使用延迟扫描定向反射器的室内位置定位的制作方法
背景
本发明通常涉及定位的领域，且尤其是涉及适合于室内位置定位的系统和方法。
室内位置定位在今天的移动无线设备环境中变得日益重要。虽然室外定位服务花费一些时间来在技术可采用之后变得普及，但是今天，用于室内位置定位的应用跑在可采用的技术解决方案前面。很多技术用于室外位置定位，在它们当中的主要部分是使用轨道运行卫星的全球定位系统(gps)，轨道运行卫星传输使接收机能够准确地计算它的位置的定时和测距信号。除了gps以外，还提出了有各种采用程度的很多其它技术，包括蜂窝基站三角测量和三边测量。
不幸的是，用于室外位置定位的技术对室内位置定位执行得差。这是因为这些系统的信号在室内失踪或非常弱，如在gps的情况中的，或信号以重要的多路径到达以使室内定位变得不准确。
一些提出的系统试图使用可用室内wi-fi无线信号来帮助确定无线便携式设备的室内位置。不幸的是，wi-fi射频(rf)环境可随着时间的过去不可预测地改变，且甚至在理想条件下，定位才可以准确到几米的分辨率。其它所提出的系统使用无线信标，其使用蓝牙无线协议来缩小无线设备的定位。这样的系统依赖于检测到这样的信标之一的接近度，且因此需要将不同的信标部署在室内环境中的每个感兴趣点附近。远离信标仅仅几英尺，位置的估计不比使用wi-fi信号的估计更准确。这些系统依赖于检测具有与已知和公布的物理位置相关的某个预先注册的代码的某个路由器或信标以建立近似定位，并接着使用接收信号强度指示(rssi)来进一步缩小定位。这样的方法在它们可在大室内区域中实现的最终分辨率方面是有限的。此外，在第一个依赖于已经可用的低准确度和常常变化的wi-fi信号时，信标方法需要用大量活动信标覆盖室内区域，例如百货商店，当商店改变促销的商品并翻新内部陈列时，这些信标需要恒定的电源和物理管理。此外，那些方法太不准确或太笨重而不能在家庭住宅环境中采用。此外，因为这样的方法依赖于rssi测量，穿过墙壁和地板的信号穿透导致对商业以及增强的e911服务的主要缺点，因为使用墙壁和地板穿透，个人的定位不能缩小到确切的房间或确切的地板。
用于室内位置定位的其它所提出的系统例如基于如在sahinoglu、gezici和guvenc的″ultra-widebandpositioningsystems″(2008)中所述的超宽带(uwb)方法。不幸的是，这样的系统取决于用于正确的操作的电动有源射频识别(rfid)标签并可包括庞大的电池。在某个邻近地区内的很多用户的连续跟踪的情况下，电池寿命变得不切实际地短。此外，rfid标签可能是昂贵的。
其它所提出的系统使用编码led照明来确定室内位置定位。这样的方法依赖于检测来自led灯具的编码照明闪烁的移动设备的摄像机来确定定位。不幸的是，存在相当多的时间，其中个人的移动设备放置在手提包中或口袋中。此外，在大部分情况下，需要很多灯具的昂贵更换以适应新led灯泡。此外，这样的技术的准确度只能够提供近似定位，例如在房间内的定位，而不是确定具有足够的分辨率的实际定位，因为商业和住宅应用要求在几厘米的数量级上的准确度。当使用红外信标时，类似的限制出现。
其它所提出的系统使用超声波。这样的系统需要改造室内空间，多个无线/超声信标和/或接收机需要它们自己的电源。此外，超声传输和接收收发机可能太庞大并对移动设备或电池操作的信标消耗太多的功率。此外，超声在人的手提包中或口袋内部被严重地消音。
概述
在一个方面中，提供定位系统，其包括：一个或多个位置反射器，位置反射器的每个配置成反射雷达信号，每个反射雷达信号包括延迟了位置反射器的内部延迟的主反射；存储与一个或多个位置反射器相关的反射器数据的服务器；以及移动设备，其配置成从服务器接收反射器数据并传输雷达信号并处理所传输的雷达的反射以确定移动设备的位置。
在另一方面中，提供用于电子设备的位置定位的方法。该方法包括：传输直接序列扩频编码雷达信号，雷达信号具有在两个频率之间扫描的中心频率；接收包括来自多个位置反射器的反射的雷达信号，每个反射包括延迟了对应位置反射器的内部延迟的主反射和进一步延迟了对应位置反射器的内部延迟的次反射；使在所接收的雷达信号中检测的信息与用于形成所传输的雷达信号的对应信息相关以确定在反射中的最高点；使用在反射中的所确定的最高点来检测关于反射的频率信息和延迟信息；从延迟信息确定关于位置反射器的内部延迟的信息；使用所确定的内部延迟信息来识别多个位置反射器；使用检测到的延迟信息和所确定的内部延迟信息来确定到多个位置反射器中的至少一个的范围；使用频率信息针对来自多个位置反射器中的至少一个的反射来确定到达角；以及使用范围和到达角来确定电子设备的位置。
在另一方面中，提供用于位置定位的设备，其包括：耦合一个或多个天线的射频前端；以及处理器，其耦合到射频前端并配置成将雷达信号供应到射频前端用于传输，从射频前端接收从一个或多个位置反射器反射的信号，并处理所接收的信号以确定设备传输的位置，处理包括确定从主反射到次反射的延迟。
附图简述
本发明的关于它的结构和操作的细节可部分地通过研究附图来搜集，其中相似的参考数字指相似的部分，以及其中：
图1是根据当前公开的实施方案的室内定位系统的功能方框图；
图2示出根据当前公开的实施方案的示例位置定位；
图3示出根据当前公开的实施方案的另一示例位置定位；
图4是根据当前公开的实施方案的位置反射器的功能方框图；
图5是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图；
图6是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图；
图7是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图；
图8是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图；
图9是根据当前公开的实施方案的位置反射器的等距图；
图10是根据当前公开的实施方案的位置反射器的平面图；
图11是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的平面图；
图12是根据当前公开的实施方案的传输和接收雷达链的功能方框图；
图13是根据当前公开的实施方案的具有可选的天线布置的另外传输和接收雷达链的功能方框图；
图14是根据当前公开的实施方案的具有另一可选的天线布置的另外传输和接收雷达链的功能方框图；
图15是根据当前公开的实施方案的位置信号处理的功能方框图；
图16是根据当前公开的实施方案的传输位置信号处理的功能方框图；
图17是根据当前公开的实施方案的接收位置信号处理的功能方框图；以及
图18是根据当前公开的实施方案的用于确定位置定位的过程的流程图；
详细描述
公开了系统和方法，便携式无线移动设备可通过所述系统和方法使用雷达反射器将它们的室内位置准确地确定到例如厘米水平。可使用频率和/或编码信号、具有内部固定rf延迟的扫描方向回溯或向后反射无源雷达反射器。这样的反射器可放置在给定室内空间中的天花板、墙壁或地板上的某个地方，且它们的位置和定向变成移动设备可得到的。
移动设备可通过使用特殊编码的雷达波形测量在它和给定的附近反射器之间的距离以及在反射器处的到达方位角和仰角(aoa)来准确地确定它的位置。通过能够确定它相对于已知位置和定向的给定反射器的距离和角度，移动设备能够使用仅仅一个无源反射器来确定它在三维空间中的位置。检测来自多个反射器的反射可增加所计算的准确度。此外，载波相位范围确定技术可用于在各种室内环境下产生提高的准确度。最后，给定反射器的无源性质和低剖面设计，例如通过将它们固定到在室内空间内的任何扁平和无阻表面或将它们放置在天花板瓦片之上而没有布线或测绘，它们的安装在商业和住宅背景中都是简单的。一旦被安装，就不需要维护，例如电池更换或重新校准。此外，这样的反射器包含具有不严格的公差的非常少的无源部件，且因此生产起来非常廉价。这些反射器也一般是扁平和不引人注目的，并可永久地安装在例如建筑物的清水墙上、后面或内置到清水墙内。
与当前公开的方法和系统一起使用的反射器具有各种形式和功能。一些反射器提供测距信息。其它反射器提供角度信息，例如方位角、仰角或这两者。反射器还可提供测距和角度信息。反射器可被称为雷达反射器、位置反射器、定位反射器或类似术语。此外，可使用描述特定的反射器的特征的形容词来提到反射器，例如复合反射器、延迟反射器、频率扫描反射器、频率扫描方向回溯反射器、非扫描向后反射雷达反射器、水平扫描反射器、垂直扫描反射器、线性反射器、无源反射器或扇形反射器。
在实施方案中，移动设备包括传输雷达信号以由墙壁或天花板上安装的rf反射器反射的电路。反射器可包括内部延迟。反射器可以是频率扫描相控阵型天线结构。频率扫描相控阵天线结构是基于激发的频率在给定方向上具有高增益波瓣的天线结构(见例如″antennas″，第二版，johnkraus，1988，11-11章)。因为激发的频率改变，天线的这个主高增益波瓣的方向角也改变。在雷达安装中使用类似的天线结构，其中通过扫描激发频率，使结构从结构里向外扫描集中辐射角的方向。给定天线结构的互反性质，辐射针对给定频率被最大化所沿着的方向也是在相同频率处的最大接收灵敏度的方向。这些类型的天线结构只有一个连接端口，即使它们一般由相控阵天线矩阵制造。通过将定相延迟插在从天线结构的单个端口到结构内的辐射元件的rf功率分离/组合分支迹线中来实现元件的定相。位置反射器可安装在房间的天花板角落中。在这样的情况下，所需的扫描角可小于90度。在一个实施方案中，这些反射器被制造，以便只有在房间的方向上的非零增益，而没有相当大的向后灵敏度。这可减小与来自相邻房间或地板的信号的反射或交互作用的可能性。
在另一实施方案中，反射器设计成产生方位角和仰角aoa。单个线性相控阵可沿着一个角扫描弧形。为了使反射器能够产生两个角，复合反射器可包括两个并置的反射器，一个垂直地扫描而另一水平地扫描。并置的反射器中的每个对不同的激发子带做出响应。移动设备为每个子带传输频率扫描并单独地检测方位角和仰角aoa。一些天线可根据激发频率产生光栅扫描并因此能够使用一个频率扫描来产生方位角和仰角。
在实施方案中，移动设备传输具有连续扫描中心频率的雷达信号。在某个时刻，这个雷达信号的频率等于导致在移动设备的方向上的最大天线增益的频率。此时，移动设备检测从反射器回到移动设备的最大反射信号功率。通过记录这个频率并使用移动设备已经有的来自网络的关于根据这个天线反射器的频率的辐射的位置、定向和角度的信息，移动设备能够计算相对于天线结构的角度，移动设备沿着该天线结构存在。此外，通过测量在信号的传输和反射的随后检测之间的往返延迟，移动设备也可计算在移动位置和反射器之间的距离。在有关于反射器的位置和定向的知识并检测了到这个反射器的距离和aoa后，移动设备能够计算它在3d空间中的位置。为了达到非常高的准确度，可使用载波相位测距技术。
在一个实施方案中，移动设备传输扫描寻找最高反射功率的频率的某个宽度的雷达信号。具有最高反射功率的频率是导致在移动设备的方向上的最大反射的频率。此时，移动设备可将频率扫描限制到接近这个中心频率的频率用于随后的位置定位，因为移动设备可以不移动很多。这减小搜索时间并减小所传输的功率。使用移动设备中的功率控制，即通过减小或增加辐射功率用于使给定雷达信号以传输导致具有最小可检测到的反射功率的反射的信号，移动设备可增加电池寿命并减小对其它在近旁的设备的干扰。此外，分开与反射器有关的给定角度的两个移动设备将对它们的雷达信号使用不同的频率，因为它们到天线的aoa是不同的。这增加系统的容量，因为由于不同的频率和天线增益扇形区，基于朝着激励器的方向的反射器天线方向回溯辐射集中，一个反射器可同时并以最小交叉干扰操纵在给定区域内的多个移动设备。在非常紧密地并置的移动设备的情况下，可使用时分、频分或码分多址技术，使得每个设备可区分开它自己的信号与其它设备的信号。
