用于室内定位的系统和方法与流程

用于室内定位的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年7月29日提交的美国临时专利申请号62/879,884的优先权，该专利申请在此以引用方式并入本文，如同完全地阐述一样。


背景技术：
技术领域
3.本公开涉及用于提供室内定位服务的系统和方法。更具体地，本公开涉及一种具有在室内环境中的非不同步无线定位节点的星座的系统，该系统允许漫游节点独立地计算在室内环境内的位置。
4.引言
5.在当今的移动无线环境中，室内位置定位变得越来越重要。室内定位的应用可包括零售、广告、商业和住宅环境。目前，在许多可用的可能室内位置解决方案中，基于采用蓝牙
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标准的低功率信标的解决方案已经成为向移动装置提供室内接近度估计的流行的解决方案。检测到具体信标的发射的移动装置可通过依赖于对发射和接收信号强度的估计来确定该移动装置在该信标的位置附近。然而，这种信标技术仅提供接近度信息，并且无法确定在室内空间内的三维(例如，x,y,z)位置。
6.一些基于信标(例如，蓝牙)的解决方案可依赖于接收信号强度指示(rssi)的估计来估计移动装置与信标之间的距离。由信标发射的信号具有已知功率，并且测量在移动接收器处的接收信号强度。采用路径损耗模型，系统尝试估计移动装置与信标之间的距离。然而，rf信号的rssi可能随着环境条件的变化而显著地变化，尤其是在移动设备与信标之间的距离增加时。提高准确度可能要求众多低功率信标，从而使在给定房间或其他空间内的安装复杂化。另一方面，可增加信标的输出功率以扩大其范围，但是这导致信标的准确度更低且电池寿命更短。另外，增加的功率电平可能导致房间或地板模糊(例如，通过使得信号能够行进穿过墙壁和/或地板)，从而不利地影响所安装的信标的效用。此外，即使准确地确定了距离，单个信标也不为检测移动设备提供方向信息，并且因此不提供物理位置。
7.对于一些应用，知道精确位置而不只是接近度是至关重要的。例如，存在机器人或无人机在建筑物内部漫游的应用。有利地，如果根据本公开的信标被放置在室内空间中并且每个机器人或无人机包含根据本公开的用于确定其准确位置的电路，则可改进在室内空间内的导航。


技术实现要素：

8.因此，公开了用于实现在室内环境内的定位确定的系统和方法。
9.在实施方案中，一种系统包括：多个固定节点，所述多个固定节点在所述室内环境内被布置为星座，其中所述多个固定节点中的每一者被配置为：发射测距信号，接收由所述多个固定节点中的一个或多个邻近固定节点发射的测距信号，计算所述固定节点发射的所
述测距信号与从所述一个或多个邻近固定节点接收的所述测距信号之间的偏移，以及将所述偏移包括在所述固定节点发射的所述测距信号中。
10.在实施方案中，一种方法包括由在室内环境中布置成星座的多个固定节点进行以下操作：发射测距信号；接收由所述多个固定节点中的一个或多个邻近固定节点发射的测距信号；计算所述固定节点发射的所述测距信号与从所述一个或多个邻近固定节点接收的所述测距信号之间的偏移；以及将所述偏移包括在所述固定节点发射的所述测距信号中。
11.在实施方案中，一种系统包括：测量节点，所述测量节点被布置在室内环境中的多个固定节点的星座内，其中所述测量节点被配置为：接收由所述多个固定节点发射的测距信号，计算所有所述多个固定节点的所述接收到的测距信号之间的时间偏移，以及在所述室内环境内广播所述时间偏移；以及所述多个固定节点，其中所述多个固定节点中的每一者被配置为接收由所述测量节点广播的所述时间偏移，以及发射包括所述接收到的时间偏移的测距信号。
12.在实施方案中，一种方法包括：由被布置在室内环境中的多个固定节点的星座内的测量节点进行以下操作：接收由所述多个固定节点发射的测距信号，计算所有所述多个固定节点的所述接收到的测距信号之间的时间偏移，以及在所述室内环境内广播所述时间偏移；以及由所述多个固定节点中的每一者进行以下操作：接收由所述测量节点广播的所述时间偏移，以及发射包括所述接收到的时间偏移的测距信号。
13.实施方案中的任一者可包括以下特征中的一个或多个：所述多个固定节点都不彼此同步；所述多个固定节点都不与任何中央服务器或其他主节点通信；和/或所述多个固定节点中的每一者使用直接序列扩频(dsss)来发射所述测距信号。所述dsss可使用最大码抽选。由所述多个固定节点中的每一者发射的所述测距信号可被扩展一千兆赫宽。
14.在实施方案中的任一者中，所有所述测距信号可由所述多个固定节点使用相同的线性反馈移位寄存器(lfsr)多项式码进行发射，其中所述多个固定节点中的每一者使用与所述多个固定节点中的所有其他固定节点不同的伪随机数(pn)偏移，使得由所述多个固定节点中的每一者发射的所述测距信号能够基于相应的pn偏移来与由所述多个固定节点中的所有其他固定节点发射的所述测距信号区分开。所述多个固定节点中的每一者可被配置为：监测所述多个固定节点中的所述其他固定节点的所述pn偏移；以及当所述固定节点的所述pn偏移在距监测的pn偏移的阈值距离内时，基于至少一个预定义标准来确定所述固定节点是否应当执行pn跳转，并且当确定所述固定节点应当执行所述pn跳转时，随机地选择与所述监测的pn偏移中的任一者不冲突的新的pn偏移。
15.实施方案中的任一者可包括以下特征中的一个或多个：由所述多个固定节点中的至少一者发射的所述测距信号使用与由所述多个固定节点中的一个或多个其他固定节点发射的所述测距信号不同的多项式码；和/或所述偏移作为预测建模方程的一个或多个系数被包括在所述测距信号中。
16.实施方案中的任一者可包括漫游节点，其中所述漫游节点包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：接收由所述多个固定节点中的至少三个固定节点发射的所述测距信号；以及基于所述测距信号的非同步到达时间差和所述接收到的测距信号中的每一者中包括的偏移来计算所述漫游节点在所述室内环境内的三维位置。所述漫游节点可包括一个或多个惯性测量单元，其中所述一个或多个惯性测量单元的输出在所述漫游节点的
所述三维位置的计算期间使用。在实现方式中，所述漫游节点从不使用从所述漫游节点到所述多个固定节点中的任一者的反向链路来接收所述测距信号和计算所述漫游节点的三维位置。所述漫游节点的所述至少一个处理器还可被配置为通过至少一个网络将所述三维位置发射到远程服务器。所述远程服务器可被配置为：通过所述至少一个网络从多个漫游节点中的每一者接收由所述漫游节点计算的所述三维位置；以及基于所述多个漫游节点中的一者或多者的所述接收到的三维位置来提供至少一个基于软件的服务。
17.在实施方案中的任一者中，所述多个固定节点中的每一者可被配置为在第一模式和第二模式两者下操作，在所述第一模式下，仅使用从所述固定节点到一个或多个漫游节点中的每一者的前向链路，在所述第二模式下，使用所述前向链路并且使用从所述一个或多个漫游节点中的每一者到所述固定节点的反向链路。所述多个固定节点中的每一者可被配置为：监测在所述反向链路上伪随机数(pn)偏移在距由所述固定节点使用的pn偏移的阈值距离内的信号；以及当在所述反向链路上检测到所述信号时，广播所述检测到的信号与所述固定节点的导频信号之间的时间和载波偏移。
18.实施方案中的任一者可包括以下特征中的一个或多个：每个测距信号的发射功率被设置为使得所述测距信号在室温下在距发射所述测距信号的所述固定节点一米的距离处低于热背景噪声；校准节点，所述校准节点包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为在所述多个固定节点已经布置在所述星座中之后并且在所述校准节点以与所述室内环境的基准呈已知关系的模式移动时，和/或计算所述多个固定节点中的每一者相对于所述基准的定位。
19.在实施方案中的任一者中，所述测距信号可包括导频信道、二进制偏移载波(boc)信道、数据信道和获取信道。所述数据信道可使用块交织和前向纠错(fec)码。所述导频信道、所述boc信道和所述数据信道可使用长码，并且所述获取信道可使用短于所述长码的短码。漫游节点可包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：对于所述多个固定节点中的至少一者，通过以下操作来获取由所述至少一个固定节点发射的所述测距信号：通过搜索所述固定节点的所述短码来获取所述测距信号中的所述获取信道，使用所述获取的获取信道来获取所述测距信号中的所述导频信道的定时，以及使用所述导频信道的所述定时来获取所述测距信号中的所述boc信道和所述数据信道的定时；以及在已经从包括所述至少一个固定节点的三个或更多个固定节点获取所述测距信号之后，基于所述获取的测距信号的非同步到达时间差和所述获取的测距信号中包括的所述偏移来计算所述漫游节点在所述室内环境内的三维位置。由所述至少一个固定节点发射的所述测距信号中的所述数据信道可包括辅助信息，所述辅助信息包括作为所述至少一个固定节点的邻居的一组邻近的所述多个固定节点的一个或多个参数，其中所述漫游节点的所述至少一个处理器还被配置为使用所述辅助信息来获取所述一组邻近固定节点的所述测距信号，并且其中所述三个或更多个固定节点包括所述一组邻近固定节点。漫游节点可包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：对于所述多个固定节点中的至少一者，通过搜索所述固定节点的所述短码来获取由所述至少一个固定节点发射的所述测距信号中的所述获取信道；使用所述获取的获取信道来通过至少一个网络从远程服务器检索辅助信息，其中所述辅助信息包括所述至少一个固定节点和作为所述至少一个固定节点的邻居的一组邻近的所述多个固定节点的一个或多个参数；使用所述辅助信息来获取所述至少一个固定节点和所述一组邻
近固定节点的所述测距信号；以及在获取了所述至少一个固定节点和所述一组邻近固定节点的所述测距信号之后，基于所述获取的测距信号的非同步到达时间差和所述获取的测距信号中包括的所述偏移来计算所述漫游节点在所述室内环境内的三维位置。
20.在实施方案中的任一者中，所述多个固定节点中的至少一者被配置为发射包，所述包包括所述至少一个固定节点和作为所述至少一个固定节点的邻居的一组邻近的所述多个固定节点的一个或多个参数，其中所述包是蓝牙
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包或wi-fi
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包，其中所述系统还包括漫游节点，并且其中所述漫游节点包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：检测由所述至少一个固定节点发射的所述包；使用所述包中的所述一个或多个参数来获取所述至少一个固定节点和所述一组邻近固定节点的所述测距信号；以及在获取了所述至少一个固定节点和所述一组邻近固定节点的所述测距信号之后，基于所述获取的测距信号的非同步到达时间差和所述获取的测距信号中包括的所述偏移来计算所述漫游节点在所述室内环境内的三维位置。
21.在实施方案中的任一者中，所述多个固定节点中的至少一者被配置为发射包，所述包包括所述固定节点的标识符，其中所述包是蓝牙
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包或wi-fi
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包，其中所述系统还包括漫游节点，并且其中所述漫游节点包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：检测由所述至少一个固定节点发射的所述包；使用所述包中的所述标识符以通过至少一个网络从远程服务器检索辅助信息，其中所述辅助信息包括所述至少一个固定节点和作为所述至少一个固定节点的邻居的一组邻近的所述多个固定节点的一个或多个参数；使用所述辅助信息来获取所述至少一个固定节点和所述一组邻近固定节点的所述测距信号；以及在获取了所述至少一个固定节点和所述一组邻近固定节点的所述测距信号之后，基于所述获取的测距信号的非同步到达时间差和所述获取的测距信号中包括的所述偏移来计算所述漫游节点在所述室内环境内的三维位置。
22.在实施方案中的任一者中，每个测距信号可包括包，所述包包括所述偏移，其中每个包是蓝牙
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包或wi-fi
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包，并且其中所述多个固定节点中的每一者被配置为每秒将所述包发射至少十次。所述多个固定节点中的每一者可被配置为针对多个时间周期中的每一者：生成随机数；广播所述随机数；接收由所述多个固定节点中的其他节点广播的所述随机数；以及根据所述生成的随机数在所述接收到的随机数内的次序来发射所述包。漫游节点可包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：接收由所述多个固定节点中的至少五个固定节点发射的所述包；以及基于所述包的非同步到达时间差和所述接收到的包中的每一者中包括的偏移来计算所述漫游节点在所述室内环境内的三维位置。
23.在实施方案中的任一者中，所述多个节点中的每一者还可被配置为发射主测距信号和辅测距信号两者，并且其中所述辅测距信号具有与所述主测距信号不同的中心载波频率。
24.在实施方案中的任一者中，服务器可被配置为：从所述室内环境中的一个或多个漫游节点中的每一者接收如由所述漫游节点接收到的一个或多个测距信号的功率电平的指示，所述一个或多个测距信号由所述多个固定节点的子集发射；以及将优化算法应用于所述接收到的功率电平指示以确定对由所述多个固定节点中的一者或多者发射的所述测距信号的发射功率的一个或多个调整；以及根据所述确定的一个或多个调整来向所述一个或多个固定节点发送控制指令以调整所述一个或多个固定节点的所述发射功率。
25.实施方案中的任一者可包括以下特征中的一者或多者：所述多个固定节点中的每一者被配置为使所述测距信号的发射在开与关之间循环；所述偏移包括时间偏移和频率偏移；和/或所述多个固定节点中的一者或多者中的每一者被容纳在提供除了所述定位确定之外的功能的容纳装置内。
附图说明
26.通过研究附图可部分地收集本发明的关于其结构和操作两者的细节，在附图中，相同的附图标记指代相同的部分，并且在附图中：
27.图1示出了根据实施方案的执行定位确定的示例性系统；
28.图2至图4b示出了根据实施方案的可由系统中的各种节点执行的示例性过程；并且
29.图5示出了根据实施方案的可执行本文所述的过程中的一者或多者的示例性处理系统。
具体实施方式
30.系统架构
31.下面结合附图阐述的详细描述意图作为各种实施方案的公开，并且不意图仅表示可实践本公开的实施方案。详细描述包括用于提供对实施方案的透彻理解的目的的具体细节。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在一些情况下，为描述的简洁起见，以简化形式示出众所周知的结构和部件。在2018年7月3日发布的名称为systems and methods for indoor positioning using wireless positioning nodes的美国专利号10,015,769中公开的一些结构和部件可用于本文所述的实施方案中。美国专利号10,015,769在此以引用方式并入本文，如同完全地阐述一样。
