用于确定工业设施中的用户设备的位置的方法

技术领域

本发明涉及工业自动化环境中的无线通信，且更具体地涉及工业设施中的移动无线通信设备。随着工业物联网和其他工业4.0概念在工厂、厂房和其他工业设施中的越来越多的实现，这些设施中的多个资产将被无线地连接。诸如蜂窝网络、局域网、诸如蓝牙的短程通信技术、近场通信等的多种无线网络和技术可被用于实现无线通信。

背景技术

本发明涉及工业设施中的无线设备的定位，更具体地，涉及与蜂窝网络相关联的无线设备的定位和位置确定。

由于工业设施中室内传播条件困难，传统的定位技术可能导致不精确或甚至错误的位置估计。通常，这由于诸如软件或硬件故障，空中接口上的干扰等其它因素而进一步复杂化。此外，定位参考信号的调度的错误配置可导致错误定位。

这样的定位误差在工业设施的环境中可能具有显著的安全问题。特别地，在工人在自动机器附近操作而没有保护围栏的工业环境中，关于这种机器的定位误差会导致伤害工人。因此，需要一种解决上述问题的方法和设备。

发明内容

因此，本发明描述了根据权利要求1和7的方法、根据权利要求10的用户设备和根据权利要求11的位置控制器，其解决了上述方面。

因此，本发明公开了一种用于确定用户设备在工业设施中的位置的方法。用户设备可连接到两个或更多个基站。方法包括：经由两个或更多个基站的第一基站向位置控制器发送用于定位用户设备的定位请求；在第二时间点从第一基站接收响应消息，向第一基站发送定时消息，向两个或更多个基站的第二基站发送轮询消息，在第五时间点从第二基站接收第二响应消息，以及向第二基站发送第二定时消息。来自第一基站的响应消息包括由位置控制器生成的第一奇偶校验数据。第一奇偶校验数据用于确保用户设备和基站之间的后续消息与定位请求有关。定时消息包括基于第一奇偶校验数据的第二奇偶校验数据，其中第二奇偶校验数据用于验证定时消息。轮询消息包括基于第一奇偶校验数据的第三奇偶校验数据，其中第三奇偶校验数据用于验证轮询消息。第二定时消息包括基于第一奇偶校验数据的第四奇偶校验数据，其中第四奇偶校验数据用于验证第二定时消息。位置控制器被配置为基于与定位请求、轮询消息、第一和第二响应消息以及第一和第二定时消息相关联的发送时间点和接收时间点来确定用户设备的位置。

因此，本发明教导了一种用于确定用户设备在工业设备中的位置的方法。通过使用第一奇偶校验数据，位置控制器确保来自用户设备的所有后续消息属于与初始定位请求相同的会话。这是特别有用的，因为用户设备连接到两个或更多基站以确定用户设备的位置。因此，该方法允许确保来自用户设备的消息属于同一会话，并且因此提高了定位技术的有效性。因此，通过使用来自位置控制器的奇偶校验数据来减轻由定位消息(或信号)的调度的错误配置引起的变化。

在一个示例中，定时消息还包括与第二时间点相关联的时间戳，并且其中第二定时消息还包括与第五时间点相关联的时间戳。在一个示例中，定时消息包括定位参考信号，该定位参考信号包括多个符号，其中来自多个符号的第一组符号与第二时间点的时间戳相关联。

在一个示例中，在物理随机接入信道和物理上行共享信道之一上发送定位请求。

在一个示例中，方法还包括在发送定位请求之前从定位消息控制器接收定位初始化消息。在一个示例中，第一基站和第二基站包括为用户设备分配的第一时隙。

在另一方面，本发明描述了一种用于确定工业设施中的用户设备的位置的方法，用户设备可连接到两个或更多个基站。定位控制器的方法包括：经由两个或更多个基站的第一基站接收来自用户设备的定位请求；针对与用户设备相关的两个或更多个定位通信序列，生成第一基站的第一标识符和第二基站的第二标识符；经由第一基站向用户设备发送第一和第二标识符，其中，用户设备使用第一和第二标识符来生成被包括在两个或更多个定位通信序列的一个或多个消息中的一个或多个奇偶校验数据；基于与用户设备和第一基站相关联的第一定位通信序列来确定第一时间差和第二时间差；基于与用户设备和第二基站相关联的第二定位通信序列来确定第三时间差和第四时间差；以及基于所确定的第一、第二、第三和第四时间差来确定用户设备的位置。

