用于定位通信网络中的至少一个障碍物的方法和设备、相应的计算机程序

摘要

本发明涉及一种定位发送器和接收器之间的障碍物的方法。根据本发明，所述方法包括下列步骤：确定所述障碍物所位于的至少一个椭圆环，所述椭圆环由两个共焦的椭圆来定义，其焦点对应于所述发送器和所述接收器，每个椭圆环与障碍物产生的物理回波相关联；作为在与所述焦点所定义的轴垂直的平面上的所述障碍物处的所述共焦椭圆之间的间隔的函数来估算所述障碍物和焦点之间的距离，以获得所述椭圆环中的所述障碍物的一组可能位置区域；以及消除所述障碍物的各个可能位置区域之间的模糊性，从而给出所述障碍物的位置区域。

权利要求

1.一种定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，该方法的特征在于它包括下列步骤：·确定所述障碍物所位于的至少一个椭圆环，所述椭圆环由两个共焦的椭圆来定义，该两个共焦的椭圆具有与所述发送器和所述接收器对应的焦点，每个椭圆环与由障碍物基于至少三个传播延迟产生的物理回波相关联，该传播延迟分别对应于在所述发送器和所述接收器之间的传输信道的脉冲响应的至少两个有意义的峰值：·与所述脉冲响应的有意义的主峰对应的延迟τ0，表示在所述发送器和所述接收器之间的直接路径，使能够确定两个焦点之间的距离；以及·与有意义的副峰的给定相对幅度对应的两个延迟(τ1,τ2)，该有意义的副峰是所述障碍物反射的至少两个路径产生的，使能够确定椭圆环的厚度；

·作为确定在与所述焦点所定义的轴垂直的平面上的所述障碍物处的所述共焦椭圆之间的间隔的函数来估算所述障碍物和所述焦点之间的距离，以获得所述椭圆环中的用于所述障碍物的一组可能位置区域；以及·作为所述距离的函数消除所述障碍物的各个可能位置区域之间的模糊性，从而给出所述障碍物的位置区域。

2.如权利要求1所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，还包括估算所述发送器和所述接收器之间的传输信道的脉冲响应的在前步骤。

3.如权利要求1所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其中，所述脉冲响应是根据所述接收器接收的信号来估算的，并对应于由所述发送器发送、且对于接收器是已知的测试信号。

4.如权利要求1所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其特征在于，所述确定椭圆环的步骤包括获取所述发送器和所述接收器之间的距离d、从而d＝cτ0的子步骤，其中c是光速；

所述估算所述障碍物和所述焦点之间的距离的步骤包括在投射到由所述焦点所定义的所述椭圆的主轴时、作为参考图和所述间隔的函数来估算在所述障碍物和所述焦点中的一个之间的距离d1的子步骤。

5.如权利要求1所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其特征在于，所述估算所述障碍物和所述焦点中的一个之间的距离的方法包括测量与所述障碍物相关联的至少一个有意义的峰值的宽度的子步骤。

6.如权利要求5所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其特征在于，所述宽度是在所述有意义的峰值的-3DB处测量的。

7.如权利要求1所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其特征在于，所述消除模糊性的步骤包括针对与有意义峰值相关联的至少一个延迟来估算多普勒延迟函数的子步骤，该有意义峰值与所述障碍物相关联。

8.如权利要求7所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其特征在于，所述多普勒延迟的估算针对所述延迟给出测试信号在所述接收器处的到达角θν的估算；并且在于，所述消除模糊性的步骤包括针对所述可能位置区域将所述到达角θν的值与至少一个预定的角度值进行比较的步骤。

9.如权利要求1所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其特征在于，还包括作为所述位置区域的函数来管理在所述发送器和所述接收器所属的通信网络中的资源分配的步骤。

10.如权利要求1所述的定位在发送器和接收器之间的至少一个障碍物的方法，其特征在于，所述至少一个障碍物Pi对应于至少一个干扰元素；并且在于，所述方法还包括下列步骤：调整所述发送器和所述接收器所属的通信网络的天线的辐射图以获得调整的辐射图，从而所述至少一个干扰元素不在所述天线的传输方向上。

11.一种用于定位发送器和接收器之间的至少一个障碍物的设备，该设备的特征在于它包括：

·用于确定所述障碍物所位于的至少一个椭圆环的装置，所述椭圆环由两个共焦的椭圆来定义，该两个共焦的椭圆具有与所述发送器和所述接收器对应的焦点，每个椭圆环与由障碍物基于至少三个传播延迟产生的物理回波相关联，该传播延迟分别对应于在所述发送器和所述接收器之间的传输信道的脉冲响应的至少两个有意义的峰值；

·与所述脉冲响应的有意义的主峰对应的延迟τ0，表示在所述发送器和所述接收器之间的直接路径，使能够确定两个焦点之间的距离；以及·与有意义的副峰的给定相对幅度对应的两个延迟(τ1,τ2)，该有意义的副峰是所述障碍物反射的至少两个路径产生的，使能够确定椭圆环的厚度；

·用于作为确定在与所述焦点所定义的轴垂直的平面上的所述障碍物处的所述共焦椭圆之间的间隔的函数来估算在所述障碍物和所述焦点中的一个之间的距离的装置，以获得所述环中的所述障碍物的一组可能位置区域；以及·用于作为所述距离的函数消除所述障碍物的各个可能位置区域之间的模糊性以给出所述障碍物的位置区域的装置。

说明书

用于定位通信网络中的至少一个障碍物的方法和设备、相

应的计算机程序

技术领域

[0001] 1．发明领域

[0002] 本发明的领域是定位通信网络中的终端，更具体而言为尝试互相通信的终端。

[0003] 更具体而言，本发明涉及这样一种特别是在认知无线电或频谱管理技术的领域中、或者在被称为“绿色无线电”技术的领域中的定位技术，即，准备适应两个终端之间的辐射波束以降低传输功率的技术。

