CN117715189A - 一种超宽带帧的发送方法和通信设备 - Google Patents

一种超宽带帧的发送方法和通信设备 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种超宽带帧的发送方法和通信设备，涉及通信技术领域，能够提升UWB发送和接收过程中的安全防护能力。具体方案为：通信设备获取超宽带帧的密钥信息，超宽带帧包括多个数据片段。通信设备按照多个数据片段间的时间间隔发送多个数据片段，或通信设备按照多个数据片段间的时间间隔接收多个数据片段，多个数据片段间的时间间隔是根据密钥信息确定的。本申请实施例用于通信设备发送超宽带帧的过程。

Description

一种超宽带帧的发送方法和通信设备
技术领域
本申请实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种超宽带帧的发送方法和通信设备。
背景技术
超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)无线技术的特点是信号为很窄的脉冲信号，具有较好的多径解析能力，可以在室内复杂的多径环境下保证厘米级别的测距精度。但是，UWB无线技术下，超宽带芯片的面积、功耗及成本较高。
目前的一种方案是利用窄带(Narrow-Band，NB)信号来进行数据传输，并由NB为UWB信号提供时间同步信息，UWB只需要发送信道脉冲响应(Channel Impulse Response，CIR)训练序列进行测距。该方案是通过将UWB的CIR训练序列分成多个片段进行发送，从而增加UWB的链路预算(link budget)，提高UWB中的脉冲发射功率。即功率谱密度不变的情况下，可增加UWB信号的覆盖距离。
但是，由于安全防护是实现安全测距应用的重要技术，目前的方案未对CIR训练序列提供安全保护措施，CIR训练序列中的片段的安全防护能力差。
发明内容
本申请实施例提供一种超宽带帧的发送方法和通信设备，能够提升UWB发送和接收过程中的安全防护能力。
为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案。
第一方面，提供一种超宽带帧的发送方法，该方法包括：通信设备获取超宽带帧的密钥信息，超宽带帧包括多个数据片段。通信设备按照多个数据片段间的时间间隔发送多个数据片段，或通信设备按照多个数据片段间的时间间隔接收多个数据片段，多个数据片段间的时间间隔是根据密钥信息确定的。
也就是说，本申请中的通信设备在发送超宽带帧的过程中，可使用密钥信息对超宽带帧中的数据片段间的时间间隔进行加密后发送。相应地，通信设备在接收超宽带帧的过程中，可使用密钥信息确定数据片段间的时间间隔后，可按照该时间间隔接收超宽带帧。
本申请实施例不需要增加物理层实现代价，可在时间维度上对超宽带帧提供安全防护，这种采用结合加密的方式进行超宽带帧的数据片段间侧时间间隔的配置，可确保超宽带帧的安全收发。
在一种可能的设计中，多个数据片段用于测距。这样一来，在超宽带帧用于测距的过程中，通过密钥信息对超宽带帧中的多个数据片段间的时间间隔进行加密，可提升超宽带帧用于测距过程中的安全防护能力。
在一种可能的设计中，密钥信息为发送超宽带帧的通信设备和接收超宽带帧的通信设备间的对称密钥；
在通信设备按照多个数据片段间的时间间隔发送多个数据片段，或按照多个数据片段间侧时间间隔接收多个数据片段之前，该方法还包括：通信设备根据对称密钥生成随机数，并根据随机数确定多个数据片段间的时间间隔。
在本申请中，采用超宽带帧的发送侧和接收侧的对称密钥对超宽带帧的多个数据片段的时间间隔进行加密，可实现发送侧和接收侧按照一致的时间间隔控制超宽带帧的发送和接收。在发送侧和接收侧，根据对称密钥确定随机数，并根据随机数确定的多个数据片段间的时间间隔是相同的。
在一种可能的设计中，多个数据片段间的时间间隔相同。其中，多个数据片段间的时间间隔的值为随机数；或者，多个数据片段间的时间间隔的值是根据随机数进行计算后得到的。
也就是说，采用对称密钥确定随机数，并根据随机数确定的时间间隔的值为一种。多个数据片段间的时间间隔根据这一种时间间隔的值确定即可。
在一种可能的设计中，多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
通信设备根据密钥信息生成随机数，并根据随机数确定多个数据片段间的时间间隔包括：通信设备根据对称密钥生成多个随机数，将多个随机数配置为多个数据片段间的时间间隔；或，通信设备根据对称密钥生成多个随机数，并根据多个随机数进行计算，得到多个数据片段间的时间间隔。
假设通信设备为发送设备，该发送设备可根据对称密钥设定超宽带帧中的多个数据片段间不完全相同的时间间隔，以按照时间间隔发送多个数据片段，确保发送设备发送超宽带帧时的安全。假设通信设备为接收设备，该接收设备也可根据对称密钥确定超宽带帧中的多个数据片段间不完全相同的时间间隔，以按照时间间隔接收多个数据片段，确保接收侧正确接收超宽带帧的多个数据片段。
在一种可能的设计中，多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
