CN111182471B - 安全的组播/广播测距 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及安全的组播/广播测距。本文公开了由第一设备执行的方法。该方法包括将第一测距轮询发送到多个第二设备；从所述第二设备的至少第一子集中的每个第二设备接收轮询响应消息；确定所接收到的轮询响应消息中的每个轮询响应消息的传播延迟；以及基于至少所述相应传播延迟来确定到所述第二设备的所述第一子集中的每个第二设备的距离。该方法还包括从第二设备接收测距轮询，其中所述测距轮询为组播发送或广播发送中的一者；基于所述第一设备的至少一种能力来确定要发送到所述第二设备的响应的类型；以及将所确定的类型的响应发送到所述第二设备。

Description

安全的组播/广播测距
背景技术
IEEE 802.15.4标准指定用于操作低速率WPAN(LR-WPAN)的物理层(PHY)和介质访问控制(MAC)层。这些类型的网络通常被称为超宽带(UWB)网络。UWB网络可以各种布置方式来连接无线电子设备。在一个示例中，UWB网络可包括主要设备和一个或多个辅助设备。UWB网络的设备可相对于连接到UWB网络的其他设备执行各种功能。
发明内容
示例性实施方案包括由第一设备执行的方法。该方法包括从第二设备接收测距轮询，其中所述测距轮询为组播发送或广播发送中的一者；基于所述第一设备的至少一种能力来确定要发送到所述第二设备的响应的类型；以及将所确定的类型的响应发送到所述第二设备。
另一示例性实施方案包括具有收发器和处理器的设备。所述收发器被配置为将第一测距轮询发送到多个第二设备并从所述第二设备的至少第一子集接收轮询响应消息。所述处理器被配置为确定所接收到的轮询响应消息中的每个轮询响应消息的传播延迟，并基于至少所述相应传播延迟来确定到所述第二设备的所述第一子集中的每个第二设备的距离。
另一示例性实施方案包括由第一设备执行的方法。该方法包括从第二设备接收测距轮询，其中所述测距轮询为组播发送或广播发送中的一者；基于所述第一设备的至少一种能力来确定要发送到所述第二设备的响应的类型；以及将所确定的类型的响应发送到所述第二设备。
附图说明
图1示出了根据各种示例性实施方案的示例性网络布置。
图2示出了根据各种示例性实施方案的示例性无线设备。
图3示出了根据各种示例性实施方案的用于广播测距操作的第一示例性时序图。
图4示出了根据各种示例性实施方案的用于组播测距操作的第二示例性时序图。
图5示出了根据各种示例性实施方案的示例性MAC信息元素(IE)。
具体实施方式
参考以下描述及相关附图可进一步理解示例性实施方案，其中类似的元件具有相同的附图标号。该示例性实施方案涉及用于在UWB网络中执行安全的广播或组播测距过程的系统和方法。对于无线个人局域网(WPAN)中的主要设备，可能期望确定到一个或多个辅助设备的距离。该示例性实施方案描述了测距过程，该测距过程允许主要设备避免针对每个辅助设备的单独的测距过程，从而减少了在测距操作期间在UWB网络中交换的数据包的数量。
相对于可根据IEEE 802.15.4标准工作的设备描述了示例性实施方案。然而，应当理解，测距操作的示例性实施方案可由使用任何UWB协议的设备使用。此外，术语″无线个人局域网(WPAN)″和″超宽带(UWB)网络″在整个说明书中可互换使用，并且本领域的技术人员将理解此类网络的一般特征。
图1示出了根据各种示例性实施方案的示例性网络布置100。示例性网络布置100包括主要设备105和多个辅助设备110-130。主要设备105和辅助设备110-130可以是被配置为在UWB网络内工作的任何类型的电子部件，例如，移动电话、平板电脑、智能电话、平板手机、嵌入式设备、可穿戴设备、Cat-M设备、Cat-M1设备、MTC设备、eMTC设备、其他类型的物联网(IoT)设备、接入点等。应当理解实际的网络布置可包括任何数量的辅助设备。仅出于说明目的提供五个辅助设备110-130的示例。还应当理解，设备105-130中的任一个设备可被指定为主要设备，并且类似地，设备105-130中的任一个设备可被指定为用于特定测距操作的辅助设备。即，发起测距操作的设备可被指定为主要设备。