在一个实施方案中，在反射器天线处接收的信号在重新辐射回到移动设备之前被延迟。延迟一般在一微秒的几分之几到几微秒的数量级，但可以更大或更小。这可由多个无源rf部件例如体声波(baw)设备、加载延迟线、lc延迟线、表面声波(saw)设备或其它rf声方法(例如类似于由便携式视频摄像机以前使用来支持paltv标准的那些方法)实现。此外，可通过使用具有负电容率和/或磁导率的最新开发的超材料结构来延迟信号，其中群延迟可变得任意长。
在实施方案使用baw滤波器的情况下，天线馈电线的输入被匹配并连接到baw滤波器的一侧，而滤波器的另一侧对地短路。baw滤波器可被选择为使在雷达传输的信号中的所有能量通过。由于不可避免的失配，在天线处接收的信号具有不可避免的立即反射。然后信号的大部分被馈送到baw滤波器内。在穿过baw滤波器的一次传播延迟时间之后，信号通过对地短路而被完全反射。信号在驱动天线结构并在移动设备的方向上重新辐射回之前经历另一传播延迟时间。在这个实施方案中，移动设备事先知道给定反射器的这个延迟并将它从往返延迟计算减去，以便计算在移动设备和这个反射器之间的真实物理距离。
通过在将雷达脉冲反射回到传输移动设备之前使雷达脉冲延迟，实现多个优点。首先，来自移动设备的所传输的雷达信号可具有对一般房间的大约90ns延迟幅度到对购物中心的200ns幅度。这是时间，在该时间期间，信号由于来自环境障碍物的寄生反射而继续以可检测到的功率持续(见例如″ofdmforwirelessmultimediacommunications″，r.vannee和r.prasad，2000，章1.3)。通过使在每个反射器处的所接收的信号延迟了比这个时间长的时间，由于例如来自反射镜或电气地大的金属物体的寄生环境反射而引起的伪位置确定被消除了，因为在比最小反射器延迟长的延迟之后接收的信号可以只来自反射器。虽然可能仍然从反射器得到所反射的信号，也沿着它到移动设备的路径从导电物体反射。这个多路径寄生信号由于在反射器中的延迟而比直接寄生反射具有低得多的出现概率，且它的影响可通过确保反射器放置在最大化视线反射的概率的位置上来进一步减小。此外在大部分情况下，大寄生反射器位于墙壁上或附近。因为移动设备也知道在反射器处的入射角且因为这样的反射器接近房间表面，则错误计算的位置一般由于房间广度而导致不合逻辑的物理位置并可相应地被处理。
此外，在反射器中插入的内部延迟允许移动设备传输雷达波，其当使用光速被映射在物理空间中时比在移动设备和反射器之间的一般最大室内距离长得多，而同时仍然允许所传输和反射的信号不在移动设备处重叠。针对发射机，较长的雷达信号导致更高的距离分辨率和更好的更低的峰均比率。非重叠也意味着移动设备可为信号传输或反射接收模式分配可选的非重叠时间。通过在交替的非重叠时间调度传输和接收操作模式，接收机前端电路极大地简化了，因为回到rx侧的tx信号泄漏由于tx和rx不同时出现而被避免。
此外，可使用直接序列扩频(dsss)相位调制来对雷达信号编码。在这些系统中，内部反射器延迟便于区分开所传输的信号及其反射，如果内部反射器延迟确保多于一个码片延迟间隔。
在给定反射器内的信号的延迟可能是已知的并在连续的基础上被紧密地控制。这是因为这个延迟直接加到往返延迟，且在它的以前公布的延迟和实际延迟之间的任何差异由于温度漂移或部件老化而导致在计算移动设备和反射器之间的距离时的直接误差。虽然可能以及时的方式通过周期性校准过程来连续测量并再公布实际延迟，但是本文公开的可选实施方案以交替的方式处理此。
在一个实施方案中，反射器使用baw滤波器来使所接收的雷达信号延迟。不是反射所有功率，反射器在内部使用对于所接收的信号使天线结构的阻抗与baw设备匹配的定向耦合器。在baw的另一侧上由对地短路反射的在baw内的信号朝着baw的输入端口被反射。在这个方向上，存在有意失配，其允许原始信号的一部分耦合回到天线结构并被辐射回到移动设备，同时剩余部分反射回到baw内。这个重定向的剩余部分的一部分被允许在baw内的另一往返延迟之后耦合到天线，且循环重复。例如在一个实施方案中，失配将允许原始信号的4/5或-1db耦合到天线并循环回五分之一。在第二反射时，天线将重新辐射原始信号的4/5x1/5＝4/25或大约-8db。下一反射将是4/5*1/5*1/5＝4/125，依此类推。在这里的重要事实是，移动设备应在2倍baw延迟加上自由空气往返延迟之后接收信号的一部分。它应稍后在确切地4倍baw延迟加上相同的自由空气往返延迟时接收另一信号。给定这两个读数，移动设备可准确地测量baw往返延迟，将它从第一反射往返延迟的测量减去，且因此可准确地确定从移动设备到反射器的距离。因为这在空中完成，没有校准、匹配或测量需要在反射器的安装之后重复，因为移动设备能够调节由于温度和部件老化而引起的可能的小延迟漂移。在baw群延迟上强加的制造公差可明显放宽，且所公布的反射器延迟只需要近似。设计折衷涉及选择什么分数耦合回到天线，以及什么部分反射回到baw。使大的部分耦合到天线增加了第一反射的snr，但随后的反射可能太弱而不能检测到。相反，将大的部分耦合回到baw使第一反射变弱，且结构继续在很长时间期间重新辐射残余能量。例如，如果1/4被选择，则来自天线的第一反射将是从原始所接收的功率向下-1.25db。第二反射将是从原始所接收的功率向下约-7db，以及第三反射将是从原始所接收的功率向下-13.25db，依此类推。可选地，如果使用1/10，则反射信号功率将分别是-1db、-10.45db和-19.9db。请注意，移动设备需要处理第二反射仅仅一次，在那之后移动设备只需要处理第一反射，因为在baw中的延迟并不被预期在短时间段内明显改变。此外，以强置信度执行这个反射器延迟确定的移动设备将这个测量值连同置信度指示符一起上传到公共服务器以由其它移动设备使用。根据校准置信度，其它移动设备可选择使用这个最近公布的值而不是重复测量本身。请注意，为了清楚，我们忽略了延迟元件插入损耗。实际上，反射信号将对在延迟元件内的每个往返传播引起延迟元件的两次插入损耗。我们还假设，作为例子，baw滤波器用于延迟。也可使用其它延迟元件。
到目前为止我们描述了移动设备可如何确定它离给定反射器的距离以及在那个反射器处的aoa。为了使移动设备正确地确定它的位置，它应在邻近地区中有多于一个反射器的情况下确定给定信号反射来自哪个反射器。它还应知道该反射器的位置和定向以及每个反射器的频率与aoa到达特性的关系以及反射器的第一反射的分数反射功率比。可在这样的反射器的制造过程期间通过设计或通过测量来确定频率与aoa到达特性的关系、近似的嵌入延迟以及第一反射的分数反射功率分数，且唯一的反射器类型号可与和给定反射器变形相关的每个不同的特性相关。在安装期间，填充查找表，其包含反射器id号、频率特性号和每个所安装的反射器的物理位置和定向的条目。此外，条目也被包括在给出近似内部延迟——如果有的话，每个反射器使用——的表中。使这个信息存在于互联网云中的某个服务器上，不管是本地的还是全局的，并变成所有设备可访问的，这些设备被允许执行在某个邻近地区内的位置定位方位。反射器的位置和定向可关于室内路标给出或关于标准地理勘测和定位数据给出。虽然反射器延迟的准确制表不是严格地需要的，因为移动设备可从上面所述的分数反射方法确定它，它仍然可被提供以减小移动设备侦听可能的反射时的时间。
移动设备也可确定给定反射可来自哪个反射器。各种技术可用于反射器识别。一个实施方案基于在反射器内的给定延迟元件例如体声波设备(baw)展示的特性(例如延迟和/或滤波)。这些内部反射器延迟比最长的自由空气往返延迟大得多，且因此可容易通过使极接近的每个反射器展示与它的邻居的内部延迟不同的内部延迟来容易区分开。此外，这些延迟元件可具有不同的频率滤波特性，从而帮助校正反射器-反射分配。
另一实施方案使用移动设备的已知的以前或近似位置来排除反射到反射器的错误映射。例如，在存在稀疏地定位的几个反射器的空间中，在一些场合移动设备可能从仅仅一个反射器接收反射。使用这样的反射，移动设备能够确定离反射器的距离和在反射器处的aoa。使用这个信息，移动设备基于这个距离和aoa针对在延伸的邻近地区中的每个反射器(包括存在于地板之上和之下以及在相邻房间内的反射器)计算可能的移动设备位置。有关于它离前一和最近的位置方位的位置的近似理念或通过使用当前用于室内定位的其它不准确的方法中的任一，移动设备可以高概率快速排除所有错误的位置，并因此可选择正确的位置并确定它在那个时刻检测到使用的正确的反射器。这个实施方案的改进涉及基于物理上不可能的位置例如在墙壁内部或在地板之下或在窗户之外(仅举几个例子)抛弃错误位置。应注意，除了所计算的距离以外，本文所述的系统的实施方案也确定在发射机处的aoa的事实极大地提高了检测错误位置并识别与正确识别的反射器相关的正确位置的几率。这个信息可用于随后的定位作为辅助信息。卡尔曼滤波技术可用于进一步使所确定的位置对嘈杂的测量变得更鲁棒。
确定反射来自哪个反射器的另一实施方案涉及使用雷达信号反射功率。给定反射器的方向回溯性质、上面对嵌入延迟量化概述的分数功率反射的方法和视线的条件被预期对准确的位置普遍的事实，以某个准确度计算从每个给定反射器返回的预期功率水平变得可能，如果反射来自那个给定反射器。这给出反射是否是视线或透过墙壁、天花板或地板的额外指示。它也可指示反射是否也从在反射器和移动设备之间的另一物体反弹。所有这些信息帮助正确地将检测到的反射分配到正确地确定移动设备位置的各自的反射器。它也确定最后一个位置被计算所用的置信度。此外，我们可试图通过每个反射器的分数反射系数使每个反射器与其它不同来区分在同一邻近地区中的反射器，分数反射系数用于允许内部反射器延迟的准确测量。通过测量在随后的反射之间的功率差，我们可为每个反射信号确定这个系数的估计，且我们然后可使用在公共表中的信息来使它与特定的反射器相关。
在可选的实施方案中，我们可设计在邻近地区中的反射器具有不同的频率与主波瓣扫描角特性关系。例如，在实施方案中，一个反射器可具有每1mhz的频率扫描5°的主波瓣扫描，而另一反射器可具有每mhz的频率扫描7°的主波瓣扫描。一旦移动设备检测到给定反射的最大反射频率，它就接着扫描它的频率并监控反射功率下降得多快。因为移动设备对于给定反射已经知道到反射器的距离，移动设备可预测当激发频率从最佳频移时反射功率应下降得多快。通过对每次反射比较这个结果并从所公布的安装数据知道在邻近地区中的反射器的扫描特性，移动设备能够正确地将每个反射信号分配到正确的对应反射器，且因此移动设备物理位置可被准确地确定。具有不同的频率扫描特性的反射器的这个理念可扩展到其它频率特性，例如使每个反射器对在给定频带内的不同的频率子带做出响应。在一个实施方案中，第一反射器使用f0到f1的频率跨度越过整个空间进行主波瓣的方向的完全扫描。另一反射器使用f1到f2来完成相同的事。这允许哪个反射属于哪个反射器的不含糊的确定。