通信设备根据对称密钥生成随机数，并根据随机数确定多个数据片段间的时间间隔包括：通信设备根据对称密钥生成第一随机数，第一随机数为多个随机数中的一个，多个随机数对应多种时间间隔模式；通信设备获取第一随机数对应的第一时间间隔模式，第一时间间隔模式用于指示多个数据片段间的时间间隔。
在这种设计中，相当于预先设定了多种时间间隔模式，每种时间间隔模式中用于多个数据片段间侧时间间隔。如果通信设备根据对称密钥生成的第一随机数确定，第一随机数对应的第一时间间隔模式即确定，对于发送侧和接收侧来说，确定的第一时间间隔模式也是相同的。这样可确保超宽带帧的收发过程中的安全。
在一种可能的设计中，超宽带帧包括同步字段和信道冲击响应训练序列CTS字段，CTS字段包括多个数据片段。其中，同步字段用于进行发送超宽带帧的测距设备和接收超宽带帧的测距设备间的时频同步，CTS字段用于得到测距结果。
在一种可能的设计中，多个数据片段是对多个前导符号进行划分得到的；
其中，多个前导符号是根据同步序列和扩频序列生成的，同步序列包括多个同步码，扩频序列包括多个扩频码，多个扩频码与多个前导符号一一对应。
在一种可能的设计中，多个前导符号中的单个前导符号是由同步序列和单个前导符号对应的扩频码生成的。
第二方面，提供一种通信设备，该通信设备包括：获取单元，用于获取超宽带帧的密钥信息，超宽带帧包括多个数据片段；收发单元，用于按照多个数据片段间的时间间隔发送多个数据片段，或按照多个数据片段间的时间间隔接收多个数据片段，多个数据片段间的时间间隔是根据密钥信息确定的。
第二方面的有益效果可参见第一方面的说明，第二方面不再赘述。
在一种可能的设计中，多个数据片段用于测距。
在一种可能的设计中，密钥信息为发送超宽带帧的通信设备和接收超宽带帧的通信设备间的对称密钥。获取单元，还用于：根据对称密钥生成随机数，并根据随机数确定多个数据片段间的时间间隔。
在一种可能的设计中，多个数据片段间的时间间隔相同。
其中，多个数据片段间的时间间隔的值为随机数；或者，多个数据片段间的时间间隔的值是根据随机数进行计算后得到的。
在一种可能的设计中，多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
获取单元，用于：根据对称密钥生成多个随机数，将多个随机数配置为多个数据片段间的时间间隔；或，根据对称密钥生成多个随机数，并根据多个随机数进行计算，得到多个数据片段间的时间间隔。
在一种可能的设计中，多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
获取单元用于：根据对称密钥生成第一随机数，第一随机数为多个随机数中的一个，多个随机数对应多种时间间隔模式；通信设备获取第一随机数对应的第一时间间隔模式，第一时间间隔模式用于指示多个数据片段间的时间间隔。
第三方面，提供一种通信装置，包括至少一个处理器，至少一个处理器与存储器相连，所述至少一个处理器用于读取并执行所述存储器中存储的程序，以使得所述装置执行如上述第一方面或第一方面的任一项所述的方法。
第四方面，提供一种芯片，所述芯片与存储器耦合，用于读取并执行所述存储器中存储的程序指令，以实现如上述第一方面或第一方面的任一项所述的方法。
第五方面，提供了一种测距设备，该测距设备包括：存储器和处理器。上述存储器和处理器耦合。该存储器用于存储计算机程序代码，该计算机程序代码包括计算机指令。该收发器用于接收数据和发送数据。当处理器执行该计算机指令时，以使该测距设备执行如第一方面或其相应的可能的设计提供的任意一种基于场景的超宽带帧的发送方法。
第六方面，本申请实施例提供了一种测距装置，该装置包含在电子设备中，该装置具有实现上述任一方面及任一项可能的实现方式中通信设备行为的功能。该功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。硬件或软件包括一个或多个与上述功能相对应的模块或单元。例如，获取模块或单元、收发模块或单元等。
第七方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括天线、一个或多个处理器以及一个或多个存储器。该一个或多个存储器与一个或多个处理器耦合，一个或多个存储器用于存储计算机程序代码，计算机程序代码包括计算机指令，当一个或多个处理器执行计算机指令时，使得电子设备执行上述第一方面及任一项可能的实现方式中的超宽带帧的发送方法。
第八方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机指令，当计算机指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述第一方面及任一项可能的实现方式中的超宽带帧的发送方法。
第九方面，本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机或处理器上运行时，使得计算机或处理器执行上述第一方面及任一项可能的实现方式中的超宽带帧的发送方法。
第十方面，本申请实施例提供了一种通信系统，该系统可以包括以上任一方面的任一项可能的实现方式中用于发送超宽带帧的通信设备和用于接收超宽带帧的通信设备。该通信设备可以执行上述第一方面及任一项可能的实现方式中的超宽带帧的发送方法。
