CN105162660A - 一种符合ieee802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法 - Google Patents

一种符合ieee802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法 Download PDF

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Abstract

一种符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，配置符合IEEE802.15.4标准的星形网络，星形网络中包含网络协调器PAN和精简功能设备RFD，网络协调器PAN采用基于时隙的带冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA信道访问机制与精简功能设备RFD进行信道竞争访问，在完成数据传输的同时，采用脉冲压缩的方法完成网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距。本发明在保留了该IEEE802.15.4标准协议低复杂度、低功耗、低成本、一对多通信的基础上，通过在载波调制阶段融合脉冲压缩的信号调制和解算方法，相比于目前使用IEEE802.15.4标准的ZigBee通信增加了远程多目标测距功能并具有较高的测距精度，而由于目前相关通信芯片产业相当成熟，该技术的成本远远低于传统雷达。

Description

一种符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法
技术领域
本发明涉及一种符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法。
背景技术
802.15.4无线标准是IEEE在2003年5月通过的无线标准，以此标准为基础的无线技术主要用于通信领域，能够使星型网络拓扑结构中的中心协调器（即PAN协调器）与多个精简功能设备（RFD）进行数据传递，在低功耗的同时具有信道能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）等功能和时隙保障（GTS）、载波侦听（CSMA）、ACK机制等优点以保证可靠传输，被大量应用于家具自动化，玩具及健康护理领域，也有一些利用以上优点进行一对多测距功能应用的尝试。然而，目前该标准主要应用在ZigBee无线通信技术上，该技术在物理层的载波调制上采用的是偏移四相移键控（OffsetQuadraturePhaseShiftKeying，O-QPSK）方式，该方式主要侧重于通信，传输距离约为10m~100m，在很多户外场合不符合测距的要求。脉冲压缩是现代雷达测距应用中会采用到的技术手段，通过发射大时宽带宽积信号来在提高雷达平均功率，提高作用距离的同时在接收端通过匹配滤波、解线性调频等方式进行脉冲压缩处理，将大时宽带宽积信号变为一个窄脉冲，提高距离分辨能力。
对现有技术进行了国内外数据库的检索，在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献或专利中，检索到二篇文献资料。1、公开日期2010年11月3日，皇家飞利浦电子股份有限公司，专利授权CN101023632B，《在主/从网络和ADHOC网络中通过窃听消息完成传输时间测量》，介绍了通过使用窃听获得电子设备的距离或位置信息的方法，该专利的应用背景是典型的ZigBee技术，未见将IEEE802.15.4标准与脉冲压缩方法相融合的介绍，其应用范围也是家庭电子设备位置获取，作用距离远远低于本发明所能达到的范围。2、公开日期2008年8月29日，电视广播有限公司，公开号CN102204372A，《增强型室内定位》，介绍了如何在室内环境中通过计算功率以及将其和参考量比较来确定电子移动设备的当前位置，虽然同样是应用于IEEE802.15.4标准下的测距方法，其具体实施方式与本发明也是截然不同的，仅按照功率来进行位置估算，其精度之低是显而易见的，且该发明也是局限于室内运用。
综上所述，现有技术未公开有将IEEE802.15.4标准与脉冲压缩手段进行融合从而在星型网络中进行多目标测距的方法。
发明内容
本发明提供一种符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，在保留了该IEEE802.15.4标准协议低复杂度、低功耗、低成本、一对多通信的基础上，通过在载波调制阶段融合脉冲压缩的信号调制和解算方法，相比于目前使用IEEE802.15.4标准的ZigBee通信增加了远程多目标测距功能并具有较高的测距精度，而由于目前相关通信芯片产业相当成熟，该技术的成本远远低于传统雷达。
