CN112074751A - 实时定位系统中的介质访问控制（mac）帧结构和数据通信方法 - Google Patents

实时定位系统中的介质访问控制（mac）帧结构和数据通信方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于定位移动设备的位置的系统和方法。所述系统可以包括多个锚。每个锚可以被定位在固定的位置处。多个锚可以被配置为通过传输根据介质访问控制(MAC)帧结构格式化的数据分组来彼此通信和与移动设备通信。MAC帧结构可以包括用于经由第一组通信分组的传输使系统中的多个锚同步的信标时段。MAC帧结构可以包括无竞争时段。MAC帧结构可以包括竞争时段。所述系统可以包括被配置为估计移动设备的位置的位置估计器。

Description

实时定位系统中的介质访问控制(MAC)帧结构和数据通信 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年1月12日提交的、标题为“MEDIA ACCESS CONTROL(MAC)FRAMESTRUCTURE AND DATA COMMUNICATION METHOD IN A REAL-TIME LOCALIZATION SYSTEM”的美国临时专利申请No.62/616815的优先权，该美国临时专利申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及无线网络，并且更特别地涉及用于在无线实时定位系统(RTLS)中定位移动设备的介质访问控制(MAC)帧结构和数据通信方法。
背景技术
在许多应用中，可能期望估计目标物体的位置。在一些实现中，可以将系统设计为允许目标使用射频(RF)信号执行位置估计，例如，无线设备可以使用从固定位置中的锚接收的RF信号的信号强度来估计它的位置。其它物体可能挡住目标与锚之间的路径，从而干扰RF信号。
发明内容
本公开的至少一个方面针对一种用于定位移动设备的位置的系统。该系统可以包括多个锚。每个锚可以被定位在已知的位置处。多个锚可以被配置为通过传输根据介质访问控制(MAC)帧结构格式化的数据分组来彼此通信和与移动设备通信。MAC帧结构可以包括用于经由第一组通信分组的传输使系统中的多个锚同步的信标时段。MAC帧结构可以包括无竞争时段。MAC帧结构可以包括竞争时段。该系统可以包括被配置为估计移动设备的位置的位置估计器。
在一些实现中，MAC帧结构还可以包括用于多个锚彼此同步无竞争时段的开始的同步时段、以及结束时段。在一些实现中，MAC帧结构的信标时段可以被划分成多个时隙以用于传输信标信号。
在一些实现中，多个锚中的第一锚可以被配置为在第一时隙中传输第一信标信号。第一锚还可以被配置为测量第一信标信号的传输与第一时隙的开始之间的第一时移。第一锚还可以被配置为接收在第二时隙期间传输的来自第二锚的第二信标信号。第一锚还可以被配置为测量接收第二信标信号与第二时隙的开始之间的第二时移。第一锚还可以被配置为确定第一时移与第二时移之间的时间差。第一锚还可以被配置为基于时间差调整第一锚的时钟信号。在一些实现中，这个功能也可以由系统中的其它锚以类似的方式执行以允许其它锚调整它们的时钟，使得其它锚的时钟变得同步。在一些实现中，这个功能可以由系统中的每个锚以类似的方式执行以允许系统中的每个锚调整它的时钟，使得所有锚的时钟变得同步。
在一些实现中，MAC帧结构的无竞争时段可以被划分成多个时隙以用于传输TDOA测距分组。在一些实现中，MAC帧结构还可以包括无竞争时段的连续时隙之间的相应保护间隔。
在一些实现中，多个锚可以被分组成多个锚对。多个锚对中的每个锚对可以包括多个锚中的至少两个锚。每个锚对可以被分配给无竞争时段中的多个时隙中的相应一个。在多个时隙中的每一个期间，第一锚可以被配置为传输测距请求(REQ)分组。第二锚可以被配置为响应于接收到REQ分组而传输测距响应(RSP)分组。移动设备可以被配置为计算接收RSP分组与REQ分组之间的时间差。位置估计器可以被配置为基于来自至少三个锚对的时间差估计移动设备的位置。
在一些实现中，在MAC帧结构的竞争时段期间，移动设备可以被配置为传输要由多个锚的至少第一子集接收的第一测距请求(REQ)分组。多个锚的子集中的至少一个锚可以被配置为响应于接收到REQ分组而传输要由多个锚的至少第二子集接收的测距响应(RSP)分组。在一些实现中，至少一个锚可以仅在竞争时段期间传输RSP分组。包括在第一子集和第二子集两者中的每个锚可以被配置为计算REQ分组的接收与RSP分组的接收之间的时间差。位置估计器可以被配置为收集时间差并且基于时间差估计移动设备的位置。
