CN102970058B - 一种基于固定周转时延的超宽带无线测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术，特别涉及超宽带无线通信技术，具体是一种基于固定周转时延的超宽带无线测距方法。主要原理是：测距前测距请求节点A和测距应答节点B通过基于停-等协议的Hello帧交换固定周转时延；测距应答时节点B不需要每次均发送时间戳帧，只有在发现T不合适时才重新发送Hello帧以告知节点A新的固定周转时延；测距请求节点A根据固定周转时延T、发送测距请求帧的时刻和接收到测距应答帧的时刻即可推算出信号的传播时延T_t，进而乘以电磁波的传播速度得到两个节点之间的距离。本发明通过减少测距请求节点和测距应答节点之间发送的帧的数量，从而提高测距效率，可用于基于超宽带的物联网、无线传感网中。

Description

一种基于固定周转时延的超宽带无线测距方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及超宽带（Ultra Wide Band,UWB）无线通信技术，具体是一种基于固定周转时延的超宽带无线测距方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，21世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Ad hoc、BlueTooth和UWB等，在办公室、家庭、工厂、公园等方面得到了广泛应用。

UWB无线通信技术是一种不用载波，采用小于纳秒时长的不连续脉冲进行通信的一种无线通信技术。由于UWB使用小于纳秒时长的超短脉冲进行通信，其信号功率被扩散在从0到数十GHz的超宽频带范围内，这种独特的通信机制使其与目前频域通信技术相比具有对信道衰落不敏感、发射功率低、与其它无线系统可以共存、多径分辨能力强、抗干扰能力强、系统复杂度低、穿透能力强等优点，因而在全球范围内受到广泛关注，特别是在精确测距和定位领域有广泛的应用前景，成为短距离、高精度无线测距和定位的首选。IEEE（美国电气和电子工程师协会）于2007年最终通过的基于UWB的IEEE802.15.4a标准是第一个精确测距定位的无线物理层标准。

在基于UWB的无线测距中常见的测距方法是TW-TOA(Two Way-Time of Arrival)测距方法。假设A节点是TW-TOA测距的请求者；B节点是TW-TOA测距的应答者，即待测距的节点。假设：

●T_a1为节点A发送测距请求帧的时刻，当测距请求帧开始发送PHR（物理层协议头）的第一个脉冲时开始计时，生成T_a1；

●T_b1为节点B接收到测距请求帧的时刻，接收到来自于A的测距请求帧的PHR的第一个UWB脉冲时开始计时，生成T_b1；

●T_b2为节点B发送测距应答帧的时刻，当发送完测距应答帧的PHR的第一个UWB脉冲时停止计时；

●T_a2为节点A接收到来自于节点B的测距应答帧的时刻，当收到从B返回来的测距应答帧的PHR的第一个UWB脉冲时停止计时，生成T_a2；

●T为节点B收到请求帧，然后传送到应用层，最后又组装成新的测距响应帧并发送所经历的时延，即节点B的接收-发送周转时延，满足：

T＝T_b2-T_b1                （1）

●T_t为信号在空气中单向传播的时延TOF，根据T_t乘以电磁波的速度，即可计算出A节点到B节点的距离。计算方法如下：

T_a2-T_a1=2*T_t+T                （2）

$T_t=\frac{(T_{a2}-T_{a1})-T}{2}---\left(3\right)$

$T_t=\frac{(T_{a2}-T_{a1})-(T_{b2}-T_{b1})}{2}---\left(4\right)$

在TW-TOA测距方法中，B节点在每次测距时除了发送应答帧外，都要再发送一个时间戳帧，将T_b1和T_b2即周转时延告知节点A。因此在节点A处根据节点B传送回的时间戳T_b1和T_b2以及自己测定的时间戳T_a1和T_a2即可计算出从A到B的传播时延TOF（T_t），进而乘以电磁波的速度即可得到二者之间的距离。

由于同类设备在相同的环境下（电压、帧长度等），其周转时延是相同的，所以没有必要每次测距均返回一个时间戳帧。为了减少每次测距收发双方的数据通信量，即为了避免每次测距均发送时间戳帧，所以本发明提出了一种基于固定周转时延的测距方法。

