Css定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位無線節(jié)點的方法，以及使用該方法的無線節(jié)點。該方法包括從第一無線節(jié)點(A)向第二無線節(jié)點(B)發(fā)送具有載波頻率的線性調(diào)頻擴頻信號，第二無線節(jié)點(B)包括多個天線；在多個天線處接收線性調(diào)頻擴頻信號；在第一和第二無線節(jié)點(A、B)之間執(zhí)行到達時間測距，以確定第一和第二無線節(jié)點(A、B)之間的距離；以及在第二無線節(jié)點(B)的多個天線中的每個天線處檢測所接收的線性調(diào)頻擴頻信號的相對相移，并從所檢測的相對相移來確定第一無線傳感器節(jié)點(A)相對于第二無線傳感器節(jié)點(B)的方向。
【專利說明】
css定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及基于線性調(diào)頻擴頻(CSS)的定位系統(tǒng)，更具體地涉及用于無線網(wǎng)絡(luò)中 的無線節(jié)點的基于CSS的定位系統(tǒng)。定位可涉及兩種主要的測量或檢測，即距離測量和方向 測量，這兩種主要的測量或檢測可單獨實現(xiàn)或結(jié)合起來實現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 歐洲專利申請EP1815267A1、"用于確定兩個收發(fā)器之間的距離的對稱多路徑方法 (Symmetrical multipath method for determining the distance between two transceivers)"公開了一種用于確定兩個收發(fā)器之間的空間距離(測距）的對稱多路徑方 法。
[0003] 國際專利公開W0 98/47019 A1公開了一種用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用到達時 間差(TD0A)技術(shù)和到達角度(Α0Α)技術(shù)定位無線節(jié)點的方法。
[0004] 另外已知的到達時間方法是在網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點之間的單向測距（0WR)和雙向測 距。在單向測距中，節(jié)點B可根據(jù)在發(fā)送信號的時刻與接收信號的時刻之間消逝的時間來計 算距離。該方法的主要劣勢在于需要節(jié)點A和節(jié)點B處的基準(zhǔn)時鐘同步。對于低成本的移動 應(yīng)用而言，這是不可行的。節(jié)點A可于發(fā)送處對信號標(biāo)記時間戳，并且節(jié)點B可于接收處標(biāo)記 時間戳，但如果這些時鐘不同步的話，則不能計算傳播時延。
[0005] 如圖2中示意性示出的，雙向測距使節(jié)點A和節(jié)點B處的本地基準(zhǔn)時鐘能夠同步。如 果節(jié)點B在固定的處理時延tpr。。之后將信號發(fā)送回節(jié)點A，則節(jié)點A可測量總的時間延遲 tmeas，并且根據(jù)下式由此得出傳播時間tP:
[0007] 由于節(jié)點A對第一發(fā)送信號和第二接收信號兩者標(biāo)記了時間戳，因此兩個節(jié)點的 相位偏移是無關(guān)緊要的。然而，由于本地基準(zhǔn)振蕩器的頻率偏移，因此仍然存在測量誤差。
[0008] 對于低成本裝置，石英晶體是常用的頻率基準(zhǔn)。在批量生產(chǎn)中容易實現(xiàn)20ppm (20.10-6)的精度。如果節(jié)點A處的基準(zhǔn)誤差為e A且節(jié)點B處的為eB，則測量的傳播時間為：
[0010]在一些計算之后，測量誤差可表示為：
[0012] 作為示例，如果節(jié)點A處的誤差ΘΑ為+20ppm且節(jié)點B處的ΘΒ為-20ppm，并且如果處理 時間為lms，則時間誤差為20ns:
[0014] 這等于20x0.3m = 6m的距離測量誤差，這對于許多應(yīng)用而言是不能接受的。
[0015] 對稱雙面雙向測距（SDS-TWR)是一種改進的機制，其中兩個節(jié)點均使用雙向測距 方法。這種方法對基準(zhǔn)振蕩器的頻率誤差進行補償并且（例如）在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中使 用。
[0018]這種方法具有以下劣勢，即節(jié)點必須是兩倍長活躍的，這增加了能量消耗、減少了 電池時間并且使空中接口容量減半。