为了达到上述目的，本发明提供一种符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，配置符合IEEE802.15.4标准的星形网络，星形网络中包含网络协调器PAN和精简功能设备RFD，网络协调器PAN采用基于时隙的带冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA信道访问机制与精简功能设备RFD进行信道竞争访问，在完成数据传输的同时，采用脉冲压缩的方法完成网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距。
配置符合IEEE802.15.4标准的星形网络包含以下步骤：
步骤S1、定义网络协调器PAN；
网络协调器PAN主机上电，配置成符合IEEE802.15.4标准的网络协调器PAN；
步骤S2、网络协调器PAN周期性地广播信标帧；
步骤S3、注册精简功能设备RFD；
步骤S4、配置星形网络；
网络协调器PAN设置网络协调器PAN和已注册的精简功能设备RFD之间进行通信时，任何设备收到数据帧后都需要发送应答帧。
注册精简功能设备RFD包含以下步骤：
位于网络协调器PAN测距范围内的精简功能设备RFD上电后，如果精简功能设备RFD接收到了网络协调器PAN广播的信标帧，则向网络协调器PAN发送注册请求，网络协调器PAN接收到精简功能设备RFD的注册请求后，将精简功能设备RFD的网络地址存入网络协调器PAN中的目标列表，并通过符合IEEE802.15.4的时隙保障机制GTS分别为精简功能设备RFD分配专用的通信时段，实现网络协调器PAN和精简功能设备RFD的网络关联和时钟同步。
对于单个精简功能设备RFD，采用脉冲压缩的方法完成网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距包含以下步骤：
步骤S501、网络协调器PAN发送第一数据帧给RFD，并记录下此时的时间；
步骤S502、精简功能设备RFD在收到第一数据帧后返回第一应答帧给网络协调器PAN，在该第一应答帧中包含了精简功能设备RFD从收到第一数据帧到发送第一应答帧之间所消耗的时间T2；
步骤S503、网络协调器PAN收到第一应答帧后计算出第一次通信过程中消耗的时间T1；
步骤S504、为了使测距更加准确，精简功能设备RFD在返回第一应答帧后会再发送第二数据帧给网络协调器PAN，记录发送的时间；
步骤S505、网络协调器PAN在收到第二数据帧后返回第二应答帧给精简功能设备RFD，在该第二应答帧中包含了网络协调器PAN从收到第二数据帧到发送第二应答帧之间所消耗的时间T4；
步骤S506、精简功能设备RFD收到第二应答帧后计算出第二次通信过程中消耗的时间T3；
步骤S507、精简功能设备RFD将第二次通信过程中消耗的时间T3通过第三数据帧发送给网络协调器PAN；
步骤S508、网络协调器PAN计算通信过程中信号的单程传输时间Tsingle，并由此计算出网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的距离；
。
在网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距过程中，网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间发送的数据帧都经过脉冲压缩数据处理。
所述的网络协调器PAN定期重新配置符合IEEE802.15.4标准的星形网络，对新进入网络协调器PAN测距范围内的精简功能设备RFD进行注册，对超过网络协调器PAN测距范围的精简功能设备RFD进行解注册。
本发明具有以下有益效果：目前符合IEEE802.15.4的通信套片已十分成熟，将该标准中的信道能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）等功能和时隙保障（GTS）、载波侦听（CSMA）、ACK机制等优点利用到雷达测距技术上，能够大幅降低传统测距雷达抗干扰以及解决信道能量饱技术的复杂程度和所耗费的成本，而在IEEE802.15.4标准物理层融合了雷达领域的脉冲压缩技术后，能够在提高雷达平均功率，提高作用距离的同时提高距离分辨能力，突破传统ZigBee技术的作用距离并增加了测距能力具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的星型拓扑结构示意图。
图2是本发明的流程图。
图3是实施例中的测距流程示意图；
图4是实施例中的原始发射波形和脉冲压缩之后提取的波形图；
图5是实际应用中的测距曲线。
具体实施方式
以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。
图1是星型拓扑结构示意图，星形网络中配置了一个网络协调器PAN和若干个精简功能设备RFD。