主要设备105和辅助设备110-130可被配置为通过UWB网络进行通信。然而，应当理解，主要设备105和辅助设备110-130还可以与其他类型的无线网络(蜂窝或非蜂窝)通信，并且还可以使用有线连接进行通信。关于示例性实施方案，主要设备105和辅助设备110-130可通过UWB网络进行通信(除其他功能外)以发送或接收数据。
图2示出了根据各种示例性实施方案的示例性无线设备105。应当理解，图2的示例性无线设备105还可表示网络布置100的其他无线设备110-130中的任一个无线设备。无线设备105可包括处理器205、存储器布置210、显示设备215、输入/输出(I/O)220、收发器225及其他部件230。其他部件230可包括例如天线、音频输入设备、音频输出设备、电池、数据采集设备、用于电连接到其他电子设备的端口等。
处理器205可被配置为执行设备105的多个应用程序。在一个示例性实施方案中，应用程序可包括测距应用程序235，如将在下文更详细地描述的。被表示为由处理器205执行的应用程序(例如，程序)的无线设备105的所述功能仅是示例性的。还可将与应用程序相关联的功能实现为无线设备105的独立结合部件，或者可以是耦接到无线设备105的模块化部件，例如，具有或不具有固件的集成电路。此外，在一些无线设备中，将针对处理器205描述的功能在两个处理器(基带处理器和应用处理器)之间拆分。可以按照无线设备的这些或其他配置中的任何配置来实现示例性实施方案。
收发器225可以是被配置为发送和/或接收数据的硬件部件。例如，收发器225可基于网络的协议和工作频率直接或间接通过一个或多个网络来实现与其他电子设备的通信。收发器225可工作在各种不同频率或信道(例如，一组连续频率)上。因此，与收发器225耦接的一个或多个天线(未示出)可使收发器225能够经由UWB网络与其他无线设备(例如，无线设备110-130)通信。
示例性实施方案描述了主要设备105使用测距操作来确定到多个辅助设备110-130中的每个辅助设备的距离和/或位置。在这整个说明书中，术语“距离”将用于指设备之间的距离和/或辅助设备110-130相对于主要设备105的位置或在特定空间内的绝对位置。描述了三种示例性测距模式。单节点测距模式用于确定到单个辅助设备(例如，辅助设备110)的距离。当辅助设备110-130的数量和标识对于主要设备105是已知的时候，组播测距模式用于确定到多个辅助设备(例如，辅助设备110-130)的距离。例如，在网络布置100中，辅助设备的数量为五个。辅助设备110-130的标识可通过多种方式(例如，先前数据交换、先前测距操作等)让主要设备105知道。当辅助设备的数量和每个辅助设备的标识不为主要设备105所知时，广播测距模式用于确定到多个辅助设备(例如，辅助设备110-130)的距离。然而，即使当辅助设备110-130的标识不为主要设备105所知时，设备105-130也可共享可用于接收站间消息的公用密钥。例如，可经由上层协议通过UWB网络或边带信道共享密钥。
测距应用程序235可实现这些测距模式中的一种或多种。在以下描述中，将详细描述示例性组播测距模式和广播测距模式的操作。不会描述单节点测距模式操作，因为该模式将根据常规测距操作来进行操作。
图3示出了根据各种示例性实施方案的用于广播测距操作300的第一示例性时序图。将参考图1的网络布置100来描述广播测距操作300。如图3所示，示出了一个示例性测距轮次350。如将在下文更详细地描述的，可执行多轮测距操作。
在测距轮次350中，主要设备105可发送包括用于辅助设备110-130的测距配置信息的预轮询消息305。不需要在每个测距轮次中发送预轮询消息305。例如，测距轮次350可以是后续测距轮次，并且包括配置信息的先前预轮询消息可能已经由主要设备105发送并且由辅助设备110-130接收。因此，不需要多次发送相同的配置信息。在一个示例中，测距配置信息可保持有效，直到发送下一个预轮询消息。在另一个示例中，配置信息可被包括在(下文所述的)测距轮询210中。在又一个示例中，配置信息可被包括经由UWB网络或另一网络/协议在无线设备105-130之间交换的其他消息中。在任何情况下，经由UWB网络连接的辅助设备110-130将接收测距配置信息。