发明内容

鉴于目前采用的TW-TOA(Two Way Time of Arrival)超宽带无线测距方法中需要在待测距节点B处发送周转时延的时间戳帧而造成的信道帧冗余，本发明提出了一种应用在超宽带无线测距中的基于固定周转时延的测距方法，从而可以减少测距请求节点（节点A）和测距应答节点（节点B）之间需要发送的帧的数量，从而提高测距效率。

一种基于固定周转时延的超宽带无线测距方法，包括以下步骤：

1）在测距请求节点A中

（1）等待接收节点B的Hello帧：当节点B刚进入到节点A所在的无线网络中时，节点B发送一个Hello帧，帧中标记固定周转时延T；

（2）判断是否接收到Hello帧：节点A在没有收到Hello帧时，不发送测距请求帧；如果接收到Hello帧则执行步骤（3），否则执行步骤（1）继续等待；

（3）发送一个Hello应答帧；

（4）向目标节点发送测距请求帧；

（5）判断是否超时：如果超时则执行步骤（4）重新发送测距请求帧，不超时则执行步骤（6）；

（6）判断是否收到测距应答帧：如果未收到应答帧则执行步骤（5）继续等待，否则执行步骤（7）；

（7）计算距离：利用公式（3）计算得到传播时延T_t，T_t再乘以信号传播速度即可得到二者之间的距离；

（8）等待下一个测距周期；

（9）判断是否收到时间戳帧：如果在等待下一个测距周期内收到了一个来自于节点B的时间戳帧，则使用时间戳帧中T_b2和T_b1利用公式（4）计算得到传播时延T_t；

（10）判断是否收到Hello帧：如果收到一个Hello帧，此后所有的测距均使用该Hello帧中的固定周转时延T；

（11）判断是否到达下次测距周期：如果到达了下次测距周期，则执行步骤（4）继续测距，否则执行步骤（8）继续等待；

2）在测距应答节点B中

（1）发送Hello帧：只有当节点B刚进入到节点A所在的无线网络中时，节点B才需要发送一个Hello帧，帧中标记固定周转时延T；

（2）判断是否收到Hello帧应答：节点B在没有收到节点A的Hello应答帧时，需要延迟一定的时间，再次执行步骤（1）发送Hello帧，如果接收到Hello帧应答则继续执行步骤（3）；

（3）判断是否收到应答帧：如果收到应答帧则接收完节点A发送过来的测距请求帧后继续执行步骤（4），否则继续执行步骤（3）；

（4）延迟T_delay时间；

（5）在T时间发送到PHR的第一个脉冲；

（6）判断T_delay是否合适：如果不合适执行步骤（7），否则执行步骤（3）；

（7）发送时间戳帧：通过紧急发送一个时间戳帧，通知节点A不能使用双方原来约定的T，应该使用时间戳帧中的T_b2，T_b1，即节点A用公式（4）计算T_t；

（8）判断固定时延T是否需要调整：如果在T_delay=0的情况下T_b2-T_b1仍然大于T，则执行步骤（9），否则执行步骤（3）；

（9）Hello帧：增加T的值，同时将T的值通过Hello帧发送给节点A；

（10）判断是否收到Hello帧应答：如果未收到应答，则执行步骤（9）重新发送，否则执行步骤（3）等待下次测距。

通过以上方法，可以在不增加系统硬件复杂度的前提下，通过固定周转时延的方法可以减少测距双方的数据通信量，同时为了提高Hello帧的可靠性提出了在初次测距以及在测距过程中当周转时延发生严重漂移的情况下发送基于停-等协议的Hello帧。

附图说明

图1TW-TOA测距基本原理图；

图2固定周转时延测距基本原理图；

图3使用停-等协议发送Hello帧的基本原理图；

图4固定周转时延在请求节点A端的流程图；

图5固定周转时延在应答节点B端的流程图；

具体实施方式

以下结合图例和具体实施例，对本发明进行详细说明。

在目前现有的TW-TOA(Two Way Time of Arrival)测距方法原理如图1所示，其中A节点是TW-TOA测距的请求者；B节点是TW-TOA测距的应答者；T_a1为节点A发送测距请求帧的时刻；T_b1为节点B接收到测距请求帧的时刻；T为节点B收到请求帧然后组装成新的测距响应帧并发送所经历的时延，即节点B的接收-发送周转时延；T_b2为节点B发送测距应答帧的时刻。根据图1可以得到公式（1）-（4），所以节点A根据节点B传送回的时间戳T_b1和T_b2以及自己测定的时间戳T_a1和T_a2即可计算出从A到B的传播时延TOF。

