超宽带定位系统、基站、标签及其操作方法

技术领域

本发明是关于超宽带(ultra-wideband,UWB)定位系统。

背景技术

超宽带定位系统使用多个基站(base station,BS)，或称节点(node)或锚点(anchor)，对多个标签(tag)测量距离，然后计算出各标签在三维空间中的位置。而协调基站与标签之间的沟通时程是非常重要的。好的协调可以避免冲突，使定位系统更稳定。此外，为各标签选择合适的定位基站组合，可以为后续的定位演算法提供更佳的参数。

发明内容

鉴于先前技术的不足，本发明的一目的在于提供一种超宽带定位系统、基站、标签及其操作方法，以避免冲突及提高系统的稳定性。

本发明提供一种用于一超宽带定位标签的操作方法，包含：在一系统周期内监听一轮询信号；在该系统周期结束且未收到任何轮询信号的情况下，广播一接入请求信号以尝试接入一超宽带定位系统；于广播该接入请求信号之后，接收一基站所发出的一接入回复信号，该接入回复信号包含一时间信息；以及根据该时间信息接入该超宽带定位系统。

本发明另提供一种用于一超宽带定位标签的操作方法，包含：在一系统周期内监听一超宽带定位系统的一轮询信号；在收到该轮询信号之后，解析该轮询信号以取得该轮询信号所携带的一系统帧号及一子帧号；根据该系统帧号与该子帧号，与该超宽带定位系统同步；以及于非对应于该系统帧号的一系统帧中广播一信标信号。

本发明另提供一种用于一超宽带定位标签的操作方法，该超宽带定位标签具有一标签识别码，该操作方法包含：广播一信标信号；接收一基站所传送的一轮询信号；解析该轮询信号，该轮询信号包含一目标标签识别码；判断该标签识别码是否等于该目标标签识别码；以及于确认该标签识别码等于该目标标签识别码之后，传送一测距回复信号至该基站。该测距回复信号包含接收该轮询信号的一第一时间点及传送该测距回复信号的一第二时间点。

本发明另提供一种用于一超宽带定位基站的操作方法，该超宽带定位基站应用于一超宽带定位系统，该超宽带定位系统每周期包含多个系统帧，且每一系统帧包含多个子帧。该操作方法包含：接收一标签所发出的一接入请求信号；选择一闲置的系统帧；以及于该闲置的系统帧传送一接入回复信号给该标签。该接入回复信号包含该闲置的系统帧的一系统帧号及一子帧号，且该子帧号对应于该闲置的系统帧的该些子帧的其中之一。

本发明另提供一种用于一超宽带定位基站的操作方法，该超宽带定位基站应用于一超宽带定位系统，该超宽带定位系统包含一服务器且每周期包含多个系统帧，而每一系统帧包含多个子帧。该操作方法包含：接收一标签所发出的一信标信号，该信标信号包含该标签的一标签识别码；计算该信标信号的一信号强度；传送该信标信号及该信号强度给该服务器；接收该服务器所传送的一测距命令，该测距命令指定一子帧号；于该子帧号所对应的一子帧传送一轮询信号并接收该标签所传送的一测距回复信号，该轮询信号包含该标签识别码，该测距回复信号包含一时间信息；以及将该时间信息传送给该服务器。

本发明另提供一种超宽带定位系统的操作方法，该超宽带定位系统包含一服务器、一第一基站、一第二基站及一标签，且该超宽带定位系统每周期包含多个系统帧，以及每一系统帧包含多个子帧。该操作方法包含：该第一基站接收该服务器所传送的一第一测距命令，该第一测距命令指示一目标系统帧的一第一子帧；该标签于该目标系统帧的该第一子帧接收该第一基站所传送的一第一轮询信号；该第二基站接收该服务器所传送的一第二测距命令，该第二测距命令指示该目标系统帧的一第二子帧；该标签于该目标系统帧的该第二子帧接收该第二基站所传送的一第二轮询信号；该第一基站于该目标系统帧的该第一子帧接收该标签所传送的一第一测距回复信号，该第一测距回复信号包含一第一时间信息；该第二基站于该目标系统帧的该第二子帧接收该标签所传送的一第二测距回复信号，该第二测距回复信号包含一第二时间信息；该第一基站传送该第一时间信息至该服务器；以及该第二基站传送该第二时间信息至该服务器。

