CN113820696B - 超宽带测距的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了超宽带测距的装置和方法。本发明涉及一种超宽带(UWB)测距装置和一种使用该装置的UWB测距方法。UWB测距装置包括：存储器，在该存储器中存储有用于UWB测距的程序；以及处理器，被配置为执行程序，其中，UWB测距装置通过发送包括加扰时间戳序列(STS)和有效载荷的集成分组来执行UWB测距。

Description

超宽带测距的装置和方法
相关申请的交叉引证
本申请要求于2020年6月2日提交的申请号10-2020-0066691的韩国专利申请的优先权和权益，其公开内容通过引用全部合并于此。
技术领域
本发明涉及一种超宽带(UWB)测距装置和一种使用该装置的UWB测距方法。
背景技术
超宽带(UWB)技术是用于通过使用飞行时间(ToF)技术将通信实体之间的信号到达时间乘以光速来计算通信实体之间的距离的技术。
根据现有技术，由于用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的加扰时间戳序列(STS)的帧不同，因此存在不必要的帧被发送的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种超宽带(UWB)测距装置和一种使用该装置的UWB测距方法，在UWB测距装置中，将用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的加扰时间戳序列(STS)的帧集成，从而提高UWB测距效率。
根据本发明的UWB测距装置包括存储器，其中存储用于UWB测距的程序；以及处理器，其配置为执行该程序，其中该处理器通过传输包括STS和有效载荷的集成分组来执行UWB测距。
处理器可传输包括该集成分组的轮询和最终补丁。
处理器可基于实际轮询传输时间来计算传输时间的误差，并且可基于该误差来估计最终传输时间。
当应用天线分集或当重复执行测距时，处理器可计算先前阶段中传输时间的误差的平均值，并且可基于该平均值来估计最终传输时间。
根据本发明的UWB测距方法包括传输包括STS和有效载荷的轮询的操作(a)，估计最终传输时间的操作(b)，以及通过使用操作(b)中的估计结果来传输包括STS和有效载荷的最终补丁的操作(c)。
在操作(a)中，可通过将用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的STS的帧集成来向锚点传输轮询。
在操作(b)中，可基于实际轮询传输时间来计算传输时间的误差，并且可通过应用该误差来估计最终传输时间。
在操作(b)中，当应用天线分集或当重复执行测距时，可计算先前阶段中传输时间的误差的平均值，并且可基于该平均值来估计最终传输时间。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的以上目的和其它目的、特征和优点对于本领域的普通技术人员将变得更加明显，其中：
图1示出根据现有技术的超宽带(UWB)测距；
图2示出根据本发明的实施例的UWB测距装置；
图3A至图3C示出根据本发明的实施例的帧格式；
图4示出根据本发明的实施例的UWB测距；
图5和图6示出根据本发明的实施例的最终传输时间的估计；以及
图7示出根据本发明的实施例的UWB测距方法。
具体实施方式
本发明的以上目的和其它目的、优点和特征以及用于实现本发明的方法将从下面参照附图详细描述的实施例中更清楚地理解。
然而，本发明不限于以下实施例，而是可以以各种不同的形式实现。相反，提供这些实施例仅是为了完成本发明的公开并且允许本领域技术人员理解本发明的范畴。本发明由权利要求的范畴限定。
同时，本说明书中使用的术语是为了描述实施例，而不是为了限制本发明。如本文所用，除非上下文中另有定义，否则单数表达包括复数表达。将进一步理解的是，术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”在本说明书中使用时指定所陈述的组件、步骤、操作和/或元件的存在，但不排除一个或多个其他组件、步骤、操作和/或其元件的存在或添加。
为了提供基于本地的服务(LBS)，使用诸如全球定位系统(GPS)、Wi-Fi和蓝牙的技术。这些技术具有难以进行准确测量的问题，但是超宽带(UWB)技术(在6GHz至8GHz的频带范围和500MHz或更大的带宽中)的优点在于，可以通过低功率通信以宽频带在约数十厘米内的高准确度来进行定位。
根据现有技术的基于GPS的位置跟踪技术和基于移动通信网络的位置跟踪技术分别具有5m至50m的误差范围和50m至200m的误差范围，并且在GPS的情况下，从卫星发送的信号到达在城市建筑森林中可能被中断。
在Wi-Fi的情况下，可以以低成本实现位置跟踪，但是由于所使用的频带窄，因此当要进行位置跟踪对象的数量增加时，可能存在信道划分的限制。另外，移动终端可能从固定Wi-Fi接入点(AP)断开。
在蓝牙的情况下，尽管可以以低成本布置多个传感器，但是由于蓝牙通信延迟高，而使蓝牙不适于动态环境中的实时位置跟踪。
