估計(異步)無線網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送裝置的位置的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于定位移動裝置的系統(tǒng)。在一個實施例中，系統(tǒng)包括具有處理器和接收機的移動裝置，以及形成收發(fā)機裝置的網(wǎng)絡(luò)的至少三個收發(fā)機裝置。移動裝置和收發(fā)機可以由移動裝置發(fā)送請求(REQ)包；由所述至少三個收發(fā)機裝置接收REQ包；由接收REQ包的至少三個收發(fā)機裝置中的第一收發(fā)機裝置發(fā)送響應(yīng)(RSP)包；以及由至少三個收發(fā)機裝置中的至少一些接收REQ包和RSP包。針對接收REQ和RSP包兩者的至少三個收發(fā)機裝置，系統(tǒng)確定在接收REQ包和RSP包之間的到達時間差。系統(tǒng)可以基于所確定的到達時間差來確定移動裝置的位置。
【專利說明】
估計(異步)無線網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送裝置的位置的方法和系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2013年12月31日提交的美國臨時專利申請No. 61/922,445在 3抓.S.C.§119(e)下的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用包含于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總地設(shè)及定位系統(tǒng)，W及更特別地設(shè)及用于使用飛行時間（time Of fli曲t)信息來無線地定位物體的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 在許多應(yīng)用中，期望或者甚至必須W高精度來估計物體的位置。存在許多系統(tǒng)，其 被設(shè)計為允許裝置使用射頻(RF)信號來進行位置估計。例如，裝置可W使用所接收的RF信 號的信號強度來估計其位置，諸如在美國專利No.7,515,578中描述的方法。所接收的信號 的到達角度也可W用于確定接收機的位置。
[0005] 飛行時間（TOF)，也稱為到達時間（TOA)，也可W用于位置估計。在圖1所示的示例 中，基于TOA的位置估計通常使用S邊測量來進行，即，基于要估計的物體和位置已知的一 些物體之間的距離來估計物體的位置。通常，因為目標(biāo)裝置未被同步至錯裝置，所W需要使 用往返飛行時間來估計飛行時間。例如，第一裝置首先發(fā)送第一測距信號;然后，在接收到 第一測距信號之后，第二裝置發(fā)送第二測距信號。往返延遲由第一裝置估計。運樣的技術(shù)通 常被稱為雙向TOA (TW-TOA )，并且在許多系統(tǒng)中廣泛使用。不幸的是，TW-TOA需要所有節(jié)點 之間的大量傳輸，并且因此，基于TW-TOA的系統(tǒng)不能容納許多移動裝置。大量裝置也導(dǎo)致較 高的節(jié)點的功率消耗。
[0006] 可替換地，可W使用飛行時間差(TDoF),也稱為到達時間差(TDOA)，來進行位置估 計。在圖2所示的例子中，移動節(jié)點102廣播無線電信號，并且該信號被在其范圍內(nèi)的所有錯 節(jié)點101的接收機接收。如果我們將到錯節(jié)點i和j的信號的到達時間分別表示為ti和*^，貝。 到達時間的時差Sti, j = t j-ti被記錄，來代替絕對時間ti和t j。
