CN101112112B

CN101112112B - 测量两个无线电通信装置之间的距离的方法和适于实现该方法的装置

Info

Publication number: CN101112112B
Application number: CN2005800474721A
Authority: CN
Inventors: 伯努瓦·米斯科培恩; 简·施沃雷尔; 弗雷德里克·埃韦努
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 2005-01-03
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: US20090270042A1; WO2006072697A1; DE602005006853D1; ES2306290T3; US8521091B2; EP1834500B1; JP2008527769A; CN101112112A; FR2880508A1; ATE395798T1; JP4990795B2; EP1834500A1

Abstract

本发明涉及测量无线电通信装置(1，2)之间的距离的方法，包括测量无线电信号交换延迟。根据本发明，信号的飞行时间由交换延迟计算，然后通过对两个装置之间传输的单个信道测量帧的分析进行校正。校正的飞行时间对应于伴有无线电信号的最短传播路径。在多数的无线电传输媒介配置中，校正的飞行时间是两个装置(1，2)之间的直线距离测量。

Description

测量两个无线电通信装置之间的距离的方法和适于实现该方法的装置

本发明涉及测量两个无线电通信装置之间的距离的方法，以及用于实现这种方法的装置。

知道无线电通信装置的位置通常是有用的。确实如此，尤其是在需要发送上下文信息时，也就是，其实用性依赖于该装置的用户位置的信息时。当移动的无线电通信装置连接到网状(meshed)网络或基于移动装置的位置使用路由算法的“特设(ad hoc)”网络中时，也是如此。“特设”网络用于表示能自发地(也就是没有外界干涉地)识别后者中的变化的传输网络。配置以确定具有个人电子标签的移动装置的位置、或用于指导在确定场所内的移动装置的持有者的无线电网络也是可使用本发明的其它应用实例。

已存在多种可确定无线电装置的位置的方法。其中，基于三角测量的方法需要存储位置被列出的参考无线电站的地图。其它的方法基于测量无线电信号的接收强度，但其需要实现校准的无线电传输强度定标。因此这些方法需要复杂的存储、测量和/或控制装置。

同样已知的还有通过确定在两个所述装置之间传输的无线电信号的传播时间估计两个无线电通信装置之间的距离的方法。该时间称为飞行时间，如下确定：

-第一装置发送请求距离测量的无线电信号，并同时触发该装置内的计时器；

-第二装置接收请求信号，并经过两个装置都已知的中间时间之后，发送应答无线电信号给第一装置；以及

-第一装置接收到应答信号后，停止计时器。

然后通过从记录的时间中减去中间延迟，并将得到的剩余时间除以无线电信号传播速度的两倍，估计出两个装置之间的距离。当两个装置相互远离，以及当信号在其间直线传播时，这种估计距离的方法相对精确。然而，当两个装置相当接近时，由于与第二装置接收请求和其发送应答信号之间的中间延迟相关的不确定性，则严重影响到获得的距离估计的精确性。

此外，当两个装置之间存在多条传播路径时，也就是在空间多样性的情况下，估计的距离不一定对应于两个装置之间直线测量的距离。其通常对应于伴有被传输的无线电信号中能量的主要部分的传播路径。当无线电信号的大部分能量需要在两个装置之间经过至少一次反射时，得到的距离估计的结果可远大于两个装置之间直线测量距离的真实值。

为获得分隔两个装置的直线距离的估计，对传输的请求信号和应答信号中的每一个使用信道测量帧，以确定无线电信号的飞行时间。这种信道测量帧也是公知的。其结构使得可确定无线电信号经过不同传播路径的飞行时间的差异。其还可检测出伴有来自发射装置的无线电信号的部分能量的最短的传播路径。然后根据对应于两个装置之间的最短传播路径的请求信号和应答信号的飞行时间估计该距离。对于多数的传播媒介配置，得到的结果对应于直线距离的测量。相对于两个无线电装置之间的最短传播时间，识别发生于各装置中用于相关通信的全部后续事件。

