一种基于CSMA和UWB的TOF定位的方法、系统及流程与流程

本发明涉及定位方法、系统及流程，尤其涉及一种基于csma和uwb的tof定位的方法、系统及流程。

背景技术：

1、近年来，室内定位已逐渐成为众多终端应用中的一项基础功能，在工业、医院及灾害防护等方面均有应用。其中基于uwb(ultra-wideband，超宽带)的室内定位方案，因其高精度、高传输速率以及强鲁棒性等优势，已成为室内定位中最有前景的解决方案之一。

2、基于tof(time of flight，飞行时间法)的定位方法是目前uwb系统中较常用的定位方法之一，该方法实施、安装较为简单，且不依赖于设备之间的时间同步，相较于需要时间同步的方法，不仅规避了由于时间同步偏差导致的误差，而且有效降低了成本。

3、但目前常用的三种tof定位方法均存在不足，具体说明如下：

4、(1)基于纯aloha的tof定位方法：

5、该方法主要基于以下两点进行工作：

6、有数据需要发送时，直接发送；

7、如果没有收到符合预期的信息，即认为发生冲突，等待一段时间后再次尝试发送；

8、基于纯aloha的tof定位方法，其理论计算公式如下：

9、spure＝g-2g

10、其中spure为单位时间内的吞吐量，g为符合泊松分布的平均尝试发射次数；

11、当g＝0.5时，spure取到最大值0.184，此时成功率约为97％。即：在保证97％成功率的前提下，对时间的占用最大只能在18.4％，以1秒为单位进行计算，最大占用时间为184ms。

12、如果要保证97％的定位成功率，信道占用率不能高于18％，否则会导致定位成功率急剧下降，即：在包含三个基站的最小系统中，标签以1hz的频率进行定位时，系统中同时工作的标签数量，最好不要超过22个。在三枚基站可以覆盖九百平米(30m*30m)的前提下，该最大标签数量无法满足当前大部分客户的需求。

13、(2)基于频分多路的tof定位方法：

14、该方法同时使用若干不同载波频率的传输通路进行工作，避免不同通路之间的互相干扰。

15、该方案由于每个信号接收通路都需要使用单独的接收器件，导致技术成本过高；另外需要对每个标签进行所使用的传输通路设置，在标签数量较多时，极大的提高了管理成本。

16、(3)基于分段aloha的tof定位方法：

17、如图4所示，该方法使用时间同步技术将标签的起始通信时刻固定到一个有规律的时间点上,标签的起始通讯时刻为tn,n∈n上，如定位时长为8毫秒时，标签的起始通讯时刻为8n，n∈n。

18、该方法可以提高时间体用率，其理论计算公式如下：

19、sslotted＝ge-g

20、当时g＝1，sslotted取到最大值0.368，容纳量约为46个，提升约109％，提升有限，且需要增加额外的时间同步机制以及相关硬件，硬件成本有所提升。

技术实现思路

1、鉴于目前常用的三种tof定位方法均存在容量不足成本过高等问题，本发明提供一种基于csma和uwb的tof定位的方法、系统及流程，通过设置三个基站，提升标签容纳量；实现成本低，无需修改硬件方案，无需增加时间同步设备；通过信道占用情况判断，规避了大部分会导致定位失败的情况，减少无效定位导致的电量消耗，增加标签续航，适用范围广。

2、为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

3、一种基于csma和uwb的tof定位的方法，所述基于csma和uwb的tof定位方法包括以下步骤：

4、标签侦听当前空间中信道情况并判断是否被占用；

5、信道未被占用时，发送定位起始帧，等待回复消息；

6、信道被占用时，退避次数计数器加一，判断当前退避次数是否达到上限；

7、退避次数达到上限时，结束定位，等待设定时间，准备下一次定位；

8、退避次数未达到上限时，根据退避算法，确定等待时间并等待，等待时间结束后标签重新侦听当前空间中信道是否被占用；

9、标签判断是否收到回复消息；

10、未收到回复消息时，重复判断当前退避次数是否上限；

11、收到回复消息后，正常进行tof定位给流程；

12、结束定位，等待设定时间，准备下一次定位。

13、依照本发明的一个方面，所述标签侦听当前空间中信道情况并判断是否被占用的具体方法为：标签开启自身信息接收功能并持续一定时间，在该时间端内，标签持续侦听当前环境中自身使用的信道，根据侦听情况判断当前空间、当前信道是否被占用。

14、依照本发明的一个方面，所述根据侦听情况判断当前空间、当前信道是否被占用的方法为：如标签在当前空间、当前信道中侦听到信息，则认为当前时刻有其它设备在占用该信道进行定位操作，信道被占用；如没有侦听到信息，则认为当前信道空闲，信道未被占用。

15、依照本发明的一个方面，所述退避次数达到上限时，结束定位，等待设定时间，准备下一次定位的具体方法为：标签由于信道被占用而导致定位失败的次数超出上限，直接放弃本次定位过程，认为本次定位失败，结束定位步骤，等待系统设定的定位周期时间，准备下一次定位。

16、依照本发明的一个方面，所述等待时间的获取方法为：规定上、下限时间范围，根据退避算法，随机获取一个退避时间，首先获取系数k，其中k设定上限为10，下限为当前退避次数m：

17、k＝min(m,10),m≤10

18、以每次定位所需时间p为最小时间单位，最终获取的退避时间t：

19、t＝k*p

20、退避时间t即为等待时间。

21、依照本发明的一个方面，所述标签判断是否收到回复消息的具体方法为：标签在发送定位起始帧后进行侦听并进行冲突判断，如果标签侦听到的数据帧信息与预期相符，则视为收到回复消息；如标签没有侦听到消息或侦听到其它数据帧消息或侦听出现错误，则认为是与其它设备通讯过程发生冲突，视为未收到回复消息。

22、一种基于csma和uwb的tof定位的系统，所述大容量系统包括标签，基站，路由器，位置服务器以及显示终端，所述位置服务器与路由器连接，位置服务器通过网络连接有多个显示终端，所述基站设置有3个，所述基站与路由器连接，基站使用uwb的tof定位方法定位所述标签位置。

23、依照本发明的一个方面，所述标签的主要参数为标签频率与标签容纳量。

24、依照本发明的一个方面，所述标签频率与标签容纳量满足：

25、f*c＝90

26、其中f为标签频率，c为标签容纳量，标签容纳量为系统中可容纳标签的最大个数。

27、一种基于csma和uwb的tof定位的流程，所述流程包括：标签侦听到信道空闲时，开始定位；标签侦听到信道使用时，退避一段时间。

28、本发明实施的优点：本发明提供一种基于csma和uwb的tof定位的方法，包括以下步骤：标签侦听当前空间中信道情况并判断是否被占用；信道未被占用时，发送定位起始帧，等待回复消息；信道被占用时，退避次数计数器加一，判断当前退避次数是否达到上限；退避次数达到上限时，结束定位，等待设定时间，准备下一次定位；退避次数未达到上限时，根据二进制指数退避算法，确定等待时间并等待，等待时间结束后标签重新侦听当前空间中信道是否被占用；标签判断是否收到回复消息；未收到回复消息时，重复判断当前退避次数是否上限；收到回复消息后，正常进行tof定位给流程；结束定位，等待设定时间，准备下一次定位。对基于csma和uwb的tof定位方法进行改良，提升标签容纳量；实现成本低，无需修改硬件方案，无需增加时间同步设备；通过信道占用情况判断，规避了大部分会导致定位失败的情况，减少无效定位导致的电量消耗，增加标签续航，适用范围广。