在一些实现中，在MAC帧结构的竞争时段期间，对于多个锚的至少一个子集中的每个锚，移动设备可以被配置为向锚传输测距请求(REQ)分组。锚可以被配置为响应于接收到REQ分组而向移动设备传输测距响应(RSP)分组。移动设备可以被配置为计算从锚接收RSP分组与传输REQ分组之间的时间差。移动设备可以被配置为估计移动设备与锚之间的距离。位置估计器可以被配置为基于移动设备与至少三个锚之间的距离估计移动设备的位置。
在一些实现中，在MAC帧结构的竞争时段期间，多个锚中的每个锚可以被配置为向移动设备传输相应的测距请求(REQ)分组。移动设备可以被配置为响应于接收到相应的REQ分组而向多个锚中的每个锚传输相应的测距响应(RSP)分组，以使多个锚的至少一个子集接收相应的RSP分组。锚的子集中的每个锚可以被配置为计算相应的RSP分组的接收与REQ分组的传输之间的时间差，以及估计移动设备与锚之间的距离。位置估计器可以被配置为基于移动设备与至少三个锚之间的距离估计移动设备的位置。
本公开的至少另一方面针对一种用于在处于已知的位置处的多个锚的网络中定位移动设备的位置的方法。该方法可以包括建立用于在多个锚与移动设备之间传输数据分组的介质访问控制(MAC)帧结构。MAC帧结构可以包括用于使多个锚同步的信标时段。MAC帧结构的信标时段可以被划分成多个时隙以用于传输信标信号。MAC帧结构可以包括无竞争时段。MAC帧结构可以包括竞争时段。该方法可以包括由多个锚中的第一锚在第一时隙中传输第一信标信号。该方法可以包括由第一锚测量第一信标信号的传输与第一时隙的开始之间的第一时移。该方法可以包括由第一锚接收在第二时隙期间传输的来自第二锚的第二信标信号。该方法可以包括由第一锚测量接收第二信标信号与第二时隙的开始之间的第二时移。该方法可以包括由第一锚确定第一时移与第二时移之间的时间差。该方法可以包括由第一锚基于时间差调整第一锚的时钟信号。在一些实现中，这个功能也可以由系统中的其它锚以类似的方式执行以允许其它锚调整它们的时钟，使得其它锚的时钟变得同步。在一些实现中，这个功能可以由系统中的每个锚以类似的方式执行以允许系统中的每个锚调整它的时钟，使得所有锚的时钟变得同步。
在一些实现中，MAC帧结构还可以包括用于多个锚彼此同步无竞争时段的开始的同步时段、以及结束时段。在一些实现中，MAC帧结构的无竞争时段可以被划分成多个时隙以用于传输TDOA测距分组。在一些实现中，MAC帧结构还可以包括无竞争时段的连续时隙之间的相应保护间隔。
在一些实现中，该方法还可以包括将多个锚分组成多个锚对。多个锚对中的每个锚对可以包括多个锚中的至少两个锚。每个锚对可以被分配给无竞争时段中的多个时隙中的相应一个。该方法还可以包括在多个时隙中的每一个期间，对于每对锚，由第一锚传输测距请求(REQ)分组。该方法还可以包括由第二锚响应于接收到REQ分组而传输测距响应(RSP)分组。该方法还可以包括由移动设备计算接收RSP分组与REQ分组之间的时间差。该方法还可以包括由位置估计器基于来自至少三个锚对的时间差估计移动设备的位置。
在一些实现中，该方法可以包括在MAC帧结构的竞争时段期间由移动设备传输要由多个锚的至少第一子集接收的第一测距请求(REQ)分组。该方法还可以包括由多个锚的子集中的至少一个锚响应于接收到REQ分组而传输要由多个锚的至少第二子集接收的相应的测距响应(RSP)分组。在一些实现中，至少一个锚可以仅在竞争时段期间传输RSP分组。该方法还可以包括由包括在第一子集和第二子集两者中的每个锚计算REQ分组的接收与RSP分组的接收之间的时间差。该方法还可以包括由位置估计器基于时间差估计移动设备的位置。
在一些实现中，该方法还可以包括在MAC帧结构的竞争时段期间，对于多个锚的至少一个子集中的每个锚，由移动设备向锚传输测距请求(REQ)分组。该方法还可以包括由锚响应于接收到REQ分组而向移动设备传输测距响应(RSP)分组。该方法还可以包括由移动设备计算从锚接收RSP分组与传输REQ分组之间的时间差。该方法还可以包括由移动设备估计移动设备与锚之间的距离。该方法还可以包括由位置估计器基于移动设备与至少三个锚之间的距离估计移动设备的位置。
在一些实现中，该方法还可以包括在MAC帧结构的竞争时段期间，由多个锚中的每个锚向移动设备传输相应的测距请求(REQ)分组。该方法还可以包括由移动设备响应于接收到相应的REQ分组而向多个锚中的每个锚传输相应的测距响应(RSP)分组，以使多个锚的至少一个子集接收相应的RSP分组。该方法还可以包括由锚的子集中的每个锚计算相应的RSP分组的接收与REQ分组的传输之间的时间差。该方法还可以包括由锚的子集中的每个锚估计移动设备与锚之间的距离。该方法还可以包括由位置估计器基于移动设备与至少三个锚之间的距离估计移动设备的位置。
