无线网络中节点定位和同步方法及节点装置与流程
本发明一般涉及无线通信技术领域，具体涉及无线网络中节点定位和同步方法及节点装置。
背景技术：
无线网络中节点的定位和同步技术研究开始于二十世纪五十年代，尤其是以全球卫星定位系统(gps，globalpositioningsystem)为代表。二十世纪七十年代，在早期卫星定位系统研究的基础上，美国研制成功了新一代的全球卫星导航定位系统，该系统可以为海陆空三大领域提供实时、全天候和全球性的定位、时间同步、导航等服务。除此之外现有还存在一些无线网络节点定位技术，比如基于信号强度的定位方式、基于角度测量的定位方式以及基于信息跳数的定位方式等。
现有的无线网络节点定位方案在某些方面存在一些不足和问题。例如，对于全球卫星定位系统，其难以在室内、地下等场合实现节点的定位，并且在实现定位之前难于实现两个待定位节点之间的测距和同步。对于基于信号强度的方式，其定位精度不佳并且不能完成节点之间的同步。对于角度测量的方式，需要较大的测向天线且不能完成节点的同步。对于基于信息跳数的方式，其测距精度、定位精度和同步精度都不佳，只能实现粗略的估算。
而且，若要通过上述现有节点定位方案来实现在一个节点上完成对所有未知节点的定位和同步，往往需要涉及多次信号传输，占用大量通信时隙资源，定位效率低。
技术实现要素：
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种能够实现一个节点对整个无线网络中所有节点的定位和同步，且节省通信时隙资源的节点定位和同步方案，有效提高无线网络节点定位和同步效率。
第一方面，本申请实施例提供了一种无线网络中节点定位和同步方法，该定位和同步方法包括：
无线网络中各个节点在第一通信时隙发射本节点的请求帧信号，以及接收其他节点的请求帧信号；
所述各个节点根据接收的其他节点的请求帧信号，生成本节点的返回帧信号；
所述各个节点在第二通信时隙发射本节点的返回帧信号，以及接收其他节点的返回帧信号；
所述各个节点根据所接收的其他节点的请求帧信号和返回帧信号，确定出所述无线网络中各节点位置和同步参数。
第二方面，本申请实施例还提供了一种适用于无线网络节点定位和同步的节点装置，该节点装置包括：
请求帧发射接收模块，用于在第一通信时隙发射本节点装置的请求帧信号，以及接收无线网络中其他节点装置的请求帧信号；
返回帧信号生成模块，用于根据接收的其他节点装置的请求帧信号，生成本节点装置的返回帧信号；
返回帧发射接收模块，用于在第二通信时隙发射生成的返回帧信号，以及接收其他节点装置的返回帧信号；
节点定位同步模块，用于根据所接收的其他节点装置的请求帧信号和返回帧信号，确定出所述无线网络中各节点装置的位置和同步参数。
本申请实施例提供的节点定位和同步方案中，通过两个通信时隙分别传输各个节点的请求帧信号和返回帧信号；进而，无线网络中的任一节点通过本节点所接收的其他节点的请求帧信号和返回帧信号，即可确定出无线网络中各节点位置和同步参数。相比现有方案，本申请的方案仅通过两个通信时隙的信号传输，即可实现一个节点对整个无线网络中所有节点的定位和同步，节省了大量的通信时隙资源，极大的提高了无线网络节点定位和同步效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了根据本申请一个实施例的无线网络中节点定位和同步方法的示例性流程图；
图2示出了根据本申请一个实施例的节点收发信号的示意图；
图3示出了根据本申请一个实施例的节点信号接收示意图；
图4示出了根据本申请一个实施例的请求帧信号和返回帧信号的发送接收示意图；
图5示出了根据本申请一个实施例的适用于无线网络节点定位和同步的节点装置的示例性结构框图；
图6示出了根据本申请一个实施例的返回帧信号生成模块的示例性结构框图；
图7示出了根据本申请一个实施例的节点定位同步模块的示例性结构框图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本申请使用的“模块”、“装置”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。举例来说，计算设备上运行的应用程序和此计算设备都可以是模块。一个或多个模块可以位于执行中的一个进程和/或线程内，一个模块也可以位于一台计算机上和/或分布于两台或更多台计算机之间。
