JP2020533569A - 複数の通信経路が存在する場合の正確な無線周波数位置特定用の粗い飛行時間推定と細かい飛行時間推定のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2017年9月6日に出願された米国特許出願第15/697,284号の優先権を主張し、2016年6月3日に出願された米国特許出願第15/173,531号の一部継続出願であり、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
ここで、Aはチャネルの損失、ΔTはチャネルの遅延である。図7Aは、一実施形態に係る理想的なチャネルの位相応答を示す。垂直軸上の位相202および水平軸上の周波数204のプロットは、理想的なチャネル210を、2π*ΔTに対応する傾きを有する直線として示している。
ここで、Cは光速である。
ここで、Akは各経路の振幅、ΔTkは各経路の遅延である。その結果、チャネル応答は位相が直線と異なる。図7Bは、一実施形態に係る非理想的なチャネルの位相応答を示す。垂直軸上の位相252と水平軸上の周波数254のプロットは、理想的でないチャネル260を示している。
ここで、S{H(f)}は、チャネル応答測定からの最小遅延抽出の結果である。つまり、min{ΔTk}に等しくなければならない。
測距測定のコンテキストでは、チャネル応答の形式は、
H(f)=H(n*fsub)=ΣAkej2πfΔTk=ΣAk(ej2πfsubΔTk)n=ΣAk(λ)n
の同様のフォーマットを有し、ここで、周波数領域の測定は、fsub(サブキャリア周波数)で等間隔に配置された周波数で実行される。
別の一実施形態では、多重信号分類(MUSIC:multiple signal classification)アルゴリズムが使用され得る。MUSICは、高調波信号の合計からなる信号モデリングに基づく。
マトリクスペンシルの場合と同様に、チャネル応答は次のように記述できる。
次に、アルゴリズムは測定結果X(n)に基づいてAkとwkを抽出し、遅延要素は次のように計算できる。ΔTk=wk/(2πfsub))
本明細書で説明するシステムでは、ノイズ、数値誤差、およびその他のそのような制限により、誤った遅延が推定される可能性がある。実際の時間よりも長い遅延が推定される場合、最短の遅延のみが距離関連の遅延計算に使用されるため、時間遅延の結果には影響しない。一方、飛行時間よりも短い遅延が推定される場合、実際の飛行時間遅延と誤解される可能性がある。したがって、時間遅延の推定精度を向上させるために、偽のショートパスを排除することが重要である。したがって、一実施形態では、この誤差を修正するシステムが実装される。
T4とT1は同じクロックでサンプリングされるため、T4とT1の間に任意の位相はない。したがって、T4−T1は時間的に正確であり、同じ原則がT3−T2にも適用される。したがって、この測定は、このシステムの非同期性に起因する2つのデバイス間の位相ウォークの影響を受けない。前の実施形態と同様に、この測定は、T1/T2/T3/T4のサンプリングクロック周期の分解能によって制限される。この精度を向上させるために、両方のデバイスで周波数応答測定を実行できる。デバイス820は、デバイス810からのパケットを使用してチャネル応答を測定し、デバイス810は、デバイス820からのパケットを使用してチャネル応答を測定する。2つのデバイスは同期していないため、2つのクロック間の位相には不確実性があり、ここではTオフセットとして注釈が付けられている。クロックのこの位相オフセットは、各側のチャネル応答測定の余分な位相として現れるが、両側からのチャネル応答を乗算することで除去できる。チャネル応答が以前と同じであると仮定すると、デバイス820からの測定値は、以下のようになる。
デバイス810からの測定値は、以下のようになる。
したがって、結合されたチャネル応答は
H810(f)H820(f)=H(f)2=(ΣAke−j2πfΔTk)2
これにより、2つのクロック間の位相差が相殺される。前の実施形態と同様に、例えば、マトリクスペンシル、MUSICなどのアルゴリズムを使用して、2min{ΔTk}を生成するH810(f)H820(f)からの遅延を推定することができ、距離測定は
距離=[(T4−T1)/2−(T3−T2)/2−S{H810(f)H820(f)}/2]×Cで与えられる。
Tオフセットは、分割されたチャネル応答の位相勾配の半分である。どちらの方向のチャネル応答も、計算されたオフセットによって修正できる。距離推定値は、次のように計算できる。
または
距離=[(T4−T1)/2−(T3−T2)/2−S{H820(f)}+Tオフセット]×C
この方法には、乗算法よりも利点がある。H(f)2チャネル応答には、各経路の振幅と距離の2倍の項と、2経路並べ替えごとのクロス項が含まれる。これは、A810 2ej2πf2ΔT1、A820 2ej2πf2ΔT2、およびA810A820ej2πf(ΔT1+ΔT2)の2経路の場合である。細かい推定方法は、単方向チャネル応答H(f)に適用した場合、区別する経路が少なくなり、ダイナミックレンジが低くなるため、ノイズに対してより効果的で堅牢になる。
Claims (29)
- 無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定のための非同期システムであって、
1つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第1のパケットを有する第1のRF信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するためのRF回路とを有する第1の無線ノードと、
