本申請涉及于2015年5月12日提交的臨時申請No.62/160,469(“臨時申請母案”)。本申請要求享有臨時申請母案的優(yōu)先權(quán)，并且因此根據(jù)37CFR§1.78(a)(4)要求其申請日的權(quán)益。臨時申請母案的主題的全部內(nèi)容通過引用明確地并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般地涉及無線通信系統(tǒng)，并且具體地，涉及適于執(zhí)行非對稱雙邊雙向測距的無線通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在下面的描述中，一般來講，將會用斜體來表示超寬帶(“UWB”)通信系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)熟悉的每個特殊術(shù)語的第一次出現(xiàn)。此外，當(dāng)首次引入被認(rèn)為是新的術(shù)語或者將在被認(rèn)為是新的上下文中使用的術(shù)語時，將加粗這個術(shù)語并提供打算應(yīng)用于該術(shù)語的定義。此外，在整個說明書中，當(dāng)提及將信號、信號標(biāo)志、狀態(tài)位或類似機構(gòu)分別呈現(xiàn)(render)為其邏輯真或邏輯假狀態(tài)時，有時將分別使用術(shù)語斷言(assert)和否定(negate)，并且使用術(shù)語切換(toggle)來指示信號從一個邏輯狀態(tài)到另一個邏輯狀態(tài)的邏輯反轉(zhuǎn)。備選地，可以將互斥的布爾狀態(tài)稱為logic_0和logic_1。當(dāng)然，眾所周知，可以通過使所有這樣的信號的邏輯意義反向使得本文描述為邏輯真的信號變?yōu)檫壿嫾?反之亦然)來獲得一致的系統(tǒng)操作。此外，在這種系統(tǒng)中選擇哪些特定電壓電平來表示每個邏輯狀態(tài)是沒有關(guān)系的。

舉例說明，在超寬帶(“UWB”)通信系統(tǒng)中，由UWB發(fā)射機執(zhí)行一系列特殊處理步驟，以準(zhǔn)備用于經(jīng)由基于分組的UWB信道進(jìn)行傳輸?shù)挠行лd荷數(shù)據(jù)。在接收時，由UWB接收機執(zhí)行相應(yīng)的一系列反向步驟以恢復(fù)數(shù)據(jù)有效載荷。兩個系列的處理步驟的細(xì)節(jié)在IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.15.4(“802.15.4”)和802.15.4a(“802.15.4a”)中充分描述，并且其全部內(nèi)容通過引用明確并入本文。眾所周知，這些標(biāo)準(zhǔn)描述了系統(tǒng)的發(fā)射部分和接收部分的所需功能，但是僅指定系統(tǒng)的發(fā)射部分的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，而讓實現(xiàn)者選擇如何實現(xiàn)接收部分。

已經(jīng)提出了在UWB通信系統(tǒng)中使用的某些改進(jìn)，這些改進(jìn)在以下未決申請或發(fā)布的專利中充分描述，所有這些申請或?qū)＠娜績?nèi)容明確地并入本文：

2009年12月22日發(fā)布的US 7,636,397，題為"A Method and Apparatus for Transmitting and Receiving Convolutionally Coded Data"；

2010年7月31日發(fā)布的US 7,787,544，題為"A Method and Apparatus for Generating Codewords"；

2013年1月22日發(fā)布的US 8,358,709，題為"A Method and Apparatus for Transmitting and Receiving Convolutionally Coded Data"；以及

2013年5月7日發(fā)布的US 8,437,432，題為"Receiver for Use in an Ultra-Wideband Communication System"；

2014年3月18日發(fā)布的US 8,677,224，題為"Convolution Code for Use in a Communication System"；

2013年5月7日發(fā)布的US 8,436,758，題為"Adaptive Ternary A/D Converter for Use in an Ultra-Wideband Communication System"；以及