在一个实施例中，第一通信序列包括从用户设备到第一基站的定位请求、从第一基站到用户设备的响应消息以及从用户设备到第一基站的定时消息，其中响应消息包括与第一基站相关联的第一标识符，并且其中定时消息包括与用户设备接收到响应消息的时间点相关联的时间戳，以及基于第一标识符的第一奇偶校验数据，其中第一奇偶校验数据用于验证定时消息。

在一个实施例中，第二通信序列包括从用户设备到第二基站的轮询消息、从第二基站到用户设备的第二响应消息以及从用户设备到第二基站的第二定时消息，其中第二定时消息包括与用户设备接收第二响应消息的时间点相关联的时间戳，以及基于与第二基站相关联的第二标识符的第二奇偶校验数据，其中第二奇偶校验数据用于验证第二定时消息。

在又一方面，本发明描述了一种用于确定用户设备在工业设施中的位置的用户设备，该用户设备可连接到两个或更多个基站。该用户设备包括可连接到第一基站和第二基站用于接收和发送数据的网络接口，以及连接到存储器模块的一个或多个处理器。一个或多个处理器被配置为经由两个或更多个基站中的第一基站向位置控制器发送用于定位用户设备的定位请求；在第二时间点从第一基站接收响应消息，其中响应消息包括由位置控制器生成的第一奇偶校验数据，向第一基站发送定时消息，其中定时消息包括基于第一奇偶校验数据的第二奇偶校验数据，其中第二奇偶校验数据用于验证定时消息；向两个或更多个基站的第二基站发送轮询消息，其中轮询消息包括基于第一奇偶校验数据的第三奇偶校验数据，其中第三奇偶校验数据用于验证轮询消息；在第五时间点从第二基站接收第二响应消息；向第二基站发送第二定时消息，其中第二定时消息包括基于第一奇偶校验数据的第四奇偶校验数据，其中第四奇偶校验数据用于验证第二定时消息；其中位置控制器被配置为基于与定位请求、轮询消息、第一和第二响应消息以及第一和第二定时消息相关联的发送时间点和接收时间点来确定用户设备的位置。

在又一方面，本发明描述了一种用于确定工业设施中的用户设备的位置的位置控制器，用户设备可连接到两个或更多个基站。位置控制器包括连接到存储器模块的一个或多个处理器。一个或多个处理器被配置为经由两个或更多个基站的第一基站接收来自用户设备的定位请求；针对与用户设备相关的两个或更多个定位通信序列，生成第一基站的第一标识符和第二基站的第二标识符；经由第一基站向用户设备发送第一和第二标识符，其中，用户设备使用第一和第二标识符来生成被包括在两个或更多个定位通信序列的一个或多个消息中的一个或多个奇偶校验数据；基于与用户设备和第一基站相关联的第一定位通信序列来确定第一时间差和第二时间差；基于与用户设备和第二基站相关联的第二定位通信序列来确定第三时间差和第四时间差；以及基于所确定的第一、第二、第三和第四时间差来确定用户设备的位置。方法的优点适用于本发明描述的设备。这些方面在图1-图6中进一步描述。

附图说明

以下详细描述参考附图，其中：

图1示出了包括工业设施中的无线网络的多个网络设备的示例工业设施的示例部分；

图2示出了用于确定用户设备在工业设施中的位置的示例方法；

图3是示出用于确定工业设施中用户设备的位置的用户设备、两个或更多个基站和位置控制器之间的多个交互的示例时序图；

图4示出了用于由位置控制器确定用户设备的位置的示例方法；

图5展示了被配置成用于确定该用户设备在该工业设施中的位置的示例用户设备；以及

图6示出了用于确定用户设备的位置的示例位置控制器。

具体实施方式

图1示出了工业设施100的示例部分。工业设施在此是指其中可以进行一个或多个工业过程(例如设备的制造、精炼、熔炼、组装)的任何环境，并且包括制炼厂、炼油厂、汽车工厂等。工业设施100包括多个工业设备，其包括控制设备、现场设备、移动设备、操作员站等。控制设备包括过程控制器、可编程逻辑控制器、监督控制器、自动引导车辆、机器人、操作员设备等。一个或多个控制设备被连接到多个现场设备(图中未示出)，例如用于监测和控制工业设施100中的工业过程的致动器和传感器设备。这些现场设备可以包括流量计、值致动器、温度传感器、压力传感器等。

