專利名稱：基于近場陣列距離估計(jì)的射頻sim卡測距系統(tǒng)及測距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及控制射頻通信距離的射頻近距離無線通信系 統(tǒng)，具體的說是一種利用近場陣列距離估計(jì)實(shí)現(xiàn)射頻SIM卡準(zhǔn)確測距的系統(tǒng)及測距方 法，用于保證近距離通信交易的可靠性。
背景技術(shù)：
目前，隨著移動(dòng)終端的逐漸推廣與發(fā)展，通過多種方法在手機(jī)內(nèi)的用戶識(shí)別模 塊SIM卡內(nèi)增加各種智能電路模塊，使之除了有基本的SIM功能外，還可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的 近距離通信，這樣手機(jī)就成為一個(gè)可以充值，消費(fèi)，交易及身份認(rèn)證的超級智能終端， 極大滿足市場的迫切需求。 其中，基于射頻SIM手機(jī)近距離通信解決方案以其簡單，無需更改手機(jī)等優(yōu)勢 得到廣泛的關(guān)注，在該方案中，射頻SIM使得射頻信號(hào)可以從手機(jī)中透射出來，從而實(shí) 現(xiàn)不改造手機(jī)就可使得手機(jī)具備近距離通信功能。但是，在射頻SIM卡的射頻收發(fā)功率 一定的情況下，所述射頻有效通信距離受移動(dòng)終端的屏蔽效果影響，這主要是由外殼的 材質(zhì)和制造工藝決定。對于一張?jiān)O(shè)定了射頻收發(fā)功率的射頻SIM卡，如果該卡安裝在屏 蔽效果差的移動(dòng)終端中，該射頻有效距離會(huì)比較遠(yuǎn)，有的甚至可以達(dá)到l米左右，易造 成誤讀卡和錯(cuò)讀卡，如果該卡安裝在屏蔽效果好的移動(dòng)終端中，該射頻有效距離會(huì)比較 近，有的甚至根本不能收發(fā)射頻信號(hào)，造成不讀卡現(xiàn)象。為了避免上述弊病，用戶在使 用射頻SIM卡之前或者更換移動(dòng)終端時(shí)，必須到服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)對射頻SIM的射頻收發(fā)功率重 新校對，該校對過程復(fù)雜，給用戶的使用造成極大的不便。
目前，實(shí)現(xiàn)近距離通信的系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)方法主要有以下幾種 1.中國專利200810065531.3提出在射頻功率校準(zhǔn)裝置設(shè)置校準(zhǔn)值，射頻功率校 準(zhǔn)器向射頻SIM卡發(fā)送指令，并接受從射頻SIM卡發(fā)送過來的功率與預(yù)置的校準(zhǔn)值進(jìn)行 比較，根據(jù)判斷結(jié)果向射頻SIM卡發(fā)送相關(guān)指令增大或減少發(fā)送功率，直到與校準(zhǔn)值一 樣。 2.中國專利200810067447.5提出通過實(shí)驗(yàn)建立基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的移動(dòng) 終端射頻參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在射頻SIM卡的中央處理器CPU控制下，讀取移動(dòng)終端的移動(dòng)通 信國際標(biāo)識(shí)碼IMEI號(hào)碼，確定其類型，通過短信息在所述數(shù)據(jù)庫中查找并啟用該移動(dòng)終 端對應(yīng)的射頻參數(shù)，如果找不到，提示用戶進(jìn)行射頻參數(shù)校對。 3.中國專利200810142624.1提出了通過實(shí)驗(yàn)在射頻控制終端上為每一類型的移 動(dòng)終端建立對應(yīng)近場圖譜，利用探測器陣列將檢測到的當(dāng)前移動(dòng)終端的場強(qiáng)與其近場圖 譜之間通過匹配得到的用于比較的匹配度，將得到的匹配度與射頻控制終端中預(yù)先設(shè)置 好的對應(yīng)該類型移動(dòng)終端的門限值比較，從而判斷當(dāng)前移動(dòng)終端與射頻控制終端的距離 是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。 4.中國專利200810142623.7提出通過實(shí)驗(yàn)為每一類型移動(dòng)終端建立其通信狀態(tài) 數(shù)據(jù)庫，待測試移動(dòng)終端與射頻控制終端進(jìn)行通信，移動(dòng)終端在某個(gè)測試距離與射頻控
