用于无线电网络的两个节点之间通信的电路、系统和方法 |
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| 申请号 | CN200910263721.0 | 申请日 | 2009-12-30 | 公开(公告)号 | CN101771937B | 公开(公告)日 | 2014-06-04 |
| 申请人 | 爱特梅尔汽车股份有限公司; | 发明人 | E·萨克塞; W·克卢格; T·费希伦德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于在无线 电网 络的两个 节点 之间通信的 电路 、系统和方法，其中，第一节点启动测量到第二节点的距离的模式；在距离测量模式中第一节点借助第二节点的地址向第二节点传输距离测量的命令；通过命令使第二节点转换到距离测量模式中；在距离测量模式中通过命令控制一过程；受命令控制地，在一发送 时间窗 中第一节点发送第一 信号 ，在相应的接收时间窗中第二节点接收第一信号并测量第一信号的第一 相位 值；受命令控制地，在一发送时间窗中第二节点发送第二信号，在相应的接收时间窗中第一节点接收第二信号并测量第二信号的第二相位值；受命令控制地，在随后的时间窗中使第一信号的第一 频率 及第二信号的第二频率改变一频率差。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于在一无线电网络的两个节点（A，B）之间通信的方法， |
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| 说明书全文 | 用于无线电网络的两个节点之间通信的电路、系统和方法技术领域[0001] 本发明涉及用于在无线电网络的两个节点之间进行通信的电路、系统和方法。 背景技术[0002] 在无线电网络中，希望可以定位无线电网络的节点或至少确定节点间的距离。由此，例如可以简单地找出故障节点。也可以跟踪节点的缓慢运动——例如跟踪工厂中的运输工具的运动。如果由飞机掷下的节点与地点相关地传输升高的温度，则定位也可用于消防。 [0003] US5,220,332公开了一种具有询问装置和应答器的测距系统，所述测距系统实现了两个目标物之间的非同时的测量。以具有可变调制频率的（低频）调制信号对载波进行调制，以便借助相位测量或者替代地借助传输时间测量由调制信号的变化确定询问装置与应答器之间的距离。 [0004] WO 02/01247A2公开了一种借助电磁波测量两个目标物之间的距离的方法。两次以不同的载波频率发送基站的询问信号和便携式编码器的应答信号。这些载波频率在此是相关的，也就是说，它们相互依赖。这些载波频率相互逼近，从而可以测量这些信号之间的相移。由所述相移计算出编码器到基站的距离。可以以不同的载波频率或者以相同的载波频率发送询问信号和应答信号。 [0006] US6,731,908B2公开了一种用于确定两个目标物之间的距离的蓝牙技术方法。在此，通过频率跳变改变频率，以便测量多个不同频率的相位偏移。目标物具有锁相环（PLL-Phase Locked Loop）中的电压控制的石英晶体振荡器，其中，在接收期间关闭锁相环而在发送期间打开锁相环，使得接收信号和发送信号具有相同的频率。在此，电压控制的石英晶体振荡器的本地振荡器信号的相位借助锁相环通过同步与接收信号相干发明内容 [0007] 本发明的任务在于，尽可能改善用于在无线电网络的两个节点之间通信的方法。 [0008] 所述任务通过以下用于在无线电网络的两个节点之间通信的方法来解决。在所述方法中，由第一节点启动用于测量到第二节点的距离的模式；在用于距离测量的模式中，由第一节点借助第二节点的地址向第二节点传输用于距离测量的命令；通过所述命令使第二节点转换到用于距离测量的模式中；在所述用于距离测量的模式中，通过所述命令控制一过程；受所述命令控制地，在所述过程的发送时间窗中，由第一节点发送第一信号，并且在所述过程的相应的接收时间窗中，由第二节点接收第一信号并且测量第一信号的第一相位值；受所述命令控制地，在所述过程的发送时间窗中，由第二节点发送第二信号，并且在相应的接收时间窗中，由第一节点接收第二信号并且测量第二信号的第二相位值；受所述命令控制地，在所述过程的一个随后的时间窗中，使第一信号的第一频率改变一频率差并且使第二信号的第二频率改变所述频率差，其中，所述第一频率和所述第二频率的改变在同一方向上进行。 [0009] 因此，提出用于在无线电网络的两个节点之间通信的方法，所述方法优选符合工业标准IEEE802.15.4。 [0010] 在所述方法中，由无线电网络的第一节点发起距离测量。例如可以在无线电网络建立时发起距离测量。可替换地，重复实施所述距离测量以便确定节点的运动。在此，所述距离测量由第一节点发起。实施相位测量以确定距离。为了考虑多径传播，优选对于多个频率实施相位测量。 [0011] 在一个方法步骤中，在用于距离测量的模式中，由第一节点借助第二节点的地址向第二节点传输用于距离测量的命令（RRC-Ranging Request Command：测距请求命令）。用于距离测量的命令优选在帧的有效数据中由第一节点向第二节点传输。 [0012] 在一个方法步骤中，通过用于距离测量的命令使第二节点由运行模式、例如标准模式转换到用于距离测量的模式中。优选地，在用于距离测量的模式中，由第二节点实施专用于距离测量的功能，这些功能在标准模式中是禁用的。 [0013] 在用于距离测量的模式中，通过命令控制过程。所述过程设置多个时间窗，方法步骤在这些时间窗中进行。通过命令控制两个节点中的过程。 [0014] 通过命令的控制，在过程的一发送时间窗中，由第一节点发送第一信号。在过程的、与所述发送时间窗相对应的接收时间窗中，由第二节点接收所述第一信号并且测量所述第一信号的第一相位值。 [0015] 通过命令的控制，在过程的一发送时间窗中，由第二节点发送第二信号。在与所述发送时间窗相对应的接收时间窗中，由第一节点接收所述第二信号并且测量所述第二信号的第二相位值。 [0016] 通过命令的控制，在过程的、这些发送时间窗和接收时间窗之后的时间窗中，使第一信号的第一频率改变一个频率差以及使第二信号的第二频率改变所述频率差。在此，第一频率和第二频率的改变在同一方向上进行。在此，使第一频率和第二频率提高所述频率差，或者使第一频率和第二频率降低所述频率差。 [0017] 此外，本发明的任务在于，提出一种无线电网络的节点的尽可能改进的电路。 [0019] 因此，提出一种无线电网络的节点的电路，所述电路优选符合工业标准IEEE802.15.4。优选地，所述电路具有发送/接收电路（收发机），所述发送/收电路用于在无线电网络内发送和接收有效数据。优选地，所述电路单片地集成在半导体芯片上。 [0020] 所述电路被设置用于取决于地址地接收用于距离测量的命令。为此在所述电路中实现与所述命令相对应的硬件功能和软件功能。优选地，所述电路具有地址解码的功能，使得地址不是所述电路的、用于距离测量的命令被所述电路舍弃。 [0021] 所述电路被如此设置，使得所述电路可通过所接收的命令转换到用于距离测量的模式中。优选地，在用于距离测量的模式中，在所述电路中实现的用于距离测量的程序部分和功能被激活，这些程序部分和功能在标准模式中是禁用的。 [0022] 所述电路被设置用于通过命令控制过程。所述过程设置多个时间窗，电路的程序过程的方法步骤在这些时间窗中运行。 [0023] 所述电路被设置用于由命令控制地在过程的一发送时间窗中发送第一信号。优选地，所述第一信号是未经调制的载波信号。未经调制的载波信号例如是高频正弦信号。 [0024] 所述电路被设置用于由命令控制地在过程的一接收时间窗中接收第二信号。此外，所述电路被设置用于测量第二信号的第一相位值。优选地，第二信号是未经调制的载波信号。 [0025] 所述电路被设置用于由命令控制地在过程的、接收时间窗后面的时间窗中使第一信号的第一频率改变一个频率差。 [0026] 所述电路被设置用于命令控制地改变接收频率。在此，所述改变以频率差的大小进行。对于过程的一个另外的、随后的接收时间窗中的第二信号的接收，接收频率具有已改变的频率。在此，第一频率和第二频率的改变在同一方向上进行。在此，第一频率和第二频率被提高所述频率差，或者第一频率和第二频率被降低所述频率差。 [0027] 本发明的另一方面是无线电网络的系统，尤其是根据工业标准IEEE802.15.4的无线电网络的系统。所述系统具有一个第一节点以及至少一个第二节点。优选地，至少第二节点具有以上所述的电路。 [0028] 所述系统的第一节点被设置用于发起用于测量到第二节点的距离的模式。