專利名稱：一種超寬帶無線信道品質(zhì)因子估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域,涉及的是一種用于UWB (Ultra Wide Band,超寬帶)無線信道中對信道的品質(zhì)因子(置信區(qū)間比例因子、置信區(qū)間和置信水平)進(jìn)行估計(jì)的一種方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的世界將很快從網(wǎng)絡(luò)時代進(jìn)入無線互聯(lián)時代。新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如WiF1、WiMax> ZigBee、Ad hoc、BlueTooth和UWB等,在辦公室、家庭、工廠、公園等方面得到了廣泛應(yīng)用。UWB無線通信技術(shù)是一種不用載波，采用小于納秒時長的不連續(xù)脈沖進(jìn)行通信的一種無線通信技術(shù)。由于UWB使用小于納秒時長的超短脈沖進(jìn)行通信，其信號功率被擴(kuò)散在從O到數(shù)十GHz的超寬頻帶范圍內(nèi)，這種獨(dú)特的通信機(jī)制使其與目前頻域通信技術(shù)相比具有對信道衰落不敏感、發(fā)射功率低、與其它無線系統(tǒng)可以共存、多徑分辨能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜度低、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，特別是在精確測距和定位、短距離高速通信(100Mbps - lGbps)、雷達(dá)探測、防偵聽抗干擾保密通信等多個軍用和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。IEEE 802. 15. 4a任務(wù)小組致力于為低等級工業(yè)市場開發(fā)一種無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)標(biāo)準(zhǔn)，802. 15. 4a被視為PAN內(nèi)的潛在核心UWB應(yīng)用之一，這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被設(shè)計(jì)用于實(shí)時精準(zhǔn)位置和感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。IEEE802. 15. 4a中為了讓測距的發(fā)起者知道測距的質(zhì)量，增加了品質(zhì)因子(Figure of Merit, FoM)，將FoM傳輸?shù)缴蠈踊蛘邆鬏數(shù)綄Ψ焦?jié)點(diǎn)(例如參考基站)則對方節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)該品質(zhì)因子確定如何使用此次的測距結(jié)果，例如在多基站定位時可以根據(jù)不同的FoM賦予測距結(jié)果不同的權(quán)值，甚至棄用某次測距結(jié)果，因此可以避免大的測距誤差而導(dǎo)致的較大的 定位誤差。品質(zhì)因子，也叫可靠度，或置信度、置信系數(shù)，它是對信號上升沿到達(dá)時間(TOA)估計(jì)誤差的量度。包括三部分置信區(qū)間比例因子、置信區(qū)間和置信水平，表示信號上升沿到達(dá)時間估計(jì)的誤差在給定的有效置信區(qū)間內(nèi)的百分比處于置信水平(％)以下。 有效置信區(qū)間包括置信區(qū)間(Confidence Interval, Cl)和置信區(qū)間比例因子(Confidence Interval Scaling Factor, CISF)兩部分，其中置信區(qū)間與置信區(qū)間比例因子相乘即為有效置信區(qū)間的大小。根據(jù)IEEE802. 15. 4a的格式規(guī)定可知在FoM的格式中將置信區(qū)間的比例因子(4個0. 5倍、I倍、2倍、4倍)與置信區(qū)間(4個:100ps、300ps、lns、3ns)兩兩相乘可以得到共有4*4=16個不同的有效置信區(qū)間，分別是0. 05,0. 15,0. 5、1.5,0. 1,0. 3、1、3、0· 2,0. 6、2、6、0· 4,1. 2、4、12ns，對應(yīng)的幀格式的二進(jìn)制分別為 00 00,00OUOO 10,00 11,01 00,01 OUOl 10,01 11,10 OOUO OlUO 10,10 11,11 OOUl OlUlIOUl 11，其中前兩位為幀格式中的置信區(qū)間比例因子，后兩位為幀格式中的置信區(qū)間。 