估算两个无线装置间距离的方法及设备 |
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| 申请号 | CN200710159610.6 | 申请日 | 2007-11-07 | 公开(公告)号 | CN101198163B | 公开(公告)日 | 2016-12-07 |
| 申请人 | 法国电信公司; | 发明人 | 让·施沃尔; 贝努瓦·米斯科派恩; | ||||
| 摘要 | 估算两个无线装置间距离的方法。该方法包括：由第一装置(A)实施的阶段，用于估算两个装置(A，Z)之间的第一空中时间，其对应于沿着 信号 能量 主要部分采用的被称为“最强路径”的传输路径从一个装置到另一个装置的 信号传输 时间；由第二装置执行的用于估算空中时差阶段包括，从一个装置发送一个信道探测 帧 到第二装置并从接收的对应于所述信道探测帧的无线信号中，估算最强传播路径和第一传播路径之间的空中时差；计算两个装置(A，Z)之间距离阶段包括，通过从估算的第一空中时间减去估算的空中时差以确定第二空中时间(E30)和通过正式的已确定的第二空中时间计算两个装置之间距离。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种估算第一和第二无线装置之间的距离的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 估算两个无线装置间距离的方法及设备技术领域[0001] 本发明涉及一种估算两个无线装置间距离的方法。 背景技术[0002] 无线装置的位置是多种应用上下文中需要了解的信息。通过说明性的例证，能被提及的有，根据他们的位置将上下文信息提供给用户的移动终端的这种“促销(push)”型的服务，用于个人在如博物馆的某地的导航服务，或甚至是通过网格网络(meshed network)或ad hoc网络的数据包路由。 [0003] 在现有的各种定位技术中，有一些技术是基于仅仅通过测量无线信号的空中时间来协作计算两个无线装置之间的距离(“ranging”)。在了解了电磁波的传播速度后，测量两个无线装置之间的空中时间就使得算出分开两个装置之间的直线或直接距离成为可能。术语“两个装置之间空中时间”应该被正确规定，应当被理解为意味着电磁波从一个装置到另一个装置(只在一个方向)的传输时间。这种合作距离计算技术通常大部分依赖于以下的估算方法： [0005] b)在收到请求后，第二装置允许有等待时间Tw的流逝，该等待时间对两个装置是已知的，然后第二装置通过发送一个应答ACK回应第一装置， [0006] c)在收到应答ACK后，第一装置停止计时，以测算交互时间Tex，然后通过从已测算的交互时间Tex减去延迟时间Tw并将相减的结果除以2来计算第一装置到第二装置的空中时间TOF， [0007] d)在知道空中时间TOF和电磁波V的传播速度后，第一装置通过速度V划分交互时间来计算两个装置之间的直线距离D，假定Tex时间已测算的无线信号(发送和返回)的交互是沿直接路线传播路径。 [0008] 因而，从测算两个装置之间的往返路径的交互时间来估算第一和第二装置之间的空中时间TOF。在两个装置处于异步也就是说不在一个公共的时钟上同步并且也不共享相同的参考时间的情况下这种往返路径的测算是必须 的。如果这两个装置是同步的，仅测算从一个装置到另一个装置的单向传输时间就足够了。 [0009] 上述的估算空中时间TOF的算法在两个装置相隔遥远的情况下会得到好的结果。实际上，在这种情况下，根据交互的信号(已测算持续时间Tex)跟随传播路径，按直接路线发送和返回的假定是能被接受的近似，使得精确估算两个装置的直线距离D成为可能。但是，当两个装置相当靠近彼此并处在一个支持多条传播路径的环境下，例如这种情况，在一个大楼内，测算两个装置之间的交互时间Tex会有被多传播路径强烈干扰的风险。这种情况的结果就是根据交互信号(Tex持续时间已测算)采用直线的传播路径(发送和返回)的假定变成了粗略的近似，这就以显著错误破坏了两个装置间直线距离D的估算。