可以理解的是，上述提供的任一种通信装置、通信设备、测距设备、芯片、计算机可读存储介质或计算机程序产品等均可以应用于上文所提供的对应的方法，因此，其所能达到的有益效果可参考对应的方法中的有益效果，此处不再赘述。
本申请的这些方面或其他方面在以下的描述中会更加简明易懂。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种在UWB数据包添加中STS字段进行安全防护的数据结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种测距数据的数据发送结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种超宽带帧的发送方法的网络框架示意图；
图4为本申请实施例提供的一种超宽带帧的发送方法流程示意图；
图5为本申请实施例提供的一种超宽带帧的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种超宽带帧的发送方法流程示意图；
图7为本申请实施例提供的一种超宽带帧的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种超宽带帧的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种超宽带帧的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种多个前导符号的构成示意图；
图11为本申请实施例提供的一种对Ncts个前导符号进行划分的示意图；
图12为本申请实施例提供的一种通信设备的结构示意图；
图13为本申请实施例提供的一种测距设备的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解，示例的给出了部分与本申请实施例相关概念的说明以供参考。如下所示：
UWB：又名超宽带，可采用时间间隔极短(例如小于1ns)的脉冲进行通信。本申请中，UWB可以是脉冲无线电(Impulse Radio，IR)-UWB，能够利用纳秒级别的窄脉冲信号传输数据，可用于高精度定位等场景。
NB：又名窄带，具有强连接、高覆盖、低功耗和低成本等优点。本申请不对NB的类型进行限制，例如可以是短距离无线技术中的窄带技术，比如蓝牙技术、WiFi技术或Zigbee等。
CIR：信道脉冲响应，可用于提取物理信道信息。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
随着万物互联时代的到来，UWB在日常生活中有着广泛的应用。和其他的商用无线技术，例如WiFi和蓝牙相比较，IR-UWB(以下简称UWB)无线技术的特点是信号为很窄的脉冲信号，例如为ns级别，具有较好的多径解析能力。
然而相较于窄带系统NB，UWB无线技术的缺点之一为功耗和成本较高。一个原因是，UWB同时实现数据传输和测距，但是，UWB进行数据传输通信的效能较低。另一个原因是，UWB的大宽带需要硬件工作在很高的信号采样率，例如GHz级别，即UWB芯片的时钟需要工作在很高的频率。这将使得UWB芯片的面积、功耗和成本相对较高。为了使得UWB无线技术有更多的吸引力，需要降低UWB芯片的面积、功耗和成本。
另外，UWB的另一个问题是覆盖距离受限。按照关于UWB频段使用规定里对功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)的要求，UWB的发射功率不能超过-41.3dBm/MHz。同时，UWB测距通常工作的频段为6-9GHz，在该频段上的信号衰减都较大。这些因素都会导致UWB测距的覆盖能力受限。
目前，一种技术中，较普遍采用的UWB测距协议为电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)802.15a/z的高速脉冲重复频率(high rate pulse repetition frequency，HPR)UWB协议，该协议中定义的信号格式支持数据传输和测距功能。同时，为了增加安全防护能力，在传输的信号中加入了一段较长的安全令牌服务(Security Token Services，STS)数据做安全防护。
示例性的，如图1所示为一种在UWB数据包添加中STS字段进行安全防护的数据结构示意图。图1示出了4个UWB数据包的结构。每个数据包括同步(Sync)字段、帧起始分隔符(start-of-frame delimiter，SFD)字段，部分数据包还包括物理信息头(PHY header，PHR)字段和物理层负载(PHY payload)字段。其中3个数据包包括STS字段。
在该协议下，UWB本身的复杂度较高，空中传输时间较长，UWB系统的功耗以及成本都较高，整体测距效率较低。另外，由于对较高数据传输速率的支持，UWB信号发送的meanPRF也较高。其中，mean PRF可理解为脉冲发射的频率，即单位时间内发送的脉冲的平均个数。PRF为脉冲重复频率(Pulse repetition frequency)。
