CN114980311A - 一种解决超宽带脉冲tof定位时隙冲突的方法 - Google Patents

一种解决超宽带脉冲tof定位时隙冲突的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信传输技术领域，具体而言，涉及一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法，该方法的步骤包括：在设定定位周期内，各个基站分别生成resp数据帧，并按照Time‑slot顺序将resp数据帧发送至终端设备处，终端设备将接收到的resp数据帧的时间戳进行保存并整合，形成Final数据帧；对基站进行Final数据帧的广播，并对Final数据帧进行有效性校验，若Final数据帧的有效性达到设定值，则保存并提取终端设备接收到的resp数据帧的时间戳与基站接收到Final数据帧的时间戳，上发至位置解算平台，解得当前基站的resp数据帧的飞行时间及直线距离。本发明相对于长地址校验，显著缩短了数据帧的传输时间，并且没有复杂的计算过程，对终端设备及基站性能没有明显的影响。

Description

一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法
技术领域
本发明涉及通信传输技术领域，具体而言，涉及一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法。
背景技术
超宽带(UWB)脉冲定位技术是利用利用高频无线脉冲进行定位的一种技术。超宽带在室内、室外定位时，同时存在室外直线距离大于200m，室内定位具有不超过20m的应用场景。在实际应用中，超宽带在定位场景过大的情况下，存在以下几种情况：若基站一和基站二为同一个Time-solt的情况下，当基站一与基站二都收到Final数据帧时，不确定是否收到基站对应的正确时间戳；当基站接收到错误的时间戳时位置解算就会出现很大的偏差导致位置漂移严重出现位置跳变的情况；当基站未能收到正确时间戳这种现象过多时，位置解算服务收到的数据不足会影响位置解算及解算精度。在上述情况下，若采用扩充Time-slot能够解决冲突问题，但随着Time-slot数量的增加，定位周期的时间也会增加，当定位周期增加时，系统处理高功耗时间增加，同时对快速移动物体定位时，在多普勒效应的叠加下定位的精度会进一步降低；若采用基站的长地址传输及校验时，整个传输数据帧长度就会增加，尤其是Final数据帧长度增加得更加明显，因而Final数据帧的传输时间增加显著，当数据空中传输时间增加时，不仅会减小整个定位系统的终端设备容量，增加终端设备端的发送功耗开销，而且会出现数据传输误码率增加等现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法，其用于解决上述技术问题。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种解决超带宽脉冲TOF定位时隙冲突的方法，包括如下内容：
在设定定位周期内，各个基站分别生成resp数据帧，并按照Time-slot顺序将resp数据帧发送至终端设备处，终端设备将接收到的resp数据帧的时间戳进行保存并整合，形成Final数据帧；
对基站进行Final数据帧的广播，并对Final数据帧进行有效性校验，若Final数据帧的有效性低于设定值，则判定Final数据帧内的数据异常，删除数据并结束流程；若Final数据帧的有效性达到设定值，则保存并提取终端设备接收到的resp数据帧的时间戳与基站接收到Final数据帧的时间戳，上发至位置解算平台，解得当前基站的resp数据帧的飞行时间及直线距离。
可选的，resp数据帧的生成具体为：以EUI为随机数生成种子，生成初始随机数，并打包基站的短地址信息，形成resp数据帧。
可选的，所述设定定位周期的计算公式如下所示：
Ttotal＝(N+2)*Ts
其中，N为Time-slot数量，Ts为每个Time-slot的时间，Ttotal为定位周期的时间。
可选的，所述Final数据帧的有效性，其具体校验的方法为：校验Final数据帧中的随机数是否与初始随机数一致，校验Final数据帧中的短地址是否跟当前基站的短地址一致，若对Final数据帧的校验出现任意一项或全部不一致时，则判定Final数据帧内的数据异常，删除数据并结束流程；若上述校验都通过的情况下，则保存并提取终端设备接收到的resp数据帧的时间戳与基站接收到Final数据帧的时间戳，上发至位置解算平台，解得当前基站的resp数据帧的飞行时间及直线距离。
一种应用于上述任意一项所述解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突方法的系统，包括：基站、终端设备、位置解算平台；所述基站与所述位置解算平台连接，所述基站与终端设备连接；
其中，所述基站包括生成模块、打包模块、有效性校验模块；
生成模块，用于生成初始随机数；
打包模块，用于打包基站的短地址信息；
有效性校验模块，用于对Final数据帧的有效性进行校验。
一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法的步骤。
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法的步骤。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明设计合理、结构简单，本发明相对于不增加校验的数据帧增加了128bit的数据，当传输速率位110kbps时，整个final帧数据传输时间仅增加了约1ms；
在原Time-slot时长余量充足的情况下，不需要额外增加时长就能实现时间戳校验功能；