第2のパケットを有する第2のRF信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内で前記第1の無線ノードと双方向通信を可能にするための送信機および受信機を備えた無線デバイスを有する第2の無線ノードとを備え、前記第1の無線ノードの前記1つ以上の処理ユニットは、前記第1および第2の無線ノードのチャネル情報を用いて、前記第1および第2のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される非同期システム。 - 前記第1の無線ノードは第1の基準クロック信号を有し、前記第2の無線ノードは第2の基準クロック信号を有する、請求項1に記載の非同期システム。
- 前記第1および第2のパケットの前記粗い飛行時間推定値は、前記第1の無線ノードが前記第1のパケットを送信する第1の時刻、前記第2の無線ノードが前記第1のパケットを受信する第2の時刻、前記第2の無線ノードが前記第2のパケットを送信する第3の時刻、および前記第1の無線ノードが前記第2のパケットを受信する第4の時刻に基づく、請求項2に記載の非同期システム。
- 前記粗い飛行時間推定値は、送信または受信のタイミングを検出する回路を制御するためのfsの周波数を有するサンプリングクロックの時間分解能によって制限される分解能を有する、請求項3に記載の非同期システム。
- 前記第1の無線ノードのチャネル情報は、前記第2のパケットのチャネル応答の第1の測定値を含み、前記第2の無線デバイスのチャネル情報は、前記第1のパケットのチャネル応答の第2の測定値を含む、請求項3に記載の非同期システム。
- 粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされた順方向チャネル応答は、線形位相の加算としてクロック位相オフセットを第2の測定値へ適用することを含む、請求項5に記載の非同期システム。
- 粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされた逆方向チャネル応答は、線形位相の減算としてクロック位相オフセットを第1の測定値に適用することを含む、請求項6に記載の非同期システム。
- マトリクスペンシルおよびMUSICアルゴリズムのうちの少なくとも1つが、組み合わされた順方向チャネル応答および組み合わされた逆方向チャネル応答からの複数の経路の最小遅延を推定するために使用される、請求項7に記載の非同期システム。
- 前記第1および第2の無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードレス三角測量に基づいて、前記第1および第2の無線ノードの相対または絶対位置を特定するために使用される、請求項8に記載の非同期システム。
- 前記第1の無線ノードと第2の無線ノードとの間の距離は、複数の無線センサノードを有する無線センサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために使用される位置特定情報を特定するために使用される、請求項8に記載の非同期システム。
- 前記第1および第2の無線ノードのチャネル情報を使用して、前記第1および第2のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを少なくとも部分的に特定するための命令を実行するように構成された1つ以上の処理ユニットを備えたリモートデバイスをさらに含む、請求項1に記載の非同期システム。
- 無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定のための同期システムであって、
1つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第1のパケットを有する第1のRF信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するためのRF回路とを有する第1の無線ノードと、
第2のパケットを有する第2のRF信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内で前記第1の無線ノードと双方向通信を可能にするための1つ以上の処理ユニットおよびRF回路を備えた無線デバイスを有する第2の無線ノードとを備え、前記第1の無線ノードの前記1つ以上の処理ユニットは、前記第1および第2の無線ノードのチャネル情報を用いて、前記第1および第2のパケットの粗い飛行時間推定値と、精密な飛行時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成され、前記第1および第2の無線ノードは同じ基準クロック信号を有する同期システム。 - 前記第1および第2のパケットの前記粗い飛行時間推定値は、前記第1の無線ノードが前記第1のパケットを送信する第1の時刻、前記第2の無線ノードが前記第1のパケットを受信する第2の時刻、前記第2の無線ノードが前記第2のパケットを送信する第3の時刻、および前記第1の無線ノードが前記第2のパケットを受信する第4の時刻に基づく、請求項12に記載の同期システム。
- 前記粗い飛行時間推定値は、送信または受信のタイミングを検出する回路を制御するためのfsの周波数を有するサンプリングクロックの時間分解能によって制限される分解能を有する、請求項13に記載の同期システム。