如背景技术中所提到的，现有的无线网络节点定位和同步方案中，若要实现在一个节点上完成对所有未知节点的定位和同步，需要涉及多次信号传输，占用大量通信时隙资源，定位效率低。
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的发明人发现，随着无线通信技术的发展，出现了同时同频全双工技术。同时同频全双工技术是指节点在接收来自其他节点信息的同时发送信息，并且节点在发送信息和接收信息时所占用的频率信道相同。
因此，本发明的发明人考虑，可以基于同时同频全双工技术来实现无线网络节点定位和同步。具体地，可以基于同时同频全双工技术，在一个通信时隙内完成本节点的请求帧信号的发射，以及其他节点的请求帧信号的接收；并在另一个通信时隙内完成本节点的返回帧信号的发射，以及其他节点的返回帧信号的接收。继而，无线网络中的任一节点可以根据其所接收的其他节点的请求帧信号和返回帧信号，确定出本节点的位置，以及其他节点的位置。这样，通过两个通信时隙的信号传输，即可实现一个节点对整个无线网络中所有节点位置和同步参数的确定，不仅可节省宝贵的通信时隙资源，还可极大的提高无线网络节点定位和同步效率。
为了便于描述和区分，本申请中可以将发射和接收请求帧信号所占用的通信时隙称为第一通信时隙，或者也可以称为请求帧时隙；将发射和接收返回帧信号所占用的通信时隙称为第二通信时隙，或者也可以称为返回帧时隙。
下面结合附图详细说明本申请的技术方案。
参考图1，其示出了根据本申请一个实施例的无线网络中节点定位和同步方法的示例性流程图。
如图1所示，本申请一个实施例的无线网络中节点定位和同步方法可以包括如下步骤：
s110：无线网络中各个节点在第一通信时隙发射本节点的请求帧信号，以及接收其他节点的请求帧信号。
本申请实施例中，无线网络中各个节点可以基于同时同频全双工技术，实现在一个通信时隙内发射本节点的请求帧信号，并接收来自其他节点的请求帧信号，如图2、3所示。图2示出了根据本申请一个实施例的节点收发信号的示意图；图3示出了根据本申请一个实施例的节点信号接收示意图。
在第一通信时隙(请求帧时隙)中，无线网络中各个节点的请求帧信号由伪随机码序列生成。不同节点所各自生成的请求帧信号不同。对于无线网络中的第i个节点，由对应的伪随机码序列生成的请求帧信号可记为si(t)；而对于无线网络中第j个节点，其请求帧信号可记为sj(t)；当i≠j时，信号si(t)和信号sj(t)不同。
s120：各个节点根据接收的其他节点的请求帧信号，生成本节点的返回帧信号。
本申请实施例中，各个节点可以根据本节点接收的其他节点的请求帧信号和包含本节点自干扰消除后的噪声，确定出本节点所接收的请求帧合信号。之后，根据请求帧合信号和本节点的扰码信号，生成本节点的返回帧信号。
实际应用中，从参数估计的角度，可以从节点所接收到的请求帧信号中估计出来自其他节点的请求帧信号的到达时刻，即可估计出本节点与其他节点之间的直接伪距。例如，从第1个节点所接收到的请求帧信号中可估计出第1个节点与其他节点之间的直接伪距：ρ1,2，ρ1,3，……，ρ1,n，共(n-1)个。
本申请实施例中，第k个节点可以根据如下公式1确定第k个节点所接收的请求帧合信号rk(t)：
其中，n为无线网络中的节点个数，wk(t)为包含第k个节点自干扰消除后的噪声，ρk,i为第i个节点和第k个节点之间的直接伪距，c为光速，αi为从第i个节点接收的信号的幅度，i、k均取值为1到n之间的整数。
各个节点在确定出本节点所接收的请求帧合信号之后，可以确定本节点的扰码信号。无线网络中各个节点的扰码信号不同，各个节点的扰码信号由伪随机码序列生成。
继而，各个节点将确定出的本节点所接收的请求帧合信号与本节点的扰码信号进行运算操作，生成本节点的返回帧信号。
其中，运算操作可以为两个信号之间的相关运算，也可以为乘积运算或卷积运算等等。以相关运算为例，第k个节点生成的返回帧信号为：
s130：各个节点在第二通信时隙发射本节点的返回帧信号，以及接收其他节点的返回帧信号。