4制終端的各組探測器進(jìn)行通信，將實(shí)際的測試結(jié)果和通信數(shù)據(jù)庫記錄的情況進(jìn)行比較， 進(jìn)行判斷移動(dòng)終端與射頻控制終端的大致范圍。 但是，中國專利200810065531.3中所提的方法需要校準(zhǔn)過程，而且，在校準(zhǔn)過 程中容易受到駐波、信號(hào)反射等多種因素的影響，難以實(shí)現(xiàn)可靠的近距離通信；
而中國專利200810067447.5， 中國專利200810142624.1和中國專利 200810142623.7都需要進(jìn)行繁瑣的實(shí)驗(yàn)，有時(shí)也可能會(huì)有在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中找不到對應(yīng) 的參數(shù)，用戶就必須進(jìn)行射頻參數(shù)校對。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出了一種基于近場陣列距離估 計(jì)的射頻SIM卡測距系統(tǒng)及測距方法，準(zhǔn)確測量出移動(dòng)終端與射頻控制終端的距離，在 無需進(jìn)行射頻參數(shù)校對的情況下，實(shí)現(xiàn)可靠的近距離通信。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的測距系統(tǒng)包括射頻控制終端和內(nèi)含射頻SIM 卡的移動(dòng)終端，其中，射頻控制終端中包含陣列天線和信號(hào)處理器，陣列天線將接收的 SIM卡發(fā)射信號(hào)傳輸給信號(hào)處理器，信號(hào)處理器對接收信號(hào)進(jìn)行分析處理，估計(jì)出射頻 控制終端與移動(dòng)終端之間的距離。 所述的陣列天線采用兩維陣列，且陣元間距d滿足dS^，其中A是信源的波
4長。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于近場陣列距離估計(jì)的射頻SIM卡測距方法，包括 如下步驟 (l)在射頻控制終端設(shè)置功率門限值，當(dāng)接收到的信號(hào)功率小于門限值時(shí)，將其 當(dāng)作噪聲，不作處理；當(dāng)接收到的信號(hào)功率大于或等于門限值時(shí)，由陣列天線將接收到 的數(shù)據(jù)傳輸給信號(hào)處理器； (2)信號(hào)處理器將接收到的數(shù)據(jù)構(gòu)造成以下兩個(gè)四階累積量矩陣c產(chǎn)濯f;,o"),《,o(4i，(4置/1(0), C2 =cam{:c0-—,(f》,i:j的,x,(f》，x,"的l ， 式中，Xl(t) = s(t)d"、+n"t)表示x軸上的陣元接收的信號(hào)矢量，
x。， 。(t) = s(t)d"t+n。， 。(t)表示參考陣元(0， 0)接收的信號(hào)， !的=4爭 鳴+4 +^必表示陣元(0， -1)接收的信號(hào)， ;,，(0-沖)e麵Z,鴻屮^的表示陣元(0， 1)接收的信號(hào)，


W = [n—3, o，…，n3, of, 其中，ni, m(t)表示陣元(i， m)的噪聲，
s(ty"t是射頻移動(dòng)終端發(fā)射的信號(hào)，效,=[eH"'(-3氣*",產(chǎn)'^勺『表示x軸上的陣列的導(dǎo)向矢量，A =-2;r—sinorcos/ ，失=:——(1 — sin2 a eos2 ， 浙
5
y， = -2;r — sin or sin # ，#v =穿一(1—sin2 a sin2灼， a， e， A， r分別表示信號(hào)的俯仰角，方位角，波長及其距離，d表示陣元間 距，(OH表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置； (3)利用以上兩個(gè)四階累積量矩陣，構(gòu)造一個(gè)新的矩陣€ = €2《》式中，C,表示 &的偽逆; (4)對新的矩陣C進(jìn)行特征分解得C:^l,i是特征值，U是特征向量；取飾相
角除以2得到y(tǒng) y的估計(jì)^ = fl gfe^)/2， angle( )表示取相角運(yùn)算； (5)令b = U〇(Ju)*，得到Y(jié) x的估計(jì) * 0
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，J是交換矩陣，且3 =
(-;f表示共軛運(yùn)算，〇表示哈達(dá)碼
—o…o r
s y ,. o
o i y s
j o…o
積，bk表示列向量b的第k個(gè)元素；(6)引入新的列矢量w，并令w(m-2) = angle(u(m+l)/u(m))， m = 3，…，6， w(m)表示列矢量w的第m個(gè)元素，u(m)表示列矢量u的第m個(gè)元素，對w進(jìn)行相位展 開，得到展開后的列矢量 w' =[YX+4>X，Yx+34)x, YX+54>X]T3X1 ; (7)根據(jù)得到的展開列矢量W '構(gòu)造 一 個(gè)最小二乘代價(jià)函數(shù) g((PM-W'(m))f，通過最小化這個(gè)代價(jià)函數(shù)，得到(K的估計(jì)值