如图2所示，本发明提供一种符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，包含以下步骤：
步骤S1、定义网络协调器PAN；
网络协调器PAN主机上电，配置成符合IEEE802.15.4标准的网络协调器PAN；
步骤S2、网络协调器PAN周期性地广播信标帧，以标示超帧的开始；
超帧是一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构，主要定义了通信的活跃时段和非活跃时段，在非活跃时段，设备可以进入休眠模式以达到省电的目的；
步骤S3、注册精简功能设备RFD；
精简功能设备RFD即为被测目标，精简功能设备RFD上电后，通过扫描搜索到网络协调器PAN（即接收到了网络协调器PAN广播的信标帧），向网络协调器PAN发送注册请求，网络协调器PAN接收到精简功能设备RFD的注册请求后，将精简功能设备RFD的网络地址存入网络协调器PAN中的目标列表，并通过符合IEEE802.15.4的时隙保障机制（GTS）分别为精简功能设备RFD分配专用的通信时段，实现网络协调器PAN和精简功能设备RFD的网络关联和时钟同步；
符合IEEE802.15.4的时隙保障机制GTS由网络协调器PAN集中管理，通过分时复用的方法避免了通信信道内不同目标传输信号的相互干扰；
步骤S4、配置星形网络；
网络协调器PAN设置网络协调器PAN和已注册的精简功能设备RFD之间进行通信时，任何设备收到数据帧后都需要发送应答帧；
步骤S5、通信和测距；
网络协调器PAN采用基于时隙的CSMA/CA（带冲突避免的载波侦听多路访问）信道访问机制与已注册的精简功能设备RFD在竞争时段内进行信道竞争访问，在完成数据传输的同时，采用脉冲压缩的方法完成网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距；
不同的精简功能设备RFD在自己所分配到的时隙内与网络协调器PAN完成数据交换和测距，而另外的精简功能设备RFD通过侦听信道能量和地址匹配来保持静默，让出信道资源；
步骤S6、网络协调器PAN判断是否到达预设时间，若是，返回执行步骤S2，若否，返回步骤S5。
通常，步骤S5会连续执行若干个周期，当到达预设时间后，网络协调器PAN将重新进入步骤S2进行广播，以防止有新的精简功能设备RFD进入星型网络，在已有精简功能设备RFD与网络协调器PAN的距离超过最远测距距离后，网络协调器PAN也将会对其进行解注册，将其从目标地址列表中删除。
如图3所示，对于单个精简功能设备RFD，网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的脉冲压缩测距方法包含以下步骤：
步骤S501、网络协调器PAN发送第一数据帧给RFD，并记录下此时的时间；
步骤S502、精简功能设备RFD在收到第一数据帧后返回第一应答帧给网络协调器PAN，在该第一应答帧中包含了精简功能设备RFD从收到第一数据帧到发送第一应答帧之间所消耗的时间T2；
步骤S503、网络协调器PAN收到第一应答帧后计算出第一次通信过程中消耗的时间T1；
步骤S504、为了使测距更加准确，精简功能设备RFD在返回第一应答帧后会再发送第二数据帧给网络协调器PAN，记录发送的时间；
步骤S505、网络协调器PAN在收到第二数据帧后返回第二应答帧给精简功能设备RFD，在该第二应答帧中包含了网络协调器PAN从收到第二数据帧到发送第二应答帧之间所消耗的时间T4；
步骤S506、精简功能设备RFD收到第二应答帧后计算出第二次通信过程中消耗的时间T3；
步骤S507、精简功能设备RFD将第二次通信过程中消耗的时间T3通过第三数据帧发送给网络协调器PAN；
步骤S508、网络协调器PAN计算通信过程中信号的单程传输时间Tsingle，并由此计算出网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的距离；
在两次通信过程中，数据处理所消耗的时间为：
加上信号在空间传输所用的时间一共为：
在通信过程中，信号一共在空间传输了4次，所以单程的传输时间为：
由于本发明将脉冲压缩的方式融合在了IEEE802.15.4信号的传输过程中，在物理层采用脉冲压缩的方法对数据进行处理，例如用上调频脉冲代表二进制数据“1”，静默代表二进制数据“0”，使得网络协调器PAN在计算单程时间时有很高的精度，从而在距离计算时具有很高的距离分配率，如图4所示，同样是在时域范围，通过匹配滤波、解线性调频等方式处理方式，能够将大时宽的调频信号转化成很窄的脉冲，提高了抗干扰能力和测距精度。
