TW201100845A - Wireless localization techniques in lighting systems - Google Patents
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Description
201100845 六、發明說明: 【先前技術】 在商用及民用兩者之照明系統中 伟在對為了調整照明 及發光效果而無線地控制在該系統中之獨別照明單元、|諸
如照明器(luminary))之曰益增加的興趣。舉例而言,在一 典型的_米尺寸溫室中’使用大約裝财低成本 無線節點之個照明單元。該等節點亦處在 與對應照明單S隔開的-位置,儘管其等形成該照明 單元或照明單元節點。該等無線節點之全部形成一網路, 諸如-網狀網路,…自任意無線控制點(或控制點節 點)發送命令至該網路中之任意節點。因此,該控制點需 要知道所在地中之各照明單元的準確位置。存在當前用於 判定系統中各照明單元位置之若干已知的演算法/協定。 此等演算法或協定包含:接收信號強度指數(刪)、到達 角(AOA)及到達時間差(TD〇A)。各方案具有其自身之優點 及缺點。 對-照明系統之無線控制除了具有遠端切換及調光該系 統中的照明單元以夕卜,提供許多優點。舉例而言,此種控 制提供一種設置及改變—照明系統且改良能量使用率之便 捷的方式。該等照B月單元可為任意類型或諸類型之組合, 例如螢光、高強度放電(HID)、發光二極體(led)、白熾 等。使用各種產品之能力允許該系統提供諸特徵,諸如無 需做任意佈線改變而可加入之緊急照明控制。亦可藉由一 程式調節該系統之能量使料,可容易地修改該程式以滿 144772.doc 201100845 足變化的要求。 基於RSSI之區域化協定得益 額外硬體之需要而達到無線節點中 使得該系統成本、電力 消耗及實體大小可大幅減小。缺; 一 然而,該基於Rssi之區域化 協定遭受在一典型無線環境中之^ 兄干之陰影及多徑衰落,其不但 限制量測精度,而且亦限制量測範 』乾W。現有之基於RSSI之 區域化協定不滿足照明單元车络ρl (啫如—溫室或商用建築 物)中之巨大量測範圍及高精度需要。 在基於AOA之系統中,該區域化協定使用定向天線或天 線陣列來量測相對於位於已知位置處之點㈣度或方位, 如綠示在圖1中。若干量測方向指向之交點產生一位置 值。該AOA方法之精度受限於藉由陰影及藉由自誤導方向 之多頻道反射到達產生之量測孔徑之可能方向性。另外, 定位估計誤差隨該區域化範圍線性增加。 基於無線電頻率傳播延遲之系統(諸如飛行時間(t〇f)系 統)依賴於信號發送器與接收器之間的定時精度。因此, 高精度同步化在此等系統中非常重要。藉由組合來自三個 參考節點之至少三個距離,三角定位可用於估計—可重新 定位站台的位置。另一方面,到達時間差(td〇a)系統使 用至各參考節點之信號到達時間差以計算自該照明單元節 點至該等參考節點之各者之距離差,如繪示在圖2中。類 似於該TOF系統,需要自一照明單元至至少兩個參考節點 之距離差來估計該照明單元節點的位置。該TD〇A方法需 要僅在該等參考節點間的高精度同步化。在該等節點中需 144772.doc 201100845 要早遲接收器(Early-late receiver)、硬體計數器及高精度 時脈。該等照明單元節點不需要任意額外硬體及昂貴的= 脈。此使該TDOA技術更可實際實施,尤其若該網路中採 , 肖低成本無線電。雖'然™〇A系統不需要照明單元與參考 •冑點間之同步化’但是其等之效能仍然受限於低成本節點 中之窄頻寬無線電。 為了解決在基於習知區域化的系統中普遍之許多缺點之 ❹-些者’存在至少三個要克服的挑戰:⑴存在嚴重的多徑 哀落,尤其在室内環境下,其成為區域化精度之一障礙; ⑺為了減少參考節點數目,量測範圍應大其進—步辦加 改良區域化精度之困難;及(3)為了減小系統成本,僅採用 一低成本商用無線電,其具有-不精確時脈及窄頻寬。另 外’不允許在通常用於各照明單元節點中之該低成本益線 電中進行硬體修改。此等挑戰之各者需要具有改良精度及 減少負何之—位置區域化系統及方法之-解決方案。 Q 【發明内容】 本發明大體上係關於一種照明系統之區域化定位,且在 =規模安裝(例如商用建築物)中具有特定益處之系統及方 達時_〇A)、到達角_)及接收信號 =:Γ)之”二者連同一位置估計演算法來判定 在本發明之一實施例令 種用於判定一照明單元之 ;十彳疋一照明早兀之一 位置的方法包含:在福赵 發送之一… 參考郎點處記錄自該照明單元 泛之 5虎之一到i隶味Ρ弓_ Ώ丄 j違時間,及㈣#參考I"之各者處 144772.doc 201100845 計鼻-距離差。