CN113630865A - 一种多基站多终端定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多基站多终端定位方法，该方法中定位帧包含多个测距帧或者接入帧，通过测距帧中包含的多个轮询时隙、多个联合响应时隙以及多个最终时隙，使得多个定位终端和多个定位基站之间能够并发的进行测距流程；通过接入帧中包含的多个轮询时隙以及多个联合响应时隙，使得多个定位终端和多个定位基站之间能够并发的进行接入流程。该方法能够较大幅度的提升系统容量。
Description
技术领域
本发明涉及超宽带技术领域，尤其涉及一种多基站多终端定位方法。
背景技术
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)高精度定位技术，定位精度可达厘米级，其中采用双向TOF(Time Of Flight，飞行时间)异步定位方法、TDOA(Time Difference Of Arrival，到达时间差)同步定位方法。
双向 TOF异步定位方法中的测距流程如图1所示。
定位终端发送轮询(POLL)消息，测量并记录超宽带信号的发送时间T1；定位基站接收到POLL消息后，测量并记录超宽带信号中第一径信号的接收时间T2；定位基站发送响应(RESPONSE)消息，测量并记录超宽带信号的发送时间为T3；定位终端接收RESPONSE消息，测量并记录超宽带信号中第一径信号的接收时间T4；定位终端发送最终(FINAL)消息，测量并记录超宽带信号的发送时间T5，其中，FINAL消息中包含定位终端记录的T1、T4和T5；定位基站接收FINAL消息，测量并记录超宽带信号中第一径信号的接收时间T6。因此，定位基站获得所有的发送时间和接收时间，即T1、T2、T3、T4、T5和T6。
定位基站通过如下公式计算得到测距结果：
双向TOF异步定位方法中，由于定位终端和定位基站之间需要3条消息完成测距流程，当同一区域内定位终端数量增加时，定位终端发生碰撞概率增大，定位成功率迅速降低。当定位终端的定位频率为1Hz，定位成功率为50%时，系统容量为230。
发明内容
本发明公开了一种多基站多终端定位方法，解决了双向TOF异步定位中定位终端碰撞概率大、系统容量小的问题。
本发明实施例提供一种多基站多终端定位方法，包括：
定位基站向定位终端发送定位帧，所述定位帧包含多个测距帧；
所述测距帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙、多个最终时隙；
所述测距帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行测距流程。
可选的，所述测距帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙、多个最终时隙，包括：
所述测距帧包含帧起始转换时间、轮询时隙到联合响应时隙转换时间、联合响应时隙到最终时隙转换时间、帧结束转换时间；
所述多个轮询时隙之间包含轮询时隙保护间隔；
所述多个联合响应时隙之间包含联合响应时隙保护间隔；
所述多个最终时隙之间包含最终时隙保护间隔。
可选的，所述测距帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行测距流程，包括：
所述至少一个定位终端依次在所述测距帧的轮询时隙中向所述至少一个定位基站发送轮询消息，所述轮询消息包含所述定位终端的标识信息；
所述至少一个定位基站依次在所述测距帧的联合响应时隙中向所述至少一个定位终端发送联合响应消息，所述联合响应消息中包含所述定位基站的标识信息、所述至少一个定位终端的标识信息；
所述至少一个定位终端依次在所述测距帧的最终时隙中向所述至少一个定位基站发送最终消息，所述最终消息包含所述定位终端的标识信息、测距信息。
可选的，还包括：
所述定位帧包含至少一个接入帧；
所述接入帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙；
所述接入帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行接入流程。
可选的，所述接入帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙，包括：
所述接入帧包含帧起始转换时间、轮询时隙到联合响应时隙转换时间、帧结束转换时间；
所述多个轮询时隙之间包含轮询时隙保护间隔；
所述多个联合响应时隙之间包含联合响应时隙保护间隔。
可选的，所述接入帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行接入流程，包括：
所述至少一个定位终端随机在所述接入帧的轮询时隙中向所述至少一个定位基站发送轮询消息，所述轮询消息包含所述定位终端的标识信息；
