d_{bk} es representativo, indirectamente, del retardo de tiempo de
la señal de
sondeo.
En el bloque 103, el modelo de la función de
correlación de la señal de sondeo recibida se ajusta a escala en
tiempo y en amplitud, por el primer medio 16 de procesamiento, para
aproximar la señal reflejada que se recibiría si la señal de sondeo
se hubiera transmitido desde la estación 20 de destino. Para ajustar
a escala el tiempo, cada d_{bk} en la ecuación (1) se sustituye
por la distancia d_{k} recorrida si la señal que contribuye a esta
muestra se hubiera desplazado desde la estación 20 de destino a
través de la misma superficie de reflexión. El análisis de la
geometría de trayectos múltiples ilustrada en la figura 3 muestra
que la distancia d_{k} recorrida por una señal transmitida por la
estación 20 de destino y recibida en la estación 10 de radio a
través de una superficie k^{th} de reflexión puede expresarse
como
(2)d_{k} =
\sqrt{d^{2}{}_{0} + d_{0}d_{b_{k}} cos\varphi_{k} +
d_{b_{k}}{}^{2}},
\hskip0,5cmpara k>0
donde \varphi_{k} es el ángulo de
llegada de la señal recibida a través del trayecto directo y d_{0}
es la distancia del trayecto directo. El ángulo \varphi_{k} de
llegada se define como el ángulo entre el trayecto directo y una
línea perpendicular a la superficie k^{th} de reflexión, de tal
manera que el trayecto k^{th} reflejado no se intersecta con el
ángulo, tal como se muestra en la figura
3.
Para ajustar a escala la amplitud, cada muestra
de amplitud a_{bk} se sustituye por la amplitud a_{k} que la
muestra tendría si la señal se hubiera trasladado desde la estación
20 de destino a través de la misma superficie de reflexión.
Utilizando la ley de cuarta potencia inversa generalmente aceptada
para la atenuación con la distancia recorrida, a_{bk} puede
representarse como
(3)a_{b_{k}} =
\frac{B\mu_{k}}{d_{b_{k}}{}^{2}}
\hskip0,5cmpara k>0
donde B es la amplitud de la señal
de sondeo transmitida y \mu_{k} es la reflectancia de la
superficie de reflexión y a_{k} puede representarse
como
(4)a_{k} =
\frac{A\mu_{k}}{d^{2}{}_{k}}
\hskip0,5cmpara k>0
donde A es la amplitud de las
transmisiones desde la estación 20 de destino. Combinando las
ecuaciones (2), (3) y (4) se
obtiene
(5)a_{k} =
\frac{Aa_{b_{k}} d^{2}_{b_{k}}}{B(d^{2}_{0} + d_{0}d_{b_{k}}
\ cos\varphi_{k} + d_{b_{k}}{}^{2})}
\hskip0,5cmpara k>0
Al sustituir d_{bk} en la ecuación (1) por la
expresión de la ecuación (2), y a_{bk} en la ecuación (1) por la
expresión de la ecuación (5) se obtiene la siguiente expresión para
el modelo ajustado a escala de la función de correlación de la señal
de sondeo recibida, es decir, un modelo que representa una señal
transmitida por la estación 20 de destino y recibida por la estación
10 de radio:
(6)R_{b \
scaled} (\tau) = \sum\limits^{K}_{k=1} \ \frac{Aa_{b_{k}}
d^{2}_{b_{k}}}{B(d^{2}_{0} + d_{0}d_{b_{k}} \ cos_{k} +
d_{b_{k}}{}^{2})} F_{b} \left(\frac{\sqrt{d^{2}_{0} + d_{0}d_{b_{k}}
\ cos_{k} +
d_{b_{k}}{}^{2}}}{c}\right)
R_{bscaled}(\tau) comprende datos
medidos, denominados como datos de sondeo, derivados de la señal de
sondeo recibida y algunos parámetros que tienen valores
desconocidos.