提供至少兩種區域化協定為一偏導數矩 陣’其中該偏導數矩陣包含至少兩個子矩陣·一第一子矩 陣’其包含各照明單元在該等參考節點處之一所量測到達 角關於X與y位置之偏導數;及一第二子矩陣,其包含該等 照明單元之該對應一者在該等參考節點之一者處之一所量 測距離差關於乂與7位置之一偏導數。 在本發明之另一實施例中,—種用於判定一照明單元之 —位置的方法包含:自該照明單元發送―資料封包;及在 複數個參考節點處估計該發送資料封包之信號強度。該經 估汁#谠強度嵌入於由鄰近該發送照明單元之照明單元儲 存之資料封包中,且在該參考節點處估計到達時間。該資 料封包經解碼以獲得關於該等照明單元各者之資訊,且發 送該鄰近照明單元之該到達時間及信號強度至該參考節 點。然後計算各照明單元之位置估計。 在此實施例之一態樣中,該方法包含在各參考節點處記 錄來自各照明單元之一到達時間信號;並在該等參考節點 之一者處傳達該記錄至其他參考節點之各者。然後在該等 參考節點各者處計算一距離差。然後提供至少兩種區域化 協定為一偏導數矩陣,該偏導數矩陣包含至少三個子矩 陣:一第一子矩陣,其具有儲存在該等參考節點各者處之 一所量測距離差關於對應照明單元之父與y位置之偏導數; 第一子矩陣,其具有介於該等照明單元之二者之間之一 所量測信號強度關於\與丫位置之偏導數;及一第三子矩 陣,其具有各照明單元與該等參考節點之各者之間的信號 144772.doc 201100845 強度。
在本發明之又一實施例中,一種用於判定—照明單元之 一位置的方法包含:使用TD〇A資訊估計該等照明單元之 各者之位置;且使用來自鄰近該等照明單元之各者之其他 照明單元之RSSI資訊精細修訂該等照明單元之各者處的詼 位置。該位置估計藉由發送包含來自該等照明單元之各者 之信號強度、包含一所量測RSSIi 一信號而判定,且在該 等參考節點之各者處記錄來自該等照明單元各者之該發送 到達時間信號。該記錄的發送到達時間信號提供至其他參 考節點之各者,且使用到達時間差估計各照明單元之位 置。作為該估計之部分,產生—代表性拓撲圖表及加篇 圖表’且發生訊息傳遞,其中在tanner圖表中經訊息傳遞 之資訊包含具有不同變異數之位置資訊。然後計算連接至 該等參考節點之各照明單元之位置。 本發明亦關於—種執行本發明之該方法之系統。額外特 徵及優點係描述在本文中,且將顯見於下列描述 【實施方式】 % 圖式係概略的且不按比例繪製。不同圖式中的相同元件 符號指相同的部件。 在照明系財,且尤其在諸如溫室或商用㈣ 模照明純中,無料點形成—無線料,諸如^ 路。可自-控制點(包含(例如)—電腦、pDA、一遠端控: μ㈣㈣之任—照明單元。為 該命令發送至一照明單元’該控制點必須知道該單元之位 144772.doc 201100845 使用種區域化系統及方法判定在此等系統中之該 ^等)照明單元之位置以達到高精度位置定位。此種高精度 =由使用位置估計策略(諸如一最大似然(ml)位置估計 朿略)而判定,該位置估計策略使用至少兩個參考節點為 各知、明單%併人至少兩種區域化協定。然而,應瞭解,兩 ,或兩個以上參考節點可用於該系統中以得到一類似判 定。該區域化系統及方法提供使用_統一協定方法之一較 精確、較高涵蓋範圍及一成本效率方案。 統一到達時間差(TD〇A)及到達角(A〇a) h在本發明之此實施例中,組合使用tdoa協枝AOA協 定以提供與習知方法相比具有更高精度及較大涵蓋範圍之 -區域化估計。在該例示性系統中,各照明單元或照明單 元節點具有無線通信能力。舉例而言,各照明單元可裝備 有-天線(諸如一單一4向天線)及—低功率無線電(例如一 ZlgBeeTM無線電)。亦應瞭解,各照明單元可併入致使該等 單元能夠執行除光控制以外之各種功能之額外硬體及^或 軟體。舉例而言,該等照明單元或照明單元節點可包含二 處理器、-運動偵測器、警報或任意其他熟知裝置:軟 體。該等參考節點類似地包括硬體與軟體之任意組合以提 供類似於或相容於該等照明單元或照明單 ° u即點之功能。 亦應瞭解’該照明單元自身可由以上提及 \衣置及/或軟 體之任一者代替。 於圖3中繪示基於統一 TD〇A及AOA之一例示 小性糸統。在 此例示性系統中,各照明單元在一時域中循序地發、:一次 ^ 貝 144772.doc 201100845 Z封包。