所述至少一个定位基站依次在所述接入帧的联合响应时隙中向所述至少一个定位终端发送联合响应消息，所述联合响应消息中包含所述定位基站的标识信息、所述至少一个定位终端的标识信息。
本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果：
本发明实施例，定位帧包含多个测距帧或者接入帧，通过测距帧中包含的多个轮询时隙、多个联合响应时隙以及多个最终时隙，使得多个定位终端和多个定位基站之间能够并发的进行测距流程；通过接入帧中包含的多个轮询时隙以及多个联合响应时隙，使得多个定位终端和多个定位基站之间能够并发的进行接入流程。该方法能够较大幅度的提升系统容量。
附图说明
图1为背景技术中双向 TOF异步定位方法测距流程的示意图；
图2为本发明实施例提供的多基站多终端定位方法I类定位帧结构示意图；
图3为本发明实施例提供的多基站多终端定位方法II类定位帧结构示意图；
图4为本发明实施例提供的多基站多终端定位方法测距帧结构示意图；
图5为本发明实施例提供的多基站多终端定位方法接入帧结构示意图；
图6为本发明实施例提供的多基站多终端测距流程示意图；
图7为本发明实施例提供的多基站多终端接入流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
参见图2，本发明实施例提供的多基站多终端定位方法I类定位帧的帧结构示意
图，如图2所示， I类定位帧 (Positioning Frame)的帧结构中仅包含整数个测距帧
(Ranging Frame)，测距帧可用于定位终端执行测距流程。定位帧周期长度
(PositioningFramePeriod)可以根据定位终端的定位间隔来确定。例如，取长定位间隔10s
作为定位帧周期长度，即PositioningFramePeriod=10s，那么，定位帧中包含的测距帧总数
。
参见图3，本发明实施例提供的多基站多终端定位方法II类定位帧的帧结构示意图，如图3所示，II类定位帧的帧结构中包含整数个测距帧和整数个接入帧(AccessFrame)，测距帧可用于定位终端执行测距流程，接入帧可用于定位终端执行接入流程。测距帧周期长度(RangingFramePeriod)和接入帧周期长度(AccessFramePeriod)可以相同或者不同。接入帧可以集中在定位帧头部或尾部的几帧，也可以分散在定位帧中，即连续多帧测距帧和1帧接入帧交替排列，测距帧标识(RangingFrameID)和接入帧标识(AccessFrameID)可以统一标定或者分别标定。例如，定位帧周期长度PositioningFramePeriod=10s，测距帧周期长度RangingFramePeriod =10ms，接入帧周期长度AccessFramePeriod =10ms，定位帧中包含950个测距帧和50个接入帧，测距帧标识RangingFrameID={0,1,…,94,100,101,…,194,200,201,…,
900,901,…,994}，接入帧标识AccessFrameID={95,96,…,99,195,196,…,199,295,296,…,299,…,
995,996,…,999}。
参见图4，本发明实施例提供的多基站多终端定位方法测距帧结构示意图，如图4所示，测距帧是时间同步定位方法中的基本时间粒度，定位终端执行一次测距流程可以进行一次定位。测距帧中包含M个轮询时隙(POLL Slot)、N个联合响应时隙(BoundingRESPONSE Slot，B_RESP Slot)、M个最终时隙(FINAL Slot)。例如，M=10，N=10。在轮询时隙中，定位终端发送轮询消息给定位基站；在联合响应时隙中，定位基站发送联合响应消息给至少一个定位终端，这些定位终端是定位基站收到的轮询消息对应的定位终端；在最终时隙中，定位终端发送最终消息给定位基站。
测距帧周期长度由消息时隙、保护间隔、转换时间确定，如下表所示。
轮询时隙保护间隔是两个轮询时隙之间的保护间隔，联合响应时隙保护间隔是两个联合响应时隙之间的保护间隔，最终时隙保护间隔是两个最终时隙之间的保护间隔。
帧起始转换时间是定位基站从帧起始开启接收机到准备好接收定位终端发送轮询消息之间的转换时间。
轮询时隙到联合响应时隙转换时间是定位基站接收定位终端发送轮询消息到发送联合响应消息之间的转换时间，包含接收机到发射机的转换时延。
联合响应时隙到最终时隙转换时间是定位基站发送联合响应消息到接收定位终端发送最终消息到之间的转换时间，包含发射机到接收机的转换时延。
帧结束转换时间是定位基站收到定位终端发送的最终消息后进行处理，关闭接收机到帧结束之间的转换时间，包含处理延时。