本发明另提供一种超宽带定位系统的操作方法，该超宽带定位系统包含一服务器、一第一基站、一第二基站及一标签，且该超宽带定位系统每周期包含多个系统帧。该操作方法包含：该标签于一第一系统帧广播一信标信号，该信标信号包含该标签的一标签识别码；该第一基站及该第二基站于该第一系统帧接收该信标信号；该第一基站于一第二系统帧的一第一子帧传送一第一轮询信号，其中该第一轮询信号包含该标签识别码，且该第二系统帧晚于该第一系统帧；该第二基站于该第二系统帧的一第二子帧传送一第二轮询信号，其中该第二轮询信号包含该标签识别码，且该第一子帧及该第二子帧为连续；以及该标签于该第二系统帧的该第一子帧及该第二子帧分别接收该第一轮询信号及该第二轮询信号。

本发明的超宽带定位系统、基站、标签及其操作方法利用一个已知所有基站位置的服务器来选择进行测距的基站，而非根据标签的随机选择。相较于传统技术，因为本发明的服务器分配不同的时间给每个进行测距的基站，所以可以避免基站间测距的冲突。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明超宽带定位系统的一实施例的连接拓扑；

图2为本发明超宽带定位基站的一实施例的功能方块图；

图3为本发明超宽带定位标签的一实施例的功能方块图；

图4为本发明超宽带定位系统的系统帧及子帧的安排；

图5为本发明超宽带定位系统的一实施例的流程图(sequence diagram)；

图6为本发明的标签从启动至进入测距状态的操作流程；

图7为本发明的标签于测距状态的一实施例的操作流程；

图8为本发明的标签于测距状态的另一实施例的操作流程；

图9为本发明的基站的操作方法的一实施例的流程图；以及

图10为本发明的基站处理BCN信号的一实施例的流程图。

其中，附图标记：

100 超宽带定位系统

110 服务器

120、120_1、120_2、120_3、120_4、120_N 基站

130 标签

115_1、115_2、115_3、115_4、115_N 信号连线

122、132 无线收发电路

124、134 计算电路

126、136 存储器

128 有线网络收发电路

T 系统周期

t 子帧长度

FN_1、FN_2、FN_3、FN_K、FN_Q 系统帧

SFN_1、SFN_2、SFN_3、SFN_W 子帧

P1、P2 阶段

BCN 信标信号

POL 轮询信号

Rach 接入请求信号

Resp 接入回复信号

MBCN 混合信标信号

PSS 测距命令

BCK 测距回复信号

FNL 测距结果

S610～S690、S705～S760、S905～S990、S1005～S1080 步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

由于本发明的超宽带定位系统、基站及标签所包含的部分元件单独而言可能为已知元件，以下说明对于已知元件的细节将予以节略。此外，本发明的操作方法的部分或全部流程可以是软体和/或固件的形式，并且可借由本发明的超宽带定位系统、基站及标签或其等效装置来执行，故以下方法发明之说明将着重于步骤内容而非硬体。

图1为本发明超宽带定位系统的一实施例的连接拓扑。超宽带定位系统100包含服务器110、N个基站120(包含120_1、120_2、120_3、120_4、…、120_N，N为大于等于4的整数)，以及至少一标签130。服务器110可直接/间接连接至每个基站120，例如通过有线/无线的信号连线115(包含115_1、115_2、115_3、115_4、…、115_N)，或是通过菊花链(daisy chain)或其他拓朴，而基站120与标签130之间则是通过超宽带信号通信。基站120之间可以通过分散式时钟脉冲同步(例如IEEE1588v2的规范)来确保时间同步。每个基站120具有一个唯一的基站识别码，且每个标签130具有一个唯一的标签识别码。

