用于无线网络接入点的时间同步的系统和方法与流程

用于无线网络接入点的时间同步的系统和方法发明领域本公开一般地涉及用于跟踪网络上的设备的位置的WLAN系统，并且更为具体地涉及WLAN接入点的同步以便于位置确定。发明背景随着能在无线局域网(WLAN)上通信的设备的数量和种类的不断增长，与对网络的节点相关联的位置信息的确定相关联的效益也相应增加。例如，专用WLAN标签可被用于遍及组织地标识和追踪物品和产品的移动。一般称为实时位置服务(RTLS)的这些技术便于跟踪资产和资源，由此广为改善了各种应用中的物流。准确定位WLAN设备的能力也提供了显著的安全性和紧急情况响应效益。有若干种用于提供WLAN设备的位置信息的策略是可行的，包括基于信号定时的那些策略。通常，遍及给定环境的多个接入点(AP)负责与多个站(STA)(即，部署的WLAN设备)通信。然而，由于达成同步的技术困难以及向AP提供足以维持同步的准确时钟的花费，常规的AP通常不是经时间同步的。没有经同步的AP，则基于定时的定位就只能由多边测量(multi-lateration)方法通过使用STA和多个AP之间测得的往返行程渡越时间来实现。如将认识到的，这些往返行程测量要求STA向AP发送请求，从AP接收响应并记录出发时间(TOD)和抵达时间(TOA)。在正确的条件下，可至少部分地通过取往返行程延迟对之间的差值并形成抵达时间差(TDOA)测量，来消去沿发射机和接收机链的共同时间延迟。在实践中，在AP对请求的接收与来自AP的相应确认之间的周转区间并不是一致的，且对于由不同制造商制造的设备或者甚至对来自同一制造商的不同型号可能有所不同。相应地，要校准每对WLANAP和STA设备的响应时间通常也是非常麻烦的，即便在它们来自同一制造商时亦是如此。若诸AP被同步至几纳秒以内，则与信号定时的差值测量相关联的很多复杂情况都可以避免。并非依赖计算往返行程定时测量，而是可使用与全球定位系统(GPS)和其它全球导航卫星系统(GNSS)类似的伪距测距技术来非常准确地确定诸STA的位置。具有必需的准确性的定时信息的方便来源是GNSS。例如，WLAN中的利用来自导航卫星的定时信息的常规方法是为诸AP配备GPS接收机。如将认识到的，这要求每个AP捕获并跟踪至少四颗卫星以估计与GPS时间的时间偏移。一旦每个AP计算出了时间偏移，则该AP的时钟就可被相应地补偿，以便它们被同步。与该办法相关联的一个缺点是，它要求每个AP具有足够的GPS接收。遗憾的是，绝大多数AP，且尤其是配置成在RTLS系统中使用的那些AP，是被遍及室内环境地部署的，这些环境因为相对较差的信号接收而并不益于GPS定位。并且，位置和时间偏移估计也受到可见GPS卫星和该AP的相对几何性的影响。当AP仅具有天空的部分视野时，结果所致的精度几何稀释(GDOP)可导致数十甚至数百纳秒数量级上的定时误差，由此导致该定时信息更不适合定位应用。另外，即使GPS接收足以允许间歇性定位，由此允许不频繁的定时偏移估计，诸AP中的参考时钟的准确性也通常不足以随时间推移维持必要的同步。因此，根据实践，希望基本上连续地跟踪GPS时间偏移以防止丢失同步并使频率漂移最小化。相应地，存在对获取用于同步WLAN系统上的设备的定时信息的系统和方法的需要。并且，将希望在无需全GPS接收的情况下获取该定时信息。还将希望允许对WLAN中的设备的伪距定位。本公开的这些技术解决了这些以及其它需要。发明概述根据上述需要以及将在以下提及并变得明显的那些需要，本公开涉及包括接收机部分、定时信号部分和时钟的无线接入点，其中该接收机部分被配置成获取由导航卫星发送的信号，其中该定时信号部分被配置成基于该接入点的已知位置从由接收机部分获取的信号中提取定时信息，并且其中该时钟被配置成用该定时信息来补偿。