[0019] 點搜尋(Point-and-Seek)方法是基于行走搜尋(walk-and-seek)的，只是尋找它 們的節(jié)點(node-to-find-them)具有定向天線。這就向查找添加了方向。覆蓋一個完整的圓 來掃描節(jié)點，并且你在已經(jīng)測量到最強信號的方向上移動。對于基于信號強度（signal-strength-based)的系統(tǒng)，距離測量仍然是非常不準(zhǔn)確的。正因為如此，一個人在不行走的 情況下仍然不知道位置。對于基于飛行時間（time-of-f light-based)的系統(tǒng)，距離是準(zhǔn)確 的。對于這樣的系統(tǒng)，主要的問題是定向天線的尺寸以及需要物理地掃描天線。同樣，一個 人必須在移動的同時通過從一邊到另一邊掃描來保持天線是瞄準(zhǔn)的。
[0020] 替代物可以是使用波束形成天線。不必物理掃描該天線，而是電子掃描。這通過電 子地修改其天線模式來完成。Klaus Solbach的論文中（使用新型矩陣的用于多波束應(yīng)用的 四方相位陣列 "Four-Square Phased Array for Multi-Beam Applications using Novel Matrix Feed"、Klaus Solbach，Stefanie Angenendt、第37次歐洲微波會議記錄、2007年、 1637-1640頁）描述了一種合適的實現(xiàn)。天線在四個模式之間切換。通過比較四個產(chǎn)生的信 號的強度，可估計最可能的方向。這是一種合理的解決方案，尤其是當(dāng)與基于飛行時間的距 離測量相結(jié)合時?，F(xiàn)在不再需要在移動的同時掃描節(jié)點A。該系統(tǒng)的劣勢在于方向仍是基于 信號強度的。較大的信號強度同樣可造成干擾，引起錯誤的結(jié)果。此外，不能自由地選擇天 線間隔，它們必須被分開約四分之一波長(對于2.4GHz，這是32.5mm)。這限制了產(chǎn)品的最小 尺寸。僅在天線的平面中限定天線模式，即，它僅以2D工作。天線必須是全向性的，這對如何 使用節(jié)點A有嚴格限制。任何偏離"理想"環(huán)境的情況將引起失真的天線模式和錯誤的結(jié)果。 當(dāng)你將單元握在手里或者當(dāng)你把單元放在桌子上時，單元將指向不同的方向。
[0021] 行走搜尋方法是無線網(wǎng)絡(luò)中的方向測量的示例，對此存在兩個實施:基于信號強 度的和基于飛行時間的。對于基于信號強度的系統(tǒng)，待發(fā)現(xiàn)節(jié)點(B)僅是發(fā)送器。尋找它們 的節(jié)點(A)具有接收器和信號強度讀出器。由于在統(tǒng)計學(xué)上傳播損耗隨距離增大而增加，因 此當(dāng)你越靠近被找到的節(jié)點時，信號(在統(tǒng)計學(xué)上)變得越強。這通常是通過四處行走和反 復(fù)試錯來實現(xiàn)的。距離測量是非常不準(zhǔn)確的。主要劣勢在于它是非常耗時的。
[0022] 對于使用行走搜尋方法的基于飛行時間的系統(tǒng)，待發(fā)現(xiàn)節(jié)點（B)和尋找它們的節(jié) 點(A)均是收發(fā)器。節(jié)點A現(xiàn)在四處行走以尋找距離減小的方向。距離測量是準(zhǔn)確的，但沒有 方向。主要劣勢在于其非常耗時。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 為了準(zhǔn)確測量距離，需要測量無線電波的傳播時間。無線電波在空氣中的傳播速 度接近光速。當(dāng)從節(jié)點A到節(jié)點B所需的傳播時間t P已知時，可計算距離d。每納秒的傳播時 延相當(dāng)于30cm的距離。
[0024]在自由空間中，較大的距離意味著較大的傳播損耗。在現(xiàn)實生活條件下，信號被地 面、墻壁或物體反射，且存在多條傳播路徑。當(dāng)這些信號在接收天線中結(jié)合起來時，它們將 具有不同的相位，并因此經(jīng)常不會合加起來。這產(chǎn)生了大的信號波動。對于距離測量而言， 這是主要問題，因為可在不同距離處測量到相同的信號強度。因此，通過信號強度進行的距 離測量是非常不準(zhǔn)確的。
[0025]本發(fā)明尋求提供一種改進的用于在無線(傳感器）網(wǎng)絡(luò)(例如，實施IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)）中的無線節(jié)點之間定位的方法和硬件實施。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位無線節(jié)點的方法，以及實 施該方法的無線節(jié)點。方法包括從第一無線節(jié)點向第二無線節(jié)點發(fā)送具有載波頻率的線性 調(diào)頻擴頻信號，第二無線節(jié)點包括多個天線;在多個天線處接收線性調(diào)頻擴頻信號;在第一 和第二無線節(jié)點之間執(zhí)行到達時間測距，以確定第一和第二無線節(jié)點之間的距離；以及在 第二無線節(jié)點的多個天線中的每個天線處檢測所接收的線性調(diào)頻擴頻信號的相對相移以 及根據(jù)所檢測的相對相移來確定第一無線傳感器節(jié)點相對于第二無線傳感器節(jié)點的方向。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的方法具有以下技術(shù)效果:得到耗能較低的穩(wěn)健且準(zhǔn)確的CSS定位系 統(tǒng)，并且高度耐抗多普勒效應(yīng)。通過這種有創(chuàng)造性的方法，現(xiàn)在可以實現(xiàn)諸多新的定位應(yīng) 用，因為無線節(jié)點的多個天線可以在該無線節(jié)點的小型化殼體內(nèi)緊緊地以定距離間隔開。 因此，本發(fā)明的方法對于需要小型移動無線節(jié)點的移動應(yīng)用是尤其有利的。