设法确定给定反射来自在公开公布的反射器表中的哪个反射器的所有上述实施方案假设移动设备接收来自一个且仅仅一个反射器的反射。然而，如果移动设备能够接收来自两个或多个反射器的反射，那么确定哪个反射来自哪个反射器变得更简单。在大部分情况下，如果我们错误地交换反射到反射器的分配，则新计算的位置对在反射器处的aoa为了收敛将需要与被测量的非常不同的最大反射频率，因此检测误差。我们然后利用正确的反射器-反射分配选择正确位置。在一些情况下，特别地在移动设备离反射器等距且同时远离它们的场合，猜测正确的反射-反射器分配变得更有挑战性。幸运地，在这样的分配下，两个所计算的位置(具有正确的反射器-反射分配的位置和具有不正确的反射器-反射分配的位置)都接近彼此，且由于可能的错误分配而引起的位置误差很小。然而，预期在这样的情况下且远离两个反射器，另一反射器将在附近并将给出更准确的位置并解决误差。我们可通过注意反射器定位来减少坏几何条件的这样的出现。此外，我们可混合水平扫描反射器与垂直扫描反射器以进一步减少坏几何条件出现。
在实施方案中，系统使用上面概述的一些或所有技术和方法来正确地将反射分配到它们的各自反射器，因而导致移动设备的位置的正确计算。
本文公开的系统可在包括可用许可频带或无许可频带的多个rf频带处操作。频率越高，天线结构就需要在物理上更小以实现相同的方向性和天线结构增益响应。此外，较高的频带提供位置的较高空间分辨率。另一方面，较高的频率导致较昂贵的tx和rx电子设备和在移动设备中的较高功率消耗。当与载波相位测距技术耦合时的较高频率导致只由可用信噪比和由如下讨论的所使用的带宽限制的非常准确的位置确定。
现在描述雷达信号的结构，其可由移动设备连同前面提到的反射器使用以便以如由在给定时刻应用要求所需的动态地变化程度的准确度得出移动设备到反射器的距离的良好估计。对在测距应用内的准确度的理论限制由克拉默-拉奥下界(crlb)(见例如marka.richards的″fundamentalsofradarsignalprocessing″(2014)和lanzisera和pister的″rfrangingforlocationawareness″(ucberkeleytechnicalreport，2009))给出。
对于测距应用，crlb由下列公式给出：
其中σr是范围测量方差，c是光速，b是信号带宽，以及是es/n0在接收机处信噪比(snr)的度量。
对于被预期在室内测距中使用的一般信噪比，方程(1)简化为：
我们可从公式看到，我们通过增加信号带宽(bw)或通过增加我们的信号的信号snr或这两者来能够减小σ并因此增加测距准确度和分辨率。对于rf信号，可以用多种方式完成增加带宽。它们中的全部要求rf信号以多种不同的方式被调制。早期连续波雷达(cw)对雷达信号使用单频音调。一般，音调被接通和断开以增加最大范围。此外，使当波接通时的时间尽可能短，以增加bw并因此增加范围分辨率。增加bw的这个低效方法导致在传输功率放大器中的非常高的峰值与平均值比，且对于在同一邻近地区内的多个用户不容易允许。
在一个实施方案中，移动设备使用线性或非线性扫描的、有或没有脉冲窗口的频率调制的方法，以增加信号bw。给定相同的snr，频率调制可使范围分辨率在时间上增加1/bw且在距离上增加2c/bw。线性频率调制(lfm)是在一些雷达系统中使用的技术。对于在本文公开的反射器，注意，改变频率改变了在反射器处的方向性的角度。由于这个原因，频率扫描(bw)的程度在这个实施方案中被限制到反射器的方向性改变很少期间的bw。因此在这个实施方案中，改变信号的中心频率导致不同的反射器方向性角度。但将在中心频率周围的频率改变了较小的bw例如在lfm的情况中导致较小的方向性改变，以确保方向回溯在lfm扫描期间被维持。在实施方案中使用lfm频率调制。但也可使用很多其它频率调制来代替lfm，包括非线性频率调制、开窗频率调制、选通lfm、向上扫描和向下扫描lfm以及阶梯式啁啾波形(见例如″fundamentalsofradarsignalprocessing″)。
在一个实施方案中，位于同一地点的使用频率调制的移动设备可选择如反射器所指示的不同的扫描速率、不同的选通接通/断开时间和不同的中心频率以区分开它们的雷达信号与附近的其它移动设备。
在实施方案中，使用相位调制信号。示例相位调制包括bpsk或qpsk类型。使用直接序列扩频(dsss)来调制载波以增加信号带宽(bw)。dsss在这个实施方案中提供两个目的。它增加bw并因此根据crlb来提高范围测量准确度。它也提供多址接入能力。多址接入指支持在同一邻近地区内的多个移动设备的能力，例如在购物中心和体育赛事中的情况。这个多址接入可通过使用如当前在gps中使用的不同的伪随机数序列(prn)以区分开不同的卫星信号或通过使用相同的prn但由大于任何预期反射延迟的prn偏移分离用户来实现，如今天在cdma通信系统中使用来分离在同一频率上的不同的移动设备和小区站点(见例如″cdmarfsystemsengineering″，samuelc.yang，1998)。
在一个实施方案中，不是使用伪随机数(prn)序列，移动设备使用真随机数(trn)序列。prn序列被称为伪随机，因为它们实际上不是随机的，但根据被设计成产生尽可能多地模仿真随机序列的序列的数学关系来产生。
真随机trn按照定义具有无限循环长度。它们可在移动设备内通过数字化自然出现的随机现象例如放大的热噪声或二极管反向偏置雪崩噪声动态地产生。这样的trn在理论上具有与其它trn的零交叉相关，且因此使用它们编码的信号对所有其它收听者或对本身在时间上移位一个或多个码片周期的任何拷贝实际上看来像更高的热噪声。使用trn是可能的，因为tx处理和rx处理都在同一设备中被执行，给定反射器的无源和线性性质。在tx和rx在同一设备上发生的情况下，通过保持用于产生tx信号的真随机序列值的临时拷贝直到这些是用于相关或解扩在rx处的反射的值为止来完成trn使用。所有其它以前提到的室内解决方案(其中测距信号的发送机物理地与接收机分离)将不能够实时地使用trn。这除去对积分时间的任何限制并允许移动设备选择它需要的任何积分时间来达到它在给定时刻期望的准确度。
即使移动设备时钟不需要使用外部源被同步到绝对时间用于有效信号相关，因为rx和tx都存在于同一移动设备上并使用同一本地振荡器，移动设备时钟然而应足够准确到在光速下反射飞行时间的时间以产生期望测距准确度。换句话说，虽然移动设备时钟保持绝对全球时间并不重要，本地移动设备时钟应准确地测量从tx到rx反射的时间。确保时钟保持准确的差时rx_time-tx_time是比确保本地移动设备时钟准确地保持绝对时间简单得多的问题。在实施方案中，移动设备被制造成通过将本地振荡器锁定到在已知从准确的参考得到的环境中可用的任何存在的rf信号来保持准确的差时，以及这个源不移动，以便不由于多普勒而移位它的表观频率。对于室内环境，用户运动足够慢以由于可接受的用户运动而产生忽略的多普勒，除了最严格的应用以外。具有非常准确的频率参考的外部静止参考源的例子包括广播无线电或电视信号或任何蜂窝网络，包括异步网络。事实上，所有现代蜂窝移动电话例如cdma和lte已经那么做以实现在移动设备和小区站点之间的正确通信。本地振荡器到蜂窝网络信号的这个锁定也用于允许在一些室外位置定位实现中的较长的gps信号相关时间。一旦本地振荡器被锁定到例如小区站点导频信号，本地振荡器周期就被调节为等于在小区站点处检测的gps星座的。实际上，这个操作允许相对廉价的本地振荡器维持与gps时间一样准确的″停表″准确度，因而实现非常高的准确度范围测量。请注意，甚至在振荡器锁定之后，移动设备的绝对时间也可与绝对时间相差未知的移动设备到小区站点传播延迟。幸运地，由于反射器的无源性质，根据外部数据的绝对时间是不需要的。由于在今天的室内环境中的无所不在的蜂窝覆盖，这种技术在室内起作用。当需要非常高的位置准确度时，可执行将振荡器锁定到外部参考。在其它应用中，基于晶体的本地参考振荡器具有足够的准确度。
重要地此处注意到，在实施方案中，当相位调制被使用时在给定反射器内的内部延迟必须大于单个prn或trn码片周期。这是因为在室内环境中预期在单个码片周期期间以一般码片率行进的距离比所遇到的测量范围长得多。例如在10mhz码片率下，在距离中的码片长度是在自由空气中的大约30米。这意味着信号离开移动设备tx、行进到反射器并返回到移动设备rx都在单个码片内是高度可能的。这意味着移动设备需要反射器内部延迟大于一个码片以区分开来自同一移动设备的tx信号与其回波rx信号。此外，每个反射器应具有与每个其它反射器相差最小一个码片周期(例如对于10mhz码片率是100ns)的延迟，以便分离来自在邻近地区中的各种反射器的反射。这在一个实施方案中可容易使用简单的baw滤波器来实现。此外在反射器使用部分反射的实现中，反射器延迟应彼此相差多于一个周期以允许多个分数功率反射从给定反射器变弱以防止来自附近反射器的次反射使远反射器的prn延迟与较长的内部延迟匹配。
本文公开的系统可能对伪卫星和用于室内位置定位的信标所经历的近/远问题不敏感。这是因为由于反射器频率角扫描特征，来自不同反射器的大部分时间反射出现在不同的中心频率处，并因此可基于频率基础而被隔离。此外，由于这样的代码的低交叉相关值，使用长prn以及在理论上无限循环trn的能力允许近/远自己的反射信号的更好分离。长prn或trn由于下面的事实而变得可行：同一本地振荡器用于将信号一直扩展和扩张到振荡器相位噪声的限制。此外，在非常拥塞的条件下，中央网络无线电链路管理器可在移动设备当中仲裁以确保不可容忍的交叉干扰不出现。这个管理器可存在于互联网云中的某个地方。这是可能的，因为反射器是无源的，与辐射信标或伪卫星相反，且因此只辐射来自在邻近地区中的移动设备的信号。无线电链路管理器可以只允许可管理数量的移动设备同时访问以使用在邻近地区中的反射器来确保以在期望或可达到水平的准确度下对所有设备的有用的位置定位确定。系统可能对其它系统的近/远问题非常不敏感，因为移动设备能够使用一个近反射器来确定它的位置。检测到的额外远反射器提高准确度，但对有用的3d位置确定是不需要的。因此，在移动设备在同一中心频率下接收来自两个反射器的反射(一个反射具有比另一反射高得多的功率)的不可能的事件中，可能看到一个反射器的移动设备仍然可有用地计算它的位置，且在短时间内，小运动改变天线扫描中心频率，允许移动设备检测其它反射器并因此改进以前的位置确定。
在实施方案中，接收掩蔽其它反射器的近反射器的非常强的反射的移动设备可通过使所传输的频率从最佳频率解调来减小来自这个近反射器的反射功率，最佳频率导致在移动设备的方向上的最大反射。这可严重降低来自近反射器的反射功率，允许移动设备检测来自具有低得多的反射功率的远反射器的信号。移动设备也可执行对每个中心频率的单独功率控制，激发不同的反射器来减小由于近/远现象而引起的所需rx动态范围。
在被预期具有单个用户或低数量的稀疏位置确定用户的位置处，例如在私人住宅内，雷达信号的相位调制的主要目的唯一地是增加信号带宽bw，以便导致在移动设备和反射器之间的较精细的范围分辨率。在这样的情形下且在一个实施方案中，移动设备可使用相对短的prn代码，例如巴克码或移位的巴克码或任何数量的其它代码的产品(见例如在″fundamentalsofradarsignalprocessing″中的章4.10)。在这里，期望bw增加是码片率而不是prn序列长度的结果。因此，即使这些序列短，我们也仍然可达到bw增加，且因此范围分辨率提高了大约1/bw的码片率。给定低数量的用户，可通过增加输出功率来完成增加准确度的snr提高，因为相邻用户的概率低。仍然甚至对于这些稀疏环境，较大的代码仍然可用于提高snr。
