WO2020245325A1 - Procédé et dispositif pour l'estimation de l'instant d'arrivée d'un message - Google Patents

Procédé et dispositif pour l'estimation de l'instant d'arrivée d'un message Download PDF

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WO2020245325A1
WO2020245325A1 PCT/EP2020/065566 EP2020065566W WO2020245325A1 WO 2020245325 A1 WO2020245325 A1 WO 2020245325A1 EP 2020065566 W EP2020065566 W EP 2020065566W WO 2020245325 A1 WO2020245325 A1 WO 2020245325A1
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WO
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correlation
sample
instant
signal
message
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PCT/EP2020/065566
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Jan Mennekens
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Uwinloc
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    • G01S13/76—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein pulse-type signals are transmitted
    • G01S13/765—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein pulse-type signals are transmitted with exchange of information between interrogator and responder
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    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location

Definitions

  • the present invention belongs to the field of geolocation of a transmitter device of a wireless communication system. More particularly, the invention relates to a method and a device for estimating the time of arrival of a message transmitted by a sender.
  • the present invention finds a particularly advantageous application, although in no way limiting, in the geolocation systems of a transmitter device of a wireless communication system.
  • Such a sending device can for example correspond to a connected label stuck on an object in an industrial zone (for example a package or an item of equipment stored in a hangar).
  • the tag includes, for example, an electronic chip and an antenna in order to transmit a radio signal to receiving devices, called "beacons", positioned in said industrial zone.
  • the radio signal sent to the beacons for example, carries a message corresponding to an identifier of the tag.
  • Each beacon that receives the message sent by the tag then estimates an arrival time of the message.
  • differences of arrival times (“Time Difference Of Arrivai” or TDOA in English literature)
  • a server which collects all the arrival times estimated by the various beacons, and which knows the geographical positions of said beacons, is then able to estimate the geographical position of the label.
  • the precision of the estimate of the geographic position of the tag depends on the precision of the estimate of the time of arrival of the message by each beacon.
  • a beacon can sample the received signal and calculate correlation values of the received signal with a reference signal from the signal samples. In particular, a correlation value can be calculated for each sample.
  • a correlation peak whose value is greater than a predetermined threshold may correspond to the detection of a message. It is then possible to estimate the instant of arrival of the message as a function of the correlation peak.
  • the instant of arrival of the message is for example estimated as being the instant of the sample for which the correlation value passes above the threshold, or the instant of the sample for which a maximum correlation value is reached before going back below the threshold.
  • the precision of the estimate of an instant of arrival of a message then depends on the sampling frequency of the received signal: the higher the sampling frequency, the greater the precision of the estimate arrival is great.
  • the increase in the sampling frequency is necessarily limited, whether for reasons of cost, energy consumption, or even technological constraints.
  • the precision of the estimate of an instant of arrival of a message also depends on the quality with which the signal is received, in particular in terms of signal-to-noise ratio (“Signal-to-Noise Ratio” or SNR in the Anglo-Saxon literature).
  • Disclosure of the invention The object of the present invention is to remedy all or part of the drawbacks of the prior art, in particular those described above.
  • a method for estimating, by a receiving device, the instant of arrival of a message transmitted in the form of a radio signal by a transmitter device comprises a sequence of bits, each bit being modulated by a code comprising several symbols.
  • the process comprises the following steps:
  • the calibration phase is implemented prior to the reception of the signal whose time of arrival is sought to be determined.
  • the invention may also include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination.
  • the first threshold and the second threshold have the same value.
  • the first threshold and the second threshold have different values.
  • the first threshold corresponds to the correlation threshold and the second threshold corresponds to an average level of correlation noise.
  • an average correlation noise level may correspond to an average value calculated from a set of correlation values obtained during a time window of predetermined duration. In such a case, the average level of correlation noise may vary over time. According to another example, an average level of correlation noise may correspond to a predetermined fixed value calculated during a calibration phase.
  • the correction values of the calibration table are obtained during the preliminary calibration phase by measuring an error on the instant of detection of a correlation peak and a width of said correlation peak for different distances separating the transmitting device and the receiving device, or for different signal-to-noise ratio levels of the signal transmitted by the transmitting device.
  • the calibration phase thus makes it possible to obtain a table comprising correction values to be applied for different correlation peak widths. It is then possible to determine, for example by methods linear or polynomial regression, a correction value to be applied at an instant of detection of a correlation peak as a function of the width of said correlation peak.
  • the radio signal is an ultra wide band signal.
  • the ultra-wideband signal is modulated with an “all or nothing” type modulation.
  • the present invention relates to a receiving device implementing a method for estimating the instant of arrival of a message transmitted in the form of a radio signal by a transmitting device.
  • Said message comprises a sequence of bits, each bit being modulated by a code comprising several symbols.
  • the receiving device is configured for:
  • FIG. 1 a schematic representation of a geolocation system of a transmitting device
  • FIG. 2 a schematic representation of a code used to encode a bit of a sequence of bits to be transmitted, as well as the associated signal
  • FIG. 3 a schematic representation of a correlation signal generated by a receiving device from a signal carrying a sequence of bits transmitted by a transmitting device
  • FIG. 4 a schematic representation of a correlation peak for a correlation signal such as that described in Figure 3,
  • FIG. 5 a schematic illustration of the impact of the value of the signal-to-noise ratio on the width of a correlation peak and on the precision of the moment of detection of the correlation peak
  • FIG. 6 a schematic representation of the main steps of a method for estimating the instant of arrival of a message according to the invention
  • FIG. 7 a schematic illustration of a particular embodiment of the method for estimating the instant of arrival of a message according to the invention
  • FIG. 8 a schematic illustration of an embodiment of a calibration phase for the method of estimating the instant of arrival of a message according to the invention.
  • the present invention aims to provide a solution for optimizing the estimation of the time of arrival of a message at a receiving device.
  • FIG. 1 schematically represents such a geolocation system 10.
  • the geolocation system 10 comprises at least one transmitter device 11, a plurality of receiver devices 12, as well as a server 13 connected to the various receiver devices.
  • a message is sent by a transmitter device 1 1 to each receiver device 12 in the form of a radio signal conveyed on a wireless communication link 14.
  • radioelectric signal or “radio signal” is meant an electromagnetic wave propagating via wireless means, the frequencies of which are included in the traditional spectrum of radio waves (a few hertz to several hundred gigahertz).
  • the transmitter device 1 1 comprises wireless communication means, considered to be known to those skilled in the art, allowing the transmitter device 1 1 to send messages in the form of radio signals to the receiver devices 12 of the system. 10 of geolocation.
  • Such means can in particular include a processor, a local oscillator, analog and / or digital filters, a digital / analog converter, a power amplifier, an antenna, etc.
  • the receiver device 12 comprises wireless communication means, considered to be known to those skilled in the art, allowing the receiver device 12 to receive a message from a transmitter device 11 in the form of radio signals.
  • wireless communication means can in particular include a processor, a local oscillator, analog and / or digital filters, an analog / digital converter, a low noise amplifier, an antenna, a sampler, a correlator, a demodulator, etc.
  • a communication link 15 between a receiver device 12 and the server 13 can be a wired communication link or a wireless communication link.
  • a transmitter device 11 of the geolocation system 10 is a connected label stuck on an object (for example a packet, a equipment, tool, etc.) in an industrial area (eg a hangar).
