CN106796289A

CN106796289A - 超宽带通信系统中的非对称双边双向测距

Info

Publication number: CN106796289A
Application number: CN201680002164.5A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·麦克劳林; 比利·韦尔索
Original assignee: Decawave Ltd
Current assignee: De Kawi Co ltd
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: EP3158359B1; EP3158359A1; WO2016180952A1; KR102225144B1; US10488509B2; CN106796289B; KR20180004092A; US20180059235A1

Abstract

在包括一对超宽带(“UWB”)收发机的UWB通信系统中，异步双向测距方法可以当在收发机之间交换了仅3个消息之后接近地估计收发机之间的飞行时间。在备选的异步双向测距方法中，可以当在收发机之间交换仅4个消息之后接近地估计收发机之间的飞行时间。

Description

超宽带通信系统中的非对称双边双向测距

相关申请的交叉引用

本申请涉及于2015年5月12日提交的临时申请No.62/160,469(“临时申请母案”)。本申请要求享有临时申请母案的优先权，并且因此根据37CFR§1.78(a)(4)要求其申请日的权益。临时申请母案的主题的全部内容通过引用明确地并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及无线通信系统，并且具体地，涉及适于执行非对称双边双向测距的无线通信系统。

背景技术

在下面的描述中，一般来讲，将会用斜体来表示超宽带(“UWB”)通信系统领域的技术人员应当熟悉的每个特殊术语的第一次出现。此外，当首次引入被认为是新的术语或者将在被认为是新的上下文中使用的术语时，将加粗这个术语并提供打算应用于该术语的定义。此外，在整个说明书中，当提及将信号、信号标志、状态位或类似机构分别呈现(render)为其逻辑真或逻辑假状态时，有时将分别使用术语断言(assert)和否定(negate)，并且使用术语切换(toggle)来指示信号从一个逻辑状态到另一个逻辑状态的逻辑反转。备选地，可以将互斥的布尔状态称为logic_0和logic_1。当然，众所周知，可以通过使所有这样的信号的逻辑意义反向使得本文描述为逻辑真的信号变为逻辑假(反之亦然)来获得一致的系统操作。此外，在这种系统中选择哪些特定电压电平来表示每个逻辑状态是没有关系的。

举例说明，在超宽带(“UWB”)通信系统中，由UWB发射机执行一系列特殊处理步骤，以准备用于经由基于分组的UWB信道进行传输的有效载荷数据。在接收时，由UWB接收机执行相应的一系列反向步骤以恢复数据有效载荷。两个系列的处理步骤的细节在IEEE标准802.15.4(“802.15.4”)和802.15.4a(“802.15.4a”)中充分描述，并且其全部内容通过引用明确并入本文。众所周知，这些标准描述了系统的发射部分和接收部分的所需功能，但是仅指定系统的发射部分的实现细节，而让实现者选择如何实现接收部分。

已经提出了在UWB通信系统中使用的某些改进，这些改进在以下未决申请或发布的专利中充分描述，所有这些申请或专利的全部内容明确地并入本文：

2009年12月22日发布的US 7,636,397，题为"A Method and Apparatus forTransmitting and Receiving Convolutionally Coded Data"；

2010年7月31日发布的US 7,787,544，题为"A Method and Apparatus forGenerating Codewords"；

2013年1月22日发布的US 8,358,709，题为"A Method and Apparatus forTransmitting and Receiving Convolutionally Coded Data"；以及

2013年5月7日发布的US 8,437,432，题为"Receiver for Use in an Ultra-Wideband Communication System"；

2014年3月18日发布的US 8,677,224，题为"Convolution Code for Use in aCommunication System"；

2013年5月7日发布的US 8,436,758，题为"Adaptive Ternary A/D Converterfor Use in an Ultra-Wideband Communication System"；以及

2014年6月24日发布的US 8,760,334，题为"Receiver for Use in an Ultra-Wideband Communication System"。

在现有的无线通信系统中，一种用于测量从设备A到设备B的距离的已知方法是测量电磁信号(例如一组无线电脉冲)的往返时间以获得飞行时间T_f。然后，可以将该时间T_f乘以无线电波的速度(即，光速)，以得到从A到B的距离。

