改进的到达时间定位系统的制作方法

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改进的到达时间定位系统的制作方法

本发明总体上涉及一种用于无线通信网络的改进的到达时间/飞行时间距离确定系统。



背景技术:

节点(例如无线通信网中的移动设备,诸如例如802.11x下的wi-fi标准、蓝牙、802.15x下的zigbee标准或任何其他合适的无线通信网络)的定位先前已经基于用于接收节点之间的距离信息的所谓的往返时间(rtt)测量值。然而,为了估计距离,对在无线网络中的节点之间发送的信号进行的rtt的估计具有相关的缺点。使用rtt的精确度较差,这是因为在首先接收到来自第二节点的消息之后并且在信号被发送回第二节点之前,节点中涉及未知的处理时间/时间延迟。处理时间是不确定的并且在无线网络中的不同设备之间变化。另外,由于处理器的工作负荷,这种处理时间在特定的设备中会变化。

确定无线通信网络中的节点之间的精确距离的问题的一个发明将是通过仅测量这两个节点之间的飞行时间来排除处理时间。然而,这需要在这两个节点处使用相同的时间基准,这存在与针对rtt描述的问题类似的问题。在不同节点中实现相互时间基准需要所述节点之间的同步。这种同步按照与测量rtt时类似的方式受到处理时间的影响。因此,重新产生了原来的问题。

考虑到上述发明,提供一种能实现更准确的距离确定的无线通信网络距离确定系统将是有利的。



技术实现要素:

本发明的一个目的是提供一种将用于诸如ieee802.11x等无线通信网络的系统,该系统提供用于更准确地确定节点之间的距离的装置。本发明的另一个目的是提供声音装置,以进一步增强系统确定无线通信网络中的两个节点之间的距离的准确性。

因此,本发明涉及一种在第一节点中的用于在无线通信网络中确定所述第一节点与第二节点之间的距离的方法,其中所述第一节点包括带有介质访问控制层(mac层)的网络通信单元,以及

所述第一节点执行包括以下步骤的方法:

传输响应请求消息,

在传输所述响应请求消息时启动第一计数器,

接收对所述响应请求消息的响应,

在接收到对所述响应请求消息的所述响应时停止所述计数器,

基于计数器结果确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离,

其中

所述计数器结果是在所述第一节点网络通信单元的所述介质访问控制层(mac层)中,从传输所述响应请求消息到所述响应到达之间的时间段。

根据一个方面,提供了一种方法,其中所述第一节点是蜂窝电话,优选地智能电话、手持式计算机、pda、平板电脑、计算机或终端用户可以与其交互的任何其他设备。所述第二节点是跟踪器、蜂窝电话、手持式计算机、pda、平板电脑、通用计算机或能够通过无线通信网络通信的任何其他设备。所述设备包括至少一个网络通信单元,每个网络通信单元能够使得所述设备连接到无线通信网络。在一个实施例中,这种网络通信单元可以是网络卡、无线lan芯片、蓝牙芯片或能够进行网络通信的任何其他单元。

还应当理解的是,节点之间的网络通信不限于端到端网络,并且可以是任何形式的网络通信,包括诸如例如接入点等其他网络通信单元。

在一个实施例中,所述计数器可以基于例如中央处理单元时钟频率对处理器周期计数。还应当理解的是,所述计数器可以是布置在节点中的任何装置或者是附接硬件或软件,可以直接或间接用于确定经过的时间。

根据本发明的一个方面,提供了一种方法,其中用于确定通信网络中的两个节点之间的距离的第一节点利用存在于诸如ieee802.11x标准等多个标准中的介质访问控制层(mac层)。

mac层是能够使得通信网络中的多个节点通信的低级数据链路子层。低级层具有与高级层相比不那么容易受到处理时间影响的益处。

已经发现,在mac层中进行的不涉及更高级层的网络通信提供了相对恒定的处理时间。mac层用于作为其任务之一来通信高级层的信息,但是一些帧可以由mac层独立地传输。通过使用这些帧和/或通过添加附加特征在无线通信网络中修改mac层的行为,处理时间可以从不可靠和变化的时间因素改变为近似常量。近似处理时间的可能性能够减去处理时间并且使用到达时间/飞行时间测量值。前述方法由此提供了一种用于通过显著地减少先前的rtt方法的问题来确定通信网络中的两个节点之间的距离的改进的系统。

