在存在多个通信路径的情况下进行精确射频定位的粗略和精细飞行时间估计的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年9月6日提交的申请号为15/697,284的美国申请的权益，并且是于2016年6月3日提交的申请号为15/173,531的美国申请的部分继续申请，该两个美国申请的全部内容均通过引用并入本文。

本发明的实施例涉及一种在存在多个通信路径的情况下进行精确射频定位的粗略和精细飞行时间估计的系统和方法。

背景技术：

在消费类电子产品和计算机工业中，无线传感器网络已经研究了很多年。在原始无线传感器网络中，一个或多个传感器与无线电一起实施以能够从布置在网络内的一个或多个传感器节点无线收集数据。每个传感器节点可以包括一个或多个传感器，并且将包括无线电和用于对传感器节点的操作供电的电源。室内无线网络中的节点的位置检测在许多应用中是有用且重要的。

基于使用射频测量执行的三角测量的定位是一种用于确定三维空间中无线配备目标的位置的具有吸引力的方法。可以以多种方式执行基于rf的定位。必须确定多个目标对之间的距离，以能够基于各个对距离通过三角测量来计算三维空间中的相对位置。示例性实施方案包括集线器和多个传感器节点。注意的是，可以用节点来替换集线器，或者实际上，可以用一个或多个节点来替换集线器。通过rf通信使用射频技术估计所有各对之间的距离。一旦估计了距离，三角测量就可以用于确定每个目标在三维空间中的相对位置。如果在现实空间中已知至少两个目标的位置，则可以确定网络中每个目标的绝对位置。实际上，如果在网络内已知一个目标(例如，集线器)的位置，以及到至少一个其它节点的角路径，则可以再次确定网络内每个目标的绝对位置。

因此，目标对之间的距离测量是基于rf的定位中的关键步骤。可以以多种方式执行距离估计。通信信号强度(rssi)可以在对之间测量并且用于基于已知的信号衰减模型来估计距离。可以测量在目标之间发送的信号的飞行时间(tof)，并且可以基于已知的传播延迟模型来估计距离。可以另外基于信号强度的角度变化的分辨率来估计到达角(aoa)。其中，rssi通常由于衰减的变化而易于出错，因此，对于距离估计的吸引力不如tof。

基于tof的距离估计易受反射引起的误差影响，从而导致两个目标之间存在多个路径。在这种情况下，由于反射路径比直接路径长，因此估计路径可能被检测为长于实际路径。如果系统基于反射路径估计tof，则在三角测量中会引入误差。

技术实现要素：

对于本发明的一个实施例，本文公开一种用于确定网络架构中无线传感器节点位置的系统和方法。在一个示例中，一种用于无线网络架构中的节点定位的异步系统，包括：第一无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路，包括具有第一数据包的第一rf信号。该系统还包括第二无线节点，具有无线装置，该无线装置具有在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二rf信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用第一无线节点和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及该飞行时间的精细时间估计。

在另一示例中，一种用于无线网络架构中的节点定位的同步系统包括：第一无线节点，其具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路，包括具有第一数据包的第一rf信号。第二无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的rf电路，包括具有第二数据包的第二rf信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用第一无线节点和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及该飞行时间的精细时间估计。在一个示例中，第一无线节点和第二无线节点具有相同的参考时钟信号。从附图和下面的详细描述中，本发明的实施例的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

本发明的实施例通过示例的方式示出，并且不限于附图中的图，相同的附图标记在附图中表示相似的元件，并且在附图中：

图1示出根据一个实施例的无线节点的示例性系统。

图2示出根据一个实施例的具有多个用于通信的集线器的非对称树状和网状网络架构的系统。

图3示出根据一个实施例的飞行时间测量系统。

图4示出根据一个实施例的飞行时间测量系统的框图。

图5示出根据一个实施例的用于距离估计的完全同步系统。

图6示出根据一个实施例的记录rf信号的数据包是如何成为从装置510发送的时移形式信号。

图7a示出根据一个实施例的理想信道的相位响应。

图7b示出根据一个实施例的非理想信道的相位响应。

图8a示出根据一个实施例的作为与曲线830的示例性路径相关的延迟的函数的测量信号振幅。

图8b示出根据一个实施例的曲线860中的振幅与tof延迟的归一化。

图8c示出根据另一实施例的用于飞行时间估计的异步系统。

图9a示出根据一个实施例的具有自动增益控制的校准系统。

图9b示出根据一个实施例的使用环回校准来去除硬件延迟和非理想性的方法。

图10示出在一个实施例中的双向tof测量系统1000。

图11示出根据可选实施例的异步系统1100。

图12示出根据一个实施例的使用飞行时间技术来确定节点的位置估计的方法。

图13a示出根据一个实施例的被实施为电源插座的覆盖物1500的集线器的示例性实施例。

图13b示出根据一个实施例的被实施为电源插座的覆盖物的集线器框图的分解图的示例性实施例。

图14a示出根据一个实施例的被实施为在计算机系统、电器或通信集线器中布置的卡的集线器的示例性实施例。

图14b示出根据一个实施例的被实施为在计算机系统、电器或通信集线器中布置的卡的集线器964的框图的示例性实施例。

图14c示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器的示例性实施例。

图14d示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器1684的框图的分解图的示例性实施例。

图15示出根据一个实施例的传感器节点的框图。

图16示出根据一个实施例的具有集线器的系统或设备1800的框图。

具体实施方式

本文公开了在存在多个通信路径的情况下进行精确射频定位的系统和方法。在一个示例中，一种用于定位无线网络架构中的节点的异步系统，包括：第一无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路，包括具有第一数据包的第一rf信号。该系统还包括第二无线节点，其具有无线装置，该无线装置具有在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二rf信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以使用第一无线节点和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及该飞行时间的精细时间估计。

在无线传感器网络的各种应用中，可能需要确定网络内传感器节点的位置。例如，这种信息可用于估计诸如安全摄像头、运动传感器、温度传感器以及其它对于本领域技术人员来说是显而易见的这种传感器的相对位置。然后，这种信息可用于产生诸如温度图、运动路径以及多视点图像采集的增强信息。因此，期望定位系统和方法能够在无线网络特别是在室内环境中的准确地、低功率地以及环境感知地定位节点。为此目的，也假设室内环境包括诸如在建筑物和其它建筑周围的区域的邻室内环境中可能存在类似的问题(例如，附近墙壁的存在等)。

描述一种用于室内环境的无线传感器网络，室内环境包括房屋、公寓、办公室和商业建筑以及附近的外部位置，例如停车场、人行道和花园。无线传感器网络也可用于具有电源的任何类型的建筑物、结构、围墙结构、车辆、船等。传感器系统为传感器节点提供良好的电池寿命，同时保持长通信距离。