[0028]從屬權(quán)利要求中以及下文對實施例的詳細描述中描述了進一步的實施例。
【附圖說明】
[0029] 下文將參照附圖、基于多個示例性實施例進一步詳細地解釋本發(fā)明，其中
[0030] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實施例；以及
[0031] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的頻率校正雙向測距的實施例。
【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明涉及用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中第一無線節(jié)點A相對于第二無線節(jié)點B的(實 時）定位的方法，其中定位包括確定第一無線節(jié)點相對于第二無線節(jié)點的距離和/或方向。 本發(fā)明實施例的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多個無線節(jié)點（例如第一和第二 無線節(jié)點）之間的線性調(diào)頻擴頻信號的交換為基礎(chǔ)的。本發(fā)明的線性調(diào)頻擴頻信號的典型 實施例是調(diào)制在具有載波頻率(例如2.4GHz)的載波信號上。為了便于參閱，短語"線性調(diào)頻 擴頻信號"、"線性調(diào)頻擴頻調(diào)制信號"、"線性調(diào)頻調(diào)制信號"、或"線性調(diào)頻信號"、或簡化的 "線性調(diào)頻"在本說明書中將被視為等同。
[0033] 無線網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點無需是靜止的且能夠可移動地布置，即，一個或多個無線 節(jié)點可以是移動的。無線節(jié)點的示例是(例如)移動電話、PDA、筆記本電腦、便攜式電腦、平 板電腦、無線汽車鑰匙和適于發(fā)送和/或接收線性調(diào)頻擴頻信號的任意其它設(shè)備。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明，提供了用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位無線節(jié)點的方法，其中圖1繪出 具有兩個無線節(jié)點A(上部）、B(下部）的這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實施例，所述的兩個無線節(jié) 點本質(zhì)上具有如所示出的相同的內(nèi)部組件。
[0035]在所示的實施例中，節(jié)點A、B中的每個均設(shè)置有天線(或設(shè)置有具有多個天線的天 線系統(tǒng)，參見下文)和接收器處理單元，所述接收器處理單元在所示的實施例中包括低噪聲 放大器(LNA)、下變頻混頻器(MIX)、低通濾波器(LPF)、共享可變增益放大器(VGA)、模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器(ADC)和相關(guān)器(CORR)(同樣參照圖1的框圖），所述下變頻混頻器(MIX)提供基帶 復(fù)(I/Q)信號且用于每個正交信號分量路徑。
[0036]值得注意地是，每個節(jié)點A、B均將設(shè)置有其自身的本振頻率基準(zhǔn)，其既用于產(chǎn)生發(fā) 送的信號，又用于處理接收的信號。本振頻率基準(zhǔn)通常是基于鎖相環(huán)路的振蕩器，確保信號 (該信號用于發(fā)送信號產(chǎn)生)與信號(該信號用于接收信號處理)之間相關(guān)聯(lián)。
[0037]方法包括將具有載波頻率的線性調(diào)頻擴頻信號從第一無線節(jié)點A發(fā)送到第二無線 節(jié)點B。在通常的實施例中，第二無線節(jié)點B包括多個用于接收線性調(diào)頻擴頻信號的天線。在 一組實施例中，第二無線節(jié)點B可包括至少兩個用于一維（1D)定位的天線，或至少三個不在 同一直線上的用于二維(2D)定位的天線，或至少四個不在同一平面上的用于三維(3D)定位 的天線。在又進一步的實施例中，第二無線節(jié)點B甚至可包括比最小數(shù)量的天線更多的天 線，以用于改進定位準(zhǔn)確性。