本发明已经应用在一种户外测距设备的产品上，图5是网络协调器PAN对星形网络中的1号精简功能设备RFD和2号精简功能设备RFD的测距记录数据，网络协调器PAN发射功率为20dBm。从图5可以看出，一开始两个精简功能设备RFD分别在距离网络协调器PAN约2000m处和1700m处，然后移动网络协调器PAN向1号精简功能设备RFD靠近，在到达1号精简功能设备RFD处后向后退约300m，重复靠近并最终回到起始点，整个过程中，网络协调器PAN都能有效地得到两台精简功能设备RFD的位置而不受干扰。该数据中的测距距离大大超过了传统IEEE802.15.4标准下的ZigBee技术的使用范围，证明了本发明的有效性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，其特征在于，配置符合IEEE802.15.4标准的星形网络，星形网络中包含网络协调器PAN和精简功能设备RFD，网络协调器PAN采用基于时隙的带冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA信道访问机制与精简功能设备RFD进行信道竞争访问，在完成数据传输的同时，采用脉冲压缩的方法完成网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距。
2.如权利要求1所述的符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，其特征在于，配置符合IEEE802.15.4标准的星形网络包含以下步骤：
步骤S1、定义网络协调器PAN；
网络协调器PAN主机上电，配置成符合IEEE802.15.4标准的网络协调器PAN；
步骤S2、网络协调器PAN周期性地广播信标帧；
步骤S3、注册精简功能设备RFD；
步骤S4、配置星形网络；
网络协调器PAN设置网络协调器PAN和已注册的精简功能设备RFD之间进行通信时，任何设备收到数据帧后都需要发送应答帧。
3.如权利要求2所述的符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，其特征在于，注册精简功能设备RFD包含以下步骤：
位于网络协调器PAN测距范围内的精简功能设备RFD上电后，如果精简功能设备RFD接收到了网络协调器PAN广播的信标帧，则向网络协调器PAN发送注册请求，网络协调器PAN接收到精简功能设备RFD的注册请求后，将精简功能设备RFD的网络地址存入网络协调器PAN中的目标列表，并通过符合IEEE802.15.4的时隙保障机制GTS分别为精简功能设备RFD分配专用的通信时段，实现网络协调器PAN和精简功能设备RFD的网络关联和时钟同步。
4.如权利要求3所述的符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，其特征在于，对于单个精简功能设备RFD，采用脉冲压缩的方法完成网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距包含以下步骤：
步骤S501、网络协调器PAN发送第一数据帧给RFD，并记录下此时的时间；
步骤S502、精简功能设备RFD在收到第一数据帧后返回第一应答帧给网络协调器PAN，在该第一应答帧中包含了精简功能设备RFD从收到第一数据帧到发送第一应答帧之间所消耗的时间T2；
步骤S503、网络协调器PAN收到第一应答帧后计算出第一次通信过程中消耗的时间T1；
步骤S504、为了使测距更加准确，精简功能设备RFD在返回第一应答帧后会再发送第二数据帧给网络协调器PAN，记录发送的时间；
步骤S505、网络协调器PAN在收到第二数据帧后返回第二应答帧给精简功能设备RFD，在该第二应答帧中包含了网络协调器PAN从收到第二数据帧到发送第二应答帧之间所消耗的时间T4；
步骤S506、精简功能设备RFD收到第二应答帧后计算出第二次通信过程中消耗的时间T3；
步骤S507、精简功能设备RFD将第二次通信过程中消耗的时间T3通过第三数据帧发送给网络协调器PAN；
步骤S508、网络协调器PAN计算通信过程中信号的单程传输时间Tsingle，并由此计算出网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的距离；
。
5.如权利要求4所述的符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，其特征在于，在网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间的测距过程中，网络协调器PAN和精简功能设备RFD之间发送的数据帧都经过脉冲压缩数据处理。
6.如权利要求5所述的符合IEEE802.15.4标准星型网络的脉冲压缩测距方法，其特征在于，所述的网络协调器PAN定期重新配置符合IEEE802.15.4标准的星形网络，对新进入网络协调器PAN测距范围内的精简功能设备RFD进行注册，对超过网络协调器PAN测距范围的精简功能设备RFD进行解注册。
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