參考節點位於(g,g)、_、(l,l)及(L,G),各參 二有估計自該等照明單元各者之發送信號之到達角 θΐ(^ ’’)之一天線陣列。此一照明單元繪示在座標 (’y )處各參考節點亦記錄該照明單元發送之一信號之 達夺間(toa),且將該T0A發送至其他參考節點之各 者羔後,各參考節點使用TOA差值(TDOA)與光速之乘 積乂》十:η*自。亥照明單元至各參考節點之距離差。及 〇 AOA貝λ發达至_參考節點,#中藉由—位置估計方法 (諸如最大似然位置估計演算法)使用該td〇a與該Α〇Α兩 者來計算該位置,如綠示在圖4中。應瞭解,雖然使用一 >考節點簡化該程序,但是多重參考節點可執行該計算。 使用ML位置估計演算法,對於統— TD〇A及A〇A尋得一
偏導數矩陣G。該導數矩陣G包括名為子矩陣A及子矩陣B 之兩個子矩陣,該兩個子矩陣分別係TD〇a及AOA的導數 矩陣。 Q 矩陣G採用形式:^。 對於子矩陣A,第i列中之元素為以初始座標(X* ,y*)插入 之θί分別關於X與y之偏導數函數。此數學地表示為:
對於子矩陣B ’第i列中之元素為以初始座標(X*,y*)插入 144772.doc 201100845 之自該照明單元至各參考節點之第i對距離差函數gi分別關 於X與y之偏導數函數。此數學地表示為:
各照明單元之最大似然位置估計為: 其中,「N」,總,差向量之協方差矩陣,且r()為表示 之八維行向量。 實際區域化為一迭代過程: {〈x,y’(J =賊"2〉 1^0 ο 子矩陣Α之各列包含自一特定照明單元之在一參考節點 處之該所量測到達角關於該特定照明單元之读丫位置之偏 導數,。在此實施例中,使用四個參考節點,L米xL米(例如 1〇0米X4〇°米)矩形網格之各角落中有—個參考節點。因 此’各照明單^將促成-4x2維的子矩陣A。 次,參考節點記錄自各照明單元之信號T〇A,且傳達記錄 ( "他參考即點。然後,各參考節點計算該「距離差 為兩個參考節點間之td〇a與光速之一乘積。該 144772.doc 201100845 子矩陣B包含在各參考節點處之該所量測距離差關於一特 疋照明單元之\與y位置之偏導數。因此,各照明單元將產 生一最大之4x2維的子矩陣B。 圖5繪示在無頻率分集情況下使用統一td〇a與a〇a協定 之結果。在該等例示性實施例中繪示藉由使用在一丨〇〇米 χίοο米矩形網格之四個角落中之四個參考節點之區域化執 行。在此實例中,一天線陣列可以三階標準偏差精度估計
G
該到達角。與傳統TD0A及A0A方法相比較,該等結果表 明單獨尋得之區域化誤差之一明顯減小。參考圖表之中 間,獲得G.65米的精度,且在該四個角落處該精度達到〇·5 米。為了更進一步增加精度,可使用無線電中之不同頻率 子頻道以估計該位置且計算平均位置以得到額外頻率分 集。圖6繪示使用兩個頻率分集之該統_td〇a與Α〇Α之結 果。此處,在該中間、該四個邊緣或該四個角落中,誤差 標準偏差不超過0.5米。 中,如繪示在圖7中,參考節點 ’而非在天花板上之典型位置。 良照明單元節點與參考節點間之 在本發明之另一實施例 位於自地之一抬高位置内 以此位置定位該等節點改 頻道之視線。此在沒有任意額外系統複雜性情況下提供 TDOA與ΑΟΑ量測之較佳精度。 統-到達時間差(TD0A)及接收信號強度指數(rssi) 在本發明之另一實施例中 RSSI以提供如與習知方法相 圍之一區域化估計。在該例 組合使用一統一 TD〇A及 比具有更高精度及更大涵蓋範 示性系統中,各照明單元具有 H4772.doc •11. 201100845 無線通信能六。與办,i ⑷一„ $例而言,各照明單元可裝備有-天線 .,早—全向天線)及一低功率無線電(例如一 ZigBee™ 二二。:應瞭解,各照明單元可併入致使該等單元能 控制以外之各種功能之額外硬體及/或軟體。 :歹、。,该等照明單元或照明單元節點可包含一處理 益、一運動伯測器、—警報或任意其他熟知裝置或軟體。 節點類似地包括硬體與軟體之任意組合以提供類 似於_明單元或照明單元節點之功能。亦應瞭解,該 知、明早“身可由以上提及之裝置及/或軟體之任一者代 替。 於圖8中緣示基於統_ TD〇A及贿之—例示性區域化 系統。在該例示性系統中,各照明單元循序地發送一資料 封包’如緣示在圖9中。未發送之其他照明單元偵聽該發 达之封包,估計該信號強度且記錄該Rssi,如♦示在圖Μ 中。然後,該RSSI嵌入於儲存在非常鄰近該發送照明單元 之照明單元中之資料封包中。