-
Diese
Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 5. August 2004 eingereichten
US-Provisional-Anmeldung Nr. 60/598,828, deren gesamter Inhalt hierin
durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
-
QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNG
-
Ein ähnlicher
Gegenstand wird in der parallelen US-Patentanmeldung von John M.
Belcea mit dem Titel „Autonomous
Reference System and Method for Monitoring the Location and Movement
of Objects", Docket-Nummer
P2247/0187 (Mesh-106), beschrieben, die hiermit gleichzeitig eingereicht
wurde und hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen ist.
-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bandbreiteneffizientes
System und Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen Knoten in
einem drahtlosen Netzwerk, insbesondere einem drahtlosen Netzwerk von
unsynchronisierten Knoten mit Einwegdatenübertragung, und zum Berechnen
der relativen und der absoluten Position der Funkknoten unter Verwendung
der gemessenen Abstände.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein bandbreiteneffizientes
System und ein Verfahren zur Distanzmessung (Ranging) von Knoten
in irgendeinem drahtlosen Netzwerk, wie z. B. einem Ad-hoc-Multi-Hopping-Netzwerk,
wobei Funkkommunikation verwendet wird und wobei die Zeit der Ankunft
(TOA) von Datenpaketen an den Knoten gemessen wird, und wobei weiter
die geographischen Koordinaten von festen Referenzknoten berechnet
werden.
-
Hintergrund
-
In
den letzten Jahren wurde ein als ein „Ad-hoc-Multi-Hopping"-Netzwerk bekannter
Typ eines Mobilkommunikationsnetzwerkes entwickelt. Bei diesem Netzwerktyp
kann jeder mobile Knoten als eine Basisstation oder als ein Router
für die
anderen mobilen Knoten arbeiten, wodurch das Bedürfnis nach einer festen Infrastruktur
von Basisstationen beseitigt wird. Wie von einem Fachmann gewürdigt werden
kann, senden und empfangen Netzwerkknoten Datenpaketnachrichten
in einem Multiplexformat, wie z. B. einem Zeitmultiplex(TDMA)-Format,
einem Codemultiplex(CDMA)-Format oder einem Frequenzmultiplex(FDMA)-Format.
-
Weiter
entwickelte Ad-hoc-Netzwerke sind außerdem entwickelt worden, die
zusätzlich
dazu, dass sie mobilen Knoten ermöglichen, wie in einem herkömmlichen
Ad-hoc-Netzwerk
miteinander zu kommunizieren, weiter den mobilen Knoten ermöglichen,
auf feste Netzwerke zuzugreifen und somit mit stationären Knoten
zu kommunizieren, wie z. B. denjenigen des öffentlichen Telefonnetzes (PSTN)
und anderer Netzwerke wie z. B. dem Internet. Einzelheiten dieser
hochentwickelten Typen von Ad-hoc-Netzwerken sind in der am 29.
Juni 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer
09/897,790 mit dem Titel „Ad
Hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN
and Cellular Networks",
in dem Patent
US 6,807,165 mit
dem Titel „Time
Division Protocol for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer Radio Network Having
Coordinating Channel Access to Shared Parallel Data Channels with
Separate Reservation Channel" und
in dem Patent
US 6,873,839 mit
dem Titel „Prioritized-Routing
for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer, Mobile Radio Access System" offenbart, wobei
der gesamte Inhalt jeder davon hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen
ist.
-
Wie
von einem Fachmann gewürdigt
werden kann, ist die Laufzeit (TOF) das Zeitintervall während dem
ein Radiosignal von einem Funkendgerät zu einem anderen Funkendgerät läuft. Multiplizieren
der TOF mit der Geschwindigkeit der Radiowellenausbreitung liefert
den Abstand oder die „Entfernung
(Range)" zwischen
zwei Endge räten.
Die Entfernung selbst wird in verschiedenen Anwendungen verwendet.
Da die Entfernung nur eine Messung der Nachbarschaft bereitstellt,
wird eine Entfernung alleine sehr selten bei Anwendungen verwendet.
Zum Berechnen der Position eines mobilen Knotens verwenden die meisten
Anwendungen entweder eine Reihe von Entfernungen zwischen verschiedenen
Endgeräten
oder eine Entfernung und zusätzliche
Information über
die Richtung.
-
Wie
aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird die TOF unter Verwendung
von Zweiweg- oder Einwegdistanzmessung (two-way or one-way ranging)
berechnet. Bei der Zweiwegdistanzmessung sendet die Station, die
die Entfernung benötigt,
eine Anfrage zur Entfernungsbestimmung an eine Referenzstation.
Die Referenzstation beantwortet die Anfrage sofort oder nach einer
bekannten Verzögerung.
Die Zeit zwischen dem Senden der Anfrage und dem Empfangen der Antwort
an der ersten Station ist das zweifache der TOF, da bei der Zweiwegdistanzmessung
die die Reichweite suchende Station den Dialog initiiert.
-
Bei
der Einwegdistanzmessung wird die Uhrsynchronisation aller Bezugspunkte
(d. h. Endgeräte
oder Knoten) die ganze Zeit benötigt.
