通過媒體以信號運行時間來測量距離的電信產品的製作方法
2023-11-02 23:20:02
專利名稱：通過媒體以信號運行時間來測量距離的電信產品的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種移動式電信產品，即，用於信息傳送的產品，其例如包含行動電話，WLAN卡或PDA，並且已經常常用在日常生活中。此種移動式並且也可為固定式的無線電信產品的停留位置，就原理而言是不為人所知的。但在很多情況下，辨認或決定該裝置的位置是值得追求的。該電信產品例如在建築物，球隊和系統管理，設備管理，交互式遊戲等等之中適用於一種與上下文相關的數據傳送、定位/導航等。
背景技術：
目前為止上述以無線電為主的電信產品的位置不為人所知或只稍微為人所知。為了進行定位，則須使用其它可以在單元(cell)平面上分析位置的方法，這包括一種可以利用所接收的信號強度來決定距離的方法，以及一種可決定所接收的信號的方向的方法。此處可參考Vossiek et al.「Wireless Local Positioning-Concepts，Solutions，Applications」，RAWCON，Boston，2003.
由一種技術上完全不同的領域中已知的多種測量距離所用的方法，其與信號運行時間有關。該運行時間例如是在一種轉發器(Transponder)和一基地臺之間測得。然後對該運行時間的信息進行評估。這些方法和典型的配置已描述在WO 03/040753 A1中。
發明內容
本發明的目的是在電信產品中提供一種已改良的測量距離的可行方式。
該目的通過權利要求書獨立權項中所述的本發明來實現。有利的其它形式描述在本發明的各項從屬權利要求中。
因此，一種電信產品具有用於通信的媒體和用於測量距離的媒體。須設計該用於測量距離的媒體，使距離測量可通過信號運行時間的測量來實現。
較佳是產生測量信號以測量信號運行時間，該測量信號例如詢問信號。
為了測量該電信產品和例如另一電信產品之間的距離，則原則上發出具有時間碼的測量信號即已足夠，使另一電信產品可接收該測量信號並且藉助於該接收時間來評估該測量信號。當然該電信產品和另一電信產品的時鐘須準確地在實際時間上實現同步。其時鐘通常不是處於此種同步情況中。
因此，另一種方式是使該信號運行時間設計成由該電信產品至另一電信產品且又返回到該電信產品時的信號運行時間，其包括另一電信產品中可能發生的延遲時間(中斷時間)。
通過上述射程往返時間(Round Trip Time of Flight)的距離測量，則電信產品中即可不需安裝真實時間顯示用的時鐘。
該電信產品和另一電信產品對該距離的測量較佳是以相同方式來構成，使其可觸發一種射程往返時間的詢問並且也可回答此種詢問。因此，通過該電信產品(其用於測量距離的媒體可產生該詢問信號以測量該信號運行時間)也可以接收由外部所產生(例如，來自另一個電信產品)的詢問信號，並且該距離測量用的媒體具有一種媒體，其用於對該外部所產生的詢問信號產生並且發出一個回答信號。
在上述的射程往返時間的距離測量中會發生一種問題，即，在被詢問的電信產品中該中斷時間(或延遲時間)必須已知或等於零。該中斷時間即所謂的延遲時間，其例如是由於在電信產品中的運行時間和處理時間所造成。
上述二種方式的後者(即，中斷時間等於零)是以下述方式來實現，即，該詢問信號實際上又反射回來而成為回答信號。因此，該用於距離測量的媒體較佳是具有一種主動式(即，設有一種特定的能源)振蕩器，其可以通過外部所產生的詢問信號來觸發以產生一種相位，它是與該外來的詢問信號形成準相干(quasi coherent)的回答信號。
另一方式是該詢問信號也可通過被動式的反射而轉換成一回答信號，此種反射例如可通過反射器、鏡面、反向散射轉發器及/或一種表面波組件來實現。但此種方式的缺點是其只可測量很小的距離。從而，根據該輻射能量隨著半徑的四次方而衰減。