背景技术

[0004] 2．现有技术

[0005] 已知定位技术基于三种不同类型的技术：

[0006] ·所谓的到达时间（ToA）或到达时间差（DToA）技术。DToA技术利用参考终端和要定位的终端也被称为障碍终端之间的传播时间δτi的测量，以及相应的距离cδτi，其中c是波传播速度。这些技术需要多个互相同步的参考终端来定位所述障碍终端。DToA技术测量与参考终端相比较而言的终端之间的相对时间差，该参考终端与其他参考终端是共同的。需要共同的时间参考。于是，通过估算波从障碍终端到参考终端的相对传播时间来确定障碍物的相对位置，并且这需要互相同步的至少三个不同的参考终端，以便找到与每个传播时间相关联的点位置的交叉点相对应的二维位置；

[0007] ·较低准确度的其他技术依赖于在其中找到障碍终端的小区的网络标识以及该小区中的障碍终端的标识，被已知为它的小区标识（CID），以定位该终端。在小区中定位终端利用所谓的时间前置（TA）参数，并形成与小区的尺寸相关联的非常接近的位置估算。例如在文档：3GPP TS25.305（2002年三月）.“Stage2functional specification of UE positioning in UTRAN”（“UTRAN中的UE定位的阶段2功能说明书”）中描述了一种这样的技术；以及

[0008] ·又一种技术，已知为到达角（AoA）技术，一旦障碍终端发送信号，考虑在每个参考终端上接收的波的估算角度。于是，通过障碍终端上的波的到达方向所描述的点位置之间的交叉点来确定障碍物的相对位置，如N.Delligiannis,S.Louvros,S.Kotsopoulos在2007年5月的Mobimedia’07会议的文档“Optimizing location positioning using hybrid ToA-AoA techniques in mobile cellular networks”（“在移动蜂窝网络中使用混合ToA-AoA技术来优化位置定位”）所提出的。这些技术需要在每个参考终端上有智能天线。但是，它们存在传播的波的多路径性质所带来的位置不准确性，引起与各个障碍物（漫射体）相关联的不同到达方向，其影响接收到的信号。成本函数被建议来改进估算，其中考虑每个参考终端上接收的功率以及角度分散。

[0009] 还存在混合AoA和ToA技术的现有技术，以改善终端定位，如N.Delligiannis,S.Louvros在Sringer在2009年5月的无线个人通信（Wireless Personal Communication）上的文档"Hybrid TOA-AOA location positioning techniques in GSM networks"（“GSM网络中的混合TOA-AOA位置定位技术”）所提议的。在所有情形下，那些技术需要多个参考终端之间的良好同步（ToA技术）或确实智能的天线（AoA技术）。

[0010] 二维ToA和DToA技术的原则包括测量障碍终端发送的信号和参考终端接收的信号之间的时间间隔δτi。该测量使得可能使用差分技术来计算终端之间的相对距离。与参考终端Ti和障碍终端A之间的信号传播延迟相对应的每个间隔δτi与中心为Ti的圆Ci的半径ri=cδτi相关联，其中Ti是参考终端的位置。使用二维平面中的简单方法，通过考虑半径为ri=cδτi的三个圆的交叉点来定位障碍终端A，如图1a所示，其中，c是波在空气中的传播速度。考虑三个圆的交叉点，只有当第三个圆与其他两个圆的交叉点中的一个准确一致时，障碍终端的准确位置才是有效的。

[0011] 更一般来说，且如图1b所示，当连接可能被阻隔时，三个圆的交叉点带来覆盖区域而不是一个点。该区域是由三个点定义的，该三个点对应于成对的圆的交叉点并位于第三个圆中。三个交叉点的重心（或重力中心）给出了终端位置的近似，如N.Delligiannis,S.Louvros,S.Kotsopoulos在2007年5月的Mobimedia’07的文档"Optimizing location positioning using hybrid ToA-AoA techniques in mobile cellular networks"（“在移动蜂窝网络中使用混合ToA-AoA技术来优化位置定位”）所描述。

[0012] 使用在三维中处理问题所产生的并利用DToA技术的更完全的方法，该DToA技术考虑参考终端（Ti）与作为参考的参考终端（T1）之一相比的相对位置，表明障碍终端A的位置产生于三个双曲线或三个椭圆的交叉点，由此需要在四个参考终端Ti上接收四个同步的信号。通过示例，B.T.Fang的文章"Simple solutions for hyperbolic and related position fixes"（“双曲线和相关位置修正”），IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems（IEEE航空和电子系统汇刊）,26(5),pp.748-753,1990展示了使用信标来定位船只。

[0013] 现有技术的那些ToA和DToA技术的不足在于，需要至少三个互相准确同步的参考终端。此外，那些技术存在与参考终端之间的同步以及与点对点连接质量相关联的误差（可见性或阻隔的链路带来障碍终端和参考终端之间的间接路径）。链路的阻隔性质增加了传播时间而不改变两个终端之间的距离。对传播时间的调整考虑了两个终端之间的波的间接路径。这导致了两个终端之间的估算距离的误差。已经提议增强的ToA（E-ToA）技术，其利用成本函数。那些技术包括加权对每个点对点链路引入的误差（G.Turin,W.Jewell,T.Johnston的文章“Simulation of urban vehicle-monitoring systems”（“城市车辆监控系统的仿真”），IEEE Trans.Vehic.Tech.,Vol.VT-21,1972年2月,pp.9-16特别描述了该技术），以及通过最小二乘法来估算位置。N.Delligiannis,S.Louvros,S.Kotsopoulos在2007年5月的Mobimedia’07会议上的文章“Optimizing location positioning using hybrid ToA-AoA techniques in mobile cellular networks”（“在移动蜂窝网络中使用混合ToA-AoA技术来优化位置定位”）也提出了一种改进，包括以迭代方法来改善位置。相反，那些E-ToA继续需要多个参考终端之间的同步。

[0014] 因此需要一种定位终端的新颖方法，不需要多个参考终端（至少三个）被同步，而给出可靠和准确的位置，其实现复杂度较小。

发明内容

[0015] 3．发明概要

[0016] 本发明提供了新颖的解决方案，其中不有现有技术中的所有那些不足，该解决方案的形式为一种方法，通过执行下列步骤来定位发送器和接收器之间的至少一个障碍物：