在实施方案中，在预期许多移动设备试图确定它们在彼此的极接近区域内的位置时的位置处使用较长的prn序列或甚至trn序列。使用较长的序列，两个系统架构在场。第一架构不允许tx和rx同时出现在同一移动设备内(半工)。第二架构允许tx和rx同时出现在同一移动设备内(全工)。在雷达系统中，半工在传统上是被偏爱。这是因为在雷达系统中，所接收的信号是所传输的信号的延迟版本。因此在使用简单的频带分离的tx和rx之间的一般信道分离可能不是实际的。所以迄今为止对于大部分雷达系统，tx和rx活动是时间交织的，rx不被泄漏回到rx路径内的tx信号完全盖过。
在一个实施方案中，移动设备在调制所传输的雷达信号的相位时使用长prn或trn序列，并使tx和rx活动时间交织。为了得到prn序列的全部益处，我们应发送至少一个全prn序列长度。在该时间期间，rx侧被屏蔽。为了使tx和rx不重叠，使用两个备选方案中的任一个。第一个是使在反射器中使用的内部延迟长到足以适应prn序列的一个全长。换句话说，没有反射被发送回，而prn的全长被传输，其后刚好在接收到反射之前tx被关闭且rx被启用。另一备选方案是使在单个prn序列长度内的tx和rx活动时间交织。例如，tx被接通并传输prn序列长度的一部分，然而断开tx，使rx能够侦听反射的回波。在预期反射的一个周期之后，tx被接通以传输prn序列的另一部分，而rx被禁用，依此类推。这个交织继续，直到prn总序列长度被传输为止。这个交织具有防止内部反射器延迟很大但同时维持长prn序列的优点的结果。在这两个备选方案中，在发送序列中的第一个码片和接收最后一个码片之间的周期在理论上是相同的。然而在部分交织的情况下，除了反射器的可变延迟之外，还应解释在tx和rx切换之间的某个防护时间。
在另一实施方案中，tx和rx都同时出现(全工)。在雷达系统中，溅在rx路径上的tx信号已知有极大的准确度，因为它在同一移动设备内被构造。在这样的情形下，可在rx信号路径上使用有源噪声消除技术以除去所耦合的和不希望有的tx飞溅。可例如使用循环电路、交叉天线极化和有源噪声消除。这将足够的动态范围给予有用的室内位置定位。所有反射器都具有最少一个码片延迟的事实意味着来自环境的接近的反射可由扩张rx操作衰减。此外，长prn或trn代码的使用允许较高的处理增益改善这个隔离要求，并通过可忽略的交叉相关由于可忽略的相对多普勒频移由于在移动设备和反射器之间的慢相对运动而进一步变得可能。请注意，由于反射器的方向回溯特性，雷达反射比在一般雷达应用中强得多，且因此较低的动态范围是需要的，导致较少的所需tx/rx隔离。
除了调制信号路径以增加bw和/或允许各种多址接入操作的各种实施方案以外，我们还可通过增加snr比来提高范围分辨率，如在crlb方程中规定的。增加snr用两种方式完成。在一个实施方案中，通过增加来自移动设备的雷达信号的平均传输功率来增加snr。这可完成，直到来自移动设备的最大辐射功率的fcc限制对给定频带达到为止或当电池功率消耗变得非常高时。在另一实施方案中，rx相关时间增加，因此增加了rx的处理增益并提高了等效snr。为了频率和周期准确度，增加的相关时间需要在tx和rx主时钟之间的严格同步。幸运地，本文公开的系统使用无源反射器，且因此tx和rx信号都使用在同一移动设备内的同一时钟。在这样的情况下，相关时间只由本地时钟在反射往返延迟(包括反射器内部延迟，一般在微秒的数量级)所花费的时间期间漂移多少来限制，且因此相关时间可以是无限的，甚至对于廉价的振荡器。相干相关时间越长，处理增益就越高，且因此所达到的snr就越高。这的例子是在gps中发生的事情，其中所接收的信号相对于热噪声基底一般是-25db，然而接收机能够由于使用长相关时间的处理增益而检测并处理信号。
在gps中，所传输的dsss相位调制载波未被过滤，且因此频谱近似于无限延伸到载波频率的左边和右边的sinc函数。gps能够完成此，因为在海平面处的所接收的信号功率是在自然热噪声水平之下大约25db。对于陆地通信，功率水平较高，且频带外发射应被过滤。因此，一般陆地dsss传输具有在所传输的bw内的扁平频谱功率水平和在那个bw之外的非常低的发射。给定反射器的频率扫描特性，我们将预期所反射的信号具有不在所传输的bw内扁平的频谱。这是因为当频率远离给出在移动设备的方向上的最大反射的频率时，反射器的增益下降。如果我们假设移动设备正传输dsss，其中所传输的信号的中心频率确切地是在移动设备的方向上的最大反射所需的频率，则我们将预期所反射的信号的频谱将不是扁平的，但将同样在功率上降低，因为我们远离中心到任一侧。如果所传输的信号具有稍微高于或低于在移动设备的方向上的最佳反射所需的频率的中心频率，则那个峰值功率将从bw的中心偏移到一侧或另一侧。这向移动设备提供它应调节它的中心频率以及在哪个方向上的指示，以便跟踪给定反射器在移动设备的方向上的最大反射所需的频率和因此在所调节的中心频率周围的对称反射频谱功率。这也可提供对aoa的指示而不需要连续地扫描频率。
在一个实施方案中，移动设备足够灵活以增加或减小它利用来达到各种准确度水平的努力。如我们前面规定的，增加的准确度要求增加信号bw、传输功率水平和相干rx相关时间中的任一个或全部。增加的bw导致一些信号经历在移动设备的方向上的较低的反射器天线增益，一些信号远离移动设备反射且因此增加对在邻近地区中的其它移动设备的干扰。增加所传输的功率减小电池寿命且也增加对其它移动设备的干扰。最后，增加相关时间也增加电池寿命并由于较长的传输信号持续时间而增加对其它移动设备的背景噪声，并要求较长的修理时间周期。所以移动设备调低它每当高准确度是不需要的时花费的努力变得有用。在实施方案中，移动设备执行有源传输功率控制和动态bw选择和相关时间选择以在此时达到所需的范围准确度。
在一个实施方案中，移动设备对相对运动位置更新利用载波相位测量。直到现在为止，我们只考虑基于代码相位方法的位置确定。这将位置准确度限制到prn码片长度的分数，其精细度取决于如上面概述的bw和snr。然而，载波相位方法可将位置准确度实现到载波中心频率波长的分数内。这是比代码相位技术更精细的分辨率的数量级。在任何相干接收机中，载波相位是已知的，但信号行进到反射器和从反射器行进的波长的整数是未知的。这被称为载波整周模糊度(n)。如果我们知道n且我们也已经知道在rx和tx处的载波的残余相位，则我们可将范围计算到载波波长绝对准确度的小分数。在有利的条件下，用户bw和可用snr足以使代码相位确定的范围的方差缩小到低于1/2载波波长。在理论上，这足以确定用于载波相位计算的n并实现非常准确的定位。实际上，我们需要得到下至小于1/4载波波长的代码相位位置方差，用于可靠的n确定。一旦为一个或多个反射器确定了n，我们就可放松确定n所花费的努力并通过连续地跟踪所接收的信号的载波相位并使n递增或递减来保持每个反射器的n的准确了解，在任一方向上有每个完整的相位环绕。换句话说，移动设备花费极大的努力以可能通过增加码片率来增加bw和或通过较高的tx功率或较长的rx相关时间增加snr以确定n，接着切换到连续载波相位跟踪以维持非常准确的定位并通过减小它确定n所需的bw和或snr来放宽。如果在任何时间，载波跟踪由于环境条件而失去，则移动设备恢复到再次更强烈地依赖于用于位置确定和n确定的代码相位方法。
在使用载波相位测距技术的实施方案中，移动设备补偿当频率扫描反射器的主增益波瓣根据激发频率而摆动时导致的载波相移。在不补偿这个效应的情况下，载波相位测距技术的全部益处可能未被实现。幸运的是，移动设备知道激发频率且从所公布的反射器数据知道主波瓣的角度，且因此可估计并补偿频率扫描相控阵所特有的这个相移。
在环境不允许从代码相位方法进行n的可靠确定(给定可允许的bw和或snr)的情况下，我们可通过跟踪相对n个增量/减量来跟踪移动设备的相对运动，通过全周期相位改变，且残余载波相位从前面的位置改变，实现非常准确的相对运动测量。对于具有静止反射器的静止移动设备，该方法公认地不产生额外的信息以确定绝对位置。然而，如果移动设备正移动并接收来自多个反射器的反射，则在某个时间之后当保持跟踪历史时确定这个载波相位n模糊度和转变到高准确度绝对跟踪模式变得可能，特别是如果在反射器和移动设备当中的几何结构明显改变，如由使用伪卫星和gps卫星信号的完整信标着陆系统(见例如parkinson和spilker的″globalpositioningsystem：theoryandapplicationsvolumeii″(1996年，第15章)，且如在h.stewardcobb的″gpspseudolites：theory，designandapplications″博士论文(stanforduniversity，1997)中描述的)所使用的。如果三个或更多反射器是移动设备可见的，则这种方法起作用。
在前面的实施方案中，移动设备跟踪载波相位以维持准确的定位。这可能由于在拥挤环境中的多址接入限制而是不可能的。对于这样的情况，系统使用可非常快地解析n的技术。因为n可以以最少的时间被解析，没有跟踪是需要的，因为在每次定位时确定n而不是确定n一次并在那之后维持载波跟踪是同样有效的。较高的码片率和多个频率可用于以最少的时间和运动快速确定n以实现甚至在拥挤的环境例如运动场中的载波相位范围准确度。
在一个实施方案中，使用多个频率连同较高的码片率以产生足够的信息来动态地解析n并实现载波相位测距。那些不熟悉本领域的人可例如参考stone、jonathan等人的″carrierphaseintegerambiguityresolutionusingdualfrequencypseudolites″(11thinternationaltech，meetingofthesatellitedivisionofion，1998年9月，961-968页)和forssen，b的″comparisonofwide-laningandtone-ranging″(electronicletters，1997年8月28日，第33卷，第18号，1525-1526页)。基于反射器，本文公开的系统不需要校正τ且因此可独立于位置计算过程为每个反射器解析载波相位模糊度。此外，在一个实施方案中，激发频率有时轻微抖颤以在固定频率可允许的情况下允许n的更好的概率确定。
从对不同的rf频带做出响应的多个协作的扫描反射器构建多频率反射器。一个反射器设计成对从f0至f1起的扫描做出响应，而另一反射器对从f2到f3的频带做出响应。如果使这些反射器沿着同一平面扫描，则两个子频带可以只部分地重叠或分离以确保在任何给定激发频率处，主增益的方向从一个反射器到下一反射器不同，且因此两个频率用于任何反射器到移动设备角度。这些并置的反射器的天线端口通过rf组合器-分离器连接到同一继电器元件，且因此具有相同的内部延迟。移动设备现在可使用多个频率来激发这个多反射器，且因此能够使用一个复合反射器和短测量时间来解析载波相位整周模糊度n。这导致增加在拥塞的环境中的系统容量，同时仍然实现载波相位水平准确度。
在一个实施方案中，系统使用频率扫描来解析载波整周模糊度。从反射器之一反射的所传输的雷达信号除了内部反射器延迟以外还经历等于往返自由空气延迟的延迟。这个延迟转变到多个整周载波循环和残余载波相位。通过比较tx相位与rx相位，我们可确定这个残余相位。当我们改变激发频率时，整数数量的循环以及残余相位都改变。如果我们根据扫描激发频率跟踪这个变化，则我们将能够确定反射信号的循环的整数数量。给定反射器的在微秒数量级的一般内部延迟和在ghz的数量级的一般激发频率，预期数量的往返循环将在数百或数千循环中。这意味着对于在tx中的0.1％频率变化，全循环或更多从往返路径加上或减去。移动设备可产生非常准确的中心频率。通过扫描频率同时跟踪在rx载波相位中的变化，包括对全循环相位累积计数，我们可确定rx相位变化与tx周期分数变化之比，其给出n。在确定了n之后，我们现在可以在减去内部反射器延迟之后以高准确度计算范围。