32.图1是用于移动装置的室内定位系统的实施方案的图形描绘。室内定位系统(系统)100可具有漫游节点(rn)102。rn 102可以是智能电话或如本文所公开的包括软件和/或硬件的其他移动电子装置。rn 102可以经由广域网(wan)或网络104通信地耦合到服务器120。网络104可包括例如互联网和/或其他适用的无线网络。系统100可与室内环境106相关联。系统100可具有一个或多个固定节点(sn)110，该一个或多个固定节点位于具有rn 102的室内环境106内。sn 110在本文中也可被简称为信标或节点。sn 110被标记为sn 110a、sn 110b、sn 110c和sn 110d，但可统称为sn 110。sn 110a、110b、110c、110d的分组可被称为sn 110的星座。每个sn 110可发射一个或多个信号112(被示出为信号112a、信号112b、信号112c、信号112d)，rn 102可使用该一个或多个信号来确定室内环境106内的三维位置。根据需要，连续地或周期性地发射信号112。为了便于描述，sn 110被描绘为各自发射单个信号112。然而，如本文所述，sn 110中的每一者可具有一个或多个天线，并且每个天线可发射信号112的相应版本。因此，根据以下实施方案，每个sn 110实际上可根据需要发射一个或多个信号112。
33.当rn 102在室内移动时，它可能没有足够的信号来经由例如全球定位系统(gps)信号提供精确定位。rn 102最初可基于经由最后已知的室外定位的粗略定位(例如，经由rn 102的gps定位)来确定室内环境106的近似或大体物理位置。在一些其他示例中，rn 102可
基于来自局部区域中或甚至室内环境106内的一个或多个网络的wi-fi信号来确定粗略定位。另外，虽然wi-fi信号可提供大体定位(例如，在给定建筑物内的某处)，但是就本文所公开的室内定位系统而言，这样的定位信息仍是“粗略的”。在一些实施方案中，由sn 110发射的信号112还可包括室内环境106的大致位置的指示。在一些实施方案中，粗略位置可以是跨越所识别的建筑物内的一个或多个房间的局部附近的大小，并且被服务器120用来提供适当的辅助信息。
34.sn 110可连续地或周期性地发射和接收多层测距信号。rn 102可从室内环境106内的sn 110接收各种信号，以确定其本身在室内环境内的三维位置，如本文所述。任选地，rn 102然后可将计算的位置报告回服务器120。在需要高准确度的测距系统中，可将具有较高功耗的复杂电路用于较高的定位分辨率。相反，对于不需要高准确度的应用，可将具有较低功耗的不太复杂的电路用于较低的定位分辨率。
35.在某些实施方案中，sn 110可以是具有一个或多个天线(例如，四个或更多天线)的单个独立定位的装置。替代地，sn 110可与各种智能装置、物联网(iot)装置和其他常见的家用器具或系统共同定位或位于其中。例如，sn 110可被容纳在烟雾检测器、警报模块、灯泡、镇流器和其他iot或智能器具或固定装置内。容纳sn 110但提供附加功能性的此类装置在本文中可被称为容纳装置(cd)。换句话说，cd一般是可容纳sn 110的任何装置。诸如烟雾检测器或灯泡的cd可具有受限或有限的空间约束。因此，这种装置中的sn 110可仅容纳单个或有限数量的天线。应当理解，系统100可仅包括cd、独立sn或者cd和独立sn的组合。
36.将sn 110共同定位在cd内的优点是cd在大多数室内定位中的现有存在。因此，这种共同定位允许在cd和现有装置之间进行一对一替换。另外，这些现有装置可能已经具有恒定的连续电源，该恒定的连续电源可由cd(包括其中的替换它们的sn 110)使用。共同定位在cd中的sn 110可利用室内环境106内的预先存在的布线和/或其他电气/电子骨干。除了时间或频率参考外，预先存在的骨干还可提供恒定的连续电源。公共时间或频率参考对于将相同附近的sn 110的定时和频率同步可能很重要，如本文中其他地方更详细地描述。
37.cd可能已经独立于sn 110执行各种电子操作。因此，添加定位信标/sn能力所需的附加硅面积可能不会显著增加制造的成本。另外，sn 110可利用cd中已经存在的许多常见电路的电路。
38.在sn 110是独立装置的实施方案中，sn 110可硬连线到室内环境106内的连续电源或者可具有诸如电池的独立电源。如本文中其他地方所述，sn 110的一些实施方案可具有四个或更多个天线。具有四个或更多个天线的单个sn 110可独立地向rn 102提供三维位置。
39.在一些实施方案中，系统100可允许无限数量的同时用户。也就是说，任何数量的rn 102可存在于室内环境106内并且使用sn 110来确定室内环境106内的三维位置。
40.系统100可以是提供高准确度和高可用性并支持无限数量的同时用户(例如，多个rn 102)的室内微型定位系统，其对多路径室内环境具有高抗扰度并且易于由未经培训的人员安装。系统100可包括固定节点(sn)、漫游节点(rn)和校准节点(cn)。系统100还可包括中央管理和应用服务器110。
41.sn 110可使用直接序列扩频(dsss)来发射专门设计的测距信号。进入室内环境106和/或在其中漫游的rn 102从固定sn接收这些测距信号并且计算其本身相对于系统基
准的三维定位。系统100还可具有一个或多个校准节点(cn)114。cn 114可类似于rn 102，但具有附加的能力。它们用于在安装时校准系统。室内定位系统100使用在rn 102内的接收器处的非同步到达时间差(utdoa)来确定漫游节点(rn)的定位。由sn 110的星座覆盖的区域内的rn 102测量来自所有检测到的sn 110的所有测距信号的定时。在知道sn 110的物理定位的情况下，rn 102然后能够计算其本身相对于系统基准的位置。
42.非同步到达时间差(utdoa)
43.与系统100的utdoa相比，到达时间(toa)系统假设sn在时间和频率两者上全部都是同步的。另外，在toa中，还经常假设rn在时间和频率上与sn同步。这一般是低效的。如果所有时钟都同步，则每个sn在发射的信号上标记其测距信号发射时间。当被rn接收时，rn用接收时间对其加时间戳。由于所有时钟都同步，因此标记的发射时间和标记的接收时间之间的时间差就是自由空气传播时间。使用光速，可计算sn到rn的距离。知道到三个物理上不相交且非线性的sn的距离，rn可计算其位置。除了对信号的到达进行定时，rn还需要知道sn相对于系统基准的定位。因此，必须有一种方式来向rn传达其从中接收测距信号的sn的定位。
44.在实践中，rn的时钟与sn同步不是高效的。因此，rn只能测量来自sn的信号的到达时间之间的差异，但由于rn时钟与sn的同步时钟之间的时钟偏移，无法确定自由空气传播的绝对时间。传统的到达时间差(tdoa)通过要求rn捕获来自四个sn的测距信号(即，而不是用于toa的三个sn)来解决这个问题。因此，对于附加的未知时钟偏差，必须对一个附加方程求解。
45.在系统100中，sn 110不必同步。相反，sn 110彼此的时钟和频率偏移可能略随机。然而，每个sn 110连续地测量和广播这些时间差和频率偏移，从而使得rn 102能够在接收到测距信号以及来自四个sn 110的广播校正时计算其位置。因此，在一个实施方案中，sn 110不同步。
46.utdoa的优点
47.系统100的utdoa提供了几个重要的优点。utdoa使得可能将系统100部署在被称为sn 110的星座的孤立覆盖岛中而不需要管理服务器或主sn。这便于容易安装，该安装可简单地包括在室内环境106内放置多个sn 110。
48.utdoa还处理以下情况：邻近星座在彼此没有可靠rf可见性的情况下仍可服务于在它们两者的覆盖范围内的rn 102而不要求两个邻近星座本身同步到公共参考。
49.在没有主节点的服务器的情况下安装
50.有利地，utdoa使得能够在没有统一协调的情况下随机部署sn 110。在部署的早期，系统100可类似于多个不相交的岛(例如，相邻的sn 110或相邻的星座)。这些岛中的每一者都可具有其本身的时间感和频率感。随着这些岛彼此越来越近，它们开始相互检测。如果如在gps中，所有的sn 110必须同步到一个通用时钟，则必须选择通用时钟。另外，即使两个星座就遵循哪个时间参考达成一致并且将它们自己对准一个参考，它们也将随着sn 110沿边界失效而开始漂移开来以有效地断开岛。检测来自两个星座的信号的rn 102将停止工作。
51.解决邻近星座问题
52.另一个问题是不相交的岛内的星座同步需要时间。在变得可用之前需要全局同步
的系统中，操作被延迟，而同时所有sn 110彼此同步。如果sn 110嵌入在用户进入房间的那一刻就打开的cd(例如灯泡)中，则等到星座内的所有sn 110完全同步将限制系统100的效用。但是对于utdoa，sn在上电时变得立即可用于rn 102，因为不需要同步。
53.在utdoa中，每个sn 110基于其本身的重复测量对其他sn 110的时钟进行建模。每个sn 110能够将这些测量投影到这些测量之间的时间。因此，需要对连续漂移的偏移进行不太频繁的广播更新。
54.明显的到达时间差
55.测量到的伪随机数(pn)偏移是明显的到达时间差。然而，它们包括两个sn 110之间的自由空气传播时间以及两个sn 110的内部时钟之间的时间差。自由空气传播延迟将添加到由任一sn 110看到的测量，而内部时钟时间差将添加到由一侧看到的测量并从另一侧看到的测量中减去。看到测距信号并读取两个sn 110的数据信道的rn 102可减去这些报告的时间测量以抵消自由空气传播时间，以便得到等于时钟差的两倍的量。rn 102然后可使用这个时钟差来调整测距信号的到达时间，所有这些都是根据一个时间参考。
56.对时钟参考误差不敏感
57.鉴于sn 110之间不需要锁定频率，sn 110的时钟之间的时间差可在时间上漂移。本地参考振荡器之间的百万分之一(1ppm)误差将导致在一秒钟内的250个码片漂移。鉴于包含关于sn 110之间的这些时钟差异的信息的数据帧每秒出现一次，所包含的信息在使用时可能已经稍微漂移。由于这个原因，在实施方案中，sn 110基于重复的代码和载波偏移测量对时钟漂移进行建模，并且广播模型参数以允许在检测到的sn 110之间进行投影的相互时间差漂移校正。
58.尽力型频率对准的优点
59.虽然不再需要锁定到一个频率，但建议星座内的sn 110尽最大努力以尽可能接近一个共同频率。因此，sn 110可以将本地参考振荡器驱动到作为所有检测到的sn 110的参考频率的中值的值。随着时间的推移，星座中的sn 110将锁定或几乎锁定频率。这可用于降低rn 102从冷启动进入星座的获取时间。它还最小化sn 110的时钟之间的时间漂移，从而提高报告的时间差的准确度并且改进这种时间漂移的建模。另外，如果sn 110在频率上接近，则它们相对于彼此的时间感相当缓慢地漂移，这降低了pn偏移冲突的可能性以及调度pn跳转以避免sn 110之间的可能pn偏移冲突的需要。
60.仅前向链路正常操作
61.从一个sn 110到其他sn 110、rn 102和cn 114的rf链路被称为前向链路。从rn 102或cn 114回到sn 110的rf链路被称为反向链路。在系统100中，主要的操作模式是将前向链路仅用于位置确定。仅前向链路操作允许例如在体育场或其他拥挤场所中的无限数量的同时用户(例如，rn 102)。它还允许每个rn 102连续地测量和跟踪测距信号，以实现非常精细的位置确定平均和改进。对于每次测距测量，依赖于往返延迟进行定位的其他系统需要建立在rn和sn之间的专有双向链路。这限制了用户的数量和可用的准确度，因为在这些双向链接中不允许单个用户停留在每个链路上以提高准确度。
62.sn 110还可任选地发射可辅助系统获取和较低性能测距应用的蓝牙
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或wi-fi
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包。
63.在典型的tdoa系统(诸如众所周知的gps)中，sn必须在时间和频率上同步。在系统
100中，sn 110在时间或频率上不同步。相反，sn 110监听附近的所有其他sn 110并且连续地测量其本身和它看到的所有其他sn 110之间的时间差和频率偏移。该sn 110然后可在一个或多个信号116中连续地广播该信息。rn 102可使用这些广播测量来校正sn 110之间的时间和频率测量，并且然后可执行数学，就像sn 110在时间和频率上同步一样。换句话说，在系统100中，rn 102可假设sn 110不同步并且使用所报告的相互sn 110偏移测量(例如，在信号116中)，以便基于tdoa三边测量成功地计算位置。这在本文中被称为非同步到达时间差(utdoa)。图1中的表示信号116的箭头示出了每个sn 110可向范围内的所有其他sn 110发射信息和从其接收信息。系统100可使用utdoa来促进相邻的sn 110星座的随机部署，而不需要主协调器或主规划器，因为没有绝对时间的概念。换句话说，可始终添加另一个sn 110，sn 110不具有比任何其他sn 110更高的等级，并且每个附加的sn 110不需要清楚其他sn 110在使用的正确绝对时间是多少。这极大地简化了用户的部署和安装。
64.在室内环境106中，预期对准确度的主要限制可能是多路径。这种多路径可通过使用宽信号带宽来减轻。例如，sn 110发射的测距信号可使用250兆码片每秒(mcps)的扩展速率进行扩展。系统100可实现直接序列扩频(dsss)技术以使用pn码来执行这种扩展。扩频信号在发射之前不经过滤波。主要的sin(x)/x形频谱波瓣跨越500mhz的带宽。包括两个更多波瓣(信号两侧上各一个)导致1ghz宽的带宽。在实施方案中，该信号以4.0ghz为中心。为了不干扰4.0ghz左右频谱的主要用户，测距信号可在-50分贝-毫瓦(dbm)以下发射。这保证对于远离sn 110超过1米的任何接收器，信号在室温下将低于热背景噪声。考虑到信号的宽带扩展，它对接收器来说也会表现为噪声。
65.安装可包括将多个sn 110放置在诸如室内环境106的附近。应选择这些sn 110的位置以优化覆盖。在sn星座的安装和加电之后，安装者可使用cn 114来校准系统100。系统100的校准涉及找出已放置sn 110的定位。这可通过以与基准具有已知关系的模式在sn星座的覆盖区域内移动cn 114来完成。该模式可源自不同系统100的先前安装。cn 114充当rn 102，并且在相对于系统基准的多个已知定位测量来自每个sn 110的测距的定时。这生成足够的信息来计算每个sn 110的三维位置。该信息被上传到每个sn 110，使得每个sn 110可将其广播到进入室内环境106的rn 102。
66.在一些实施方案中，sn 110可发射一个或多个信号。在一些实现方式中，sn 110可发射至少四个信道。这四个信道可包括导频信道、二进制偏移载波(boc)测距信道、获取信道和数据信道。
67.导频测距信道(导频)。在实施方案中，该导频以250mcps的速率扩展。它使用从由32位线性反馈移位寄存器(lfsr)生成的32阶最大多项式得到的pn码。它在载波的同相部分(即，在i基带信道上)发射。32位pn码具有2^32-1码片的未截断lfsr周期。
68.boc测距信道(boc)。boc信道使用二进制偏移载波调制，因此得名。与导频扩展速率相比，boc信道使用boc(0.5,1)。换句话说，该boc使用扩展速率为125mcps的lfsr生成的pn码，该pn码然后乘以250mhz方波。boc使用32阶扩展多项式。这意味着boc具有2^32-1boc码片或2
×
