使用延遲掃描定向反射器的室內(nèi)位置定位的制作方法
背景
本發(fā)明通常涉及定位的領(lǐng)域，且尤其是涉及適合于室內(nèi)位置定位的系統(tǒng)和方法。
室內(nèi)位置定位在今天的移動(dòng)無線設(shè)備環(huán)境中變得日益重要。雖然室外定位服務(wù)花費(fèi)一些時(shí)間來在技術(shù)可采用之后變得普及，但是今天，用于室內(nèi)位置定位的應(yīng)用跑在可采用的技術(shù)解決方案前面。很多技術(shù)用于室外位置定位，在它們當(dāng)中的主要部分是使用軌道運(yùn)行衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)(gps)，軌道運(yùn)行衛(wèi)星傳輸使接收機(jī)能夠準(zhǔn)確地計(jì)算它的位置的定時(shí)和測(cè)距信號(hào)。除了gps以外，還提出了有各種采用程度的很多其它技術(shù)，包括蜂窩基站三角測(cè)量和三邊測(cè)量。
不幸的是，用于室外位置定位的技術(shù)對(duì)室內(nèi)位置定位執(zhí)行得差。這是因?yàn)檫@些系統(tǒng)的信號(hào)在室內(nèi)失蹤或非常弱，如在gps的情況中的，或信號(hào)以重要的多路徑到達(dá)以使室內(nèi)定位變得不準(zhǔn)確。
一些提出的系統(tǒng)試圖使用可用室內(nèi)wi-fi無線信號(hào)來幫助確定無線便攜式設(shè)備的室內(nèi)位置。不幸的是，wi-fi射頻(rf)環(huán)境可隨著時(shí)間的過去不可預(yù)測(cè)地改變，且甚至在理想條件下，定位才可以準(zhǔn)確到幾米的分辨率。其它所提出的系統(tǒng)使用無線信標(biāo)，其使用藍(lán)牙無線協(xié)議來縮小無線設(shè)備的定位。這樣的系統(tǒng)依賴于檢測(cè)到這樣的信標(biāo)之一的接近度，且因此需要將不同的信標(biāo)部署在室內(nèi)環(huán)境中的每個(gè)感興趣點(diǎn)附近。遠(yuǎn)離信標(biāo)僅僅幾英尺，位置的估計(jì)不比使用wi-fi信號(hào)的估計(jì)更準(zhǔn)確。這些系統(tǒng)依賴于檢測(cè)具有與已知和公布的物理位置相關(guān)的某個(gè)預(yù)先注冊(cè)的代碼的某個(gè)路由器或信標(biāo)以建立近似定位，并接著使用接收信號(hào)強(qiáng)度指示(rssi)來進(jìn)一步縮小定位。這樣的方法在它們可在大室內(nèi)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)的最終分辨率方面是有限的。此外，在第一個(gè)依賴于已經(jīng)可用的低準(zhǔn)確度和常常變化的wi-fi信號(hào)時(shí)，信標(biāo)方法需要用大量活動(dòng)信標(biāo)覆蓋室內(nèi)區(qū)域，例如百貨商店，當(dāng)商店改變促銷的商品并翻新內(nèi)部陳列時(shí)，這些信標(biāo)需要恒定的電源和物理管理。此外，那些方法太不準(zhǔn)確或太笨重而不能在家庭住宅環(huán)境中采用。此外，因?yàn)檫@樣的方法依賴于rssi測(cè)量，穿過墻壁和地板的信號(hào)穿透導(dǎo)致對(duì)商業(yè)以及增強(qiáng)的e911服務(wù)的主要缺點(diǎn)，因?yàn)槭褂脡Ρ诤偷匕宕┩?，個(gè)人的定位不能縮小到確切的房間或確切的地板。
用于室內(nèi)位置定位的其它所提出的系統(tǒng)例如基于如在sahinoglu、gezici和guvenc的″ultra-widebandpositioningsystems″(2008)中所述的超寬帶(uwb)方法。不幸的是，這樣的系統(tǒng)取決于用于正確的操作的電動(dòng)有源射頻識(shí)別(rfid)標(biāo)簽并可包括龐大的電池。在某個(gè)鄰近地區(qū)內(nèi)的很多用戶的連續(xù)跟蹤的情況下，電池壽命變得不切實(shí)際地短。此外，rfid標(biāo)簽可能是昂貴的。
其它所提出的系統(tǒng)使用編碼led照明來確定室內(nèi)位置定位。這樣的方法依賴于檢測(cè)來自led燈具的編碼照明閃爍的移動(dòng)設(shè)備的攝像機(jī)來確定定位。不幸的是，存在相當(dāng)多的時(shí)間，其中個(gè)人的移動(dòng)設(shè)備放置在手提包中或口袋中。此外，在大部分情況下，需要很多燈具的昂貴更換以適應(yīng)新led燈泡。此外，這樣的技術(shù)的準(zhǔn)確度只能夠提供近似定位，例如在房間內(nèi)的定位，而不是確定具有足夠的分辨率的實(shí)際定位，因?yàn)樯虡I(yè)和住宅應(yīng)用要求在幾厘米的數(shù)量級(jí)上的準(zhǔn)確度。當(dāng)使用紅外信標(biāo)時(shí)，類似的限制出現(xiàn)。
其它所提出的系統(tǒng)使用超聲波。這樣的系統(tǒng)需要改造室內(nèi)空間，多個(gè)無線/超聲信標(biāo)和/或接收機(jī)需要它們自己的電源。此外，超聲傳輸和接收收發(fā)機(jī)可能太龐大并對(duì)移動(dòng)設(shè)備或電池操作的信標(biāo)消耗太多的功率。此外，超聲在人的手提包中或口袋內(nèi)部被嚴(yán)重地消音。
概述
在一個(gè)方面中，提供定位系統(tǒng)，其包括：一個(gè)或多個(gè)位置反射器，位置反射器的每個(gè)配置成反射雷達(dá)信號(hào)，每個(gè)反射雷達(dá)信號(hào)包括延遲了位置反射器的內(nèi)部延遲的主反射；存儲(chǔ)與一個(gè)或多個(gè)位置反射器相關(guān)的反射器數(shù)據(jù)的服務(wù)器；以及移動(dòng)設(shè)備，其配置成從服務(wù)器接收反射器數(shù)據(jù)并傳輸雷達(dá)信號(hào)并處理所傳輸?shù)睦走_(dá)的反射以確定移動(dòng)設(shè)備的位置。
在另一方面中，提供用于電子設(shè)備的位置定位的方法。該方法包括：傳輸直接序列擴(kuò)頻編碼雷達(dá)信號(hào)，雷達(dá)信號(hào)具有在兩個(gè)頻率之間掃描的中心頻率；接收包括來自多個(gè)位置反射器的反射的雷達(dá)信號(hào)，每個(gè)反射包括延遲了對(duì)應(yīng)位置反射器的內(nèi)部延遲的主反射和進(jìn)一步延遲了對(duì)應(yīng)位置反射器的內(nèi)部延遲的次反射；使在所接收的雷達(dá)信號(hào)中檢測(cè)的信息與用于形成所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)的對(duì)應(yīng)信息相關(guān)以確定在反射中的最高點(diǎn)；使用在反射中的所確定的最高點(diǎn)來檢測(cè)關(guān)于反射的頻率信息和延遲信息；從延遲信息確定關(guān)于位置反射器的內(nèi)部延遲的信息；使用所確定的內(nèi)部延遲信息來識(shí)別多個(gè)位置反射器；使用檢測(cè)到的延遲信息和所確定的內(nèi)部延遲信息來確定到多個(gè)位置反射器中的至少一個(gè)的范圍；使用頻率信息針對(duì)來自多個(gè)位置反射器中的至少一個(gè)的反射來確定到達(dá)角；以及使用范圍和到達(dá)角來確定電子設(shè)備的位置。
在另一方面中，提供用于位置定位的設(shè)備，其包括：耦合一個(gè)或多個(gè)天線的射頻前端；以及處理器，其耦合到射頻前端并配置成將雷達(dá)信號(hào)供應(yīng)到射頻前端用于傳輸，從射頻前端接收從一個(gè)或多個(gè)位置反射器反射的信號(hào)，并處理所接收的信號(hào)以確定設(shè)備傳輸?shù)奈恢?，處理包括確定從主反射到次反射的延遲。
附圖簡(jiǎn)述
本發(fā)明的關(guān)于它的結(jié)構(gòu)和操作的細(xì)節(jié)可部分地通過研究附圖來搜集，其中相似的參考數(shù)字指相似的部分，以及其中：
圖1是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的室內(nèi)定位系統(tǒng)的功能方框圖；
圖2示出根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的示例位置定位；
圖3示出根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一示例位置定位；
圖4是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置反射器的功能方框圖；
圖5是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖；
圖6是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖；
圖7是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖；
圖8是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖；
圖9是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置反射器的等距圖；
圖10是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置反射器的平面圖；
圖11是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的平面圖；
圖12是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的傳輸和接收雷達(dá)鏈的功能方框圖；
圖13是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的具有可選的天線布置的另外傳輸和接收雷達(dá)鏈的功能方框圖；
圖14是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的具有另一可選的天線布置的另外傳輸和接收雷達(dá)鏈的功能方框圖；
圖15是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置信號(hào)處理的功能方框圖；
圖16是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的傳輸位置信號(hào)處理的功能方框圖；
圖17是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的接收位置信號(hào)處理的功能方框圖；以及
圖18是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的用于確定位置定位的過程的流程圖；
詳細(xì)描述
公開了系統(tǒng)和方法，便攜式無線移動(dòng)設(shè)備可通過所述系統(tǒng)和方法使用雷達(dá)反射器將它們的室內(nèi)位置準(zhǔn)確地確定到例如厘米水平?？墒褂妙l率和/或編碼信號(hào)、具有內(nèi)部固定rf延遲的掃描方向回溯或向后反射無源雷達(dá)反射器。這樣的反射器可放置在給定室內(nèi)空間中的天花板、墻壁或地板上的某個(gè)地方，且它們的位置和定向變成移動(dòng)設(shè)備可得到的。
移動(dòng)設(shè)備可通過使用特殊編碼的雷達(dá)波形測(cè)量在它和給定的附近反射器之間的距離以及在反射器處的到達(dá)方位角和仰角(aoa)來準(zhǔn)確地確定它的位置。通過能夠確定它相對(duì)于已知位置和定向的給定反射器的距離和角度，移動(dòng)設(shè)備能夠使用僅僅一個(gè)無源反射器來確定它在三維空間中的位置。檢測(cè)來自多個(gè)反射器的反射可增加所計(jì)算的準(zhǔn)確度。此外，載波相位范圍確定技術(shù)可用于在各種室內(nèi)環(huán)境下產(chǎn)生提高的準(zhǔn)確度。最后，給定反射器的無源性質(zhì)和低剖面設(shè)計(jì)，例如通過將它們固定到在室內(nèi)空間內(nèi)的任何扁平和無阻表面或?qū)⑺鼈兎胖迷谔旎ò逋咂隙鴽]有布線或測(cè)繪，它們的安裝在商業(yè)和住宅背景中都是簡(jiǎn)單的。一旦被安裝，就不需要維護(hù)，例如電池更換或重新校準(zhǔn)。此外，這樣的反射器包含具有不嚴(yán)格的公差的非常少的無源部件，且因此生產(chǎn)起來非常廉價(jià)。這些反射器也一般是扁平和不引人注目的，并可永久地安裝在例如建筑物的清水墻上、后面或內(nèi)置到清水墻內(nèi)。
與當(dāng)前公開的方法和系統(tǒng)一起使用的反射器具有各種形式和功能。一些反射器提供測(cè)距信息。其它反射器提供角度信息，例如方位角、仰角或這兩者。反射器還可提供測(cè)距和角度信息。反射器可被稱為雷達(dá)反射器、位置反射器、定位反射器或類似術(shù)語(yǔ)。此外，可使用描述特定的反射器的特征的形容詞來提到反射器，例如復(fù)合反射器、延遲反射器、頻率掃描反射器、頻率掃描方向回溯反射器、非掃描向后反射雷達(dá)反射器、水平掃描反射器、垂直掃描反射器、線性反射器、無源反射器或扇形反射器。
在實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備包括傳輸雷達(dá)信號(hào)以由墻壁或天花板上安裝的rf反射器反射的電路。反射器可包括內(nèi)部延遲。反射器可以是頻率掃描相控陣型天線結(jié)構(gòu)。頻率掃描相控陣天線結(jié)構(gòu)是基于激發(fā)的頻率在給定方向上具有高增益波瓣的天線結(jié)構(gòu)(見例如″antennas″，第二版，johnkraus，1988，11-11章)。因?yàn)榧ぐl(fā)的頻率改變，天線的這個(gè)主高增益波瓣的方向角也改變。在雷達(dá)安裝中使用類似的天線結(jié)構(gòu)，其中通過掃描激發(fā)頻率，使結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)里向外掃描集中輻射角的方向。給定天線結(jié)構(gòu)的互反性質(zhì)，輻射針對(duì)給定頻率被最大化所沿著的方向也是在相同頻率處的最大接收靈敏度的方向。這些類型的天線結(jié)構(gòu)只有一個(gè)連接端口，即使它們一般由相控陣天線矩陣制造。通過將定相延遲插在從天線結(jié)構(gòu)的單個(gè)端口到結(jié)構(gòu)內(nèi)的輻射元件的rf功率分離/組合分支跡線中來實(shí)現(xiàn)元件的定相。位置反射器可安裝在房間的天花板角落中。在這樣的情況下，所需的掃描角可小于90度。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些反射器被制造，以便只有在房間的方向上的非零增益，而沒有相當(dāng)大的向后靈敏度。這可減小與來自相鄰房間或地板的信號(hào)的反射或交互作用的可能性。
在另一實(shí)施方案中，反射器設(shè)計(jì)成產(chǎn)生方位角和仰角aoa。單個(gè)線性相控陣可沿著一個(gè)角掃描弧形。為了使反射器能夠產(chǎn)生兩個(gè)角，復(fù)合反射器可包括兩個(gè)并置的反射器，一個(gè)垂直地掃描而另一水平地掃描。并置的反射器中的每個(gè)對(duì)不同的激發(fā)子帶做出響應(yīng)。移動(dòng)設(shè)備為每個(gè)子帶傳輸頻率掃描并單獨(dú)地檢測(cè)方位角和仰角aoa。一些天線可根據(jù)激發(fā)頻率產(chǎn)生光柵掃描并因此能夠使用一個(gè)頻率掃描來產(chǎn)生方位角和仰角。
在實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備傳輸具有連續(xù)掃描中心頻率的雷達(dá)信號(hào)。在某個(gè)時(shí)刻，這個(gè)雷達(dá)信號(hào)的頻率等于導(dǎo)致在移動(dòng)設(shè)備的方向上的最大天線增益的頻率。此時(shí)，移動(dòng)設(shè)備檢測(cè)從反射器回到移動(dòng)設(shè)備的最大反射信號(hào)功率。通過記錄這個(gè)頻率并使用移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)有的來自網(wǎng)絡(luò)的關(guān)于根據(jù)這個(gè)天線反射器的頻率的輻射的位置、定向和角度的信息，移動(dòng)設(shè)備能夠計(jì)算相對(duì)于天線結(jié)構(gòu)的角度，移動(dòng)設(shè)備沿著該天線結(jié)構(gòu)存在。此外，通過測(cè)量在信號(hào)的傳輸和反射的隨后檢測(cè)之間的往返延遲，移動(dòng)設(shè)備也可計(jì)算在移動(dòng)位置和反射器之間的距離。在有關(guān)于反射器的位置和定向的知識(shí)并檢測(cè)了到這個(gè)反射器的距離和aoa后，移動(dòng)設(shè)備能夠計(jì)算它在3d空間中的位置。為了達(dá)到非常高的準(zhǔn)確度，可使用載波相位測(cè)距技術(shù)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備傳輸掃描尋找最高反射功率的頻率的某個(gè)寬度的雷達(dá)信號(hào)。具有最高反射功率的頻率是導(dǎo)致在移動(dòng)設(shè)備的方向上的最大反射的頻率。此時(shí)，移動(dòng)設(shè)備可將頻率掃描限制到接近這個(gè)中心頻率的頻率用于隨后的位置定位，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備可以不移動(dòng)很多。這減小搜索時(shí)間并減小所傳輸?shù)墓β?。使用移?dòng)設(shè)備中的功率控制，即通過減小或增加輻射功率用于使給定雷達(dá)信號(hào)以傳輸導(dǎo)致具有最小可檢測(cè)到的反射功率的反射的信號(hào)，移動(dòng)設(shè)備可增加電池壽命并減小對(duì)其它在近旁的設(shè)備的干擾。此外，分開與反射器有關(guān)的給定角度的兩個(gè)移動(dòng)設(shè)備將對(duì)它們的雷達(dá)信號(hào)使用不同的頻率，因?yàn)樗鼈兊教炀€的aoa是不同的。這增加系統(tǒng)的容量，因?yàn)橛捎诓煌念l率和天線增益扇形區(qū)，基于朝著激勵(lì)器的方向的反射器天線方向回溯輻射集中，一個(gè)反射器可同時(shí)并以最小交叉干擾操縱在給定區(qū)域內(nèi)的多個(gè)移動(dòng)設(shè)備。在非常緊密地并置的移動(dòng)設(shè)備的情況下，可使用時(shí)分、頻分或碼分多址技術(shù)，使得每個(gè)設(shè)備可區(qū)分開它自己的信號(hào)與其它設(shè)備的信號(hào)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，在反射器天線處接收的信號(hào)在重新輻射回到移動(dòng)設(shè)備之前被延遲。延遲一般在一微秒的幾分之幾到幾微秒的數(shù)量級(jí)，但可以更大或更小。這可由多個(gè)無源rf部件例如體聲波(baw)設(shè)備、加載延遲線、lc延遲線、表面聲波(saw)設(shè)備或其它rf聲方法(例如類似于由便攜式視頻攝像機(jī)以前使用來支持paltv標(biāo)準(zhǔn)的那些方法)實(shí)現(xiàn)。此外，可通過使用具有負(fù)電容率和/或磁導(dǎo)率的最新開發(fā)的超材料結(jié)構(gòu)來延遲信號(hào)，其中群延遲可變得任意長(zhǎng)。