实际上，交互时间Tex用于测算发送和返回传播路径，每条路径都带有信号能量的主要部分(发送信号携带请求信息而返回信号携带应答信息)。为了简明，一条带有信号能量主要部分的传播路径在下文中将被称为“最强路径”。装置在最强路径上同步。现在，在信号沿多径传播的情况下，最强路径不需要与两个装置之间的直线转播路径相对应。实际上，第二的，更弱的信号能量部分能够获得一条更短的传播路径，按直线或接近于直线。信号的第二部分在最强路径之前被接收装置所接收。最先被接收的信号能量部分获取的传播路径在下文中会被称为“第一传播路径”或“最短路径”。最后，在装置接近和有可能引起多传播路径的环境下，能够存在在采用最强路径的部分信号的到达时间和采用第一路径的部分信号的到达时间之间的偏移量其有可能由于显著错误破坏了两个装置间直线距离D的估算。 [0010] 为修正这样的错误，文档WO2006/072697提出了一种方法，在两个阶段内进行测算第一和第二无线装置之间的距离。在第一个阶段，执行之前所述的步骤a)到d)以估算第一空中时间TOF1，在第二阶段，第二装置将信道探测帧(channel sounding frame)发送到第一装置。该帧被设计成用于第一装置从不同的无线信号接收对应的探测帧以探测最强路径和第一路径。因而第一装置能够估算两条路径之间的空中时差ΔTOF和通过将第一次测得的空中时间TOF1减去确定的空中时差ΔTOF计算第二个空中时间TOF2，或者修正的空中时间。 [0011] 这种估计两个无线装置之间距离的方法能被用于ad hoc网络的节点尤其使得到达网络的新节点Z能被定位。然而，实施这种方法在节点Z定位的能 耗方面非常昂贵。实际上，实施该方法需要三个独立的测量，分别被标记为A，B和C三个节点发起。节点Z必须因此发送三个探测帧分别发向这三个节点A，B和C。因而，发送这些探测帧消耗能量。 发明内容[0013] 由第一装置实施的阶段，用于估算两个装置之间的第一空中时间，对应于信号沿着信号能量主要部分采用的被称为“最强路径”的传输路径从一个装置到另一个装置的传输时间， [0014] 估算空中时差阶段包括，从一个装置发送一个信道探测帧传送到另一个装置并从对应于所述的信道探测帧、接收的无线信号，估算最强传播路径和第一传播路径之间的空中时差， [0015] 计算两个装置之间距离的阶段包括，通过从估算的第一空中时间减去估算的空中时差以确定第二空中时间和通过正式的已确定的第二空中时间计算两个装置之间距离，[0016] 其中，发送所述的信道探测帧到第二装置的是第一装置，完成估算空中时差的装置是第二装置。 [0017] 根据本发明，是自身发送信道探测帧的装置进行两个装置间距离的第一估算。因而，继续以上提到的例子：在ad hoc网络中通过三个节点A，B和C定位新节点Z，本发明使得发送三个信道探测帧的负荷分担到请求的三个节点A，B和C而不是只在新节点Z上成为可能。本发明同样通过避免从相同位置传输三个相同的能量密集帧而使得空间的电磁能量更好分配成为可能，降低了对用户和附近的无线通信系统电磁波的影响。 [0018] 有利地，第一装置发送估算的第一空中时间的值到第二装置，第二装置估算第二空中时间，然后由此推断出两个装置之间的距离。 [0019] 根据本发明，被请求选中的装置测算最强路径和第一路径之间的空中时差，然后如果有需要，估算第二空中时间和计算两个装置之间距离。这些使得被选中的装置能够确定自己发送或不发送信号到请求的装置或发起者，涉及已进行测量的信息(测算空中时差，从这些差别估算第二空中时间或基于第二空中时间计算距离)而且因此保持对机密信息的控制。 [0020] 在一个特定的实施例中，第二装置发送估算的两个装置之间距离值到第一装置。因而，第二装置能够确定传递在两者之间测算的距离到第一装置。 [0021] 有利地，第二装置发送应答以回应在估算第一空中时间阶段从第一装置发出的请求，第一装置在应答到达的时间和发送信道探测帧的时间之间允许流逝时间T，所述的时间T包括保护时间，适用于允许第一装置估算第一空中时间，紧接着一个暂停时间，适用于遵循信道接入的共享条件及使得估算第一空中时间阶段和估算空中时差阶段的总的持续时间少于信道的一致时间。 [0022] 因而，遵循信道接入共享机制的同时，能实现由第一装置发送信道探测帧。这样能避免第一装置任何的任意长时间抢占信道，对发送探测帧是必需的，也因此避免了随后的冲突风险。此外，时间T适用于最初的两个阶段(估算第一空中时间和估算空中时差)总计持续时间少于信道的一致时间，该一致时间定义为在此期间信道的属性未发生明显变化。因而可以确信，在测算第一空中时间和测算空中时差期间信道保持稳定。 [0023] 本发明还涉及用于估算第一和第二装置之间距离的设备，所述的设备的目的是与第一装置结合及包括发送一个请求到第二装置的部件，目的在于测算两个装置之间的交互持续时间；用于接收一个响应请求的应答的部件；测算两个装置之间的交互持续时间的部件及发送一个信道探测帧到第二装置的部件。 [0024] 本发明还涉及用于估算第一和第二装置之间距离的设备，所述的设备的目的是与第二装置结合及包括出于测算两个装置之间的交互持续时间的目的接收请求、发送应答的部件；接收信道探测帧部件；及从对应于所述信道探测帧、接收的无线信号中，用于估算接收信号能量主要部分采用的最强传播路径和第一传播路径之间的空中时差的部件。附图说明 [0025] 本发明在接下来的叙述中通过多个依据本发明的方法估算两个装置之间距离的具体实施例以及参考附图的发明设备和系统的具体实施例的描述能更好的被理解，附图说明如下： [0026] -图1描述的是一个无线信道通信系统，其目的是依据所述特定方式实施本发明的方法； [0027] -图2描述的是依据本发明方法的一个具体实施例，两个装置之间的帧的交互； [0028] -图3描述的是依据图2的实施例的方法的多个步骤的流程图； [0029] -图4A和4B描述的是依据具体实施例、适于实施图2和图3的方法的两个装置各自的功能模块图，一个装置实现两个装置之间距离的首次估算而另一个为该估算被选中的装置。 具体实施方式[0030] 图1描述的通信系统包括多个装置，标为A，B，C和Z，每个包括一个无线接收和发送接口。在所述具体例子中，装置是从属于住宅自动管理系统的传感器并组成了ad hoc网络。该系统的目的是获得涉及一栋住宅内部环境的信息，例如温度，亮度，声音等级等等。圆弧CA，CB和CC描述的是装置A，B和C各自的延伸范围或区域。就图1中可以看到的，装置Z定位在三个装置A，B和C每个的各自的延伸范围。 [0031] 参考图2和图3，现在接下来是对估算装置Z和其它三个装置中的一个(例如A)之间距离的发明方法的第一个具体实施例的记述。图2中，箭头的方向描述了时间维度。 [0032] 该方法包括阶段1，由装置A实施，用于估算两个装置A和Z之间的第一空中时间TOF1，阶段1包括引作E10到E16的一些步骤。在步骤E10中，装置A在这种情况下是发起者，发送一个表示为REQ的请求到被选中的装置Z，其目的是估算两个装置A和Z之间距离。当发送这个请求时，装置A存储发送请求的时间并且从这个时刻开始一个时间计时。 [0033] 装置Z在步骤E11中接收到请求REQ并且，作为回应，在步骤E13中发送一个表示为ACK的应答到装置A。需要解释的是，如果装置Z不需要被定位，则以下这些都是必需的：它不必为回应请求REQ而发送应答。在收到请求REQ(步骤E11)的时刻和发送应答ACK(步骤E13)时刻之间，装置Z允许在步骤E12中流逝一个等待时间Tw，装置A和Z都知道该等待时间。为精确地在等待时间Tw结束时发送应答ACK，如果有需要，装置Z执行一任意的信道预清空而不考虑对后者的共享接入条件。而因为应答信号被一个单独的数据帧携带，其具有短的持续时间(达到数十微秒)，装置Z对信道的任意占用是简短的。这种方法尤其将装置Z与装置C或装置B之间在装置A的无线 范围之外并且因此无法知道距离估算在进行中的通信的冲突风险最小化。 [0034] 在步骤E14中，装置A接收到应答ACK并接着停止时间计时以确定应答ACK的到达时间。在步骤E15中，通过存储的请求REQ的发送时间和应答ACK的到达时间，装置A测算装置A与装置Z之间交互的持续时间，表示为Tex，也就是说，是发送请求REQ到接收回复应答ACK之间的持续时间。在步骤E16中，装置A从已测算的交互时间Tex中减去等待时间Tw并将减法的结果除以2以从中推导出两装置A和Z之间的第一空中时间TOF1，也就是说是信号从一个装置发送到另一个装置的时间的首次估算。该第一空中时间TOF1对应于信号沿着信号能量主要部分采用的，即“最强路径”的传输路径从一个装置到另一个装置的传输时间。 [0035] 在以上描述的具体例子中，是装置A执行第一空中时间TOF1的估算，基于自身的发起，装置A通过发送一个请求到装置Z来开始估算装置A与装置Z之间距离的过程。作为一种变化，设想装置Z发送一个预备请求到装置A，以要求装置A发起对估算装置A与装置Z之间距离的过程的实现。在这种情况下，装置A在收到预备请求时，会依据上述描述发起对步骤E10到E16的执行。 [0036] 从图1中可以看出，信号在装置A和Z中从一个传送到另一个能沿着至少两条独立的分别被表示为t1和t2传播路径。也可以是其它路径。路径t1对应于装置A和Z之间的直线距离或最短距离，而这里的路径t2包括在界面10上的中间反射。在所描述的具体例子中，假定路径t2是去方向(从A到Z)和回方向(从Z到A)的“最强路径”，其中信道为双向。换句话说，当发送请求REQ时，发送信号能量的主要部分对应于请求REQ采用的路径t2。相似的，当发送应答ACK时，发送信号能量的主要部分对应于应答ACK获取的路径t2。第一测算空中时间TOF1因此对应于那些采用路径t2的被发送信号的发送持续时间。因此，对应于沿最强路径t2的空中时间和沿最短路径或“第一路径”t1空中时间之间的差别的误差恶化了第一测算空中时间。 [0037] 然后执行用于估算空中时差的阶段2。阶段2包括步骤E20到E23。在步骤E21中，完成第一估算距离(空中时间)TOF1的装置A发送信道探测帧“CSF”到选中的装置Z。在这里描述的具体例子中，帧CSF包含估算的第一空中时间TOF1的值。用于发送帧CSF的步骤E21是在步骤E20之后，在E20期间，装置A允许在接收到应答ACK的时候开始计时流逝时间T。这里的时间T包 括允许装置A有充足的时间估算第一空中时间TOF1的保护时间Tg，在其后跟着遵循共享信道接入条件的暂停时间Tp。因而，在步骤E21中的帧CSF的发送，其为长的持续时间(达到几毫秒)，不需要延长对信道的任意预清空。对应于探测帧的信号是从装置A发送到装置Z，其中一部分沿着传播路径t1而其它部分沿着传播路径t2发送。在这里描述的具体例子中，这些信号的主要部分沿着传播路径t2发送，而信号的第二部分沿着更短的传播路径t1发送。在步骤E22中，从对应于帧CSF的接收信号中，装置Z通过应用并未在此解释的检测传播路径的公知技术检测这些信号传送的不同传播路径并特别地检测第一传播路径或最短传播路径和最强传播路径t2。在步骤E23中，装置Z估算对应于已完成的测算第一空中时间TOF1的路径的最强传播路径t2与第一传播路径t1之间的空中时差ΔTOF。换句话说，估算空中时差ΔTOF对应于信号沿最强路径t2的空中时间和信号沿第一路径t1的空中时间之间的差别。 [0038] 为获得高精确度的测量值，保持信道属性的稳定是基本的，换句话说，在估算第一空中时间TOF1和估算空中时差ΔTOF期间信道属性不发生明显变化。为限制这种风险，步骤E20的持续时间T必须适应于估算第一空中时间TOF1的阶段1和估算空中时差ΔTOF的阶段2的总的持续时间少于或等于信道一致(coherence)时间，该一致时间被定义为在此段时间内信道属性不发生明显变化。可选的，检查信道是否确实在估算第一空中时间TOF1和估算空中时差ΔT0F期间保持稳定，在阶段2之后，可能重复一个与之前描述的阶段1相似的估算第一空中时间的新的阶段。