一种无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法和系统与流程

本发明涉及无线通信及测距技术领域，具体涉及一种无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法和系统。

背景技术

无线网状网技术多是通过自组网的方式形成的一个空间网络关系，在网状网中，设备之间只有无线可达，无信号强度的保障，并没有涉及到物理位置的更新，或更新的方式比较简单。现有的无线网状网技术中，设备之间通常为固定位置关系或者采用基于gnss(globalnavigationsatellitesystem全球导航卫星系统)的定位。固定位置关系下，网状网设备的相对位置比较固定，不需要动态更新设备之间的位置关系，这种网状网的维护比较简单。在基于gnss的位置关系下，每个设备可以知道自己的位置关系，通过网状网可以广播给其他设备，整个系统的位置关系会比较明确。gnss可以是gps、北斗、伽利略或格洛纳斯等全球定位系统。现有的无线网状网节点定位技术都存在一定的缺陷，主要表现在下面的四个方面：

1.抗干扰能力差

特别是基于gnss的网络，由于使用卫星广播时间信息，其信号强度极低，比如gps的信号强度多为-140dbm以下，非常容易受到干扰。在干扰的情况下，无线网状网中的设备无法得到自己的精确位置，空间位置的网络关系难于得到有效保障。

2.感知能力不足

空间网络关系的感知能力不足，主要表现为两个方面：

a.精度不够，基于gps或北斗的网络，在没有差分站的支持情况下，民用系统的定位精度最高达到3米甚至更差；在这种情况下，其位置只是具有参考意义，实用意义不明显；

b.即使有差分站，刷新的速率较低，不能有效保障并及时提供高速运动目标的空间距离网络关系。

3.借助参考节点

在现有系统中，需要借助参考节点来协助完成网状网设备的空间位置关系计算，而运动系统多不具有参考节点。

4.非完全对等关系

在现有的系统中，存在非完全对等的网状网设备。比如，需要借助服务器支撑以保障网状网系统位置关系的维持。

技术实现要素：

针对现有无线网状网空间位置关系难以精确确定及刷新效率低的问题，本申请提供一种无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法和系统。

根据第一方面，一种实施例中提供一种无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法，包括用于构建无线网状网的步骤；所述无线网状网至少包括两个节点；用于所述无线网状网中各节点之间测距的步骤；用于对所述无线网状网中各节点之间的距离数据进行广播的步骤；用于根据所述无线网状网中各节点之间的距离数据形成或更新空间距离拓朴图的步骤。

进一步的，方法还包括时间同步步骤。

进一步的，无线网状网中各节点之间测距的方式至少包括下面方式之一：节点d1向节点d2发送测距请求；获取节点d1发送测距请求的测距请求发送时间t1；获取节点d2接收测距请求的测距请求接收时间t2；节点d2向节点d1发送测距反馈；获取节点d2发送测距反馈的测距反馈发送时间t3；获取节点d1接收测距反馈的测距反馈接收时间t4；根据测距请求发送时间t1、测距请求接收时间t2、测距反馈发送时间t3、测距反馈接收时间t4和光速计算节点d1和节点d2之间的距离；或，节点d1向节点d2发送测距请求；获取节点d1发送测距请求的测距请求发送时间t1；获取节点d2接收测距请求的测距请求接收时间t2；节点d2向节点d1发送测距反馈；获取节点d2发送测距反馈的测距反馈发送时间t3；获取节点d1接收测距反馈的测距反馈接收时间t4；节点d1向节点d2发送二次反馈；获取节点d1发送二次反馈的二次反馈发送时间t5；获取节点d2接收二次反馈的二次反馈接收时间t6；根据测距请求发送时间t1、测距请求接收时间t2、测距反馈发送时间t3、测距反馈接收时间t4、二次反馈发送时间t5、二次反馈接收时间t6和光速计算节点d1和节点d2之间的距离。

进一步的，时间同步步骤包括，节点d1在时间点time1发起时间广播并向所述无线网状网中的其他节点发起测距；根据时间点time1和所述无线网状网中除节点d1以外的其他各节点与节点d1之间的距离，计算各节点的同步时间。

进一步的，节点d1在一时间段td内向所述无线网状网中的其他节点发起至少一轮测距；节点d1在发起每轮测距时同时广播其时间点time1。

进一步的，时间段td为1s。

进一步的，方法还包括根据所述无线网状网中各节点之间的距离数据选择路由通信链路的步骤。

根据第二方面，一种实施例中提供一种用于无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的系统，包括至少两个无线网状网中的节点；所述无线网状网中的各节点的组成和结构相同；所述无线网状网中的每个节点包括控制单元、无线网状网通信单元和无线测距单元；控制单元用于接收所述无线网状网中各节点之间的距离数据，根据所述无线网状网中各节点之间的距离数据形成或更新空间距离拓朴图；无线网状网通信单元用于无线通信组网；无线测距单元用于实现所述无线网状网中各节点之间的测距，输出所述无线网状网中各节点之间的距离数据。