然后主要设备105可经由UWB网络将第一测距轮询310广播到辅助设备110-130。第一测距轮询310可包括允许辅助设备110-130对该轮询作出响应的各种信息。第一测距轮询310的该信息可被包括在MAC信息元素(IE)500中，如将结合图5更详细地描述的。
辅助设备110-130可通过将轮询响应消息315a-315c发送到主要设备105来争用可用的轮询响应时隙并对第一测距轮询310作出响应。轮询响应时隙被表示为R1、R2...RN，其中N为可用时隙的数量。如将在下文描述的，可用时隙的数量N可由主要设备105配置。
在主要设备105接收到轮询响应消息315a-315c之后，可认为测距轮次350完成。例如，主要设备105可能已在轮询响应消息315a-315c中接收到足够的信息以确定到辅助设备110-130的距离。然而，也可使用相同测距轮次350的第二测距轮询320。例如，如果使用了具有时钟漂移消除的精确测距，则可使用第二测距轮询320和(下文所述的)对应的响应。在另一个示例中，当轮询响应消息315a-315c中未包括时间戳时，主要设备105可能无法得出跨某一距离发送消息所固有的传播延迟。例如，如果已知对于由辅助设备110-130中的一个发送轮询响应消息的精确定时和对于主要设备105接收轮询响应消息的精确定时，则主要设备105可得出这些设备之间的距离。因此，当辅助设备110-130中的任一个无法将时间戳包括在轮询响应消息315a-315c中时，可使用第二测距轮询320。
当使用第二测距轮询320时，主要设备105经由UWB网络将第二测距轮询320广播到辅助设备110-130。第二测距轮询320可基本上类似于第一测距轮询310，其中对MAC IE 400进行适当修改以指示预期响应为时间戳响应。
然后，辅助设备110-130可通过将时间戳响应消息325a-325c发送到主要设备105来争用可用的时间戳报告时隙并对第二测距轮询320作出响应。另选地，辅助设备110-130可占据与用于发送轮询响应消息315a-315c的时隙相同的时隙。应当理解，该相同时隙是指在相应的轮询之后的相同时隙。例如，如果在测距轮询310之后，辅助设备110在时隙R1中发送了轮询响应消息315a，则辅助设备110将在时隙T1中发送时间戳响应消息325a。定时响应时隙被指示为T1、T2...TN，其中N为可用时隙的数量。时间戳响应消息325a-c可各自包括时间戳。主要设备105可使用相应的时间戳来得出主要设备105和所述多个辅助设备110-130中的每个辅助设备之间的距离。
主要设备105还可将包括时间戳的消息330发送到辅助设备110-130。主要设备105可报告其时间戳以允许辅助设备110-130独立地得出设备之间的距离。因此，在发送了消息330之后，测距轮次350完成。
图4示出了根据各种示例性实施方案的用于组播测距操作400的第二示例性时序图。将参考图1的网络布置100来描述组播测距操作400。同样，图4的时序图将示出单个测距轮次450，但多轮也是可能的。
主要设备105可经由UWB网络将携带测距配置信息的预轮询消息405发送到辅助设备110-130。预轮询消息405的发送可基本上类似于预轮询消息305的发送。
主要设备105可将第一测距轮询410组播到辅助设备110-130。第一测距轮询310可基本上类似于第一测距轮询310，其中进行适当的字段调节以指示组播测距，如将结合图5更详细地描述的。
辅助设备110-130可被调度为在轮询响应时隙中发送轮询响应消息415a-415c。轮询响应时隙被表示为R1、R2...RN，其中N为可用时隙的数量。每个辅助设备110-130的轮询响应时隙可由主要设备105调度，因为辅助设备的数量和标识对于主要设备105是已知的。然而，在另一个示例性实施方案中，如果主要设备105未提供调度，则辅助设备110-130可争用轮询响应时隙。
类似于结合图3所述的广播测距操作300，可以认为轮询响应消息415a-415c的接收是完成了测距轮次450。然而，出于如上所述的基本上类似的原因，也可使用第二测距轮询420。