目前，与通信帧相比，信道测量帧特别长。因此，以上描述的基于交换信道测量帧的距离测量方法具有以下缺陷：

-总共传输两个信道测量帧，相当于在无线电通信装置中消耗了大量能量。这种能量消耗在具有独立能量供应的移动装置的情况下是不利的；

-需要相当多的时间构造并传输每一个信道测量帧。如果打算供该帧使用的装置不可用，那么消耗在发射装置中的能量和用来传输该帧的无线电资源则浪费了；

-接收请求帧和发送应答帧之间的中间延迟必须大于构造用于应答信号的信道测量帧的时间。因此该时间很长，当所述两个装置中的至少一个的内部时钟容易偏移时，则会产生对两个装置的距离估计的不精确性。这种不精确性可在估计两个彼此接近的无线电装置的飞行时间时产生重大的误差；

-为使帧的飞行时间可测量，接收请求帧的终端单方面在中间延迟期满时调动无线电资源以发送应答帧。这种无线电资源的抢占仅需要发生在最大延迟为纳秒级的所述中间延迟之后。为此，如果需要的话，涉及到发送应答帧的装置的其它通信必须中断。结果是导致当应答帧很长时，中断时间更长；

-最后，根据每一个装置接收的沿着最短传播路径的无线电信号，通信继续进行。这些信号可对应于远低于通过另外的传播路径发送的信号的接收能量。通信则具有低于使用接收具有更高能量的无线电信号将带来的可靠性的可靠性水平。

可通过在每个无线电装置中设置两个接收机来克服最后的缺陷。第一接收机可与接收到的对应于最短传播路径的无线电信号同步，以及第二接收机可与接收到的具有最高能量的无线电信号同步。然而，这样该装置将会很复杂，并具有高的能量消耗。

因此本发明的一个目的在于提出一种测量两个无线电通信装置之间的距离的方法，用于克服上述缺陷。

为此，本发明提出一种测量两个无线电通信装置之间的距离的方法，包括以下步骤：

a-由所述两个装置中的第一装置：发送无线电信号，请求测量所述两个装置之间的交换延迟；

b-由所述第二装置：接收所述请求信号，并经过所述两个装置已知的中间延迟后，发送应答无线电信号；以及

c-由所述第一装置：

-接收所述应答信号；

-测量发送所述请求信号与接收所述应答信号之间的时间，然

后存储所述时间为交换延迟；以及

-基于所述交换延迟和所述中间延迟，计算所述请求信号和所

述应答信号的第一飞行时间。

此外，该方法包括由所述第二装置发送信道测量帧，使得所述第一装置根据接收到的对应于所述信道测量帧的不同的无线电信号，确定对应于所述第一飞行时间的传播路径与所述两个装置之间传输的无线电信号的最短传播路径之间的飞行时间差。所述第一装置然后由所述第一飞行时间和所述飞行时间差，计算第二飞行时间。

因此，根据本发明的方法包括两个清楚的阶段。第一阶段包括由第一装置测量发送请求信号和接收应答信号之间的时间。通过合适地设置能量检测门限，第一装置在随后接收第二装置发送的信号时的同步可在两个装置之间的伴有发送的请求和/或应答无线电信号的大部分、甚至是主要部分的能量的传播路径上实现。因此，发送请求信号和接收应答信号之间的时间可由第一装置同步于在两个装置之间伴有发送的无线电信号的大部分、甚至是主要部分的能量的传播路径上测量。特别地，两个装置之间的数据传输可因此基于接收到的具有高能量的信号。其为更安全并更可靠的。

如果需要的话，可通过计算相应的信号飞行时间，估计与存储的交换时间相关联的传播路径的长度。其构成两个装置之间的距离的第一估计。

在本方法的第一阶段，有利地，请求测量交换延迟和应答延迟的无线电信号很短。特别地，这些信号中至少之一可包括短帧，尤其短于信道测量帧。然后，该无线电信号可由相应的装置快速构造并发送，减少了在这些步骤中的能量消耗和无线电资源的调配。

此外，更快地构造应答信号使得可在第二装置接收请求信号和发送应答信号之间具有短的中间延迟。因此，即使一个设备的内部时钟容易偏移，步骤c中飞行时间的确定也更为精确。这种较好的精确性在当两个装置相对彼此接近时特别地重要。