  • the connected tag comprises for example an electronic chip, an antenna, and a battery which recharges itself from the energy coming from surrounding electromagnetic fields, to transmit a radio signal to receiver devices 12, called “beacons”, positioned inside said industrial zone.
  • the electromagnetic fields making it possible to recharge the battery of the label are generated by the beacons themselves.
  • the radio signal sent to the beacons for example, carries a message corresponding to an identifier of the tag.
  • Each tag that receives the message sent by the tag estimates an arrival time of the message.
  • the server 13 collects all the arrival times estimated by the various beacons. In addition, the server 13 knows the geographical positions of said beacons. By methods known as "time difference of arrival" ("Time Difference Of Arrivai" or TDOA in the English literature), the server 13 is then able to estimate the geographical position of the label.
  • time difference of arrival (“Time Difference Of Arrivai" or TDOA in the English literature
  • the different beacons can be synchronized with each other so that they are able to time stamp the arrival time of a message according to a common time base.
  • a possible drift of a clock of a beacon can be corrected by the server 13, in a manner known to a person skilled in the art, from reference signals exchanged between the various beacons, time-stamped by the beacons, then transmitted to the geolocation server 13.
  • the radio signal transmitted by a tag of the geolocation system 10 is an ultra-wideband signal.
  • ultra wide band (“Ultra Wide Band”, also designated by the acronym UWB, in the English literature)
  • a UWB signal typically has very short radio pulses of the order of a nanosecond or a few nanoseconds.
  • the very short duration of these radio pulses results in the UWB signal having a very wide bandwidth with a relatively low power spectral density. Due to this relatively low power spectral density, UWB signals can share the radio spectrum with radio signals from other narrower band communication systems without causing interference problems.
  • a UWB signal is relatively insensitive to the attenuation phenomenon due to the multiple paths taken by a radio wave.
  • a UWB signal can therefore provide good spatial and temporal resolutions. Due to its very short duration, a pulse has very fast rising and falling edges, which makes it possible to determine, at a device receiving the UWB signal, a very precise time of arrival of a pulse. It is also possible to distinguish quite clearly the shortest route from the other routes taken by the radio wave. All this helps to optimize an estimate of the geographical position of a device emitting a UWB signal from the time of arrival of said signal.
  • Figure 2 shows schematically, and by way of non-limiting example, how a UWB signal can conventionally carry one bit of a message.
  • a pseudo-random code (“Pseudo-Noise Code” or PN Code in English literature) known both by the transmitter device 1 1 and by the receiver devices 12 is used to encode each bit of the message.
  • the code comprises a number N s of ordered binary symbols.
  • Each binary symbol can take two possible states: a state or its opposite state.
  • a state of a binary symbol is represented by the value 1
  • its opposite state is represented by the value -1.
  • a binary symbol 20 in the state represented by the value 1 corresponds for example to the presence of a pulse 21 on the UWB signal.
  • a binary symbol 20 in the state represented by the value -1 corresponds for example to an absence of a pulse 21 on the UWB signal. This is referred to as “all or nothing” modulation (“On Off Keying” or OOK in the English literature).
  • the duration of a binary symbol is denoted T s .
  • the duration of a pulse 21 is denoted Ti.
  • each bit of the message is modulated by the code.
  • a bit can take the value 1 or the value 0. If the bit to be transmitted has the value 1, then it is encoded by the N s binary symbols of the code. If the bit to be transmitted has the value 0, then it is encoded by the N s binary symbols of the reverse code.
  • a binary symbol 20 of a reverse code takes a state contrary to the state of the binary symbol 20 of the same rank of the respective non-reverse code.
  • a pulse 21 of the UWB signal corresponds to a period of time of duration Ti during which the signal is a sinusoidal carrier of frequency f, the signal being zero the rest of the time.
  • the number N s of binary symbols is equal to 128; the carrier frequency f P has the value 4 GHz; the duration Ti of a pulse 21 is 2.5 ns; the duration T s of a binary symbol is 160 ns, which corresponds to a frequency f s of transmission of binary symbols of 6.25 MHz.
  • the time Tb for transmitting a bit is then equal to N s x T s , ie 20.480 ps, which corresponds to a bit transmission frequency fb of approximately 48.83 kbits / s.
  • the receiver device 12 can, in a conventional manner, decode a message transmitted by the transmitter device 1 1 by sampling the envelope d pulses 21 of the signal carrying said message and making a correlation between the samples obtained and samples of a reference sequence representative of said code modulated by an envelope of pulses. For example, a sample takes the value 1 for a sampling instant included in a period Ti of a pulse 21; a sample takes for example the value -1 for a sampling instant included outside a period Ti of a pulse 21.
  • the sampling frequency is denoted f e .
  • the time difference between two samples is denoted T e .
  • the number of samples per binary symbol 20 is denoted N e , this number corresponds to the ratio between the sampling frequency f e and the frequency f s of transmission of binary symbols.
  • the sampling frequency f e is 1 Ghz and the number Ne of samples per binary symbol is equal to 160.
  • the correlation is carried out on a sliding window of samples of the received signal, the length of which is equal to the length of the reference sequence.
  • sampling frequency f e a value of 1 GHz for the sampling frequency f e is only an example. Other sampling frequency values can be used, such as for example sampling at 2 GHz, which then implies a reference sequence of 40960 samples.
  • the greater the sampling frequency f e the more reliable the detection of a message, and the greater the precision of the instant of arrival of said message.
  • the sampling frequency f e should, conventionally, be at least equal to twice the spectral width of the sampled signal.
  • FIG. 3 schematically represents a correlation signal generated by a receiving device 12 from a signal carrying a message transmitted by a sending device 11.
  • the correlation values of the signal are shown on the ordinate.
  • the sampling times are represented on the abscissa.
  • a correlation value at a given sampling instant is for example calculated by multiplying the value of each sample of the sliding window with the value of the corresponding sample of the reference sequence, and by adding the results obtained for all the samples from the sliding window.
  • a correlation peak 30 is reached when the correlation value at a sampling instant is greater than a predetermined correlation threshold S.
  • a correlation peak 30 corresponds to the detection of a bit of value 1.
  • a bit of value 0 can be detected when a correlation value at a sampling time is negative with a higher absolute value. at threshold S.
  • a bit of value 0 can be detected by correlating the samples of the signal received with a reference sequence representative of the reverse code.
  • the instant of arrival of a bit at the level of the receiver device 12 is determined from the instant of detection of a correlation peak 30.
  • the ratio between the sampling frequency f e and the frequency f s of transmission of binary symbols is not necessarily an integer value, and as on the other hand the instant of reception of the start of a binary symbol is not necessarily aligned with a sampling instant, the estimation of the arrival instant of a bit may have a precision error equal to the time difference Te between two samples .
  • FIG. 4 schematically represents a detailed view of a correlation peak 30.
  • the correlation values are represented on the ordinate, the sampling instants are represented on the abscissa.
  • the instant of detection of a correlation peak 30 corresponds for example to the instant of sample 33 for which the correlation value passes above the threshold S, or else the instant of sample 34 for which a maximum correlation value is reached over a period during which the correlation values are above the threshold S.
  • the instant of detection of a correlation peak 30 corresponds to the instant of sample 33 for which the value correlation goes above the threshold S. This makes it possible in particular to simplify the implementation of the receiving device 12 insofar as there is then no need to detect and store a maximum value reached by the correlation signal.
  • a simple comparison between a correlation value and the correlation threshold is sufficient to detect a correlation peak.