一个新的表示为TOF1a第一空中时间就这样被估算。如果这两个第一空中时间TOF1和TOF1a是一致的，这就意味着在阶段1和阶段2期间信道保持一致。否则，就意味着测量值的精确度折衷。 [0039] 在估算第一空中时间TOF1的阶段1和估算空中时差ΔTOF的阶段2之后，该方法包括一个阶段3，用于计算两个装置A和Z之间的距离。该阶段3包括步骤E30到E31。在步骤E30中，装置Z通过从估算的第一空中时间TOF1减去估算的空中时差ΔTOF来确定第二空中时间TOF2，其中TOF1的值利用装置A通过传送的探测帧在步骤E21中已经发送到装置Z： [0040] TOF2＝TOF1-ΔTOF (1) [0041] 然后，在步骤E31中，装置Z通过已经适时地确定的第二空中时间TOF2和电磁波速度V来计算两个装置A和Z之间的直线距离D： [0042] D＝V*TOF2 (2) [0043] 如果有需要，装置Z可以将估算的距离D的值通过短的持续时间内发送的单独的数据帧传送到装置A。装置Z也可以将该数据帧广播到它的无线范围内的所有装置或在这种情况下的装置B和C，以使得它们能够相对于彼此来定位自己。 [0044] 除了由装置Z来执行，用于计算距离D的阶段3能由装置A来执行。在这种情况下，在用于估算空中时差的阶段2结束时，装置Z可以将估算的空中时差通过发送的单独的数据帧传送到装置A，并且装置A不需要将估算的第一空中时间TOF1的值发送到装置Z。在另一种变体中，假如装置A将估算的第一空中时间TOF1的值发送到装置Z并且装置Z将估算的空中时差ΔTOF的值传送到装置A，则两个装置A和Z就能并行地执行计算阶段3。 [0045] 图4A显示了用于估算两个装置间距离的设备4的功能模块图，一个装置发起者，另一个装置是被选中者。设备4包括一个无线接收和发送接口，目的是与发起距离估算的无线装置如图1中的装置A相结合。设备4包括： [0046] -模块40，用于发送目的为测算两个装置间交互时间的请求REQ到选中的装置，如在步骤E10中描述的，目的是控制经由装置的无线接口发送请求REQ，并且将该发送发信号告知用于测算交互时间的模块42； [0047] -模块41，用于接收回应请求REQ的应答ACK，目的是监控由装置的无线接口接收的应答，并且发信号告知用于测算交互时间的模块42及用于发送帧CSF的模块43； [0048] -模块42，用于计算两个装置之间的交互时间Tex，连接到模块40和41，被安排用于当模块40发送请求REQ时发起时间的计时及停止时间计时； [0049] -模块43，用于发送信道探测帧CSF到被选中的装置，连接到模块41，如步骤E20和E21中描述的，在从应答ACK到达时间开始计时，已经允许流逝时间T后，被安排用于控制经由装置的无线接口发送帧CSF； [0050] -内部时钟44，连接到模块42和43，及 [0051] -存储记忆器45，被安排用于存储请求REQ的发送时间和应答ACK的到达时间。 [0052] 上述设备4的模块连接到未示出的装置的中央控制单元，该中央控制单元的目的是控制模块的操作。也可以是计算机程序的软件模块。本发明因此也涉及一种计算机程序，在估算两个装置之间距离的设备上使用，包括用于 控制先前所述由发起者装置A实现的方法的步骤的执行的代码指令。该程序用数据介质存储或发送，该介质可以是硬件存储介质，例如CD-ROM，磁盘，或硬盘，或者甚至是可传送的介质，如电、光或无线信号。 [0053] 图4B显示了用于估算的两个装置间距离的设备5的功能模块图，一个装置发起者，另一个装置是被选中者。设备5包括一个无线接收和发送接口，目的是与被选中的用于距离估算的无线装置如图1中的装置Z相结合。