CN102932310B - 两点间测距的系统和方法及其在Wifi设备防丢失中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两点间测距的系统和方法及其应用在Wifi设备防丢失中的方法，通过在常规WiFi通信模块中设置计算信道估计斜率的模块和定时器，来获取在两点间相互传输内容已知的数据包时，约定符号中的时间差及所需要的时间，并以此计算两点间的距离。由于本发明基于IEEE802.11中正交频分复用技术实现，能够适用于分布有大量WiFi热点的室内场所，实现低成本的距离测量。并且，可以在WiFi耳机和与之匹配的手机等WiFi通信设备中，分别设置上述的硬件及算法来计算两者的距离，当判断距离超过设定范围时，发出声音、闪烁或振动的提示信号，来防止设备丢失。

Description

两点间测距的系统和方法及其在Wifi设备防丢失中的应用

技术领域

本发明涉及基于IEEE802.11中OFDM（正交频分复用）技术的WiFi通信领域，特别涉及其中一种两点间距离测量的系统和方法，以及将该测距系统及测距方法应用在WiFi设备（例如耳机）测距防丢失中的一种方法。

背景技术

距离测量作为实时定位系统的基础，被广泛的应用在实际系统中，如GPS定位等。传统的距离测量必须基于一个精确的卫星时钟系统（如GPS）或一个超宽带系统（如IEEE802.15.4a）：其中，GPS通过测量4个以上卫星发送的信号到达本地的时间差来完成定位；IEEE.15.4a可通过脉冲序列相关得到无线信号的传播时间，从而计算出两点的距离。

虽然这些传统的定位系统能够满足很多应用的要求，但是也存在明显的不足：GPS因为要接受卫星信号，其在室内应用会受到限制；IEEE802.15.4a的传输距离仅有几米，无法满足大多数应用的需求，并且IEEE802.15.4a未进入大规模商用，成本过高。而在很多的实际应用中，用户希望用较低的成本获得一定范围的定位信息，例如在大型商场或超市中定位人或商品，则上述两种现有技术都无法满足这一需求。

IEEE802.11是无线局域网(也称WiFi）的标准。IEEE802.11中的OFDM（正交频分复用）技术包括IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11n、IEEE802.11p（及其后续标准IEEE802.11ac等）。

目前，WiFi热点在大中城市中已经广泛设置。WiFi技术经过十几年的发展，其应用已从个人电脑扩展到各种手持电子设备中：手机、平板电脑，数码相机、手持游戏机等。利用WiFi来定位可实现低成本的1米到几百米的定位。

另外，无线耳机目前主要以蓝牙技术为主，但是WiFi耳机以其低功耗，传输速率快，传输距离远等优势引起了世人的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是在通用的IEEE802.11a/g/n/p（及其后续标准IEEE802.11ac等）系统基础上，加入必要的硬件和算法，从而提供一种低成本的能够支持两点间距离测量的系统及方法；并且，本发明还将该系统及方法应用到WiFi耳机与其他WiFi通信设备（例如计算机PC，手机，平板电脑PAD等）之间的交互，当两者之间的距离超出设定范围后，发出声音、闪烁和/或振动提示，起到防丢失的功能。

为了实现上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种两点间距离测量系统，基于IEEE802.11中正交频分复用技术对AB两点之间的距离进行测量；

所述系统包含分别布置在A点和B点的WiFi通信模块，能够相互匹配进行数据包的发送及接收；每个所述WiFi通信模块输出的数据包包含一组串联的OFDM符号；每个OFDM符号由保护间隔和本征符号这两部分组成，并且该OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置到所述保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dt，与FFT输出信号时信道估计的相位在频域子载波方向上的斜率相对应；

每个所述WiFi通信模块，在系统物理层中增加有计算信道估计斜率的模块和定时器，并在介质访问控制层和软件控制层中增加有支持A点和B点间为测量距离而进行通信和交换信息的功能模块及应用软件；

其中，所述计算信道估计斜率的模块，用于计算并输出所述的时间差dt；所述定时器，用于计算并输出在AB点之间相互传输设定的数据包时所需的时间。

优选的，所述计算信道估计斜率的模块，是WiFi芯片中能够将接收数据包时计算的所述时间差dt进一步保存并输出的信道估计模块。

A点WiFi模块的定时器，至少用于计算第一时间TA；所述第一时间TA，是在A点向B点发送一个已知内容的第一数据包时，从第一数据包的一个第一约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点开始计时，到A点接收到B点向其返回的一个已知内容的第二数据包时，该第二数据包的一个第二约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置为止结束计时。