在實(shí)施方案使用baw濾波器的情況下，天線饋電線的輸入被匹配并連接到baw濾波器的一側(cè)，而濾波器的另一側(cè)對(duì)地短路。baw濾波器可被選擇為使在雷達(dá)傳輸?shù)男盘?hào)中的所有能量通過。由于不可避免的失配，在天線處接收的信號(hào)具有不可避免的立即反射。然后信號(hào)的大部分被饋送到baw濾波器內(nèi)。在穿過baw濾波器的一次傳播延遲時(shí)間之后，信號(hào)通過對(duì)地短路而被完全反射。信號(hào)在驅(qū)動(dòng)天線結(jié)構(gòu)并在移動(dòng)設(shè)備的方向上重新輻射回之前經(jīng)歷另一傳播延遲時(shí)間。在這個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備事先知道給定反射器的這個(gè)延遲并將它從往返延遲計(jì)算減去，以便計(jì)算在移動(dòng)設(shè)備和這個(gè)反射器之間的真實(shí)物理距離。
通過在將雷達(dá)脈沖反射回到傳輸移動(dòng)設(shè)備之前使雷達(dá)脈沖延遲，實(shí)現(xiàn)多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，來自移動(dòng)設(shè)備的所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)可具有對(duì)一般房間的大約90ns延遲幅度到對(duì)購(gòu)物中心的200ns幅度。這是時(shí)間，在該時(shí)間期間，信號(hào)由于來自環(huán)境障礙物的寄生反射而繼續(xù)以可檢測(cè)到的功率持續(xù)(見例如″ofdmforwirelessmultimediacommunications″，r.vannee和r.prasad，2000，章1.3)。通過使在每個(gè)反射器處的所接收的信號(hào)延遲了比這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)間，由于例如來自反射鏡或電氣地大的金屬物體的寄生環(huán)境反射而引起的偽位置確定被消除了，因?yàn)樵诒茸钚》瓷淦餮舆t長(zhǎng)的延遲之后接收的信號(hào)可以只來自反射器。雖然可能仍然從反射器得到所反射的信號(hào)，也沿著它到移動(dòng)設(shè)備的路徑從導(dǎo)電物體反射。這個(gè)多路徑寄生信號(hào)由于在反射器中的延遲而比直接寄生反射具有低得多的出現(xiàn)概率，且它的影響可通過確保反射器放置在最大化視線反射的概率的位置上來進(jìn)一步減小。此外在大部分情況下，大寄生反射器位于墻壁上或附近。因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備也知道在反射器處的入射角且因?yàn)檫@樣的反射器接近房間表面，則錯(cuò)誤計(jì)算的位置一般由于房間廣度而導(dǎo)致不合邏輯的物理位置并可相應(yīng)地被處理。
此外，在反射器中插入的內(nèi)部延遲允許移動(dòng)設(shè)備傳輸雷達(dá)波，其當(dāng)使用光速被映射在物理空間中時(shí)比在移動(dòng)設(shè)備和反射器之間的一般最大室內(nèi)距離長(zhǎng)得多，而同時(shí)仍然允許所傳輸和反射的信號(hào)不在移動(dòng)設(shè)備處重疊。針對(duì)發(fā)射機(jī)，較長(zhǎng)的雷達(dá)信號(hào)導(dǎo)致更高的距離分辨率和更好的更低的峰均比率。非重疊也意味著移動(dòng)設(shè)備可為信號(hào)傳輸或反射接收模式分配可選的非重疊時(shí)間。通過在交替的非重疊時(shí)間調(diào)度傳輸和接收操作模式，接收機(jī)前端電路極大地簡(jiǎn)化了，因?yàn)榛氐絩x側(cè)的tx信號(hào)泄漏由于tx和rx不同時(shí)出現(xiàn)而被避免。
此外，可使用直接序列擴(kuò)頻(dsss)相位調(diào)制來對(duì)雷達(dá)信號(hào)編碼。在這些系統(tǒng)中，內(nèi)部反射器延遲便于區(qū)分開所傳輸?shù)男盘?hào)及其反射，如果內(nèi)部反射器延遲確保多于一個(gè)碼片延遲間隔。
在給定反射器內(nèi)的信號(hào)的延遲可能是已知的并在連續(xù)的基礎(chǔ)上被緊密地控制。這是因?yàn)檫@個(gè)延遲直接加到往返延遲，且在它的以前公布的延遲和實(shí)際延遲之間的任何差異由于溫度漂移或部件老化而導(dǎo)致在計(jì)算移動(dòng)設(shè)備和反射器之間的距離時(shí)的直接誤差。雖然可能以及時(shí)的方式通過周期性校準(zhǔn)過程來連續(xù)測(cè)量并再公布實(shí)際延遲，但是本文公開的可選實(shí)施方案以交替的方式處理此。
在一個(gè)實(shí)施方案中，反射器使用baw濾波器來使所接收的雷達(dá)信號(hào)延遲。不是反射所有功率，反射器在內(nèi)部使用對(duì)于所接收的信號(hào)使天線結(jié)構(gòu)的阻抗與baw設(shè)備匹配的定向耦合器。在baw的另一側(cè)上由對(duì)地短路反射的在baw內(nèi)的信號(hào)朝著baw的輸入端口被反射。在這個(gè)方向上，存在有意失配，其允許原始信號(hào)的一部分耦合回到天線結(jié)構(gòu)并被輻射回到移動(dòng)設(shè)備，同時(shí)剩余部分反射回到baw內(nèi)。這個(gè)重定向的剩余部分的一部分被允許在baw內(nèi)的另一往返延遲之后耦合到天線，且循環(huán)重復(fù)。例如在一個(gè)實(shí)施方案中，失配將允許原始信號(hào)的4/5或-1db耦合到天線并循環(huán)回五分之一。在第二反射時(shí)，天線將重新輻射原始信號(hào)的4/5x1/5＝4/25或大約-8db。下一反射將是4/5*1/5*1/5＝4/125，依此類推。在這里的重要事實(shí)是，移動(dòng)設(shè)備應(yīng)在2倍baw延遲加上自由空氣往返延遲之后接收信號(hào)的一部分。它應(yīng)稍后在確切地4倍baw延遲加上相同的自由空氣往返延遲時(shí)接收另一信號(hào)。給定這兩個(gè)讀數(shù)，移動(dòng)設(shè)備可準(zhǔn)確地測(cè)量baw往返延遲，將它從第一反射往返延遲的測(cè)量減去，且因此可準(zhǔn)確地確定從移動(dòng)設(shè)備到反射器的距離。因?yàn)檫@在空中完成，沒有校準(zhǔn)、匹配或測(cè)量需要在反射器的安裝之后重復(fù)，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備能夠調(diào)節(jié)由于溫度和部件老化而引起的可能的小延遲漂移。在baw群延遲上強(qiáng)加的制造公差可明顯放寬，且所公布的反射器延遲只需要近似。設(shè)計(jì)折衷涉及選擇什么分?jǐn)?shù)耦合回到天線，以及什么部分反射回到baw。使大的部分耦合到天線增加了第一反射的snr，但隨后的反射可能太弱而不能檢測(cè)到。相反，將大的部分耦合回到baw使第一反射變?nèi)酰医Y(jié)構(gòu)繼續(xù)在很長(zhǎng)時(shí)間期間重新輻射殘余能量。例如，如果1/4被選擇，則來自天線的第一反射將是從原始所接收的功率向下-1.25db。第二反射將是從原始所接收的功率向下約-7db，以及第三反射將是從原始所接收的功率向下-13.25db，依此類推?？蛇x地，如果使用1/10，則反射信號(hào)功率將分別是-1db、-10.45db和-19.9db。請(qǐng)注意，移動(dòng)設(shè)備需要處理第二反射僅僅一次，在那之后移動(dòng)設(shè)備只需要處理第一反射，因?yàn)樵赽aw中的延遲并不被預(yù)期在短時(shí)間段內(nèi)明顯改變。此外，以強(qiáng)置信度執(zhí)行這個(gè)反射器延遲確定的移動(dòng)設(shè)備將這個(gè)測(cè)量值連同置信度指示符一起上傳到公共服務(wù)器以由其它移動(dòng)設(shè)備使用。根據(jù)校準(zhǔn)置信度，其它移動(dòng)設(shè)備可選擇使用這個(gè)最近公布的值而不是重復(fù)測(cè)量本身。請(qǐng)注意，為了清楚，我們忽略了延遲元件插入損耗。實(shí)際上，反射信號(hào)將對(duì)在延遲元件內(nèi)的每個(gè)往返傳播引起延遲元件的兩次插入損耗。我們還假設(shè)，作為例子，baw濾波器用于延遲。也可使用其它延遲元件。
到目前為止我們描述了移動(dòng)設(shè)備可如何確定它離給定反射器的距離以及在那個(gè)反射器處的aoa。為了使移動(dòng)設(shè)備正確地確定它的位置，它應(yīng)在鄰近地區(qū)中有多于一個(gè)反射器的情況下確定給定信號(hào)反射來自哪個(gè)反射器。它還應(yīng)知道該反射器的位置和定向以及每個(gè)反射器的頻率與aoa到達(dá)特性的關(guān)系以及反射器的第一反射的分?jǐn)?shù)反射功率比。可在這樣的反射器的制造過程期間通過設(shè)計(jì)或通過測(cè)量來確定頻率與aoa到達(dá)特性的關(guān)系、近似的嵌入延遲以及第一反射的分?jǐn)?shù)反射功率分?jǐn)?shù)，且唯一的反射器類型號(hào)可與和給定反射器變形相關(guān)的每個(gè)不同的特性相關(guān)。在安裝期間，填充查找表，其包含反射器id號(hào)、頻率特性號(hào)和每個(gè)所安裝的反射器的物理位置和定向的條目。此外，條目也被包括在給出近似內(nèi)部延遲——如果有的話，每個(gè)反射器使用——的表中。使這個(gè)信息存在于互聯(lián)網(wǎng)云中的某個(gè)服務(wù)器上，不管是本地的還是全局的，并變成所有設(shè)備可訪問的，這些設(shè)備被允許執(zhí)行在某個(gè)鄰近地區(qū)內(nèi)的位置定位方位。反射器的位置和定向可關(guān)于室內(nèi)路標(biāo)給出或關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)地理勘測(cè)和定位數(shù)據(jù)給出。雖然反射器延遲的準(zhǔn)確制表不是嚴(yán)格地需要的，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備可從上面所述的分?jǐn)?shù)反射方法確定它，它仍然可被提供以減小移動(dòng)設(shè)備偵聽可能的反射時(shí)的時(shí)間。
移動(dòng)設(shè)備也可確定給定反射可來自哪個(gè)反射器。各種技術(shù)可用于反射器識(shí)別。一個(gè)實(shí)施方案基于在反射器內(nèi)的給定延遲元件例如體聲波設(shè)備(baw)展示的特性(例如延遲和/或?yàn)V波)。這些內(nèi)部反射器延遲比最長(zhǎng)的自由空氣往返延遲大得多，且因此可容易通過使極接近的每個(gè)反射器展示與它的鄰居的內(nèi)部延遲不同的內(nèi)部延遲來容易區(qū)分開。此外，這些延遲元件可具有不同的頻率濾波特性，從而幫助校正反射器-反射分配。
另一實(shí)施方案使用移動(dòng)設(shè)備的已知的以前或近似位置來排除反射到反射器的錯(cuò)誤映射。例如，在存在稀疏地定位的幾個(gè)反射器的空間中，在一些場(chǎng)合移動(dòng)設(shè)備可能從僅僅一個(gè)反射器接收反射。使用這樣的反射，移動(dòng)設(shè)備能夠確定離反射器的距離和在反射器處的aoa。使用這個(gè)信息，移動(dòng)設(shè)備基于這個(gè)距離和aoa針對(duì)在延伸的鄰近地區(qū)中的每個(gè)反射器(包括存在于地板之上和之下以及在相鄰房間內(nèi)的反射器)計(jì)算可能的移動(dòng)設(shè)備位置。有關(guān)于它離前一和最近的位置方位的位置的近似理念或通過使用當(dāng)前用于室內(nèi)定位的其它不準(zhǔn)確的方法中的任一，移動(dòng)設(shè)備可以高概率快速排除所有錯(cuò)誤的位置，并因此可選擇正確的位置并確定它在那個(gè)時(shí)刻檢測(cè)到使用的正確的反射器。這個(gè)實(shí)施方案的改進(jìn)涉及基于物理上不可能的位置例如在墻壁內(nèi)部或在地板之下或在窗戶之外(僅舉幾個(gè)例子)拋棄錯(cuò)誤位置。應(yīng)注意，除了所計(jì)算的距離以外，本文所述的系統(tǒng)的實(shí)施方案也確定在發(fā)射機(jī)處的aoa的事實(shí)極大地提高了檢測(cè)錯(cuò)誤位置并識(shí)別與正確識(shí)別的反射器相關(guān)的正確位置的幾率。這個(gè)信息可用于隨后的定位作為輔助信息?？柭鼮V波技術(shù)可用于進(jìn)一步使所確定的位置對(duì)嘈雜的測(cè)量變得更魯棒。
確定反射來自哪個(gè)反射器的另一實(shí)施方案涉及使用雷達(dá)信號(hào)反射功率。給定反射器的方向回溯性質(zhì)、上面對(duì)嵌入延遲量化概述的分?jǐn)?shù)功率反射的方法和視線的條件被預(yù)期對(duì)準(zhǔn)確的位置普遍的事實(shí)，以某個(gè)準(zhǔn)確度計(jì)算從每個(gè)給定反射器返回的預(yù)期功率水平變得可能，如果反射來自那個(gè)給定反射器。這給出反射是否是視線或透過墻壁、天花板或地板的額外指示。它也可指示反射是否也從在反射器和移動(dòng)設(shè)備之間的另一物體反彈。所有這些信息幫助正確地將檢測(cè)到的反射分配到正確地確定移動(dòng)設(shè)備位置的各自的反射器。它也確定最后一個(gè)位置被計(jì)算所用的置信度。此外，我們可試圖通過每個(gè)反射器的分?jǐn)?shù)反射系數(shù)使每個(gè)反射器與其它不同來區(qū)分在同一鄰近地區(qū)中的反射器，分?jǐn)?shù)反射系數(shù)用于允許內(nèi)部反射器延遲的準(zhǔn)確測(cè)量。通過測(cè)量在隨后的反射之間的功率差，我們可為每個(gè)反射信號(hào)確定這個(gè)系數(shù)的估計(jì)，且我們?nèi)缓罂墒褂迷诠脖碇械男畔硎顾c特定的反射器相關(guān)。
在可選的實(shí)施方案中，我們可設(shè)計(jì)在鄰近地區(qū)中的反射器具有不同的頻率與主波瓣掃描角特性關(guān)系。例如，在實(shí)施方案中，一個(gè)反射器可具有每1mhz的頻率掃描5°的主波瓣掃描，而另一反射器可具有每mhz的頻率掃描7°的主波瓣掃描。一旦移動(dòng)設(shè)備檢測(cè)到給定反射的最大反射頻率，它就接著掃描它的頻率并監(jiān)控反射功率下降得多快。因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備對(duì)于給定反射已經(jīng)知道到反射器的距離，移動(dòng)設(shè)備可預(yù)測(cè)當(dāng)激發(fā)頻率從最佳頻移時(shí)反射功率應(yīng)下降得多快。通過對(duì)每次反射比較這個(gè)結(jié)果并從所公布的安裝數(shù)據(jù)知道在鄰近地區(qū)中的反射器的掃描特性，移動(dòng)設(shè)備能夠正確地將每個(gè)反射信號(hào)分配到正確的對(duì)應(yīng)反射器，且因此移動(dòng)設(shè)備物理位置可被準(zhǔn)確地確定。具有不同的頻率掃描特性的反射器的這個(gè)理念可擴(kuò)展到其它頻率特性，例如使每個(gè)反射器對(duì)在給定頻帶內(nèi)的不同的頻率子帶做出響應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一反射器使用f0到f1的頻率跨度越過整個(gè)空間進(jìn)行主波瓣的方向的完全掃描。另一反射器使用f1到f2來完成相同的事。這允許哪個(gè)反射屬于哪個(gè)反射器的不含糊的確定。