本发明的实施例提供了用于室内环境中定位检测的系统、设备和方法。于2015年8月19日提交的申请号为14/830,668的、通过引用并入本文的美国专利申请公开了用于基于rf定位的技术。具体地，这些系统、装置以及方法在无线传感器网络中实施定位，无线传感器网络主要使用树状网络结构与周期性网状结构特征通信，以在需要定位时进行路径长度估计。通过使用高频定位和低频率通信，无线传感器网络提高了定位的准确度，同时提供了良好的室内通信质量。

树状无线传感器网络由于降低了与无线电信号接收功能相关联的功率要求而对许多应用具有吸引力。于2015年1月29日提交的申请号为14/607,045、于2015年1月29日提交的申请号为14/607,047、于2015年1月29日提交的申请号为14/607,048以及于2015年1月29日提交的申请号为14/607,050的美国专利申请中描述了树状网络架构的示例，这些美国专利申请通过引用整体并入本文。

另一类经常使用的无线网络是网状网络。在该网络中，通信发生在一个或多个邻居之间，然后可以使用多跳架构沿着网络传递信息。因为信息在短距离上发送，所以这可以用于降低发送功率需求。另一方面，因为必须频繁地打开接收无线电以启用多跳通信方案，所以接收无线电功率需求可能增加。

基于使用无线网络中的节点之间信号的飞行时间，通过利用信号传播速度相对恒定的事实，可以估计无线网络中的各个节点对之间的距离。本网络架构的实施例允许测量多对路径长度并且执行三角测量，然后估计三维空间中各个节点的相对位置。

图1示出根据一个实施例的示例性无线节点系统。示例性系统100包括无线节点110-116。节点与通信120-130(例如，节点标识信息、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息、用于无线传感器网络的其它此类信息、飞行时间(tof)通信等)双向通信。基于使用飞行时间测量，可以估计各个节点对之间的路径长度。例如，节点110和111之间的各个飞行时间测量可以通过在已知时间从节点110向节点111发送信号来实现。节点111接收信号，记录接收通信120的信号的时间戳，然后可以例如将返回信号与发送返回信号的时间戳一起发送给a。节点110接收信号并记录接收的时间戳。基于这两个发送和接收时间戳，可以估计节点110和111之间的平均飞行时间。该过程可以在多个频率重复多次，以提高精度，并消除或减少由于特定频率下的不良信道质量引起的劣化。可以通过针对各个节点对重复该过程来估计一组路径长度。例如，在图1中，路径长度为tof150至160。然后，通过使用几何模型，可以基于类似三角测量的过程来估计各个节点的相对位置。

由于仅可以测量任何节点和集线器之间的路径长度，因此这种三角测量过程在树状网络中不可行。然后，这限制了树状网络的定位能力。为了在允许定位的同时保持树状网络的节能优势，在本发明的一个实施例中，用于通信的树状网络与用于定位的网状网络功能相结合。一旦利用网状网络功能定位完成，网络就切换回树状通信，并且仅周期性测量节点和集线器之间的飞行时间。假如这些飞行时间保持相对恒定，则网络假定节点没有移动并且不浪费能量，从而试图重新运行网状定位。另一方面，当检测到树状网络中路径长度的变化时，网络切换到网状系统，并且重新三角测量以确定网络中的每个节点的位置。

图2示出根据一个实施例的具有多个用于通信的集线器的非对称树和网状网络架构的系统。系统700包括具有无线控制装置711的中央集线器710、具有无线控制装置721的集线器720、具有无线控制装置783的集线器782以及包括具有无线控制装置n的集线器n的附加集线器。未示出的附加集线器可以与中央集线器710、其它集线器通信，或者可以是附加的中央集线器。每个集线器都与其它集线器以及一个或多个传感器节点双向通信。集线器还被设计为与包括装置780的其它装置(例如，客户端装置、移动装置、平板装置、计算装置、智能应用、智能电视等)双向通信。

传感器节点730、740、750、760、770、788、792、n和n+1(或终端节点)均分别包括无线装置731、741、751、761、771、789、793、758以及753。如果传感器节点仅具有与更高层集线器或节点通信的上游通信而不具有与另一集线器或节点的下游通信，则该传感器节点是终端节点。每个无线装置包括具有发送器和接收器(或收发器)的rf电路，以实现与集线器或其它传感器节点的双向通信。

在一个实施例中，中央集线器710与集线器720、集线器782、集线器n、装置780以及节点760和770通信。这些通信包括无线非对称网络架构中的通信722、724、774、772、764、762、781、784、786、714和712。具有无线控制装置711的中央集线器被配置成向其它集线器发送通信并且从其它集线器接收通信，用于控制和监测无线非对称网络架构，包括分配节点组和针对每组的保证时间信号。

集线器720与中央集线器710以及传感器节点730、740和750通信。与这些传感器节点的通信包括通信732、734、742、744、752和754。例如，从集线器720的角度来看，通过集线器接收通信732并且将通信734发送到传感器节点。从传感器节点730的角度来看，通信732被发送到集线器720中并且从集线器接收通信734。

在一个实施例中，中央集线器(或其它集线器)将节点760和770分配给组716、将节点730、740和750分配给组715、将节点788和792分配给组717，以及将节点n和n+1分配给组n。在另一示例中，将组716和715组合成单个组。

通过使用图1-图2中所示的架构，需要较长电池寿命的节点使消耗在通信上的能量最小，并且在树状层次中的较高层节点可以使用有效的能量源来实施，或者可以交替地使用提供更高容量的电池或提供更短电池寿命的电池。为了促进在电池供电的终端节点上实现更长电池寿命，可以在这些节点和它们的上层对等节点(以下称为最低层集线器)之间建立通信，使得在最低层集线器和终端节点之间发生最小的发送和接收流量。

在一个实施例中，节点将其大部分时间(例如，90％以上的时间、95％以上的时间、大约98％或99％以上的时间)花费在低能量的非通信状态中。当节点唤醒并进入通信状态时，节点可以操作将数据传输到最低层的集线器。数据可以包括节点标识信息、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息以及用于无线传感器网络的其它此类信息。

为了基于rf确定两个目标之间的距离，执行测距测量(即，rf通信用于估计该目标对之间的距离)。为了实现此目的，rf信号从一个装置被发送到另一装置。图3示出根据一个实施例的飞行时间测量系统。如图3所示，发送装置310发送rf信号312，接收装置320接收rf信号312。在此，在示例性无线网络中，装置310可以是集线器或节点，并且装置320也可以是集线器或节点。

图4示出根据一个实施例的飞行时间测量系统的框图。接收装置(例如，装置320)从发送装置(例如，装置310)接收发送，并且处理rf信号412以使用低分辨率估计器440生成至少一个粗略估计442，并且使用高分辨率估计器450生成两个装置之间控制传播延迟的至少一个精细估计452。然后，系统400利用组合器460合并粗略时间估计442和精细时间估计452，以生成准确的飞行时间测量值470。然后，如图4所示，该飞行时间测量值470可以乘以光速以计算距离。