较佳地，该接收机部分被配置成从对地静止卫星获取信号。同样较佳地，定时信号部分被配置成校正接收自导航卫星的信号中的大气误差。如将认识到的，接入点可被配置成基于使用经补偿时钟所计算的伪距来为与该接入点通信的移动站提供位置信息。在本公开的另一方面，接入点具有配置成将定时信息中继至第二接入点的通信链路，且其中接收机部分被配置成跟踪与该第二接入点所共同的卫星。较佳地，在这些实施例中，接入点的定时信号部分被配置成基于来自卫星的信号的真实渡越时间和伪渡越时间来计算该接入点与第二接入点之间的时间差。在一些实施例中，该通信链路包括定时服务器。本公开还涉及具有多个接入点以及移动站的经时间同步无线网络，其中每个接入点被配置成获取由导航卫星发送的信号，基于该接入点的已知位置从由接收机部分获取的信号中提取定时信息，以及基于该定时信息补偿诸接入点的时钟，以便能通过对在诸接入点与该移动站之间传送的信号执行伪距计算来确定该移动站的位置。至少其中两个接入点可被配置成在通信链路上彼此传送定时信息，该通信链路可被配置成包括定时服务器。较佳地，至少其中两个接入点被配置成跟踪共同的卫星并在通信链路上彼此传送定时信息，该通信链路可被配置成包括定时服务器。同样较佳地，该共同的卫星包括对地静止卫星。并且，适合的经时间同步无线网络可包括多个接入点、移动站和定时服务器，其中每个接入点被配置成获取由导航卫星发送的信号，并基于该接入点的已知位置从由接收机部分获取的信号中提取定时信息，且其中该定时服务器被配置成基于该定时信息来补偿该接入点的时钟以及通过对在诸接入点与该移动站之间传送的信号执行伪距计算来确定该移动站的位置。在另一方面，本公开涉及一种用于同步无线网络的方法，包括以下步骤：提供无线接入点，用该接入点来从导航卫星接收信号，基于该接入点的已知位置从该收到信号中提取定时信息，以及用该定时信息来补偿该接入点的时钟。在一些实施例中，从导航卫星接收信号的步骤包括从对地静止卫星接收信号。本公开的诸方法还可包括从收到信号提取定时信息的步骤以便该步骤校正大气误差。其它特征可包括通过基于经补偿的时钟执行伪距计算来确定与该接入点通信的移动站的位置信息的步骤。在又一方面，诸方法还包括：提供第二接入点，用该第二接入点从该导航卫星接收信号，基于该第二接入点的已知位置从该收到信号中提取定时信息，以及用该定时信息补偿该第二接入点的时钟。较佳地，这些实施例还包括在接入点和第二接入点之间提供通信链路以及在该通信链路上中继定时信息以使该接入点和该第二接入点的时钟同步的步骤。如将认识到的，提取定时信息的步骤还包括基于来自卫星的信号的真实渡越时间和伪渡越时间计算该接入点和该第二接入点之间的时间差。较佳地，从导航卫星接收信号的步骤可包括从对地静止卫星接收信号。其它实施例可包括为该通信链路提供定时服务器。如所期望的，补偿该至少两个接入点的时钟的步骤可由该定时服务器执行。附图简述从如在附图中所解说的本发明优选实施例的以下更具体的描述，进一步的特征和优势将变得明了，并且其中相同附图标记一般贯穿这些视图始终指代相同部分或元素，并且其中：图1是根据本发明的经同步WLAN系统的单向时间传递实现的示意解说；图2是根据本发明的经同步WLAN系统的共视时间传递实现的示意解说。发明具体描述首先，应理解，本公开不限于具体例示的素材、架构、例程、方法或结构，因为其显然可有所变化。由此，尽管与本文所描述的那些内容类似或等效的数个此类可选项可在本公开的实施例的实践中使用，但是本文中描述了优选的素材和方法。还应理解，本文中使用的术语仅仅出于描述本公开的特定实施例的目的而非旨在构成限定。除非另行定义，否则在本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。进一步，本文以上或以下所引用的所有公开物、专利和专利申请的全部内容通过援引纳入于此。