在另一种技术中，可利用NB进行数据传输，且通过NB为UWB提供时间同步信息，UWB可只用于发送CIR训练序列进行测距。示例性的，参考图2，图2示出了一种测距数据的数据发送结构。其中，测距设备先传输NB数据包，再传输CIR训练序列，CIR训练序列包括N个UWBfrag(片段)。
也就是说，该技术通过将UWB的CIR训练序列分成多个片段进行发送，从而增加系统的链路预算，增加覆盖距离。但是，该技术并未涉及CIR训练序列的安全保护措施。
因此，本申请实施例提供一种超宽带帧的发送方法，主要针对如何在超宽带帧的收发过程中，利用训练序列的片段的架构提供时间维度上对超宽带帧的安全防护，可以实现超宽带帧的安全防护。
如图3所示为本申请的超宽带帧的发送方法的网络框架示意图。本申请提供的超宽带帧的发送方法可应用于通信设备，具体应用的网络架构中，通信设备可以为发送设备或接收设备。
示例性的，在超宽带帧用于测距的场景中，发送设备可以向接收设备发送测距请求。接收设备向发送设备返回测距响应。本申请实施例中，测距请求可以是本申请中的超宽带帧(超宽带测距帧)，超宽带帧包括多个数据片段，多个数据片段用于测距。多个数据片段中，相邻的数据片段间的时间间隔是根据发送设备和接收设备间的密钥信息确定的。由此，可实现在数据片段的架构上提供时间维度上对超宽带帧或超宽带测距帧的安全防护。
在一些实施例中，在测距场景中，本申请实施例中的超宽带帧的发送方法可以支持一对一，一对多以及多对多测距，可根据组网灵活确定。其中，一对一可理解为一个发送设备对应一个接收设备，一对多可理解为一个发送设备对应多个接收设备，多对多可理解为多个发送设备对应多个接收设备。
在一些实施例中，本申请实施例中的超宽带帧的发送方法可以应用于室内空间的人员或者物资定位的技术，这种测距/定定位技术的特点就是定位精度可以做到一米以内。
举例来说，UWB测距/定位技术可对人员进行实时精确定位，并集风险管控、视频联动、历史轨迹回放、人员管理、电子围栏、各种行为监控、应急救援等功能。
举例来说，在一些实施例中，在测距场景中，发送设备为定位端，接收设备为被定位端时，定位端一般可为接入点(Access Point，AP)，被定位端一般可为Tag。Tag可理解为厂商生产出来的无线定位系统的信号发生源，通常放置或粘贴在需要测距/定位的物体上，为需要定位的源设备，会定时向周围发送射频信号。
应用上述网络架构，下面对本申请的方法实施例进行说明。
本申请提供一种超宽带帧的发送方法，如图4所示，该方法流程包括以下步骤。
401、通信设备获取超宽带帧的密钥信息，超宽带帧包括多个数据片段。
其中，该通信设备可以为发送设备，例如可以是发送用于测距的超宽带帧的设备。测距设备也可以是接收设备，例如可以是接收用于测距的超宽带帧的设备。这种测距场景下，接收设备可根据超宽带帧得到发送设备和接收设备间的测距结果。
本申请实施例中的超宽带帧为UWB帧。UWB帧中的多个数据片段相当于CIR训练序列(training sequence)，可简称为CTS。多个数据片段中的单个数据片段可以理解为CTS中的一个序列成员。
在一些实施例中，该密钥信息可为发送设备和接收设备间的对称密钥。
402、通信设备按照多个数据片段间的时间间隔发送多个数据片段，或通信设备按照多个数据片段间的时间间隔接收多个数据片段，多个数据片段间的时间间隔是根据密钥信息确定的。
在一些实施例中，发送设备和接收设备都可根据对称密钥得到多个数据片段间的时间间隔。发送设备可按照多个数据片段间的时间间隔向接收设备发送多个数据片段，接收设备也可按照多个数据片段间的时间间隔从发送设备接收多个数据片段。
如图5所示为超宽带帧的结构示意图。即超宽带帧在发送时，包括多个数据片段，相邻的数据片段间存在时长加密的时间间隔Gap。超宽带帧中的多个时间间隔可以都相同，也可以不完全相同。具体将在后文中进行介绍。
由此，在超宽带帧的传输过程中，本申请实施例不需要增加物理层实现代价，可在时间维度上对超宽带帧提供安全防护，相当于通过密钥信息对超宽带帧中的多个数据片段间的时间间隔进行加密，即对上述Gap的时长，采用结合加密的方式进行配置，可确保超宽带帧的安全防护能力。
下面以上述通信设备用于测距场景时的超宽带帧的发送流程进行介绍。基于图4示出的方法流程，下面对本申请实施例进一步进行说明。
本申请提供一种超宽帧的发送方法，如图6所示，该方法流程包括以下步骤。
601、发送设备和接收设备间建立连接，并协商用于测距的超宽带帧的密钥信息。
本申请中的发送设备可理解为发送超宽带帧的测距设备，接收设备可理解为接收超宽带帧的测距设备。
在一些实施例中，发送设备可以是定位端，接收设备可以是被定位端。
示例性的，发送设备可向接收设备发送广播消息，广播消息中携带发送设备和接收设备的地址信息、时钟信息、加密与否的指示、测距与否的指示、测距/定位所采用的方法的指示等参数。接收设备在接收到广播消息后，可以向发送设备发送连接完成消息，发送设备和接收设备建立连接完成。
而后，发送设备和接收设备可以进行密钥协商流程，得到密钥信息。该密钥信息用于超宽带帧发送时对超宽带帧进行加密。
在一些实施例中，该密钥信息可以是对称密钥。对称密钥可以理解为发送和接收数据的双方使用相同的密钥对明文进行加密和解密运算。
即本申请中，发送设备对超宽带帧进行加密的密钥和接收设备对超宽带帧进行解密的密钥相同，本申请中的密钥信息为发送超宽带帧的测距设备和接收超宽带帧的测距设备间的对称密钥。