图2为本发明超宽带定位基站的一实施例的功能方块图。每个基站120包含无线收发电路122、计算电路124以及存储器126。有线网络收发电路128为可选的元件，且在信号连线115为无线的实施例中可以被省略。存储器126可储存多个程序码或程序指令。计算电路124借由执行该些程序码或程序指令来实现基站120的功能。

图3为本发明超宽带定位标签的一实施例的功能方块图。每个标签130包含无线收发电路132、计算电路134以及存储器136。存储器136可储存多个程序码或程序指令。计算电路134借由执行该些程序码或程序指令来实现标签130的功能。

图4为本发明超宽带定位系统的系统帧及子帧的安排。系统100的操作周期为T秒(即服务器110每T秒刷新一次标签130的位置，亦即系统的刷新频率为1/T Hz)。一个周期被平均划分为Q个系统帧(其系统帧号分别为FN_1、FN_2、FN_3、…、FN_K、…、FN_Q，1≤K≤Q)，每个系统帧包含W个子帧(其子帧号分别为SFN_1、SFN_2、SFN_3、…、SFN_W)。如果每一个子帧的长度皆为t秒，则一个系统帧的长度为t*W秒，而系统周期T＝t*W*Q秒。

基本上基站120为每个被定位的标签分配一个系统帧的时间长度，因此系统100可同时供Q个标签连线或接入。以下的说明假设基站120将系统帧FN_K分配给标签130，基站120在存储器126中记录系统帧FN_K与标签130的标签识别码互相对应，并且记录系统帧FN_K为忙碌/非闲置状态。标签130在系统帧FN_K第一个子帧(即子帧SFN_1，又可称为信标子帧)向基站120广播包含标签130的标签识别码的BCN信号(信标信号)，并且在系统帧FN_L的除了SFN_1以外的子帧(即子帧SFN_2至SFN_W，又可称为定位子帧)分别接收由W-1个基站120所发出的POL信号(轮询信号)。若K+x不大于Q，L＝K+x；若K+x大于Q，L＝(K+x)mod Q。x代表传输缓冲和/或计算缓冲，于系统100建构完成时即可决定。在一些实施例中，如果服务器110及基站120有极佳的运算能力，且两者之间的传输缓冲极短，则x＝0，标签130在同一系统帧(即FN_K)广播BCN信号以及接收多个POL信号。

图5为本发明超宽带定位系统的一实施例的流程图，包含两个主要操作：标签130接入系统100(如图中的阶段P1所示)，以及系统100对标签130进行测距定位(如图中的阶段P2所示)。本发明可以使用飞行时间(time of flight,TOF)来测距，但不以此为限。

在标签130接入定位系统的操作中，标签130随机广播(即于任意系统帧广播)Rach信号(接入请求信号)以试着接入系统100，有收到此Rach信号的基站120会分别回复带有时间信息的Resp信号(接入回复信号)给标签130。更明确地说，假设基站120_1及基站120_2于系统帧R(1≤R≤Q)收到Rach信号，则基站120_1及基站120_2选择系统帧R后的一个闲置的系统帧，然后于该闲置的系统帧的定位子帧(SFN_2至SFN_W)的其中之一回复Resp信号，因此基站120_1及基站120_2可能于同一系统帧的同一定位子帧传送各自的Resp信号，而标签130可至少收到一个Resp信号。Rach信号携带标签130的标签识别码，而Resp信号除了携带该时间信息之外还携带该标签识别码。时间信息例如是基站120传送该Resp信号当下的系统帧号及子帧号，而标签130可以根据时间信息知道当前的系统时间，从而开始与所有基站120时间同步，并决定何时广播BCN信号与何时接收POL信号。与基站120时间同步后，标签130便完成接入定位系统，而可以开始进行定位程序。