  • the value of the threshold S is predetermined and independent of a particular correlation peak. In other words, the same value of the threshold S is used regardless of the correlation peak considered (in particular the value of the threshold is independent of a maximum value reached by the correlation values for a particular peak).
  • the accuracy at the time of detection of a correlation peak depends on the level of quality of the received signal, particularly in terms of signal-to-noise ratio (SNR).
  • SNR signal-to-noise ratio
  • FIG. 5 illustrates how the signal-to-noise ratio of the received signal impacts the accuracy at the time of detection of a correlation peak.
  • FIG. 5 represents two correlation signals.
  • a first correlation signal 40 is obtained by calculating correlation values from a radio signal received by a transmitter device 11 located at a predetermined position relative to the receiver device 12 with a first value of SNR.
  • a second correlation signal 50 is obtained by calculating correlation values from a radio signal received by the transmitter device 11 located at the same position relative to the receiver device 12 but with a second SNR value less than the first SNR value.
  • the transmitter device 11 transmits a first message with a first power level to obtain the first correlation signal 40, then it transmits a second message with a lower power level to obtain the second correlation signal 50.
  • the instant of detection of the correlation peak is late for the second correlation signal 50 with respect to the first correlation signal 40. Indeed, the instant of sample 51 for which the second signal 50 correlation passes above the threshold S is after the instant of sample 41 for which the first correlation signal 40 passes above the threshold S.
  • FIG. 6 diagrammatically represents the main steps of such a method 100.
  • the method 100 notably comprises the following steps:
  • the method 100 also includes the following steps:
  • a measurement 104 of a width of the correlation peak 30, said width being representative of the number of successive samples between a first sample for which the correlation value passes above a first predetermined threshold Si and a second sample for which the correlation value falls below a second predetermined threshold S2,
  • the method 100 is implemented by a receiving device 12.
  • the transmitter device comprises for example one or more processors and storage means (magnetic hard disk, electronic memory, optical disc, etc.) in which a computer program product is stored, in the form of a set program code instructions to be executed in order to implement the steps of a method for estimating an instant of arrival of a message.
  • the receiver device 12 comprises one or more programmable logic circuits (FPGA, PLD, etc.), and / or one or more specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. , suitable for implementing all or part of said steps.
  • FPGA programmable logic circuits
  • PLD programmable logic circuits
  • ASIC specialized integrated circuits
  • the receiver device 12 comprises means which are configured in software (specific computer program product) and / or hardware (FPGA, PLD, ASIC, discrete electronic components, etc.) to implement the steps of a method for estimating an instant of arrival of a message.
  • FIG. 5 illustrates a particular mode of implementation of the method 100 for which the first threshold Si and the second threshold S2 are both equal to the correlation threshold S.
  • the width 45 of the correlation peak of the first correlation signal 40 is equal to the number of samples between a first sample 41 for which the correlation value passes above threshold S and a second sample 42 for which the correlation value passes in - below threshold S.
  • the width 55 of the correlation peak of the second correlation signal 50 is equal to the number of samples between a first sample 51 for which the correlation value passes above threshold S and a second sample 52 for which the correlation value goes below threshold S.
  • the width 45 of the correlation peak for the first correlation signal 40 for which the SNR is high is greater than the width 55 of the correlation peak for the second correlation signal 50 for which the SNR is lower.
  • FIG. 7 illustrates another particular embodiment of the method 100 for which the first threshold Si and the second threshold S2 are different.
  • the first threshold Si is for example equal to the correlation threshold S
  • the second threshold S2 corresponds for example to an average level of correlation noise.
  • the width 45 of the correlation peak of the first correlation signal 40 is then equal to the number of samples between a first sample 41 for which the correlation value passes above the first threshold Si and a second sample 42 for which the value of correlation goes below the second threshold S2.
  • the width 55 of the correlation peak of the second correlation signal 50 is equal to the number of samples between a first sample 51 for which the correlation value passes above the first threshold Si and a second sample 52 for which the correlation value passes below the second threshold S2.
  • an average correlation noise level may correspond to an average value calculated from a set of correlation values obtained during a time window of predetermined duration. In such a case, the average level of correlation noise may vary over time. According to another example, an average level of correlation noise may correspond to a predetermined fixed value calculated during a calibration phase.
  • step 105 of method 100 the instant of arrival of the message is estimated by the receiving device 12 as a function on the one hand of an instant of detection 41, 51 of the correlation peak and as a function of the other of the width 45, 55 of said correlation peak.
  • a correction value to be applied to the instant of detection of the correlation peak as a function of the width of said correlation peak.
  • the smaller the width of the correlation peak the greater the correction value to be made.
  • the smaller the width of the correlation peak the greater the delay is for the detection of the correlation peak.
  • the method 100 according to the invention can comprise a preliminary calibration phase during which the correction values to be applied at an instant of detection of a peak of correlation are determined based on different widths of the correlation peak.
  • FIG. 8 schematically illustrates how such a calibration phase can be implemented.
  • a transmitter device 11 sends a message to a receiver device 12 on a UWB type wireless communication link 14.
  • the transmitter device 1 1 and the receiver device 12 are separated from each other by a distance denoted d.
  • the transmitter device 1 1 and the receiver device 12 are synchronized with each other, that is to say that they each have a clock having a common time base.
  • the radio signal carrying the message transmitted by the emitting device 11 moves at the speed of light denoted c (c is approximately equal to 299 792 458 m / s).
  • the receiving device 12 can then determine the theoretical instant of arrival (to + tv) of the message. By comparing the theoretical instant of arrival of the message with an instant of arrival estimated by the receiving device 12 as a function of an instant of detection of a correlation peak, it is then possible to determine an error in the estimation from the moment of arrival.
  • the transmitter device 11 always remains positioned at the same distance d from the receiver device 12, and it transmits several messages with different SNR levels of signal to noise ratio.
  • An error in the estimate of the arrival time, as well as the width of the correlation peak used to estimate this arrival time, are measured for each message received.
  • the distance d between the transmitter device 1 1 and the receiving device 12 and several messages are sent for different values of the distance d.
  • an error on the estimate of the arrival time, as well as the width of the correlation peak used to estimate this arrival time are determined for each message received, in order to obtain a set of values of correction to be applied to the instant of detection of the correlation peak as a function of the measured width of said correlation peak.
  • the calibration phase thus makes it possible to obtain a table comprising the correction values to be applied for different correlation peak widths. It is then possible to determine, for example by linear or polynomial regression methods, a correction value to be applied at an instant of detection of a correlation peak as a function of the width of said correlation peak.
  • the instant of arrival of the message can then be estimated by the receiving device 12 based on the one hand on an instant of detection of the correlation peak and on the other hand on the width of said correlation peak. For example, to estimate the instant of arrival of the message, the correction value corresponding to the width of the correlation peak is applied at the instant of detection of said correlation peak. The instant of arrival of the message can then be estimated as the corrected instant of detection of the correlation peak.
  • the present invention achieves the objectives set.
  • the invention makes it possible to improve the precision of the estimate, at the level of a receiving device 12, of the instant of arrival of a message sent by a sending device 11.
  • Such arrangements then allow improve the accuracy of the geolocation of the transmitter device 11 by a time of arrival difference method (TDOA) by implementing the method according to the invention in several receiving devices 12.
