專利名稱：兩點間測距的系統和方法及其在Wifi設備防丟失中的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于IEEE802. 11中OFDM (正交頻分復用)技術的WiFi通信領域，特別涉及其中一種兩點間距離測量的系統和方法，以及將該測距系統及測距方法應用在WiFi設備(例如耳機)測距防丟失中的一種方法。
背景技術：
距離測量作為實時定位系統的基礎，被廣泛的應用在實際系統中，如GPS定位等。傳統的距離測量必須基于一個精確的衛星時鐘系統(如GPS)或一個超寬帶系統(如IEEE802. 15. 4a):其中，GPS通過測量4個以上衛星發送的信號到達本地的時間差來完成定位；IEEE. 15. 4a可通過脈沖序列相關得到無線信號的傳播時間，從而計算出兩點的距離。雖然這些傳統的定位系統能夠滿足很多應用的要求，但是也存在明顯的不足GPS因為要接受衛星信號，其在室內應用會受到限制；IEEE802. 15. 4a的傳輸距離僅有幾米，無法滿足大多數應用的需求，并且IEEE802. 15. 4a未進入大規模商用，成本過高。而在很多的實際應用中，用戶希望用較低的成本獲得一定范圍的定位信息，例如在大型商場或超市中定位人或商品，則上述兩種現有技術都無法滿足這一需求。IEEE802. 11是無線局域網(也稱WiFi)的標準。IEEE802. 11中的OFDM (正交頻分復用)技術包括 IEEE802. 11a、IEEE802. llg、IEEE802. I In、IEEE802. Ilp (及其后續標準IEEE802. Ilac 等)。目前，WiFi熱點在大中城市中已經廣泛設置。WiFi技術經過十幾年的發展，其應用已從個人電腦擴展到各種手持電子設備中手機、平板電腦，數碼相機、手持游戲機等。利用WiFi來定位可實現低成本的I米到幾百米的定位。另外，無線耳機目前主要以藍牙技術為主，但是WiFi耳機以其低功耗，傳輸速率快，傳輸距離遠等優勢弓I起了世人的廣泛關注。
發明內容
本發明的目的是在通用的IEEE802. lla/g/n/p (及其后續標準IEEE802. Ilac等)系統基礎上，加入必要的硬件和算法，從而提供一種低成本的能夠支持兩點間距離測量的系統及方法；并且，本發明還將該系統及方法應用到WiFi耳機與其他WiFi通信設備(例如計算機PC，手機，平板電腦PAD等)之間的交互，當兩者之間的距離超出設定范圍后，發出聲音、閃爍和/或振動提示，起到防丟失的功能。為了實現上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種兩點間距離測量系統，基于IEEE802. 11中正交頻分復用技術對AB兩點之間的距離進行測量；
所述系統包含分別布置在A點和B點的WiFi通信模塊，能夠相互匹配進行數據包的發送及接收；每個所述WiFi通信模塊輸出的數據包包含一組串聯的OFDM符號；每個OFDM符號由保護間隔和本征符號這兩部分組成，并且該OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置到所述保護間隔與本征符號的交界點之間的時間差dt，與FFT輸出信號時信道估計的相位在頻域子載波方向上的斜率相對應；
每個所述WiFi通信模塊，在系統物理層中增加有計算信道估計斜率的模塊和定時器，并在介質訪問控制層和軟件控制層中增加有支持A點和B點間為測量距離而進行通信和交換信息的功能模塊及應用軟件；
其中，所述計算信道估計斜率的模塊，用于計算并輸出所述的時間差dt ;所述定時器，用于計算并輸出在AB點之間相互傳輸設定的數據包時所需的時間。優選的，所述計算信道估計斜率的模塊，是WiFi芯片中能夠將接收數據包時計算的所述時間差dt進一步保存并輸出的信道估計模塊。A點WiFi模塊的定時器，至少用于計算第一時間TA ;所述第一時間TA，是在A點向B點發送一個已知內容的第一數據包時，從第一數據包的一個第一約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點開始計時，到A點接收到B點向其返回的一個已知內容的第二數據包時，該第二數據包的一個第二約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置為止結束計時。B點WiFi模塊的定時器，至少用于計算第二時間TB ;所述第二時間TB，是在B點接收所述第一數據包時，從第一數據包的第一約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置開始計時，到B點向A點發送所述第二數據包時，第二數據包的第二約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點為止結束計時。本發明的另一個技術方案是提供一種兩點間距離測量方法，使用上述的測量系統實現，基于IEEE802. 11中正交頻分復用技術對AB兩點之間的距離進行測量；