》2m-l)w'(m)-32,r
估計(jì)值
4
2(2撤-1)
其中w' (m)表示w'的第m個(gè)元素；
(8)根據(jù)以上得到的Yx， Yy的估計(jì)值夂，f,，分別得到俯仰角a和方位角|3的 = sin
—1^ = tm'
—1
.，J
(9)根據(jù)得到的(K、 a禾B P的估計(jì)值i、 5和，,得到距離r的估計(jì)值f = —sin aeos灣；
歸i (10)將距離估計(jì)值f與設(shè)定的距離門限值進(jìn)行比較，當(dāng)其小于或者等于該門限值 時(shí)，則進(jìn)行通信，當(dāng)其大于該門限值時(shí)，則不作處理。 本發(fā)明的射頻終端控制器由于采用陣列天線接收SIM卡發(fā)射的信號(hào)，使信號(hào)處 理器根據(jù)該發(fā)射的信號(hào)能夠直接估計(jì)出移動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離；同時(shí)由于 在信號(hào)處理器進(jìn)行分析時(shí)，僅構(gòu)造了兩個(gè)四階累積量矩陣，根據(jù)這兩個(gè)矩陣構(gòu)造出一個(gè) 新的矩陣，對該矩陣進(jìn)行特征分解，并對特征矢量進(jìn)行了巧妙的處理，實(shí)現(xiàn)了對距離的 估計(jì)；此外由于本發(fā)明采用這種直接估計(jì)移動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離的方法， 避免了繁瑣的實(shí)驗(yàn)過程，也不需要進(jìn)行校準(zhǔn)過程，使得通信安全的可靠性得到了保障。


圖1是本發(fā)明射頻SIM卡測距系統(tǒng)示意圖； 圖2是本發(fā)明射頻SIM卡測距方法流程圖； 圖3是本發(fā)明理想情況下仿真距離估計(jì)的根均方誤差隨信噪比的變化曲線； 圖4是本發(fā)明理想情況下仿真距離估計(jì)的根均方誤差隨距離的變化曲線； 圖5是本發(fā)明理想情況下仿真估計(jì)的距離分布柱狀圖； 圖6是本發(fā)明非理想情況下仿真距離估計(jì)的根均方誤差隨信噪比的變化曲線； 圖7是本發(fā)明非理想情況下仿真距離估計(jì)的根均方誤差隨距離的變化曲線； 圖8是本發(fā)明非理想情況下仿真估計(jì)的距離分布柱狀圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合各附圖所示之實(shí)例作進(jìn)一步詳述。 參照圖1，本發(fā)明的射頻SIM卡測距系統(tǒng)包含內(nèi)含SIM卡3的移動(dòng)終端2和射 頻控制終端l， SIM卡3向射頻控制終端1發(fā)射信號(hào)，射頻控制終端l根據(jù)接收的信號(hào)， 估計(jì)出移動(dòng)終端2與射頻控制終端1之間的距離。 所述的射頻控制終端1包含陣列天線4和信號(hào)處理器5。陣列天線4采用兩維陣 列天線，該兩維陣列天線采用十字陣列天線，但不限于這種結(jié)構(gòu)，它設(shè)有9個(gè)陣元，一 個(gè)為公共陣元，6個(gè)陣元分布在x軸上，2個(gè)陣元分布在y軸上，但是不限于9個(gè)陣元。 該十字陣列天線所有陣元同時(shí)接收SIM卡3發(fā)射的信號(hào)，得到一個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)矢量，然后 將接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)矢量傳輸給信號(hào)處理器5，信號(hào)處理器5經(jīng)過分析處理這些數(shù)據(jù)，估 計(jì)出移動(dòng)終端2與射頻控制終端1之間的距離，從而判斷是否進(jìn)行通信。
參照圖2，本發(fā)明的射頻SIM卡測距方法包括如下步驟
步驟l，根據(jù)信號(hào)功率進(jìn)行初判斷。 在射頻控制終端設(shè)置功率門限值，當(dāng)接收到的信號(hào)功率小于該門限值時(shí)，將其 當(dāng)作噪聲，不作處理；當(dāng)接收到的信號(hào)功率大于或等于該門限值時(shí)，由陣列天線將接收 到的數(shù)據(jù)傳輸給信號(hào)處理器。
步驟2，構(gòu)造累積量矩陣。
7
(2.1)信號(hào)處理器將接收到的數(shù)據(jù)構(gòu)造成以下兩個(gè)四階累積量矩陣