[0007] 上述TDOA與TOA相比具有顯著的優(yōu)點，因為其僅需要移動節(jié)點發(fā)送一次，并且錯節(jié) 點僅需要接收。
[000引在圖2所示的系統(tǒng)中，因為僅目標(biāo)裝置需要發(fā)送，所W系統(tǒng)具有更好的效率并且可 W在單個覆蓋范圍中容許較大數(shù)量的目標(biāo)裝置。然而，在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，目標(biāo)裝置未被同 步，并且傳輸可能沖突。此外，錯節(jié)點需要被同步。通過調(diào)節(jié)所有錯節(jié)點至共同的參考定時 源來完成該同步。通常，同步單元用于生成定時參考信號，并經(jīng)由電纜將其分發(fā)至所有錯節(jié) 點。運種系統(tǒng)的主要缺點是復(fù)雜性和隨之而來的安裝成本。隨著目標(biāo)裝置的密度增加，其還 遭受性能退化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供用于在無線網(wǎng)絡(luò)中定位發(fā)送無線電信號的裝置的方法和系統(tǒng)。作為目 標(biāo)的裝置將第一包廣播至無線網(wǎng)絡(luò);在無線通信范圍內(nèi)的錯節(jié)點接收包。隨后，一個或多個 錯節(jié)點響應(yīng)于對第一包的接收來發(fā)送第二或另外的包。錯節(jié)點接收第一和第二包兩者并估 計在第一包和響應(yīng)包之間的到達時間差。基于到達時間差來估計裝置的位置。
[0010] 本發(fā)明還提供用于確定哪些錯節(jié)點發(fā)送響應(yīng)包的方法和系統(tǒng)。從目標(biāo)裝置成功地 接收第一包的錯節(jié)點等待隨機的時間段，并且錯節(jié)點中的一個之后發(fā)送第二響應(yīng)包。如果 錯節(jié)點沒有接收第二包，則其之后發(fā)送其自己的響應(yīng)包。
[0011] 在本發(fā)明的一個方面中，提供一種用于在系統(tǒng)中定位移動裝置的方法，所述系統(tǒng) 具有與多個移動裝置進行無線通信的多個錯節(jié)點。所述方法包括：由移動裝置發(fā)送請求 (REQ)包；由多個錯節(jié)點接收REQ包；由接收REQ包的多個錯節(jié)點中的第一錯節(jié)點發(fā)送響應(yīng) (RSP)包；W及由錯節(jié)點中的至少一些接收REQ包和RSP包。針對接收REQ包和RSP包兩者的錯 節(jié)點，該方法可W之后提供用于確定在接收REQ包和RSP包之間的到達時間差，W及基于所 確定的到達時間差來確定移動裝置的位置。
[0012] 在本發(fā)明的另一方面中，提供一種用于在網(wǎng)絡(luò)中定位移動裝置的系統(tǒng)，所述網(wǎng)絡(luò) 具有與多個移動裝置進行無線通信的多個錯節(jié)點。所述系統(tǒng)包括:具有處理器和接收機的 移動裝置；W及形成收發(fā)機裝置的網(wǎng)絡(luò)的至少=個收發(fā)機裝置，每個收發(fā)機具有處理器和 接收機，用于發(fā)送和接收通信包。所述移動裝置和收發(fā)機被配置為：由移動裝置發(fā)送請求 (REQ)包；由所述至少S個收發(fā)機裝置接收REQ包；由接收REQ包的至少S個收發(fā)機裝置中的 第一收發(fā)機裝置發(fā)送響應(yīng)(RSP)包；W及由至少S個收發(fā)機裝置中的至少一些接收REQ包和 RSP包。針對接收REQ包和RSP包兩者的至少S個收發(fā)機裝置，系統(tǒng)可W確定在接收REQ包和 RSP包之間的到達時間差；W及基于所確定的到達時間差來確定移動裝置的位置。
