Procedimiento para estimar la hora de llegada en sistemas de banda ultra-ancha.

Procedimiento para estimar una hora-de-llegada de una señal y(t) recibida,

comprendiendo dicho procedimiento laetapa de:

- generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia (Y(0), Y(1), ..., Y(K-1)) a partir de la señal y(t) recibida;estando el procedimiento caracterizado porque comprende las etapas de:

- estimar (41) una matriz de correlación a partir de dicha pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia,calculando la siguiente ecuación:

en donde n indica el n-ésimo intervalo de muestreo, NS es el número de realizaciones observadas, e Ys,n ≥ [Ys,n(0) Ys,n(1)

... Ys,n(K-1)]T son los K componentes de frecuencia del vector de observación en la realización s y el intervalo n demuestreo;

- a partir de dicha matriz de correlación, calcular (421) un seudo-periodograma con la siguiente ecuación:en donde **Fórmula**indica un vector de firmas de retardo, **Fórmula**, K es el número de componentes defrecuencia del vector de observación y π indica un retardo temporal;

- hallar (422) un valor de retardo en el cual dicha distribución de energía de señal supere un cierto umbral Pth,representando dicho valor de retardo la estimación de la hora-de-llegada.

Procedimiento para estimar la hora de llegada en sistemas de banda ultra-ancha Campo de la invención La presente invención se refiere a la estimación de la hora-de-llegada (ToA) de señales transmitidas a través de un medio 5 inalámbrico. Más precisamente, la presente invención se refiere a la estimación de la ToA de señales en sistemas de banda ultra-ancha (UWB) .

Estado de la técnica Los sistemas de comunicación basados en banda ultra-ancha de radio de impulso (IR-UWB) han sido concebidos como sistemas de comunicación por radio que podrían facilitar aplicaciones muy precisas de cálculo de distancias y de localización, dados los pulsos de duración extremadamente breve. Esta naturaleza de alta resolución temporal de la señal de UWB hace del procedimiento de estimación de la ToA un buen candidato para la estimación de la localización en las comunicaciones de UWB.

Las técnicas de localización basadas en el tiempo se fundan en mediciones del tiempo de propagación empleado por la señal al viajar entre un nodo de destino y un nodo de referencia. Esto requiere habitualmente un mínimo de tres nodos de referencia para estimar la posición en un espacio bidimensional.

Para aplicaciones de cálculo de distancias es suficiente un único nodo de referencia. La precisión del cálculo de distancias depende de cuán precisamente pueda discriminar el receptor la primera señal que llega, que, en un entorno de multitrayecto, puede no ser la más potente. Actualmente, la mayoría de las técnicas conocidas de cálculo de distancias se basan en procedimientos de estimación de la ToA en el dominio temporal. La solución de máxima probabilidad (ML) tiene 20 limitaciones prácticas, debido al requisito de muy altas tasas de muestreo. El enfoque convencional basado en la correlación, descrito por V. Somayazulu, J. R. Foerster y S. Roy [“Retos de diseño para sistemas de UWB de muy alta velocidad de datos”, en la Conferencia Asilomar sobre Señales, Sistemas y Ordenadores], da como resultado un estimador de la ToA muy lento, que requiere una búsqueda exhaustiva sobre un gran número de compartimientos. Los enfoques iterativos de ML también han sido estudiados por J. Y. Lee y R. Scholtz [“Cálculo de distancias en un entorno denso de multitrayecto usando enlaces de radio de UWB”, IEEE J. Selected Areas Commun., vol. 20, nº 9, diciembre de 2002], pero requiriendo aún un muestreo muy alto de velocidades.

Una evaluación de prestaciones del conocido algoritmo del Autovector (EV) , usando datos medidos para distintos perfiles, se describe en la obra “Prestaciones de algoritmos de estimación de la ToA en distintas condiciones de multitrayecto interior”, de Alsindi, Nayef Ali et al, CONFERENCIA DE COMUNICACIONES Y REDES INALÁMBRICAS 2004, vol. 1, 21 30 de marzo de 2004, págs. 495 a 500. Alsindi extiende una base de datos de mediciones de canales interiores con un perfil de propagación de Trayecto Directo No Detectado (UDP) , y la evaluación es sobre el estimador de ToA de superresolución (algoritmo EV, enfoque de subespacio) que compara sus prestaciones con la conversión directa al dominio temporal, aplicando una Transformada Inversa Rápida de Fourier (IFFT) . Las mediciones de transferencia de canal se toman en el dominio de la frecuencia, usando un analizador de espectro, y luego son manipuladas para obtener la representación de señales del dominio temporal (respuesta de impulso de canal) . Por lo tanto, esta evaluación de prestaciones de EV se basa en la función de transferencia de canal (respuesta de impulso de canal) , no en una modulación específica de señales de UWB para las comunicaciones de datos.

