专利名称：双向测距技术的制作方法
在一个通信系统中，多个基站向系统中的移动用户提供无线通信业务。基站典型地向与这个基站关联的覆盖区域或者蜂窝中的多个移动用户提供服务。为了允许多个用户共同使用同一个基站，已经采用了很多多址接入方法。这些多种多址接入方法允许通信系统中的每个用户发射和接收数据承载信号，并通常允许每个用户和位于该蜂窝或者其他蜂窝中的其他用户进行通信。移动通信设备从接收到的一个或者多个基站的复合信号中提取数据并进行处理，以减小导致多用户干扰和衰落以及干扰通信的多径传播的差别。
在这样一个通信系统中，使用全球定位系统(GPS)测量和确定距离可以精确地定位一个移动用户或者一个车辆。GPS系统包含24颗卫星，他们精确地广播他们的位置和利用原子钟作为非常精确的时间保持器得到的时间。具有GPS接收机的通信设备获取计时信息，并通过将这个计时和至少其他3个已知位置卫星广播的时间进行比较来计算该通信设备在地球上的位置。尽管GPS系统使用时间差分来精确地定位移动用户的位置，但是GPS系统要依靠GPS发射机中昂贵的原子钟来产生精确的测量结果。
因此，需要一种能够替代GPS系统的技术和方法，以向通信系统中的一个移动设备提供精确的定位。并且不像GPS接收机那样只能操作在一个固定灵敏度的电平上，该电平超过由于信号穿过内部和外部墙体和表面而产生的路径损耗；进一步需要能够在大多数室内环境下工作的技术和方法。
附图的简要说明本发明的主题在说明书的结论部分被特别地指出，并分别被要求。参考下面的详细描述和附图可以很好地理解本发明的结构和操作的方法，以及本发明的目标、特征、和他的优点等
图1表示根据本发明在一个通信系统中，和另一个设备进行通信的一个设备的收发机部分和处理器；图2-5表示一个通信系统中两个通信设备发射和接收的信号；和图6表示可以实现本发明的一个通信系统。
在此为了清楚起见，参考标注在图中重复指示对应的或者类似的单元。
详细描述在下面的详细描述中，为了对本发明有一个深入的了解，陈述了许多特别的细节。然而，对本领域的熟练技术人员来说，没有这些特别的细节本发明也可以得到实现。在其他的例子中，对众所周知的方法、程序、部件、和电路没有进行详细描述，以不模糊本发明的描述。
在下面的描述和权利要求中，可能要使用名词“耦合”和“相连”以及他们的派生词。应该注意的是这些名词彼此不是同义词。相反，在一些特殊的实施例中，“相连”用于指示两个或者多个元件彼此在物理上或者电子上直接接触。“耦合”意味着两个或者多个元件彼此在物理上或者电子上直接接触。然而，“耦合”也可以意味着两个或者多个元件彼此在物理上或者电子上不直接接触，但是还可以彼此互操作或者相互作用。
图1表示根据本发明的原理实现的一个设备10，设备包括的收发机具有一个接收机12和一个发射机22，他们都和处理器30相连。设备10可以发射和接收信号并处理信号信息，以判定设备在通信网络中的位置。应该注意到本发明的实施例有很多应用，根据所要求的主题具体表现为微控制器、一般用途的微处理器、数字信号处理器(DSPs)、精简指令集计算机(RISC)、复杂指令集计算机(CISC)、基带和应用处理器、以及包括在其他电子部件中。本发明也可以被合并到其他部件中，例如接入点、移动单元、基站、智能电话、通信机和个人数字助理(PDAs)、基于平台OS的设备、照相机、安全设备、汽车信息单元、和其他产品。然而，容易理解本发明的保护范围并不限于这些例子。
在一个实施例中，设备10可以操作于一个无线局域网(LAN)中，该局域网使用电子电气工程师协会(IEEE 802.11)制定的一个协议。例如，802.11a是一个物理层标准，他对5GHz频段的正交频分复用(OFDM)进行了规定；而802.11g标准对2.4GHz频段进行了规定。设备10可以被设计操作使用802.11a、802.11b、或802.11g协议；或者在可替代的实施例中，在码分多址(CDMA)蜂窝网络中使用例如IS-95、CDMA2000、或UMTS-WCDMA等协议；或者在全球移动通信系统(GSM)中使用时分多址(TDMA)。在这些CDMA、GSM、和TDMA网络中，设备10包括提供频率转换的硬件，以使设备在不同的频带上发射和接收。这个方法适用于包含发射机和接收机的所有无线通信设备。