因此,各照明單㈣送來自 先前已發送之鄰近照明單元之該RSSI,如繪示在圖U中。 然後’-參考節點估計各照明單元之T〇A ’且解石馬自各照 明單元發送之該資料封包以獲得該等照明單元之各者與其 之鄰近照明單元間之該記錄R S S Ϊ。累積在該等參考節點/中 之關於來自所有照明單元節點2T〇A&RSSI資料之全部資 汛傳遞至該等參考節點之一者,如在圖12中繪示,其中對 各照明單元執行一位置估計方法’諸如最大似然位置估計 演算法。不需要任意額外封包或任意新硬體而獲得該 I44772.doc -12- 201100845 RSSI。 該最大似然位置估計演算法使用TDOA與鄰近節點(亦即 鄰近照明單元)RSSI資訊兩者。各鄰近照明單元之實際位 置係定義為(x,y),其中X與y為m個鄰近照明單元之m維行 向量。為了尋得該最大似然位置估計’使用統一 TDOA及 鄰近RSSI區域化協定之一偏導數矩陣G。該導數矩陣^由 三個子矩陣組成:子矩陣A、子矩陣b及子矩陣c。 (A) 0 該導數矩陣G採用形式:G= 5。 k 該等子矩陣A、B、C為各照明單元與其之鄰近照明單元 間之TDOA、RSSI之導數矩陣及各照明單元與參考節點間 之RSSI之導數矩陣。TD〇A之該導數矩陣書寫為 陣,其中各子矩陣為各鄰近照明單元之導數矩陣,如: ^ -4] > Ο V An/ 。 第i個照明單元之導數矩陣書寫為: Λ 3 γν *f*vi ===||=|| 1 n-f*· H -t *'"X ^ . £ V. /11 J;/2l S/412/i έ,?£ίδ10 *·ί Λ i ί .» ,·ι*··*·*'<ί 2^2^£ ρ II II II II =11 .¾ i -t ·ΐ * .*» / X ρ Λ V. * V. tltl-tl 該子矩陣B表示各照明單元與其之鄰近照明單元間冷 144772.doc -13- 201100845 R I之偏泠數。因此,子矩陣B之各列包含兩個鄰近照明 單元間之戶斤量測RSSI_其等之位置之偏導數。因i m、 2m 。該導數矩陣B係定義 此’該導數矩陣B具有維度 為:A.2 « ♦ « B Lm Bk,m Β 2 該導數矩陣C係關於各昭明 RSST ,、、月早疋與各參考節點間之 ㈣卜s亥導數矩陣c可書寫為出子 1之 各鄰近照明單元之導數矩陣,如·車,、中各子矩陣 ^ \
C \ c2 對於各子矩陣q,矩陣表達為. 1 i 2 ft X ft θ沒 ^ = 1 c +*'2*~4* H 鉍 r 鉍 li= i d X y
2 aftA
*'e>*.i*€*'. I xyX ^ I二一=- •免 i.-·* -1 XV X 4- *8 ah ^1¾ **s*i X *? -s .* i X ^ i-i ΧΪ 144772.doc -14. 201100845 各照明單元之該最大似然位置估計如下: 其中I Φ,ν) ,1 f差向量之協方差矩陣且r(.)為表示為 (a’y))之八維行向量。 在統一 TDOA及鄰近RSSI演算法内之實際區域化為一迭 代過程: 〇
{^y)(〇) = {L/2,L/2} (x,y}(i) = + (GTN~lG)~l GTi¥-lr l > 〇 o 每參考節點記錄來自各照明單元之該信號T〇A且傳達 儲存的資訊至其他參考節點。錢,各參考節點計算該 「距離差」;V/ = 1,2,3,4’其為兩個參考節點間之該「到達 時間差」肖光速之一乘積。該子矩陣A包括在各參考節點 處之該所量測距離差關於一特定照明單元之乂與^位置之偏 導數目此,各照明單兀將產生一最大4χ2維的子矩陣A。 該子矩陣C係關於各照明單元與各參考節點間之該 RSSI。各參考節點記錄各照明單元之該RSSI/^.,Vhl,2,3,4。 在此實例中’使用如繪示在圖9中之四個參考節點二。。 米矩形網格之各角落中有一個參考節點。因此,各 知明單元將促成一 4x2維的子矩陣c。 使用在一 1〇(^χ1〇〇米網格 月洛之各者中之四個 多考郎點及在各參考節點(具有2χ2鄰斤 W、淘Ζ 2耶近即點(圖13)或3x3鄰 ^卽點(圖14))中之兩個接收天線 伐队a琛之h域化執行繪示在該等 144772.doc •15· 201100845 例示性實施例中。在第一實例中,其中2x2鄰近節點相互 協助精細修訂其等之位置,所得圖表之中間獲得〇7米精 度。在第二實例中,其中3x3鄰近節點相互協助,所得圖 表之中間達到0.47米精度。