Recientemente, han aparecido en la bibliografía propuestas para reducir las restricciones de muestreo y los intervalos temporales requeridos para la estimación de estimadores de ToA basados en el dominio temporal. Un enfoque abordado 40 por S. Gezici, Z. Sahinoglu, A. Molisch, H. Kobayashi y V. Poor [“Un algoritmo de estimación de la ToA en dos etapas para sistemas de UWB de radio de impulso”, Laboratorios de Investigación Eléctrica de Mitsubishi, diciembre de 2005] consiste en un proceso de estimación de la ToA en dos etapas, que consiste en una estimación grosera inicial de la ToA, seguida por una etapa de mayor resolución. Siguiendo esta estrategia, una primera estimación grosera de la ToA, en base a la energía de señal recibida, es seguida por una etapa de correlación de baja velocidad que estima la ToA en base a 45 pruebas de hipótesis. Un estimador similar en dos etapas está propuesto por I. Guvenc y Z. Sahinoglu [“Estimación de la ToA en base a umbrales para sistemas de UWB de radio de impulso”, Conferencia Internacional de IEEE sobre Banda Ultra-Ancha], basado en un receptor de detección de energía basado en umbrales. El esquema admite un muestreo de la tasa de símbolos, pero requiere usar varios símbolos y un diseño adecuado de la onda de la señal. Un enfoque adicional en dos etapas está considerado por P. Cheong, A. Rabbachin, J. Montillet, K. Yu e I. Oppermann [“Sincronización, ToA y

estimación de posición para dispositivos de UWB de alta velocidad de datos y baja complejidad”, Conferencia Internacional de IEEE sobre Banda Ultra-Ancha], que describe un receptor no coherente basado en una etapa de detección de energía, en base a ventanas de integración con cambios de resolución temporal entre las dos etapas. Un parámetro crítico para estos estimadores se halla en la selección de umbrales.

En resumen, la mayoría de las técnicas conocidas sobre aplicaciones de cálculo de distancias en sistemas de comunicaciones de UWB se basan en técnicas del dominio temporal para la estimación de la hora-de-llegada. Sin embargo, los enfoques del dominio temporal padecen principalmente de (a) limitaciones prácticas de la solución de máxima probabilidad, debido al requisito de muy altas tasas de muestreo, y (b) gran tiempo de estimación de enfoques basados en la correlación, debido a la búsqueda requerida sobre un gran número de compartimientos.

Resumen de la invención Es por lo tanto un objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento para la estimación de la hora-de-llegada (ToA) de una señal transmitida a través de un sistema inalámbrico que está basado en un enfoque del dominio de la frecuencia. Esto permite tasas de muestreo sub-Nyquist, logrando a la vez una alta precisión del cálculo de distancias. Así, la hora-de-llegada es estimada a partir de la señal muestreada del dominio de la frecuencia. Por lo tanto, este procedimiento de estimación de la ToA de baja complejidad resuelve los problemas provenientes de los procedimientos conocidos de estimación de la ToA.

En particular, es un objeto de la presente invención un procedimiento para estimar una hora-de-llegada de una señal y (t) recibida, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia provenientes de la señal y (t) recibida; estimar (41) una matriz

de correlación a partir de dicha pluralidad de 15 muestras del dominio de la frecuencia; a partir de dicha matriz

de correlación, calcular una distribución de energía de señal con respecto a distintos retardos de propagación; hallar un valor de retardo en el cual dicha distribución de energía de señal supere un cierto umbral Pth, representando dicho valor de retardo la estimación de la hora-de-llegada.