图1所示的设备10的方框图表示天线接收已调制的射频(RF)信号。接收机12可以恢复RF信号中包含的信息。一个低噪声放大器(LNA)14接收输入的已调RF信号，并且在保持良好的信噪比的同时控制放大系数。一个混频器16接收已放大的RF信号，并将高频调制信号变频到较低的频率范围。这样，已调RF信号需要和一个本振(LO)信号进行混合，以将已调信号的载波频率从RF范围转换到中频(IF)范围。
下变频信号经过滤波后分为同相部分和正交部分。同相模拟信号(I)被一个模数转换器(ADC)18转换成数字值，同时正交模拟信号(Q)也被ADC 20转换成数字值。处理器30处理基带的这些数字值。应该注意到接收机12的替代实施例，已调RF信号不须使用IF混频器就可以直接进行下变频；权利要求的保护范围将包括这两种实施例的接收机。
发射机22中的一个数模转换器(DAC)24将处理器30产生的一个数字值转换到一个模拟输出信号，这个信号与输入的数字值成比例。在上变频成RF频率之前，模拟信号在调制器26中被调制。一个功率放大器28控制天线发射的模拟信号的输出功率。本发明并不局限于DAC 24中采用的特殊转换方法，DAC的分辨率和比特的数量、或电压的范围、或DAC的线性相关。
根据本发明的实施例，设备10决定什么时候信号开始发送，并当发射开始时使用一个计数器进行计数。计数器的抽样间隔应该小于测量范围需要的精确度。例如，如果测量范围需要的精确度是1米或者更小，那么计数器的时钟应该在300MHz或者更高。当接收其他通信单元的信号时计数器停止计数。
在一个替代的实施例中不必使用更高速的计数器，接收机12接收发射机22发射的信号，并且使用信号处理技术来判定发射信号的提取时间。这样，与本领域现有技术的收发机形成对照的是，在发射机22向天线提供信号的时候接收机12是激活的。到LNA 14的增益控制信号用于衰减接收机12接收的发射机22的输出信号。这样，为了清楚起见举例说明，处理器30提供的信号经过信号路径包括DAC 24、调制器26、和PA 28后从天线发射出去；但是也被接收机12所接收，并经过包括LNA 14、混频器16、和ADCs18以及20的信号路径。换句话说，处理器30产生的数字信号转换成一个模拟信号(DAC 24)、然后调制(调制器26)、频率转换和放大(PA 28)后从天线发射出去；和然后经过下变频(混频器16)、滤波、和转换成同相和正交数字信号(ADC 18和20)后被处理器30所处理。从处理器30通过发射机22到天线并通过接收机12返回到处理器30的信号路径会产生一个时间延迟。
应该指出的是从发射机到接收机的一个专用路径允许收发机接收正在发射的信号。然而，在很多情况下并不需要这个专用路径。在发射模式中信号路径中的双工器在发射机部分和接收机部分之间起着衰减器的作用。在很多应用中这个衰减是充分的，但是对一个特别的系统需要更多或者更少的衰减。例如，如果需要更多的衰减，在接收区就可以包括一个开关衰减器。当需要的时候衰减器就被激活，以估计发射信号被发送的时间。
图2-5表示两个设备之间通信的信号，例如两个移动设备、两个基站、一个移动设备和一个基站、或者通常的具有发射机和接收机的任何两个通信单元。特别地，图2表示第一通信单元的发射机22在时间t0发射的半圆形波形40；以及图3表示第二通信单元的发射机22A在时间t1发射的三角形波形42。第二通信单元的接收机和发射机在参考标注后面添加了字母A，以和第一通信单元中的收发机有所区别。应该注意的是半圆或者三角波形的形成是任意的。这些被选择的波形形成用于表示信号彼此之间的计时关系，因此，形成的波形并不试图描述特别的信号类型。
图4表示通过第一通信单元的接收机12处理的信号。伴随着第一通信单元(参见图2)的发射机22的天线发射的半圆形波形，这个半圆形波形40直接在时间t0被接收机处理。接收机12也在时间(t1+Td)处理接收到的第二通信单元的三角形波形，在此Td是一个时间延迟。时间Td等于r/c，在此“r”是两个通信单元之间的距离、“c”是光速。这样，第一和第二通信单元之间的距离与两个通信单元之间的时间延迟Td成比例。
图5表示通过第二通信单元的接收机12A处理的信号。第二通信单元的接收机12A在时间(t0+Td)处理接收到的第一通信单元的半圆形波形40。伴随着第二通信单元的发射机22A的天线发射的三角形波形42，这个三角形波形42直接在时间t1被接收机12A所处理。
为了清楚地进行描述，图2-5中表示的信号强度或者幅度并没有按比例画出。另外应该指出的是第一或者第二通信单元都可以启动一个发射序列，而且进一步单元之间发射的信号可以相同或者不同。应该注意的是第一和第二通信单元既可以同步通信，也可以不同步，即他们的时钟可能相差一些固定的未知时间。