由于飞行时间测量本身对网络内操作的时序敏感，因此执行测量的装置的计时很重要。图5示出根据一个实施例的用于距离估计的完全同步系统。在完全同步系统500，即两个装置共享相同的时钟参考中，装置510首先在时间t1向装置520发送rf信号512(例如，具有数据包的rf信号)。数据包在时间t2到达装置520，并且触发装置520中的数据包检测算法以寄存该时间t2。因为它是同步系统，所以可以将飞行时间的粗略估计计算为t2-t1。但是，该测量的分辨率受采样时钟的时间分辨率的限制，采样时钟的频率为fs，时间分辨率为ts。图6中示出时间分辨率。此处，采样时钟表示系统的时间估计的最大精度，并且在示例性系统中，可以通过控制用于检测发送或接收的正时的电路的时钟频率来设置。例如，如果采样时钟为100mhz，则此测量的分辨率将为10纳秒(ns)，这对应于大约10英尺的精度。

为了提高该准确度，可以在装置520处记录和分析rf信号512。图6示出根据一个实施例的所记录的rf信号的数据包是如何成为从装置510发送的时移形式信号。在采样时钟时间间隔(ts)，在t2检测到rf信号512的数据包514。接收的数据包514的实际开始是早于t2的采样时钟周期的部分时段(例如，δt)。

可以使用多种方法来估计该部分时段(例如，δt)。例如，时域信号可以使用快速傅立叶变换(fft)被转换为频域，然后除以原始信号的频谱以获得信道的频率响应。在基于正交频分复用(ofdm)的系统中，这种信息也可以从信道侦听信息(csi)中获得。在理想的空中信道中，频域中的信道响应是：

h(f)＝aej^2πfδt

其中a是信道损耗，δt是信道延迟。图7a示出根据一个实施例的理想信道的相位响应。纵轴的相位202和横轴的频率204的曲线图示出理想信道210具有对应于2π*δt的斜率的直线。

将δt与t2-t1相结合，可以建立准确的距离估计：

距离＝(t2-t1-斜率/(2π))×c

其中c是光速。

在非理想信道的情况下，存在来自环境的多次反射，并且整个信道响应可以被表示为

h(f)＝∑ake^j2πfδtk

其中ak是每个路径的振幅，δtk是每个路径的延迟。因此，信道响应在相位上不同于直线。图7b示出根据一个实施例的非理想信道的相位响应。纵轴的相位252和横轴的频率254的曲线图示出非理想信道260。

可以使用诸如矩阵束、music等高级算法来估计多个路径的最小延迟(δtk)，并且可以根据提取的最小延迟计算距离。

距离＝(t2-t1-s{h(f)})×c

其中s{h(f)}是从信道响应测量中提取的最小延迟结果，即它应该等于最小{δtk}。

通过将系统分成粗略估计和精细估计，可以同时实现高效率和高性能。粗略时间估计器可以覆盖长范围，但是降低了精度。这种低准确度要求也使该估计器对干扰和多路径的敏感性降低，干扰和多路径是飞行时间测量的重要误差来源。可以用多种方法确定粗略时间估计。例如，可以从发送信号和接收信号指示时间的时间戳中提取粗略时间。可选地，可以使用中国剩余定理展开多个载波频率处接收信号的相位测量，以估计粗略延迟。使用一特定非均匀载波频率组的非均匀离散傅里叶变换也可用于估计粗略延迟。

另一方面，高分辨率估计器仅需要覆盖相对较短的范围，因此减少了系统所需的计算资源。精确估计仅需要覆盖一个粗略采样周期的最大延迟。高级算法也可以应用于此估计器以提高干扰和多路径环境的性能。也可以使用多种方法导出该精细估计。例如，可以从接收信号与理想形式信号的互相关性中导出该精细估计。它还可以使用所接收的信号从信道估计中导出。可以通过使用相位的斜率、逆fft、矩阵束、music或其它方法将信道估计转换为精细延迟估计。

在线性代数中，矩阵束被定义为复变量λ的矩阵值函数

l(λ)＝∑λⁱai

在测距测量的环境下，信道响应具有类似的格式

h(f)＝h(n*fsub)＝∑ake^j2πfδtk＝∑ak(e^j2πfsubδtk)ⁿ＝∑ak(λ)ⁿ

其中频域测量是在相等间隔fsub(副载波频率)的频率下进行。

因此，矩阵束方法可以用于提取这种系统的极点(λ)。一旦从测量中提取了所有可能的极点(λk)，就可以将每个时间延迟计算为

δtk＝log(λk)/(j2πfsub)

在另一实施例中，可以使用多信号分类(music)算法。music基于谐波信号之和组成的信号建模

x(n)＝∑ake^j*wk*n

类似于矩阵束的情况，信道响应可以写成

h(f)＝h(n*fsub)＝∑ake^j*2πf*δtk＝∑ake^{j*2π*fsub*δtk*n}

然后，算法基于测量结果x(n)提取ak和wk，并且可以将延迟元素计算为

δtk＝wk/(2πfsub))

在本文描述的系统中，噪声、数值误差以及其它此类限制可能估计错误延迟。如果估计出较长的实际时间延迟，因为仅最短延迟用于与距离相关的延迟计算，所以时间延迟结果将不受影响。另一方面，当估计出较短的飞行时间延迟时，该飞行时间延迟可能被误认为是实际飞行时间延迟。因此，消除错误的短路径以提高时间延迟估计精度是很重要的。因此，在一个实施例中，实施了校正该错误的系统。

在无线环境中，信号的振幅随着自由空间路径损耗所描述的距离的平方而减小。因此，期望由延迟估计算法估计的较短路径具有较高振幅。然后，使用该预先消除错误的短路径估计。可以通过将估计距离的平方乘以估计的振幅来对接收信号的振幅进行归一化。如果这种归一化振幅低于某个阈值，则表明该路径的估计是由噪声或算法限制造成的，因此可以被排除。

实际上，实际信号强度还取决于包括墙壁、窗户、反射等丰润路径上产生的附加损耗。前面提到的阈值可以根据由这些因素引起的预期损耗来设置，或者可以根据经验数据来设置。

在一个示例中，路径估计算法可以产生5个路径。这些路径中的一个可能由于噪声而产生，并且在实际视距(los)延迟为40ns时具有20ns的tof延迟估计。这在图8a和图8b中示出。图8a示出根据一个实施例的作为与曲线830的5个示例性路径相关联的延迟的函数的测量信号振幅。曲线830示出横轴的5个路径的tof延迟(ns)842和纵轴的测量信号振幅(db)840。数据点851至855表示5个路径的不同tof延迟的测量信号振幅。数据点851表示由于具有小于实际los延迟40ns的tof延迟20ns而造成的潜在错误短路径。该los振幅可以是1，并且与数据点851相关联的错误短路径的振幅可以是0.1。振幅可以通过距离的平方来归一化，因此los振幅为1并且错误路径的归一化振幅为0.025。根据一个实施例，在图8b的曲线860中示出了这种振幅与tof延迟的归一化。曲线860示出横轴的5个路径的tof延迟(ns)862以及纵轴的信号振幅(db)864的归一化。数据点871至875表示针对5个路径的不同tof延迟的测量振幅的归一化。数据点871由于具有小于实际los延迟40ns的tof延迟20ns而表示潜在的错误短路径。与数据点871相关联的错误路径的归一化振幅比los振幅低32db。在一个示例中，如果预期环境因素(不包括路径损耗)的最大损耗为30db，则与数据点871相关联的20ns路径可以作为错误的短路径估计而被排除。