Wenn die Uhr eines mobilen Endgerätes, das in die Messung einbezogen
ist, auch mit den Bezugspunkten synchronisiert ist, sind die gemessenen
Reichweiten genau, ansonsten sind sie alle von dem gleichen unbekannten
Fehler beeinträchtigt
und werden Pseudoreichweiten genannt. Obwohl Einwegdistanzmessung
ein hinsichtlich der Bandbreite effizienteres Verfahren als die
Zweiwegdistanzmessung ist, erfordert das Verfahren des Synchronisierens
von Bezugspunkten den Zweiwegaustausch von Nachrichten, wodurch
Bandbreite verbraucht wird.
-
Zum
Berechnen der Position eines mobilen Funkendgerätes in einem drahtlosen Netzwerk
von n festen Bezugspunkten mit dem Zweiwegdistanzmessungsverfahren
werden 2n Distanzmessungs-Nachrichten übertragen, während bei
der Einwegdistanzmessung nur n + 1 Nachrichten übertragen werden, und von Zeit zu
Zeit weitere 2n Nachrichten übertragen
werden zum Aufrechterhalten der Synchronisation zwischen den Uhren
der Endgeräte.
-
Ein übliches
Beispiel der Einwegdistanzmessung sind die von einem Global-Positioning-System (GPS)
durchgeführten
Verfahrensschritte. So basiert das GPS auf einem Verfahren, welches
ein Einwegdistanzmessungsverfahren verwendet. Alle GPS-Satelliten besitzen
hochpräzise
synchronisierte Uhren und geozentrische Ephemeriden. Das Mobilgerät empfängt gleichzeitig
Signale von mehreren Satelliten, die sich über dem Horizont befinden und
errechnet dessen geozentrische Position. Obwohl es sehr einfach
und direkt ist, kann das Verfahren nur an Orten verwendet werden,
an denen mehrere Satelliten gleichzeitig gesehen werden können. Sehr
genaue Präzision
der Position kann nur mit einem sehr hochentwickelten GPS-Gerät erzielt
werden, das für
lange Zeit unbeweglich bleibt und Signale von einer großen Anzahl
von Satelliten empfangen kann. In schmalen Strassen mit hohen Gebäuden, innerhalb
von Gebäuden
oder unter der Erde kann das Verfahren nicht verwendet werden, da
die Anzahl von empfangenen Signalen von den Satelliten nicht ausreichend ist.
-
Um
außerdem
die E911-Anforderungen einzuhalten, wurden verschiedene Verfahren
zum Orten von Funktelefonen entwickelt. Da alle Basisstationen,
welche die Fähigkeit
der Verbindung zu Mobiltelefonen vorsehen, mit GPS-Satelliten mit
einer Präzision
von 10–11 Sekunden
synchronisierte Uhren besitzen können,
wurde Time-Difference-Of-Arrival
(TDOA) das bevorzugteste Verfahren. Gemäß dem TDOA-Verfahren empfangen
zumindest drei synchronisierte Basisstationen das Signal und zeichnen
die Ankunftszeit (TOA) des Signals auf, wenn das Mobilgerät ein Signal
sendet. Dann senden diese Basisstationen die TOA des Mobilsignals an
eine zentrale Berechnungseinheit für gewöhnlich über eine Drahtverbindung. Die
Berechnungseinheit, welche die geozentrische Position jeder Basisstation
kennt, berechnet die geozentrische Position des Mobilgerätes unter
Verwendung der TDOA der Signale durch Berechnen des Schnittpunktes
von Hyperbeln. Der Hauptvorteil des Verfahrens ist der, dass keine Änderung
an den Mobiltelefonen vorgenommen werden muss, um das Verfahren
zu ermöglichen.
Der Nachteil des Verfahrens besteht in der möglicherweise beschränkten Ausbreitung
des Signals zwischen dem Mobiltelefon zu den zumindest drei Basisstationen,
wenn das Mobilgerät sich
in einer schmalen Strasse mit hohen Gebäuden, innerhalb großer Gebäude oder
unter der Erde befindet.
-
Die
folgenden Druckschriften, die hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen
werden, beschreiben die verschiedenen Typen von Einweg- und Zweiwegmesssystemen:
Die Patente
US 6,728,545 ,
US 6,453,168 ,
US 6,266,014 ,
US 6,208,297 ,
US 5,321,668 ,
US 4,357,609 ,
US 4,161,734 ,
US 4,161,730 ,
US 3,943,509 und
US 3,934 251 . Jedoch verwendet keines
der in diesen Patenten beschriebenen Verfahren unsynchronisierte Endgeräteuhren
zum Durchführen
der Einwegdistanzmessung von Endgeräten.
-
Dementsprechend
gibt es ein Bedürfnis
nach einem effizienten System und Verfahren zum Durchführen einer
Einwegdistanzmessung von Endgeräten
in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, um die Verwendung von
hochwertigen Oszillatoren zum Erzielen von Uhrensynchronisation
zwischen Endgeräten
zu vermeiden.
-
Kurze Beschreibung
der Figuren
-
Die
begleitenden Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen sich auf identische
oder funktionsähnliche
Elemente in den einzelnen Ansichten beziehen und welche zusammen
mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in der Offenbarung
enthalten sind und einen Teil davon bilden, dienen der weiteren
Darstellung von verschiedenen Ausführungsformen und zum Erläutern von
verschiedenen Grundlagen und Vorteilen gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
1 ist
ein Blockdiagramm eines Beispiels eines drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetzwerkes
mit einer Mehrzahl von Knoten, welches ein System und ein Verfahren
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
-
2 ist
ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel eines in dem in 1 gezeigten
Netzwerk verwendeten mobilen Knotens darstellt;
-
3 ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel von drei Knoten des in 1 gezeigten
drahtlosen Netzwerkes darstellt, das gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung arbeitet; und
-
4 ist
eine graphische Darstellung eines Beispiels des Zusammenhangs zwischen
Uhren der in 3 gezeigten Knoten.