在对标签130进行定位的操作中，标签130于每系统周期T的系统帧FN_K的子帧SFN_1广播一次BCN信号。收到BCN信号的基站会传送对应的MBCN信号给服务器110，MBCN信号包含BCN信号的内容、基站的识别码，以及关于该BCN信号的信号强度信息(例如接收信号强度指标(Received Signal Strength Indication,RSSI)信息)。服务器110根据所收到的MBCN信号选择适合测距的多个基站(较佳为4个，图5的例子为基站120_1、120_2、120_3及120_4)，并对该些基站发出测距命令PSS。在一些实施例中，由于服务器110知道基站120的位置，所以可以避免选择排成一直线的基站120来进行定位。服务器110利用测距命令PSS指定不同的子帧给选定的基站120，该些被选定的基站120(即基站120_1、120_2、120_3及120_4)便于系统帧FN_L依据各自被指定的子帧依序传送POL信号。标签130于该系统帧FN_L的连续的子帧内依序接收该些POL信号并立即回复BCK信号(测距回复信号)给相对应的基站120，基站120再根据BCK信号传送测距结果FNL给服务器110。测距结果FNL包含基站120传送POL信号的时间、标签130接收POL信号的时间、标签130传送BCK信号的时间，以及基站120接收BCK信号的时间。最后服务器110根据所收到的测距结果FNL中的信号时间计算标签130的位置。举例来说，假设服务器110指定子帧SFN_2给基站120_2，则于系统帧FN_L的子帧SFN_2，基站120_2传送POL信号，标签130接收该POL信号并传送BCK信号，以及基站120_2收到BCK信号。POL信号包含传送该POL信号的基站120的识别码、该POL信号所欲传达的标签的标签识别码，以及时间信息(即当前的系统帧号及子帧号)。

图6为本发明的标签从启动至进入测距状态的操作流程。标签130启动(步骤S610)后，便监听空气中的POL信号(步骤S620)。如果有收到POL信号，则解析POL信号(步骤S640)。此POL信号可能是基站120发给系统100中其他标签的POL信号。标签130于步骤S640中记下该POL信号所携带的系统帧号及子帧号，并将对应于该系统帧号的系统帧标记为已被占用(即非闲置)，举例来说，若在系统帧FN_L收到POL信号，代表系统帧FN_K的信标子帧已被占用，故可将系统帧FN_K标记为已被占用。在步骤S630的判断为否的情况下，或是在步骤S640完成后，标签130判断监听POL信号是否已经经过一个系统周期T的时间(步骤S650)。如果步骤S650的断判为否，则标签130继续监听POL信号(步骤S620)；如果步骤S650的断判为是，则标签130判断是否在一个系统周期T中收到任何POL信号(步骤S660)。如果标签130有收到任何POL信号，则标签130根据POL信号所携带的时间信息(即当前的系统帧号及子帧号)来跟系统100同步(步骤S670)。接着标签130判断系统100中是否有闲置的帧(步骤S673)。如果没有闲置的帧，则继续监听POL信号(步骤S620)；如果有闲置的帧，则标签130选择任一闲置的系统帧(即非对应于步骤S640所记下的系统帧号的系统帧)广播BCN信号(步骤S675)，然后进入测距状态(步骤S690)。

如果标签130在系统周期T内没有收到任何POL信号(步骤S660的判断为否)，则标签130于任意时间点广播Rach信号(步骤S680)，然后接收基站120发出的Resp信号(步骤S683)。Resp信号携带系统100的当前的时间信息(即当前的系统帧号及子帧号)，使标签130可以时间同步(步骤S685)。于时间同步后，标签130决定广播BCN信号的时间，并且广播BCN信号(步骤S687)。举例来说，如果Resp信号所携带的系统帧号是FN_L，则标签130于下个周期的系统帧FN_K的子帧SFN_1广播BCN信号(步骤S687)。在一些实施例中，如果标签130于系统帧FN_K的信标子帧SFN_1广播BCN信号，则基站120会将系统帧FN_K分配给标签130，并将其标记为被占用(即忙碌)。标签130在步骤S687及步骤S675中广播初始(initialization)类型的BCN信号，之后标签130进入测距状态(步骤S690)。