另一方式是該無中斷時間在被詢問的電信產品中能夠為人所知。因此，時鐘形式的時間計數器在該電信產品中和另一電信產品中必須同步，這些電信產品依據實際的角色分布，而且分別扮演用於詢問的電信產品或被詢問的電信產品。通過該被詢問的電信產品，則可接收兩種外來的，具有時間偏移的詢問信號，且該用於測量距離的媒體具有一種用於測量該時間偏移的媒體以及一種在該中斷時間後發出一種回答信號用的媒體，其在考慮該已測得的時間偏移時，對該電信產品進行測量。若該時間偏移界定在兩個外來的詢問信號之間，則該電信產品可由其本身特定的時鐘所測得的時間偏移而計算出「其時數相對於用於詢問的電信產品的時數的偏差數」。該電信產品因此可以送回一種具備中斷時間的回答信號，該中斷時間已依據該用於詢問的電信產品的時數來調整。特別有利的是，只有該兩個電信產品的時數的相對的偏差可被修正，即，絕對時間不需同步。
該回答信號又由用於詢問的電信產品所接收，並且因此例如可通過FMCW或PN方法來算出該信號的運行時間。該回答信號於是通常可以向下混合。
在移動式電信產品中，由於成本和重量的原因，則使用儘可能小的硬體是重要的。因此，該用於通信的媒體至少一部分也可以用來測量距離，其也可以以各種不同的方式而用在此處所述的通信和距離測量的組合和整合中。
因此，開始時該用於通信的媒體可具有一種發送及/或接收路徑，並且可以利用該發送及/或接收路徑來發送及/或接收該測量距離用的信號。
為了能夠測量該信號的運行時間，則該詢問信號以及該回答信號須將一種依據至少一個由發出該詢問信號所用的電信產品所得知的時間上的關係來改變成其頻率。在最簡單的情況下，該詢問信號具有至少兩種頻率並且因此具有一種頻率跳躍(Hop)。但一種較高的測量準確性和一種較簡單的處理方法可以通過該測量信號的頻率改變成線性斜坡的形式來實現，或者改變成一種通過多個頻率跳躍所形成的斜坡的形式來實現。因此，特別是能夠以一種模擬方式來作進一步處理。
假如該用於通信的媒體具有一個用於調整的媒體且因此能夠以頻率合成器的形式來使通信頻率改變，則同樣也可以改變該詢問信號的頻率。於是又可以節省硬體。
假如該用於調整通信頻率的媒體，其被設計成可操作在不同的頻道，則此時所用的頻率切換器也可以同時用來使該詢問信號的頻率改變。
另一方式是在距離測量時，使模擬或數字數據輸入至電信產品的通信分路(即，用於通信的媒體)中，而不是輸入電信數據，該模擬或數字數據可以使該電信產品產生一種用於使其頻率改變的信號。
第三種可能方式是在該用於通信頻率調整的媒體的頻率輸入端上預先施加不同的頻率，這些頻率由該用於通信頻率調整的媒體設定成「高」狀態並且因此可以形成多個頻率不同的詢問信號。
顯示該詢問信號所用的方式當然也可類似地用於該回答信號中。另一方式是該回答信號就像先前所述者一樣也可以以反射而回的方式來形成。
原則上該通信和距離測量的組合和整合能夠以兩種方式來實現。其中一種方式是通信(電信媒體主要用來進行該通信)必須中斷以進行距離的測量。電信產品必須具有一種相對應而設計的運行控制器，其例如在詢問另一電信產品以導入距離測量過程時，必須使通信中斷，並且轉換至一種狀態中，在該狀態中可以接收或發出一種詢問信號。
另一方式是就下一個整合過程而言，甚至可以使用電信信號來作為詢問信號。這特別是在「該電信產品在通信中所用的通信標準已顯示有頻率跳躍」時適用，就像IEEE 802.11中所述的情況一樣。
上述的電信產品實質上是一種電信產品而不是一種轉發器或其它測量距離用的產品，則例如可確定該用於通信的電信產品具有一種較4KBit/s還大的傳送速率。
該電信產品特別是移動式終端機、WLAN卡、行動電話及/或PDA，其是依據一種用於電信的傳送標準，例如，GSM、UMTS及/或WLAN標準IEEE 802.11x(其中x是任意的字母或一些字母的組合)來操作。
在用於測量兩個電信產品(其分別具有用於通信的媒體和用於測量距離的媒體)之間距離的方法中，必須測量信號運行時間來測量距離。本方法的較佳的實施形式類似於該裝置的較佳的實施形式，並且反之亦然。例如，就該裝置的個別的媒體而言，可以設有相對應的步驟，並且反之亦然。