2014年6月24日發(fā)布的US 8,760,334，題為"Receiver for Use in an Ultra-Wideband Communication System"。

在現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中，一種用于測量從設(shè)備A到設(shè)備B的距離的已知方法是測量電磁信號(例如一組無線電脈沖)的往返時間以獲得飛行時間T_f。然后，可以將該時間T_f乘以無線電波的速度(即，光速)，以得到從A到B的距離。

例如，在圖2中，A將分組P1發(fā)送到B。B接收該信號，并且在短時間D_b之后，它將分組P2發(fā)送回到A。分組P2在發(fā)送分組P1之后的時間R_a到達(dá)A。所以，得到以下關(guān)系：

[式1]R_a＝2T_f+D_b

因此：

[式2]

實際上，在A和B中，時間分別由真實時鐘(時鐘A和時鐘B)測量。因為可能不能使這些時鐘彼此同步，所以它們將比理想時鐘更快或更慢地運行。但是如果它們與參考頻率發(fā)生器同步，則它們將在信號交換的持續(xù)時間內(nèi)以假設(shè)為恒定頻率的頻率運行。假定時鐘A和時鐘B分別以理想的真實時鐘的頻率的k_a和k_b倍運行。任何時間測量將乘以這些常數(shù)k_a或k_b。將R_a的實際時間估計表示為將D_a的實際時間估計表示為并且類似地，和是R_b和D_b的估計。由于是在A處由A的時鐘測量的，因此：

[式3a]

類似地：

[式3b]

[式3c]

[式3d]

可以將這些估計用于式2中的R_a等，以得到T_f的估計然而，如果k_a或k_b的值未知，則不能計算R_a等。但是，如果使用等作為R_a、D_a等的估計：

[式4a]

[式4b]

那么引入測量誤差。例如，如果將視為T_f的估計：

[式5]

則該估計的誤差為：

[式6]

對于典型的UWB系統(tǒng)，例如，基于IEEE 802.15.4a UWB物理層的那些系統(tǒng)，(k_a-1)和(k_b-1)高達(dá)20ppm，即20x10^-6，并且使誤差保持在100ps(1x10^-10)以下是重要的，這意味著延遲(例如，)必須保持在約5μs以下。延遲包括發(fā)送分組的時間，其通常>100μs，因此實現(xiàn)這樣的短延遲是不實際的。

Fleming等人(US 6,400,754)和后來的Menzer等人(US 7,843,379)已經(jīng)提出了對此的改進(jìn)。在這些方案中，對于總共4個發(fā)送的消息，執(zhí)行第二往返消息收發(fā)回合。從B發(fā)送的分組P2不僅確認(rèn)P1的到達(dá)，并且其到達(dá)A還在由A發(fā)送第三分組P3之前在A中發(fā)起延遲在B處接收該第三分組，并且在B處測量該第二往返的時間。在這兩種方案中，建議使延遲時間和對稱，即使它們相等或幾乎相等。Menzer指出，如果這樣做，并且如果針對兩個往返中的每一個計算兩個估計，并且如果兩個估計被平均，則誤差幾乎彼此抵消，并且可以使整體誤差小到可以接受。通過使用該現(xiàn)有方法，兩個估計的平均值的誤差是：

[式7a]

[式7b]