本公开提供了用于在实时定位系统(RTLS)中使用的MAC帧结构和数据通信方法。本文描述的MAC帧结构可以用于不同的测距方法，诸如双向到达时间(TW-TOA)、下行链路到达时间差(DL-TDOA)和上行链路到达时间差(UL-TDOA)。此外，本公开中描述的MAC帧结构还可以支持系统中的锚之间的同步，并且可以对通用数据通信(例如，可能不用于测距目的的数据分组)提供能力。
为了实现本文实施和广泛描述的这些和其它技术优点，RTLS中的MAC帧结构可以包括至少信标时段(BP)、无竞争时段(CFP)和竞争时段(CP)。此外，本公开提供了RTLS中的数据通信方法，包括分组的类型以及用于在MAC帧结构的每个时段中传输和接收这样的分组的步骤。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，本公开的前述以及其它目的、方面、特征和优点将变得更清楚和更好理解，其中：
图1图示了根据说明性实现的用于定位目标物体的位置的示例系统的框图；
图2图示了根据说明性实现的可以用于图1的系统中的通信的示例MAC帧结构；
图3图示了根据说明性实现的可以在MAC帧结构的信标时段(BP)中使用的示例数据通信技术；
图4图示了可以在MAC帧结构的无竞争时段(CFP)中使用以支持DL-TDOA的示例数据通信技术；
图5图示了可以在MAC帧结构的竞争时段(CP)中使用以支持UL-TDOA的示例数据通信技术；
图6图示了可以在MAC帧结构的竞争时段(CP)中使用以支持TW-TOA的示例数据通信技术；以及
图7图示了用于在用于定位移动设备的位置的系统中的锚之间同步时钟的示例方法的流程图。
当结合附图考虑时，从以下阐述的详细描述，本公开的特征和优点将变得更清楚，在附图中，相似的附图标记始终标识对应的元素。在附图中，相似的附图标记一般指示相同、功能类似和/或结构类似的元素。
具体实施方式
实时定位系统(RTLS)是可以使用RF信号以提供关于系统中移动设备的位置的实时更新的无线系统或网络。这样的系统可以由已知位置处的多个无线设备组成。这些设备在本文中可以被称为“锚”。取决于系统中使用的物理技术，可以使用不同的测距和/或成角度方法来确定位置。
一些测距技术可以利用“飞行时间”，其在本文中也可以被称为到达时间(TOA)。可以使用三边测量来执行基于TOA的位置估计。例如，可以基于移动设备与一个或多个锚之间的距离来估计移动设备的位置。在一些实现中，因为移动设备不与锚同步，因此可以使用往返飞行时间来估计移动设备与锚之间的距离。例如，第一设备(例如，移动设备或锚)传输第一测距分组。在接收到第一测距分组之后，第二设备可以将第二测距分组传输回第一设备。往返时间可以被定义为第二测距分组的接收与第一测距分组的传输之间经过的时间，其可以由第一设备估计。这样的技术在本文中也称为双向TOA(TW-TOA)。
其它测距技术可以利用“飞行时间差”，其在本文中也可以被称为到达时间差(TDOA)。可以使用多点定位来执行基于TDOA的位置估计。在一些基于TDOA的位置估计中，通过测量从一对锚接收的两个测距分组的在移动设备处的时间差，可以估计距移动设备与两个锚中的每一个的距离差。这个距离差可以被用于移动设备的位置估计中。这种技术在本文中可以被称为下行链路TDOA(DL-TDOA)，因为测距分组是从锚向移动设备传输的。在一些其它基于TDOA的位置估计中，移动设备可以向锚发出测距分组。当锚中的一些从移动设备接收到测距分组时，它们可以用另一个测距分组进行答复。锚中的一些可以接收两个测距分组。因此，这些锚可以测量这些测距分组之间的时间差，并因此使用它们来估计移动设备的位置。这种技术在本文中可以被称为上行链路TDOA(UL-TDOA)，因为第一测距分组是从移动设备向锚传输的。
因为测距分组在网络中通过空中传输(例如，分组访问相同的介质)，因此可以将介质访问控制(MAC)方案设计为支持网络中的移动设备的定位服务。本公开提供了这样的方案。该方案可以不同于在其它无线网络中使用的MAC方案，诸如主要用于通用数据通信的那些。例如，用于RTLS的MAC方案可以用于不同的测距方法，诸如TOA和TDOA。此外，因为测距方法依赖于测距分组之间的时间或时间差，所以在MAC方案中仔细地控制测距分组的介质访问可以帮助最小化估计时间或时间差的误差，这在RTLS的定位精度上是有用的。通常用于通用无线数据通信的现有MAC帧结构和数据通信技术可能没有在想到定位功能的这些考虑的情况下被设计。为了解决这个技术挑战，本公开提供了改进的MAC帧结构和数据通信技术，其可以提高RTLS的位置估计的精度和效率。
