DE102014119709B4

DE102014119709B4 - Verfahren zur Bestimmung des Standorts drahtloser Vorrichtungen

Info

Publication number: DE102014119709B4
Application number: DE102014119709.7A
Authority: DE
Inventors: Erik Lindskog; Hong Wan
Original assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2024-06-27
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: GB2530816A; GB2530816B; DE102014119709A1; US9288625B2; US20150382143A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Standorts einer Client-Vorrichtung in einem drahtlosen Netzwerk, welches wenigstens eine erste und zweite andere Netzwerkvorrichtung mit bekannten Standorten umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Übertragen von der ersten anderen Netzwerkvorrichtung einer ersten Nachricht an die zweite andere Netzwerkvorrichtung;
Übertragen von der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer Bestätigung in Reaktion auf den Empfang der ersten Nachricht,
Übertragen von der ersten anderen Netzwerkvorrichtung einer zweiten Nachricht nach der ersten Nachricht an die zweite andere Netzwerkvorrichtung, wobei die zweite Nachricht eine tatsächliche Übertragungszeit der ersten Nachricht und eine tatsächliche Empfangszeit der Bestätigung in Reaktion auf die erste Nachricht umfasst,
Übertragen von der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer dritten Nachricht an die erste andere Netzwerkvorrichtung;
Übertragen von der ersten anderen Netzwerkvorrichtung einer Bestätigung in Reaktion auf den Empfang der dritten Nachricht,
Übertragen von der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer vierten Nachricht nach der dritten Nachricht,
Empfangen, durch die Client-Vorrichtung, der ersten Nachricht, der Bestätigung in Reaktion auf die erste Nachricht, der zweiten Nachricht, der dritten Nachricht, der Bestätigung in Reaktion auf die dritte Nachricht und der vierten Nachricht; und
Berechnen des Standorts der Client-Vorrichtung basierend auf den Informationen, die von der ersten und der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung empfangen wurden, und den bekannten Standorten der ersten und zweiten anderen Netzwerkvorrichtung.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Standorterkennung drahtloser Vorrichtungen und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Messung einer Differenzdistanz einer drahtlosen Vorrichtung in einem drahtlosen Netzwerk in Bezug auf andere Netzwerkvorrichtungen mit bekannten Standorten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Bestimmung des Standorts einer drahtlosen Vorrichtung, wie beispielsweise eines drahtlosen Telefons, verwendet typischerweise GPS oder Trilateration von Mobiltelefonsignalen, welche von Funktürmen an bekannten Positionen rundgesendet werden. Diese Verfahren funktionieren jedoch aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von GPS-Satellitensignalen und Mobiltelefonsignalen nicht gut in Innenräumen. Die Innenpositionierung ist für die Bestimmung des Standorts einer tragbaren Vorrichtung in Gebäuden wie Einkaufszentren, Hotels, Büros, Bahnhöfen usw. wichtig.
KURZFASSUNG
In zunehmendem Maße stellen Innenstandorte, wie beispielsweise Einkaufszentren, Hotels, Büros und Bahnhöfe, mehrere WiFi-Zugangspunkte (Access Point, AP) bereit, welche, sofern sie gemäß einem geeigneten Protokoll arbeiten, verwendet werden können, um den Standort einer WiFi fähigen Vorrichtung mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung zur Durchführung der WiFi-Standortbestimmung umfassen Round-Trip-Time (RTT)-Messungen und andere Verfahren unter Verwendung von Time-of-Arrival (ToA)- und Time-of-Departure (ToD)-Messungen. Die nachfolgenden Materialien offenbaren: 1) ein Verfahren zur Berechnung eines Standorts unter Verwendung von RTT, welches die Belastung für den Client reduziert, 2) ein erstes Nur-Empfang- Standortverfahren, welches Kommunikationsoverhead reduziert und den Stromverbrauch der Client-Vorrichtung reduzieren kann und 3) ein zweites Nur-Empfang-Verfahren zur Verwendung in WiFi-Systemen, die Beamforming verwenden. Obgleich die Erfindung in Bezug auf ein WiFi-Netzwerk beschrieben wird, ist es vorgesehen, dass sie für andere drahtlose Technologien verwendet werden kann, einschließlich, ohne Einschränkung, LTE, 3GPP, Bluetooth®, Zigbee® und WiGig.
Time-of-Flight (ToF)-Verfahren zur Berechnung eines Standorts umfassen RTT-Messungen, wie in IEEE 802.11v beschrieben. Diese Verfahren bestimmen den Standort durch Messung der RTT von Signalen zwischen einer Client-Vorrichtung und einem oder mehreren Zugangspunkten.
Die US 2013/0005347 A1 beschreibt ein drahtloses Kommunikationsgerät das seine Position in Übereinstimmung mit einem verteilten Positionierungsmechanismus bestimmen kann, um den Bandbreiten- und Stromverbrauch des drahtlosen Kommunikationsgeräts zu minimieren. Das drahtlose Kommunikationsgerät kann Positionssteuerungsnachrichten erkennen, die zwischen unabhängigen Paaren von Zugangspunkten in einem drahtlosen Kommunikationsnetz ausgetauscht werden. Das drahtlose Kommunikationsgerät kann Positionsinformationen, die mit jedem Zugangspunkt jedes der Paare von Zugangspunkten verbunden sind, und Zeitinformationen, die mit den Paaren von Zugangspunkten verbunden sind, zumindest teilweise auf der Grundlage der erkannten Positionssteuerungsnachrichten bestimmen. Die Position des drahtlosen Kommunikationsgeräts kann dann zumindest teilweise auf der Grundlage der Positionsinformationen und der Zeitinformationen, die den Zugangspunktpaaren zugeordnet sind, berechnet werden.
Die US 2012/0314587 A1 beschreibt ein drahtloses Kommunikationsgerät das seine Position in Übereinstimmung mit einem hybriden Positionierungsmechanismus bestimmen kann, um den Bandbreiten- und Stromverbrauch des drahtlosen Kommunikationsgeräts zu minimieren. Das drahtlose Kommunikationsgerät kann eine oder mehrere Anforderungsnachrichten und eine oder mehrere entsprechende Antwortnachrichten erkennen, die zwischen einem Master-Zugangspunkt und einem oder mehreren Ziel-Zugangspunkten ausgetauscht werden, und kann dementsprechend TDOA-Informationen bestimmen, die mit dem einen oder den mehreren Ziel-Zugangspunkten verbunden sind. Das drahtlose Kommunikationsgerät kann von dem Master-Zugangspunkt RTT-Messinformationen empfangen, die von dem Master-Zugangspunkt zumindest teilweise auf der Grundlage der einen oder mehreren Anforderungsnachrichten und der einen oder mehreren entsprechenden Antwortnachrichten bestimmt werden, die zwischen dem Master-Zugangspunkt und dem einen oder den mehreren Ziel-Zugangspunkten ausgetauscht werden. Das drahtlose Kommunikationsgerät kann seine Positionsinformationen zumindest teilweise auf der Grundlage der TDOA-Informationen und der RTT-Messinformationen berechnen.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bestimmung eines Standorts einer Client-Vorrichtung in einem drahtlosen Netzwerk, welches wenigstens eine erste andere Netzwerkvorrichtung und eine zweite andere Netzwerkvorrichtung, jeweils mit einem bekannten Standort, aufweist, wird offenbart. Das Verfahren umfasst Übertragen einer Nachricht aus der ersten anderen Netzwerkvorrichtung an die zweite Netzwerkvorrichtung, Übertragen einer Bestätigung in Reaktion auf die erste Nachricht von der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung an die erste andere Netzwerkvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner Übertragen der ersten anderen Netzwerkvorrichtung einer zweiten Nachricht an die zweite andere Netzwerkvorrichtung nach der ersten Nachricht, wobei die zweite Nachricht eine tatsächliche Übertragungszeit der ersten Nachricht und eine tatsächliche Empfangszeit der Bestätigung in Reaktion auf die erste Nachricht umfasst, gefolgt von Übertragen der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer dritten Nachricht an die erste andere Netzwerkvorrichtung. Die erste andere Netzwerkvorrichtung überträgt dann in Reaktion auf den Empfang der dritten Nachricht eine Bestätigung an die zweite andere Netzwerkvorrichtung. Nach der dritten Nachricht umfasst das Verfahren ferner Übertragen der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer vierten Nachricht an die erste andere Netzwerkvorrichtung. Nach dem Empfang der ersten Nachricht, der Bestätigung in Reaktion auf die erste Nachricht, der zweiten Nachricht, der dritten Nachricht, der Bestätigung in Reaktion auf die dritte Nachricht und der vierten Nachricht berechnet die Client-Vorrichtung den Standort der Client-Vorrichtung basierend auf den Informationen, die von der ersten und der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung empfangen wurden, und den bekannten Standorten der ersten und zweiten anderen Netzwerkvorrichtung.
Gemäß einem Aspekt des Verfahrens umfasst die vierte Nachricht eine tatsächliche Übertragungszeit der dritten Nachricht und eine tatsächliche Empfangszeit der Bestätigung in Reaktion auf die dritte Nachricht. Die Client-Vorrichtung berücksichtigt diese Zeiten bei ihrer Berechnung der Position der Client-Vorrichtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Aspekte und Merkmale der Erfindung werden für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet bei der Durchsicht der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren offensichtlicher werden, wobei:

1 (Stand der Technik) eine Netzwerkkommunikationsdarstellung ist, welche nützlich ist, um ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik zum Bestimmen des Standorts einer Client-Vorrichtung basierend auf der Round- Trip-Zeit zu beschreiben.
2, 3, 5A, 5B, 6A, 6B, 7-9 und 11 Netzwerkkommunikationsdarstellungen sind, welche nützlich sind, um beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zu beschreiben.
4 eine graphische Darstellung der Verschiebung entlang der x- Achse gegen eine Verschiebung entlang der y-Achse ist, welche nützlich ist, um die Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf 2, 3, 5A, 5B, 6A, 6B, 7-9 und 11 beschrieben wird, zu beschreiben.
10 ein Blockschaltbild ist, welches die Tx- und Rx-HF- Verzögerungen zwischen den ADC/DAC- und den HF-Antennenanschlüssen eines Transceivers in einem Kommunikationsnetzwerk für Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht.
12 eine vorgeschlagene Änderung am im derzeitigen Standard IEEE 802.11v implementierten Protokoll ist, gemäß einem Aspekt der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, welche als veranschaulichende Beispiele der Erfindung bereitgestellt werden, um so Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen. Insbesondere sind die nachstehenden Figuren und Beispiele nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der Erfindung auf eine einzige Ausführungsform zu beschränken, sondern sind auch andere Ausführungsformen durch den Austausch von einigen oder allen der beschriebenen oder veranschaulichten Elemente möglich. Wenn zudem bestimmte Elemente der Erfindung teilweise oder vollständig mit bekannten Komponenten implementiert werden können, werden nur jene Teile solcher bekannten Komponenten beschrieben, die für ein Verständnis der Erfindung erforderlich sind, und detaillierte Beschreibungen anderer Teile solcher bekannten Komponenten werden unterlassen, um die Erfindung nicht unklar zu machen. Ausführungsformen, welche laut Beschreibung in Software implementiert sind, sollten nicht darauf beschränkt sein, sondern können Ausführungsformen umfassen, die in Hardware implementiert sind, oder Kombinationen aus Software und Hardware, und umgekehrt, wie für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein wird, falls hierin nicht anderweitig spezifiziert.
In der vorliegenden Beschreibung sollte eine Ausführungsform, welche eine einzige Komponente zeigt, nicht als beschränkend betrachtet werden, sondern die Erfindung soll vielmehr andere Ausführungsformen umfassen, die eine Mehrzahl dieser Komponente umfassen, und umgekehrt, falls hierin nicht ausdrücklich anderes angeführt ist. Ferner beabsichtigen die Anmelder für keinen Begriff in der Beschreibung oder den Ansprüchen, dass ihm eine unübliche oder spezielle Bedeutung zukommt, falls dies nicht ausdrücklich angegeben ist. Ferner umfasst die Erfindung gegenwärtige und zukünftige bekannte Äquivalente zu den bekannten Komponenten, auf die hier zur Veranschaulichung Bezug genommen wird.
Unter Bezugnahme auf 1 kann die ToF zwischen zwei Stationen, STA A und STA B, gemäß Gleichung (1) berechnet werden. $ToF = [(t2 - t1) + (t4 - t3)] / 2$
Man beachte, dass bei den Zeiten t1 bis t4 davon ausgegangen wird, dass alle gemessen werden, wenn das Signal den Antennenanschluss verlässt oder am Antennenanschluss empfangen wird. Es ist wünschenswert, die Übertragungs (Tx)- und Empfangs (Rx)-Hochfrequenz (HF)-Verzögerungen durch die analogen Elemente der Transceiver vor der Durchführung dieser Messungen sorgfältig zu kalibrieren. Die Kalibrierung dieser Verzögerungen kann für eine Zugangspunktvorrichtung relativ einfach sein, kann jedoch für eine weniger teure Client-Vorrichtung nicht kosteneffizient sein.
In 1 ist zu beachten, dass für jede Messung sechs Pakete über das Medium übertragen werden. In einem Innenstandort, wie beispielsweise in einem Bahnhof oder in einem Einkaufszentrum, in dem 400 Benutzer ihre Standorte aufrechterhalten, indem sie alle fünf Sekunden eine automatisierte Standortanforderung senden, würde jedes Paar von Transaktionen (100 + 16 + 44) µs verwenden, wobei 100 µs die typische Zeit ist, um die Standortanforderungsnachricht M1 zu übertragen, 16 µs die SIFS-Dauer und 44 µs die ACK-Dauer. Da 3 Paare dieser Messungen mit jedem AP verwendet werden und diese Messung mit 3 APs durchgeführt wird, würde die Gesamtmediumbelegungszeit 160 µs * 3 * 3 * 400 / 5s = 11,52 % der insgesamt verfügbaren Zeit betragen. Diese Berechnung umfasst keine erneuten Übertragungen, welche durch fehlerhafte oder überlappende Pakete verursacht werden. Folglich ist es angemessen, davon auszugehen, dass die Verwendung dieser Standorttechnik den drahtlosen Durchsatz erheblich reduzieren würde. Es würde ebenfalls zusätzlicher Stromverbrauch der Client-Vorrichtung zur Übertragung und zum Empfang der Pakete entstehen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Standortmessungen und Berechnungen, welches die Anforderungen an die Kenntnisse und Kalibrierung der HF-Verzögerungen der Client-Vorrichtung lockert.
Bei diesem Verfahren misst die Client-Vorrichtung im Wesentlichen die Time-of-Arrival (ToA) und die Time-of-Departure (ToD) an den Analog-Digital(ADC)- und Digital-Analog(DAC)-Schnittstellen statt am Antennenanschluss. Die Messungen können ebenfalls in anderen Teilen der Übertragungs- und Empfangskette durchgeführt werden, solange die Verzögerung zwischen dem Messpunkt und dem Paket, welches über Luft übertragen wird, fest ist und die Verzögerung zwischen dem Paketempfang an der Antenne und dem Messpunkt fest ist. Die Verwendung dieser Messungen lockert die Anforderungen an die Kenntnisse der Rx- und Tx-HF-Verzögerungen der Client-Vorrichtung.
2 veranschaulicht eine Lösung unter Verwendung von Parabelgleichungen. In 2 sind die RTT-Übertragung und die gemessenen Zeiten für den Fall dargestellt, dass die RTT-Übertragung bei AP 210 beginnt und endet. Man beachte, dass gemäß dem in 2 gezeigten Protokoll die Client-Vorrichtung 212 nominell die Vorrichtung ist, welche diesen Übertragungsaustausch gemäß dem Standard 802.11 anfordert. Es wird bevorzugt, dass die Client-Vorrichtung 212 die RTT-Übertragung anfordert, da sie Kanäle ändern kann, um verschiedene APs relativ einfach zu adressieren, um die RTT-Messung mit den verschiedenen APs zu initiieren. Obgleich diese Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von APs beschrieben ist, ist es vorgesehen, dass jede Station (STA) im drahtlosen Netzwerk verwendet werden kann, welche einen bekannten Standort aufweist und gemäß einem Protokoll ähnlich zu dem unten beschriebenen arbeitet.
Wenn die Client-Vorrichtung 212 keine guten Kenntnisse ihrer Tx- und Rx-HF-Verzögerungen aufweist, kann es wünschenswert sein, eine Methode zu konzipieren, welche minimal auf diesen Kenntnissen beruht. Dies kann durch Betrachten der Differenz-RTT-Zeiten von einer Client-Vorrichtung zu mehreren APs erreicht werden.

Man erwäge das zweidimensionale Beispiel unten, wobei die Client-Vorrichtung Messungen relativ zu 3 APs (nicht in 2 gezeigt), AP 1, AP 2 und AP 3, anfordert. Eine zweidimensionale Ausführungsform kann beispielsweise in einem Bereich nützlich sein, welcher APs mit einer einzigen Höhe über dem Boden aufweist, welche ausreichend nahe an der Höhe der Client-Vorrichtung liegt, so dass ein durch den Höhenunterschied verursachter Fehler ignoriert werden kann. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn STAs mit bekannten Positionen anstelle von APs verwendet werden. Die Messungen für AP 1, AP 2 und AP 3 sind nachstehend in den Tabellen 1, 2 und 3 gezeigt. Tabelle 1

Messungen mit AP 1:
ToD am AP 1 am
Antennenanschluss = t₁₁
ToA am Client-
Vorrichtungs-
Antennenanschluss = t₁₂
ToA am Client-
Vorrichtungs-ADC = t₁₂'
ToD am Client-Vorrichtungs-DAC = t₁₃'
ToD am Client-Vorrichtungs-Antennenanschluss = t₁₃
ToA am Antennenanschluss von AP 1 = t₁₄

Tabelle 2

Messungen mit AP 2:
ToD am AP 2 bei Antennenanschluss = t₂₁
ToA am Client-Vorrichtungs-Antennenanschluss = t₂₂
ToA am Client-Vorrichtungs-ADC = t₂₂'
ToD am Client-Vorrichtungs-DAC = t₂₃'
ToD am Client-Vorrichtungs-
Antennenanschluss = t₂₃
ToA am
Antennenanschluss von
AP 2 = t₂₄

Tabelle 3

Messungen mit AP 3
ToD am AP 3 bei
Antennenanschluss = t₃₁
ToA am Client-Vorrichtungs-
Antennenanschluss = t₃₂
ToA am Client-Vorrichtungs-ADC = t₃₂'
ToD am Client-Vorrichtungs-DAC = t₃₃' ToD am Client-
Vorrichtungs-Antennenanschluss = t₃₃
ToA am
Antennenanschluss von
AP 3 = t₃₄

Die folgenden Definitionen gelten für die nachstehend dargelegten Gleichungen für dieses Ausführungsbeispiel:

D₁ = Distanz zwischen AP1 und der Client-Vorrichtung
D₂ = Distanz zwischen AP2 und der Client-Vorrichtung
D₃ = Distanz zwischen AP3 und der Client-Vorrichtung
T_Tx = Verzögerung in der Client-Vorrichtungs-Tx-Kette
T_Rx = Verzögerung in der Client-Vorrichtungs-Rx-Kette