根据一个方面,提供了一种方法,其中所述响应请求消息是请求发送(rts)消息,并且所述响应是允许发送(cts)消息。

tts和cts是用来在例如载波监听多路访问/冲突避免(csma/ca)系统中实现冲突避免的方法。该方法内置到ieee802.11x标准中,但是是否使用这个功能是可选的。由此,不是通过wi-fi发送的所有消息由rts/cts请求领先。rts和cts方法的目标是通过实现在传输数据之前向接收节点发送请求发送消息的节点来解决无线通信网络中的隐藏节点的问题。接收节点通过允许发送消息来做出响应,网络中的所有节点注意到并且由此知道将发送数据。由此可以避免冲突。

rts和cts消息在网络通信单元结构的mac中被处置并且由此具有相对稳定的处理时间的优点。这不仅适用于同一节点的不同版本之间而且还适用于不同种类的节点之间,诸如移动电话、接入点、wi-fi跟踪器等等。另外,rts和cts消息是一些无线网络通信标准的一部分,并且由此总是存在于遵循这些标准的设备中。

在本发明的另外方面,提供了一种方法,其中所述第一节点包括用来接收和传输声学或数字声音信号的声音装置,其中在确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离之后,所述第一节点执行包括以下步骤的方法:

传输第一声学或数字声音信号,

在传输所述声学或数字声音信号时启动计数器,

接收第二声学或数字声音信号,

在接收到所述第二声学或数字声音信号时停止所述计数器,基于计数器结果确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离。

为了进一步增强距离确定系统的准确性,声音装置可以用作无线数据消息的飞行时间/到达时间的补充。声音装置可以例如由接听设备(诸如麦克风或拾音器)和发射器(诸如一个或多个扬声器)组成。还应当理解的是,声音装置可以是能够发送或接收声音或其组合的任何其他设备。

在一个实施例中,所述声音装置适用于传输和/或接收不在人类的正常听力范围内的声音。

根据一个方面,所述声学或数字声音信号中的至少一个使用啁啾。

根据一个方面,提供了一种方法,其中首先通过前述响应请求消息和相应的响应装置来确定无线通信网络中的第一节点与第二节点之间的距离。

为了进一步增强距离的准确性并且帮助标识节点之一的精确位置,可以使用声音装置。声音装置适用于其中无线通信不是那么准确的近距离距离确定。

根据一个方面,提供了一种方法,其中所述第一节点包括用来接收和传输声学或数字声音信号的声音装置,其中在确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离之后,所述第一节点执行包括以下步骤的方法:

传输第一声学或数字声音信号,

在传输所述声学或数字声音信号时启动计数器,

接收第二声学或数字声音信号,

在接收到所述第二声学或数字声音信号时停止所述计数器,

通过所述无线通信网络接收确定处理时间(ty),

确定平均飞行时间=(tx-ty)/2,以及

基于所述平均飞行时间确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离。

根据一个方面,提供了一种方法,该方法提供了通过无线网络通信装置结合声音装置确定第一节点与第二节点之间的距离的更佳准确性。在如前述那样确定所述第一节点与所述第二节点之间的距离之后,可以通过用于声学或数字声音信号的平均到达时间装置执行更准确的距离确定。在本实施例中,可以通过测量两个方向上的飞行时间,并且使用无线网络通信系统来通信所统计的时间,而确定声学或数字声音信号的平均到达时间。可以在所述第一节点和所述第二节点之一或两者中执行平均飞行时间的确定。然而,在一个优选实施例中,第一计数器在第一节点中并且布置成统计启动第一次传输与响应性接收结束之间的时间。所述第一计数器可以是存储特定事件已经发生的次数的通用数字逻辑或计算计数器。这种事件可以例如是时钟周期、经过的时间或可以用来确定经过的时间量的任何其他装置。在另外的实施例中,类似于所述第一计数器但是在第二节点中的第二计数器可以布置成计算开始接收第一信号与向所述第一信号传输响应结束之间的时间。