所述方法包含以下流程
步驟1，由A點發起測量距離的要求，雙方確認后，由A點向B點發送一個已知內容的第一數據包；當A點在發送第一數據包中的一個第一約定OFDM符號時，在該第一約定OFDM符號的保護間隔和本征符號的交界點開始對第一時間TA進行計時；
步驟2，B點完成對第一數據包的接收后，得到所述第一約定OFDM符號的時間差dtB，并從該第一約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置開始對第二時間TB進行計時；在接收完第一數據包后，B點還開始向A點發送一個已知內容的第二數據包；當B點在發送第二數據包的一個第二約定OFDM符號時，在該第二約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點結束對第二時間TB的計時；
步驟3，A點完成對第二數據包的接收后，檢測所述第二約定OFDM符號的時間差dtA，并在該第二約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置結束對第二時間TA的計時；
步驟4，根據第二約定OFDM符號的時間差dtA、第一時間TA、第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB，計算得出AB兩點之間的距離
將A點與B點間因距離而發生的傳輸延時記為
I,則T =AB間距離/光速；TA+dtA=TB-dtB+2 I，得到AB間的距離=光速X
(TA-TB+dtA+dtB) /2。步驟4中，進一步由B點向A點發送一個第三數據包來攜帶有關第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB的信息，并由A點接收該第三數據包并計算AB兩點之間的距離。
或者,步驟4中，進一步由A點向B點發送一個第三數據包來攜帶第二約定OFDM符號的時間差dtA、第一時間TA，并由B點計算AB兩點之間的距離。又或者，在步驟2中，B點向A點發送的第二數據包中，還包含附加在第二約定OFDM符號之后的第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB ;則步驟4中，由A點計算AB兩點之間的距離。本發明的又一個技術方案是提供一種基于兩點間距離測量的系統和方法來防止WiFi通信設備丟失的方法
在分別位于AB兩點的兩個設備中，各自配置有能夠基于IEEE802. 11中正交頻分復用技術進行交互的WiFi通信模塊；其中，A點的WiFi通信模塊，能夠向B點發送一個已知內容的第一數據包，該第一數據包中設有一個第一約定OFDM符號；而B點的通信模塊接收第一數據包后，能夠向A點返回一個已知內容的第二數據包，該第二數據包中設有一個第二約定OFDM符號；
A點的通信模塊接收第二數據包后，能夠獲取第二約定OFDM符號中FFT輸入信號窗口起始位置到保護間隔與本征符號的交界點之間的時間差dtA，還能夠計算一個第一時間TA ；
所述第一時間TA是從第一約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點開始計時，到第二數據包的第二約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置為止結束計時；
B點的通信模塊接收第一數據包后，能夠獲取第一約定OFDM符號中FFT輸入信號窗口起始位置到保護間隔與本征符號的交界點之間的時間差dtB，還能夠計算一個第二時間TB ；
所述第二時間TB是從第一數據包的第一約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置開始計時，到第二數據包的第二約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點為止結束計時；
由A點或B點的通信模塊，根據第二約定OFDM符號的時間差dtA、第一時間TA、第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB，計算得出AB兩點之間的距離將A點與B點間因
距離而發生的傳輸延時記為T，則I =AB間距離/光速；TA+dtA=TB-dtB+2 T，得到AB間
的距離=光速 X (TA-TB+dtA+dtB) /2 ；