[0038]當(dāng)搜尋第一無線節(jié)點A的位置時，方法進一步包括在第二無線節(jié)點B的多個天線處 接收線性調(diào)頻擴頻信號。在該步驟中，無線節(jié)點B感測無線節(jié)點A的存在，其中無線節(jié)點A相 對于所述第二無線節(jié)點B的位置(距離和/或方向）得以確定。為達到該目的，方法而后進一 步包括在第一和第二無線節(jié)點A、B之間執(zhí)行到達時間測距，以用于確定第一和第二無線節(jié) 點A、B之間的距離。在通常的實施例中，到達時間測距(Τ0Α)可包括單向測距(0WR)、或雙向 測距(TWR)、或?qū)ΨQ雙面雙向測距(SDS-TWR)。此處，距離可解釋為沿著無線節(jié)點A、B之間的 大致直線所測量的距離。
[0039]既然可以確定第一和第二無線節(jié)點A、B之間的距離，那么方法進一步包括在第二 無線節(jié)點B的多個天線中的每個天線處檢測所接收的線性調(diào)頻擴頻信號的相對相移，并且 根據(jù)所檢測的相對相移來確定第一無線傳感器節(jié)點A相對于第二無線傳感器節(jié)點B的方向。 [0040]根據(jù)本發(fā)明的方法，無線節(jié)點B不僅能準(zhǔn)確地確定第一無線節(jié)點A與第二無線節(jié)點 B之間的距離，而且所述第二無線節(jié)點B的多個天線還能通過在多個天線中的每個天線處確 定所接收的線性調(diào)頻擴頻信號之間的相對相移來準(zhǔn)確測量第一無線節(jié)點A相對于第二無線 節(jié)點B的方向、定向或角度。
[0041]借助于線性調(diào)頻擴頻信號(其中使用所分配的帶寬用于頻率掃描），在多個天線處 檢測所接收的線性調(diào)頻擴頻信號之間的相對相移對信號噪聲、信號干擾和各種干擾具有穩(wěn) 健性。上文的基于CSS的方法的效果在于無線節(jié)點（例如第二無線節(jié)點B)能夠?qū)崿F(xiàn)任意空間 分布的天線模式以及置于其中的位置。通過這種有創(chuàng)造性的方法，現(xiàn)在可以實現(xiàn)諸多定位 應(yīng)用，因為第二無線節(jié)點B的多個天線可以在該第二無線節(jié)點B的小型化殼體內(nèi)緊緊地以定 距離間隔開。此外，由于線性調(diào)頻擴頻信號是低功耗信號并且耐抗多普勒效應(yīng)，因此本發(fā)明 的方法針對需要小型移動無線節(jié)點的移動應(yīng)用是尤其有利的。例如，小型無線汽車鑰匙和 相應(yīng)的汽車現(xiàn)在可適于執(zhí)行本發(fā)明的方法，從而基于無線汽車鑰匙相對于汽車的距離和/ 或方向確定應(yīng)該解鎖哪個車門。
[0042]當(dāng)線性調(diào)頻擴頻信號從特定方向從第一無線節(jié)點A靠近第二無線節(jié)點B的多個天 線時，其到達多個天線中的一些天線早于到達多個天線中的其它天線。取決于信號傳播路 徑長度，多個天線感知到相對相位差。例如，對于2.4GHz的載波頻率，四分之一波長路徑長 度差相當(dāng)于90°相移，且每度約對應(yīng)100微微秒或約1微微秒的路徑長度差。這樣的時間差是 難以通過電子設(shè)備測量到的，而當(dāng)將載波信號的頻率轉(zhuǎn)換為更低的頻率時相位關(guān)系被保 持。
[0043] 在一個實施例中，方法進一步包括在第二無線傳感器節(jié)點B處將在多個天線中的 每個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻信號與基準(zhǔn)信號相關(guān)聯(lián)，以檢測一個或多個相關(guān)峰之間 的相對相移。實質(zhì)上，無線節(jié)點B將在每個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻信號與基準(zhǔn)信號形 狀相關(guān)聯(lián)。當(dāng)線性調(diào)頻擴頻信號接收于天線處且與基準(zhǔn)信號形狀相似時，相關(guān)峰被檢測。而 在第二無線節(jié)點B處所檢測的相關(guān)峰之間的相對相移等于由第二無線節(jié)點B的多個天線所 接收的線性調(diào)頻擴頻信號之間的相對相移。
[0044] 從實用的觀點出發(fā)，可使用由第二無線節(jié)點B包括的數(shù)字相關(guān)器(參見例如圖1中 的相關(guān)器框C0RR)來有利地實現(xiàn)將所接收的線性調(diào)頻擴頻信號相關(guān)聯(lián)。換言之，在實施例 中，所接收的線性調(diào)頻擴頻信號從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(ADC)，該數(shù)字信號而后供給給 允許通過(例如)嵌入式軟件進行信號處理的數(shù)字相關(guān)器(C0RR)，該嵌入式軟件在加載到數(shù) 字相關(guān)器上時執(zhí)行這種相關(guān)聯(lián)。