根据一个方面,在第一节点中提供了一种用于在无线通信网络中确定所述第一节点与第二节点之间的距离的方法,其中执行包括以下步骤的附加方法:

收集多个确定距离,

使用所述多个确定距离来确定平均误差,

使用所述平均误差来确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离。

可以通过进行多次距离确定来估计平均误差。由此,可以提高距离确定系统的准确性并且提供更精确的距离确定。

在本发明的又另一方面,提供了一种方法,其中所述第一节点在传输所述第一声学或数字声音信号之前执行以下方法:

通过所述无线通信网络传输启动传输和接收声学或数字声音信号的请求,以及

通过所述无线通信网络接收启动传输和接收声学或数字声音信号的确认。

根据一个方面,提供了一种方法,其中在传输用于确定第一节点与第二节点之间的距离的声学或数字声音信号之前发送启动传输和接收声学或数字声音信号的请求。所述请求能够使得在同一时间帧内传输来自第一节点和第二节点两者的声学或数字声音信号。即,可以在已经接收到请求之前传输来自所述第二节点的声学响应,因为第二节点已经从启动传输和接收的请求知道请求已经入站。

在本发明的另一方面,提供了一种方法,其中第二无线通信网络用来唤醒所述第一无线通信网络。

不同的无线通信网络具有有益于某些目的的不同特征。例如,在一个实施例中,长距离网络可能比短距离网络更耗电。这种情况还适用于其中不同的网络类型包括适合设计目的的优点的不同标准。

在一个方面,无线通信网络中的节点包括适合与所述第一网络通信单元不同的标准的第二网络通信单元。所述第二网络通信单元用于监测激活信号,并且仅用于在需要执行距离确定时才激活所述第一网络通信单元。因此,可以在大部分待机时间期间使用具有适合等待激活信号的无线网络通信,同时在此方面适合距离测量的无线网络通信可以仅在距离确定过程期间活跃。

在一个方面,所述第一无线通信网络以及因此所述第一网络通信单元布置成使用ieee802.11x/wi-fi标准进行距离确定,并且所述第二无线通信网络以及因此所述第二网络通信单元布置成使用蓝牙。

根据一个方面,提供了一种方法,其中在用来使得第一节点在无线通信网络中确定所述第一节点与第二节点之间的距离的第二节点中,所述第二节点包括带有介质访问控制层(mac层)的网络通信单元,以及

所述第二节点执行包括以下步骤的方法:

从所述第一节点接收响应请求消息,

传输对所述响应请求消息的响应,

其中

前述方法立即在所述第二节点网络通信单元的所述介质访问控制层(mac层)中执行。

根据一个方面,提供了一种方法,其中所述响应请求消息是请求发送(rts)消息,并且所述响应是允许发送(cts)消息。

根据一个方面,提供了一种方法,其中所述第二节点包括用来接收和传输声学或数字声音信号的声音装置,其中所述第二节点执行包括以下步骤的方法:

接收第一声学或数字声音信号,以及

传输第二声学或数字声音信号。

根据一个方面,提供了一种方法,其中所述第二节点包括用来接收和传输声学或数字声音信号的声音装置,其中在执行权利要求6所述的方法之后,所述第二节点执行包括以下步骤的方法:

接收第一声学或数字声音信号,

在接收到所述第一声学或数字声音信号时启动第二计数器,

传输第二声学或数字声音信号,

在传输所述第二声学或数字声音信号时停止所述计数器,

通过所述无线通信网络传输计数器结果。

根据一个方面,提供了一种方法,其中所述第二节点在接收所述第一声学或数字声音信号之前执行以下方法:

通过所述无线通信网络接收启动传输和接收声学或数字声音信号的请求,以及

通过所述无线通信网络传输启动传输和接收声学或数字声音信号的确认。

本发明的一个实施例包括一种用于在诸如ieee802.11x等无线通信网络中确定第一节点与第二节点之间的距离的节点,其中所述第一节点包括具有介质访问控制层(mac层)的网络通信单元,并且所述第一节点包括:

用于传输响应请求消息的装置,

用于对所述响应请求消息与响应之间的时间计数的计数器,

用于接收对所述响应请求消息的响应的装置,

基于计数器结果确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离的装置,

其中

所述计数器结果是在所述第一节点网络通信单元的所述介质访问控制层(mac层)中,从传输所述响应请求消息到所述响应到达之间的时间段。

在用于在无线通信网络中确定第一节点与第二节点之间的距离的节点的一个实施例中,所述响应请求消息是请求发送(rts)消息,并且所述响应是允许发送(cts)消息。

在用于在无线通信网络中确定第一节点与第二节点之间的距离的节点的仍另一个实施例中,所述节点包括用于接收和传输声学或数字声音信号的声音装置,并且所述节点用于:

传输第一声学或数字声音信号,

在传输所述声学或数字声音信号时启动计数器,

接收第二声学或数字声音信号,

在接收到所述第二声学或数字声音信号时停止所述计数器,

基于计数器结果确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离。

在另一个实施例中,用于在无线通信网络中确定第一节点与第二节点之间的距离的节点被布置,其中所述节点包括用于接收和传输声学或数字声音信号的声音装置,并且所述节点用于:

传输第一声学或数字声音信号,

在传输所述声学或数字声音信号时启动计数器,

接收第二声学或数字声音信号,

在接收到所述第二声学或数字声音信号时停止所述计数器,

通过所述无线通信网络接收确定处理时间,

确定平均飞行时间=(tx-ty)/2,以及

基于所述平均飞行时间确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离。

在一个实施例中,无线通信网络中的节点,包括带有介质访问控制层(mac层)的网络通信单元,所述节点配置成基于从在所述节点的所述介质访问控制层中传输响应请求消息到对所述响应请求消息的响应在所述节点的所述介质访问控制层中相应地到达之间统计的时间来计算到达时间和/或飞行时间。

在所述节点的另一实施例中,所述响应请求消息是请求发送(rts)消息,并且所述响应是允许发送(cts)消息。

在无线通信网络中的另一实施例中,所述节点还包括用于接收和传输声学或数字声音信号以进行近距离定位的声音装置,其中所述节点配置成计算声学或数字声音信号的到达时间和/或飞行时间。

在无线通信网络中的节点的仍另一个实施例中,所述节点用于:

传输第一声学或数字声音信号,

在传输所述声学或数字声音信号时启动计数器,

接收第二声学或数字声音信号,

在接收到所述第二声学或数字声音信号时停止所述计数器,

通过所述无线通信网络接收确定处理时间,

确定平均飞行时间=(tx-ty)/2,以及

基于所述平均飞行时间确定所述第一节点与所述第二节点之间的所述距离。

在一个实施例中,一种计算机程序,包括计算机可读代码装置,当在无线通信网络中的节点中运行时,所述计算机可读代码装置致使所述节点执行任何前述相应的方法。

在一个实施例中,一种计算机程序产品,包括计算机可读介质和计算机程序,其中所述计算机程序存储在所述计算机可读介质上。

在本发明的一个另外的实施例中,无线通信网络中的节点包括附加时钟或计数器,其中所述附加时钟或计数器具有30-300mhz、优选地40mhz的时钟频率。

附图说明

现在通过示例参照附图描述本发明,在附图中:

图1示出现有技术中已知的rtt。

图2示出具有飞行时间/到达时间的本发明。

图3示出现有技术的示意图。

图4示出本发明的示意图。

图5示出无线通信网络中的节点的典型传输模式。

图6示出一种用于确定飞行时间/到达时间的方法。

图7示出一种用于确定飞行时间/到达时间的方法的替代方面。

图8示出第一节点,“节点a”。

图9示出第二节点,“节点b”。

图10示出使用无线通信和声音装置来确定两个节点之间的距离的改进的距离确定系统的示意图。

具体实施方式

以下参照附图公开本发明的不同实施例的详细描述。本文的所有示例应当被视为一般描述的一部分并且因此可以按照任何方式在一般意义上组合。各实施例和方法的单独特征可以组合或互换,除非这种组合或互换明确地与总体功能相反。

在图1中,示出了现有技术中已知的往返时间(rtt)的图解。每个节点1、2包括中央处理单元(cpu)3、7、网络通信单元(ncu)5、8和一个介质访问控制层(mac层)6、9。第一节点1还包括计数器4。rtt消息rttn在不同传输阶段rtt1、rtt2、rtt3、rtt4、rtt5、rtt6中示出,表明rtt消息行进的路径。图1还示出第一节点1(也被称为“节点a”)和第二节点2(也被称为“节点b”)的示意图,其中所述第一节点1包括具有第一计数器4的cpu3和具有mac层6的ncu5。第二节点2包括cpu7和具有mac层9的ncu8。

图1还示出如何通过rtt确定在无线通信网络中第一节点1与第二节点2之间的距离。rtt消息rttn发送自第一节点1的cpu3,并且计数器4在第一传输步骤rtt1中通过启动信号c1启动。该传输在第二传输步骤rtt2中经过所述第一节点1的ncu5和mac层6,并且到达所述第二节点2的mac层9。mac层9是ncu8的一部分,并且该传输进一步在传输步骤rtt3中传递到所述第二节点2的cpu7。cpu7处理该传输并且产生响应,该响应通过第一传输步骤rtt4传送回ncu8。传输进一步通过第二节点2的mac层9传递并且通过第五传输步骤rtt5传送回所述第一节点1的mac层6。最终,该传输通过第六传输步骤rtt6到达所述第一节点1的cpu3,并且计数器4通过停止信号c2停止。

除了处理时间之外,网络通信系统(诸如wi-fi)中的定位系统的准确性存在其他问题。wi-fi标准是为网络通信开发的并且不是默认地适用于定位系统或距离确定。wi-fi标准,例如,包括具有1mhz时钟频率的计时器,该频率是能实现毫秒级别的时间确定的解析度。确定位置或距离的能力与可以在rtt系统中测量的时间的解析度直接相关。非所期望地,毫秒的解析度由此使得这些系统不准确。

图2示出本发明的第一实施例,其中用于确定第一节点1(也被称为“节点a”)与第二节点2(也被称为“节点b”)之间的距离的传输使用到达时间/飞行时间而不是往返时间。图2还示出用于确定所述第一节点1与所述第二节点2之间的距离的传输是如何在节点1、2的mac层6、9中处置的。响应请求消息rttn传输自第一节点1的cpu3,并且计数器4通过启动信号c1启动。响应请求消息进一步传送通过ncu(网络通信单元)5和mac层6,并且最终传输到第二节点2。ncu的例子是phy类型的芯片,但是不限于其他类型的部件。ncu和mac可以集成到或并入到同一物理部件中。在不同的实施例中,ncu可以包括各种功能或部件,诸如射频功能、信号混合功能、收发器功能、数字基带功能、数字信号处理功能、通信算法功能,不限于其他功能或物理部件。第二节点2处置响应请求消息rttn并且直接在mac层9中返回回复rtts,消除了涉及第二节点2的cpu7的任何步骤。此响应被传送到第一节点1的cpu3,并且计数器4由停止信号c2停止。因此,可以消除第二节点2中的任何未知的处理时间。可以通过使用rts和cts消息来在支持这种消息的标准进一步改善这一点。例如,在ieee802.11x中,mac层6、9支持在任何数据传输之前发送的rts和cts消息。进一步在5中示出了这一点。