= owi {;,0(1),《0的,x(r》，x,H的} C2 ^c—x化—，《4jf;《f),:s身),x,11《《)1 式中，Xl(t) = s(t)d"、+n"t)表示x軸上的陣元接收的信號(hào)矢量， x。， 。(t) = s(t)d"t+n。， 。(t)表示參考陣元(0， 0)接收的信號(hào)，
+"0,-,(狄小陣兒(0， -1)接收的信號(hào)， j^的^(f),V"鴻+1%,#)表示陣元(0， 1)接收的信號(hào)，ni = [n-3,。，…，n3, 0]
t 其中，ni, m(t)表示陣元(i， m)的噪聲， s(ty"t是射頻移動(dòng)終端發(fā)射的信號(hào)， , = ,.. .y 3"力']，小x軸上的陣列的導(dǎo)向矢量， = —2芘一sinacos # ，4=丌一G-sin2 or cos2/I), /v = sine sin/ ，A =冗i (1 — sin2" sin2 / )， a， e， A， r分別表示信號(hào)的俯仰角，方位角，波長及其距離，d表示陣元間 距，(OH表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置； 利用累積量的性質(zhì)以及信號(hào)與噪聲的正交性，將x。， 。(t)， x。， —"t)， x。， "t)， Xl(t) 的表達(dá)式代入上面兩個(gè)四階累積量矩陣，可得Q = c4saiaiH， C2 = c4sbaiaiH，則這兩個(gè)矩 陣的秩都為1，式中fr = e2*, ' c4s = cum: s(t)， s*(t)， s(t)， s*(t)}; (2.2)利用以上兩個(gè)四階累積量矩陣，構(gòu)造一個(gè)新的矩陣C = C2Cf ， 該矩陣的秩為1，式中，C,表示d的偽逆，II. C:=laAH ,則

i
-C^Cf^ :c^,效，效,傘一魏，諷嚴(yán)ai = d效^嚴(yán)效,嚴(yán)蠢！ =W0Ea〗=1^ ，其中E是一個(gè)單位陣。
步驟3，估計(jì)Yy，Yx， (K的數(shù)值。
(3.1)Yy的估計(jì):對新的矩陣C進(jìn)行特征分解得Ct^M" i是新的矩陣C的特征
值，u是新的矩陣C的特征向量，由于C^二ba"結(jié)合b的表達(dá)式，可知取幼勺相角除以 2便得到Y(jié) y的估計(jì)值f, = fl，fe(S)/2, angle( )表示取相角運(yùn)算: (3.2) Yx的估計(jì)由Cai = H可知ai可以由新的矩陣C特征分解得到的特征矢 量u估計(jì)出來，只不過它們相差一個(gè)比例因子，令其為k，即u二k^，令b二uO(Ju)'式中J是交換矩陣，且3 =
0… 0 1
0 i ,'' i
1 o …o
，d表示共軛運(yùn)算。則
'
e
ice
-禽-禽
-禽—
■-J《-3te普我

=3，


e'
J《—3fe+J'(—3》*( J《-2》3WX-我
総
総
J'《—3fe—J'《—3》、— H-J《-2)2A
認(rèn)'
J龜
3》& ■
其中〇表示哈達(dá)碼積， 于是由b可以得到L的估計(jì)值
J^JC 一
1 6
丄s
^ ,、、
'*人
式中，bk表示列向量b的第k個(gè)元素；
(3.3)(K的估計(jì)首先引入新的列矢量w，并令w(m-2)二angle(u(m+l)/u(m))， m ， 6， w(m)表示列矢量w的第m個(gè)元素，u(m)表示列矢量u的第m個(gè)元素， 式中的相除運(yùn)算可以消除比例因子k的影響； 接著，為了不產(chǎn)生相位模糊，將列矢量w進(jìn)行如下相位展開 w' (l) = w(l)
，m = 1， 2 w, (m+l) = w, (m)+S (J)(m)
射
鄰(m + l)—稱(M)-2w ，w(m+l)_w(m)>ff w(m + l)—w(m) + 2;r ，w(m + l)_w(wi)<—i
w'表示w進(jìn)行相位展開后的列矢量，w' (m)表示w'的第m個(gè)元素， 按照上面的公式對w進(jìn)行相位展開后得到w'為 w' =[YX+4>X， Yx+34)x， YX+54>X]T3X1， 其中(07表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算；
最后根據(jù)展開后的列矢量w '構(gòu)造 一 個(gè)最小二乘代價(jià)函數(shù) ，(附)=