Die Round-Trip-Time von den Antennenanschlüssen der APs zum ADC der Client-Vorrichtung 212 und vom DAC der Client-Vorrichtung 212 zu den Antennenanschlüssen der APs für AP 1, AP 2 und AP 3 kann durch entsprechende Gleichungen (2), (3) und (4) beschrieben werden: $2 \frac{D_{1}}{c} + T_{R x} + T_{T x} = (t'_{12} - t_{11}) + (t_{14} - t'_{13})$
$2 \frac{D_{2}}{c} + T_{R x} + T_{T x} = (t'_{22} - t_{21}) + (t_{24} - t'_{23})$
$2 \frac{D_{3}}{c} + T_{R X} + T_{T X} = (t'_{32} - t_{31}) + (t_{34} - t'_{33})$
Der Einfachheit halber und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann angenommen werden, dass sich die STA an der Position (x,y) befindet und die drei APs sich jeweils an den Koordinaten (0,0), (x2,0) bzw. (x3,y3) befinden. Dies resultiert in den grundlegenden Differenzdistanzgleichungen (5) und (6): $D_{12} = \sqrt{x^{2} + y^{2}} - \sqrt{{(x - x_{2})}^{2} + y^{2}}$
$D_{13} = \sqrt{x^{2} + y^{2}} - \sqrt{{(x - x_{3})}^{2} + {(x - y_{3})}^{2}}$
wobei D12 und D13 gemäß den Gleichungen (6a) und (6b) berechnet werden und $D_{12} = D_{1} - D_{2} = \frac{1}{2} c ((t'_{13} - t_{11}) + (t_{14} - t'_{13}) - (t'_{22} - t_{21}) - (t_{24} - t'_{23}))$
$D_{12} = D_{1} - D_{3} = \frac{1}{2} c ((t'_{12} - t_{11}) + (t_{14} - t'_{13}) - (t'_{32} - t_{31}) - (t_{34} - t'_{33}))$
Obgleich die Differenzdistanzen, wie in den Gleichungen (6a) und (6b) beschrieben, in einer zweidimensionalen Umgebung beschrieben werden, finden die gleichen Gleichungen ebenfalls für zusätzliche oder weniger APs in einer dreidimensionalen oder eindimensionalen Umgebung Anwendung.
Aus diesen beiden grundlegenden Differenzdistanzgleichungen ergeben sich die beiden Kurven gemäß den Gleichungen (7) und (8): ${\begin{array}{l} y = g x + h & (7) \\ y = \sqrt{(e^{2} - 1) x^{2} + 2 e d x + d^{2}} & (8) \end{array}$
wobei $d = \frac{D_{12}}{2} - \frac{x_{2}^{2}}{D_{12}}$
$e = \frac{x_{2}}{D_{12}}$
$g = \frac{D_{13} x_{2}}{D_{12} y_{3}} - \frac{x_{3}}{y_{3}}$
und $h = \frac{x_{3}^{2} + y_{3}^{2} - D_{13}^{2} + D_{13} D_{12} (1 - {(\frac{x_{2}}{D_{12}})}^{2})}{2 x_{3}}$
Der Standort der Client-Vorrichtung 212 in zwei Dimensionen liegt am Schnittpunkt dieser beiden Kurven, wie in 4 gezeigt. Diese Methode kann auf mehr als zwei Dimensionen sowie auf Systeme, welche mehr als 3 APs oder STAs verwenden, angewandt und verallgemeinert werden. Ein Problem besteht darin, dass im Allgemeinen zwei oder mehr gültige Schnittpunkte vorhanden sein können. Eine zusätzliche Differenzdistanzgleichung (d. h. zu einem zusätzlichen AP oder einer zusätzlichen STA) kann verwendet werden, um diese Mehrdeutigkeit aufzulösen. Die Verwendung eines zusätzlichen AP oder einer zusätzlichen STA resultiert in (einer) zusätzlichen Parabelgleichung(en). Verfahren zur Lösung von Parabelgleichungen ähneln den Verfahren, welche für Hyperbelnavigationsgleichungen verwendet werden, die in einer Studie von H. Senturk mit dem Titel „Performance Evaluation of Hyperbolic Position Location Technique in Cellular Wireless Networks“, Air Force Institute of Technology, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, die über OTIC Online erhältlich ist, offenbart werden. Die zweidimensionale Lösung kann ebenfalls nützlich sein, wenn Hilfsinformationen, wie beispielsweise eine Karte, zur Verfügung stehen, um einen gültigen Standort unter mehreren Schnittpunkten der Kurven, welche aus den Gleichungen resultieren, aufzulösen.
Das unter Bezugnahme auf 2 beschriebene Verfahren ermöglicht einer Client-Vorrichtung, die Time-of-Arrival und die Time-of-Departure an den DACs und ADCs oder an einem beliebigen festen Punkt in den Übertragungs- und Empfangsschaltungen zu messen. Die Rx- und Tx-HF-Verzögerungen können dann weitgehend ignoriert werden. Dies lockert die Kalibrierungsanforderungen auf der Client-Vorrichtung. Es wird jedoch angemerkt, dass, falls die Rx-HF-Verzögerung der Client-Vorrichtung von der Rx-Verstärkung abhängt, es dann wünschenswert sein kann, dass die Client-Vorrichtung eine etwaige Diskrepanz in diesen Verzögerungen kompensiert, da Übertragungen, welche von zwei verschiedenen APs empfangen werden, in verschiedenen Empfangsverstärkungseinstellungen in der Client-Vorrichtung resultieren können. In ähnlicher Weise, falls die Rx- und/oder Tx-HF-Verzögerungen vom Kanal und/oder von der Bandbreite abhängen, welche(r) für die RTT-Messung zu dem Paar von APs verwendet wird, dann muss die Client-Vorrichtung möglicherweise ebenfalls diese Faktoren kompensieren. Nichtsdestotrotz eröffnet diese Methode die Möglichkeit, alle oder einige der Abhängigkeiten von den HF-Verzögerungen der Client-Vorrichtung aufzuheben.
Das RTT-Verfahren zur Bestimmung des Standorts ist einfach, kann jedoch an hohem Overhead leiden, falls viele Clients versuchen, ihren Standort gleichzeitig zu bestimmen. Dies kann verstärkt auftreten, falls die Client-Vorrichtungen ständig versuchen, ihren Standort mit einer hohen Rate zu bestimmen. Darüber hinaus, damit ein Client seinen Standort unter Verwendung des RTT-Verfahrens bestimmen kann, empfängt er nicht nur Signale, sondern überträgt auch Signale. Dies kann einen unnötig hohen Energieverbrauch in der Client-Vorrichtung bewirken, welche in der Regel mit einer Batterie mit einer relativ kleinen Kapazität betrieben wird. Die folgenden Ausführungsformen der Erfindung offenbaren ein Verfahren, welches einer Vorrichtung ermöglicht, ihren Standort nur durch Empfangen von Signalen aus WiFi-Zugangspunkten oder andere Stationen (STAs) im drahtlosen Netzwerk oder durch Übertragung von nur einer Nachricht zu bestimmen.
Da die Ausführungsformen der beschriebenen Erfindung eine Übertragung oder keine Übertragungen von der Client-Vorrichtung verwenden, können sie das Overhead im System sowie den Stromverbrauch der Client-Vorrichtungen erheblich reduzieren.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, welches in 3 gezeigt ist, kann die STA ihre Position ohne jegliche Übertragungen bestimmen. In dieser Ausführungsform scannt jeder AP bzw. jede STA (z. B. AP 310) seine bzw. ihre Umgebung und findet andere APs bzw. STAs (z. B. AP 320), welche das Client-Vorrichtungs-Nur-Empfang-Standortschema unterstützen. Alternativ kann der AP oder die STA den bestehenden Fine-Timing-Measurement(FTM)-Mechanismus aus dem Protokoll IEEE 802.11v oder eine Variante des FTM-Mechanismus verwenden, um andere geeignete APs zu finden. Es ist vorgesehen, dass ein AP von einem Nachbarberichtselement, welches der AP von den Nicht-AP-STAs in seinem Basic Service Set (BSS) (z. B. seinem Netzwerk) empfängt, möglicherweise ebenfalls von der Unterstützung benachbarter APs erfährt. Der Übersichtlichkeit halber werden die nachstehenden Ausführungsformen in Bezug auf Aktionen beschrieben, welche von APs durchgeführt werden. Es ist jedoch vorgesehen, dass jegliche Operationen, welche von einem AP durchgeführt werden, ebenfalls von einer STA mit einem bekannten Standort durchgeführt werden können.
Die identifizierten APs tauschen Informationen zu ihren jeweiligen Standorten aus. Jeder AP (z. B. AP1 310 in 3) kann durch Versenden einer speziellen Standortmessungsnachricht als FTM-Nachricht periodisch einen Standortmessungsaustausch initiieren. Der andere AP (z. B. AP2 320 in 3), welcher immer noch in seinem normalen Kanal ist, empfängt diese Nachricht und zeichnet die Zeit auf, zu der die Nachricht an seinem Antennenanschluss empfangen wurde. Der AP 320 antwortet dann mit einem ACK und zeichnet auf, wann das ACK seinen Antennenanschluss verlässt. Als Nächstes verfolgt der AP 320 dies mit einer FTM-Nachricht nach, welche die Zeitstempel dafür enthält, wann er die Standortmessungsnachricht vom AP 310 empfangen und wann er das ACK gesendet hat. (Der AP 310 kann diese Nachricht tatsächlich empfangen oder nicht, was eigentlich unerheblich ist. Diese Nachricht ist nur dafür bestimmt, dass die Client-Vorrichtung 312 sie für ihre Standortberechnung verwendet.) Der obige Nachrichtenaustausch kann mehrmals wiederholt werden, um die Zeitmessung zu verfeinern.
Die APs 310 und 320 können die ganze Prozedur ab dem Beginn des anfänglichen Nachrichtenaustausches in einem ungefähren Zeitraum wiederholen, jedoch in nicht-asynchroner Art, eventuell zum Teil zufallsbasiert, um lang andauernde Kollisionsbedingungen zu vermeiden. Es ist vorgesehen, dass der speziellen Standortmessungsnachricht möglicherweise eine Request- und eine ACK-Nachricht vorausgehen (wie in 2 gezeigt), um zu bestimmen, ob der andere AP (z. B. AP2 320 in 3, falls der Request vom AP1 310 gesendet wird, oder der AP1 310, falls der Request vom AP2 320 gesendet wird) für den Ablauf des Standortnachrichtenaustausches (Location Message Exchange) bereit ist. Zusätzlich kann der Austausch der Request-ACK-Frames die Zeitstempelungsprozesse in den jeweiligen Vorrichtungen starten.
In einer Variante dieses Verfahrens können die Zeitstempel dafür, wann der AP2 320 die Standortmessungsnachricht vom AP1 310 empfangen und wann der AP2 320 das ACK gesendet hat, im ACK selbst enthalten sein. Dadurch würde in der Prozedur eine Nachricht, die zweite vom AP2 320 gesendete Nachricht, entfallen.
In einer anderen Ausführungsform könnte die spezielle Standortmessungsnachricht von AP1 310, welche vom AP2 320 empfangen wird, vom AP1 310 verwendet werden, um den Zeitstempelungsprozess zu initiieren. Um diese Flexibilität zu erleichtern, kann der AP1 310, wenn der AP1 310 die Zeitstempel vom AP2 320 nicht empfängt, den Nachrichtenaustausch erneut initiieren. Zusätzlich kann der AP2 320 dies nach dem Übertragen der ACK-Nachricht nachverfolgen, indem er die spezielle Standortmessungsnachricht an den AP1 310 sendet.
Jeder AP kann seinen Standort sowie den Standort seiner benachbarten APs, die Fähigkeit der benachbarten APs zum Unterstützen der Prozedur zur Standortmessung und die nächste mögliche Zeit, zu der die Prozedur zur Standortmessung initiiert werden kann, (z. B. während der Beacon-Übertragungszeit) auch rundsenden. Diese Rundsendung kann in einem beliebigen Moment erfolgen, und bevorzugt werden die Informationen mit einer Regelmäßigkeit rundgesendet, so dass neue Client-Vorrichtungen, welche in den AP-Kanal eintreten, diese Informationen rechtzeitig erhalten. Man beachte, dass der AP den Standort seiner Nachbar-APs im Verhältnis zu seiner eigenen Position codieren kann und somit die Menge der Daten, welche er überträgt, reduzieren kann. Alternativ kann von einigen oder allen der APs periodisch eine Nachricht gesendet werden, welche die Positionen aller APs im drahtlosen Netzwerk angibt.