另外，工业设施100包括多个移动设备，这些移动设备包括用于执行多个操作(例如焊接、零件组装)的一个或多个机器人；在工业设施100中运输和处理材料的一个或多个自主引导车辆、发送带上具有RFID标签的一个或多个资产、具有RFID标签的一个或多个操作员设备等。另外，工业设施100可以包括操作员站，用于向操作员显示工业设施100的状态并且用于允许操作员定义用于控制该设施中的工业过程的KPI。所有工业设备可以经由工厂网络(经由有线和无线技术实现)彼此连接。

上述设备网络中的通信通过有线和无线装置或技术进行。因此，工业设施100包括多个网关设备(在图中示出为第一基站120、第二基站130和第三基站140)。这里的网关设备指的是能够将用户设备(诸如用户设备150和用户设备160)连接到无线网络的一个或多个网络设备。网关设备的示例包括基站、路由器、交换机、中继、接入点等。多个网关设备可以包括可固定到工业设施中的多个位置的固定网关设备和能够在部分周围移动以提供适当的网络连接性的移动网关设备。设施中的多个用户设备连接到一个或多个工业网关设备，以连接到无线网络，用于与工业设施中的其它设备和系统进行信息通信。在一个示例中，无线网络基于5G专用网络并且利用来自许可频谱的一个或多个频率。在一个例子中，许可频谱也包括sub 6ghz和mm波频率。在一个示例中，无线网络也利用来自未许可频谱的频率。在另一示例中，无线子网络可以基于公共蜂窝网络或WLAN。这里的用户设备指的是控制器、现场设备，以及连接到网关设备以连接到无线网络的其它这样的工业设备。

另外，工业设施100包括连接到网关设备(以下称为基站)的位置控制器110，用于确定工业设施中的一个或多个用户设备的位置。例如，工业设施包括能够围绕工厂中的多个区域移动的用户设备150。在一个示例中，用户设备150是自动引导车辆150，并且能够与位置控制器110协调地确定其位置。在一个例子中，用户设备150是可用于定位的转发器设备。这在图2的描述中解释。

图2示出了用于确定用户设备150在工业设施100中的位置的方法200。用户设备150能够连接到两个或更多基站(在图1中示为基站120，130和140)。还参考图3来解释方法200的步骤，图3是示出用户设备310、基站330(也称为第一基站330)、基站350(也称为第二基站350)和位置控制器370之间的交互的时序图。

在步骤210，用户设备310经由第一基站330向位置控制器370发送用于定位用户设备310的定位请求353。用户设备310在时间点T1 312发送定位请求353。第一基站330在时间点T2 314接收定位请求353。然后将定位请求353从第一基站330转发到位置控制器370。在一个示例中，定位请求353包括与时间点T1 312相关联的时间戳，在时间点T1 312处，用户设备310发送请求353。

然后，在步骤220，用户设备310在时间点T4 318(也称为第二时间点)从第一基站330接收响应消息355。第一基站330在时间点T3 316发送响应消息355。响应消息355包括由位置控制器370生成的第一奇偶校验数据。第一奇偶校验数据由位置控制器370生成(响应于定位请求353)，以确保与方法200相关的后续消息属于与定位请求353相同的会话。在一个示例中，第一奇偶校验数据包括与第一基站330相关联的第一标识符和与第二基站350相关联的第二标识符。在一个示例中，第一和第二标识符由位置控制器370随机生成。

然后，在步骤230，用户设备310在时间点T5 320向第一基站330发送定时消息357。定时消息357包括基于第一奇偶校验数据的第二奇偶校验数据。在一个示例中，定时消息357包括与时间点T4(第二时间点)相关联的时间戳。第二奇偶校验数据用于验证定时消息357。在示例中，第二奇偶校验数据由用户设备310基于循环冗余校验生成。第一基站330在时间点T6 322接收定时消息357。在一个例子中，第一基站330检查第二奇偶校验数据，以确保定时消息357与定位消息353相关，并确保定时消息357在传输期间不被破坏。

