專利名稱：在主/從網(wǎng)絡(luò)和ad hoc網(wǎng)絡(luò)中通過竊聽消息完成傳輸時間測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于獲取無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的距離或傳輸時間信息的方法和裝置。
與使用有線網(wǎng)絡(luò)相比，使用無線網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)點，并且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信管理對它的成功來說具有重要意義。為了從一個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)到另一個節(jié)點，需要確定所述節(jié)點的位置并且確定路由。無線節(jié)點的位置可能變化很快，而且需要經(jīng)常對所有節(jié)點的位置進(jìn)行更新，這使網(wǎng)絡(luò)管理變得更困難。
無線網(wǎng)絡(luò)的一個例子是智能家庭網(wǎng)絡(luò)，其中用戶可以在遠(yuǎn)程位置控制家里的設(shè)備和/或其中設(shè)備的行為隨用戶的位置發(fā)生變化。具有低能耗的節(jié)點在這種網(wǎng)絡(luò)中是首選的。低能耗意味著節(jié)點可以在標(biāo)準(zhǔn)電池上運行，該種電池在理論上只在幾年才更換一次，或者至多一年更換幾次?；蛘?，他們可通過例如使用太陽能面板這樣的其它方式來提供動力。因此，供電和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的花費是很低的。得到網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間的距離的傳統(tǒng)方法包括節(jié)點A發(fā)送測距請求給節(jié)點B。節(jié)點B發(fā)送這樣的應(yīng)答，該應(yīng)答包括與請求到達(dá)的時間和應(yīng)答被發(fā)出的時間相關(guān)的信息。節(jié)點A于是可以計算節(jié)點A和節(jié)點B之間的距離。而且，可以確定節(jié)點A的時鐘和節(jié)點B的時鐘之間的時鐘偏移，這可使這些節(jié)點同步。此外，如果節(jié)點A希望與在節(jié)點A的傳輸范圍之外但在節(jié)點B的傳輸范圍之內(nèi)的節(jié)點C進(jìn)行通信，那么節(jié)點B可以針對節(jié)點C執(zhí)行測距程序并且將報告返回至節(jié)點A。在收到來自節(jié)點C的傳輸范圍之內(nèi)的許多節(jié)點的距離信息之后，節(jié)點A就能夠確定它與節(jié)點C能夠進(jìn)行通信的最優(yōu)路由。
但是，上述方法存在許多問題需要定期更新距離信息，并且如果網(wǎng)絡(luò)中存在大量節(jié)點，那么測距請求和響應(yīng)就會與網(wǎng)絡(luò)中的其它通信發(fā)生沖突。上述測距方法還會過分使用網(wǎng)絡(luò)中的低功率節(jié)點，結(jié)果不得不比預(yù)期地更頻繁地更換節(jié)點的電池。而且，在主/從網(wǎng)絡(luò)中，從節(jié)點只被允許直接與主節(jié)點進(jìn)行通信，而不允許與其它從節(jié)點進(jìn)行通信，這樣就不能確定兩個從節(jié)點之間的距離。因此，只能一維地指定節(jié)點的位置，即自主節(jié)點起的距離。
美國專利號6,006,097公開了一種系統(tǒng)和方法，其中減少了在無線網(wǎng)絡(luò)的移動站和多個基站之間所傳輸?shù)南?shù)量，以便可找到移動站相對于多個基站中的每一個的位置。根據(jù)所公開的方法，不是發(fā)送單獨的消息給多個基站中的每一個，移動站在可由多個基站的全體接收的消息中發(fā)送位置信息。然而，該方法只允許在移動站和一小部分節(jié)點即基站間交換位置信息。而移動站無法直接地向其它移動站傳送位置信息。
本發(fā)明設(shè)法解決上述問題。
依照本發(fā)明，提供一種用于確定網(wǎng)絡(luò)中的包括有第一、第二和第三節(jié)點的節(jié)點之間的距離關(guān)系的方法，其中所述第二節(jié)點在第一和第三節(jié)點的傳輸范圍之內(nèi)，所述方法包括第三節(jié)點竊聽從第二節(jié)點發(fā)送給第一節(jié)點的第一消息。
在一個實施例中，所述消息包括對從第一節(jié)點發(fā)送給第二節(jié)點的測距請求作出響應(yīng)的第一消息，并且第一消息還包括第一時間信息；而且，第三節(jié)點發(fā)送包括第二時間信息的第二消息來應(yīng)答第一消息。如果第一節(jié)點收到第一消息，它就具有足夠的信息來確定第一節(jié)點和第二節(jié)點間的距離。類似地，如果第二節(jié)點收到第二消息，那么它也就具有足夠的信息來確定第二節(jié)點和第三節(jié)點間的距離。
所述方法的一個優(yōu)點在于僅需要發(fā)送三條消息，用于第一節(jié)點確定至第二節(jié)點的距離，以及第二節(jié)點確定至第三節(jié)點的距離，而在傳統(tǒng)方法中，需要四條消息。
此外，依照本發(fā)明，如果所述網(wǎng)絡(luò)是主/從網(wǎng)絡(luò)，而且第二和第三節(jié)點是從節(jié)點，那么所述方法還可以包括第二消息，該第二消息被發(fā)送給主設(shè)備并且第二節(jié)點通過竊聽來接收該第二消息。
因此，本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于可以確定主/從網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點間的距離。
依照本發(fā)明，還提供了用作無線網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點的一種設(shè)備，所述網(wǎng)絡(luò)具有不同于所述節(jié)點的第一節(jié)點和第二節(jié)點，所述設(shè)備包括用于竊聽從第二節(jié)點發(fā)送至第一節(jié)點的第一消息的裝置，以及用于測量時間信息的時間裝置。在一個實施例中，所述節(jié)點還包括用于發(fā)送第二消息以響應(yīng)第一消息的發(fā)送器，其中第二消息包括所述時間信息。