當判斷AB點的兩個設備的間距大于設定范圍時，控制其中至少一個設備來發出提示信號，實現設備防丟失的功能。優選的，A點和B點的設備，分別是從各自設有所述WiFi通信模塊的耳機、手機、平板電腦、掌上電腦或計算機中任意選擇的兩個。綜上所述，本發明所述兩點間測距的系統和方法及其應用在Wifi設備防丟失中的方法，其優點在于通過在常規WiFi通信模塊中設置計算信道估計斜率的模塊和定時器，來獲取在兩點間相互傳輸內容已知的數據包時，約定符號中的時間差及所需要的時間，并以此計算兩點間的距離。由于本發明基于IEEE802. 11中正交頻分復用技術實現，能夠適用于分布有大量WiFi熱點的室內場所，實現低成本的距離測量。并且，可以在WiFi耳機和與之匹配的手機等WiFi通信設備中，分別設置上述的硬件及算法來計算兩者的距離，當判斷距離超過設定范圍時，發出聲音、閃爍或振動的提示信號，來防止設備丟失。
圖I是IEEE802. 11中一個OFDM符號的組成部分示意圖2是本發明所述距離測量系統在AB兩處的結構示意圖3是本發明所述距離測量方法的示意圖。
具體實施例方式以下結合
本發明的具體實施方式
。IEEE802. 11中的OFDM (正交頻分復用)技術是WiFi的主流模式。本發明在現有系統的基礎上，利用OFDM自身所具有的測量時間差的特性，從而完成距離測量。如圖I所示，IEEE802. lla/g/n/p (及其后續標準IEEE802. Ilac等)系統是基于OFDM調制的。其輸出信號是由串聯在一起的OFDM符號組成的，而每個OFDM符號又包含兩部分，由保護間隔GI和本征符號組成，其中GI是本征符號在時域上的循環延伸。而在相應的接收解調系統中包括將時域信號轉換成頻域信號的FFT (快速傅里葉變換)模塊。FFT模塊的輸入信號是由OFDM符號采樣所得，但是其采樣開始的位置是任意的，通常位于GI中靠近本征符號的部分。當信道接近于AWGN (加性高斯白噪聲)時，FFT模塊的輸出，與其輸入信號窗口的開始位置到保護間隔GI/本征符號交界點之間的時間差dt相關。若給定該OFDM符號所傳載的信息(如設定為QPSK四相相移鍵控信號)，我們就可以方便地從FFT模塊的輸出得到相應的信道估計，該信道估計的相位在頻域子載波方向上的斜率由上述的時間差dt決定，從而允許我們通過計算該斜率而得到dt的信息。相關計算請參考圖I中的示意，即，信道估計的相位差=2 π (dt)(子載波間距)。基于上述原理，本發明通過發送內容已知的IEEE802. 11 OFDM數據包而獲得相應的時間差dt，并通過兩點間的配合，實現相應距離的測量。為了實現距離測量，需要WiFi系統多個環節的支持。在完全不妨礙系統原有例如是信息發射及接收功能的前提下，如圖2所示，本發明所述的距離測量系統，包括在系統物理層(PHY)中加入的一些硬件電路計算信道估計斜率的模塊和一個定時器。具體的，信道估計是現有WiFi物理層芯片中的一個基本功能模塊，其中一般已經具備計算上述的dt來接收數據包的功能，但由于dt對MAC層(介質訪問控制層)無用，通常不輸出。故在本發明中只需在原有模塊中增加保存和輸出dt的功能，來作為上述的計算信道估計斜率的模塊。而本發明需增加的定時器會在下文做詳細描述。另外，本發明還需要進一步在MAC層和軟件控制層中加入支持A點和B點間為測量距離而進行通信和交換信息的功能模塊。這些系統改進在距離測量的AB兩點的WiFi模塊中需要分別設置。如圖3所示，本發明所述距離測量系統的工作流程為
(I)由A點發起測量距離的要求,雙方確認后，由A點向B點發送一個已知內容的標準數據包(稱為第一數據包)。同時，A點在其發送第一數據包中的一個事先約定的OFDM符號(通常為最后一個符號)時，在GI和本征符號的交界處開始對第一時間TA的計時。(2)B點在完成必要的接收程序后，檢測其收到第一數據包中的該約定符號時相應的時間差dtB，并從相應的FFT窗口起始位置開始第二時間TB的計時。在接受完第一數據包后，B點盡快開始向A點發送一個已知內容的標準數據包(稱為第二數據包)。在B點所發送的另一個事先約定的OFDM符號(通常為第一個符號)時，在GI和本征符號的交界處結束對第二時間TB的計時。(3)A點在完成必要的接收程序后，檢測其收到第二數據包中的約定的符號時相應的時間差dtA，并在相應的FFT窗口起始位置結束對第二時間TA的計時。(4) B點再向A點發送一個第三數據包攜帶信息dtB和TB。A點接收該第三數據包，并可根據dtA、TA、dtB和TB計算出AB兩點之間的距離。兩點間距離計算的方法如下將A點與B點間因距離而發生的傳輸延時記為T