- 前記第1の無線ノードのチャネル情報は、前記第2のパケットのチャネル応答の第1の測定値を含み、前記第2の無線デバイスのチャネル情報は、前記第1のパケットのチャネル応答の第2の測定値を含む、請求項14に記載の同期システム。
- 粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされたチャネル応答が、前記第1の無線ノードと前記第2の無線ノードとの間の複数経路の最小遅延を推定する前に、線形位相シフトの加算として粗い遅延を前記チャネル応答に適用することを含む、請求項15に記載の同期システム。
- マトリクスペンシルおよびMUSICアルゴリズムのうちの少なくとも1つが、前記第1の無線ノードと前記第2の無線ノードとの間の複数経路の最小遅延を推定するために使用される、請求項16に記載の同期システム。
- 前記粗い遅延のない前記チャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項16に記載の同期システム。
- 前記粗い遅延のある前記組み合わされたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項16に記載の同期システム。
- 装置であって、
命令を保存するためのメモリと、
無線ネットワークアーキテクチャ内で複数のセンサノードを制御し、前記複数のセンサノードの位置を特定するための命令を実行する1つ以上の処理ユニットと、
送信機と受信機を備えた無線デバイスをそれぞれ有する前記複数のセンサノードと通信を送受信する無線周波数(RF)回路であって、前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記装置の前記RF回路との双方向通信を可能にするRF回路とを含み、前記装置の前記1つ以上の処理ユニットは、第1のパケットを有する第1のRF信号をセンサノードに送信し、前記センサノードから第2のパケットを有する第2のRF信号を受信し、前記第1および第2の無線ノードのチャネル情報を使用して、前記第1および第2のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される装置。 - 前記装置は第1の基準クロック信号を有し、前記センサノードは第2の基準クロック信号を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1および第2のパケットの前記粗い飛行時間推定値は、前記装置が前記第1のパケットを送信する第1の時刻、前記センサノードが前記第1のパケットを受信する第2の時刻、前記センサノードが前記第2のパケットを送信する第3の時刻、および前記装置が前記第2のパケットを受信する第4の時刻に基づく、請求項21に記載の装置
- 前記装置のチャネル情報は、前記第2のパケットのチャネル応答の第1の測定値を含み、前記センサノードのチャネル情報は、前記第1のパケットのチャネル応答の第2の測定値を含む、請求項22に記載の装置。
- 組み合わされたチャネル応答は、前記第1測定値と前記第2測定値を乗算して前記第1の基準クロック信号と前記第2の基準クロック信号との間の位相差を相殺することを含み、前記組み合わされたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項23に記載の装置。
- 分割されたチャネル応答は、前記第1の測定値を前記第2の測定値で除算して前記第1の基準クロック信号と前記第2の基準クロック信号との間の位相差を推定することを含み、前記分割されたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項23に記載の装置。
- 第1のループバック較正信号を生成し、この第1ループバック較正信号を第1のノードの送信チェーンと受信チェーンに通すことにより、第1のノードの送信チェーンと受信チェーンを有するRF回路の少なくとも1つのコンポーネントの較正を、処理ロジックを使用して開始することと、
前記第1のループバック較正信号を前記送信チェーンに通すための第1の送信時間遅延、および前記第1のループバック較正信号を前記第1のノードの前記受信チェーンに通すための第1の受信時間遅延を測定することとを含む方法。 - 第2のループバック較正信号を第2のノードの送信チェーンに通すための第2の送信時間遅延、および前記第2のループバック較正信号を前記第2のノードの受信チェーンに通すための第2の受信時間遅延を測定することと、
前記第1の送信時間遅延および前記第1の受信時間遅延に基づいて、前記第1のループバック較正信号の第1の時間遅延を計算することと、
前記第2の送信時間遅延および前記第2の受信時間遅延に基づいて、前記第2のループバック較正信号の第2の時間遅延を計算することとをさらに含む、請求項26に記載の方法。 - 前記第1のループバック較正信号の前記第1の時間遅延および前記第2のループバック較正信号の前記第2の時間遅延に基づいて、前記第1のノードと前記第2のノードとの間で通信を送信するための測定された往復時間を補正することと、
前記第1および第2のノードの前記送信チェーンおよび前記受信チェーンの周波数応答を較正することとをさらに含む、請求項27に記載の方法。 - 前記較正は、センサノードの無線ネットワークの通常の動作中に定期的に行われ、経時的にハードウェア遅延および非理想性の変化および温度を自動的に較正および修正可能にする、請求項26に記載の方法。
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