En el bloque 104, en respuesta a la recepción de
la señal de sondeo transmitida por la estación 10 de radio, la
estación 20 de destino transmite una señal de determinación de la
distancia, y esta señal de determinación de la distancia se recibe
por el primer transceptor 12 de la estación 10 de radio. La señal de
determinación de la distancia se detecta en el primer transceptor 12
correlacionando muestras de la señal recibida con una réplica de la
señal de determinación de la distancia transmitida. Las muestras de
la función de correlación de la señal de determinación de distancia
recibida pasan al primer medio 16 de procesamiento.
En el bloque 105, el primer medio 16 de
procesamiento genera un modelo de la función de correlación de la
señal de determinación de la distancia recibida que comprende un
componente de trayecto directo y el modelo ajustado a escala de la
función de correlación de la señal de sondeo de la manera
siguiente:
(7)R(\tau) =
a_{0} e^{j\theta_{0}} F \left(\frac{d_{0}}{c}\right) +
R_{b_{scaled}}
(\tau)
donde a_{0}, d_{0} y
\theta_{0} son, respectivamente, la amplitud recibida del trayecto
directo, longitud de trayecto y fase y F es la función de
correlación ideal de la señal de determinación de la distancia
recibida a través de un trayecto único con retardo \tau y
normalizada para tener una amplitud máxima de unidad. El valor de
a_{0} puede medirse a partir de las muestras de la señal de
determinación de la distancia recibida. Las técnicas de estimación
de los parámetros, tales como MEDLL o MMSE mencionadas
anteriormente, se utilizan entonces para encontrar valores de los
parámetros d_{0,} \varphi_{k} para k>0 y \theta_{bk} para
k>0, lo que tienen como resultado que el modelo de la ecuación
(7) se corresponda con la función de correlación de la señal de
determinación de la distancia recibida según un criterio
predeterminado. El criterio predeterminado puede ser, por ejemplo,
un valor específico máximo aceptable del error cuadrático medio
entre la función de correlación de la señal de determinación de la
distancia recibida y el modelo, en cuyo caso se consigue la
correspondencia cuando el valor del error cuadrático medio es un
valor máximo aceptable o inferior a éste. Como otro ejemplo, el
criterio predeterminado puede ser la minimización del error
cuadrático medio, en cuyo caso la correspondencia se consigue
cuando el error cuadrático medio alcanza un valor mínimo. Como
ejemplo adicional, el criterio predeterminado puede ser la variación
entre iteraciones de estimación de parámetro de un valor de
parámetro específico, en cuyo caso la correspondencia se consigue
cuando la variación es inferior a un valor
deseado.
En el bloque 106, el primer medio 16 de
procesamiento genera un modelo mejorado de la función de correlación
de la señal de determinación de la distancia recibida que incorpora,
mediante R(\tau), los valores de los parámetros, d_{0,}
\varphi_{k} y \theta_{bk} generados en el bloque 105. El modelo
mejorado es:
(8)R_{enh}
(\tau) = R(\tau) + \sum\limits^{M}_{m=1} a_{m}F(d_{m}/c)
e^{j\theta_{m}}
La suma de factores por encima de m = 1, M
representa las funciones de correlación de reflexiones adicionales
especulares que no están presentes en las reflexiones de la señal de
sondeo. Estos factores se añaden progresivamente al modelo en el
bloque 106, realizándose una estimación de parámetros después de
cada suma en el bloque 107 para generar un valor mejorado para los
parámetros d_{0,} \varphi_{k,} \theta_{bk,} a_{m}, d_{m} y
\theta_{m}. En el bloque 108 se evalúa la correspondencia entre la
función de correlación de la señal de determinación de la distancia
recibida y el modelo, y si no se ha conseguido el criterio
predeterminado, el flujo vuelve al bloque 106 en el que una
reflexión especular adicional se añade al modelo mejorado.