[0017] ·确定所述障碍物所在的至少一个椭圆环，所述椭圆环由两个共焦的椭圆来定义，其焦点对应于所述发送器和所述接收器，每个椭圆环与障碍物产生的物理回波相关联；

[0018] ·作为确定在与所述焦点所定义的轴垂直的平面上的所述障碍物处的所述共焦椭圆之间的间隔的函数估算所述障碍物和所述焦点之间的距离，以获得所述障碍物在所述椭圆环中的一组可能位置区域；以及

[0019] ·作为所述距离的函数消除所述障碍物的各个可能位置区域之间的模糊性，从而给出所述障碍物的位置区域。

[0020] 于是，在本发明中，特别在对障碍物所属的椭圆或更准确地椭圆环进行分析的基础上，用三个阶段来识别该障碍物。

[0021] 在一种特定的实现中，该方法包括用于估算所述发送器和所述接收器之间的传输信道的脉冲响应的在前步骤。于是，所述确定椭圆环的步骤和所述估算距离的步骤利用对所述脉冲响应的至少一个有意义的峰值的分析，来确定表示障碍物的位置的信息。

[0022] 通过示例，脉冲响应的所述估算是通过分析信号获得的，该信号由所述接收器接收、并对应于所述发送器发送的测试信号。

[0023] 特别地，所述确定椭圆环的步骤可以考虑至少三个传播延迟，该传播延迟对应于所述脉冲响应的至少两个有意义的峰值：

[0024] ·与所述脉冲响应的主峰对应的延迟τ0，表示所述发送器和所述接收器之间的直接路径；以及

[0025] ·由所述障碍物反射的至少两个路径产生的与副峰对应的两个延迟(τ1,τ2)。

[0026] 确定椭圆环的该步骤由此可以包括下列子步骤：

[0027] ·获取所述发送器和所述接收器之间的距离d，从而d=cτ0，其中c是光速；

[0028] ·在投射到所述焦点所定义的所述椭圆的主轴时，作为参考图和所述间隔的函数估算所述障碍物和所述焦点中的一个之间的距离d1，。

[0029] 此外，估算所述障碍物和所述焦点中的一个之间的距离的所述步骤可以考虑与所述障碍物相关联的至少一个有意义的峰值的宽度。所述宽度例如可以在所述有意义的峰值的-3DB处测量。

[0030] 在至少一种特定实现中，所述消除模糊性的步骤考虑针对与脉冲响应的主峰和副峰相关联的延迟来估算多普勒延迟函数，该副峰与所述障碍物相关联。

[0031] 该对多普勒延迟的估算由此可以针对所述延迟给出所述接收器的测试信号的到达角θν的估算。在该情形下，所述消除模糊性的步骤可以包括针对所述可能的位置区域将所述到达角θν的值与至少一个预定的角度值进行比较的步骤。

[0032] 在本发明的特定应用中，所述方法还包括作为所述位置区域的函数对所述发送器和所述接收器所属的通信网络中的资源分配进行管理的步骤。

[0033] 由此通过考虑检测到的障碍物来优化该资源分配。特别地，如果终端和发送器或接收器各自使用的通信波束在三维空间中分离，被发送器和接收器看作障碍物的终端的位置的知识可以使基站选择相同的无线信道，该基站用作发送器或接收器并实现该方法。

[0034] 在另一特定应用中，特别是当所述至少一个障碍物Pi对应于至少一个干扰元素时，所述方法还包括下列步骤：调整所述通信网络的天线的辐射图以获得调整的辐射图，从而所述至少一个干扰元素不在所述天线的传输方向上。

[0035] 这使得可能优化传输效率，且在合适时优化传输所需的功率。

[0036] 通过实现上述方法，本发明还提供了用于定位发送器和接收器之间的至少一个障碍物的设备（该设备可被包含在发送器和/或接收器中）。

[0037] 特别地，这样的设备包括：

[0038] ·用于确定所述障碍物所在的至少一个椭圆环的装置，所述椭圆环由两个共焦的椭圆来定义，该两个共焦的椭圆具有的焦点对应于所述发送器和所述接收器，每个椭圆环与障碍物产生的物理回波相关联；

[0039] ·用于作为确定在与所述焦点所定义的轴垂直的平面上的所述障碍物处的所述共焦椭圆之间的间隔的函数来估算所述障碍物和所述焦点中的一个之间的距离的装置，用以获得所述环中的所述障碍物的一组可能位置区域；以及

[0040] ·用于作为所述距离的函数消除所述障碍物的各个可能位置区域之间的模糊性的装置，从而给出所述障碍物的位置区域。

[0041] 本发明还提供了一种计算机程序产品，可以从通信网络下载并/或记录在计算机可读介质上并/或可以被处理器执行，其包括程序代码指令，当所述程序在计算机上执行时，用于执行如上所述的定位方法的步骤。

附图说明

[0042] 4．图列表

[0043] 仅通过说明和非限制示例的方式给出特定实现的下列描述并参考附图，本发明的其他特征和优势看起来更清楚，在附图中：

[0044] ·如上参考现有技术所述的，图1a和1b展示了用于定位障碍物终端A的ToA技术的例子；

[0045] ·图2示出了用于确定菲涅尔区域的原则；

[0046] ·图3示出了作为距离d和d1以及传输带宽B的函数的基本空间解析度的例子；

[0047] ·图4示出了具有两个障碍物（A）和（P1）的传播信道的物理表示的例子；

[0048] ·图5描述了在图3所示的环境中的本发明的实现中的定位方法的主要步骤；

[0049] ·图6示出了包含主峰和物理峰的传播信道的脉冲响应的功率分布图的例子。

[0050] ·图7是用于定位障碍物的理论函数的参考图的例子；

[0051] ·图8示出了在定位障碍物时的模糊性的例子；

[0052] ·图9a和9b分别示出了多普勒延迟函数的例子和识别与障碍物P1相关联的有意义峰值的多普勒角度的方法的说明；并且

[0053] ·图10示出了在本发明的特定实现中的用于执行的定位技术的位置定位设备的结构。

具体实施方式

[0054] 5．一般原理

[0055] 5.1识别障碍物

[0056] 本发明由此提出了一种新颖的方法，用于定位位于发送器和接收器之间的一个或多个障碍物。术语“障碍物”在这里被用于同时指示干扰元素（例如建筑物）以及除了发送器和接收器之外的无线通信终端。发送器和接收器可以自然地是发送器和接收器终端。