由于由每个反射器提供的角度，移动设备可以只使用一个反射器来确定3d位置。例如，每个反射器可具有垂直扫描反射器，除了并置的水平扫描反射器，以给出方位角和高度角。这些角的准确度取决于扫描灵敏度和snr。然而如果多个反射器连同载波相位技术被使用，则这样的系统的准确度根本不被限制，且任何准确度可实现，如果足够的bw、snr、平均化在给定环境是可得到的。
在实施方案中，公开可访问的服务器，除了包含关于每个反射器的信息以及还管理在邻近地区中的可用带宽以允许公平的多址接入以外，也可交换位置定位辅助信息，其可帮助每个移动设备通过使用由其它移动设备公布的结果来以较少的努力准确地确定它的位置。这个帮助的例子是反射器内部延迟的测量值。在一个实施方案中，每个移动设备可公布它的位置并且还通过公布它应使用的特定延迟和它自己的prn序列公式来充当反射器。移动设备将接着知道另一移动设备的prn，且将检测另一移动设备的雷达tx信号，它将接着将它延迟所公布的量，接着使用另一移动设备的同一prn序列将它连贯地重新传输回。这使这个协作移动设备充当另一反射器，提供额外的一条测距信息，但尽管没有真实无源频率扫描反射器可以有的角度信息。
图1是根据当前公开的实施方案的室内定位系统的功能方框图。系统包括移动设备185，其位置将被确定。移动设备185可以是任何电子设备(例如智能电话)。系统还包括服务器194。移动设备185经由网络192与服务器194通信。网络192可以是例如蜂窝网络或wi-fi网络。系统还包括位置反射器181。移动设备185传输雷达信号182并感测来自位置反射器181的回波用于在确定移动设备185的位置时使用。为了易于说明，图1的系统只包括一个位置反射器；位置可包括多个位置反射器。虽然定位系统特别适合于室内使用，但是它并不这样被限制。
在传输雷达信号之前，移动设备185可确定它的近似(粗略)位置或邻近地区。例如，移动设备185可使用当前可用的定位方法或可从环境收集可用于这个邻近地区确定的信息。这个粗略位置确定的一个例子是保存最后一个已知的室外gps位置，其可用于确定移动设备185可能在哪个建筑物或建筑物群中。可选地或此外，移动设备185可通过检测具有已知的位置的可用wi-fi网络来缩小它的近似位置。这个近似位置可以是具有数十或数百米的不确定性的位置。使用这个近似位置，移动设备185连接到服务器194。服务器194可使用已知和所公布的互联网协议(ip)地址来通信。从移动设备185到服务器194的连接可通过互联网被路由。服务器可以是专用单独的服务器或可以是根据需要从服务器场租用的具有能力的共享服务器。
在建立了到服务器194的连接后，移动设备185向服务器194发送它的近似位置或任何环境信息，服务器194可通过该环境信息来接近移动设备185的粗略位置。服务器194可接着向移动设备185发送可在移动设备185的近似位置内可检测到的关于反射器的反射器数据的列表。
移动设备185然后传输雷达信号并侦听来自在服务器提供反射器数据的列表上的反射器的反射。如下面进一步所述的，移动设备185能够使用反射器数据的列表来确定所检测的反射来自哪个反射器、反射器的范围、在反射器处的雷达信号的到达角(aoa)或范围和aoa。使用反射器数据(例如关于反射器的位置、定向和频率以及延迟特性的信息)，移动设备185可准确地确定它的位置。
一旦初始准确位置被确定，移动设备185就可将它对反射的搜索限制到仅仅可来自位于紧邻的邻近地区中的反射器的那些反射。这可提高位置确定定位时间并可提高准确度，因为移动设备185现在可花费更多的努力(例如每假设更长的相关时间)检测来自在紧邻的邻近地区中的减少得多的数量的反射器的多于一个反射器，并因此提高准确度。在准确地确定了位置后，移动设备可接着例如通过跟踪与每个反射器相关的载波相位循环累积来非常准确地跟踪它从这个原始定位起的差分位置变化。这可以只对最苛刻的应用进行，因为由于连续跟踪，它可使用更多的处理和更多的功率消耗。
图2示出根据当前公开的实施方案的示例位置定位。图2示出具有墙壁200和地板的示例室内房间。移动设备285配备有如在本文公开的位置定位技术，存在于房间中。在图2的例子中，位置反射器281固定到房间的角落。当移动设备285想要确定它的位置时，它可发射特别编码的雷达信号。该信号可全向地从移动设备285辐射。这个信号中的一些沿着路径203在位置反射器281的方向上辐射。在图2的例子中的位置反射器281包括具有在接收和传输中的最大增益的角度的频率扫描天线，其为入射信号的中心频率的函数。移动设备285在频率上扫描辐射信号，直到最大反射功率被检测到为止。在移动设备已经例如从服务器提供的信息知道位置反射器281的位置、定向和频率扫描特性的情况下，移动设备能够确定视线矢量到反射器的aoa和因而确定在移动设备285和沿着路径203的反射器位置之间的矢量的方位角和高度角。
此外，移动设备285测量反射信号的往返延迟并计算在移动设备285和位置反射器281之间的范围距离。在确定了两个角度和在移动设备285和位置反射器281(其在房间内的位置和定向是已知的)之间的距离后，移动设备285能够通过只检测一个反射器来确定它在3d空间中的位置。
图3示出根据当前公开的实施方案的另一示例位置定位。图3的空间类似于图2的空间。然而，图3的空间包括两个位置反射器(第一位置反射器381a和第二位置反射器381b统称为位置反射器381)。在这里，每个位置反射器381可产生两个aoa角度和范围以提供超定位置计算，导致较高的准确度。可选地，位置反射器381可以是只产生一个角度和一个范围测量的较简单类型的反射器。这仍然利用仅仅两个可见的位置反射器提供超定位置计算。如果移动设备能够检测来自三个或更多位置反射器的反射，则位置反射器每个只需提供单个aoa，每个仅仅一个范围测量，或三个测量的任何最小组合，用于使移动设备确定它的位置。每个反射器仍然可为了更大的准确度或鲁棒性例如通过错误位置确定的检测来提供两个aoa和范围。
反射器类型包括三个类别：简单的无源反射器、频率扫描无源反射器和有源方向回溯反射器。不考虑其类型，所有反射器在将信号反射回之前将所接收的雷达信号延迟了一个内部延迟。这些有意包括的延迟一般在0.5微秒和3微秒之间的范围内。它们提供四个目的。第一是它们使信号延迟，直到来自寄生反射物品例如大面反射镜的所有周围环境多路径信号和回波消失为止。第二，延迟增加在发送雷达信号和接收它之间的时间。这个增加的时间使移动设备在当雷达信号被传输时的有源tx和当信号回波被预期接收到时的有源rx之间交替变得可能。这消除自干扰问题，因为rx和tx都在同一频率处。第三，移动设备电路的优选实施方案是发射使用直接序列扩频调制(dsss)的雷达信号。在dsss接收机中，来自不同反射器和环境的回波可以只在它们间隔开多于一个dsss码片到达时才被区分开。在反射器处的这些插入的延迟确保此。最后，这些插入的和不同的延迟用作识别标记，用于使移动设备将检测到的反射与它们的预期反射器配成对。
反射器也可具有被称为双延迟反射(ddr)的特性。如果反射器包括d微秒的延迟元件，则反射器最初使它接收的信号回响d微秒，在它接收到它们之后。使用ddr，反射器产生两个回波。第一回波延迟了d微秒，并可被称为主反射。第二回波在功率上较低(例如相对于主反射-10db)并延迟了2d或3d微秒。ddr可便于消除对反射器延迟的校准要求。
图4是根据当前公开的实施方案的位置反射器的功能方框图。图4的位置反射器可称为简单无源反射器。图4的位置反射器可用于实现图1的位置反射器181、图2的位置反射器281或图3的位置反射器381。图4的位置反射器包括天线410。天线410在天线端口411处通过匹配网络420连接到延迟元件425的一个端口。匹配网络420可包括电阻器网络、变压器或其它无源电路元件。在一些实施方案中，匹配网络可被精简或省略，例如当待匹配的阻抗相同或类似时。延迟元件425的另一端口连接到地。由天线410接收的rf信号通过匹配网络420输送到延迟元件425。信号通过延迟元件425行进一个延迟并在相对的端口处显露，其中它通过延迟元件425由对地的短路反射回，并接着从天线410重新辐射。如果延迟元件425的延迟每一路是t微秒，则反射器具有2t微秒rx到tx延迟。此外，通过匹配网络420的轻微失谐(阻抗失配)，从延迟元件425返还的所延迟的信号的部分重新注入回到延迟元件内用于额外的往返。因此，另一反射在时间4t微秒由天线辐射。这个反射的功率水平低于初始(主)反射(例如10db或更多，取决于匹配网络的失谐)。
图5是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图。图5的位置反射器类似于图4的位置反射器，具有类似参考的元件，执行类似的功能。图5的位置反射器包括分离rx和tx路径的循环器527。rx路径被馈送到延迟元件525的一个端口，而延迟元件525的另一端口馈送tx路径。对于这个反射器，初始反射出现在t微秒之后，而第二较弱的反射出现在2t或3t微秒之后。在2.4ghz或5.0ghz频带中操作这些反射器可提供方便的部件起源，但这样的反射器可在其它频率处工作。延迟元件对于2.4ghz可以是saw或baw延迟线，而对于较高的频率例如5.0ghz可以是baw延迟线。
这些简单的无源反射器不包含电源，从而提供方便的安装和服务。这些反射器没有再生增益级。因此，延迟元件的插入损耗直接影响反射信号功率电平。在吉赫操作频率处，在延迟元件中的20db插入损耗可对初始反射出现。
简单的反射器(例如，如在图4和图5中所示的)只提供测距信息且没有aoa信息。为了确定在3d空间中的移动设备的位置，移动设备可得到来自在邻近地区内的多个非平面反射器的反射。
图6是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图。图6的位置反射器包括频率扫描相控阵天线并可被称为频率扫描相控阵反射器。图6的位置反射器可用于实现图1的位置反射器181、图2的位置反射器281或图3的位置反射器381。
图6的位置反射器包括天线610a-f的阵列。天线可布置在直线上。增加天线的数量和反射器的线性程度增加方向增益并缩小主增益波瓣的3db波束宽度。天线通过天线端口611耦合到反射器中的其它电路。每个天线可物理地与相邻天线分开距离d。间隔可对应于对反射器使用的信号的中心频率的波长的一半。
多个传输路径612a-f顺序地耦合天线的阵列。传输路径可被称为延迟线。来自天线端口611的信号被路由到第一天线610a，其中功率分配器/组合器将能量的一分数赋予第一天线610a，且剩余能量经由第一传输路径612a继续以给其它天线馈电。给随后的天线馈电的信号由连接的传输路径延迟。每个传输路径可具有电气长度l。最后给给所有天线馈电之后，信号以终端622终止。终端622可具有与天线和传输路径的阻抗匹配的阻抗，以便防止(或减小)反射回到天线的残余功率。
反射器的天线和传输路径的这个结构可被称为频率扫描阵列(见例如m.skolnik的″introductiontoradarsystems″(newyork，mcgraw-hill，第3版，2001年，第9章)。在两个相邻天线之间的相位差