(2^32-1)＝2^33-2导频码片的周期。系统设计使用导频来辅助boc信道的解码。这很重要，因为检测boc信号的到达峰值可能会由于boc信号的多个相关峰值而导致模糊度。因此，一旦获取导频定时，系统就可完全确定尚未获取的boc信号的定时。因此，boc和导频的定时应完全同步。由于boc的lfsr以导频扩展速率的一半运行，并且由于两者都使用32
位lfsr，因此每次boc码翻滚一次，导频码都翻滚两次。这意味着一旦获取导频定时，boc的定时就可具有两种可能性中的一种。这两种可能性恰好是boc pn滚动分开的一半。可在这两种可能性中搜索boc能量以求解这种模糊度。应注意，源于在主峰值周围具有多个峰值的boc(0.5,1)中的固有模糊度与导频和boc之间的恰好是boc pn滚动分开的一半的双位置模糊度正交。因此，一旦在两种可能性中的一种中找到boc能量，因此导频定时恰好示出boc的中心峰值在哪里。因此，系统100对于boc多峰搜索模糊度是稳健的。
69.一旦获取导频就在两个地方中的一个中寻找boc能量的上述方法假设尚未获取数据信道。如果已经获取数据信道，则知道boc定时而没有任何模糊度，如稍后将从数据信道的结构进行演示。
70.boc信道具有丰富的较高频率分量，并且将更多功率放在频谱的由导频、获取信道(ac)和数据信道(dc)稀疏地填充的区域中。较高频率分量允许更好地估计测距时间。boc意图在可用信噪比(snr)和所需准确度两者都很高时使用。类似于导频，boc在载波的同相部分(i)上发射。boc的附加优点是在频谱上，它主要驻留在导频不提供且因此boc在使用时提供较高性能的地方，其中在正常操作下对导频的snr处罚很小。boc以相对于导频信道更低的功率电平发射。
71.获取信道(ac)。获取信道被设计为辅助导频的获取。获取信道以与导频相同的速率(以250mcps的速率)扩展。然而，采集信道使用较短周期的较短多项式。获取信道使用管控16位lfsr pn生成器的16阶多项式，该生成器以250mcps的速率扩展。因此，ac码的周期是2^16-1＝65535码片。该周期划分导频长码的周期，并且因此，两者永远保持一致。
72.获取信道以相对于导频更低的功率电平发射。获取信道以该较低功率发射，因为它主要由rn 102用于从冷启动采集星座中的第一sn 110。因此，预期rn 102看到的第一sn 110以及它需要看到的唯一获取信道将是具有高snr的附近sn 110。获取信道在载波的正交相位(即，q信道)上发射。
73.数据信道(dc)。该信道发射接收器进行位置确定所需的信息。它还发射辅助数据以帮助接收器更高效地获取其他邻近sn 110的测距信号。dc使用与导频所使用的多项式不同的32阶多项式进行扩展，并且使用32位lfsr以250mcps的速率扩展。该信道携带包含rn 102进行成功的rn位置确定所需的信息的数据位。每个数据位的周期必须与导频长码具有已知的关系，以便导频充当主要的定时参考。rn 102可首先获取ac信道以缩小对导频的搜索。在获取导频之后，rn 102使用导频的定时来推断数据信道的定时。正如稍后将演示，基于处理增益要求和所需的数据速率，数据信道中的每个位跨越131070个码片。将长码周期除以131070得到32768.5。这意味着每个导频pn滚动中存在32768.5位。位边界与每个偶数导频pn滚动对准。因此，在获取导频之后，以两种选项模糊度中的一者知道数据信道的定时。
74.可在该数据信道上发射的一些数据的示例是sn 110的物理位置以及其本身与其邻近sn 110之间的由该sn 110测量到的定时偏移。数据信道还可提供辅助信息以帮助接收rn 102获取其他邻近sn 110的测距信号。数据信道在载波的正交相位中(即，在q信道上)发射。数据信道的功率电平等于导频的功率电平。
75.正向和反向链路操作
76.在实施方案中，系统100被灵活地设计为允许使用反向链路进行测距操作。例如，
rn 102可发射测距信号以供sn 110和附近的其他rn 102使用。在一些情况下，这可能是有利的。
77.这可在两种模式下发生：
[0078]-零星反向链路模式(srm)：rn 102不经常在反向链路上发射。
[0079]-连续反向链路模式(crm)：rn 102在反向链路上连续发射。
[0080]
在srm中，rn 102在需要时零星地且在相对短的时间内在反向链路上发射。这可用于rn 102在进入室内环境106时立即同步到sn的绝对载波相位。即使在拥挤的部署中也可支持这种模式，因为反向链路仅由rn 102简略地使用以同步到绝对相位。rn 102随后依赖于相位跟踪来保持与绝对载波相位的同步。另外，cdma允许多个rn 102同时使用反向链路。
[0081]
srm是系统100的非常强大的操作模式。在反向链路上发射的rn 102可使用它从它打算与之反向通信的sn 110测量的倒数长码pn偏移。这使得在接收sn 110处的获取变得微不足道。反向链路信号还与如由该rn 102检测到的sn 110的载波相位具有已知相位关系。
[0082]
srm的主要原因是向rn 120提供绝对载波相位信息。rn 102仅需要与星座中的一个sn 110这样做，因为正在连续地测量和广播星座内的sn 110之间的载波相位差。rn 102可选择具有最高snr的sn 110并且发射具有非常接近所选择的sn 110的pn偏移的反向链路。期待srm反向链路操作的sn 110连续地搜索具有非常接近其本身的pn偏移的反向链路流量。当获取反向链路信号时，该sn 110开始在其本身的数据信道(dc)上广播该反向链路与其本身的导频相比的时间和载波偏移测量。该数据向发送反向链路的rn 102提供足够的信息来确定其本身与该sn 110之间的绝对时间和频率偏移。它还允许该rn 102立即知道其本身与星座内的所有其他可见sn 110之间的时间和频率两者的绝对差。一旦确定了这一点，rn 102就可停止在反向链路上发射并且通过跟踪来保持载波和代码相位锁定。发射rn 102基于来自它向其发送反向链路流量的sn 110的接收信号的强度来使用功率控制，以便减少与其他装置的干扰并增加多用户操作。
[0083]
在crm中，rn 102的作用类似于sn 110。由于系统中使用的码分多址(cdma)调制的多用户支持，多个rn 102可同时在反向链路上发射。这可使测量的数量加倍，并且在rn 102可使用来自其他rn 102的测距信号的情况下，它可改进覆盖。
[0084]
在crm中，rn 102的作用类似于sn 110。唯一的区别是执行crm的rn 102需要频繁地更新其位置并且不断地将该更新广播到其他sn 110或rn 102。这是因为与sn 110不同，假设rn 102在移动。除了在反向链路上使用差分扩展多项式之外，操作的所有其他方面都与前向链路上的sn 110相同。这种模式可用于用户数量稀少的稀疏覆盖区域，诸如用于住宅区。它在室内自动化环境中也非常有用，其中一些机器人(如rn 102)可向可能部分被sn星座遮挡的其他机器人提供测距信号，从而提高可用性。
[0085]
在任一模式下，根据仅使用前向链路的系统100的主要模式操作的rn 102完全不受影响。换句话说，系统100可支持一些rn 102的反向链路模式，同时仍支持无限数量的仅前向链路rn 102。这些反向链路发射还可包括与前向链路具有相似内容的数据信道。
[0086]
在crm中，发射获取信道(ac)。然而，在srm中，获取信道是不必要的，并且可不被发射。
[0087]
在实施方案中，在sn 110的数据信道中存在向监听rn 102指示在附近是否允许反向链路上的发射的字段。例如，在具有sn 110的良好覆盖和潜在地大量同时用户的大型场
所中(例如，在体育场中)，系统100可被配置为不允许反向链路发射或仅允许反向链路的有限使用。相反，在同时用户的数量较少的环境中，系统100可允许反向链路发射以改进覆盖范围和准确度。
[0088]
在包括服务器120的系统100的实施方案中，服务器120可管理rn 102使用反向链路的权限。在不存在服务器120的情况下，每个sn 110可在本地决定是否支持反向链路操作。
[0089]
btle广告包
[0090]
任选地，sn 110可另外地发射蓝牙
tm
低功耗(btle)广告包，在本文中称为蓝牙
tm
le包(btle包)。如在btle标准中指定，这些btle包不需要与其他btle活动协调，并且因此，只要信道畅通就可发射，并且可包含需要发射的数据有效载荷。这些包在2.4ghz ism频带内以 10dbm每秒发射数次，多达每秒10次。这些btle包具有至少两种用途，包括：
[0091]-辅助rn 102获取sn 110的测距信号。
[0092]-允许仅具有蓝牙
tm
接收器的简单rn 102使用系统100进行位置定位。
[0093]
用btle包来辅助获取
[0094]
这些btle包的第一用途是减少rn 102第一次进入sn星座的系统获取时间。这些btle包广告sn 110的存在以及辅助信息来帮助rn 102获取主要sn测距信号，因为在sn 110中，这些btle包的发射时间与宽带测距信号的定时非常精确地对准。
[0095]
btle包可在其有效载荷中包含始发sn 110在该btle包发射时的确切pn偏移状态的信息。甚至在没有附加的严格定时的商业上存在的btle接收器的情况下，btle包到达时间也可被估计为好于1微秒。与向rn 102通知发射btle包的精确时间的有效载荷数据相结合，这将rn 102所在的导频搜索窗口缩小至小于250码片。这有助于rn 102即时获取用于从中发射btle包的sn 110的导频信道。
[0096]
除了上述之外，如果这些btle包的载波相位进展是逐个包测量的，则rn 102能够估计sn 110相对于rn 102的频率偏移并且减少或消除对频率偏移搜索的需要。
[0097]
用btle包进行位置确定
[0098]
在实施方案中，btle包的有效载荷包含足够的信息以供rn 4102在不解调数据信道的情况下计算其定位。实际上，如果btle包的发射定时与sn 110中的pn码精确地协调，并且如果到达时间也用rn的本地pn定时精确地定时，并且鉴于在有效载荷包内的报告的pn频率偏移的精度，btle包可用于确定相对准确的定位，甚至无需解调高带宽测距信号。这是因为类似于星座内的sn 110中的pn码之间的相对定时，来自星座内的sn 110的这些btle包的相对发射定时恰好精确地定时。另外，邻居之间的相对时间和频率差异也可在其btle包中广播。这意味着具有精确固件定时的蓝牙
tm
接收器应能够产生非常准确的位置。这可能不会产生与宽带测距信号相同的准确度或对多路径的稳健性，但它应产生比目前通过使用rssi的蓝牙
tm
le可能实现的更准确的定位。通过只需要蓝牙
tm
接收器，这种模式允许更快地渗透到智能电话市场，因为预计上述内容的实现将是智能电话内的当前蓝牙
tm
调制解调器芯片的固件改变，而不是硬件改变。
[0099]
这应有助于智能电话市场及早采用不需要宽带测距信号的稳健性和多路径阻力的应用。与使用btle包的任何其他当前现有的系统相比，这些btle包的严格同步将导致更好的位置确定。鉴于这些btle包的定时应用于测距而不仅仅是用于辅助获取，btle接收器
对其到达时间的估计应比当前在通用btle标准指定的严格得多。这在本文中其他地方进一步详述。
[0100]
用于测距的btle包的问题
[0101]
如先前所述，btle包可用作测距信号。这是因为这些包的发射可相对于彼此非常精确地定时。可这样做是因为星座内的sn 110使用宽带测距信号连续地测量和报告它们彼此之间的相对代码、载波和频率偏移。通过报告发射btle包的时刻，相对于始发sn 110的内部pn偏移，该事件的精确定时相对于星座中的所有sn 110是已知的。当使用btle包来帮助获取测距信号时，大约每秒只需要看到其中一者。由于这个原因，每个sn 110每秒发射一次btle包就足够了。此外，不需要将这些btle包捆绑在一起。来自各个sn 110的btle包发射可平均相隔半秒到达。出于测距目的，系统100可能仍仅要求每个sn 110每秒发射一次btle包，但附加要求这些btle包在时间上尽可能彼此接近地发射。这个要求对于最小化定位误差来说很重要。在实施方案中，每秒从每个sn 110发射btle包多达10次，以用于获取辅助和测距。
[0102]
使用同步btle包来确定定位与使用宽带测距信号是相同的，因为rn 102需要从不少于四个sn 110接收信号以得出解决方案。使用宽带测距信号的rn 102对在同一时刻看到的测距信号之间的到达时间差进行比较。假设在同一确切时刻测量来自所有可见sn 110的信号。可做出这种假设，因为测距信号是连续发射的，并且因此，rn 102始终能够同时地检测它们并且由于它们的cdma结构而将它们区分开来。然而，在蓝牙
tm
接收器内部的情况并非如此，因为蓝牙
tm
接收器一次只能接收一个btle包。因此，在不同的时刻进行伪距测量。由于每个btle包都知道其何时被发射并将该时间传达给rn 102，并且由于测量并报告sn 110之间的所有时间偏移，因此rn 102可针对不同的伪距测量时间进行调整，其中与星座和rn 102之间的参考振荡器偏移相关联的误差除外。
[0103]
将描述示例。假设sn 110根据发射sn 110的时钟在时间t0发射一个btle包，并且根据该sn的时钟在时间t1从同一sn 110发射第二btle包。进一步假设rn 102根据接收rn 102的时钟在时间t2接收到第一btle包，并且根据该rn的时钟在时间t3接收到第二btle包。第一btle包的飞行时间是(t
2-t
0-td)，并且第二btle包的飞行时间是(t
3-t
1-td)，其中td是rn的时钟和sn的时钟之间的时间误差。然而，如果rn 102和sn 110在其参考振荡器之间具有频率偏移，则td随时间变化。1ppm误差加起来是一秒内的1微秒误差。如果假设btle包在统计上平均相隔0.05秒，则从一个btle包接收之间的td将存在0.12微秒的差异。0.12微秒的未补偿定时误差等于伪距测量中的36米误差。
[0104]
在以上示例中，两个btle包来自同一sn 110。在实践中，btle包将来自在其之间具有时间偏移的两个sn 110。然而，广播偏移测量允许这种双sn情形变得等同于来自一个sn 110的btle包的情况。可通过使用以下技术中的一者或任何组合来解决由不相交的测量时间引起的误差：
[0105]-减少用于一个定位测量的btle包的发射之间的时间。
[0106]-让rn 102估计其本身与发射btle包的每个sn 110之间的频率偏移。
[0107]-使用来自至少五个btle包而不是四个的信号。
[0108]
减少btle包间经过的时间
[0109]
在实施方案中，减少了用于一个位置测量的btle包的发射之间的时间。换句话说，
系统100试图使不同的btle包的发射时间尽可能地彼此接近。0.05秒的btle包时间间隔可能导致多达36米的测量误差。如果来自不同sn 110的btle包发射之间的间隔反而是相隔1毫秒，则1ppm时钟误差会导致1ns的时间误差，这等于1英尺的测量误差。减少用于同一位置计算的btle包发射之间的时间还有另外的原因。这是因为由用户携带的rn 102可移动。例如，在0.1秒内，以平均速度行走的人移动0.14米。跑步的人在0.1秒内可移动0.6米。参与同一位置确定计算并在彼此的1毫秒内到达的btle包将由于用户跑了6cm而减少误差。
[0110]
对btle包发射时间进行分组
[0111]
