本申請(qǐng)涉及于2015年5月12日提交的臨時(shí)申請(qǐng)No.62/160,469(“臨時(shí)申請(qǐng)母案”)。本申請(qǐng)要求享有臨時(shí)申請(qǐng)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(qǐng)日的權(quán)益。臨時(shí)申請(qǐng)母案的主題的全部?jī)?nèi)容通過(guò)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(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，并且具體地，涉及適于執(zhí)行非對(duì)稱(chēng)雙邊雙向測(cè)距的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在下面的描述中，一般來(lái)講，將會(huì)用斜體來(lái)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(gè)特殊術(shù)語(yǔ)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(yǔ)或者將在被認(rèn)為是新的上下文中使用的術(shù)語(yǔ)時(shí)，將加粗這個(gè)術(shù)語(yǔ)并提供打算應(yīng)用于該術(shù)語(yǔ)的定義。此外，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，當(dāng)提及將信號(hào)、信號(hào)標(biāo)志、狀態(tài)位或類(lèi)似機(jī)構(gòu)分別呈現(xiàn)(render)為其邏輯真或邏輯假狀態(tài)時(shí)，有時(shí)將分別使用術(shù)語(yǔ)斷言(assert)和否定(negate)，并且使用術(shù)語(yǔ)切換(toggle)來(lái)指示信號(hào)從一個(gè)邏輯狀態(tài)到另一個(gè)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(chēng)為logic_0和logic_1。當(dāng)然，眾所周知，可以通過(guò)使所有這樣的信號(hào)的邏輯意義反向使得本文描述為邏輯真的信號(hào)變?yōu)檫壿嫾?反之亦然)來(lái)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(lái)表示每個(gè)邏輯狀態(tài)是沒(méi)有關(guān)系的。

舉例說(shuō)明，在超寬帶(“UWB”)通信系統(tǒng)中，由UWB發(fā)射機(jī)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(shí)，由UWB接收機(jī)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(gè)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?jī)?nèi)容通過(guò)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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而讓實(shí)現(xiàn)者選擇如何實(shí)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(qǐng)或發(fā)布的專(zhuān)利中充分描述，所有這些申請(qǐng)或?qū)＠娜績(jī)?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(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，一種用于測(cè)量從設(shè)備A到設(shè)備B的距離的已知方法是測(cè)量電磁信號(hào)(例如一組無(wú)線(xiàn)電脈沖)的往返時(shí)間以獲得飛行時(shí)間T_f。然后，可以將該時(shí)間T_f乘以無(wú)線(xiàn)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(hào)，并且在短時(shí)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(shí)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(shí)際上，在A和B中，時(shí)間分別由真實(shí)時(shí)鐘(時(shí)鐘A和時(shí)鐘B)測(cè)量。因?yàn)榭赡懿荒苁惯@些時(shí)鐘彼此同步，所以它們將比理想時(shí)鐘更快或更慢地運(yùn)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(hào)交換的持續(xù)時(shí)間內(nèi)以假設(shè)為恒定頻率的頻率運(yùn)行。假定時(shí)鐘A和時(shí)鐘B分別以理想的真實(shí)時(shí)鐘的頻率的k_a和k_b倍運(yùn)行。任何時(shí)間測(cè)量將乘以這些常數(shù)k_a或k_b。將R_a的實(shí)際時(shí)間估計(jì)表示為將D_a的實(shí)際時(shí)間估計(jì)表示為并且類(lèi)似地，和是R_b和D_b的估計(jì)。由于是在A處由A的時(shí)鐘測(cè)量的，因此：

[式3a]

類(lèi)似地：

[式3b]

[式3c]

[式3d]

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

[式4a]

[式4b]

那么引入測(cè)量誤差。例如，如果將視為T(mén)_f的估計(jì)：

[式5]

則該估計(jì)的誤差為：

[式6]

對(duì)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(shí)間，其通常>100μs，因此實(shí)現(xiàn)這樣的短延遲是不實(shí)際的。