本申请之所以考虑使用对称密钥对多个数据片段间的时间间隔进行加密是考虑到发送设备和接收设备需按照一致的时间间隔控制发送和接收。具体加密方式将在后文中介绍。
602、发送设备和接收设备根据密钥信息生成随机数，并根据随机数确定多个数据片段间的时间间隔。
步骤601中已经说明，密钥信息为对称密钥。这是考虑到，在发送设备和接收设备使用相同的密钥信息产生的时间间隔的情况下，发送设备采用该密钥信息和相同的随机数算法产生的时间间隔控制多个数据片段的发送，接收设备使用相同的密钥信息和相同的随机数算法会产生一致的时间间隔，接收设备才能正确控制多个数据片段的接收和计算。这样，接收设备才能正确控制多个片段的相关累加器进行有效CIR的计算。
其中，相关累加器可理解为是接收设备对超宽带帧的处理实现算法。有效CIR可理解为有效CIR训练序列(即各个数据片段)，即不会累加到Gap段(没有信号，接收设备只有噪声)。
可理解，本申请实施例是通过在时间维度上对超宽带帧进行加密，在配合CIR训练序列本身也进行加密的情况下，可以实现超宽带帧两个维度的安全保护。
在一些实施例中，如图7所示，假设超宽带帧包括M+1个数据片段，M+1个数据片段的编号为CTS 0～CTS M，还包括M个时间间隔，M个时间间隔的编号为Tgap0～Tgap(M-1)。M个时间间隔的确定方式可参考以下方式A、方式B和方式C。
其中，本申请对时间间隔的单位不进行限制，例如可以采用ns(纳秒),us(微秒),ms(毫秒)或者几十ns为一个unit(时间单位)等。
方式A：多个数据片段间的时间间隔相同，即Tgap0～TgapM-1的取值相等。
其中，多个数据片段间的时间间隔的值为随机数。
或者，多个数据片段间的时间间隔的值是根据随机数进行计算后得到的。
也即，方式A中，发送设备和接收设备可以采用对称密钥生成一定范围内的一个随机数。这一个随机数可以直接用于配置数据片段间的时间间隔的长度。或者，发送设备和接收设备可以进一步根据该随机数进行计算后的值配置数据片段间的时间间隔的长度。
方式B：多个数据片段间的时间间隔不完全相同，即Tgap0～TgapM-1的取值不完全相同。
方式B中，测距设备根据对称密钥生成多个随机数，将多个随机数配置为多个数据片段间的时间间隔。
例如，该多个随机数的数量例如为M个，M个随机数的值各不相同，M个随机数的值可直接分别用于配置Tgap0～TgapM-1这M个时间间隔。
或者，测距设备根据对称密钥生成多个随机数，并根据多个随机数进行计算，得到多个数据片段间的时间间隔。
例如，该多个随机数的数量例如为M个，M个随机数的值不完全相同。发送设备和接收设备可进一步根据这M个随机数的进行计算，得到进一步计算后的M个值。这进一步计算后的M个值分别用于配置Tgap0～TgapM-1这M个时间间隔。
方式C：多个数据片段间的时间间隔不完全相同，即Tgap0～TgapM-1的取值不完全相同。
方式C中，Tgap0～TgapM-1这M个时间间隔按照多种预先配置的支持模式可选，多种支持模式一一对应多个序列号。在发送设备和接收设备可根据对称密钥生成随机数算法相同的情况下，发送设备和接收设备根据对称密钥生成的第一随机数相同，第一随机数可理解为一个序列号。这样，可根据确定的序列号选择支持模式，也就确定了该支持模式下对应的Tgap0～TgapM-1这M个时间间隔。
换句话说，发送设备和接收设备可根据对称密钥生成第一随机数，第一随机数为多个随机数中的一个，多个随机数对应多种时间间隔模式。发送设备和接收设备可获取第一随机数对应的第一时间间隔模式(支持模式)，第一时间间隔模式用于指示多个数据片段间的时间间隔。
例如，在发送设备和接收设备中预先配置有16种Tgap0～TgapM-1的支持模式。这16种Tgap0～TgapM-1的支持模式分别对应的序列号为0～15。当上述第一随机数的值为7时，可选序列号为7对应的支持模式。或者可选第一随机数的值+1后得到的值为可选序列号，即序列号为8对应的支持模式。
当然，本申请不限于仅采用上述方式A、B和C对应的实现方式，也可以采用其他的实现方式。
在一些实施例中，本申请对如何根据对称密钥生成随机数的方式不进行限定。
举例来说，本申请可采用高级加密标准(Advanced Encryption Standard，AES)的方式，根据对称密钥生成随机数。例如，采用AES-128时，可根据对称密钥生成128个随机比特(bit)数，这128个随机bit数对应0～2128-1的随机数范围。发送设备和接收设备可按照一定的随机数抽取规则从0～2128-1这个随机数范围内确定本申请用于确定时间间隔所需的随机数。例如0～2128-1这个随机数范围对应(0～2128-1)us的时间间隔范围，可按照规则从0～2128-1这个随机数范围抽取一个随机数，用于配置多个数据片段间的时间间隔，多个数据片段间的时间间隔相同；或者，按照规则抽取多个随机数，用于配置多个数据片段间的时间间隔，多个数据片段间的时间间隔不完全相同。