Z(((2W-H—)))，通過最小化這個(gè)代價(jià)函數(shù)，得到(K的估計(jì)值: 步驟4，俯仰角a、方位角13和距離r的估計(jì)。 (4.1)將以上得到的Yx， Yy的估計(jì)值^， f/分別代入到Y(jié)x， Yy的表達(dá)式中， 得到俯仰角a和方位角|3的估計(jì)值 (4.2)將得到的(K、 a禾n P的估計(jì)值氣、5和,代入到^K的表達(dá)式中，得到移 動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離r的估計(jì)值 步驟5，判斷是否進(jìn)行通信。 將移動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離估計(jì)值f與設(shè)定的距離門限值進(jìn)行比較， 該門限值設(shè)為5厘米，當(dāng)距離估計(jì)值廬大于5厘米時(shí)，則不作處理，當(dāng)其小于或者等于5 厘米時(shí)，則進(jìn)行通信。 本發(fā)明的效果可以通過以下仿真結(jié)果進(jìn)一步說明。 l.仿真條件 考慮由9個(gè)陣元組成的均勻十字陣，陣元間距為^=7。實(shí)驗(yàn)中，假定中心頻率為
f = 2.5GHz，帶寬為20KHz的信號(hào)入射到該陣列上。使用根均方誤差RMSE作為性能準(zhǔn) 則在此，進(jìn)行兩種情況下的實(shí)驗(yàn)。 (l)理想情況，即不存在干擾，噪聲為高斯白噪聲的三個(gè)實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)一，信號(hào)從位置a =20° ， |3 =30° ， r = 0.4A入射到該陣列上，信噪
比SNR從OdB到25dB變化，作500次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)長度為128個(gè)快拍。 實(shí)驗(yàn)二，信號(hào)入射角度為a =20° ， 13 =30° ，信噪比固定為8dB，距離從
0.1 A到A變化，作500次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)長度為128個(gè)快拍。 實(shí)驗(yàn)三，信號(hào)從位置a =20° ， |3 =30° ， r = 0.4A入射到該陣列上，信噪 比固定為8dB，作1000000次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)長度為128個(gè)快拍。
(2)非理想情況，即存在干擾，噪聲為色噪聲的三個(gè)實(shí)驗(yàn)。
》2/"-32&
實(shí)驗(yàn)四，信號(hào)從位置a =20° ， |3 = 30° ， r = 入射到該陣列上，兩個(gè)
干擾分別從a i = 40° ， P i = 60° ， r = 3 A禾P a 2 = 60° ， P 2 = 10° ， r = 9 A入射 到該陣列上，信噪比SNR從0dB到25dB變化，作500次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)長度為128 個(gè)快拍。 實(shí)驗(yàn)五，信號(hào)入射角度為a =20° ， 13 =30° ，兩個(gè)干擾分別從a工=40° ， 13丄=60° ， r = 3 A禾P a 2 = 60° ， P 2 = 10° ， r = 9 A入射到該陣列上，信噪比固定 為8dB，距離從0.1A到A變化，作500次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)長度為128個(gè)快拍。
實(shí)驗(yàn)六，信號(hào)從位置a =20° ， |3 =30° ， r = 0.4A入射到該陣列上，兩個(gè) 干擾分別從a i = 40° ， P i = 60° ， r = 3 A禾P a 2 = 60° ， P 2 = 10° ， r = 9 A入射 到該陣列上，信噪比固定為8dB，作1000000次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)長度為128個(gè)快拍。
2.仿真結(jié)果 實(shí)驗(yàn)一的仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，在理想情況下，距離估計(jì) 的根均方誤差RMSE隨信噪比的增大而逐漸減小，同時(shí)可以看到，在信噪比很低的情況 下，本發(fā)明所用的方法能夠精確的估計(jì)出移動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離。
實(shí)驗(yàn)二的仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，在理想情況下，距離估計(jì) 的根均方誤差RMSE隨移動(dòng)終端與射頻控制終端之間距離的增大而增大，即離射頻控制 終端越近，距離估計(jì)越好，但是同時(shí)也可以看到在移動(dòng)終端與射頻控制終端之間距離較 遠(yuǎn)時(shí)，也能夠精確的估計(jì)出該距離。 實(shí)驗(yàn)三的仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，在理想情況下，估計(jì)出的