减小应答信号长度还有另一个益处。为得到交换延迟的精确测量，通过单方面调动无线电资源由第二装置发送应答消息，也就是不利用第二装置的多址管理器。由于该调动的时间很短，所以对涉及到第二装置的其它通信的中断也更少。

该方法的第二阶段可基于第一阶段存储的交换时间，确定在两个装置之间的最短传播路径上传送的无线电信号的飞行时间。第二阶段要求构造并传送由第二装置完成仅单个信道测量帧。第一装置的作用则限制为分析其接收的信道测量帧。因此减少了在两个装置中消耗的、用于确定二者之间的分隔距离的总能量。

对于存在于两个装置之间的无线电传输媒介的多数配置来说，根据信道测量帧由第一装置识别的最短的飞行时间对应于直线传播。两个装置之间直线测量的分隔距离的长度可通过将识别的最短飞行时间除以无线电信号的传播速度计算。

根据本发明的方法的第二阶段，也就是对应于最短传播路径的飞行时间的确定，不必在第一阶段后立即执行。如果无线电传输信道在本方法的两个阶段之间保持稳定，则可在第一阶段之后经过等待时间后执行第二阶段。当两个装置保持基本稳定且当传输媒介表现出大致不变的性质时，认为信道是稳定的。根据一个实施例，第二装置可根据信道测量帧传输信道的能力，在发送应答信号之后10毫秒左右发送信道测量帧。因此，通过等待第二装置的多址管理器指示具有足够的时隙可用于传输信道测量帧，可减少所引起的涉及到第二装置的其它通信的中断。

最后，当第二装置不在处理距离测量的条件下时，其不发送信道测量帧。这样就不会不必要地消耗相当数量的无线电资源和能量。第二装置不在处理距离测量的条件下的原因包括，例如，所述装置在发送测量请求的装置的无线电范围之外，或第二装置不具有执行测量方法需要的全部必要组件，或其不具有用于执行的必要的参数。

本发明还涉及一种无线电通信装置，用于执行由以上描述的测量两个装置之间的距离的方法中的两个装置中的第一装置和/或第二装置执行的步骤。

本发明还涉及一种通信系统，其包括至少两个所述装置。其可具有较高的精确性和准确度地确定两个装置之间的分隔距离。“准确度”一词表示估计的传播路径的长度与两个装置之间的直线距离测量在实际上一致。此外，在这种系统中实现的通信通过单方面调动无线电资源较少被中断以测量交换延迟。

参照附图，根据以下描述和示例性但非限制性的实施方式，本发明其它的性质和益处将显而易见，图示如下：

-图1示出了用于执行根据本发明的方法的无线电通信系统；以及

-图2是根据本发明的方法的各个步骤的时序图。

根据图1，通信系统包括：一组无线电收发装置，其中的三个记为1、2和3。每一个收发器可构成例如形成家庭自动化管理系统的一部分的传感器的无线电接口。在这种应用中，某些传感器可用于热量测量，其余的用于识别热器件控制单元的状态等。其也可为管理各传感器之间的通信序列的“特设”系统。特别地，其可为本领域技术人员公知的蓝牙类型的系统。图中弯曲的虚线10、20和30概略示出了装置1、2和3各自的范围限制。因此，装置2可与装置1和3的每一个通信，而装置1和3则在对方的无线电范围之外。

图2示出了当装置1发起与装置2的无线电通信时，装置1和2执行的各个动作。向下的纵轴表示时间坐标，记为t。首先，装置1向装置2发送请求，记为REQ。该请求可具有两重功能。其可向装置2指出装置1请求通信。此外，如果装置2接受了通信，请求REQ则启动装置1和2之间传输的无线电信号的交换延迟的测量。

装置1识别请求无线电信号REQ的发送相对于该装置的内部时钟的时刻。然后存储该时刻。

当装置2接收到请求信号REQ，可拒绝通信，也可接受通信。如果接受，则发送应答信号ACK给装置1作为响应。装置1和2的每一个对无线电信号的检测和接收以公知的方式实现，在此不进一步详述。从接收到请求信号REQ开始计算，经过确定的等待时间之后，装置2发送信号ACK。等待时间由装置的制造者设置并存储在每个装置内。其记为T_w并称为中间延迟。其主要是使处于备用模式的装置接收到请求时切换到传输模式。此外，在延迟T_w期间准备信号ACK的帧。