設(shè)法確定給定反射來自在公開公布的反射器表中的哪個(gè)反射器的所有上述實(shí)施方案假設(shè)移動(dòng)設(shè)備接收來自一個(gè)且僅僅一個(gè)反射器的反射。然而，如果移動(dòng)設(shè)備能夠接收來自兩個(gè)或多個(gè)反射器的反射，那么確定哪個(gè)反射來自哪個(gè)反射器變得更簡(jiǎn)單。在大部分情況下，如果我們錯(cuò)誤地交換反射到反射器的分配，則新計(jì)算的位置對(duì)在反射器處的aoa為了收斂將需要與被測(cè)量的非常不同的最大反射頻率，因此檢測(cè)誤差。我們?nèi)缓罄谜_的反射器-反射分配選擇正確位置。在一些情況下，特別地在移動(dòng)設(shè)備離反射器等距且同時(shí)遠(yuǎn)離它們的場(chǎng)合，猜測(cè)正確的反射-反射器分配變得更有挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)地，在這樣的分配下，兩個(gè)所計(jì)算的位置(具有正確的反射器-反射分配的位置和具有不正確的反射器-反射分配的位置)都接近彼此，且由于可能的錯(cuò)誤分配而引起的位置誤差很小。然而，預(yù)期在這樣的情況下且遠(yuǎn)離兩個(gè)反射器，另一反射器將在附近并將給出更準(zhǔn)確的位置并解決誤差。我們可通過注意反射器定位來減少壞幾何條件的這樣的出現(xiàn)。此外，我們可混合水平掃描反射器與垂直掃描反射器以進(jìn)一步減少壞幾何條件出現(xiàn)。
在實(shí)施方案中，系統(tǒng)使用上面概述的一些或所有技術(shù)和方法來正確地將反射分配到它們的各自反射器，因而導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備的位置的正確計(jì)算。
本文公開的系統(tǒng)可在包括可用許可頻帶或無許可頻帶的多個(gè)rf頻帶處操作。頻率越高，天線結(jié)構(gòu)就需要在物理上更小以實(shí)現(xiàn)相同的方向性和天線結(jié)構(gòu)增益響應(yīng)。此外，較高的頻帶提供位置的較高空間分辨率。另一方面，較高的頻率導(dǎo)致較昂貴的tx和rx電子設(shè)備和在移動(dòng)設(shè)備中的較高功率消耗。當(dāng)與載波相位測(cè)距技術(shù)耦合時(shí)的較高頻率導(dǎo)致只由可用信噪比和由如下討論的所使用的帶寬限制的非常準(zhǔn)確的位置確定。
現(xiàn)在描述雷達(dá)信號(hào)的結(jié)構(gòu)，其可由移動(dòng)設(shè)備連同前面提到的反射器使用以便以如由在給定時(shí)刻應(yīng)用要求所需的動(dòng)態(tài)地變化程度的準(zhǔn)確度得出移動(dòng)設(shè)備到反射器的距離的良好估計(jì)。對(duì)在測(cè)距應(yīng)用內(nèi)的準(zhǔn)確度的理論限制由克拉默-拉奧下界(crlb)(見例如marka.richards的″fundamentalsofradarsignalprocessing″(2014)和lanzisera和pister的″rfrangingforlocationawareness″(ucberkeleytechnicalreport，2009))給出。
對(duì)于測(cè)距應(yīng)用，crlb由下列公式給出：
其中σr是范圍測(cè)量方差，c是光速，b是信號(hào)帶寬，以及是es/n0在接收機(jī)處信噪比(snr)的度量。
對(duì)于被預(yù)期在室內(nèi)測(cè)距中使用的一般信噪比，方程(1)簡(jiǎn)化為：
我們可從公式看到，我們通過增加信號(hào)帶寬(bw)或通過增加我們的信號(hào)的信號(hào)snr或這兩者來能夠減小σ并因此增加測(cè)距準(zhǔn)確度和分辨率。對(duì)于rf信號(hào)，可以用多種方式完成增加帶寬。它們中的全部要求rf信號(hào)以多種不同的方式被調(diào)制。早期連續(xù)波雷達(dá)(cw)對(duì)雷達(dá)信號(hào)使用單頻音調(diào)。一般，音調(diào)被接通和斷開以增加最大范圍。此外，使當(dāng)波接通時(shí)的時(shí)間盡可能短，以增加bw并因此增加范圍分辨率。增加bw的這個(gè)低效方法導(dǎo)致在傳輸功率放大器中的非常高的峰值與平均值比，且對(duì)于在同一鄰近地區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶不容易允許。
在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備使用線性或非線性掃描的、有或沒有脈沖窗口的頻率調(diào)制的方法，以增加信號(hào)bw。給定相同的snr，頻率調(diào)制可使范圍分辨率在時(shí)間上增加1/bw且在距離上增加2c/bw。線性頻率調(diào)制(lfm)是在一些雷達(dá)系統(tǒng)中使用的技術(shù)。對(duì)于在本文公開的反射器，注意，改變頻率改變了在反射器處的方向性的角度。由于這個(gè)原因，頻率掃描(bw)的程度在這個(gè)實(shí)施方案中被限制到反射器的方向性改變很少期間的bw。因此在這個(gè)實(shí)施方案中，改變信號(hào)的中心頻率導(dǎo)致不同的反射器方向性角度。但將在中心頻率周圍的頻率改變了較小的bw例如在lfm的情況中導(dǎo)致較小的方向性改變，以確保方向回溯在lfm掃描期間被維持。在實(shí)施方案中使用lfm頻率調(diào)制。但也可使用很多其它頻率調(diào)制來代替lfm，包括非線性頻率調(diào)制、開窗頻率調(diào)制、選通lfm、向上掃描和向下掃描lfm以及階梯式啁啾波形(見例如″fundamentalsofradarsignalprocessing″)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，位于同一地點(diǎn)的使用頻率調(diào)制的移動(dòng)設(shè)備可選擇如反射器所指示的不同的掃描速率、不同的選通接通/斷開時(shí)間和不同的中心頻率以區(qū)分開它們的雷達(dá)信號(hào)與附近的其它移動(dòng)設(shè)備。
在實(shí)施方案中，使用相位調(diào)制信號(hào)。示例相位調(diào)制包括bpsk或qpsk類型。使用直接序列擴(kuò)頻(dsss)來調(diào)制載波以增加信號(hào)帶寬(bw)。dsss在這個(gè)實(shí)施方案中提供兩個(gè)目的。它增加bw并因此根據(jù)crlb來提高范圍測(cè)量準(zhǔn)確度。它也提供多址接入能力。多址接入指支持在同一鄰近地區(qū)內(nèi)的多個(gè)移動(dòng)設(shè)備的能力，例如在購(gòu)物中心和體育賽事中的情況。這個(gè)多址接入可通過使用如當(dāng)前在gps中使用的不同的偽隨機(jī)數(shù)序列(prn)以區(qū)分開不同的衛(wèi)星信號(hào)或通過使用相同的prn但由大于任何預(yù)期反射延遲的prn偏移分離用戶來實(shí)現(xiàn)，如今天在cdma通信系統(tǒng)中使用來分離在同一頻率上的不同的移動(dòng)設(shè)備和小區(qū)站點(diǎn)(見例如″cdmarfsystemsengineering″，samuelc.yang，1998)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，不是使用偽隨機(jī)數(shù)(prn)序列，移動(dòng)設(shè)備使用真隨機(jī)數(shù)(trn)序列。prn序列被稱為偽隨機(jī)，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上不是隨機(jī)的，但根據(jù)被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生盡可能多地模仿真隨機(jī)序列的序列的數(shù)學(xué)關(guān)系來產(chǎn)生。
真隨機(jī)trn按照定義具有無限循環(huán)長(zhǎng)度。它們可在移動(dòng)設(shè)備內(nèi)通過數(shù)字化自然出現(xiàn)的隨機(jī)現(xiàn)象例如放大的熱噪聲或二極管反向偏置雪崩噪聲動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生。這樣的trn在理論上具有與其它trn的零交叉相關(guān)，且因此使用它們編碼的信號(hào)對(duì)所有其它收聽者或?qū)Ρ旧碓跁r(shí)間上移位一個(gè)或多個(gè)碼片周期的任何拷貝實(shí)際上看來像更高的熱噪聲。使用trn是可能的，因?yàn)閠x處理和rx處理都在同一設(shè)備中被執(zhí)行，給定反射器的無源和線性性質(zhì)。在tx和rx在同一設(shè)備上發(fā)生的情況下，通過保持用于產(chǎn)生tx信號(hào)的真隨機(jī)序列值的臨時(shí)拷貝直到這些是用于相關(guān)或解擴(kuò)在rx處的反射的值為止來完成trn使用。所有其它以前提到的室內(nèi)解決方案(其中測(cè)距信號(hào)的發(fā)送機(jī)物理地與接收機(jī)分離)將不能夠?qū)崟r(shí)地使用trn。這除去對(duì)積分時(shí)間的任何限制并允許移動(dòng)設(shè)備選擇它需要的任何積分時(shí)間來達(dá)到它在給定時(shí)刻期望的準(zhǔn)確度。
即使移動(dòng)設(shè)備時(shí)鐘不需要使用外部源被同步到絕對(duì)時(shí)間用于有效信號(hào)相關(guān)，因?yàn)閞x和tx都存在于同一移動(dòng)設(shè)備上并使用同一本地振蕩器，移動(dòng)設(shè)備時(shí)鐘然而應(yīng)足夠準(zhǔn)確到在光速下反射飛行時(shí)間的時(shí)間以產(chǎn)生期望測(cè)距準(zhǔn)確度。換句話說，雖然移動(dòng)設(shè)備時(shí)鐘保持絕對(duì)全球時(shí)間并不重要，本地移動(dòng)設(shè)備時(shí)鐘應(yīng)準(zhǔn)確地測(cè)量從tx到rx反射的時(shí)間。確保時(shí)鐘保持準(zhǔn)確的差時(shí)rx_time-tx_time是比確保本地移動(dòng)設(shè)備時(shí)鐘準(zhǔn)確地保持絕對(duì)時(shí)間簡(jiǎn)單得多的問題。在實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備被制造成通過將本地振蕩器鎖定到在已知從準(zhǔn)確的參考得到的環(huán)境中可用的任何存在的rf信號(hào)來保持準(zhǔn)確的差時(shí)，以及這個(gè)源不移動(dòng)，以便不由于多普勒而移位它的表觀頻率。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，用戶運(yùn)動(dòng)足夠慢以由于可接受的用戶運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生忽略的多普勒，除了最嚴(yán)格的應(yīng)用以外。具有非常準(zhǔn)確的頻率參考的外部靜止參考源的例子包括廣播無線電或電視信號(hào)或任何蜂窩網(wǎng)絡(luò)，包括異步網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，所有現(xiàn)代蜂窩移動(dòng)電話例如cdma和lte已經(jīng)那么做以實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備和小區(qū)站點(diǎn)之間的正確通信。本地振蕩器到蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的這個(gè)鎖定也用于允許在一些室外位置定位實(shí)現(xiàn)中的較長(zhǎng)的gps信號(hào)相關(guān)時(shí)間。一旦本地振蕩器被鎖定到例如小區(qū)站點(diǎn)導(dǎo)頻信號(hào)，本地振蕩器周期就被調(diào)節(jié)為等于在小區(qū)站點(diǎn)處檢測(cè)的gps星座的。實(shí)際上，這個(gè)操作允許相對(duì)廉價(jià)的本地振蕩器維持與gps時(shí)間一樣準(zhǔn)確的″停表″準(zhǔn)確度，因而實(shí)現(xiàn)非常高的準(zhǔn)確度范圍測(cè)量。請(qǐng)注意，甚至在振蕩器鎖定之后，移動(dòng)設(shè)備的絕對(duì)時(shí)間也可與絕對(duì)時(shí)間相差未知的移動(dòng)設(shè)備到小區(qū)站點(diǎn)傳播延遲。幸運(yùn)地，由于反射器的無源性質(zhì)，根據(jù)外部數(shù)據(jù)的絕對(duì)時(shí)間是不需要的。由于在今天的室內(nèi)環(huán)境中的無所不在的蜂窩覆蓋，這種技術(shù)在室內(nèi)起作用。當(dāng)需要非常高的位置準(zhǔn)確度時(shí)，可執(zhí)行將振蕩器鎖定到外部參考。在其它應(yīng)用中，基于晶體的本地參考振蕩器具有足夠的準(zhǔn)確度。
重要地此處注意到，在實(shí)施方案中，當(dāng)相位調(diào)制被使用時(shí)在給定反射器內(nèi)的內(nèi)部延遲必須大于單個(gè)prn或trn碼片周期。這是因?yàn)樵谑覂?nèi)環(huán)境中預(yù)期在單個(gè)碼片周期期間以一般碼片率行進(jìn)的距離比所遇到的測(cè)量范圍長(zhǎng)得多。例如在10mhz碼片率下，在距離中的碼片長(zhǎng)度是在自由空氣中的大約30米。這意味著信號(hào)離開移動(dòng)設(shè)備tx、行進(jìn)到反射器并返回到移動(dòng)設(shè)備rx都在單個(gè)碼片內(nèi)是高度可能的。這意味著移動(dòng)設(shè)備需要反射器內(nèi)部延遲大于一個(gè)碼片以區(qū)分開來自同一移動(dòng)設(shè)備的tx信號(hào)與其回波rx信號(hào)。此外，每個(gè)反射器應(yīng)具有與每個(gè)其它反射器相差最小一個(gè)碼片周期(例如對(duì)于10mhz碼片率是100ns)的延遲，以便分離來自在鄰近地區(qū)中的各種反射器的反射。這在一個(gè)實(shí)施方案中可容易使用簡(jiǎn)單的baw濾波器來實(shí)現(xiàn)。此外在反射器使用部分反射的實(shí)現(xiàn)中，反射器延遲應(yīng)彼此相差多于一個(gè)周期以允許多個(gè)分?jǐn)?shù)功率反射從給定反射器變?nèi)跻苑乐箒碜愿浇瓷淦鞯拇畏瓷涫惯h(yuǎn)反射器的prn延遲與較長(zhǎng)的內(nèi)部延遲匹配。
本文公開的系統(tǒng)可能對(duì)偽衛(wèi)星和用于室內(nèi)位置定位的信標(biāo)所經(jīng)歷的近/遠(yuǎn)問題不敏感。這是因?yàn)橛捎诜瓷淦黝l率角掃描特征，來自不同反射器的大部分時(shí)間反射出現(xiàn)在不同的中心頻率處，并因此可基于頻率基礎(chǔ)而被隔離。此外，由于這樣的代碼的低交叉相關(guān)值，使用長(zhǎng)prn以及在理論上無限循環(huán)trn的能力允許近/遠(yuǎn)自己的反射信號(hào)的更好分離。長(zhǎng)prn或trn由于下面的事實(shí)而變得可行：同一本地振蕩器用于將信號(hào)一直擴(kuò)展和擴(kuò)張到振蕩器相位噪聲的限制。此外，在非常擁塞的條件下，中央網(wǎng)絡(luò)無線電鏈路管理器可在移動(dòng)設(shè)備當(dāng)中仲裁以確保不可容忍的交叉干擾不出現(xiàn)。這個(gè)管理器可存在于互聯(lián)網(wǎng)云中的某個(gè)地方。這是可能的，因?yàn)榉瓷淦魇菬o源的，與輻射信標(biāo)或偽衛(wèi)星相反，且因此只輻射來自在鄰近地區(qū)中的移動(dòng)設(shè)備的信號(hào)。無線電鏈路管理器可以只允許可管理數(shù)量的移動(dòng)設(shè)備同時(shí)訪問以使用在鄰近地區(qū)中的反射器來確保以在期望或可達(dá)到水平的準(zhǔn)確度下對(duì)所有設(shè)備的有用的位置定位確定。系統(tǒng)可能對(duì)其它系統(tǒng)的近/遠(yuǎn)問題非常不敏感，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備能夠使用一個(gè)近反射器來確定它的位置。檢測(cè)到的額外遠(yuǎn)反射器提高準(zhǔn)確度，但對(duì)有用的3d位置確定是不需要的。因此，在移動(dòng)設(shè)備在同一中心頻率下接收來自兩個(gè)反射器的反射(一個(gè)反射具有比另一反射高得多的功率)的不可能的事件中，可能看到一個(gè)反射器的移動(dòng)設(shè)備仍然可有用地計(jì)算它的位置，且在短時(shí)間內(nèi)，小運(yùn)動(dòng)改變天線掃描中心頻率，允許移動(dòng)設(shè)備檢測(cè)其它反射器并因此改進(jìn)以前的位置確定。
在實(shí)施方案中，接收掩蔽其它反射器的近反射器的非常強(qiáng)的反射的移動(dòng)設(shè)備可通過使所傳輸?shù)念l率從最佳頻率解調(diào)來減小來自這個(gè)近反射器的反射功率，最佳頻率導(dǎo)致在移動(dòng)設(shè)備的方向上的最大反射。這可嚴(yán)重降低來自近反射器的反射功率，允許移動(dòng)設(shè)備檢測(cè)來自具有低得多的反射功率的遠(yuǎn)反射器的信號(hào)。移動(dòng)設(shè)備也可執(zhí)行對(duì)每個(gè)中心頻率的單獨(dú)功率控制，激發(fā)不同的反射器來減小由于近/遠(yuǎn)現(xiàn)象而引起的所需rx動(dòng)態(tài)范圍。