In diesem Beispiel lauscht die Client-Vorrichtung 312 auf diese Kommunikationen und kann den drahtlosen Kanal und die Zeit bestimmen, zu der die Client-Vorrichtung auf den Kanal abgestimmt werden soll, um die Standortmessungsnachrichten und die nachfolgenden ACKs zu empfangen. Sie lauscht ebenfalls auf die Nachverfolgungsnachricht vom AP2 320, um die Zeit, zu der die Standortnachricht vom AP2 320 auf dem Kanal, auf dem sie in Wartestellung ist, empfangen wurde, und die Zeit, zu der der AP2 320 das ACK übertragen hat, zu erhalten. Mit diesen Zeitinformationen und dem Standort der APs 310 und 320, welche die Client-Vorrichtung 312 aus den AP-Nachrichten extrahiert, kann die Client-Vorrichtung 312 nun ihren Standort schätzen.
Aus den Empfangszeitangaben jeder Standortmessungsnachricht und jedes folgenden ACK berechnet die Client-Vorrichtung 312 die Differenzdistanz zu den beiden APs 310 und 320. Hierfür wird folgendes Verfahren angewendet:
Die Client-Vorrichtung berechnet die Differenzdistanz zwischen den beiden APs, wie in Gleichung (9) gezeigt: $D_{12} = c (t_{CD,1} - (t_{CD,2} - T_{AP12} - (T_{AP2, Tx} - T_{AP2, Rx})))$
wobei, wie in 3 gezeigt,
D₁₂ = Differenzdistanz zwischen dem AP1 und dem AP2
t_CD,₁ = Time-of-Arrival der Standortmessungsnachricht aus dem AP1 an der Client-Vorrichtung, t_CD,2 = Time-of-Arrival des ACK vom AP2 an der Client-Vorrichtung
T_AP12 = Time-of-Flight zwischen dem AP1 und dem AP2
t_AP2,Rx = Time-of-Arrival der Standortmessungsnachricht vom AP1 am AP2
t_AP2,Tx = Übertragungszeit des ACK vom AP2 und
c = Lichtgeschwindigkeit
Unter der Annahme einer klaren Sichtlinie zwischen dem AP1 310 und dem AP2 320 kann die Time-of-Flight zwischen dem AP 310 und dem AP 320, TAP12, berechnet werden, wie in Gleichung (10) gezeigt: $T_{A P 12} = \frac{D_{A P 12}}{c} .$
Dabei ist DAP12 die Distanz zwischen dem AP1 310 und dem AP2 320. Falls keine klare Sichtlinie zwischen dem AP1 310 und dem AP2 320 vorhanden ist, kann eine Weiterverarbeitung der Signale wünschenswert sein, um sicherzustellen, dass die Berechnung auf dem direktesten Signal (z. B. dem ersten, das ankommt) basiert und spätere Mehrwegesignale ignoriert werden.
Es wird angemerkt, dass es nicht erforderlich ist, die Uhren der drei beteiligten Vorrichtungen (des AP1 310 und des AP2 320 und der Client-Vorrichtung 312) sehr präzise zu synchronisieren. Der Grund hierfür ist, dass nur die gemessenen Zeitdifferenzen an derselben Vorrichtung, die zeitlich nahe beieinander liegen, für die Gleichung relevant sind. Folglich heben sich geringe Diskrepanzen unter den Uhren der Vorrichtungen 310, 320 und 312 tendenziell auf. Ferner muss die Client-Vorrichtung 312 die Messungen nicht am Antennenanschluss durchführen. Sie kann stattdessen Messungen an den ADCs oder an einer beliebigen Stelle in den Empfangsschaltungen, welche eine feste Verzögerung von der Antenne aufweist, durchführen.
In einer Variante dieses Schemas werden die Zeitangaben der ACK-Übertragung des AP 320, welcher die Standortmessungsnachricht vom AP 310 im Verhältnis zum Empfang dieser Messungsnachricht empfängt, mit hoher Genauigkeit vorher bestimmt, und in diesem Fall können keine Zeitstempel gesendet werden. Die Client-Vorrichtung, welche die Zeitangaben des ACK relativ zur ursprünglichen Nachricht kennt, berechnet einfach die Differenzzeitdistanz als Zeitdifferenz zwischen dem Empfang der Standortmessungsnachricht und dem ACK abzüglich der ToF zwischen den Zugangspunkten und der vorher bestimmten Verzögerung zwischen dem Empfang der Standortmessungsnachricht und dem ACK.
Die STA misst solche Differenzdistanzen zu mehreren Paaren von APs und verwendet sie zum Schätzen ihres Standorts. Die Studie von Senturk, auf die oben Bezug genommen wird, beschreibt Verfahren zum Berechnen eines Standorts in einer, zwei oder drei Dimensionen. Um zu veranschaulichen, wie dies ausgeführt werden kann, wird das folgende einfache zweidimensionale Beispiel mit drei APs, dem AP 1, dem AP 2 und dem AP 3, betrachtet. Es wird angemerkt, dass bei diesem Beispiel mehrere Schnittpunkte erzeugt werden können. Zum Auflösen auf einen einzigen Schnittpunkt kann eine Differenzdistanz von wenigstens einem anderen AP oder wenigstens einer anderen STA verwendet werden.
Der Einfachheit halber und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit befinden sich die Client-Vorrichtung (STA) an den Koordinaten (x,y) und die drei APs an den Koordinaten (0,0), (x2,0) bzw. (x3,y3). Dies resultiert in den grundlegenden Differenzdistanzgleichungen (11) und (12): $D_{12} = \sqrt{x^{2} + y^{2}} - \sqrt{{(x - x_{2})}^{2} + y^{2}}$
$D_{13} = \sqrt{x^{2} + y^{2}} - \sqrt{{(x - x_{3})}^{2} + {(x - y_{3})}^{2}}$
wobei D12 und D13 aus der oben beschriebenen Messprozedur bekannt sind.
Aus diesen beiden grundlegenden Differenzdistanzgleichungen ergeben sich die beiden Kurven, die durch die Gleichungen (7) und (8) beschrieben werden: ${\begin{array}{l} y = g x + h & (7) \\ y = \sqrt{(e^{2} - 1) x^{2} + 2 e d x + d^{2}} & (8) \end{array}$
wobei $d = \frac{D_{12}}{2} - \frac{x_{2}^{2}}{D_{12}}$
$e = \frac{x_{2}}{D_{12}}$
$g = \frac{D_{13} x_{2}}{D_{12} y_{3}} - \frac{x_{3}}{y_{3}}$
und $h = \frac{x_{3}^{2} + y_{3}^{2} - D_{13}^{2} + D_{13} D_{12} (1 - {(\frac{x_{2}}{D_{12}})}^{2})}{2 x_{3}}$
Der Standort der STA liegt am Schnittpunkt dieser beiden Kurven. Beispiele für die Kurven werden in 4 gezeigt. Es kann mehr als ein gültiger Schnittpunkt vorhanden sein (wobei die in 4 gezeigte ungültige Lösung nicht mitgezählt wird). Wie oben beschrieben, kann es zum Auflösen der Standortmessung auf einen einzigen Punkt wünschenswert sein, zusätzliche AP-Differenzdistanzen zu verwenden, um zusätzliche Hyperbelgleichungen zu erhalten und diese Gleichungen unter Nutzung von Techniken zu lösen, welche in der oben genannten Studie von Senturk beschrieben werden.
In einem Beispiel für ein dreidimensionales Schema werden ein Paar von beteiligten APs oder STAs, A und B, und eine mobile Vorrichtung C verwendet, In diesem Beispiel entsprechen die APs A und B den jeweiligen APs 310 und 320, welche in 3 gezeigt werden, und die Client-Vorrichtung C entspricht der Client-Vorrichtung (STA) 312.
Vom AP A wird ein Signal rundgesendet, welches vom AP B und der Client-Vorrichtung C empfangen wird. Nach dem Empfangen des Signals wird vom AP B ein Signal rundgesendet, welches vom Client C empfangen wird. Das vom AP B gesendete Signal (z. B. das in 3 gezeigte ACK oder das nachfolgende Signal, wie oben beschrieben, das vom AP B gesendet wird) enthält die zeitliche Differenz, δ, zwischen dem Signal, welches am AP B aus dem AP A ankommt, und dem Signal, welches aus dem AP B abgeht.
An der STA C ergibt sich die Differenz der Ankunft der beiden Signale durch die Gleichung (13) $t_{B} - t_{A} = ‖ A - B ‖ + δ + ‖ B - C ‖ - ‖ A - C ‖,$
welche äquivalent zur Gleichung (14) ist: $‖ B - C ‖ - ‖ A - C ‖ = t_{B} - t_{A} - ‖ A - B ‖ - δ .$
wobei: $‖ A - B ‖ = {({(X_{A} - X_{B})}^{2} + {(Y_{A} - Y_{B})}^{2} + {(Z_{A} - Z_{B})}^{2})}^{1 / 2}$
und X, Y und Z jeweils die x-, y- und z-Koordinaten der APs A und B sind.
Da alle Größen auf der rechten Seite der Gleichung (14) bekannt sind oder gemessen werden, handelt es sich dabei einfach um die Gleichung einer Hyperbel, die zur Linie, AB, zwischen den Zugangspunkten A und B symmetrisch ist.
Falls die Signalisierungsprozedur wiederholt wird, jedoch ein zusätzlicher Zugangspunkt D (in 3 nicht gezeigt) B ersetzt, erhält man eine andere Hyperbel, auf der C liegen soll. Im Allgemeinen schneiden sich zwei Hyperbeln an zwei unterschiedlichen Punkten, daher wird die Prozedur mit einem anderen Zugangspunkt wiederholt, wobei D durch E ersetzt wird. Der Schnitt dieser drei Hyperbeln ergibt eindeutig eine Positionsschätzung von C. Bei dieser Analyse wird angenommen, dass keiner der APs A, B, D oder E standortgleich ist. Zusätzlich muss das Paar von APs, welches die Client-Vorrichtung zur Bestimmung ihres Standorts verwenden kann, nicht über einen gemeinsamen AP verfügen (z. B. AP A im obigen Beispiel).
Verfahren zum Lösen der drei Hyperbelgleichungen, welche auf die Linien AB, AD und AE ausgerichtet sind, um die geschätzte Position des Clients C zu erhalten, werden in Abschnitt 2.5.2 der oben genannten Senturk-Studie auf den Seiten 33-36 beschrieben. Die Zeiten werden in Distanzen aufgelöst, indem die Zeiten mit der Lichtgeschwindigkeit, c, multipliziert werden.
Für die oben beschriebenen Verfahren wird nur der Fall in Betracht gezogen, dass die Client-Vorrichtung auf den Verkehr auf einem Kanal lauscht. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Client-Vorrichtung auf mehreren Kanälen auf Verkehr und Standortnachrichten lauschen kann, wodurch gegebenenfalls die Anzahl der Standortmessungen, welche sie verarbeitet, erhöht wird.
Die Informationen, die vom AP rundgesendet werden, können eine Angabe des Kanals umfassen, auf dem sowohl der übertragende AP als auch die Nachbar-APs die Informationen als Nächstes rundsenden werden. Zusätzlich können diese Informationen den Zeitstempel für die Übertragungszeit der Nachricht vom rundsendenden AP als Übertragungszeitstempel der benachbarten APs umfassen. Alternativ können die Rundsendezeiten der Nachbar-APs relativ zur Rundsendezeit des aktuellen AP vorher bestimmt werden. Wenn eine Client-Vorrichtung diese Zeiten kennt, kann sie den Kanal wechseln, falls sie wählt, auf die von den Nachbar-APs gesendeten Informationen zu lauschen, um ihre Standortbestimmung zu beschleunigen. Zum Beispiel kann sie die empfangene Trägerleistung und den Standort des AP messen. Wie unten beschrieben, kann die Client-Vorrichtung, wenn sie die ungefähren Zeitangaben der Nachricht kennt, bis zur nächsten Übertragung auch in den Ruhezustand treten, um die Batterielebensdauer zu erhalten.
Wie in 5A gezeigt, sendet der AP1 310 eine Standortnachricht M1 an den AP2 320. Der AP2 320 antwortet auf die Nachricht M1 durch Versenden eines ACK an den AP1 310. Der AP2 sendet dann eine zweite Standortnachricht (Location Message) M2, welche die tatsächliche Übertragungszeit (t₁₁) der ersten Standortnachricht M1 und die Empfangszeit (t₁₄) der vom AP2 320 als Antwort auf die erste Standortnachricht übertragenen ACK-Nachricht enthält. Unter Verwendung der in M2 enthaltenen Informationen oder der tatsächlichen Zeit, zu der die Client-Vorrichtung 312 die gleiche Standortmessungsnachricht M1 und die nachfolgende ACK-Nachricht empfängt, kann die Client-Vorrichtung ihre Differenzdistanz zu den beiden beteiligten APs berechnen.
Die Client-Vorrichtung kann ihre Differenzdistanz mit Bezug auf die beiden APs 310 und 320 berechnen, wie in der Gleichung (15) gezeigt: $D_{12} = c (t_{15} - (t_{16} - (t_{14} - t_{11} - T_{AP12})))$
wobei
t₁₅= Time-of-Arrival der Standortmessungsnachricht aus dem AP1 an der Client-Vorrichtung
t₁₆= Time-of-Arrival des ACK aus dem AP2 an der Client-Vorrichtung
T_AP12 = Time-of-Flight zwischen dem AP1 und dem AP2
T₁₁ = Übertragungszeit der Standortmessungsnachricht aus dem AP1
t₁₄ = Time-of-Arrival des ACK aus dem AP2 am AP1 und
c = Lichtgeschwindigkeit.