参见图5，本发明实施例提供的多基站多终端定位方法接入帧结构示意图，如图5所示，接入帧是时间同步定位方法中的基本时间粒度，定位终端可以在一个或多个接入帧中执行一次接入流程。接入帧中包含A个轮询时隙(POLL Slot)、B个联合响应时隙(Bounding RESPONSE Slot，B_RESP Slot)。例如，A=15，B=10。在轮询时隙中，定位终端发送轮询消息给定位基站；在联合响应时隙中，定位基站发送联合响应消息给至少一个定位终端，这些定位终端是定位基站收到的轮询消息对应的定位终端。
接入帧周期长度由消息时隙、保护间隔、转换时间确定，如下表所示。
轮询时隙保护间隔是两个轮询时隙之间的保护间隔，联合响应时隙保护间隔是两个联合响应时隙之间的保护间隔。
帧起始转换时间是定位基站从帧起始开启接收机到准备好接收定位终端发送轮询消息之间的转换时间。
轮询到联合响应消息转换时间是定位基站接收定位终端发送轮询消息到发送联合响应消息之间的转换时间，包含接收机到发射机的转换时延。
帧结束转换时间是定位基站收到定位终端发送的最终消息后进行处理，关闭接收机到帧结束之间的转换时间，包含处理延时。
参见图6，本发明实施例提供的多基站多终端测距流程示意图，如图6所示，包括以下步骤：
601：至少一个定位终端依次在测距帧的轮询时隙中向至少一个定位基站发送轮询消息，所述轮询消息包含所述定位终端的标识信息；
602：所述至少一个定位基站依次在所述测距帧的联合响应时隙中向所述至少一个定位终端发送联合响应消息，所述联合响应消息中包含所述定位基站的标识信息、所述至少一个定位终端的标识信息；
603：所述至少一个定位终端依次在所述测距帧的最终时隙中向所述至少一个定位基站发送最终消息，所述最终消息包含所述定位终端的标识信息、测距信息。
该实施方式中，上述定位终端是具有超宽带信号发送和/或接收能力的设备，可以是UWB标签；也可以是具有UWB信号发送和/或接收能力的用户终端(User Equipment，UE)，例如，手机、平板电脑(Tablet Personal Computer)、膝上型电脑(Laptop Computer)、个人数字助理(personal digital assistant， PDA)、移动上网装置(Mobile Internet Device，MID)或可穿戴式设备(Wearable Device)等终端侧设备。需要说明的是，在本发明实施例中并不限定定位终端的具体类型。
上述定位基站是具有超宽带信号发送和/或接收能力的设备，可以是UWB基站，也可以是具有UWB信号发送和/或接收能力的网络侧设备，例如，宏站：如LTE eNB、5G NR gNB等，小站：如低功率节点(low power node，LPN)、微微基站 (pico)、家庭基站 (femto)、中继节点 (RN)等，接入点(AP，access point)，传输接收点(Transmission ReceptionPoint，TRP)等网络侧设备。需要说明的是，在本发明实施例中并不限定定位基站的具体类型。
上述超宽带信号可以是超宽带无线通信技术信号，它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带信号在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声；接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。
在具体实施中，测距帧中包含M个轮询时隙、N个联合响应时隙、M个最终时隙。定位
终端在对应的轮序时隙中发送轮询消息，具体的，可以是定位终端标识对应的轮询时隙。定
位终端发送的轮询消息中包含的信息如下表所示。
| 域 | 描述 |
| Function code | 消息类型，表示轮询消息 |
| TagID | 定位终端标识 |
在具体实施中，定位基站在对应的联合响应时隙中发送联合响应消息，具体的，可
以是定位基站配置的联合响应时隙。定位基站发送的联合响应消息中包含的信息如下表所
示。其中，定位终端标识列表为定位基站收到的至少一个定位终端的标识信息。
| 域 | 描述 |
| Function code | 消息类型，表示联合响应消息 |
| AnchorID | 定位基站标识 |
| TagIDList | 定位终端标识列表 |
在具体实施中，定位终端在对应的最终时隙中发送最终消息，具体的，可以是定位
终端标识对应的最终时隙。定位终端发送的最终消息中包含的信息如下表所示。其中，测距
信息包括定位终端测距序号、定位终端收到定位基站联合响应消息的个数、POLL消息发送
的时间戳、FINAL消息发送的时间戳、定位终端收到的定位基站标识、定位终端收到定位基
站联合响应消息的时间戳。
| 域 | 描述 |
| Function code | 消息类型，表示最终消息 |
| TagID | 定位终端标识 |
| RangeID | 定位终端测距序号 |
