自适应防信号碰撞的标签、标签定位方法及系统与流程

本发明属于定位技术领域，特别涉及一种自适应防信号碰撞的标签、标签定位方法及标签定位系统。

背景技术：

在uwb(ultrawideband，超宽带)室内定位算法中，通信碰撞的问题是长久以来一直存在的问题，要做到对大量标签可靠定位的效果，必须实现标签的防碰撞，目前无线通信中的防碰撞处理，主要有以下几种方法：

现有技术一：频分多路法，在该方法中各标签通过不同频段进行信号传输，不同频段相互之间不会影响，在各频段内发送信息可以避免标识信息的碰撞，每个标签和基站要能接收不同频段的标识信息。使用该方法后，发现其具有如下缺点：技术成本高，不同频段必须使用不同的接收器件。由于uwb技术可使用的频段非常少，当标签数量多时，使用该方法后防碰撞效果大大降低。现有技术二：基于纯aloha算法的时分多路法，如图1所示，在该方法中标签周期性的循环发送标识信息，在每次循环中随机选取一个时间点发送数据。使用该方法后，发现其具有如下缺点：对于uwb技术，在待定位标签发送数据的过程中，若有其他标签也在发送数据，则接收端接收到的信号有可能发生部分碰撞、完全碰撞。碰撞几率大，影响数据接收和定位精度。现有技术三，基于时隙aloha算法的时分多路法，如图2所示，该方法是在纯aloha算法基础上加入了离散时隙的概念，在每个时隙的分界处标签才能发送数据，标签如此发出的数据就只存在不发生冲突或完全冲突两种情况，避免了纯aloha中的部分数据冲突的现象发生，减少了冲突的发生，提高了公共信道使用率。使用该方法后，发现其具有如下缺点：信号传输所需的时隙数是固定的，不能随意进行动态调整，当标签数量多时，时隙数不够用，导致时隙内标签的碰撞率急剧上升，也急剧的降低了系统的识别效率和信道利用率；当标签数量少时，如有的时隙内没有标签在传输数据，则会产生许多空时隙，造成时隙的浪费。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种自适应防信号碰撞的标签定位方法，其包括：待定位标签根据当前帧长获取发送时隙，并侦听信道；当所述发送时隙到达时，判断当前信道拥挤度与拥挤度阈值关系；若当前信道拥挤度不大于所述拥挤度阈值，则发送标识信息，否则，根据所述待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量对所述当前帧长进行调节，用调节后帧长替换所述当前帧长，然后跳转至所述待定位标签根据调节后帧长获取发送时隙；其中，所述标识信息用于使基站在接收到所述标识信息后，将所述标识信息发送至服务器以使所述服务器对所述待定位标签进行定位。

可选的，所述根据所述待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量对帧长进行调节具体包括：获取当所述发送时隙到达时，已发生时隙n0中第一时隙个数为s1、第二时隙个数s2以及当前帧长nt，所述第一时隙为成功发送标识信息的时隙，所述第二时隙为发生碰撞的时隙；根据所述第一时隙个数、所述第二时隙个数、所述拥挤度阈值ε、所述当前帧长和所述已发生时隙得到所述待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量；将所述待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量作为调节后帧长。

可选的，所述待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量的计算公式如下：

式中，nt+1为调节后帧长。

可选的，在所述发送标识信息之后，所述标签定位方法还包括：在所述当前帧长结束时，根据所述待定位标签当前覆盖范围内的最小标签数量对所述当前帧长进行调节，并用调节后帧长替换所述当前帧长。

可选的，所述待定位标签根据当前帧长获取发送时隙之前，所述标签定位方法还包括：获取预设帧长，用所述预设帧长作为所述当前帧长。可选的，使所述待定位标签和所述基站时钟同步。