Cuando se ha alcanzado el valor deseado
predeterminado del error cuadrático medio, el flujo pasa al bloque
109, en el que se explotan uno o más de los valores de parámetros
resultantes. En el presente ejemplo de realización para un sistema
de determinación de la distancia, la explotación comprende la
visualización, o el almacenamiento para el proceso subsiguiente, del
valor del parámetro d_{0} que representa la distancia de la
estación 20 de destino desde la estación 10 de radio. Por ejemplo,
la estación 10 de radio puede ser un dispositivo portátil llevado
por un usuario y que proporciona al usuario una estimación de la
determinación de la distancia de un segundo dispositivo portátil que
comprende la estación 20 de destino. Como otro ejemplo, la estación
10 de radio puede ser un dispositivo portátil llevado por un usuario
y que funciona como un detector de proximidad, proporcionando una
alerta siempre que una estación 20 de destino se mueva más allá, o
alternativamente dentro de una distancia dada. Dicha aplicación
podría avisar de que un niño se está alejando de los padres, o de
que un objeto está siendo retirado ilegalmente de un edificio.
Con referencia al sistema 2 de radio de la figura
4, se ilustra una realización adicional de la invención, también
para un sistema de radio de determinación de la distancia. Se han
utilizado los mismos números de referencia para identificar los
elementos que son idénticos a los elementos de la figura 1. Se
describirán únicamente las diferencias con respecto a la figura 1.
En la figura 4 se ilustra una tercera superficie 60 de reflexión y
la reflexión en esta superficie de una señal transmitida por la
estación 20' de destino se indica con S_{3}.
La figura 5 es un diagrama de flujo para la
realización adicional ilustrada en la figura 4. Los bloques
numerados de forma idéntica en las figuras 5 y 2 tienen
funcionamientos idénticos. El diagrama de flujo comienza en el
bloque 101 con el flujo avanzando con los bloques 102, 103 y 104 de
manera idéntica a la figura 5. Desde el bloque 104 el flujo avanza
hacia los bloques 151 a 158, ambos inclusive, adicionales que se
describen más adelante y vuelve después a los bloques 106 a 109.
En el bloque 151, la estación 20 de destino
recibe reflexiones de la señal de determinación de la distancia que
se transmite, detectando la señal de determinación de la distancia
en el segundo transceptor 22 al correlacionar muestras de la señal
recibida con muestras de una réplica de la señal de determinación de
la distancia recibida. En la figura 4, se ilustra una única
reflexión S_{3} de una superficie 60 de reflexión siendo recibida
en la estación 20 de destino; por razones de claridad no se ilustran
otras reflexiones recibidas por la estación 20 de destino. De esta
manera, la señal de determinación de la distancia realiza una
función equivalente para la estación 20 de destino como la que la
señal de sondeo realiza para la estación 10 de radio, es decir, la
señal de determinación de la distancia es por tanto una señal de
sondeo. Las muestras K' de la función de correlación de la señal de
determinación de la distancia recibida pasan al segundo medio 26 de
procesamiento.
En el bloque 152, las muestras de la función de
correlación de la señal de determinación de la distancia recibida se
procesan por el segundo medio 26 de procesamiento. Se mide la
amplitud a'_{bk} y el retardo \tau'_{bk} con respecto a la
señal de determinación de la distancia transmitida, k = 1, k' de
cada una de las muestras K'. El segundo medio 26 de procesamiento
genera un modelo de la función de correlación de la señal
R_{b}'(t) de determinación de la distancia recibida utilizando la
siguiente expresión:
(9)R_{b}'(\tau) =
\sum\limits^{K'}_{k=1} a'{}_{b_{k}} F
(d'{}_{b_{k}}/c)
\newpage
en la que d'_{bk} =
c.\tau'_{bk}. Este modelo puede considerarse como representación
de una superficie de reflexión hipotética para cada una de las
muestra K', siendo cada superficie de reflexión una distancia
d'_{bk}/2 de la estación 20 de destino. El parámetro d'_{bk} es
representativo, indirectamente, del retardo en el tiempo de la señal
de determinación de la distancia devuelta a la estación 20 de
destino.
