专利名称：一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法
一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法技术领域
本发明属于无线定位技术领域，更准确地说是涉及一种基于到达时间测距的定位系统的改进方法。
背景技术：
众所周知，知道特定人员和贵重物品的精确位置的需求是巨大的。解决该问题的普遍的方法是利用三点定位，即通过已知三个点的坐标，并测得目标到三个点的距离(即采用测距)或者角度(即采用测角)，再利用几何算法，即可得到该目标的位置坐标。但是，三点定位中的测角(AOA)方法，需要昂贵的智能型的阵列天线系统，在高精度定位市场中很少使用。三点定位中普遍使用的是测距。
一般而言，测距有两种方法，即利用信号强度(RSS)的方式或者利用信号的到达时间(TOA)的方式。但RSS方式有其固有缺点，如定位的精度比较低、覆盖的范围小、在恶劣环境下无法工作等等。采用TOA技术即可以克服这些缺点，其精度可以小于I米。
具体而言，TOA方式是测量无线信号的传播时间，并乘以光速以得到距离。该方式具有精度高、基站的覆盖范围大、适于抗恶劣环境等优点。在TOA该方法中，定位系统由服务器、基站和标识卡等部件组成。基站的坐标是已知的、固定的，即三点定位中的三个点。 在平面定位中，至少要有三个基站；因其位置是固定的，也称锚点。标识卡固定在待定位的人或物品上。服务器的功能包括完成后台的设备管理、显示地图、根据标识卡到多个基站的距离计算出标识卡的位置坐标并显示在地图上等等。
然而，基于到达时间的无线定位系统虽然具有高精度等优点，但是TOA的原理决定了完成一次定位需要多次无线信号的发射，因此也有其固有的缺点。如图I所示，在TOA 系统中，每发起一次测距，需要节点A (即标识卡，以下同)给节点B (即普通基站，以下同)发射一次信号Message_l,再由节点B立即给节点A发一个回应信号Message_2。这种情况下， 节点A测得的TI为发出无线信号到收到回应的时延；节点B测得的T2为收到MessagsJ到发出message_2的处理时延。然后,节点B还要把T2放在message_3中，发给A,这样节点 A才能得到T2。最后，根据Tl和T2，节点A计算出节点A和节点B之间的距离d=c * (Tl -T2)/2，c为光速。
按照这样的过程，一次测距需要3次无线信号的发射，而一次定位则需要3次测距 (和3个不同的基站进行测距)，这样，一次定位就需要9次无线信号的发射。这9次无线信号的发射称为一次定位事务。
考虑待定位的目标是运动的，所以3次测距应该在极短的时间内完成。这就意味着如果9次无线信号的发射中有I次发射因无线信号碰撞而失败，将导致本次定位失败。
一方面，一次定位事务中的多次通信，增加了信道的拥挤程度；另一方面，其中一次通信发生无线信号在空中的碰撞概率大大提高，定位的失败率也随之提高，实验表明，当一个定位区域中的标识卡超过10个，每个标识卡每秒定位一次，定位的成功率降低到60%， 当标识卡的数目达到20个的时候，定位的成功率降低到30%，系统几乎瘫痪了。而同一区域容纳的待定位的目标的个数以及每个目标定位的频率高低，则代表了定位系统的容量的大小。因此，可知在目前的基于到达时间的无线定位系统中，为了保证定位的成功率，其容量不能做的很大，否则定位的失败率将大大提高。发明内容
针对现有技术中基于到达时间的无线定位系统容量不足的缺陷，本发明提出了一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法，该方法能够有效降低无线信号在空中碰撞的概率,从而在保证系统定位的成功率和确定性的同时大幅提高定位系统的容量。