置信水平(Confidence Level, CL):是脈沖上升沿到達(dá)時間估計(jì)誤差小于有效置信區(qū)間的概率，如果為O則表示無FoM。根據(jù)IEEE802. 15. 4a的格式規(guī)定可知置信水平有0%、20%、55%、75%、85%、92%、97%、99%共8個，對應(yīng)幀中置信水平的二進(jìn)制分別為000、001、010、011、100、101、110、111。在IEEE802. 15. 4a中雖然規(guī)定了 FoM幀的格式，但是如何計(jì)算或者產(chǎn)生置信區(qū)間比例因子、置信區(qū)間和置信水平卻沒有給出規(guī)定。因此，本發(fā)明提出了一種應(yīng)用在超寬帶無線信道中對品質(zhì)因子(置信區(qū)間比例因子、置信區(qū)間和置信水平)進(jìn)行估計(jì)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于目前超寬帶無線信道中缺乏對信道品質(zhì)因子進(jìn)行估計(jì)的方法，本發(fā)明提出了一種應(yīng)用在超寬帶無線信道中對品質(zhì)因子(置信區(qū)間比例因子、置信區(qū)間和置信水平)進(jìn)行估計(jì)的方法，從而可以為精確的測距定位提供參考。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種超寬帶無線信道品質(zhì)因子估計(jì)方法，包括以下步驟1.通信前，初始化品質(zhì)因子表A.建立指紋數(shù)據(jù)庫通過在不同SNR (信噪比=信號能量 /噪聲能量)環(huán)境下多次發(fā)送信號、采集積分能量塊的信息，建立聯(lián)合參數(shù)J、TOA估計(jì)誤差E兩個參數(shù)的指紋數(shù)據(jù)庫，即對于給定范圍的信噪比[ENRmin，ENRmaJ按照St印·的步長，循環(huán)測試Timesmax次，每次循環(huán)時判斷波形上升沿到達(dá)時間的估計(jì)誤差，并將其保存到指紋數(shù)據(jù)庫，具體包括以下主要步驟DUffB信號的產(chǎn)生、發(fā)送和接收按照當(dāng)前設(shè)定的ENR完成信號的發(fā)送和接收；2)計(jì)算每個能量塊的大小主要包括一個低噪聲放大器(LNA)、平方器((.)2)、積分器和判決器；接收信號r經(jīng)過低通濾波放大器后，信號再通過平方器，然后進(jìn)行積分，積分步長為Tb ;積分器的第η個輸出Ζ[η]即為第η個能量塊的能量大?。?)統(tǒng)計(jì)所有能量塊的偏度S和最大斜率K，并計(jì)算聯(lián)合參數(shù)J (J = S-K)；4)計(jì)算TOA估計(jì)誤差E ；5)將聯(lián)合參數(shù)J和TOA估計(jì)誤差E兩個參數(shù)保存到指紋數(shù)據(jù)庫中；B.建立品質(zhì)因子表I)建立J與平均誤差(Ep的關(guān)系參數(shù)J進(jìn)行取整，并統(tǒng)計(jì)指紋數(shù)據(jù)庫中每個J所對應(yīng)的所有樣本的平均誤差(Ep和樣本個數(shù)(Cj)；2)建立J與置信區(qū)間比例因子(Fj)和置信區(qū)間(Ij)的關(guān)系從16個候選的有效置信區(qū)間中找出最接近平均誤差(Ej)的區(qū)間為該聯(lián)合參數(shù)J所對應(yīng)的有效置信區(qū)間(I/)，該有效區(qū)間(I/)對應(yīng)的置信區(qū)間比例因子和置信區(qū)間即為J對應(yīng)的置信區(qū)間比例因子(Fj)和置信區(qū)間(Ij);3)計(jì)算J對應(yīng)的置信度(L/ ):求出每個聯(lián)合參數(shù)J在對應(yīng)的置信區(qū)間(Ij)中的樣本個數(shù)(C/)占聯(lián)合參數(shù)J對應(yīng)的樣本個數(shù)(cp的百分比為聯(lián)合參數(shù)J對應(yīng)的置信度(V);4)建立J與置信水平(Lp的關(guān)系從候選的8個置信水平中找出最接近置信度(L/)的為該聯(lián)合參數(shù)J對應(yīng)的置信水平(Lj)；5)建立品質(zhì)因子表將聯(lián)合參數(shù)J、步驟2)中的置信區(qū)間比例因子(Fp和置信區(qū)間(IP以及步驟4)中的置信水平(Lp建立對應(yīng)的品質(zhì)因子表；