[0013] 用于定位移動裝置的上述方法可W包括各種特征或修改。例如，在一些實施例中， 在接收REQ包和發(fā)送RSP包之間的周轉(zhuǎn)時間被嵌入在RSP包中。在一些實施例中，在接收REQ 包和發(fā)送RSP包之間的周轉(zhuǎn)時間是預(yù)定的并且不被發(fā)送。
[0014] 在其他實施例中，REQ和RSP包的傳輸被隨機化W避免沖突，或者REQ和RSP包的傳 輸被確定性地調(diào)度W避免沖突。
[0015] 在其他實施例中，發(fā)送RSP包的錯節(jié)點的身份可W在網(wǎng)絡(luò)的形成期間被確定。在其 他實施例中，當(dāng)錯節(jié)點接收REQ包，但沒有接收RSP包時，錯節(jié)點可W發(fā)送RSP包。在另一實施 例中，當(dāng)接收REQ包的所有錯節(jié)點已經(jīng)接收了RSP包或發(fā)送了RSP包時，響應(yīng)于REQ包的RSP包 的傳輸結(jié)束。在其他實施例中，可W使用最小二乘算法或加權(quán)最小二乘算法來進行移動節(jié) 點的位置的估計。
【附圖說明】
[0016] 圖1是使用雙向TOA方案的定位系統(tǒng)的示圖。
[0017]圖2示出具有同步單元的TDOA系統(tǒng)。
[0018] 圖3示出利用同步錯節(jié)點的到達時間差(TDOA)位置估計的原理。
[0019] 圖4示出利用異步錯節(jié)點的TDOA定位方法的一個實施例。
[0020] 圖5示出TDOA定位方法的一個實施例。
[0021] 圖6是圖5的方法的傳輸調(diào)度的示意圖，其中第一響應(yīng)包被所有其他錯節(jié)點接收。
[0022] 圖7是多于一個響應(yīng)包被錯節(jié)點發(fā)送的方法的傳輸調(diào)度的示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 為了便于說明，W下描述將定位限制在二維空間中，即，我們假定所有裝置都位于 相同的高度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可W容易地將設(shè)計擴展至S維。注意，ToF和ToA在整個申 請中可互換使用。
[0024] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3,我們將固定裝置Ai 101(即，位置已知的裝置)和目標(biāo)裝置102(即， 位置未知的裝置，表示為M)之間的距離表示為rim。從Ai至M的飛行時間（TOF)是tim = rim/c， 其中，C是電磁波的速度（~3xl〇V/sec)相反，我們可W根據(jù)飛行時間計算距離為 Co
[002引圖3示出使用TDoA的定位的基本原理。使得節(jié)點之間的距離分別為山1，(1咖，(1亂并 且相應(yīng)的飛行時間為toi 311, toM 310,tlM 312。如果給定飛行時間差Stoi,M=t0l+tlM-t0M (即，針對兩個不同路徑的飛行時間差一-一個路徑是Ao至Al至M，另一路徑是Ao至M)，我們 可W發(fā)現(xiàn)移動裝置位于雙曲線330上。
[0026] 如果存在多于3個錯裝置，并且TDoA是已知的，則可W通過找到所有雙曲線的交叉 點來確定移動節(jié)點的位置，如圖4所示。通常，時間差的測量會包含噪聲。運樣，諸如最大似 然、最小二乘法和加權(quán)最小二乘法等的算法可W用于估計移動節(jié)點的位置并且在下文論 述。
[0027] 參考圖3和4,基于通過錯節(jié)點對的重新傳輸?shù)尼槍Σ顒e路徑的TDoA也可W如美國 專利申請No. 14/559,524中論述的那樣被計算，其全部內(nèi)容通過引用包含于此。
