SE509514C2 - Anordning och förfarande för att beräkna rörelsehastigheten hos en rörlig sändare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 509 514 2 Den från nmbiltelefonen nmttagna radiosignalen kan försvagas på grund av flervägsutbredning, så kallad fading.

Den typ av fading som i stort sett alltid förekommer i stadsbebyggelse är så kallad Rayleigh-fading. Rayleigh- fading orsakar periodiska försvagningar i. den nwttagna signalen, där avståndet i tid mellan försvagningarna beror på den hastighet med vilken mobiltelefonen förflyttar sig.

Sambandet mellan Rayleigh-fading och mobiltelefonens rörelsehastighet gör med andra ord att man kan bestämma den hastighet med vilken mobiltelefonen rör sig utgående från hur ofta den från mobiltelefonen mottagna signalen faller under en viss nivå.

Det kanadensiska patentet CA 2 056 914 redovisar en anordning vilken fungerar enligt ovan nämnda princip. Ett problem med denna anordning är att den förefaller vara inriktad på ett idealt system där den mottagna signalen är stark och störningsfri. I mobiltelefonisystem är den mottagna signalen emellertid ofta svag och har ett stort inslag av störningar. Störningarna kan vara andra radiosändningar eller mottagarbrus. Dessa störningar kan orsaka "falska" nivåunderskridanden. Det kan således bli svårt att utgående från den i CA 2 056 914 redovisade rörelsehastigheten hos en anordningen bestämma mobiltelefonen med användbar signifikans.

REnocönELsE FÖR UPPFINNINGEN: Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning' och ett förfarande son1 kan användas för att utgående från Rayleigh-fading bestämma den hastighet med vilken en radiosändare, exempelvis en mobiltelefon, förflyttar sig. Anordningen har god funktion även i brusig och störd miljö. 10 15 20 25 30 35 sne 514 3 Detta syfte uppnås med hjälp av en anordning vilken innefattar ett flertal. parallellkopplade lågpassfilter, vilka har inbördes olika gränsfrekvenser. Insignal till samtliga filter är den från radiosändaren mottagna signalen. Till varje filter hör en så kallad nivåkorsningsräknare, vilken räknar antalet gånger som utsignalen från filtret korsar en viss given referensnivå i antingen fallande eller stigande riktning.

Samtliga nivåkorsningsräknare är kopplade till en gemensam beslutsanordning, ett så kallat selectorblock, sonlutgående från utsignalerna från nivåkorsningsräknarna väljer det filter som är optimalt för den för tillfället nmttagna signalen.

Den sålunda valda utsignalen kan sedan användas för att bestämma radiosändarens rörelsehastighet.

Syftet med uppfinningen uppnås även med hjälp av ett förfarande i vilket ingår att man gör minst två parallella beräkningar av ett värde utgående från en radiosändares rörelsehastighet. Utgående från resultaten av beräkningarna fattar man sedan beslut om vilket av resultaten som skall användas för hastighetsberäkning.

BESKRIVNING AV RITNINGARNA: Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmare med hjälp av utföringsexempel och med hänvisning till de bifogade ritningarna, där Fig 1 schematiskt visar en abonnent i ett mobiltelefonisystem, Fig 2 visar karakteristiken hos en ideal, brusfri signal som är utsatt för Rayleigh-fading, 10 15 20 25 30 35 509 514 4 Fig 3 visar karakteristiken före respektive efter filtrering hos en svag, brusig signal som, är utsatt för Rayleigh-fading, Fig 4 visar en anordning enligt uppfinningen, Fig 5 visar den ideala filterkarakteristiken hos ett antal lâgpassfilter, och Fig 6 visar principen för olika gränsfrekvenser och överlappningar.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER: I fig 1 Mobiltelefonisystemet 100 är, som beskrivits ovan, indelat visas ett nnbiltelefonisystem 100. i celler. Cellerna är vanligtvis av ungefär samma storlek, men inom en cell kan man i områden med speciellt hög samtalstäthet inrätta mindre celler. De större cellerna kallas då makroceller och de mindre cellerna kallas mikroceller. I fig 1 visas tre makroceller 110, 120, 130, där det i en av makrocellerna, 110, finns en mikrocell 135.

I varje cell 110, 120, 130, 135 finns det en basstation, 111, 121, 131, 136, vilken sköter all kommunikation till och från mobiltelefoner. samtliga i respektive cell befintliga I mobiltelefonisystemet 100 i fig 1 finns det en abonnent, en mobil 105, vilken är belägen i cellen 130. All kommunikation till och från mobilen 105 sköts med andra ord från basstationen 131.