[0057] 本发明的方法依赖于基于菲涅尔区域来估算位置，菲涅尔区域的原理在附录A中总结并在图2中示出。在该原理的基础上，针对给定的障碍物来执行三个步骤：

[0058] ·确定障碍物所在的椭圆环；

[0059] ·估算发送器或接收器与障碍物之间的距离，由此使得可能定义若干个可能的位置（在考虑平面中的椭圆时，作为对称性的结果，一般是四个）；

[0060] ·搜索真实位置，或消除模糊性。

[0061] 椭圆环由两个定位椭圆即两个共焦椭圆来定义，该两个共焦椭圆的焦点为发送器和接收器。该环的厚度作为障碍物位置的函数变化（在与发送器及接收器同等距离时厚度较大，在接近发送器或接近接收器时厚度较小）。通过确定该厚度，由此可能推导与焦点中的一个和障碍物之间的距离相关的信息。由此可以通过障碍物所属的椭圆环并通过所述距离来描绘该障碍物的特征。

[0062] 若干个区域可能对应于那些特征，且模糊性随后被消除，例如通过分析与障碍物相关联的有意义峰值的多普勒延迟函数。

[0063] 5.2获取位置标识信息

[0064] 特别通过分析发送器和接收器之间的传播信道的脉冲响应，例如基于发送器所发送并被接收器接收的测试信号或参考信号，可以获取这些特征。因此可能使用脉冲响应的功率分布图（profile）。

[0065] 已发现分析有意义的峰值使得可能定义在定位时所需的特征：

[0066] ·第一峰值，或“主”峰，表示发送器和接收器之间的直接路径，以及由此表示两个焦点之间的距离；

[0067] ·有意义的副峰，对应于障碍物所反射的路径，且由此对应于回波。分析副峰使得可能：

[0068] ·确定反射路径的持续时间，并作为直接路径、障碍物所属的定位椭圆或更准确地为椭圆环的函数；以及

[0069] ·通过确定障碍物处的椭圆环的厚度、基于所考虑的峰值的宽度（例如-3DB）来确定在与所述焦点所定义的轴垂直的平面上的障碍物和焦点中的一个之间的距离。

[0070] 当存在多个障碍物时，相同的方法可被用于每个相应的副峰。

[0071] 5.3确定位置的例子

[0072] 下面是对本发明的实现的更理论的解释。

[0073] 本发明的方法由此提出在定义两次回波之间的路径变化Δd的基础上来定位障碍物，所述两次回波属于所考虑的传播信道的功率分布图中的给定物理回波，并对应于与包含障碍物的发送器-接收器轴垂直的平面中的障碍物相关的空间定位不确定性Δr。

[0074] 发送器和接收器之间的测试信号的传输典型地使得可能获取传播信道的功率分布图。与延迟τi相关联的分布图的每个值被称为回波或回波τi。

[0075] 传播信道的脉冲响应的每个回波τi对应于发送器和接收器之间的直接路径或障碍物所产生的间接路径，发送器发送的波在被接收器接收之前被该障碍物反射。平面中的所有可能障碍物位置对应于椭圆的点位置，该椭圆以发送器和接收器作为其焦点，且具有的主轴长度等于在障碍物上反射之后从发送器发送并由接收器接收的波行进的距离。

[0076] 在延迟τ0，该功率分布图表现最大值，这是主峰，且在延迟τi（大于τ0），它表现局部最大值（副峰）。主峰对应于直接路径。本地最大值对应于被障碍物反射的路径。

[0077] 与物理峰值相关联的物理回波对应于时间窗口[τi-δτι,τi+δτι]中包含的所有回波，τi-δτι和τi+δτι是与相对于τi时的幅度小n dB（典型地3dB）的幅度相关联的延迟。两个延迟τi－δτι和τi+δτι与定义椭圆环的两个椭圆相关联。物理回波对应于更具体地由障碍物反射的路径。于是，每个障碍物位于由两个定位椭圆所定义的椭圆环中。

[0078] 通过完全相同的方式，椭圆环可以被认为由与延迟τi和τi－δτι或与延迟τi和τi+δτι相关联的两个椭圆来定义。在这样的情形下，δτι所对应的宽度是由延迟τi－δτι和τi+δτι所定义的物理峰值的宽度的一半。

[0079] 在本文档的下面，考虑的回波是τi和τi+δτι，且考虑的物理峰值的相关宽度是δτι。

[0080] 与所考虑的回波相关联的两个椭圆之间的距离确定与和发送器-接收器轴垂直的平面中的障碍物的位置有关的空间不确定性Δr，该回波具有相同的焦点、与给定障碍物上的波反射相关联，该不确定性具有作为该平面离发送器的距离d1的函数来变化的特定性质。

[0081] 确定与考虑的回波τi和τi+δτι对应的路径变化Δd，使得可能获取通过测量物理峰值的宽度δτι乘上波的速度c而获得的空间位置不确定性的实验值Δ'r，由此在给定上述特定性质的情况下确定在发送器和与发送器-接收器轴垂直的平面之间的距离d1。

[0082] 可以对障碍物的空间位置不确定性Δr来确定距离d1，该不确定性理论上被表示为两个子表达式，其中第一个是发送器-接收器距离d以及在直接路径τ0和各个反射路径τi和τi+δτι之间的相对延迟的函数，该反射路径提供椭圆的参数，它们中的第二个依赖于规范化变量d1/d。第二个子表达式对应于被称为“规范化理论”的函数，其值从图中选取。

[0083] 测量延迟τ0、τi、和τi+δτι，其给出了考虑的物理峰值的时间宽度δτi=Δ'r/c，然后使得可能通过将Δ'r除以第一子表达式的比率与图中的值进行比较，来确定法平面距包含障碍物的发送器-接收器轴的距离d1。