| RxB_RESPNum | 定位终端收到定位基站联合响应消息的个数 |
| POLLTxTime | POLL消息发送的时间戳 |
| FINALTxTime | FINAL消息发送的时间戳 |
| RxAnchorID | 定位终端收到的定位基站标识 |
| RxB_RESPTime | 定位终端收到定位基站联合响应消息的时间戳 |
例如，M=10，N=10。定位终端1、定位终端2、定位终端3依次在第1个轮询时隙、第2个轮询时隙、第3个轮询时隙上发送轮询消息。定位终端1发送的轮询消息中包含定位终端1的标识信息TagID1，定位终端2发送的轮询消息中包含定位终端2的标识信息TagID2，定位终端3发送的轮询消息中包含定位终端3的标识信息TagID3。
定位基站1、定位基站2、定位基站3、定位基站4依次在第1个联合响应时隙、第2个联合响应时隙、第3个联合响应时隙、第4个联合响应时隙上发送联合响应消息。定位基站1收到定位终端1、定位终端2的轮询消息，因此定位基站1发送的联合响应消息中包含定位基站1的标识信息AnchorID1，定位终端标识列表{TagID1, TagID2}。定位基站2收到定位终端2、定位终端3的轮询消息，因此定位基站2发送的联合响应消息中包含定位基站2的标识信息AnchorID2，定位终端标识列表{TagID2, TagID3}。定位基站3收到定位终端1、定位终端3的轮询消息，因此定位基站3发送的联合响应消息中包含定位基站3的标识信息AnchorID3，定位终端标识列表{TagID1, TagID3}。定位基站4收到定位终端1、定位终端2、定位终端3的轮询消息，因此定位基站4发送的联合响应消息中包含定位基站4的标识信息AnchorID4，定位终端标识列表{TagID1, TagID2, TagID3}。
定位终端1、定位终端2、定位终端3依次在第1个最终时隙、第2个最终时隙、第3个最终时隙上发送最终消息。定位终端1收到定位基站1、定位基站3、定位基站4的联合响应消息，因此定位终端1发送的最终消息中包含定位终端1的标识信息TagID1，测距序号RangeID1，收到定位基站联合响应消息的个数RxB_RESPNum1= 3，POLL消息发送的时间戳POLLTxTime1，FINAL消息发送的时间戳FINALTxTime1，收到的定位基站标识及联合响应消息的时间戳：{( AnchorID1, RxB_RESPTime11), ( AnchorID3, RxB_RESPTime13), (AnchorID4, RxB_RESPTime14)}。定位终端2收到定位基站1、定位基站2、定位基站4的联合响应消息，因此定位终端2发送的最终消息中包含定位终端2的标识信息TagID2，测距序号RangeID2，收到定位基站联合响应消息的个数RxB_RESPNum2= 3，POLL消息发送的时间戳POLLTxTime2，FINAL消息发送的时间戳FINALTxTime2，收到的定位基站标识及联合响应消息的时间戳：{( AnchorID1, RxB_RESPTime21), ( AnchorID2, RxB_RESPTime22), (AnchorID4, RxB_RESPTime24)}。定位终端3收到定位基站2、定位基站3、定位基站4的联合响应消息，因此定位终端3发送的最终消息中包含定位终端3的标识信息TagID3，测距序号RangeID3，收到定位基站联合响应消息的个数RxB_RESPNum3= 3，POLL消息发送的时间戳POLLTxTime3，FINAL消息发送的时间戳FINALTxTime3，收到的定位基站标识及联合响应消息的时间戳：{( AnchorID2, RxB_RESPTime32), ( AnchorID3, RxB_RESPTime33), (AnchorID4, RxB_RESPTime34)}。
参见图7，本发明实施例提供的多基站多终端接入流程示意图，如图7所示，包括以下步骤：
701：至少一个定位终端随机在接入帧的轮询时隙中向至少一个定位基站发送轮询消息，所述轮询消息包含所述定位终端的标识信息；
702：所述至少一个定位基站依次在所述接入帧的联合响应时隙中向所述至少一个定位终端发送联合响应消息，所述联合响应消息中包含所述定位基站的标识信息、所述至少一个定位终端的标识信息。
该实施方式中，上述定位终端和定位基站可以参见系统中测距流程的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施中，接入帧中包含A个轮询时隙、B个联合响应时隙。定位终端随机选择
A个轮询时隙中的一个轮询时隙发送轮询消息。定位终端发送的轮询消息中包含的信息如
下表所示。
| 域 | 描述 |
| Function code | 消息类型，表示轮询消息 |
| TagID | 定位终端标识 |