可选的，所述待定位标签在发送所述标识信息之前处于低功耗模式，发送所述标识信息时，离开所述低功耗模式，发送所述标识信息之后，进入所述低功耗模式。

本发明另一方面提供了一种自适应防信号碰撞的标签，其包括：发送时隙获取模块，用于根据初始帧长获取发送时隙，并侦听信道；拥挤度判断模块，用于当所述发送时隙到达时，判断当前信道拥挤度与拥挤度阈值关系；第一判断结果模块，用于若当前信道拥挤度不大于所述拥挤度阈值，则发送标识信息，所述标识信息用于使基站在接收到所述标识信息后，将所述标识信息发送至服务器以是所述服务器对该标签进行定位；第二判断结果模块，用于根据所述标签当前覆盖范围内的所有标签数量对当前帧长进行调节，用调节后帧长替换所述当前帧长，然后执行所述发送时隙获取模块。

可选的，所述第二判断结果模块中所述根据所述标签当前覆盖范围内的所有标签数量对帧长进行调节具体为：获取当所述发送时隙到达时，已发生时隙n0中成功发送标识信息的第一时隙个数为s1、发生碰撞的第二时隙个数s2以及当前帧长nt；根据所述第一时隙个数、所述第二时隙个数、所述拥挤度阈值ε、所述当前帧长和所述已发生时隙得到所述标签当前覆盖范围内的所有标签数量；将所述标签当前覆盖范围内的所有标签数量作为调节后帧长。

可选的，所述标签还包括：调节模块，用于在所述发送标识信息之后，根据所述待定位标签当前覆盖范围内的最小标签数量对当前帧长进行调节，并用调节后帧长替换所述当前帧长。

可选的，所述标签还包括：初始化模块，用于获取预设帧长，用所述预设帧长作为所述当前帧长。

可选的，所述标签还包括：时钟同步模块，用于使所述标签和所述基站时钟同步。

可选的，所述标签还包括：低功耗模块，用于在所述待定位标签发送所述标识信息之前使所述待定位标签处于低功耗模式，发送所述标识信息时，使所述待定位标签离开所述低功耗模式，发送所述标识信息之后，使所述待定位标签进入所述低功耗模式。

本发明又一方面提供了一种自适应防信号碰撞的标签定位系统，其包括：若干个标签，为上述标签，用于发送各自的标识信息；多个基站，与所述标签通信连接，用于接收所述标识信息，并将所述标识信息和所述基站接收到所述标识信息的时间发送至服务器；所述服务器，与所述基站通信连接，用于利用双曲线定位方法对所述标识信息和所述基站接收到所述标识信息的时间进行处理，得到发送所述标识信息的标签的位置信息。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1)定位效率高，节省时间。在本发明中，待定位标签不需要等待基站规定统一帧长(时隙数)，而是根据接收到的其他标签信息，自适应动态调节帧长，使得定位效率提高，节省了定位时间。

2)功耗低，节约成本。待定位标签会在帧结束时进入低功耗状态，标签有各自不同的帧长(即时隙数)，避免了统一帧长造成标签无意义的等待，可以使得各标签根据自身情况，更早的进入低功耗状态，降低总功耗，节约成本。

3)标签容量易扩充。固定的时隙数不便于标签容量的扩充，标签数增多，容易造成碰撞；标签数减少，会造成时隙浪费。本发明采用自适应动态帧长，每个标签发送信息的时隙数根据标签容量(即将标签容量作为调节后帧长)动态变化，使得扩展性增强，标签容量易扩充。

附图说明

图1为现有技术中提供的一种标签定位方法的信号碰撞示意图；

图2为现有技术中提供的另一种标签定位方法的信号碰撞示意图；

图3为本发明实施例提供的一种自适应防信号碰撞的标签定位方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种对待定位标签进行坐标计算的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种应用本自适应防信号碰撞的标签定位方法时待定位标签的工作流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种应用本自适应防信号碰撞的标签定位方法的防信号碰撞示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图3，本发明实施例提供了一种自适应防信号碰撞的标签定位方法，该定位方法适用于uwb室内定位方法，其包括以下步骤：