阈值本身也可以是路径长度的函数，以考虑在短距离对长距离中期望的环境损耗的量。其它实施方案也可以在设置阈值时结合物理硬件的动态范围(例如，集线器、传感器节点等的rf接收器的信号电平的动态操作范围)。

在另一实施例中，异步系统用于飞行时间估计。在两个装置是异步的情况下，装置之间的时序偏移可以在延迟估计中引入较大误差。上述设置可以被扩展为双向系统以缓解该问题。图8c示出根据另一实施例的用于飞行时间估计的异步系统。装置810首先在时间t1时向装置820发送具有数据包的rf信号812。数据包在时间t2时到达装置820，触发装置820中的数据包检测算法以记录该时间。然后装置820在时间t3时发送回具有数据包的信号822，其在时间t4时到达装置810并且触发装置810以记录时间并处理波形。注意的是，不同于完全同步系统的情况，t1和t4是在装置810上记录的时间，因此参考其参考时钟。基于装置820的时间参考来记录t2和t3。粗略时间估计被完成为2×tof＝(t4-t1)-(t3-t2)

因为t4和t1在相同时钟采样，因此t4和t1之间不存在任意相位。因此，t4-t1在时间上准确；同样原则适用于t3-t2。因此，该测量不受由于该系统的异步性质导致的两个装置之间的任何相位移动的影响。类似于先前实施例，这种测量受t1/t2/t3/t4的采样时钟周期的分辨率限制。为了提高这种准确度，可以对两个装置执行频率响应测量。装置820使用来自装置810的数据包测量信道响应，并且装置810使用来自装置820的数据包测量信道响应。由于这两个装置不同步，因此两个时钟之间的相位存在不确定性，此处标注为toffset。时钟的这种相位偏移表现为每一侧的信道响应测量的额外相位，但是可以通过将来自两侧的信道响应相乘来消除。假设信道响应与之前相同，则来自装置820的测量结果将是

h820(f)＝h(f)e^{-j2πftoffset}

来自装置810的测量将是

h810(f)＝h(f)e^{+j2πftoffset}

因此，组合信道响应为

h810(f)h820(f)＝h(f)²＝(∑ake^-j2πfδtk)²

这消除了两个时钟之间的相位差。类似于先前实施例，可以使用诸如矩阵束、music等的算法来估计来自h810(f)h820(f)的延迟，其产生2个min{δtk}，并且距离测量由下式给出：

距离＝[(t4-t1)/2-(t3-t2)/2-s{h810(f)h820(f)}/2]xc

可选地，可以从下式估计出toffset：

h810(f)/h820(f)＝e^{+2j2πftoffset}

toffset是分离信道响应的相位斜率的一半。可以通过计算的偏移来校正任一方向的信道响应。然后，距离估计可以被计算为距离＝[(t4-t1)/2–(t3-t2)/2-s{h810(f)}-toffset]xc

或

距离＝[(t4-t1)/2–(t3-t2)/2-s{h820(f)}+toffset]xc

该方法优于乘法方法。h(f)²信道响应包括每个路径的振幅和距离的两倍的项以及每2个路径排列的交叉项。这是针对2路径情况，a8102e^j2πf2δt1、a8202^ej2πf2δt2以及a810a820e^{j2πf(δt1+δt2)}。当应用于单向信道响应h(f)时，因为存在区分和降低动态范围的较少路径，所以精细估计方法对噪声更有效且更稳健。

在估计总路径延迟之前，信道估计也可以与粗略延迟估计相结合。可以将粗略延迟作为线性相位偏移添加到信道估计中。在同步情况下为：

在异步系统的情况下，计算的时钟相位偏移还被应用于线性相移与前向信道估计或反向信道估计的加法或减法。

或

或

然后，可以将矩阵束、music或其它方法应用于粗略信道估计和精细信道估计。这使全部估计的路径都是相对于0距离的真实距离。这有助于消除错误的短路径并选择视线路径。

如果节点具有同步时钟，则可以对多个数据包或多个无线发送(具有或不具有粗略延迟校正)之间的信道估计求平均。可以在使用矩阵束、music或用于路径估计的其它方法之前执行该平均。只要相对于信道的变化(信道相干时间)快速测量多个信道估计，平均信道估计就可以提高信噪比(snr)。较高的snr提高路径估计的准确度，并且将较弱的路径与噪声区分开。

在异步系统中，上述相位偏移校正方法还实现对多个信道估计进行平均。当使用乘法方法时，可以对多个发送中的htot(f)²求平均。当使用除法时，可以对多个发送中的htot(f)求平均。

上述短路径消除算法也可用于例如上面所公开的异步系统。

从上述实施例中明显看出，时序的测量对于建立距离估计至关重要。时序误差会降低距离估计的准确度。时序误差通常存在于无线系统中。例如，自动增益控制(agc)通常用于确保针对信号强度变化的信号的稳健接收器操作。在操作期间，agc级可能具有基于增益而变化的延迟。因此，延迟的这些变化会增加tof估计的不确定性。在一个实施例中，可以通过校准来使该误差最小化。作为agc级增益的函数的延迟可以被预先测量并且用于通过从基线延迟中减去这种偏差来校正在实际tof测量期间的时序。图9a示出根据一个实施例的具有自动增益控制的rf电路。rf电路900(例如，1550、1670、1692、1770、1870等)可以包括在如本公开的实施例中所描述的任何无线节点(例如，集线器、传感器节点)中。rf电路900包括低噪声放大器，用于接收rf信号并生成发送到同相正交(i/q)降频转换单元920的放大信号，以将rf信号降频转换到期望的中频。可变增益放大器930放大该中频信号，然后模数转换器(adc)将放大的信号转换为基带信号。agc950是闭环反馈调节电路，其在输出952处提供受控信号振幅，而不管其输入942中的振幅变化。如上所述，作为agc级增益(例如，agc950)的函数的延迟可以被预先测量并用于通过从基线预测量延迟中减去这种偏差来校正在实际tof测量期间的时序。类似地，也可以预先测量和扣除诸如滤波器延迟的其它校准系统配置。

图9b示出根据一个实施例的使用环回校准来去除硬件延迟和非理想性的方法。该方法的操作可以由无线装置、集线器的无线控制装置(例如，设备)、系统、或远程装置或包括处理电路或处理逻辑的计算机执行。处理逻辑可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或装置上运行的软件)或两者的组合。在一个实施例中，锚节点、集线器、无线装置、或远程装置或计算机执行该方法的操作。可以在与距离测量相关的相关数据所发送的远程计算机上执行与各种计算相关的算法。远程装置或计算机可以处于与具有多个无线节点的无线网络架构不同的位置(例如，不同网络、在云中)。远程装置或计算机可以处于无线网络体系结构内与无线网络体系结构内发送和接收通信的某些节点不同的位置。