En el bloque 153 el modelo de la función de
correlación de la señal de determinación de la distancia recibida se
ajusta a escala en tiempo y en amplitud para aproximar la función de
correlación de la señal reflejada que se recibiría si la señal de
determinación de la distancia se hubiera transmitido desde la
estación 10 de radio. Para ajustar a escala el tiempo, cada
d'_{bk} en la ecuación (9) se sustituye por la distancia d'_{k}
recorrida si la señal que contribuye a esta muestra se hubiera
desplazado desde la estación 10 de radio a través de la misma
superficie de reflexión. El análisis para la estación 20 de destino
de una geometría de trayectos múltiples equivalente a la ilustrada
en la figura 3 muestra que la distancia d'_{k} recorrida por una
señal hipotética transmitida por la estación 10 de radio y recibida
en la estación 20 de destino a través de una superficie k^{th} de
reflexión puede expresarse como
(10)d'{}_{k} =
\sqrt{d'{}^{2}{}_{0} + d'{}_{0} d'{}_{b_{k}} \ cos\varphi'{}_{k} +
d'{}_{b_{k}}{}^{2}},
\hskip0,5cmpara k>0
donde \varphi'_{k} es el ángulo
de llegada de la señal recibida a través del trayecto directo y
d'_{0} es la distancia del trayecto
directo.
Para ajustar a escala la amplitud, cada amplitud
a'_{bk} de muestra se sustituye por la amplitud a'_{k} que
tendría la muestra si la señal se hubiera desplazado desde la
estación 10 de radio a través de la misma superficie de reflexión.
Utilizando la cuarta ley de potencia inversa generalmente aceptada
para la atenuación con la distancia recorrida, a'_{bk} puede
expresarse como
(11)a'{}_{b_{k}} =
\frac{A\mu_{k}}{d_{b_{k}}{}^{2}}
\hskip0,5cmpara k>0
donde A es la amplitud de la señal
de determinación de la distancia transmitida y a'_{k} puede
representarse
como
(12)a'{}_{k} =
\frac{B\mu_{k}}{d'{}^{2}{}_{k}}
\hskip0,5cmpara k>0
donde B es la amplitud de las
transmisiones desde la estación 10 de radio. Combinando las
ecuaciones (10), (11) y (12) se
obtiene
(13)a'{}_{k} =
\frac{Ba'{}_{b_{k}} \ d'{}^{2}_{b_{k}}}{A\left(d'{}^{2}_{0} +
d'{}_{0} d'{}_{b_{k}} \ cos\varphi'{}_{k} +
d'{}_{b_{k}}{}^{2}\right)}
\hskip0,5cmpara k>0
Sustituyendo d'_{bk} en la ecuación (9) por la
expresión de la ecuación (10), y a'_{bk} en la ecuación (9) por la
expresión de la ecuación (13) se obtiene la siguiente expresión para
el modelo ajustado a escala de la función de correlación de la señal
de determinación de la distancia recibida por la estación 20 de
destino, es decir, un modelo que representa una señal transmitida
por la estación 10 de radio y recibida en la estación 20 de
destino:
(14)R'{}_{b_{scaled}} \ (\tau) =
\sum\limits^{K'}_{k=1} \ \frac{Ba'{}_{b_{k}}
d'{}^{2}_{b_{k}}}{A(d'{}^{2}_{0} + d'{}_{0}d'{}_{b_{k}} \
cos'{}_{k} + d'{}_{b_{k}}{}^{2})} F' \left(\frac{\sqrt{d'{}^{2}_{0}
+ d'{}_{0}d'{}_{b_{k}} \ cos'{}_{k} +
d'{}_{b_{k}}{}^{2}}}{c}\right)
R'_{bscaled} (\tau) comprende datos medidos
derivados de la señal de determinación de la distancia recibida y
algunos parámetros que tienen valores desconocidos. Los datos
medidos son los datos de sondeo mencionados.