B点WiFi模块的定时器，至少用于计算第二时间TB；所述第二时间TB，是在B点接收所述第一数据包时，从第一数据包的第一约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置开始计时，到B点向A点发送所述第二数据包时，第二数据包的第二约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点为止结束计时。

本发明的另一个技术方案是提供一种两点间距离测量方法，使用上述的测量系统实现，基于IEEE802.11中正交频分复用技术对AB两点之间的距离进行测量；

所述方法包含以下流程：

步骤1，由A点发起测量距离的要求，双方确认后，由A点向B点发送一个已知内容的第一数据包；当A点在发送第一数据包中的一个第一约定OFDM符号时，在该第一约定OFDM符号的保护间隔和本征符号的交界点开始对第一时间TA进行计时；

步骤2，B点完成对第一数据包的接收后，得到所述第一约定OFDM符号的时间差dtB，并从该第一约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置开始对第二时间TB进行计时；

在接收完第一数据包后，B点还开始向A点发送一个已知内容的第二数据包；当B点在发送第二数据包的一个第二约定OFDM符号时，在该第二约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点结束对第二时间TB的计时；

步骤3，A点完成对第二数据包的接收后，检测所述第二约定OFDM符号的时间差dtA，并在该第二约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置结束对第二时间TA的计时；

步骤4，根据第二约定OFDM符号的时间差dtA、第一时间TA、第一约定OFDM符号的时间差dtB和第二时间TB，计算得出AB两点之间的距离：

将A点与B点间因距离而发生的传输延时记为，则=AB间距离/光速；TA+dtA=TB-dtB+2，得到AB间的距离=光速×（TA-TB+dtA+dtB）/2。

步骤4中，进一步由B点向A点发送一个第三数据包来携带有关第一约定OFDM符号的时间差dtB和第二时间TB的信息，并由A点接收该第三数据包并计算AB两点之间的距离。

或者，步骤4中，进一步由A点向B点发送一个第三数据包来携带第二约定OFDM符号的时间差dtA、第一时间TA，并由B点计算AB两点之间的距离。

又或者，在步骤2中，B点向A点发送的第二数据包中，还包含附加在第二约定OFDM符号之后的第一约定OFDM符号的时间差dtB和第二时间TB；则步骤4中，由A点计算AB两点之间的距离。

本发明的又一个技术方案是提供一种基于两点间距离测量的系统和方法来防止WiFi通信设备丢失的方法：

在分别位于AB两点的两个设备中，各自配置有能够基于IEEE802.11中正交频分复用技术进行交互的WiFi通信模块；其中，A点的WiFi通信模块，能够向B点发送一个已知内容的第一数据包，该第一数据包中设有一个第一约定OFDM符号；而B点的通信模块接收第一数据包后，能够向A点返回一个已知内容的第二数据包，该第二数据包中设有一个第二约定OFDM符号；

A点的通信模块接收第二数据包后，能够获取第二约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dtA，还能够计算一个第一时间TA；

所述第一时间TA是从第一约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点开始计时，到第二数据包的第二约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置为止结束计时；

B点的通信模块接收第一数据包后，能够获取第一约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dtB，还能够计算一个第二时间TB；

所述第二时间TB是从第一数据包的第一约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置开始计时，到第二数据包的第二约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点为止结束计时；

由A点或B点的通信模块，根据第二约定OFDM符号的时间差dtA、第一时间TA、第一约定OFDM符号的时间差dtB和第二时间TB，计算得出AB两点之间的距离：将A点与B点间因距离而发生的传输延时记为，则=AB间距离/光速；TA+dtA=TB-dtB+2，得到AB间的距离=光速×（TA-TB+dtA+dtB）/2；

当判断AB点的两个设备的间距大于设定范围时，控制其中至少一个设备来发出提示信号，实现设备防丢失的功能。

优选的，A点和Ｂ点的设备，分别是从各自设有所述WiFi通信模块的耳机、手机、平板电脑、掌上电脑或计算机中任意选择的两个。

综上所述，本发明所述两点间测距的系统和方法及其应用在Wifi设备防丢失中的方法，其优点在于：通过在常规WiFi通信模块中设置计算信道估计斜率的模块和定时器，来获取在两点间相互传输内容已知的数据包时，约定符号中的时间差及所需要的时间，并以此计算两点间的距离。由于本发明基于IEEE802.11中正交频分复用技术实现，能够适用于分布有大量WiFi热点的室内场所，实现低成本的距离测量。并且，可以在WiFi耳机和与之匹配的手机等WiFi通信设备中，分别设置上述的硬件及算法来计算两者的距离，当判断距离超过设定范围时，发出声音、闪烁或振动的提示信号，来防止设备丢失。