[0084] 关于障碍物的位置仍然存在模糊性，该模糊性与规范化理论函数的对称性相关联。特别地可以在估算与物理峰值相关联的多普勒延迟函数的帮助下、通过估算障碍物上反射的波被接收时的到达角来消除该模糊性。该角度与从d1的估算值以及圆的半径推导出来的可能理论值进行比较，该圆定义了与和包含障碍物的发送器-接收器轴垂直的平面中的τi相关联的椭圆。

[0085] 6．示例实现

[0086] 6.1数学方面

[0087] 在下面描述的实现中，本发明的定位方法由此包括检测传播信道的估算脉冲响应的功率分布图中的被称为物理峰值的主峰和至少一个有意义的峰值，以及从中提取相关的参数。

[0088] 这些相关参数是与考虑的主峰和有意义峰值相关联的延迟、以及物理峰值的所考虑的宽度Δ'ri/c。之后，它们使得可能考虑比率d1/d来推导规范化函数，其中d是与主峰相关联的发送器和接收器之间的距离，且d1是发送器和要定位的障碍物之间的距离（对应于有意义的峰值）。

[0089] 该规范化函数gexp(τ0,τ1,τ2)然后与图所表示的理论函数g(d1/d)进行比较，以获取距离d1且从而获取障碍物的位置。

[0090] 本发明基于下列事实：脉冲响应的功率分布图的主峰对应于发送器和接收器之间的直接路径，且有意义的峰值表示由在发送器和接收器之间的波的路径上存在的障碍物引起的物理回波。

[0091] 此外，该有意义的峰值由相对于主峰的相对幅度来表征，并由相对于所考虑的有意义峰值的最大幅度在-3dB处的时间宽度δτi来表征，该有意义峰值相对于参考瞬间具有传播延迟τi，该参考瞬间对应于测试信号被发送的瞬间。

[0092] 功率分布图的峰值被认为是有意义的副峰，如果它与主峰幅度相比的相对幅度满足预定的准则，例如依赖于包含终端（例如发送器、接收器、障碍物等）的环境的阈值。这些预定的阈值典型地位于距传播信道的功率分布图的主峰幅度-20dB处。于是，在该数值示例中，如果副峰的幅度相对于主峰幅度相对低不超过-20dB，则副峰被当做有意义的峰值。

[0093] 如上所述，本发明的原则还依赖于下列事实：发送器和接收器（分开距离d）位于不同椭圆的焦点上，该椭圆具有的参数依赖于在传播路径的脉冲响应的功率分布图中观察到的物理峰值。

[0094] 于是，在由发送的波上的障碍物效应所产生的每个有意义的副峰上，存在由两个定位椭圆所定义的相关联椭圆环，由相应的传播延迟τi并由物理回波的所考虑的相应时间宽度δτi（即两次延迟如τi和τi+δτi）来表征。

[0095] 延迟τi以及与幅度Ai的物理回波相关联的时间宽度δτi使得可能获取障碍物的与位置的模糊性相关联的第一位置，该模糊性与障碍物相对于发送器和接收器的位置的对称性链接、并与物理函数g(d1/d)的相应对称性链接。

[0096] 合适的测试信号然后使该模糊性被消除，该测试信号使信道的脉冲响应被估算，并使能要处理的信道的随时间变化的脉冲响应。

[0097] 计算菲涅尔区域的实践的扩展（在附录A中更详细地描述，该附录A构成本描述的完整部分，并在起伏传播理论中使用）并使用关于多路径传播信道的知识来定位三维中的障碍物，这使得可能表明，传播信道的脉冲响应的回波的物理解析度（被认为对应于空间解析度）依赖于：

[0098] ·首先，系统的传输带B或考虑的分析带B的宽度；以及

[0099] ·其次，与包含障碍物的发送器-接收器轴垂直的平面部分，即，法平面和发送器之间的距离d1（法平面和接收器之间的距离被写作d2(=d－d1)）。

[0100] 在本发明中，单独的解析度或“裕度”被定义为与所有使用的变量相关联，例如路径之间的距离、路径的持续时间、或椭圆的半径。这些单独的解析度使得可能确定变量的阈值，导致针对与传输系统的限制相关联的无穷小变化来确定距离d1。

[0101] 首先考虑与所考虑的系统可检测到的在直接回波和反射回波之间的最小距离相对应的基本路径变化δd。

[0102] 基本路径变化δd对应于由等于δτ的持续时间所分隔的两个路径，且它因此等于cδτ，其中c是光速。δτ被定义为信道的脉冲响应的回波的基本数学解析度，且它等于1/B。

[0103] 这给出了δd=c/B。

[0104] 这个基本路径变化产生了与发送器-接收器轴垂直的平面中离发送器距离d1处的基本半径变化δr。δr对应于障碍物的基本空间位置解析度。

[0105] 于是，如果那两个回波之间的路径变化小于δd（或者如果那两个回波之间的时间变化小于δτ，或确实如果与那两个回波相关联的半径变化小于δr），则两个回波被认为是不可分割的。

[0106] 于是，通过附录A中给出的等式2，可以如下来写出基本空间解析度：

[0107]

[0108] 假设δr<

[0110] 6.2实现的描述

[0111] 参考图4到9，接下来是用于定位障碍物的本发明的方法的实现的描述。

[0112] 如图4所示，发送器S和接收器M位于椭圆的焦点，且它们被分开距离d。

[0113] 障碍物A位于具有相同焦点的第一椭圆上，特征为距离2a=d(S,A)+d(A,M)，该距离是恒定的，而不管A在参数为{a,b,g}的椭圆上的位置，其中2g=d，a是椭圆长轴的一半，且b是短轴的一半。

[0114] 有可能相关联位于椭圆的对应于相同传播延迟τ的不同点上的多个障碍物。传播信道的脉冲响应的每个回波τ由此对应于多个波的贡献，该多个波具有不同方向或位于与障碍物对应的立体角dΩ，给出给定的延迟τ以及相对于直接路径的额外距离Δd。