在被預(yù)期具有單個(gè)用戶或低數(shù)量的稀疏位置確定用戶的位置處，例如在私人住宅內(nèi)，雷達(dá)信號(hào)的相位調(diào)制的主要目的唯一地是增加信號(hào)帶寬bw，以便導(dǎo)致在移動(dòng)設(shè)備和反射器之間的較精細(xì)的范圍分辨率。在這樣的情形下且在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備可使用相對(duì)短的prn代碼，例如巴克碼或移位的巴克碼或任何數(shù)量的其它代碼的產(chǎn)品(見例如在″fundamentalsofradarsignalprocessing″中的章4.10)。在這里，期望bw增加是碼片率而不是prn序列長(zhǎng)度的結(jié)果。因此，即使這些序列短，我們也仍然可達(dá)到bw增加，且因此范圍分辨率提高了大約1/bw的碼片率。給定低數(shù)量的用戶，可通過增加輸出功率來完成增加準(zhǔn)確度的snr提高，因?yàn)橄噜徲脩舻母怕实?。仍然甚至?duì)于這些稀疏環(huán)境，較大的代碼仍然可用于提高snr。
在實(shí)施方案中，在預(yù)期許多移動(dòng)設(shè)備試圖確定它們?cè)诒舜说臉O接近區(qū)域內(nèi)的位置時(shí)的位置處使用較長(zhǎng)的prn序列或甚至trn序列。使用較長(zhǎng)的序列，兩個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)在場(chǎng)。第一架構(gòu)不允許tx和rx同時(shí)出現(xiàn)在同一移動(dòng)設(shè)備內(nèi)(半工)。第二架構(gòu)允許tx和rx同時(shí)出現(xiàn)在同一移動(dòng)設(shè)備內(nèi)(全工)。在雷達(dá)系統(tǒng)中，半工在傳統(tǒng)上是被偏愛。這是因?yàn)樵诶走_(dá)系統(tǒng)中，所接收的信號(hào)是所傳輸?shù)男盘?hào)的延遲版本。因此在使用簡(jiǎn)單的頻帶分離的tx和rx之間的一般信道分離可能不是實(shí)際的。所以迄今為止對(duì)于大部分雷達(dá)系統(tǒng)，tx和rx活動(dòng)是時(shí)間交織的，rx不被泄漏回到rx路徑內(nèi)的tx信號(hào)完全蓋過。
在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備在調(diào)制所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)的相位時(shí)使用長(zhǎng)prn或trn序列，并使tx和rx活動(dòng)時(shí)間交織。為了得到prn序列的全部益處，我們應(yīng)發(fā)送至少一個(gè)全prn序列長(zhǎng)度。在該時(shí)間期間，rx側(cè)被屏蔽。為了使tx和rx不重疊，使用兩個(gè)備選方案中的任一個(gè)。第一個(gè)是使在反射器中使用的內(nèi)部延遲長(zhǎng)到足以適應(yīng)prn序列的一個(gè)全長(zhǎng)。換句話說，沒有反射被發(fā)送回，而prn的全長(zhǎng)被傳輸，其后剛好在接收到反射之前tx被關(guān)閉且rx被啟用。另一備選方案是使在單個(gè)prn序列長(zhǎng)度內(nèi)的tx和rx活動(dòng)時(shí)間交織。例如，tx被接通并傳輸prn序列長(zhǎng)度的一部分，然而斷開tx，使rx能夠偵聽反射的回波。在預(yù)期反射的一個(gè)周期之后，tx被接通以傳輸prn序列的另一部分，而rx被禁用，依此類推。這個(gè)交織繼續(xù)，直到prn總序列長(zhǎng)度被傳輸為止。這個(gè)交織具有防止內(nèi)部反射器延遲很大但同時(shí)維持長(zhǎng)prn序列的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)果。在這兩個(gè)備選方案中，在發(fā)送序列中的第一個(gè)碼片和接收最后一個(gè)碼片之間的周期在理論上是相同的。然而在部分交織的情況下，除了反射器的可變延遲之外，還應(yīng)解釋在tx和rx切換之間的某個(gè)防護(hù)時(shí)間。
在另一實(shí)施方案中，tx和rx都同時(shí)出現(xiàn)(全工)。在雷達(dá)系統(tǒng)中，濺在rx路徑上的tx信號(hào)已知有極大的準(zhǔn)確度，因?yàn)樗谕灰苿?dòng)設(shè)備內(nèi)被構(gòu)造。在這樣的情形下，可在rx信號(hào)路徑上使用有源噪聲消除技術(shù)以除去所耦合的和不希望有的tx飛濺?？衫缡褂醚h(huán)電路、交叉天線極化和有源噪聲消除。這將足夠的動(dòng)態(tài)范圍給予有用的室內(nèi)位置定位。所有反射器都具有最少一個(gè)碼片延遲的事實(shí)意味著來自環(huán)境的接近的反射可由擴(kuò)張rx操作衰減。此外，長(zhǎng)prn或trn代碼的使用允許較高的處理增益改善這個(gè)隔離要求，并通過可忽略的交叉相關(guān)由于可忽略的相對(duì)多普勒頻移由于在移動(dòng)設(shè)備和反射器之間的慢相對(duì)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)一步變得可能。請(qǐng)注意，由于反射器的方向回溯特性，雷達(dá)反射比在一般雷達(dá)應(yīng)用中強(qiáng)得多，且因此較低的動(dòng)態(tài)范圍是需要的，導(dǎo)致較少的所需tx/rx隔離。
除了調(diào)制信號(hào)路徑以增加bw和/或允許各種多址接入操作的各種實(shí)施方案以外，我們還可通過增加snr比來提高范圍分辨率，如在crlb方程中規(guī)定的。增加snr用兩種方式完成。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過增加來自移動(dòng)設(shè)備的雷達(dá)信號(hào)的平均傳輸功率來增加snr。這可完成，直到來自移動(dòng)設(shè)備的最大輻射功率的fcc限制對(duì)給定頻帶達(dá)到為止或當(dāng)電池功率消耗變得非常高時(shí)。在另一實(shí)施方案中，rx相關(guān)時(shí)間增加，因此增加了rx的處理增益并提高了等效snr。為了頻率和周期準(zhǔn)確度，增加的相關(guān)時(shí)間需要在tx和rx主時(shí)鐘之間的嚴(yán)格同步。幸運(yùn)地，本文公開的系統(tǒng)使用無源反射器，且因此tx和rx信號(hào)都使用在同一移動(dòng)設(shè)備內(nèi)的同一時(shí)鐘。在這樣的情況下，相關(guān)時(shí)間只由本地時(shí)鐘在反射往返延遲(包括反射器內(nèi)部延遲，一般在微秒的數(shù)量級(jí))所花費(fèi)的時(shí)間期間漂移多少來限制，且因此相關(guān)時(shí)間可以是無限的，甚至對(duì)于廉價(jià)的振蕩器。相干相關(guān)時(shí)間越長(zhǎng)，處理增益就越高，且因此所達(dá)到的snr就越高。這的例子是在gps中發(fā)生的事情，其中所接收的信號(hào)相對(duì)于熱噪聲基底一般是-25db，然而接收機(jī)能夠由于使用長(zhǎng)相關(guān)時(shí)間的處理增益而檢測(cè)并處理信號(hào)。
在gps中，所傳輸?shù)膁sss相位調(diào)制載波未被過濾，且因此頻譜近似于無限延伸到載波頻率的左邊和右邊的sinc函數(shù)。gps能夠完成此，因?yàn)樵诤Ｆ矫嫣幍乃邮盏男盘?hào)功率是在自然熱噪聲水平之下大約25db。對(duì)于陸地通信，功率水平較高，且頻帶外發(fā)射應(yīng)被過濾。因此，一般陸地dsss傳輸具有在所傳輸?shù)腷w內(nèi)的扁平頻譜功率水平和在那個(gè)bw之外的非常低的發(fā)射。給定反射器的頻率掃描特性，我們將預(yù)期所反射的信號(hào)具有不在所傳輸?shù)腷w內(nèi)扁平的頻譜。這是因?yàn)楫?dāng)頻率遠(yuǎn)離給出在移動(dòng)設(shè)備的方向上的最大反射的頻率時(shí)，反射器的增益下降。如果我們假設(shè)移動(dòng)設(shè)備正傳輸dsss，其中所傳輸?shù)男盘?hào)的中心頻率確切地是在移動(dòng)設(shè)備的方向上的最大反射所需的頻率，則我們將預(yù)期所反射的信號(hào)的頻譜將不是扁平的，但將同樣在功率上降低，因?yàn)槲覀冞h(yuǎn)離中心到任一側(cè)。如果所傳輸?shù)男盘?hào)具有稍微高于或低于在移動(dòng)設(shè)備的方向上的最佳反射所需的頻率的中心頻率，則那個(gè)峰值功率將從bw的中心偏移到一側(cè)或另一側(cè)。這向移動(dòng)設(shè)備提供它應(yīng)調(diào)節(jié)它的中心頻率以及在哪個(gè)方向上的指示，以便跟蹤給定反射器在移動(dòng)設(shè)備的方向上的最大反射所需的頻率和因此在所調(diào)節(jié)的中心頻率周圍的對(duì)稱反射頻譜功率。這也可提供對(duì)aoa的指示而不需要連續(xù)地掃描頻率。
在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備足夠靈活以增加或減小它利用來達(dá)到各種準(zhǔn)確度水平的努力。如我們前面規(guī)定的，增加的準(zhǔn)確度要求增加信號(hào)bw、傳輸功率水平和相干rx相關(guān)時(shí)間中的任一個(gè)或全部。增加的bw導(dǎo)致一些信號(hào)經(jīng)歷在移動(dòng)設(shè)備的方向上的較低的反射器天線增益，一些信號(hào)遠(yuǎn)離移動(dòng)設(shè)備反射且因此增加對(duì)在鄰近地區(qū)中的其它移動(dòng)設(shè)備的干擾。增加所傳輸?shù)墓β蕼p小電池壽命且也增加對(duì)其它移動(dòng)設(shè)備的干擾。最后，增加相關(guān)時(shí)間也增加電池壽命并由于較長(zhǎng)的傳輸信號(hào)持續(xù)時(shí)間而增加對(duì)其它移動(dòng)設(shè)備的背景噪聲，并要求較長(zhǎng)的修理時(shí)間周期。所以移動(dòng)設(shè)備調(diào)低它每當(dāng)高準(zhǔn)確度是不需要的時(shí)花費(fèi)的努力變得有用。在實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備執(zhí)行有源傳輸功率控制和動(dòng)態(tài)bw選擇和相關(guān)時(shí)間選擇以在此時(shí)達(dá)到所需的范圍準(zhǔn)確度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置更新利用載波相位測(cè)量。直到現(xiàn)在為止，我們只考慮基于代碼相位方法的位置確定。這將位置準(zhǔn)確度限制到prn碼片長(zhǎng)度的分?jǐn)?shù)，其精細(xì)度取決于如上面概述的bw和snr。然而，載波相位方法可將位置準(zhǔn)確度實(shí)現(xiàn)到載波中心頻率波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)內(nèi)。這是比代碼相位技術(shù)更精細(xì)的分辨率的數(shù)量級(jí)。在任何相干接收機(jī)中，載波相位是已知的，但信號(hào)行進(jìn)到反射器和從反射器行進(jìn)的波長(zhǎng)的整數(shù)是未知的。這被稱為載波整周模糊度(n)。如果我們知道n且我們也已經(jīng)知道在rx和tx處的載波的殘余相位，則我們可將范圍計(jì)算到載波波長(zhǎng)絕對(duì)準(zhǔn)確度的小分?jǐn)?shù)。在有利的條件下，用戶bw和可用snr足以使代碼相位確定的范圍的方差縮小到低于1/2載波波長(zhǎng)。在理論上，這足以確定用于載波相位計(jì)算的n并實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的定位。實(shí)際上，我們需要得到下至小于1/4載波波長(zhǎng)的代碼相位位置方差，用于可靠的n確定。一旦為一個(gè)或多個(gè)反射器確定了n，我們就可放松確定n所花費(fèi)的努力并通過連續(xù)地跟蹤所接收的信號(hào)的載波相位并使n遞增或遞減來保持每個(gè)反射器的n的準(zhǔn)確了解，在任一方向上有每個(gè)完整的相位環(huán)繞。換句話說，移動(dòng)設(shè)備花費(fèi)極大的努力以可能通過增加碼片率來增加bw和或通過較高的tx功率或較長(zhǎng)的rx相關(guān)時(shí)間增加snr以確定n，接著切換到連續(xù)載波相位跟蹤以維持非常準(zhǔn)確的定位并通過減小它確定n所需的bw和或snr來放寬。如果在任何時(shí)間，載波跟蹤由于環(huán)境條件而失去，則移動(dòng)設(shè)備恢復(fù)到再次更強(qiáng)烈地依賴于用于位置確定和n確定的代碼相位方法。
在使用載波相位測(cè)距技術(shù)的實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備補(bǔ)償當(dāng)頻率掃描反射器的主增益波瓣根據(jù)激發(fā)頻率而擺動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的載波相移。在不補(bǔ)償這個(gè)效應(yīng)的情況下，載波相位測(cè)距技術(shù)的全部益處可能未被實(shí)現(xiàn)。幸運(yùn)的是，移動(dòng)設(shè)備知道激發(fā)頻率且從所公布的反射器數(shù)據(jù)知道主波瓣的角度，且因此可估計(jì)并補(bǔ)償頻率掃描相控陣所特有的這個(gè)相移。
在環(huán)境不允許從代碼相位方法進(jìn)行n的可靠確定(給定可允許的bw和或snr)的情況下，我們可通過跟蹤相對(duì)n個(gè)增量/減量來跟蹤移動(dòng)設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過全周期相位改變，且殘余載波相位從前面的位置改變，實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量。對(duì)于具有靜止反射器的靜止移動(dòng)設(shè)備，該方法公認(rèn)地不產(chǎn)生額外的信息以確定絕對(duì)位置。然而，如果移動(dòng)設(shè)備正移動(dòng)并接收來自多個(gè)反射器的反射，則在某個(gè)時(shí)間之后當(dāng)保持跟蹤歷史時(shí)確定這個(gè)載波相位n模糊度和轉(zhuǎn)變到高準(zhǔn)確度絕對(duì)跟蹤模式變得可能，特別是如果在反射器和移動(dòng)設(shè)備當(dāng)中的幾何結(jié)構(gòu)明顯改變，如由使用偽衛(wèi)星和gps衛(wèi)星信號(hào)的完整信標(biāo)著陸系統(tǒng)(見例如parkinson和spilker的″globalpositioningsystem：theoryandapplicationsvolumeii″(1996年，第15章)，且如在h.stewardcobb的″gpspseudolites：theory，designandapplications″博士論文(stanforduniversity，1997)中描述的)所使用的。如果三個(gè)或更多反射器是移動(dòng)設(shè)備可見的，則這種方法起作用。
在前面的實(shí)施方案中，移動(dòng)設(shè)備跟蹤載波相位以維持準(zhǔn)確的定位。這可能由于在擁擠環(huán)境中的多址接入限制而是不可能的。對(duì)于這樣的情況，系統(tǒng)使用可非?？斓亟馕鰊的技術(shù)。因?yàn)閚可以以最少的時(shí)間被解析，沒有跟蹤是需要的，因?yàn)樵诿看味ㄎ粫r(shí)確定n而不是確定n一次并在那之后維持載波跟蹤是同樣有效的。較高的碼片率和多個(gè)頻率可用于以最少的時(shí)間和運(yùn)動(dòng)快速確定n以實(shí)現(xiàn)甚至在擁擠的環(huán)境例如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中的載波相位范圍準(zhǔn)確度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使用多個(gè)頻率連同較高的碼片率以產(chǎn)生足夠的信息來動(dòng)態(tài)地解析n并實(shí)現(xiàn)載波相位測(cè)距。那些不熟悉本領(lǐng)域的人可例如參考stone、jonathan等人的″carrierphaseintegerambiguityresolutionusingdualfrequencypseudolites″(11thinternationaltech，meetingofthesatellitedivisionofion，1998年9月，961-968頁(yè))和forssen，b的″comparisonofwide-laningandtone-ranging″(electronicletters，1997年8月28日，第33卷，第18號(hào)，1525-1526頁(yè))?；诜瓷淦?，本文公開的系統(tǒng)不需要校正τ且因此可獨(dú)立于位置計(jì)算過程為每個(gè)反射器解析載波相位模糊度。此外，在一個(gè)實(shí)施方案中，激發(fā)頻率有時(shí)輕微抖顫以在固定頻率可允許的情況下允許n的更好的概率確定。