在无线网络架构的组件的制造过程中或当无线网络架构的初始化时，在操作980中，处理逻辑对具有延迟的无线装置或传感器节点的rf电路的至少一个组件(例如，发送链、接收链等)进行校准。在操作981中，对至少一个组件的校准可以包括生成第一环回校准信号，并且通过第一节点(例如，无线装置或传感器节点)的rf发送链传递该信号。该第一环回校准信号不必在空中发送。发送链直接地或通过片上泄漏连接到无线装置或传感器节点的接收链。可以在rf链中的任何点执行这种连接。在一个示例中，rf发送链和接收链被设置为同时有效。可以对第一环回校准信号在通过rf接收链环回之前所经过的rf发送链中的块进行表征和校准，以用于以后的测量。在操作982中，处理逻辑测量用于通过发送链传递第一环回校准信号的第一发送时间延迟ttx1，以及用于通过第一节点(例如，无线装置、传感器节点)的接收链传递第一环回校准信号的第一接收时间延迟trx1。在操作984中，处理逻辑生成第二环回校准信号，通过第二节点的发送和接收链传递第二信号，并且测量用于通过第二节点的发送链传递第二环回校准信号的第二发送时间延迟ttx2，以及用于通过第二节点(例如，无线装置、传感器节点)的接收链传递第二环回校准信号的第二接收时间延迟trx2。

在操作986中，处理逻辑可以基于第一发送时间延迟和第一接收时间延迟来计算第一环回校准信号的时间延迟(例如，对于第一节点，tlb1＝ttx1+trx1)，并且基于第二发送时间延迟和第二接收时间延迟来计算第二校准信号的时间延迟(例如，对于第二节点，tlb2＝ttx2+trx2)。然后在操作988中，可以基于tlb1和tlb2来校正用于在第一节点和第二节点之间发送的通信的测量rtt(例如，rttota＝rttmeas-tlb1-tlb2)。

在操作990中，处理逻辑对第一和第二节点的硬件(例如，发送链、接收链)的频率响应进行校准。在一个示例中，环回校准可以为第一节点提供hlb1＝htx1*hrx1，并且为第二节点提供hlb2＝htx2*hrx2。环回校准进一步提供hota2(f)＝hmeas2(f)/(hlb1*hlb2)。在单向情况下，可以使用仅来自接收端、仅来自发送端或两者的某种组合(平均值，等)进行环回校准。例如，hota(f)＝hmeas(f)/hlb2。

环回可以作为生产或工厂测试以及存储在存储器中的结果的一部分进行。可选地，可以在正常操作期间周期性执行环回。在正常操作期间周期性地执行允许自动校准和校正硬件延迟和非理想性随时间、温度等的变化。在生产或工厂测试方法中，需要对随温度的变化进行表征。片上或板上温度传感器可用于根据表征的温度曲线调整校准校正。

在一个实施例中，基带硬件允许全双工操作。在这种情况下，信号可以在经过发送链和接收链之后被发送然后立即被接收。csi、发送时间戳和接收时间戳被合并以生成硬件的校准曲线。可以直接提取并消除延迟，或者可以从后续测量中消除硬件本身的频率响应。

在另一实施例中，基带不是全双工的。在这种情况下，可以独立于基带生成发送数据包。数据包的原始数据可以存储在存储器中，并且直接读出到数模转换器(dac)。它像以前一样经过发送(tx)和接收(rx)rf链。基带设置为接收模式，可以捕获输入数据包的csi和时间戳。可以像以前一样使用csi、发送时间戳和接收时间戳。触发存储器读出到dac时需要捕获发送时间戳。

如上所示，在异步系统中，需要合并来自两个装置的信息以进行计算。为了做到这一点，在一个实施例中，装置中的一个可以使用之前提到的相同rf信号(例如，812、822、1022、1023)或使用如图10中的双向tof测量系统1000的一个实施例所示的单独rf信号路径1024将信息发送到其它装置。

图11示出根据可选实施例的异步系统1100。装置1110和1120可以通过相同的rf信号1112和1113或单独rf信号1122和1123将它们的信息发送到第三装置1130中，并且第三装置1130可以处理并合并该信息以计算飞行时间。

一旦确立网络中各个对之间的距离，就可以将信息传递到网络的一个或多个成员，或者甚至传递到网络外部的系统，以便估计网络的各个成员的相对和/或绝对位置。这可以使用各种技术来执行。例如，可以使用如本领域技术人员公知的三角测量方法。诸如最小二乘方法的误差最小化技术可以用于提高准确度并减少位置估计的误差。这些方法可以通过利用在各种成对距离估计中产生的冗余信息减少以上实施例中与距离估计相关联的任何误差。可以基于确定的测距数据执行定位的其它技术包括多维标度测量、自主定位算法、地形算法、协作多边定位、分布式最大似然、双曲线定位、移动地理分布式定位、弹性定位算法以及其它这样的无锚节点定位算法和基于锚节点的定位算法。

本文所确定的定位信息可以用于促进或改进无线传感器网络的操作。在于2015年8月19日提交的申请号为14/925,889的美国专利申请中公开了示例性无线传感器网络，该美国专利申请通过引用并入本文。定位可用于在网络内建立逻辑和/或功能关系。在一个示例性实施例中，定位信息可以用于限定传感器网络中的群集成员身份，该传感器网络与如图2所示的普通树状网络的群集进行节点到节点通信。在该实施例中，定位用于识别应该被分配在相同群集内的节点。这些可以在不通过集线器的情况下彼此直接通信。这种方法的优点在于，在三角测量计算中存在的距离估计的误差将不会导致网络的灾难性故障；相反，这些误差最多将导致群集的错误分配。重叠群集分配规则或松散群集分配规则的使用可以进一步防止以不期望的方式影响网络性能。

在一个实施例中，定位算法包括基于锚节点的三角测量。在基于锚节点的系统中，已知锚节点(例如，集线器、传感器、装置等)的位置。基于锚节点的已知位置以及每个装置与每个锚节点之间的测量距离来计算其它装置的未知位置。使用相同的进程逐个计算这些未知装置的位置。针对装置中的每个，利用锚节点i的距离测量值是：

其中xi、yi和zi是第i个锚节点的坐标；di是未知装置和第i锚节点之间的测量距离；x、y和z是作为估计目标的未知装置的坐标。通过针对估计设置不同的误差函数，可以使用线性最小二乘法来计算未知装置(x，y，z)的位置。