设备5包括： [0054] -模块50，用于接收目的为测算两个装置间交互时间的请求REQ，被安排用于检测通过装置的无线接口接收的这样的请求； [0055] -模块51，用于发送应答，如在步骤E12和E13中描述的，被安排用于在从请求REQ到达时间开始计时，已经允许流逝时间Tw后通过装置的无线接口控制应答ACK的发送，以回应已接收的请求REQ， [0056] -模块52，用于接收和分析一个信道探测帧，被安排检测通过装置的无线接口接收的探测帧，如果合适，从其中提取第一发送空中时间TOF1的值，和从对应于探测帧的接收信号检测第一传播路径和最强传播路径； [0057] -模块53，连接到模块52，用于估算均由模块52检测的最强传播路径和第一传播路径之间的空中时差(ΔTOF)； [0058] -模块54，连接到模块53，用于计算两个装置之间的距离，如在步骤30和31中描述的，被安排通过从第一发送空中时间减去估算的空中时差(ΔTOF)来计算第二空中时间，并依据已确定的第二空中时间计算所述的距离。 [0059] 上述设备5的模块连接到未示出的装置的中央控制单元，该中央控制单元的目的是控制模块的操作。也可以是计算机程序的软件模块。本发明因此也涉及一种计算机程序，在估算两个装置之间距离的设备上使用，包括用于控制先前所述由被选中者装置Z执行的方法的步骤的执行的代码指令。该程序用数据介质存储或发送，该介质可以是硬件存储介质，例如CD-ROM，磁盘，或硬盘，或者甚至是可传送的介质，如电、光或无线信号。 [0060] 为能够在前述方法中充当装置A和Z，装置通常包括一个设备4和一个设备5。 [0061] 本发明还涉及包含一个被选中的装置和至少一个发起装置的无线通信系统。 [0062] 在前述第一个具体实施例中，估算第一空中时间的阶段1的执行是在估 算空中时差的阶段2之前。在第二个具体实施例中，这两个阶段的顺序颠倒：估算空中时差的阶段2的执行是在估算第一空中时间的阶段1之前。 [0063] 在第三个具体实施例中，估算第一空中时间的阶段1包括全部步骤E10到E16的多个连续的迭代。因而，装置A获得多个连续的第一空中时间TOF1估算值，从中通过计算获取的不同估算值的平均值来确定平均第一空中时间TOFlavg。在第三阶段，第一平均空中时间TOFlavg。利用公式(1)计算第二空中时间TOF2。通过获取第一空中时间的多个不同估算值的平均值，就可能降低测算错误的风险。 [0064] 在之前的记述中，假定两个装置A和Z是异步的，这样为从中推导出第一空中时间，测算两个装置A和Z之间的交互时间Tex是必须的。而本发明也可应用在两个装置为同步的情况下。在这种情况下，测算数据帧发出的发送时间就足够了，例如沿最强路径从装置A到Z以从中推导出第一空中时间TOF1。 [0065] 接下来是对定位装置Z的方法的记述。这里假定Z是到达ad hoc网络的移动终端装置，该网络由已知各自位置PA，PB和PC的三个装置A，B和C组成。装置Z被放置在要被确定的位置PZ。为定位装置Z，被称为“询问装置”的每个装置A，B和C应用之前所述的步骤E10，E14到E16，E20和E21，而被称为“被询问装置”的装置Z应用之前所述的步骤E11到E13，E22，E23，E30和E31。因而，三个询问装置A，B和C，即那些发起估算他们和被询问装置Z之间距离的装置，分别发送三个信道探测帧。这就使得以下所述成为可能：一方面，将三个信道探测帧的发送负荷分散到三个询问装置A，B和C而不单单只在新节点Z，并且另一方面，通过避免从相同位置传输三个相同的能量密集帧，更好地分配了空间电磁波能量。在知道了装置A和Z之间的距离DAZ，装置B和Z之间的距离DBz，装置C和Z之间的距离DCZ和三个装置A、B、C的位置PA、PB、PC后，ad hoc网络能够从这些信息推导出装置Z的位置PZ。 [0066] 通过在装置Z和知道各自的独立位置的至少四个装置A，B，C和D之间执行距离估算，使得使用刚才描述的定位方法来定位空间中的装置Z同样成为可能。 [0067] 在以上记述中，无线装置是传感器。当然，它们也可以是其它类型的无线装置，例如通信终端或通信对象。现在的发明不但适用于超宽带脉冲无线通 信而且也可应用于其它无线通信系统(DS-SS等)。 |
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