最后，如在本说明书及所附权利要求中使用的，单数形式“一”、“某”和“该”包括复数指示对象，除非内容清楚规定并非如此。如本领域技术人员所知的，常规的GPS位置确定要求从至少四颗卫星接收信号，以便可确定与用户的位置相关联的四个变量。这些变量中的三个变量对应于三维坐标，诸如纬度、经度和海拔。第四个变量与时间相关联且通常计算为以GPS卫星的时钟为参照的时间偏移。若RTLSWLAN系统中的诸AP是静止的，则三维坐标系中的那些位置可被确定达到高准确度。一旦三维坐标已知，则对来自单颗GNSS卫星的信号的接收就足以确定第四个变量，即时间偏移。因此，通过从GNSS卫星系统获取定时信息，诸AP本质上使用了该导航系统的更加准确的时钟，由此导致那些AP被彼此同步。在以下公开的实施例中，使用同步技术相对于GNSS的世界共同参考时间(即，协调世界时(UTC))地来补偿每个AP的时钟是方便的。然而，应该认识到，也可以采用使用诸如本地时间帧之类的替换时间帧的同步。现转向图1，其中示出WLAN同步系统100的第一实施例。轨道中的GNSS卫星102对于多个AP可见，包括AP104和106。较佳地，这些AP被置于具有已知达到厘米数量级的准确度的坐标的诸位置上。类似地，卫星102的位置可从其星历被准确地确定。GNSS卫星在经相位调制的L带载波上广播定时信号。因此，卫星102所作的该信号广播被用于实现向AP104和106的单向时间传递。由于卫星和AP的位置是已知的，且诸AP采用共同坐标系，因此它们之间的真实射距或传播延迟可被准确地计算。除了接收机与GPS时间之间的时钟偏移之外，AP104和106处的伪距测量还包括由于星历误差、信号通过对流层和电离层的传播以及多径所导致的定时误差。如以下所讨论的，这些误差可被计及以达到使得对相对于卫星102的时间偏移的估计能够在纳秒数量级的程度。由于AP104和106两者都被同步到卫星102的参考时间，因此它们本质上是彼此同步的。进而，这允许使用伪距测距技术来确定与它们通信的STA108的位置。在以上讨论的单向时间传递实施例中，公开了共同的卫星102作为定时信息源以改善AP104和106的同步。然而，由于来自每颗GNSS卫星的定时信息一般包含足以确定该系统的全局参考时间的细节，因此本公开的这些技术也可适用于诸AP从不同卫星接收定时信息的情形。在较佳实施例中，卫星102是在5度或更高的仰角可见的广域扩增系统(WAAS)对地静止卫星。如本领域技术人员所知的，已经实施的WAAS主要是为了实现飞行器导航和着陆办法的高精度和准确性。WAAS提供差分GPS校正以改善准确性，并提供完整性监视以改善安全性，还提供测距功能以改善可用性和可靠性。WAAS卫星在相同的L1和L5载波上传送并使用与常规GPS卫星类似的伪随机码。地球上的收到信号电平也与GPS的类似。WAAS时钟由地面站维持在GPS时间。相对于AP的静止位置而言，WAAS卫星在其轨道中是相对静止的。尽管WAAS卫星的位置可能实际上在一天的过程中显著变化，但这些变动可从广播星历中准确地计算。在其它实施例中，卫星102可包括其它任何适合的GNSS卫星，包括GPS系统的常规的24–32颗卫星中的一颗。尽管这些卫星的位置可能要求更多计算(由于它们不是对地静止的)，但是它们的位置仍可从其星历准确地计算。由于同步诸AP所需的时间偏移估计仅需要一颗卫星，因此可使用任何合适的准则来选择该卫星，包括能见度、距地平线的距离、GDOP、多径易发性等等。取决于情形，常规GPS卫星可能比对地静止WAAS卫星更容易被捕获并跟踪。例如，WAAS卫星在赤道附近是在头顶的或近天顶的，但仰角随纬度增大而降低。当纬度变得过高时，可能期望使用比WAAS卫星具有更好的能见度的卫星。