在一些实现中，根据本公开的RTLS中的MAC帧结构可以包括至少信标时段(BP)、无竞争时段(CFP)和竞争时段(CP)。MAC帧结构还可以包括附加时段，诸如BP之后的同步时段和在帧的结束的结束时段。本公开提供与这些时段中的每一个相关的细节，包括每个时段中的数据通信方法。
图1图示了根据说明性实现的用于定位目标物体110的位置的示例系统100的框图。系统100包括被配置为彼此以及与目标物体110通信的一对锚105a和105(统称为锚105)。系统100还包括位置估计器120。还描绘了障碍物115，其挡住了锚105a和目标物体110之间的视线(LOS)路径。系统100可以被用于例如经由测距技术(诸如基于TOA的位置估计或基于TDOA的位置估计)来确定目标物体110的位置。锚105的位置可以是已知的，并且可以在锚105和目标110之间传输RF通信。基于这样的通信的定时，可以估计目标物体110的位置。在一些实现中，可以将定时信息从锚105发送到位置估计器120，并且位置估计器120可以使用定时信息来估计目标物体110的位置。换句话说，位置估计器可以远离锚105并且远离目标物体110。例如，位置估计器120可以是远程服务器或其它类型的计算设备。在一些其它实现中，位置估计器可以集成到锚105中的至少一个或目标物体110中或者以其它方式与锚105中的至少一个或目标物体110搭配。在一些实现中，目标物体110可以是移动设备。在一些实现中，目标物体110可以是移动计算设备，诸如智能电话或平板计算设备。
在一个示例中，锚105a可以通过发出REQ分组来发起测距过程。REQ分组可以由锚105b接收，该锚105b可以用RSP分组进行响应。在没有障碍物115的情况下，锚105a和锚105b两者的传输范围内的目标物体110可以接收REQ分组和RSP分组两者。然而，障碍物115阻挡了锚105a和目标物体110之间的LOS信号路径。因此，目标物体110可能不能够从锚105a接收REQ分组。作为结果，目标物体110可能不能够完成要用于基于TDOA来估计目标物体110的位置的RSP分组与REQ分组之间的到达时间差的计算。这样的系统可以使用其它技术来补偿障碍物115，或者可以包括比所示的多的锚105。例如，通过包括与包括锚105a和105b的锚对类似的大量锚对，系统100可以更可能拥有具有到目标物体110的LOS路径的多个锚对。为了促进这样的系统中的通信，设计允许锚105彼此同步并且减小分组冲突的可能性的MAC帧结构可以是有用的。下面结合图2描述一个这样的示例MAC帧结构。
图2图示了根据说明性实现的可以用于图1的系统100中的通信的示例MAC帧结构200。MAC帧结构200可以包括信标时段(BP)205、无竞争时段(CFP)210和竞争时段(CP)215。在一些实现中，BP 205可以被用于锚交换信标信号以跨不同的锚同步时钟。在一些实现中，CFP 210可以被用于调度DL-TDOA测距分组的传输以避免那些分组之间的冲突。在一些实现中，CP 215可以被用于支持图1的系统100的UL-TDOA、TW-TOA测距分组、以及附加数据分组或控制信令分组。MAC帧结构200可以可选地包括附加时段。例如，MAC帧结构200可以可选地包括同步时段220和结束时段225。在一些实现中，同步时段220可以是用于锚在它们已使用它们各自的信标信号校正它们的本地时钟之后使CFP 210的开始彼此同步的短缓冲时段。在每一帧的结束，结束时段225可以是短缓冲时段，其被保留用于可以有助于完成帧的附加操作或分组，诸如可以帮助协调下一帧准备的任何操作或分组，任何确认(ACK)分组的保护间隔等。在一些实现中，可以从MAC帧结构200省略同步时段220和结束时段225中的任一个。
图3图示了根据说明性实现的可以在MAC帧结构的信标时段(BP)中使用的示例数据通信技术。例如，可以在图2中所示的MAC帧结构200的BP 205期间使用图3中所示的数据通信技术。在一些实现中，图3中所示的数据通信技术可以被用于同步不同锚的时钟。例如，图3示出了由三个锚(其标记为节点1、节点2和节点3)传输的数据分组。BP 205可以被划分成多个小的时段(称为时隙305)以用于传输信标信号。锚可以在某个时隙305中传输它自身的信标信号，并且可以在其它时隙305中从它邻近的锚接收信标信号。在图3的示例中，邻近的锚可以被定义为在彼此的传输范围中并且可以从彼此接收分组的锚。如所示的，锚节点1可以在时隙0中传输它的信标信号。锚节点1可以测量它的信标信号传输的完成与时隙的开始之间的时移310。在时隙2和时隙4中，锚节点1可以分别从锚节点2和锚节点3接收信标信号。