因此，如果第一消息的源節(jié)點收到第二消息，就可以確定節(jié)點間的距離關(guān)系。
更進(jìn)一步，依照本發(fā)明，節(jié)點可以被配置為在由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分配給節(jié)點的一個時隙中發(fā)送所述第二消息。因此，可以避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。
更進(jìn)一步，依照本發(fā)明，節(jié)點可以被配置為在其處于睡眠模式時接受第一消息。
現(xiàn)在將參照附圖以舉例的方式描述本發(fā)明的實施例，其中

圖1是適用于無線網(wǎng)絡(luò)的低功率設(shè)備的示意圖；圖2是適用于無線網(wǎng)絡(luò)的低功率設(shè)備的另一示意圖；圖3說明了圖1和圖2所說明的設(shè)備中的協(xié)議層；圖4說明了根據(jù)一種傳統(tǒng)方法的在無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的測距請求和響應(yīng)；圖5說明了根據(jù)本發(fā)明的在無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的測距請求和響應(yīng)；圖6說明了根據(jù)本發(fā)明的在無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點間發(fā)送的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)；圖7說明了根據(jù)本發(fā)明的在包括多個節(jié)點的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的測距請求和響應(yīng)；圖8說明了根據(jù)本發(fā)明的在主/從網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的測距請求和響應(yīng)；以及圖9說明了可以使用本發(fā)明的一種情況的具體例子。
參照圖1，顯示了提供一種用于在短程網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的節(jié)點的設(shè)備1。該節(jié)點可以被連接到家庭中的機(jī)頂盒以用于控制把單個電子設(shè)備連接到一起的短程網(wǎng)絡(luò)，或者它可以是由短程網(wǎng)絡(luò)的用戶佩帶的便攜式設(shè)備。設(shè)備1包括用于發(fā)射和接收射頻信號3的短程收發(fā)器2、中央處理器4、內(nèi)存(ROM)5、存儲器(RAM)6和用于與其它節(jié)點同步的內(nèi)部時鐘7。在一個實施例中，設(shè)備1還包括用于與用戶通信的輸入設(shè)備8和顯示器9。該設(shè)備還與電池相連接(未示出)。網(wǎng)絡(luò)要求至少一個充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的節(jié)點。用戶可以使用輸入設(shè)備8和顯示器9與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，并且從而控制網(wǎng)絡(luò)?；蛘?，所述用戶可以使用移動電話或BluetoothTM設(shè)備與使用射頻信號的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。因此，在一個可選實施例中，協(xié)調(diào)器可以不具有輸入設(shè)備8和顯示器9。
因此，設(shè)備1可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。與網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點相比，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通常具有增強(qiáng)的功能。例如，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會需要更多的內(nèi)存和存儲器以建立網(wǎng)絡(luò)、啟動與網(wǎng)絡(luò)相連接的設(shè)備以及存儲與包含在網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點相關(guān)的信息。參照圖2，顯示了一種沒有被配置為充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)備10的例子。設(shè)備10同樣包括用于接收和發(fā)送射頻信號3的短程收發(fā)器11、中央處理器12、內(nèi)存(ROM)13、存儲器(RAM)14和內(nèi)部時鐘15。然而，該處理器與設(shè)備1的處理器相比具有較低的處理能力，并且設(shè)備10的內(nèi)存和存儲器小于設(shè)備1的內(nèi)存和存儲器。此外，由于設(shè)備10可以與設(shè)備1定期同步，所以設(shè)備10的內(nèi)部時鐘15比設(shè)備1的時鐘更欠精確。因此，設(shè)備10與設(shè)備1相比具有更低的功率消耗并且更便宜。存在設(shè)備1和多個設(shè)備10可以彼此進(jìn)行通信的多種不同的方法。在一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，在范圍之內(nèi)，每個設(shè)備10或1都可以直接地與每個其它設(shè)備10或1進(jìn)行通信。然而，在主/從網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備1可以與網(wǎng)絡(luò)中的所有其它設(shè)備進(jìn)行通信，但設(shè)備10只可以與設(shè)備1進(jìn)行通信。