距離測量特別是可以用來分析一種傳送通道的長度及/或質量。
特別是在查驗電信網絡的存取權限時須考慮該傳送通道已測得的或已分析出的長度。因此，除了一些已保留的區域(例如，VIP休息室)之外，例如都可提供一種WLAN服務。另一方式是可抑制一種未授權而侵入至WLAN網絡的行為，當此種侵入行為實際上存在於預設的區域之外部時。
本發明的其它特徵和優點以下將依據圖式，並且描述在各實施例中。
圖1是具有定位功能的WLAN卡形式的電信產品。
圖2是圖1的電信產品的高頻處理單元。
圖3是距離測量方法的流程圖。
圖4是轉發器模塊。
圖5是定位模塊。
圖6是集成式電信產品。
具體實施例方式
另外，在數字式電信產品中，描述用射程往返時間(Round TripTime of Flight)來距離測量的方法、產品、配置和算法，該數字式電信產品，例如依據WLAN標準IEEE 802.11而操作成一種通信產品。
現代的電信產品典型方式是包含一種用於通信的媒體，其形式是圖1上方所示的三個功能方塊發送和接收路徑(TX/RX天線/切換/信號路徑)，高頻處理單元和基頻處理單元。因此，該數字式通信信號通過一個或多個天線而被接收且存入至高頻處理單元中。因此，各發送和接收路徑通常互相隔開並且通過一開關來進行切換。實際的WLAN模塊，例如同樣描述在Heide，P.et al.「HighlyIntegrated LTCC Front and Modules for Bluetooth and Wireless LANApplications」，ECWT Proceedings，München，2003中。
圖2是高頻處理單元的典型的功能方塊圖，其形式是一種模擬式的射頻IC，其包含一個發送頻率向上轉換單元(TXUp-Convert)，其通常將電信信號向上轉換成5GHz。此外，如下所示，其也可用來產生用於測量距離的(詢問)信號。此外，該高頻處理單元含有接收頻率向下轉換單元(RXDown-Convert)以及接收中頻處理單元(RXIF-Processing)。
最後，該高頻處理單元也具有用於調整電信頻率的媒體，其形式是一種頻率合成器，其可支配頻率輸入端並且可以支配各個發送頻率向上轉換單元和接收頻率向下轉換單元的連接。
在利用該發送和接收路徑進行接收之後，各信號向下混合至該高頻處理單元中並且被放大從而繼續傳送至基頻處理單元。基頻處理單元的輸出信號以類似方式相對應地被放大，向上轉換至該發送頻率，進行濾波並且發送至該發送和接收的路徑天線。
在該基頻處理單元中，各信號被數位化且數據被相對應地解碼或被編碼以便傳送，並且轉換成該高頻處理單元用的模擬信號。
上述系統現在與距離測量功能單元相組合。該用於通信的媒體至少一部分也可以用來測量距離。此外，另外還有用於測量距離的媒體，其具有功能方塊，各功能方塊可以另外加入以測量距離及包含其它不能由用於通信的媒體所能實現的附加功能。用於距離測量的各功能方塊實際上當然可依據布局的選擇而集成化於，和用於通信媒體相同的IC上。測量距離用的媒體包含-定位模塊(距離處理)，其通過距離測量來進行位置測量並且使已接收的數據數位化並進行評估；-轉發器模塊(反向散射振蕩器)，其將已接收的詢問信號送回以作為回答信號；情況需要時以同步器(時序/控制)作為流程控制。
電信產品的配置以下述方式來處理。連接裝置(例如，計算機)觸發距離的測量。短時間中通信會中斷且該定位模塊利用高頻處理單元而發送其用於測量距離的詢問信號。該詢問信號可為頻率斜波(Ramps)和非連續的頻率序列。在距離測量之前的短暫時間中，該詢問信號會被傳送到至少另一個已加入的電信產品中，以啟動該電信產品的轉發器模塊，若該轉發器模塊本來即未處於持續操作狀態中時。該另一個電信模塊的轉發器模塊對已進入的信號以其識別碼(ID)來進行調變。這例如是通過頻率編碼或通過垂直正交的碼序列(擴散頻譜，CDMA方法)來進行。輻射回來的回答信號在該電信產品中被接收，以及在高頻處理單元中向下混合，並且在定位模塊中被數位化以及在情況需要時受到評估。特別是該用於通信的媒體或連接到該電信產品的計算機，能夠以其主處理器和主處理器中所設定的處理智能(intelligence)來作為評估用的一部分。當行動電話和PDA連接成計算機或用來取代計算機時，則上述相對應的情況也適用於行動電話和PDA的可程序化的處理器。