Debido a la reciprocidad, el modelo de la
ecuación (14) representa también una señal transmitida por la
estación 20 de destino y recibida en la estación 10 de radio. La
diferencia entre el modelo de la ecuación (6) y el modelo de la
ecuación (14) son las diferentes superficies de reflexión que
contribuyen a las reflexiones. Las superficies 40 y 50 de reflexión
locales respecto a la estación 10 de radio contribuyen al modelo de
ecuación (6) y la superficie 60 de reflexión local respecto a la
estación 20 de destino contribuye al modelo de ecuación (14).
En el bloque 154, los datos de sondeo para el
modelo de ecuación (14) se transmiten por la estación 20 de destino
y se reciben en la estación 10 de radio, donde pasa al primer 16
medio de procesamiento.
En el bloque 155 se realiza una comparación en el
primer medio de procesamiento entre los datos de sondeo para el
modelo ajustado a escala de la función de correlación de la señal de
sondeo recibida en la estación 10 de radio, tal como se define por
la ecuación (6), y los datos de sondeo para el modelo ajustado a
escala R'_{bscaled} (\tau) de la función de correlación de la
señal de determinación de la distancia (que funciona como una señal
de sondeo) recibida en la estación 20 de destino, tal como se define
por la ecuación (14), para evaluar la similitud de los datos de
sondeo. Esta similitud puede evaluarse por la correlación de los
datos. Si la comparación indica que los datos de sondeo para los dos
modelos ajustados a escala son diferentes, con respecto a un
criterio predeterminado, el flujo se traslada al bloque 156 de la
figura 5. Si la comparación indica que los datos de sondeo para los
dos modelos ajustados a escala son similares, con respecto a un
criterio predeterminado, el flujo se traslada al bloque 157 de la
figura 5. El primer caso puede aparecer si las mismas superficies de
reflexión contribuyen a los dos modelos, y el último caso puede
aparecer si diferentes superficies de reflexión contribuyen a los
dos modelos. En los dos bloques 156 y 157, el primer medio 16 de
procesamiento genera un modelo de la señal de determinación de la
distancia recibida en la estación 10 de radio.
En el bloque 156, este modelo comprende un
componente de trayecto directo y los dos modelos ajustados a escala
R_{bscaled}(\tau) y R'_{bscaled}(\tau) de la
siguiente manera:
(15)R(\tau) =
a_{0}F(d_{0}/c) e^{j\theta_{0}} + R_{b_{scaled}} (\tau) +
R'{}_{b_{scaled}}(\tau)
En el bloque 157, este modelo para R(t)
comprende un componente de trayecto directo y solamente uno de los
modelos ajustados a escala, R_{bscaled}(\tau) como en la
ecuación (7), o R'_{bscaled}(\tau), siendo esto
equivalente si los dos modelos ajustados a escala están
correlacionados. Desde los dos bloques 156 y 157 el flujo avanza con
el bloque 158, en el que se aplican las técnicas de estimación de
parámetros, tales como MEDLL o MMSE, al modelo R(t), siendo
cualquiera de las ecuaciones (7) o (15), para encontrar valores de
los parámetros que no pueden medirse. La precisión de la estimación
de parámetros se selecciona de tal manera que el modelo corresponde
a la función de correlación de la señal de determinación de la
distancia recibida según un criterio predeterminado. Una manera en
la que puede evaluarse el grado de correspondencia es medir el error
cuadrático medio entre el modelo y la función de correlación de la
señal de determinación de la distancia, en cuyo caso el criterio
predeterminado puede ser una magnitud de error cuadrático medio
predeterminada, o una variación máxima predeterminada del error
cuadrático medio entre las iteraciones de estimación de parámetros.
Una manera alternativa de medir el grado de correspondencia es medir
la variación en el valor de un parámetro para iteraciones de
estimación de parámetros consecutivas, finalizando la estimación
cuando la variación es inferior a un valor predeterminado. El lector
experto concebirá fácilmente criterios alternativos para evaluar la
precisión de la estimación de parámetros.