-
Fachleute
werden zu würdigen
wissen, dass Elemente in den Figuren aus Gründen der Einfachheit und Klarheit
dargestellt sind und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu wiedergegeben
sind. Beispielsweise können
die Abmessungen von einigen Elementen in den Figuren relativ zu
anderen Elementen vergrößert sein,
um das Verständnis
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Vor
der detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen, die sich in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung befinden, ist zu beachten, dass Ausführungsformen
sich hauptsächlich
in Kombinationen der Verfahrensschritte und Vorrichtungsbauteile
widerspiegeln, die sich auf ein bandbreiteneffizientes System und
Verfahren zum Messen des Abstands zwischen Endgeräten in einem
drahtlosen Netzwerk beziehen. Dementsprechend werden Vorrichtungsbauteile
und Verfahrensschritte, wo es sinnvoll ist, durch herkömmliche
Symbole in den Zeichnungen dargestellt, wobei lediglich solche spezifischen
Details dargestellt worden sind, die für das Verständnis der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung notwendig bzw. zweckmäßig sind, um nicht die Offenbarung
mit Einzelheiten zu überfrachten,
die für
den Fachmann auf diesem Gebiet mit Hilfe der hier dargebotenen Beschreibung
ohnehin offensichtlich sind.
-
In
diesem Dokument werden relationale Begriffe, wie z. B. erstes (erste,
erster) und zweites (zweite, zweiter), oberes (obere, oberer) und
unteres (untere, unterer) usw., lediglich zur Abgrenzung einer Einheit
oder eines Vorgangs von einer anderen Einheit oder einem anderen
Vorgang verwendet, ohne notwendigerweise eine tatsächliche
Beziehung oder Reihenfolge zwischen den Einheiten oder Vorgängen zu
erfordern oder zu implizieren. Die Begriffe „aufweisen", „aufweisend" oder irgendeine
andere Abwandlung davon, sind dazu gedacht, eine nicht abschließende Aufzählung zu
umfassen, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine
Vorrichtung, die eine Liste von Elementen aufweisen, nicht lediglich
diese Elemente aufweist, sondern auch andere, nicht ausdrücklich aufgelistete
oder einem solchen Prozess, Verfahren, Artikel oder Vorrichtung inhärente Elemente
aufweisen kann. Ein Element, dem „aufweisend ein ..." vorangeht, schließt ohne
weitere Angaben nicht das Vorhandensein von zusätzlichen identischen Elementen
in dem Prozess, dem Verfahren, dem Artikel bzw. Produkt oder der
Vorrichtung aus, die dieses Element aufweisen.
-
Es
wird zu würdigen
sein, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
aus einem oder mehreren herkömmlichen
Prozessoren und einzelnen gespeicherten Programmanweisungen, die
den einen oder die mehreren Prozessoren steuern, bestehen können, um
in Verbindung mit bestimmten Nicht-Prozessorschaltungen einige,
mehrere oder alle Funktionen eines hierin beschriebenen bandbreiteneffizienten Systems
und Verfahrens zum Messen des Abstands zwischen Endgeräten in einem
drahtlosen Netzwerk zu implementieren. Die Nicht-Prozessorschaltungen
können
enthalten, aber sind nicht beschränkt auf: einen Funkempfänger, einen
Funksender, Signaltreiber, Zeitmessschaltungen, Leistungsquellenschaltungen
und Benutzereingabegeräte.
Als solche können
diese Funktionen als Schritte eines Verfahrens zum Ausführen einer
bandbreiteneffizienten Technik zum Messen des Abstands zwischen
Endgeräten
in einem drahtlosen Netzwerk interpretiert werden. Alternativ können einige
oder alle Funktionen durch eine Zustandsmaschine (state machine),
die keine gespeicherten Programmanweisungen aufweist, oder durch
eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen
(ASICs) implementiert sein, bei denen jede Funktion oder einige Kombinationen
von bestimmten Funktionen als kundenspezifische Logik implementiert
sind.
-
Natürlich kann
auch eine Kombination aus diesen beiden Ansätzen verwendet werden. Somit
sind Verfahren und Mittel für
diese Funktionen hierin beschrieben worden. Ferner wird erwartet,
dass ein Fachmann ungeachtet eines möglichen erheblichen Aufwands
und vieler Entwurfsentscheidungen, die beispielsweise durch die
verfügbare
Zeit, die augenblickliche Technologie und ökonomische Überlegungen motiviert sind, ohne
weiteres zum Erzeugen derartiger Anweisungen und -programme sowie
ICs mit minimalem Experimentieraufwand in der Lage ist, wenn er
durch die hier offenbarten Konzepte und Grundlagen angeleitet wird.