從對(duì)不同的rf頻帶做出響應(yīng)的多個(gè)協(xié)作的掃描反射器構(gòu)建多頻率反射器。一個(gè)反射器設(shè)計(jì)成對(duì)從f0至f1起的掃描做出響應(yīng)，而另一反射器對(duì)從f2到f3的頻帶做出響應(yīng)。如果使這些反射器沿著同一平面掃描，則兩個(gè)子頻帶可以只部分地重疊或分離以確保在任何給定激發(fā)頻率處，主增益的方向從一個(gè)反射器到下一反射器不同，且因此兩個(gè)頻率用于任何反射器到移動(dòng)設(shè)備角度。這些并置的反射器的天線端口通過rf組合器-分離器連接到同一繼電器元件，且因此具有相同的內(nèi)部延遲。移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)在可使用多個(gè)頻率來激發(fā)這個(gè)多反射器，且因此能夠使用一個(gè)復(fù)合反射器和短測(cè)量時(shí)間來解析載波相位整周模糊度n。這導(dǎo)致增加在擁塞的環(huán)境中的系統(tǒng)容量，同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)載波相位水平準(zhǔn)確度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)使用頻率掃描來解析載波整周模糊度。從反射器之一反射的所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)除了內(nèi)部反射器延遲以外還經(jīng)歷等于往返自由空氣延遲的延遲。這個(gè)延遲轉(zhuǎn)變到多個(gè)整周載波循環(huán)和殘余載波相位。通過比較tx相位與rx相位，我們可確定這個(gè)殘余相位。當(dāng)我們改變激發(fā)頻率時(shí)，整數(shù)數(shù)量的循環(huán)以及殘余相位都改變。如果我們根據(jù)掃描激發(fā)頻率跟蹤這個(gè)變化，則我們將能夠確定反射信號(hào)的循環(huán)的整數(shù)數(shù)量。給定反射器的在微秒數(shù)量級(jí)的一般內(nèi)部延遲和在ghz的數(shù)量級(jí)的一般激發(fā)頻率，預(yù)期數(shù)量的往返循環(huán)將在數(shù)百或數(shù)千循環(huán)中。這意味著對(duì)于在tx中的0.1％頻率變化，全循環(huán)或更多從往返路徑加上或減去。移動(dòng)設(shè)備可產(chǎn)生非常準(zhǔn)確的中心頻率。通過掃描頻率同時(shí)跟蹤在rx載波相位中的變化，包括對(duì)全循環(huán)相位累積計(jì)數(shù)，我們可確定rx相位變化與tx周期分?jǐn)?shù)變化之比，其給出n。在確定了n之后，我們現(xiàn)在可以在減去內(nèi)部反射器延遲之后以高準(zhǔn)確度計(jì)算范圍。
由于由每個(gè)反射器提供的角度，移動(dòng)設(shè)備可以只使用一個(gè)反射器來確定3d位置。例如，每個(gè)反射器可具有垂直掃描反射器，除了并置的水平掃描反射器，以給出方位角和高度角。這些角的準(zhǔn)確度取決于掃描靈敏度和snr。然而如果多個(gè)反射器連同載波相位技術(shù)被使用，則這樣的系統(tǒng)的準(zhǔn)確度根本不被限制，且任何準(zhǔn)確度可實(shí)現(xiàn)，如果足夠的bw、snr、平均化在給定環(huán)境是可得到的。
在實(shí)施方案中，公開可訪問的服務(wù)器，除了包含關(guān)于每個(gè)反射器的信息以及還管理在鄰近地區(qū)中的可用帶寬以允許公平的多址接入以外，也可交換位置定位輔助信息，其可幫助每個(gè)移動(dòng)設(shè)備通過使用由其它移動(dòng)設(shè)備公布的結(jié)果來以較少的努力準(zhǔn)確地確定它的位置。這個(gè)幫助的例子是反射器內(nèi)部延遲的測(cè)量值。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)移動(dòng)設(shè)備可公布它的位置并且還通過公布它應(yīng)使用的特定延遲和它自己的prn序列公式來充當(dāng)反射器。移動(dòng)設(shè)備將接著知道另一移動(dòng)設(shè)備的prn，且將檢測(cè)另一移動(dòng)設(shè)備的雷達(dá)tx信號(hào)，它將接著將它延遲所公布的量，接著使用另一移動(dòng)設(shè)備的同一prn序列將它連貫地重新傳輸回。這使這個(gè)協(xié)作移動(dòng)設(shè)備充當(dāng)另一反射器，提供額外的一條測(cè)距信息，但盡管沒有真實(shí)無源頻率掃描反射器可以有的角度信息。
圖1是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的室內(nèi)定位系統(tǒng)的功能方框圖。系統(tǒng)包括移動(dòng)設(shè)備185，其位置將被確定。移動(dòng)設(shè)備185可以是任何電子設(shè)備(例如智能電話)。系統(tǒng)還包括服務(wù)器194。移動(dòng)設(shè)備185經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)192與服務(wù)器194通信。網(wǎng)絡(luò)192可以是例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)或wi-fi網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)還包括位置反射器181。移動(dòng)設(shè)備185傳輸雷達(dá)信號(hào)182并感測(cè)來自位置反射器181的回波用于在確定移動(dòng)設(shè)備185的位置時(shí)使用。為了易于說明，圖1的系統(tǒng)只包括一個(gè)位置反射器；位置可包括多個(gè)位置反射器。雖然定位系統(tǒng)特別適合于室內(nèi)使用，但是它并不這樣被限制。
在傳輸雷達(dá)信號(hào)之前，移動(dòng)設(shè)備185可確定它的近似(粗略)位置或鄰近地區(qū)。例如，移動(dòng)設(shè)備185可使用當(dāng)前可用的定位方法或可從環(huán)境收集可用于這個(gè)鄰近地區(qū)確定的信息。這個(gè)粗略位置確定的一個(gè)例子是保存最后一個(gè)已知的室外gps位置，其可用于確定移動(dòng)設(shè)備185可能在哪個(gè)建筑物或建筑物群中?？蛇x地或此外，移動(dòng)設(shè)備185可通過檢測(cè)具有已知的位置的可用wi-fi網(wǎng)絡(luò)來縮小它的近似位置。這個(gè)近似位置可以是具有數(shù)十或數(shù)百米的不確定性的位置。使用這個(gè)近似位置，移動(dòng)設(shè)備185連接到服務(wù)器194。服務(wù)器194可使用已知和所公布的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(ip)地址來通信。從移動(dòng)設(shè)備185到服務(wù)器194的連接可通過互聯(lián)網(wǎng)被路由。服務(wù)器可以是專用單獨(dú)的服務(wù)器或可以是根據(jù)需要從服務(wù)器場(chǎng)租用的具有能力的共享服務(wù)器。
在建立了到服務(wù)器194的連接后，移動(dòng)設(shè)備185向服務(wù)器194發(fā)送它的近似位置或任何環(huán)境信息，服務(wù)器194可通過該環(huán)境信息來接近移動(dòng)設(shè)備185的粗略位置。服務(wù)器194可接著向移動(dòng)設(shè)備185發(fā)送可在移動(dòng)設(shè)備185的近似位置內(nèi)可檢測(cè)到的關(guān)于反射器的反射器數(shù)據(jù)的列表。
移動(dòng)設(shè)備185然后傳輸雷達(dá)信號(hào)并偵聽來自在服務(wù)器提供反射器數(shù)據(jù)的列表上的反射器的反射。如下面進(jìn)一步所述的，移動(dòng)設(shè)備185能夠使用反射器數(shù)據(jù)的列表來確定所檢測(cè)的反射來自哪個(gè)反射器、反射器的范圍、在反射器處的雷達(dá)信號(hào)的到達(dá)角(aoa)或范圍和aoa。使用反射器數(shù)據(jù)(例如關(guān)于反射器的位置、定向和頻率以及延遲特性的信息)，移動(dòng)設(shè)備185可準(zhǔn)確地確定它的位置。
一旦初始準(zhǔn)確位置被確定，移動(dòng)設(shè)備185就可將它對(duì)反射的搜索限制到僅僅可來自位于緊鄰的鄰近地區(qū)中的反射器的那些反射。這可提高位置確定定位時(shí)間并可提高準(zhǔn)確度，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備185現(xiàn)在可花費(fèi)更多的努力(例如每假設(shè)更長(zhǎng)的相關(guān)時(shí)間)檢測(cè)來自在緊鄰的鄰近地區(qū)中的減少得多的數(shù)量的反射器的多于一個(gè)反射器，并因此提高準(zhǔn)確度。在準(zhǔn)確地確定了位置后，移動(dòng)設(shè)備可接著例如通過跟蹤與每個(gè)反射器相關(guān)的載波相位循環(huán)累積來非常準(zhǔn)確地跟蹤它從這個(gè)原始定位起的差分位置變化。這可以只對(duì)最苛刻的應(yīng)用進(jìn)行，因?yàn)橛捎谶B續(xù)跟蹤，它可使用更多的處理和更多的功率消耗。
圖2示出根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的示例位置定位。圖2示出具有墻壁200和地板的示例室內(nèi)房間。移動(dòng)設(shè)備285配備有如在本文公開的位置定位技術(shù)，存在于房間中。在圖2的例子中，位置反射器281固定到房間的角落。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備285想要確定它的位置時(shí)，它可發(fā)射特別編碼的雷達(dá)信號(hào)。該信號(hào)可全向地從移動(dòng)設(shè)備285輻射。這個(gè)信號(hào)中的一些沿著路徑203在位置反射器281的方向上輻射。在圖2的例子中的位置反射器281包括具有在接收和傳輸中的最大增益的角度的頻率掃描天線，其為入射信號(hào)的中心頻率的函數(shù)。移動(dòng)設(shè)備285在頻率上掃描輻射信號(hào)，直到最大反射功率被檢測(cè)到為止。在移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)例如從服務(wù)器提供的信息知道位置反射器281的位置、定向和頻率掃描特性的情況下，移動(dòng)設(shè)備能夠確定視線矢量到反射器的aoa和因而確定在移動(dòng)設(shè)備285和沿著路徑203的反射器位置之間的矢量的方位角和高度角。
此外，移動(dòng)設(shè)備285測(cè)量反射信號(hào)的往返延遲并計(jì)算在移動(dòng)設(shè)備285和位置反射器281之間的范圍距離。在確定了兩個(gè)角度和在移動(dòng)設(shè)備285和位置反射器281(其在房間內(nèi)的位置和定向是已知的)之間的距離后，移動(dòng)設(shè)備285能夠通過只檢測(cè)一個(gè)反射器來確定它在3d空間中的位置。
圖3示出根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一示例位置定位。圖3的空間類似于圖2的空間。然而，圖3的空間包括兩個(gè)位置反射器(第一位置反射器381a和第二位置反射器381b統(tǒng)稱為位置反射器381)。在這里，每個(gè)位置反射器381可產(chǎn)生兩個(gè)aoa角度和范圍以提供超定位置計(jì)算，導(dǎo)致較高的準(zhǔn)確度?？蛇x地，位置反射器381可以是只產(chǎn)生一個(gè)角度和一個(gè)范圍測(cè)量的較簡(jiǎn)單類型的反射器。這仍然利用僅僅兩個(gè)可見的位置反射器提供超定位置計(jì)算。如果移動(dòng)設(shè)備能夠檢測(cè)來自三個(gè)或更多位置反射器的反射，則位置反射器每個(gè)只需提供單個(gè)aoa，每個(gè)僅僅一個(gè)范圍測(cè)量，或三個(gè)測(cè)量的任何最小組合，用于使移動(dòng)設(shè)備確定它的位置。每個(gè)反射器仍然可為了更大的準(zhǔn)確度或魯棒性例如通過錯(cuò)誤位置確定的檢測(cè)來提供兩個(gè)aoa和范圍。
反射器類型包括三個(gè)類別：簡(jiǎn)單的無源反射器、頻率掃描無源反射器和有源方向回溯反射器。不考慮其類型，所有反射器在將信號(hào)反射回之前將所接收的雷達(dá)信號(hào)延遲了一個(gè)內(nèi)部延遲。這些有意包括的延遲一般在0.5微秒和3微秒之間的范圍內(nèi)。它們提供四個(gè)目的。第一是它們使信號(hào)延遲，直到來自寄生反射物品例如大面反射鏡的所有周圍環(huán)境多路徑信號(hào)和回波消失為止。第二，延遲增加在發(fā)送雷達(dá)信號(hào)和接收它之間的時(shí)間。這個(gè)增加的時(shí)間使移動(dòng)設(shè)備在當(dāng)雷達(dá)信號(hào)被傳輸時(shí)的有源tx和當(dāng)信號(hào)回波被預(yù)期接收到時(shí)的有源rx之間交替變得可能。這消除自干擾問題，因?yàn)閞x和tx都在同一頻率處。第三，移動(dòng)設(shè)備電路的優(yōu)選實(shí)施方案是發(fā)射使用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制(dsss)的雷達(dá)信號(hào)。在dsss接收機(jī)中，來自不同反射器和環(huán)境的回波可以只在它們間隔開多于一個(gè)dsss碼片到達(dá)時(shí)才被區(qū)分開。在反射器處的這些插入的延遲確保此。最后，這些插入的和不同的延遲用作識(shí)別標(biāo)記，用于使移動(dòng)設(shè)備將檢測(cè)到的反射與它們的預(yù)期反射器配成對(duì)。
反射器也可具有被稱為雙延遲反射(ddr)的特性。如果反射器包括d微秒的延遲元件，則反射器最初使它接收的信號(hào)回響d微秒，在它接收到它們之后。使用ddr，反射器產(chǎn)生兩個(gè)回波。第一回波延遲了d微秒，并可被稱為主反射。第二回波在功率上較低(例如相對(duì)于主反射-10db)并延遲了2d或3d微秒。ddr可便于消除對(duì)反射器延遲的校準(zhǔn)要求。
圖4是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置反射器的功能方框圖。圖4的位置反射器可稱為簡(jiǎn)單無源反射器。圖4的位置反射器可用于實(shí)現(xiàn)圖1的位置反射器181、圖2的位置反射器281或圖3的位置反射器381。圖4的位置反射器包括天線410。天線410在天線端口411處通過匹配網(wǎng)絡(luò)420連接到延遲元件425的一個(gè)端口。匹配網(wǎng)絡(luò)420可包括電阻器網(wǎng)絡(luò)、變壓器或其它無源電路元件。在一些實(shí)施方案中，匹配網(wǎng)絡(luò)可被精簡(jiǎn)或省略，例如當(dāng)待匹配的阻抗相同或類似時(shí)。延遲元件425的另一端口連接到地。由天線410接收的rf信號(hào)通過匹配網(wǎng)絡(luò)420輸送到延遲元件425。信號(hào)通過延遲元件425行進(jìn)一個(gè)延遲并在相對(duì)的端口處顯露，其中它通過延遲元件425由對(duì)地的短路反射回，并接著從天線410重新輻射。如果延遲元件425的延遲每一路是t微秒，則反射器具有2t微秒rx到tx延遲。此外，通過匹配網(wǎng)絡(luò)420的輕微失諧(阻抗失配)，從延遲元件425返還的所延遲的信號(hào)的部分重新注入回到延遲元件內(nèi)用于額外的往返。因此，另一反射在時(shí)間4t微秒由天線輻射。這個(gè)反射的功率水平低于初始(主)反射(例如10db或更多，取決于匹配網(wǎng)絡(luò)的失諧)。
圖5是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖。圖5的位置反射器類似于圖4的位置反射器，具有類似參考的元件，執(zhí)行類似的功能。圖5的位置反射器包括分離rx和tx路徑的循環(huán)器527。rx路徑被饋送到延遲元件525的一個(gè)端口，而延遲元件525的另一端口饋送tx路徑。對(duì)于這個(gè)反射器，初始反射出現(xiàn)在t微秒之后，而第二較弱的反射出現(xiàn)在2t或3t微秒之后。在2.4ghz或5.0ghz頻帶中操作這些反射器可提供方便的部件起源，但這樣的反射器可在其它頻率處工作。延遲元件對(duì)于2.4ghz可以是saw或baw延遲線，而對(duì)于較高的頻率例如5.0ghz可以是baw延遲線。
這些簡(jiǎn)單的無源反射器不包含電源，從而提供方便的安裝和服務(wù)。這些反射器沒有再生增益級(jí)。因此，延遲元件的插入損耗直接影響反射信號(hào)功率電平。在吉赫操作頻率處，在延遲元件中的20db插入損耗可對(duì)初始反射出現(xiàn)。
簡(jiǎn)單的反射器(例如，如在圖4和圖5中所示的)只提供測(cè)距信息且沒有aoa信息。為了確定在3d空間中的移動(dòng)設(shè)備的位置，移動(dòng)設(shè)備可得到來自在鄰近地區(qū)內(nèi)的多個(gè)非平面反射器的反射。
圖6是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖。圖6的位置反射器包括頻率掃描相控陣天線并可被稱為頻率掃描相控陣反射器。圖6的位置反射器可用于實(shí)現(xiàn)圖1的位置反射器181、圖2的位置反射器281或圖3的位置反射器381。
圖6的位置反射器包括天線610a-f的陣列。天線可布置在直線上。增加天線的數(shù)量和反射器的線性程度增加方向增益并縮小主增益波瓣的3db波束寬度。天線通過天線端口611耦合到反射器中的其它電路。每個(gè)天線可物理地與相鄰天線分開距離d。間隔可對(duì)應(yīng)于對(duì)反射器使用的信號(hào)的中心頻率的波長(zhǎng)的一半。