(例如)藉由増加在一給定鄰域 内之照明單元數目,可進一步增強區域化精度。 類似於TDOA與AOA協定,該等參考節點位於自地之一 抬高位置内,而非在天花板上之典型位置。 改良精度且簡化複雜性之基於TDOA與RSSI型區域化方法 在先前描述之統一 TDOA與鄰近RSSI協定中,使用最大 似然(ML)位置估計演算法。該最大似然位置估計演算法具 有「m二次方」之計算複雜性,其中「m」為鄰近節點之 數目。關於「m」之高階複雜性限制可用於精確地偵測該 等照明單元位置之鄰近節點之數目。然而,因為具有此本 質之系統通常具有在一密集區域内之大量節點,所以對鄰 近節點數目之限制浪費更高區域化精度之潛力。 在此實施例中’引入統一 TDOA與鄰近RSSI協定之一不 同的位置估計演算法。此位置估計演算法(在下文中為 「位置估計演算法」或「演算法」)可連同僅對若干鄰近 節點之各別線性計算複雜性來使用鄰近節點間之所有RSSI 資訊。該演算法(或方法)係簡單且具有幾乎最佳效能。 另外’可以一分散及非集中方式應用此演算法。
在此實施例中之位置估計演算法係衍生自低密度同位檢 查(LDPC)頻道代碼之訊息傳遞解碼演算法。參考圖15&及 圖1 5b ’其將一網路連接能力圖表轉換為習知地用於ldPC 144772.doc -16- 201100845 解碼之一 Tanner圖表。在圖15a之該網路連接能力圖表 中’使在該網路中之各無線節點1至5對應於各自之檢查節 點(其中汁算位置資訊)及可變節點(其申組合來自不同路徑 之貧)將一邊緣連接在各對應檢查節點與可變節點之 間。若兩個節點間之RSSI比一預定義臨限強,則在該兩個 對應可變節點與檢查節點之間加入一邊緣。
在建構一 Tanner圖表之後,如繪示(例如)在圖15b中,該 圖表用於根據下列程序執行一訊息傳遞位置估計: 步驟1 :使用各節點之TDOA計算最大似然位置估計。使 用TDOA a十异之位置用作為在LDpc解碼中之頻道似然率 (LLR),其中各邊緣將來自TD〇A之位置用作為初始輸出。 步驟2 .各檢查節點使用相連接邊緣之輸出及該兩個節 點之間^由該邊緣表達為輸人之該RSSI,且執行最大似然 位置估計。在該邊緣上輸出各可變節點之位置。 外步驟3 :各可變節點使用該邊緣輸出位置及自該伽辑 算之該初始位置執行―最大比率組合。若超過最大迭代次 細如-預定義常數(諸如5))’則停止該過程且給出最故 位置輸出。否則,將各邊緣輸出設定為該經最大比率^ 之位置。 ,口 與LDPC代碼設計一樣,該Tanner 題所在。因此,周長為4之短…= 問 马之紐循%'明顯降低系統效能。因 此,該丁肛11打圖表結構應刪除導致短循環之邊緣。 下文參考圖…及圖15b提供一實例。在此實例。中,檢杳 即點1連接至可變節點2、4及5。因為具有相同索引之檢杳 144772.doc -17- 201100845 節點及可變節點(例如檢杳筋〜 似隻即點1及可變節點1}為相同實 體,所以其等具有對相同資訊之存取,諸如具有變異數之 初始TDOA位置及在迭代後之具有變異數之經最大比率植 合之位置m可變節點2、4及5各具有一初始 T謝位置估計且表達資訊至其等各自之檢查節點(亦即檢 查卽點2、4及5)。同昧,7總 J才可變郎點2、4及5與該檢查節點1 間之所量測RSSI亦將表達至各自檢查節‘點2、4及5。然後 檢查即點2、4及5將傳遞該資訊至與檢查節點i相同之可變 節點卜因此,檢查節.點i需要所有下列資訊:節點Μ及 5之初始位置估計及自節點1+々々田l。 1久目即點1之在郎點2、4及5處之該 測R S SI 〇檢杳諮科^ u々,丄 「 —卩^1將使用該資訊且形成偏導數矩陣 G」(其為與在統一 TDOA與RSSI方案中之子矩陣4之一 ^ 皁G」包含節點1至2、1至4及丨至5間 之忒RSSI之偏導數。在檢查節點工處之最大似然位置估 如下: 15 (〜= (X*,/) + (G,巧)’ 其中 在此實例 (x,y)為待計算節點2、4及5之位置。因此 中,該偏導數矩陣為一3x2矩陣; (,y )為節點2、4及5之該等初始TDOA位置估計, ^此實例中其亦為一 3χ2矩陣;及 為3x6大小之偏導數矩陣,由於節點i連接至3 個即點(即節點2 ' 4及5)且具有各RSSI量測偏導數之 144772.doc •18- 201100845 二維(χ與y)。 由於基於該位置估計演算法之計算,檢查節點1為節點 2、4及5提供-精細修訂位置估言十,其比基於初始之 估计更精石崔;f «查節點】將傳遞該資訊至可變節點卜類似 地,各其他檢查節點將使用一初始TD〇A及RSSI偏導數矩 陣執行位置估計。