具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的，包括下列步骤1)标识卡在上电后周期性发射广播信号；若标识卡已进入定位区域，普通基站在收到标识卡发来的广播信号后经路由基站将广播信号转发给服务器，服务器收到广播信号后给标识卡分配时隙并将时隙分配信息经路由基站转发给普通基站，普通基站收到时隙分配信息后再将时隙分配信息转发给标识卡；2)标识卡根据收到的时隙分配信息得到自己的时隙，并进行与系统时钟的同步；3)当处于自己的时隙时，标识卡发起测距并将计算出的测距信息发送给普通基站；完成测距和测距信息发送后，标识卡进入休眠直到下一个自己的时隙再进行测距和测距信息发送；普通基站接收到测距信息后经路由基站将测距信息转发给服务器，服务器收到测距信息后根据测距信息计算出标识卡所在的位置，完成定位。
本发明进一步的特征在于所述时隙分配信息中还包括时钟同步信息。
本发明进一步的特征在于还包括以下步骤，若服务器判定某标识卡已离开定位区域，则服务器收回该标识卡对应的时隙用于向其他标识卡分配。
本发明进一步的特征在于所述服务器判定某标识卡已离开定位区域，其方法是， 如果服务器在事先设定的时间内没有再次收到某标识卡发来的测距信息，则服务器判定该标识卡已离开定位区域。
本发明进一步的特征在于所述事先设定的时间，是从前一次服务器接收到某标识卡的测距信息的时刻开始再经过100个该标识卡的定位周期，所述定位周期为该标识卡相邻两次时隙之间的时间间隔。
本发明的有益效果如下由于本发明的基于到达时间的无线测距定位中的时隙方法中，每个标识卡只在自己的时隙发射无线信号，这样就大大降低无线信号碰撞的概率， 从而在保证系统定位的成功率和确定性的同时大幅提高定位系统的容量。经测试，采用本发明，即便在一个区域中的标识卡数量达到50个、定位频率为IHz时，其定位的成功率仍可达到95%以上。同时，在完成测距和测距信息发送后，标识卡会主动进入休眠，因此也大幅降低了标识卡功耗，实现了低功耗的目标。标识卡离开定位区域后，原先分配给该标识卡的时隙可以重新分配给其他标识卡使用，从而有效地提高了时隙的利用率，更好地增强了整个定位系统的工作性能。
图I是基于到达时间的无线定位系统的测距原理图。
图2是本发明的基于到达时间的无线定位系统组成框图。
图3是标识卡将测距信息经由基站发送给服务器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
图2给出了采用本发明的基于到达时间的无线定位系统组成情况。如图2所示， 采用本发明的基于到达时间的无线定位系统包括服务器、基站以及标识卡。标识卡固定在待定位的人或物品上，服务器则根据标识卡到多个基站的距离计算出标识卡的位置坐标以实现定位。
本发明的步骤如下1)标识卡在上电后周期性发射广播信号；若标识卡已进入定位区域，普通基站在收到标识卡发来的广播信号后经路由基站将广播信号转发给服务器，服务器收到广播信号后给标识卡分配时隙并将时隙分配信息经路由基站转发给普通基站，普通基站收到时隙分配信息后再将时隙分配信息转发给标识卡；2)标识卡根据收到的时隙分配信息得到自己的时隙，并进行与系统时钟的同步；3)当处于自己的时隙时，标识卡发起测距并将计算出的测距信息发送给普通基站；完成测距和测距信息发送后，标识卡进入休眠直到下一个自己的时隙再进行测距和测距信息发送；普通基站接收到测距信息后经路由基站将测距信息转发给服务器，服务器收到测距信息后根据测距信息计算出标识卡所在的位置，完成定位。
本发明的时隙分配信息的消息格式如下字段同步消息类型长度时隙基站序列时钟Octet2II244可见，该时隙分配信息中，不但有时隙信息也有时钟同步信息。因此，当标识卡收到该消息后，不仅可以得到自己的时隙，而且还可以同时完成与系统时钟的同步。
本发明的测距由标识卡发起，即当处于自己的时隙时，标识卡发起测距。当标识卡完成测距并把测距信息发给服务器后，标识卡会进入休眠，直到下一个自己的时隙到来时再重新进行测距活动，这样可以降低标识卡的活动时间，从而实现标识卡的低功耗。
本系统中的基站包括路由基站和普通基站。路由基站和服务器之间通过有线连接，用于和服务器通信。普通基站用于与标识卡配合测距和通信，普通基站和路由基站之间通过无线连接。