附图说明

图1是IEEE802.11中一个OFDM符号的组成部分示意图；

图2是本发明所述距离测量系统在AB两处的结构示意图；

图3是本发明所述距离测量方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

IEEE802.11中的OFDM（正交频分复用）技术是WiFi的主流模式。本发明在现有系统的基础上，利用OFDM自身所具有的测量时间差的特性，从而完成距离测量。

如图1所示，IEEE802.11a/g/n/p（及其后续标准IEEE802.11ac等）系统是基于OFDM调制的。其输出信号是由串联在一起的OFDM符号组成的，而每个OFDM符号又包含两部分，由保护间隔GI和本征符号组成，其中GI是本征符号在时域上的循环延伸。

而在相应的接收解调系统中包括将时域信号转换成频域信号的FFT（快速傅里叶变换）模块。FFT模块的输入信号是由OFDM符号采样所得，但是其采样开始的位置是任意的，通常位于GI中靠近本征符号的部分。当信道接近于AWGN（加性高斯白噪声）时，FFT模块的输出，与其输入信号窗口的开始位置到保护间隔GI/本征符号交界点之间的时间差dt相关。

若给定该OFDM符号所传载的信息（如设定为QPSK四相相移键控信号），我们就可以方便地从FFT模块的输出得到相应的信道估计，该信道估计的相位在频域子载波方向上的斜率由上述的时间差dt决定，从而允许我们通过计算该斜率而得到dt的信息。相关计算请参考图1中的示意，即，信道估计的相位差=2π(dt)(子载波间距)。

基于上述原理，本发明通过发送内容已知的IEEE802.11OFDM数据包而获得相应的时间差dt，并通过两点间的配合，实现相应距离的测量。

为了实现距离测量，需要WiFi系统多个环节的支持。在完全不妨碍系统原有例如是信息发射及接收功能的前提下，如图2所示，本发明所述的距离测量系统，包括在系统物理层（PHY）中加入的一些硬件电路：计算信道估计斜率的模块和一个定时器。

具体的，信道估计是现有WiFi物理层芯片中的一个基本功能模块，其中一般已经具备计算上述的dt来接收数据包的功能，但由于dt对MAC层（介质访问控制层）无用，通常不输出。故在本发明中只需在原有模块中增加保存和输出dt的功能，来作为上述的计算信道估计斜率的模块。而本发明需增加的定时器会在下文做详细描述。

另外，本发明还需要进一步在MAC层和软件控制层中加入支持A点和B点间为测量距离而进行通信和交换信息的功能模块。这些系统改进在距离测量的AB两点的WiFi模块中需要分别设置。

如图3所示，本发明所述距离测量系统的工作流程为：

（1）由A点发起测量距离的要求，双方确认后，由A点向B点发送一个已知内容的标准数据包（称为第一数据包）。同时，A点在其发送第一数据包中的一个事先约定的OFDM符号（通常为最后一个符号）时，在GI和本征符号的交界处开始对第一时间TA的计时。

（2）B点在完成必要的接收程序后，检测其收到第一数据包中的该约定符号时相应的时间差dtB，并从相应的FFT窗口起始位置开始第二时间TB的计时。在接受完第一数据包后，B点尽快开始向A点发送一个已知内容的标准数据包（称为第二数据包）。在B点所发送的另一个事先约定的OFDM符号（通常为第一个符号）时，在GI和本征符号的交界处结束对第二时间TB的计时。

（3）A点在完成必要的接收程序后，检测其收到第二数据包中的约定的符号时相应的时间差dtA，并在相应的FFT窗口起始位置结束对第二时间TA的计时。

（4）B点再向A点发送一个第三数据包携带信息dtB和TB。A点接收该第三数据包，并可根据dtA、TA、dtB和TB计算出AB两点之间的距离。

两点间距离计算的方法如下：将A点与B点间因距离而发生的传输延时记为，则=AB间距离/光速。参见图3，TA+dtA=TB-dtB+2，因此AB间的距离=光速×（TA-TB+dtA+dtB）/2。

