在存在多个通信路径的情况下进行精确射频定位的粗略和精细飞行时间估计的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了用于确定网络架构中的无线节点的位置的系统和方法。在一个示例中，一种异步系统包括：第一无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，包括具有第一数据包的第一RF信号。该系统还包括第二无线节点，具有无线装置，该无线装置具有在无线网络架构中实现与第一无线节点双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二RF信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用第一无线节点和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及飞行时间的精细时间估计。

System and method of rough and fine time of flight estimation for precise RF positioning in the presence of multiple communication paths

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在存在多个通信路径的情况下进行精确射频定位的粗略和精细飞行时间估计的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2017年9月6日提交的申请号为15/697,284的美国申请的权益，并且是于2016年6月3日提交的申请号为15/173,531的美国申请的部分继续申请，该两个美国申请的全部内容均通过引用并入本文。
本专利技术的实施例涉及一种在存在多个通信路径的情况下进行精确射频定位的粗略和精细飞行时间估计的系统和方法。
技术介绍
在消费类电子产品和计算机工业中，无线传感器网络已经研究了很多年。在原始无线传感器网络中，一个或多个传感器与无线电一起实施以能够从布置在网络内的一个或多个传感器节点无线收集数据。每个传感器节点可以包括一个或多个传感器，并且将包括无线电和用于对传感器节点的操作供电的电源。室内无线网络中的节点的位置检测在许多应用中是有用且重要的。基于使用射频测量执行的三角测量的定位是一种用于确定三维空间中无线配备目标的位置的具有吸引力的方法。可以以多种方式执行基于RF的定位。必须确定多个目标对之间的距离，以能够基于各个对距离通过三角测量来计算三维空间中的相对位置。示例性实施方案包括集线器和多个传感器节点。注意的是，可以用节点来替换集线器，或者实际上，可以用一个或多个节点来替换集线器。通过RF通信使用射频技术估计所有各对之间的距离。一旦估计了距离，三角测量就可以用于确定每个目标在三维空间中的相对位置。如果在现实空间中已知至少两个目标的位置，则可以确定网络中每个目标的绝对位置。实际上，如果在网络内已知一个目标(例如，集线器)的位置，以及到至少一个其它节点的角路径，则可以再次确定网络内每个目标的绝对位置。因此，目标对之间的距离测量是基于RF的定位中的关键步骤。可以以多种方式执行距离估计。通信信号强度(RSSI)可以在对之间测量并且用于基于已知的信号衰减模型来估计距离。可以测量在目标之间发送的信号的飞行时间(TOF)，并且可以基于已知的传播延迟模型来估计距离。可以另外基于信号强度的角度变化的分辨率来估计到达角(AOA)。其中，RSSI通常由于衰减的变化而易于出错，因此，对于距离估计的吸引力不如TOF。基于TOF的距离估计易受反射引起的误差影响，从而导致两个目标之间存在多个路径。在这种情况下，由于反射路径比直接路径长，因此估计路径可能被检测为长于实际路径。如果系统基于反射路径估计TOF，则在三角测量中会引入误差。
技术实现思路
对于本专利技术的一个实施例，本文公开一种用于确定网络架构中无线传感器节点位置的系统和方法。在一个示例中，一种用于无线网络架构中的节点定位的异步系统，包括：第一无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，包括具有第一数据包的第一RF信号。该系统还包括第二无线节点，具有无线装置，该无线装置具有在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二RF信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用第一无线节点和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及该飞行时间的精细时间估计。在另一示例中，一种用于无线网络架构中的节点定位的同步系统包括：第一无线节点，其具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，包括具有第一数据包的第一RF信号。第二无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的RF电路，包括具有第二数据包的第二RF信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用第一无线节点和第二无线节点的信道信息来确定第一数据包和第二数据包的粗略飞行时间估计以及该飞行时间的精细时间估计。在一个示例中，第一无线节点和第二无线节点具有相同的参考时钟信号。从附图和下面的详细描述中，本专利技术的实施例的其它特征和优点将变得显而易见。附图说明本专利技术的实施例通过示例的方式示出，并且不限于附图中的图，相同的附图标记在附图中表示相似的元件，并且在附图中：图1示出根据一个实施例的无线节点的示例性系统。图2示出根据一个实施例的具有多个用于通信的集线器的非对称树状和网状网络架构的系统。图3示出根据一个实施例的飞行时间测量系统。图4示出根据一个实施例的飞行时间测量系统的框图。图5示出根据一个实施例的用于距离估计的完全同步系统。图6示出根据一个实施例的记录RF信号的数据包是如何成为从装置510发送的时移形式信号。图7A示出根据一个实施例的理想信道的相位响应。图7B示出根据一个实施例的非理想信道的相位响应。图8A示出根据一个实施例的作为与曲线830的示例性路径相关的延迟的函数的测量信号振幅。图8B示出根据一个实施例的曲线860中的振幅与ToF延迟的归一化。图8C示出根据另一实施例的用于飞行时间估计的异步系统。图9A示出根据一个实施例的具有自动增益控制的校准系统。图9B示出根据一个实施例的使用环回校准来去除硬件延迟和非理想性的方法。图10示出在一个实施例中的双向ToF测量系统1000。图11示出根据可选实施例的异步系统1100。图12示出根据一个实施例的使用飞行时间技术来确定节点的位置估计的方法。图13A示出根据一个实施例的被实施为电源插座的覆盖物1500的集线器的示例性实施例。图13B示出根据一个实施例的被实施为电源插座的覆盖物的集线器框图的分解图的示例性实施例。图14A示出根据一个实施例的被实施为在计算机系统、电器或通信集线器中布置的卡的集线器的示例性实施例。图14B示出根据一个实施例的被实施为在计算机系统、电器或通信集线器中布置的卡的集线器964的框图的示例性实施例。图14C示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器的示例性实施例。图14D示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器1684的框图的分解图的示例性实施例。图15示出根据一个实施例的传感器节点的框图。图16示出根据一个实施例的具有集线器的系统或设备1800的框图。具体实施方式本文公开了在存在多个通信路径的情况下进行精确射频定位的系统和方法。在一个示例中，一种用于定位无线网络架构中的节点的异步系统，包括：第一无线节点，具有无线装置，该无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，包括具有第一数据包的第一RF信号。该系统还包括第二无线节点，其具有无线装置，该无线装置具有在无线网络架构中实现与第一无线节点的双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二RF信号。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以使用第一无线节点和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于定位无线网络架构中的节点的异步系统，包括：/n第一无线节点，具有无线装置，所述无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，包括具有第一数据包的第一RF信号；以及/n第二无线节点，具有无线装置，所述无线装置具有在所述无线网络架构中实现与所述第一无线节点双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二RF信号，其中所述第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用所述第一无线节点和所述第二无线节点的信道信息来确定所述第一数据包和所述第二数据包的粗略飞行时间估计以及所述飞行时间的精细时间估计。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170906 US 15/697,2841.一种用于定位无线网络架构中的节点的异步系统，包括：
第一无线节点，具有无线装置，所述无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，包括具有第一数据包的第一RF信号；以及
第二无线节点，具有无线装置，所述无线装置具有在所述无线网络架构中实现与所述第一无线节点双向通信的发送器和接收器，包括具有第二数据包的第二RF信号，其中所述第一无线节点的一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用所述第一无线节点和所述第二无线节点的信道信息来确定所述第一数据包和所述第二数据包的粗略飞行时间估计以及所述飞行时间的精细时间估计。