Dicha señal recibida es, preferiblemente, una señal de banda ultra-ancha y, más preferiblemente, una señal de banda ultra-ancha de radio de impulso. En este caso, la etapa de estimar una matriz de correlación a partir de una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia se lleva a cabo por medio de la explotación de la diversidad temporal de dicha señal de banda ultra-ancha de radio de impulso.

Dicha distribución de energía de señal está, preferiblemente, dada por el cálculo de un seudo-periodograma.

Dicha etapa de hallar dicho valor de retardo puede efectuarse evaluando exhaustivamente la distribución de energía de señal en una pluralidad de valores del retardo de propagación.

Alternativamente, dicha etapa de hallar dicho valor de retardo se efectúa calculando las raíces de un polinomio.

La etapa de generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia a partir de la señal y (t) recibida, preferiblemente, se efectúa: dividiendo la señal y (t) recibida en una pluralidad de bandas, filtrando dicha señal recibida por filtros de paso de banda, con respuesta de frecuencia aproximadamente Gaussiana; muestreando la salida de cada uno de los filtros de paso de banda, obteniendo por ello una pluralidad de muestras; a partir... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para estimar una hora-de-llegada de una señal y (t) recibida, comprendiendo dicho procedimiento la etapa de:

-generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia (Y (0) , Y (1) , ..., Y (K-1) ) a partir de la señal y (t) recibida; estando el procedimiento caracterizado porque comprende las etapas de:

-estimar (41) una matriz

de correlación a partir de dicha pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia, calculando la siguiente ecuación:

en donde n indica el n-ésimo intervalo de muestreo, NS es el número de realizaciones observadas, e Ys, n = [Ys, n (0) Ys, n (1) ... Ys, n (K-1) ]T son los K componentes de frecuencia del vector de observación en la realización s y el intervalo n de muestreo;

-a partir de dicha matriz

de correlación, calcular (421) un seudo-periodograma con la siguiente ecuación:

-j#0∀

en donde e∀ = [1 e... e-j#0 (K-1) ∀]T indica un vector de firmas de retardo, #0 = 2n/K, K es el número de componentes de frecuencia del vector de observación y ∀ indica un retardo temporal;

-hallar (422) un valor de retardo en el cual dicha distribución de energía de señal supere un cierto umbral Pth, representando dicho valor de retardo la estimación de la hora-de-llegada.

2. Procedimiento para estimar una hora-de-llegada de una señal y (t) recibida, que es una señal de banda ultra-ancha de radio de impulso, comprendiendo dicho procedimiento la etapa de:

-generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia (Y (0) , Y (1) , ..., Y (K-1) ) a partir de la señal y (t) recibida; estando el procedimiento caracterizado porque comprende las etapas de:

-estimar (41) una matriz

de correlación a partir de dicha pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia, calculando la siguiente ecuación:

en donde n indica el n-ésimo intervalo de muestreo, NS es el número de realizaciones observadas, es una matriz de diversidad, en donde Np es el número de pulsos repetidos transmitidos, los elementos de son los componentes de frecuencia asociados al pulso p recibido en la realización s y el intervalo n de muestreo, y en donde p es un número natural que varía entre 1 y Np;

-a partir de dicha matriz

-j#0∀

en donde e∀ = [1 e... e-j#0 (K-1) ∀]T indica un vector de firmas de retardo, #0 = 2n/K, K es el número de componentes de frecuencia del vector de observación y ∀ indica un retardo temporal;

-hallar (422) un valor de retardo en el cual dicha distribución de energía de señal supere un cierto umbral Pth, representando dicho valor de retardo la estimación de la hora-de-llegada.

3. Procedimiento según cualquier reivindicación precedente, en el cual dicha etapa de hallar dicho valor

de retardo se efectúa evaluando exhaustivamente la distribución de energía de señal en una pluralidad de valores (∀) del retardo de propagación.

4. Procedimiento según cualquier reivindicación de 1 a 2, en el cual dicha etapa de hallar dicho valor (∀0) de retardo se efectúa calculando las raíces de un polinomio.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el cual dicho polinomio toma la forma de:

-j#0∀

donde es la suma de los elementos de la n-ésima diagonal de la matriz

de correlación y ( = e, donde #0 = 2n/K, y ∀ es el retardo temporal.