本发明提出的基于固定时延的测距方法主要涉及两个问题：一个是如何使用固定的周转时延发送测距应答帧，另一个是测距请求节点A、测距应答节点B两节点如何协商固定周转时延T。

1．使用固定的周转时延发送测距应答帧的基本原理

基本原理如图2所示。

1)A节点发送测距请求帧，当发送到PHR的第一个波形时开始计时（T_a1）；

2)B节点接收到PHR的第一个波形时开始计时（T_b1）；

3)B节点接收完毕，处理接收到的帧，并组装成应答帧准备发送，对应的时刻为T_b1’；

4)B节点根据发送速率估计发送到PHR的第一个波形的发送时延（T_send）；

5)B节点延迟（T_delay=T-(T_b1’-T_b1)-T_send）时延；

6)B节点开始发送应答帧的第一个波形，对应的时刻为T_b2’；

7)B节点标记发送到PHR的第一个波形时停止计时，对应的时刻为T_b2；

8)A节点接收到PHR的第一个波形时停止计时，对应的时刻为T_a2。

上述过程的核心问题就是要保证在固定的时间段（T）内发送到PHR的第一个UWB脉冲。此时可以推导出以下对应的关系式，因此在节点B处通过公式（8）计算固定处理时延T，在A节点处通过公式（10）计算传播时延T_t。

T_process=T_b1’-T_b1                （5）

T_delay=T_b2’-T_b1’                （6）

T_send=T_b2-T_b2’                   （7）

T=T_delay+T_process+T_send=T_b2-T_b1   （8）

T_a2-T_a1=2*T_t+T=2*T_t+T             （9）

$T_t=\frac{(T_{a2}-T_{a1})-T}{2}---\left(10\right)$

2.测距请求节点A、测距应答节点B两节点约定固定周转时延T

在以下两种情况下，测距请求节点A、测距应答节点B两节点需要发送Hello帧约定固定周转时延T：

1）在目标节点首次进入到参考基站的通信距离范围内时，将发送一个Hello帧，该帧中就包括目标节点在每次测距发回测距应答帧时的固定周转时延T。

2）B节点在测距过程中如果发现T不合适，例如T太大，造成过多的延迟；或者T太小，无法保证T_b2-T_b1等于T，则应该通过Hello帧通知节点A使用新的固定周转时延。

因为Hello帧很重要，直接影响测距结果的准确性，所以应该使用停-等协议保证Hello帧被正确地接收。其基本原理是节点B发送完Hello帧后，等待节点A返回确认信息，如果收到的是正确的确认信息，则表示发送成功；如果收到的是错误的确认信息或者超时没有收到确认信息，则重新发送刚才的Hello帧，这样可以保证Hello帧的可靠传输。在实际传输中可能会出现冲突、帧出错、帧丢失等以下四种情况，如图3所示。

（1）正常情况

节点A如果收到的Hello帧不出错，则更新节点A本地的T，同时向节点B发一个确认帧ACK，如图3-（a）。

（2）Hello帧出错

如果收到的Hello帧出错，则节点A向节点B发一个否认帧NAK，节点B重传刚才的Hello帧，如图3-（b）所示。

（3）Hello帧丢失

如果节点A收不到节点B发送的Hello帧，此时节点B就收不到节点A的应答，节点B将无限等待，出现死锁现象；同理如果节点A发来的确认帧丢失，也会出现死锁现象，为了解决死锁问题，在节点B设置超时计时器，发送Hello帧后，启动一个超时计时器。如果节点B超时了也没有收到节点A的确认信息，则节点B自动重新发送刚才的Hello帧，如图3-（c）。