图6表示实现本发明原理的一个通信系统，特别是，在此通信终端50可以生成提供给网络的定位信息，并在至少一个实施例中通过一个无线网络控制器(RNC)52来提供。通信系统可以包括多个其他的通信单元54和56，他们分布在能够提供无线通信的区域内。
举例说明如何运行当第一通信单元在时间t0发射半圆形波形40(参见图2)时启动一个测距程序，并在他自己的接收机12中处理半圆形波形40(参见图4)。接着，第二通信单元在时间(t0+Td)接收半圆形波形40(参见图5)。在时间t1第二通信单元发射三角形波形42(参见图3)，并且伴随着发射这个波形在他自己的接收机12A中处理三角形波形42。第一通信单元的接收机12在时间(t1+Td)接收并处理三角形波形42(参见图4)。程序基于存贮在处理器30和30A中的数据(分别位于第一和第二通信单元之中)完成计算，这些数据精确地反映了两个单元的每个单元所接收的半圆形波形40和三角形波形42之间的计时关系。
应该指出的是当一个通信单元处理他自己的信号时，在通信单元内部发射信号路径的延迟是一个可预期的延迟，并可以通过校准技术进行消除。每个通信单元都可以处理接收到的他自己的波形和接收到的其他通信单元的波形，以判定两个波形之间的时间差。例如，第一通信单元计算的时间差是((t1+Td)-t0)(参见图4)，而第二通信单元计算的时间差是(t1-(t0+Td))(参见图5)。
为了完成定位测量程序，一个通信单元可以将他自己计算的时间差发射给另一个通信单元，或者两个通信单元都可以把他们的计算结果传送给一个独立的定位服务器。在具有两个时间差的值的一个设备中，((t1+Td)-t0)和(t1-(t0+Td))的平均值是(t1-t0)。简单地说，时间t0——即第—通信单元启动发射半圆形波形40的时间，可以被设为0；而时间t1是可以判定的。进一步，通过计算这两个时间差值相差的一半，即[((t1+Td)-t0)-(t1-(t0+Td))]/2，可以判定时间延迟Td的值。这样，就可以判定两个通信单元之间的距离和计时的偏移。
如果所述信号或者波形是被数字化捕捉到的，那么可以使用高分辨率的信号处理技术以精确判定四个波形中每个波形的起点。例如，一些WLAN使有40MHz的时钟频率来抽样，这意味着抽样间隔为25ns，抽样之间对应着大约25英尺的分辨率。这样，一个简单算法——使用抽样时钟定时到最近的抽样可能不能估计精确定位的距离，例如厘米级的精确度。然而，可以使用信号处理算法来存贮数字抽样以精确估计波形的起点，即估计波形的起点，即使这个起点在抽样点之间(在上面的例子中使用距一个抽样最近的750个抽样)。对处理器30和30A中的信号处理来说，距离测量的精确度不仅依赖于信噪比，也依赖于所记录的波形的延时。应该指出的是波形40在时间上与波形40A可能有差别，并导致两个波形和噪声在时间上的记录差别，可以使用一个计数器来计数两个波形之间的抽样数量。
两个通信单元可能是将分集系统概念考虑在内的一个网络的一部分。分集系统是一种收集技术，他在保持最小品质的同时改进了业务的品质(QoS)和系统的容量。根据本发明实施例推导出来的距离信息可以改善系统的性能。例如，距离信息可以用于负载共享算法、软切换算法、网络管理算法、具有特殊应用和能力的定位设备、和其他方面等。一般而言，距离信息用于改善基站和移动用户之间的通信。
至此，很明显两个通信单元可以通过两个单元产生的基于两个单元之间的信号的时间差值来生成定位测量数据。时间差值也可以用于一个网络中来改善通信。
尽管在此表示和描述了本发明的一些特征，但是对本领域熟练技术人员来说可以进行很多修改、代替、改变、和使用等效物等。例如，图1的接收机部分可以替换为一个直接转换技术，他只使用滤波技术而没有使用混频器。因此，容易理解所附的权利要求书将覆盖不脱离本发明实质精神的所有这样的修改和变化。
权利要求
1.一个通信系统包括一个第一通信设备；和一个第二通信设备，具有一个接收机来接收所述第一通信设备发射的一个第一信号、并耦合接收所述第二通信设备产生的将发往所述第一通信设备的一个第二信号，其中所述第一信号和所述第二信号用于生成一个第一时间差值。
2.如权利要求1所述的通信系统，其中所述第二通信设备中的一个发射机和所述接收机被激活，以发射所述第二信号并同时通过所述接收机处理所述第二信号。