多個(gè)傳輸路徑612a-f順序地耦合天線的陣列。傳輸路徑可被稱為延遲線。來自天線端口611的信號(hào)被路由到第一天線610a，其中功率分配器/組合器將能量的一分?jǐn)?shù)賦予第一天線610a，且剩余能量經(jīng)由第一傳輸路徑612a繼續(xù)以給其它天線饋電。給隨后的天線饋電的信號(hào)由連接的傳輸路徑延遲。每個(gè)傳輸路徑可具有電氣長(zhǎng)度l。最后給給所有天線饋電之后，信號(hào)以終端622終止。終端622可具有與天線和傳輸路徑的阻抗匹配的阻抗，以便防止(或減小)反射回到天線的殘余功率。
反射器的天線和傳輸路徑的這個(gè)結(jié)構(gòu)可被稱為頻率掃描陣列(見例如m.skolnik的″introductiontoradarsystems″(newyork，mcgraw-hill，第3版，2001年，第9章)。在兩個(gè)相鄰天線之間的相位差
在可選的實(shí)施方案中，90°掃描在n個(gè)毗鄰的扇區(qū)當(dāng)中被劃分。每個(gè)扇區(qū)可具有90°/n掃描能力。每個(gè)扇區(qū)可包括可掃描最小90°/n角的頻率掃描反射器。使所有并置扇區(qū)掃描天線在同一方向上例如順時(shí)針掃描確保在扇區(qū)邊界處只有一個(gè)天線扇區(qū)將在最大增益處。區(qū)分開扇區(qū)可使用例如各種方法來區(qū)分開本文所述的反射器。
圖6的位置反射器包括具有經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)620耦合到天線端口611的第一端口的延遲元件625。延遲元件可以與圖4的延遲元件425(例如rf延遲無源設(shè)備，例如baw或saw濾波器)相同或相似。延遲元件625的另一端口短路到地。在這里，在反射器上的入射輻射在從反射器重新輻射之前在延遲元件625內(nèi)延遲了往返延遲。延遲允許在鄰近地區(qū)內(nèi)的其它寄生反射在將信號(hào)從反射器反射回到移動(dòng)設(shè)備之前消失。這可明顯減小房間多路徑的效應(yīng)并提高在移動(dòng)設(shè)備處的snr。
在一個(gè)實(shí)施方案中，延遲元件625的延遲比任何自由空氣往返延遲長(zhǎng)，且附近反射器具有不同的延遲，允許移動(dòng)設(shè)備在對(duì)雷達(dá)信號(hào)編碼中使用例如線性頻率調(diào)制(lfm)、非線性fm或開窗(lfm)時(shí)區(qū)分開來自不同反射器的反射。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使用直接序列擴(kuò)頻(dsss)技術(shù)來調(diào)制從移動(dòng)設(shè)備輻射的信號(hào)。這例如在給定碼片率下通過使用bpsk或qpsk調(diào)制來完成，bpsk或qpsk調(diào)制使用偽隨機(jī)數(shù)(prn)序列或真隨機(jī)序列(trn)。如果對(duì)給定反射器的延遲元件625的延遲與其它反射器相差多于一個(gè)prn碼片周期，則移動(dòng)設(shè)備可區(qū)分開來自不同反射器的多個(gè)反射。
在一個(gè)實(shí)施方案中，匹配網(wǎng)絡(luò)620從提供在天線結(jié)構(gòu)和延遲元件625之間的完美匹配輕微失調(diào)。這導(dǎo)致部分入射信號(hào)在穿過延遲元件625的一個(gè)往返延遲之后重新輻射回并部分地反射回到延遲元件625內(nèi)。這導(dǎo)致響應(yīng)于入射雷達(dá)信號(hào)而由反射器重新輻射多次反射。最強(qiáng)大的反射出現(xiàn)在tr1＝2t空氣+2t延遲之后，其中t空氣是從移動(dòng)設(shè)備到反射器的自由空氣飛行時(shí)間，以及t延遲是穿過延遲元件625的單程延遲。在tr2＝2t空氣+4t延遲之后發(fā)射另一較弱的反射。從這兩個(gè)方程中，移動(dòng)設(shè)備可準(zhǔn)確地計(jì)算t空氣和t延遲，因而補(bǔ)償在延遲元件625中的延遲漂移(例如由于溫度或老化)，并因此準(zhǔn)確地確定至反射器的范圍。
圖7是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖。圖7的位置反射器類似于圖6的位置反射器，相似的元件執(zhí)行相似的功能。圖7的位置反射器包括發(fā)散透鏡715。沿著路徑703離開天線結(jié)構(gòu)的輻射穿過發(fā)散透鏡715，其中它被衍射并繼續(xù)沿著路徑704前進(jìn)。這具有對(duì)給定頻率掃描增加天線掃描角度的效應(yīng)。這個(gè)天線結(jié)構(gòu)可能在較高(例如＞10ghz)頻率下特別實(shí)際。這個(gè)透鏡具有例如與準(zhǔn)直透鏡比較的反轉(zhuǎn)的方向性。
在圖6和圖7中的天線結(jié)構(gòu)提供在一個(gè)方向上的掃描，且因此可提供一個(gè)aoa。為了提供用于單個(gè)反射器位置確定的兩個(gè)aoa，室內(nèi)定位系統(tǒng)可使用并置并正交地安裝到彼此的反射器結(jié)構(gòu)的兩個(gè)拷貝以提供兩個(gè)正交角度。對(duì)這些反射器的很多變形是可能的，例如具有元件的非均勻陣列的反射器。在使用基于超材料的反射器天線的另一反射器變形中。這個(gè)反射器的例子將延遲元件添加到超材料crlh漏泄波無源方向回溯反射器(見例如christophecaloz和tatsuoitoh的″e(cuò)lectromagneticmetamaterials：transmissionlinetheoryandmicrowaveapplications″(2005，章6.4.1))。如本文所述的延遲元件插在天線終端與短路之間，這將創(chuàng)建具有延遲的方向回溯反射器，簡(jiǎn)化了雷達(dá)處理。這樣的反射器有利地是方向回溯的、無源的，具有一個(gè)漏泄輻射元件且因此可使用僅僅一個(gè)延遲元件。從crlh(超材料)制造可通過允許較寬的反射角(例如幾乎180度)來提高標(biāo)準(zhǔn)材料漏泄波天線性能。
圖8是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的功能方框圖。圖8的位置反射器可被稱為相位共軛陣列(pca)反射器。這樣的反射器可能例如在商業(yè)設(shè)施中是特別適合的，其中電源可在位置反射器處可得到。因?yàn)槊恳淮罂臻g只使用幾個(gè)反射器，電源的數(shù)量很小。
圖8的位置反射器包括反射器元件815a-d的陣列。每個(gè)反射器元件包括天線810。天線在天線端口811經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)820耦合到延遲元件825的第一端口。延遲元件825和匹配網(wǎng)絡(luò)820可被實(shí)現(xiàn)為如對(duì)其它反射器描述的。同樣，匹配網(wǎng)絡(luò)820可被解調(diào)以提供雙倍延遲的反射。延遲元件的第二端口耦合到反射器混合器829。反射器混合器829反射信號(hào)，其為與來自本地振蕩器845的信號(hào)混合的入射信號(hào)。如圖8所示，反射器混合器829可包括循環(huán)器和混合器。循環(huán)器具有耦合到延遲元件825的第一端子、耦合到第一混合器輸入端的第二端子和耦合到混合器輸出端的第三端子?；旌掀骶哂旭詈系奖镜卣袷幤鞯牡诙斎攵?，并通過混合在第一和第二輸入端上的信號(hào)來產(chǎn)生混合器輸出。混合器可以是有源或無源的。
如果本地振蕩器頻率是入射波的頻率的兩倍，則pca將入射波方向回溯地反射回到源。激發(fā)頻率從本地振蕩器頻率的一半偏離得越多，這個(gè)方向回溯就可減小。這個(gè)頻率敏感性可用于區(qū)分開具有不同的中心頻率的近旁的反射器，以及通過使所傳輸?shù)念l率在給定反射器的方向回溯中心頻率左右抖動(dòng)來提供使移動(dòng)設(shè)備找出在反射器處的aoa的方式。此外，pca的間隔是不重要的，且因此結(jié)構(gòu)可緊密地符合支撐墻壁、天花板或地板。
圖8的反射器包括數(shù)字移相器840。移相器840通過數(shù)據(jù)序列來調(diào)制來自本地振蕩器的信號(hào)以產(chǎn)生0°或180°往返相移。數(shù)據(jù)序列可以是具有低數(shù)據(jù)速率的短重復(fù)代碼(例如比移動(dòng)dsss信號(hào)的碼片率更低數(shù)量級(jí)的速率)。因?yàn)閿?shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)速率比碼片率慢得多，所以移動(dòng)設(shè)備可檢測(cè)它的信號(hào)并同時(shí)從反射器重新構(gòu)造所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特。這些數(shù)據(jù)比特可唯一地識(shí)別各自的反射器。移動(dòng)設(shè)備可使用例如與在gps接收機(jī)中使用的技術(shù)類似的用于恢復(fù)50hz數(shù)據(jù)流的技術(shù)。使用移相器來用信號(hào)通知數(shù)據(jù)序列的這種技術(shù)可用于其它位置反射器，例如圖4的反射器。
圖8的反射器可提供范圍信息，但可以不向移動(dòng)設(shè)備提供aoa信息。然而，這樣的反射器不方向回溯地反射移動(dòng)信號(hào)，且因此例如由于rf空間分集和較低的所需snr而增加可在鄰近地區(qū)內(nèi)同時(shí)被服務(wù)的移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量。這對(duì)具有很多用戶的大集合地點(diǎn)例如在購(gòu)物中心、運(yùn)動(dòng)競(jìng)技場(chǎng)等中特別重要。
每個(gè)基于pca的反射器產(chǎn)生一個(gè)范圍測(cè)量。移動(dòng)設(shè)備可通過檢測(cè)來自這些基于pca的反射器中的四個(gè)或更多個(gè)的反射來準(zhǔn)確地確定它的位置。為了準(zhǔn)確的測(cè)距，在不同的反射器元件815中的延遲元件825應(yīng)嚴(yán)格地被匹配。因?yàn)榉瓷淦魇怯性丛O(shè)備，可例如使用數(shù)字延遲線來代替saw或baw設(shè)備。數(shù)字延遲線可包括將信號(hào)轉(zhuǎn)換成較低頻率的下轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字延遲移位寄存器、后面是數(shù)模轉(zhuǎn)換器和將信號(hào)返回到其原始頻率的上轉(zhuǎn)換器。以這種方式實(shí)現(xiàn)的延遲元件優(yōu)選地被匹配(或幾乎這樣)。可選地，路徑可組合成一個(gè)路徑并被發(fā)送到一個(gè)saw或baw延遲元件內(nèi)。在穿過同一saw或baw之后，信號(hào)再次分成它們自己的單獨(dú)路徑。信號(hào)可通過使用頻分或碼分rf技術(shù)在穿過同一延遲元件時(shí)被防止混合。這樣的方法只使用一個(gè)延遲元件。因?yàn)槊總€(gè)路徑由同一物理saw或baw元件延遲，延遲被匹配。
在圖8的反射器的變形中，所有信號(hào)是用cdma技術(shù)通過一個(gè)延遲元件被復(fù)用。來自每個(gè)匹配電路820的信號(hào)穿過循環(huán)器以分離rx路徑與tx路徑。每個(gè)天線的rx路徑然后與對(duì)每個(gè)路徑唯一的pn序列混合。在pn混合之后，所有路徑組合并穿過同一延遲元件。離開延遲元件，組合信號(hào)分成每天線一個(gè)路徑。每個(gè)路徑然后與它的對(duì)應(yīng)pn序列再次混合，該pn序列在組合之前被使用但被延遲了公共延遲元件的已知延遲。信號(hào)穿過帶通濾波器以移除混合諧波。然后，每個(gè)路徑與本地振蕩器(在相移之后，當(dāng)被包括時(shí))頻率(其為雷達(dá)信號(hào)的中心頻率的兩倍)混合以產(chǎn)生它們的相位共軛信號(hào)。在這個(gè)混合之后，信號(hào)被過濾以移除諧波和高頻產(chǎn)品分量，并接著繼續(xù)傳遞到路徑循環(huán)器的tx側(cè)。在完成上述操作時(shí)，每個(gè)所接收的信號(hào)是共軛的并被延遲了與所有其它路徑相同的延遲，因?yàn)樗新窂绞褂孟嗤难舆t元件。完整的結(jié)構(gòu)于是為具有內(nèi)部延遲的方向回溯反射器。
在另一實(shí)施方案中，反射器是包括上面示出和描述的類型的四個(gè)或更多個(gè)反射器的復(fù)合反射器，其中每個(gè)反射器是方向回溯的，且來自每個(gè)反射器的反射與在復(fù)合反射器內(nèi)的其它反射區(qū)分開。反射器布置成不沿著單個(gè)線性線，以便提供方位角和高度角確定。在復(fù)合反射器內(nèi)的每個(gè)反射器當(dāng)中的相位差由rake接收機(jī)區(qū)分開，且因此可確定在復(fù)合反射器處的兩個(gè)aoa。
使用多于三個(gè)反射器，因?yàn)樵趶?fù)合反射器內(nèi)的相鄰反射器之間的距離大于一個(gè)波長(zhǎng)，且因此整數(shù)波長(zhǎng)模糊度必須被分辨，用于正確的aoa確定。額外的反射器不應(yīng)等距地放置，以便產(chǎn)生足夠的信息來分辨模糊度。中心頻率解調(diào)、反射功率和頻率抖動(dòng)也可用于分辨在復(fù)合反射器內(nèi)的反射器當(dāng)中的整數(shù)模糊度。
圖9是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置反射器的等距圖。圖9的位置反射器可例如用于實(shí)現(xiàn)圖6、圖7和圖8的反射器。反射器包括印刷電路板911，其除了頂層和底層以外還具有多個(gè)傳導(dǎo)銅層。頂層912被圖案化以包含多個(gè)輻射元件(天線)910。這些輻射元件可以是例如基于期望輻射圖案的任何幾何形狀。輻射元件僅被示為矩形以提供清楚的例子。在頂層和底層之間的層可用于構(gòu)造分支饋電網(wǎng)絡(luò)。底層可具有跡線以安裝無源或有源電路。因?yàn)檩椛湓降刂貜?fù)，最大輻射的方向與和平面902重合的矢量903對(duì)準(zhǔn)。由于輻射元件910的水平分布，這個(gè)假想平面使反射器與水平線交叉。然而，根據(jù)輻射元件910的形狀，平面902不需要正交于反射器的平面。此外，輻射元件不需要是相同的。還注意到，在輻射元件之間的定相可以用導(dǎo)致最大輻射方向與頻率的非對(duì)稱掃描的方式來完成。例如，矢量903可以比起左邊更多地掃描到右邊。
圖10是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置反射器的平面圖。圖10的反射器可被稱為扇區(qū)形反射器。對(duì)于扇區(qū)形反射器，圖9的多個(gè)線性反射器(每個(gè)反射器具有不同的定相偏置)緊靠彼此堆疊以導(dǎo)致扁平扇區(qū)形反射器。
圖11是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的另一位置反射器的平面圖。圖11的反射器可產(chǎn)生兩個(gè)aoa。反射器包括兩個(gè)相鄰的反射器。每個(gè)反射器可以是例如如圖9所示的單個(gè)線性反射器或如圖10所示的扇區(qū)形反射器。第一反射器1120以水平輻射平面被定向，且第二反射器1121相對(duì)于第一反射器1120旋轉(zhuǎn)，使得輻射平面是垂直的。
圖12是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的傳輸和接收雷達(dá)鏈的功能方框圖?？稍谝苿?dòng)設(shè)備中例如使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)片上系統(tǒng)集成電路來實(shí)現(xiàn)傳輸鏈1205和接收鏈1255。所示傳輸和接收鏈?zhǔn)鞘纠缘模乙部墒褂闷渌m當(dāng)?shù)牟贾谩?/p>
傳輸鏈1205包括i和q調(diào)制器。對(duì)于傳輸鏈1205，例如從數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)供應(yīng)同相(tx_i)和正交相(tx_q)值的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)樣本。i和q樣本流可攜帶dc為中心或低if為中心的采樣數(shù)據(jù)。使用也可包含防混疊濾波器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)1231、1232來將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬水平。dac的采樣時(shí)鐘可與本地振蕩器(lo)同步以維持相干性。采樣時(shí)鐘至少是所傳輸?shù)男盘?hào)的帶寬的兩倍以避免混疊。包含鎖相環(huán)(pll)1225的本地振蕩器(lo)被相位鎖定到頻率參考1240，并產(chǎn)生iq信號(hào)以使用i和qrf混合器1221、1222來將基帶i和q信號(hào)上轉(zhuǎn)換到載波頻率。上轉(zhuǎn)換的i和q信號(hào)在求和網(wǎng)絡(luò)1215中被求和并濾波。組合信號(hào)然后穿過可變?cè)鲆娣糯笃?213以調(diào)節(jié)如由功率控制算法控制的所傳輸?shù)妮敵龉β剩@可以在基帶或應(yīng)用處理器中。信號(hào)然后穿過頻帶選擇濾波器1211以移除寄生帶外發(fā)射，并接著繼續(xù)傳遞到傳輸天線1210。