優(yōu)選地，設(shè)備10和設(shè)備1適應(yīng)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。然而，這些設(shè)備還可以適應(yīng)其它標(biāo)準(zhǔn)比如HomeRF、Bluetooth和IEEE 802.11x。依照ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，可以無線連接255個設(shè)備以形成網(wǎng)絡(luò)，盡管更多數(shù)目的設(shè)備可以使用多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線連接。設(shè)備可以操作在2.4GHz、915MHz和/或868MHz射頻頻帶；分別支持250每秒千比特(kbps)、40kbps和20kbps的原始數(shù)據(jù)傳送速率，并且典型地具有10至75米的傳輸范圍。然而，為了降低節(jié)點的造價，傳輸范圍可以在2至5米之間。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的概述可以經(jīng)由萬維網(wǎng)在www.ziqbee.org或從ZigBee Alliance，Bishop Ranch，22694Bishop Drive，Suite 275，San Ramon，CA 94583，USA.獲得。
圖3顯示了適應(yīng)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的協(xié)議層體系結(jié)構(gòu)。該設(shè)備根據(jù)基于為短距低功率設(shè)備所開發(fā)的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行操作。該標(biāo)準(zhǔn)包括控制設(shè)備間的通信的物理(PHY)層16。PHY協(xié)議定義了也被稱為物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)的在設(shè)備間所發(fā)送的數(shù)據(jù)單元的整體結(jié)構(gòu)。PPDU包括由MAC協(xié)議層17定義的MAC(介質(zhì)訪問控制)協(xié)議數(shù)據(jù)單元。MAC協(xié)議層17定義了在數(shù)據(jù)單元中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的類型，并且它包括用于加密的算法。根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議棧還包括網(wǎng)絡(luò)(NWK)層18和應(yīng)用支持(APS)層19。NWK層18包括分別用于建立網(wǎng)絡(luò)、加入和離開網(wǎng)絡(luò)、使協(xié)調(diào)器分配地址給網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備、使幀路由到它們期望的目的地以及對傳出和到來的幀應(yīng)用及取消安全的協(xié)議。MAC層17處理單跳躍傳輸中的安全，而網(wǎng)絡(luò)層18處理多跳躍傳輸中的安全。單跳躍傳輸是彼此直接通信的兩個節(jié)點間直接的數(shù)據(jù)傳輸，而多跳躍傳輸涉及不是彼此直接通信的源節(jié)點和目的節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，因此，至少使用一個中間節(jié)點以將來自源節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。由于設(shè)備的短傳輸距離，因此多跳躍在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中是普遍的。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點可以不在彼此的傳輸范圍內(nèi)，并且因此鄰近結(jié)點必須轉(zhuǎn)發(fā)消息。應(yīng)用支持層19控制用于確定哪些其它設(shè)備是操作在設(shè)備的個人操作空間中的能力以及用于基于它們的服務(wù)和期望把兩個或更多個設(shè)備匹配在一起的能力。最后一層，應(yīng)用層20允許制造商定義應(yīng)用對象并根據(jù)ZigBee描述的應(yīng)用說明來實現(xiàn)這些應(yīng)用。應(yīng)用層還包括ZigBee設(shè)備對象，其負(fù)責(zé)定義網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的角色，即，網(wǎng)絡(luò)中哪個節(jié)點是協(xié)調(diào)器以及哪些節(jié)點是終端節(jié)點。通過增加額外的命令幀來處理測距和竊聽，根據(jù)本發(fā)明的測距方法可以被直接并入到ZigBee協(xié)議中。
圖4顯示了包括節(jié)點A、B和C的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點A包括充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)備1。因此，以下用術(shù)語‘設(shè)備1’和‘網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器’指相同的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點B和C分別包括設(shè)備10a和10b。所有節(jié)點可以與網(wǎng)絡(luò)的所有其它節(jié)點進(jìn)行通信。為了管理網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要與網(wǎng)絡(luò)中的單個節(jié)點間的距離相關(guān)的信息。在此例子中，節(jié)點C不在節(jié)點A的傳輸范圍內(nèi)，但是節(jié)點A可以通過指示在節(jié)點A和節(jié)點C的傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點B將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點C來與節(jié)點C進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)還可以進(jìn)一步包括未示出的另外的節(jié)點，它們都在節(jié)點A和節(jié)點C的傳輸范圍內(nèi)，并且節(jié)點C因此希望得到至節(jié)點B的距離以及節(jié)點B和節(jié)點C間的距離，以找到與節(jié)點C聯(lián)系的最佳路由。因此，協(xié)調(diào)器在時間T1發(fā)送測距請求21給設(shè)備B。協(xié)調(diào)器在它的隨機(jī)存取存儲器6中存儲發(fā)送時間(TOT)T1。