應注意,各可變節點可接收各節點之一 個以上位置估計。亦即,各可變節點可接收自其連接至之 Ο 各檢查節點之位置估計。然後,該等可變節點將組合(例 如最大比率組合)自所有相連接之檢查節點傳遞之資訊以 輸出不同節點之精確位置估計。雖然在此實例中使用檢查 及可變節點’但是’應注意’計算係在該(等)參考節點處 執行。 亦應注意,此實施例提供明顯不同及來自較早描述實施 例之優點。例如: •雖然訊息傳遞演算法取代一最大似然演算法而使用該 〇 TDOA資訊估計各節點之位置,但是參考節點亦可使 用(例如)一簡單MMSE估計方法。 使用來自所有鄰近郎點之額外RSSI資訊而進一步精 細修δ丁各節點之近似位置。然後’各照明單元發送一 6號,該信號包含在該單元處之來自所有其之前面單 元之所量測RSSI。因此,該等參考節點具有該等照 明單元之全部及該等照明單元之任意兩者間之該等 RSSI量測。 •各參考節點記錄來自各照明單元之信號(發送信 144772.doc 19 201100845 號)TOA,且在其他參考節點間共用該資訊。指派該 等參考節點之一者執行該計算,該計算使用各照明單 元之TDOA以估計其之位置。 •參考節點(經指派執行所有處理)具有任意兩個節點間 之Rssi資訊。因此’參考節點可產生拓撲(網路)及 Tanner圖表(圖15a與圖15b)作為演算法之部分。 由於照明單元間之連接能力,如表示在該^膽圖表 (圖叫中,各檢查節點可計算連接至其之其他節點 之位置。 應瞭解’對於熟習此項技術者, 3 ^ 對榣述於本文令之當前 較佳實施例之各種變化及修改將為顯^在不脫離本發明 之精神及範圍且不減少其之希望優點下,可進行此等變化 及修改。因此,意欲此等變化及修 ♦ 寺4化及修改為隨附申請專利範圍 尸坏涵盖。 【圖式簡單說明】 區域化方案之一例 圖1為在先前技術中已知之一到達角 示性續·示。 圖2為在先前技術中已知之一 -例示性緣示。 違寺間差區域化方案之 圖3繪示根據本發明一實施例之 於一始一 a 甘四個即點情況下之基 、統到達時間差及到達角之一描^ A逐月&協弋之第一階段。 圖4繪示根據本發明一實施例之基 及到if备夕〜 、統一到達時間差 引違角之一協定之第二階段。 圖5繪示在四個參考 且 千刀集情況下使用一統 144772.doc -20- 201100845 一到達時間差及到達角協定之模擬結果。 圖6繪示在四個參考節點及兩個頻率分集情況下使用一 統一到達時間差及到達角協定之模擬結果。 圖7、纟曰示具有抬南節點之使用一統一到達時間差及到達 角協定之三維視圖。 圖8繪示根據本發明一實施例之在四個節點情況下基於 一統一到達時間差及鄰近接收信號強度指數之該協定之基 赢 本原理。 〇 圖9繪示當該照明單元以根據本發明一實施例之基於一 統到達犄間差及鄰近接收信號強度指數之該協定發送時 在四個參考節點各者中之到達時間記錄。 圖10、”s示富一照明單元以基於一統一到達時間差及鄰近 接收信號強度之該協定發送時鄰近節點估計該接收信號強 度指數。 圖11繪示本發明之一實施例’其中各照明單元包含根據 〇 本發明之基於一統一到達時間差及鄰近接收信號強度指數 之°亥協定内之其之發送封包中之該等鄰近節點接收信號強 度指數資訊。 圖12,·曰不—參考節點,其以根據本發明—實施例之基於 統一到達時間差及鄰近接收信號強度指數之該協定收集 °亥到達時間及鄰近接收信號強度指數資訊。 圖13繪不在四個參考節點且各節點中有兩個天線之情況 下使用一統—到達時間差及接收信號強度指數協定之模擬 結果。 H4772.doc -21 · 201100845 圖14繪不在四 下使用一統一到 結果。 /考蛴點且各節點中有兩個天線之情況 達時間差及接收信號強度指數協定之模擬 圖1 5a繪示根據本發明一實施例之一拓撲圖表。 圖1 5b繪示根據本發明一實施例之一 tanner圖表。 144772.doc
Claims (1)