UWB技术是通过在6GHz至8GHz的频带范围和500MHz或更大的带宽中使用飞行时间(ToF)技术将通信实体之间的信号到达时间乘以光速来计算通信实体之间的距离的技术。
与Wi-Fi和蓝牙不同，在UWB的情况下，使用宽频带，并且可以以低功率通过高传输速率发送大量信息。
使用UWB技术的定位的优点在于具有约20cm的低误差率、具有相对于障碍物具有高透射率、并且不受Wi-Fi等其它信号的影响的优点。
测距是指测量一个装置(卡(fob))与一个锚点之间的距离的动作，并且数据结构符合IEEE802.15.4z标准，并且用约200微秒发送一个分组。
时隙被定义为卡或锚点在发送(或接收)一次信号后直到下一时间发发送(或接收)信号所花费的时间。
图1示出根据现有技术的UWB测距，并且示出基于四个锚点的测距顺序。
装置10在第一时隙中向第一锚点21至第四锚点24发送预轮询，并且在该情况下，装置10使用具有包括有效载荷而无加扰时间戳序列(Scrambled Timestamp Sequence，STS)的结构的帧格式，以便发送诸如时间戳的数据。
装置10在第二时隙中向第一锚点21至第四锚点24发送轮询，并且在该情况下，装置10使用包括STS的帧格式，以便附加时间戳。
第一锚点21至第四锚点24在第三时隙至第六时隙中向装置10发送响应，并且装置10在第七时隙中向第一锚点21至第四锚点24发送最终分组。
装置10在第八时隙中向第一锚点21至第四锚点24发送最终数据，并且在该情况下，如在预轮询中一样，装置10使用具有包括有效载荷而无STS的结构的帧格式，以便发送数据。
根据上述现有技术，由于用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的STS的帧不同，因此存在不必要的帧被发送的问题。
图2示出根据本发明的一个实施例的UWB测距装置；
根据本发明的UWB测距装置100包括存储器110、处理器120等。存储器110可以是与处理器120通信并且存储指令的任何计算机可读介质，该指令在被处理器120执行时，使处理器120控制UWB测距装置100执行与UWB测距相关的一个或多个操作。UWB测距装置100发送包括STS和有效载荷的集成分组以执行UWB测距。
UWB测距装置100发送轮询和最终分组，该轮询和最终分组包括将用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的STS的帧集成的分组。
UWB测距装置100基于实际轮询传输时间来计算传输时间的误差、基于该误差估计最终传输时间、并且发送包括所估计的最终传输时间的最终分组。
当应用天线分集或当重复执行测距时，UWB测距装置100计算在先前阶段中的传输时间的误差的平均值、基于该平均值估计最终传输时间、并且发送包括所估计的最终传输时间的最终分组。
图3A至图3C示出根据本发明的实施例的帧格式。
图3A示出包括用于附加时间戳的STS的帧格式；图3B示出具有包括有效载荷而无STS的结构的帧格式，以便发送诸如时间戳的数据；以及图3C示出能够附加时间戳并且还能够发送数据的结构。
图4示出根据本发明的一个实施例的UWB测距。
当要发送轮询时，根据本发明的一个实施例的装置100通过使用能够附加时间戳并且还能够发送数据的结构(即，通过将用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的STS的帧集成)，将轮询发送到第一锚点210至第四锚点240。
在第二时隙至第五时隙中，第一锚点210至第四锚点240向装置100发送响应，并且在该情况下，使用具有包括用于附加时间戳的STS的结构的帧格式。
在第六时隙中，当要发送最终分组时，与轮询类似，装置100通过将用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的STS的帧集成，来将最终分组发送到第一锚点210至第四锚点240。
与图1所示相比，根据本发明的实施例，以六个时隙执行测距，从而减少了时隙的数量以实现功率优化并且提高UWB测距效率。
根据本发明的实施例，当在最后时隙(图4的第六时隙)中包括对应信号发送的时间(时间戳)时，通过估计最后时隙的传输时间来包括STS。
即，通过使用当装置100发送轮询时发生的传输误差来估计最后时隙的传输时间。这是因为：由于传输时间的误差主要由UWB模块单元中的制造误差和根据环境(温度/湿度)的振荡器误差而引起，并且轮询与最终补丁(patch)之间的传输时间仅仅是几毫秒(ms)，因此可假设轮询与最终补丁的环境基本上相同(另一方面，由于响应接收时间包括ToF，因此它不可用)。
图5和图6示出根据本发明的实施例的最终传输时间的估计。
参照图5，时隙之间的时间是可变的，但是该时间被假设为1ms。
当第一时隙中的实际轮询传输时间是1.002ms时，装置100使用轮询传输时间的误差来估计最终传输时间，以将第六时隙中的传输时间估计为6.002ms。