例如，在图2中，A将分组P1发送到B。B接收该信号，并且在短时间D_b之后，它将分组P2发送回到A。分组P2在发送分组P1之后的时间R_a到达A。所以，得到以下关系：

[式1]R_a＝2T_f+D_b

因此：

[式2]

实际上，在A和B中，时间分别由真实时钟(时钟A和时钟B)测量。因为可能不能使这些时钟彼此同步，所以它们将比理想时钟更快或更慢地运行。但是如果它们与参考频率发生器同步，则它们将在信号交换的持续时间内以假设为恒定频率的频率运行。假定时钟A和时钟B分别以理想的真实时钟的频率的k_a和k_b倍运行。任何时间测量将乘以这些常数k_a或k_b。将R_a的实际时间估计表示为将D_a的实际时间估计表示为并且类似地，和是R_b和D_b的估计。由于是在A处由A的时钟测量的，因此：

[式3a]

类似地：

[式3b]

[式3c]

[式3d]

可以将这些估计用于式2中的R_a等，以得到T_f的估计然而，如果k_a或k_b的值未知，则不能计算R_a等。但是，如果使用等作为R_a、D_a等的估计：

[式4a]

[式4b]

那么引入测量误差。例如，如果将视为T_f的估计：

[式5]

则该估计的误差为：

[式6]

对于典型的UWB系统，例如，基于IEEE 802.15.4a UWB物理层的那些系统，(k_a-1)和(k_b-1)高达20ppm，即20x10^-6，并且使误差保持在100ps(1x10^-10)以下是重要的，这意味着延迟(例如，)必须保持在约5μs以下。延迟包括发送分组的时间，其通常>100μs，因此实现这样的短延迟是不实际的。

Fleming等人(US 6,400,754)和后来的Menzer等人(US 7,843,379)已经提出了对此的改进。在这些方案中，对于总共4个发送的消息，执行第二往返消息收发回合。从B发送的分组P2不仅确认P1的到达，并且其到达A还在由A发送第三分组P3之前在A中发起延迟在B处接收该第三分组，并且在B处测量该第二往返的时间。在这两种方案中，建议使延迟时间和对称，即使它们相等或几乎相等。Menzer指出，如果这样做，并且如果针对两个往返中的每一个计算两个估计，并且如果两个估计被平均，则误差几乎彼此抵消，并且可以使整体误差小到可以接受。通过使用该现有方法，两个估计的平均值的误差是：

[式7a]

[式7b]

尽管这当然地成立，但要求响应延迟总是对称的(即大致相等)对系统是不合理的负担。

需要用于在无线通信系统的接收机中使用的用来确定测距的改进的方法和装置。特别地，我们认为这种方法和装置应该提供一般与最佳现有技术相当的性能，但允许在不显着降低准确度的情况下使用不对称延迟。

发明内容

根据本发明的优选实施例，提供了一种非对称双边双向测距方法，该方法使用3个消息P₁、P₂和P₃来完成具有第一时钟C_a的第一设备A与具有第二时钟C_b的第二设备B之间的一对往返延迟测量。根据本方法，在A中，在关于C_a的所选择的时间点T₀发送P₁；然后在B中，在未知飞行时间T_f之后，在关于C_b的时间T₁接收P₁；以及在第一传输延迟之后，在关于C_b的时间T₂发送P₂。此外，在A中，在相对于T₀的第一响应延迟之后，在关于C_a的时间T₃接收P₂；以及在第二传输延迟之后，在关于C_a的时间T₄发送P₃；以及然后在B中，在相对于T₂的第二响应延迟之后，在关于C_b的时间T₅接收P₃；以及根据从以下各项中选择的一项来得到T_f的估计