在一些实现中，当锚节点1接收到信标信号时，它可以测量接收信标信号的完成与时隙的开始之间的时移。锚节点1然后可以将这个时移与时移310进行比较以确定差异。在图3的示例中，从锚节点2接收信标信号的时移与时移310之间的差是d21(315)，并且从锚节点3接收信标信号的时移与时移310之间的差是d31(320)。锚节点1可以使用这些时间差值对它自身的时钟信号进行校正或其它调整，使得它可以与其它锚同步。例如，在图3中，d1可以表示锚节点1处的本地时间，d2可以表示锚节点2处的本地时间，并且d3可以表示锚节点3处的本地时间。与邻近的锚节点的时间戳差在图3中被示为d12(例如，锚节点1相对于锚节点2的时间戳差)、d21(例如，锚节点2相对于锚节点1的时间戳差)、d31(例如，锚节点3相对于锚节点1的时间戳差)、d13(例如，锚节点1相对于锚节点3的时间戳差)、d23(例如，锚节点2相对于锚节点3的时间戳差)和d32(例如，锚节点3与锚节点2的时间戳差)。如图3中所示，用于锚节点1调整它的时钟信号(例如，相对于d1移位它的本地时间)的示例公式325可以是d1＝((d21+d32)/2)/2。每个其它锚也可以基于它已从它邻近的锚接收的时间差值执行类似的时钟校正。例如，用于锚节点2调整它的时钟信号的公式可以表示为d2＝((d12+d32)/2)/2，并且用于锚节点3调整它的时钟信号的公式可以表示为d3＝((d13+d23)/2)/2。在一些实现中，在基于校正的后续缓冲时段(例如，同步时段220)之后，CFP 210可以开始。
图4图示了可以在MAC帧结构的无竞争时段(CFP)中使用以支持DL-TDOA的示例数据通信技术。例如，可以在图2中所示的MAC帧结构200的CFP 210期间使用图4中所示的数据通信技术。CFP 210可以被划分成多个时隙，在时隙之间具有被称为保护间隔405的隔开时段。每个时隙在DL-TDOA测距过程中可以被分配给相应的一对锚，并且可以容纳来自该锚对的两个测距分组。在一些实现中，该对中的一个锚向第二锚发送称为测距请求(REQ)分组410的第一测距分组。在接收到REQ分组410之后，该对中的第二锚可以发送称为测距响应(RSP)分组415的第二测距分组。移动设备也可以接收REQ分组405和RSP分组415两者。在一些实现中，移动设备可以是期望知道其位置的物体，这类似于图1中所示的目标物体110。移动设备可以计算接收这两个分组之间的时间差。在一些实现中，可以选择CFP 210的持续时间以包含多个时隙来支持系统中的所有锚对的测距过程。移动设备可以基于从多个锚对接收REQ分组410和RSP分组415来估计它在空间中的位置。例如，从至少三个锚对接收REQ分组410和RSP分组415可以足以使移动设备估计它在二维(2D)空间中的位置，而从至少四个锚对接收REQ分组410和RSP分组415可以足以使移动设备使用基于TDOA的方法来估计它在三维(3D)空间中的位置。
图5图示了可以在MAC帧结构的竞争时段(CP)中使用以支持UL-TDOA的示例数据通信技术。例如，可以在图2中所示的MAC帧结构200的CP 215期间使用图5中所示的数据通信技术。移动设备可以通过发送第一REQ分组来发起测距过程。在它发送REQ分组之前，移动设备可以感测信道，并且可以使用传输退避方案来减小与其它传输冲突的可能性。因为移动设备可以在帧中的任何时间传输REQ分组，所以未在CP 215期间传输的REQ分组(诸如REQ分组505a)将不会被其它锚响应。当移动设备传输在CP 215中传输并且由锚中的一些接收的REQ分组(诸如REQ分组505b)时，一个或多个锚可以用RSP分组(510)进行响应。已接收到REQ分组505b和任一RSP分组510的锚可以计算接收RSP分组与REQ分组之间的时间差。这些时间差值可以被发送到例如锚或外部服务器以用于移动设备的位置计算。执行计算的设备可以被称为或可以包括位置估计器。
图6图示了可以在MAC帧结构的竞争时段(CP)中使用以支持TW-TOA的示例数据通信技术。例如，可以在图2中所示的MAC帧结构200的CP 215期间使用图6中所示的数据通信技术。在一些实现中，移动设备可以通过向锚发送第一REQ分组来发起测距过程。在它发送REQ分组之前，它可以感测信道并且使用某个传输退避方案来减小与其它传输冲突的可能性。由于移动设备可以在帧中的任何时间传输REQ分组，因此未在CP 215内传输的REQ分组(诸如REQ分组605a)将不会被锚响应。当诸如REQ分组605b的REQ分组在CP 215期间传输并且由锚接收时，锚将用RSP分组610进行响应。当移动设备已接收到RSP分组610时，它可以计算接收RSP分组610与传输REQ分组605b之间的时间差。移动设备可以使用这个时间差值来确定它的位置与锚之间的距离。移动设备可以在CP 215期间利用不同的锚重复这个TW-TOA测距过程。移动设备可以基于多个锚对的时间差来估计它在空间中的位置。例如，从至少三个锚对计算这样的时间差可以足以使移动设备估计它在2D空间中的位置，并且从至少四个锚对计算这样的时间差可以足以使移动设备使用基于TOA的方法来估计它在3D空间中的位置。