對(duì)于接收鏈1255，所接收的信號(hào)首先從接收天線1260路由到頻帶選擇濾波器1261以拒絕帶外信號(hào)并提高總信噪比(snr)。信號(hào)然后被饋送到可變?cè)鲆婧涂勺僫p3低噪聲放大器(lna)1263。從lna1263出來，信號(hào)使用功率分配器1265分開。分開的信號(hào)使用rf混合器1271、1272被向下轉(zhuǎn)換到基帶或低ifi和q信號(hào)流。信號(hào)然后由組合濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器方框(adc)1281、1282過濾并采樣。adc時(shí)鐘和來自接收plllo發(fā)生器1275的接收lo都與頻率參考1240并因此與傳輸鏈同步，從而維持相干性。來自adc的數(shù)字樣本離開接收鏈，作為同相樣本(rx_i)和正交樣本(rx_q)。i和q接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流被發(fā)送到在移動(dòng)設(shè)備中的接收dsp用于進(jìn)一步處理。
圖12的傳輸和接收鏈?zhǔn)褂脝为?dú)的天線。這個(gè)實(shí)施方案可用于半雙工，并可在全雙工操作期間提供某一tx-rx隔離。
圖13是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的具有可選的天線布置的另外傳輸和接收雷達(dá)鏈的功能方框圖。圖13所示的實(shí)施方案類似于圖12的實(shí)施方案，但傳輸和接收鏈共享天線。傳輸鏈1307和接收鏈1355通過傳輸/接收(t/r)開關(guān)1307連接到一個(gè)天線1310。t/r開關(guān)1307可選地將天線連接到傳輸鏈1305或接收鏈1355。這被使用，其中雷達(dá)信號(hào)的傳輸和接收在半雙工下完成。在半雙工操作中，移動(dòng)設(shè)備在短時(shí)間期間傳輸雷達(dá)信號(hào)并接著關(guān)閉發(fā)射機(jī)并偵聽反射。這個(gè)布置的優(yōu)點(diǎn)是，所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)在移動(dòng)設(shè)備偵聽反射時(shí)被關(guān)閉，且因此不受tx/rx泄漏的影響。然而，當(dāng)具有多個(gè)不同的延遲的多個(gè)反射器存在時(shí)，半雙工可使rx/tx調(diào)度復(fù)雜。
圖14是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的具有另一可選的天線布置的另外傳輸和接收雷達(dá)鏈的功能方框圖。圖14的實(shí)施方案類似于圖13的實(shí)施方案，但使用可選的天線連接。在圖14中，傳輸鏈和接收鏈都可在全雙工操作中同時(shí)操作。信號(hào)通過循環(huán)器1408被路由到天線1410。循環(huán)器1408可提供例如關(guān)于20dbrx-tx隔離?？赏ㄟ^測(cè)量tx信號(hào)的衰減拷貝并使用回波消除數(shù)字信號(hào)處理將它從rx信號(hào)消除來進(jìn)行額外的隔離。最后，額外的隔離可由在tx和rxdsss信號(hào)之間的、由于反射器的長(zhǎng)于一個(gè)碼片周期的內(nèi)部延遲而引起的多于一個(gè)碼片延遲偏移提供。
在使用圖14的布置的移動(dòng)設(shè)備中，即使tx和rx都可同時(shí)操作，也可例如通過關(guān)閉tx增益級(jí)和功率放大器來周期性地使tx信號(hào)靜音。例如，如果位置反射器具有集中大約3微秒的延遲，則tx信號(hào)被傳輸3微秒并被關(guān)閉6微秒。當(dāng)傳輸時(shí)，接收機(jī)被關(guān)閉。當(dāng)tx被關(guān)閉時(shí)，rx區(qū)段接收并處理數(shù)據(jù)。6微秒用于接收ddr的主和次反射。使用dsss信號(hào)，這可導(dǎo)致-4.8db損失，但極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，例如因?yàn)樗俗愿蓴_。
圖15是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的位置信號(hào)處理的功能方框圖。位置信號(hào)處理可由移動(dòng)設(shè)備執(zhí)行用于位置定位。傳輸數(shù)字信號(hào)處理器1507提供同相(tx_i)和正交相(tx_q)值?？衫鐚⒅堤峁┑綀D12的傳輸鏈1205。接收數(shù)字信號(hào)處理器1557接收同相(rx_i)和正交相(rx_q)值?？衫鐝膱D12的接收鏈1255接收值。傳輸數(shù)字信號(hào)處理器1507和接收數(shù)字信號(hào)處理器1557可在物理上分離，或可以是同時(shí)運(yùn)行傳輸和接收處理算法的同一處理器。傳輸數(shù)字信號(hào)處理器1507和接收數(shù)字信號(hào)處理器1557由應(yīng)用處理器1559管理。除了處理傳輸和接收數(shù)據(jù)流以外，在各種組合中，傳輸數(shù)字信號(hào)處理器1507、接收數(shù)字信號(hào)處理器1557和應(yīng)用處理器1559控制傳輸和接收鏈的其它方面，例如lo頻率選擇、tx輸出功率控制、rx輸入低噪聲放大器(lna)增益和ip3控制、t/r開關(guān)控制和傳輸/接收調(diào)度連同其它rf鏈塊保持操作。使用用于處理的可編程方框給予移動(dòng)設(shè)備在選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法、帶寬和所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)的中心頻率連同在接收鏈中的適當(dāng)互逆處理時(shí)的大量靈活性，以對(duì)給定的所傳輸?shù)牟ㄐ螜z測(cè)范圍和aoa。
圖16是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的傳輸位置信號(hào)處理的功能方框圖?？衫缭趫D15的傳輸數(shù)字信號(hào)處理器1507中使用圖16的方框。圖16的傳輸位置信號(hào)處理包括產(chǎn)生{+1，-1}樣本的偽隨機(jī)序列的傳輸偽噪聲發(fā)生器1609。傳輸偽噪聲發(fā)生器1609可通過最大多項(xiàng)式使用線性反饋移位寄存器(lfsr)來產(chǎn)生序列。傳輸旋轉(zhuǎn)器1604可旋轉(zhuǎn)傳輸i和q樣本。實(shí)施方案可使用樣本，在i信道上有bpsk調(diào)制而在q信道上什么也沒有。這些i和q樣本在傳遞到tx鏈的下一級(jí)之前在傳輸旋轉(zhuǎn)器1604中旋轉(zhuǎn)。傳輸旋轉(zhuǎn)器1604用于移位所傳輸?shù)男盘?hào)的中心頻率。旋轉(zhuǎn)器從由傳輸斜波發(fā)生器1608驅(qū)動(dòng)的直接數(shù)字合成器(dds)1606接收每樣本旋轉(zhuǎn)的角度增量。傳輸斜波發(fā)生器1608可以是可編程的以從零頻率偏移開始到等于在基帶處的采樣頻率的一半的偏移。系統(tǒng)的主處理器可使用適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式對(duì)傳輸偽噪聲發(fā)生器1609編程以使用傳輸斜波發(fā)生器1608并且還給傳輸斜波發(fā)生器1608加載有最終頻移和頻移的速度(hz/秒)。然后主處理器可發(fā)出開始命令，其中傳輸偽噪聲發(fā)生器1609和傳輸斜波發(fā)生器1608開始同步地操作。因此，每個(gè)瞬時(shí)移頻與pn代碼的pn相位嚴(yán)格地對(duì)準(zhǔn)。
傳輸位置信號(hào)處理還包括接收偽噪聲發(fā)生器1659、接收斜波發(fā)生器1558和接收dss1656以在rx信號(hào)鏈側(cè)上使用。接收偽噪聲發(fā)生器1659被加載有與傳輸偽噪聲發(fā)生器1609相同的多項(xiàng)式，且接收偽噪聲發(fā)生器1659在與傳輸偽噪聲發(fā)生器1609相同的時(shí)刻開始。然而，接收偽噪聲發(fā)生器1659被加載有不同的初始條件，其導(dǎo)致所產(chǎn)生的rxpn序列落后于txpn序列預(yù)定數(shù)量的樣本。類似地，接收斜波發(fā)生器1558以與傳輸斜波發(fā)生器1608相同的目標(biāo)頻移和相同的移位速率被編程，且也與傳輸斜波發(fā)生器1608同步地開始。然而，接收斜波發(fā)生器1558以使在rx側(cè)上的斜波落后于tx斜波的不同初始條件被編程。接收斜波發(fā)生器1558驅(qū)動(dòng)接收dss1656以產(chǎn)生接收旋轉(zhuǎn)系數(shù)。rxpn序列和接收數(shù)字信號(hào)處理器1557的輸出都在處理rx樣本時(shí)被使用。在rxpn和斜波樣本之間的相對(duì)于tx樣本的延遲的原因占用反射雷達(dá)信號(hào)的往返延遲。在一個(gè)實(shí)施中，發(fā)生器以每秒1千萬碼片(10mcps)的速率運(yùn)行。重要地注意到，移動(dòng)設(shè)備可隨意改變這個(gè)速率，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備產(chǎn)生并檢測(cè)信號(hào)而沒有外部信號(hào)變更，且因此可基于當(dāng)前的條件來使用任何所需的東西，只要它從tx到rx是前后一致的。
圖17是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的接收位置信號(hào)處理的功能方框圖。可例如在圖15的接收數(shù)字信號(hào)處理器1557中使用圖17的方框。接收位置信號(hào)處理包括樣本旋轉(zhuǎn)器1754、一組i和q相關(guān)器1765和fifo1767。rxrf樣本首先根據(jù)用于產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的傳輸信號(hào)的值由樣本旋轉(zhuǎn)器1754旋轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)與圖16的傳輸位置信號(hào)處理一起使用時(shí)，樣本旋轉(zhuǎn)器1754可從接收dss1656接收旋轉(zhuǎn)值。
所旋轉(zhuǎn)的樣本然后被饋送到相關(guān)器1765以與rxpn序列相關(guān)。相關(guān)器和它們的對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)器可使用在傳輸數(shù)字信號(hào)處理器中產(chǎn)生的信息來尋找多個(gè)反射器回波。當(dāng)與圖16的傳輸位置信號(hào)處理一起使用時(shí)，rxpn序列可由接收偽噪聲發(fā)生器1659供應(yīng)。在示例實(shí)現(xiàn)中，有32個(gè)i和32個(gè)q相關(guān)器。每個(gè)相關(guān)器對(duì)使進(jìn)入的rx樣本與rxpn序列的移位的拷貝相關(guān)。每個(gè)pn序列循環(huán)、相關(guān)器的積分結(jié)果通過fifo1767例如使用直接存儲(chǔ)器存取(dma)機(jī)制被轉(zhuǎn)儲(chǔ)到主處理器。在相關(guān)器和中的大值指示由那個(gè)相關(guān)器使用的pn偏移處的反射器信號(hào)并對(duì)應(yīng)于范圍測(cè)量。此外，在使用相同的pn和旋轉(zhuǎn)器值的i和q路徑相關(guān)器之間的相對(duì)幅值通過計(jì)算q/i的反正切來產(chǎn)生這個(gè)回波的載波相位。為了得到更精細(xì)的時(shí)間分辨率，rx樣本的采樣率可保持在pn碼片率的倍數(shù)處。在實(shí)施方案中，使用rx采樣率，其比txpn碼片率高8倍。對(duì)于使用10mcpspn速率的示例實(shí)現(xiàn)，rxrf信號(hào)在80msps下被采樣并處理。
周期性地，主處理器得到相關(guān)器1765的結(jié)果。處理器搜索在這些相關(guān)器和當(dāng)中的峰值(最高點(diǎn))。i2+q2的明顯值指示在對(duì)應(yīng)的往返時(shí)隙處回波的存在。處理器然后計(jì)算這個(gè)明顯的回波的載波相位并記錄這個(gè)載波相位出現(xiàn)時(shí)的頻移。在處理多個(gè)相關(guān)器轉(zhuǎn)儲(chǔ)之后，處理器可構(gòu)建載波相位與移位的頻率的關(guān)系的表格，在該移位的頻率處對(duì)每個(gè)識(shí)別出的回波觀察到相位。
對(duì)于給定識(shí)別出的回波，下面的處理可被執(zhí)行。假設(shè)所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)在中心頻率f0處開始并掃描到f1，從識(shí)別出的回波的載波相位與移位的頻率的關(guān)系表格中，處理能夠在從f0掃描到f1時(shí)測(cè)量回波經(jīng)歷的總相移。使用表格條目來代替僅僅第一個(gè)和最后一個(gè)值，以便跟蹤總相移，包括對(duì)全循環(huán)位移計(jì)數(shù)。因?yàn)槊總€(gè)識(shí)別出的主回波由于ddr而將具有另一次回波，所以有足夠的信息來將在移動(dòng)設(shè)備和反射器之間的自由空氣范圍計(jì)算到載波循環(huán)的分?jǐn)?shù)。假設(shè)當(dāng)從f0掃描到f1時(shí)，主回波經(jīng)歷cyc_slip主載波循環(huán)滑移(cycleslip)，其中cyc_slip主可以不是整數(shù)。此外，假設(shè)次回波經(jīng)歷cyc_slip次載波循環(huán)滑移。從這個(gè)中，從tx到rx的在頻率fn下的總往返載波循環(huán)等于在延遲元件中的循環(huán)的數(shù)量cyc延遲，n加上在自由空氣往返全程中的循環(huán)的數(shù)量cyc空氣，n。對(duì)于次反射，往返循環(huán)值等于在自由空氣中的循環(huán)的數(shù)量cyc空氣，n加上延遲元件循環(huán)的兩倍2×cyc延遲，n。如果l是到反射器的自由空氣往返全程，則cyc空氣，n＝l/λn＝lfn/c，其中λn是在中心頻率fn處的載波波長(zhǎng)，以及c是空氣中的光速。此外，cyc延遲，n＝元件_延遲×fn。實(shí)際上，我們不知道cyc延遲，n或cyc空氣，n，但我們可在給定的f0到f1掃描期間在移動(dòng)設(shè)備中準(zhǔn)確地測(cè)量cyc_slip主和cyc_slip次。注意，
cyc_slip主＝(cyc空氣，1-cyc空氣，0)+(cyc延遲，1-cyc延遲，0)，
cyc_slip次＝(cyc空氣，1-cyc空氣，0)+2×(cyc延遲，1-cyc延遲，0)，
cyc空氣，1＝l(f1-f0)/c+cyc空氣，0，以及
cyc延遲，1-cyc延遲，0＝元件_延遲×(f1-f0)
從上面的方程中，定位過程可計(jì)算l和延遲元件的延遲。到反射器的范圍r＝l/2和反射器元件延遲用于識(shí)別回波被產(chǎn)生于的反射器。
上述方法是有用的，因?yàn)樗嗽谘舆t元件制造上的范圍測(cè)量和環(huán)境變化的任何依賴性，并消除了對(duì)恒定的反射器校準(zhǔn)的需要。此外，將回波的延遲元件延遲確定到在載波相位水平處的準(zhǔn)確度幫助識(shí)別對(duì)應(yīng)的反射器，來自該反射器的所反射的信號(hào)被檢測(cè)到。對(duì)于在2.4ghz下操作的系統(tǒng)，每個(gè)載波循環(huán)跨越12cm。根據(jù)可用snr，得到厘米級(jí)范圍準(zhǔn)確度以及通過在納秒級(jí)處的它們的不同延遲元件延遲識(shí)別不同的反射器變得可能。這允許在同一鄰近地區(qū)內(nèi)的數(shù)百個(gè)不同的反射器當(dāng)中的差別。
上文概述了窄頻率移可如何測(cè)量反射器的范圍和延遲。在執(zhí)行這個(gè)窄頻率掃描之前，可完成寬頻率掃描。這個(gè)寬頻率掃描設(shè)計(jì)成檢測(cè)頻率掃描類型反射器的最佳頻率。一旦檢測(cè)到最大反射頻率，就執(zhí)行在那個(gè)點(diǎn)周圍的窄頻率掃描以測(cè)量范圍和延遲。這可以只在具有稀少數(shù)量的反射器的位置上完成，且因此產(chǎn)生aoa的頻率掃描反射器的使用變得有價(jià)值。在多于三個(gè)反射器是可檢測(cè)到的環(huán)境中，aoa可被忽略，而不需要寬頻率掃描。
為了支持多用戶環(huán)境并減小令人混淆的反射，可實(shí)現(xiàn)有源功率控制。有源功率控制連續(xù)使用所接收的反射測(cè)量的功率來調(diào)節(jié)輸出的tx功率。這導(dǎo)致最小rf功率由一個(gè)移動(dòng)設(shè)備傳輸以確定它的位置。此外，為每個(gè)移動(dòng)設(shè)備使用不同的或時(shí)間移位的lfsr多項(xiàng)式確保每個(gè)移動(dòng)設(shè)備只檢測(cè)到由它自己產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)引起的反射。
在本文的大部分描述假設(shè)移動(dòng)設(shè)備是靜止的(或幾乎是這樣)，且因此由于多普勒引起的tx到rx頻移的效應(yīng)可被忽略。這對(duì)大部分室內(nèi)情況成立，因?yàn)槲恢枚ㄎ豢稍谛∮?毫秒內(nèi)發(fā)生。甚至在不現(xiàn)實(shí)的30km/hr室內(nèi)速度下，在2.4ghz下的多普勒也小于每毫秒25度。然而，定位系統(tǒng)可通過在某個(gè)周期期間固定載波頻率(不掃描)時(shí)從循環(huán)滑移速率測(cè)量它來校正多普勒的效應(yīng)。