El flujo avanza desde el bloque 158 al bloque 106
y sigue de manera idéntica a la realización descrita con referencia
a la figura 2.
En las realizaciones descritas, la señal de
sondeo se transmite antes que la señal de determinación de la
distancia. Sin embargo, en general cualquier señal puede
transmitirse primero.
En la realización de las figuras 4 y 5, la señal
de determinación de la distancia, habiéndose transmitido por la
estación 20 de destino, se recibe y se procesa por la estación 20 de
destino como una señal de sondeo, además de recibirse y procesarse
por la estación 10 de radio. Sin embargo, en general, pueden
transmitirse señales independientes de sondeo y de determinación de
la distancia por la estación 20 de destino, transmitiéndose estas
señales independientes en cualquier orden.
Opcionalmente, la estimación de parámetros puede
aplicarse al modelo ajustado a escala R_{bscaled} (\tau) de la
función de correlación de la señal de determinación de la distancia
devuelta a la estación 10 de radio para crear estimaciones iniciales
para los parámetros que tienen valores desconocidos. Estas
estimaciones iniciales pueden utilizarse entonces en el modelo
R(\tau) de la función de correlación de la señal de
determinación de la distancia recibida. De manera similar, la
estimación de los parámetros puede aplicarse a R'_{bscaled}
(\tau) para generar estimaciones iniciales de los valores de los
parámetros.
Pueden utilizarse otros modelos de
R_{b}(\tau) y R'_{b}(\tau) diferentes a los
presentados en las realizaciones específicas. Por ejemplo, el modelo
puede no tener en cuenta la fase de los componentes de señal de la
señal recibida y hacer un modelo solamente de la envolvente. Un
modelo de este tipo podría adoptar la forma siguiente:
(16)R_{b}(\tau) =
\left|\sum\limits^{K}_{k=1} a_{b_{k}} \
F(d_{b_{k}}/c)\right|
Opcionalmente, pueden explotarse uno o más
valores del ángulo \varphi_{k} de llegada; en conjunción con
d_{0} el ángulo de llegada proporciona suficiente información para
calcular la localización de la estación 20 de destino con respecto a
la estación 10 de radio y a cada superficie 40, 50 de reflexión en
dos dimensiones. Por ejemplo, en un edificio las superficies 40, 50
de reflexión pueden ser paredes y la localización de un dispositivo
que comprende la estación 20 de destino puede calcularse con
respecto a las paredes y a la localización de un dispositivo
portátil llevado por un usuario que comprende la estación 10 de
radio.
Opcionalmente, antes de generar el modelo de la
función de correlación de la señal de sondeo R_{b}(\tau)
recibida en la estación 10 de radio, o la función de correlación de
la señal de determinación de la distancia R'_{b}(\tau)
recibida en la estación 20 de destino, la señal correspondiente
puede examinarse para evaluar si la caída de amplitud es,
aproximadamente, inversamente proporcional al retardo \tau. Esta
evaluación puede realizarse, por ejemplo, mediante ajuste de curvas.
Una caída de este tipo revela un gran número de reflectores
colocados al azar. Si la caída es aproximadamente inversamente
proporcional al tiempo, puede utilizarse un modelo simplificado en
el que los trayectos de la señal reflejada se representan por una
expresión de la forma \beta/\tau, es decir
R_{b} (\tau) =
\frac{\beta}{\tau}
y/o
R'(\tau) =
\frac{\beta'}{\tau}
siendo \beta y \beta'
parámetros libres en el proceso de
estimación.
Normalmente, la señal de determinación de la
distancia y la señal de sondeo pueden ser señales de espectro
ensanchado, aunque pueden utilizarse otros esquemas de transmisión
de señales.
Opcionalmente, pueden utilizarse otros métodos
para iniciar una transmisión de la señal de determinación de la
distancia desde la estación 20 de destino. Por ejemplo, la
transmisión de la señal de determinación de la distancia puede
iniciarse por transmisión desde la estación 10 de radio de una señal
distinta de la señal de sondeo. Como otro ejemplo, la estación 20 de
destino puede iniciar la transmisión de una señal de determinación
de la distancia de forma periódica.