本申请实施例中，无线网络中各个节点可以基于同时同频全双工技术，实现在第二通信时隙(返回帧时隙)发射本节点的返回帧信号，并接收来自其他节点的返回帧信号，如图4所示。图4示出了根据本申请一个实施例的请求帧信号和返回帧信号的发送接收示意图。
例如，在返回帧时隙，第k个节点接收到的来自其他节点的返回帧信号为：
其中，n为无线网络中的节点个数，
ρk,i,j属于第j个节点与第k个节点之间的一种间接伪距，ρk,i,j为第j个节点与第k个节点之间信号途径第i个节点的间接伪距。
s140：各个节点根据所接收的其他节点的请求帧信号和返回帧信号，确定出无线网络中各节点位置和同步参数。
本申请实施例中，无线网络中的各个节点可以根据本节点所接收其他节点的返回帧信号，确定出本节点与其他节点之间的各种间接伪距；继而，各个节点根据本节点与其他节点之间的直接伪距和间接伪距，确定出无线网络中任意两个节点之间的距离和节点的同步参数；最后，各个节点根据节点之间的距离，确定出无线网络中各节点位置。
实际应用中，从参数估计的角度，可以从本节点所接收的来自其他节点的返回帧信号中估计出本节点与其他节点之间的各种间接伪距。例如，从第1个节点所接收到来自第3个节点的返回帧信号中可估计出第1个节点与第3个节点之间的各种间接伪距：ρ1,3,1，ρ1,3,2，ρ1,3,4……，ρ1,3,j……ρ1,3,n，共(n-1)个。从第1个节点所接收到来自其他节点的所有返回帧信号中可估计出第1个节点与所有其他节点之间的各种间接伪距：ρ1,2,1，ρ1,2,3，……，ρ1,i,j……ρ1,n,n-1，共(n-1)2个。
由于节点与其他节点之间的直接伪距与两节点之间的距离、两节点各自的同步参数存在对应关系；节点与其他节点之间的间接伪距与两节点各自的同步参数、各个节点之间的距离存在对应关系。
例如，第k个节点和第i个节点之间的直接伪距ρk,i与第k个节点的同步参数
例如，第k个节点和第j个节点之间信号途径第i个节点的间接伪距ρk，i，j与第k个节点的同步参数
因此，本申请实施例中，各个节点构建自己的第一伪距对应关系、第二伪距对应关系。继而，根据构建的第一伪距对应关系和第二伪距对应关系，确定出任意两个节点之间的距离，以及各个节点的同步参数。
其中，第一伪距对应关系为本节点与其他节点之间的直接伪距、本节点的同步参数、其他节点的同步参数以及本节点与其他节点之间的距离的对应关系。
第二伪距对应关系为本节点与其他节点之间的间接伪距、本节点的同步参数、其他节点的同步参数、各个节点之间的距离的对应关系。
实际应用中，各个节点构建第一伪距对应关系具体为构建由本节点与其他节点之间的直接伪距、本节点的同步参数、其他节点的同步参数以及本节点与其他节点之间的距离构成的第一伪距方程组。
各个节点构建的第二伪距对应关具体为构建由本节点与其他节点之间的间接伪距、本节点的同步参数、其他节点的同步参数、各个节点之间的距离构成的第二伪距方程组。
之后，根据已知的本节点与其他节点之间的直接伪距、本节点与其他节点之间的间接伪距，联合求解第一伪距方程组、第二伪距方程组，得到无线网络中任意两个节点之间的距离，以及各个节点的同步参数。其中，联合求解时可以采用最小二乘法等本领域常用技术手段。
需注意的是，由于无线网络节点之间距离的对称性，则第i个节点与第j个节点之间的距离di,j、第j个节点与第i个节点之间的距离dj,i是相等的，即di,j＝dj,i。
最后，各个节点可以采用多维标度分析(mds，multi-dimensional-scaling)方法来根据节点之间的距离，确定出本节点的位置，以及无线网络中其他节点的位置。
从上面描述可以看出，在本申请实施例中，针对现有通信时隙资源占用大的问题，提出通过两个通信时隙来传输信号的方案，在第一通信时隙发射本节点的请求帧信号并接收其他节点的请求帧信号；在第二通信时隙发射本节点的返回帧信号并接收其他节点的返回帧信号。这样，可减少节点间的信号传输次数，节省大量的通信时隙资源，提高了无线网络节点定位和同步效率。
而且，在本申请实施例中，无线网络中的任一节点，可以根据所接收的其他节点的请求帧信号和返回帧信号确定出本节点的位置、本节点与其他节点之间的距离、以及本节点的同步参数，还可以确定其他节点的位置和同步参数、以及其他节点间的距离，实现一个节点对整个无线网络中所有节点的测距、同步和定位。
进一步参考图5，其示出了根据本申请一个实施例的适用于无线网络节点定位和同步的节点装置500的示例性结构框图。