圖3是測量距離的流程圖。步驟S1中產生一個用於測量距離的詢問。步驟S2中，通信保持在WLAN卡形式的已受詢問的電信產品中，並且觸發該距離測量用的電信產品(其是以WLAN卡的形式)，使用該詢問信號以作為距離測量信號。然後，該已受詢問的WLAN卡的轉發器模塊則以該詢問信號(其反射成回答信號)的各自的識別碼(ID)來對該詢問信號進行調變。這顯示在步驟S3中。步驟S4中，該觸發用的卡使已接收的回答信號的頻率下降，在進行數位化並且情況需要時，對該回答信號進行評估。然後，該觸發用的卡使已評估(情況需要時)的數據轉送至詢問器。最後，步驟S5中通信又重新開始。
轉發器模塊中較佳是使用一種已調變的反向散射器(如WO01/23906 A1中所述者)或使用一種如WO 02/03096 A1中所述的用於切換的振蕩器。該轉發器模塊直接連接至天線，典型上是連接至一個發射天線。當每次通信中事先都預告一種距離測量時，則特別有利的是只驅動該轉發器。因此，通常在利用蓄電池而被供給能量的移動式電信產品中可以節省能量。
圖4顯示一種轉發器模塊(反向散射/振蕩器)、發送和接收路徑(TX/RX天線/切換/信號路徑)及其功能單元。該發送和接收路徑例如包含一種LTCC FEM R005，其同時形成在發送和接收之間的切換器中。該轉發器模塊具有一種振蕩器，其通常利用一種開關而又被接通，使其可通過一種利用該發送和接收路徑而耦合至其上的詢問信號以相位準相干的方式而被激發，因此產生一種回答信號，其對該回答信號也形成相位準相干的關係。其它方法和裝置(其能夠以上述方式而有利地與WLAN通信模塊相組合)描述在DE 199 46 168 A1和WO 03/047137 A2中。
該用於測量距離的媒體的定位模塊，直接設置在用於通信的媒體的內部結構(Infrastructure)上，特別是設置在高頻處理單元的頻率合成器上。典型的配置顯示在圖5中，其中該高頻處理單元和定位模塊的模擬/數字轉換器利用高頻處理單元的接收分路(RX)而互相連接。此外，高頻處理單元和該定位模塊也利用該高頻處理單元的發送分支(TX)而互相連接。該定位單元因此可選擇性地(optionally)具有一種碼加法器(Addit.code)。此外，該定位模塊可支配用於產生頻率斜坡(Ramp)的媒體，但該媒體也可集成(integrated)成一種主計算機單元的形式而成為數字單元的一部分。該數字單元是與模擬/數字轉換器相連接，並且與可選擇的碼加法器相連接。該數字單元可以在晶片內部中實現一種協調和同步的功能，並且可以在晶片內部中進行控制以及進行距離數據的轉送。該數字單元可以支配一種至PC的連接。PC中也可以處理由模擬/數字轉換器所數位化的回答信號或所屬的距離資料。依據製作方式，上述功能也可以部分的，或者甚至完全的由PC來接管。
該數字單元或連接至其上的頻率斜波產生器利用頻率合成器的頻率輸入端與高頻處理單元的頻率合成器相連接。因此，可選擇性地設置一個中頻(IF)時鐘。
在觸發該距離測量過程之後，定位模塊產生該距離測量信號的第一部分，其是由該詢問信號所設定。依據所使用的形式而存在多種不同的可能性。一種可能的方式是產生線性的頻率斜波。頻率合成器必須與該頻率斜波相配合，或外部的頻率源必須以中頻時鐘的形式而互相配合。特別有利的是使用很短的斜波，從而，這樣可以使通信的中斷時間較短。另一實施形式是使用非連續的頻率步級(step)以取代頻率掃描。因此，可特別有利地依據典型的非連續分布的通信頻道和相對應的構件的特性來調整。兩種信號形式適合用於距離的測量。相對應的方法則描述在DE 199 46 168A1，WO 03/047137 A2，WO 01/23906 A1和WO 03/40753 A1中。