  • TDOA time of arrival difference method

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Abstract

L'invention concerne un procédé (100) d'estimation, par un dispositif récepteur (12), d'un instant d'arrivée d'un message émis sous la forme d'un signal radioélectrique par un dispositif émetteur (11). Le procédé comporte les étapes suivantes : - un échantillonnage (101) du signal reçu, - un calcul (102), pour chaque échantillon, d'une valeur de corrélation, - une mesure (104) d'une largeur (45, 55) d'un pic de corrélation, ladite largeur étant représentative du nombre d'échantillons successifs entre un premier échantillon (41, 51) pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d'un premier seuil (S1) prédéterminé et un deuxième échantillon (42, 52) pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d'un deuxième seuil (S2) prédéterminé, - une estimation (105) de l'instant d'arrivée du message en fonction d'un instant de détection du pic de corrélation et en fonction de la largeur dudit pic de corrélation.

Description

Procédé et dispositif pour l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message Domaine de l’invention
La présente invention appartient au domaine de la géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil. Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé et un dispositif pour l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message émis par un émetteur.
Etat de la technique
La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que nullement limitative, dans les systèmes de géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil.
Un tel dispositif émetteur peut par exemple correspondre à une étiquette connectée collée sur un objet dans une zone industrielle (par exemple un paquet ou un équipement stocké dans un hangar). L’étiquette comporte par exemple une puce électronique et une antenne afin d’émettre un signal radio à destination de dispositifs récepteurs, appelés « balises », positionnés dans ladite zone industrielle. Le signal radio émis à destination des balises transporte par exemple un message correspondant à un identifiant de l’étiquette.
Chaque balise qui reçoit le message émis par l’étiquette estime alors un instant d’arrivée du message. Par des méthodes dites de « différences des temps d’arrivée » (« Time Différence Of Arrivai » ou TDOA dans la littérature anglo-saxonne), un serveur qui collecte l’ensemble des temps d’arrivée estimés par les différentes balises, et qui connaît les positions géographiques desdites balises, est alors capable d’estimer la position géographique de l’étiquette.
La précision de l’estimation de la position géographique de l’étiquette dépend de la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message par chaque balise.
Il est connu d’encoder un message sous la forme d’une séquence de bits et de moduler chaque bit à transmettre avec un code pseudo-aléatoire. Cette modulation du signal à émettre avec un signal pseudo-aléatoire de fréquence plus élevée est connue sous le nom d’étalement de spectre à séquence directe (« Direct-Sequence Spread Spectrum » ou DSSS dans la littérature anglo-saxonne).
Pour décoder un message reçu en provenance d’une étiquette, une balise peut procéder à un échantillonnage du signal reçu et calculer des valeurs de corrélation du signal reçu avec un signal de référence à partir des échantillons du signal. Une valeur de corrélation peut notamment être calculée pour chaque échantillon.
Un pic de corrélation dont la valeur est supérieure à un seuil prédéterminé peut correspondre à la détection d’un message. Il est alors possible d’estimer l’instant d’arrivée du message en fonction du pic de corrélation. L’instant d’arrivée du message est par exemple estimé comme étant l’instant de l’échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au- dessus du seuil, ou bien l’instant de l’échantillon pour lequel une valeur maximale de corrélation est atteinte avant de repasser sous le seuil.
La précision de l’estimation d’un instant d’arrivée d’un message dépend alors de la fréquence d’échantillonnage du signal reçu : plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, et plus la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée est grande. Cependant, l’augmentation de la fréquence d’échantillonnage est nécessairement limitée, que ce soit pour des raisons de coût, de consommation énergétique, voire encore de contraintes technologiques.
La précision de l’estimation d’un instant d’arrivée d’un message dépend également de la qualité avec laquelle le signal est reçu, notamment en termes de rapport signal sur bruit (« Signal-to-Noise Ratio » ou SNR dans la littérature anglo-saxonne).
Il apparaît que les solutions connues de l’art antérieur pour mettre en oeuvre un tel système de géolocalisation sont encore perfectibles pour ce qui concerne la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message.
Exposé de l’invention La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant.
A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention, un procédé d’estimation, par un dispositif récepteur, de l’instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur. Ledit message comporte une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles. Le procédé comporte les étapes suivantes :
- un échantillonnage du signal reçu,
- un calcul, pour chaque échantillon obtenu, d’une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative dudit code,
- une détermination, pendant une phase de calibration préalable, d’une table de calibration comportant des valeurs de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation pour différentes largeurs dudit pic de corrélation,
- une détection d’un pic de corrélation en détectant un premier échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil prédéterminé,
- une détection d’un deuxième échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil prédéterminé,
- une mesure d’une largeur dudit pic de corrélation, ladite largeur étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre le premier échantillon et le deuxième échantillon,
- une estimation de l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du premier échantillon, de la largeur du pic de corrélation, et de la table de calibration.
L’expérience montre en effet que plus le rapport signal sur bruit est faible pour le signal transportant le message émis par le dispositif émetteur, plus la largeur du pic de corrélation correspondant au début du message est petite, et plus l’erreur sur l’instant de détection dudit pic de corrélation est grande. Il est possible de définir une correction à appliquer sur l’instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur mesurée pour ledit pic de corrélation. L’instant d’arrivée du message peut alors être estimé comme étant l’instant corrigé de détection du pic de corrélation.
La phase de calibration est mise en oeuvre préalablement à la réception du signal dont on cherche à déterminer l’instant d’arrivée.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le premier seuil et le deuxième seuil ont la même valeur.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le premier seuil et le deuxième seuil ont des valeurs différentes.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le premier seuil correspond au seuil de corrélation et le deuxième seuil correspond à un niveau moyen de bruit de corrélation.
Différentes méthodes peuvent être envisagées pour définir un niveau moyen de bruit de corrélation. Par exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur moyenne calculée à partir d’un ensemble de valeurs de corrélation obtenues pendant une fenêtre temporelle de durée prédéterminée. Dans un tel cas, le niveau moyen de bruit de corrélation peut varier au cours du temps. Selon un autre exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur fixe prédéterminée calculée pendant une phase de calibration.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, les valeurs de correction de la table de calibration sont obtenues pendant la phase préalable de calibration en mesurant une erreur sur l’instant de détection d’un pic de corrélation et une largeur dudit pic de corrélation pour différentes distances séparant le dispositif émetteur et le dispositif récepteur, ou pour différents niveaux de rapport signal sur bruit du signal émis par le dispositif émetteur.
La phase de calibration permet ainsi d’obtenir une table comprenant des valeurs de correction à appliquer pour différentes largeurs de pic de corrélation. Il est alors possible de déterminer, par exemple par des méthodes de régression linéaire ou polynomiale, une valeur de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur dudit pic de corrélation.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le signal radioélectrique est un signal ultra large bande.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le signal ultra large bande est modulé avec une modulation de type « tout ou rien ».