- 201100845 七、申請專利範圍: 1 ·種用於判定在—照明系統中之至少一昭明單^ 番 '、,、啊早兀之一位 置之方法,該方法包括: 自5亥至少—照明單元發送一信號·,及 使用至少兩種區域化協定及—位置估計方法估計該至 少一照明單元之該位置。 2·如請求項丨之方法,其進一步包括: Ο 在!數個參考節點之至少一者處記錄來自該等至少一 照明單疋之各者之一到達時間信號; 自錢個參考節點之該至少—者傳達該記錄至其他表 考節點之各者;及 / 在該等參考節點之各者處計算距離差。 3·如清求項2之方法,其進一步包括提供該至少兩個區域 化協定為一偏導數矩陣。 4·如明求項3之方法’其中該偏導數矩陣包括至少兩 矩陣: 卞 一第—子矩陣,其包含在該等至少一照明單元之各者 之該等參考節點處之一所量測到達角關於乂與^位 導數;及 偏 一第二子矩陣,其包含在該等至少一照明單元之一對 應者之該等參考節點之一者處之一所量測距離差關於X 與y位置之一偏導數。 x 5.如y項3之方法,其中該偏導數矩陣係定義為: G= ] 〇 144772.doc 201100845 6. 8. 9. 如請求項5之方法’其中該等至少—照明單元之各者之 位置估計係定義為:广々W))。 :請求項2之方法’其中該等參考節點係位於自地平面 抬高之一位置以提供一經改良視線。 如請求们之方法’其中該位置估計演算法為一最大似 然位置估計演算法。 如知求項1之方法,其進一步包括: 自該至少一照明單元發送一資料封包;及 複數個參考節點處估計由該至少一照明單元及由其 他至少一照明單元之各者發送之該資料封包之一信號強 度。 10. 如請求項9之方法,其進一步包括: 將忒經估計信號強度嵌入於由鄰近該發送照明單元之 該等其他至少—照明單元儲存之該資料封包中; 在"亥等麥考即點處估計該到達時間且解碼該資料封包 以獲得關於該等至少一照明單元之各者之資訊; X鄰近之至少—照明單元發送該到達時間及信號強 度至該等參考節點;及 為该等至少—照明單元之各者計算-位置估計。 11. 如請求項1〇之太、1 ^ T 峒W之方法,其進一步包括: 等4考節點之各者處記錄來自該等至少一照明單 元之各者之一到達時間信號; ”'、 在4等參考節點之一者處傳達該記錄至該等立他參考 節點之各者;及 144772.doc 201100845 在該等參考節點之各者處計算該距離差。 a如請求項u之方法,其進—步包括提供該至少兩個區域 化協定為一偏導數矩陣。 13.如請求項12之方法,其中該偏導數矩陣包括至少三個子 矩陣: 一第—子矩陣,其包括在該等參考節點之各者處之一 所量測距離差關於該等至少一照明單元之一對應者之X 0 與y位置之偏導數; 一第二子矩陣,其包括該等至少—照明單元之二者間 之一所量測信號強度關於乂與丫位置之偏導數丨及 :第三子矩陣,其包括該等至少—照明單元之各者與 該等參考節點之各者間之該信號強度。 14.如請求項12之方法,其中該偏導數㈣義為:心p、。 15·如請:項14之方法,其中各至少一照明單元之該位置估 〇 計係定義為:(以=(/,/)+。 16. 如:求則之方法,其中該等參考節點係位於自地平面 抬咼之一位置以提供一經改良視線。 17. 如請求項i之方法,其中該位置估計包括: 使用到達時間差(TDOA)資訊估計該等至少一照明單元 之各者之該位置;及 使用來自鄰近該等至少一照明單元之各者之該等至少 一照明單元之其他照明單元之接收信號強度指數(RSSI) 資訊精細修訂該等至少—照明單元之各者之該位置。 144772.doc 201100845 1 8.如請求項1 7之方法,其中該位置估計進一步包括: 自該等至少一照明單元之各者發送包含該信號強度及 該RSSI資訊之一信號; 在該等參考節點之各者處記錄來自該等至少一照明單 π之各者之發送到達時間信號,且提供該記錄之發送到 達時間仏號至該等其他參考節點之各者;及 使用該到達時間差估計該等至少一照明單元之各者之 該位置。 19.如請求項18之方法’其中該位置估計進一步包括: 產生一表不性網路連接能力圖與Tanner圖並進行訊幸 傳遞,其中在該Tanner圖中經訊息傳遞之資訊包含具有 不同變異數之位置資訊;及 。十^連接至忒等參考節點之該等至少一照明單元之 者之位置。 20. 21. 如請求項19之方法,其進一步包括提供該至少兩個區 化協定為一偏導數矩陣。 一 =明求項20之方法,其中該經精細修訂位置估計係定義 其中: (x,y)為待計算節點之位置; (x'y*)為節點之初始tdoa位置估計;及 p G J為讀偏導數矩陣。 22.如請來jg飞 項1〇之方法,其中該位置估計演算法為該最大似 144772.doc 201100845 然估計演算法或MMSE估計演算法。 23. Ο 24. ❹ 25. 26. 一種用於判定至少一照明單元之一位置之照明系統,該 照明系統包括: 至少一參考節點’其使用至少兩個區域化協定及一位 置估計方法估計該至少一照明單元之該位置,其中該至 少一參考節點: 記錄來自該等至少一照明單元之各者之一到達時間 信號; 自該等至少一參考節點之—者傳達該記錄至其他至 少一參考節點之各者;及 計算距離差。 