Im Übrigen entspricht das Schema dem unter Bezugnahme auf 3 oben beschriebenen Verfahren in einer, zwei oder drei Dimensionen.
Ferner kann der Nachrichtenaustausch mehrfaches Übertragen der Standortnachricht M2 (welche die Übertragungszeit der letzten M1-Nachricht und die Empfangszeit ihres ACK umfasst) umfassen, die Client-Vorrichtung kann den Inhalt der Nachrichten (Zeitinformationen) zusammen mit der tatsächlichen Empfangszeit der Nachrichten und ihrer ACKs an der Client-Vorrichtung 312 verwenden, wie unter Bezugnahme auf die Gleichung (13) oben beschrieben, um die Messung ihrer Differenzdistanz zu den zwei APs 310 und 320 zu verfeinern.
Zusätzlich kann der AP2 320 die Distanz DAP12, die äquivalent zu D12 ist, unter Verwendung von Gleichung (1) berechnen. Der AP2 kann dann zum Berechnen seines Standorts ein Triangulationsverfahren verwenden, falls der Standort einiger APs bekannt ist (gegebenenfalls über GPS). Mit diesem Mechanismus lassen sich Standortservices einfach bereitstellen, wenn der Standort einiger APs bekannt ist und andere APs ihren Standort unter Verwendung von RTT- und Triangulationsverfahren berechnen.
Ein mögliches Problem beim oben beschriebenen Verfahren für den Nur-Empfang-Client-Vorrichtungs-Standort ist, dass die ToF zwischen den beiden APs unbekannt sein kann. Beispielsweise kann T_AP12 in der Gleichung (15) oben unbekannt sein, wenn keine Sichtlinie zwischen den beiden APs (z. B. AP1 und AP2 in 5A) vorhanden ist. Um dieses Problem zu lösen, wird nachstehend eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 5B zusätzlich zu der oben beschriebenen 5A beschrieben.
In 5B überträgt AP2 320 eine Standortnachricht M1' an den AP1 310. Der AP1 310 antwortet auf die Nachricht M1', indem er ein ACK' an den AP2 320 sendet. AP2 320 sendet dann eine zweite Standortnachricht M2', welche die tatsächliche Übertragungszeit (t₂₁) der ersten Standortnachricht M1' und die Empfangszeit (t₂₄) der ACK'-Nachricht enthält, welche vom AP1 310 in Reaktion auf die erste Standortnachricht M1' gesendet wird. Unter Verwendung der in M2' enthaltenen Informationen oder der tatsächlichen Zeit, zu der die Client-Vorrichtung 312 die gleiche Standortmessungsnachricht M1' und die nachfolgende ACK'-Nachricht empfängt, kann die Client-Vorrichtung ihre Differenzdistanz zu den beiden beteiligten APs berechnen.
Ähnlich kann die Client-Vorrichtung 312 ihre Differenzdistanz mit Bezug auf die beiden APs 310 und 320 berechnen, wie in der Gleichung (16) gezeigt: $D_{12} = c (t_{25} - (t_{26} - (t_{24} - t_{21} - T_{AP12})))$
wobei
t₂₅ = Time-of-Arrival der Standortmessungsnachricht M1' aus dem AP2 an der Client-Vorrichtung
t₂₆ = Time-of-Arrival des ACK' aus dem AP1 an der Client-Vorrichtung
T_AP21 = Time-of-Flight zwischen dem AP1 und dem AP2
t₂₁ = Übertragungszeit der Standortmessungsnachricht M1' aus dem AP2
t₂₄ = Time-of-Arrival des ACK' aus dem AP1 am AP2 und
c = Lichtgeschwindigkeit.
Es wird angenommen, dass die ToF zwischen AP1 und AP2 die gleiche in einer Richtung wie die andere ist, d. h. T_AP21 = T_AP12. Ebenfalls wird angemerkt, dass D₂₁ = - D₁₂. Folglich wird durch Einsetzen in die Gleichungen (15) und (16) Folgendes erhalten: $D_{12} = (D_{12} - D_{21}) / 2 = c [(t_{15} - t_{25}) - (t_{16} - t_{26}) + (t_{14} - t_{24}) - (t_{11} - t_{21})] / 2$
Gemäß der Gleichung (17) ist die ToF zwischen den beiden APs bei der Berechnung der Differenzdistanz der Client-Vorrichtung in Bezug auf die beiden APs nicht länger erforderlich. Stattdessen muss die Client-Vorrichtung nur zwei Gruppen von Nachrichten empfangen, welche die beiden APs zueinander gemäß 5A und 5B übertragen.
Ferner, da dieses Schema immun gegenüber Fehlern in der ToF zwischen den beiden APs ist, kann dieses Schema ebenfalls für eine Client-Vorrichtung verwendet werden, um ihre Differenzdistanz in Bezug auf zwei APs in Situationen zu berechnen, in denen eine klare Sichtlinie zwischen den beiden vorhanden ist, aber eine genaue ToF zwischen den beiden APs aus anderen Gründen nicht verfügbar ist (beispielsweise ist die Kommunikation zwischen den beiden irgendwie beeinträchtigt).
Ein weiteres mögliches Problem beim oben beschriebenen asynchronen Verfahren für den Nur-Empfang-Client-Vorrichtungs-Standort ist, dass die Client-Vorrichtung gegebenenfalls ständig empfangen muss, wenn sie in der Lage sein will, ihre aktuelle Position zu kennen. Das heißt, sie kann eventuell nicht in einen Ruhezustand treten, falls sie nicht will, dass ihr einige Standortmessungsmöglichkeiten entgehen. In einer in Betracht gezogenen Variante des obigen Schemas vereinbaren die AP-Paare bestimmte periodische Zeiten, zu denen sie auf einem Kanal kommunizieren werden, um Standortmessungsnachrichten auszutauschen. Alternativ kann ein AP in einem AP-Paar signalisieren, wann er plant, den nächsten Standortmessungsaustausch zu initiieren. Jede dieser beiden Varianten kann ein Teil eines detaillierten Protokolls sein, das spezifiziert, wie die APs hin und wieder Vereinbarungen treffen und kommunizieren und wie sie diese Informationen an die Client-Vorrichtung übermitteln.
Nachfolgend ist eine High-Level-Beschreibung des Teils des Protokolls. Sobald ein AP mit einem anderen AP ein Paar gebildet hat, richtet er eine periodische Kommunikation zum Versenden von Standortnachrichten an den anderen AP ein. Die APs handeln aus, auf welchem Kanal/welchen Kanälen und mit welcher Bandbreite/welchen Bandbreiten diese Kommunikationen erfolgen sollen. Die APs vereinbaren ebenfalls die Nennzeitangaben und die Nennperiodizität der Kommunikationen. Es ist vorgesehen, dass die Zeitangaben und die Periodizität von beiden APs oder von einem der APs des AP-Paars (z. B. AP1 310 in 5A) festgelegt werden können. Der Grund hierfür ist, dass die in 5A gezeigte Nachrichtenabfolge nicht erfordert, dass der andere AP irgendeine spezielle Nachricht überträgt (z. B. AP2 320 in 5A). Dies ist selbst dann der Fall, wenn der Nachrichtenabfolge in 5A ein Austausch von Request-ACK-Frames (wie in 2 gezeigt), welcher vom AP1 310 initiiert wird, vorausgeht. Der Zeitplan wird möglicherweise von einem Zeitplanelement, welches in der Nachricht M1 umfasst sein kann und auch im Nachbarelement umfasst sein kann, das eventuell vom AP rundgesendet wird, oder in einer beliebigen anderen Rundsendenachricht übermittelt.
Das Zeitplanelement kann nebst etwaigen zusätzlichen Informationen die Informationen bezüglich des Beginns des nächsten Standortnachrichtenaustausches, der Periodizität des Nachrichtenaustausches und der Identitäten einer oder beider am Nachrichtenaustausch beteiligten Vorrichtungen (z. B. MAC-Adresse, BSSID usw.) umfassen. Die Parameter, die im Zeitplanelement umfasst sein können, können von einem beliebigen zusätzlichen Frame/beliebigen zusätzlichen Frames übermittelt werden und sind eventuell nicht auf das Zeitplanelement begrenzt. Die APs, soweit für sie möglich, wickeln den Verkehr in ihren jeweiligen Basic Service Sets (BSSs) ab (d. h. der AP und alle assoziierten STAs), so dass jeder AP zum Kommunizieren mit dem gepaarten AP zu der Zeit für die Synchronisierungskommunikation verfügbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel soll dieser eine AP (AP2 320) eine kurze Zeit lang die initiierende Synchronisierungsnachricht vom anderen AP (AP1 310) empfangen. Der AP2 320 hört auf zu übertragen und lauscht auf diese Synchronisierungsübertragung. Ähnlich stellt der AP1 310, der die initiierende Synchronisierungsnachricht sendet, andere Übertragungen ein und überträgt stattdessen die Synchronisierungsnachricht.
Nachdem die initiierende Standortnachricht gesendet worden ist, antwortet der AP2 320 wie im asynchronen Verfahren mit einem ACK. Ähnlich kann der AP2 320 dies mit einer Nachricht nachverfolgen, welche die Zeitstempel der Empfangszeit der Standortnachricht und die Übertragungszeit des ACK enthält, oder diese Informationen können im ACK enthalten sein.
Der AP1 310 kann dann eine Nachricht senden, welche den Zeitstempel der Standortmessungsnachricht, die er zuvor gesendet hat, sowie die Zeit, zu der er den ACK vom AP2 320 empfangen hat, enthält. Ähnlich kann der AP2 320 mit einer Nachricht antworten, die den Zeitstempel seiner Standortmessungsübertragung enthält. In diesem Fall kann der AP2 320 auch Informationen zur Zeitplanung für seinen nächsten Beacon umfassen, einschließlich der Zeitangaben und der Periodizität des Beacons. Ähnlich kann der AP1 310 eine Nachverfolgungsnachricht senden, um den AP2 320 über die Zeitplanung seiner Beacon-Übertragungen zu informieren. Diese Beacon-Zeitinformationen können vom AP an die Client-Vorrichtungen in seinem BSS weitergegeben werden, damit diese die Zeitangaben der Beacons des AP und seiner benachbarten APs kennen.
In 7 wird eine weitere Alternative gezeigt. Nachdem die initiierende Standortnachricht M1 vom AP1 310 gesendet worden ist, antwortet der AP2 320 wie im asynchronen Verfahren mit einem ACK. Der AP2 320 kann dies mit einer Nachricht M2 nachverfolgen, welche die Zeitstempel der Empfangszeit der Standortnachricht und die Übertragungszeit des ACK enthält. Alternativ können diese Informationen im ACK enthalten sein.
Der AP1 310 kann dann ein ACK senden, dem sich eine Nachricht M3 anschließt, welche den Zeitstempel der Standortmessungsnachricht, die er zuvor gesendet hat, sowie die Zeit, zu der er das ACK aus dem AP2 320 empfangen hat, enthält. Ähnlich kann der AP 320 mit einem ACK antworten. Die Nachrichten M2 und/oder M3 können Informationen zur Zeitplanung für seinen nächsten Beacon umfassen, einschließlich der Zeitangaben und der Periodizität seines nächsten Beacons. In dieser Ausführungsform kann die Client-Vorrichtung 312 auf alle Nachrichten tauschen und ihre Position unter Verwendung der Zeitdaten aus den Nachrichten M2 und/oder M3 berechnen.
Insbesondere kann die Client-Vorrichtung die Differenzdistanz zwischen den beiden APs berechnen, wie in Gleichung (18) gezeigt: $D_{12} = c (t_{C D,1} - t_{C D,2} + \frac{1}{2} (t_{A P 1, R X} + t_{A P 2, T X} - t_{A P 1, T X} - t_{A P 2, R X}))$
wobei
t_CD,1 = Time-of-Arrival der Standortmessungsnachricht M1 vom AP1 an der Client-Vorrichtung
t_CD,2 = Time-of-Arrival des ACK vom AP2 an der Client-Vorrichtung
t_Ap1,Tx = Übertragungszeit der Standortmessungsnachricht M1 vom AP1
t_AP1,Rx = Time-of-Arrival des ACK vom AP2 am AP1
t_AP2,Rx = Time-of-Arrival der Standortmessungsnachricht M1 vom AP1 am AP2
t_AP2,Tx = Übertragungszeit des ACK vom AP2 und
c = Lichtgeschwindigkeit.
Wie in der unter Bezugnahme auf 5A und 5B beschriebenen Ausführungsform können die Beacon-Zeitinformationen vom AP an die Client-Vorrichtungen in seinem BSS weitergegeben werden, damit diese die Zeitangaben der Beacons benachbarter APs kennen.
Von den APs werden bestimmte Informationen an die Client-Vorrichtungen rundgesendet, damit jeder Client seinen Standort berechnen kann. Diese Informationen umfassen:

• Den Standort des AP
• Für jeden AP, mit dem der AP ein Paar bildet:
- ◯ Die (ungefähre) Zeit bis zur nächsten Standortmessungsübertragung mit diesem AP.
- ◯ Die Nennperiodizität der Standortmessungsübertragungen mit diesem AP.
- ◯ Die Kanal- und Bandbreitenwahl für die Standortmessungsübertragung mit diesem AP.
- ◯ Den Differenzstandort des gepaarten AP.

Dabei wird eine maximale relative Distanz von 1 km angenommen. Bei 17 Bit pro x- und y-Dimension kann die x-y-Differenzdistanz mit einer Genauigkeit von weniger als 1 cm angegeben werden. Unter der Annahme einer maximalen relativen Höhe von 250 m kann die relative Höhe bei 14 Bit mit einer Genauigkeit von weniger als 1 cm angegeben werden.
Es wird angemerkt, dass diese Informationen nicht in jedem Beacon umfasst sein müssen, sondern nur in Beacons, welche hin und wieder gesendet werden, so dass neue Client-Vorrichtungen ihre Standorte rechtzeitig berechnen können und so dass eine Client-Vorrichtung, falls sie die Zeitangaben und die Periodizität der Standortmessungen nicht mehr verfolgen kann, diese Informationen aus den Beacon-Rundsendungen ihres AP erhalten kann.
In einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst der AP eventuell nicht den Standort der benachbarten APs. Die Client-Vorrichtung kann diese Informationen stattdessen aus den Beacon-Übertragungen der benachbarten APs erhalten. In diesem Fall kann jedoch die übertragene Nachricht, damit die Client-Vorrichtung nicht nach den benachbarten APs scannen muss, auch Informationen dazu, wann und auf welchem Kanal die Beacon-Übertragungen der benachbarten APs erfolgen werden, umfassen. Falls der maximale Abstand der Beacons beispielsweise 10 Sekunden beträgt und die Präzision der nächsten Übertragungszeit beispielsweise 10 µs beträgt, können 19 Bit verwendet werden, um die Zeitangaben des nächsten Beacons auszudrücken, und eventuell können weitere 19 Bit verwendet werden, um die Periodizität des Beacons auszudrücken. Die Alternative, wie oben beschrieben, besteht darin, den relativen Standort des benachbarten AP/der benachbarten APs zu berücksichtigen. Falls die maximale Distanz zwischen APs eventuell 1 km (in x-, y- und z-Dimensionen) beträgt und ihr Standort mit der Präzision von einem Zentimeter geschätzt werden soll, würden von der übertragenen relativen Distanz 51 Bit verwendet werden. Folglich könnte Bandbreite eingespart werden, indem die Zeitangaben der Beacons benachbarter APs berücksichtigt würden, statt ihre relativen Standorte bereitzustellen. Der Client muss jedoch eventuell zwischen Kanälen wechseln, um alle zum Berechnen seines Standorts verwendeten Informationen zu erfassen. (Dies geschähe zusätzlich zum Wechsel, den er vornähme, um auf die Standortmessungsübertragungen zu lauschen.)
Die Client-Vorrichtung empfängt die obigen rundgesendeten Informationen aus einem AP, auf den sie gerade lauscht. Sie bestimmt basierend auf diesen Informationen, wann und auf welchem Kanal sie die Standortmessungsübertragungen empfangen wird. Sobald die Client-Vorrichtung über diese Informationen verfügt, kann sie ihren Zeit-Empfängerteil ausschalten und somit Batterieenergie sparen.
Die Standortberechnung für die Client-Vorrichtung entspricht hier ansonsten dem asynchronen Verfahren.
Weitere Varianten dieses Schemas werden in 6A und 68 gezeigt. Die in 6A gezeigte Variante macht von den Zugangspunkten 310 und 320 und der Client-Vorrichtung 312 Gebrauch und verwendet Hyperbelgleichungen. Die in 68 gezeigte Ausführungsform macht von den Stationen STAs 620 und 630 Gebrauch und verwendet Parabelgleichungen.
In der in 6A gezeigten Ausführungsform kann die Client-Vorrichtung 312 mit einem Standortserver 610 oder mit einem der APs 310 oder 320 gekoppelt sein. Alle Verbindungen zur Client-Vorrichtung 312 können über ein Netzwerk verlaufen, beispielsweise eine Drahtverbindung oder eine drahtlose Verbindung. Einige der oben beschriebenen Informationen, welche ansonsten über Luft auf dem WiFi-Kanal übertragen worden wären, können an den Standortserver 610 (oder aus ihm) oder an einen der APs 310 oder 320 (oder aus ihnen) auf diesen anderen Draht- und/oder drahtlosen Verbindungen kommuniziert werden. Beispiele für die Informationen, welche an den Standortserver 610 oder einen der APs kommuniziert werden können, umfassen die gemessenen Zeitstempel und die Standorte der Zugangspunkte 310 und 320. Der Standortserver 610, der AP1 310 oder der AP2 320 können auch überwiegend die Standortberechnungen durchführen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn bevorzugt wird, dass nicht die Client-Vorrichtung 312 die Berechnungen durchführen soll.
In dem in 6A gezeigten Beispiel sendet der AP1 310 zur Zeit t1 die Standortnachricht M1 an den AP2 320. Zur Zeit t2 empfängt der AP2 320 die Standortnachricht. Zur Zeit t3 antwortet der AP2 320 mit einem ACK, welches Werte für die Zeiten t2 und t3 des aktuellen Nachrichtenaustausches oder eines vorherigen Nachrichtenaustausches umfassen kann. Zur Zeit t4 empfängt der AP1 310 das ACK und zur Zeit t5 antwortet er durch Senden einer weiteren Standortnachricht M2 mit den Zeiten t1 und t4. Wie oben beschrieben, kann die Client-Vorrichtung 312 durch Verwendung der Werte T_CD1 und T_CD2 und entweder der Werte t2 und t3 oder der Werte t1 und t4 ihre Position berechnen.
Die oben beschriebenen Berechnungen können jedoch für die Client-Vorrichtung komplex sein. Um diese Belastung zu reduzieren, kann die Client-Vorrichtung diese Informationen für den Standortserver 610, für den AP1 310 oder für den AP2 320 bereitstellen. Jede dieser Vorrichtungen kann die oben beschriebenen Berechnungen durchführen, um den Standort der Client-Vorrichtung 312 zu bestimmen. Die betreffende Vorrichtung, welche die Berechnung durchführt, kann dann die Standortinformationen über das drahtlose Netzwerk oder über ein Kabelnetzwerk an die Client-Vorrichtung senden. Zusätzlich kann die Client-Vorrichtung auch die Standortinformationen oder die Kennung der Vorrichtungen (z. B. MAC-Adresse) der Netzwerkvorrichtung bereitstellen, welche die Zeitmessungen durchgeführt hat, damit die Standortberechnungsvorrichtung eine Referenz der Vorrichtung hat. Falls beispielsweise t1, t4 gesendet werden, werden der Standort oder die Kennung des AP1 zusammen mit T_CD1 und T_CD2 und der Kennung der Client-Vorrichtung gesendet. Die Genauigkeit der Messung lässt sich weiter verbessern, indem eine Ermittlung der Fehler bei den Zeitmessungen zu den Informationen, die zum Berechnen des Standorts bereitgestellt werden, hinzugefügt wird.
Falls die Daten von der Client-Vorrichtung 312 an den AP1 310 oder den AP2 320 gesendet werden, ist es wünschenswert, dass sie nicht während des Fine-Timing-Message(FTM)-Austausches gesendet werden. Wie in 6A gezeigt, beginnt der Austausch mit der Nachricht M1 und endet mit der Nachricht Mn. Die letzte FTM hat das Dialog-Token 0, um anzugeben, dass es sich um die letzte Nachricht handelt. In einer Implementierung kann die Client-Vorrichtung 312 mit dem Senden der Standortdaten an den AP1 310, den AP2 320 oder den Standortserver 610 warten, bis diese letzte Nachricht gesendet worden ist. Dieser zeitliche Ablauf verhindert Beeinträchtigungen des FTM-Austausches. Alternativ kann die Client-Vorrichtung 312 diese Nachricht vor der letzten Nachricht senden, falls die Client-Vorrichtung 312 die Beacon-Zeitplanung der APs 310 und 320 kennt. Eine Client-Vorrichtung kann wählen, die Zeitinformationen an die Vorrichtung zu senden, um die Berechnung basierend auf der Signalisierung in der FTM-Nachricht vorzunehmen, welche angibt, dass die Vorrichtung, welche die FTM-Nachricht sendet, Daten vom Client aufnehmen kann, um den Standort vom Client zu berechnen, oder der Client wird möglicherweise vorher dafür ausgelegt, eine solche Übertragung der Zeitinformationen vorzunehmen.
Wie unter Bezugnahme auf 2 oben beschrieben, kann die Standortbestimmung über eine RTT-Berechnung unter Verwendung von Parabelgleichungen durchgeführt werden. Dieses Beispiel wird in 6B gezeigt. Diese Implementierung umfasst die Stationen STA1 620 und STA2 630 sowie den Standortserver 610. Es ist wünschenswert, dass eine der STA1 620 und STA2 630 eine stationäre Vorrichtung mit einer bekannten Position ist. Die STA1 620 kann ein AP und die STA2 630 kann eine mobile Vorrichtung sein. Alternativ kann die STA2 630 ein AP und die STA1 620 eine mobile Vorrichtung sein. Wie unter Bezugnahme auf 2 oben beschrieben, berechnet eine mobile Vorrichtung, um ihre Position unter Verwendung der Parabeltechnik genau berechnen zu können, ihre Position mit Bezug auf mehrere feste STAs mit bekannten Standorten. 6B veranschaulicht den Nachrichtenaustausch zwischen einer festen STA und einer mobilen STA. Um Mehrdeutigkeiten hinsichtlich der Position aufzulösen, können die Nachrichten dieses Austausches mit Nachrichten, die zwischen der mobilen STA und einer oder mehreren anderen zur festen STA benachbarten STAs übertragen werden, ineinander geschachtelt oder von solchen Nachrichten gefolgt werden.