[0045] 為了便于對在多個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻進行快速且準(zhǔn)確的相關(guān)聯(lián)，首先 將所接收的線性調(diào)頻擴頻下變頻（"混頻"）到基帶信號。這能夠?qū)崿F(xiàn)在不損失所接收的線性 調(diào)頻擴頻信號的基本信息的情況下減少將要被相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。
[0046] 在有利的實施例中，可在復(fù)數(shù)域中執(zhí)行下變頻，從而方法可進一步包括將由第二 無線傳感器節(jié)點B在多個天線中的每個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻信號下變頻為基帶復(fù) 值信號。在典型實施例中，下變頻包括以復(fù)指數(shù)信號（即，復(fù)指數(shù)函數(shù)，例如復(fù)正弦信號)乘 以實數(shù)值的線性調(diào)頻擴頻信號。
[0047] 為了有效地執(zhí)行下變頻，第二無線節(jié)點B可包括(例如）用于在復(fù)數(shù)域中進行信號 處理的DSP硬件和/或（嵌入式)軟件。這降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點的硬件復(fù)雜 性，因為DSP硬件和/或軟件是易于編程的，因此提供了數(shù)學(xué)上的靈活性。
[0048] 在實施例中，下變頻可包括將在多個天線中的每個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻 信號轉(zhuǎn)換為基帶同相信號（I)和基帶正交信號(Q)。在該實施例中，將所接收的線性調(diào)頻擴 頻信號分成（"混合成"）兩個實數(shù)值信號，如圖1中所示。在該實施例中，將兩個實數(shù)值信號 中的每個與基準(zhǔn)信號相關(guān)聯(lián)，以檢測一個或多個相關(guān)峰之間的相對相移。因此，實數(shù)值信號 中的每個被供給給相關(guān)器，如圖1中所示。
[0049] 如圖1中所示，方法可進一步包括(在下變頻為基帶同相（I)信號和基帶正交信號 (Q)之后)使用低通濾波器過濾(LPF)同相信號（I)和正交信號（Q);放大(VGA)同相信號（I) 和正交信號(Q);并且將同相信號（I)和正交信號(Q)從模擬信號轉(zhuǎn)換(ADC)為數(shù)字信號。
[0050] 在替代實施例中，同相路徑和正交路徑中的VGA被結(jié)合為允許對I信號和Q信號兩 者進行精確且等同地放大的單個單元。同樣，相關(guān)器可實現(xiàn)為復(fù)合相關(guān)器，即接收I信號和Q 信號兩者。
[0051 ]在又進一步的實施例中，使用針對直接的Ι-Q下變頻的替代物，例如，使用對中頻 頻率(IF)進行過濾(例如，使用表面聲波(SAW)過濾器)的超外差接收器。
[0052]基于上文公開的關(guān)聯(lián)和下變頻的方法步驟，第二無線節(jié)點B可包括適于執(zhí)行關(guān)聯(lián) 和下變頻的(直接的)變頻接收器。
[0053]根據(jù)方法的實施例，每個無線節(jié)點（例如第二無線節(jié)點B)可同時處理在多個天線 中的每個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻信號，換句話說，第二無線傳感器節(jié)點B的多個天線 中的每個天線的信號被同時處理。從硬件角度來看，可通過提供用于每個天線的全接收器 硬件實施來實現(xiàn)同時處理無線節(jié)點的多個天線中的每個天線處的信號，例如其中第二無線 節(jié)點B包括用于多個天線中的每個天線的全接收器。圖1的示意性示圖可看做這樣的第二無 線節(jié)點B的實施，其中上部對在第一天線處所接收的信號進行處理，并且下部對在另一第二 天線處所接收的信號進行處理。同時處理減小了信號延時，增大了處理速度和定位無線節(jié) 點的速度。
[0054]在特定實施例中，不需要對多個天線中的每個天線處的信號進行同時處理且依次 處理是足夠的。而根據(jù)本發(fā)明的進一步的實施例，檢測相對相移包括在第二無線傳感器節(jié) 點B的多個天線中的每個天線之間進行切換以及依次在多個天線中的每個天線處檢測相對 相移。如果線性調(diào)頻擴頻信號包括具有包前導(dǎo)碼的數(shù)據(jù)包，則該實施例是有利的。而在包前 導(dǎo)碼期間在多個天線中的每個天線之間切換以及檢測相對相移是可行的，而不會丟失線性 調(diào)頻擴頻信號中的信息，還具有較低的硬件實施成本。