在一些其它实现中，图6中描绘的数据通信技术可以由锚而不是由移动设备发起。例如，锚可以发出REQ分组。当移动设备接收到这些REQ分组中的一些时，它可以针对每个接收到的REQ分组用RSP分组进行响应。已从移动设备接收到RSP分组的锚可以计算RSP与它的REQ分组之间的时间差，并且可以使用该信息来确定从锚到移动设备的距离。这些时间差值可以从多个锚收集并且被发送到一个锚或外部服务器以用于移动设备的位置计算。执行计算的设备可以被称为或可以包括位置估计器。
图7图示了用于在用于定位移动设备的位置的系统中的锚之间同步时钟的示例方法700的流程图。方法700可以包括建立介质访问控制(MAC)帧结构(方框705)。MAC帧结构可以被设计为适应多个锚和移动设备之间的数据分组的传输。在一些实现中，MAC帧结构可以包括用于同步多个锚的信标时段。MAC帧结构的信标时段可以被划分成用于传输信标信号的多个时隙。在一些实现中，MAC帧结构还可以包括无竞争时段。在一些实现中，MAC帧结构还可以包括竞争时段。
方法700可以包括传输第一信标信号(方框710)。在一些实现中，第一信标信号可以由多个锚中的第一锚向第二锚传输。第一锚和第二锚可以一起形成锚对。在一些实现中，第一锚可以在信标时段的第一时隙期间传输第一信标信号。可以对第一锚保留第一时隙，使得没有信标信号期望在第一时隙期间传输。
方法700可以包括测量第一时移(方框715)。在一些实现中，第一时移可以由第一锚测量。在一些实现中，第一时移可以与第一信标信号的传输与第一时隙的开始之间的时间持续对应。
方法700可以包括接收第二信标信号(方框720)。在一些实现中，第二信标信号可以由第一锚接收，并且可以从第二锚接收。第二锚可以被配置为在MAC帧结构的信标时段的第二时隙期间传输第二信标信号。例如，可以对第二锚保留第二时隙。
方法700可以包括测量第二时移(方框725)。在一些实现中，第二时移也可以由第一锚测量。在一些实现中，第二时移可以与接收第二信标信号与第二时隙的开始之间的时间持续对应。
方法700可以包括确定第一时移与第二时移之间的时间差(方框730)。在一些实现中，确定可以由第一锚进行。时间差可以与第一锚和第二锚的时钟信号之间的有效偏移对应。例如，第一锚和第二锚可以在空间上彼此分离，并且可以各自包括由第一和第二锚中的每一个上的一个或多个处理器使用的独立时钟信号。第一和第二锚上的时钟信号因此可以是异步的。
方法700可以包括基于时间差调整时钟信号(方框735)。时钟信号可以是由第一锚使用的时钟信号，并且可以被调整以解决或补偿在方框730处确定的时间差。因为时间差可以与第一锚和第二锚的时钟信号之间的有效偏移对应，所以在方框735处对第一锚的时钟信号进行的调整可以使第一锚的时钟信号与第二锚的时钟信号同步。在一些实现中，方法700的步骤也可以由系统中包括的附加锚对执行，使得锚可以在整个系统上变得同步。锚然后可以与移动设备通信以执行一个或多个测距操作来确定移动设备的位置。在一些实现中，可以在MAC帧结构的剩余时段(诸如无竞争时段和竞争时段)期间执行这样的通信。
与可以主要用于通用数据通信的现有MAC帧结构相比，本公开中描述的MAC帧结构和通信方法可以实现对用于在RTLS中定位移动设备的不同测距方法的专门支持。此外，本文描述的MAC帧结构可以实现分布式锚之间的同步，这在用于在RTLS中定位移动设备的各种测距方法中可以是有用的。
应当理解的是，上述系统可以提供那些部件中的任何一个或每个部件中的多个部件，并且这些部件可以在独立的机器上或者在一些实施例中在分布式系统中的多个机器上提供。使用编程和/或工程技术以产生软件、固件、硬件或其任意组合，可以将上述系统和方法实现为方法、装置或制品。此外，可以将上述系统和方法提供为一种或多种计算机可读程序，这些程序在一种或多种制品上或之中实施。如本文所使用的，术语“制品”旨在涵盖可从一个或多个计算机可读设备、固件、可编程逻辑、存储器设备(例如，EEPROM、ROM、PROM、RAM、SRAM等)，硬件(例如，集成电路芯片，现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等)、电子设备、计算机可读非易失性存储单元(例如，CD-ROM、软盘、硬盘驱动器等)访问或嵌入在其中的代码或逻辑。可以从文件服务器访问制品，该文件服务器经由网络传输线、无线传输介质、通过空间传播的信号、无线电波、红外信号等提供对计算机可读程序的访问。制品可以是闪存存储卡或磁带。制品包括硬件逻辑以及嵌入在由处理器执行的计算机可读介质中的软件或可编程代码。一般而言，计算机可读程序可以以任何编程语言(诸如LISP、PERL、C、C++、C#、PROLOG)或任何字节代码语言(诸如JAVA)实现。软件程序可以作为目标代码存储在一个或多个制造产品上或其中。