在另一实施例中，对于无锚节点三角测量设置，不存在任何装置的已知位置。算法必须使用对装置对之间的距离测量值来确定每个装置的相对位置。目标是找出全部装置的相对位置，以使距离测量的总体误差最小化。存在包括增量算法和并发算法的多种类型的算法。增量算法起始于一小组装置，并且基于距离测量计算它们的位置。然后这小组装置用作其它装置的锚节点。这是一种简单的算法，但具有缺点，即，即使使用高级算法更新早期节点位置，早期计算的节点中的误差可以很容易地延伸到后面节点。

因为并发算法同时估计所有位置以实现具有比增量算法更低误差的全局最优，所以并发算法解决了增量算法的问题。它通常使用迭代过程来更新装置的位置，因此在使用更多计算能力和存储器的同时收敛会花费更长的时间。

图12示出根据一个实施例的使用飞行时间技术确定节点位置估计的方法。方法1200的操作可以由无线装置、集线器的无线控制装置(例如，设备)、系统、或远程装置或包括处理电路或处理逻辑的计算机执行。处理逻辑可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或设备上运行的软件)或两者的组合。在一个实施例中，锚节点、集线器、无线装置、或远程装置或计算机执行方法1200的操作。可以在与距离测量相关的相关数据所发送的远程计算机上执行与各种计算相关的算法。远程装置或计算机可以处于与具有多个无线节点的无线网络架构不同的位置(例如，不同网络、在云中)。远程装置或计算机可以处于在无线网络体系结构内与无线网络体系结构内发送和接收通信的某些节点不同的位置。

在初始化无线网络架构时，在操作1201中，处理逻辑对具有延迟的至少一个组件(例如，rf电路的自动增益控制(agc)级、rf电路的滤波级等)进行校准。至少一个组件的校准可以包括测量至少一个组件(例如，作为增益的函数的agc级、滤波级)的延迟，确定测量的延迟与至少一个组件的基线延迟之间是否存在偏差，以及如果存在偏差则校正所确定的飞行时间估计的时序。校准通常在无线网络架构的初始化期间发生。可选地，校准可以在方法1200稍后的时间发生。

在操作1202中，具有射频(rf)电路和至少一个天线的集线器(或锚节点、无线装置、远程装置或计算机)将通信发送到无线网络架构(例如，无线非对称网络架构)中的多个传感器节点。在操作1203中，集线器(或锚节点、无线装置、远程装置或计算机)的rf电路和至少一个天线接收来自多个传感器节点的通信，每个传感器节点具有发送器无线装置，该无线装置具有实现与无线网络架构中的集线器的rf电路的双向通信的发送器和接收器。在操作1205中，具有无线控制装置的集线器(或锚节点、无线装置、远程装置或计算机)的处理逻辑初始化地使传感器节点的无线网络在一定时间段(例如，预定时间段、足以用于定位的时间段等)被配置成网状网络架构。

在操作1206中，集线器(或锚节点、无线装置、远程装置或计算机)的处理逻辑使用如本文公开的各个实施例中所讨论的至少一个飞行时间技术和可能的信号强度技术来确定至少两个节点(或所有节点)的位置。

在操作1208中，一旦完成至少两个网络传感器节点的定位，如果正在发生任何飞行时间测量，则集线器(或锚节点、无线装置、远程装置或计算机)的处理逻辑终止飞行时间测量并且继续监测与至少两个节点的通信的信号强度。类似地，至少两个节点可以监测与集线器通信的信号强度。在操作1210中，一旦完成定位，集线器(或锚节点、无线装置、远程装置或计算机)的处理逻辑将无线网络配置成树型或树状网络架构(或不具有网状特征的树状架构)。

本文讨论的集线器和节点之间的通信可以通过使用包括但不限于以下的各种方法来实施：使用射频的直接无线通信，通过将信号调制到房屋、公寓、商业建筑物等内的电线上而实现的电力线通信，使用诸如802.11a、802.11b、802.11n、802.11ac标准的wifi通信协议的wifi通信以及对于本领域普通技术人员显而易见的其它wifi通信协议的wifi通信，诸如gprs、edge、3g、hspda、lte的蜂窝通信以及对于本领域普通技术人员显而易见的其它蜂窝通信协议，蓝牙通信，使用诸如zigbee的公知的无线传感器网络协议的通信，以及对于本领域普通技术人员显而易见的其它基于有线或无线的通信方案。

终端节点和集线器之间的射频通信可以以包括窄带、信道重叠、信道步进、多信道宽带以及超宽带通信的各种方式实施。

根据本发明的实施例，集线器可以通过多种方式物理地实施。图13a示出根据一个实施例的实施为电源插座的覆盖物1500的集线器的示例性实施例。覆盖物1500(例如，面板)包括集线器1510和将集线器联接到电源插座1502的连接1512(例如，通信链路、信号线、电连接等)。可选地(或另外地)，集线器联接到电源插座1504。出于安全和美观的目的，覆盖物1500覆盖或包围电源插座1502和1504。

图13b示出根据一个实施例的实施为电源插座的覆盖物的集线器1520的框图的分解图的示例性实施例。集线器1520包括将周期性地转换方向的交流电(ac)转换成仅在一个方向上流动的直流电(dc)的电源整流器1530。电源整流器1530经由连接1512(例如，通信链路、信号线、电连接等)从插座1502接收ac，并且将ac转换成dc，以经由连接1532(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1540供应电力，并且经由连接部1534(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1550供应电力。控制器电路1540包括存储器1542或联接到存储指令的存储器，该指令由控制器电路1540的处理逻辑1544(例如，一个或多个处理单元)执行以控制集线器的操作以形成、监测和执行如本文所讨论的无线非对称网络定位。rf电路1550可以包括用于经由天线1552与无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或单独的发送器1554和接收器1556功能。rf电路1550经由连接1534(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1540双向通信。集线器1520可以是无线控制装置1520，或者控制器电路1540、rf电路1550和天线1552的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。

图14a示出根据一个实施例的实施为在计算机系统、电器或通信集线器中布置的卡的集线器的示例性实施例。如箭头1663所示，卡1662可被插入到系统1660(例如，计算机系统、电器或通信集线器)中。

图14b示出根据一个实施例的实施为在计算机系统、电器或通信集线器中布置的卡的集线器1664的框图的示例性实施例。集线器1664包括电源1666，其经由连接1674(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1668提供电源(例如，dc电源)，并经由连接1676(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1670提供电源。控制器电路1668包括存储器1661或联接到存储指令的存储器，该指令由控制器电路1668的处理逻辑1663(例如，一个或多个处理单元)执行以控制集线器的操作以形成、监测和执行如本文所讨论的无线非对称网络的定位。rf电路1670可以包括用于通过天线1678与无线传感器节点发送和接收双向通信的收发器或单独的发送器1675和接收器1677功能。rf电路1670经由连接1672(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1668双向通信。集线器1664可以是无线控制装置1664或者控制器电路1668、rf电路1670和天线1678的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。

图14c示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能应用等)内实施的集线器的示例性实施例。应用1680(例如，智能洗衣机)包括集线器1682。