以及

根据本发明的另一实施例，通过在B中得到作为的函数的对A与B之间的距离的估计来增强本方法。

本发明的方法可以以计算机可读代码具体实现在适合的计算机可读介质上，使得当处理器执行计算机可读代码时，处理器执行相应方法。

附图说明

通过结合附图对某些优选实施例的描述，可以更充分地理解本发明，其中：

图1以框图形式示出了适用于在UWB通信系统中使用的接收机的一个实施例；

图2以时间流程图的形式示出了根据本发明的适于确定测距的方法的一个实施例；以及

图3以时间流程图的形式示出了根据本发明的适于确定测距的方法的另一个实施例。

在附图中，类似的元件将尽可能类似地编号。然而，这种实践仅仅是为了便于参考并且避免数字的不必要的增加，而不旨在暗示或提议本发明在几个实施例中需要功能或结构的同一性。

具体实施方式

需要回想的是，不知道实际延迟时间D_a和D_b或往返时间R_a和R_b。得到的所有结果都是估计，已知这些估计的误差远远大于试图估计的飞行时间的量。事实上，在无法使用完美时钟的情况下，这些估计的误差量是不可能知道的。

根据式3b可知：

[式8a]

并且类似地，根据式3d得到：

[式8b]

然后，根据式8b和式1得到：

[式9a]

并且类似地：

[式9b]

然后，根据式9a和式3a得到：

[式10a]

类似地，根据式9b和式3c得到：

[式10b]

在上面的式10a和式10b中，已经经过了时间段和其中可以使用A和B的各自的本地时钟来测量这些时间段。但是没有测量k_a或k_b的方便方法；并且这些时钟偏移误差使T_f的值淹没(swamp)。然而，已经发现，如果将乘以则乘积的值的大部分将是和的乘积。因此，对于乘积中的该项，k_a和k_b常数有效地彼此抵消。以下示出这导致什么情况：

根据式10a和式10b得到：

[式11]

[式12]

[式13]

然后，根据式10a和式13得到：

[式14]

在左侧，提取2T_f并且上下都乘以k_b：

[式15]

因此，最终得到：

[式16a]

类似地：

[式16b]

因此，针对T_f具有两个可能的估计。因为k_a和k_b非常接近于1，即0.99998<k_a,k_b<1.00002，因此可以将T_f估计如下：

[式17a]

[式17b]

注意，这些估计非常接近实际T_f，这是因为k_a和k_b非常接近1，并且特别地，它们的准确度独立于在A和B处采用的延迟。

系统是否应当最佳地使用式17a或式17b将取决于其预期哪一个时钟更准确。例如，如果系统包括上述担任角色B的具有高准确度时钟的设备以及上述担任角色A的具有低准确度时钟的标签，则其应该使用式17a。如果它预期任何一个都不比另一个更准确，并且它也不能容易地计算其中任何一个的准确度，则使用来自式17a和式17b的平均结果将是最准确的，这是因为这将总是与两者中较差的一样好或者更好。通过使用延迟和时钟偏移的典型值的实验发现，该平均值可以通过下式来近似：

[式18]

注意，的值接近于的值，这是因为占据了该特定往返测量的大部分时间。这意味着在式17a、式17b以及式18的分母中，可以替代使用，或者可以替代使用，而不会大大降低准确度。类似地，可以替代使用，并且可以替代使用，这导致例如：

[式19]

受益于灵活响应延迟的系统

举例说明，假设一个设备向多个(例如5个)标签发送分组P1。然后，每个标签在连续响应中使用分组向该设备进行响应：标签1在时间t之后使用分组2a进行响应；标签2在时间2t之后使用分组2b进行响应；标签3在时间3t之后使用分组2c进行响应；标签4在时间4t之后使用分组2d进行响应；并且标签5在时间5t之后使用分组2e进行响应。现在，设备使用最终分组3结束这一回合。现在，每个标签可以在仅仅七个消息的序列之后计算其与设备的距离。如果设备已经使用了SDS-TWR，则它将被迫针对每个标签交互具有相同的延迟，并且针对每个标签将需要最少3个消息，或者将需要15个消息。根据本发明，所需的分组的数量是N+2而不是3N。通过这样允许非对称延迟，本发明导致飞行时间和功耗的显着减少。

