Method for reducing error in bidirectional ranging between two transceivers caused by clock frequency offset

本発明は包括的には無線通信システムに関し、より詳細には、無線測距として知られている双方向測距を用いてトランシーバ間の距離を求めることに関する。

図１に示されるように、無線ネットワークのための従来の通信フレーム１００は、フィールドとして、プリアンブル１１０、フレーム開始デリミタ（ＳＦＤ）１２０、物理層ヘッダ（PHY）１３０及び物理層サービスデータユニット（ＰＳＤＵ）１４０を含む。

ＰＳＤＵは典型的にはペイロードを含む。 参照により援用されるＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ−Ｄ７標準規格（２００６年１１月）を参照されたい。 プリアンブル１１０は、捕捉及び測距のために用いることができる。 ＳＦＤ１２０はフレーム同期のために用いられる。 ＳＦＤの検出は、PHY１３０及びＰＳＤＵ１４０の先頭を指示する。 フレーム１００はＴ _１ １６０の持続時間を有し、PHY及びＰＳＤＵの持続時間はＴ _２ １５０である。

図２は、従来の測距方法を示す。 無線通信ネットワーク内の第１のトランシーバＡ２１０と第２のトランシーバＢ２２０との間の距離を推定するために、第１のトランシーバＡ２１０は、第２のトランシーバＢ２２０に要求フレームを送信する（２０１）。 図２は、トランシーバＡのための時間軸２４０及びトランシーバＢ２２０のための時間軸２５０も示す。 トランシーバＡ２１０は、トランシーバＡ２１０のクロックに従って要求フレームが送信された時刻ｔ _１を記録する。 要求フレームを受信すると、トランシーバＢ２２０は、トランシーバＡ２１０に応答フレームを送信する（２０２）。 トランシーバＡ２１０は、そのクロックに従って、応答フレームの到着時刻（ＴＯＡ）ｔ _２を測定する。

要求フレームを受信してから応答フレームを送信するまでの間のトランシーバＢ２２０における遅延はT _ｔａ ^Ｂ ２５０である。 トランシーバＢ２２０は、タイムスタンプ報告において、トランシーバＡ２１０に遅延２５０を送信する（２０５）。 トランシーバＡ２１０とトランシーバＢ２２０との間の距離Ｄの推定値は、以下（１）式のように、往復にかかる時間Ｔ _round ^A ２７０からトランシーバＢ２２０における遅延を引いた値を２で割って、光の速度を掛けた値である。

対応する一方向の飛行時間Ｔ _ｔ ２６０は以下の（２）式のとおりである。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ標準規格ドラフト７の方法において規定されるような従来の方法は、トランシーバのクロック間の周波数オフセットに起因する誤差を取り扱わない。 実際には、実用的な用途では、T _round ^A及びT _ｔａ ^Ｂの測定値は、周波数オフセットに起因して、その真の値とは異なる。 トランシーバＡ２１０のクロック許容偏差はｅ _Ａであり、トランシーバＢ２２０のクロック許容偏差はｅ _Ｂである。

クロック許容偏差を計算に入れた後、一方向の飛行時間Ｔ _ｔハットは以下の（３）式のようになる。

残留誤差ｅ _ｔｗは、理想的なクロックによる飛行時間推定値と、許容偏差ｅ _Ａ及びｅ _Ｂを有するクロックによる飛行時間推定値との間の差である。 その際、以下の（４）式が成り立つ。

一般的には、Ｔ _ｔａ ^Ｂ ＞＞Ｔ _ｔである。 それゆえ、（４）式は以下の（５）式のように近似される。

残留誤差ｅ _ｔｗを低減することが望ましい。 それゆえ、クロック周波数オフセットが距離誤差に及ぼす影響を低減するための仕組みが必要とされている。

本発明は、無線トランシーバ間の双方向測距におけるクロック周波数オフセットに起因する測距誤差を低減するための方法を提供し、その方法は、双方向の到着時刻の測定値を用いて、クロック周波数オフセットが２つのデバイス間の距離推定値に及ぼす影響を最小限に抑える。

第１のトランシーバが、要求フレームを送信すること及び応答フレームを受信することの間の時間Ｃ _Ａ１と、応答フレームの最初の情報ビットを受信すること及び応答フレームの最後の情報ビットを受信することの間の時間Ｃ _Ａ２とを測定する。