-
Wie
weiter unten mehr im Detail beschrieben, stellt die vorliegende
Erfindung ein effizientes System und Verfahren zur Distanzmessung
(Ranging) zwischen Knoten in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk,
wie z. B. einem Multi-Hopping-Ad-hoc-Peer-to-Peer-Netzwerk, dar. Das Netzwerk
umfasst eine Mehrzahl von mobilen Funkknoten, wobei jeder Knoten
periodisch eine jeweilige digitale Nachricht sendet, welche Information
hinsichtlich der jeweiligen benachbarten Knoten enthält, von
denen irgendwelche früheren
digitalen Nachrichten empfangen wurden. Die Knoten empfangen außerdem digitale
Nachrichten von anderen Knoten in dem Netzwerk. Die Information,
die benachbarte Knoten betrifft, von denen vorherige digitale Nachrichten
empfangen wurden, beinhaltet die Ankunftszeiten dieser Nachrichten
und die Positionen der die Nachrichten sendenden benachbarten Knoten
zu der Zeit, zu der diese Nachrichten gesendet wurden, wenn solche
Positionen bekannt sind. Die Information in diesen Nachrichten wird
verwendet von einem die Nachrichten empfangenden Knoten zum Vermessen
der Knoten, von denen der Knoten die Nachrichten empfangen hat.
-
Wie
von dem Obigen gewürdigt
werden kann, misst das System und das Verfahren die Entfernung zwischen
Knoten in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk unter Verwendung
von Einwegdatenübertragung zwischen
Knoten. Bei Verwendung dieser Technik müssen nur n Nachrichten übertragen
werden zum Berechnen von n2 Entfernungen
in dem Netzwerk, ohne Beschränkung
hinsichtlich der Beweglichkeit irgendeines Knotens in dem Netzwerk.
-
Sich
nun zu den Figuren hinwendend, ist 1 ein Blockdiagramm,
dass ein Beispiel für
ein paketvermitteltes, drahtloses, Ad-hoc-Kommunikationsnetzwerk 100 darstellt,
welches eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung benutzt. Genauer gesagt enthält das Netzwerk 100 eine
Mehrzahl von mobilen Nutzerfunkendgeräten 102-1 bis 102-n (allgemein
als Knoten 102 oder mobile Knoten 102 bezeichnet),
und kann, aber muss nicht notwendigerweise ein festes Netzwerk 104 mit
einer Mehrzahl von Zugangspunkten (Access Points) 106-1, 106-2,
... 106-n (allgemein als Knoten 106 oder Zugangspunkte 106 bezeichnet)
enthalten, um für
die Knoten 102 einen Zugang bzw. einen Zugriff zu bzw.
auf das feste Netzwerk 104 vorzusehen. Das feste Netzwerk 104 kann
beispielsweise ein lokales Zugriffskernnetzwerk bzw. ein Kern-LAN
und eine Mehrzahl von Servern und Gatewayroutern enthalten, um für die Netzwerkknoten
einen Zugriff auf andere Netzwerke vorzusehen, wie etwa auf andere
Ad-hoc-Netzwerke, das öffentlich
vermittelte Telefonnetzwerk (PSTN) oder das Internet. Das Netzwerk 100 kann
ferner eine Mehrzahl von festen Routern 107-1 bis 107-n (allgemein
als Knoten 107 oder feste Router 107 bezeichnet)
zum Routen von Datenpaketen zwischen anderen Knoten 102, 106 oder 107 enthalten.
Es sei bemerkt, dass für
die Zwecke dieser Darstellung die vorangehend erwähnten Knoten
kollektiv als „Knoten 102, 106 und 107" oder einfach „Knoten" oder „Endgeräte" bezeichnet werden.
-
Wie
für den
Fachmann offensichtlich sind die Knoten
102,
106 und
107 zu
einer direkten Kommunikation miteinander in der Lage oder über einen
oder mehrere Knoten
102,
106 oder
107,
die als ein oder mehrere Router für zwischen den Knoten gesendeten
Paketen dienen, wie in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer
09/897,790 und den oben erwähnten
US-Patenten
US 6,807,165 und
US 6,873,839 beschrieben
ist.
-
Wie
in 2 gezeigt enthält
jeder Knoten 102, 106 und 107 einen Transceiver
oder ein Modem 108, welcher bzw. welches an eine Antenne 101 gekoppelt
ist und zum Empfangen und Senden von Signalen, wie etwa Paket-Signalen
von bzw. zu den Knoten 102, 106 oder 107 unter
Steuerung durch eine Steuervorrichtung bzw. einen Controller 112 in
der Lage ist. Die Paketdatensignale können beispielsweise Sprach-,
Daten- oder Multimediainformation
enthalten und die Paketsteuersignale können Knotenaktualisierungsinformationen
enthalten.
-
Jeder
der Knoten 102, 106 und 107 beinhaltet
ferner einen Speicher 114, wie etwa einen Speicher mit wahlfreiem
Zugriff (RAM), der zum Speichern von unter anderem Routinginformation
in der Lage ist, die ihn selbst oder andere Knoten in dem Netzwerk 100 betreffen.
Wie weiter in 2 gezeigt, können bestimmte Knoten, insbesondere
mobile Knoten 102 einen Host 116 enthalten, welcher
aus einer Reihe von Geräten
bestehen kann, wie z. B. einem Notebookcomputer-Endgerät einer
mobilen Telefoneinheit, einer mobilen Dateneinheit oder irgendeiner
anderen geeigneten Vorrichtung. Jeder Knoten 102, 106 und 107 enthält die zur Durchführung des
Internetprotokolls (IP) und des Address-Resolution-Protokolls (ARP)
geeignete Hard- und Software, deren Zwecke für den Fachmann ohne weiteres
ersichtlich sind. Die geeignete Hardware und Software zum Durchführen des
Transmission-Control-Protokolls (TCP) und des User-Datagram-Protokolls (UDP) können außerdem enthalten
sein.