信号ACK的传输不涉及装置2的多址管理器。换句话说，在中间延迟T_w的结束时，装置2中断可在进行中的任何信号的发送和接收，以发送信号ACK。发送和接收的这种中断可例如涉及装置2和装置3之间的通信。这样，装置1可精确得知由装置2接收请求REQ和发送信号ACK之间的时间：其等于延迟T_w。需要中断装置2和3之间进行中的任何通信是因为，根据设定的装置1和3的限制范围10和30，装置1不能检测到这种进行中的通信的存在从而获知由装置发送信号ACK的时刻。

当装置1接收到无线电信号ACK时，其相对于其自身的内部时钟识别该接收的时刻。然后确定从存储的发送请求信号REQ的时刻到接受到信号ACK的时刻过去的时间。该时间被称为装置1和2之间的无线电信号交换时间，记为T_EXCH。将其存储在装置1中以使装置1相对于随后由装置2发送的通信无线电信号是同步的。装置1然后根据下式(1)计算信号REQ和ACK的飞行时间T_OF1：

T_OF1＝0.5×(T_EXCH-T_w) (1)

通过将T_OF1除以系统装置中无线电信号的传播速度，计算信号REQ和ACK传播的路径的长度。该速度等于3×10⁸m/s。

请求REQ和应答ACK无线电信号中的至少之一包括通信帧。这些信号则较短，尤其是当其不具有有效负载时。这种情况下，在装置1和2的每一个中的这些处理都更接近物理层被执行。这种处理是快速的，并且在每个装置中只产生低的能量消耗。

此外，信号ACK较短的长度降低了中断装置2和3之间的任何通信的风险。如果需要的话，还可能减少中间延迟T_w，这样可使交换延迟T_EXCH的测量较少地受到两个装置1和2中的一个的内部时钟偏移的影响。

信号REQ和ACK的交换以及T_OF1的计算构成了测量装置1和2之间距离的方法的第一阶段。该第一阶段对应于在说明书的概述部分介绍的步骤a到c，在图2中示为阶段1。

如果需要的话，可重复方法中的阶段1(图2中示为阶段1a)。阶段1每重复一次，则更新飞行时间T_OF1。如果需要的话，在重复阶段1时计算的飞行时间T_OF1可考虑在阶段1的先前的实例中存储的大量交换延迟。例如，用在公式(1)中的交换延迟可为存储的交换延迟的平均值。这样得到的T_OF1的估计更加精确。

连续两次执行阶段1得到的T_OF1值的差值说明了传输信道不是稳定的。然后再次重复阶段1，直到获得T_OF1大致相同的连续值，这说明信道变得稳定了。在这种情况下，基于说明信道稳定的最近的T_OF1的值，继续执行本方法。

伴有信号REQ和ACK的传播路径可直线连接装置1和2(图1中C1所示)，或具有至少一次中间反射地将其连接。图1中示出的路径C2示出了在例如用金属制成的墙100上的反射。由于这种反射，路径C2长于路径C1。飞行时间T_OF1一般对应于传播路径C1和C2中伴有无线电信号REQ和ACK的能量的主要部分的路径。

然后执行测量装置1和2之间的距离的方法中的第二阶段(图2中的阶段2)。装置2发送信道测量帧(CMF)给装置1。在本发明的有益的变体中，CMF的传送与装置2中的多址观察一起执行。为此，当装置2中的多址管理器识别出用于传送信号ACK的信道具有足够的传送时间的可能性后，帧2被发送。然后装置1分析对应于帧CMF的全部接收到的无线电信号。假定信道测量帧的结构及其被分析的方式是已知的，并不在此详细描述。装置1首先将接收的无线电信号中的第一部分识别为对应于与阶段1中应答信号ACK沿相同传播路径传播的帧CMF的一部分。这种识别可通过将对应于帧CMF的部分的接收信号的第一部分的能级与接收到的信号ACK的能级进行比较得到。然后装置1检查接收无线电信号的第二部分是否也对应于沿着短于无线电信号的第一部分的传播路径传播的帧CMF的一部分。这种搜索由通过可变的接收能量门限实现对装置1接收的无线电信号的部分进行选择、和对CMF帧的部分的识别的组合实现。装置1从中推断出沿着信号ACK的传播路径传播和沿较短路径传播的时间差，基于对应于帧CMF的接收的无线电信号检测该时间差的存在。该时间差记为ΔT_OF。