節(jié)點B收到測距請求，記錄測距請求的到達(dá)時間(TOA)T2，并且在時間T3發(fā)送包括T2和T3的值的測距響應(yīng)22給協(xié)調(diào)器A。協(xié)調(diào)器在時間T4收到測距響應(yīng)22并且在它的隨機(jī)存取存儲器6中記錄T2、T3和T4。設(shè)備1現(xiàn)在知道T1、T2、T3和T4的值。設(shè)備1可以通過執(zhí)行以下計算得到節(jié)點A和節(jié)點B間的距離[(T2-T1)+(T4-T3)]*c/2(1)其中c是光速。等式1中的首項對應(yīng)于測距請求從節(jié)點A傳播到節(jié)點B需要花費的時間，而第二項是響應(yīng)從節(jié)點B傳播到節(jié)點A需要花費的時間。如果節(jié)點A和節(jié)點B的時鐘是同步的，那么等式1的第一項和第二項是相等的。然而，如果一個時鐘相對于另一個時鐘略微地延遲，那么第一時間中的誤差與第二項中的誤差具有相反的符號，并且從而抵消誤差。然而，時間數(shù)據(jù)還允許計算時鐘7和時鐘15間的時間延遲以便這些時鐘可以同步。通過執(zhí)行以下計算得到時鐘延遲[(T2-T1)-(T4-T3)]/2 (2)只要時鐘在消息交換期間沒有發(fā)生顯著變化，在等式2中計算的時鐘延遲和在等式1中抵消的時鐘延遲誤差就是有效的。為了準(zhǔn)確地計算節(jié)點間的距離，請求到達(dá)和發(fā)出響應(yīng)之間的時間延遲應(yīng)當(dāng)保持最小以便時鐘不發(fā)生嚴(yán)重變化。
代替提供時間戳T2和T3，節(jié)點B只需提供請求到達(dá)和發(fā)出響應(yīng)之間的延遲，T3-T2，因為[(T1+T4)-(T3-T2)]*c/2 (3)這等價于等式1。然而，如果只提供時間延遲，則無法計算時鐘的延遲。
可以在節(jié)點B和節(jié)點C之間重復(fù)以上過程，以便可以找到節(jié)點B和節(jié)點C之間的距離。節(jié)點B發(fā)送測距請求23給節(jié)點C。節(jié)點C應(yīng)答包括T6和T7的值的測距響應(yīng)24給節(jié)點B，并且節(jié)點B通過執(zhí)行以下計算來計算節(jié)點B和節(jié)點C之間的距離[(T6-T5)+(T8-T7)]*c/2(4)如果節(jié)點B已經(jīng)與節(jié)點A同步，并且節(jié)點C與節(jié)點B同步，那么節(jié)點B、節(jié)點C和節(jié)點A全部同步?；蛘撸瑥墓?jié)點C到節(jié)點B的測距響應(yīng)可以只包括值T7-T6。因此，為了得到節(jié)點A到節(jié)點B的距離和節(jié)點B到節(jié)點C的距離，總共需要發(fā)送4條消息。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于確定節(jié)點間距離的方法，，其中減少了被傳輸?shù)南⒌臄?shù)目。所述方法開始于在時間T1由網(wǎng)絡(luò)控制器A發(fā)送測距請求21給節(jié)點B。節(jié)點B記錄到達(dá)時間T2，并且在時間T3發(fā)出一測距響應(yīng)22。測距響應(yīng)22包括T2和T3的值。節(jié)點B進(jìn)一步在存儲器14中存儲T3的值。控制器A在T4收到響應(yīng)，并且使用值T1、T2、T3和T4來計算協(xié)調(diào)器和節(jié)點B之間的距離，如等式1所示。同時，節(jié)點C竊聽測距響應(yīng)22。測距響應(yīng)在時間T5到達(dá)節(jié)點C。代替等待來自節(jié)點B的測距請求23，節(jié)點C在時間T6向節(jié)點B回發(fā)包括有測距響應(yīng)22的到達(dá)時間(T5)和值T6的測距響應(yīng)24。節(jié)點B在T7收到包括值T5和T6的測距響應(yīng)，并且因為它已經(jīng)保存了T3的值，所以它現(xiàn)在可以通過執(zhí)行以下計算來計算節(jié)點B和節(jié)點C之間的距離[(T5-T3)+(T7-T6)]*c/2(5)因此，系統(tǒng)內(nèi)被傳輸?shù)南⒌臄?shù)目從4減少到3。
在一個可選實施例中，代替在消息中包括兩個時間戳，即T2和T3，通過包括請求到達(dá)和發(fā)出響應(yīng)之間的時間流逝T3-T2，節(jié)點B可以減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量。如等式3所示，當(dāng)節(jié)點A收到響應(yīng)時，它記錄發(fā)出請求和收到響應(yīng)之間的時間T1-T4，并且減去在節(jié)點B的時間延遲T3-T2，就得到至節(jié)點C的距離。類似地，代替在測距響應(yīng)24中包括兩個時間戳T5和T6，節(jié)點C只包括在節(jié)點C的時間延遲T6-T5，并且節(jié)點B執(zhí)行以下計算[(T7-T3)-(T6-T5)]*c/2(6)就得到節(jié)點B和節(jié)點C之間的距離。
優(yōu)選地，如圖6所示，在物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)中發(fā)送測距請求和響應(yīng)。PPDU包括其包括有前同步符25和幀分隔符26的同步頭部。前同步符是1和0的序列以用于警告任何接收設(shè)備消息已經(jīng)在傳輸過程中。幀分隔符26宣布消息的開始。PPDU還包括物理頭部27，該物理頭部包括用于指定剩余消息的長度的字段。由MAC協(xié)議17定義數(shù)據(jù)單元的剩余字節(jié)即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元28，并且它包括MAC頭部、MAC有效負(fù)載以及MAC頁腳。所述MAC頭部包括用于指定幀和控制數(shù)據(jù)的類型的幀控制字段29。存在4類幀，即信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。在此實施例中，測距請求和測距響應(yīng)被作為MAC命令幀的一部分進(jìn)行發(fā)送。MAC頭部還包括數(shù)據(jù)序列號(30)以用于檢查設(shè)備正在發(fā)送/接收序列中的哪個數(shù)據(jù)幀。確認(rèn)幀總是具有與它正在確認(rèn)收到的哪一幀相同的數(shù)據(jù)序列號。在根據(jù)本發(fā)明的測距方法中，確認(rèn)幀不是必不可少的，因為如果在一定時間之后沒有收到測距響應(yīng)，那么時間信息將不再有效，并且必須發(fā)送新的測距請求。