在可选的实施方案中，90°扫描在n个毗邻的扇区当中被划分。每个扇区可具有90°/n扫描能力。每个扇区可包括可扫描最小90°/n角的频率扫描反射器。使所有并置扇区扫描天线在同一方向上例如顺时针扫描确保在扇区边界处只有一个天线扇区将在最大增益处。区分开扇区可使用例如各种方法来区分开本文所述的反射器。
图6的位置反射器包括具有经由匹配网络620耦合到天线端口611的第一端口的延迟元件625。延迟元件可以与图4的延迟元件425(例如rf延迟无源设备，例如baw或saw滤波器)相同或相似。延迟元件625的另一端口短路到地。在这里，在反射器上的入射辐射在从反射器重新辐射之前在延迟元件625内延迟了往返延迟。延迟允许在邻近地区内的其它寄生反射在将信号从反射器反射回到移动设备之前消失。这可明显减小房间多路径的效应并提高在移动设备处的snr。
在一个实施方案中，延迟元件625的延迟比任何自由空气往返延迟长，且附近反射器具有不同的延迟，允许移动设备在对雷达信号编码中使用例如线性频率调制(lfm)、非线性fm或开窗(lfm)时区分开来自不同反射器的反射。
在一个实施方案中，使用直接序列扩频(dsss)技术来调制从移动设备辐射的信号。这例如在给定码片率下通过使用bpsk或qpsk调制来完成，bpsk或qpsk调制使用伪随机数(prn)序列或真随机序列(trn)。如果对给定反射器的延迟元件625的延迟与其它反射器相差多于一个prn码片周期，则移动设备可区分开来自不同反射器的多个反射。
在一个实施方案中，匹配网络620从提供在天线结构和延迟元件625之间的完美匹配轻微失调。这导致部分入射信号在穿过延迟元件625的一个往返延迟之后重新辐射回并部分地反射回到延迟元件625内。这导致响应于入射雷达信号而由反射器重新辐射多次反射。最强大的反射出现在tr1＝2t空气+2t延迟之后，其中t空气是从移动设备到反射器的自由空气飞行时间，以及t延迟是穿过延迟元件625的单程延迟。在tr2＝2t空气+4t延迟之后发射另一较弱的反射。从这两个方程中，移动设备可准确地计算t空气和t延迟，因而补偿在延迟元件625中的延迟漂移(例如由于温度或老化)，并因此准确地确定至反射器的范围。
图7是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图。图7的位置反射器类似于图6的位置反射器，相似的元件执行相似的功能。图7的位置反射器包括发散透镜715。沿着路径703离开天线结构的辐射穿过发散透镜715，其中它被衍射并继续沿着路径704前进。这具有对给定频率扫描增加天线扫描角度的效应。这个天线结构可能在较高(例如＞10ghz)频率下特别实际。这个透镜具有例如与准直透镜比较的反转的方向性。
在图6和图7中的天线结构提供在一个方向上的扫描，且因此可提供一个aoa。为了提供用于单个反射器位置确定的两个aoa，室内定位系统可使用并置并正交地安装到彼此的反射器结构的两个拷贝以提供两个正交角度。对这些反射器的很多变形是可能的，例如具有元件的非均匀阵列的反射器。在使用基于超材料的反射器天线的另一反射器变形中。这个反射器的例子将延迟元件添加到超材料crlh漏泄波无源方向回溯反射器(见例如christophecaloz和tatsuoitoh的″electromagneticmetamaterials：transmissionlinetheoryandmicrowaveapplications″(2005，章6.4.1))。如本文所述的延迟元件插在天线终端与短路之间，这将创建具有延迟的方向回溯反射器，简化了雷达处理。这样的反射器有利地是方向回溯的、无源的，具有一个漏泄辐射元件且因此可使用仅仅一个延迟元件。从crlh(超材料)制造可通过允许较宽的反射角(例如几乎180度)来提高标准材料漏泄波天线性能。
图8是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的功能方框图。图8的位置反射器可被称为相位共轭阵列(pca)反射器。这样的反射器可能例如在商业设施中是特别适合的，其中电源可在位置反射器处可得到。因为每一大空间只使用几个反射器，电源的数量很小。
图8的位置反射器包括反射器元件815a-d的阵列。每个反射器元件包括天线810。天线在天线端口811经由匹配网络820耦合到延迟元件825的第一端口。延迟元件825和匹配网络820可被实现为如对其它反射器描述的。同样，匹配网络820可被解调以提供双倍延迟的反射。延迟元件的第二端口耦合到反射器混合器829。反射器混合器829反射信号，其为与来自本地振荡器845的信号混合的入射信号。如图8所示，反射器混合器829可包括循环器和混合器。循环器具有耦合到延迟元件825的第一端子、耦合到第一混合器输入端的第二端子和耦合到混合器输出端的第三端子。混合器具有耦合到本地振荡器的第二输入端，并通过混合在第一和第二输入端上的信号来产生混合器输出。混合器可以是有源或无源的。
如果本地振荡器频率是入射波的频率的两倍，则pca将入射波方向回溯地反射回到源。激发频率从本地振荡器频率的一半偏离得越多，这个方向回溯就可减小。这个频率敏感性可用于区分开具有不同的中心频率的近旁的反射器，以及通过使所传输的频率在给定反射器的方向回溯中心频率左右抖动来提供使移动设备找出在反射器处的aoa的方式。此外，pca的间隔是不重要的，且因此结构可紧密地符合支撑墙壁、天花板或地板。
图8的反射器包括数字移相器840。移相器840通过数据序列来调制来自本地振荡器的信号以产生0°或180°往返相移。数据序列可以是具有低数据速率的短重复代码(例如比移动dsss信号的码片率更低数量级的速率)。因为数据序列的数据速率比码片率慢得多，所以移动设备可检测它的信号并同时从反射器重新构造所传输的数据比特。这些数据比特可唯一地识别各自的反射器。移动设备可使用例如与在gps接收机中使用的技术类似的用于恢复50hz数据流的技术。使用移相器来用信号通知数据序列的这种技术可用于其它位置反射器，例如图4的反射器。
图8的反射器可提供范围信息，但可以不向移动设备提供aoa信息。然而，这样的反射器不方向回溯地反射移动信号，且因此例如由于rf空间分集和较低的所需snr而增加可在邻近地区内同时被服务的移动设备的数量。这对具有很多用户的大集合地点例如在购物中心、运动竞技场等中特别重要。
每个基于pca的反射器产生一个范围测量。移动设备可通过检测来自这些基于pca的反射器中的四个或更多个的反射来准确地确定它的位置。为了准确的测距，在不同的反射器元件815中的延迟元件825应严格地被匹配。因为反射器是有源设备，可例如使用数字延迟线来代替saw或baw设备。数字延迟线可包括将信号转换成较低频率的下转换器、模数转换器、数字延迟移位寄存器、后面是数模转换器和将信号返回到其原始频率的上转换器。以这种方式实现的延迟元件优选地被匹配(或几乎这样)。可选地，路径可组合成一个路径并被发送到一个saw或baw延迟元件内。在穿过同一saw或baw之后，信号再次分成它们自己的单独路径。信号可通过使用频分或码分rf技术在穿过同一延迟元件时被防止混合。这样的方法只使用一个延迟元件。因为每个路径由同一物理saw或baw元件延迟，延迟被匹配。
在图8的反射器的变形中，所有信号是用cdma技术通过一个延迟元件被复用。来自每个匹配电路820的信号穿过循环器以分离rx路径与tx路径。每个天线的rx路径然后与对每个路径唯一的pn序列混合。在pn混合之后，所有路径组合并穿过同一延迟元件。离开延迟元件，组合信号分成每天线一个路径。每个路径然后与它的对应pn序列再次混合，该pn序列在组合之前被使用但被延迟了公共延迟元件的已知延迟。信号穿过带通滤波器以移除混合谐波。然后，每个路径与本地振荡器(在相移之后，当被包括时)频率(其为雷达信号的中心频率的两倍)混合以产生它们的相位共轭信号。在这个混合之后，信号被过滤以移除谐波和高频产品分量，并接着继续传递到路径循环器的tx侧。在完成上述操作时，每个所接收的信号是共轭的并被延迟了与所有其它路径相同的延迟，因为所有路径使用相同的延迟元件。完整的结构于是为具有内部延迟的方向回溯反射器。
在另一实施方案中，反射器是包括上面示出和描述的类型的四个或更多个反射器的复合反射器，其中每个反射器是方向回溯的，且来自每个反射器的反射与在复合反射器内的其它反射区分开。反射器布置成不沿着单个线性线，以便提供方位角和高度角确定。在复合反射器内的每个反射器当中的相位差由rake接收机区分开，且因此可确定在复合反射器处的两个aoa。
使用多于三个反射器，因为在复合反射器内的相邻反射器之间的距离大于一个波长，且因此整数波长模糊度必须被分辨，用于正确的aoa确定。额外的反射器不应等距地放置，以便产生足够的信息来分辨模糊度。中心频率解调、反射功率和频率抖动也可用于分辨在复合反射器内的反射器当中的整数模糊度。
图9是根据当前公开的实施方案的位置反射器的等距图。图9的位置反射器可例如用于实现图6、图7和图8的反射器。反射器包括印刷电路板911，其除了顶层和底层以外还具有多个传导铜层。顶层912被图案化以包含多个辐射元件(天线)910。这些辐射元件可以是例如基于期望辐射图案的任何几何形状。辐射元件仅被示为矩形以提供清楚的例子。在顶层和底层之间的层可用于构造分支馈电网络。底层可具有迹线以安装无源或有源电路。因为辐射元件水平地重复，最大辐射的方向与和平面902重合的矢量903对准。由于辐射元件910的水平分布，这个假想平面使反射器与水平线交叉。然而，根据辐射元件910的形状，平面902不需要正交于反射器的平面。此外，辐射元件不需要是相同的。还注意到，在辐射元件之间的定相可以用导致最大辐射方向与频率的非对称扫描的方式来完成。例如，矢量903可以比起左边更多地扫描到右边。
图10是根据当前公开的实施方案的位置反射器的平面图。图10的反射器可被称为扇区形反射器。对于扇区形反射器，图9的多个线性反射器(每个反射器具有不同的定相偏置)紧靠彼此堆叠以导致扁平扇区形反射器。
图11是根据当前公开的实施方案的另一位置反射器的平面图。图11的反射器可产生两个aoa。反射器包括两个相邻的反射器。每个反射器可以是例如如图9所示的单个线性反射器或如图10所示的扇区形反射器。第一反射器1120以水平辐射平面被定向，且第二反射器1121相对于第一反射器1120旋转，使得辐射平面是垂直的。
图12是根据当前公开的实施方案的传输和接收雷达链的功能方框图。可在移动设备中例如使用互补金属氧化物半导体(cmos)片上系统集成电路来实现传输链1205和接收链1255。所示传输和接收链是示例性的，且也可使用其它适当的布置。
传输链1205包括i和q调制器。对于传输链1205，例如从数字信号处理器(dsp)供应同相(tx_i)和正交相(tx_q)值的数字数据样本。i和q样本流可携带dc为中心或低if为中心的采样数据。使用也可包含防混叠滤波器的数模转换器(dac)1231、1232来将数据转换成模拟水平。dac的采样时钟可与本地振荡器(lo)同步以维持相干性。采样时钟至少是所传输的信号的带宽的两倍以避免混叠。包含锁相环(pll)1225的本地振荡器(lo)被相位锁定到频率参考1240，并产生iq信号以使用i和qrf混合器1221、1222来将基带i和q信号上转换到载波频率。上转换的i和q信号在求和网络1215中被求和并滤波。组合信号然后穿过可变增益放大器1213以调节如由功率控制算法控制的所传输的输出功率，这可以在基带或应用处理器中。信号然后穿过频带选择滤波器1211以移除寄生带外发射，并接着继续传递到传输天线1210。