由轉發器模塊所發出的，並且反射回到其它卡上的信號利用通信頻道的接收路徑而被接收且降頻。然後，該信號在定位模塊中被數位化，並且該信號在該定位模塊中及/或在用於詢問的PC形式的系統中被評估。該定位模塊因此也可接管個別流程的同步功能。
在定位及通信相組合時，這兩種過程的同步特別重要。因此，存在著一種實施可行性，即，距離測量和通信依序以分時多重存取(TDMA)法來進行。典型方式是，首先在正常的數據流中一起發出用於距離測量的詢問，例如利用一種特殊的位序列或一種特殊的數據封包(Packet)來實現。然後，在短時間中進行距離的測量，接著又進行通信。由於轉發器模塊的地址空間有限，則特別有利的是，例如利用相鄰的文字列而動態地分配地址至每一個參加該距離測量的系統中。此種分配可與數據流一起發出以觸發該距離的測量。另一方式是全部的參加者可以依序被測量，於是該轉發器模塊的有限的地址空間問題即可解決。缺點是會耗費更多的時間。
除了TDMA法之外，也可使用分頻多重存取(FMDA)法。此時必須通過部分動態式的、確定的頻率分配來進行編碼。因此，特別是與OFDM法相組合時是有利的，從而，在適當的製作過程中該通信不會中斷。當然，在觸發該距離測量之後，該轉發器必須對應於已一致的編碼特性，從而同樣使各頻帶接通。缺點是會有更多的技術上的耗費。
在製作一種具有用於距離測量的媒體的電信產品時，典型方式是使各個以可定位的通信模塊的形式而存在的晶片位置擴充成具備LPR功能。圖1可作為一個例子，其中可在WLAN卡中進行擴充。因此，可形成一般的方決(收發器)和相隔開的方塊(基頻處理單元、定位模塊、轉發器模塊)。當然，這些功能也可以整合在一個共同的晶片或晶片組中，其在技術上特別有利。也可以在晶片內部中使用共同的功能方塊，例如，FFT處理器。特別有利的是定位模塊與基頻處理單元整合在一個模塊中，以及轉發器與模擬電路整合在一個模塊中，其類似於Heide，P.et al.「HighlyIntegrated LTCC Front and Modules for Bluetooth and Wireless LANApplications」，ECWT Proceedings，München，2003中所建議的LTCC。就被動式的反向散射器的實施形式而言可更簡化，此時該發送和接收路徑的切換用的開關直接用作轉發器模塊。因此，頻率編碼可通過該切換頻率來實現。
特別有利的是，距離測量不只用來純粹作為定位用，而且也可用來測量通道長度，或測定該傳送通道的正確的特性，因為例如各種不同的多路徑方式就其長度和傳送質量而言，可以通過所建議的用於距離測量的方法來實現。該傳送通道的此種幾乎是最佳化的在線(On line)分析可明顯地用來組構該漫遊和路徑選擇過程。
當本發明的WLAN模塊是一種自我組構式的網絡的節點時，可以特別有利地使用上述信息。於是，多個上述的電信產品一方面可以決定用於該網絡通信的電信產品形式的各節點之間的相對距離，並且另一方面，所有的被執行的距離測量的方法，通常也可以依據其原理而提供該傳送信道的詳細信息，因為距離測量也利用該傳送通道。上述的信息例如也會衰減、光譜會失真、通道會發生延遲擴展(Delay-Spread)或類似現象等。全部的信息(其在原理上存在於節點中但也可廣域地(global)獲得)幾近理想化地、可使數據最佳化地、並且有效地由一個節點傳送至另一節點。因此，利用這些信息可以容易地實現最短的傳送路徑或最佳的數據速率、最佳的信道或調變，該傳送路徑是以最大的信道容量或以最小的幹擾機率來決定。
上述的電信產品形式的網絡節點典型方式是由主計算機單元、集成式距離測量(定位)單元和通信單元所構成，其具有用於距離測量的媒體及用於通信的媒體，並且情況需要時也具有其它的接口設備。各接口設備可以是一種輸入和輸出裝置，也可以是傳感器(例如，溼氣、溫度、煙氣、媒氣等等傳感器)或照相機、麥克風等等。