，則I =AB間距離/光速。參見圖3，TA+dtA=TB-dtB+2 I，因此AB間的距離=光速X(TA-TB+dtA+dtB) /2。在其他一些實施例中，以上第4步中，也可以由A點向B點發送一個第三數據包攜帶信息dtA和TA。由B點根據上述公式完成對距離的計算。或者，也可以在第2步中，當B點向A點發送第二數據包的約定的符號之后，附加上由B點得到的時間差dtB和第二時間TB。這樣可省去第4步中B點向A點發送的第三數據包，節約通信過程。本發明所述距離測量系統中的定時器，即需要至少具備能夠完成上述方法中對TA、TB進行計時的功能。本發明所述的兩點間距離測量系統及方法，可用于GPS覆蓋不到的室內，尤其是在已布置有WiFi熱點的大型建筑物內，如大型商場超市、醫院、工廠廠房等，用來對一個人或一件物品通過測距進行定位。由于本發明基于現有的主流WiFi系統進行硬件及算法改進，則，一方面根據規模效應，WiFi系統的成本很低；再考慮到大量手持設備中(手機、PDA、PAD等中)已經帶有WiFi系統，應用本發明需要增加的成本就更少了。此外，本發明基于WiFi還帶來另一項優勢定位信息可通過WiFi網絡本身上傳到Internet,也可從Internet獲得額外的信息來幫助定位。另外，本發明上述兩點間距離測量系統及方法，還可以應用在WiFi手機等設備的防丟失方法中。具體地在無線耳機中設置具有上述計算信道估計斜率的模塊和定時器的WiFi通信模塊，使該耳機與同樣裝設有WiFi通信模塊的設備(例如是PC，手機，PAD)之間進行交互。所述的WiFi通信模塊可以選用基于WiFi Direcet (又稱WiFi Peer-to-Peer)技術的器件，也可以采用多天線技術。通過本發明的上述方法測量兩者之間的距離，并判斷當距離超出一定范圍時，設定其中一個設備(如耳機)會發出聲音、閃爍或振動提示，方便尋找到該設備，或者起到防止與之進行WiFi通信的另一個設備(如手機)丟失的作用。進一步配合進行針對無線信號的能量、方位角和空中傳輸時間等的測量，可以實現對耳機等的定位。當然，上述基于WiFi通信測距防丟失的方法不限于耳機和手機之間，也可以應用在其他任意兩個設有上述改進的WiFi通信模塊的設備之間。盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種兩點間距離測量系統，基于IEEE802. 11中正交頻分復用技術對AB兩點之間的距離進行測量，其特征在于 所述系統包含分別布置在A點和B點的WiFi通信模塊，能夠相互匹配進行數據包的發送及接收；每個所述WiFi通信模塊輸出的數據包包含一組串聯的OFDM符號；每個OFDM符號由保護間隔和本征符號這兩部分組成，并且該OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置到所述保護間隔與本征符號的交界點之間的時間差dt，與FFT輸出信號時信道估計的相位在頻域子載波方向上的斜率相對應； 每個所述WiFi通信模塊，在系統物理層中增加有計算信道估計斜率的模塊和定時器，并在介質訪問控制層和軟件控制層中增加有支持A點和B點間為測量距離而進行通信和交換信息的功能模塊及應用軟件； 其中，所述計算信道估計斜率的模塊，用于計算并輸出所述的時間差dt ;所述定時器，用于計算并輸出在AB點之間相互傳輸設定的數據包時所需的時間。
2.如權利要求I所述兩點間距離測量系統，其特征在于 所述計算信道估計斜率的模塊，是WiFi芯片中能夠將接收數據包時計算的所述時間差dt進一步保存并輸出的信道估計模塊。
3.如權利要求I所述兩點間距離測量系統，其特征在于； A點WiFi模塊的定時器，至少用于計算第一時間TA ;所述第一時間TA，是在A點向B點發送一個已知內容的第一數據包時，從第一數據包的一個第一約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點開始計時，到A點接收到B點向其返回的一個已知內容的第二數據包時，該第二數據包的一個第二約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置為止結束計時。
4.如權利要求3所述兩點間距離測量系統，其特征在于 B點WiFi模塊的定時器，至少用于計算第二時間TB ;所述第二時間TB，是在B點接收所述第一數據包時，從第一數據包的第一約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置開始計時，到B點向A點發送所述第二數據包時，第二數據包的第二約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點為止結束計時。
5.一種兩點間距離測量方法，使用如權利要求I所述的測量系統實現，基于IEEE802. 11中正交頻分復用技術對AB兩點之間的距離進行測量，其特征在于 所述方法包含以下流程 步驟1，由A點發起測量距離的要求，雙方確認后，由A點向B點發送一個已知內容的第一數據包；當A點在發送第一數據包中的一個第一約定OFDM符號時，在該第一約定OFDM符號的保護間隔和本征符號的交界點開始對第一時間TA進行計時； 步驟2，B點完成對第一數據包的接收后，得到所述第一約定OFDM符號的時間差dtB，并從該第一約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置開始對第二時間TB進行計時； 