-
Wie
oben beschrieben, sind das bandbreiteneffiziente Distanzmessungssystem
und -verfahren, dass nun im Detail beschrieben werden wird, anwendbar
auf drahtlose digitale Kommunikationssysteme, insbesondere auf Ad-hoc-Multi-Hopping-Netzwerke.
In diesen Netzwerken sind zumindest alle Knoten 102 mobil
und tauschen kontinuierlich Information über die Netzwerkstruktur aus.
Es stellt sicher, dass Datenpakete korrekt über das Netzwerk von der Quelle
zu dem Zielort geroutet werden, wobei einem Multi-Hopping-Fahrt gefolgt wird.
-
Die
erhöhte
Mobilität
von Netzwerkknoten
102, manchmal mit Autobahn-Geschwindigkeit,
verbunden mit der Verwendung von geringer Energie für das Senden
von Datennachrichten macht die Vorhersage von Ereignissen, welche
die Unversehrtheit des Netzwerks nachteilig beeinträchtigen,
sowie die Anwendung von Korrekturmaßnahmen bevor die Unversehrtheit
des Netzwerks beeinträchtigt
wird, notwendig. Die prädiktive Steuerung
der Sendeleistung in drahtlosen, digitalen Ad-hoc-Netzwerken unter
Verwen dung von Multi-Hopping-Fähigkeiten
wird in dem US-Patent
US 6,904,021 vorgestellt,
wovon der gesamte Inhalt hierin durch Inbezugnahme aufgenommen wird.
-
Als
Beispiel wird die Beschreibung auf mobile Knoten oder Endgeräte 102 Bezug
nehmen. Jedoch können
andere Arten von Knoten 106 und 107 auch die gleichen
Verfahrensschritte durchführen
und die gleiche Hardware und Software, welche zum Durchführen dieser
Verfahrensschritte notwendig ist, beinhalten. Jeder Knoten oder
jedes Endgerät 102 beinhaltet
ein Register, das periodisch inkrementiert wird und „die Endgeräteuhr" genannt wird. Das
Register kann in dem Controller 112 und/oder in der mit
dem Controller 112 verbunden Hardware enthalten sein. In
der folgenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „Endgerätzeit" oder „Knotenzeit" auf den in dem Uhrregister
in einem bestimmten Moment aufgezeichneten Wert. Da die Uhren nicht
synchronisiert sind, zeigen all die Uhrregister zu allen Zeiten
verschiedene Werte. Wenn das Uhrregister voll ist, kehrt sein Inhalt
zu Null zurück.
Das bedeutet, dass jedes Endgerät
die Zeit Null mit einer periodischen Rate anzeigt.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sendet jeder Knoten 102 periodisch
eine digitale Nachricht (z. B. wenn das Endgerät-Uhrregister gleich Null ist).
Alle Nachbarknoten 102, welche die Nachricht empfangen,
zeichnen die jeweilige Ankunftszeit (TOA) auf, das bedeutet, dass
jeder die Nachricht empfangende Knoten 102 den Inhalt des
Uhrregisters zu der empfangenden Zeit aufzeichnet. Offensichtlich sind
die TOAs, welche von all den die gleiche Nachricht empfangenden
Knoten 102 aufgezeichnet sind, alle verschieden, da Knotenuhren
nicht synchronisiert sind. Außerdem,
da die Uhren nicht synchronisiert sind, wird erwartet, dass die
Signale von allen Netzwerkknoten 102 über die Taktzeit verteilt werden
und nicht interferieren.
-
Die
zu Beginn der Taktzeit gesendete digitale Nachricht enthält die Kennung
aller Nachbarknoten
102, von denen Nachrichten empfangen
wurden, die TOA dieser Nachrichten sowie die Position des die Nachricht sendenden
Knotens, wenn die Position bekannt ist. Die Genauigkeit der TOA
ist sehr wichtig, und Verfahren zum Verbessern der TOA-Qualität sind in
der US-Patentanmeldung US 2003/0227895 und in dem US-Pa tent
US 6,137,441 beschrieben,
deren gesamter Inhalt von beiden hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
-
Nach
dem Senden einer Nachricht und dem Empfangen von n – 1 Nachrichten
von allen Nachbarn kann ein in dem n-Knoten-Netzwerk arbeitender
Knoten 102 seine eigene Position und die Positionen aller
anderen Endgeräte
in dem Netzwerk 100 berechnen, wie nun beschrieben werden
wird. Als Beispiel wird die gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendete Technik, mit einem vereinfachten
Beispiel mit nur drei Knoten (z. B. Knoten 102) wie in 3 gezeigt,
beschrieben werden. Jedoch ist diese Technik anwendbar auf jede
Netzwerkgröße, wie
für einen
Fachmann offensichtlich ist.
-
3 weist
drei als Knoten A, B und C bezeichnete Knoten 102 auf,
welche alle τ Sekunden
die Distanzmessungs-Nachricht senden. Die jeweiligen Abstände zwischen
den Knoten sind dAB, dBC und
dAC, welche den Laufzeiten pAB,
pBC und pAC entsprechen.