圖6顯示該電信產品，其具備距離測量和通信單元(WLAN+Dist.)，接口設備(Per.)，主計算機單元(HRE)，蓄電池/電壓供應器(Batt.)形式的能源，天線終端(ant.)和電壓供應(V)用的終端或乙太網絡(Net)。
符號說明Per. 接口設備WLAN+Dist. 通信單元HRE主計算機單元Batt. 蓄電池/電壓供應器Ant. 天線Net乙太網絡
權利要求
1.一種電信產品，其包含用於通信的媒體，用於距離測量的媒體，其特徵在於距離測量是通過測量信號運行時間來實現。
2.根據權利要求1所述的電信產品，其中可由所述電信產品產生詢問信號以測量該信號運行時間。
3.根據權利要求1或2所述的電信產品，其中，所述信號運行時間是由一個電信產品至另一個電信產品，並且又回到所述電信產品時的信號運行時間。
4.根據權利要求3所述的電信產品，其中，可接收由外部產生的詢問信號來測量該信號運行時間，並且所述電信產品具有用於由所述詢問信號而產生用於回答信號的媒體。
5.根據權利要求4所述的電信產品，其中，所述電信產品具有振蕩器，其可由外部所產生的詢問信號來激發而產生，對所述外部所產生的詢問信號而言是相位準相干的回答信號。
6.根據權利要求4所述的電信產品，其中，可由所述電信產品接收兩個具有時間偏移，並且由外部所產生的詢問信號，而且所述電信產品具有用於測量時間偏移的媒體和用於在中斷時間後發送回答信號的媒體，該中斷時間可以考慮在該已測得的時間偏移時產生。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的電信產品，其中，該用於通信的媒體至少一部分也可作為用於距離測量的媒體。
8.根據權利要求2或4所述的電信產品，其中，所述用於通信的媒體具有天線，利用天線可以發送所述詢問信號及/或該回答信號。
9.根據權利要求2所述的電信產品，其中，可以產生所述詢問信號，使其頻率改變。
10.根據權利要求9所述的電信產品，其中，所述用於通信的媒體具有用於調整通信頻率的媒體，並且所述詢問信號的頻率可以利用用於調整所述通信頻率的媒體來改變。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的電信產品，其中，該電信產品具有媒體，其用來使該通信中斷以進行距離測量。
12.根據權利要求2所述的電信產品，其中，所述詢問信號是通信信號。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的電信產品，其中，所述用於通信的電信產品具有比4KBit/s還大的傳送速率。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的電信產品，其中，所述電信產品是移動式終端機、WLAN模塊、行動電話及/或PDA。
15.一種用於測量兩個電信產品間的距離的方法，其中，各電信產品分別包含用於通信的媒體和用於距離測量的媒體，其特徵為距離測量是通過信號運行時間的測量來進行。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述距離測量是用來分析傳送通道的長度及/或質量。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，對於電信網絡的存取權限須考慮所述傳送通道的長度。
全文摘要
一種電信產品具有用於通信的媒體和用於距離測量的媒體，其中距離測量是通過信號運行時間的測量來實現。
文檔編號G01S13/82GK1961219SQ200580014268
公開日2007年5月9日 申請日期2005年2月28日 優先權日2004年3月10日
發明者馬丁·福西克, 派屈克·海德, 萊夫·維貝金, 彼得·古爾登, 迪爾克·貝克爾 申請人:西門子股份有限公司