现在考虑具有移动标签(例如在资产上)的系统，该移动标签发送分组P1，分组P1由基础设施中的许多固定设备接收，所述固定设备中的3个依次使用分组P2a、P2b、P2c进行回复，之后标签发送P3，P3由所有3个设备接收。然后，通过使用本发明，3个设备中的每一个独立地计算其到标签的距离。然后，这3个距离可以在基于基础设施的解算器(solver)中组合，以通过三角测量来定位标签。这允许在发送2个消息和接收3个消息之后定位标签/资产。如果如在现有技术中那样，需要对称定时，则该过程将需要最少6次发送和3次接收来完成。

在具有N个移动节点的对等网络的情况下(其中每个节点想要找到它到每个其它对等节点的距离作为求解它们的相对位置的一部分)，则这是1/2N(N-1)个距离测量。例如，对于5节点系统，这包括10个不同的距离测量。通过利用现有的对称双边测距，这针对每个距离测量需要3个消息。在一些情况下，还可能需要发送附加消息以传送结果，其可以是针对每个距离测量1个消息或针对每个节点仅1个包含该节点计算的所有结果的消息。从而，这在5节点示例情况下总共是35到40个消息。通过使用我们的不对称测距方案，如图2所示，可以针对每个节点仅使用两个传输(即，在5节点示例的情况下10个消息)来组合并完成测距交换。这是按如下方式实现的：

将测距交换的3个消息定义为：轮询P，由发起方发送；响应R；和最终消息F，其完成两次往返。此外，进一步定义作为飞行时间报告消息T传送的结果。如果将这些消息枚举为P、R、F和T，其中下标指示源节点地址和目的地节点地址，并且从1至5对节点进行编号，则可以用表1中列出的10个消息实现针对5个节点的10个测距交换：

表1-示例5节点对等优化测距解决方案

可以看出，这是对消息流量的大大节省(节省了电池功率和飞行时间)。然而，测距交换是高度不对称的：在上面的表1的示例中，节点1和节点5之间的测距交换以消息#1处来自节点1的轮询开始、然后来自节点5的响应在消息#5处，并且来自节点1的最终消息是消息#6。如果这些消息时间以大约200μs为单位，则这两个往返具有大约800μs对200μs的定时，是不对称的。从而，仅当通信的非对称性质不导致大的测距误差时，该方案才良好工作。然而，幸运的是，在许多其他的示例中，灵活的响应延迟都是优点。

可能的测距方案

如上所述，图2示出了使用3个消息来完成一对往返延迟测量的双向测距交换。在该方案中，第一设备A在所选择的时间点发送第一消息P₁(步骤10)。在未知的飞行时间T_f之后，第二设备B接收P₁(步骤12)。在第一延迟(作为B的特性)之后，B发送第二消息P₂(步骤14)。在T_f之后，A接收P₂(步骤16)。在第二延迟(作为A的特性)之后，A发送第三消息P₃(步骤18)。最后，在T_f之后，B接收P₃(步骤20)。通过使用式17a和式17b或者仅使用式18，现在可以计算T_f的合理接近的估计。

如图3所示，也可以使用4个消息以包括两对往返测量来执行我们的非对称测距方法，其中每对往返测量在时间上以某一相对小的但是除此之外任意的间隔分开。根据该替代方案，第一往返测量包括第一消息P₁(步骤22和24)和第一响应P₂(步骤26和28)，并且稍后的第二往返测量还包括第二消息P₃(步骤30和32)和第二响应P₄(步骤34和36)，但是第二消息P₃和第二响应P₄是在与第一往返测量的第一消息和第一响应相反的方向发送的。此外，通过使用式17a和式17b或者仅使用式18，现在可以计算T_f的合理接近的估计。

因此，显而易见，已经提供了用于在无线通信系统的接收机中使用以确定测距的改进的方法和装置。尽管迄今为止仅在基于分组的UWB通信系统的上下文中公开了本发明，但是应当理解，本发明广泛地适用于使用响应时间戳执行测距的其他类型的无线通信系统，无论是基于分组还是其他的。此外，我们认为，本发明提供了与最佳现有技术相当的性能，但比这种现有技术的已知实现更有效。

Claims

1.一种非对称双边双向测距方法，该方法使用3个消息P₁、P₂和P₃来完成具有第一时钟C_a的第一设备A与具有第二时钟C_b的第二设备B之间的一对往返延迟测量，所述方法包括以下步骤：