虽然已描述了方法和系统的各种实施例，但是这些实施例是示例性的，绝不限制所描述的方法或系统的范围。相关领域的技术人员可以在不脱离所描述的方法和系统的最广泛范围的情况下对所描述的方法和系统的形式和细节进行改变。因此，本文描述的方法和系统的范围不应当受任何示例性实施例限制，而应当根据所附权利要求及其等同物来定义。

Claims (18)

1.一种用于定位移动设备的位置的系统，所述系统包括：
多个锚，每个锚被定位在已知的位置处，所述多个锚被配置为通过传输根据介质访问控制(MAC)帧结构格式化的数据分组来彼此通信和与所述移动设备通信，所述介质访问控制(MAC)帧结构包括：
用于经由第一组通信分组的传输使所述系统中的所述多个锚同步的信标时段；
无竞争时段；以及
竞争时段；以及
位置估计器，所述位置估计器被配置为估计所述移动设备的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述MAC帧结构还包括：
用于所述多个锚彼此同步所述无竞争时段的开始的同步时段；以及
结束时段。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述MAC帧结构的信标时段被划分成多个时隙以用于传输信标信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述多个锚中的第一锚被配置为：
在第一时隙中传输第一信标信号；
测量所述第一信标信号的传输与所述第一时隙的开始之间的第一时移；
接收在第二时隙期间传输的来自第二锚的第二信标信号；
测量接收所述第二信标信号与所述第二时隙的开始之间的第二时移；
确定所述第一时移与所述第二时移之间的时间差；以及
基于所述时间差调整所述第一锚的时钟信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述MAC帧结构的无竞争时段被划分成多个时隙以用于传输TDOA测距分组。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述MAC帧结构还包括所述无竞争时段的连续时隙之间的相应保护间隔。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述多个锚被分组成多个锚对，所述多个锚对中的每个锚对包括所述多个锚中的至少两个锚，每个锚对被分配给所述多个时隙中的相应一个，其中，在所述多个时隙中的每一个期间：
第一锚被配置为传输测距请求(REQ)分组；
第二锚被配置为响应于接收到所述REQ分组而传输测距响应(RSP)分组；以及
所述移动设备被配置为计算接收所述RSP分组与所述REQ分组之间的时间差；以及
其中所述位置估计器被配置为基于来自至少三个锚对的时间差估计所述移动设备的位置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述移动设备被配置为传输要由所述多个锚的至少第一子集接收的第一测距请求(REQ)分组；
所述多个锚的所述子集中的至少一个锚被配置为响应于接收到所述REQ分组而传输要由所述多个锚的至少第二子集接收的测距响应(RSP)分组；
包括在所述第一子集和所述第二子集两者中的每个锚被配置为计算所述REQ分组的接收与所述RSP分组的接收之间的时间差；以及
所述位置估计器被配置为：
收集所述时间差；以及
基于所述时间差估计所述移动设备的位置。
9.根据权利要求1所述的系统，其中：
在所述MAC帧结构的竞争时段期间，对于所述多个锚的至少子集中的每个锚：
所述移动设备被配置为向所述锚传输测距请求(REQ)分组；
所述锚被配置为响应于接收到所述REQ分组而向所述移动设备传输测距响应(RSP)分组；
所述移动设备被配置为计算从所述锚接收所述RSP分组与传输所述REQ分组之间的时间差；以及
所述移动设备被配置为估计所述移动设备与所述锚之间的距离；以及
所述位置估计器被配置为基于所述移动设备与至少三个锚之间的距离估计所述移动设备的位置。
10.根据权利要求1所述的系统，其中：