图7为本发明的标签于测距状态的一实施例的操作流程。在测距状态中，标签130每一个周期从休眠状态醒来(步骤S710)至少一次，以在系统帧FN_K的信标子帧SFN_1广播一般(normal)类型的BCN信号(步骤S720)，然后等待x个系统帧后(即于系统帧FN_L)接收并解析POL信号(步骤S730)。

除了携带标签识别码以及传送该POL信号的基站识别码之外，POL信号还指示BCN信号是否发生冲突。在POL信号指示BCN信号未发生冲突，或是在POL信号指示BCN信号发生冲突但标签130确认POL信号所携带的标签识别码等于自身的标签识别码的情况下(步骤S740为否)，标签130执行步骤S745及步骤S750。在步骤S745中，标签130根据POL信号中的BCN信号偏移时间调整自己的时间，以跟基站120保持同步。更明确地说，因为BCN信号的传送时间理想上是一个系统帧的第一个子帧(也就是信标子帧)的起始，所以基站120可以计算收到该BCN信号的时间与信标子帧的起始时间之间的时间差来得知标签130的时间是否偏移，并且可以在POL信号中携带时间调整量。标签130在步骤S745中便可据以调整时间(本步骤在在同一系统周期中可执行一次、多次、或不执行)。在步骤S750中，标签130传送BCK信号给传送该POL信号的基站，更明确地说，标签130在步骤S750中传送W-1个BCK信号给相对应的基站120。BCK信号包含标签130收到POL信号的时间以及标签130发出该BCK信号的时间。步骤S750结束后或者超时后标签130回到休眠状态(步骤S705)以节省电力。

步骤S730、S740、S745及S750在系统帧FN_L的同一个子帧内完成。在POL信号指示发生冲突且标签130确认POL信号所携带的标签识别码不等于自身的标签识别码的情况下(步骤S740为是)，标签130需重新接入系统100。标签130于再次接入系统100(步骤S760，即图6的步骤S620～S690)后进入休眠状态(步骤S705)。

在一些实施例中，当标签130在步骤S730中发现在同一系统帧中所收到的多个POL信号对应于不同的系统帧号，代表基站120的帧分配发生错乱，或者基站120与标签130时间严重不同步，则标签130于下个系统周期广播取消(cancel)类型的BCN信号，然后再次接入系统100。

图8为本发明的标签于测距状态的另一实施例的操作流程。图8与图7的差别在于，POL信号除了携带当前的系统帧所对应的第一标签识别码(即该POL信号所欲传达的标签识别码)之外，还携带一个未来系统帧所对应的第二标签识别码，该未来系统帧与当前的系统帧相差y个系统帧(1≦y≦Q-1)。因此，在本实施例中，标签130提前于广播BCN信号(步骤S720)之前y个系统帧(即系统帧FN_K-y)离开休眠状态以监听POL信号(步骤S712)。如果没有收到POL信号(步骤S714为否)，则于y个系统帧之后(即系统帧FN_K)广播BCN信号(步骤S720)。如果有收到POL信号(步骤S714为是)，则判断是否发生冲突(步骤S716)。如果第二标签识别码等于标签130自身的标签识别码，则没有冲突(步骤S716为否，标签130执行步骤S720以广播BCN信号)；如果第二标签识别码不等于标签130自身的标签识别码，则发生冲突(步骤S716为是，标签130执行步骤S760以再次接入系统100)。

相较于图7的实施例，在图8的实施例中标签130可以预先确认是否将发生冲突，因此可以避免冲突发生。在一些实施例中，标签130在步骤S714与步骤S720之间和/或步骤S716与步骤S720之间休眠以节省电力。图7及图8是简化的示意版，若未发生POL信号冲突，标签130在唤醒状态下会依序在多个子帧接收POL信号并回复BCK信号，才再次休眠。