2.發(fā)送方T :發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行通信發(fā)送方向接收方發(fā)送UWB信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；3.接收方R :根據(jù)收到信號的聯(lián)合參數(shù)J，查品質(zhì)因子表生成FoM幀I)接收第i次UWB信號；2)計(jì)算每個能量塊的大??；3)統(tǒng)計(jì)所有能量塊的偏度Si和最大斜率Ki,并計(jì)算聯(lián)合參數(shù)Ji ；4)利用Ji進(jìn)行查表即可得到置信區(qū)間比例因子(F」)、置信區(qū)間(Ij)以及置信水平(Lj)即得到品質(zhì)因子對應(yīng)的幀格式；4.接收方R :將生成的FoM幀發(fā)送給原發(fā)送方T接收方R將生成的FOM幀發(fā)送給原發(fā)送方，以便讓原發(fā)送方得知信道的品質(zhì)情況；5.原發(fā)送方T :根據(jù)收到的FoM幀計(jì)算出信道品質(zhì)當(dāng)原發(fā)送方接收到FoM幀時，可根據(jù)IEEE802. 15. 4a規(guī)定的格式解釋并計(jì)算出對方接收時的信道品質(zhì)。通過以上方法，可以在不增加系統(tǒng)硬件復(fù)雜度的前提下，通過簡單的基于能量的接收，即可確定信道的質(zhì)量，從而為基于UWB的通信和測距定位提供可靠的保障。仿真的結(jié)果表明，在多基站定位時使用該方法可以根據(jù)不同的FoM賦予測距結(jié)果不同的權(quán)值，甚至棄用某次嚴(yán)重異常的測距結(jié)果，這樣的話可以避免大的測距誤差導(dǎo)致大的定位誤差，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測試可以提高定位精度20%以上。


圖1為FoM幀的格式示意圖；圖2為基于能量檢測接收的原理圖；圖3為計(jì)算最大斜率的原理圖；圖4為仿真的平均聯(lián)合參數(shù)J與信噪比的關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖；圖5為本發(fā)明工作主流程圖；圖6為生成指紋數(shù)據(jù)庫的步驟流程具體實(shí)施例方式以下結(jié)合圖例和具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。1. FoM幀的格式FoM幀的格式如圖1所示，其中主要包括置信區(qū)間、置信區(qū)間比例因子、置信水平和擴(kuò)展，三者合起來就可以描述一個信道的質(zhì)量。 有效置信區(qū)間有效置信區(qū)間包括置信區(qū)間和置信區(qū)間比例因子兩部分，其中置信區(qū)間與置信區(qū)間比例因子相乘即為有效置信區(qū)間的大小。根據(jù)圖1得知最小有效置信區(qū)間為O. 5*100ps=50ps，最大有效置信區(qū)間為4*3ns=12ns，共有16種編碼對應(yīng)16個有效置信區(qū)間。 置信水平(Confidence Level, CL):是脈沖上升沿估計(jì)誤差小于有效置信區(qū)間的概率，如果為O則表示無FoM，共有8種編碼對應(yīng)8個置信水平。
擴(kuò)展如果擴(kuò)展字段的第I位為1，其他各位為0，則表示同步頭錯誤，即檢測到的開始接收時間是錯誤的(即時間戳報(bào)文無效，此時屬于最惡劣的情況)；第I位為1，其他各位為非O (保留字段)表示正確檢測到了幀的開始接收時間。2.聯(lián)合參數(shù)J在IEEE802. 15. 4a的CMl (信道模型I)和CM2 (信道模型2)信道下分別對峭度、偏度、方差和最大斜率在不同的信噪比下進(jìn)行了仿真。其中I)接收能量塊接收到信號后，按照積分步長Tb計(jì)算每個能量塊的大??；如圖2所示的原理圖，主要包括一個低噪聲放大器(LNA)、平方器((.)2)、積分器和判決器；接收信號r經(jīng)過低通濾波放大器后，信號再通過平方器，然后進(jìn)行積分，積分步長為Tb ;積分器的第η個輸出Ζ[η]可以表示為
權(quán)利要求
1.一種超寬帶無線信道品質(zhì)因子估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟 1)通信前，初始化品質(zhì)因子表 A.建立指紋數(shù)據(jù)庫 通過在不同SNR (信噪比=信號能量/噪聲能量)環(huán)境下多次發(fā)送信號、采集積分能量塊的信息，建立聯(lián)合參數(shù)J、TOA估計(jì)誤差E兩個參數(shù)的指紋數(shù)據(jù)庫，即對于給定范圍的信噪比[ENRmin,ENRmaJ按照StepENK的步長,循環(huán)測試Timesmax次,每次循環(huán)時判斷波形上升沿到達(dá)時間的估計(jì)誤差，并將其保存到指紋數(shù)據(jù)庫，具體包括以下主要步驟 (1)UWB信號的產(chǎn)生、發(fā)送和接收按照當(dāng)前設(shè)定的ENR完成信號的發(fā)送和接收； (2)計(jì)算每個能量塊的大小主要包括一個低噪聲放大器(LNA)、平方器((.)2)、積分器和判決器；接收信號r經(jīng)過低通濾波放大器后，信號再通過平方器，然后進(jìn)行積分，積分步長為Tb ;積分器的第η個輸出Ζ[η]即為第η個能量塊的能量大?。? (3)統(tǒng)計(jì)所有能量塊的偏度S和最大斜率K，并計(jì)算聯(lián)合參數(shù)J(J=S-K)； (4)計(jì)算TOA估計(jì)誤差E; (5)將聯(lián)合參數(shù)J和TOA估計(jì)誤差E兩個參數(shù)保存到指紋數(shù)據(jù)庫中； B.