Mobilen 105 i fig 1 förflyttar sig med en rörelsehastighet v. Att mobilen 105 har en rörelsehastighet i förhållande till basstationen 131 gör att den frekvens som basstationen 131 mottar signalen från nwbilen 105 på kommer att vara 10 15 20 25 30 so9 s14 5 förskjuten i förhållande till den frekvens som signalen sändes ut på. Denna förskjutning i frekvens benämns dopplerskift.

Mobiltelefonisystemet 100 i fig 1 förutsätts vara beläget inom stadsbebyggelse, där det i stort sett alltid uppkommer så kallad Rayleigh-fading. Denna typ av fading ger, som. nämnts tidigare, upphov till försvagningar i signalen, där avståndet i tid nællan försvagningarna är proportionellt mot dopplerskiftet hos den mottagna signalen.

Förhållandet mellan Rayleigh-fading och dopplerskiftet hos signalen från mobilen 105 kan uttryckas utgående från det antal gånger som amplituden hos den från mobilen 105 mottagna signalen korsar en viss given referensnivå.

Därefter kan mobilens 105 rörelsehastighet beräknas.

Sambandet mellan Rayleigh-fading och dopplerskift kan matematiskt uttryckas på följande vis: NR=(21=)1/2-fD-s -etfi (1) där NR = Det antal gånger som referensnivån korsas per tidsenhet. fo = Uppkommet dopplerskift hos den mottagna signalen.

S = Referensnivån dividerad med den mottagna signalens RMS-nivå.

Av formel (l) framgår att den referensnivå, S, som används i beräkningarna kan väljas i stort sett godtyckligt, eftersom valet av S direkt påverkar NR. Referensnivân S divideras med den mottagna signalens medelvärde under en 509 514 10 15 20 25 30 6 viss tid, där nædelvärdet beräknas enligt RMS-metoden.

Tiden som används vid denna beräkning är företrädesvis samma som den tid under vilken hastighetsmätningen enligt uppfinningen görs, och är exempelvis i storleksordningen 500-1000 ms.

Av formel (1) framgår det vidare att det antal gånger, NR, som referensnivån S korsas av signalen är proportionellt mot fb, det dopplerskift som den mottagna signalen har. Ur detta kan rörelsehastigheten för nmbilen 105 beräknas, enligt följande: f fD=vl?š (2) där c = ljushastigheten f = den frekvens som mobilen sänder på I fig 2 visas ett diagram över amplituden som funktion av tiden hos en ideal, stark brusfri signal som är utsatt för Rayleigh-fading. I figuren visas även en tänkt referensnivå, TMF.

Som jämförelse till den ideala signalen i fig 2 visas i fig 3 ett diagram över amplituden som funktion av tiden hos en svag signal i brusig miljö. Även denna signal är utsatt för Rayleigh-fading. Till vänster om linjen Tm, visas signalen ofiltrerad, till höger om linjen visas motsvarande signal filtrerad. Det filter som har använts är ett anpassad till lâgpasssfilter vars gränsfrekvens är dopplerskiftet, fo, hos den signalen. En mottagna referensnivå, Tuf, samt signalens RMS-medelvärde TA har lagts in i diagrammet. Här kan nämnas att den referensnivå S vilken har använts i formel (1) ovan motsvarar TM dividerad med TA. 10 15 20 25 30 35 sne 514 7 Som framgår av diagrammet i fig 3 orsakar bruset att referensnivån, Tmï, korsas oftare än vad Rayleigh-processen ger upphov till. Den filtrerade signalen korsar bara referensnivån en gång, medan den ofiltrerade signalen uppvisar ett stort antal korsningar av referensnivân.

Dessa "falska" korsningar kommer följaktligen att ge upphov till felaktigheter vid beräkning av nwbilens 105 rörelsehastighet.

Som. har framgått ovan kommer frekvensinnehållet, i den mottagna signalen att variera beroende på nmbilens 105 rörelsehastighet. Att frekvensinnehållet i den mottagna signalen varierar gör att problemet med den i fig 3 visade svaga och brusiga signalen inte kan lösas med en konstruktion med bara ett filter. En sådan lösning skulle nämligen i många situationer filtrera bort även komponenter av den utsända signalen. Detta problem löses enligt uppfinningen med hjälp av en adaptiv anordning, vars principiella uppbyggnad visas i fig 4.