主要设备105可经由UWB网络将第二测距轮询420组播到辅助设备110-130。第二测距轮询420可基本上类似于第一测距轮询410，其中对MAC IE 400进行适当修改以指示预期响应为时间戳响应。
辅助设备110-130可被调度为通过主要设备105在时间戳报告时隙中发送时间戳响应消息425a-425c。对于给定的辅助设备，时间戳报告时隙可以与轮询响应时隙相同，也可以不同。时间戳报告时隙被指示为T1、T2…TN，其中N为可用时隙的数量。时间戳响应消息425a-c各自包括时间戳。主要设备105可使用相应的时间戳来得出主要设备105和所述多个辅助设备110-130中的每个辅助设备之间的距离。
主要设备105还可将包括时间戳的消息430发送到辅助设备110-130。主要设备105可报告其时间戳以允许辅助设备110-130独立地得出设备之间的距离。因此，在发送了消息430之后，测距轮次450完成。
如上所述，图3和图4分别示出了单个测距轮次350、450。可根据需要重复测距轮次。例如，在第一测距轮次之后可存在第二测距轮次和第三测距轮次。测距轮次不需要是连续的，例如，测距轮次之间可能存在时间间隙。可在MAC IE 500中指示该时间间隙。关于组播测距操作400，发送轮询响应消息415a-415c的方式(例如，基于调度或基于争用的)可在每一轮之间变化。
在又一个示例性实施方案中，初始轮询消息可包括两个轮询消息，其中轮询消息P1可由辅助设备110-130的第一子集使用，轮询消息P2可由第二子集(例如，辅助设备110-130的其余部分)使用。可基于辅助设备在轮询响应消息中发送时间戳的能力来确定第一子集和第二子集。如上所述，主要设备105和辅助设备110-130可交换关于测距能力的信息。例如，如果辅助设备具有在轮询响应消息中发送时间戳信息的能力，则该辅助设备可像处理测距轮询310和410那样处理测距轮询，并且利用类似于轮询响应消息315、415的轮询响应消息来作出响应。另一方面，如果辅助设备不具有在轮询响应消息中发送时间戳信息的能力，则该辅助设备可像处理测距轮询320和420那样处理测距轮询，并且利用类似于时间戳响应消息325、425的时间戳响应消息来作出响应。
图5示出了根据本文所述的各种示例性实施方案的示例性MAC IE 500。MAC IE500定义各种MAC字段以支持本文所述的广播/组播测距操作。例如，MAC IE 500可将测距模式指示为单节点测距模式、组播测距模式或广播测距模式中的一种。MAC IE 500可进一步指示测距轮次的数量、每个测距轮次的持续时间，以及可用轮询响应时隙的数量。轮询响应时隙的数量可由主要设备105配置。例如，在主要设备105知道到辅助设备110-130的数量的组播模式中，主要设备105可基于辅助设备的数量来设置响应时隙的数量，例如，当存在5个辅助设备时，时隙的数量为5个。MAC IE 500还可包括计数器，该计数器示出了当前交换轮次的数量(例如，五分之三)。如果测距轮次是非连续的(例如，轮次之间存在时间间隙)，则MAC IE 500可指向下一个轮询(或预轮询)的定时。
如果测距模式为组播测距模式，则MAC IE 500可指定辅助设备110-130是针对轮询响应时隙来进行调度还是争用轮询响应时隙。如果辅助设备110-130被调度，则MAC IE500还可为辅助设备110-130中的每个指定时隙分配。然而，该说明书也可被指示为上层协议的一部分。如果测距模式为广播测距，则MAC IE 500可指定辅助设备110-130中的每个对响应时隙进行争用的最大尝试次数。
如上所述，辅助设备110-130可争用响应时隙。传统信道争用通常在尝试进行发送之前使用能量检测和前导码检测来感测发送介质。当设备感测到正在使用发送介质时，它将在再次感测到该介质并尝试进行发送之前随机退避一段时间。能量检测通常对于UWB网络没有用，因为UWB信号以非常低的功率在大带宽上发送。此外，IEEE 802.15.4指定不同的UWB数据包可以使用不同的前导码。因此，考虑到每个可能的前导码都必须由设备进行测试，通过前导码检测来感测发送介质可能是低效的。