对于接收链1255，所接收的信号首先从接收天线1260路由到频带选择滤波器1261以拒绝带外信号并提高总信噪比(snr)。信号然后被馈送到可变增益和可变ip3低噪声放大器(lna)1263。从lna1263出来，信号使用功率分配器1265分开。分开的信号使用rf混合器1271、1272被向下转换到基带或低ifi和q信号流。信号然后由组合滤波器和模数转换器方框(adc)1281、1282过滤并采样。adc时钟和来自接收plllo发生器1275的接收lo都与频率参考1240并因此与传输链同步，从而维持相干性。来自adc的数字样本离开接收链，作为同相样本(rx_i)和正交样本(rx_q)。i和q接收数字数据流被发送到在移动设备中的接收dsp用于进一步处理。
图12的传输和接收链使用单独的天线。这个实施方案可用于半双工，并可在全双工操作期间提供某一tx-rx隔离。
图13是根据当前公开的实施方案的具有可选的天线布置的另外传输和接收雷达链的功能方框图。图13所示的实施方案类似于图12的实施方案，但传输和接收链共享天线。传输链1307和接收链1355通过传输/接收(t/r)开关1307连接到一个天线1310。t/r开关1307可选地将天线连接到传输链1305或接收链1355。这被使用，其中雷达信号的传输和接收在半双工下完成。在半双工操作中，移动设备在短时间期间传输雷达信号并接着关闭发射机并侦听反射。这个布置的优点是，所传输的雷达信号在移动设备侦听反射时被关闭，且因此不受tx/rx泄漏的影响。然而，当具有多个不同的延迟的多个反射器存在时，半双工可使rx/tx调度复杂。
图14是根据当前公开的实施方案的具有另一可选的天线布置的另外传输和接收雷达链的功能方框图。图14的实施方案类似于图13的实施方案，但使用可选的天线连接。在图14中，传输链和接收链都可在全双工操作中同时操作。信号通过循环器1408被路由到天线1410。循环器1408可提供例如关于20dbrx-tx隔离。可通过测量tx信号的衰减拷贝并使用回波消除数字信号处理将它从rx信号消除来进行额外的隔离。最后，额外的隔离可由在tx和rxdsss信号之间的、由于反射器的长于一个码片周期的内部延迟而引起的多于一个码片延迟偏移提供。
在使用图14的布置的移动设备中，即使tx和rx都可同时操作，也可例如通过关闭tx增益级和功率放大器来周期性地使tx信号静音。例如，如果位置反射器具有集中大约3微秒的延迟，则tx信号被传输3微秒并被关闭6微秒。当传输时，接收机被关闭。当tx被关闭时，rx区段接收并处理数据。6微秒用于接收ddr的主和次反射。使用dsss信号，这可导致-4.8db损失，但极大地简化了设计，例如因为它消除了自干扰。
图15是根据当前公开的实施方案的位置信号处理的功能方框图。位置信号处理可由移动设备执行用于位置定位。传输数字信号处理器1507提供同相(tx_i)和正交相(tx_q)值。可例如将值提供到图12的传输链1205。接收数字信号处理器1557接收同相(rx_i)和正交相(rx_q)值。可例如从图12的接收链1255接收值。传输数字信号处理器1507和接收数字信号处理器1557可在物理上分离，或可以是同时运行传输和接收处理算法的同一处理器。传输数字信号处理器1507和接收数字信号处理器1557由应用处理器1559管理。除了处理传输和接收数据流以外，在各种组合中，传输数字信号处理器1507、接收数字信号处理器1557和应用处理器1559控制传输和接收链的其它方面，例如lo频率选择、tx输出功率控制、rx输入低噪声放大器(lna)增益和ip3控制、t/r开关控制和传输/接收调度连同其它rf链块保持操作。使用用于处理的可编程方框给予移动设备在选择适当的调制方法、带宽和所传输的雷达信号的中心频率连同在接收链中的适当互逆处理时的大量灵活性，以对给定的所传输的波形检测范围和aoa。
图16是根据当前公开的实施方案的传输位置信号处理的功能方框图。可例如在图15的传输数字信号处理器1507中使用图16的方框。图16的传输位置信号处理包括产生{+1，-1}样本的伪随机序列的传输伪噪声发生器1609。传输伪噪声发生器1609可通过最大多项式使用线性反馈移位寄存器(lfsr)来产生序列。传输旋转器1604可旋转传输i和q样本。实施方案可使用样本，在i信道上有bpsk调制而在q信道上什么也没有。这些i和q样本在传递到tx链的下一级之前在传输旋转器1604中旋转。传输旋转器1604用于移位所传输的信号的中心频率。旋转器从由传输斜波发生器1608驱动的直接数字合成器(dds)1606接收每样本旋转的角度增量。传输斜波发生器1608可以是可编程的以从零频率偏移开始到等于在基带处的采样频率的一半的偏移。系统的主处理器可使用适当的多项式对传输伪噪声发生器1609编程以使用传输斜波发生器1608并且还给传输斜波发生器1608加载有最终频移和频移的速度(hz/秒)。然后主处理器可发出开始命令，其中传输伪噪声发生器1609和传输斜波发生器1608开始同步地操作。因此，每个瞬时移频与pn代码的pn相位严格地对准。
传输位置信号处理还包括接收伪噪声发生器1659、接收斜波发生器1558和接收dss1656以在rx信号链侧上使用。接收伪噪声发生器1659被加载有与传输伪噪声发生器1609相同的多项式，且接收伪噪声发生器1659在与传输伪噪声发生器1609相同的时刻开始。然而，接收伪噪声发生器1659被加载有不同的初始条件，其导致所产生的rxpn序列落后于txpn序列预定数量的样本。类似地，接收斜波发生器1558以与传输斜波发生器1608相同的目标频移和相同的移位速率被编程，且也与传输斜波发生器1608同步地开始。然而，接收斜波发生器1558以使在rx侧上的斜波落后于tx斜波的不同初始条件被编程。接收斜波发生器1558驱动接收dss1656以产生接收旋转系数。rxpn序列和接收数字信号处理器1557的输出都在处理rx样本时被使用。在rxpn和斜波样本之间的相对于tx样本的延迟的原因占用反射雷达信号的往返延迟。在一个实施中，发生器以每秒1千万码片(10mcps)的速率运行。重要地注意到，移动设备可随意改变这个速率，因为移动设备产生并检测信号而没有外部信号变更，且因此可基于当前的条件来使用任何所需的东西，只要它从tx到rx是前后一致的。
图17是根据当前公开的实施方案的接收位置信号处理的功能方框图。可例如在图15的接收数字信号处理器1557中使用图17的方框。接收位置信号处理包括样本旋转器1754、一组i和q相关器1765和fifo1767。rxrf样本首先根据用于产生对应的传输信号的值由样本旋转器1754旋转。例如，当与图16的传输位置信号处理一起使用时，样本旋转器1754可从接收dss1656接收旋转值。
所旋转的样本然后被馈送到相关器1765以与rxpn序列相关。相关器和它们的对应旋转器可使用在传输数字信号处理器中产生的信息来寻找多个反射器回波。当与图16的传输位置信号处理一起使用时，rxpn序列可由接收伪噪声发生器1659供应。在示例实现中，有32个i和32个q相关器。每个相关器对使进入的rx样本与rxpn序列的移位的拷贝相关。每个pn序列循环、相关器的积分结果通过fifo1767例如使用直接存储器存取(dma)机制被转储到主处理器。在相关器和中的大值指示由那个相关器使用的pn偏移处的反射器信号并对应于范围测量。此外，在使用相同的pn和旋转器值的i和q路径相关器之间的相对幅值通过计算q/i的反正切来产生这个回波的载波相位。为了得到更精细的时间分辨率，rx样本的采样率可保持在pn码片率的倍数处。在实施方案中，使用rx采样率，其比txpn码片率高8倍。对于使用10mcpspn速率的示例实现，rxrf信号在80msps下被采样并处理。
周期性地，主处理器得到相关器1765的结果。处理器搜索在这些相关器和当中的峰值(最高点)。i2+q2的明显值指示在对应的往返时隙处回波的存在。处理器然后计算这个明显的回波的载波相位并记录这个载波相位出现时的频移。在处理多个相关器转储之后，处理器可构建载波相位与移位的频率的关系的表格，在该移位的频率处对每个识别出的回波观察到相位。
对于给定识别出的回波，下面的处理可被执行。假设所传输的雷达信号在中心频率f0处开始并扫描到f1，从识别出的回波的载波相位与移位的频率的关系表格中，处理能够在从f0扫描到f1时测量回波经历的总相移。使用表格条目来代替仅仅第一个和最后一个值，以便跟踪总相移，包括对全循环位移计数。因为每个识别出的主回波由于ddr而将具有另一次回波，所以有足够的信息来将在移动设备和反射器之间的自由空气范围计算到载波循环的分数。假设当从f0扫描到f1时，主回波经历cyc_slip主载波循环滑移(cycleslip)，其中cyc_slip主可以不是整数。此外，假设次回波经历cyc_slip次载波循环滑移。从这个中，从tx到rx的在频率fn下的总往返载波循环等于在延迟元件中的循环的数量cyc延迟，n加上在自由空气往返全程中的循环的数量cyc空气，n。对于次反射，往返循环值等于在自由空气中的循环的数量cyc空气，n加上延迟元件循环的两倍2×cyc延迟，n。如果l是到反射器的自由空气往返全程，则cyc空气，n＝l/λn＝lfn/c，其中λn是在中心频率fn处的载波波长，以及c是空气中的光速。此外，cyc延迟，n＝元件_延迟×fn。实际上，我们不知道cyc延迟，n或cyc空气，n，但我们可在给定的f0到f1扫描期间在移动设备中准确地测量cyc_slip主和cyc_slip次。注意，
cyc_slip主＝(cyc空气，1-cyc空气，0)+(cyc延迟，1-cyc延迟，0)，
cyc_slip次＝(cyc空气，1-cyc空气，0)+2×(cyc延迟，1-cyc延迟，0)，
cyc空气，1＝l(f1-f0)/c+cyc空气，0，以及
cyc延迟，1-cyc延迟，0＝元件_延迟×(f1-f0)
从上面的方程中，定位过程可计算l和延迟元件的延迟。到反射器的范围r＝l/2和反射器元件延迟用于识别回波被产生于的反射器。
上述方法是有用的，因为它消除了在延迟元件制造上的范围测量和环境变化的任何依赖性，并消除了对恒定的反射器校准的需要。此外，将回波的延迟元件延迟确定到在载波相位水平处的准确度帮助识别对应的反射器，来自该反射器的所反射的信号被检测到。对于在2.4ghz下操作的系统，每个载波循环跨越12cm。根据可用snr，得到厘米级范围准确度以及通过在纳秒级处的它们的不同延迟元件延迟识别不同的反射器变得可能。这允许在同一邻近地区内的数百个不同的反射器当中的差别。
上文概述了窄频率移可如何测量反射器的范围和延迟。在执行这个窄频率扫描之前，可完成宽频率扫描。这个宽频率扫描设计成检测频率扫描类型反射器的最佳频率。一旦检测到最大反射频率，就执行在那个点周围的窄频率扫描以测量范围和延迟。这可以只在具有稀少数量的反射器的位置上完成，且因此产生aoa的频率扫描反射器的使用变得有价值。在多于三个反射器是可检测到的环境中，aoa可被忽略，而不需要宽频率扫描。
为了支持多用户环境并减小令人混淆的反射，可实现有源功率控制。有源功率控制连续使用所接收的反射测量的功率来调节输出的tx功率。这导致最小rf功率由一个移动设备传输以确定它的位置。此外，为每个移动设备使用不同的或时间移位的lfsr多项式确保每个移动设备只检测到由它自己产生的雷达信号引起的反射。