当使用仅btle模式时，将btle包的发射时间进行分组以使彼此接近地发生对于有用的位置计算来说是必要的。这是因为来自给定的sn 110的btle包不经常以每秒大约10次发射。人可以每秒1.4米的平均速度行走。如果来自每个sn 110的btle包彼此具有随机关系，则相互btle包分隔的预期值是0.05秒。在0.05秒内，人可能移动了7cm。这对于大多数应用来说可能是可接受的，但如果星座内的发射被更紧密地分组，则精度会提高，尤其是对于快速移动的rn 102。诀窍是尝试在没有用于发射的主调度程序的情况下对发射进行分组。到目前为止，假设所有sn 110运行相同的软件并且具有与每个其他sn 110相同的角色。换句话说，在星座内，所有的sn 110都是一样的并且同样是可有可无的。在实施方案中，在系统100中总是这种情况。
[0112]
在实施方案中，每2秒，每个sn 110生成从0至255的随机数并且将其放置在两个后续数据帧中。这些随机数被所有的sn 110看到。具有最小数的sn 110拾取在0.15秒与0.05秒之间的随机区间。所有其他sn 110等待该sn 110发射btle包。当该sn 110发射btle包时，其他sn 110检测到该btle包，并且其他sn 110接着都按照由其随机数的升序指示的次序发射其自己的btle包。如果两个sn 110生成相同的随机数，则具有最低值mac地址的那个先行。该次序持续2秒。然后，执行另一个随机批次并且重复循环。这种机制将来自各个sn 110的btle包的发射进行分组以便彼此跟随。同时，它的分布式特性使其对单点故障稳健。预期这些btle包发射将在彼此的3毫秒内，并且因此大大改进定位确定精度。
[0113]
估计在仅blte模式期间rn到sn频率偏移
[0114]
在实施方案中，rn 102估计其本身与发射btle包的sn 110的星座之间的频率偏移。在2.4ghz ism频带，1ppm参考振荡器误差会导致2400hz载波偏移。由于从每个sn 110同步发射btle包，因此可假设如果rn的参考振荡器相对于sn没有误差，则在每个包的开头处的相位是可预测的。在从sn 110接收到btle包几秒之后，rn 102可估计与sn 110的频率偏移，因为它检查在btle包内的相同位置的相位相对于其他btle包的演变。如果该频率估计的估计达到100hz的不确定性，则时间误差会从一秒内0.5微秒下降到一秒内20纳秒或20英尺。如果btle包发射之间的时间是在10毫秒内，则距离误差将是0.2英尺或2.4英寸。因此，通过减少来自各个sn 110的btle包发射之间的时间并且通过更好地估计频率偏移，可减少由未在rn 102处同时接收到btle包引起的误差。
[0115]
使用来自五个sn的测距信号
[0116]
可使用来自至少五个btle包(例如，而不是四个)的信号。可通过估计频率偏移或者通过使用时间上彼此接近的btle包以最小化频率偏移对准确度的影响来减少频率偏移。另一种方式是解决频率偏移。宽带测距信号需要至少四个sn 110，因为需要对x、y、z和td求解以计算rn 102的定位。对于btle包，系统100还必须对r求解，它是rn的时钟和sn的时钟之
间的变化率。td在时间上根据td＝t
d0
rt演变，其中r以每秒累积误差秒为单位，并且t
d0
是rn和sn时钟之间的当前偏移。对于每次测量，td可在三边测量方程中替换为td＝t
d0
rt。应注意，t是进行btle包测量的时间，并且是每次btle包测量的差异。然而，btle包中的消息有足够的信息以精确地知道t。因此，尽管每个btle包测量的t不同，但只有五个未知数。这五个未知数是x、y、z、td和r。通过使用五个sn 110，系统100可对这组方程求解以计算rn 102的x、y和z。
[0117]
btle测距不需要完美的绝对频率知识
[0118]
如先前所述，不必知道sn 110的参考振荡器的频率误差。在实施方案中，只需要知道星座内的sn 110之间相对于彼此的频率偏移，并且广播该信息。这同样适用于使用btle来确定定位。如上所解释，r的估计或计算对于得到有意义的位置确定来说至关重要。事实证明，与完美频率相比，频率误差的影响是最小的。如果与完美频率参考相比，sn 110具有较大的频率偏移，则误差将是最小的。例如，假设sn 110和完美频率参考之间存在非常大的100ppm误差。如果测量并校正sn 110和rn 102之间的相对频率偏移，则由于使用光速和时间旅行计算行驶距离时的误差，该100ppm误差将仅在测量的距离上增加100ppm误差。总之，知道sn 110和rn 102之间的频率偏移很重要，但知道同一组和绝对完美参考之间的误差并不重要。
[0119]
使用wi-fi
tm
进行测距
[0120]
使用btle包进行测距的描述同样适用于使用wi-fi
tm
包进行测距。这些wi-fi
tm
包的发射可能以与如上针对btle包描述的相同方式与sn的内部pn码非常紧密地定时。另外，在使用btle包时出现的相同问题在使用wi-fi
tm
包时会出现，并且可以与如上关于btle包讨论的相同方式解决。wi-fi
tm
优于btle的优点在于蓝牙
tm
以1mhz带宽发射。这限制了仅依赖于btle包的系统100的准确度。相比之下，wi-fi
tm
标准允许在基本模式下以20mhz的带宽操作，在增强模式下以40mhz操作，并且对于最新版本的标准，在5ghz频带中以高至160mhz的带宽操作。在160mhz，良好定时的wi-fi
tm
包具有准确度良好的潜力。应注意，对于btle和wi-fi
tm
模式两者，sn 110仍测量它们本身之间的定时差，并且分别在btle和wi-fi
tm
数据包中报告该定时差。sn 110之间的这些测量可使用sn 110的宽带测距信号(rs)来完成。换句话说，即使rn 102不需要解调测距信号以确定其位置，sn 110也使用彼此的测距信号来测量彼此之间的时间和频率偏移。
[0121]
定位服务器
[0122]
上述系统100包含所有必要部件以产生工作解决方案。该系统设计以允许任何消费者在住宅环境中轻松部署系统100的目标为指导。因此，付出了很大的努力来尝试使部署尽可能简单，例如，不需要服务器或wi-fi
tm
或蓝牙
tm
配对过程。系统100在住宅部署中不需要服务器的事实也保证了用户在他们自己家中的隐私。在实施方案中，这是因为位置确定是在rn 102中计算的，并且仅用前向链路操作。sn110不知道什么rn 102在其覆盖区域内。
[0123]
然而，具有用于商业部署的服务器是有优势的。因此，虽然系统100的优选实现方式可省略服务器120，但系统100的替代实现方式可包括服务器120。该服务器120可以是在中央位置拥有和操作并服务于多个部署的一个中央服务器，或者可以是由消费者拥有和部署并且运行在需要维护的情况下具有管理级访问的授权软件的服务器。
[0124]
服务器辅助系统获取和位置确定
[0125]
在包括服务器120的系统100的实施方案中，sn 110可使用通过最近wi-fi
tm
路由器来中继通信的wi-fi
tm
收发器与服务器120进行通信。在由服务器120管理的室内环境106中操作的rn 102“嗅探”来自sn 110的btle导频或wi-fi
tm
包，以广告它们的存在。当rn 102检测到其识别为来自sn 110的包时，该rn可联系服务器102并且使用检测到的sn 110的蓝牙
tm
或wi-fi
tm
媒体访问控制(mac)地址来询问sn 110。服务器120然后可向rn 102提供辅助信息以帮助获取sn 110的星座。该辅助信息可包括在rn附近的所有sn 110，以及它们相对于彼此的定时和频率偏移。这加快了系统获取和位置确定，因为rn 102不需要等待从sn的数据信道获得所有必要的数据。相反，rn 102可从服务器120获得所有这种必要的数据。另外，来自服务器120的wi-fi
tm
链路具有比sn 110的数据信道高得多的数据速率，并且因此，与sn 110的测距信号的数据信道相比，可在非常短的时间内得到所有必要的性能且可能更多(例如，对于一大群邻居)。
[0126]
服务器更高级别应用程序
[0127]
一旦rn 102能够确定其定位，它就可任选地将数据和结果发射到服务器102。该定位信息可由服务器120用于在商用服务器120上运行的更高级别应用程序，以基于rn 102的计算定位来提供服务。在实施方案中，这些更高级别应用程序可基于从多个这样的rn 102接收到的计算定位来提供一个或多个服务。
[0128]
系统校准协助和持续改进
[0129]
由rn 102反馈给服务器120的定位信息还可用于不断地将系统100朝向更高的准确度和增加的获取速度调谐。服务器120还可通过利用来自所有参与的sn 110、rn 102和cn 114的所有报告的测量来提供安装后连续校准细化。服务器120还可加速初始校准。当使用服务器120时，可相对于建筑物中的基准来校准新安装。例如，该基准可能在建筑物的入口处。cn 114可用于进行该初始校准。之后，在建筑物内漫游的rn 102的计算定位可用于自动地将校准延伸到建筑物深处。这是因为当该rn 102进入建筑物时，它从在入口附近的由cn 114在安装时校准的sn 110接收测距信号。当该rn 102移动到建筑物中时，它利用其当前已知的定位来校准在建筑物内更深并且尚未被校准的sn 110。在建筑物内发生的rn流量越多，系统100的校准图就越来越深入到建筑物中。应注意，该方法将与距最初校准的sn 110的距离成比例地累加误差。此时，可用cn 114在建筑物的另一个内部基准处执行另一个校准，该内部基准与在建筑物的入口处的原始基准具有已知关系。这准确地锚定了相邻的sn 110，并且可从该点向内恢复校准图的准确度。
[0130]
总之，服务器120允许通过校准几个点并留下正常的rn流量填充校准孔并在正常操作过程中不断改进校准图来校准整个建筑物。在没有服务器120的住宅设置中，rn 102(例如，智能电话)可包括跟踪sn校准并在正常使用期间继续改进sn校准的应用程序扩展。使用以上机制，系统100的安装和校准是自动和自退火的。
[0131]
测距信号细节
[0132]
在实施方案中，每个sn 110连续地发射专有测距信号(rs)。测距信号可包含四个信道。第一信道是导频信道(pc)，第二信道是boc信道(bc)，第三信道是获取信道(ac)，并且第四信道是数据信道(dc)。导频和boc信道可在i基带信道上调制，并且获取和数据信道可在q基带信道上调制。
[0133]
测距信号pn偏移
[0134]
在实施方案中，系统100中的所有pn扩展码都是从最大多项式生成的，其中lfsr在翻滚之前运行整个周期。对于lfsr，周期将是2^n-1,其中n是多项式的阶数并且也是lfsr的长度(以位为单位)。如先前所述，导频信道可使用以250mcps记录的32位lfsr，boc信道可在应用250mhz方波之前在其boc生成器内部使用以125mcps记录的32位lfsr，采集信道(ac)可使用以250mcps记录的16位lfsr，并且数据信道(dc)可使用以250mcps记录的32位lfsr。lfsr代码生成器都不会过早复位或扩展(即，通过插入零或一来实现)。所有生成器在翻滚之前完成其自然2^n-1周期。所有的代码同时启动。boc周期在时间上相对于导频的周期加倍。因此，一旦启动，boc周期和导频周期将保持固定关系，除了微不足道地可求解的奇/偶模糊度。另外，ac的周期除以导频的周期，因为(2^32-1)/(2^16-1)＝2^16 1。因此，一旦启动，ac和导频也保持固定关系。
[0135]
从上所述，证明了系统100可在其信号的结构中实现码分多址(cdma)技术。在cdma中，使用相同信道的多个用户可通过使用不同的扩展多项式(即，不同的码)或者通过使用相同的码但在用户之间具有不同的pn偏移来彼此区分。在系统100中，接收器需要区分来自多个sn 110的测距信号。此外，在来自特定节点的单个测距信号中，接收器需要将导频、boc、ac和数据信道分开以分别检查它们。在系统100的实施方案中，导频、boc、ac和数据信道通过使用不同的扩展多项式来彼此区分。相同的四个多项式用于整个系统100的所有前向链路信道，而一组不同的四个多项式用于整个系统100的所有反向链路信道。系统100依靠不同的pn偏移来区分来自不同sn110或其他节点的相同信道。
[0136]
测距信号信道的随机pn偏移
[0137]
测距信号可依靠不同的pn偏移来区分来自不同节点的信号。代替向每个节点分配特定的pn偏移，系统100可允许每个节点在加电时随机拾取其pn偏移。因此，没有中央控制，并且节点不具有比任何其他节点更高的等级。因此，系统100不需要实体将pn偏移指派给加电节点并管理该资源。系统100应使不可预测地加入和退出星座的节点存在。鉴于pn偏移是随机拾取的，两个sn 110将有可能选择对于接收器看起来相同的pn偏移，并且因此不可能区分这两个sn 110。然而，至少对于导频、boc和数据信道，冲突的可能性相当低。如果假设系统100包含非常夸张的二十个左右可见且同样强的sn 110、由于最近和最远节点之间的最大100米间隔引起的83.4码片的最小间隔以及250mcps扩展速率，则两个节点之间的pn偏移冲突的概率是(20
×
83.4)/(2^32-1)或260万分之一。
[0138]
然而，获取信道的pn偏移冲突的概率要高得多，并且确实经常发生冲突，因为节点没有锁定频率并且ac pn码周期短得多(该周期为2^16-1)。然而，获取信道上的冲突是良性的。获取信道的短pn周期被设计为辅助系统获取。在获取了获取信道之后，对导频信道的搜索明显缩小。在实施方案中，获取算法首先尝试获取获取信道。在一个搜索槽中检测到能量后，获取算法在所获取的获取信道的检测到的短码定时的帮助下解析导频的定时。无论成功的搜索槽是否具有来自一个sn 110或多个sn 110的信号，接下来的步骤都是相同的。具体地，在下一步骤中，获取算法将立即知道该槽是否包含来自多于一个sn 110的能量，因为虽然ac pn偏移可频繁地冲突，但导频的pn偏移不太可能冲突，如上所示。然而，下面详述了用于解决来自多个sn 110的导频信道之间的pn偏移冲突的方法。
[0139]
pn偏移冲突解决
[0140]
在实施方案中，当sn 110加电时，该sn用随机初始状态来加载其lfsr并启动pn生
成器，但尚未接通其发射器。sn 110然后监听附近已经在操作的其他sn 110。在加电sn的pn滚动在另一个sn 110的pn滚动的128码片内的情况下，加电sn 110执行lfsr随机跳转。应注意，由于sn 110没有锁定频率，因此它们的相对pn偏移将随时间而改变，并且鉴于它们的参考振荡器之间的1ppm相对频率偏移，每秒改变多达250码片。
[0141]
因此，在正常操作期间以及在加电之后，每个sn 110可连续地检测其相对于它看到的所有其他sn 110的pn偏移位置。如果任何sn 110进入相对于邻近sn 110的128码片pn偏移内，则具有较低值mac地址的sn 110可执行避免pn码跳转的冲突。虽然使用了较低值mac地址的示例，但可使用一个或多个其他预定义标准来选择sn 110以执行pn码跳转。在任何情况下都是随机pn跳转，其中为新的pn偏移选择不与其他可见sn 110冲突的随机pn。该跳转以同步方式完成，以确保新状态与正在广播的新偏移测量一致。
[0142]
对于可这样做的频率没有限制，只要报告的测量始终与lfsr的新状态一致即可。所选择的偏移及其应用的未来时间可提前在数据信道中的数据字段中的一者中传达，以提前通知所有接收器。应注意，在该pn跳转期间，导频、boc、ac和数据信道的pn生成器可全部同时跳转相同的量，以保持它们彼此之间的关系。计划的pn跳转仅在数据帧边界上发生。因此，这些计划的pn跳转有机会大约每秒发生一次。
[0143]
最大码抽选
[0144]
在实施方案中，所有信道的pn生成器运行在再次重复之前在2^n-1码片的完整最大周期上运行。与gps不同，长码不会在序列中的任何点重置。与地面cdma小区服务不同，零或一不会作为填充插入在码滚动的末尾。因此，保持了最大lfsr码的全部特性。
[0145]