在接收完第一數據包后，B點還開始向A點發送一個已知內容的第二數據包；當B點在發送第二數據包的一個第二約定OFDM符號時，在該第二約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點結束對第二時間TB的計時； 步驟3，A點完成對第二數據包的接收后，檢測所述第二約定OFDM符號的時間差dtA，并在該第二約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置結束對第二時間TA的計時； 步驟4，根據第二約定OFDM符號的時間差dtA、第一時間TA、第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB，計算得出AB兩點之間的距離 將A點與B點間因距離而發生的傳輸延時記為1，則I =AB間距離/光速；TA+dtA=TB-dtB+2 X，得到 AB 間的距離=光速 X (TA-TB+dtA+dtB) /2。
6.如權利要求5所述兩點間距離測量方法，其特征在于 步驟4中，進一步由B點向A點發送一個第三數據包來攜帶有關第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB的信息，并由A點接收該第三數據包并計算AB兩點之間的距離。
7.如權利要求5所述兩點間距離測量方法，其特征在于 步驟4中，進一步由A點向B點發送一個第三數據包來攜帶第二約定OFDM符號的時間差dtA、第一時間TA，并由B點計算AB兩點之間的距離。
8.如權利要求5所述兩點間距離測量方法，其特征在于 在步驟2中，B點向A點發送的第二數據包中，還包含附加在第二約定OFDM符號之后的第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB ;則步驟4中，由A點計算AB兩點之間的距離。
9.一種基于兩點間距離測量的系統和方法來防止WiFi通信設備丟失的方法，其特征在于 在分別位于AB兩點的兩個設備中，各自配置有能夠基于IEEE802. 11中正交頻分復用技術進行交互的WiFi通信模塊；其中，A點的WiFi通信模塊，能夠向B點發送一個已知內容的第一數據包，該第一數據包中設有一個第一約定OFDM符號；而B點的通信模塊接收第一數據包后，能夠向A點返回一個已知內容的第二數據包，該第二數據包中設有一個第二約定OFDM符號； A點的通信模塊接收第二數據包后，能夠獲取第二約定OFDM符號中FFT輸入信號窗口起始位置到保護間隔與本征符號的交界點之間的時間差dtA，還能夠計算一個第一時間TA ； 所述第一時間TA是從第一約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點開始計時，到第二數據包的第二約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置為止結束計時； B點的通信模塊接收第一數據包后，能夠獲取第一約定OFDM符號中FFT輸入信號窗口起始位置到保護間隔與本征符號的交界點之間的時間差dtB，還能夠計算一個第二時間TB ； 所述第二時間TB是從第一數據包的第一約定OFDM符號的FFT輸入信號窗口起始位置開始計時，到第二數據包的第二約定OFDM符號的保護間隔與本征符號的交界點為止結束計時； 由A點或B點的通信模塊，根據第二約定OFDM符號的時間差dtA、第一時間TA、第一約定OFDM符號的時間差dtB和第二時間TB，計算得出AB兩點之間的距離將A點與B點間因距離而發生的傳輸延時記為T，則I =AB間距離/光速；TA+dtA=TB-dtB+2 T，得到AB間的距離=光速 X (TA-TB+dtA+dtB) /2 ； 當判斷AB點的兩個設備的間距大于設定范圍時，控制其中至少一個設備來發出提示信號，實現設備防丟失的功能。
10.如權利要求9所述防止WiFi通信設備丟失的方法，其特征在于A 點和B點的設備，分別是從各自設有所述WiFi通信模塊的耳機、手機、平板電腦、掌上電腦或計算機中任意選擇的兩個。
全文摘要
本發明涉及一種兩點間測距的系統和方法及其應用在Wifi設備防丟失中的方法，通過在常規WiFi通信模塊中設置計算信道估計斜率的模塊和定時器，來獲取在兩點間相互傳輸內容已知的數據包時，約定符號中的時間差及所需要的時間，并以此計算兩點間的距離。由于本發明基于IEEE802.11中正交頻分復用技術實現，能夠適用于分布有大量WiFi熱點的室內場所，實現低成本的距離測量。并且，可以在WiFi耳機和與之匹配的手機等WiFi通信設備中，分別設置上述的硬件及算法來計算兩者的距離，當判斷距離超過設定范圍時，發出聲音、閃爍或振動的提示信號，來防止設備丟失。
文檔編號H04L27/26GK102932310SQ20121043934
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者林豪, 王茜, 符運生, 陳曉鵬 申請人:樂鑫信息科技(上海)有限公司