在另一示例中，第一基站330将定时消息357发送到位置控制器370，位置控制器随后验证定时消息357的第二奇偶校验数据。

定位请求353、响应消息355和定时消息357的发送和接收被称为用户设备310和第一基站330之间的第一定位通信序列。

基于定时消息357，位置控制器370为用户设备310计算第一轮时间t

然后，在步骤240，用户设备310向第二基站350发送轮询消息363。用户设备310从第一基站330断开并连接到第二基站350，与第二基站350重复类似的消息集。轮询消息363包括基于第一奇偶校验数据的第三奇偶校验数据。第三奇偶校验数据用于验证类似于上述定时消息的轮询消息。在一个示例中，第二基站350检查第三奇偶校验数据以确保轮询消息363与定位消息353相关并且不包括任何错误。在另一示例中，第二基站350将轮询消息363发送到位置控制器370，该位置控制器随后验证轮询消息363的第三奇偶校验数据。用户设备310在时间点T7 324发送轮询消息363。轮询消息363由第二基站350在时间点T8 326接收。在一个示例中，轮询消息363包括与用户设备310发送轮询消息363的时间点T7 324相关联的时间戳。

然后，在步骤250，用户设备510在时间点T10 332(也称为第五时间点)从第二基站370接收第二响应消息365。第二响应消息365表示第二基站350接收到轮询消息363。

然后在步骤260，用户设备510向第二基站370发送第二定时消息365。第二定时消息367包括基于第一奇偶校验数据的第四奇偶校验数据。第四奇偶校验数据用于验证第二定时消息。在一个示例中，第二定时消息367包括与时间点T10(即，第五时间点)相关联的时间戳。

轮询消息363、第二响应消息365和第二定时消息367的发送和接收被称为用户设备310与第二基站350之间的第二定位通信序列。

基于第二定时消息367，位置控制器370相对于第二定位序列计算用户设备310的第三轮时间t

位置控制器370被配置为基于与定位请求353、轮询消息363、第一和第二响应消息(355，365)以及第一和第二定时消息(357，367)相关联的发送时间点和接收时间点来确定用户设备310的位置。如前所提及，基于与定位请求353、轮询消息363、第一和第二响应消息(355，365)以及第一和第二定时消息(357，367)相关联的发送时间点和接收时间点，位置控制器370确定第一、第二、第三和第四时间差。然后，基于第一、第二、第三和第四时间差，位置控制器370使用多种定位技术来确定用户设备310。在一个示例中，使用双向测距(TWR)技术来确定用户设备310的位置。双向测距技术确定信号的信号运行时间(飞行时间)，然后通过将时间乘以光速来计算设备(即用户设备和基站)之间的距离。TWR过程被应用于用户设备310和基站之间。基站的位置对于位置控制器370是已知的，因此，使用计算的时间差，位置控制器370确定用户设备310的位置。

奇偶校验信息的使用确保可靠地执行位置计算，因为消息的有效性由相应的奇偶校验信息保证。例如，可以检测产生、传输和计算中的错误。因此，实现了技术上简单的实现，其中可以在确定用户设备310的位置期间检测错误或操纵。另外，由于基于相对于两个不同基站计算的时间差来确定用户设备的位置，所以还进一步提高了所确定位置的整体可靠性和准确性。

在一个例子中，第一基站能够确定与定位消息(其由第一基站接收)相关联的到达角度。类似地，第一基站能够确定发送响应消息355的角度。在一个示例中，这些角度可被包括在响应消息355中。

在另一示例中，第二基站能够确定与由第二基站接收的轮询消息363相关联的到达角度。类似地，第二基站能够确定发送第二响应消息365的角度。在一个示例中，这些角度可以被包括在第二响应消息365中。

在一个示例中，除了时间戳之外，定时消息(357和367)还包括到达角度，该到达角度表明与响应消息(355，365)相关联的信号被用户设备310接收的角度。另外，定时消息(357，367)还包括表明发送定时消息(357，367)时用户设备310的天线的角度的发射角度。

