專利名稱：一種超寬帶無線電的快速時(shí)延估計(jì)算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超寬帶(UWB)無線電技術(shù)，具體是一種超寬帶無線電的快速時(shí) 延估計(jì)算法。
背景技術(shù)：
超寬帶無線電技術(shù)(UWB)是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無線傳輸技術(shù)，它通 常采用極窄脈沖(脈寬在納秒至皮秒量級(jí))或極寬的頻譜(相對(duì)帶寬大于20%或絕 對(duì)帶寬大于500 MHz)傳送信息。相對(duì)于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng)，UWB無線 通信系統(tǒng)具有高傳輸速率、高空間頻譜效率、高測(cè)距精度、抗多徑干擾、低功 耗、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。UWB無線電信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)以及對(duì)多徑的高分辨能 力，使UWB技術(shù)非常適合于室內(nèi)定位環(huán)境。
超寬帶直接發(fā)射脈沖，具有非常高的時(shí)間分辨率，從而可以精確估計(jì)信號(hào)傳 輸時(shí)延，因此比較適應(yīng)精確定位應(yīng)用，可是在實(shí)際應(yīng)用中，在合理的時(shí)間內(nèi)估 計(jì)信號(hào)傳輸時(shí)延是一個(gè)難題。采用傳統(tǒng)的基于相關(guān)序列搜索算法，對(duì)于探測(cè)區(qū)
域vv順次滑動(dòng)探測(cè)，則有平均探測(cè)次數(shù)^—^2+(3Ar—力}{^，其中J為終止探測(cè)
的位置數(shù)，^為待測(cè)位置數(shù)，由于超寬帶無線電的帶寬達(dá)GHz，因此此方法非常 耗時(shí)且結(jié)果并不是最優(yōu)而是次優(yōu)解。為了加速估計(jì)過程，學(xué)者們提出了不同的 改進(jìn)策略，如比特反轉(zhuǎn)法，使用這一算法，將極大的減小脈沖對(duì)齊的搜索時(shí)間， 此外還有隨機(jī)搜索，采用泛化的最大似然(GML)迭代求解等方法，也有學(xué)者通過 引入周期性鋸齒形脈沖與導(dǎo)頻相關(guān)來縮小信號(hào)捕獲的范圍，然后通過比特反轉(zhuǎn) 法實(shí)現(xiàn)同步，但是這些算法仍需很高的采樣頻率。為此有學(xué)者提出了基于"臟 模板(dirty templates)思想，基于符號(hào)率采樣的非數(shù)據(jù)輔助的時(shí)間偏移量估計(jì) 算法，這些算法的主要不足在于其估計(jì)的TOA存在不確定性，且不確定區(qū)域等于
連續(xù)符號(hào)之間的噪聲持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度。有學(xué)者采用多重信號(hào)分類(MUSIC)方法估計(jì) 超寬帶(DS-UWB)系統(tǒng)的時(shí)延，這種方法非常耗時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種超寬帶 無線電的快速時(shí)延估計(jì)算法，它首先依據(jù)接收信號(hào)的能量估計(jì)第一條路徑信號(hào) 的所在的分組，然后基于符號(hào)采樣率的相關(guān)輸出精確估計(jì)時(shí)延，具有估計(jì)時(shí)延 快速，精確等特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，所述超寬帶無線電的快速時(shí)延估計(jì)算法為首先通
過接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時(shí)延估計(jì)，然后通過基于符號(hào)采樣率的相關(guān)
運(yùn)算估計(jì)精確的時(shí)延；具體步驟是
5) 建立系統(tǒng)模型 信道模型為
/2(/) = |>,雄-(/-1)7;-rj 接收信號(hào)為
<formula>formula see original document page 6</formula>其中
6) 將幀分組，即令^, = &7;+、7;，并收集每個(gè)分組的能量，通過收集iv;
幀內(nèi)每個(gè)分組的能量以此作為決策變量，艮口
<formula>formula see original document page 7</formula>其中c,為第y個(gè)幀的跳時(shí)碼
7) 根據(jù)最大能量原則，估計(jì)第一條路徑信號(hào)所在的分組，艮卩
& = arg max ";
8) 確定時(shí)延估計(jì)范圍，估計(jì)出粗粒度的到達(dá)時(shí)間&，再估計(jì)^e
，
搜索區(qū)間為h
"
; 5)估計(jì)相關(guān)模板,給定《個(gè)符號(hào)觀測(cè)時(shí)間，則集成信道分量相關(guān)模板為
<formula>formula see original document page 7</formula>
再將A(w,)進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模:
7) 基于符號(hào)采樣率的相關(guān)輸出精確的估計(jì)時(shí)延，相關(guān)輸出為^(0:<formula>formula see original document page 7</formula>精確的時(shí)延估計(jì)為f<formula>formula see original document page 7</formula>
以下對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。 本發(fā)明中，首先建立TH-IR系統(tǒng)模型，即<formula>formula see original document page 7</formula>
其中P(O為發(fā)射脈沖，r,為幀的持續(xù)時(shí)間，q"o,1,…,^-1}為跳時(shí)碼，ivt=7>/7;