Fleming等人(US 6,400,754)和后來(lái)的Menzer等人(US 7,843,379)已經(jīng)提出了對(duì)此的改進(jìn)。在這些方案中，對(duì)于總共4個(gè)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(cè)量該第二往返的時(shí)間。在這兩種方案中，建議使延遲時(shí)間和對(duì)稱(chēng)，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(duì)兩個(gè)往返中的每一個(gè)計(jì)算兩個(gè)估計(jì)，并且如果兩個(gè)估計(jì)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(guò)使用該現(xiàn)有方法，兩個(gè)估計(jì)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(duì)稱(chēng)的(即大致相等)對(duì)系統(tǒng)是不合理的負(fù)擔(dān)。

需要用于在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的接收機(jī)中使用的用來(lái)確定測(cè)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?，但允許在不顯著降低準(zhǔn)確度的情況下使用不對(duì)稱(chēng)延遲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

以及

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，通過(guò)在B中得到作為的函數(shù)的對(duì)A與B之間的距離的估計(jì)來(lái)增強(qiáng)本方法。

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

附圖說(shuō)明

通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)某些優(yōu)選實(shí)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(jī)的一個(gè)實(shí)施例；

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

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

在附圖中，類(lèi)似的元件將盡可能類(lèi)似地編號(hào)。然而，這種實(shí)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(gè)實(shí)施例中需要功能或結(jié)構(gòu)的同一性。

具體實(shí)施方式

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

根據(jù)式3b可知：

[式8a]

并且類(lèi)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(lèi)似地：

[式9b]

然后，根據(jù)式9a和式3a得到：

[式10a]

類(lèi)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(guò)了時(shí)間段和其中可以使用A和B的各自的本地時(shí)鐘來(lái)測(cè)量這些時(shí)間段。但是沒(méi)有測(cè)量k_a或k_b的方便方法；并且這些時(shí)鐘偏移誤差使T_f的值淹沒(méi)(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(duì)于乘積中的該項(xiàng)，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(lèi)似地：

[式16b]

因此，針對(duì)T_f具有兩個(gè)可能的估計(jì)。因?yàn)閗_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(jì)如下：

[式17a]

[式17b]

注意，這些估計(jì)非常接近實(shí)際T_f，這是因?yàn)閗_a和k_b非常接近1，并且特別地，它們的準(zhǔn)確度獨(dú)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(gè)時(shí)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(shí)鐘的設(shè)備以及上述擔(dān)任角色A的具有低準(zhǔn)確度時(shí)鐘的標(biāo)簽，則其應(yīng)該使用式17a。如果它預(yù)期任何一個(gè)都不比另一個(gè)更準(zhǔn)確，并且它也不能容易地計(jì)算其中任何一個(gè)的準(zhǔn)確度，則使用來(lái)自式17a和式17b的平均結(jié)果將是最準(zhǔn)確的，這是因?yàn)檫@將總是與兩者中較差的一樣好或者更好。通過(guò)使用延遲和時(shí)鐘偏移的典型值的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該平均值可以通過(guò)下式來(lái)近似：

[式18]

注意，的值接近于的值，這是因?yàn)檎紦?jù)了該特定往返測(cè)量的大部分時(shí)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(huì)大大降低準(zhǔn)確度。類(lèi)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(shuō)明，假設(shè)一個(gè)設(shè)備向多個(gè)(例如5個(gè))標(biāo)簽發(fā)送分組P1。然后，每個(gè)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(shí)間t之后使用分組2a進(jìn)行響應(yīng)；標(biāo)簽2在時(shí)間2t之后使用分組2b進(jìn)行響應(yīng)；標(biāo)簽3在時(shí)間3t之后使用分組2c進(jìn)行響應(yīng)；標(biāo)簽4在時(shí)間4t之后使用分組2d進(jìn)行響應(yīng)；并且標(biāo)簽5在時(shí)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(gè)標(biāo)簽可以在僅僅七個(gè)消息的序列之后計(jì)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(duì)每個(gè)標(biāo)簽交互具有相同的延遲，并且針對(duì)每個(gè)標(biāo)簽將需要最少3個(gè)消息，或者將需要15個(gè)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(guò)這樣允許非對(duì)稱(chēng)延遲，本發(fā)明導(dǎo)致飛行時(shí)間和功耗的顯著減少。