图14d示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能应用等)内实施的集线器1684的框图的分解图的示例性实施例。集线器包括经由连接部1696(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1690提供电源(例如，dc电源)，并经由连接部1698(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1692提供电源的电源1686。控制器电路1690包括存储器1691或联接到存储指令的存储器，该指令由控制器电路1690的处理逻辑1688(例如，一个或多个处理单元)执行以控制集线器的操作来形成、监测和执行如本文所讨论的无线非对称网络定位。rf电路1692可以包括用于经由天线1699与无线传感器节点发送和接收双向通信的收发器或单独的发送器1694和接收器1695功能。rf电路1692经由连接1689(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1690双向通信。集线器1684可以是无线控制装置1684或者控制器电路1690、rf电路1692和天线1699的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。

在一个实施例中，一种用于提供无线非对称网络架构的装置(例如，集线器)包括用于存储指令的存储器、运行指令来建立和控制无线非对称网络架构中的通信的集线器的处理逻辑(例如，一个或多个处理单元、处理逻辑1544、处理逻辑1663、处理逻辑1688、处理逻辑1763、处理逻辑1888)，以及包括多个天线(例如，天线1552，天线1678，天线1699，天线1311、1312及1313等)以在无线非对称网络架构中发送和接收通信的射频(rf)电路(例如，rf电路1550、rf电路1670、rf电路1692、rf电路1890)。rf电路和多个天线将通信发送到多个传感器节点(例如，节点1、节点2)，每个传感器节点具有无线装置，该无线装置具有在无线非对称网络架构中实现与设备的rf电路的双向通信的发送器和接收器(或具有收发功能的发送器和接收器)。

在一个示例中，第一无线节点包括无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路，包括具有第一数据包的第一rf信号。第二无线节点包括无线装置，该无线装置具有在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二rf信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以基于第一数据包和第二数据包往返行程时间的时间估计以及基于第一无线节点和第二无线节点的信道侦听信息的飞行时间的时间估计来确定用于定位的飞行时间估计。

在一个示例中，该设备由主电源供电，并且多个传感器节点均由电池电源供电以形成无线网络架构。

各种电池可以用于包括诸如锂离子、锂聚合物、磷酸锂的锂基化学物质，以及对于本领域普通技术人员显而易见的其它此类化学物质的无线传感器节点中。可以使用的其它化学物质包括镍金属氢化物、标准碱性电池化学物质、银锌和锌空气电池化学物质、标准碳锌电池化学物质、铅酸电池化学物质，或对本领域普通技术人员来说显而易见的任何其它化学物质。

本发明还涉及一种用于执行本文所描述的操作的设备。该设备可被专门构造用于所需目的，或者可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这种计算机程序可被存储在计算机可读存储介质，例如但不限于包括软盘、光盘、cd-rom和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(rom)，随机存取存储器(ram)，eprom，eeprom，磁卡或光卡，或适用于存储电子指令的任何类型的介质中。

本文提出的算法和显示与任何特定的计算机或其它设备没有内在关联。各种通用系统可根据本文的教导与程序一起使用，或者其可证明对于构造更专用的设备来执行所需的方法操作是方便的。

图15示出根据一个实施例的传感器节点的框图。传感器节点1700包括电源1710(例如，能量源、电池源、主电池、可充电电池等)，其经由连接1774(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1720提供电源(例如，dc电源)，经由连接1776(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1770提供电源，并经由连接1746(例如，通信链路、信号线、电连接等)向感测电路1740提供电源。控制器电路1720包括存储器1761或联接到存储指令的存储器，指令由控制器电路1720的处理逻辑1763(例如，一个或多个处理单元)执行以控制传感器节点的操作来形成和监测如本文所讨论的无线非对称网络。rf电路1770(例如，通信电路)可以包括经由天线1778与集线器和可选的无线传感器节点发送和接收的双向通信的收发器或单独的发送器1775和接收器1777功能。rf电路1770经由连接1772(例如，电连接)与控制器电路1720双向通信。感测电路1740包括各种类型的感测电路和传感器，其包括图像传感器和电路1742、湿敏传感器和电路1743、温度传感器和电路、湿度传感器和电路、空气质量传感器和电路、光传感器和电路、运动传感器和电路1744、音频传感器和电路1745、磁性传感器和电路1746以及传感器和电路n等。

本文公开的无线定位技术可以与其它感测信息组合以提高整个网络的定位准确度。例如，在一个或多个节点包含相机的无线传感器中，所采集的图像可以与图像处理和机器学习技术一起使用，以确定正被监测的传感器节点是否正在查看相同场景并因此可能在相同的房间内。通过使用周期性照明和光电探测器可以实现类似的优势。通过频闪照明并使用光电探测器进行检测，可以检测光路的存在，这可能表明频闪灯和探测器之间不存在不透明墙壁。在其它实施例中，磁传感器可以集成到传感器节点中，并用作罗盘以检测正被监测的传感器节点的方向。然后，该信息可以与定位信息一起使用，以确定传感器是处于墙壁、地板、天花板或其它位置上。

在一个示例中，每个传感器节点可以包括图像传感器，并且房屋的每个围墙包括一个或多个传感器节点。集线器分析包括图像数据和可选的定向数据以及定位信息的传感器数据，以确定每个传感器节点的绝对位置。然后，集线器可以为用户建立建筑物的每个房间的三维图像。可以生成具有墙壁、窗户、门等位置的平面图。图像传感器可以捕获指示反射变化的图像，该反射变化可以指示房屋完整性问题(例如，水、屋顶渗漏等)。

图16示出根据一个实施例的具有集线器的系统1800的框图。系统1800包括无线非对称网络架构的集线器1882或中央集线器，或与其集成。系统1800(例如，计算装置、智能tv、智能电器、通信系统等)可与用于发送和接收无线通信的任何类型的无线装置(例如，蜂窝电话、无线电话、平板电脑、计算装置、智能tv、智能电器等)通信。系统1800包括处理系统1810，其包括控制器1820和处理单元1814。处理系统1810分别经由一个或多个双向通信链路或信号线1898、1818、1815、1816、1817、1813、1819、1811与集线器1882、输入/输出(i/o)单元1830、射频(rf)电路1870、音频电路1860、用于采集一个或多个图像或视频的光学装置1880、用于确定系统1800的运动数据(例如，三维)的可选运动单元1844(例如，加速度计、陀螺仪等)、电力管理系统1840以及机器可访问非暂时性介质1850通信。

集线器1882包括电源1891，其经由连接1885(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1884提供电源(例如，dc电源)，并经由连接1887(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1890提供电源。控制器电路1884包括存储器1886或联接到存储指令的存储器，该指令由控制器电路1884的处理逻辑1888(例如，一个或多个处理单元)执行以控制集线器的操作来形成和监测如本文所讨论的无线非对称网络。rf电路1890可包括经由天线1896与无线传感器节点或其它集线器发送和接收双向通信的收发器或单独发送器(tx)1892和接收器(rx)1894功能。rf电路1890经由连接1889(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1884双向通信。集线器1882可以是无线控制装置1884，或者控制器电路1884、rf电路1890和天线1896的组合可形成如本文所讨论的无线控制装置。