在其它实施例中，可能希望基于诸AP的定位来选择将采用哪颗GNSS卫星，因为这些AP可能以允许GPS星座的完全或部分能见度的方式被定位。如以上提及的，在基于对来自卫星102的信号的接收来估计时间偏移时计及数种误差是较佳的。这些误差包括基于星历计算、由于对流层和电离层导致的延迟、多径干扰的那些误差。关于星历误差，与真实位置和时钟相比，在由嵌入到导航消息中的星历给出的卫星位置和时钟上可能存在误差。WAAS提供星历及星历速率校正以及时钟及时钟速率校正形式的长期校正。也为快速变化的GPS时钟误差提供快速校正。取决于对卫星102的选取，也可采用其它星历校正。并且，在许多蜂窝或WiFi实施例中，AP104和106彼此相对靠近地放置。如将认识到的，该近程性趋于消除星历误差或使之最小化。类似地，使得诸AP紧密地放置也消除卫星时钟误差或使之最小化。通常看到的由对流层导致的传播影响通常可被视为由于GPS信号随卫星相对于接收机的海拔而变的折射率所导致的过量的群延迟。该延迟对于在天顶的卫星通常为2.6m的数量级，但对靠近地平线的卫星可能大到20m。对于WAAS卫星，对流层延迟的消除是必要的，因为这些卫星悬于赤道上空且因此在北美是在低仰角可见的。GNSS卫星不传送针对对流层延迟的显式校正消息，因为这是局部现象。本领域技术人员将认识到，有若干种已知的对流层延迟估计可用于基于接收机海拔、仰角、表面折射率以及其它因子来建模这些延迟，并且可以使用这些模型之一来补偿误差。归因于对流层状况的该延迟在数十纳秒范围内，且一般可被校正至几纳秒以内。电离层对GNSS信号的主要影响在于群延迟和可能导致在某些纬度上的快速信号波动的电离层闪烁。在诸如低于10度之类的低仰角处，过量传播延迟在L带处可能高达45m。GNSS卫星广播包括显式校正且WAAS卫星所传送的电离层校正比标准GPS中使用的模型更准确。这些延迟校正作为指定电离层网格点(IGP)处针对L1带信号的垂直延迟估计被广播。这些网格点的密度足够高以计及高太阳活动期间在延迟上的空间变动。由于固定GPS的位置是已知的，因此不需要在存储器中存储所有IGP位置且可以使用离其位置最近的网格点。为了获取准确校正，应该计算该AP与观测到的卫星之间的矢量的电离层穿透点(IPP)以确定倾斜延迟校正。若期望，可用采用双频方法的直接测量或用代码和载波相位测量执行进一步的电离层校正。多径影响是因直接信号与来自反射路径的卫星接收信号的多个经延迟副本的相消组合而产生的。在接收机处，多径导致相关(correlation)功能失真，进而导致码相估计误差。多径误差随时间变化，并取决于接收机所处的环境、天线和硬件特性以及接收机设计。如本领域技术人员所知的，有数种用于减轻GSP和WAAS接收机中的多径影响的技术可用。目前较佳的实施例以诸如WAAS卫星之类的对地静止卫星102为特色，其因在固定AP与卫星之间的相对静止的链路而简化了对多径误差的校准和补偿。例如，许多多径效应的周期性性质允许作为时辰的函数来校正相当大量的多径误差。也可使用非对地静止卫星，但由于它们相对于AP的移动相较对地静止卫星更快速，因此校正和补偿多径误差需要花更多力气。如将认识到的，AP104和106需要有某个程度的功能性以利用本公开的时间同步技术。较佳地，它们能够从GNSS卫星接收信号。它们也应被配置成执行适当的对流层和电离层校正并使用从GNSS卫星接收的定时信息补偿其内部时钟。此外，AP104和106所使用的星历应该是相同的。例如，每个AP应使用有效广播星历或相同的基于网络的扩展星历或星历自预测(ESP)。在一方面，可采用服务器来协调共同星历的使用或执行验证以确保正由诸AP使用的星历是相同的。在以上讨论的实施例中，定时信息在一般称为单向时间传递的过程中直接从卫星传送至各个AP。本公开的另一方面涉及使用至少两个AP从共同的卫星接收定时信息并关于该定时信息彼此通信以改善同步。