建立品質(zhì)因子表 (1)建立J與平均誤差(Ep的關(guān)系參數(shù)J進(jìn)行取整，并統(tǒng)計(jì)指紋數(shù)據(jù)庫中每個J所對應(yīng)的所有樣本的平均誤差(Ep和樣本個數(shù)(Cj)； (2)建立J與置信區(qū)間比例因子(Fj)和置信區(qū)間(Ij)的關(guān)系從16個候選的有效置信區(qū)間中找出最接近平均誤差(Ep的區(qū)間為該聯(lián)合參數(shù)J所對應(yīng)的有效置信區(qū)間(I/ )，該有效區(qū)間(I/ )對應(yīng)的置信區(qū)間比例因子和置信區(qū)間即為J對應(yīng)的置信區(qū)間比例因子(Fj)和置信區(qū)間(Ij); (3)計(jì)算J對應(yīng)的置信度(L/):求出每個聯(lián)合參數(shù)J在對應(yīng)的置信區(qū)間(IP中的樣本個數(shù)(C/ )占聯(lián)合參數(shù)J對應(yīng)的樣本個數(shù)(Cp的百分比為聯(lián)合參數(shù)J對應(yīng)的置信度(L/); (4)建立J與置信水平(Lp的關(guān)系從候選的8個置信水平中找出最接近置信度(L/)的為該聯(lián)合參數(shù)J對應(yīng)的置信水平(Lj)； (5)建立品質(zhì)因子表將聯(lián)合參數(shù)J、步驟2)中的置信區(qū)間比例因子(Fp和置信區(qū)間(Ij)以及步驟4)中的置信水平(Lj)建立對應(yīng)的品質(zhì)因子表； 2)發(fā)送方T:發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行通信 發(fā)送方向接收方發(fā)送UWB信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信； 3)接收方R:根據(jù)收到信號的聯(lián)合參數(shù)J，查品質(zhì)因子表生成FoM幀 (1)接收第i次UWB信號； (2)計(jì)算每個能量塊的大??； (3)統(tǒng)計(jì)所有能量塊的偏度Si和最大斜率Ki,并計(jì)算聯(lián)合參數(shù)Ji； (4)利用Ji進(jìn)行查表即可得到置信區(qū)間比例因子(Fp、置信區(qū)間(IJ以及置信水平(Lj)即得到品質(zhì)因子對應(yīng)的幀格式； 4)接收方R:將生成的FoM幀發(fā)送給原發(fā)送方T 接收方R將生成的FOM幀發(fā)送給原發(fā)送方，以便讓原發(fā)送方得知信道的品質(zhì)情況； 5)原發(fā)送方T:根據(jù)收到的FoM幀計(jì)算出信道品質(zhì) 當(dāng)原發(fā)送方接收到FoM幀時，可根據(jù)IEEE802. 15. 4a規(guī)定的格式解釋并計(jì)算出對方接收時的信道 品質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是一種用于UWB(Ultra Wide Band,超寬帶)無線信道中對信道的品質(zhì)因子(置信區(qū)間比例因子、置信區(qū)間和置信水平)進(jìn)行估計(jì)的一種方法。主要分為四個步驟1.通信前，初始化品質(zhì)因子表；2.發(fā)送方T發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行通信；3.接收方R根據(jù)收到信號的聯(lián)合參數(shù)J，查品質(zhì)因子表生成品質(zhì)因子FoM(Figure of Merit，F(xiàn)oM)幀；4.接收方R將生成的FoM幀發(fā)送給原發(fā)送方T；5.原發(fā)送方T根據(jù)收到的FoM幀計(jì)算出信道品質(zhì)。本發(fā)明首次將偏度和最大斜率融合用于FoM的估計(jì)，可用于基于UWB的物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等應(yīng)用的短距離通信、高精度無線定位等。
文檔編號H04B17/00GK103036628SQ201210545848
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者崔學(xué)榮, 張 浩, 李娟 , 李忠偉, 劉建航, 吳春雷, 張國平 申請人:中國石油大學(xué)(華東)