6. Procedimiento según cualquier reivindicación precedente, en el cual la etapa de generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia (Y (0) , Y (1) , ..., Y (K-1) ) a partir de la señal y (t) recibida se efectúa: -dividiendo la señal y (t) recibida en una pluralidad de bandas, filtrando dicha señal recibida por filtros de paso de banda (25-1, ....

2. N) con respuesta de frecuencia aproximadamente Gaussiana; -muestreando (28-1, ....

2. N) la salida de cada uno de los filtros de paso de banda, obteniendo por ello una pluralidad de muestras (S (0) , S (1) , ..., S (N-1) ) ;

-a partir de dicha pluralidad de muestras (S (0) , S (1) , ..., S (N-1) ) , construir un vector S tal que S = [S (0) S (1) ... S (N-1) ]; -a partir de dicho vector S, crear un vector S’ tal que S’ = [S (N-1) S (N-2) ... S (0) ].

20. crear un vector Y que es la concatenación del vector S, un vector de ceros de tamaño Q, donde Q > 1, y el vector S’.

7. Dispositivo para estimar la hora-de-llegada de una señal y (t) recibida, que comprende:

- un medio para generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia (Y (0) , Y (1) , ..., Y (K-1) ) a partir de la señal y (t) recibida; estando el dispositivo caracterizado porque comprende:

-un medio (41) para estimar una matriz

de correlación a partir de dicha pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia, configurado para calcular la siguiente ecuación:

en donde n indica el n-ésimo intervalo de muestreo, NS es el número de realizaciones observadas, e Ys, n = [Ys, n (0) Ys, n (1) ... Ys, n (K-1) ]T son los K componentes de frecuencia del vector de observación en la realización s y el intervalo n de 30 muestreo;

-un medio (421) para calcular, a partir de dicha matriz

de correlación, un seudo-periodograma con la siguiente ecuación:

-j#0∀

en donde e∀ = [1 e... e-j#0 (K-1) ∀]T indica un vector de firmas de retardo, #0 = 2n/K, K es el número de componentes de 35 frecuencia del vector de observación y ∀ indica un retardo temporal;

-un medio (422) para hallar un valor de retardo en el cual dicha distribución de energía de señal supere un cierto umbral Pth, representando dicho valor de retardo la estimación de la hora-de-llegada.

8. Dispositivo para estimar la hora-de-llegada de una señal y (t) recibida, que es una señal de banda ultra-ancha de radio de impulso, comprendiendo dicho dispositivo:

-un medio para generar una pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia (Y (0) , Y (1) , ..., Y (K-1) ) a partir de la señal Y (t) recibida;

estando el dispositivo caracterizado porque comprende:

-un medio (41) para estimar una matriz

de correlación a partir de dicha pluralidad de muestras del dominio de la frecuencia, configurado para calcular la siguiente ecuación:

en donde n indica el n-ésimo intervalo de muestreo, NS es el número de realizaciones observadas,

es una matriz de diversidad, en donde Np es el número de pulsos repetidos transmitidos, los elementos de son los componentes de frecuencia asociados al pulso p recibido en la realización s y el intervalo n de muestreo, y en donde p es un número natural que varía entre 1 y Np;

-un medio (421) para calcular, a partir de dicha matriz

de correlación, un seudo-periodograma con la siguiente ecuación:

-j#0∀

en donde e∀ = [1 e... e-j#0 (K-1) ∀]T indica un vector de firmas de retardo, #0 = 2n/K, K es el número de componentes de frecuencia del vector de observación y ∀ indica un retardo temporal;

-un medio (422) para hallar un valor de retardo en el cual dicha distribución de energía de señal supere un cierto umbral Pth, representando dicho valor de retardo la estimación de la hora-de-llegada.

9. Un receptor (10, 10’, 20, 30) que comprende al menos un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8.

10. Un programa de ordenador que comprende medios de código de programa de ordenador, adaptados para realizar las etapas de cualquiera de los procedimientos según cualquiera de las reivindicaciones de a 1 a 6, cuando dicho programa es ejecutado en un ordenador, un procesador de señales digitales, una formación de compuertas programable in situ, un circuito integrado específico de la aplicación, un microprocesador, un microcontrolador, o cualquier otra forma de hardware programable.