这样的技术被称为共视时间传递，且图2示出了合适布局的示例。如图所示，WLAN同步系统200包括轨道中的GNSS卫星202，它对于多个AP是可见的，包括AP204和206。并且，AP204和206共享通信链路208，因此允许直接比较其时钟以计算时间差以及就要跟踪哪颗卫星进行协调。由于在诸AP之间传送同步信息的时间并不关键，因此可采用任何合适的通信技术，包括有线的和无线的，以及类似地，任何合适的协议可用于中继该信息。如以上所讨论的，这些单向时间传递实施例要求使用可能并不严格的模型和校正来估计对流层和电离层延迟。然而，对于在共同位置上(诸如单个建筑物中)的AP的网络而言，这些误差可预期是几乎相同的。在这些情形中，使用系统200的共视时间传递技术来同步一对AP允许消除这些误差之中的许多误差。在这里示出的实施例中，例如，AP204和206具有GNSS卫星202的共视，并从该卫星接收在GPS时间T传送的共同信号，该时间T被用于在每个AP中确立参考时间，其相应地分别表示为T’和T”。类似地，本地抵达时间由T204和T206表示。假定如上所讨论地存在着由GPS接收机时钟偏移、对流层和电离层延迟、多径和卫星星历导致的误差，则伪渡越时间可被计算为(T204-T’)和(T206-T”)。由于AP204和206是固定的，因此其位置可被准确地确定且卫星202的位置也可从卫星星历准确地确定。相应地，可以确定卫星202与AP204及206之间的真实射距，以及相应地，可以确定真实渡越时间，t202-204以及t202-206。这样，每个时钟处的伪渡越时间和真实渡越时间之间的差值就仅包含这些误差。AP204和206随后在链路208上彼此传达这些差值。结果是，AP之间的时间差可如式(1)中所示表示为：(1)T204-206＝((T204-Τ')-t202-204)-((T206－T")-t202-206)假定T和T”对应于GPS时间T，则该式简化为式(2)：(2)T204-206＝(T204-T206))-(t202-204-t202-206)本领域技术人员将认识到，当AP204和206之间的距离仅为数十或数百米的数量级时，该差分操作抵消了由于星历误差、对流层和电离层延迟导致的公共项。每个AP处的多径误差仍要求使用上述技术的独立校准。在目前较佳的实施例中，卫星202是诸如WAAS卫星之类的对地静止卫星，以有助于使用以上部分描述的原理来简化多径误差校正。然而，如上所述，其它因素可影响要采用哪个卫星的愿望。可针对系统200中的每对共享对卫星202的共视的AP实施该规程。系统200中已经使用该规程补偿了其时钟的每个AP相应地被同步，由此允许使用伪距技术来确定诸如STA210之类的WLAN设备的位置。如以上所讨论的，AP204和206在通信链路208上通信。在一些实施例中，配置链路208以包括定时信息服务器212可能是期望的。当服务器被用于协调诸AP之间的同步时，它也可提供这些AP的位置信息、GNSS卫星的星历、多径校正等等。该服务器也可在关于要跟踪哪颗共同的卫星方面引导这些AP。并且，诸如系统100之类的采用单向时间传递的系统也可根据需要适配成包括定时服务器。在本公开的替换方面，同步和定位计算可由定时服务器执行。例如，诸AP可向定时服务器传送从GNSS卫星测量获取的定时信息，由此允许其保有这些AP之间的实际时间差。移动STA可类似地向定时服务器传送诸如TDOA测量之类的信号定时信息。如将认识到的，定时服务器随后可以任何合适的方式计算对该STA的位置估计，包括获取几何时间差以在有至少三个TDOA测量可用时执行双曲线定位。本文中所描述的是目前优选的实施例。然而，涉及本发明的领域的技术人员将理解，本公开的原理可简单地用恰适的修改来扩展到其他应用。