盡管這當(dāng)然地成立，但要求響應(yīng)延遲總是對稱的(即大致相等)對系統(tǒng)是不合理的負(fù)擔(dān)。

需要用于在無線通信系統(tǒng)的接收機中使用的用來確定測距的改進(jìn)的方法和裝置。特別地，我們認(rèn)為這種方法和裝置應(yīng)該提供一般與最佳現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)?shù)男阅埽试S在不顯著降低準(zhǔn)確度的情況下使用不對稱延遲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供了一種非對稱雙邊雙向測距方法，該方法使用3個消息P₁、P₂和P₃來完成具有第一時鐘C_a的第一設(shè)備A與具有第二時鐘C_b的第二設(shè)備B之間的一對往返延遲測量。根據(jù)本方法，在A中，在關(guān)于C_a的所選擇的時間點T₀發(fā)送P₁；然后在B中，在未知飛行時間T_f之后，在關(guān)于C_b的時間T₁接收P₁；以及在第一傳輸延遲之后，在關(guān)于C_b的時間T₂發(fā)送P₂。此外，在A中，在相對于T₀的第一響應(yīng)延遲之后，在關(guān)于C_a的時間T₃接收P₂；以及在第二傳輸延遲之后，在關(guān)于C_a的時間T₄發(fā)送P₃；以及然后在B中，在相對于T₂的第二響應(yīng)延遲之后，在關(guān)于C_b的時間T₅接收P₃；以及根據(jù)從以下各項中選擇的一項來得到T_f的估計

以及

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，通過在B中得到作為的函數(shù)的對A與B之間的距離的估計來增強本方法。

本發(fā)明的方法可以以計算機可讀代碼具體實現(xiàn)在適合的計算機可讀介質(zhì)上，使得當(dāng)處理器執(zhí)行計算機可讀代碼時，處理器執(zhí)行相應(yīng)方法。

附圖說明

通過結(jié)合附圖對某些優(yōu)選實施例的描述，可以更充分地理解本發(fā)明，其中：

圖1以框圖形式示出了適用于在UWB通信系統(tǒng)中使用的接收機的一個實施例；

圖2以時間流程圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的適于確定測距的方法的一個實施例；以及

圖3以時間流程圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的適于確定測距的方法的另一個實施例。

在附圖中，類似的元件將盡可能類似地編號。然而，這種實踐僅僅是為了便于參考并且避免數(shù)字的不必要的增加，而不旨在暗示或提議本發(fā)明在幾個實施例中需要功能或結(jié)構(gòu)的同一性。

具體實施方式

需要回想的是，不知道實際延遲時間D_a和D_b或往返時間R_a和R_b。得到的所有結(jié)果都是估計，已知這些估計的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試圖估計的飛行時間的量。事實上，在無法使用完美時鐘的情況下，這些估計的誤差量是不可能知道的。

根據(jù)式3b可知：

[式8a]

并且類似地，根據(jù)式3d得到：

[式8b]

然后，根據(jù)式8b和式1得到：

[式9a]

并且類似地：

[式9b]

然后，根據(jù)式9a和式3a得到：

[式10a]

類似地，根據(jù)式9b和式3c得到：

[式10b]

在上面的式10a和式10b中，已經(jīng)經(jīng)過了時間段和其中可以使用A和B的各自的本地時鐘來測量這些時間段。但是沒有測量k_a或k_b的方便方法；并且這些時鐘偏移誤差使T_f的值淹沒(swamp)。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果將乘以則乘積的值的大部分將是和的乘積。因此，對于乘積中的該項，k_a和k_b常數(shù)有效地彼此抵消。以下示出這導(dǎo)致什么情況：

根據(jù)式10a和式10b得到：

[式11]

[式12]

[式13]

然后，根據(jù)式10a和式13得到：

[式14]

在左側(cè)，提取2T_f并且上下都乘以k_b：

[式15]

因此，最終得到：

[式16a]

類似地：

[式16b]

因此，針對T_f具有兩個可能的估計。因為k_a和k_b非常接近于1，即0.99998<k_a,k_b<1.00002，因此可以將T_f估計如下：

[式17a]

[式17b]