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un dispositif récepteur mettant en oeuvre un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur. Ledit message comporte une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles. Le dispositif récepteur est configuré pour :
- échantillonner le signal reçu,
- calculer, pour chaque échantillon obtenu, une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative du code,
- détecter un pic de corrélation en détectant un premier échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil prédéterminé,
- détecter un deuxième échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil prédéterminé,
- mesurer une largeur dudit pic de corrélation, ladite largeur étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre le premier échantillon et le deuxième échantillon,
- estimer l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du premier échantillon, de la largeur du pic de corrélation et d’une table de calibration comportant des valeurs de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation pour différentes largeurs dudit pic de corrélation.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 8 qui représentent :
[Fig. 1 ] une représentation schématique d’un système de géolocalisation d’un dispositif émetteur,
[Fig. 2] une représentation schématique d’un code utilisé pour encoder un bit d’une séquence de bits à émettre, ainsi que le signal associé,
[Fig. 3] une représentation schématique d’un signal de corrélation généré par un dispositif récepteur à partir d’un signal transportant une séquence de bits émise par un dispositif émetteur,
[Fig. 4] une représentation schématique d’un pic de corrélation pour un signal de corrélation tel que celui décrit à la figure 3,
[Fig. 5] une illustration schématique de l’impact de la valeur du rapport signal sur bruit sur la largeur d’un pic de corrélation et sur la précision de l’instant de détection du pic de corrélation,
[Fig. 6] une représentation schématique des principales étapes d’un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention,
[Fig. 7] une illustration schématique d’un mode particulier de mise en oeuvre du procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention,
[Fig. 8] une illustration schématique d’un mode de mise en oeuvre d’une phase de calibration pour le procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention.
Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Tel qu’indiqué précédemment, la présente invention vise à proposer une solution permettant d’optimiser l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message au niveau d’un dispositif récepteur.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas d’un système de géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil. Rien n’empêche cependant que l’invention trouve une application dans un autre domaine.
La figure 1 représente schématiquement un tel système 10 de géolocalisation. Le système 10 de géolocalisation comporte au moins un dispositif émetteur 1 1 , une pluralité de dispositifs récepteurs 12, ainsi qu’un serveur 13 relié aux différents dispositifs récepteurs.
Un message est émis par un dispositif émetteur 1 1 à destination de chaque dispositif récepteur 12 sous la forme d’un signal radioélectrique véhiculé sur un lien 14 de communication sans fil. Par « signal radioélectrique », ou « signal radio », on entend une onde électromagnétique se propageant via des moyens non filaires, dont les fréquences sont comprises dans le spectre traditionnel des ondes radioélectriques (quelques hertz à plusieurs centaines de gigahertz).
Le dispositif émetteur 1 1 comporte des moyens de communication sans fil, considérés comme connus de l’homme de l’art, permettant au dispositif émetteur 1 1 d’émettre des messages sous la forme de signaux radioélectriques à destination des dispositifs récepteurs 12 du système 10 de géolocalisation. De tels moyens peuvent notamment comporter un processeur, un oscillateur local, des filtres analogiques et/ou numériques, un convertisseur numérique/analogique, un amplificateur de puissance, une antenne, etc.
De manière similaire, le dispositif récepteur 12 comporte des moyens de communication sans fil, considérés comme connus de l’homme de l’art, permettant au dispositif récepteur 12 de recevoir un message en provenance d’un dispositif émetteur 1 1 sous la forme de signaux radioélectriques. De tels moyens peuvent notamment comporter un processeur, un oscillateur local, des filtres analogiques et/ou numériques, un convertisseur analogique/numérique, un amplificateur faible bruit, une antenne, un échantillonneur, un corrélateur, un démodulateur, etc.
Un lien 15 de communication entre un dispositif récepteur 12 et le serveur 13 peut être un lien de communication filaire ou un lien de communication sans fil.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas où un dispositif émetteur 1 1 du système 10 de géolocalisation est une étiquette connectée collée sur un objet (par exemple un paquet, un équipement, un outil, etc.) dans une zone industrielle (par exemple un hangar). L’étiquette connectée comporte par exemple une puce électronique, une antenne, et une batterie qui se recharge à partir de l’énergie provenant de champs électromagnétiques environnants, pour émettre un signal radio à destination de dispositifs récepteurs 12, dits « balises », positionnées à l’intérieur de ladite zone industrielle. Dans des modes particuliers de réalisation, les champs électromagnétiques permettant de recharger la batterie de l’étiquette sont générés par les balises elles-mêmes.
Le signal radio émis à destination des balises transporte par exemple un message correspondant à un identifiant de l’étiquette. Chaque balise qui reçoit le message émis par l’étiquette estime un instant d’arrivée du message. Le serveur 13 collecte l’ensemble des temps d’arrivée estimés par les différentes balises. En outre, le serveur 13 connaît les positions géographiques desdites balises. Par des méthodes dites de « différences des temps d’arrivée » (« Time Différence Of Arrivai » ou TDOA dans la littérature anglo- saxonne), le serveur 13 est alors capable d’estimer la position géographique de l’étiquette. La précision de l’estimation de la position géographique de l’étiquette dépend de la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message par chaque balise.
Les différentes balises peuvent être synchronisées entre elles de telle sorte qu’elles sont capables d’horodater l’instant d’arrivée d’un message selon une base de temps commune. Selon un autre exemple, une dérive éventuelle d’une horloge d’une balise peut être corrigée par le serveur 13, de manière connue pour un homme du métier, à partir de signaux de référence échangés entre les différentes balises, horodatés par les balises, puis transmis au serveur 13 de géolocalisation.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas où le signal radio transmis par une étiquette du système 10 de géolocalisation est un signal ultra large bande. Par «ultra large bande » (« Ultra Wide Band », encore désigné par l’acronyme UWB, dans la littérature anglo- saxonne), on fait référence à des signaux radioélectriques présentant un spectre fréquentiel supérieur à 500 mégahertz à -10 dB par rapport à la puissance maximale dudit spectre fréquentiel instantané, ou bien des signaux radioélectriques présentant un rapport largeur de bande sur fréquence centrale de 20 % ou plus.
Un signal UWB présente généralement des impulsions radio très courtes de l’ordre de la nanoseconde ou de quelques nanosecondes. La durée très faible de ces impulsions radio a pour conséquence que le signal UWB présente une bande passante très large avec une densité spectrale de puissance relativement faible. En raison de cette densité spectrale de puissance relativement faible, les signaux UWB peuvent partager le spectre radio avec des signaux radio d’autres systèmes de communication à bande plus étroite sans causer de problèmes d’interférence.
En outre, un signal UWB est relativement peu sensible au phénomène d’atténuation dû aux trajets multiples empruntés par une onde radio. Un signal UWB peut par conséquent fournir de bonnes résolutions spatiales et temporelles. En raison de sa durée très courte, une impulsion présente des fronts montant et descendant très rapides, ce qui permet de déterminer, au niveau d’un dispositif récepteur du signal UWB, un temps d’arrivée très précis d’une impulsion. Il est en outre possible de distinguer assez nettement le trajet le plus court des autres trajets empruntés par l’onde radio. Tout ceci concourt à optimiser une estimation de la position géographique d’un dispositif émettant un signal UWB à partir de l’instant d’arrivée dudit signal.
La figure 2 représente schématiquement, et à titre d’exemple nullement limitatif, comment un signal UWB peut transporter, de manière conventionnelle, un bit d’un message.
Dans l’exemple illustré à la figure 2, un code pseudo-aléatoire (« Pseudo-Noise Code » ou PN Code dans la littérature anglo-saxonne) connu à la fois par le dispositif émetteur 1 1 et par les dispositifs récepteurs 12 est utilisé pour encoder chaque bit du message.