2.根据权利要求1所述的异步系统，其中所述第一无线节点具有第一参考时钟信号，并且所述第二无线节点具有第二参考时钟信号。


3.根据权利要求2所述的异步系统，其中所述第一数据包和所述第二数据包的粗略飞行时间估计基于所述第一无线节点发送所述第一数据包的第一时间、所述第二无线节点接收所述第一数据包的第二时间、所述第二无线节点发送所述第二数据包的第三时间以及所述第一无线节点接收所述第二数据包的第四时间。


4.根据权利要求3所述的异步系统，其中所述粗略飞行时间估计的分辨率受到采样时钟的时间分辨率的限制，所述采样时钟的频率为fs，用于控制检测发送或接收时序的电路。


5.根据权利要求3所述的异步系统，其中所述第一无线节点的信道信息包括所述第二数据包的信道响应的第一测量，并且所述第二无线装置的信道信息包括所述第一数据包的信道响应的第二测量。


6.根据权利要求5所述的异步系统，其中用于粗略和精细信道估计的组合前向信道响应包括将时钟相位偏移应用于线性相位与所述第二测量的加法。


7.根据权利要求6所述的异步系统，其中用于粗略和精细信道估计的组合反向信道响应包括将时钟相位偏移应用于线性相位与所述第一测量的减法。


8.根据权利要求7所述的异步系统，其中矩阵束和MUSIC算法中的至少一种用于根据所述组合前向信道响应和所述组合反向信道响应估计多路径的最小延迟。


9.根据权利要求8所述的异步系统，其中所述第一无线节点和所述第二无线节点之间的距离用于根据基于锚节点的三角测量或少锚节点三角测量，确定所述第一无线节点和所述第二无线节点的相对或绝对位置。


10.根据权利要求8所述的异步系统，其中所述第一无线节点和所述第二无线节点之间的距离用于确定定位信息，所述定位信息用于限定具有多个无线传感器节点的无线传感器网络中的群集成员身份。


11.权利要求1所述的异步系统，进一步包括：
远程装置，具有一个或多个处理单元，所述一个或多个处理单元被配置成运行指令以使用所述第一无线节点和所述第二无线节点的信道信息来至少部分地确定所述第一数据包和所述第二数据包的粗略飞行时间估计以及所述飞行时间的精细时间估计。


12.一种用于定位无线网络架构中的节点的同步系统，包括：
第一无线节点，具有无线装置，所述无线装置具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，包括具有第一数据包的第一RF信号；以及
第二无线节点，具有无线装置，所述无线装置具有一个或多个处理单元和在所述无线网络架构中实现与所述第一无线节点双向通信的RF电路，包括具有第二数据包的第二RF信号，其中所述第一无线节点的一个或多个处理单元运行指令，以使用所述第一无线节点和所述第二无线节点的信道信息来确定所述第一数据包和所述第二数据包的粗略飞行时间估计以及所述飞行时间的精细时间估计，其中所述第一无线节点和所述第二无线节点具有相同的参考时钟信号。


13.根据权利要求12所述的同步系统，其中所述第一数据包和所述第二数据包的粗略飞行时间估计基于所述第一无线节点发送所述第一数据包的第一时间、所述第二无线节点接收所述第一数据包的第二时间、所述第二无线节点发送所述第二数据包的第三时间以及所述第一无线节点接收所述第二数据包的第四时间。


14.根据权利要求13所述的同步系统，其中所述粗略飞行时间估计的分辨率受到采样时钟的时间分辨率的限制，所述采样时钟的频率为fs，用于控制检测发送或接收时序的电路。


15.根据权利要求14所述的同步系统，其中所述第一无线节点的信道信息包括所述第二数据包的信道响应的第一测量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马努·塞斯，令凯·孔，托米·伊拉穆尔托，维韦克·萨伯拉曼尼安，
申请(专利权)人：洛希克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US