[0115] 图5示出了在本发明的方法的该实现中执行的各个步骤。

[0116] 因此，发送信号的发送器执行第一步骤10来估算在发送器S和接收器M之间的传输信道的脉冲响应。该信号沿着发送器和接收器之间的直接路径传输，并沿着被要定位的至少一个障碍物Pi反射的至少两个路径传输。

[0117] 通过这里没有详细描述的已知技术，例如通过在被发送的信号中插入导频或通过发送测试信号，可以估算信道的脉冲响应。

[0118] 如图6所示，在该实现中，脉冲响应的功率分布图表现出用于表示与直接路径相关联的延迟τ0的至少一个峰值，以及用于表示延迟τ1和τ2的至少一个峰值，并具有与障碍物P1反射的路径相关联的宽度Δτ。

[0119] 在图6中，在60吉赫兹（GHz）下使用天线来测量传播信道，该天线在发送和接收时在方位平面上分别具有72°和60°的射束宽度。传播信道的带宽是512MHz，由此提供具有δτ=1.95纳秒（ns）所给出的数学解析度的回波。发送器-接收器的距离d是12.89米（m）。

[0120] 如上所述，可能相关联位于椭圆不同点的对应于相同传播延迟τ的多个障碍物，由此可能将与延迟τj对应的脉冲响应h(t,τ)的每个系数βj(t)与具有长度2aj的长轴的椭圆相关联，从而2aj=cτj。

[0121] 脉冲响应h(t,τ)可以被写成下面的形式：

[0122]

[0123] 置于给定椭圆上的障碍物产生回波并提供与路径τj(t)相关联的信道的脉冲响应的复杂系数βj(t)。

[0124] 如图4所示，如果两个延迟τi和τj之间的间隔Δt大于数学解析度δτ，则有多少不同的回波就有多少用于定位的椭圆（图中示出了用于障碍物P1的两个椭圆）。在该情形下，间隔Δτ所产生的两个椭圆之间的差异2Δa大于cδτ。

[0125] 于是，如果τi≠τj（如果两个延迟τi和τj之间的间隔Δt大于数学解析度δτ），则考虑：

[0126]

[0127] 估算脉冲响应使得可能确定与定位椭圆相关的理论参数{ai,bi,gi}。每个反射路径与参数为ai,bi,gi的椭圆相关联，针对延迟τi，该参数分别对应于椭圆长轴的一半长度（ai）、短轴的一半长度（bi）以及椭圆的焦点之间的距离（2g=d）。这些参数可以从主路径和反射路径i的标识来推导。

[0128] 上面表明，区分由两个椭圆来表示的传播信道的脉冲响应的回波，暗示了法平面中的半径Δr的变化。两个椭圆之间的差异2Δa由此对应于半径变化Δr。

[0129] 然后基于在步骤10中估算的脉冲响应执行第二步骤11来识别障碍物Pi的椭圆环（或表征该椭圆环的两个定位椭圆）。如上所述，可以取决于考虑哪些延迟来考虑多个椭圆。

[0130] 所考虑的延迟是τi－δτι和τi+δτι的情形

[0131] 识别具有相同物理峰值的两个椭圆依赖于峰值中包含的回波的相对幅度，从而其各自的幅度相对于最大幅度典型地小3dB。在该例子中定义了时间宽度，它和物理峰值相关联、并对应于相同物理峰值的两个回波之间的间隔，该物理峰值由相对于峰值中的最大幅度的回波典型地小3dB的幅度变化来表征。在该情形下，在等式中需要考虑因素2。

[0132] 所考虑的延迟是τi－δτι和τi或τi+δτι和τi的情形

[0133] 通过延迟τi来确定两个椭圆中的一个，该延迟对应于所考虑的物理峰值的最大幅度。在峰值中包含的回波的相对幅度的估算的基础上，识别与相同物理峰值相关联的第二椭圆，从而它们的幅度在τi相对于最大幅度典型地小3dB。在该例子中定义了与该物理峰值相关联的时间宽度，作为相同物理峰值的两个回波之间的间隔，该两个回波由它们之间的典型地3dB的幅度变化来表征。

[0134] 识别的椭圆以发送器和接收器为其焦点，且在描述的实现中，它们对应于给定障碍物的波的两个间接路径的传播延迟τi和τi+1，该障碍物位于与发送器-接收器轴垂直的平面中，离发送器或接收器距离d1。

[0135] 于是，根据各个半径ri,0和ri+1,0的这两个定位椭圆，确定半径变化Δri，该半径变化对应于与半径ri,0和ri+1,0之间的长轴垂直的平面中的间隔（这样的半径不是椭圆的半径，而是经过障碍物的圆的半径）。半径变化Δri如下被写成：Δri=ri+1,0－ri,0且被如下确定。

[0136] 如果与直接路径相关联的延迟被写成τ0，且与最近的障碍物所反射的路径相关联的延迟被写成　i，然后可以写成Δτi=τi-τ0。作为附录A中的等式（1c）的结果，如下给出了相关联的半径ri,0：

[0137]

[0138] 即：

[0139]

[0140] 假设条件 为真（于是如果τi≠τ0）。

[0141] 由此可以作为该路径相对于直接路径的延迟的函数来计算与各个路径相关联的半径。

[0142] 还可以计算两个连续半径ri+1,0和ri,0之间等于ri+1,0－ri,0的半径变化Δri，即，对应于属于脉冲响应的功率分布图上的相同物理显著峰值的两个回波，且由此对应于在发送器和包含障碍物Pi的法平面之间的相同距离d1。

[0143] 考虑上面的等式（4），可以写成：

[0144]

[0145] 可以通过对如下所写的二次方程（6）求解，来计算该半径变化Δri：

[0146]

[0147]

[0148] 从而 并且

[0149] 这给出了

[0150]

[0151] 还可以写成：

[0152] 并且

[0153] 假设根据等式（4）

[0154] 从而:

[0155]

[0156] 这给出半径变化Δri的理论表达式。

[0157] 可以根据信道的脉冲响应的功率分布图来测量被写成Δ'ri的物理解析度，并且它对应于有意义的物理峰值在-3dB所取的宽度，该宽度对应于障碍物Pi的延迟τi（在上面被称为有意义峰值的时间宽度δti）乘上波的速度：