-
Wenn
die Uhr des Knotens A tA zeigt, zeigen die
Uhren an anderen zwei Knoten tB und tC. Unter der Annahme, dass die Uhren alle
nicht driften, werden die relativen Korrekturen der Knotenuhren
durch die folgenden Beziehungen definiert: ΔBA =
tB – tA ΔCA =
tC – tA ΔAB =
tA – tB ΔAC =
tA – tC ΔBC =
tB – tC ΔCB =
tC – tB
-
Diese
sechs Korrekturen besitzen die folgenden Eigenschaften: ΔBA = τ – ΔAB ΔCA = τ – ΔAC ΔBC = τ – ΔCB ΔAB + ΔBC = ΔAC ΔBC + ΔCA = ΔBA ΔCA + ΔAB = ΔCB
-
Wie
aus den obigen Zusammenhängen
ersichtlich, können,
wenn die Größen ΔBA und ΔCA unabhängig ausgewählt sind,
alle anderen Korrekturen von diesen zwei berechnet werden. Die Zusammenhänge zwischen den
Eigenschaften der Uhren sind in 4 dargestellt.
-
Wenn
die Uhr am Knoten A Null zeigt, sendet der Knoten seine Nachricht.
Zu diesem Zeitpunkt zeigt die Uhr an dem Knoten B ΔBA und
die Uhr an dem Knoten C zeigt ΔCA. Wenn die Knoten B und C die von A gesendete
Nachricht empfangen, zeigen ihre jeweiligen Uhren die Zeiten ΔBA +
pAB und ΔCA + pAC.
-
Wenn
die Uhr an dem Knoten B Null ist, sendet der Knoten B seine Nachricht.
Zu diesem Zeitpunkt zeigt die Uhr an dem Knoten A die Zeit τ – ΔBA,
während
die Uhr an dem Knoten C die Zeit ΔCA + τ – ΔBA zeigt. Die
von dem Knoten B gesendete Nachricht wird an dem Knoten A, zu der
Zeit τ – ΔBA +
pAB und an einem Knoten C zu der Zeit ΔCA + τ – ΔBA +
pBC empfangen.
-
Wenn
der Knoten C seine Nachricht sendet, zeigt die Uhr an dem Knoten
A die Zeit τ – ΔCA und
die Uhr an dem Knoten B zeigt ΔBA + τ – ΔCA.
Wenn die Nachricht von C empfangen wird, zeigt die Uhr des Knotens A
die Zeit τ – ΔCA +
pAC, während
die Uhr an dem Knoten B ΔBA + τ – ΔCA +
pBC zeigt.
-
Daher
besitzt der Knoten A am Ende eines Zyklus die folgende Information,
welche von durch andere Knoten gesendeten Nachrichten empfangen
ist oder lokal gemessen ist: Tabelle
1
-
Die
sechs Werte nAB, nAC,
nBA, nBC, nCA und nCB sind der
Inhalt des Uhr-Registers jedes Knotens, wenn er die entsprechende
Nachricht empfängt,
und werden entweder von einem bestimmten gemessen (wie z. B. die
Werte nBA und nCA,
die von dem Knoten A gemessen werden) oder werden mit den von dem
anderen Knoten gesendeten Nachrichten empfangen.
-
Aus
diesen Zahlen können
die unbekannten Entfernungen p
AB, p
BC und p
AC sowie
die Uhrkorrekturen Δ
BA und Δ
CA leicht wie folgt berechnet werden:
-
Nachdem
die Laufzeit zwischen allen Knoten berechnet worden ist, kann das
in der oben erwähnten parallelen
US-Patentanmeldung von John M. Belcea mit dem Titel „Autonomous
Reference System and Method for Monitoring the Location and Movement
of Objects" dargestellte
Verfahren verwendet werden zum Berechnen der relativen Koordinaten
jedes Knotens. Das in dem US-Patent
US
6,728,545 , das hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen
ist, dargestellte Verfahren kann außerdem verwendet werden zum
Berechnen der geozentrischen und geographischen Koordinaten. Der
Unterschied der Laufzeiten kann außerdem verwendet werden bei
dem bekannten Verfahren der Überschneidung
von Hyperbeln zum Berechnen der geozentrischen und geographischen
Koordinaten.
-
Bei
der aktuellen Praxis können
bestimmte Bedingungen die Distanzmessungen beeinträchtigen.
Zum Beispiel weisen die Oszillatoren jedes Knotens 102,
die das Uhrticken bereitstellen, nicht exakt die gleiche Frequenz
an allen Knoten 102 auf. Dies bedeutet, dass wenn der Uhrzyklus τ zu groß ist, die
gemessene TOA durch Fehler beeinträchtigt werden könnte. Der
gebräuchlichste
Oszillator hat einen Frequenzfehler von 2 ppm, was bedeutet, dass
die Knotenuhr sich jede Sekunde um 2 μs verstellen könnte. Um
die Entfernung mit einem Fehler von weniger als 1 Meter zu messen,
sollte der Uhrdriftfehler weniger als 3 ns sein. Die Folge ist, dass
zum Sicherstellen eines von einem 2 ppm-Oszillator bewirkten Fehlers
von weniger als 3 ns, der Uhrzyklus nicht größer als 3 ms sein darf. Jeder
Knoten in dem Netzwerk muss daher eine Nachricht während jedes Uhrzyklus
senden. In Abhängigkeit
von dem Burst-Durchsatz jedes Knotens, könnte diese Bedingung schwierig
zu erzielen sein, wenn die Anzahl von Knoten zu groß ist.