注意，這些估計非常接近實際T_f，這是因為k_a和k_b非常接近1，并且特別地，它們的準(zhǔn)確度獨立于在A和B處采用的延遲。

系統(tǒng)是否應(yīng)當(dāng)最佳地使用式17a或式17b將取決于其預(yù)期哪一個時鐘更準(zhǔn)確。例如，如果系統(tǒng)包括上述擔(dān)任角色B的具有高準(zhǔn)確度時鐘的設(shè)備以及上述擔(dān)任角色A的具有低準(zhǔn)確度時鐘的標(biāo)簽，則其應(yīng)該使用式17a。如果它預(yù)期任何一個都不比另一個更準(zhǔn)確，并且它也不能容易地計算其中任何一個的準(zhǔn)確度，則使用來自式17a和式17b的平均結(jié)果將是最準(zhǔn)確的，這是因為這將總是與兩者中較差的一樣好或者更好。通過使用延遲和時鐘偏移的典型值的實驗發(fā)現(xiàn)，該平均值可以通過下式來近似：

[式18]

注意，的值接近于的值，這是因為占據(jù)了該特定往返測量的大部分時間。這意味著在式17a、式17b以及式18的分母中，可以替代使用，或者可以替代使用，而不會大大降低準(zhǔn)確度。類似地，可以替代使用，并且可以替代使用，這導(dǎo)致例如：

[式19]

受益于靈活響應(yīng)延遲的系統(tǒng)

舉例說明，假設(shè)一個設(shè)備向多個(例如5個)標(biāo)簽發(fā)送分組P1。然后，每個標(biāo)簽在連續(xù)響應(yīng)中使用分組向該設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)：標(biāo)簽1在時間t之后使用分組2a進(jìn)行響應(yīng)；標(biāo)簽2在時間2t之后使用分組2b進(jìn)行響應(yīng)；標(biāo)簽3在時間3t之后使用分組2c進(jìn)行響應(yīng)；標(biāo)簽4在時間4t之后使用分組2d進(jìn)行響應(yīng)；并且標(biāo)簽5在時間5t之后使用分組2e進(jìn)行響應(yīng)?，F(xiàn)在，設(shè)備使用最終分組3結(jié)束這一回合?，F(xiàn)在，每個標(biāo)簽可以在僅僅七個消息的序列之后計算其與設(shè)備的距離。如果設(shè)備已經(jīng)使用了SDS-TWR，則它將被迫針對每個標(biāo)簽交互具有相同的延遲，并且針對每個標(biāo)簽將需要最少3個消息，或者將需要15個消息。根據(jù)本發(fā)明，所需的分組的數(shù)量是N+2而不是3N。通過這樣允許非對稱延遲，本發(fā)明導(dǎo)致飛行時間和功耗的顯著減少。

現(xiàn)在考慮具有移動標(biāo)簽(例如在資產(chǎn)上)的系統(tǒng)，該移動標(biāo)簽發(fā)送分組P1，分組P1由基礎(chǔ)設(shè)施中的許多固定設(shè)備接收，所述固定設(shè)備中的3個依次使用分組P2a、P2b、P2c進(jìn)行回復(fù)，之后標(biāo)簽發(fā)送P3，P3由所有3個設(shè)備接收。然后，通過使用本發(fā)明，3個設(shè)備中的每一個獨立地計算其到標(biāo)簽的距離。然后，這3個距離可以在基于基礎(chǔ)設(shè)施的解算器(solver)中組合，以通過三角測量來定位標(biāo)簽。這允許在發(fā)送2個消息和接收3個消息之后定位標(biāo)簽/資產(chǎn)。如果如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣，需要對稱定時，則該過程將需要最少6次發(fā)送和3次接收來完成。

在具有N個移動節(jié)點的對等網(wǎng)絡(luò)的情況下(其中每個節(jié)點想要找到它到每個其它對等節(jié)點的距離作為求解它們的相對位置的一部分)，則這是1/2N(N-1)個距離測量。例如，對于5節(jié)點系統(tǒng)，這包括10個不同的距離測量。通過利用現(xiàn)有的對稱雙邊測距，這針對每個距離測量需要3個消息。在一些情況下，還可能需要發(fā)送附加消息以傳送結(jié)果，其可以是針對每個距離測量1個消息或針對每個節(jié)點僅1個包含該節(jié)點計算的所有結(jié)果的消息。從而，這在5節(jié)點示例情況下總共是35到40個消息。通過使用我們的不對稱測距方案，如圖2所示，可以針對每個節(jié)點僅使用兩個傳輸(即，在5節(jié)點示例的情況下10個消息)來組合并完成測距交換。這是按如下方式實現(xiàn)的：