如㉔求項23之系統,其中該至少兩個區域化協定係提供 為::導數矩陣’該偏導數矩陣包括至少兩個子矩陣广 :二子矩陣,其包含在該等至少一照明單元之各者 之偏導數;及‘、處之—所量測到達角關於咖位置 其包含在該等至少一照明單元之一對 >考即點之-者處之-所量測距離差 偏導數^ 第—子矩陣, 應者之該等至少— 關於X與y位置之— 導㈣陣係定義為: 如請求項25之系統,复 兮办里v丄, 、1亥等至少一照明單元夕夂去七 口亥位置估計係定義為: 千凡之各者之 〇(m)〇 144772.doc 201100845 27.如請求項23之系統,其 伞而仏一 至 參考郎點係位於自地 千面払面之一位置以提供一經改良視線。 28:求項23之系統,其中該位置估計演算法為一最大似 然位置估計演算法。 勹取1 29.如請求項23之系統,其中: 該至少—照明單元發送-資料封包;及 至:至Si參考節點估計由該至少-照明單元及由其他 /〜明單元之各者發送之該資料封包之-信號強 30.如請求項29之系統,其中 正在發送之兮 $ ,|、 夕—照明單元將該經估計信號強度嵌 入於鄰近該至少一昭 _ ^ ^ ^ ^ 、、早兀之該等其他至少一,照明單元 之该貧料封包中; 该至少一參考笳赴彳丄, 以獲得關於料料時間且解碼«料封包 兮抑4 ,、、'月早兀之各者之資訊; S亥鄰近之至少一昭 π j, ^ 5 /Ν Α ^ ‘、、、月早元發送該到達時間及信號強度 至6亥至;一參考節點;及 呑亥至少 余》去'〜 —位置估計。> 即點為該等至少一照明單元之各者計算 31. 如請求項30之系統 該至少一參考節 者之一到達時間信 δ亥至少一參考節 節點之各者;及 ’其中: 點記錄來自該等至少一照明單元之各 說; 點傳達該記錄至該等其他至少一參考 I44772.doc 201100845 δ亥至少一參考節點計算該距離差。 2.如叫求項3 1之系統,其中該至少兩個區域化協定係提供 為一偏導數矩陣,該偏導數矩陣包括至少三個子矩陣·· 一第—子矩陣,其包括在該等至少一參考節點之各者 處之一所量測距離差關於一對應至少一照明單元之X與丫 位置之偏導數; 。 ❹ 〇 第一子矩陣,其包括在該等至少一照明單元之二者 門之所量測信號強度關於X與y位置之偏導數;及 =产第二子矩陣,其包括該等至少一照明單元之各者與 U等至夕一參考節點之各者間之該信號強度。 33.如請g32之系統,其中該偏導數係定義為: G. 34. 如請,項32之系統,其中各至少一照明單元之該位置估 斤係疋義為: 35. 如咐求:23之系統,其中該至少一參考節點係位於自地 平面抬高之一位置以提供—經改良視線。 36·如凊求項23之系統,其中該位置估計係在該至少一參 郎點處計算且包括: 使用TD〇A資訊估計該等至少一照明單元之各者之該 位置;及 使用,自鄰近該等至少一照明單元之各者之該等至少 一照明早元之其他照明單元之職資訊精細修訂該等至 少一照明單元之各者之該位置。 144772.doc 201100845 ’ 37.如:求項36之系統’其中該位置估計計算進-步包括: 人’…月單70發送包含該信號強度及該RSSI資訊 之一信號; °亥至乂 一參考啼點記錄來自該等至少一昭明單元之各 發送到達時間信號,且提供該記錄之發送到達時 間k諕至該等其他參考節點之各者;及 該,少一參考節點使用該到達時間差估計該等至少一 照明單元之各者之該位置。 3 S.如请求項3 7之系統,1 八中在6亥至少一參考節點處所計算 之該位置估計進一步包括: 產生—表示性拓撲圖與心職^圖並進行訊息傳遞宜 中在該Tanner圖中經訊息傳遞之資訊包含具有不同變里 數之位置資訊;及 、 計算連接至該至少一參考節點之該等至少一照明單元 之各者之該位置。 39.如凊求項38之系绩,直φ担糾―”, 、 八中楗仏該至少兩個區域化協定為 一偏導數矩陣。 4〇·如明求項39之系統,其中該精細修訂位置估計定義為: 其中: Ο, y)為待計算節點之位置; (x*,y*)為節點之初始tdoa位置估計;及 「G」為該偏導數矩陣。 札如請求項=之系統,其中該位置估計演算法為該最大似 然估計演异法或MMSE估計演算法。 144772.doc • 8 -
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