MAC頭部還包括源地址字段31和目的地址字段32，它們用于指定消息的源節(jié)點和目的節(jié)點的64位地址。為了減少數(shù)據(jù)傳輸量，可以使用較短的16位ZigBee地址。如果測距請求或響應(yīng)是發(fā)自網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，那么就不必指定源地址。類似地，如果測距請求或響應(yīng)是發(fā)送到協(xié)調(diào)器，那么目的地址保留空白。因此，測距請求21包括空白源地址字段和用于指定設(shè)備B的地址的目的地址字段。測距響應(yīng)22具有用于指定設(shè)備B的地址的源地址字段和空白目的地址字段。響應(yīng)24的源地址字段包括節(jié)點C的地址并且響應(yīng)24的目的地址字段包括節(jié)點B的地址。
MAC頁腳包括幀校驗序列36以用于錯誤檢驗。MAC有效負(fù)載包括有效負(fù)載頭部，其包括用于指定MAC命令幀的類型的MAC命令標(biāo)識符33。根據(jù)本發(fā)明，有效負(fù)載頭部還可以包括用于控制測距請求和測距響應(yīng)的附加數(shù)據(jù)。當(dāng)PPDU是測距請求時，MAC命令標(biāo)識符指定有效負(fù)載35是請求，并且有效負(fù)載包括與節(jié)點相關(guān)的可預(yù)測的數(shù)據(jù)序列以便得到信號到達(dá)時間和事務(wù)ID。當(dāng)數(shù)據(jù)單元28是響應(yīng)時，MAC命令標(biāo)識符33指定該單元是響應(yīng)，并且有效負(fù)載35包括可預(yù)測的數(shù)據(jù)序列，所請求的時間信息和相應(yīng)測距請求的事務(wù)ID。它還可以包括用于指定時間信息是否有效的‘時鐘有效(clock valid)’標(biāo)記。該可預(yù)測的數(shù)據(jù)序列對于接收節(jié)點來說足夠長以相關(guān)聯(lián)，但是對于彼此在消息交換期間不發(fā)生顯著變化的兩個節(jié)點的時鐘來說是足夠短的?？深A(yù)測序列的典型示例是25字節(jié)的空值數(shù)據(jù)，其剛好持續(xù)800μs并且足夠?qū)崿F(xiàn)測量以執(zhí)行相關(guān)。。通過指定請求到達(dá)和發(fā)出響應(yīng)之間的時間延遲，而不是用于到達(dá)和發(fā)出的獨立的時間戳，使用了更少的比特，并且從而使過程更加高效。收到請求和發(fā)出響應(yīng)之間的典型的時間延遲通常小于1毫秒，這導(dǎo)致消息交換的總體時間是幾毫秒。
與在本領(lǐng)域中已知的方法相比，在上面描述的網(wǎng)絡(luò)中，為了確定設(shè)備之間的距離而發(fā)送的PPDU的數(shù)目減少了1。然而，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目越多，發(fā)送的消息的數(shù)目就減少的越多。圖7顯示了包括控制器和4個節(jié)點A-E的網(wǎng)絡(luò)，其中控制器和節(jié)點C-E在節(jié)點B的傳輸范圍內(nèi)。節(jié)點C、D和E竊聽從節(jié)點B發(fā)送到控制器A的測距響應(yīng)22。設(shè)備C、D和E中的每一個都記錄測距響應(yīng)22的到達(dá)時間T5、T8、T11，并且分別返回測距響應(yīng)24、37和38。測距響應(yīng)分別包括測距響應(yīng)22到達(dá)與發(fā)出測距響應(yīng)24、37或38之間的時間延遲，或者它們包括到達(dá)和發(fā)出的時間戳。在接收所有測距響應(yīng)24、37和38之后，節(jié)點B具有足夠的信息來計算至節(jié)點C、D和E的距離。
根據(jù)本發(fā)明所述的處理要求設(shè)備具有對期望用于另一設(shè)備的消息進(jìn)行接收并處理的能力。ZigBee設(shè)備只具有兩種模式，即睡眠模式和活動模式。在睡眠模式中，節(jié)點只能掃描信標(biāo)。通常，當(dāng)另一個節(jié)點想要傳輸數(shù)據(jù)給睡眠模式中的節(jié)點時，信標(biāo)被從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送至在睡眠模式中的節(jié)點以指示節(jié)點變成活動模式。在活動模式中，節(jié)點掃描來自傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點的消息。依照本發(fā)明的一個實施例，在睡眠模式中的傳統(tǒng)過濾方法被修改以便除信標(biāo)之外，節(jié)點還可以允許測距消息通過。
參照圖8，顯示了本發(fā)明被用于主/從網(wǎng)絡(luò)這樣一種情況。主/從網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點只可以直接地與主節(jié)點/協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都需要在協(xié)調(diào)器節(jié)點的傳輸范圍內(nèi)。因此，只能測量主節(jié)點和單個從節(jié)點之間的距離。然而，通過還能夠測量網(wǎng)絡(luò)中單個從節(jié)點之間的距離，可以獲得更多關(guān)于節(jié)點的位置的信息。在圖8所示的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點A是網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點/協(xié)調(diào)器，而節(jié)點B和C是從節(jié)點。節(jié)點A在時間T1發(fā)送測距請求21給節(jié)點B。節(jié)點B在時間T2收到該測距請求并在時間T3回發(fā)測距響應(yīng)22給節(jié)點A。測距響應(yīng)22包括T2和T3的值。節(jié)點B還保存時間T3的值。節(jié)點A在時間T4收到測距響應(yīng)22并且使用T1、T2、T3和T4來計算節(jié)點A和節(jié)點B之間的距離。節(jié)點C竊聽測距響應(yīng)22并且當(dāng)響應(yīng)22到達(dá)節(jié)點C時記錄時間T5。因為節(jié)點C和節(jié)點B都是從節(jié)點，所以節(jié)點C不能直接與節(jié)點B通信。