没有复杂的计算过程，对终端设备及基站性能没有明显的影响，且不会明显增加终端设备的功耗；
相对于长地址校验，显著缩短了数据帧的传输时间，由4.2ms缩短至约1ms；
在多个定位区域组下上发给位置解算的消息中不存在无效且错误的飞行时间消息。
附图说明
图1为本发明提供的标准定位场景的示意图；
图2为本发明提供的大范围定位场景的示意图；
图3为本发明提供的加入Anchor的EUI后resp数据帧的格式示意图；
图4为本发明提供的方法框架示意图；
图5为本发明提供的一种解决超带宽脉冲TOF定位时隙冲突的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示，目前，TOF定位算法通用的方式是8个anchor(基站)，8个Time-slot(时隙)，每个Time-slot中anchor向tag(终端设备，此处为标签)发送resp数据帧，tag接收resp数据帧获取收到数据帧的时间戳保存在final数据帧中，在接收完resp数据帧后向anchor广播final数据帧，anchor从final数据帧中获取对应Time-slot的时间戳，计算当前anchor的resp数据帧的飞行时间及直线距离。
如图2所示，当定位场景过大的时候需要不止8个anchor，也就存在不止一个Time-slot group,这是就相同Time-slot号就存在多个anchor,定位时隙就会发生冲突，当tag处于2个group之间时就会可能收到两个group的信号，以Time-slot0举例这时tag端就存在3种情况；
1)tag收到Anchor0-1的消息，获得时间戳T0-1；
2)tag收到Anchor0-2的消息，获得时间戳T0-2；
3)tag未能正确接收到Time-slot0的消息。
Anchor端存在7种情况：
1)Anchor0-1收到final消息，获得时间戳T0-1；
2)Anchor0-2收到final消息，获得时间戳T0-1；
3)Anchor0-1收到final消息，获得时间戳T0-2；
4)Anchor0-2收到final消息，获得时间戳T0-2；
5)Anchor0-1和Anchor0-2收到final消息，获得时间戳T0-1；
6)Anchor0-1和Anchor0-2收到final消息，获得时间戳T0-2；
7)Anchor0-1和Anchor0-2未能收到final消息。
在上述情况中Anchor0-1收到final消息，获得时间戳T0-1，Anchor0-2收到final消息，获得时间戳T0-2是最理想的状态，能获得正确的消息飞行时间。
当Anchor0-1和Anchor0-2都收到消息时无论T0-1还是T0-2位置解算服务不能确定哪个时间是正确的。
当Anchor收到错误的时间戳时位置解算就会出现很大的偏差导致位置漂移严重出现位置跳变的情况。
当Anchor未能收到时间戳这种现象过多时，位置解算服务收到的数据不足会影响位置解算及解算精度。
基于上述情况，若扩充Time-slot能够解决冲突问题，但随着Time-slot数量的增加，一个定位周期的时间也会增加，当定位周期增加时，系统处理高功耗时间增加，同时对快速移动物体定位时，在多普勒效应的叠加下定位的精度会进一步降低。
若在resp数据帧中加入Anchor的长地址时整个数据包长度就会增加，Final数据帧包含所有Time-slot的resp时间戳跟Anchor地址信息数据帧中Ranging Message数据长度就会增加，Final数据帧长度会增加512bit，当传输速率为110Kbps时，每个数据bit传输时间约为8.2μs，整个final数据帧传输时间至少会增加4.2ms，且不包含收发过程中的数据处理时间。Final数据帧时间增加每个Time-slot的时间会增加，整个定位周期就会增加，当数据空中传输时间增加时会减小整个定位系统的tag容量，增加tag端的发送功耗开销，数据传输误码率会增加。
在上述问题的基础上，本发明提供了如下构思，如图3所示，在resp数据帧中加入Anchor的EUI(设备地址)，其中Destination Address与Source Address可以为局域网短地址2个Byte,也可以为长地址8个Byte。此时，我们采用Anchor的局域网短地址做校验信息，但是在同一个局域网中也可能存在短地址相同的情况，在此基础上在每次通信时生成一个随机数取代短地址的高数据位。
Figure BDA0003651995430000071
Anchor在接收到Final数据帧时，会校验数据包中的随机数是否跟生成的一致，同时短地址是否跟当前Anchor的短地址一致，只有2种校验都通过时，才会提取数据帧终端时间戳参与飞行时间运算，并上发至位置解算平台。
因此，如图4、图5所示，本发明提供了其中一种实施例：一种解决超带宽脉冲TOF定位时隙冲突的方法，包括如下内容：
在设定定位周期内，各个基站分别生成resp数据帧，并按照Time-slot顺序将resp数据帧发送至终端设备处，终端设备将接收到的resp数据帧的时间戳进行保存并整合，形成Final数据帧；
对基站进行Final数据帧的广播，并对Final数据帧进行有效性校验，若Final数据帧的有效性低于设定值，则判定Final数据帧内的数据异常，删除数据并结束流程；若Final数据帧的有效性达到设定值，则保存并提取终端设备接收到的resp数据帧的时间戳与基站接收到Final数据帧的时间戳，上发至位置解算平台，解得当前基站的resp数据帧的飞行时间及直线距离。
可选的，resp数据帧的生成具体为：以EUI为随机数生成种子，生成初始随机数，并打包基站的短地址信息，形成resp数据帧。
可选的，所述设定定位周期的计算公式如下所示：
Ttotal＝(N+2)*Ts
其中，N为Time-slot数量，Ts为每个Time-slot的时间，Ttotal为定位周期的时间。