Le code comporte un nombre Ns de symboles 20 binaires ordonnés. Chaque symbole 20 binaire peut prendre deux états possibles : un état ou son état contraire. A titre d’exemple nullement limitatif, et tel qu’illustré sur la figure 2, un état d’un symbole 20 binaire est représenté par la valeur 1 , et son état contraire est représenté par la valeur -1. Un symbole 20 binaire dans l’état représenté par la valeur 1 correspond par exemple à une présence d’une impulsion 21 sur le signal UWB. Un symbole 20 binaire dans l’état représenté par la valeur -1 correspond par exemple à une absence d’une impulsion 21 sur le signal UWB. On parle alors de modulation « tout ou rien » (« On Off Keying » ou OOK dans la littérature anglo-saxonne). La durée d’un symbole 20 binaire est noté Ts. La durée d’une impulsion 21 est notée Ti.
Tel qu’illustré sur la figure 2, chaque bit du message est modulé par le code. Un bit peut prendre la valeur 1 ou la valeur 0. Si le bit à émettre a pour valeur 1 , alors il est encodé par les Ns symboles 20 binaires du code. Si le bit à émettre a pour valeur 0, alors il est encodé par les Ns symboles 20 binaires du code inverse. Un symbole 20 binaire d’un code inverse prend un état contraire à l’état du symbole 20 binaire de même rang du code non inverse respectif.
Tel qu’illustré sur la figure 2, une impulsion 21 du signal UWB correspond à une période de temps de durée Ti pendant laquelle le signal est une porteuse sinusoïdale de fréquence f , le signal étant nul le reste du temps.
Dans l’exemple considéré, le nombre Ns de symboles binaires est égal à 128 ; la fréquence porteuse fP a pour valeur 4 GHz ; la durée Ti d’une impulsion 21 est de 2,5 ns ; la durée Ts d’un symbole binaire est de 160 ns, ce qui correspond à une fréquence fs d’émission de symboles binaires de 6,25 MHz. Le temps Tb pour émettre un bit est alors égal à Ns x Ts, soit 20,480 ps, ce qui correspond à une fréquence fb d’émission de bits d’environ 48,83 kbits/s.
Comme un dispositif récepteur 12 connaît le code utilisé par le dispositif émetteur 1 1 pour moduler les bits du message à émettre, le dispositif récepteur 12 peut, de manière conventionnelle, décoder un message émis par le dispositif émetteur 1 1 en échantillonnant l’enveloppe d’impulsions 21 du signal transportant ledit message et en faisant une corrélation entre les échantillons obtenus et des échantillons d’une séquence de référence représentative dudit code modulé par une enveloppe d’impulsions. Un échantillon prend par exemple la valeur 1 pour un instant d’échantillonnage compris dans une période Ti d’une impulsion 21 ; un échantillon prend par exemple la valeur -1 pour un instant d’échantillonnage compris en dehors d’une période Ti d’une impulsion 21.
La fréquence d’échantillonnage est notée fe. L’écart temporel entre deux échantillons est noté Te. Le nombre d’échantillons par symbole 20 binaire est noté Ne, ce nombre correspond au rapport entre la fréquence d’échantillonnage fe et la fréquence fs d’émission de symboles binaires. Dans l’exemple considéré, la fréquence d’échantillonnage fe vaut 1 Ghz et le nombre Ne d’échantillons par symbole binaire vaut 160. La longueur de la séquence de référence est alors de 20 480 échantillons (128 x 160 = 20 480). La corrélation est réalisée sur une fenêtre glissante d’échantillons du signal reçu dont la longueur est égale à la longueur de la séquence de référence.
Il convient de noter qu’une valeur de 1 GHz pour la fréquence d’échantillonnage fe n’est qu’un exemple. D’autres valeurs de fréquence d’échantillonnage peuvent être utilisées, comme par exemple un échantillonnage à 2 GHz, ce qui implique alors une séquence de référence de 40960 échantillons. Plus la fréquence d’échantillonnage fe est grande, plus la détection d’un message est fiable, et plus la précision de l’instant d’arrivée dudit message est grande. D’après le théorème de Nyquist-Shannon, la fréquence d’échantillonnage fe doit, de manière conventionnelle, être au moins égale au double de la largeur spectrale du signal échantillonné.
La figure 3 représente schématiquement un signal de corrélation généré par un dispositif récepteur 12 à partir d’un signal transportant un message émis par un dispositif émetteur 11. Les valeurs de corrélation du signal sont représentées en ordonnée. Les instants d’échantillonnage sont représentés en abscisse. A un instant d’échantillonnage donné, plus le nombre d’échantillons de la fenêtre glissante identiques aux échantillons de la séquence de référence est grand, et plus la valeur de corrélation est grande. Une valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage donné est par exemple calculée en multipliant la valeur de chaque échantillon de la fenêtre glissante avec la valeur de l’échantillon correspondant de la séquence de référence, et en additionnant les résultats obtenus pour tous les échantillons de la fenêtre glissante.
Un pic 30 de corrélation est atteint lorsque la valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage est supérieure à un seuil S de corrélation prédéterminé. Un pic 30 de corrélation correspond à la détection d’un bit de valeur 1. Un bit de valeur 0 peut être détecté lorsqu’une valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage est négative avec une valeur absolue supérieure au seuil S. Alternativement, un bit de valeur 0 peut être détecté en faisant une corrélation des échantillons du signal reçu avec une séquence de référence représentative du code inverse.
Il convient de choisir un niveau du seuil S suffisamment élevé de sorte à éviter la détection de faux pics 31 , 32 de corrélation. Il convient cependant aussi de choisir un niveau du seuil S suffisamment bas pour éviter de manquer une détection d’un pic 30 de corrélation (en sachant que le signal peut être perturbé par des interférences lors de sa transmission du dispositif émetteur 1 1 vers le dispositif récepteur 12 et que la valeur maximale possible de corrélation n’est par conséquent pas forcément atteinte pour chaque bit du message). Plus le nombre Ns d’échantillons du code est grand, et plus la détection d’un pic 30 de corrélation est aisée, car il est alors plus facile de discriminer un pic 30 de corrélation d’un faux pic 31 , 32 de corrélation. Cependant, le fait d’augmenter la longueur Ns du code a pour inconvénient d’allonger la durée d’émission d’un bit ainsi que la complexité des calculs de corrélation par le dispositif récepteur 12. Un autre inconvénient est que l’horloge de transmission doit être plus précise si la longueur Ns du code est plus grande.
L’instant d’arrivée d’un bit au niveau du dispositif récepteur 12 est déterminé à partir de l’instant de détection d’un pic 30 de corrélation. Cependant, comme d’une part le rapport entre la fréquence d’échantillonnage fe et la fréquence fs d’émission de symboles 20 binaires n’est pas forcément une valeur entière, et comme d’autre part l’instant de réception du début d’un symbole 20 binaire n’est pas nécessairement aligné avec un instant d’échantillonnage, l’estimation de l’instant d’arrivée d’un bit peut présenter une erreur de précision égal à l’écart temporel Te entre deux échantillons.
La figure 4 représente schématiquement une vue détaillée d’un pic 30 de corrélation. Les valeurs de corrélation sont représentées en ordonnée, les instants d’échantillonnage sont représentés en abscisse. L’instant de détection d’un pic 30 de corrélation correspond par exemple à l’instant de l’échantillon 33 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du seuil S, ou bien l’instant de l’échantillon 34 pour lequel une valeur maximale de corrélation est atteinte sur une période 35 pendant laquelle les valeurs de corrélation sont supérieures au seuil S. Dans la suite de la description, on se place à titre d’exemple et de manière nullement limitative dans le cas où l’instant de détection d’un pic 30 de corrélation correspond à l’instant de l’échantillon 33 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du seuil S. Cela permet notamment de simplifier l’implémentation du dispositif récepteur 12 dans la mesure où il n’y a alors pas besoin de détecter et mémoriser une valeur maximale atteinte par le signal de corrélation. Une simple comparaison entre une valeur de corrélation et le seuil de corrélation est suffisante pour détecter un pic 30 de corrélation.