第２のトランシーバが、要求フレームを受信すること及び応答フレームの最後の情報ビットを送信することの間の時間Ｃ _Ｂ２と、要求フレームの最初の情報ビットを受信すること及び要求フレームの最後の情報ビットを受信することの間の時間Ｃ _Ｂ１とを測定する。

補正係数α _ｃ ＝√（Ｃ _Ｂ１ ／Ｃ _Ａ２ ）が、Ｃ _Ｂ２ハット＝Ｃ _Ｂ２ ／α _ｃにより適用され、一方向への飛行時間は、Ｔ _ｔハット＝（Ｃ _Ａ１ −Ｃ _Ｂ２ハット）／２×Ｔ _ｉであり、Ｔ _ｉはトランシーバのクロックの理想的な周期である。

本発明の実施形態は、無線通信ネットワーク内の第１のトランシーバＡと第２のトランシーバＢとの間の距離を推定するための双方向測距方法を提供する。 その方法は、トランシーバのクロック内の周波数オフセットに起因する誤差を低減する。

図３に示されるように、要求フレーム３００が、フィールドとして、プリアンブル３０１、フレーム開始デリミタ（ＳＦＤ）３０２、物理層ヘッダ（PHY）３０３及び要求物理層サービスデータユニット（ＰＳＤＵ _{ｒｅｑｕｅｓｔ} ）３０４を含む。 PHY３０３及びＰＳＤＵ _{ｒｅｑｕｅｓｔ} ３０４は、要求フレーム３００のデータ又は情報ビットを搬送することができる。 データ又は情報ビットのフィールド３０３及び３０４の持続時間は、Ｔ _{ｆｒａｍｅ１} ３５０によって表される。

図４に示されるように、応答フレーム４００が、プリアンブル３０１、フレーム開始デリミタ（ＳＦＤ）３０２、物理層ヘッダ（PHY）４０３及び応答物理層サービスデータユニット（ＰＳＤＵ _{ｒｅｐｌｙ} ）４０４を含む。 応答フレームのデータ又は情報ビットのフィールド４０３及び４０４の持続時間は、Ｔ _{ｆｒａｍｅ２} ４５０である。

情報ビットのための持続時間Ｔ _{ｆｒａｍｅ１} ３５０及びＴ _{ｆｒａｍｅ２} ４５０は異なり得る。 しかしながら、本明細書の説明を簡単にするために、Ｔ _{ｆｒａｍｅ１} ３５０及びＴ _{ｆｒａｍｅ２} ４５０の両方のための持続時間はまとめて、Ｔ _{ｆｒａｍｅ}によって表すことができる。

図５は、本発明の一実施形態による測距方法のタイミング図である。 その方法のブロック図が図６に示される。 図７は、方法のステップを示す。 トランシーバＡ５１０は送信クロック５１１を含み、トランシーバＢ５２０は受信クロックＢ５１２を含む。

理想的なクロック周期（サイクル）はＴ _ｉである。 クロック周期は、クロックの水晶振動子の周波数によって決定される。 理想的なクロック周波数は製造業者によって指定される。 しかしながら、実際のシステムでは、クロック周波数は、たとえば、製造時の不整合、又は環境条件に起因して、理想的な周波数からオフセットされることがある。 それゆえ、トランシーバＡ５１０の実際のクロック周期はＴ _ａであり、トランシーバＢ５２０の実際のクロック周期はＴ _ｂである。 この周波数オフセットに起因する誤差を最小限に抑えることが望ましい。

図６に示されるように、トランシーバＡ５１０は要求フレームをトランシーバＢ５２０に送信する。 このとき、フレーム開始フィールド及びフレーム終了フィールドのための図６中の差込図３００を参照されたい。 要求フレーム３００のＳＦＤ３０２が第１のトランシーバのアンテナ７００によって放出されるときに、トランシーバＡ５１０は、第１の送信カウンタＡ _１を始動する（７４０）。