Otro ejemplo de explotación de al menos un valor
de parámetro que resulta del proceso de estimación de parámetros es
el uso de tales valores en la ecualización de una señal de trayectos
múltiples. La amplitud a_{k} y el retardo \tau_{k}(o
equivalentemente la distancia d_{k} recorrida) de los componentes
de trayectos múltiples de la primera señal de radio pueden
caracterizarse por medio de ecuaciones (2) y (3) y por los valores
de los parámetros \theta_{bk}. Los componentes caracterizados
pueden combinarse coherentemente para producir una señal compuesta
que puede demodularse con una fiabilidad incrementada, o bien pueden
eliminarse componentes para permitir que el componente o los
componentes restantes se demodulen con una interferencia reducida de
los componentes eliminados.
Opcionalmente, la comparación del bloque 155 en
la figura 5 puede omitirse, en cuyo caso el funcionamiento del
bloque 157 se omite también, y el flujo continúa desde el bloque 154
al bloque 156, en el que el modelo comprende un componente de
trayecto directo y los dos modelos R_{bscaled}(\tau) y
R'_{bscaled}(\tau) ajustados a escala sin tener en cuenta
si los datos para R_{bscaled}(\tau) y
R’_{bscaled}(\tau) son similares. Esta opción puede
utilizarse, por ejemplo, para realizaciones en las que se sabe a
priori que la estación 10 de radio y la estación 20 de destino
tienen diferentes entornos de reflexión, aunque también puede
utilizarse donde los entornos de reflexión son similares.
Opcionalmente, los datos de sondeo pueden
derivarse solamente en la estación 20 de radio de destino y
transmitirse a la estación 10 de radio para utilizarse en la
generación del modelo de la función de correlación de la señal de
determinación de la distancia recibida. En este caso,
R_{bscaled}(\tau)se omite de la ecuación (15).
Esta opción puede utilizarse, por ejemplo, para realizaciones en las
que se sabe a priori que la estación 10 de radio y la
estación 20 de destino tienen entornos de reflexión similares.
Aparatos de radio para funcionar en un entorno de
propagación de señal por trayectos múltiples.
Claims (15)
1. Estación (10) de radio que comprende medios
(12) para recibir una primera señal de radio a través de un trayecto
directo y a través de al menos un trayecto reflejado, medios (16)
para crear un modelo de la primera señal de radio recibida, en los
que el modelo comprende al menos un parámetro, medios (16) para
estimar el valor del o de cada parámetro y medios (16) para explotar
al menos un valor de parámetro estimado, caracterizada porque
los medios (16) para crear el modelo de la primera señal recibida
utilizan al menos uno:
de los primeros datos de sondeo recibidos desde
la fuente que transmite la primera señal de radio y derivados de las
reflexiones recibidas de una primera señal (S_{3}) de sondeo
transmitida por esta fuente; y
de los segundos datos de sondeo derivados de las
reflexiones recibidas de una segunda señal (S_{1}, S_{2}) de
sondeo transmitida por la estación (10) de radio.
2. Estación (10) de radio según la reivindicación
1, que comprende medios (12) para transmitir la segunda señal
(S_{1} y S_{2}) de radio de sondeo, medios (12) para recibir
reflexiones de la segunda señal de radio de sondeo, y medios (16)
para derivar los segundos datos de sondeo de las reflexiones
recibidas de la segunda señal de radio de sondeo.
3. Estación (10) de radio según la reivindicación
1 ó 2, que comprende además medios (16) para comparar los primeros y
segundos datos de sondeo y medios (16) para utilizar los primeros y
segundos datos de sondeo para crear el modelo de la primera señal de
radio recibida si los primeros y segundos datos no son similares
según un criterio predeterminado y, de otro modo, para utilizar uno
de los primeros y segundos datos de sondeo para generar el
modelo.