距離都分布在大于實(shí)際位置1厘米和2厘米的范圍內(nèi)，也就是在誤差范圍內(nèi)，從而進(jìn)一步
說明本發(fā)明所用的方法可以精確的估計(jì)出移動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離。 實(shí)驗(yàn)四的仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，在非理想情況下，距離估
計(jì)的根均方誤差RMSE同樣隨信噪比的增大而逐漸減小，同時(shí)也可以看到，在信噪比很
低的情況下，本發(fā)明所用的方法就可以很精確的估計(jì)出移動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離。 實(shí)驗(yàn)五的仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，在非理想情況下，距離估 計(jì)的根均方誤差RMSE同樣隨移動(dòng)終端與射頻控制終端之間距離的增大而增大，即離射 頻控制終端越近，距離估計(jì)越好，但是同時(shí)也可以看到，在移動(dòng)終端與射頻控制終端之 間距離較遠(yuǎn)時(shí)，也能夠精確的估計(jì)出該距離。 實(shí)驗(yàn)六的仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出估計(jì)出的距離同樣都分布在 大于實(shí)際位置1厘米和2厘米的范圍內(nèi)，只是分布在2厘米內(nèi)的概率增加了，但是仍在誤 差范圍內(nèi)，也可以進(jìn)一步說明本發(fā)明所用的方法可以精確的估計(jì)出移動(dòng)終端與射頻控制 終端之間距離。 綜上，不管是理想情況下還是非理想情況下，本發(fā)明都可以通過十字陣列結(jié)構(gòu) 直接精確的估計(jì)出移動(dòng)終端與射頻控制終端之間的距離，從而保證了通信交易的可靠 性。
1權(quán)利要求
一種基于近場陣列距離估計(jì)的射頻SIM卡測距系統(tǒng)，包括射頻控制終端(1)和內(nèi)含射頻SIM卡(3)的移動(dòng)終端(2)，其特征在于，射頻控制終端(1)中包含陣列天線(4)和信號(hào)處理器(5)，陣列天線將接收的SIM卡發(fā)射的信號(hào)傳輸給信號(hào)處理器，信號(hào)處理器對接收信號(hào)進(jìn)行分析處理，估計(jì)出射頻控制終端與移動(dòng)終端之間的距離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻SIM卡測距系統(tǒng)，其特征在于陣列天線(4)采用兩維陣列，且陣元間距d滿足rfS;，其中A是信號(hào)的波長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的射頻SIM卡測距的系統(tǒng)，其特征在于兩維陣列天線的結(jié) 構(gòu)是一個(gè)十字陣列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的射頻SIM卡測距的系統(tǒng)，其特征在于十字陣列設(shè)有9個(gè) 陣元， 一個(gè)為公共陣元，6個(gè)陣元分布在x軸上，2個(gè)陣元分布在y軸上。
5. —種基于近場陣列距離估計(jì)的射頻SIM卡測距方法，包括如下步驟(1) 在射頻控制終端設(shè)置功率門限值，當(dāng)接收到的信號(hào)功率小于門限值時(shí)，將其當(dāng)作 噪聲，不作處理；當(dāng)接收到的信號(hào)功率大于或等于門限值時(shí)，由陣列天線將接收到的數(shù) 據(jù)傳輸給信號(hào)處理器；(2) 信號(hào)處理器將接收到的數(shù)據(jù)構(gòu)造成以下兩個(gè)四階累積量矩陣 = x0,Q(f)s ^ (,)， x， (1》}<formula>formula see original document page 2</formula>式中，Xl(t) = s(t)d"、+n"t)表示x軸上的陣元接收的信號(hào)矢量， x。， 。(t) = s(t)eJ"t+n。， 。