（4）确认帧丢失

若丢失的是确认帧，因为节点B超时后会再重新发送Hello帧，则节点A会收到两个相同的Hello帧，在该方法中重复帧不会影响结果，所以每次都使用最新的Hello帧即可。也可以在发送Hello帧时，给每一个Hello帧带上不同的序号，而接收时按序号接收，每发一个新的Hello帧把发送序号加1，若节点A收到发送序号相同的Hello帧，则认为出现重复帧，那么将此重复帧丢弃并向节点B再发一个确认帧，如图3-（d）。

如果在测距过程中节点B发现未能在T时间段发送PHR的第一个UWB脉冲，则节点B需要紧急补充一个时间戳帧，通知节点A进行修正，同时发生Hello帧，保证下次测距时能够在T时间段发送PHR的第一个UWB脉冲。

下面结合图例对一种基于固定周转时延的超宽带无线测距方法进行详细说明。

该发明主要包括以下步骤：

1）在测距请求节点A中，主要包括以下步骤，如图4所示。

（1）等待接收节点B的Hello帧：当节点B刚进入到节点A所在的无线网络中时，节点B发送一个Hello帧，帧中标记固定周转时延T；

（2）判断是否接收到Hello帧：节点A在没有收到Hello帧时，不发送测距请求帧；如果接收到Hello帧则执行步骤（3），否则执行步骤（1）继续等待；

（3）发送一个Hello应答帧：为了确保Hello帧的正确接收，在收到Hello帧时向节点B发送一个Hello应答帧，此处Hello帧的传送使用的是停-等协议；

（4）向目标节点发送测距请求帧；

（5）判断是否超时：发送完测距请求帧后，开始处于等待状态；如果超时则执行步骤（4）重新发送测距请求帧，不超时则执行步骤（6）；

（6）判断是否收到测距应答帧：如果未收到应答帧则执行步骤（5）继续等待，否则执行步骤（7）；

（7）计算距离：收到测距应答帧后，根据目标节点之前约定的固定周转时延T，利用公式（3）计算得到传播时延T_t，T_t再乘以信号传播速度即可得到二者之间的距离；

（8）等待下一个测距周期；

（9）判断是否收到时间戳帧：如果在等待下一个测距周期内收到了一个来自于节点B的时间戳帧，说明固定周转时延T有误差，此时需要对距离进行修正，使用时间戳帧中T_b2和T_b1，利用公式（4）计算得到传播时延T_t；

（10）判断是否收到Hello帧：如果收到一个Hello帧，说明目标节点B在预定的时间T内无法完成测距应答帧的发送，此后所有的测距均使用该Hello帧中的固定周转时延T；

（11）判断是否到达下次测距周期：如果到达了下次测距周期，则执行步骤（4）继续测距，否则执行步骤（8）继续等待；

2）在测距应答节点B中，主要包括以下步骤，如图5所示。

（1）发送Hello帧：只有当节点B刚进入到节点A所在的无线网络中时，节点B才需要发送一个Hello帧，帧中标记固定周转时延T；

（2）判断是否收到Hello帧应答：节点B在没有收到节点A的Hello应答帧时，需要延迟一定的时间，再次执行步骤（1）发送Hello帧，此处使用的是停-等协议，如果接收到Hello帧应答则继续执行步骤（3）；

（3）判断是否收到应答帧：节点B处于接听状态，如果收到应答帧则接收完节点A发送过来的测距请求帧后继续执行步骤（4），否则继续执行步骤（3）；

（4）延迟T_delay时间；

（5）在T时间发送到PHR的第一个脉冲：即在固定周转时延T内发送测距应答帧；

（6）判断T_delay是否合适：即判断T＝T_b2-T_b1是否成立，如果不成立说明延迟T_delay时间不准确，需要继续执行步骤（7），否则执行步骤（3）等待下次测距；

（7）发送时间戳帧：通过紧急发送一个时间戳帧，通知节点A不能使用双方原来约定的T，应该使用时间戳帧中的T_b2，T_b1，即节点A用公式（4）计算T_t；

（8）判断固定时延T是否需要调整：如果在T_delay=0的情况下T_b2-T_b1仍然大于T，说明选择的T不合适，应该适当调整T的值，执行步骤（9），否则执行步骤（3）等待下次测距；