要求フレームは第２のトランシーバＢ５２０において受信される。 トランシーバＢ５２０は、第２のトランシーバＢ５２０のアンテナ７２０において要求フレーム３００のＳＦＤ３０２の終了を検出するときに、第１の受信カウンタＢ _１及び第２の受信カウンタＢ _２を始動する（７７０）。

トランシーバＢ５２０は、要求ＰＳＤＵ３０４の最後にある、要求フレーム３００の最後の情報ビットを受信するときに、その第１の受信カウンタＢ _１を停止する（７３０）。

トランシーバＢ５２０は、第１の受信カウンタＢ _１の開始値と停止値との間の差を求める。 第１の受信カウンタＢ _１は、持続時間Ｃ _Ｂ１ ７０３を測定する。 ただし、以下の（６）式が成り立つ。

トランシーバＢ５２０は応答フレーム４００を準備し、応答フレームをトランシーバＡ５１０に送信する。

トランシーバＢ５２０は、応答フレーム４００のＳＦＤ３０２の終わりが、そのアンテナ７２０によって放出されるときに、第２の受信カウンタＢ _２を停止する（７６０）。 第２の受信カウンタＢ _２の開始値と停止値との間の差はＣ _Ｂ２ ７０４として表され、それは、以下の（７）式のように、ターンアラウンド時間を測定する。

ただし、Ｔ _ｔａ ^Ｂは、理想的なクロック周期による真のターンアラウンド時間である。

ステップ７５０では、トランシーバＡ５１０は、受信した応答フレーム４００のＳＦＤ３０２の終わりを検出するときに、その第１の送信カウンタＡ _１を停止し、第２の送信カウンタＡ _２を始動する。

第１の受信カウンタＡ _１の開始値と停止値との間の差Ｃ _Ａ１ ７０１は以下の（８）式に対応する。

ただし、Ｔ _ｔはトランシーバＡ５１０からトランシーバＢ５２０への一方向のフレーム飛行時間である。

トランシーバＡ５１０は、アンテナ７００において受信した応答フレーム４００のＰＳＤＵ _{ｒｅｐｌｙ} ４０４の最後のビットを受信するときに、第２の送信カウンタＡ _２を停止する（７８０）。 第２の送信カウンタＡ _２の開始値と停止値との間の差はＣ _Ａ１ ７０２として表され、それは以下（９）式で示される時間を測定する。

トランシーバＢ５２０は、タイムスタンプ報告５００において、カウンタ値Ｃ _Ｂ１ ７０３及びＣ _Ｂ２ ７０４をトランシーバＡ５１０に送信する。

トランシーバＡ５１０は、Ｃ _Ｂ１及びＣ _Ａ２の比の平方根として補正係数

７０５を求める。 式（６）を式（９）で割った後に、以下の式が明らかになる。

トランシーバＡ５１０は、Ｃ _Ｂ２ ７０４を補正係数α _ｃ ７０５で割ることによって、推定値Ｃ _Ｂ２ハット７０７を求める。

飛行時間推定値Ｔ _ｔハット７０８はトランシーバＡ５１０によって以下の（１０）式のように求められる。

理想的な時間周期Ｔ _ｉ ７０６は、両方のトランシーバがわかっていること、すなわち、それは製造業者によって規定された時間であることに留意されたい。

測距例 測距システムは以下の値例を有する。
Ｔ _{ｆｒａｍｅ} ＝１００μｓ
理想的なクロック周波数は５００ＭＨｚであり、すなわち理想的な周期Ｔ _ｉ ＝１／５００ＭＨｚである。
トランシーバＡ５１０のクロック周波数は４９５ＭＨｚであり、すなわち、Ｔ _ａ ＝１／４９５ＭＨｚである。
トランシーバＢ５２０のクロック周波数は４９５ＭＨｚであり、すなわち、Ｔ _ｂ ＝１／４９５ＭＨｚである。
トランシーバＡとＢとの間の距離は１０ｍであり、すなわち、
真の一方向への飛行時間はＴ _ｔ ＝３０ｎｓであり、
真のターンアラウンド時間は、Ｔ _ｔａ ^Ｂ ＝１ｍｓである。