[0055]在圖2中，示出了根據(jù)本發(fā)明的頻率-誤差校正雙向測距的實施例，其中第一無線 節(jié)點A能準(zhǔn)確地確定第一和第二無線節(jié)點A、B之間的線性調(diào)頻擴頻信號的傳播時間（tP)，而 不需要準(zhǔn)確知曉第二無線節(jié)點B的處理時間（t pr。。）。這能夠?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)確地定位無線（傳感 器)網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點。
[0056]為進一步闡明以上內(nèi)容，考慮載波信號為2.44GHz，其中作為示例第一無線節(jié)點A 處的載波頻率誤差eA為+20ppm，且其中第二無線節(jié)點B處的載波頻率誤差eB為-20ppm。那么 第一無線節(jié)點A的載波頻率誤差△ fB(正如第二無線節(jié)點B所感知的)為：
[0057] Δ fB = fRF(eA-eB)
[0058] 在從第二無線節(jié)點B到第一無線節(jié)點A的信號中，感知的載波信號頻率誤差（Δ fB) 信息被添加到該信號。那么根據(jù)上述公式，當(dāng)?shù)谝粺o線節(jié)點A從第二無線節(jié)點B接收信號時， 第一無線節(jié)點A能確定相對頻率誤差(θα-θβ):
[0059] AfB = 2，44·109.40 ·10-6 = 97,6kHz
[0060] 除了感知的載波信號偏移頻率，第二無線節(jié)點B可進一步確定以信號處理時鐘的 何種分率/^比值從第一無線節(jié)點A接收信號。第二無線節(jié)點B可將這一分率比值作為數(shù)據(jù)內(nèi) 容添加到由第二無線節(jié)點B發(fā)送到第一無線節(jié)點A的信號。根據(jù)從第二無線節(jié)點B發(fā)送到第 一無線節(jié)點A的信號，第一無線節(jié)點A可校正傳播時間（t P)，而無需準(zhǔn)確地知曉第二無線節(jié) 點B的處理時間（t_c)。
[0061] 基于上文，在本發(fā)明的方法的實施例中，執(zhí)行到達時間測距包括在第一和第二無 線節(jié)點(A、B)之間的雙向測距，其中雙向測距包括
[0062]從第一無線節(jié)點A向第二無線節(jié)點B發(fā)送第一線性調(diào)頻擴頻測距信號；
[0063]通過第二無線節(jié)點B使用第二無線節(jié)點B的本振頻率基準(zhǔn)來確定第一線性調(diào)頻擴 頻測距信號的感知的載波信號頻率誤差；以及
[0064]從第二無線節(jié)點B向第一無線節(jié)點A發(fā)送第二線性調(diào)頻擴頻測距信號。在進一步的 實施例中，第二線性調(diào)頻擴頻測距信號包括作為數(shù)據(jù)內(nèi)容的所確定的載波信號頻率誤差。 在有利的實施例中，第二線性調(diào)頻擴頻測距信號包括存儲載波信號頻率誤差的確認包。應(yīng) 注意，由于每個節(jié)點A、B均使用其自身的本振頻率基準(zhǔn)(PLL鎖定的）來產(chǎn)生發(fā)送信號和處理 接收信號，因此網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點A、B可確定感知的載波信號頻率誤差，并由此確定相互距 離。
[0065] 如上文所提到的，可將第二無線節(jié)點B處的信號處理時鐘與所接收的信號之間的 比值添加到隨后發(fā)送給第一無線節(jié)點A的信號。因此，雙向測距可進一步包括在第二無線傳 感器節(jié)點B處確定由第二無線傳感器節(jié)點B所接收的第一線性調(diào)頻擴頻測距信號的頻率與 第二無線傳感器節(jié)點B所包括的處理時鐘的頻率之間的比值，其中第二線性調(diào)頻擴頻測距 信號包括作為(進一步的)數(shù)據(jù)內(nèi)容的所確定的比值。
[0066] 第一無線節(jié)點A現(xiàn)在可根據(jù)作為數(shù)據(jù)內(nèi)容包括在第二線性調(diào)頻擴頻測距信號中的 比值和載波信號頻率誤差來確定傳播時間（tP)。為達此目的，方法由此進一步包括在第一 無線節(jié)點A處根據(jù)所確定的載波信號偏移頻率和比值來確定信號傳播時間（t P)。
[0067] 由于存在載波信號頻率誤差，因此在有利的實施例中，第二線性調(diào)頻擴頻測距信 號可包括將比值存儲為數(shù)據(jù)內(nèi)容的確認包。
[0068] 應(yīng)注意，基于感知的載波信號頻率誤差A(yù)fB，方法還可包括在第一無線傳感器節(jié) 點A處根據(jù)作為數(shù)據(jù)內(nèi)容包括在第二線性調(diào)頻擴頻測距信號中的載波信號頻率誤差來確定 相對時鐘頻率誤差(e A-eB)。