Il convient de noter que la valeur du seuil S est prédéterminée et indépendante d’un pic de corrélation particulier. En d’autres termes, la même valeur du seuil S est utilisée quel que soit le pic de corrélation considéré (en particulier la valeur du seuil est indépendante d’une valeur maximale atteinte par les valeurs de corrélation pour un pic particulier).
La précision sur l’instant de détection d’un pic 30 de corrélation dépend cependant du niveau de qualité du signal reçu, notamment en termes de rapport signal sur bruit (SNR).
La figure 5 illustre comment le rapport signal sur bruit du signal reçu impacte la précision sur l’instant de détection d’un pic de corrélation. La figure 5 représente deux signaux de corrélation. Un premier signal 40 de corrélation est obtenu en calculant des valeurs de corrélation à partir d’un signal radio reçu par un dispositif émetteur 1 1 situé à une position prédéterminée par rapport au dispositif récepteur 12 avec une première valeur de SNR. Un deuxième signal 50 de corrélation est obtenu en calculant des valeurs de corrélation à partir d’un signal radio reçu par le dispositif émetteur 1 1 situé à la même position par rapport au dispositif récepteur 12 mais avec une deuxième valeur de SNR inférieure à la première valeur de SNR. Par exemple, le dispositif émetteur 1 1 émet un premier message avec un premier niveau de puissance pour obtenir le premier signal 40 de corrélation, puis il émet un deuxième message avec un niveau de puissance plus faible pour obtenir le deuxième signal 50 de corrélation.
Il apparaît que l’instant de détection du pic de corrélation est en retard pour le deuxième signal 50 de corrélation par rapport au premier signal 40 de corrélation. En effet, l’instant de l’échantillon 51 pour lequel le deuxième signal 50 de corrélation passe au-dessus du seuil S est postérieur à l’instant de l’échantillon 41 pour lequel le premier signal 40 de corrélation passe au-dessus du seuil S.
Ainsi, l’instant d’arrivée d’un message émis par un dispositif émetteur
1 1 situé à une grande distance (par exemple 60 mètres) du dispositif récepteur
12 sera détecté avec un retard plus important par rapport à l’instant d’arrivée d’un message émis par un dispositif émetteur 1 1 situé à une petite distance (par exemple 10 mètres) du dispositif récepteur 12.
Le procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention permet de résoudre ce problème. La figure 6 représente schématiquement les principales étapes d’un tel procédé 100.
Tel que décrit précédemment en référence aux figures 2 à 4, le procédé 100 comporte notamment les étapes suivantes :
- un échantillonnage 101 du signal reçu,
- un calcul 102, pour chaque échantillon obtenu, d’une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative des symboles du code avec lequel chaque bit du message est modulé,
- une détection 103 d’un pic 30 de corrélation présentant une valeur de corrélation supérieure à un seuil S de corrélation prédéterminé.
En outre, et tel qu’illustré sur la figure 6, le procédé 100 comporte également les étapes suivantes :
- une mesure 104 d’une largeur du pic 30 de corrélation, ladite largeur, étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre un premier échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil Si prédéterminé et un deuxième échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil S2 prédéterminé,
- une estimation 105 de l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du pic 30 de corrélation et en fonction de la largeur dudit pic 30 de détection.
Le procédé 100 est mis en oeuvre par un dispositif récepteur 12. Dans ce but, le dispositif émetteur comporte par exemple un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans lesquels est mémorisé un produit programme d’ordinateur, sous la forme d’un ensemble d’instructions de code de programme à exécuter pour mettre en oeuvre les étapes d’un procédé d’estimation d’un instant d’arrivée d’un message. Alternativement ou en complément, le dispositif récepteur 12 comporte un ou des circuits logiques programmables (FPGA, PLD, etc.), et/ou un ou des circuits intégrés spécialisés (ASIC), et/ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc., adaptés à mettre en oeuvre tout ou partie desdites étapes.
En d’autres termes, le dispositif récepteur 12 comporte des moyens qui sont configurés de façon logicielle (produit programme d’ordinateur spécifique) et/ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, composants électroniques discrets, etc.) pour mettre en oeuvre les étapes d’un procédé d’estimation d’un instant d’arrivée d’un message.
La figure 5 illustre un mode particulier de mise en oeuvre du procédé 100 pour lequel le premier seuil Si et le deuxième seuil S2 sont tous les deux égaux au seuil S de corrélation. La largeur 45 du pic de corrélation du premier signal 40 de corrélation est égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 41 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus seuil S et un deuxième échantillon 42 pour lequel la valeur de corrélation passe en- dessous du seuil S. La largeur 55 du pic de corrélation du deuxième signal 50 de corrélation est égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 51 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus seuil S et un deuxième échantillon 52 pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous seuil S.
La largeur 45 du pic de corrélation pour le premier signal 40 de corrélation pour lequel le SNR est élevé est plus grande que la largeur 55 du pic de corrélation pour le deuxième signal 50 de corrélation pour lequel le SNR est plus faible. En général, plus la valeur de SNR est élevée pour le signal transportant un message émis par un dispositif émetteur 11 , et plus la largeur du pic de corrélation correspondant à l’instant d’arrivée du message est grande.
La figure 7 illustre un autre mode particulier de mise en oeuvre du procédé 100 pour lequel le premier seuil Si et le deuxième seuil S2 sont différents. Le premier seuil Si est par exemple égal au seuil S de corrélation, et le deuxième seuil S2 correspond par exemple à un niveau moyen de bruit de corrélation. La largeur 45 du pic de corrélation du premier signal 40 de corrélation est alors égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 41 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du premier seuil Si et un deuxième échantillon 42 pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous du deuxième seuil S2. La largeur 55 du pic de corrélation du deuxième signal 50 de corrélation est égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 51 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du premier seuil Si et un deuxième échantillon 52 pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous du deuxième seuil S2.
Comme indiqué précédemment, différentes méthodes peuvent être envisagées pour définir un niveau moyen de bruit de corrélation. Par exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur moyenne calculée à partir d’un ensemble de valeurs de corrélation obtenues pendant une fenêtre temporelle de durée prédéterminée. Dans un tel cas, le niveau moyen de bruit de corrélation peut varier au cours du temps. Selon un autre exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur fixe prédéterminée calculée pendant une phase de calibration.
A l’étape 105 du procédé 100, l’instant d’arrivée du message est estimé par le dispositif récepteur 12 en fonction d’une part d’un instant de détection 41 , 51 du pic de corrélation et en fonction d’autre part de la largeur 45, 55 dudit pic de corrélation.
Par exemple, il est possible de déterminer une valeur de correction à appliquer à l’instant de détection du pic de corrélation en fonction de la largeur dudit pic de corrélation. Plus la largeur du pic de corrélation est faible, et plus la valeur de correction à apporter sera grande. En effet, plus la largeur du pic de corrélation est faible, et plus le retard est important pour la détection du pic de corrélation.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé 100 selon l’invention peut comporter une phase de calibration préalable pendant laquelle des valeurs de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation sont déterminées en fonction de différentes largeurs du pic de corrélation.