当检测到大量短于信号ACK传播路径的路径时，装置1选择其中最短的，也就是与最大的ΔT_OF值相关联的路径。

然后装置1利用下式(2)计算在装置1和2之间传送的信号沿着最短传播路径的飞行时间。该沿着最短路径的飞行时间记为T_OF2。

T_OF2＝T_OF1-ΔT_OF (2)

T_OF2是最短传播路径的长度的度量。通过用T_OF2除以系统装置之间的无线电信号的传播速度，这一长度可用米表示。和T_OF2一样，其通常对应于装置1和2之间无线电信号的直线传播(图1中的路径C1)。

伴有阶段1中信号ACK的传播路径有可能是最短路径。在这种情况下，对装置1接收的对应于信道测量帧CMF的无线电信号的分析可揭示不存在更短的路径。阶段2得出ΔT_OF为零值。

因此，本方法的阶段2可仅包括单个信道测量。由于阶段1不包括信道测量，所以其可更快执行。

根据本发明的第一个改进，本方法还可包括由装置1向装置2发送包括飞行时间T_OF2的指示的信号。这种指示为例如飞行时间T_OF2的值或从该值计算的距离。分隔装置1和2的距离的测量值则在两个装置中的每一个中都是可用的。如果需要的话，飞行时间T_OF2的指示还可发送到其它系统装置，或只发送到这些装置中位于装置1的无线电传输范围中的某些装置。

根据本发明的第二个改进，可在确定阶段1中计算出的飞行时间T_OF1和对应于两个装置之间伴有无线电信号的最短传播路径的飞行时间T_OF2之间的时间差ΔT_OF之后再次执行本方法的阶段1(图2中的阶段1b)。因此得到新的T_OF1的值，将其与阶段1先前的实例中得到的值进行比较。因此，可通过本方法确认装置1和2之间的无线电传输信道保持稳定。值得注意的是，可得到确定T_OF1的精确性的指示。特别地，当信道不保持稳定时，可指出该确定的精确性是折衷的，如果需要的话，甚至指出其折衷的程度。如果该程度高于预定的门限，则一个益处可用于命令重复T_OF1的确定。

根据本发明的第三个改进，在应答信号之后，由装置2经过从发送应答信号开始的等待时间后发送信道测量帧CMF，该等待时间大于或等于确定的保护时间。该保护时间在图2中记为T_G。其特别用于确保装置1在分析对应于帧CMF的接收到的无线电信号之前，具有足够的时间计算T_OF1。因此，当执行阶段2时，T_OF1的值以及本方法中阶段1中产生的例如信号ACK的接收能级的其它值在装置1中都是可用的。装置2发送信号ACK和发送帧CMF之间的时间等于保护时间T_G和由装置2的多址观察引起的延迟之和。T_G的值在所述装置投产时或初始化时，存储在系统中的每个装置中。该值不必太大，以使得即使两个装置中的一个移动或即使无线电传输媒介适当改变，也认为其间用于通信的信道在本方法的阶段1和阶段2之间是稳定的。作为一个实施例，T_G可为10毫秒级的。这种情况下，可在装置2发送第一信号ACK之后、保护时间结束之前重复本方法的阶段1。因此，获得T_OF1的多个连续值没有对飞行时间T_OF2的确定造成延迟，从而增加了对T_OF1的确定的精确性和/或确认信道是稳定的。每执行一次阶段1，T_OF1的值都被更新。