在示例性实施方案中，辅助设备110-130争用可用轮询响应时隙的过程可以是可配置的。例如，可使用利用空闲时隙计数器(FSC)的持久信道使用操作。设备可从零启动FSC。争用设备可以使用特定时隙通过信道来发送UWB数据包。对于成功发送的每个UWB数据包，设备可例如以一个增量来增加FSC。对于未成功发送的每个UWB数据包，设备可例如以一个增量来减少FSC。只要FSC保持为零或以上，设备就可继续以这种方式使用信道/时隙。但是，如果FSC降至零以下，那么设备将认为该信道/时隙正忙，并会移动到另一个信道/时隙。
FSC增加或减少的增量可以是连续尝试次数的函数。例如，在第一次发送失败之后，FSC可能减少一。如果下一次发送尝试也失败，则FSC可能减少2等。以此方式，已在给定信道/时隙中建立了良好连接的设备将继续使用相同的信道/时隙，而尝试使用相同的信道/时隙的设备将移动到另一个信道/时隙。该示例性争用过程不限于示例性测距操作，而是可应用于设备争用发送资源的任何场景。
如上所述，参考可根据用于UWB网络的IEEE 802.15.4标准工作的设备描述了示例性实施方案。因此，示例性MAC IE 500可以是根据本协议的MAC IE的变型。然而，如果UWB网络使用不同的协议工作，则可使用具有不同字段的MAC IE来传送用于上述测距操作的信息。此外，可使用其他层的信息元素(或其他数据元素)在设备之间传送用于测距操作的信息。
众所周知，使用个人可识别信息应遵循公认为满足或超过维护用户隐私的行业或政府要求的隐私政策和做法。具体地，应管理和处理个人可识别信息数据，以使无意或未经授权的访问或使用的风险最小化，并应当向用户明确说明授权使用的性质。
对本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在不脱离示例性实施方案的实质或范围的前提下对本公开进行各种修改。因此，本公开旨在涵盖示例性实施方案的修改和变型，但前提是这些修改和变型在所附权利要求及其等同形式的范围内。

Claims (16)

1.一种用于在超宽带网络中执行安全广播或组播测距的方法，包括：
在第一设备处：
将第一测距轮询发送到多个第二设备；
从所述第二设备的至少子集中的每个第二设备接收轮询响应消息，其中与第二设备的所述子集中的每个第二设备对应的所述轮询响应消息是在如下时隙之后的相应时隙中接收的，在所述时隙中所述第一测距轮询被发送，并且其中第二设备的所述子集执行争用过程以获得所述相应时隙；
确定所接收到的轮询响应消息中的每个轮询响应消息的传播延迟；
基于至少所述相应传播延迟来确定到所述第二设备的所述子集中的每个第二设备的距离；
将第二测距轮询发送到所述多个第二设备；
从所述第二设备的至少一个子集中的每个第二设备接收时间戳响应消息，其中第二设备的所述子集中的每个第二设备在接收到所述第二测距轮询之后，在与第二设备的所述子集在接收到所述第一测距轮询后发送所述轮询响应消息的相同的相应时隙中，发送所述时间戳响应消息；以及
基于至少所述相应时间戳响应消息来确定与所述第二设备的所述子集中的每个第二设备的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将包括测距配置信息的预轮询消息发送到所述多个第二设备。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将时间戳信息发送到所述多个第二设备。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一测距轮询消息包括以下中的一者：测距操作的类型的识别、要执行的测距轮次的数量、测距轮次的持续时间、响应时隙的数量、测距轮次计数器、下一个测距轮询的指针、对所述轮询响应消息是否被调度的指示、对所述轮询响应消息的时隙分配或每个轮询响应消息的最大尝试次数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一设备和所述多个第二设备经由超宽带(UWB)网络通信地耦接。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述将所述第一测距轮询发送到所述多个第二设备是广播发送，其中所述第一设备和所述多个第二设备中的每个第二设备共享公用密钥以交换站间消息。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述将所述第一测距轮询发送到所述多个第二设备是基于所述第一设备的组播发送，所述组播发送包括与所述多个第二设备的数量和所述多个辅助设备中的每个辅助设备的标识相对应的信息。