图9为本发明的基站的操作方法的一实施例的流程图。基站120启动后先进行时间同步，以使得系统100中所有基站120的帧边界是对齐的(步骤S905)。接下来基站120进入接收状态，亦即判断是否收到测距命令PSS(步骤S910)以及是否收到Rach信号或BCN信号(步骤S920)。基站120于收到测距命令PSS后，基站120于PSS命令所指定的系统帧中所指定的子帧传送POL信号给标签130(步骤S930)，并从标签130接收BCK信号(步骤S940)，再传送测距结果FNL给服务器110(步骤S950)，然后回到步骤S910。

基站120于收到BCN信号后，基站120处理BCN信号(步骤S960，细节将于图10详述)，然后回到步骤S910。基站120于收到Rach信号后，基站120从当前的系统帧的下一个系统帧开始，选择一个闲置的系统帧(即该系统帧的信标子帧未被占用)(步骤S970)，并且在该被选取的系统帧的任一定位子帧(子帧SFN_2至SFN_W)传送Resp信号给标签(步骤S980)。在基站120没有任何收到测距命令PSS、Rach信号及BCN信号的情况下，基站120检测系统100中至少一个标签的调度情况(步骤S990)，并于检测完成后回到步骤S910。

在步骤S990中，基站120每隔预设时间检查标签130所广播的BCN信号的累积个数，若该累积个数于连续两次检查没有变化，则基站120认为该标签130可能已关机、没电、或已离开系统100，因此基站120释放该标签130所占用的资源(例如释放标签130之标签识别码所对应的系统帧)。图9的一些步骤，例如S970和S990，亦可在服务器110的协调下执行。

图10为本发明的基站处理BCN信号的一实施例的流程图(即图9的步骤S960的详细流程)。基站120于接收BCN信号后(步骤S1005)，判断BCN信号是否为一般类型(步骤S1010)。在BCN信号是一般类型的情况下，基站120判断是否发生冲突(步骤S1015)。因为基站120知道每个系统帧是否被占用，以及被占用的系统帧所对应的标签识别码，所以基站120可以根据BCN信号所携带的标签识别码得知是否发生冲突。如果于当前的系统帧所收到的BCN信号所携带标签识别码不等于对应于该当前的系统帧的标签识别码，则发生冲突。如果发生冲突，则基站120结束处理当前的BCN信号(步骤S1080)。如果没有冲突，则基站120根据BCN信号的到达时间计算时间调整量(步骤S1020)。基站120借由POL信号通知标签130该时间调整量(即图9的步骤S930)，而标签130可据以调整时间以跟基站120保持同步(即图7及图8的步骤S745)。接下来，基站120计算该BCN信号的RSSI信息，并且将RSSI信息插入BCN信号中以形成MBCN信号，然后将MBCN信号传送给服务器110(步骤S1025)。

如果BCN信号不是一般类型，则基站120进一步判断BCN信号为取消类型、初始类型或是再初始(re-initialization)类型(步骤S1030及S1040)。在BCN信号是取消类型的情况下，基站120将对应于该标签130的标签识别码的系统帧标记为闲置，也就是释放该标签130原先所占用的系统帧的信标子帧(步骤S1050)。在BCN信号是初始类型的情况下，基站120标记当前的系统帧的信标子帧被该标签130占用(步骤S1070)。在BCN信号是再初始类型的情况下，基站120释放当前的系统帧的信标子帧，也就是基站120标记当前的系统帧的信标子帧为闲置(步骤S1060)。在一些实施例中，步骤S1060包含以下的子步骤：基站120先检查标签130先前是否已经占用任何系统帧，如果是，则基站120除了释放当前的系统帧的信标子帧之外，还释放先前被占用的系统帧的信标子帧，以确保系统帧与标签为一对一的关系。基站120于完成步骤S1060之后，执行步骤S1070。步骤S1050或S1070完成后，基站120完成处理信标信号(步骤S1080)，基站120的操作回到图9的步骤S910。图10的一些步骤，例如S1050～S1070，亦可在服务器110的协调下执行。

请注意，前揭图示中，步骤的顺序等仅为示意，供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。