一个关键的保留特性是抽选能力。如果代替在接收器处对每个码片进行采样，将采样抽选整数倍(例如，每5个码片进行采样)，则结果得到仍然是原始pn序列的副本但在时间上移位的pn序列。这对于使用更便宜的模数转换器(adc)和处理能力比处理全带宽的250mcps信号将需要的更低的简单装置可能有用。
[0146]
位置计算更新率和处理增益
[0147]
在实施方案中，系统100支持相对缓慢移动的rn 102以及快速移动的rn 102(例如，建筑物自动化、机器人、无人机等)。无人机的经验法则是，每秒约100次的导航传感器更新率对于大多数应用来说绰绰有余。对于导频信道，在250mcps下，相关量将是约2,500,000码片长或更少，以支持该更新速率。按每相关量2,500,000码片，导频信道实现约64db的处理增益。在较高的可用snr的情况下，可在接收器处减小该相关长度。另外，对于缓慢移动的rn 102，可增加该默认导频信道接收器相关长度以在低snr条件下获得较高处理增益。可完成这两者，因为导频信道不被任何数据位调制。
[0148]
当在低于一秒的可变时间相关内时，导频信道pn码可被选择为看起来好像它的长度是无限的。如前所述，根据必要的snr，相关量可更短或更长，因为导频信道不承载任何数据调制。对于sn 110，pn码和载波之间的相位关系对于导频和boc信道必须是固定的，以利于载波相位测距技术。因此，sn 110的中心载波频率必须是pn扩展率的整数倍。在实施方案中，中心载波频率是4ghz，其是250mcps的导频扩展率的十六倍。
[0149]
导频信道(pc)
[0150]
在实施方案中，导频测距信道被设计为纯粹用于测距目的。它可以是在i基带信道上调制的二进制相移键控(bpsk)。导频信道可使用由最大长度多项式使用线性反馈移位寄
存器(lfsr)生成的伪随机数序列(pn)进行扩展。扩展可采用直接序列扩频(dsss)技术。多项式可以是32次多项式，并且因此移位寄存器是32位长的lfsr。对于最大长度多项式，这导致2^32-1的码周期。换句话说，pn位模式每2^32-1码片进行重复。扩展率是250兆码片每秒(mcps)，从而导致码滚动周期为((2^32-1)码片)/250mcps＝17.17986918秒。无论是在前向链路上还是在反向链路上，导频信道都共享相同的结构，但所选择的扩展多项式不同。
[0151]
boc信道(boc)
[0152]
在实施方案中，boc测距信道被设计为纯粹用于测距目的的最大准确度。boc码的优势在于它在较高频率下具有比数据信道周围的能量更多的能量。这个结果就是更清晰的边缘过渡以及因此更准确的定时求解，从而导致更准确的距离测量。boc的一个缺点在于，相关结果具有多于一个峰值，从而导致中心峰值检测的模糊度。幸运的是，在系统100中，导频、数据、获取和boc pn是对准的，并且系统100使用来自导频和数据信道的定时的信息来求解boc信道的相关峰值模糊度。如前所述，boc信道可相对于具有四个相关峰值的导频扩展率使用boc(0.5,1)。
[0153]
应注意，导频pn码每滚动两次，boc的pn码就滚动一次。因此，导频pn码每17.17986918秒翻滚，而boc码每34.35973836秒翻滚。因此，在获取导频信道之后，关于boc码是在码的前半部分还是码的后半部分存在模糊度。这可通过两种方式中的一种来求解。
[0154]
第一种是在两个可能位置中的一个搜索相关能量。双重模糊度恰好是1/2 boc pn滚动开，并且因此与具有多个相邻峰值的boc信道的固有模糊度正交。因此，一旦在两个位置中的一个找到能量，导频定时允许接收器检测boc定时而没有任何模糊度。
[0155]
求解这种双重模糊度的第二种方式是首先解调数据信道。数据信道位和帧边界周期等于boc码的周期。因此，一旦dc被解调，就将在没有任何模糊度的情况下知道boc定时。
[0156]
在实施方案中，与导频信道相比，boc发射功率电平更低。这是因为导频信道是主要的测距资源，而boc信道预期仅用于具有较高可用snr的苛刻应用。boc信道可在i基带信道上进行bpsk调制。来自所有节点的前向链路boc信道可将相同的多项式用于前向链路boc信道，并且将不同的多项式用于所有反向链路boc信道。反向链路上的boc发射是任选的。
[0157]
来自导频和boc信道中的每一者的二进制信号可根据期望的功率电平单独缩放，并且然后加在一起。结果可用于在测距信号发射器的i q调制器中调制i基带信道。
[0158]
获取信道(ac)
[0159]
在实施方案中，获取信道使用短的16位码，该码被设计为利于系统的快速获取。当rn 102进入附近时，并且假设没有可从服务器120或经由蓝牙
tm
或wi-fi
tm
获得的辅助信息，rn 102尝试获取可能可用的任何获取信道。使用快速傅里叶变换(fft)技术对16位码进行详尽搜索也在现代电子器件的能力内。一旦获取了获取信道，rn 102就使用该获取信道的恢复定时来缩小用于寻找相关联的导频信道的搜索窗口。
[0160]
在操作期间，只有当rn 102在没有外部帮助或先验知识的情况下从新访问的星座获取第一sn 110时才需要获取信道。一旦检测到一个获取信道并且随后检测到相关联的导频信道以及数据信道，所获取的sn 110就提供辅助信息以加速rn获取邻近的sn 110。该邻居信息足以将邻居的导频搜索窗口缩小到比获取信道可提供的窗口小得多的窗口。因此，一旦获取来自星座的一个sn 110，获取信道的作用就会减弱。因此，第一且可能唯一必要的获取信道来自最近的sn 110，并且因此将以稳健的snr到达。由于这个原因，获取信道的发
射功率可低于数据和导频信道的发射功率。获取信道可与数据信道一起在q基带信道上发射。
[0161]
在零星反向链路模式(srm)下不使用获取信道，因为srm中的想要使用反向链路的rn 102已经获取了星座并且已经很好地了解了星座中的所有sn 110的定时。然而，在crm中，反向链路确实实现了获取信道。
[0162]
ac辅助获取
[0163]
在实施方案中，为了从冷启动获取测距信号，rn 102使用fft技术来锁定到它可获得的第一获取信道。这种fft技术可在码空间和多普勒空间两者中进行搜索。一旦检测到获取信道，导频信道的长码的搜索窗口就从2^32-1降到2^16 1。假设在65,535码片上有足够的snr进行相关(因为这样可检测到获取信道)，并且假设在ac获取之后只需要搜索码空间(因为现在已经解决了多普勒频移)，则可在少于一秒内获得第一导频获取，接着是以相似的时间获得邻居列表和星座获取。这对于从冷启动进行系统获取来说是非常可接受的。
[0164]
在实施方案中，一旦获取了获取信道，搜索器就必须以65,537个假设中的一者搜索导频峰值。每个pn偏移假设与其他假设恰好相差65,535导频pn码片。由于这个原因，用于定位导频定时的搜索器必须搜索剩余的65,537个假设，其中每个假设之间恰好分开65,535pn码片。这与搜索假设是连续的典型搜索器不同。有利地，在系统100的这个实施方案中，搜索器硬件能够支持两种操作模式。
[0165]
数据信道(dc)
[0166]
在实施方案中，数据信道使用32位lfsr来生成其使用的码。它可以250mcps的主要扩展率进行扩展。每个数据位跨越(2
×
65535)＝131070码片。这给出了51.2db的处理增益。应注意，即使每个位有131,070码片长，扩展码仍然是2^32-1长。因此，sn 110之间的数据信道冲突的概率相当低。无论是在前向链路上还是在反向链路上，数据信道都共享相同的结构，但所选择的扩展多项式不同。
[0167]
数据信道结构
[0168]
在实施方案中，数据位帧与boc的pn滚动对准。由于boc的pn滚动包含导频pn滚动的两个pn滚动，因此数据信道帧与每个偶数导频pn滚动对准。在长boc码的一次码滚动中恰好具有(2
×
(2^32-1))/131070＝65537个数据位。最后一位始终设置为“0”，从而为有效载荷留下65,536位。这65,536位被分成32个数据帧。这些数据帧被标记为帧0至31。每个帧内的字段根据帧编号而不同。每个帧包含2,048位。数据帧的周期是1.07374182375秒或几乎每秒一个。为了改善数据接收并保护数据完整性，帧位被3/4前向纠错(fec)码覆盖，该前向纠错码在接收器处使用软决策维特比解码器。在fec之后，留下((2048
×
3)/4)＝1536位以承载帧中的数据。
[0169]
在实施方案中，在数据信道上使用块交织来增加对突发错误的稳健性。这在以极低的功率发射测距信号的实施方案中很重要，因为它们与以高得多的功率电平发射的用户共享频谱。在这些其他频谱用户中的一者正在发射的时候，测距信号有可能被完全屏蔽。由于使用了具有高处理增益的扩频调制，因此测距信号已经对这些干扰具有一定的稳健性。对于导频、boc和获取信道尤其如此，因为它们自身上没有任何数据调制。为了在面对可能由干扰引起的突发错误时改善数据完整性，数据信道可使用块编码将突发错误的影响分散在整个数据帧上，使得它们可由fec更好地处理。
[0170]
可在帧的前1,520位上计算16位crc码，并且将其附加到帧的末尾。因此，在发射器处，每个帧具有1,520位的数据有效载荷。一旦填充了期望的信息，发射器就计算这1,520个有效载荷位的16位crc码，并且将16位crc附加到帧的末尾。发射器然后对这1,536位进行块交织。最后，发射器用3/4 fec码覆盖这1,536位，从而产生构成发射帧的2,048位。
[0171]
在实施方案中，对数据信道进行解码的进展是首先获取导频信道。一旦获取导频定时，数据信道的定时对准就可以是两种可能性中的一种。接收器然后尝试对这两种可能性进行解码。应注意，错误的可能性具有错误的位边界和错误的字段边界，并且将无法通过crc校验。因此，在对数据位进行解码之后，很容易基于给定帧上的成功crc计算来确定正确的选项。一旦确定帧的正确定时，这也解出了boc和导频信道之间的定时模糊度。接收器现在能够在完全了解boc定时的情况下对boc信道进行解码，而没有任何模糊度。
[0172]
快速变化和缓慢变化的字段
[0173]
在实施方案中，需要在数据信道上编码以使得rn 102可确定其准确定位而不需要来自服务器120或btle或用于utdoa的wi-fi
tm
包的任何附加信息的最少信息包括：
[0174]-唯一地标识每个发射sn 110的6字节mac地址。
[0175]-每个发射sn 110相对于商定的基准的物理定位。每个x、y和z可使用四个字节，每个sn 110总计多达12个字节。
[0176]-每个发射sn 110与其多个邻近sn 110之间的时间偏移。这是pn偏移，但是时间分辨率等于系统的准确度。
[0177]-每个发射sn 110相对于其邻近sn 110的频率漂移的频率漂移模型的参数。
[0178]
上面的列表包含需要非常频繁地更新的项，以及其值相当固定的项。例如，不期望每个sn 110的物理位置每秒都改变。每个sn 110的mac地址预期不会改变。因此，这些信息字不需要存在于每个数据帧中。相反，由于节点在正常操作期间没有锁定频率，因此它们彼此之间的时间偏移可能会持续且快速地改变。每个sn 110对该信息进行建模并且仅发射频率漂移模型的参数而不是实际的时间或频率偏移。这使得接收器能够对所需的状态进行前向预测，而无需明确第接收每个帧中的状态估计，从而减少所需的数据带宽。
[0179]
数据信道处理增益
[0180]
在实施方案中，数据信道的发射功率等于导频信道的发射功率。对于数据信道，相关周期超过131,070码片。因此，一位周期上的相关几乎产生 53db处理增益，包括来自fec编码的1db。在数据信道中可容忍较低的处理增益，因为在获取导频信道之后，该数据信道在跟踪模式下同步地解码。
[0181]
扩展多项式选择
[0182]
在实施方案中，在前向链路中使用四个多项式，并且在反向链路中使用四个其他多项式。八个多项式中有六个是32位多项式，而另外两个多项式是16位多项式。在16位时并且更多地在32位时，有大量不同的最大长度lfsr多项式可供选择。最大长度多项式具有最好的自相关特性。然而，随机lfsr多项式可能具有不希望的互相关特性。为了最小化这种影响，可选择八个多项式以具有最低(即，最佳)可能的互相关特性。
[0183]
获取相对于跟踪snr
[0184]
在正常的接收器中，跟踪所需的snr低于获取信号所需的snr。在系统100中，由于一个sn 110为监听rn 102提供辅助，从一个sn 110获取测距信号极大地缩小了pn偏移和频
率偏移两者的搜索窗口。因此，在获取一个sn 110之后，获取邻近的sn 110需要更低的snr，并且可通过直接获取导频信道来完成，而无需获取获取信道。这是显著的优势，因为获取信道具有更低的功率和更短的码，其中处理增益和所得snr可能更低。给定任何预期的部署，rn 102始终预期接近至少一个sn 110。换句话说，预期rn 102将看到至少在sn 110上，其中在该sn的获取信道上具有稳健的snr。该rn 102然后可使用来自该sn 110的数据以通过直接获取导频和数据信道来检测其他sn 110，尽管它们的数据信道的snr可能较低。如图所示，系统100充分利用跟踪比搜索需要更低的snr的事实。
[0185]
多频率辅测距信号
[0186]
在实施方案中，每个sn 110可任选地发射与主测距信号(prs)相似但处于不同的中心载波频率的附加测距信号。该附加测距信号被称为辅测距信号(srs)。srs可使用不同的多项式来生成其pn序列，或者可使用与prs相同的多项式，因为它们被不同的中心载波分开。如本文的其他地方所提及，在实现方式中，prs的中心载波频率是4.0ghz。，srs可使用与prs相比不同的载波中心频率发射，但在prs的200至300mhz内。例如，srs的中心载波可以是3.750ghz或4.250ghz。
[0187]
在未来的实现方式中，可使用更高的载波频率。那时，当执行非常高精度的基于载波相位的定位确定时，多频率操作在求解整周载波周期模糊度方面变得更加有用。
[0188]
将组合的测距信号功率电平限制为低于背景热噪声
[0189]
在实施方案中，系统100的一个区别在于它将发射功率限制为低于热噪声。这允许系统100跨过被授权运营商占用和使用的频带使用非常宽的带宽。系统100还可用高扩展率直接序列扩频覆盖其测距信号。这保证由附近的任何接收器接收到的测距信号在结构上是类似噪声的，并且在功率上远低于自然热背景噪声。因此，系统100可在任何频率下操作并且对带宽几乎没有限制，而不会干扰其他用户。所有sn测距信号发射应保持低于-70dbm/mhz以遵守最严格的全球监管机构法规，从而禁止干扰占用频谱的授权使用。给定250mcps的扩展率，在单频率操作的情况下，来自一个sn 110的所有导频、boc、获取和数据信道的组合发射功率应保持低于-50dbm。在多频操作的情况下，如果prs和srs的载波频率足够接近以使主扩展波瓣紧密重叠，则可能需要进一步降低额定值。接收器(例如，rn 102、cn 114、其他sn 110)可利用扩频处理增益来接收以设定的发射功率发射的测距信号。
[0190]
在替代或附加实施方案中，当sn 110在受保护的专用频带中操作时，测距信号的发射功率可被设定为高于背景热噪声。在这种情况下，接收器(例如，rn 102、cn 114、其他sn 110)可利用扩频处理增益来改善snr。在一些实现方式中，每个sn 110可被配置为基于其正在操作的频带来调整其测距信号的发射功率。
[0191]
测距信号功率控制
[0192]
在包括管理服务器120的实施方案中，rn 102可向服务器120报告它已经获取的每个sn 110的功率电平。在一个sn 110被所有rn 102连续地报告为比所有其他sn 110更大声的情况下，服务器120可指示大声的sn 110降低所发射的测距信号发射功率。服务器120可使用尝试使来自sn 110的所有测距信号以尽可能接近的功率电平到达rn 102的优化算法。应注意，不可能确保所有的rn 102接收到相同的功率，因为它们与sn 110的距离可能不同。然而，服务器120的功率控制旨在减少异常值。