[0158] (Δri'=c·(τi+1-τi)=c·δτi)

[0159] 该值Δ'ri是物理解析度并被取成与空间解析度Δri一样，并使得可能在随后的确定步骤12中确定在发送器和与椭圆的长轴垂直的平面之间的至少一个距离d1。确定距离d1的该步骤开始于根据被写成gexp(τ0,τi,τi+1)的函数的值来确定比率d1/d：

[0160]

[0161] 它和理论函数 进行比较。

[0162] 通过知道与步骤11中确定的物理主峰相关联的Δ'ri以及延迟τ0,τi,和τi+1，得到gexp的该值。之后，该函数gexp与从步骤12的计算推导出的理论函数相比较并由图来表示。

[0163] 该理论函数被如下写成：

[0164]

[0165] 由于根据等式（7）， 可以写成：

[0166]

[0167] 如上所述，下列是已知的：Δ'ri（通过测量脉冲响应的功率分布图Δ'ri=cδτi）；延迟τ0,τi,τi+1（类似地根据脉冲响应的功率分布图来测量）；以及距离值d，从功率分布图或从脉冲响应获得（给定τ0，则d=cτ0）；或根据发送器和接收器之间的距离的直接知识所得到的其他值。

[0168] 由此可以获得gexp(τ0,τi,τi+1)的值。

[0169] 根据该值，并且使用图，如图7中所示表示 的不同值，可以确定与障碍物Pi对应的比率d1/d的值。

[0170] 比率d1/d的该值使得可能获得至少一个距离d1，但不会使其获得障碍物Pi的准确位置。

[0171] 如附录B中的表1所示，其构成了本描述的完整部分，存在与障碍物Pi相对于发送器和接收器的位置相关的位置模糊性，给出了障碍物Pi可能位于的最多四个区域。

[0172] 使用全向天线并且在方位平面中，该模糊性导致四个位置。假设天线通常使用时的方向性以及通常的基站部署场景，该配置可以被掩藏。

[0173] 相反，如果仅考虑垂直平面或如果天线具有小于等于180°的辐射图，则对称性导致与两个可能位置相关的模糊性。例如，给定d1的两个值（4.06和8.82），确定了变量d1/d的两个值（0.315和0.685）。

[0174] 在该点考虑的问题由此相当于考虑覆盖两个位置的模糊性的情形。

[0175] 本发明提出在步骤13中通过下列方式来消除该位置模糊性：考虑与副峰的延迟τi所表征的障碍物的有意义峰值相关联的多普勒延迟的估算，该多普勒延迟的估算是在估算传播信道用于均衡化、或者专用于估算脉冲响应和传播信道的多普勒延迟函数的测试信号的帮助下获得的，然后确定与副峰延迟相关联的波在接收器处的到达角度θν。该角度与根据d1和ri,0的可能值的知识推导出的例如从附录B的表1获得的角度值相比较。

[0176] 与θν最接近的值 是和延迟τi相关联的有意义物理峰值的波的到达角度相对应的值。

[0177] 该比较由此使得可能消除d1的两个可能值之间的模糊性，如图8所示。

[0178] 通过示例，考虑传播信道的变化速率为1米每秒（m/s）的系统。通过识别具有等于2/λ的周期的多普勒频谱的周期化，获得多普勒延迟函数的估算。多普勒OFDM符号的注入频率是λ/4。此外，为了提高多普勒频率解析度同时限制参考符号注入频率的目的，考虑传播信道的脉冲响应沿着变量t的空间过抽样。

[0179] 在图9a中针对本发明的本实现中考虑的三个回波即τ0、τi(=τ1)和τi+1(=τ2)示出了所考虑的多普勒频谱。在图9a的图中标识了与回波τ1和τ2相关联的多普勒分量，用于确定多普勒角度θν。

[0180] 图9b是障碍物P1的多普勒角度的表示。

[0181] 附录B中的表2给出了各个角度值以及可以由此推导出的d1的值。

[0182] 测试信号优选地依赖于以合适的频率Fs将参考信号注入到传输的帧中，该参考信号用于每隔Ts探测传播信道的脉冲响应，并从中提取多普勒频谱。在其他情形下，它可以依赖于合理地使用传播信道的系数，该系数是在专用于接收时均衡化通信信号的处理期间估算的。

[0183] 本发明由此使得可能获得障碍物Pi的准确位置，如上所述。

[0184] 7．本发明的示例应用

[0185] 通过定位通信网络中的终端，本发明使得可能调整辐射功率级别，即，形成与终端之间的链路相适应的波束，由此限制干扰链路附近的其他终端的可能性。

[0186] 本发明还使得可能优化对专用于数据传输技术的频率资源的管理。

[0187] 任何通信设备利用被细分为频率子信道的专用频谱，使用给定的编码机制和给定的调制、在与频率子信道的大小相对应的传输带宽中发送数据。如果终端使用空间分隔的通信波束，则与尝试互相通信的终端位置相关的额外信息因此使得可能使用相同的无线电信道。

[0188] 本发明由此使得认知无线电电技术被改进，其依赖于频谱管理以及选择频率子信道在通信中使用。

[0189] 用于管理频谱的一般技术已知有检测避免（DAA）和动态频率选择（DFS），其中，频谱被探测，以选择频率信道用于传输的目的，而没有干扰的频率。本发明使得那些各种技术被改进。

[0190] 类似地，在被称为“绿色无线电”技术的领域中，一旦两个终端被定位，给定它们的相对位置的知识，本发明用于将两个终端之间辐射的功率量限制为发送器和接收器之间的立体角，该立体角将波分散与合适的功率级别相组合，以确保链路所需的服务质量。

[0191] 在实现中，本发明由此使得可能检测它期望通信的终端的位置，并通过考虑其相对位置来管理如何在终端之间分配无线电资源。

[0192] 通过该方式，如果链路的覆盖的分离的，则相同的无线电资源可以被使用两次。60GHz的无线电链路的一个主要优势是可能重用无线电资源，假设短波长且天线的使用不是全向的。