[1.1]在A中，在关于C_a的所选择的时间点T₀处发送P₁；

[1.2]在B中：

[1.2.1]在未知飞行时间T_f之后，在关于C_b的时间T₁处接收P₁；以及

[1.2.2]在第一传输延迟之后，在关于C_b的时间T₂处发送P₂；

[1.3]在A中：

[1.3.1]在相对于T₀的第一响应延迟之后，在关于C_a的时间T₃处接收P₂；以及

[1.3.2]在第二传输延迟之后，在关于C_a的时间T₄处发送P₃；以及

[1.4]在B中：

[1.4.1]在相对于T₂的第二响应延迟之后，在关于C_b的时间T₅处接收P₃；以及

[1.4.2]根据从以下各项中选择的一项来得到T_f的估计

[1.4.2.1] - - - {\tilde{T}}_{f a} = \frac{1}{2} \frac{{\hat{R}}_{a} {\hat{R}}_{b} - {\hat{D}}_{a} {\hat{D}}_{b}}{{\hat{R}}_{a} + {\hat{D}}_{a}};

以及

[1.4.2.3] - - - {\tilde{T}}_{f a b} = \frac{{\hat{R}}_{a} {\hat{R}}_{b} - {\hat{D}}_{a} {\hat{D}}_{b}}{{\hat{R}}_{a} + {\hat{D}}_{a} + {\hat{R}}_{b} + {\hat{D}}_{b}} .

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

[1.4.3]得到作为的函数的对A与B之间的距离的估计。

3.一种非对称双边双向测距方法，该方法使用4个消息P₁、P₂、P₃和P₄来完成具有第一时钟C_a的第一设备A与具有第二时钟C_b的第二设备B之间的一对往返延迟测量，所述方法包括以下步骤：

[3.1]在A中，在关于C_a的所选择的时间点T₀处发送P₁；

[3.2]在B中：

[3.2.1]在未知飞行时间T_f之后，在关于C_b的时间T₁处接收P₁；以及

[3.2.2]在第一传输延迟之后，在关于C_b的时间T₂处发送P₂；

[3.3]在A中：

[3.3.1]在相对于T₀的第一响应延迟之后，在关于C_a的时间T₃处接收P₂；

[3.4]在B中，在关于C_b的所选择的时间点T₄处发送P₃；

[3.5]在A中：

[3.5.1]在未知的飞行时间T_f之后，在关于C_a的时间T₅处接收P₃；以及

[3.5.2]在第二传输延迟之后，在关于C_a的时间T₆处发送P₄；以及

[3.6]在B中：

[3.6.1]在相对于T₄的第二响应延迟之后，在关于C_b的时间T₇处接收P₄；以及

[3.6.2]根据从以下各项中选择的一项来得到T_f的估计

[3.6.2.1] - - - {\tilde{T}}_{f a} = \frac{1}{2} \frac{{\hat{R}}_{a} {\hat{R}}_{b} - {\hat{D}}_{a} {\hat{D}}_{b}}{{\hat{R}}_{a} + {\hat{D}}_{a}};

以及

[3.6.2.3] - - - {\tilde{T}}_{f a b} = \frac{{\hat{R}}_{a} {\hat{R}}_{b} - {\hat{D}}_{a} {\hat{D}}_{b}}{{\hat{R}}_{a} + {\hat{D}}_{a} + {\hat{R}}_{b} + {\hat{D}}_{b}} .

4.根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：

[3.6.3]得到作为的函数的对A与B之间的距离的估计。

5.一种非对称双向测距电路，被配置为执行根据前述任一权利要求所述的方法。

6.一种无线接收机，包括根据权利要求5所述的非对称双向测距电路。

7.一种无线收发机，包括根据权利要求6所述的无线接收机。

8.一种无线通信系统，包括根据权利要求7所述的无线收发机。

9.一种非瞬时性计算机可读介质，包括可执行指令，所述可执行指令当在处理系统中执行时使所述处理系统执行根据权利要求1-4中任一项所述的方法的步骤。