[00測傳輸方案
[0029] 圖5示出本發(fā)明的實施例的示例。如圖所示，錯節(jié)點IOUAO至A3)在移動節(jié)點M的范 圍內(nèi)。每個錯節(jié)點的身份根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的初始信息來確定。為了開始定位過程，移動裝置M首先 廣播請求包(REQ)210,并且該包被錯IOUAO至A3)接收到。在接收到REQ包210時，錯節(jié)點中 的一個(例如，AO)發(fā)送響應(yīng)包(RSP)310。在該示例中，我們假定錯節(jié)點A1、A2和A3也在AO的 范圍內(nèi)，并且因此它們都接收RSP包。
[0030] 圖6是參照圖5論述的示例的時序圖。首先，在REQ包被接收到時，所有錯節(jié)點使用 其自己的內(nèi)部定時參考來記錄時間。我們將第一錯AO處的在其對REQ包的接收和RSP包的發(fā) 送之間的延遲時間定義為周轉(zhuǎn)時間T3〇 601。發(fā)送RSP包的錯計算周轉(zhuǎn)時間T3〇 601并將其通 告至其他錯節(jié)點。通告可W嵌入在同一RSP包310中，或在單獨的包中。REQ和RSP包的傳輸可 W被隨機化W避免系統(tǒng)內(nèi)的沖突。可替換地，REQ和RSP包可W被確定性地調(diào)度W避免沖突。
[0031] 接收到RSP包的錯節(jié)點記錄REQ包和RSP包之間的到達時間差，該時間差反映兩個 路徑(例如從M至AiW及從M至Ao至Ai(包括周轉(zhuǎn)時間））的飛行時間的差。表示為A toi 602的 該時間差使用錯節(jié)點的內(nèi)部定時參考來估計。每個時間差可W用于將M定位在如圖3所示的 雙曲線上。多個時間差可W用于找到作為圖4所示的多個曲線的交叉點的M的位置。該位置 計算可W在錯裝置、移動裝置或服務(wù)器(未示出）的一個上執(zhí)行，該服務(wù)器根據(jù)需要與錯裝 置進行有線或無線通信。系統(tǒng)可W基于A toi 602和已知的錯位置來估計移動裝置的位置。 W上論述的示例假定錯節(jié)點AO在同樣接收到REQ包的所有其他錯節(jié)點的范圍內(nèi)。
[0032] 然而，不是必須保證所有錯節(jié)點在無線網(wǎng)絡(luò)中在彼此的范圍內(nèi)。圖7示出用于包括 在彼此的無線范圍外的錯節(jié)點的系統(tǒng)的本發(fā)明的另一實施例。假定例如四個錯節(jié)點A0，A1， A2, A3和A4在節(jié)點M的范圍內(nèi)，還假定Al，A2和A3在AO的范圍內(nèi)，但A4在AO的范圍外。
[0033] 由AO發(fā)送的RSP包被A1、A2和A3接收到。它們分別記錄第一時間差A(yù)toi, A t〇2, A t〇3，602，并且它們將不發(fā)送它們自己的RSP包。然而，由于由AO發(fā)送的RSP包未被A4接收到， 因而它在隨機補償時間T34 601之后發(fā)送其自己的RSP包。由A4發(fā)送的第二RSP包710被錯節(jié) 點中的一些(例如，A2和A3)接收到。接收到第二RSP包的那些錯節(jié)點將記錄第二到達時間差 A t42, A t43,7 0 2。類似地，第二響應(yīng)錯A4還報告周轉(zhuǎn)時間T34 601。當(dāng)所有錯節(jié)點發(fā)送RSP包 或接收到至少一個RSP包時，該過程停止。
[0034] 位置估計
[0035] 如上論述的真實的TDoA被計算為
[0036] Sti, j= A ti,廣T'3j.