步骤101，待定位标签根据当前帧长获取发送时隙，并侦听信道。

具体地，若当前帧长为nt，则该帧有nt个时隙，t为时隙序列，取值为自然数，如1、2、3、4、5、6、……。如通常，待定位标签t1在当前帧长nt内随机选择时隙i发送标识信息，则时隙i为待定位标签t1的发送时隙，i的取值范围为0<i<＝nt，nt为自然数，然后侦听信道，即侦听标签发送标识信息，如此可以获得待定位标签当前覆盖范围内的其他标签发送标识信息的情况，如成功发送标识信息和发生碰撞的情况。发生碰撞的情况为：标签发送标识信息给基站后，若没有收到基站的反馈信息，则表示在同一时隙有至少两个标签发送了标识信息，产生了碰撞，使得基站没有收到信息。该覆盖范围可以由待定位标签的信息传输距离确定，如以信息传输的最大距离为半径的圆作为覆盖范围。实际应用中，在刚开始定位时，设置一个预设帧长，将预设帧长作为当前帧长，该预设帧长为初始值，其可以人为设定，如根据以往历史经验设定，或随机设定。初始帧长可以不准确，因为在后续收发消息中，待定位标签会根据待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量自适应调整帧长，即用调节后帧长替换初始帧长，然后将调节后帧长作为当前帧长。因此在步骤101之前，该标签定位方法还包括：获取预设帧长，用预设帧长作为当前帧长。

由于确定待定位标签位置所使用的定位方法为tdoa(timedifferenceofarrival，到达时间差)双曲线定位方法，为减少误差，该方法需要对各基站进行时钟同步，确保时间一致，更优选地，对各基站和各标签(包含待定位标签)进行时钟同步，确保时间一致。时钟同步的方法可以为：某标签向其覆盖范围内所有标签和基站以广播的方式发送时间同步信息，实现各标签和各基站的时间同步，该某标签的选择方法可以是随机或人为选定，在其他的实施中，还可以采用其他时间同步方法，本实施对此不进行限定。

步骤102，当发送时隙到达时，判断当前信道拥挤度与拥挤度阈值关系。

具体地，当发送时隙到达时，已发生时隙n0(即发送时隙之前的所有时隙)中成功发送标识信息的时隙(即第一时隙)个数为s1，发生碰撞的发生时隙(即第二时隙)个数为s2，则根据已发生时隙n0、第一时隙个数s1、第二时隙个数s2得到当前信道拥挤度p，其计算公式可以如下：

设ε为拥挤度阈值，其取值范围为0<ε<1，优选地，取值范围为[0.5，0.7]，当ε取值越接近0.5时，则信息碰撞率越低，空时隙较多，时隙利用率相对较低；当ε取值越接近0.7时，时隙利用率越高，但碰撞率相对较高。

步骤103，若当前信道拥挤度不大于拥挤度阈值，则发送标识信息，该标识信息用于使基站在接收到标识信息后，将其发送至服务器以使服务器对待定位标签进行定位；否则，根据待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量对当前帧长进行调节，用调节后帧长替换当前帧长，然后跳转至待定位标签根据调节后帧长获取发送时隙。

具体地，当p≤ε时，表示不拥堵，则待定位标签t1在时隙i发送标识信息。当p>ε时，表示拥堵，则待定位标签t1在时隙i不发送标识信息，此时根据待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量对所述当前帧长进行调节，待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量的获取方式可以为：根据第一时隙个数、第二时隙个数、拥挤度阈值ε、当前帧长和已发生时隙得到，具体地公式可以如下：

式中，nt+1表示调节后帧长，此时调节后帧长为待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量，即将待定位标签当前覆盖范围内的所有标签数量作为调节后帧长。

然后跳转至步骤101，此时待定位标签根据调节后帧长获取发送时隙，如此循环，直至待定位标签成功发送标识信息，该标识信息包括该待定位标签的身份id。

参见图5，下面以标签数量为4为例对当前帧长进行调节的过程进行说明，具体如下：

标签a、b、c、d的初始帧长都为3，拥挤度阈值为0.6。标签a、b分别选择时隙1和2发送信息，标签c选择时隙3发送信息，时隙3到来时，根据当前拥挤度公式计算当前信息拥挤度，得到值为1，1大于拥挤度阈值0.6，因此需要修改帧长，将其修改为4，并选择在时隙4发送标识信息。标签d选择在时隙3发送消息，时隙3到来时，根据当前拥挤度公式计算当前信息拥挤度，得到值为1.4，1.4大于拥挤度阈值0.6，因此需要修改帧长，将其修改为6，并选择在时隙6发送标识信息。侦听信道，标签a、b、c、d都未发生碰撞。