可选的，所述Final数据帧的有效性，其具体校验的方法为：校验Final数据帧中的随机数是否与初始随机数一致，校验Final数据帧中的短地址是否跟当前基站的短地址一致，若对Final数据帧的校验出现任意一项或全部不一致时，则判定Final数据帧内的数据异常，删除数据并结束流程；若上述校验都通过的情况下，则保存并提取终端设备接收到的resp数据帧的时间戳与基站接收到Final数据帧的时间戳，上发至位置解算平台，解得当前基站的resp数据帧的飞行时间及直线距离。
一种应用于上述任意一项所述解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突方法的系统，包括：基站、终端设备、位置解算平台；所述基站与所述位置解算平台连接，所述基站与终端设备连接；
其中，所述基站包括生成模块、打包模块、有效性校验模块；
生成模块，用于生成初始随机数；
打包模块，用于打包基站的短地址信息；
有效性校验模块，用于对Final数据帧的有效性进行校验。
一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法的步骤。
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法的步骤。
本实施例采用了以下技术手段：
1、在有限的空中时间传输的内，增加少量的数据，校验飞行时间数据的有效性，消除定位解算过程中可能出现的错误数据。
2、随机数加地址校验，以EUI为随机数生成种子加上设备短地址，减小了校验数据的重复率同时不会有过多的额外开销。
3、在不增加Time-slot的情况下解决大范围超带宽定位时隙分配及定位漫游的一种方法。
4、不需要扩充Time-slot及增加Time-slot时间，对旧设备有良好的兼容性。
5、Anchor部署时不需要对Anchor的EUI做额外的调配。
选用本发明所提供的实施例，能够达到如下技术效果：
1、此方法相对于不增加校验的数据帧增加了128bit的数据，当传输速率位110kbps时，整个final帧数据传输时间仅增加了约1ms。
2、在原Time-slot时长余量充足的情况下，不需要额外增加时长就能实现时间戳校验功能。
3、没有复杂的计算过程，对tag及Anchor性能没有明显的影响，且不会明显增加tag的功耗。
4、相对于长地址校验，显著缩短了数据帧的传输时间。由4.2ms缩短至约1ms。
5、在多个定位区域组下上发给位置解算的消息中不存在无效且错误的飞行时间消息。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法，其特征在于，包括如下内容：
在设定定位周期内，各个基站分别生成resp数据帧，并按照Time-slot顺序将resp数据帧发送至终端设备处，终端设备将接收到的resp数据帧的时间戳进行保存并整合，形成Final数据帧；
对基站进行Final数据帧的广播，并对Final数据帧进行有效性校验，若Final数据帧的有效性低于设定值，则判定Final数据帧内的数据异常，删除数据并结束流程；若Final数据帧的有效性达到设定值，则保存并提取终端设备接收到的resp数据帧的时间戳与基站接收到Final数据帧的时间戳，上发至位置解算平台，解得当前基站的resp数据帧的飞行时间及直线距离。
2.根据权利要求1所述的解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法，其特征在于，resp数据帧的生成具体为：以EUI为随机数生成种子，生成初始随机数，并打包基站的短地址信息，形成resp数据帧。
3.根据权利要求2所述的解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法，其特征在于，所述设定定位周期的计算公式如下所示：
Ttotal＝(N+2)*Ts
其中，N为Time-slot数量，Ts为每个Time-slot的时间，Ttotal为定位周期的时间。
4.根据权利要求3所述的解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法，其特征在于，所述Final数据帧的有效性，其具体校验的方法为：校验Final数据帧中的随机数是否与初始随机数一致，校验Final数据帧中的短地址是否跟当前基站的短地址一致，若对Final数据帧的校验出现任意一项或全部不一致时，则判定Final数据帧内的数据异常，删除数据并结束流程；若上述校验都通过的情况下，则保存并提取终端设备接收到的resp数据帧的时间戳与基站接收到Final数据帧的时间戳，上发至位置解算平台，解得当前基站的resp数据帧的飞行时间及直线距离。
5.一种应用于权利要求1-4任意一项所述解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突方法的系统，其特征在于，包括：基站、终端设备、位置解算平台；所述基站与所述位置解算平台连接，所述基站与终端设备连接；
其中，所述基站包括生成模块、打包模块、有效性校验模块；
生成模块，用于生成初始随机数；
打包模块，用于打包基站的短地址信息；
有效性校验模块，用于对Final数据帧的有效性进行校验。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任意一项所述的一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法的步骤。
7.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任意一项所述的一种解决超宽带脉冲TOF定位时隙冲突的方法的步骤。
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