-
Die
TOA einer Nachricht wird identifiziert durch Korrelieren einer Sequenz
von pseudo-zufälligen
Bits. Bei der Quadratur-Phasenumtastungs(QPSK)-Modulation können zwei
pseudo-zufällige
Sequenzen gleichzeitig verwendet werden zum Erhöhen der Präszision der TOA-Messung. Zusätzlich können bestimmte
Verfahren die Variation der Korrelationsfunktion zum Verbessern
der Präzision
der TOA-Messung verwenden. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens
ist in der US-Patentanmeldung 2003/0227895 mit dem Titel „System
and method for improving the accuracy of time of arrival measurements
in a wireless ad-hoc communications network" dargestellt, deren gesamter Inhalt
hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
-
Weitere
Verbesserungen der Präzision
der TOA können
erzielt werden durch Korrigieren der gemessenen Werte mit dem Effekt
der Uhrendrift. Solche Effekte können
ermittelt werden durch Identifizieren der Änderungen der Trägersignalphase.
Die Phasenverschiebung des empfangenen Trägersignals wird vor und nach Empfangen
der pseudo-zufälligen
Sequenz gemessen zum Identifizieren der Drift des Oszillatortaktsignals
des Knotens, welcher das Signal empfängt, im Verhältnis zu
der Frequenz des empfangenen Signals.
-
Wenn
ein Knoten die Nachricht mit den TOAs der von Nachbarn empfangenen
Nachrichten sendet, sendet er außerdem die Information über die
relative Drift seiner eigenen Uhr in Bezug auf alle anderen Nachbaruhren.
Der Knoten, welcher die Berechnung der Position durchführt, wendet
die Driftkorrektur gemäß Uhrkorrekturen
an, wie sie in Tabelle 2 dargestellt sind. In dieser Tabelle ist δAB die
Drift der Uhr B in Bezug zu der Uhr A, δBA ist
die Drift der Uhr A in Bezug zu der Uhr B usw.
-
-
Bei
einem Netzwerk mit drei Knoten treten drei Ereignisse auf: Senden
von A, Senden von B, und Senden von C. Jedes Senden wird ausgeführt, wenn
das Uhr-Register des Knotens, welcher das Senden durchführt, gleich
Null ist. Da die Uhrperiode gleich τ ist, findet das Senden statt,
wenn der Uhr-Register-Wert gleich τ ist.
-
-
Wenn
A sendet, ist das Taktsignal an dem Knoten A Null, während das
Taktsignal an den Knoten B und C ΔBA und ΔCA ist.
-
-
Das
zweite Ereignis tritt τ – ΔBA Sekunden
nach dem ersten Ereignis auf. Die Zeit wird von der Uhr an den Knoten
B gemessen, der die Ereignisausführung
steuert. Da die Uhr an dem Knoten A schneller läuft (oder langsamer) als die
Uhr an dem Knoten B, zeigt die Uhr an dem Knoten A die Zeit (τ – ΔBA )(1
+ δBA), wenn das zweite Ereignis auftritt. In
gleicher Weise schreitet die Uhr an dem Knoten C zwischen den zwei
Ereignissen mit (τ – ΔBA )(1
+ δBC) fort.
-
-
Das
dritte Ereignis tritt τ – ΔCA Sekunden
nach dem ersten Ereignis oder τ – (ΔCA +
(τ – ΔBA)(1
+ δBC)) Sekunden nach dem zweiten Ereignis auf.
Diese Zeitabstände
werden gemessen von der an dem Knoten C laufenden Uhr, welche die Übertragung
bzw. das Senden steuert. Wie oben angegeben, zeigt die Uhr an dem Knoten
A (τ – ΔCA)(1
+ δCA), während
die Uhr an dem Knoten B (τ – (ΔCA +
(τ – ΔBA)(1
+ δBC)))(1 + δCB) zeigt.
-
Die
Abstände
zwischen diesen drei Knoten A, B und C sind dAB,
dAC und dBC. Die
Laufzeit ist die Zeit, welche das Signal von einem Knoten zu dem
nächsten
läuft.
Die Laufzeit wird gemessen mit Uhren, die an jedem Knoten laufen.
Da diese Uhren nicht die gleiche Geschwindigkeit aufweisen, ist
zu erwarten, dass jede Uhr eine andere Messung als die anderen beiden
bereitstellt.
-
Da
die Berechnung an dem Knoten A durchgeführt wird, wird die Uhr des
Knotens A als Bezugspunkt für
die Zwecke der Bezeichnung betrachtet, was bedeutet, dass die von
der Uhr A als pAB gemessene Laufzeit von
der Uhr B pAB(1 + δAB)
gemessen wird. Die Laufzeiten der bei A empfangenen Signale sind
korrekt, da sie mit der „korrekten
Uhr" zeitlich bestimmt
werden, aber alle anderen Laufzeiten müssen korrigiert werden.