[0193]
链路预算
[0194]
在实施方案中，做出一些假设来计算增益排队。例如，假设视线衰减模型，因为除了视线信号之外的任何信号都是测距目的不期望的信号。也可假设4ghz中心载波，其中在链路的一侧上有全向天线并且在链路的另一侧上有3db增益反射器天线。另外，假设发射器和接收器可分开1米到分开多达100米。在4ghz下，1米的自由空气路径损耗是-41.5db。对于100米，路径损耗是约-81.5db。如果发射处于-47dbm，则接收器将在-88.5dbm至-128.5dbm之间接收到信号。室温下的热噪声估计为约-174dbm/hz。仅对于500mhz带宽的主波瓣，这相当于-84dbm。如果接收器能够接收更宽的带宽以包括更多旁波瓣，则snr将更差。因此，对于远离sn 110超过1米的任何接收器，sn测距信号在此类接收器的输入处低于热噪声，并且因此不应干扰此类接收器的操作。系统100可能严重依赖处理增益来使信号脱离本底噪声。
[0195]
对于室内自动化，假设每秒100次的更新率对于大多数应用是足够的。在250mcps码片率和10ms更新率的情况下，每次更新都有足够的时间来使250万码片相关联。这给出了 64db的处理增益，这足以稳健地检测-128.5dbm信号。在有利条件下，典型的信号路径损耗是约-60db。在这种典型情况下，rn 102内的来自sn 110的接收到的信号将处于
–
110dbm。在这种情况下，可能不需要 64db的处理增益。然后可减少相关长度，从而导致增加的更新率。这在rn冷启动期间在sn信号的初始获取期间可能很重要。
[0196]
测距信号开/关循环
[0197]
在系统100的实施方案中，从sn 110发射的测距信号周期性地循环开和关。这样做可能是出于两个原因：
[0198]-允许每个sn 110从邻近的sn 110接收测距信号。
[0199]-减轻近/远问题。
[0200]
应注意，调制导频、boc、获取和数据信道的所有pn生成器在发射关闭期间不会暂停。换句话说，无论发射器的输出状态如何，pn生成器都会继续以它们的正常速度运行。
[0201]
接收邻近的sn测距信号
[0202]
在系统100的实施方案中，每个sn 110必须检测来自所有邻近sn 110的测距信号，以便测量时间和频率偏移并将其广播到监听rn 102。然而，鉴于所有sn 110在相同频率上发射并且鉴于来自一个sn 110的发射信号强到足以阻挡来自所有其他sn 110的信号，sn的接收器可能被sn本身发射的测距信号的功率阻挡。虽然cdma允许使用pn偏移来分离相同频率的信号，但是在sn 110的天线处的发射信号和接收信号之间的功率差可能高于可实现的处理增益。此问题的解决方案是使发射器循环开和关。对于导频信道，可选择足够长的长码周期，以便显得真正随机。在这种情况下，即使发射在50％的时间内被阻挡，该效果也只会对接收器处的snr产生-3db影响。当sn 110的发射器关闭时，该sn 110的接收器现在可监听所有邻近的sn 110，而不必浪费大部分处理能力或adc动态范围来对抗其自身的发射信号。
[0203]
由于在实施方案中，系统100没有任何主调度器的概念，因此每个sn 110可随机地选择时间来使发射器循环开或关，只要平均占空比是50％即可。这可通过将开时间t
开
固定为最短可能积分周期的周期的一部分并且然后从0至2t
开
随机地选择关时间来完成。这可在逐个循环时间的基础上完成。控制开时间的权衡是使其足够长，使得保护时间切换开销与开时间相比变得微不足道，但也足够短以在接收器处的最短相关周期内发生至少10次。另外，定时的随机特性确保sn 110的开-关定时之间没有关系。
[0204]
每个sn 110的发射器的这种循环对测距信号内的不同信道产生不同的影响。获取
信道规定了关周期的最小长度，因为获取信道具有最短pn码周期。在数据信道内，每个位跨越131,070码片，这比65,535的ac码周期更长。导频和boc信道的码周期要长得多。如果满足获取信道的最低要求，则来自其他信道的所有要求也将被满足。因此，如果最长开-关循环周期允许在ac pn码滚动周期内至少有10次循环，则其他的都可以。最短循环周期由切换射频(rf)发射(tx)链的开销限制。这确保对数据信道的影响仅为3db，从而忽略了可忽略不计的切换时间开销的影响，而不会丢弃获取信道或丢弃数据位。
[0205]
应注意，这种tx开-关循环导致sn 110的平均-6db snr损失。然而，未使用反向链路的rn 102和cn 114仅遭受平均-3db snr损失。
[0206]
tx循环的良性干扰
[0207]
在gsm蜂窝系统时代，发射器的这种开-关硬循环被附近的无线电和tv接收器拾取。更重要的是，它们会被助听器拾取，并且向此类装置的用户呈现不期望的音调。在实施方案中，由于sn 110发射的功率非常低，系统100不会产生这样的问题。例如，gsm最大输出功率与系统100的sn 110的输出功率之比在功率上少了超过80db，分布在更宽的带宽上，并且隐藏在热噪声之下。
[0208]
减轻近/远问题
[0209]
在实施方案中，预期rn 102可比其他sn 110更接近一个sn 110。假设100米的sn范围，来自近的sn 110的信号可能比来自更远的sn 110的信号强几乎60db。更强的sn信号将在rn 102处有效地阻止其他sn 110的信号。然而，在这个近的sn 110使其发射器关闭的时间期间，来自更远的sn 110的信号不再被阻挡。这是使每个sn 110周期性地循环其测距信号发射器的另一个优点。
[0210]
sn相对频率偏移测量和跟踪
[0211]
如上所述，优选但不需要对星座中的所有sn 110进行频率锁定。虽然锁定频率是尽力型要求，但测量sn 110之间的相互频率偏移是最低要求。
[0212]
广播本地频率参考操作偏移
[0213]
每个sn 110可具有其用于在加电时生成测距信号的参考振荡器。每个sn 110还可在其数据信道中包括在将该参考振荡器用于系统100中之前已经应用于该参考振荡器的频率的任何校正。例如，与该参考振荡器相比，sn 110可能希望将操作频率增加0.1ppm。这意味着与直接从参考振荡器运行相比，sn 110中的载波频率、采样时钟、pn生成器和所有其他时钟运行快了0.1ppm。sn 110指示它在生成其操作频率时将该偏移应用于其本地参考振荡器。监听该发射sn 110的载波频率并读取在发射sn的数据信道上广播的所施加的本地偏移的另一个sn 110能够计算其自己的参考振荡器与发射sn 110的参考振荡器之间的频率偏移。监听sn然后缓慢地将偏移应用于其自己的参考振荡器信号，以便使其操作频率达到在其星座内的所有sn 110的参考振荡器的中值。
[0214]
应注意，sn 110将其操作频率调整为等于每个sn 110中的参考振荡器的中值频率，而不是它所看到的sn 110的操作频率的中值。这很重要，因为希望sn 110在作为其所有参考振荡器的频率的中值的操作频率上会聚。这意味着星座将其本身驱动到星座中的所有晶体振荡器的中值，该中值是相对恒定的物理量。相反，如果sn 110尝试锁定到sn 110的操作频率的中值，则系统100将不稳定。总之，sn 110使其操作频率缓慢地向其晶体振荡器的频率的中值而不是其操作频率的中值漂移。这就是每个sn 110广播其参考振荡器与其明显
的工作频率之间的差异的原因。
[0215]
应当理解，以上对晶体振荡器的所有引用均指作为sn 110中的本地参考振荡器的静态晶体振荡器。这与用于改变系统100的操作的压控晶体振荡器(vxco)不同。
[0216]
寻找中值
[0217]
作为示例，假设命名为sn1和sn2的两个sn 110。sn1获取sn2的信号，并且在此过程中估计sn2的频率偏移。sn1还接收sn2的rf信号和sn2的本地参考振荡器之间的报告的频率偏移。sn1使用该信息来计算其自己的参考振荡器与sn2的参考振荡器之间的频率偏移。与此同时，sn2也这样做。sn1然后缓慢地将其操作频率缓慢地转换到来自其所看到的所有其他sn 110的所有参考振荡器偏移的中值。重要的是，这种转换非常缓慢(例如，大约数十秒)，以免干扰sn相互时间漂移的rn频率偏移模型。应注意，转换发生了大约数十秒，因为这是稳定到小于ppm的一小部分所需的时间。假设尝试锁定以测量优于10十亿分率(ppb)的偏移的25mhz的参考振荡器和100mhz的vcxo将具有每秒一次的最大更新率。
[0218]
应注意，现场可编程门阵列(fpga)内的频率比较计数器需要连续地运行，而不是在每次测量结束时重置。这确保小于一个时钟周期的频率偏移最终累积到一个周期并且可被测量。
[0219]
sn频率跟踪的利用
[0220]
虽然星座内的sn 110不必将所有参考振荡器锁定到同一参考，但使同一星座内的sn 110在其参考频率方面尽可能地彼此接近会导致两个优化：
[0221]-加速rn获取星座内的sn 110。
[0222]-降低一个sn 110需要跳转其pn生成器的概率。
[0223]
加速获取
[0224]
如果星座内的所有sn 110相对于它们的参考频率接近，则将在接收器处用相同的频率搜索槽获取所有sn 110。这加速了获取和/或减少了接收器处要求的硬件。
[0225]
减少必要的pn码跳转
[0226]
由于星座中的sn 110具有变化的参考频率并且无法假设它们的频率被锁定，因此它们相对于彼此的pn码偏移关系不是静态的。在两个sn 110之间相差1ppm的情况下，鉴于250mcps的扩展率，pn相对位置可在一秒内漂移多达250码片。应注意，来自各种sn 110的信号可通过它们不同的pn偏移来相互区分。这是因为所有的sn 110都使用相同的扩展多项式。选择这种设计是因为它简化了外行人的安装。使用相同的多项式，系统100应保证在任何接收器处，来自不同sn 110的信号以不同的明显pn偏移到达。由于在没有频率锁定的情况下所有sn pn码都相对于彼此漂移，因此获取信道上发生冲突的可能性不可忽略。然而，虽然获取信道上的冲突不可忽略，但它们是良性的。幸运的是，导频、boc和数据信道上的pn冲突虽然是可能的，但未必会发生。
[0227]
考虑两个sn 110。一个sn 110更接近rn 102，而另一个更远离该rn 102。较近的sn 110距rn 102约1米，而较远的sn距rn 102远至100米。这给出了较近的sn 110和较远的sn 110之间的99米最坏情况。在250mcps下，鉴于自由空气中的光速，每个码片是4ns或约1.2米长。较近的sn 110有几分之一码片远，而较远的sn有略超过83.4码片远，从而导致相差83码片。因此，只要pn偏移大于该最小值，rn 102就应该能够区分相距100米的sn 110。系统100可被设计为确保sn 110在彼此之间保持至少128码片的明显pn偏移间隔。加电的sn 110随
机地选择开始pn偏移。回想一下，长码是4,294,967,295码片长。如果星座内的所有sn 110随机拾取它们的pn偏移，并且如果可见星座中存在具有相对相等的接收功率的二十个sn 110，则测距信道上发生冲突的概率是微不足道的250万分之一，如前所示。然而，获取信道使用的短码只有65,535码片长。冲突的概率是约50分之一。另外，鉴于sn 110由于操作频率偏移而相对于彼此滑动多达250码片每秒，sn 110的获取信道之间的冲突是不可避免的并且是可能发生的。然而，它们是良性的。然而，系统100可被设计为检测并尽可能防止长码上的冲突。
[0228]
sn 110连续地监测它在星座中看到的其他sn 110的pn偏移。通过检查相对于其他sn 110的pn偏移和码片漂移率，sn 110可估计两个pn偏移将在彼此的128码片内的未来时间。在此之前，sn执行码跳转。这是在与漂移方向相反的方向上经过128码片的码跳转。sn 110可在数据信道上以及在btle导频信道或wi-fi
tm
包(如果可用的话)上广播它打算执行跳转的时间和方向。监听sn 110和rn 102意识到这个即将发生的事件，并且它们通过所报告的128码片跳转来跳转它们在跳转sn 110的跟踪器中使用的码。它们在如由跳转sn 110指定的确切码片边界处这样做，该边界应与数据信道数据帧边界对齐。由于该校正在所有接收器中同步完成，因此不会影响相关性，并且跳转对于跟踪接收器是透明的。当sn 110跳转时，它还调整它在其数据信道上广播的其他sn 110的相对pn偏移测量。
[0229]
在实施方案中，在所有导频、boc、ac和数据信道上同时执行码跳转。由于128码片的跳转远小于数据信道中的一位的周期，因此对编码的数据信道的影响是微不足道的。码跳转与数据帧的开始同时发生，并且因此每秒有一次pn跳转的机会。
[0230]
每当sn 110实施码跳转时，它都可摆脱正在搜索它的rn 102。然而，由于sn 110每秒最多只能跳转一次，并且由于搜索器相关时间在单个短码周期内，因此跳转的效果是破坏500个搜索结果中的1个。这是可忽略不计的。此外，在给定的搜索中未找到该特定sn 110的搜索器将找到所有其他附近的sn 110，并且将开始跟踪它们的数据信道。根据它所看到的sn 110的数据信道上提供的信息，搜索器将处于获取在500次搜索中的那1次中错过的sn 110的位置。
[0231]
sn之间的不同pn码
[0232]
在商业安装中，可使用不同的多项式来优化sn 110的星座的部署。
[0233]
sn时钟偏移测量
[0234]
在实施方案中，每个sn 110使用码相位来测量其本身与从另一个sn 110接收到的信号之间的pn偏移。该测量中具有两个分量。第一分量是在两个sn 110重合(即，处于相同的确切物理位置)的情况下的实际pn偏移。第二分量是因物理地分开的事实而引起的从一个sn 110到另一个的自由空气延迟。自由空气延迟在两端显示为正延迟。第一sn 110(“sn1”)相对于第二sn 110(“sn2”)感知到的pn偏移在该偏移被sn2相对于sn1感知时具有不同符号。sn1和sn2在它们的数据信道上(例如，在btle包中)广播这些测量，并且在包括服务器120的实施方案中，将它们报告给服务器120。减去这些对称的预期测量会抵消自由空气延迟，从而得到真实pn偏移的测量，就好像两个节点物理地重合一样。鉴于测量的同时性，假设sn1和sn2之间的rf信道是对称的。在实施方案中，sn 110仅在其数据信道上报告它们测量到的明显时间差，但不尝试对其进行校正或彼此同步。减法实际上是在rn 102内经由utdoa完成的。
[0235]
除了pn偏移和两个节点之间的自由空气延迟外，上述测量还可能包含rf tx和rx硬件延迟。这是因为当tx部分在发射时，任何sn 110中的rx部分始终在监听来自其tx部分的它自己发射的测距信号。因此，连续地这些延迟的环回测量，并且对测量的延迟执行补偿。
[0236]
sn载波相位同步
[0237]
在实施方案中，在制造期间，对每个sn 110的载波相位进行校准，使得载波的零交叉与码转换时间一致。这是可能的，因为测距信号的载波频率始终是pn码跳码率的整数倍。在sn 110的发射器处，测距信号仅使用正交上变频器的i部件进行发射。在另一个sn 110的接收器处，检测到的载波相位是由于物理分离以及由于两个sn 110的本地振荡器之间的相位偏移而导致的自由空气延迟的函数。与码相位时间差测量的情况类似，每个sn 110在其数据信道上报告它所看到的其他sn 110的测量载波相位。由于自由空气传播引起的相位偏移在两侧具有相同的符号，而由于本地振荡器(lo)偏移引起的载波相位偏移具有相反的符号。通过减去两个测量，可确定星座中的所有sn 110的所有lo之间的载波相位偏移。在rn 102处执行对这些lo相位偏移的补偿。