要求フレーム及び応答フレームを送信した後に、対応するカウンタ値例は、

Ｃ _Ｂ１ ＝トランシーバＢのクロックに基づいて５１５１５クロック周期 Ｃ _Ａ２ ＝トランシーバＡのクロックに基づいて４８５２９クロック周期

Ｃ _Ｂ２ ＝トランシーバＢのクロックに基づいて５１０，０００クロック周期 Ｃ _Ａ１ ＝トランシーバＡのクロックに基づいて４９５，０３０クロック周期

である。

これは、トランシーバＡとＢとの間が１０メートルだけ離れている場合の真の飛行時間に等しい。

方法概説 図７に示されるように、本発明の実施形態は、２つのトランシーバのクロック間のクロック周波数オフセットの影響に起因する測距誤差を低減するための方法を提供する。 実際には、トランシーバクロック周波数は、限定はしないが、制御できない製造工程及び環境条件を含む、多数の条件のうちのいずれかに起因して、製造業者によって規定されるような理想的なクロック周波数とは異なることがある。 ２つのトランシーバ５１０及び５２０が測距を実行している場合には、それらのトランシーバは、異なるクロック周期又は周波数を有することがある。

たとえば、１ナノ秒のタイミング誤差によって、３０ｃｍの距離誤差が生じる。 それゆえ、センチメートルの単位で正確に測距するためには、正確な時間測定が重要である。

本発明の実施形態によれば、測距しているトランシーバが、その相対的なクロック周波数オフセットがわかっている場合には、周波数オフセットに関連する距離誤差を低減することができる。 これを果たすために、以下に説明されるように、且つ図面に示されるように、各トランシーバは２つのカウンタ又は単一のカウンタの２つの瞬間を用いて、種々の時間周期を測定する。

第１のトランシーバ５１０は、要求フレーム３００の送信と応答フレーム４００の受信との間のクロックサイクル又は周期の数を、すなわちタイミング情報Ｃ _Ａ１ ７０１を測定する。

またトランシーバ５１０は、応答フレームの第１のデータ又は情報ビット、すなわちＰＨＹヘッダの先頭の受信と、応答フレームの最後の情報ビット、すなわちＰＳＤＵ _{ｒｅｐｌｙ}のデータペイロードの終わりの受信との間のクロックサイクルの数も測定する。 このカウンタ値は、Ｃ _Ａ２ ７０２として表される。

対応する第２のトランシーバ５２０は、要求フレームの受信と、応答フレームの送信の完了との間のクロックサイクルの数を測定する。 このカウンタ値はＣ _Ｂ２ ７０４として表される。

第２のトランシーバ５２０は、要求フレームの最初の情報ビット、すなわちＰＨＹヘッダの先頭の受信と、要求フレームの最後の情報ビット、すなわちＰＳＤＵ _{ｒｅｑｕｅｓｔ}のデータペイロードの終わりの受信との間のクロックサイクルの数も測定する。 このカウンタ値は、Ｃ _Ｂ１ ７０３として表される。

第２のトランシーバ５２０は、第１のトランシーバ５１０にＣ _Ｂ１及びＣ _Ｂ２を送信する。

第１のトランシーバ５１０は、下式のように補正係数７０５を求める。

その後、第１の受信機５１０は、その補正係数をＣ _Ｂ２に適用して、以下のように最良の推定値７０７を求める。

その後、第１のトランシーバは、以下のように、一方向への飛行時間７０８を求めることができる。

この飛行時間は、２つのトランシーバ間のレンジ又は距離に対応する。

第１のトランシーバがそのタイミング情報を第２の受信機に送信し、第２のトランシーバが測距を実行することができることに留意されたい。

本発明は好ましい実施形態を例示することによって説明されてきたが、本発明の精神及び範囲内で、種々の他の適合及び変更を実施できることは理解されたい。 それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内に入るような全てのそのような変形及び変更を包含することである。

トランシーバ間の無線通信において用いられる従来のフレームのブロック図である。

従来の双方向到着時刻を基にする測距方法のタイミング図である。

本発明の一実施形態による要求フレーム３００の構造のブロック図である。

本発明の一実施形態による応答フレーム４００の構造のブロック図である。

本発明の一実施形態による双方向測距方法のブロック図である。

本発明の一実施形態による、トランシーバにあるタイミングカウンタの動作のブロック図である。

本発明の一実施形態による方法の流れ図である。