4. Estación (10) de radio según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, en la que la explotación comprende una
de: determinación de la localización de una estación de radio,
determinación de la distancia y ecualización de la señal de radio
recibida.
5. Sistema de radio que comprende una primera y
una segunda estación (20, 10) de radio, en el que la primera
estación (20) de radio comprende medios (22) para transmitir una
primera señal de radio y la segunda estación (10) de radio es según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
6. Sistema de radio según la reivindicación 5, en
el que la primera estación (20) de radio comprende medios (22) para
transmitir la primera señal (S_{3}) de sondeo, medios (22) para
recibir las reflexiones de la primera señal de sondeo, medios (26)
para derivar los primeros datos de sondeo de las reflexiones
recibidas de la primera señal de sondeo, y medios (22) para
transmitir los primeros datos de sondeo.
7. Sistema de radio según la reivindicación 6, en
el que la primera señal (S_{3}) de sondeo es la primera señal de
radio.
8. Método para hacer funcionar un sistema de
radio, que comprende:
- transmitir una primera señal de radio desde una primera estación (20) de radio;
- recibir la primera señal de radio en una segunda estación (10) de radio a través de un trayecto directo y a través de al menos un trayecto reflejado;
- generar un modelo de la primera señal recibida en la segunda estación (10) de radio,
en el que el modelo comprende al menos un
parámetro; estimar el valor del o de cada parámetro; y explotar el
al menos un valor de parámetro estimado; caracterizado por
derivar al menos uno de:
los primeros datos de sondeo derivados de las
reflexiones recibidas de una primera señal (S_{3}) de sondeo
transmitida y recibida por la primera estación (20) de radio; y
los segundos datos de sondeo derivados de las
reflexiones recibidas de una segunda señal (S_{1}, S_{2}) de
sondeo transmitida y recibida por la segunda estación (10) de radio,
y
utilizar los datos de sondeo para crear el modelo
de la primera señal de radio recibida en la segunda estación (10) de
radio.
9. Método según la reivindicación 8,
comprendiendo en la primera estación (20) de radio:
transmitir la primera señal (S_{3}) de
sondeo;
recibir reflexiones de la primera señal de
sondeo,
derivar los primeros datos de sondeo de las
reflexiones recibidas; y transmitir los primeros datos de sondeo a
la segunda estación (10) de radio.
10. Método según la reivindicación 9, en el que
la primera señal (S_{3}) de sondeo es la primera señal de
radio.
11. Método según la reivindicación 8, 9 ó 10,
comprendiendo en la segunda estación (10) de radio:
transmitir la segunda señal (S_{1}, S_{2}) de
sondeo;
recibir reflexiones de la segunda señal de
sondeo;
derivar los segundos datos de sondeo de las
reflexiones recibidas.
12. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 11, que comprende comparar los primero y
segundos datos de sondeo y utilizar los primeros y segundos datos de
sondeo para crear el modelo de la primera señal de radio recibida si
los datos de sondeo no son iguales según un criterio predeterminado
y, de otro modo, utilizar uno de los primeros o segundos datos de
sondeo para crear el modelo.
13. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 12, en el que cada uno de al menos un parámetro
del modelo representa uno de: la distancia recorrida por la primera
señal de radio recibida a través del trayecto directo, una amplitud
recibida de la primera señal de radio recibida a través del trayecto
directo, un ángulo de llegada de la primera señal de radio recibida
a través del trayecto directo.
14. Método según la reivindicación 13, en el que
cada uno de al menos un valor de parámetro explotado representa uno
de: la distancia recorrida por la primera señal de radio a través
del trayecto directo, la amplitud recibida de la primera señal de
radio recibida a través el trayecto directo, el ángulo de llegada de
la primera señal de radio recibida a través del trayecto
directo.
15. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 14, en el que la explotación comprende uno de:
determinar una localización de una estación de radio, determinar la
distancia, ecualización de una señal de radio recibida.
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