[0238]
与前一部分中的讨论类似，连续地执行从tx部分到rx部分的环回载波相位偏移，并且根据需要在定位和定时方程中执行补偿。
[0239]
求解rn内的载波整周模糊度
[0240]
rn 102可使用测距信号的4ghz载波的接收相位来计算比仅依赖码相位时更准确的位置。与码不同，载波是周期性的。rn接收器具有对它从每个sn 110检测到的载波相位的良好估计，但是为了产生伪距，除了它正在测量的残余相位之外，rn 102还需要求解整数个载波周期。在gps中，这可通过外部协助或通过在同一定位停留数十分钟来完成，同时卫星的几何形状演变到足以求解整周模糊度。在系统100中，250mcps的扩展率仅比4ghz的载波频率小十六倍。在良好的snr下，在码内的内插一百倍是可行的。这立即求解整周载波模糊度，从而实现即时载波相位测量并实现载波相位毫米精度。系统100中采用的扩展率允许整数载波周期模糊度的直接求解，直到在25ghz范围内的载波频率。
[0241]
系统获取
[0242]
在实施方案中，由rn 102对sn 110的星座进行系统获取以用于位置确定的模式有多种。以下模式可各自单独使用或者与其他模式结合使用：
[0243]-使用获取信道短码。
[0244]-将获取信道短码与服务器120一起使用。
[0245]-使用btle包。
[0246]-将btle包与服务器120一起使用。
[0247]
使用获取信道短码而不使用服务器进行获取
[0248]
这是系统的主要操作模式。它要求rn 102获取测距信号并解调数据信道。在这种模式下，rn 102连续地搜索在获取信道中使用sn短码。它连续地测试所有可能的频率和码偏移。鉴于与测距信道长码相比数据信道码的周期相对较短，这是可行的。码偏移搜索空间是2^16-1的码周期，并且频率槽是在 /-6khz的范围内的各自600hz的二十个槽。使用fft技术来完成详尽的码搜索。使用fft对输入数据进行转换。然后将二十个旋转的码循环的fft与输入fft结果进行点乘。然后计算这二十个向量的逆fft，并且找到峰值。计算表明这可在
fpga中或者使用fpga内的两个高级精简指令集计算机(risc)机器(arm)处理器核心中的一者来完成。这种方法的优点在于，一旦执行了完整计算，就立刻检测到所有可见的sn 110。
[0249]
一旦已经获取了获取信道，rn 102然后就搜索导频信道的定时。获取了获取信道后，导频时序可处于2^16-1＝65535可能性中的一者。这些剩余的pn偏移可能性彼此隔开2^16-1码片。在2^16-1码片上以250mcps的积分时间需要约262微秒来执行。可并行搜索32个pn码片位置可能性的并行搜索器将能够在0.53秒多一点的时间内获取导频定时。
[0250]
一旦确定了导频信道定时，数据和boc信道的定时就可能只有两种可能性中的一种。对于这两种可能性，rn 102可对数据信道进行解码并恢复数据帧。正确的可能性将导致正确的循环冗余校验(crc)，并且这将指boc信道和数据信道两者的正确定时。如果有足够的可用snr并且在期望更高的boc准确度时，然后可任选地获取boc信道。
[0251]
此时可进行一些优化。代替等待从所有sn 110获取所有获取信道，一个sn 110的数据信道中有足够的信息来帮助获取邻近sn 110的长码。rn 102可以在该信息可用时立即使用该信息，而不是等待其他sn 110的所有获取信道被调制。这是关键优势，因为获取信道比导频和数据信道具有低得多的处理增益和信号功率。通过使一个获取的sn 110提供足够的数据和定时来获取所有邻近的sn 110而无需使用它们的获取信道增加了系统可用性。
[0252]
使用获取信道短码且在服务器辅助下进行获取
[0253]
该模式与上述相同，但增加了辅助服务器120。一旦rn 102获取了星座内的一个sn 110的获取信道，服务器120就可向rn 102提供辅助信息，该辅助信息有助于更快地捕获星座内的所有sn 110的长码，而无需对sn 110的数据信道进行解码以获取所需信息。基本上，rn 102仅使用服务器辅助信息来获取每个sn 110的导频信道，并且不需要对sn 110的数据信道进行解码，因为服务器120在提供所需的信息(例如，使用wi-fi
tm
)。
[0254]
在这种模式下，sn 110例如使用可用的wi-fi
tm
网络或其他无线网络用它们的定时和频率测量来不断地更新服务器120。wi-fi
tm
网络具有比sn 110的数据信道高得多的数据速率和更高的snr，并且可允许更快的更新以及从sn 110到服务器120和从服务器120到rn 102的信息递送。
[0255]
在这种模式下，对获取的sn 110的数据信道进行解调是任选的。然而，如果rn 102需要利用boc信道，则这可能是必要的，具体视应用的需要而定。
[0256]
蓝牙
tm
发起的服务器辅助获取
[0257]
在这种模式下，rn 102寻找btle包。如果它检测到btle包，则rn 102知道该btle包从其到达的sn 110的宽带导频信道的定时(低至几个码片)，并且可在一次搜索中快速地获取导频信道。rn 102将检测到的btle包的mac地址传达到服务器120。服务器120用sn 110的邻居列表进行响应，该邻居列表包含它们的相对pn偏移和它们相对于其他sn 110的频率偏移。rn 102使用该数据锁定到所有其他sn 110的导频信道。服务器120还可传送该sn 110相对于gps频率参考(在可用时)的频率偏移。提供相对于gps的sn状态对于已经很好地了解gps定时的rn 102是有用的。使用辅助信息，这些rn 102可更快地获取sn 110，这是由于这些rn熟悉gps时间并且使用由sn 110提供的与gps时间的偏移。
[0258]
rn 102使用该服务器信息来获取邻居列表上的所有sn 110的导频信道的长码。邻居列表包含服务器120已知为邻近具有来自rn 102的报告的mac地址的sn 110的所有sn 110。在获取长码导频信道之后，rn 102人选地开始解调来自每个sn 110的伴随数据信道。
此时，rn 102开始跟踪每个sn 110的导频信道。一旦rn 102跟踪四个sn 110，rn 102就可计算并不断地更新其定位(例如，向服务器120)。
[0259]
在服务器管理的系统中，sn 110可使用本地wi-fi
tm
网络不断地用它们的信息更新服务器120。最频繁的更新涉及报告给定sn 110与其邻近sn 110之间的测量时间和频率偏移。这对现代wi-fi
tm
网络来说是微不足道的流量负担。
[0260]
在这种模式下，使rn 102对获取的sn 110的数据信道进行解调是任选的。然而，如果rn 102需要利用boc信道，则这可能是必要的，具体视应用的需要而定。
[0261]
没有服务器辅助获取的蓝牙辅助
[0262]
在这种模式下，rn 102寻找btle包。当它检测到一个btle包时，rn 102使用该btle包的定时和信息来获取该sn 110的测距信号和报告的邻近sn 110。rn 102然后开始对每个sn 110的数据信道进行解调。此时，rn 102可基于导频信道的定时和数据信道中包含的信息来跟踪和计算其位置。
[0263]
使用仅btle操作进行测距
[0264]
在这种模式下，rn 102没有能力或不需要获取宽带测距信道或sn 110的数据信道。这里的rn 102仅具有严格定时的蓝牙
tm
调制解调器。在这种模式下，rn 102监听btle导频。如果它能够看到来自五个单独的sn 110的btle包，则它可计算出稳健的位置。rn 102继续监听sn 110并且不断地改进其对自身与发送btle包的sn 110的星座之间的频率偏移的估计。
[0265]
rn 102有可能在某一时刻上获得对频率偏移的足够好的估计，以便对该频率偏移进行补偿。这将允许rn 102使用仅来自四个sn 110的btle包来确定其定位，因为rn 102现在以期望的精度知道btle包测量之间的时间漂移率的第五变量。
[0266]
使用仅wi-fi
tm
操作进行测距
[0267]
该模式与上述仅使用btle广告包非常相似，除了使用符合802.11 wi-fi
tm
的包而不是btle包。在这两种情况下，这些包的形式相对于从sn 110发射时的宽带导频信道的定时受到严格控制，并且被携带在这些包的有效载荷中或从服务器递送到rn 110。
[0268]
在漫游节点中包括imu
[0269]
以仅前向链路测距操作的漫游节点(rn)102不发射测距信号，并且因此不需要宽带传输链。rn 102对接收链有更严格的宽带要求，以对抗多径信号。在其他方面，rn 102与sn 110共享相同的硬件要求。在实施方案中，rn 102使用惯性测量单元(imu)以通过卡尔曼滤波来提高定位准确度。因此，稀疏高斯过程(sgp)可使用三轴加速度计、三轴陀螺仪和/或三轴磁传感器。rn 102和cn 114使用imu提高了系统准确度。
[0270]
使用校准节点进行系统校准
[0271]
在放置了sn 110之后，应该校准它们的位置。校准节点(cn)114可用于执行该功能。位置校准涉及确定已安装的sn 110的物理定位。该位置是相对于选定的基准确定的。这里为简单起见，假设当从房间内部看门时，房间中的基准是入口门框的左上角。然而，可选择其他基准。cn 114是由位于一个平面内、不共线并且以机械刚性方式在空间上彼此分离的四个或更多节点组成的复合节点。它们彼此之间的物理关系是固定且已知的。例如，四个节点可附接到非传导材料的刚性片材，其中它们的相对位置是在制造期间确定的。该片材悬挂在入口门上。在悬挂时，节点和门的左上角之间很容易建立已知的物理关系。这建立了
房间基准(例如，门的左上角)和每个节点之间的关系。每个节点然后获取房间中的每个sn 110的导频和boc信道。由于cn 114中有四个节点，因此每个sn 110的定位由来自该sn 110的测距信号在被cn 114中的四个节点接收到时的测量值唯一地标识。由于节点是平面的，因此对于每个sn 110的位置存在双选项模糊度。这在门摇摆时被立即解决。
[0272]
因此，一般的校准程序是将复合cn 114相对于选定的基准正确放置，并且然后将该cn 114移动一点点。这立即确定房间中的所有可见sn 110的定位。一旦准确地确定了多个sn 110的位置，rn 102就可简单地穿过场所。当rn 102在整个建筑物中漫游时，这将自动校准越来越多的已安装sn 110。之后，随着更多的rn 102在正常使用下漫游建筑物，系统100可不断地改进sn 110的校准。
[0273]
绝对时间(lpxt)
[0274]
使用utdoa，系统100不需要了解绝对时间或时间标准来提供准确的位置定位。然而，作为附加特征，系统100可实现一种绝对时间，在此称为lpx时间或lpxt。在某些条件下，知道lpxt可加速rn 102的系统获取。
[0275]
系统100的时间参考可被定义为从gps时间定义的任意参考日期(例如，2019年4月7日)的第一时钟秒开始。使用军用时间标记法，lpxt将在参考日期的时、分和秒为00:00:00时开始。在该瞬间，测距信号的长pn将从全一状态滚动到下一状态。通过对自参考日期的开始时间起长pn码的pn滚动进行计数来保持lpxt。应注意，gps时间与协调通用时间(utc)的不同之处在于utc偶尔减慢以校正地球自转的减速的秒数。gps不应用这些校正，并且在实施方案中，lpxt也不应用。例如，2019年gps时间与utc时间相差18秒，并且lpxt也是如此。sn 110可在可用时广播该差异。
[0276]
在实施方案中，选择2019年4月7日作为参考日期。在gps时间中，按一周的秒数和自1980年1月6日的gps开始时间以来经过的周数报告时间。然而，gps只使用十位来报告周计数。因此，gps中的周计数每19.6年翻滚一次。2019年4月6日星期六的午夜，gps周计数翻滚并在2019年4月7日的第一秒开始新的计数。在此翻滚时间启动lpxt无需额外的转换步骤，同时使用当代日期。
[0277]
使用lpxt来进行更快的获取
[0278]
在实施方案中，只要可用，sn 110就将计算其内部时钟与lpxt之间的时间差，并且将在其数据信道中报告该时间差。这可帮助很好地了解gps或lpxt的rn 102进行系统获取。然而，提供该信息是任选的，因为并非每个sn 110或甚至sn 110的星座都可具有对它们可用的该信息。
[0279]
在存在知道星座的绝对时间与gps时间之间的差异的服务器120的情况下，来自室内环境106外部的很好地了解gps时间并从服务器120接收辅助信息的rn 102可直接锁定到所有附近sn 110的导频信道上，而无需使用它们的获取或数据信道。只要星座内至少有一个sn 110具有gps接收器并能看到外面的天空，这就是可能的。这样的sn 110可向服务器120提供星座时间和gps时间的差异的测量，从而便于很好地了解gps时间的rn 102通过具有gps接收器或通过以rf载波和gps得出的信号定时锁定到蜂窝通信网络的定时来更快地获取。
[0280]
使用lpxt来提供定位校正绝对时间
[0281]
除了有助于获取之外，在sn 110中使用lpxt还允许接收器以与定位无关的方式来
设置它们的时钟，因为sn 110报告的lpxt时间已经针对来自星座内的gps锁定的参考的信号的传播时间进行了校正。
[0282]
示例性过程
[0283]
图2示出了根据实施方案的可由每个sn 110执行的示例性过程。在步骤210中，sn 110发射测距信号。在步骤220中，sn 110从一个或多个邻近sn中的每一者接收测距信号。在步骤230中，sn 110计算其测距信号与来自邻近sn的接收到的测距信号之间的偏移(例如，时间偏移和频率偏移)。在步骤240中，sn 110将计算的偏移并入其测距信号中。
[0284]
图3示出了根据实施方案的可由每个rn 102执行的示例性过程。在步骤310中，rn 102从多个sn 110接收测距信号。在步骤320中，rn 102基于接收到的测距信号的utdoa来计算其在室内环境106内的定位(例如，三维位置)。
[0285]
使用测量节点来报告偏移
[0286]
如上所述，系统100可包括在时间或频率上不与其他附近的sn 110同步的sn 110以实现utdoa。每个sn 110连续地监听来自附近sn 110的测距信号，并且使用该信息来测量其自身与每个检测到的sn 110之间的时间和频率误差。sn 110然后例如以前向预测建模方程的系数的形式将这些偏移估计广播到附近的任何rn 102。
[0287]
在替代实施方案中，系统100可包括测量节点(mn)118。例如，sn 110的每个星座可包括单个mn 118。mn 118可放置在室内环境106的中间或附近，使得mn 118可检测来自室内环境106中的所有sn 110的信号。例如，方便的定位将是在室内环境106内的烟雾报警器或照明装饰中。mn 118知道其相对于sn 110的定位，并且与先前描述的实施方案中的sn 110类似或相同地，能够估计它所看到的所有sn 110的频率和定时偏移。mn 118然后将这些偏移(例如，作为前向预测建模方程的参数)广播到室内环境106中的rn 102以及sn 110。使用该信息，监听rn 102可使用先前描述的utdoa方法来计算其定位。另外，从mn 118的广播数据被sn 110接收并且在那些sn的测距信号上广播。
[0288]
使用mn 118，sn 110不再需要自己测量其邻近的sn 110的偏移。sn 110可简单地使用btle包或wi-fi
tm
包将该信息中继到rn 102，如本文中其他地方所述。因此，sn 110可由测距信号接收器和发射器以及btle或wi-fi