[0069] 根據(jù)本發(fā)明，上述頻率校正雙向測距(FEC-TWR)可以僅需兩個包，用于第一線性調(diào) 頻擴頻測距信號的包和用于第二線性調(diào)頻擴頻測距信號的包。FEC-TWR的主要優(yōu)勢在于降 低無線節(jié)點的能量消耗。如果無線節(jié)點是移動無線節(jié)點，那么相比于(例如)常規(guī)的對稱雙 面雙向測距(SDS-TWR)，電池壽命會因此顯著改善。第二個主要優(yōu)勢在于每個節(jié)點需要更少 的空中傳播時間來進行測量。這能夠?qū)崿F(xiàn)給定區(qū)域中的更高密度的節(jié)點。
[0070] 此外，可通過在較長的時間間隔重復(fù)本發(fā)明的方法來確定相對信號頻率誤差隨時 間的改變。換言之，在實施例中，方法可進一步包括在較長的時間間隔重復(fù)雙向測距，從而 測量相對時鐘頻率誤差的改變。
[0071] 這樣做能夠使第一無線節(jié)點A通過對相對時鐘頻率誤差進行推斷來估計未來的頻 率誤差(第一規(guī)則:線性，第二規(guī)則:二次方的，等等）。這為具有低占空比的無線節(jié)點節(jié)約了 能量。例如，如果第二無線節(jié)點B每5秒醒來以測量距離，且指定的最大相對時鐘頻率誤差為 20+20 = 40ppm，則第二無線節(jié)點B必須提前5x40.10-6 = 200ys喚醒。實際的包可從那時起在 Oys至400ys之間到達。平均地，第二無線節(jié)點B將等待200ys。如果執(zhí)行雙向測距用掉lms，那 么浪費20%的額外時間。由于第一無線節(jié)點A現(xiàn)在知道相對頻率誤差，因此第二無線節(jié)點B 可以（例如)提前5ys而不是提前200ys喚醒，由此節(jié)約近20%的能量。
[0072] 應(yīng)注意，正如上文所討論的，定位可包括距離測量和/或方向測量。上文描述的 FEC-TWR測距技術(shù)也可單獨應(yīng)用，即，僅作為通過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中準(zhǔn)確確定無線節(jié)點A、 B之間的基于CSS測距信號的傳播時間的測距方法。
[0073]因此，提供了用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中確定兩個無線節(jié)點A、B之間的線性調(diào)頻擴 頻信號的傳播時間（tP)的方法，用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位無線節(jié)點的該方法包括第一 無線節(jié)點A與第二無線節(jié)點B之間的雙向測距，其中雙向測距包括 [0074]從第一無線節(jié)點A向第二無線節(jié)點B發(fā)送第一線性調(diào)頻擴頻測距信號；
[0075]根據(jù)第二無線節(jié)點B使用第二無線節(jié)點B的本振頻率基準(zhǔn)來確定第一線性調(diào)頻擴 頻測距信號的感知的載波信號頻率誤差；以及
[0076] 從第二無線節(jié)點B向第一無線節(jié)點A發(fā)送第二線性調(diào)頻擴頻測距信號。第二線性調(diào) 頻擴頻測距信號可包括作為數(shù)據(jù)內(nèi)容的所確定的感知的載波信號頻率誤差。
[0077] 該方法的技術(shù)效果在于不需要準(zhǔn)確知曉無線節(jié)點（例如第二無線節(jié)點B)的處理時 間（tpr。。），因為第一無線節(jié)點A可使用感知的載波信號頻率誤差來確定第二無線節(jié)點B的處 理時間（t pr。。），所述感知的載波信號頻率誤差作為數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送到第一無線節(jié)點A。常規(guī)的 FEC-TWR方法的附加的優(yōu)勢在于，其可針對根據(jù)上文描述的本發(fā)明的基于CSS的定位方法的 實施例中的任何實施例執(zhí)行到達時間測距。該FEC-TWR方法可單獨實施，包含上文所描述的 所有FEC-TWR方法和系統(tǒng)實施例，或者與方向測量實施例中的任意一個相結(jié)合來實施。 [0078]上文已參照附圖中示出的多個示例性實施例描述了本發(fā)明的實施例。一些部件或 元件的修改物或替代實施是可能的，并包含在隨附的權(quán)利要求所限定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 用于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位無線節(jié)點的方法，包括從第一無線節(jié)點(A)向第二無 線節(jié)點(B)發(fā)送具有載波頻率的線性調(diào)頻擴頻信號，所述第二無線節(jié)點(B)包括多個天線； 在所述多個天線處接收所述線性調(diào)頻擴頻信號； 在所述第一和第二無線節(jié)點(A、B)之間執(zhí)行到達時間測距，以確定所述第一和第二無 線節(jié)點(A、B)之間的距離；以及 在所述第二無線節(jié)點(B)的所述多個天線中的每個天線處探測所接收的線性調(diào)頻擴頻 信號的相對相移；以及 根據(jù)所探測的相對相移來確定所述第一無線傳感器節(jié)點(A)相對于所述第二無線傳感 器節(jié)點(B)的方向。