进一步的，控制单元还用于根据所述无线网状网中各节点之间的距离数据，选择路由通信链路。无线网状网通信单元还用于根据控制单元所选择的路由通信链路进行链路维护与更新。

进一步的，无线测距单元还用于时间同步。

依据上述实施例的用于无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法和装置，给现有的无线网状网增加了物理位置关系。原有的无线网状网系统无法形成空间的位置关系，而通过高精度的测距方法，可以获知节点之间的距离数据，通过距离数据可以获知节点之间的空间位置进而形成或更新无线网状网的空间距离拓朴图。本申请中的方法和装置能够实现节点的快速动态位置刷新。节点之间可以通过快速测距实现位置的刷新，在系统容量不高的情况下(比如30个节点)，可以形成高于10hz的刷新频率，保障系统位置关系的可靠性和稳定性。本申请中的方法和装置实现了无线网状网中各个节点的高精度时间同步。在已知距离的情况下，系统可以维护高精度的时间同步，无需借助外来设备，系统可以维护高达ns级别的时间同步，保障系统的时分通信和行为决策。系统的抗干扰能力强，无需借助外来设备保障，每个节点之间保持独立，任何一个节点都能有效维持整个网络的位置拓扑结构，不容易受到环境干扰，也不依赖于其他装置的存在。另外，本申请中方法和装置的路由选择算法更为优秀，可以基于距离关系进行路由链路选择，而不再局限于信号强度等因数。路由算法的可靠性得到更好地保障。

附图说明

图1为现有无线网状网的结构示意；

图2为本申请所获无线网状网的空间距离拓朴图；

图3为实施例一的用于无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法的流程图；

图4为实施例二中无线网状网中各节点之间测距的方法的流程图；

图5为实施例三中无线网状网中各节点之间测距的方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“d1”“t1”“time1”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。

无线网状网是通过设备之间进行自组网形成的一个可以自恢复的智能路由选择的网络，即使其中有一个设备损坏，也能保证整个网络的通信。其路由信息一般取决于信号强度，并根据信号强度进行链路维护。其简单的网络示意图如图1所示。如图1所示的简单的无线网状网，是由6个节点维持的网络，节点间依赖于信号强度进行路由运算，节点间没有空间距离关系。本发明是在普通的无线网状网中，增加距离关系，重新绘制网络中的节点位置关系，其不再是进包含简单的组网逻辑关系，简单示意图如图2所示。在本发明实施例中，所有节点在系统中具有对等关系，随着各个节点的目标位置的不断变化，各个节点快速重新计算系统中自己的位置，以保持编队的稳定性。

实施例一：

实施例一提供一种用于无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法，其流程图请参考图3，包括以下步骤：

步骤s100：构建无线网状网。无线网状网至少包括两个节点。无线网状网不局限使用哪种无线技术组成的网络，可以是基于802.11的wlan网络，也可以是基于802.15.4的zigbee网络，具体无线传输的制式不限制。

步骤s110：无线网状网中各节点之间测距。

步骤s120：对无线网状网中各节点之间的距离数据进行广播。无论采用何种测距方式，一般都是只有测距的两个节点之中只有一个节点可以获得距离值，另外一个节点无法获得距离值，可以通过测距通道进行数据传输，也可以通过无线网状网进行数据广播。这样才能保证网络中所有其他节点也同时获得了这个距离值，用于空间距离拓朴图的更新。

步骤s130：根据无线网状网中各节点之间的距离数据形成或更新空间距离拓朴图。同时，各个节点可根据无线网状网中各节点之间的距离数据选择路由通信链路。路由通信链路的选择主要有下面两种方法：

1.最短路径选择，各个节点之间的距离数据，计算出最短路径，选择最短路径进行通讯；

2.根据链路最高速率选择，由于受到环境的影响，最短路径不一定是最高速率。根据距离、信号强度、传输速率和传输成功率，计算出节点间的链路质量，将链路质量按一定的分值进行计分，分值越低，表面链路质量越好；对所有的可达链路进行分值计算，分值最低的链路为第一选择链路。

步骤s140：时间同步。在无线网状网形成自组网的过程中，就逐步形成时间同步。在每个节点中都维护一个高精度的时钟，工作频率高于10mhz即可，其精度可以控制在20个ppm。在一具体实施方式中，可通过在节点间测距的同时广播测距发起时间点的方式，实现无线网状网中各个节点的时间同步。例如，节点d1在时间点time1发起时间广播并向无线网状网中的其他节点发起测距，根据时间点time1和无线网状网中除节点d1以外的其他各节点与节点d1之间的距离，计算各节点的同步时间。以节点d2的时间同步过程为例介绍，节点d1在时间点time1发起时间广播，当和节点d1进行测距之后，节点d2就能获得精确时间。节点d1的测距发起时间为time1，节点d2和节点d1之间的距离为l12，则针对节点d1的测距发起时间time1，节点d2的时间为time1+l12/c，其中c为光速。以此类推，其余节点通过和节点d1测距，即可完成时间同步。为保证时间同步的高精度，节点d1在一时间段td内需要向无线网状网中的其他节点发起至少一轮测距，并且节点d1在发起每轮测距时同时广播其时间点。经测试，每秒只要从节点d1发起一轮测距，所有节点都能被时间同步一次，整个系统可以维持高于1us的精确时间同步。