在一个示例中，位置控制器被配置以在确定用户装置的位置时利用上述到达角度和离开角度。

在一个示例中，定位请求和轮询消息通过物理随机接入信道和物理上行共享信道之一。类似地，在一个示例中，通过物理上行共享信道发送定时消息和第二定时消息。另外，在物理下行共享信道上发送响应消息和第二响应消息。

在一个示例中，经由定位参考信号(PRS)来发送包括定位消息(353)和轮询消息(363)以及定时消息(357和367)的上述消息。例如，与上述消息相关联的示例定位参考信号包括多个符号。从多个符号中，第一组符号与伪随机序列相关联，而第二组符号被用于传输净荷载(例如，时间戳和奇偶校验数据)。例如，第二组符号包括表明第二时间点或第五时间点的时间戳的净荷载。在一个例子中，伪随机序列也可被用于确定到达时间。

可以注意到，虽然上述方法用分别由定时消息357和第二定时消息367发送的第二时间点和第五时间点的时间戳来说明，但是在另一示例中，与时间点T1(由用户设备310发送定位请求353)、时间点T4(在用户设备310处接收响应消息355)、时间点T5(由用户设备310发送定时消息357)、时间点T7(由用户设备310发送轮询消息363)、时间点T10(在用户设备310处接收第二响应消息365)和时间点T11(发送第二定时消息367)相关联的所有时间戳，可以在第二定时消息367中发送。类似地，在另一示例中，第一定时消息包括与第一定位序列相关联的时间点，而第二定时消息包括与第二定位序列相关联的时间点。

可以注意到，虽然在上述示例中，经由响应消息355发送与第一和第二基站相关联的第一和第二标识符，但是在另一示例中，响应消息355不发送第二标识符。因此，响应消息355包括与第一基站相关联的第一标识符。在第二响应消息365中发送与第二基站相关联的第二标识符。

虽然使用用户设备310来解释以上本发明内容，但本发明的各方面也由位置控制器来实现。这使用图4进一步解释。

图4示出了用于确定用户设备在工业设施中的位置的方法400。方法400由位置控制器370执行。在步骤410，位置控制器370经由两个或更多个基站(330、350)中的第一基站330接收来自用户设备310的定位请求353。

然后，在步骤420，对于与用户设备310相关的如上所提及的两个或更多定位通信序列，位置控制器370生成第一基站330的第一标识符和第二基站350的第二标识符。然后，在步骤430，位置控制器370经由第一基站330向用户设备310发送第一和第二标识符。用户设备310使用第一和第二标识符来生成被包括在两个定位通信序列的消息中的一个或多个奇偶校验数据。然后，在步骤440，如上所提及，位置控制器370基于与用户设备310和第一基站330相关联的第一定位通信序列来确定第一时间差和第二时间差。然后，在步骤450，位置控制器370基于与用户设备310和第二基站350相关联的第二定位通信序列来确定第三时间差和第四时间差。然后，在步骤460，如上所提及，位置控制器370基于所确定的第一、第二、第三和第四时间差来确定用户设备310的位置。

应注意，虽然使用两个基站来描述上述方法200和400，但也可利用额外的基站以改进用户设备的定位效率。例如，可以根据方法200和400使用第三和第四基站。

在一个示例中，无线网络的单独的网络切片被分配用于与位置控制器600通信。由于用户设备在执行如上所描述的定位方法时的行为不同于用户设备的常规行为，因此创建单独的网络切片允许与标准生产/工厂网络隔离。传统上，如果到服务基站的连接由于干扰而被中断或在服务基站的覆盖范围之外，则用户设备保持连接到服务基站，并且仅查看或连接到另一基站。在当前情况下，用户设备将如上文方法中所描述从一个基站切换到另一基站。另外，许可频谱的一部分被分配用于用户设备、基站和位置控制器600之间的定位通信序列。

在无线网络基于5G规范的示例中，第一基站330和第二基站350利用时分双工(TDD)时隙。上行和下行的TDD时隙也可以基于负载灵活地分配和改变。灵活的时隙也是可用的，其中相同时隙的一些符号可被设置为上行，而其它符号被设置为下行。另外，第一和第二基站(330，350)被同步，使得第一和第二基站(330，350)的相同时分双时隙被分配给相同的用户设备。例如，在该时间段中调度的第一基站330的TDD时隙和第二基站350的TDD时隙仅被分配给用户设备310。