(t)表示參考陣元(0， 0)接收的信號(hào)，、—必雄),g鳴鴻+^必表示陣元(0， -1)接收的信號(hào)， %仍=維),^鴻+%的表示陣元(0， 1)接收的信號(hào)，<formula>formula see original document page 2</formula>其中，ni, m(t)表示陣元(i， m)的噪聲，s(t)d"t是射頻移動(dòng)終端發(fā)射的信號(hào)，ai=[z-3)w《-我,…乂^^;f表示x軸上的陣列的導(dǎo)向矢量， y: = -2s^sin cos , <formula>formula see original document page 2</formula>a， e， A， r分別表示信號(hào)的俯仰角，方位角，波長及其距離，d表示陣元間距， (-)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；(3) 利用以上兩個(gè)四階累積量矩陣，構(gòu)造一個(gè)新的矩陣C-q《,式中，d#表示Q的 偽逆；(4) 對新的矩陣C進(jìn)行特征分解得C-6"m^i是特征值，u是特征向量；取l的相角除 以2得到y(tǒng) y的估計(jì)^ =一細(xì)，angle( )表示取相角運(yùn)算；(5) 令b = u〇(Ju)'，得到Y(jié) x的估計(jì)<formula>formula see original document page 3</formula>式中，J是交換矩陣，<formula>formula see original document page 3</formula>(-)*表示共軛運(yùn)算，〇表示哈<formula>formula see original document page 3</formula>達(dá)碼積，bk表示列向量b的第k個(gè)元素；(6) 引入新的列矢量w，并令w(m-2) = angle(u(m+l)/u(m))，m = 3， ， 6， w(m)表示列矢量w的第m個(gè)元素，u(m)表示列矢量u的第m個(gè) 元素，對w進(jìn)行相位展開，得到展開后的列矢量 w' =[YX+4>X， Yx+34)x， YX+54>X]T3X1 ;(7) 根據(jù)得到的展開列矢量w '構(gòu)造 一 個(gè)最小二乘代價(jià)函數(shù)t(((h-驟'Wf，通過最小化這個(gè)代價(jià)函數(shù)，得到t的估計(jì)值<formula>formula see original document page 3</formula>其中w' (m)表示w'的第m個(gè)元素；(8)根據(jù)以上得到的Yx， Yy的估計(jì)值^， i^，分別得到俯仰角a和方位角|3的估計(jì)<formula>formula see original document page 3</formula>化.(9)根據(jù)得到的(K、 a禾卩P的估計(jì)值i、斜口，滯到距離r的估計(jì)值<formula>formula see original document page 3</formula>(lO)將距離估計(jì)值f與設(shè)定的距離門限值進(jìn)行比較，當(dāng)其小于或者等于該門限值時(shí)， 則進(jìn)行通信，當(dāng)其大于該門限值時(shí)，則不作處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于近場陣列距離估計(jì)的射頻SIM卡測距系統(tǒng)及測距方法，該系統(tǒng)包括射頻控制終端(1)和內(nèi)含射頻SIM卡(3)的移動(dòng)終端(2)，其中射頻控制終端(1)包含陣列天線(4)和信號(hào)處理器(5)。測距時(shí)，當(dāng)接收的信號(hào)功率大于或等于設(shè)置的門限值時(shí)，陣列天線將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給信號(hào)處理器(5)，否則不作處理；信號(hào)處理器對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，估計(jì)出移動(dòng)終端(2)與射頻控制終端(3)之間的距離；將估計(jì)出的距離與設(shè)定的距離門限值進(jìn)行比較，當(dāng)其小于或者等于距離門限值時(shí)進(jìn)行通信，否則不作處理。本發(fā)明能直接實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與射頻控制終端的近距離通信，可用于移動(dòng)終端的充值，消費(fèi)，交易及身份認(rèn)證。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101692127SQ20091002417
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者廖桂生, 李喬喬, 李軍, 馬克江 申請人:西安電子科技大學(xué)