[0037] 在時鐘偏移(SFO)是非零的情況下，它可W被估計和補償。例如，
[003引 5ti, j= A ti,廣（l-eu)*T'3j
[0039] Eij= ，
[0040] 其中，EU是由標(biāo)稱頻率標(biāo)準(zhǔn)化的在發(fā)送錯和接收錯之間的所估計的相對頻率偏 移。（參見針對SFO估計的其他現(xiàn)有技術(shù)）。
[0041] 給定TDoA和錯位置，移動裝置的位置0m滿足
[0042] I I 白m-白i| H I 白j| I =Sij-Yij
[00創(chuàng)其中，01,堤發(fā)送錯Al和接收錯心的位置，丫 1堤兩個錯節(jié)點之間的距離。
[0044] 移動裝置的位置之后可W使用諸如最小二乘誤差化SE)估計、加權(quán)最小二乘誤差 估計或其倘當(dāng)訣的枯術(shù)來化i+?；旁?島小泰化i+盤巧干瑜吿目m W使得
[0045] ( 1 )
[0046]
[0047] ( 2:)
[004引其中，Wi堤分配給相應(yīng)的時間差對的權(quán)重。
[0049] 在某些實施例中，可W使用利用SOOMhz或更大的頻率的超寬帶(UWB)技術(shù)來發(fā)送 和接收W上包。UWB對于短距離數(shù)據(jù)通信可W是有效的，并且還可W提供本發(fā)明的系統(tǒng)和方 法內(nèi)的精確測距。I邸E 802.15.4a提供了用于無線通信中的UWB技術(shù)的使用的標(biāo)準(zhǔn)，并且其 整體通過引用包含于此。盡管其他技術(shù)可W用于本發(fā)明，但UWB通信可W協(xié)同地與本發(fā)明的 方法和系統(tǒng)結(jié)合W提供可W處理大量的移動裝置的智能的、高精度的、實時的位置服務(wù)。
[0050] 用于本發(fā)明的錯節(jié)點和移動裝置可W使用專用或商業(yè)成品部件來構(gòu)造。通常，裝 置需要具有處理器、存儲用于處理器的指令和/或數(shù)據(jù)的存儲器、W及用于發(fā)送和/或接收 包的收發(fā)機。在錯節(jié)點的情況下，它們可W安裝有建造的干線電源(mains power)，因而相 比移動裝置，錯節(jié)點的尺寸和電源使用不那么重要。移動裝置可W被構(gòu)造為例如可W附接 至各個物品的標(biāo)簽W用于跟蹤目的。因此，標(biāo)簽應(yīng)該在尺寸上很小并且具有優(yōu)化的功耗，因 為標(biāo)簽將可能由電池供電。另外，盡管在一些實施例中，標(biāo)簽可能僅需要接收信號，但其仍 可W在標(biāo)簽上使用收發(fā)機作為接收機。
[0化1 ] 可能用于本發(fā)明的硬件實施的一個示例是從STMICR0ELECTR0NICS(www. St. com) 可得的具有閃速存儲器的STM32W108C8高性能IE邸802.15.4無線忍片上系統(tǒng)。該忍片包括 用于實施本發(fā)明的處理器、存儲器、收發(fā)機、定時器、和其他電路。在其他實施例中，特別地， 在UWB實施例中，諸如來自 DECAWAVE，Ltd. (WWW. decawave. com)的DW1000SENS0R的UWB收發(fā) 機可W用作移動裝置或錯節(jié)點中的收發(fā)機。該裝置可W與處理器通信W用于指令和/或數(shù) 據(jù)存儲。其他商業(yè)或特制的硬件也可W另外地或代替運種系統(tǒng)使用。
[0賦]優(yōu)點
[0053] 運里所公開的本發(fā)明的TDoA方案的優(yōu)點可W包括移動裝置僅需要發(fā)送REQ包。系 統(tǒng)允許移動裝置W非常低的復(fù)雜度構(gòu)造并且W非常低的平均功耗操作。由所公開的系統(tǒng)實 現(xiàn)的另一優(yōu)點是錯裝置不需要相互同步。它無線地消除了對另外的連線或另外的定時同步 操作的需要。結(jié)果，系統(tǒng)性能將對于時鐘頻率偏移更穩(wěn)健。
[0054] 盡管通過優(yōu)選實施例的示例描述了本發(fā)明，但可W理解，可W在本發(fā)明的精神和 范圍內(nèi)做出各種改寫和修改。因此，所附權(quán)利要求的目標(biāo)是將所有運樣的變化和修改覆蓋 為落入本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于在系統(tǒng)中定位移動裝置的方法，所述系統(tǒng)具有與多個移動裝置進行無線通 信的多個錨節(jié)點，所述方法包括： 由所述移動裝置發(fā)送請求(REQ)包； 由多個錨節(jié)點接收所述REQ包； 由接收所述REQ包的多個錨節(jié)點中的第一錨節(jié)點發(fā)送響應(yīng)(RSP)包； 由所述錨節(jié)點中的至少一些接收所述REQ包和所述RSP包； 其中，針對接收所述REQ包和所述RSP包兩者的錨節(jié)點，確定在接收所述REQ包和所述 RSP包之間的到達時間差；以及 基于所確定的到達時間差來確定所述移動裝置的位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在接收所述REQ包和發(fā)送所述RSP包之間的周轉(zhuǎn)時 間被嵌入在所述RSP包中。