或者，在一些实施例中，在多个数据片段间的时间间隔不完全相同的情况下，考虑到采用AES-128的方式得到0～2128-1这个随机数范围的范围较大，可在根据对称密钥生成128个随机bit数后，将128个随机bit数按照每8个bits分为16个随机bit组。每个随机bit组可对应0～28，即0～255的随机数范围。每个0～255的随机数范围对应(0～255)us的时间间隔范围。发送设备和接收设备可按照一定的随机数抽取规则，从每个随机bit组的0～255的随机数范围内抽取一个随机数作为一个时间间隔，可得到16个随机数作为16个不完全相同的时间间隔。假设上述多个数据片段需要16个时间间隔，这个16个随机数就可以作为16个时间间隔。
603、发送设备按照多个数据片段间的时间间隔向接收设备发送多个数据片段。
在确定了多个数据片段间的时间间隔后，发送设备可向接收设备发送超宽带帧，超宽带帧包括多个数据片段。
因此，在一些实施例中，如图8所示，本申请中的超宽带帧可包括用于时频同步的同步(Sync)字段和CTS字段。CTS字段包括CIR训练序列，即本申请中的多个数据片段，用于进行CIR的计算并完成测距。这种情况下，超宽带系统可完成时频同步和测距。这种情况下的超宽带帧的结构将在后文中进行介绍。
或者，在一些实施例中，如图9所示，可采用窄带辅助超宽带的测距系统进行测距。这种情况下，窄带系统用于进行发送设备和接收设备间的时频同步，超宽带系统用于发送超宽带帧，超宽带帧包括CIR训练序列，即本申请中的多个数据片段，多个数据片段用于进行CIR的计算并完成测距。
604、接收设备按照多个数据片段间的时间间隔接收多个数据片段。
605、接收设备根据超宽带帧进行测距，得到测距结果。
在一些实施例中，可采用飞行时间法(time of flight，TOF)进行测距。例如，发送设备发送的超宽带帧包括发送超宽带帧的发送时间Ta1，接收设备在接收到超宽带帧时，可记录接收到超宽带帧的接收时间Tb1。而后，接收设备可向发送设备返回超宽带帧的响应，并记录接收设备发送超宽带帧的响应的发送时间Tb2，并获取发送设备接收超宽带帧的响应的接收时间Ta2。由此，测距结果S的计算方式可以示例为：S＝C×[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)]/2，其中，C为光速。
当然，这里只是对测距方式进行举例，还可以通过其他的测距方式得到测距结果。
其中，上述计算测距结果S的公式中的时间信息可理解为直射径(line of sight，LOS)的时间信息。本申请中的CIR训练序列可理解为多径信息，需要进一步对CIR训练序列进行分析处理，得到LOS的位置信息，再根据LOS的位置信息进一步计算得到时间LOS的时间信息。
606、接收设备向发送设备发送测距结果。
由此，在本申请中，在超宽带用于测距设备间测距时，本申请实施例可通过密钥信息对超宽带帧中的多个数据片段，即CIR训练序列中的时间间隔进行加密，即对上述Gap的时长，采用结合加密的方式进行配置，可实现某种程度上的随机性的安全方案，确保最终超宽带的安全测距。
另外，在超宽带帧中采用在多个数据片段的时间发送，Gap的时间没有信号发送的方式中，可以降低整个超宽带帧的信号占空比(有信号发送的时长占整个发送周期时长的比值)，在保证功率谱密度的要求下，减少发送脉冲信号的频率时，可提高单段的脉冲发射功率。
上文中已经说明，本申请可适用于UWB/IR-UWB的各种通信以及测距系统，以及窄带辅助下UWB/IR-UWB的测距系统。
在没有窄带辅助下的UWB/IR-UWB的测距系统中，本申请的超宽带帧包括同步字段和CTS字段。下面对超宽带帧包括同步字段和CTS字段这种结构方式进行说明。
其中，CTS字段包括所述多个数据片段，或者称为多个CTS片段，多个CTS片段组成了CIR训练序列中的序列成员。多个CTS片段间存在Gap。
其中，同步字段用于进行发送所述超宽带帧的测距设备和接收所述超宽带帧的测距设备间的时频同步，所述CTS字段用于得到测距结果。
这样，本申请可将对时间间隔Gap的安全加密和CIR训练序列的生成结合了起来。
在一些实施例中，CTS字段由具有良好相关性的前导符号(preamble symbol)生成的，或者说，多个数据片段是对多个前导符号进行划分得到的。
其中，多个前导符号是根据同步序列和扩频序列生成的，同步序列包括多个同步码，扩频序列包括多个扩频码，多个扩频码与所述多个前导符号一一对应。
也可以理解为，多个前导符号是对同步序列进行扩频后生成的。
如图10所示为多个前导符号的构成示意图。Cts(0)、Cts(1)、…、Cts(i)、…、Cts(Ncts-1)为Ncts个前导符号。每个前导符号包括N个数据，即图10中示出的一个前导符号Cts(i)包括的N个数据为：P(0)*Sp(i)、P(1)*Sp(i)、…、P(N-1)*Sp(i)。
其中，P(0)、P(1)、…、P(N-1)标识一个前导符号对应的同步序列，扩频序列为该同步序列对应的N个Sp(i)。
相当于，多个前导符号中的单个前导符号Cts(i)是由同步序列和单个前导符号对应的扩频码Sp(i)生成的。对于单个前导符号Cts(i)，上述扩频操作，即为使用扩频码Sp(i)乘以对应的同步序列P(0)、P(1)、…、P(N-1)中的每个序列成员生成的。
其中，不同的前导符号对应的同步序列可以相同，也可以不相同。
在一些实施例中，CIR训练序列的长度可配。上述同步序列可以选择具有良好相关特性的同步码构成，本申请不对具体的同步码进行限制。