本发明可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品包括可从计算机可用或计算机可读介质访问的程序模块，该计算机可用或计算机可读介质存储由一个或多个计算机、处理单元或指令执行系统使用或与其结合使用的程序代码。

因此，本发明描述了如图5所示的用户设备500。用户设备500被配置为确定用户设备500在工业设施中的位置。用户设备500能够与两个或更多基站(330和350)通信。用户设备500包括可连接到第一基站330和第二基站350用于接收和发送数据的网络接口510。用户设备500还包括耦合到存储器模块530(也称为非瞬态存储介质)的一个或多个处理器520。存储器模块530包括多个指令535，当指令在一个或多个处理器520上执行时，使得处理器520经由两个或更多基站中的第一基站向位置控制器发送用于定位用户设备的定位请求；在第二时间点从第一基站接收响应消息，其中响应消息包括位置控制器生成的第一奇偶校验数据；向第一基站发送定时消息，定时消息包括与第二时间点相关联的时间戳和基于第一奇偶校验数据的第二奇偶校验数据，其中第二奇偶校验数据用于验证定时消息；从两个或更多个基站向第二基站发送轮询消息，其中轮询消息包括基于第一奇偶校验数据的第三奇偶校验数据，其中第三奇偶校验数据用于验证轮询消息；在第五时间点从第二基站接收第二响应消息；以及向第二基站发送第二定时消息，其中第二定时消息包括与第五时间点相关联的时间戳和基于第一奇偶校验数据的第四奇偶校验数据，其中第四奇偶校验数据用于验证第二定时消息。位置控制器被配置为基于与定位请求、轮询消息、第一和第二响应消息以及第一和第二定时消息相关联的发送时间点和接收时间点来确定用户设备的位置。

类似地，本发明描述了如图6所示的位置控制器600。位置控制器600用于确定工业设施中用户设备的位置。位置控制器600包括用于与工业设施中的两个或更多基站通信的网络接口610。此外，位置控制器600还包括耦合到存储器模块630(也称为非瞬态存储介质630)的一个或多个处理器620。存储器模块630包括多个指令635，当指令在一个或多个处理器620上执行时，使得处理器620经由两个或更多个基站中的第一基站从用户设备接收定位请求；针对与用户设备相关的两个或更多个定位通信序列，生成第一基站的第一标识符和第二基站的第二标识符；经由第一基站向用户设备发送第一和第二标识符，其中第一和第二标识符由用户设备用于生成被包括在两个或更多个定位通信序列的一个或多个消息中的一个或多个奇偶校验数据；基于与用户设备和第一基站相关联的第一定位通信序列来确定第一时间差和第二时间差；基于与用户设备和第一基站相关联的第二定位通信序列来确定第三时间差和第四时间差；以及基于所确定的第一、第二、第三和第四时间差来确定用户设备的位置。

出于本说明书的目的，计算机可用或计算机可读的非瞬态存储介质可以是能够包含、存储、发送、传播或传输供指令执行系统、装置或设备使用或与之结合使用的程序的任何装置。该介质可以是电子的、磁的、光的、电磁的、红外的、或半导体系统(或装置或设备)或其自身的传播介质，因为信号载体不被包括在物理计算机可读介质的定义中，物理计算机可读介质包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘，例如光盘只读存储器(CD-ROM)、光盘读/写和DVD。用于实现本技术的每个方面的处理单元和程序代码都可以是本领域技术人员已知的集中式或分布式(或其组合)。

虽然参考少数工业设备描述了本发明，但是在本发明的情境中可以利用多个工业设备。虽然已经参考某些实施例详细描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于那些实施例。鉴于本发明，对于本领域技术人员而言，在不脱离如本文的本发明的各种实施例的范围的情况下，将存在许多修改和变化。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述描述来指示。在权利要求书的物的含义和范围内的所有改变、修改和变化被认为在其范围内。在方法权利要求中要求保护的所有有利实施例也可以应用于设备/非瞬态存储介质权利要求。