節(jié)點C只被允許與主節(jié)點即節(jié)點A進(jìn)行通信。因此，節(jié)點C發(fā)送響應(yīng)24給節(jié)點A并且依靠節(jié)點B將進(jìn)行竊聽從而收到響應(yīng)24。因此，在主/從網(wǎng)絡(luò)中，物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元的格式與上面描述的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有相同的格式，除了響應(yīng)24具有空白目的地址字段32，因為只允許把響應(yīng)發(fā)給主設(shè)備。在時間T6發(fā)出響應(yīng)24并且響應(yīng)24包括T5和T6的值。節(jié)點B竊聽響應(yīng)24并且記錄響應(yīng)在節(jié)點B的到達(dá)時間T7。因此，節(jié)點B現(xiàn)在具有T3、T5、T6和T7，并且可以由等式5得到節(jié)點B和節(jié)點C間的距離。因此，節(jié)點B和節(jié)點C之間的距離是可以得到的，盡管不允許節(jié)點間彼此直接地進(jìn)行通信。響應(yīng)24還在時間T8到達(dá)節(jié)點A。在節(jié)點A已經(jīng)發(fā)送了獨立的測距請求給節(jié)點A的情況下，測距響應(yīng)24可被誤認(rèn)為是對那個測距請求的響應(yīng)。然而，通過在響應(yīng)中包括事務(wù)標(biāo)識符34來解決這個問題。節(jié)點A比較響應(yīng)24的事務(wù)標(biāo)識符34與來自節(jié)點A的測距請求的事務(wù)標(biāo)識符，并且確定響應(yīng)24的時間信息是否相關(guān)。
通過交換測距請求21、響應(yīng)22和響應(yīng)24，節(jié)點A此刻知道至節(jié)點B的距離以及節(jié)點B知道至節(jié)點C的距離。在一個實施例中，節(jié)點B發(fā)送消息39至節(jié)點A以通知節(jié)點A關(guān)于節(jié)點B和節(jié)點C之間的距離，以便節(jié)點A可以存儲關(guān)于網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的位置的更新信息。而在傳統(tǒng)方法中，只能得到節(jié)點A到節(jié)點B和節(jié)點A到節(jié)點C的距離，而本發(fā)明提供的方法同時可以得到節(jié)點B至節(jié)點C的距離，最終獲得關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的更多信息。
在一種典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，遵循CSMA/CA(避免沖突的載波偵聽多址訪問)過程以便避免消息間的沖突并且試圖與忙碌的節(jié)點進(jìn)行通信。在試圖使用忙碌的通信信道之前，所述過程簡單地涉及節(jié)點等待被稱為補償(back-off)時間的預(yù)定時間。在設(shè)備C可以發(fā)送消息給節(jié)點B之前，節(jié)點B必須返回到接收模式。為了在C處的接收和發(fā)送消息之間的延遲不過長，節(jié)點B在結(jié)束與節(jié)點A的通信之后立即返回到接收模式，并且節(jié)點C的補償時間被設(shè)置為較低的值。設(shè)備的數(shù)目越多，沖突避免算法使消息通過到達(dá)節(jié)點B所花費的時間就越長。然而，延遲對可以決定數(shù)據(jù)是否有效的節(jié)點B來說是很明顯的。在一個實施例中，隨機(jī)地選擇每個設(shè)備的補償值，并且在另一實施例中，可以賦予每個竊聽設(shè)備具體的應(yīng)答周期，即在它收到消息之后應(yīng)當(dāng)響應(yīng)之前的設(shè)定時間。一種動態(tài)系統(tǒng)可根據(jù)節(jié)點中的電源級別來分配應(yīng)答周期。例如，低電池的節(jié)點可被賦予早一些的應(yīng)答周期。
在主/從網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee設(shè)備可使用超級幀結(jié)構(gòu)來提供節(jié)點之間的通信。超級幀的標(biāo)準(zhǔn)由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)來限定，并且被分成16個同樣大小的時隙，其中第一和最后幀是信標(biāo)幀并且第2至第15幀用于想要通信的所有其它設(shè)備。主節(jié)點可使這些幀的一部分即所謂的保證時隙(GTS)專用于希望通信的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，主節(jié)點可向設(shè)備C分配緊接在設(shè)備B所使用的時隙之后的時隙來發(fā)送響應(yīng)以保持消息交換的整個時間周期盡可能短。
圖9說明了根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置如何應(yīng)用在家庭的日常情況中。典型的房屋包括電子設(shè)備的范圍。所述房屋可具有包括ZigBee設(shè)備1和包括設(shè)備10b的遠(yuǎn)程控制的高保真(hi-fi)系統(tǒng)。連接到高保真系統(tǒng)的設(shè)備1可以是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。房主可以已經(jīng)把另一設(shè)備10a系到她的鑰匙上并且在房屋中丟失了鑰匙。鑰匙、高保真系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制形成主/從網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器存儲網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的相關(guān)信息。它還可以存儲網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的名字和使每個名字與ZigBee地址相關(guān)聯(lián)的表格。與鑰匙相關(guān)聯(lián)的名字可以是OWNER’SKEYS(業(yè)主的鑰匙)。業(yè)主使用輸入設(shè)備8和顯示器9來查詢網(wǎng)絡(luò)關(guān)于他的鑰匙。例如，他可以使用輸入設(shè)備8輸入“OWNER’S KEYS？”?？刂破鲗⒃撦斎肜斫鉃橛糜谡业借€匙位置的指令并且據(jù)此發(fā)送測距請求21給鑰匙。鑰匙應(yīng)答測距響應(yīng)22。同時，遠(yuǎn)程控制竊聽測距響應(yīng)22并且發(fā)送測距響應(yīng)24給高保真系統(tǒng)。鑰匙竊聽測距響應(yīng)24，計算出鑰匙和遙控設(shè)備的距離，并且發(fā)送包括鑰匙和遠(yuǎn)程控制之間距離的值的消息39給高保真系統(tǒng)。最后，連接到高保真系統(tǒng)的設(shè)備1使用顯示器9用如下形式把鑰匙的位置顯示給業(yè)主‘The OWNER’S KEYS(業(yè)主的鑰匙)距離高保真系統(tǒng)4米而距離遠(yuǎn)程控制3米’。