当待定位标签成功发送标识信息后，基站会接收到该标识信息，并将其与基站接收到该标识信息的时间一起发送至服务器，服务器据此进行待定位标签的定位。

具体地，服务器利用tdoa双曲线定位方法对所获得的信息进行计算，实现对待定位标签的位置定位。例如：基站a、b、c收到了标签t1的设备信息(或称标识信息)并发送给服务器，服务器根据基站a和基站b接收到的待定位标签t1发送的自身设备信息的时间计算第一双曲线，服务器根据基站b和基站c接收到的待定位标签t1发送的自身设备信息的时间计算第二双曲线，第一双曲线和第二双曲线交于一点，再根据基站a、b、c的实际位置，计算得出待定位标签t1的位置信息。

基于tdoa的定位方法又称为双曲线定位，是对toa算法的改进，并不是直接利用信号到达各基站的时间，而是利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。

基于tdoa的定位方法的具体实施方法为：假设待定位标签发出信号(即发出标识信息)的时间为t0，此时待定位标签位置未知，uwb基站a1接收到信号的时间为t1，uwb基站a2接收到信号的时间为t2，uwb基站a3接收到信号的时间为t3则可得以下公式：

d1＝c×(t1-t0)(1)

式中，d1为待定位标签到基站a1的距离。

同理可得待定位标签到基站a2的距离d2、待定位标签到基站a3的距离d3的计算公式如下：

d2＝c×(t2-t0)(2)

d3＝c×(t3-t0)(3)

由此可得，信号达到uwb基站a1和uwb基站a2的距离差为：

d21＝c×(t1-t0)-c×(t2-t0)＝c×(t1-t2)(4)

信号达到uwb基站a1和uwb基站a3的距离差为：

d31＝c×(t1-t0)-c×(t3-t0)＝c×(t1-t3)(5)

根据基站a1、a2的实际坐标位置(该坐标位置为已知值)和公式(4)，可绘制出一条双曲线，如图4所示。同理，根据基站a1、a3的实际坐标位置(该坐标位置为已知值)和公式(5)，可绘制出另一条双曲线，这两条双曲线交于一点。求解公式(6)的方程组，该解即为待定位标签位置，所列方程组为：

实际应用中，通常将待定位标签设置于目标物体上，通过对待定位标签的定位实现对目标物体的定位。

由于每个标签是不断发送标识信息，基于目标物体的移动，在待定位标签所覆盖范围内可能会随时增加或减少目标物体，即标签，因此每次发送标识信息后，为了在下次发送信息时碰撞率尽可能降低，在步骤103的发送标识信息之后，本方法还包括：且在当前帧长结束时，根据待定位标签当前覆盖范围内的最小标签数量对当前帧长进行调节，即根据公式：nt+1＝s1+2s2得出调节后帧长，也就是说，在发送标识信息之后，要重新估算其所覆盖范围内标签数量，自适应调整帧长。比如一帧有3个时隙，标签选择在第一个时隙发送信息，发送完毕后，会补时等待到第三个时隙走完，然后进行下一次发送信息。该最小标签数量为估算的待定位标签当前覆盖范围内标签数量的最小值。