第一节点被设置用于借助第二节点的地址向第二节点传输用于距离测量的命令。第二节点可通过所述命令转换到用于距离测量的模式中。 [0029] 在用于距离测量的模式中，第一节点和第二节点被设置用于通过命令控制两个节点中的过程。所述过程设置多个时间窗，电路的程序的方法步骤在这些时间窗中运行。 [0030] 通过借助命令的控制，第一节点被设置用于在过程的一发送时间窗中发送第一信号，并且第二节点被设置用于在过程的相应的接收时间窗中接收第一信号并且测量第一信号的第一相位值。 [0031] 通过借助命令的控制，第二节点被设置用于在过程的一发送时间窗中发送第二信号，并且第一节点被设置用于在过程的相应的接收时间窗中接收第二信号并且测量第二信号的第二相位值。 [0032] 第一节点被设置用于在过程的一时间窗中使第一信号的第一频率改变一个频率差。第二节点被设置用于使第二信号的第二频率同样改变所述频率差。在此，第一频率和第二频率的改变在同一方向上进行。在此，第一频率和第二频率被提高所述频率差，或者第一频率和第二频率被降低所述频率差。 [0033] 以下所述的扩展构型既涉及所述方法，也涉及所述电路以及所述系统。在此，电路或系统的功能特征由方法特征得出。方法特征也可由电路或系统的功能导出。 [0034] 根据一个有利的构型，在用于改变第一信号的第一频率和第二信号的第二频率的时间窗之后，重复发送时间窗和接收时间窗。借助所述重复测量第一信号的第三相位值和第二信号的第四相位值。优选地，由第一相位值、第二相位值、第三相位值、第四相位值以及频率差计算出距离。优选地，由第一相位值、第二相位值、第三相位值、第四相位值以及频率差准确地计算出距离值。 [0035] 为了考虑尤其多径传播，优选地设置，对于多个不同的第一频率和多个不同的第二频率重复发送时间窗和接收时间窗以及用于改变第一频率和第二频率的时间窗。 [0036] 根据一个有利的扩展构型，借助用于距离测量的命令向第二节点传输用于距离测量的第一和/或第二频率序列。 [0037] 在一个有利的扩展构型中，由第二节点向第一节点传输用于距离测量的开始时刻的同步的帧。通过所述同步，使第一节点中的第一方法过程和第二节点中的第二方法过程在时间上相互协调。优选地，由命令控制地进行第一节点和第二节点中的过程的发送时间窗和接收时间窗的时间同步。优选地，所述时间同步导致，发送时间窗和相应的接收时间窗以例如1us的预先确定的精确度同步。 [0038] 根据一个优选的扩展构型，由第一节点根据用于同步的帧的接收时刻启动第一定时器。优选地，由第二节点根据用于同步的帧的发送时刻启动第二定时器。接收时刻和/或发送时刻涉及帧内部的一个位置，例如涉及帧的结束或涉及有效数据的开始或涉及帧内部的一个指示器。因为帧的长度对于第一节点和第二节点而言是已知的，所以帧内部用于接收时刻的位置或用于发送时刻的位置可由第一节点和第二节点协商。 [0039] 优选地，由第一节点借助第一定时器的到期以及第二节点借助第二定时器的到期同步地开始两个节点中的过程。在此，第一节点中的过程的步骤与第二节点中的过程的步骤在时间上一致。例如，相继地使用多个不同的频率用于距离测量。两个频率之间的转换在一个例如经协商的时间窗内通过第一节点和第二节点中的同步在时间上相互协调地进行。 [0040] 在一个优选的实施例中，第二节点在成功接收用于距离测量的命令后向第一节点发回一个确认（ACK-acknowledgment）。通过确认的接收，第一节点准备进行距离测量并且优选地接通它的接收机。借助所述接通，第一节点优选地被设置用于接收具有已改变的指示器的同步帧。 [0041] 根据一个有利的扩展构型，由第一节点改变包含在帧中的指示器（SFD-Start of Frame Delimiter：帧起始定界符），所述指示器用于指示帧的、指示器后面的、待解码的有效数据（PSDU）。优选地，将所述指示器由命令（RRC）控制地改变为与距离测量相应的值。在此优选地，这个值不符合标准。同样可行的是，在发送用于距离测量的命令后立即将第一节点转换到已改变的指示器上，从而第二节点不必发送确认。在所述情况下，第一节点具有时间运行计数器（timeout），以便控制：第二节点是否已被设置用于距离测量。在没有第二节点的用于同步的帧的情况下，第一节点中止用于距离测量的模式。 [0042] 根据一个有利的扩展构型方案，由第二节点在用于距离测量的模式中传输具有指示器的已改变的值的帧，尤其是用于同步的帧。因为指示器的值是不符合标准的，所以未参与的节点的更高层（Layer）不对其进行分析处理。与此相反，第一节点在用于距离测量的模式中在更高层中分析处理用于同步的帧的接收。有利地，在接收用于同步的帧之后，第一节点立即将指示器重置到标准值上。 [0043] 根据一个优选的实施例，由第二节点向第一节点传输距离测量的测量结果。优选地，在距离测量的过程之后借助符合标准的帧的有效数据进行测量结果的传输。优选地，为了进行传输，指示器被重置到符合标准的值上。 [0044] 优选地设置，受保护地、尤其是加密地传输用于距离测量的命令。 [0045] 有利地，可以随着用于距离测量的命令一起传输参数。优选地，随着用于距离测量的命令一起向第二节点传输指示器的已改变的值和/或用于距离测量的频率序列和/或用于距离测量的一个或多个过程步骤的持续时间。有利地，所述传输通过符合标准地传输的帧的有效数据来进行。 [0046] 以上所述的进一步构型方案无论是单独应用还是组合应用都是特别有利的。在此，所有的构型方案都可以彼此组合。在附图的实施例的说明中对一些组合进行了阐述。但那里所示的进一步构型方案的组合可能性并未穷尽。 附图说明[0047] 以下根据附图通过实施例来详细地说明本发明。 [0048] 附图示出： [0049] 图1：具有节点A、B、C和D的无线电网络的示意图， [0050] 图2：用于同步的示意图，以及 [0051] 图3：无线电网络中用于距离测量的示意性流程图。 具体实施方式[0052] 在附图1中示出了根据工业标准IEEE802.15.4、具有节点A、B、C和D的无线电网络的示意图。对于距离测量，节点A、B和C被构造为使用符合标准的（MAC：媒体访问控制）命令RRC，所述命令RRC来自IEEE802.15.4的媒体访问控制命令标识（MAC-Command ID）的保留区域。与此相反，节点D不具有距离测量的功能。 [0053] 在附图1的实施例中，节点A是测量到节点B的距离dAB的发起者。对于节点A而言，节点B的目标地址是已知的。在附图1的实施例的无线电网络中，节点A具有与节点B直接进行通信的许可。节点A进行测量数据的后续处理。在此，所述后续处理既包括节点A的测量数据也包括节点B的测量数据M（SFD）。 [0054] 节点A向节点B发送用于距离测量的命令RRC。对于实际的距离测量而言，节点A中的过程与节点B中的过程的同步是有利的。为此，节点B向节点A发送用于同步的帧Fsync（SFD’）。 [0055] 在附图3中示出了用于距离测量的示意性流程图。在步骤1中，节点A通过过程的启动开始距离测量。在用于确定用于传输的信道能否被占用的步骤2.1中的标准程序CSMA/CA之后，在步骤2.2中，节点A通过目标地址向节点B传输用于启动用于距离测量的过程的命令RRC。在此，可以作为有效数据向节点B一起传输频率/信道的序列或者指示器SFD的目标值。命令RRC被编码为MAC命令帧，其中，命令标识（command-ID）可被配置。所述命令标识来自于保留值3’b100...3’b111的区域。 [0056] 优选受保护地传输命令RRC。对此例如可以使用加密。借助帧来传输频率跳变序列。例如，对此可以传输相互紧随的频率值或者传输储存在节点A和B中的跳变序列的索引。通过受保护的传输，在频率范围中的测量内的频率序列——尤其是未经调制的载波信号的频率序列——对于可能的入侵者是未知的，这使干扰变得困难。 [0057] 在步骤3.1中，节点B确定目标地址和它的标识之间的一致性并且在步骤3.2中提取包含在所接收的帧的有效数据中的用于距离测量的信息。在步骤3.3中，节点B检验命令RRC和具有帧的地址的头部并且向节点A发回一个接收确认。节点A接收所述确认并且随着用于距离测量的过程的开始继续用于距离测量的模式。否则，在没有确认的情况下，节点A中止用于距离测量的模式或者重新发起至另一节点的距离测量的模式。通过确认的接收，节点A接通它的接收机，以便可以接收具有已改变的指示器SFD的同步帧。此外，节点B在发送确认之后发送具已改变的指示器SFD’的同步帧，因此这个同步帧仅仅能由节点A接收。与此相反，节点C和D舍弃具有已改变的、不符合标准的指示器SFD’的帧。 [0058] 通过所述选择完成了无线电网络内用于距离测量的参与者，即节点A和节点B的选择。在步骤3c中，节点C可以将目标地址不分配给它的标识。在步骤3d中，节点D中不识别用于距离测量的命令RRC并且未相应地作出响应。 [0059] 节点B在解密所述有效数据之后接收跳变序列并且为测量过程作好准备。所述测量过程例如在节点A和B中以+/-1us的误差时间同步地进行。 [0060] 在步骤4中，节点A将其指示器SFD改变到一个不符合标准的值，即不等于0x00以及不等于0xA7。 [0061] 在步骤5.1中的用于信道占用（CSMA/CA）的标准程序之后，节点B在步骤5.2中向具有指示器的已改变的值的节点A发送一个用于同步的空帧。借助指示器的已修改的值阻止其他的网络参与者C和D接收和干扰所述帧。根据附图2，在具有定时器时间tB的定时器到期之后，节点B在步骤8中启动测量过程，其中，定时器在发送时刻tFsync启动并且在时刻tM、即测量过程的开始时刻到期。 [0062] 在附图3的步骤6.1中，用于同步的帧由节点A接收。节点A在步骤8中将用于同步的帧作为测量过程的专门启动信号应用在物理层上——在OSI分层模型中所述物理层也被称作比特传输层（Bitübertragungsschicht）。根据附图2，在具有定时器的到期时间tA的定时器到期之后，节点A在步骤8中开始测量过程，其中，定时器在接收时刻tE启动并且在时刻tM、即测量过程的开始时刻tM到期。在附图2的实施例中，通过所接收的帧的有效数据PSDU的结束启动定时器。在附图2中同样标出两个可选方案，其中可以在指示器后的时刻tE’启动定时器或者在前导SHR后的时刻tE”启动定时器。在所有情况中，定时器必须都在时刻tM到期，以实现与节点B的时间同步。在此，同步的精度尤其取决于两个定时器的精度和传输路径。 [0063] 此外，节点A在步骤6.1中将指示器重置为符合标准的值0xA7。节点A在步骤6.2中发送一个确认，节点B在步骤7中接收并检验所述确认。 [0064] 在步骤8中，在时间间隔N*tm中实施用于节点A和节点B的测量过程。测量过程8具有节点A的发送时间窗8a.1，所述发送时间窗8a.1也可被称为发送阶段。与此同步地，测量过程8具有节点B的、相应的接收时间窗8b.1，所述接收时间窗8b.1也可被称为接收阶段。测量过程8具有节点B的发送时间窗8b.2。与此同步地，测量过程8具有节点A的、相应的接收时间窗8a.2。在时间窗8a.3或8b.3中，频率、例如未经调制的载波信号的载波频率被改变，并且步骤8重复N次，直至在各个节点中对于序列的尽可能所有频率已实施了相位值的测量。 [0065] 为了进行测量，相互发送短的脉冲串并且既在节点A中也在节点B中测量和储存相位和/或幅度位置。 [0066] 在步骤9.1中的用于通道占用的标准程序之后，在步骤9.2中借助符合标准的帧向节点A传输回节点B的测量结果。对于所述传输，有效数据是受保护的。有效数据的内容是节点B中的测量的幅度值和/或相位值。 [0067] 在步骤10.1和10.2中，节点A从节点B接收测量数据并且分析处理所述测量数据，以便计算出节点A和B之间的距离dAB，并且节点A在步骤10.3中向节点B发回一个确认，所述确认在步骤10.4中由节点B接收并检验。与此相反，节点C和D在步骤10c和10d中可能确定出目标地址和他们的标识的不一致性。在步骤11a和11b中，用于测量距离的方法结束并且节点A和B转换到标准模式中。 [0068] 本发明并不限于附图1至3示出的构型方案。例如，可以使用其他的定时器启动时刻。也可以固定地预先给定用于距离测量的频率序列和/或指示器的变化值。同时，也可以在另一工业标准、例如WLAN的无线电网络中进行距离测量。 [0069] 附图标记 [0070] A、B、C、D 无线电网络的节点 [0071] dAB 距离 [0072] Fsync 用于同步的帧 [0073] M 测量数据 [0074] SHR 前导 [0075] SFD 指示器 [0076] PSDU 有效数据 [0077] tE、tE’、tE、tM、tFsync 时刻 [0078] tA、tB 定时器的到期时间 [0079] t 时间 |
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