在图10的基础上，本申请可对Ncts个前导符号进行划分，相邻的前导符号间设置时间间隔Gap。例如如图11所示为对Ncts个前导符号进行划分的示意图。Ncts个前导符号划分后的多个片段为Cts(0)～Cts(Nseg-1)、Cts(Nseg)～Cts(2*Nseg-1)、…、Cts((Mseg-1)*Nseg)～Cts(Ncts-1)。
其中，假设多个片段的长度相等，每个片段的时间长度可以表示为：Tseg＝Nseg*Tsym。Tsym表示单个前导符号的时长(例如1us)，Nseg表示一个片段里前导符号里的个数。因此，Tseg表示一个片段的时长。图11中的TGap表示时间间隔的长度。
示例性的，假设CTS字段包含的前导符号为Cts(0)～Cts(Ncts-1)，Ncts＝1024，即CTS字段有1024个前导符号。如果一个片段包含32个前导符号，那么1024的前导符号就被分成1024/32＝32个片段来发送，其中第0～31个前导符号为第1个片段，第32～63个前导符号为第2个片段，其他片段同理可依次发送。
这样，在超宽带帧包括同步字段和CTS字段，且CTS字段包括多个存在加密的时间间隔的情况下，本申请中的CIR训练字段只在CTS片段的时间发送，片段间的时间间隔不发送信号，可以降低整个超宽带帧的信号占空比，提升测距发送端的发射功率。
可以理解的是，为了实现上述功能，通信设备包含了执行各个功能相应的硬件和/或软件模块。结合本文中所公开的实施例描述的各示例的算法步骤，本申请能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以结合实施例对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本实施例可以根据上述方法示例对通信设备进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块可以采用硬件的形式实现。需要说明的是，本实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
在采用对应各个功能划分各个功能模块的情况下，图12示出了上述实施例中涉及的通信设备120的一种可能的组成示意图，如图12所示，该通信设备120可以包括：获取单元1201、收发单元1202和测距单元1203。
其中，获取单元1201可以用于支持通信设备120执行上述步骤401、步骤601、步骤602等，和/或用于本文所描述的技术的其他过程。
收发单元1202可以用于支持通信设备120执行上述步骤402、步骤603、步骤604和步骤606等，和/或用于本文所描述的技术的其他过程。
测距单元1203可以用于支持通信设备120执行上述步骤605等，和/或用于本文所描述的技术的其他过程。
需要说明的是，上述方法实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到对应功能模块的功能描述，在此不再赘述。
本实施例提供的通信设备120，用于执行上述超宽带帧的发送方法，因此可以达到与上述实现方法相同的效果。
在采用集成的单元的情况下，通信设备120可以包括处理模块、存储模块和通信模块。其中，处理模块可以用于对通信设备120的动作进行控制管理，例如，可以用于支持通信设备120执行上述获取单元1201和测距单元1203执行的步骤。存储模块可以用于支持通信设备120存储程序代码和数据等。通信模块，可以用于支持通信设备120与其他设备的通信，例如通信设备120为测距发送设备时，通信模块用于支持测距发送设备与测距接收设备的通信。
其中，处理模块可以是处理器或控制器。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，数字信号处理(digital signal processing，DSP)和微处理器的组合等等。存储模块可以是存储器。通信模块具体可以为射频电路、蓝牙芯片、Wi-Fi芯片等与其他电子设备交互的设备。
在一个实施例中，当处理模块为处理器，存储模块为存储器，通信模块为收发器时，本实施例所涉及的通信设备120可以为具有图13所示结构的测距设备130。
本申请实施例还提供一种电子设备，包括一个或多个处理器以及一个或多个存储器。该一个或多个存储器与一个或多个处理器耦合，一个或多个存储器用于存储计算机程序代码，计算机程序代码包括计算机指令，当一个或多个处理器执行计算机指令时，使得电子设备执行上述相关方法步骤实现上述实施例中的超宽带帧的发送方法。
本申请的实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质中存储有计算机指令，当该计算机指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述相关方法步骤实现上述实施例中的超宽带帧的发送方法。
本申请的实施例还提供了一种计算机程序产品，当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述相关步骤，以实现上述实施例中电子设备执行的超宽带帧的发送方法。