Anordningen 400 enligt uppfinningen innefattar ett antal, N, filter 414, 424, vilka är parallellkopplade. Samtliga filter 414, 424 är lågpassfilter, med inbördes olika gränsfrekvens, där gränsfrekvensen, fn, för filter n (0 < n < N) är högre än gränsfrekvensen fw för filter n-1, vilket i sin tur har högre gränsfrekvens än filter n-2, och så vidare. Denna princip, N stycken lågpassfilter' med successivt stigande gränsfrekvens, visas schematiskt i fig 5.

För varje filter n gäller att dess gränsfrekvens fn begränsar det maximala antalet gånger sonl en brusfri, ostörd nyttosignal kan korsa en viss given referensnivå.

Detta antal kan räknas ut, eller mätas upp, och bestäms av nyttosignalens dopplerskift, fo. Man kan med andra ord säga 10 15 20 25 30 35 509 514 8 att varje filter 414, 424 i anordningen 400 är anpassat för ett visst högsta fb.

Anordningen 400 enligt uppfinningen väljer adaptivt utsignalen från det filter 414,424 som är optimalt för tillfället, med andra ord det filter som bäst filtrerar bort brus och inverkan på “nyttosignalen“. Valet sker genom att samtliga filter 414, störningar med minimal 424 5. anordningen enligt uppfinningen är kopplade till varsin nivåkorsningsräknare, LCR, Level Crossing Detector 434, 444, där LC&1räknar det antal gånger som utsignalen från filter 11 i en riktning, fallande eller stigande, korsar den referensnivå som används i beräkningarna enligt formeln (1).

Samtliga i anordningen ingående LCR:er 434, 444, är kopplade till en gemensam beslutsanordning 454, ett så kallat selectorblocket 454 information om ovan nänmnda gränsvärde för varje i selectorblock. I lagras anordningen ingående LCR.

Som har beskrivits ovan sätts referensnivån utgående från medelvärdet av den mottagna signalen under mättiden. Det använda gränsvärdet för LCR:erna 434,444 kan variera om kvoten mellan referensnivån och medelvärdet av den mottagna signalen varierar.

I anordningen 400 enligt uppfinningen används för varje filter ett gränsvärde vilket understiger det maximala antalet gånger sonlen brusfri, ostörd nyttosignal kan korsa en viss given referensnivå efter filtret. Hur detta gränsvärde används kommer att förklaras närmare nedan.

För att kunna välja utsignal från det filter 414, 424 som har optimal gränsfrekvens för den för tillfället mottagna signalen utvärderar selectorblocket 454 värdena från de 10 15 20 25 30 35 509 s14i 9 olika LCR-blocken 434, 444, med början på LCRV LCR0är, som förklarats ovan, kopplat till filter 0, vilket är det filter som har lägst gränsfrekvens. Om värdet från LCRO understiger det ovan nämnda gränsvärdet för filter 0 anses värdet från LCRO vara sant.

Om värdet från LCRO däremot överstiger det ovan nämnda gränsvärdet anses utsignalen från det till LCRO hörande filtret ha ett alltför stort antal nivåkorsningar. Detta innebär att filter (J har för låg gränsfrekvens, fo, i förhållande till den mottagna signalen. Selectorblocket 454 utvärderar då nästa LCR, vilket upprepas tills man har hittat en LCR vars värde bedöms vara sant, med andra ord ligger under gränsvärdet för det tillhörande filtret.

Det värde på antal korsningar som har bedömts som sant används sedan för att beräkna mobilens hastighet, företrädesvis utgående från formlerna (1) och (2) ovan.

Här inses att en av anledningarna till att de använda gränsvärdena understiger det maximala antalet korsningar som kan fås för respektive filter är att man vill kunna detektera när antalet korsningar efter ett visst filter närmar sig det maximala värdet. Överskridanden av det maximala värdet kan givetvis definitionsmässigt ej inträffa och kan därmed ej detekteras.