為一幀內(nèi)的碼片數(shù), 考慮以下信道模型:
/=1
則接收信號(hào)可表示為:
/=1
:中
卞w
進(jìn)一步地說，通過接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時(shí)延估計(jì)，將每幀進(jìn)行 分組，收集每個(gè)分組的能量，估計(jì)第一條路徑駐留的分組位置，即假定
r7a4 =+， t; = 5rc ， & e [o,ive/s -1] ， & e [o，5 -1]。 同時(shí)假定< r,，
7; >(Z + max(cJ)7;。
進(jìn)一步地說，就是將M幀內(nèi)相同序號(hào)的組的能量加在一起，然后比較每個(gè)序 號(hào)的組的能量總和，以此作為決策變量，即
K = g l ( K即這M個(gè)幀的第i組的能量總和)
戶o '■
進(jìn)一步說，就是通過分組中最大能量估計(jì)第一條路徑駐留分組位置，即估
計(jì)
& 二 arg max K
進(jìn)一步說，估計(jì)出第一條路徑駐留的分組位置后，即估計(jì)出粗粒度的到達(dá)
時(shí)間&，下一步就是估計(jì)、e
，這等價(jià)于搜索區(qū)間"[^A(^+1)^-1]。然
而第一條路徑由于多徑效應(yīng)可能先于能量最強(qiáng)的分組到達(dá)，因此需要將搜索區(qū) 間向后延拓M個(gè)碼片時(shí)間，此時(shí)搜索區(qū)間為Ae[&5-M,A+，-l]。設(shè) "、.=《^-M, "e=(&+1)3-1，則搜索區(qū)間可表示為<formula>formula see original document page 9</formula> 。
進(jìn)一步說為了精確估計(jì)時(shí)延，我們將接收信號(hào)做如下變化 設(shè)第j個(gè)多徑的時(shí)延與第一個(gè)多徑的時(shí)延差為^ ， =、 ，則接收信
號(hào)A(f)可表示為
其中
"表示第7'個(gè)多徑的時(shí)延<formula>formula see original document page 9</formula>則接收信號(hào)
<formula>formula see original document page 9</formula>
通常，時(shí)延^通過r(0與理想模板A(0相關(guān)的峰值來估計(jì)，可惜，由于無法 知道信道模型，因此無法得到A(O。但是如果選擇傳輸模板A(f)，則相關(guān)輸出 會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，因此無法估計(jì)時(shí)延，那么先建立一個(gè)噪聲模板來匹配未知的 多徑信道，從"/)中估計(jì)^《)必須知道r,，而^是未知，因此我們估計(jì)未同步的
e[o,rv]。給定y恒為1 ，及&個(gè)符號(hào)觀測(cè)時(shí)間，則
<formula>formula see original document page 9</formula>將其進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模 <formula>formula see original document page 9</formula>，則相關(guān)輸出為w (":
進(jìn)一步說，由于在第一階段，已經(jīng)確定了時(shí)延的搜索區(qū)間，則相關(guān)輸出W(r) 可表示為^(0:
進(jìn)一步說，精確的時(shí)延估計(jì)表示為L(zhǎng)
<formula>formula see original document page 10</formula>
由以上可知，本發(fā)明為一種超寬帶無線電的快速時(shí)延估計(jì)算法，它首先依 據(jù)接收信號(hào)的能量估計(jì)第一條路徑信號(hào)的所在的分組，然后基于符號(hào)采樣率的 相關(guān)輸出精確估計(jì)時(shí)延，具有估計(jì)時(shí)延快速，精確等特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式


圖1是本發(fā)明的快速時(shí)延估計(jì)算法的流程圖。本時(shí)延估計(jì)算法分為二個(gè)階 段通過接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時(shí)延估計(jì)階段，通過基于符號(hào)采樣率 的相關(guān)運(yùn)算估計(jì)精確的時(shí)延階段。其具體步驟包括
1) 建立系統(tǒng)模型； 考慮以下信道模型
則接收信號(hào)可表示為
<formula>formula see original document page 10</formula>其中
_+QO—
2) 將幀分組，即令^, = ^7;+、7;，并收集每個(gè)分組的能量，即通過收集M 幀內(nèi)每個(gè)分組的能量以此作為決策變量，即 <formula>formula see original document page 11</formula>
3)根據(jù)最大能量原則，估計(jì)第一條路徑信號(hào)所在的分組，即
<formula>formula see original document page 11</formula>4) 確定時(shí)延估計(jì)范圍，估計(jì)出粗粒度的到達(dá)時(shí)間&，第二步就是估計(jì) ^e
，這等價(jià)于搜索"[&S,A+1)B-1]。然而第一條路徑由于多徑效
應(yīng)可能先于能量最強(qiáng)的分組到達(dá)，因此需要將搜索區(qū)間向后延拓，此時(shí)搜 索區(qū)間為A e [&S - + l)S -1]設(shè)"，=- M ， =+ l)S -1 ，則搜索區(qū)間可
表不為<formula>formula see original document page 11</formula>
5) 估計(jì)相關(guān)模板,給定《個(gè)符號(hào)觀測(cè)時(shí)間，則集成信道分量相關(guān)模板為 A(/;rXl/《)5^。K"^),"