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在所述第二無線節(jié)點(B)處將在所述多個天 線中的每個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻信號與基準(zhǔn)信號相關(guān)聯(lián)，以探測一個或多個相關(guān) 峰之間的相對相移。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，進一步包括將由所述第二無線節(jié)點（B)在所述多個 天線中的每個天線處所接收的線性調(diào)頻擴頻信號下變頻為基帶復(fù)值信號。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的方法，其中所述第二無線節(jié)點（B)的所述多個 天線中的每個天線的信號被同時處理。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的方法，其中探測相對相移包括在所述第二無線 節(jié)點(B)的所述多個天線中的每個天線之間進行切換，并且依次在所述多個天線中的每個 天線處探測相對相移。6. 用于在具有至少一個第一無線節(jié)點(A)的無線線性調(diào)頻擴頻網(wǎng)絡(luò)中使用的第二無線 節(jié)點，所述第二無線節(jié)點(B)包括連接到相應(yīng)的接收器處理單元的多個天線，所述處理單元 被布置為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任意一項所述的方法。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任意一項所述的方法，其中到達時間測距包括在所述第一和 第二無線節(jié)點(A、B)之間的雙向測距，所述雙向測距包括： 從所述第一無線節(jié)點(A)向所述第二無線節(jié)點(B)發(fā)送第一線性調(diào)頻擴頻測距信號； 通過所述第二無線節(jié)點（B)使用所述第二無線節(jié)點（B)的本振頻率基準(zhǔn)來確定所述第 一線性調(diào)頻擴頻測距信號的感知的載波信號頻率誤差；以及從所述第二無線節(jié)點(B)向所 述第一無線節(jié)點(A)發(fā)送第二線性調(diào)頻擴頻測距信號。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第二線性調(diào)頻擴頻測距信號包括作為數(shù)據(jù)內(nèi) 容的所確定的感知的載波信號頻率誤差。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二線性調(diào)頻擴頻測距信號包括確認包。10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中的任意一項所述的方法，其中所述雙向測距進一步包括在所 述第二無線節(jié)點（B)處確定在由所述第二無線傳感器節(jié)點(B)所接收的第一線性調(diào)頻擴頻 測距信號的頻率與由所述第二無線傳感器節(jié)點(B)所包括的處理時鐘的頻率之間的比值， 其中第二線性調(diào)頻擴頻測距信號包括作為數(shù)據(jù)內(nèi)容的所確定的比值。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進一步包括在所述第一無線節(jié)點(A)處根據(jù)所述載波 信號頻率誤差和所述比值來確定信號傳播時間（t P)。12. 根據(jù)權(quán)利要求7至11中的任意一項所述的方法，進一步包括在所述第一無線節(jié)點 (A)處根據(jù)所述第二線性調(diào)頻擴頻測距信號的所述數(shù)據(jù)內(nèi)容來確定相對時鐘頻率誤差(e a- eb) 〇13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進一步包括在較長的時間間隔重復(fù)所述雙向測距，以 測量所述相對時鐘頻率誤差的改變。14. 用于無線線性調(diào)頻擴頻網(wǎng)絡(luò)的無線節(jié)點，所述無線節(jié)點包括接收器處理單元，所述 接收器處理單元被布置為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求7至13中的任意一項所述的方法。
【文檔編號】G01S5/02GK105874347SQ201480063927
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月20日
【發(fā)明人】柯內(nèi)利斯·艾德里安努斯·亨利庫斯·瑪麗亞·萬培珍布魯克
【申請人】特雷斯韋夫有限公司