tm
模块组成。这不仅降低了sn 110的成本(例如，因为sn 110不需要具有处理资源来测量偏移)，而且还降低了sn 110的功耗，使得电池操作数月或几年变得可行，从而简化了安装(例如，因为电池操作消除了对电力主干的需要)。
[0289]
图4a示出了根据实施方案的可由mn 118执行的示例性过程。在步骤410中，mn 118从星座中的所有sn 110接收测距信号。在步骤420中，mn 118为星座中的所有sn 110计算接收到的测距信号之间的偏移(例如，时间偏移和频率偏移)。在步骤430中，mn 118在室内环境106内广播计算的偏移。
[0290]
图4b示出了根据实施方案的可由具有mn 118的星座中的每个sn 110执行的示例性过程。在步骤450中，sn 110接收由mn 118广播的偏移。在步骤460中，sn 110发射包括接收到的偏移的测距信号。
[0291]
示例性处理装置
[0292]
图5是用于执行与图1的系统100相关联的方法的装置的功能框图。例如，系统550可用作rn 102、sn 110和服务器120、其他用户装置、计算机或者上述方法和各种通信的等效平台、装置或进程中的一者或多者或与其结合使用。系统550可以是服务器(例如，服务器
120)、移动装置(例如，rn 102或cn 114)、发射器或收发器装置(例如，sn 110)、任何常规的个人计算机，或能够进行有线或无线数据通信的任何其他启用处理器的装置。如本领域技术人员将清楚，也可使用其他计算机系统和/或架构。
[0293]
系统550优选地包括一个或多个处理器，诸如处理器560。可提供附加的处理器，诸如用于管理输入/输出的辅助处理器，用于执行浮点数学运算的辅助处理器、具有适合于快速执行信号处理算法的架构的专用微处理器(例如，数字信号处理器)、从属于主处理系统的从处理器(例如，后端处理器)、用于双或多处理器系统的附加微处理器或控制器、或协处理器。这样的辅助处理器可以是分立处理器，或可与处理器560集成。
[0294]
处理器560优选地连接到通信总线555。通信总线555可包括用于促进存储设备与系统550的其他外围部件之间的信息传送的数据信道。此外，通信总线555可提供用于与处理器560通信的一组信号，所述通信总线包括数据总线、地址总线和控制总线(未示出)。通信总线555可包括任何标准或非标准总线架构，诸如，例如符合工业标准机构(isa)、扩展工业标准架构(eisa)、微信道架构(mca)、外围部件互连(pci)局部总线或由电气和电子工程师协会(ieee)颁布的标准的总线架构，包括ieee 488通用接口总线(gpib)、ieee 696/s-100等。
[0295]
系统550优选地包括主存储器565并且还可包括辅助存储器570。主存储器565为在处理器560上执行的程序(诸如上文讨论的功能和/或模块中的一者或多者)提供指令和数据的存储。应当理解，可根据任何适合的语言(包括但不限于c/c 、java、javascript、perl、vi sual basic、.net等)来编写和/或编译存储在存储器中并由处理器560执行的程序。主存储器565通常是基于半导体的存储器，诸如动态随机存取存储器(dram)和/或静态随机存取存储器(sram)。其他基于半导体的存储器类型包括例如同步动态随机存取存储器(sdram)、rambus动态随机存取存储器(rdram)、铁电随机存取存储器(fram)等，包括只读存储器(rom)。
[0296]
辅助存储器570可任选地包括内部存储器575和/或可移除介质580，例如软盘驱动器、磁带驱动器、压缩盘(cd)驱动器、数字多功能盘(dvd)驱动器、其他光学驱动器、闪存存储器驱动器等。可移除介质580以众所周知的方式读取和/或写入。可移除存储介质580可以是例如软盘、磁带、cd、dvd、sd卡等。
[0297]
可移除存储介质580是其上存储有计算机可执行代码(即，软件)和/或数据的非暂时性计算机可读介质。存储在可移除存储介质580上的计算机软件或数据被读取到系统550中以由处理器560执行。
[0298]
在替代实施方案中，辅助存储器570可包括用于允许将计算机程序或其他数据或指令加载到系统550中的其他类似装置。这样的装置可包括例如外部存储介质595和接口590。外部存储介质595的示例可包括外部硬盘驱动器或外部光学驱动器、或和外部磁光驱动器。
[0299]
辅助存储器570的其他示例可包括基于半导体的存储器，诸如可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除只读存储器(eeprom)或闪存存储器(类似于eeprom的面向块的存储器)。还包括任何其他可移除存储介质580和通信接口590，它们允许软件和数据从外部介质595传送到系统550。
[0300]
系统550可包括通信接口590。通信接口590允许软件和数据在系统550与外部装置
(例如，打印机)、网络或其他信息源之间传送。例如，计算机软件或可执行代码可经由通信接口590从网络服务器传送到系统550。通信接口590的示例包括内置网络适配器、网络接口卡(nic)、个人计算机存储卡国际协会(pcmcia)网络卡、卡总线网络适配器、无线网络适配器、通用串行总线(usb)网络适配器、调制解调器、网络接口卡(nic)、无线数据卡、通信端口、红外接口、ieee 1394火线、或能够使系统550与网络或另一个计算装置介接的任何其他装置。
[0301]
通信接口590优选地实现行业颁布的协议标准，诸如以太网ieee 802标准、光纤信道、数字订户线(dsl)、异步数字订户线(adsl)、帧中继、异步传送模式(atm)、综合数字服务网络(isdn)、个人通信服务(pcs)、传输控制协议/互联网协议(tcp/ip)、串行线路互联网协议/点对点协议(slip/ppp)等，但也可实现定制的或非标准的接口协议。
[0302]
经由通信接口590传送的软件和数据通常采用电通信信号605的形式。这些信号605优选地经由通信信道600提供给通信接口590。在一个实施方案中，通信信道600可以是有线或无线网络，或任何种类的其他通信链路。通信信道600携载信号605，并且可使用各种有线或无线通信方式来实现，包括电线或电缆、光纤、常规电话线、蜂窝电话链路、无线数据通信链路、射频(“rf”)链路或红外链路，仅举几例。
[0303]
计算机可执行代码(即，计算机程序或软件)存储在主存储器565和/或辅助存储器570中。计算机程序还可经由通信接口590接收并且存储在主存储器565和/或辅助存储器570中。这样的计算机程序在被执行时使得系统550能够执行如先前描述的本发明的各种功能。
[0304]
在本说明书中，术语“计算机可读介质”用于指代用于向系统550提供计算机可执行代码(例如，软件和计算机程序)的任何非暂时性计算机可读存储介质。这些介质的示例包括主存储器565、辅助存储器570(包括内部存储器575、可移除介质580和外部存储介质595)，以及与通信接口590通信地耦合的任何外围装置(包括网络信息服务器或其他网络装置)。这些非暂时性计算机可读介质是用于向系统550提供可执行代码、编程指令和软件的装置。
[0305]
在使用软件实现的实施方案中，软件可存储在计算机可读介质上，并且通过可移除介质580、i/o接口585或通信接口590加载到系统550中。在这样的实施方案中，软件以电通信信号605的形式加载到系统550中。当由处理器560执行时，软件优选地使处理器560执行本文先前描述的发明特征和功能。
[0306]
在实施方案中，i/o接口585提供在系统550的一个或多个部件与一个或多个输入和/或输出装置之间的接口。示例性输入装置包括但不限于键盘、触摸屏或其他触敏装置、生物感测装置、计算机鼠标、轨迹球、基于笔的指示装置等。输出装置的示例包括但不限于阴极射线管(crt)、等离子显示器、发光二极管(led)显示器、液晶显示器(lcd)、打印机、真空荧光显示器(vfd)、表面传导电子发射显示器(sed)、场发射显示器(fed)等。
[0307]
系统550还可包括有助于通过语音和通过数据网络进行无线通信的任选无线通信部件。无线通信部件包括天线系统610、无线电系统615和基带系统620。在系统550中，在无线电系统615的管理下，通过天线系统610空中发射和接收射频(rf)信号。
[0308]
在一个实施方案中，天线系统610可包括一个或多个天线以及一个或多个复用器(未示出)，所述复用器执行切换功能以向天线系统610提供发射和接收信号路径。在接收路
径中，可将接收到的rf信号从复用器耦合到低噪声放大器(未示出)，该低噪声放大器放大接收到的rf信号并且将放大后的信号发送到无线电系统615。
[0309]
在替代实施方案中，无线电系统615可包括被配置为在各种频率上进行通信的一个或多个无线电。在一个实施方案中，无线电系统615可在一个集成电路(ic)中组合解调器(未示出)和调制器(未示出)。解调器和调制器也可以是独立的部件。在传入路径中，解调器剥离rf载波信号而留下基带接收音频信号，该基带接收音频信号被从无线电系统615发送到基带系统620。
[0310]
如果接收到的信号包含音频信息，那么基带系统620对该信号进行解码并且将其转换为模拟信号。然后，信号被放大并且发送到扬声器。基带系统620还从传声器接收模拟音频信号。这些模拟音频信号被转换为数字信号，并且由基带系统620编码。基带系统620还对数字信号进行编码以供传输，并且生成被路由到无线电系统615的调制器部分的基带传输音频信号。调制器将基带传输音频信号与rf载波信号混合，从而生成rf传输信号，该rf传输信号被路由到天线系统并且可通过功率放大器(未示出)。功率放大器放大rf传输信号并且将其路由到天线系统610，在该天线系统中，信号被切换到天线端口以供传输。
[0311]
基带系统620还与处理器560通信地耦合。中央处理单元560可访问数据存储区565和570。中央处理单元560优选地被配置为执行可存储在存储器565或辅助存储器570中的指令(即，计算机程序或软件)。计算机程序也可从基带处理器610接收并且存储在数据存储区565或辅助存储器570中，或者在接收时执行。这样的计算机程序在被执行时使得系统550能够执行如先前描述的本发明的各种功能。例如，数据存储区565可包括各种软件模块(未示出)。
[0312]
其他方面
[0313]
贯穿本说明书对“一个实施方案”、“实施方案”、“一些实施方案”等的提及意味着结合实施方案描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，这些短语在本说明书中出现未必全部指同一实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构、材料或特性可以任何合适的方式组合。
[0314]
前述方法描述和过程流程图仅作为说明性示例提供，并且不意图要求或暗示各种实施方案的操作必须按照呈现的次序执行。如本领域技术人员将理解，前述实施方案中的操作次序可以任何次序执行。诸如“之后”、“然后”、“下一个”等词语并不意图限制操作的次序。相反，这些词语只是用来引导读者了解方法的描述。此外，以单数形式(例如，使用冠词“一个”、“一种”或“所述”)对权利要求要素的任何引用不应被解释为将要素限制为单数。
[0315]
用于实现结合本文所公开的各种实施方案描述的各种方法、系统、块和模块的硬件可用被设计为执行本文所述的功能的通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、分立的硬件部件或它们的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在替代方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可被实现为接收器装置的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器连同dsp核心或任何其他此类配置。替代地，一些操作或方法可由特定于给定功能的电路来执行。
[0316]
在一个或多个示例性实施方案中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或它们的任何组合中实现。如果在软件中实现，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在非暂时性
计算机可读介质或非暂时性处理器可读存储介质上。本文公开的方法或算法的操作可体现在处理器可执行指令中，所述处理器可执行指令可驻留在非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质上。非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质可以是可由计算机或处理器访问的任何存储介质。举例来说而非限制，此类非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质可包括随机存储存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪存存储器、cd-rom或其他光盘存储设备、磁盘存储设备或其他磁存储装置，或可用于存储呈指令或数据结构形式的期望的程序代码并可由计算机访问的任何其他介质。如本文所用的磁盘和光盘包括压缩盘(cd)、激光盘、光盘、数字通用盘(dvd)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘用激光光学地再现数据。上述的组合也被包括在非暂时性计算机可读和处理器可读介质的范围内。另外地，方法或算法的操作可作为一个或任何组合或一组代码和/或指令驻留在非暂时性处理器可读存储介质和/或计算机可读存储介质上，其可并入计算机程序产品中。
[0317]
应当理解，所公开的过程/流程图中的框的特定次序或层级是示例性方法的说明。基于设计偏好，应当理解，过程/流程图中的框的特定次序或层级可被重新布置。此外，一些框可组合或省略。所附的方法权利要求以样本次序呈现各个框的要素，并且不意图限于所呈现的特定次序或层级。
[0318]
提供前面的描述以使得本领域的任何技术人员能够实践本文描述的各个方面。本领域技术人员将容易明白对这些方面的各种修改，并且本文定义的通用原理可适用于其他方面。因此，权利要求并不意图受限于本文示出的方面，而是符合与语言权利要求一致的全部范围，其中对单数要素的提及并非意图意指“一个和仅仅一个”，除非这样明确阐述，而是意指“一个或多个”。
[0319]
词语“示例性”在本文中用于意指“作为示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何方面未必被解释为优选于或优于其他方面。除非另有明确陈述，否则术语“一些”是指一个或多个。
[0320]
贯穿本公开所描述的各个方面的要素的所有结构和功能等效物对于本领域的普通技术人员来说是已知的或以后将会知道的，都通过引用明确地并入本文并且意图被权利要求所涵盖。另外，本文所公开的任何内容均不意图献给公众，无论此类公开内容是否在权利要求中明确陈述。词语“模块”、“机制”、“元件”、“装置”等不能代替词语“手段”。因此，权利要求要素均不应解释为手段加功能，除非该要素使用短语“用于
……
的手段”来明确地陈述。
[0321]
虽然本公开提供了某些示例性实施方案和应用，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施方案也在本公开的范围内，包括不提供本文中阐述的所有特征和优点的实施方案。因此，本公开的范围仅通过参考所附权利要求书来限定。