另外，本申请的实施例还提供一种装置，这个装置具体可以是芯片，组件或模块，该装置可包括相连的处理器和存储器；其中，存储器用于存储计算机执行指令，当装置运行时，处理器可执行存储器存储的计算机执行指令，以使芯片执行上述各方法实施例中通信设备执行的超宽带帧的发送方法。
其中，本实施例提供的通信设备、计算机存储介质、计算机程序产品或芯片均用于执行上文所提供的对应的方法，因此，其所能达到的有益效果可参考上文所提供的对应的方法中的有益效果，此处不再赘述。
本申请另一实施例提供了一种系统，该系统可以包括上述发送设备和上述接收设备，可以用于实现上述超宽带帧的发送方法。
通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种超宽带帧的发送方法，其特征在于，包括：
通信设备获取超宽带帧的密钥信息，所述超宽带帧包括多个数据片段；
所述通信设备按照所述多个数据片段间的时间间隔发送所述多个数据片段，或所述通信设备按照所述多个数据片段间的时间间隔接收所述多个数据片段，所述多个数据片段间的时间间隔是根据所述密钥信息确定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述密钥信息为发送所述超宽带帧的通信设备和接收所述超宽带帧的通信设备间的对称密钥；
在所述通信设备按照所述多个数据片段间的时间间隔发送所述多个数据片段，或按照所述多个数据片段间的时间间隔接收所述多个数据片段之前，所述方法还包括：
所述通信设备根据所述对称密钥生成随机数，并根据所述随机数确定所述多个数据片段间的时间间隔。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述多个数据片段间的时间间隔相同；
其中，所述多个数据片段间的时间间隔的值为所述随机数；
或者，所述多个数据片段间的时间间隔的值是根据所述随机数进行计算后得到的。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
所述通信设备根据所述密钥信息生成随机数，并根据所述随机数确定所述多个数据片段间的时间间隔包括：
所述通信设备根据所述对称密钥生成多个随机数，将所述多个随机数配置为所述多个数据片段间的时间间隔；
或，所述通信设备根据所述对称密钥生成多个随机数，并根据所述多个随机数进行计算，得到所述多个数据片段间的时间间隔。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
所述通信设备根据所述对称密钥生成随机数，并根据所述随机数确定所述多个数据片段间的时间间隔包括：
所述通信设备根据所述对称密钥生成第一随机数，所述第一随机数为多个随机数中的一个，所述多个随机数对应多种时间间隔模式；
所述通信设备获取所述第一随机数对应的第一时间间隔模式，所述第一时间间隔模式用于指示所述多个数据片段间的时间间隔。
6.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括：
获取单元，用于获取超宽带帧的密钥信息，所述超宽带帧包括多个数据片段；
收发单元，用于按照所述多个数据片段间的时间间隔发送所述多个数据片段，或按照所述多个数据片段间的时间间隔接收所述多个数据片段，所述多个数据片段间的时间间隔是根据所述密钥信息确定的。
7.根据权利要求6所述的通信设备，其特征在于，所述密钥信息为发送所述超宽带帧的通信设备和接收所述超宽带帧的通信设备间的对称密钥；
所述获取单元，还用于：
根据所述对称密钥生成随机数，并根据所述随机数确定所述多个数据片段间的时间间隔。
8.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，
所述多个数据片段间的时间间隔相同；
其中，所述多个数据片段间的时间间隔的值为所述随机数；
或者，所述多个数据片段间的时间间隔的值是根据所述随机数进行计算后得到的。
9.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，
所述多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
所述获取单元，用于：
根据所述对称密钥生成多个随机数，将所述多个随机数配置为所述多个数据片段间的时间间隔；
或，根据所述对称密钥生成多个随机数，并根据所述多个随机数进行计算，得到所述多个数据片段间的时间间隔。
10.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，
所述多个数据片段间的时间间隔不完全相同；
所述获取单元用于：
根据所述对称密钥生成第一随机数，所述第一随机数为多个随机数中的一个，所述多个随机数对应多种时间间隔模式；
所述通信设备获取所述第一随机数对应的第一时间间隔模式，所述第一时间间隔模式用于指示所述多个数据片段间的时间间隔。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括计算机指令，当计算机指令在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行上述权利要求1-5中的任一项所述的方法。
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