系统的rf电路1870和天线1871或者集线器1882的rf电路1890和天线1896通过无线链路或网络向本文讨论的集线器或传感器节点的一个或多个其它无线装置发送和接收信息。音频电路1860联接到音频扬声器1862和麦克风1064，并且包括用于处理语音信号的已知电路。一个或多个处理单元1814经由控制器1820与一个或多个机器可访问的非暂时性介质1850(例如，计算机可读介质)进行通信。介质1850可以是可以存储由一个或多个处理单元1814使用的代码和/或数据的任何装置或介质(例如，存储装置、存储介质)。介质1850可包括存储器分层结构，包括但不限于高速缓存、主存储器和辅助存储器。

介质1850或存储器1886存储实施本文所描述的任何一种或多种方法或功能的一组或多组指令(或软件)。该软件可包括操作系统1852，用于建立、监测和控制无线非对称网络架构的网络服务软件1856，通信模块1854以及应用1858(例如，房屋或建筑物安全应用、房屋或建筑物完整性应用、开发者应用等)。在由装置1800执行软件期间，软件还可完全地或至少部分地驻留在介质1850、存储器1886、处理逻辑1888内或处理单元1814内。图18所示的组件可在包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路的硬件、软件、固件或其任意组合中实施。

通信模块1854实现与其它装置的通信。i/o单元1830与不同类型的输入/输出(i/o)装置1834(例如，显示器、液晶显示器(lcd)、等离子显示器、阴极射线管(crt)、触摸显示设备、或用于接收用户输入和显示输出的触摸屏、可选的字母数字输入装置)通信。

在一个示例中，一种用于定位无线网络架构中的节点的异步系统包括：第一无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路，包括具有第一数据包的第一rf信号；以及第二无线节点，具有无线装置，该无线装置具有在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二rf信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用第一无线节点和第二无线节点的信道侦听信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及该飞行时间的精细时间估计。

在另一示例中，第一无线节点具有第一参考时钟信号，第二无线节点具有第二参考时钟信号。

在另一示例中，第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计基于第一无线节点发送第一数据包的第一时间、第二无线节点接收第一数据包的第二时间、第二无线节点发送第二数据包的第三时间以及第一无线节点接收第二数据包的第四时间。

在另一示例中，第一无线节点的信道信息包括第二数据包的信道响应的第一测量，并且第二无线装置的信道信息包括第一数据包的信道响应的第二测量。

在另一示例中，用于粗略和精细信道估计的组合前向信道响应包括将时钟相位偏移应用于线性相位与第二测量的加法。在另一示例中，用于粗略和精细信道估计的组合反向信道响应包括将时钟相位偏移应用于线性相位与第一测量的减法。

在另一示例中，矩阵束和music算法中的至少一种用于根据第二数据包的信道响应的第一测量和第一数据包的信道响应的第二测量来估计多路径的最小延迟。在另一示例中，第一无线节点和第二无线节点之间的距离用于根据基于锚节点的三角测量或少锚节点三角测量来确定第一无线节点和第二无线节点的相对或绝对位置。

在另一示例中，第一无线节点和第二无线节点之间的距离用于根据基于锚节点的三角测量或少锚节点三角测量来确定第一无线节点和第二无线节点的相对或绝对位置。

在另一示例中，第一无线节点和第二无线节点之间的距离用于确定定位信息，该定位信息用于限定具有多个无线传感器节点的无线传感器网络中的群集成员身份。在另一示例中，一种具有一个或多个处理单元的远程装置，该一个或多个处理单元被配置成运行指令，以使用第一无线节点和第二无线节点的信道信息来至少部分地确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及飞行时间的精细时间估计。

在一个示例中，一种用于定位无线网络架构中的节点的同步系统包括：第一无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路，包括具有第一数据包的第一rf信号。第二无线节点包括无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的rf电路，包括具有第二数据包的第二rf信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以使用第一和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及飞行时间的精细时间估计。第一无线节点和第二无线节点具有相同的参考时钟信号。

在一个示例中，第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计基于第一无线节点发送第一数据包的第一时间、第二无线节点接收第一数据包的第二时间、第二无线节点发送第二数据包的第三时间以及第一无线节点接收第二数据包的第四时间。

粗略飞行时间估计的分辨率受到采样时钟的时间分辨率的限制，该采样时钟的频率为fs，用于控制检测发送或接收时序的电路。

在另一示例中，第一无线节点的信道信息包括第二数据包的信道响应的第一测量，并且第二无线装置的信道信息包括第一数据包的信道响应的第二测量。

在另一示例中，用于粗略和精细信道估计的组合信道响应包括在估计第一和第二无线节点之间的多路径的最小延迟之前，将粗略延迟应用于线性相位偏移与信道响应的加法。

在另一示例中，矩阵束和music算法中的至少一种用于估计第一无线节点和第二无线节点之间的多路径的最小延迟。

在另一示例中，在多个数据包或多个无线发送之间对不具有粗略延迟的信道响应求平均以提高信噪比，从而提高路径估计的准确性。

在另一示例中，在多个数据包或多个无线发送之间对具有粗略延迟的组合信道响应求平均以提高信噪比，从而提高路径估计的准确性。

在一个实施例中，一种设备，其包括：存储器，用于存储指令；一个或多个处理单元，运行指令，用于控制无线网络架构中的多个传感器节点并确定多个传感器节点的位置；以及射频(rf)电路，将通信发送到多个传感器节点并从多个传感器节点接收通信，每个传感器节点具有无线装置，该无线装置具有在无线网络体系结构中实现与设备的rf电路的双向通信的发送器和接收器。该设备的一个或多个处理单元被配置成运行指令以将具有第一数据包的第一rf信号发送到传感器节点，从传感器节点接收具有第二数据包的第二rf信号，并且使用第一和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及飞行时间的精细时间估计。

在一个示例中，该设备具有第一参考时钟信号，并且传感器节点具有第二参考时钟信号。

在另一示例中，第一和第二数据包的粗略飞行时间估计基于设备发送第一数据包的第一时间、传感器节点接收第一数据包的第二时间、传感器节点发送第二数据包的第三时间以及设备接收第二数据包的第四时间。

在另一示例中，该设备的信道信息包括第二数据包的信道响应的第一测量，并且传感器节点的信道信息包括第一数据包的信道响应的第二测量。

在一个示例中，组合信道响应包括将第一测量和第二测量相乘以消除第一参考时钟信号和第二参考时钟信号之间的相位差。在多个数据包或多个无线发送之间对组合信道响应求平均以提高信噪比，从而提高路径估计的准确性。

在另一示例中，分离信道响应包括将第一测量除以第二测量以估计第一参考时钟信号和第二参考时钟信号之间的相位差。在多个数据包或多个无线发送之间对分离信道响应求平均以提高信噪比，从而提高路径估计的准确性。

在前述的说明书中，已经参考本发明的特定示例性实施例描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。