信道测量帧CMF通常构成相对长的无线电信号。装置2对该帧的构造和装置1执行的信道测量因此也需要较长时间。装置1和/或2的内部时钟则可在本方法执行期间产生偏移。为限制由装置1的内部时钟偏移引起的距离测量结果的任何误差，可使装置1识别对应于沿着与信号ACK相同的传播路径传播的帧CMF的、接收的第一无线电信号的多个第一时刻。然后基于接收的第一差别时刻识别对应于帧CMF且沿着装置1和2之间的其它路径的第二无线电信号接收的第二时刻。因此，相对于第一时刻可以识别每一个接收的第二时刻，使得在这样两个时刻之间经过的时间很短。这样，就使由于装置1的内部时钟的偏移在确定ΔT_OF中产生的误差最小化。由于装置2的内部时钟的偏移引起的误差也同样减少。

可理解，对于如上所述的本方法，可引入大量的改变。特别地，在某些环境中，在执行步骤a到c之前由装置2发送信道测量帧可为有利的。

最后，根据本发明的方法特别适用于脉冲传输模式，通常被称为UWB(超宽带，Ultra Wide Band)传输。然而，其还可应用于其它类型的传输中，例如DS-SS(直序扩频，Direct Sequence Spread Spectrum)模式。

Claims

1.测量两个无线电通信装置(1，2)之间的距离的方法，包括以下步骤：

a-由所述两个装置中的第一装置(1)：发送无线电请求信号(REQ)，请求测量所述两个装置之间的交换延迟；

b-由所述第二装置(2)：接收所述请求信号，并经过所述两个装置已知的中间延迟(T_w)后，发送应答信号(ACK)；以及

c-由所述第一装置(1)：

-接收所述应答信号；

-测量发送所述请求信号(REQ)与接收所述应答信号(ACK)之间的时间(T_EXCH)，然后将所述时间存储为交换延迟；以及

-基于所述交换延迟(T_EXCH)和所述中间延迟(T_w)，计算所述请求信号和所述应答信号的第一飞行时间(T_OF1)，

其特征在于，所述方法还包括由所述第二装置(2)发送合适的信道测量帧(CMF)，使得所述第一装置(1)：

-根据接收到的对应于所述信道测量帧的不同的无线电信号，确定对应于所述第一飞行时间(T_OF1)的传播路径与所述两个装置(1，2)之间传输的无线电信号的最短传播路径之间的飞行时间差(ΔT_OF)；以及

-由所述第一飞行时间(T_OF1)和所述飞行时间差(ΔT_OF)，计算第二飞行时间(T_OF2)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述请求信号(REQ)和所述应答信号(ACK)中的至少之一包括短帧。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，对应于所述第一飞行时间(T_OF1)的所述传播路径上伴有所述请求信号(REQ)和/或所述应答信号(ACK)的能量的主要部分。

4.如权利要求1或2所述的方法，还包括由所述第一装置(1)向所述第二装置(2)发送包括所述第二飞行时间(T_OF2)的指示的信号。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中重复所述步骤a到c，并且每执行一次所述步骤a到c，则更新所述第一飞行时间(T_OF1)。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在确定所述第一飞行时间和所述第二飞行时间之间的时间差(ΔT_OF)后重复所述步骤a到c。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中，在所述应答信号(ACK)之后，由所述第二装置(2)经过从发送所述应答信号开始的等待时间后发送所述信道测量帧(CMF)，所述等待时间大于或等于确定的保护时间(T_G)。

8.如权利要求7所述的方法，其中，重复所述步骤a到c，并且每执行一次所述步骤a到c，则更新所述第一飞行时间(T_OF1)，在从所述第二装置(2)发送第一应答信号(ACK)开始的所述保护时间(T_G)结束前重复所述步骤a到c。

9.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一装置(1)识别多个第一接收时刻，所述多个第一接收时刻分别用于对应于沿着与所述应答信号(ACK)相同的传播路径传播的所述信道测量帧(CMF)的第一无线电信号，并且其中所述第一装置识别不同于第一接收时刻的、对应于所述信道测量帧并沿着所述两个装置(1，2)之间的其它传播路径的第二无线电信号的第二接收时刻。