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在接收所述REQ包和發(fā)送所述RSP包之間的周轉(zhuǎn)時 間是預(yù)定的并且不被發(fā)送。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，REQ和RSP包的傳輸被隨機化以避免沖突。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，REQ和RSP包的傳輸被確定性地調(diào)度以避免沖突。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，發(fā)送所述RSP包的錨節(jié)點的身份在所述網(wǎng)絡(luò)的形 成期間被確定。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)錨節(jié)點接收REQ包，但沒有接收RSP包時，所述錨 節(jié)點發(fā)送RSP包。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)接收所述REQ包的所有錨節(jié)點已經(jīng)接收了RSP包 或發(fā)送了 RSP包時，響應(yīng)于所述REQ包的RSP包的傳輸結(jié)束。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用最小二乘算法來進行所述移動節(jié)點的位置的 估計。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用加權(quán)最小二乘算法來進行所述移動節(jié)點的 位置的估計。11. 一種用于在網(wǎng)絡(luò)中定位移動裝置的系統(tǒng)，所述網(wǎng)絡(luò)具有與多個移動裝置進行無線 通信的多個錨節(jié)點，所述系統(tǒng)包括： 具有處理器和接收機的移動裝置； 形成收發(fā)機裝置的網(wǎng)絡(luò)的至少三個收發(fā)機裝置，每個收發(fā)機具有處理器和接收機，用 于發(fā)送和接收通信包； 其中，所述移動裝置和收發(fā)機被配置為： 由所述移動裝置發(fā)送請求(REQ)包； 由所述至少三個收發(fā)機裝置接收所述REQ包； 由接收所述REQ包的至少三個收發(fā)機裝置中的第一收發(fā)機裝置發(fā)送響應(yīng)(RSP)包；以及 由所述至少三個收發(fā)機裝置中的至少一些接收所述REQ包和所述RSP包； 其中，針對接收所述REQ包和所述RSP包兩者的所述至少三個收發(fā)機裝置，確定在接收 所述REQ包和所述RSP包之間的到達時間差；以及 其中，所述系統(tǒng)被配置為基于所確定的到達時間差來確定所述移動裝置的位置。12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在接收所述REQ包和發(fā)送所述RSP包之間的周轉(zhuǎn) 時間被嵌入在所述RSP包中。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在接收所述REQ包和發(fā)送所述RSP包之間的周轉(zhuǎn) 時間是預(yù)定的并且不被發(fā)送。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，REQ和RSP包的傳輸被隨機化以避免沖突。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，REQ和RSP包的傳輸被確定性地調(diào)度以避免沖突。16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，發(fā)送所述RSP包的收發(fā)機裝置的身份在所述網(wǎng)絡(luò) 的形成期間被確定。17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述至少三個收發(fā)機裝置中的一個收發(fā)機裝 置接收REQ包，但沒有接收RSP包時，該收發(fā)機裝置發(fā)送RSP包。18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)接收所述REQ包的所有收發(fā)機裝置已經(jīng)接收了 RSP包或發(fā)送了 RSP包時，響應(yīng)于所述REQ包的RSP包的傳輸結(jié)束。19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，使用最小二乘算法來進行所述移動裝置的位置 的估計。20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，使用加權(quán)最小二乘算法來進行所述移動裝置的 位置的估計。
【文檔編號】H04L12/70GK105850081SQ201480070138
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月31日
【發(fā)明人】R·普, G·佩赫捷列夫, J·霍恩
【申請人】紅點定位公司