8.一种用于在超宽带网络中执行安全广播或组播测距的设备，包括：
收发器，所述收发器被配置为将第一测距轮询发送到多个第二设备并从所述第二设备的至少第一子集接收轮询响应消息，其中与第二设备的所述子集中的每个第二设备对应的所述轮询响应消息是在如下时隙之后的相应时隙中接收的，在所述时隙中所述第一测距轮询被发送，并且其中第二设备的所述子集执行争用过程以获得所述相应时隙；和
处理器，所述处理器被配置为确定所接收到的轮询响应消息中的每个轮询响应消息的传播延迟，并基于至少所述相应传播延迟来确定到所述第二设备的所述第一子集中的每个第二设备的距离，
其中所述收发器被进一步配置为将第二测距轮询发送到所述多个第二设备并从所述第二设备的至少一个子集中的每个第二设备接收时间戳响应消息，其中第二设备的所述子集中的每个第二设备在接收到所述第二测距轮询之后，在与第二设备的所述子集在接收到所述第一测距轮询后发送所述轮询响应消息的相同的相应时隙中，发送所述时间戳响应消息，其中所述处理器被进一步配置为基于至少所述相应时间戳响应消息来确定到所述第二设备的所述子集中的每个第二设备的距离。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述第一测距轮询消息包括以下中的一者：测距操作的类型的识别、要执行的测距轮次的数量、测距轮次的持续时间、响应时隙的数量、测距轮次计数器、下一个测距轮询的指针、对所述轮询响应消息是否被调度的指示、对所述轮询响应消息的时隙分配或每个轮询响应消息的最大尝试次数。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述设备和所述多个第二设备经由超宽带(UWB)网络通信地耦接。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述将所述第一测距轮询发送到所述多个第二设备是广播发送，其中所述设备和所述多个第二设备中的每个第二设备共享公用密钥以交换站间消息。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述将所述第一测距轮询发送到所述多个第二设备是基于所述设备的组播发送，所述组播发送包括与所述多个第二设备的数量和所述多个辅助设备中的每个辅助设备的标识相对应的信息。
13.一种用于在超宽带网络中执行安全广播或组播测距的方法，包括：
在第一设备处：
在相应时隙中从第二设备接收第一测距轮询，其中所述第二设备执行争用过程以获得所述相应时隙，并且其中测距轮询为组播发送或广播发送中的一者；
基于所述第一设备的至少一种能力来确定要发送到所述第二设备的响应的类型，其中当所述第一设备不具有在测距轮询响应中包括时间戳的所述能力时，所述响应为时间戳响应；
将所述测距轮询响应发送到所述第二设备；
从所述第二设备接收第二测距轮询；以及
在接收到所述第二测距轮询之后，在与所述第一设备在接收到所述第一测距轮询后发送所述测距轮询响应相同的相应时隙发送时间戳响应。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一设备、所述第二设备和至少一个其他设备经由超宽带(UWB)网络通信地耦接，所述方法还包括：
与所述至少一个其他设备进行争用，以获得用于发送所述响应的时隙。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述测距轮询包括用于发送所述响应的调度。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：
从所述第二设备接收时间戳消息；以及
基于至少所述时间戳消息来确定到所述第二设备的距离。
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