La figure 8 illustre schématiquement comment une telle phase de calibration peut être mise en oeuvre. Dans l’exemple considéré illustré à la figure 8, un dispositif émetteur 11 émet un message à un dispositif récepteur 12 sur un lien 14 de communication sans fil de type UWB. Le dispositif émetteur 1 1 et le dispositif récepteur 12 sont séparés l’un de l’autre d’une distance notée d. Le dispositif émetteur 1 1 et le dispositif récepteur 12 sont synchronisés l’un avec l’autre, c’est-à-dire qu’ils possèdent chacun une horloge ayant une base de temps commune. Le signal radio transportant le message émis par le dispositif émetteur 1 1 se déplace à la vitesse de la lumière notée c (c est environ égal à 299 792 458 m/s). Le temps de vol tv du signal radio transportant le message émis par le dispositif émetteur 1 1 pour atteindre le dispositif récepteur 12 est alors égal à tv = d/c. En supposant que le dispositif récepteur 12 connaisse l’instant to d’émission du message par le dispositif émetteur 1 1 , le dispositif récepteur 12 peut alors déterminer l’instant d’arrivée théorique (to + tv) du message. En comparant l’instant d’arrivée théorique du message avec un instant d’arrivée estimé par le dispositif récepteur 12 en fonction d’un instant de détection d’un pic de corrélation, il est alors possible de déterminer une erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée.
Selon un premier exemple de mise en oeuvre de la phase de calibration, le dispositif émetteur 1 1 reste toujours positionné à la même distance d du dispositif récepteur 12, et il émet plusieurs messages avec différents niveaux SNR de rapport signal sur bruit. Une erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée, ainsi que la largeur du pic de corrélation utilisé pour estimer cet instant d’arrivée, sont mesurés pour chaque message reçu. Comme expliqué précédemment, plus la valeur de SNR est faible, et plus la largeur du pic de corrélation est faible, et plus l’erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée est grande. On peut ainsi obtenir un ensemble de valeurs de correction à appliquer à l’instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur mesurée dudit pic de corrélation.
Selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de la phase de calibration, on fait varier la distance d entre le dispositif émetteur 1 1 et le dispositif récepteur 12, et plusieurs messages sont émis pour différentes valeurs de la distance d. Plus la distance d est grande entre le dispositif émetteur 11 et le dispositif récepteur 12, et plus le rapport signal sur bruit est faible. Là encore, une erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée, ainsi que la largeur du pic de corrélation utilisé pour estimer cet instant d’arrivée, sont déterminés pour chaque message reçu, afin d’obtenir un ensemble de valeurs de correction à appliquer à l’instant de détection du pic de corrélation en fonction de la largeur mesurée dudit pic de corrélation.
La phase de calibration permet ainsi d’obtenir une table comprenant des valeurs de correction à appliquer pour différentes largeurs de pic de corrélation. Il est alors possible de déterminer, par exemple par des méthodes de régression linéaire ou polynomiale, une valeur de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur dudit pic de corrélation.
L’instant d’arrivée du message peut alors être estimé par le dispositif récepteur 12 en fonction d’une part d’un instant de détection du pic de corrélation et en fonction d’autre part de la largeur dudit pic de corrélation. Par exemple, pour estimer l’instant d’arrivée du message, la valeur de correction correspondant à la largeur du pic de corrélation est appliquée à l’instant de détection dudit pic de corrélation. L’instant d’arrivée du message peut alors être estimé comme étant l’instant corrigé de détection du pic de corrélation.
La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés. En particulier, l’invention permet d’améliorer la précision de l’estimation, au niveau d’un dispositif récepteur 12, de l’instant d’arrivée d’un message émis par un dispositif émetteur 1 1. De telles dispositions permettent alors d’améliorer la précision de la géolocalisation du dispositif émetteur 1 1 par une méthode de différence des temps d’arrivée (TDOA) en mettant en oeuvre le procédé selon l’invention dans plusieurs dispositifs récepteurs 12.

Claims

Revendications
1 . Procédé (100) d’estimation, par un dispositif récepteur (12), d’un instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur (1 1 ), ledit message comportant une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles (20), ledit procédé (100) comportant :
- un échantillonnage (101 ) du signal,
- un calcul (102), pour chaque échantillon obtenu, d’une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative dudit code,
- une détermination, pendant une phase de calibration préalable, d’une table de calibration comportant des valeurs de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic (30) de corrélation pour différentes largeurs (45, 55) dudit pic (30) de corrélation,
- une détection d’un pic (30) de corrélation en détectant un premier échantillon (41 , 51 ) pour lequel la valeur de corrélation passe au- dessus d’un premier seuil (Si) prédéterminé,
- une détection d’un deuxième échantillon (42, 52) pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil (S2) prédéterminé,
- une mesure (104) d’une largeur (45, 55) dudit pic (30) de corrélation représentative du nombre d’échantillons successifs entre le premier échantillon (41 , 51 ) et le deuxième échantillon (42, 52),
- une estimation (105) de l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du premier échantillon (41 , 51 ), de la largeur (45, 55) du pic (30) de corrélation, et de la table de calibration.
2. Procédé (100) selon la revendication 1 dans lequel le premier seuil (Si) et le deuxième seuil (S2) ont la même valeur.
3. Procédé (100) selon la revendication 1 dans lequel le premier seuil (Si) et le deuxième seuil (S2) ont une valeur différente.
4. Procédé (100) selon la revendication 3 dans lequel le premier seuil (Si) correspond au seuil (S) de corrélation et le deuxième seuil (S2) correspond à un niveau moyen de bruit de corrélation.
5. Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel les valeurs de correction de la table de calibration sont obtenues pendant la phase préalable de calibration en mesurant une erreur sur l’instant de détection d’un pic (30) de corrélation et une largeur dudit pic (30) de corrélation pour différentes distances séparant le dispositif émetteur (1 1 ) et le dispositif récepteur (12), ou pour différents niveaux de rapport signal sur bruit du signal émis par le dispositif émetteur (1 1 ).
6. Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le signal radioélectrique est un signal ultra large bande.
7. Procédé (100) selon la revendication 6 dans lequel le signal ultra large bande est modulé avec une modulation de type « tout ou rien ».
8. Dispositif récepteur (12) mettant en oeuvre un procédé (100) d’estimation d’un instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur (1 1 ), ledit message comportant une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles (20), ledit dispositif récepteur (12) étant configuré pour :
- échantillonner le signal reçu,
- calculer, pour chaque échantillon obtenu, une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative du code,
caractérisé en ce que ledit dispositif récepteur (12) est en outre configuré pour : - détecter un pic (30) de corrélation en détectant un premier échantillon (41 , 51 ) pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil (Si) prédéterminé,
- détecter un deuxième échantillon (42, 52) pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil (S2) prédéterminé,
- mesurer une largeur (45, 55) dudit pic (30) de corrélation représentative du nombre d’échantillons successifs entre le premier échantillon (41 , 51 ) et le deuxième échantillon (42, 52),
- estimer l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du premier échantillon (41 , 51 ), de la largeur (45, 55) dudit pic (30) de corrélation et d’une table de calibration comportant des valeurs de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic (30) de corrélation pour différentes largeurs (45, 55) dudit pic (30) de corrélation.
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