如图5所示，适用于无线网络节点定位和同步的节点装置500可以包括：请求帧发射接收模块501、返回帧信号生成模块502、返回帧发射接收模块503和节点定位同步模块504。
本申请实施例中，请求帧发射接收模块501用于在第一通信时隙发射本节点装置的请求帧信号，以及接收无线网络中其他节点装置的请求帧信号。
返回帧信号生成模块502用于根据接收的其他节点装置的请求帧信号，生成本节点装置的返回帧信号。
返回帧发射接收模块503用于在第二通信时隙发射生成的返回帧信号，以及接收其他节点装置的返回帧信号。
节点定位同步模块504用于根据所接收的其他节点装置的请求帧信号和返回帧信号，确定出无线网络中各节点装置的位置和同步参数。
实际应用中，请求帧发射接收模块501可以基于同时同频全双工技术，实现在一个通信时隙发射本节点装置的请求帧信号，同时接收来自其他节点装置的请求帧信号。其中，无线网络中各个节点装置的请求帧信号由伪随机码序列生成，不同节点装置所各自生成的请求帧信号不同。
返回帧发射接收模块503同样可以基于同时同频全双工技术，实现在另一个通信时隙发射本节点装置的返回帧信号，同时接收来自其他节点装置的返回帧信号。
进一步参考图6，其示出了根据本申请一个实施例的返回帧信号生成模块502的示例性结构框图。
如图6所示，返回帧信号生成模块502可以包括：请求帧合信号生成单元601和返回帧信号生成单元602。
其中，请求帧合信号生成单元601用于根据请求帧发射接收模块501接收的其他节点装置的请求帧信号和包含本节点装置自干扰消除后的噪声，确定出本节点装置所接收的请求帧合信号。
返回帧信号生成单元602用于根据请求帧合信号和本节点装置的扰码信号，生成本节点装置的返回帧信号。
实际应用中，从参数估计的角度，可以从节点装置所接收到的请求帧信号中估计出来自其他节点装置的请求帧信号的到达时刻，即可估计出本节点装置与其他节点装置之间的直接伪距。
因此，本申请实施例中，请求帧合信号生成单元601可以根据如下公式1确定本节点装置所接收的请求帧合信号rk(t)：
其中，n为无线网络中的节点装置个数，k为本节点装置的顺序标号，wk(t)为包含本节点装置自干扰消除后的噪声，ρk,i为第i个节点装置和本节点装置之间的直接伪距，c为光速，αi为从第i个节点装置接收的信号的幅度，i、k均取值为1到n之间的整数。
进而，确定本节点装置的扰码信号。无线网络中各个节点装置的扰码信号不同，各个节点装置的扰码信号由伪随机码序列生成。
这样，返回帧信号生成单元602可以将确定出的本节点装置所接收的请求帧合信号与本节点装置的扰码信号进行运算操作，生成本节点装置的返回帧信号。其中，运算操作可以为两个信号之间的相关运算，也可以为乘积运算或卷积运算等等。
进一步参考图7，其示出了根据本申请一个实施例的节点定位同步模块504的示例性结构框图。
如图7所示，节点定位同步模块504可以包括：间接伪距确定单元701、距离同步确定单元702和节点位置确定单元703。
间接伪距确定单元701用于根据返回帧发射接收模块所接收的其他节点装置的返回帧信号，确定出本节点装置与其他节点装置之间的各种间接伪距。实际应用中，从参数估计的角度，间接伪距确定单元701可以从返回帧发射接收模块503所接收的来自其他节点装置的返回帧信号中估计出本节点装置与其他节点装置之间的各种间接伪距。
例如，从第1个节点装置所接收到来自第3个节点装置的返回帧信号中可估计出第1个节点装置与第3个节点装置之间的各种间接伪距：ρ1,3,1，ρ1,3,2，ρ1,3,4……，ρ1,3,j……ρ1,3,n，共(n-1)个。从第1个节点装置所接收到来自其他节点装置的所有返回帧信号中可估计出第1个节点装置与无线网络中所有其他节点装置之间的各种间接伪距：ρ1,2,1，ρ1,2,3，……，ρ1,i,j……ρ1,n,n-1，共(n-1)2个。
距离同步确定单元702用于根据本节点装置与其他节点装置之间的直接伪距和间接伪距，确定出无线网络中任意两个节点装置之间的距离，和节点装置的同步参数。
由于节点装置与其他节点装置之间的直接伪距与两节点装置之间的距离、两节点装置各自的同步参数存在对应关系；节点装置与其他节点装置之间的间接伪距与两节点装置各自的同步参数、各个节点装置之间的距离存在对应关系。