3.如权利要求1所述的通信系统，其中所述第一通信设备包括一个接收机来接收所述第二通信设备发射的所述第二信号、以及所述第一通信设备发射的所述第一信号，其中所述第一信号和所述第二信号用于生成一个第二时间差值。
4.如权利要求3所述的通信系统，其中所述第一通信设备中的一个发射机和所述接收机被激活，以发射所述第一信号并同时通过所述接收机处理所述第一信号。
5.如权利要求1所述的通信系统，其中所述第一和第二时间差值用于生成所述第一和第二通信设备之间的一个距离。
6.如权利要求1所述的通信系统，进一步包括一个处理器，耦合到所述第二通信设备的所述接收机，以接收所述第一信号的一个数字值和所述第二信号的一个数字值和一个计数器的值，该计数器的值计数所述第一信号和第二信号之间的时间间隔。
7.如权利要求1所述的通信系统，其中所述第一通信设备是一个移动站和所述第二通信设备是所述通信系统中的一个基站。
8.一个通信系统包括一个基站网络；和一个移动站，链接到至少一个基站以发射一个第一信号，并使用所述第一信号和从所述至少一个基站接收的一个第二信号生成所述第一和第二信号的一个第一时间差值。
9.如权利要求8所述的通信系统，其中所述至少一个基站发射所述第二信号，并使用所述第二信号和从所述移动站接收的所述第一信号生成所述第一和第二信号的一个第二时间差值。
10.如权利要求9所述的通信系统，其中所述第一和第二时间差值用于计算在所述至少一个基站和所述移动站之间的一个距离。
11.如权利要求10所述的通信系统，其中所述距离在所述通信系统中被所述网络用来控制切换决定。
12.如权利要求10所述的通信系统，其中从所述第一时间差值中减去第二时间差值，并将得到的值除以2来判定所述距离。
13.一个方法包括使一个第一通信设备向一个第二通信设备发射一个第一信号，并同时在所述第一通信设备的一个接收机中处理所述第一信号；所述第一通信设备的所述接收机接收所述第二通信设备发射的一个第二信号；和在所述第一通信设备中计算所述第一和第二信号之间的一个第一时间差。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括使所述第二通信设备向所述第一通信设备发射所述第二信号，并同时在所述第二通信设备的一个接收机中处理所述第二信号；所述第二通信设备的所述接收机接收所述第一通信设备发射的所述第一信号；和在所述第二通信设备中计算所述第一和第二信号之间的一个第二时间差。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括计算所述第一时间差和所述第二时间差之间的一个差值。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括使用所述差值连续跟踪所述第一和第二通信设备之间的一个距离。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括将所述距离作为分集信息提供给一个网络，以对所述第一通信设备和所述第二通信设备之间的通信进行相应的改变。
18.一个方法包括从一个第一通信设备向一个第二通信设备发射一个第一信号，并同时在所述第一通信设备的一个接收机中处理所述第一信号；从所述第二通信设备向所述第一通信设备发射一个第二信号，并同时在所述第二通信设备的一个接收机中处理所述第二信号；所述第二通信设备的所述接收机接收所述第一信号和所述第一通信设备的所述接收机接收所述第二信号；和基于所述第一和第二信号，在所述第一通信设备中计算一个第一时间差值和在所述第二通信设备中计算一个第二时间差值。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括将所述第一时间差值从所述第一通信设备发送到所述第二通信设备。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括使用所述第一和第二时间差值计算所述第一和第二通信设备之间的距离。
全文摘要
第一通信单元向第二通信单元发送一个第一信号，并同时在他自己的接收机中处理第一信号。第二通信单元向第一通信单元发送一个第二信号，并同时在他自己的接收机中处理第二信号。这两个通信单元都使用第一和第二信号来计算时间差值，这些值用于计算第一和第二通信单元之间的距离。
文档编号G01S13/74GK1491050SQ03107219
公开日2004年4月21日 申请日期2003年3月17日 优先权日2002年10月17日
发明者S·A·戈登, S A 戈登 申请人:英特尔公司