In der in 6B gezeigten Ausführungsform ist die STA1 620 fest und die STA2 630 eine mobile Vorrichtung. Der FTM-Nachrichtenaustausch in 6B entspricht im Grunde dem in 6A. In dieser Ausführungsform wird die Position der STA2 630 jedoch basierend auf der Position der STA1 620 berechnet. Sobald sie die RTT-Informationen erhalten hat, wie unter Bezugnahme auf 2 oben beschrieben, überträgt die STA2 630 die Informationen an den Standortserver 610 (der eine beliebige STA sein kann) oder an die STA1 zusammen mit dem Standort oder der Kennung (z. B. MAC-Adresse) der STA1. Wie unter Bezugnahme auf 6A oben beschrieben, kann diese Übertragung nach der letzten Nachricht beim FTM-Austausch oder zu einer beliebigen Zeit bereits während des FTM-Austausches erfolgen. Es ist wünschenswert, dass die Übertragung zeitlich so geplant ist, dass sie den FTM-Austausch nicht beeinträchtigt. Zusätzlich kann der STA2 von der STA1 in der FTM-Nachricht signalisiert werden, dass sie ihre gemessenen Zeitstempel an den Standortserver oder die STA1 oder an eine beliebige andere STA sendet, die für die STA2 erreichbar ist.
Es ist vorgesehen, dass die beim Nachrichtenaustausch verwendeten Nachrichten so ausgelegt sein können, dass sie für entweder Hyperbel- oder Parabelstandortbestimmungen geeignet sind. Die Beispielnachricht kann ein Flag-Bit aufweisen, welches angibt, ob gerade die Parabel- oder die Hyperbeltechnik verwendet wird. Jede Nachricht kann auch die verschiedenen Übertragungs- und Empfangszeitwerte übertragen, wie oben beschrieben, zusammen mit einer Angabe des maximalen Fehlers in jedem der Zeitwerte. Die Nachrichten können auch die MAC-Adressen der STAs in der Nachricht und die Media-Access-Control(MAC)-Adresse der die Nachricht erstellenden STA bereitstellen. Der Inhalt, welcher die Zeitstempel, die Kennungs- (oder Standort)-Details der STAs, das Parabel- oder Hyperbelberechnungs-Flag und Fehler in den Zeitstempeln umfasst, kann in einem „Informationselement“ übertragen werden, und eine einzelne Nachricht kann eines oder mehrere dieser „Informationselemente“ aufweisen.
In beliebigen der Ausführungsformen, welche unter Bezugnahme auf 3-6A und 7 oben beschrieben wurden, kann der AP 310, wenn er das aus dem AP 320 rundgesendete Signal empfängt, die RTT und, wenn er die wahre Distanz vom AP 320 oder die Verarbeitungszeit der Zeitstempel in der Vorrichtung kennt, einen Fehler in der RTT-Berechnung schätzen. In Reaktion auf diesen geschätzten Fehler kann der AP 310 1) eine Warnung ausgeben, dass Mehrwegefehler vorliegen können, 2) eine Schätzung des Ausmaßes des Mehrwegefehlers bereitstellen oder 3) eine Konfidenzniveaumessung der geschätzten RTT, die den Mehrwegefehler umfasst, bereitstellen. Diese Informationen können vom AP 310 für den Client 312 zur Verwendung bei der Positionsberechnung bereitgestellt werden. Falls ein Mehrwegefehler detektiert wird, kann die Signalisierungsprozedur mehrmals wiederholt werden, eventuell unter Verwendung unterschiedlicher Frequenzen und eventuell in unterschiedlichen Frequenzbändern (z. B. 2,4 GHz und 5 GHz für WiFi), um den Mehrwegefehler anzugehen.
In 8 wird ein alternatives Verfahren zum Verbessern einer Standortbestimmung gezeigt. Dieses Verfahren verwendet Sondierungssignale, welche im Rahmen einer Beamforming-Operation gesendet werden, die von bestimmten drahtlosen Technologien (z. B. 802.11v und 802.11ac) verwendet wird, um eine gesteuerte Signalisierung zwischen einer Basisstation und einer mobilen Vorrichtung zu implementieren.
Bei dem beispielhaften Verfahren wird angenommen, dass eine mobile STA ein Signal aus einem oder mehreren APs, welche mehrere Antennen aufweisen, empfangen kann. Ein beispielhaftes System, in dem das Verfahren implementiert werden kann, wird in 8 gezeigt. Das System umfasst einen einzigen AP 810 mit zwei Antennen 812 und 814 und eine Nicht-AP-STA 820 mit einer Antenne 822.
Gemäß diesem Verfahren weist der übertragende AP eine bekannte Ausrichtung und einen bekannten Standort sowie eine bekannte Antennengeometrie auf. Falls ein übertragender AP mehrere Antennen aufweist, können separate Sondierungssignale identifizierbar aus jeder Antenne übertragen werden, so dass die empfangende STA die Kanaleigenschaften des übertragenen Signals durch die zugeordneten Antennen bestimmen kann.
Die Sondierungssignale können periodisch gesendet werden, um die Eigenschaften des Kanals zwischen dem AP 810 und der STA 820 zu bestimmen. Nachdem die STA 820 das Sondierungssignal für die Antennen empfangen hat, sendet sie an den AP 810 eine Antwort mit einem Maß der Kanalqualität und einer Matrix, welche eine etwaige Phasendifferenz zwischen den aus den Antennen 812 und 814 empfangenen Sondierungssignalen adressiert. Der AP 810 verwendet das Qualitätsmaß und die Matrix, um einen Kanal für gesteuerte Strahlübertragung zur STA 820 hin zu bilden.
Ein Ausführungsbeispiel kann diese Sondierungssignale verwenden, um den Standort der STA 820 relativ zu einem oder mehreren APs 810 wenigstens teilweise zu bestimmen. In dem Ausführungsbeispiel werden die empfangenen Sondierungsmessungen verwendet, um die Phasendifferenz zwischen den Signalen, welche durch die verfügbaren Sendeantennen 812 und 814 übertragen werden, zu bestimmen. Dieser Winkel definiert eine Menge von Linien einer konstanten Phasendifferenz, welche mögliche Signalwege zwischen dem übertragenden AP und der empfangenden STA identifizieren. In dem in 8 gezeigten Beispiel mit zwei Antennen empfängt die Nicht-AP-STA Sondierungssignale aus dem AP, welche gleichzeitig über die Antennen 812 und 814 gesendet werden.
Durch eine Analyse der jeweiligen Zeiten, zu denen die Signale empfangen werden, (und des Verhältnisses zwischen ihnen) kann die STA 820 beispielsweise bestimmen, dass das Signal aus der Antenne 812 (Weg A) mit Bezug auf das Signal aus der Antenne 814 (Weg B) um einen durch d·sin(ϕ) approximierten Betrag verzögert ist, wobei d die Distanz zwischen den Antennen 812 und 814 des AP 810 ist. Aus dieser Messung kann die STA 820 ableiten, dass der Winkel, in dem das Signal den AP verlässt, ϕ rad (oder eventuell auch ϕ + π rad) beträgt. Dieser Winkel ist der Winkel eines geradlinigen Wegs von einer senkrechten Linie aus, welche durch einen zentralen Punkt zwischen den zwei Antennen gezogen ist, wie in 8 gezeigt.
Ähnlich können die Zeitangaben reflektierter (Mehrwege-) Signale ebenfalls extrahiert werden, um ihre Abgangswinkel zu bestimmen. Allgemein ist das direkte Signal, welches von einer Antenne übertragen wird, das erste, das an der Antenne ankommt. Alle später ankommenden Signale von dieser Antenne stellen eine Mehrwegeverzerrung dar. Falls die Geometrie des Bereichs, in dem die Signale empfangen werden, bekannt ist, können die Winkel, in denen die Mehrwegesignale ankommen, verwendet werden, um die von der STA 820 ausgeführte Standortbestimmung zu verbessern.
Die Phasenwinkelberechnung kann im Verlauf ganzer Zyklen des gemessenen Signals uneindeutig sein. Jedoch kann die Anzahl der möglichen Standorte, welche einer Positionierungslösung genügen, immer noch kleiner sein als ohne die Verwendung der Messung anwendbar. Beispielsweise, wie oben beschrieben, kann der Winkel eines Paars von Sondierungssignalen, welche von der STA 820 empfangen werden, ϕ rad oder ϕ + π rad betragen. Mit diesen Winkeln gehen jedoch weitere Einschränkungen einher, welche mit anderen Winkelmessungen oder mit den oben beschriebenen Parabel- oder Hyperbelverfahren verwendet werden können, um die Position der STA 820 relativ zu einem oder mehreren APs ferner zu verfeinern.
Wenn eine größere Anzahl von APs verwendet wird, können Winkel von mehreren Gruppen von Antennen, welche je einem jeweiligen AP zugeordnet sind, berechnet werden. Wenn alternativ ein einzelner AP mehr als zwei Antennen umfasst, kann der Phasenwinkel zum einzelnen AP genauer gemessen werden. In dieser Ausführungsform kann der Winkel ϕ ein Winkel relativ zu einem Flächenschwerpunkt der mehreren Antennen sein. Wenn die Geometrie es zulässt, können diese Messungen die Anzahl der möglichen Standorte der STA 820 im Verhältnis zum Bezugs-AP 810 weiter begrenzen.
Wenn die STA 820 Signale von mehreren APs 810 (nicht gezeigt) verarbeitet, können die möglichen Standorte der STA ferner reduziert werden, indem eine Triangulation basierend auf den jeweiligen bestimmten Winkeln zwischen der STA 820 und jedem der APs 810 angewendet wird.
Falls Signale aus einer ausreichenden Anzahl von APs gemessen werden, kann es möglich sein, den Standort der STA eindeutig zu bestimmen, doch selbst wenn der Standort nicht eindeutig bestimmt werden kann, können die durch dieses Verfahren durchgeführten Peilabschätzungen verwendet werden, um eine Positionsschätzung zu verbessern, welche unter Verwendung einer anderen Technik ausgeführt wird, wie beispielsweise der oben beschriebenen Parabel- und Hyperbeltechniken, indem die Anzahl der möglichen Lösungen, die für beide Datenmengen passen, reduziert wird.
Wenn Messungen unter Verwndung anderer Techniken ausgeführt werden, können Informationen zur Peilung des empfangenen Signals ebenfalls verwendet werden, um zu bewerten, ob ein Mehrwegefehler vorliegt. Eine Schätzung des Mehrwegeumfangs oder ein Konfidenzniveau hinsichtlich dieser Messung und kann an die STA 820 zur Verwendung bei der Positionsberechnung unter Gebrauch eines der anderen Verfahren weitergeleitet werden.