在所述MAC帧结构的竞争时段期间，所述多个锚中的每个锚被配置为向所述移动设备传输相应的测距请求(REQ)分组；
所述移动设备被配置为响应于接收到相应的REQ分组而向所述多个锚中的每个锚传输相应的测距响应(RSP)分组，以使所述多个锚的至少子集接收相应的RSP分组；
锚的所述子集中的每个锚被配置为：
计算相应的RSP分组的接收与REQ分组的传输之间的时间差；以及
估计所述移动设备与锚之间的距离；以及
所述位置估计器被配置为基于所述移动设备与至少三个锚之间的距离估计所述移动设备的位置。
11.一种用于在处于已知的位置处的多个锚的网络中定位移动设备的位置的方法，所述方法包括：
建立用于在所述多个锚与所述移动设备之间传输数据分组的介质访问控制(MAC)帧结构，所述MAC帧结构包括：
用于使所述多个锚同步的信标时段，所述MAC帧结构的信标时段被划分成多个时隙以用于传输信标信号；
无竞争时段；以及
竞争时段；以及
由所述多个锚中的第一锚在第一时隙中传输第一信标信号；
由所述第一锚测量所述第一信标信号的传输与所述第一时隙的开始之间的第一时移；
由所述第一锚接收在第二时隙期间传输的来自第二锚的第二信标信号；
由所述第一锚测量接收所述第二信标信号与所述第二时隙的开始之间的第二时移；
由所述第一锚确定所述第一时移与所述第二时移之间的时间差；以及
由所述第一锚基于所述时间差调整所述第一锚的时钟信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述MAC帧结构还包括：
用于所述多个锚彼此同步所述无竞争时段的开始的同步时段；以及
结束时段。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述MAC帧结构的无竞争时段被划分成多个时隙以用于传输TDOA测距分组。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述MAC帧结构还包括所述无竞争时段的连续时隙之间的相应保护间隔。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将所述多个锚分组成多个锚对，所述多个锚对中的每个锚对包括所述多个锚中的至少两个锚，每个锚对被分配给所述多个时隙中的相应一个，所述方法还包括在所述多个时隙中的每一个期间，对于每对锚：
由第一锚传输测距请求(REQ)分组；
由第二锚响应于接收到所述REQ分组而传输测距响应(RSP)分组；
由所述移动设备计算接收所述RSP分组与所述REQ分组之间的时间差；以及
由位置估计器基于来自至少三个锚对的时间差估计所述移动设备的位置。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
由所述移动设备传输要由所述多个锚的至少第一子集接收的第一测距请求(REQ)分组；
由所述多个锚的所述子集中的至少一个锚响应于接收到所述REQ分组而传输要由所述多个锚的至少第二子集接收的相应的测距响应(RSP)分组；
由包括在所述第一子集和所述第二子集两者中的每个锚计算所述REQ分组的接收与所述RSP分组的接收之间的时间差；以及
由位置估计器基于所述时间差估计所述移动设备的位置。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述MAC帧结构的竞争时段期间，对于所述多个锚的至少子集中的每个锚：
由所述移动设备向所述锚传输测距请求(REQ)分组；
由所述锚响应于接收到所述REQ分组而向所述移动设备传输测距响应(RSP)分组；
由所述移动设备计算从所述锚接收所述RSP分组与传输所述REQ分组之间的时间差；以及
由所述移动设备估计所述移动设备与所述锚之间的距离；以及
由所述位置估计器基于所述移动设备与至少三个锚之间的距离估计所述移动设备的位置。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述MAC帧结构的竞争时段期间，由所述多个锚中的每个锚向所述移动设备传输相应的测距请求(REQ)分组；
由所述移动设备响应于接收到相应的REQ分组而向所述多个锚中的每个锚传输相应的测距响应(RSP)分组，以使所述多个锚的至少子集接收相应的RSP分组；
由锚的所述子集中的每个锚计算相应的RSP分组的接收与REQ分组的传输之间的时间差；
由锚的所述子集中的每个锚估计所述移动设备与锚之间的距离；以及
由所述位置估计器基于所述移动设备与至少三个锚之间的距离估计所述移动设备的位置。
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