（9）Hello帧：增加T的值，同时将T的值通过Hello帧发送给节点A；

（10）判断是否收到Hello帧应答：Hello帧仍然是通过停-等协议进行传输，即需要节点A予以应答，如果未收到应答，则执行步骤（9）重新发送，否则执行步骤（3）等待下次测距。

通过以上方法，可以在不增加系统硬件复杂度的前提下，通过固定周转时延的方法可以减少测距双方的数据通信量，同时为了提高Hello帧的可靠性提出了在初次测距以及在测距过程中当周转时延发生严重漂移的情况下发送基于停-等协议的Hello帧。

Claims (1)

1.一种基于固定周转时延的超宽带无线测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在测距请求节点A中

(1)等待接收节点B的Hello帧：当节点B刚进入到节点A所在的无线网络中时，节点B发送一个Hello帧，帧中标记固定周转时延T；

(2)判断是否接收到Hello帧：节点A在没有收到Hello帧时，不发送测距请求帧；如果接收到Hello帧则执行步骤(3)，否则执行步骤(1)继续等待；

(3)发送一个Hello应答帧；

(4)向目标节点发送测距请求帧；

(5)判断是否超时：如果超时则执行步骤(4)重新发送测距请求帧，不超时则执行步骤(6)；

(6)判断是否收到测距应答帧：如果未收到应答帧则执行步骤(5)继续等待，否则执行步骤(7)；

(7)计算距离：利用公式(1)计算得到传播时延T_t，T_t再乘以信号传播速度即可得到二者之间的距离；

$T_t=\frac{(T_{a2}-T_{a1})-T}{2}$    (1)

其中，T_a1为节点A发送测距请求帧的时刻，当测距请求帧开始发送PHR的第一个脉冲时开始计时，生成T_a1；

T_a2为节点A接收到来自于节点B的测距应答帧的时刻，当收到从B返回来的测距应答帧的PHR的第一个UWB脉冲时停止计时，生成T_a2；

(8)等待下一个测距周期；

(9)判断是否收到时间戳帧：如果在等待下一个测距周期内收到了一个来自于节点B的时间戳帧，则使用时间戳帧中T_b2和T_b1利用公式(2)计算得到传播时延T_t；

$T_t=\frac{(T_{a2}-T_{a1})-(T_{b2}-T_{b1})}{2}$    (2)

其中，T_b1为节点B接收到测距请求帧的时刻，接收到来自于A的测距请求帧的PHR的第一个UWB脉冲时开始计时，生成T_b1；

T_b2为节点B发送测距应答帧的时刻，当发送完测距应答帧的PHR的第一个UWB脉冲时停止计时；

(10)判断是否收到Hello帧：如果收到一个Hello帧，此后所有的测距均使用该Hello帧中的固定周转时延T；

(11)判断是否到达下次测距周期：如果到达了下次测距周期，则执行步骤(4)继续测距，否则执行步骤(8)继续等待；

2)在测距应答节点B中

(1)发送Hello帧：只有当节点B刚进入到节点A所在的无线网络中时，节点B才需要发送一个Hello帧，帧中标记固定周转时延T；

(2)判断是否收到Hello帧应答：节点B在没有收到节点A的Hello应答帧时，需要延迟一定的时间，再次执行步骤(1)发送Hello帧，如果接收到Hello帧应答则继续执行步骤(3)；

(3)判断是否收到应答帧：如果收到应答帧则接收完节点A发送过来的测距请求帧后继续执行步骤(4)，否则继续执行步骤(3)；

(4)延迟T_delay时间；

(5)在T时间发送到PHR的第一个脉冲；

(6)判断T_delay是否合适：如果不合适执行步骤(7)，否则执行步骤(3)；

(7)发送时间戳帧：通过紧急发送一个时间戳帧，通知节点A不能使用双方原来约定的T，应该使用时间戳帧中的T_b2，T_b1，即节点A用公式(2)计算T_t；

(8)判断固定时延T是否需要调整：如果在T_delay＝0的情况下T_b2-T_b1仍然大于T，则执行步骤(9)，否则执行步骤(3)；

(9)Hello帧：增加T的值，同时将T的值通过Hello帧发送给节点A；

(10)判断是否收到Hello帧应答：如果未收到应答，则执行步骤(9)重新发送，否则执行步骤(3)等待下次测距。