在具体实施中，定位基站在对应的联合响应时隙中发送联合响应消息，具体的，可
以是定位基站配置的联合响应时隙。定位基站发送的联合响应消息中包含的信息如下表所
示。其中，定位终端标识列表为定位基站收到的至少一个定位终端的标识信息。
| 域 | 描述 |
| Function code | 消息类型，表示联合响应消息 |
| AnchorID | 定位基站标识 |
| TagIDList | 定位终端标识列表 |
例如，A=15，B=10。定位终端4、定位终端5、定位终端6随机在第2个轮询时隙、第10个轮询时隙、第7个轮询时隙上发送轮询消息。定位终端4发送的轮询消息中包含定位终端4的标识信息TagID4，定位终端5发送的轮询消息中包含定位终端5的标识信息TagID5，定位终端6发送的轮询消息中包含定位终端6的标识信息TagID6。
定位基站5、定位基站6依次在第5个联合响应时隙、第6个联合响应时隙上发送联合响应消息。定位基站5收到定位终端4、定位终端5的轮询消息，因此定位基站5发送的联合响应消息中包含定位基站5的标识信息AnchorID5，定位终端标识列表{TagID4, TagID5}。定位基站6收到定位终端4、定位终端5、定位终端6的轮询消息，因此定位基站6发送的联合响应消息中包含定位基站6的标识信息AnchorID6，定位终端标识列表{TagID4, TagID5,TagID6}。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多基站多终端定位方法，其特征在于，包括：
定位基站向定位终端发送定位帧，所述定位帧包含多个测距帧；
所述测距帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙、多个最终时隙；
所述测距帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行测距流程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测距帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙、多个最终时隙，包括：
所述测距帧包含帧起始转换时间、轮询时隙到联合响应时隙转换时间、联合响应时隙到最终时隙转换时间、帧结束转换时间；
所述多个轮询时隙之间包含轮询时隙保护间隔；
所述多个联合响应时隙之间包含联合响应时隙保护间隔；
所述多个最终时隙之间包含最终时隙保护间隔。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测距帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行测距流程，包括：
所述至少一个定位终端依次在所述测距帧的轮询时隙中向所述至少一个定位基站发送轮询消息，所述轮询消息包含所述定位终端的标识信息；
所述至少一个定位基站依次在所述测距帧的联合响应时隙中向所述至少一个定位终端发送联合响应消息，所述联合响应消息中包含所述定位基站的标识信息、所述至少一个定位终端的标识信息；
所述至少一个定位终端依次在所述测距帧的最终时隙中向所述至少一个定位基站发送最终消息，所述最终消息包含所述定位终端的标识信息、测距信息。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述定位帧包含至少一个接入帧；
所述接入帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙；
所述接入帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行接入流程。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接入帧包含多个轮询时隙、多个联合响应时隙，包括：
所述接入帧包含帧起始转换时间、轮询时隙到联合响应时隙转换时间、帧结束转换时间；
所述多个轮询时隙之间包含轮询时隙保护间隔；
所述多个联合响应时隙之间包含联合响应时隙保护间隔。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接入帧用于至少一个定位终端和至少一个定位基站进行接入流程，包括：
所述至少一个定位终端随机在所述接入帧的轮询时隙中向所述至少一个定位基站发送轮询消息，所述轮询消息包含所述定位终端的标识信息；
所述至少一个定位基站依次在所述接入帧的联合响应时隙中向所述至少一个定位终端发送联合响应消息，所述联合响应消息中包含所述定位基站的标识信息、所述至少一个定位终端的标识信息。
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