为了降低功耗，节约成本，待定位标签在发送标识信息之前处于低功耗模式，发送标识信息时，离开低功耗模式，发送标识信息之后，进入低功耗模式。

参见图6，本发明另一实施例提供了一种标签定位方法，其具体流程如下：

步骤201，进行时间同步，并初始化帧长nt，拥挤度阈值ε。

步骤202，进入低功耗模式，侦听信道。

步骤203，各标签随机选择发送时隙i。

步骤204，当某标签的时隙i到达时，该某标签(即待定位标签)计算当前信道拥挤度p。

步骤205，判断信道是否拥堵。

步骤206，如果不拥堵，则待定位标签离开低功耗模式，并发送标识信息。

步骤207，发送完毕后，再进入低功耗模式，并补时和侦听信道。

步骤208，在当前帧长结束时，根据待定位标签当前覆盖范围内的最小标签数量设定标签新帧长，即设定调节后帧长，然后返回步骤203。

步骤209，如果拥堵，则不发送标识信息，并修改帧长，即将当前帧长修改为调节后帧长，然后返回步骤202。

当待定位标签发送标识信息之后，基站会接收到该待定位标签发送的标识信息，并将该信息发送至服务器，服务器利用tdoa双曲线定位方法对所获得的信息进行计算，实现对待定位标签的位置定位。

通过上述步骤使得每个待定位标签根据拥塞程度估算当前范围内的待定位标签的数量，然后根据各自估算的标签数量设置帧长(即每帧有几个时隙)。每个待定位标签的帧长都不同，每个标签都在不断的发送标识信息，每发送一次消息，都会根据计算的标签数量或称标签容量(即覆盖范围内所有标签的数量)改变帧长，然后重新获取发送时隙，如此使得当标签数量增多时，标签会根据估算的数量修改帧长，避免因统一规定固定长度的帧长而造成的拥挤或浪费。

本发明一实施例提供了一种自适应防信号碰撞的标签，其包括：发送时隙获取模块、拥挤度判断模块、第一判断结果模块和第二判断结果模块。

发送时隙获取模块用于根据初始帧长获取发送时隙，并侦听信道。拥挤度判断模块用于当发送时隙到达时，判断当前信道拥挤度与拥挤度阈值关系。第一判断结果模块用于若当前信道拥挤度不大于拥挤度阈值，则发送标识信息，标识信息用于使基站在接收到标识信息后，将标识信息发送至服务器以是服务器对标签进行定位。第二判断结果模块用于根据标签当前覆盖范围内的所有标签数量对当前帧长进行调节，用调节后帧长替换当前帧长，然后跳转至标签根据调节后帧长获取发送时隙。

优选地，第二判断结果模块中根据标签当前覆盖范围内的所有标签数量对帧长进行调节具体为：获取当发送时隙到达时，已发生时隙n0中成功发送标识信息的第一时隙个数为s1、发生碰撞的第二时隙个数s2以及当前帧长nt；根据第一时隙个数、第二时隙个数、拥挤度阈值ε、当前帧长和已发生时隙得到标签当前覆盖范围内的所有标签数量；将标签当前覆盖范围内的所有标签数量作为调节后帧长。

优选地，第二判断结果模块中标签当前覆盖范围内的所有标签数量的计算公式如下：

式中，nt+1为调节后帧长。

优选地，本标签还包括：调节模块，用于在发送标识信息之后，根据lowbound算法对当前帧长进行调节，并用调节后帧长替换当前帧长。

优选地，本标签还包括：初始化模块，用于获取预设帧长，并将预设帧长作为当前帧长。

优选地，本标签还包括：时间同步模块，用于使标签和各基站时间同步。

优选地，本标签还包括：低功耗模块，用于在待定位标签发送标识信息之前使待定位标签处于低功耗模式，发送标识信息时，使待定位标签离开低功耗模式，发送标识信息之后，使待定位标签进入低功耗模式。

关于发送时隙获取模块、拥挤度判断模块、第一判断结果模块、第二判断结果模块、调节模块、初始化模块、时间同步模块和低功耗模块的具体实施方式可参见上述实施例中的步骤101～103以及步骤201～209的相关描述，此处不再一一赘述。

本发明一实施例还提供了一种自适应防信号碰撞的标签定位系统，其包括：若干个标签、多个基站、和服务器。标签与基站通信连接，基站与服务器通信连接。

标签为上述实施例中的标签，其用于发送标识信息。基站用于接收标识信息，并将标识信息和基站接收到该标识信息的时间发送至服务器。服务器用于利用双曲线定位方法对该标识信息和基站接收到该标识信息的时间进行处理，得到发送标识信息的标签的位置信息，该标签即为待定位标签。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。