在其他一些实施例中，以上第4步中，也可以由A点向B点发送一个第三数据包携带信息dtA和TA。由B点根据上述公式完成对距离的计算。

或者，也可以在第2步中，当B点向A点发送第二数据包的约定的符号之后，附加上由B点得到的时间差dtB和第二时间TB。这样可省去第4步中B点向A点发送的第三数据包，节约通信过程。

本发明所述距离测量系统中的定时器，即需要至少具备能够完成上述方法中对TA、TB进行计时的功能。

本发明所述的两点间距离测量系统及方法，可用于GPS覆盖不到的室内，尤其是在已布置有WiFi热点的大型建筑物内，如大型商场超市、医院、工厂厂房等，用来对一个人或一件物品通过测距进行定位。

由于本发明基于现有的主流WiFi系统进行硬件及算法改进，则，一方面根据规模效应，WiFi系统的成本很低；再考虑到大量手持设备中（手机、PDA、PAD等中）已经带有WiFi系统，应用本发明需要增加的成本就更少了。此外，本发明基于WiFi还带来另一项优势：定位信息可通过WiFi网络本身上传到Internet，也可从Internet获得额外的信息来帮助定位。

另外，本发明上述两点间距离测量系统及方法，还可以应用在WiFi手机等设备的防丢失方法中。具体地在无线耳机中设置具有上述计算信道估计斜率的模块和定时器的WiFi通信模块，使该耳机与同样装设有WiFi通信模块的设备（例如是PC，手机，PAD）之间进行交互。所述的WiFi通信模块可以选用基于WiFiDirecet（又称WiFiPeer-to-Peer）技术的器件，也可以采用多天线技术。

通过本发明的上述方法测量两者之间的距离，并判断当距离超出一定范围时，设定其中一个设备（如耳机）会发出声音、闪烁或振动提示，方便寻找到该设备，或者起到防止与之进行WiFi通信的另一个设备（如手机）丢失的作用。进一步配合进行针对无线信号的能量、方位角和空中传输时间等的测量，可以实现对耳机等的定位。当然，上述基于WiFi通信测距防丢失的方法不限于耳机和手机之间，也可以应用在其他任意两个设有上述改进的WiFi通信模块的设备之间。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种两点间距离测量系统，基于IEEE802.11中正交频分复用技术对AB两点之间的距离进行测量，其特征在于：

所述系统包含分别布置在A点和B点的WiFi通信模块，能够相互匹配进行数据包的发送及接收；每个所述WiFi通信模块输出的数据包包含一组串联的OFDM符号；每个OFDM符号由保护间隔和本征符号这两部分组成，并且该OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置到所述保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dt，与FFT输出信号时信道估计的相位在频域子载波方向上的斜率相对应；

每个所述WiFi通信模块，在系统物理层中增加有计算信道估计斜率的模块和定时器，并在介质访问控制层和软件控制层中增加有支持A点和B点间为测量距离而进行通信和交换信息的功能模块及应用软件；

其中，所述计算信道估计斜率的模块，用于计算并输出所述的时间差dt；所述定时器，用于计算并输出在AB点之间相互传输设定的数据包时所需的时间；

其中，A点WiFi通信模块的定时器，至少用于计算第一时间TA；所述第一时间TA，是在A点向B点发送一个已知内容的第一数据包时，从第一数据包的一个第一约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点开始计时，到A点接收到B点向其返回的一个已知内容的第二数据包时，该第二数据包的一个第二约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置为止结束计时；A点的WiFi通信模块接收第二数据包后，能够获取第二约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dtA；

B点WiFi通信模块的定时器，至少用于计算第二时间TB；所述第二时间TB，是在B点接收所述第一数据包时，从第一数据包的第一约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置开始计时，到B点向A点发送所述第二数据包时，第二数据包的第二约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点为止结束计时；B点的WiFi通信模块接收第一数据包后，能够获取第一约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dtB；