，將其進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模<formula>formula see original document page 11</formula>
6) 基于符號(hào)采樣率的相關(guān)輸出精確的估計(jì)時(shí)延，即相關(guān)輸出為R(":
<formula>formula see original document page 11</formula>,…,尺 在第一階段，我們已經(jīng)確定了時(shí)延的搜索區(qū)間，此時(shí)相關(guān)輸出則表示
<formula>formula see original document page 11</formula>
而精確的時(shí)延估計(jì)可以表示為
<formula>formula see original document page 11</formula>
權(quán)利要求
1、一種超寬帶無線電的快速時(shí)延估計(jì)算法，其特征是，該方法為首先通過接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行粗粒度的時(shí)延估計(jì)，然后通過基于符號(hào)采樣率的相關(guān)運(yùn)算估計(jì)精確的時(shí)延。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述超寬帶無線電的快速時(shí)延估計(jì)算法，它的具體步驟是1) 建立系統(tǒng)模型 信道模型<formula>formula see original document page 2</formula>其中丄為總多徑數(shù)，^為每個(gè)多徑的衰減因子，W0為沖激函數(shù)，7;為碼片時(shí)間，5.。,為時(shí)延，/表示第/個(gè)多徑， 接收信號(hào)《t)為<formula>formula see original document page 2</formula>其中pW為發(fā)射脈沖，？>為幀的持續(xù)時(shí)間，Q^O,l,…,iV。-0為跳時(shí)碼，A^r,/z;為一幀內(nèi)的碼片數(shù)，^是信息比特，^W為接收機(jī)處的接收函數(shù)，n(t)為噪聲序列，^表示信號(hào)的能量；2) 將幀分組，令<formula>formula see original document page 2</formula>;，即將時(shí)延分解為分組時(shí)延與碼片時(shí)延之禾口，并收集每個(gè)分組的能量，通過收集M幀內(nèi)每個(gè)分組的能量以此 作為決策變量，艮p- <formula>formula see original document page 3</formula> ;為每個(gè)分組的時(shí)間，F(xiàn);,為第/個(gè)幀內(nèi)第/個(gè)分組的能量，r;表示M 幀內(nèi)第/個(gè)分組的能量，w)為接收到的信號(hào)，。為第7'個(gè)幀的跳時(shí)碼，& 表示到達(dá)信號(hào)所在的分組位置，^表示到達(dá)信號(hào)所在的碼片位置；3) 根據(jù)最大能量原則，估計(jì)第一條路徑信號(hào)所在的分組&，艮P:<formula>formula see original document page 3</formula>A^為總的分組個(gè)數(shù)4) 確定時(shí)延估計(jì)范圍，估計(jì)出粗粒度的到達(dá)時(shí)間&，再估計(jì)^e
， 搜索區(qū)間為h<formula>formula see original document page 3</formula>^是每一個(gè)分組擁有的碼片個(gè)數(shù)。M為向左進(jìn)行的延拓的碼片個(gè)數(shù)；5) 估計(jì)相關(guān)模板,給定&個(gè)符號(hào)觀測(cè)時(shí)間，則集成信道分量相關(guān)模板為<formula>formula see original document page 3</formula>^是一個(gè)自行設(shè)定的參數(shù)，？;是一個(gè)信息比特的時(shí)間(一個(gè)信息比特用iV,個(gè)脈沖表示)，t表示時(shí)間，^表示模板的延時(shí)參數(shù)； 再將A(^,)進(jìn)行周期延拓，則得到相關(guān)掩模A^^):<formula>formula see original document page 3</formula>6) 基于符號(hào)采樣率的相關(guān)輸出的精確時(shí)延估計(jì)，相關(guān)輸出為W(O:<formula>formula see original document page 3</formula>K是信號(hào)的支撐域，設(shè)<formula>formula see original document page 4</formula>表示第Ws個(gè)碼 片，為&表示第"e個(gè)碼片；精確的時(shí)延估計(jì)為f:<formula>formula see original document page 4</formula>于是，在第&個(gè)分組內(nèi)的精確的時(shí)延&" 其中￡為求均值運(yùn)算符。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超寬帶無線電快速的時(shí)延估計(jì)算法，它分為兩個(gè)階段，首先通過接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)進(jìn)行粗粒度的時(shí)延估計(jì)，確定第一條路徑信號(hào)所駐留的分組位置，然后估計(jì)相關(guān)模板，通過基于符號(hào)采樣率的相關(guān)運(yùn)算精確估計(jì)時(shí)延。具有估計(jì)時(shí)延快速，精確等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101170367SQ20071003617
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者曾凡仔, 李仁發(fā), 娟 羅, 凡 鄧 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)