För att smärre fluktuationer i den mottagna signalen inte skall orsaka nivâkorsningar förses LCR-blocken 434, 444 med en så kallad hysteresfunktion. Denna funktion innebär att efter det att den referensnivân måste signalen nå ett visst värde ifrån mottagna signalen har korsat referensnivån för att nästa korsning skall accepteras. Ett exempel på en “hysteresnivå" visas i fig 3 med linjen Tmg. 10 15 20 25 30 35 509 514 10 Att gränsvärdet, med andra ord det antal korsningar vid vilket selectorblocket övergår från att utvärdera filter numer n till att utvärdera filter nummer n+1 understiger det maximala antalet korsningar för filter nummer n bidrar även till att man får jämna övergångar vid selectorblockets 454 byte mellan filtren 414, 424. Principen för detta kan inses med hjälp av fig 6, av vilken även framgår den begränsande inverkan som de olika filtrens 414, 424 gränsfrekvenser har på det beräknade dopplerskiftet.

I fig 6 visas beräknat dopplerskift hos en mottagen signal som funktion av den mottagna signalens sanna dopplerskift.

Beräkningen av den mottagna signalens dopplerskift görs med hjälp av utsignalerna från nivåkorsningsräknarna i en anordning enligt uppfinningen där antalet filter och därmed antalet LCR:er är 3, LCR (0-2).

Insignalen, Sh, ges ett konstant ökande dopplerskift fo. I figuren visas fD(0), fD(1) och fD(2), med andra ord de beräknade dopplerskift som fås utgående från värdena hos LCR (0-2).

I figuren kan ses att fD(0) har en god överensstämmelse med insignalens dopplerskift upp till en viss nivå, vilken orsakas av gränsfrekvensen för filter 0, fo. För signaler vars dopplerskift ligger över denna nivå kommer kurvan över fD(0) att vara väsentligen konstant.

Pâ motsvarande vis följer fD(l) insignalens dopplerskift upp till en högre nivå. Eftersom gränsfrekvensen för filter 1 är högre kommer emellertid utsignalen från filter 1 att kunna variera kraftigt vid låga fb, beroende på aktuell nivå hos brus och andra störningar. Detta visas med det skuggade området A, inom vilket fD(1) kommer att variera beroende på störningsnivån. 10 15 20 25 30 509 51,4 ll På sama vis följer fD(2) insignalens dopplerskift upp till en högre nivå, men fD(2) kommer även att kunna variera inom ett större område, med andra ord summan av de skuggade områdena A och B.

I fig 6 visas även, med heldragna horisontella streck, gränsvärdena flw Tloch TP Gränsvärdet Tnär det gränsvärde vid vilket beslutsanordningen 454 övergår från att använda värden från LCR, till att använda värden från LCRM4. Som framgår av bilden läggs dessa gränsvärden T, under' de värden som utsignalen från filtren antar när utsignalen övergår från att vara väsentligen linjär till att vara väsentligen konstant.

Uppfinningen är inte begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven. Exempelvis behöver en.anordning enligt uppfinningen inte använda sig av en hysteresnvå.

Vidare kan den gräns där övergången mellan utvärdering av två på varandra följande filter sker läggas godtyckligt.

Uppfinningen kan vidare användas i andra sammanhang än mobiltelefoni, där det föreligger ett behov av att kunna skilja ut en svag insignal från brus och andra störningar.

De i anordningen ingående filtren 414, 424 kan vara uppbyggda enligt ett stort antal principer och kan vara utförda i olika kombinationer av hårdvara och mjukvara.

Eftersonlprinciperna för filterkonstruktion är välkända för fackmannen har filtrens uppbyggnad inte beskrivits närmare här.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 509 514 12 107945 USN 1997-06-06 PATENTKRAV :

1. Anordning (400) för att vid mottagning av en radiosignal från en rörlig sändare (105) beräkna rörelsehastigheten hos sändaren (105) utgående från Rayleigh-fading hos den mottagna radiosignalen, vilken anordning (400) innefattar medel (4l4,434;424,444) vilka var för sig beräknar ett värde utgående från minst ett första och ett andra sändarens rörelsehastighet, och 'vilka första och andra medel (414,434;424,444) är anslutna till en gemensam beslutsanordning (454), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att beslutsanordningen (454) är inrättad att välja värdet från det medel (4l4,434;424,444) som är hastighetsberäkning. optimalt för nämnda

2. Anordning (400) enligt krav 1, k ä n n e te c k n a d d ä r a v att vart och ett av de första och andra medlen (414,434;424,444) för att beräkna ett värde sändarens rörelsehastighet (4l4,424) utgående från innefattar minst ett filter och minst en nivåkorsningsräknare (434,444).