实施例二：

实施例二提供一种用于无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法，包括实施例一中方法的全部步骤，在此不再赘述。实施例二给出了步骤s110无线网状网中各节点之间测距的一种方法，其流程图请参考图4，包括以下步骤：

步骤s200：节点d1向节点d2发送测距请求；

步骤s210：获取节点d1发送测距请求的测距请求发送时间t1；

步骤s220：获取节点d2接收测距请求的测距请求接收时间t2；

步骤s230：节点d2向节点d1发送测距反馈；

步骤s240：获取节点d2发送测距反馈的测距反馈发送时间t3；

步骤s250：获取节点d1接收测距反馈的测距反馈接收时间t4；

步骤s260：根据测距请求发送时间t1、测距请求接收时间t2、测距反馈发送时间t3、测距反馈接收时间t4和光速计算节点d1和节点d2之间的距离。

在步骤s260中，可先利用测距请求发送时间t1、测距请求接收时间t2、测距反馈发送时间t3和测距反馈接收时间t4计算电磁波在空间飞行的时间tf，见公式1；而后利用电磁波在空间飞行的时间tf和光速c计算节点d1和节点d2之间的距离l12，见公式2。

l12＝tf×c公式2

在这种节点之间测距方法下，由于没有考虑两边的延时不同，测距的结果受到两个节点中时钟晶体精度的影响比较大。但若测距的时间维持比较短，比如，在1ms内完成测距，其精度影响有限。

实施例三：

实施例三提供一种用于无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的方法，包括实施例一中方法的全部步骤，在此不再赘述。实施例三给出了步骤s110无线网状网中各节点之间测距的另一种方法，其流程图请参考图5，包括以下步骤：

步骤s300：节点d1向节点d2发送测距请求；

步骤s310：获取节点d1发送测距请求的测距请求发送时间t1；

步骤s320：获取节点d2接收测距请求的测距请求接收时间t2；

步骤s330：节点d2向节点d1发送测距反馈；

步骤s340：获取节点d2发送测距反馈的测距反馈发送时间t3；

步骤s350：获取节点d1接收测距反馈的测距反馈接收时间t4；

步骤s360：节点d1向节点d2发送二次反馈；

步骤s370：获取节点d1发送二次反馈的二次反馈发送时间t5；

步骤s380：获取节点d2接收二次反馈的二次反馈接收时间t6；

步骤s390：根据测距请求发送时间t1、测距请求接收时间t2、测距反馈发送时间t3、测距反馈接收时间t4、二次反馈发送时间t5、二次反馈接收时间t6和光速计算节点d1和节点d2之间的距离。

在步骤s390中，可先利用测距请求发送时间t1、测距请求接收时间t2、测距反馈发送时间t3、测距反馈接收时间t4、二次反馈发送时间t5和二次反馈接收时间t6，计算电磁波在空间飞行的时间tf，见公式3；而后利用电磁波在空间飞行的时间tf乘以光速c，计算节点d1和节点d2之间的距离l12。

实施例三中的节点之间测距方法相较于实施例二中的节点之间测距方法，增加了二次反馈的步骤，主要是用于消除两边时钟晶体的差异导致的误差，以得到更好的精度。

实施例四：

实施例四提供一种用于无线网状网节点的空间位置关系形成及更新的系统，该系统包括至少两个无线网状网中的节点。无线网状网中的各节点的组成和结构相同。无线网状网中的每个节点均包括控制单元、无线网状网通信单元和无线测距单元，可以是在一个单芯片实现，也可以是多芯片实现。

控制单元用于接收无线网状网中各节点之间的距离数据，根据无线网状网中各节点之间的距离数据形成或更新空间距离拓朴图。控制单元还用于根据无线网状网中各节点之间的距离数据，选择路由通信链路。

无线网状网通信单元用于无线通信组网，无线网状网通信单元还用于根据控制单元所选择的路由通信链路进行链路维护与更新。

无线测距单元用于实现所述无线网状网中各节点之间的测距，输出无线网状网中各节点之间的距离数据。无线测距单元可以通过其维护的高精度时钟，来维护系统中的高精度无线时间同步。无线测距单元的实现，不局限于某种无线技术，可以是uwb、css、zigbee或wi-fi等无线测距技术。

下面以一个节点的工作过程为例，介绍节点内各个单元的信号流向：无线测距单元计算出测距数据，将距离数据传到控制单元；控制单元将测距数据传输给无线网状网通信单元，用于广播给无线网状网中的其他节点；控制单元更新自己的空间距离拓朴图。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。