参照图6，当多次发送相同的信号时(例如当应用天线分集时、或者当连续重复测距时)，增加参数，因此，可通过使用实际传输时间的误差的平均值来估计更准确的最终传输时间。
即，当第一时隙的实际第一轮询传输时间是1.001ms并且第二时隙的实际第二轮询传输时间是2.003ms时，误差的平均值是0.002ms，并且基于先前信号的传输时间的误差的平均值，将第十一时隙的最终传输时间估计为11.002ms。
图7示出根据本发明的一个实施例的UWB测距方法。
根据本发明的实施例的UWB测距方法包括：发送包括STS和有效载荷的轮询(S710)、估计最后时隙的最终传输时间(S720)、以及通过使用估计结果来发送包括STS和有效载荷的最终补丁(S730)。
在操作S710中，通过将用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的STS的帧集成，来向锚点发送轮询。
在操作S720中，基于第一时隙中的实际轮询传输时间来计算传输时间的误差，并且通过应用该误差来估计最终传输时间。
在操作S720中，当应用天线分集或当重复测距时，计算先前阶段中的传输时间的误差的平均值，并且基于该平均值来估计最终传输时间。
在操作S730中，通过使用估计结果，通过将用于数据通信的帧与添加了用于附加时间戳的STS的帧集成来向锚点发送最终补丁。
根据本发明的实施例，与根据现有技术的UWB测距操作相比，通过将用于数据通信的帧与用于附加时间戳的帧集成来执行发送/接收，从而减少时隙的数量以实现功率优化并且提高UWB测距效率。
本发明的效果不限于前述内容，本领域技术人员从以下描述中将清楚地理解本文未描述的其它效果。
同时，根据本发明的实施例的UWB测距方法可在计算机系统中实现或者记录在记录介质中。该计算机系统可包括至少一个处理器、存储器，用户输入装置、数据通信总线、用户输出装置和存储装置。上述组件中的每一个通过数据通信总线执行数据通信。
该计算机系统还可以包括耦接到网络的网络接口。处理器可以是处理存储在存储器和/或存储装置中的命令的中央处理器(CPU)或半导体器件。
存储器和存储装置可包括各种类型的易失性或非易失性存储介质。例如，存储器可包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。
因此，根据本发明的实施例的UWB测距方法可以实现为计算机可执行的方法。当根据本发明的实施例的UWB测距方法在计算机装置中执行时，计算机可读命令可以执行根据本发明的测距方法。
同时，根据本发明的上述UWB测距方法还可以实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。该计算机可读记录介质包括存储有可由计算机系统读取的数据的任何类型的记录介质。计算机可读记录介质的示例包括ROM、RAM、磁带、磁盘、闪存、光学数据存储装置等。此外，计算机可读记录介质还可分布在网络耦接的计算机系统上，使得计算机可读代码可以以分布式方式存储和执行。
到目前为止，已经参照本发明的实施例描述了本发明。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行各种改变。因此，所公开的实施例应当仅被认为是描述性的，而不是为了限制的目的。而且，本发明的范围不是由实施例的详细描述限定，而是由所附权利要求限定，并且其范围内的所有差异应被解释为包括在本发明中。

Claims (5)

1.一种超宽带UWB测距装置，包括：
处理器；以及
计算机可读介质，与所述处理器通信并且存储指令，所述指令在被所述处理器执行时，使所述处理器控制所述UWB测距装置执行：
发送包括加扰时间戳序列STS和有效载荷的集成分组，
执行轮询和最终补丁的发送，所述最终补丁包括所述集成分组；以及
基于实际轮询传输时间计算传输时间的误差；以及
基于所计算的误差估计最终传输时间。
2.根据权利要求1所述的UWB测距装置，其中，所述指令在被所述处理器执行时，还使所述处理器控制所述UWB测距装置执行：
确定先前阶段中已应用天线分集或者已重复执行UWB测距；
计算所述先前阶段中的多个传输时间的多个误差的平均值；以及
基于所计算的平均值估计所述最终传输时间。
3.一种超宽带UWB测距方法，包括：
发送包括加扰时间戳序列STS和有效载荷的轮询；
估计最终传输时间，其中，估计所述最终传输时间包括基于实际轮询传输时间计算用于发送所述轮询的传输时间的误差，并且基于所计算的误差估计所述最终传输时间；并且
基于所估计的最终传输时间来发送包括所述STS和所述有效载荷的最终补丁。
4.根据权利要求3所述的UWB测距方法，其中，通过将用于数据通信的第一帧与添加了用于附加时间戳的所述STS的第二帧集成，来向锚点发送所述轮询。
5.根据权利要求3所述的UWB测距方法，其中，估计所述最终传输时间还包括：
确定先前阶段中已应用天线分集或者已重复执行UWB测距；
计算所述先前阶段中的多个传输时间的多个误差的平均值；并且
基于所计算的平均值估计所述最终传输时间。
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