在上面的例子中，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動測距過程。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，那個測距過程可以由網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點進(jìn)行啟動。此外，竊聽設(shè)備可以竊聽在傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點發(fā)送的任何消息，包括設(shè)備的測距請求，啟動測距程序，只要啟動設(shè)備在竊聽設(shè)備的傳輸范圍內(nèi)。此外，在上述例子中，節(jié)點C和節(jié)點B之間的距離計算被描述為在節(jié)點B中執(zhí)行。然而，舉例來說，如果節(jié)點B是低功率的，那么它可以傳輸時間信息給協(xié)調(diào)器或網(wǎng)絡(luò)中的任何其它節(jié)點來為它們計算距離。因此，節(jié)點B可以節(jié)約能耗。
盡管在本申請中已經(jīng)將權(quán)利要求系統(tǒng)地闡述為特定特征的組合，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明公開的范圍還包括任何在這里明確地或暗含地或概括地公開的新的特征或任何新的特征的組合，而不管是否它涉及與任何權(quán)利要求當(dāng)前所要求的相同發(fā)明以及是否它解決了與本發(fā)明部分或全部相同的技術(shù)問題。在本申請或任何由本申請派生的更進(jìn)一步的申請的進(jìn)行期間，申請人據(jù)此通知，那些新的權(quán)利要求可以被闡述為所述特征和/或所述特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種獲得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間距離關(guān)系的方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括第一(A)、第二(B)和第三節(jié)點(C)，其中第二節(jié)點在第一節(jié)點和第二節(jié)點的傳輸范圍內(nèi)，所述方法包括，第三節(jié)點(C)竊聽正從第二節(jié)點(B)傳輸至第一節(jié)點(A)的第一消息(22)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一消息包括測距請求。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一消息(22)包括第一時間信息，并且是對從第一節(jié)點(A)發(fā)送到第二節(jié)點(B)的測距請求(21)的響應(yīng)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括第一節(jié)點(A)通過考慮測距請求(T1)的發(fā)出時間、第一消息的到達(dá)時間(T4)和第一消息的第一時間信息來確定第一節(jié)點和第二節(jié)點間的距離。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中第一時間信息包括測距請求(T2)在第二節(jié)點的到達(dá)時間和來自第二節(jié)點的第一消息的發(fā)出時間(T3)。
6.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中第一時間信息包括在第二節(jié)點處測距請求到達(dá)和第一消息發(fā)出之間的時間延遲(T3-T2)。
7.如權(quán)利要求3至6任一權(quán)利要求所述的方法，還包括第三節(jié)點(C)發(fā)出第二消息(24)以響應(yīng)第一消息(22)，并且第二消息(24)包括第二時間信息。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括第二節(jié)點(B)收到第二消息(24)并且通過考慮第一消息的發(fā)出時間(T3)、第二消息的接收時間(T7)和第二時間信息來確定第二設(shè)備(B)和第三節(jié)點(C)之間的距離。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其中第二時間信息包括第一消息在第三節(jié)點(C)的到達(dá)時間(T5)和來自第三節(jié)點的第二消息的發(fā)出時間(T6)。
10.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其中第二時間信息包括第一消息到達(dá)第三節(jié)點和從第三節(jié)點發(fā)出第二消息之間的時間延遲(T6-T5)。
11.如權(quán)利要求7至10所述的方法，其中所述網(wǎng)絡(luò)是主/從網(wǎng)絡(luò)，第一節(jié)點(A)是主節(jié)點而第二節(jié)點(B)和第三節(jié)點(C)是從節(jié)點，并且其中第二消息(24)是發(fā)送給主設(shè)備(A)的且第二節(jié)點(B)通過竊聽接收第二消息。
12.如權(quán)利要求7至10任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并且第二消息(24)被發(fā)送給所述第二節(jié)點(B)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中第三節(jié)點(C)不在第一設(shè)備(A)的傳輸范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求7至13中任一權(quán)利要求所述的方法，其中請求(21)、第一消息(22)和第二消息(24)包括在MAC命令幀(29-36)中。