現(xiàn)在將提供安裝過程的概述。在安裝期間，反射器數(shù)據(jù)(例如在圖1的服務(wù)器194中)被上傳。反射器數(shù)據(jù)可例如通過互聯(lián)網(wǎng)由安裝者上傳，安裝者被給予添加或變更服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的特權(quán)?？墒褂枚鄠€(gè)互聯(lián)網(wǎng)連接的計(jì)算設(shè)備中的任一個(gè)例如使用瀏覽器來上傳反射器數(shù)據(jù)。在將位置反射器固定在給定區(qū)域中之后，可以用各種方式得到待上傳到服務(wù)器的反射器數(shù)據(jù)?？衫缭谏虡I(yè)背景中從準(zhǔn)確的建筑物藍(lán)圖和勘測(cè)設(shè)備得到信息以確定每個(gè)反射器的位置和定向。此外，可從制造商數(shù)據(jù)圖表下載給定反射器所特有的信息。所有這些信息可由安裝者收集并上傳到服務(wù)器。
可選地或此外，具有定位能力的移動(dòng)設(shè)備可用于在位于相對(duì)于本地坐標(biāo)系的多個(gè)以前勘測(cè)的點(diǎn)處時(shí)進(jìn)行位置確定。如果足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)被采用，則服務(wù)器可確定它從中接收回波的每個(gè)反射器的位置連同它們的所測(cè)量的對(duì)應(yīng)元件延遲。只有四個(gè)非平面點(diǎn)對(duì)所有可檢測(cè)的反射器在幾何上就足夠了。
為了使移動(dòng)設(shè)備位置和反射器的幾何形狀與物理墻壁和在房間中的物體相關(guān)，可使用下面的方法。軟件封裝可從房間的多個(gè)照片創(chuàng)建房間的3d模型，包括在房間內(nèi)的物體。如果用于定位反射器的測(cè)量點(diǎn)在一些照片內(nèi)被識(shí)別出，則房間的3d圖具有與反射器的坐標(biāo)系的固定關(guān)系，且因此移動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)可以用3d被繪制在房間的3d模型內(nèi)。這可提供極大幫助用于使應(yīng)用開發(fā)者使用根據(jù)在本文公開的定位系統(tǒng)和方法而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
組合安裝過程操作如下。在安裝反射器之后，使具有定位并配備有數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的移動(dòng)設(shè)備拍攝房間的內(nèi)部的多個(gè)照片。每當(dāng)照明被拍下時(shí)，移動(dòng)設(shè)備測(cè)量它檢測(cè)到的對(duì)所有反射器的范圍和反射器延遲。在幾個(gè)點(diǎn)之后，移動(dòng)設(shè)備可找出反射器相對(duì)于彼此和移動(dòng)設(shè)備的位置。這個(gè)信息被使用，同時(shí)房間的3d模型由所拍攝的照片確定，房間3d模型從這些照片構(gòu)建，而同時(shí)在模型之上覆蓋所安裝的反射器的坐標(biāo)系。
可選地或此外，可通過成像例如在居住的家中得到反射器數(shù)據(jù)。移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用軟件可用于通過保持移動(dòng)設(shè)備直立并用移動(dòng)設(shè)備中的攝像機(jī)掃描房間的所有墻壁來產(chǎn)生3d房間圖。為了定位反射器，每個(gè)反射器可具有用向后反射光帶覆蓋的區(qū)域。這個(gè)帶在攝像機(jī)中非常明亮地顯露，如果被攝像機(jī)閃光燈照亮。所以在用攝像機(jī)掃描房間期間，移動(dòng)設(shè)備的閃光燈保持開啟。每當(dāng)反射器進(jìn)入框架時(shí)，光向后反射帶在攝像機(jī)中非常明亮地顯露并被識(shí)別為反射器和在所標(biāo)注的房間內(nèi)的它的位置?？梢杂酶鞣N顏色或色條制造這個(gè)帶，使得移動(dòng)設(shè)備可識(shí)別它是周圍反射器中的哪個(gè)。在反射器上的條形碼可事先被掃描，使得移動(dòng)設(shè)備能夠從簡(jiǎn)單的條形碼掃描得到所有反射器rf特性和光帶顏色。在收集關(guān)于房間幾何結(jié)構(gòu)、每個(gè)反射器的位置和定向以及反射器特性的這個(gè)信息之后，移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用將這個(gè)信息上傳到其它移動(dòng)設(shè)備可采用的服務(wù)器，其它移動(dòng)設(shè)備需要確定它們?cè)谀莻€(gè)房間內(nèi)的位置。
可基于起源的位置來給予上傳特權(quán)。例如，如果移動(dòng)設(shè)備試圖將關(guān)于給定房間的反射器信息上傳到服務(wù)器，則服務(wù)器將只接受這個(gè)信息，如果它來自在物理上存在于房間附近的路由器。為了增加的安全性，也可提供密碼。如上面提到的，成功確定它的位置的任何移動(dòng)設(shè)備可將它確定的位置、根據(jù)什么反射器假設(shè)以及以什么置信度匿名地上傳到服務(wù)器。服務(wù)器使用由位置確定移動(dòng)設(shè)備恒定地上傳的這個(gè)信息來連續(xù)地提高并完善它的常駐數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確度。移動(dòng)設(shè)備繼續(xù)通過檢測(cè)并處理來自近旁反射器的雷達(dá)信號(hào)反射來確定它的位置。它使用從服務(wù)器可得到的信息，其如在以前在計(jì)算中提到的被上傳到服務(wù)器。它然后比較所確定的位置與它的實(shí)際勘測(cè)的位置，并將相關(guān)性信息上傳到服務(wù)器以便提高其它移動(dòng)設(shè)備的隨后的位置確定的準(zhǔn)確度。
本文所述的室內(nèi)定位依賴于雷達(dá)反射的信號(hào)的檢測(cè)來確定物理位置。在cw或lfm型雷達(dá)信號(hào)的情況下可通過使用匹配的濾波器來完成檢測(cè)雷達(dá)反射。在所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)是dsss編碼的情況下，rake接收機(jī)可用于檢測(cè)弱反射。在這兩種情況下，通過在cw或lfm的情況下脈沖壓縮或prn解擴(kuò)被執(zhí)行之后跟蹤所接收的信號(hào)載波頻率相位的各種技術(shù)來確定反射的相位。根據(jù)上面所述的技術(shù)例如短持續(xù)時(shí)間脈動(dòng)或通過具有相干解調(diào)的lfm或dsss方法增加帶寬來解析整周載波模糊度。由于所使用公共傳輸和接收頻率參考，相干處理變得容易。
雖然本公開聚焦于移動(dòng)設(shè)備確定它在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)的位置，但是相同或相似的技術(shù)可用于確定移動(dòng)設(shè)備在室外環(huán)境內(nèi)的位置。這種類型的室外定位可例如在″城市峽谷″中使用，其中由于gps信號(hào)阻擋和多路徑，窄街道和高建筑物減小基于gps的位置確定的可用性和準(zhǔn)確度。此外，所公開的定位系統(tǒng)和方法可適合于定位起重機(jī)，包括確定多個(gè)起重機(jī)的相對(duì)位置。各種起重機(jī)可包括位置反射器、如對(duì)移動(dòng)設(shè)備描述的定位或這兩者。這樣的系統(tǒng)可用于碰撞避免。
可由移動(dòng)設(shè)備使用已經(jīng)在移動(dòng)設(shè)備中找到的電路來執(zhí)行所公開的定位。電路可在執(zhí)行它們的原始功能和新位置定位功能之間被共享。公開了可與反射器一起使用的多個(gè)雷達(dá)信號(hào)調(diào)制和如何解析載波整周模糊度以產(chǎn)生非常準(zhǔn)確的范圍測(cè)量。在實(shí)施方案中的移動(dòng)設(shè)備架構(gòu)可產(chǎn)生并處理在本文所述的所有波形，且足夠靈活以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地改變雷達(dá)波調(diào)制和特性。最后，公開了系統(tǒng)可如何被安裝以及服務(wù)器信息可如何在商業(yè)以及住宅環(huán)境中被完善。
圖18是根據(jù)當(dāng)前公開的實(shí)施方案的用于確定位置定位的過程的流程圖。為了提供特定的例子，該過程將被描述為由在圖1的系統(tǒng)中的移動(dòng)設(shè)備185執(zhí)行。然而，可使用任何適當(dāng)?shù)难b置來執(zhí)行該過程。此外，上面描述了很多步驟的另外的細(xì)節(jié)。
當(dāng)移動(dòng)設(shè)備希望確定它的位置時(shí)，在步驟1802中，它檢索它的最后一個(gè)位置并收集關(guān)于它的周圍事物的環(huán)境數(shù)據(jù)。在步驟1803中，最后一個(gè)位置和環(huán)境數(shù)據(jù)被發(fā)送到服務(wù)器194。在步驟1804中，移動(dòng)設(shè)備從服務(wù)器接收在它的鄰近地區(qū)中的位置反射器的反射器數(shù)據(jù)。移動(dòng)設(shè)備也可接收關(guān)于它應(yīng)如何執(zhí)行定位的信息，例如被允許的帶寬、rf功率和所傳輸?shù)睦走_(dá)信號(hào)的時(shí)隙。
在步驟1805中，移動(dòng)設(shè)備確定它將用于開始它的位置確定的雷達(dá)信號(hào)特性。例如，移動(dòng)設(shè)備可確定雷達(dá)信號(hào)調(diào)制方案、帶寬、輸出功率、碼片率和定時(shí)?？苫谄谕恢脺?zhǔn)確度來確定這些特性。
在步驟1806中，移動(dòng)設(shè)備可加載并初始化傳輸和接收lfsr和斜波發(fā)生器，例如如參考圖16所述的。在步驟1807中，移動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)傳輸和接收lfsr和斜波發(fā)生器并輻射所產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)。在步驟1808中，移動(dòng)設(shè)備處理響應(yīng)于步驟1807的傳輸而接收的信號(hào)。例如，該過程可尋找相關(guān)性峰值以檢測(cè)回波且還測(cè)量循環(huán)滑移，同時(shí)移位中心頻率。移動(dòng)設(shè)備接著在步驟1810中確定足夠的峰值是否在相關(guān)性數(shù)據(jù)中找到。這個(gè)確定可基于期望位置準(zhǔn)確度并基于什么以前的處理被執(zhí)行。如果找到足夠的峰值，則過程繼續(xù)到步驟1817。如果未找到足夠的峰值，則過程繼續(xù)到步驟1811，其中它改變雷達(dá)信號(hào)的中心頻率并接著返回到步驟1806。如果未找到足夠的峰值且過程在一系列中心頻率上迭代步驟1806-1810，則過程繼續(xù)到步驟1812。在步驟1812中，過程增加傳輸功率并接著返回到步驟1806。
在步驟1817，過程使用相關(guān)性峰值來計(jì)算到反射器的范圍。過程可接著計(jì)算它的位置。在步驟1818中，過程確定它是否檢測(cè)到頻率掃描反射器。在這樣情況下，過程繼續(xù)到步驟1819，其中它可確定aoa并進(jìn)一步確定它的位置。否則，過程繼續(xù)到步驟1827。
在過程1827中，移動(dòng)設(shè)備確定它的位置。移動(dòng)設(shè)備可發(fā)送所確定的位置并且還有檢測(cè)的反射器延遲到服務(wù)器，其可接著更新它的反射器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。過程接著繼續(xù)到步驟1829，其中它保留，直到位置更新是需要的。在這種情況下，過程返回到步驟1805。
可通過添加、省略、重新排序或變更步驟來修改圖18的過程。此外，步驟可同時(shí)被執(zhí)行，且出現(xiàn)在另一步驟之后的一個(gè)步驟不需要緊接著在之后。
前述系統(tǒng)和方法及相關(guān)設(shè)備和模塊容許很多變化。此外，為了清楚和簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)和方法的很多描述被簡(jiǎn)化。例如，附圖通常示出每種類型的設(shè)備中的一個(gè)或幾個(gè)，但通信系統(tǒng)可具有每種類型的設(shè)備中的很多。此外，各種實(shí)施方案的特征可在不同于上面所述的組合的組合中被組合。
如在本說明書中所述的，各種系統(tǒng)和方法被描述為工作來優(yōu)化特定的參數(shù)、功能或操作。術(shù)語(yǔ)優(yōu)化的這個(gè)使用并不一定意指在抽象理論或全局意義上的優(yōu)化。更確切地，系統(tǒng)和方法可在至少很多常見情況中工作以使用被預(yù)期提高性能的算法來提高性能。例如，系統(tǒng)和方法可工作以優(yōu)化通過特定的功能或標(biāo)準(zhǔn)判斷的性能。以類似的方式使用類似的術(shù)語(yǔ)如最小化或最大化。
技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，結(jié)合本文公開的實(shí)施方案所述的各種例證性邏輯塊、模塊、單元和算法步驟常?？杀粚?shí)現(xiàn)為電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或這兩者的組合。為了清楚地示出硬件和軟件的這個(gè)可互換性，各種例證性部件、塊、模塊和步驟在上面通常從它們的功能方面被描述。這樣的功能是被實(shí)現(xiàn)為硬件還是軟件取決于強(qiáng)加在總系統(tǒng)上的特定約束。技術(shù)人員可以用各種方式為每個(gè)特定的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所述功能，但這樣的實(shí)現(xiàn)決定不應(yīng)被解釋為引起從本發(fā)明的范圍的背離。此外，在單元、模塊、塊或步驟內(nèi)的功能的分組是為了描述的容易。特定的功能或步驟可從一個(gè)單元、模塊或塊移動(dòng)而不偏離本發(fā)明。
可使用被設(shè)計(jì)執(zhí)行本文所述的功能的處理器例如通用處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)或其它可編程邏輯設(shè)備、分立門或晶體管邏輯、分立硬件部件或其任何組合來實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行結(jié)合本文公開的實(shí)施方案所述的各種例證性邏輯塊、單元、步驟和模塊。通用處理器可以是微處理器，但是可選地，處理器可以是任何處理器、控制器、微控制器或狀態(tài)機(jī)。處理器也可被實(shí)現(xiàn)為計(jì)算設(shè)備的組合，例如dsp和微處理器的組合、多個(gè)微處理器、結(jié)合dsp核心的一個(gè)或多個(gè)微處理器或任何其它這樣的配置。此外，除了執(zhí)行指令以外，處理器還可包括專用硬件以實(shí)現(xiàn)一些功能。
結(jié)合本文公開的實(shí)施方案所述的任何方法或算法的步驟和任何塊或模塊的過程可直接體現(xiàn)在硬件中、在由處理器執(zhí)行的軟件模塊中或在這兩者的組合中。軟件模塊可存在于ram存儲(chǔ)器、閃存、rom存儲(chǔ)器、eprom存儲(chǔ)器、eeprom存儲(chǔ)器、寄存器、硬盤、可移動(dòng)盤、cd-rom或任何其它形式的存儲(chǔ)介質(zhì)中。示例性存儲(chǔ)介質(zhì)可耦合到處理器，使得處理器可從存儲(chǔ)介質(zhì)讀取信息并將信息寫到存儲(chǔ)介質(zhì)?？蛇x地，存儲(chǔ)介質(zhì)可與處理器成一整體。處理器和存儲(chǔ)介質(zhì)可存在于asic中。此外，被描述為耦合的設(shè)備、塊或模塊可經(jīng)由中間設(shè)備、塊或模塊被耦合。類似地，第一設(shè)備可被描述為當(dāng)存在耦合第一和第二設(shè)備的中間設(shè)備時(shí)和還有當(dāng)?shù)谝辉O(shè)備不知道數(shù)據(jù)的最終目的地時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降诙O(shè)備(或從第二設(shè)備接收數(shù)據(jù))。
所公開的實(shí)施方案的上述描述被提供以使本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠制造或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施方案的各種修改對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將是容易明顯的，且本文所述的一般原理可應(yīng)用于其它實(shí)施方案而不偏離本發(fā)明的精神或范圍。因此應(yīng)理解，本文提出的描述和附圖代表本發(fā)明的特定方面和實(shí)施方案和因此由本發(fā)明廣泛設(shè)想的主題的代表性例子。進(jìn)一步理解，本發(fā)明的范圍完全包括對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員明顯或可變得明顯的其它實(shí)施方案，以及本發(fā)明的范圍相應(yīng)地不由在本文提出的描述限制。
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