現(xiàn)在考慮具有移動(dòng)標(biāo)簽(例如在資產(chǎn)上)的系統(tǒng)，該移動(dòng)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(gè)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(gè)設(shè)備接收。然后，通過(guò)使用本發(fā)明，3個(gè)設(shè)備中的每一個(gè)獨(dú)立地計(jì)算其到標(biāo)簽的距離。然后，這3個(gè)距離可以在基于基礎(chǔ)設(shè)施的解算器(solver)中組合，以通過(guò)三角測(cè)量來(lái)定位標(biāo)簽。這允許在發(fā)送2個(gè)消息和接收3個(gè)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(duì)稱(chēng)定時(shí)，則該過(guò)程將需要最少6次發(fā)送和3次接收來(lái)完成。

在具有N個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的情況下(其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)想要找到它到每個(gè)其它對(duì)等節(jié)點(diǎn)的距離作為求解它們的相對(duì)位置的一部分)，則這是1/2N(N-1)個(gè)距離測(cè)量。例如，對(duì)于5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，這包括10個(gè)不同的距離測(cè)量。通過(guò)利用現(xiàn)有的對(duì)稱(chēng)雙邊測(cè)距，這針對(duì)每個(gè)距離測(cè)量需要3個(gè)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(duì)每個(gè)距離測(cè)量1個(gè)消息或針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅1個(gè)包含該節(jié)點(diǎn)計(jì)算的所有結(jié)果的消息。從而，這在5節(jié)點(diǎn)示例情況下總共是35到40個(gè)消息。通過(guò)使用我們的不對(duì)稱(chēng)測(cè)距方案，如圖2所示，可以針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅使用兩個(gè)傳輸(即，在5節(jié)點(diǎn)示例的情況下10個(gè)消息)來(lái)組合并完成測(cè)距交換。這是按如下方式實(shí)現(xiàn)的：

將測(cè)距交換的3個(gè)消息定義為：輪詢(xún)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(shí)間報(bào)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(diǎn)地址和目的地節(jié)點(diǎn)地址，并且從1至5對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，則可以用表1中列出的10個(gè)消息實(shí)現(xiàn)針對(duì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)的10個(gè)測(cè)距交換：

表1-示例5節(jié)點(diǎn)對(duì)等優(yōu)化測(cè)距解決方案

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

可能的測(cè)距方案

如上所述，圖2示出了使用3個(gè)消息來(lái)完成一對(duì)往返延遲測(cè)量的雙向測(cè)距交換。在該方案中，第一設(shè)備A在所選擇的時(shí)間點(diǎn)發(fā)送第一消息P₁(步驟10)。在未知的飛行時(shí)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(guò)使用式17a和式17b或者僅使用式18，現(xiàn)在可以計(jì)算T_f的合理接近的估計(jì)。

如圖3所示，也可以使用4個(gè)消息以包括兩對(duì)往返測(cè)量來(lái)執(zhí)行我們的非對(duì)稱(chēng)測(cè)距方法，其中每對(duì)往返測(cè)量在時(shí)間上以某一相對(duì)小的但是除此之外任意的間隔分開(kāi)。根據(jù)該替代方案，第一往返測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)使用式17a和式17b或者僅使用式18，現(xiàn)在可以計(jì)算T_f的合理接近的估計(jì)。

因此，顯而易見(jiàn)，已經(jīng)提供了用于在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的接收機(jī)中使用以確定測(cè)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(kāi)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(shí)間戳執(zhí)行測(cè)距的其他類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，無(wú)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?，但比這種現(xiàn)有技術(shù)的已知實(shí)現(xiàn)更有效。