所述系统测得的AB间的距离=光速×（TA-TB+dtA+dtB）/2。

2.如权利要求1所述两点间距离测量系统，其特征在于：

所述计算信道估计斜率的模块，是WiFi芯片中能够将接收数据包时计算的所述时间差dt进一步保存并输出的信道估计模块。

3.一种两点间距离测量方法，使用如权利要求1所述的测量系统实现，基于IEEE802.11中正交频分复用技术对AB两点之间的距离进行测量，其特征在于：

所述方法包含以下流程：

步骤1，由A点发起测量距离的要求，双方确认后，由A点向B点发送一个已知内容的第一数据包；当A点在发送第一数据包中的一个第一约定OFDM符号时，在该第一约定OFDM符号的保护间隔和本征符号的交界点开始对第一时间TA进行计时；

步骤2，B点完成对第一数据包的接收后，得到所述第一约定OFDM符号相应的时间差dtB，并从该第一约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置开始对第二时间TB进行计时；与所述第一约定OFDM符号相应的时间差dtB是第一约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差；

在接收完第一数据包后，B点还开始向A点发送一个已知内容的第二数据包；当B点在发送第二数据包的一个第二约定OFDM符号时，在该第二约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点结束对第二时间TB的计时；

步骤3，A点完成对第二数据包的接收后，检测与所述第二约定OFDM符号相应的时间差dtA，并在该第二约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置结束对第二时间TA的计时；与所述第二约定OFDM符号相应的时间差dtA是第二约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差；

步骤4，根据与所述第二约定OFDM符号相应的时间差dtA、第一时间TA、与所述第一约定OFDM符号相应的时间差dtB、第二时间TB，计算得出AB两点之间的距离：

将A点与B点间因距离而发生的传输延时记为τ，则τ=AB间距离/光速；TA+dtA=TB-dtB+2τ，得到AB间的距离=光速×（TA-TB+dtA+dtB）/2。

4.如权利要求3所述两点间距离测量方法，其特征在于：

步骤4中，进一步由B点向A点发送一个第三数据包来携带有关与第一约定OFDM符号相应的时间差dtB、第二时间TB的信息，并由A点接收该第三数据包并计算AB两点之间的距离。

5.如权利要求3所述两点间距离测量方法，其特征在于：

步骤4中，进一步由A点向B点发送一个第三数据包来携带与所述第二约定OFDM符号相应的时间差dtA、第一时间TA，并由B点计算AB两点之间的距离。

6.如权利要求3所述两点间距离测量方法，其特征在于：

在步骤2中，B点向A点发送的第二数据包中，还包含附加在第二约定OFDM符号之后的与所述第一约定OFDM符号相应的时间差dtB、第二时间TB；则步骤4中，由A点计算AB两点之间的距离。

7.一种基于两点间距离测量来防止WiFi通信设备丢失的方法，其特征在于：

在分别位于AB两点的两个设备中，各自配置有能够基于IEEE802.11中正交频分复用技术进行交互的WiFi通信模块；其中，A点的WiFi通信模块，能够向B点发送一个已知内容的第一数据包，该第一数据包中设有一个第一约定OFDM符号；而B点的通信模块接收第一数据包后，能够向A点返回一个已知内容的第二数据包，该第二数据包中设有一个第二约定OFDM符号；

A点的WiFi通信模块接收第二数据包后，能够获取第二约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dtA，还能够计算一个第一时间TA；

所述第一时间TA是从第一约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点开始计时，到第二数据包的第二约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置为止结束计时；

B点的WiFi通信模块接收第一数据包后，能够获取第一约定OFDM符号中FFT输入信号窗口起始位置到保护间隔与本征符号的交界点之间的时间差dtB，还能够计算一个第二时间TB；

所述第二时间TB是从第一数据包的第一约定OFDM符号的FFT输入信号窗口起始位置开始计时，到第二数据包的第二约定OFDM符号的保护间隔与本征符号的交界点为止结束计时；

由A点或B点的WiFi通信模块，根据第二约定OFDM符号的时间差dtA、第一时间TA、第一约定OFDM符号的时间差dtB和第二时间TB，计算得出AB两点之间的距离：将A点与B点间因距离而发生的传输延时记为τ，则τ=AB间距离/光速；TA+dtA=TB-dtB+2τ，得到AB间的距离=光速×（TA-TB+dtA+dtB）/2；

当判断AB点的两个设备的间距大于设定范围时，控制其中至少一个设备来发出提示信号，实现设备防丢失的功能。

8.如权利要求7所述防止WiFi通信设备丢失的方法，其特征在于：

A点和Ｂ点的设备，分别是从各自设有所述WiFi通信模块的耳机、手机、平板电脑、掌上电脑或计算机中任意选择的两个。