3. Anordning (400) enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att filtren (414,424) i de första och andra medlen (414,434;424,444) för att beräkna ett värde utgående från sändarens rörelsehastighet är lågpassfilter vilka har olika gränsfrekvens, där det första medlets lågpassfilter har en lägre gränsfrekvens än det andra medlets lågpassfilter.

4. Anordning (400) enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att 10 15 20 25 30 35 so9 514 Qi 13 - den mottagna radiosignalen utgör insignal för varje i anordningen ingående filter (4l4,424); - utsignalen från varje i anordningen (400) ingående filter (414,424) utgör insignal till respektive filters nivåkorsningsräknare (434,444); - utsignalerna från nivåkorsningsräknarna (434,444) utgör insignal till beslutsanordningen (454).

5. Anordning (400) enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att beslutsanordningen (454) är försedd med medel för att: - jämföra utsignalen från det första filtrets (414) nivåkorsningsräknare (434) med ett för den nivåkorsningsräknaren (434) förutbestämt gränsvärde; - onm det förutbestämda gränsvärdet ej överstigs godta utsignalen från det första filtrets (414) nivåkorsningsräknare (434); - om det förutbestämda gränsvärdet överstigs jämföra, i stigande från varje ordning, utsignalen nivåkorsningsräknare med ett för varje nivåkorsningsräknare förutbestämt gränsvärde, och det första värde som ej överstiger det förutbestämda nivåkorsningsdetektor gränsvärdet för motsvarande godtas.

6. Anordning (400) enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att nivåkorsningsräknarna (434,444) har en hysteresfunktion.

7. Anordning (400) enligt något av föregående krav, kännetecknad därav attdenvidare innefattar en beräkningsanordning, vilken är inrättad att utgående från godtagen utsignal från en av nämnda (434,444) nivåkorsningsdetektorer beräkna en rörelsehastighet. 10 15 20 25 30 35 509 514 14

8. Förfarande för att, vid mottagning av en radiosignal från en rörlig sändare (105), beräkna rörelsehastigheten hos sändaren (105) utgående från Rayleigh-fading hos den mottagna radiosignalen, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den innefattar följande steg: - minst två parallella beräkningar av ett värde utgående från sändarens rörelsehastighet görs; - resultaten av beräkningarna används som grund för att fatta ett beslut; - beslutet är ägnat att välja det värde som är optimalt för nämnda hastighetsberäkning.

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att var och en av de parallella beräkningarna görs med hjälp av minst ett filter (414, 424) och minst en nivåkorsningsräknare (434, 444).

10. Förfarande enligt något av kraven 8 eller 9, d ä r a v att de filter (414, 424) som används i beräkningarna är lâgpassfilter vilka har k ä n n e t e c k n a t olika gränsfrekvens.

11. Förfarande enligt något av kraven 8-10, k ä n n e t e c k n a t d äjr a v att - den mottagna radiosignalen används som insignal för varje i anordningen ingående filter (414,424); - utsignalen från varje i anordningen (400) ingående filter (4l4,424) används som insignal till respektive filters nivåkorsningsräknare (434,444); - utsignalerna från (434,444) används som insignal till en beslutsanordning (454). nivåkorsningsräknarna

12. Förfarande enligt något av kraven 8-11, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att beslutsanordningen (454) är inrättad att utföra följande steg: 10 15 20 25 509 514 15 - utsignalen från den nivåkorsningsräknare (434) vilken hör till det filter (414) som har lägst gränsfrekvens jämförs med ett för den nivåkorsningsräknaren förutbestämt gränsvärde; - om det förutbestämda gränsvärdet ej överstigs godtas utsignalen från den nivåkorsningsräknare (434) vilken hör till det filter (414) som har lägst gränsfrekvens; - om det förutbestämda gränsvärdet överstigs jämförs, i stigande ordning med avseende på de tillhörande filtrens utsignalen från varje nivåkorsningsräknare med ett för varje nivåkorsningsräknare förutbestämt gränsvärde, och det första värde som ej överstiger det förutbestämda nivåkorsningsdetektor gränsfrekvens, gränsvärdet för motsvarande godtas.

13. Förfarande enligt något av kraven 8-12, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att i nivâkorsningsräknarna (434,444) ingår en hysteresfunktion.

14. Förfarande enligt något av kraven 8-13, kännetecknat därav attdetvidare innefattar en beräkningsanordning, vilken är inrättad att utgående från godtagen utsignal från en av nämnda (434,444) nivåkorsningsdetektorer beräkna en rörelsehastighet.