[0193] 例如，在60GHz的WPAN系统中，IEE802.15.3c标准支持三种模式的传输：

[0194] ·正交频分复用（OFDM）传输技术，已知为OFDM-AV（用于音频-视频），包括多种调制和编码机制（MCS），其中链路是点对点链路，并利用波束形成类型的多输入多输出（MIMO）技术；

[0195] ·MCS高速接口（HSI）OFDM传输技术，终端之间的链路经过扇区天线；以及[0196] ·与点对点链路相关联的单载波（SC）模式，速率不超过1.5吉比特每秒（Gbit/s）。

[0197] 使用HSI模式，为了促进多个终端之间的通信，根据本发明来执行的定位通过在链路占用三维空间的不同区域时分配相同的射频（RF）信道，来改进对分配给通信的信道的管理。

[0198] 假设已知在标准中60GHz传输仅定义了四个RF信道，这是最有利的，且在欧洲，第一信道是不可用的。因此仅剩下三个信道，能够使用与标准相关联且在上面列出的三种不同的传输技术（OFDM-AV、OFDM-HSI和SC）。一旦有超过四个终端尝试通信时，这会导致很大概率的与多用户干扰相关的问题。

[0199] 本发明由此使得可能定位终端，并且在两个终端位于三维空间的不同位置且具有分离的覆盖区域时，将相同的RF信道分配给这两个终端。给定距离d的分离的覆盖区域源于使用扇面天线来建立链接。依赖于使用模型，特定范围的天线方向性被推荐。

[0200] 为此，且如上参考本发明的实现所述，在特定的实现中执行下列步骤：

[0201] ·接收器M在发送器S发送的测试信号（以频率Fs注入的参考符号或导频）的帮助下估算信道的脉冲响应；

[0202] ·确定信道的脉冲响应中的有意义的峰值，并确定它们相对于在发送器和接收器之间的直接连接的相对距离间隔；

[0203] ·估计脉冲响应中的各个物理回波的宽度，以确定每个终端的相对位置，该终端产生传播信道的脉冲响应中的有意义的副峰；

[0204] ·将每个物理峰值分配给与发送器-接收器链路接近的周围的终端；

[0205] ·在周围的终端中确定发送器尝试建立通信的终端的位置；以及

[0206] ·确定用于被定位的终端的各个RF信道。

[0207] 8．定位设备的结构

[0208] 最后，参考图10，下面是根据上述特定实现的用于执行定位至少一个障碍物的技术的定位装置的结构的简化描述。

[0209] 例如，定位设备包括存储器100，该存储器100包含缓冲存储器M、处理器单元100，该处理器单元100例如具有微处理器μP，并由执行本发明的定位方法的计算机程序Pg102来控制。

[0210] 在初始化时，计算程序102的代码指令例如在被处理器单元101的处理器执行之前被载入到随机存取存储器（RAM）中。处理器单元101接收至少一个测试信号作为输入。处理器单元101的处理器在计算机程序102的指令的应用程序中执行上面定位方法的步骤，以定位至少一个障碍物。

[0211] 为此，除了存储器100之外，定位设备包括：用于确定所述障碍物所在的至少一个椭圆环的装置，该椭圆环由两个共焦的椭圆来定义，该椭圆具有与发送器和接收器对应的焦点，每个椭圆环与障碍物产生的物理回波相关联；用于作为确定在该障碍物附近的共焦椭圆之间的间隔的函数估算在障碍物和焦点中的一个之间的距离的装置，该障碍物在与焦点所定义的轴垂直的平面上，以便获得障碍物可能位于所述环中的一组可能的区域；以及用于作为所述距离的函数消除障碍物的不同可能位置区域之间的模糊性的装置，从而获得该障碍物的位置区域。这些装置由处理器单元101的处理器来控制。

[0212] 附录A

[0213] 确定菲涅尔区域

[0214] 菲涅尔区域使其可能在发送器S和接收器M之间进行无线电传输期间识别与波长相关的物理现象，该发送器和接收器位于椭圆的焦点处，如图2所示，其中菲涅尔区域被标记。还考虑位于椭圆中的障碍物A。

[0215] 在考虑与发送器S和接收器M之间的轴垂直的、距发送器的距离为d1的平面时，可能跟踪与不同菲涅尔区域对应的半径为rn的同心圆。

[0216] 当发送器和接收被分开距离d时，菲涅尔区域是与在直接波和经过圆的波之间的λ/2的多路径分离对应的法平面中的半径。这些波由此是反相的或它们是同相的，并且在接收时它们产生不同的无线电场。

[0217] 这些半径rn中的每个关联于相对于直接路径的路径的变化Δdn，该变化导致两个波之间的相位变化 假设该相位变化等于nπ，并产生连续的析构和构造驻波。

[0218] 当距离d1变化时，半径为rn的圆C上的点的位置描述了给定距离d=d1+d2的椭圆，该给定距离对应于发送器到接收器的距离。

[0219] 多个障碍物可以位于该椭圆上。这些障碍物产生了与直接和反射波之间的相对距离Δd相关联的同一无线电场。

[0220] 下面考虑在直接波和在半径为h的圆C上的点反射的波之间的路径差异Δd，该圆距发送器的距离为d1。下列等式给出了该路径差异Δd：

[0221]

[0222] 圆的半径h由此可以被写成：

[0223]

[0224] 还可以观察到：

[0225]

[0226] 还假设h<

[0227]

[0228] 以简化等式（1c）。

[0229] 现在考虑与第n菲涅尔区域的菲涅尔半径对应并且与路径变化Δdn和等于nπ的相位变化 相关联的半径rn，由此使其可能使用等式（1a）和（1b）来写成：

[0230] 且

[0231] 考虑等式（1c），可以写成：

[0232]

[0233] 附录B

[0234] 表1

[0235]

[0236] 表2

[0237]Cos(θv) －0.66,－0.70 0.85π
Tan(θτj)≈θτj 0.88
Tan(θ'τj)≈θ'τj 0.408 →d1=4.06m