图3示出现有技术的示意图,显示出如何在图1的所示实施例中处置响应请求消息。

图4示出本发明的示意图,其中图3的cpu中的处理时间可以根据本发明的实施例是受限的或被消除。

图5示出无线通信网络(诸如ieee802.11x)的传输模式,其中第一节点传输请求发送(rts)消息,而第二节点2在传送任何数据之前通过允许发送(cts)消息来做出响应。rts和cts消息可以在第一节点1和第二节点2两者的mac层中得到处置并且可以因此不受节点1、2的cpu中的处理时间影响。

图6示出确定第一节点与第二节点之间的距离的方法。第一节点1可以传输第一声学或数字声音信号sa,并且在传输声学或数字声音信号sa时,启动用于测量声学或数字声音信号的飞行时间的计数器tx。声学或数字声音信号sa可以由第二节点2接收,并且用于对接收所述第一信号sa与传输响应信号sb之间的时间进行计数的第二计数器ty启动。第二节点2可以传输响应信号sb,并且计数器ty停止。第一节点接收响应信号sb并且停止计数器tx。随后通过将计数器确定的两个时间相减并且因此确定由(tx-ty)/2指示的平均飞行时间来确定飞行时间。

在一个实施例中,可以指定节点之一来确定飞行时间。例如,在一个实施例中,飞行时间可以由第一节点1在接收到对应于第二节点2的计数器ty的值的被确定的处理时间ty之后确定。

图7示出本发明的另一实施例,其中第一节点1和第二节点2可以在传输任何声学或数字声音信号之前通信,并且可以创建握手,其中节点1、2都意识到入站声学或数字声音信号。通过这种握手动作,第一节点的计数器tx所统计的总传输时间可以减少,同时仍可以确定平均飞行时间tp。在实施例中,第二节点统计的确定处理时间ty可以因此是负的。

在一个实施例中,握手是通过无线通信网络进行的。

图8示出第一节点1(也被称为“节点a”),包括中央处理单元3(cpu)、计数器4、存储器或计算机可读介质10、包括介质访问层6(mac层)的网络通信单元5(ncu)以及声音装置12、13。

图9示出第二节点2(也被称为“节点b”),包括中央处理单元7(cpu)、存储器或计算机可读介质11、包括介质访问层9(mac层)的网络通信单元8(ncu)以及声音装置12、13。

图10示出使用无线通信和声学或数字声音装置12、13来确定两个节点之间的距离的增强距离确定系统的示意图。通过使用无线通信网络确定距离的准确性不总是能胜任于所期望的应用领域。为了进一步增强这种系统的精确度,可以在本发明的一个实施例中添加附加装置,诸如声学或数字声音装置12、13。

在本发明的一实施例中,可以首先借助于通过无线通信网络的到达时间/飞行时间来确定两个节点之间的距离。作为第二步骤,可以通过使用声音来确定近距离来改善距离确定。由于其特性,例如诸如范围准确性,无线技术可以是对声音距离确定技术的补充。另外,无线通信网络可以进一步通过借助于无线通信网络在这两个节点之间传输信息(诸如声音的统计飞行时间)来结合所述声音距离确定技术使用。

在本发明的一个实施例中,附加时钟可以添加到无线通信网络中的使用比标准时钟更高时钟频率的至少一个节点。例如,在ieee802.11x无线通信网络系统中,1mhz时钟频率可以由为距离确定提供更佳解析度的附加时钟来补充。在优选实施例中,这种补充时钟布置有30-50mhz、30-300mhz、100mhz或更高或接近40mhz的频率。

更高频率(诸如例如30-300mhz)的优点是可以在低范围内到达下至米级的距离准确性并且在更高范围内到达下至厘米级的准确性,这对于已知的现有技术是显著的改进。

在本发明的一个附加实施例中,啁啾信号的增加或减小频率可以用作距离确定方法和设备的一部分。

应当注意,在以上详细描述中,任何实施例、实施例的方面或特征仅是示例并且可以按照任何方式组合,如果这种组合不是明确地相反的话。

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