图3给出了采用本发明的基于到达时间的无线定位系统中测距信息的发送过程。 由图3可知，标识卡先将测距信息发送给普通基站，普通基站再将该信息发送给路由基站， 路由基站最后将该信息发送给服务器。
本发明服务器对于时隙的管理，具有重用时隙的功能，即为了提高时隙的利用率， 当标识卡进入定位区域时分配时隙，当标识卡离开定位区域后释放时隙。
具体而言，标识卡在没有得到时隙前会周期性地发射广播信号。如果标识卡进入了定位区域，基站将会收到其发送的广播信号并将其转发给服务器，服务器给标识卡分配时隙。如果服务器判定某标识卡已离开定位区域，服务器可以释放该标识卡对应的时隙，并将该时隙分配给下一个进入区域的标识卡。
在本方法中，服务器可以通过判断在事先设定的时间内有没有再次收到某标识卡发来的测距信息来判断该标识卡是否已经离开定位区域。如服务器在事先设定的时间内没5有再次收到某标识卡发来的测距信息，则服务器判定该标识卡已离开定位区域。该事先预定时间可以为从前一次服务器接收到某标识卡的测距信息的时刻开始再经过100个该标识卡的定位周期，定位周期即为该标识卡相邻两次时隙之间的时间间隔。该事先预定时间也可以由系统管理人员根据实际需求自行设置。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
权利要求
1.一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法，其特征在于，包括下列步骤1)标识卡在上电后周期性发射广播信号；若标识卡已进入定位区域，普通基站在收到标识卡发来的广播信号后经路由基站将广播信号转发给服务器，服务器收到广播信号后给标识卡分配时隙并将时隙分配信息经路由基站转发给普通基站，普通基站收到时隙分配信息后再将时隙分配信息转发给标识卡；2)标识卡根据收到的时隙分配信息得到自己的时隙，并进行与系统时钟的同步；3)当处于自己的时隙时，标识卡发起测距并将计算出的测距信息发送给普通基站；完成测距和测距信息发送后，标识卡进入休眠直到下一个自己的时隙再进行测距和测距信息发送；普通基站接收到测距信息后经路由基站将测距信息转发给服务器，服务器收到测距信息后根 据测距信息计算出标识卡所在的位置，完成定位。
2.根据权利要求I所述的一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法，其特征在于所述时隙分配信息中还包括时钟同步信息。
3.根据权利要求I所述的一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法，其特征在于，还包括以下步骤若服务器判定某标识卡已离开定位区域，则服务器收回该标识卡对应的时隙用于向其他标识卡分配。
4.根据权利要求3所述的一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法，其特征在于所述服务器判定某标识卡已离开定位区域，其方法是，如果服 务器在事先设定的时间内没有再次收到某标识卡发来的测距信息，则服务器判定该标识卡已离开定位区域。
5.根据权利要求4所述的一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法，其特征在于所述事先设定的时间，是从前一次服务器接收到某标识卡的测距信息的时刻开始再经过100个该标识卡的定位周期，所述定位周期为该标识卡相邻两次时隙之间的时间间隔。
全文摘要
本发明公开了一种提高基于到达时间的无线定位系统的容量的方法，属于无线定位技术领域。本发明提供一种方法，使得每个标识卡在自己的时隙才执行测距操作，发射无线信号。本发明避免了无线信号的空中碰撞，在保证系统定位的成功率和确定性的同时，大大提高系统容量，同时实现了标识卡的低功耗。
文档编号H04W64/00GK102938932SQ20121050865
公开日2013年2月20日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者申崇江, 王洪勇, 张岗 申请人:申崇江