Die Messprozedur kann unter Verwendung derselben APs mehrmals durchgeführt werden, wobei für die Positionsberechnung die Mittelwerte der Winkel verwendet werden. Die Prozedur kann bei unterschiedlichen Frequenzen und eventuell auf einem anderen Band (z. B. 2,4 GHz und 5 GHz für WiFi) wiederholt werden, um etwaige Probleme im Kanal zwischen dem AP 810 und der STA 820, wie beispielsweise Mehrwegeprobleme, anzugehen.
Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die STA 820 mit mehreren Antennen ausgestattet werden kann (nicht gezeigt). In diesem Fall können weitere Informationen zu den Funkausbreitungswegen zwischen dem AP 810 und der STA 820 verwertet werden. Insbesondere kann die STA 820 in der Lage sein, genauere Informationen zum Winkel der Ankunft der empfangenen Signale zu erhalten, indem sie jedes der ankommenden Signale durch jede ihrer Antennen verarbeitet.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise wie unter Bezugnahme auf 2 oben erläutert, misst eine Client-Vorrichtung die Time-of-Arrival und die Time-of-Departure an den DACs und ADCs oder an einem beliebigen festen Punkt in den Übertragungs- und Empfangsschaltungen. Als solche können die Rx- und Tx-HF-Verzögerungen dann weitgehend ignoriert werden. Dies lockert die Kalibrierungsanforderungen auf der Client-Vorrichtung.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung, falls die Rx-HF-Verzögerung der Client-Vorrichtung von der Rx-Verstärkung abhängt, kann es dann jedoch wünschenswert sein, dass die Client-Vorrichtung eine etwaige Diskrepanz in diesen Verzögerungen kompensiert, da Übertragungen, welche von zwei verschiedenen APs empfangen werden, in verschiedenen Empfangsverstärkungseinstellungen in der Client-Vorrichtung resultieren können. In einigen Implementierungen wird die Kompensierung durchgeführt, indem die Rx-HF-Verzögerung von der ToF vor der Anwendung der verschiedenen Ausführungsformen des RTT-Messverfahren und Nur-Empfang-Verfahrens abgezogen wird, welche oben erläutert sind.
In noch einigen anderen Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht das folgende Schema einer Client-Vorrichtung oder einem AP, jegliche Tx- und Rx-Gruppen-HF-Verzögerungen zu kompensieren, um somit die Genauigkeit der oben erläuterten Differenzdistanzmessung weiter zu verbessern.
9 ist eine überarbeitete 2, welche ebenfalls die Rx- und Tx-HF-Verzögerungen der Client-Vorrichtung und eines AP zeigt. Ein Fachmann wird verstehen, dass diese Rx- und Tx-HF-Verzögerungen durch Tx-Selbstkalibrierung durch eine Client-Vorrichtung oder einen AP erreicht werden können.
10 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild, welches die Rx- und Tx-HF-Verzögerungen einer Client-Vorrichtung oder eines AP in Bezug auf die Zeiten veranschaulicht, die tatsächlich berichtetet wurden und bei den Messungen, die oben unter Bezugnahme auf 2 erläutert wurden, verwendet wurden. Insbesondere sind $\begin{matrix} t_{1} = t_{1_reported} + t_{AP_TX_delay} & t_{2} = t_{2_reported} - t_{client_RX_delay} \end{matrix}$
$\begin{matrix} t_{3} = t_{3_reported} + t_{client_TX_delay} & t_{4} = t_{4_reported} + t_{AP_RX_delay} \end{matrix}$
Durch Einsetzen der obigen Ausdrücke wird aus der Gleichung (I) somit die Gleichung (19): $\begin{array}{l} ToF = ((t_{4_reported} - t_{1_reported}) - (t_{3_reported} - t_{2_reported}) - (t_{client_RX_delay} + t_{client_TX_delay}) - \\ (t_{AP_RX_delay} + t_{AP_TX_delay})) / 2 \end{array}$
Ähnlich ist 11 eine überarbeitete Version der 5A und 5B, welche ebenfalls die HF-Verzögerungen berücksichtigen. Die Gleichungen (15) und (16) können überarbeitet und wie folgt vereinfacht werden: $D_{12} = c (t_{5} - (t_{6} - (t_{4_reported} - t_{1} - T)))$
wobei t_{4_reported} = t₄ - Ta, und Ta = t_{AP_RX_delay} + t_{AP_TX_delay}.
Demnach sind die Fehler in den Gleichungen (1), (15) und (16) die Summe der jeweiligen Tx- und Rx-Gruppenverzögerungen, z. B. jeweils Ta bzw. Tb in 9, wobei Ta = t_{AP_RX_delay} + t_{AP_TX_delay} und Tb = t_{client_TX_delay} ⁺ t_{client_RX_delay}. Was folglich benötigt wird, ist Genauigkeit in den Differenzen t₄ - t₁ und t₃ - t₂. Somit kann der aktuelle Standard von IEEE 802.1 1v, welcher die Gleichung (1) implementiert, modifiziert werden, um die Tx- und Rx-Gruppen-HF-Verzögerungen durch Hinzufügen einer Genauigkeitsberichterstattung über die Differenz t₄ - t₁ zu kompensieren. Ähnlich kann eine STA, welche ihre Summe Tx- + Rx-Gruppen-HF-Verzögerung messen kann, dann einen niedrigen Fehler in der Differenz t₄ - t₁ berichten. 12 stellt eine Ausführungsform dieses Schemas dar.
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen betreffen die Bestimmung eines Standorts einer Client-Vorrichtung relativ zu einem oder zwei festen APs oder einer oder zwei festen STAs. Obgleich diese Standorte verwendet werden können, um einen absoluten Standort der Client-Vorrichtung zu bestimmen, können noch genauere Positionierungsinformationen erhalten werden, indem zusätzliche Standortbestimmungen erhalten und kombiniert werden.
In den oben erläuterten verschiedenen Ausführungsformen ist die Client-Vorrichtung (z. B. 212 und 312) eine beliebige Art von mobiler Vorrichtung mit integriertem WiFi oder ähnlicher drahtloser Kommunikationsfunktionalität. Die Client-Vorrichtung ist in der Regel eine beliebige zelluläre oder ähnliche Art von Telefon (z. B. iPhone, Blackberry, Android-Smartphone usw.). Jedoch sind viele Alternativen möglich, wie beispielsweise tragbare oder Tablet-Computer (z. B. iPad, Galaxy) usw. WiFi-Transceiver-Funktionalität in einer Client-Vorrichtung kann unter Verwendung einer beliebigen Kombination von Hardware und/oder Software implementiert werden, einschließlich WiFi-Chipsätzen und zugehöriger Firmware/Software von CSR Ltd., Marvell oder Qualcomm, möglicherweise wie gemäß der vorliegenden Erfindung angepasst und/oder mit Funktionalität ergänzt, wie hierin detaillierter beschrieben. Insbesondere werden Fachleute auf dem Gebiet nachvollziehen können, wie sie Software oder Firmware mit den Standorttechniken der vorliegenden Erfindung implementieren, nachdem sie von der vorliegenden Beschreibung gelernt haben.
Obgleich die Erfindung hier in Bezug auf spezielle Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wird, soll die Erfindung nicht auf die gezeigten Details begrenzt sein. Vielmehr können verschiedene Abwandlungen hinsichtlich der Details im Schutzbereich und im Umfang von Äquivalenten der Patentansprüche und ohne Abweichung von der Erfindung vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Standorts einer Client-Vorrichtung in einem drahtlosen Netzwerk, welches wenigstens eine erste und zweite andere Netzwerkvorrichtung mit bekannten Standorten umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Übertragen von der ersten anderen Netzwerkvorrichtung einer ersten Nachricht an die zweite andere Netzwerkvorrichtung; Übertragen von der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer Bestätigung in Reaktion auf den Empfang der ersten Nachricht, Übertragen von der ersten anderen Netzwerkvorrichtung einer zweiten Nachricht nach der ersten Nachricht an die zweite andere Netzwerkvorrichtung, wobei die zweite Nachricht eine tatsächliche Übertragungszeit der ersten Nachricht und eine tatsächliche Empfangszeit der Bestätigung in Reaktion auf die erste Nachricht umfasst, Übertragen von der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer dritten Nachricht an die erste andere Netzwerkvorrichtung; Übertragen von der ersten anderen Netzwerkvorrichtung einer Bestätigung in Reaktion auf den Empfang der dritten Nachricht, Übertragen von der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung einer vierten Nachricht nach der dritten Nachricht, Empfangen, durch die Client-Vorrichtung, der ersten Nachricht, der Bestätigung in Reaktion auf die erste Nachricht, der zweiten Nachricht, der dritten Nachricht, der Bestätigung in Reaktion auf die dritte Nachricht und der vierten Nachricht; und Berechnen des Standorts der Client-Vorrichtung basierend auf den Informationen, die von der ersten und der zweiten anderen Netzwerkvorrichtung empfangen wurden, und den bekannten Standorten der ersten und zweiten anderen Netzwerkvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vierte Nachricht eine tatsächliche Übertragungszeit der dritten Nachricht und eine tatsächliche Empfangszeit der Bestätigung in Reaktion auf die dritte Nachricht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste als auch die zweite andere Netzwerkvorrichtung einen Hochfrequenz-Teil und einen Digitalteil umfasst, wobei Empfangsschaltungen des Hochfrequenz-Teils mit dem Digitalteil durch Schaltungen für Analog-Digital-Wandlung gekoppelt sind und Übertragungsschaltungen des Hochfrequenz-Teils mit dem Digitalteil durch Schaltungen für Digital-Analog-Wandlung gekoppelt sind, und wobei die tatsächliche Empfangszeit eine Zeit ist, zu der die Nachricht von den Analog-Digital-Wandlungs-Schaltungen der anderen empfangenden Netzwerkvorrichtung verarbeitet wird, und die tatsächliche Übertragungszeit eine Zeit ist, zu der die Bestätigung der Nachricht von den Digital-Analog- Wandlungs-Schaltungen der anderen übertragenden Netzwerkvorrichtung verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Client-Vorrichtung eine mobile drahtlose Vorrichtung ist und die erste und die zweite andere Netzwerkvorrichtung drahtlose Zugangspunkte im drahtlosen Netzwerk sind.