將測距交換的3個消息定義為：輪詢P，由發(fā)起方發(fā)送；響應(yīng)R；和最終消息F，其完成兩次往返。此外，進(jìn)一步定義作為飛行時間報告消息T傳送的結(jié)果。如果將這些消息枚舉為P、R、F和T，其中下標(biāo)指示源節(jié)點地址和目的地節(jié)點地址，并且從1至5對節(jié)點進(jìn)行編號，則可以用表1中列出的10個消息實現(xiàn)針對5個節(jié)點的10個測距交換：

表1-示例5節(jié)點對等優(yōu)化測距解決方案

可以看出，這是對消息流量的大大節(jié)省(節(jié)省了電池功率和飛行時間)。然而，測距交換是高度不對稱的：在上面的表1的示例中，節(jié)點1和節(jié)點5之間的測距交換以消息#1處來自節(jié)點1的輪詢開始、然后來自節(jié)點5的響應(yīng)在消息#5處，并且來自節(jié)點1的最終消息是消息#6。如果這些消息時間以大約200μs為單位，則這兩個往返具有大約800μs對200μs的定時，是不對稱的。從而，僅當(dāng)通信的非對稱性質(zhì)不導(dǎo)致大的測距誤差時，該方案才良好工作。然而，幸運的是，在許多其他的示例中，靈活的響應(yīng)延遲都是優(yōu)點。

可能的測距方案

如上所述，圖2示出了使用3個消息來完成一對往返延遲測量的雙向測距交換。在該方案中，第一設(shè)備A在所選擇的時間點發(fā)送第一消息P₁(步驟10)。在未知的飛行時間T_f之后，第二設(shè)備B接收P₁(步驟12)。在第一延遲(作為B的特性)之后，B發(fā)送第二消息P₂(步驟14)。在T_f之后，A接收P₂(步驟16)。在第二延遲(作為A的特性)之后，A發(fā)送第三消息P₃(步驟18)。最后，在T_f之后，B接收P₃(步驟20)。通過使用式17a和式17b或者僅使用式18，現(xiàn)在可以計算T_f的合理接近的估計。

如圖3所示，也可以使用4個消息以包括兩對往返測量來執(zhí)行我們的非對稱測距方法，其中每對往返測量在時間上以某一相對小的但是除此之外任意的間隔分開。根據(jù)該替代方案，第一往返測量包括第一消息P₁(步驟22和24)和第一響應(yīng)P₂(步驟26和28)，并且稍后的第二往返測量還包括第二消息P₃(步驟30和32)和第二響應(yīng)P₄(步驟34和36)，但是第二消息P₃和第二響應(yīng)P₄是在與第一往返測量的第一消息和第一響應(yīng)相反的方向發(fā)送的。此外，通過使用式17a和式17b或者僅使用式18，現(xiàn)在可以計算T_f的合理接近的估計。

因此，顯而易見，已經(jīng)提供了用于在無線通信系統(tǒng)的接收機中使用以確定測距的改進(jìn)的方法和裝置。盡管迄今為止僅在基于分組的UWB通信系統(tǒng)的上下文中公開了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明廣泛地適用于使用響應(yīng)時間戳執(zhí)行測距的其他類型的無線通信系統(tǒng)，無論是基于分組還是其他的。此外，我們認(rèn)為，本發(fā)明提供了與最佳現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)?shù)男阅埽冗@種現(xiàn)有技術(shù)的已知實現(xiàn)更有效。