-
Die
Folge ist, dass die Anfangszeit des Ereignisses eine Korrektur mit
der Drift zwischen der das Ereignis steuernden Uhr und der das Signal
empfangenden Uhr erfordert, während
die Laufzeit mit der Drift zwischen dem das Signal empfangenden
Knoten und dem die Berechnung durchführenden Knoten A korrigiert werden
sollte. Die Werte nAB, nAC,
nBA usw. sind die von jedem Knoten gemessene
TOA, so dass sie bekannte Zahlen sind. δAB, δAC, δBC usw.
sind auch von jedem Knoten gemessen, wenn die Nachricht empfangen
wird. Die einzigen unbekannten Variablen sind die Laufzeiten pAB, pBC und pAC und die Uhrverstellungen ΔBA und ΔCA. Diese
können
leicht mit den linearen Gleichungen aus Tabelle 2 berechnet werden.
-
Es
sei außerdem
bemerkt, dass die Werte ΔBA und ΔCA die Uhrverstellungen sind, wenn das Senden von
A passiert (zu der Zeit Null für
den Knoten A). Da diese Uhren verschiedene Geschwindigkeiten haben, ändert sich
die Uhrverstellung zwischen zwei Knoten kontinuierlich. Daher stellen
diese Gleichungen die Werte der unbekannten Va riablen zu der Zeit
Null, nicht zu der Zeit, zu der die Daten gesammelt wurden, bereit.
Die Technik erlaubt somit die genaue Berechnung von Uhrverstellungen
und Laufzeiten unabhängig
von der Länge des
Uhrzyklus τ und
der Genauigkeit der das Uhrticken steuernden Oszillatoren sowie
der Übertragungsfrequenz.
-
Wie
oben angegeben, wurde die Uhr an dem Knoten A zum Zwecke dieser
Diskussion als Bezugspunkt betrachtet. Jeder Knoten in dem Netzwerk
kann die gleiche Berechnung durchführen, indem er sich selbst
als einen Bezugspunkt (oder als einen Knoten A) betrachtet. Die
Drift des Referenzknotens in Bezug zu der Standardsekunde besitzt
einen Effekt fehlerhafter Berechnung des mit der Laufzeit des Funksignals
verknüpften
Abstands. Für
einen 1 ppm-Frequenzfehler ist der erwartete Fehler etwa 10–6 m
pro Meter oder 0,001 m pro km.
-
Die
relative Geschwindigkeit der Knoten 102 wird von jedem
Knoten über
die Drift der Taktsignalfrequenzen bestimmt. Wenn sich die Knoten
weg bewegen, sieht jeder Knoten 102 die andere Knotenuhr
langsamer laufen als sie es wirklich tut. Wenn sich die Knoten 102 gegenseitig
annähern,
sieht jeder Knoten 102 die andere mit einer höheren Frequenz
laufen als sie es wirklich tut.
-
Wie
oben diskutiert, können
diese Techniken in digitalen Funknetzwerken mit oder ohne Multi-Hopping-Fähigkeiten
verwendet werden. Wenn die Techniken verwendet werden zum Bereitstellen
von geographischen Koordinaten, werden Multi-Hopping-Fähigkeiten allgemein benötigt zum Übertragen
der geographischen Koordinaten von festen Bezugspunkten. Außerdem können ähnliche
Ergebnisse erzielt werden, wenn von Ortungsgeräten identifizierbare Signale
verwendet werden anstelle von digitalen Nachrichten zum Sammeln
der TOA- oder Entfernungs-Information.
-
Bei
der vorhergehenden Beschreibung sind spezifische Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich,
dass zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen daran vorgenommen
werden können,
ohne von dem Umfang der Erfindung wie er in den anschließenden Ansprüchen dargelegt
ist, abzuweichen. Demgemäß sind die
Beschreibung und die Figuren mehr in einem veranschaulichenden als
in einem beschränkenden
Sinn aufzufassen, und alle derartigen Abwandlungen sind als innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung enthalten aufzufassen. Der
Nutzen, die Vorteile und Lösungen
der Probleme und beliebige Elemente, die einen solchen Vorteil oder
Lösung
bewirken oder vorhersagen, sind nicht als kritisch, erforderlich
oder essentielle Merkmale oder Elemente für irgendeinen oder alle Ansprüche auszulegen.
Die Erfindung wird lediglich durch die beigefügten Ansprüche einschließlich von Änderungen,
die während
der Anhängigkeit
dieser Anmeldung gemacht werden, und allen Äquivalenten zu diesen Ansprüchen, wie
ausgegeben, bestimmt.
-
Zusammenfassung
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein bandbreiteneffizientes System und
Verfahren zum Messen der Entfernung zwischen Knoten (102, 106, 107)
in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk (100) mit einer
Einwegdatenübertragung
bereit, wobei jeder Knoten (102, 106, 107)
periodisch eine Nachricht sendet, welche Information bezüglich von
Nachbarknoten (102, 106, 107) enthält, von
denen jede der vorhergehenden Nachrichten empfangen wurde von dem
sendenden Knoten (102, 106, 107). Ein
Knoten (102, 106, 107) empfängt die
Nachrichten, welche von den Nachbarknoten (102, 106, 107)
in dem Netzwerk (100) gesendet wurden, und zeichnet die
Ankunftszeiten der empfangenen Nachrichten auf. Der Knoten (102, 106, 107),
der diese Nachrichten empfängt
kann somit die jeweiligen Abstände
zwischen ihm selbst und den Nachbarknoten (102, 106, 107)
auf der Grundlage der jeweiligen Ankunftszeit der empfangenen Nachrichten
und der jeweiligen Information bestimmen, welche in den jeweiligen
Nachrichten enthalten ist.