例如，第k个节点装置和第i个节点装置之间的直接伪距ρk,i与第k个节点装置的同步参数
第k个节点装置和第j个节点装置之间信号途径第i个节点装置的间接伪距ρk,i,j与第k个节点装置的同步参数
本申请实施例中，距离同步确定单元702可构建本节点装置的第一伪距对应关系、第二伪距对应关系。继而，根据构建的第一伪距对应关系和第二伪距对应关系，确定出无线网络中任意两个节点装置之间的距离，以及各个节点装置的同步参数。
其中，第一伪距对应关系为本节点装置与其他节点装置之间的直接伪距、本节点装置的同步参数、其他节点装置的同步参数以及本节点装置与其他节点装置之间的距离的对应关系。
第二伪距对应关系为本节点装置与其他节点装置之间的间接伪距、本节点装置的同步参数、其他节点装置的同步参数、各个节点装置之间的距离的对应关系。
实际应用中，距离同步确定单元702构建第一伪距对应关系具体为构建由本节点装置与其他节点装置之间的直接伪距、本节点装置的同步参数、其他节点装置的同步参数以及本节点装置与其他节点装置之间的距离构成的第一伪距方程组。
距离同步确定单元702构建的第二伪距对应关具体为构建由本节点装置与其他节点装置之间的间接伪距、本节点装置的同步参数、其他节点装置的同步参数、各个节点装置之间的距离构成的第二伪距方程组。
之后，根据已知的本节点装置与其他节点装置之间的直接伪距、本节点装置与其他节点装置之间的间接伪距，联合求解第一伪距方程组、第二伪距方程组，得到无线网络中任意两个节点装置之间的距离和节点装置的同步参数。其中，联合求解时可以采用最小二乘法等本领域常用技术手段。
需注意的是，由于无线网络节点装置之间距离的对称性，则第i个节点装置与第j个节点装置之间的距离di,j、第j个节点装置与第i个节点装置之间的距离dj,i是相等的，即di,j＝dj,i。
节点位置确定单元703用于根据节点装置之间的距离，确定出无线网络中各节点装置的位置。实际应用中，节点位置确定单元703可以采用mds方法来根据节点装置之间的距离，确定出本节点装置的位置，以及无线网络中其他节点装置的位置。
应当理解，适用于无线网络节点定位和同步的节点装置500中记载的诸模块与图1描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征同样适用于节点装置500、其中包含的模块、以及模块中包含的单元，在此不再赘述。
本技术领域技术人员可以理解，本发明包括涉及用于执行本申请中所述操作中的一项或多项的设备。这些设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、cd-rom、和磁光盘)、rom(read-onlymemory，只读存储器)、ram(randomaccessmemory，随即存储器)、eprom(erasableprogrammableread-onlymemory，可擦写可编程只读存储器)、eeprom(electricallyerasableprogrammableread-onlymemory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片。也就是，可读介质包括由设备(例如，计算机)以能够读的形式存储或传输信息的任何介质。
本技术领域技术人员可以理解，可以用计算机程序指令来实现这些结构图和/或框图和/或流图中的每个框以及这些结构图和/或框图和/或流图中的框的组合。本技术领域技术人员可以理解，可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专业计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来实现，从而通过计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来执行本发明公开的结构图和/或框图和/或流图的框或多个框中指定的方案。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
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