在本文的大部分描述假设移动设备是静止的(或几乎是这样)，且因此由于多普勒引起的tx到rx频移的效应可被忽略。这对大部分室内情况成立，因为位置定位可在小于1毫秒内发生。甚至在不现实的30km/hr室内速度下，在2.4ghz下的多普勒也小于每毫秒25度。然而，定位系统可通过在某个周期期间固定载波频率(不扫描)时从循环滑移速率测量它来校正多普勒的效应。
现在将提供安装过程的概述。在安装期间，反射器数据(例如在图1的服务器194中)被上传。反射器数据可例如通过互联网由安装者上传，安装者被给予添加或变更服务器数据库的特权。可使用多个互联网连接的计算设备中的任一个例如使用浏览器来上传反射器数据。在将位置反射器固定在给定区域中之后，可以用各种方式得到待上传到服务器的反射器数据。可例如在商业背景中从准确的建筑物蓝图和勘测设备得到信息以确定每个反射器的位置和定向。此外，可从制造商数据图表下载给定反射器所特有的信息。所有这些信息可由安装者收集并上传到服务器。
可选地或此外，具有定位能力的移动设备可用于在位于相对于本地坐标系的多个以前勘测的点处时进行位置确定。如果足够的数据点被采用，则服务器可确定它从中接收回波的每个反射器的位置连同它们的所测量的对应元件延迟。只有四个非平面点对所有可检测的反射器在几何上就足够了。
为了使移动设备位置和反射器的几何形状与物理墙壁和在房间中的物体相关，可使用下面的方法。软件封装可从房间的多个照片创建房间的3d模型，包括在房间内的物体。如果用于定位反射器的测量点在一些照片内被识别出，则房间的3d图具有与反射器的坐标系的固定关系，且因此移动设备的运动可以用3d被绘制在房间的3d模型内。这可提供极大帮助用于使应用开发者使用根据在本文公开的定位系统和方法而产生的数据。
组合安装过程操作如下。在安装反射器之后，使具有定位并配备有数字摄像机的移动设备拍摄房间的内部的多个照片。每当照明被拍下时，移动设备测量它检测到的对所有反射器的范围和反射器延迟。在几个点之后，移动设备可找出反射器相对于彼此和移动设备的位置。这个信息被使用，同时房间的3d模型由所拍摄的照片确定，房间3d模型从这些照片构建，而同时在模型之上覆盖所安装的反射器的坐标系。
可选地或此外，可通过成像例如在居住的家中得到反射器数据。移动设备应用软件可用于通过保持移动设备直立并用移动设备中的摄像机扫描房间的所有墙壁来产生3d房间图。为了定位反射器，每个反射器可具有用向后反射光带覆盖的区域。这个带在摄像机中非常明亮地显露，如果被摄像机闪光灯照亮。所以在用摄像机扫描房间期间，移动设备的闪光灯保持开启。每当反射器进入框架时，光向后反射带在摄像机中非常明亮地显露并被识别为反射器和在所标注的房间内的它的位置。可以用各种颜色或色条制造这个带，使得移动设备可识别它是周围反射器中的哪个。在反射器上的条形码可事先被扫描，使得移动设备能够从简单的条形码扫描得到所有反射器rf特性和光带颜色。在收集关于房间几何结构、每个反射器的位置和定向以及反射器特性的这个信息之后，移动设备应用将这个信息上传到其它移动设备可采用的服务器，其它移动设备需要确定它们在那个房间内的位置。
可基于起源的位置来给予上传特权。例如，如果移动设备试图将关于给定房间的反射器信息上传到服务器，则服务器将只接受这个信息，如果它来自在物理上存在于房间附近的路由器。为了增加的安全性，也可提供密码。如上面提到的，成功确定它的位置的任何移动设备可将它确定的位置、根据什么反射器假设以及以什么置信度匿名地上传到服务器。服务器使用由位置确定移动设备恒定地上传的这个信息来连续地提高并完善它的常驻数据库的准确度。移动设备继续通过检测并处理来自近旁反射器的雷达信号反射来确定它的位置。它使用从服务器可得到的信息，其如在以前在计算中提到的被上传到服务器。它然后比较所确定的位置与它的实际勘测的位置，并将相关性信息上传到服务器以便提高其它移动设备的随后的位置确定的准确度。
本文所述的室内定位依赖于雷达反射的信号的检测来确定物理位置。在cw或lfm型雷达信号的情况下可通过使用匹配的滤波器来完成检测雷达反射。在所传输的雷达信号是dsss编码的情况下，rake接收机可用于检测弱反射。在这两种情况下，通过在cw或lfm的情况下脉冲压缩或prn解扩被执行之后跟踪所接收的信号载波频率相位的各种技术来确定反射的相位。根据上面所述的技术例如短持续时间脉动或通过具有相干解调的lfm或dsss方法增加带宽来解析整周载波模糊度。由于所使用公共传输和接收频率参考，相干处理变得容易。
虽然本公开聚焦于移动设备确定它在室内环境内的位置，但是相同或相似的技术可用于确定移动设备在室外环境内的位置。这种类型的室外定位可例如在″城市峡谷″中使用，其中由于gps信号阻挡和多路径，窄街道和高建筑物减小基于gps的位置确定的可用性和准确度。此外，所公开的定位系统和方法可适合于定位起重机，包括确定多个起重机的相对位置。各种起重机可包括位置反射器、如对移动设备描述的定位或这两者。这样的系统可用于碰撞避免。
可由移动设备使用已经在移动设备中找到的电路来执行所公开的定位。电路可在执行它们的原始功能和新位置定位功能之间被共享。公开了可与反射器一起使用的多个雷达信号调制和如何解析载波整周模糊度以产生非常准确的范围测量。在实施方案中的移动设备架构可产生并处理在本文所述的所有波形，且足够灵活以根据需要动态地改变雷达波调制和特性。最后，公开了系统可如何被安装以及服务器信息可如何在商业以及住宅环境中被完善。
图18是根据当前公开的实施方案的用于确定位置定位的过程的流程图。为了提供特定的例子，该过程将被描述为由在图1的系统中的移动设备185执行。然而，可使用任何适当的装置来执行该过程。此外，上面描述了很多步骤的另外的细节。
当移动设备希望确定它的位置时，在步骤1802中，它检索它的最后一个位置并收集关于它的周围事物的环境数据。在步骤1803中，最后一个位置和环境数据被发送到服务器194。在步骤1804中，移动设备从服务器接收在它的邻近地区中的位置反射器的反射器数据。移动设备也可接收关于它应如何执行定位的信息，例如被允许的带宽、rf功率和所传输的雷达信号的时隙。
在步骤1805中，移动设备确定它将用于开始它的位置确定的雷达信号特性。例如，移动设备可确定雷达信号调制方案、带宽、输出功率、码片率和定时。可基于期望位置准确度来确定这些特性。
在步骤1806中，移动设备可加载并初始化传输和接收lfsr和斜波发生器，例如如参考图16所述的。在步骤1807中，移动设备启动传输和接收lfsr和斜波发生器并辐射所产生的雷达信号。在步骤1808中，移动设备处理响应于步骤1807的传输而接收的信号。例如，该过程可寻找相关性峰值以检测回波且还测量循环滑移，同时移位中心频率。移动设备接着在步骤1810中确定足够的峰值是否在相关性数据中找到。这个确定可基于期望位置准确度并基于什么以前的处理被执行。如果找到足够的峰值，则过程继续到步骤1817。如果未找到足够的峰值，则过程继续到步骤1811，其中它改变雷达信号的中心频率并接着返回到步骤1806。如果未找到足够的峰值且过程在一系列中心频率上迭代步骤1806-1810，则过程继续到步骤1812。在步骤1812中，过程增加传输功率并接着返回到步骤1806。
在步骤1817，过程使用相关性峰值来计算到反射器的范围。过程可接着计算它的位置。在步骤1818中，过程确定它是否检测到频率扫描反射器。在这样情况下，过程继续到步骤1819，其中它可确定aoa并进一步确定它的位置。否则，过程继续到步骤1827。
在过程1827中，移动设备确定它的位置。移动设备可发送所确定的位置并且还有检测的反射器延迟到服务器，其可接着更新它的反射器数据的数据库。过程接着继续到步骤1829，其中它保留，直到位置更新是需要的。在这种情况下，过程返回到步骤1805。
可通过添加、省略、重新排序或变更步骤来修改图18的过程。此外，步骤可同时被执行，且出现在另一步骤之后的一个步骤不需要紧接着在之后。
前述系统和方法及相关设备和模块容许很多变化。此外，为了清楚和简洁，系统和方法的很多描述被简化。例如，附图通常示出每种类型的设备中的一个或几个，但通信系统可具有每种类型的设备中的很多。此外，各种实施方案的特征可在不同于上面所述的组合的组合中被组合。
如在本说明书中所述的，各种系统和方法被描述为工作来优化特定的参数、功能或操作。术语优化的这个使用并不一定意指在抽象理论或全局意义上的优化。更确切地，系统和方法可在至少很多常见情况中工作以使用被预期提高性能的算法来提高性能。例如，系统和方法可工作以优化通过特定的功能或标准判断的性能。以类似的方式使用类似的术语如最小化或最大化。
技术人员将认识到，结合本文公开的实施方案所述的各种例证性逻辑块、模块、单元和算法步骤常常可被实现为电子硬件、计算机软件或这两者的组合。为了清楚地示出硬件和软件的这个可互换性，各种例证性部件、块、模块和步骤在上面通常从它们的功能方面被描述。这样的功能是被实现为硬件还是软件取决于强加在总系统上的特定约束。技术人员可以用各种方式为每个特定的系统实现所述功能，但这样的实现决定不应被解释为引起从本发明的范围的背离。此外，在单元、模块、块或步骤内的功能的分组是为了描述的容易。特定的功能或步骤可从一个单元、模块或块移动而不偏离本发明。
可使用被设计执行本文所述的功能的处理器例如通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或其任何组合来实现或执行结合本文公开的实施方案所述的各种例证性逻辑块、单元、步骤和模块。通用处理器可以是微处理器，但是可选地，处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可被实现为计算设备的组合，例如dsp和微处理器的组合、多个微处理器、结合dsp核心的一个或多个微处理器或任何其它这样的配置。此外，除了执行指令以外，处理器还可包括专用硬件以实现一些功能。
结合本文公开的实施方案所述的任何方法或算法的步骤和任何块或模块的过程可直接体现在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或在这两者的组合中。软件模块可存在于ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom或任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质可耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息并将信息写到存储介质。可选地，存储介质可与处理器成一整体。处理器和存储介质可存在于asic中。此外，被描述为耦合的设备、块或模块可经由中间设备、块或模块被耦合。类似地，第一设备可被描述为当存在耦合第一和第二设备的中间设备时和还有当第一设备不知道数据的最终目的地时将数据传输到第二设备(或从第二设备接收数据)。
所公开的实施方案的上述描述被提供以使本领域中的技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施方案的各种修改对本领域中的技术人员将是容易明显的，且本文所述的一般原理可应用于其它实施方案而不偏离本发明的精神或范围。因此应理解，本文提出的描述和附图代表本发明的特定方面和实施方案和因此由本发明广泛设想的主题的代表性例子。进一步理解，本发明的范围完全包括对本领域中的技术人员明显或可变得明显的其它实施方案，以及本发明的范围相应地不由在本文提出的描述限制。
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