15.如權(quán)利要求7至13中任一權(quán)利要求所述的方法，其中請求(21)、第一消息(22)和第二消息(24)中的每一個都包括事務(wù)ID(34)和請求的事務(wù)ID，第一消息和第二消息相匹配。
16.如權(quán)利要求16所述的方法，其中事務(wù)ID(34)由第一節(jié)點隨機(jī)地選擇。
17.如權(quán)利要求7至16中任一權(quán)利要求所述的方法，其中根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送請求(21)、第一響應(yīng)(22)和第二響應(yīng)(24)。
18.如權(quán)利要求7至17中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述網(wǎng)絡(luò)包括竊聽第一消息(22)并且發(fā)送多個消息(24，37，38)的多個節(jié)點，第二節(jié)點(B)接收多個消息并且計算從第二節(jié)點(B)到多個竊聽節(jié)點(C，D，E)中的每一個的距離，并且分配應(yīng)答周期給其中多個節(jié)點中的每一個，以避免消息沖突。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中根據(jù)多個節(jié)點的功率能力來分配每個節(jié)點的應(yīng)答周期。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中隨機(jī)地分配每個節(jié)點的應(yīng)答周期。
21.一種可作為無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進(jìn)行操作的設(shè)備(C)，所述無線網(wǎng)絡(luò)具有不同于所述節(jié)點的第一節(jié)點(A)和第二節(jié)點(B)，所述設(shè)備包括裝置(11)，用于竊聽正從第二節(jié)點發(fā)送到第一節(jié)點的第一消息(22)；以及時間裝置(15)，用于測量時間信息。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，還包括發(fā)送器(11)，用于發(fā)送第二消息(24)，以響應(yīng)包括所述時間信息的第一消息。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中時間信息基于第一消息的到達(dá)時間(T5)和第二消息的發(fā)出時間(T6)。
24.如權(quán)利要求22或23所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置為在由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(A)節(jié)點分配給所述設(shè)備的時隙中發(fā)出第二消息(24)。
25.如權(quán)利要求22至24所述的設(shè)備，其中第一消息(22)包括事務(wù)標(biāo)識符(34)，并且基于第一消息的事務(wù)標(biāo)識符將該設(shè)備配置為在第二消息(24)中包括事務(wù)標(biāo)識符(34)。
26.如權(quán)利要求21至25中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中設(shè)備根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中設(shè)備被配置為在它的睡眠模式期間接受所述第一消息。
28.一種網(wǎng)絡(luò)，包括權(quán)利要求21至27中任一權(quán)利要求所要求的多個節(jié)點。
29.權(quán)利要求28的網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
30.權(quán)利要求28的網(wǎng)絡(luò)包括主/從網(wǎng)絡(luò)。
31.一種用于無線網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)可讀介質(zhì)，所述無線網(wǎng)絡(luò)包括第一節(jié)點(A)、第二節(jié)點(C)和與第二節(jié)點(B)直接聯(lián)系的多個竊聽節(jié)點(C，D，E)，所述計算機(jī)可讀介質(zhì)包括當(dāng)?shù)诙?jié)點已經(jīng)發(fā)送測距響應(yīng)(22)給第一節(jié)點時，用于分配應(yīng)答周期給多個竊聽節(jié)點中的每一個的指令。
32.一種計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中根據(jù)多個竊聽節(jié)點中的每一個的功率級別完成所述分配步驟。
全文摘要
一種用于獲取電子設(shè)備的距離和/或位置信息的方法典型地依靠于設(shè)備(A)請求另一設(shè)備(B)提供應(yīng)答消息(22)，應(yīng)答消息(22)包含與所收到的和所發(fā)送的信號有關(guān)的某些時間信息(T2，T3)。在這種網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的問題包括首先，某些設(shè)備(C)可能在用于啟動距離測量的設(shè)備(A)的范圍之外，以及其次，某些設(shè)備(B，C)可能不被允許彼此之間進(jìn)行通信，并且因此，無法得到這些設(shè)備間的距離。本發(fā)明公開了這樣的情況，即在該系統(tǒng)中竊聽在其它設(shè)備(A，B，C)間傳遞的消息(21，22，24)這最終可以得到附加設(shè)備間的距離。而且，通過使用竊聽，減少了傳輸數(shù)目以及潛在的沖突。因此，降低了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的功率消耗。
文檔編號H04L12/28GK101023632SQ200580008748
公開日2007年8月22日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月17日
發(fā)明者馬丁·S·威爾科克斯, A·S·萊奇, P·M·福爾頓 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司