童凱翔，周 軒，李廣俠，劉 冰，田世偉

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007；2.61773部隊(duì)，烏魯木齊 830014；3.中國(guó)科學(xué)院 光電研究院，北京 100094)

超寬帶在無(wú)線定位技術(shù)中的應(yīng)用綜述

童凱翔1，周 軒2，李廣俠1，劉 冰3，田世偉1

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007；2.61773部隊(duì)，烏魯木齊 830014；3.中國(guó)科學(xué)院 光電研究院，北京 100094)

超寬帶技術(shù)具有高數(shù)據(jù)傳輸速率，高時(shí)域分辨率及強(qiáng)穿透性等優(yōu)點(diǎn)，其在短距離，環(huán)境復(fù)雜的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中引起了人們極大的興趣。主要通過(guò)對(duì)超寬帶技術(shù)的發(fā)展歷程闡述以及結(jié)合大量最新的工作，總結(jié)技術(shù)發(fā)展軌跡，探討基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)、算法。結(jié)合一些最新的研究成果，討論基于超寬帶的無(wú)線定位技術(shù)仍存在的問(wèn)題與發(fā)展方向。

超寬帶；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；定位技術(shù)

1 引言

以全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)，不論軍用還是民用方面都得到了廣泛的應(yīng)用，為人們的出行等一系列社會(huì)活動(dòng)提供了極大地便利。然而基于衛(wèi)星信號(hào)的導(dǎo)航定位并不總是有效的，主要體現(xiàn)在當(dāng)用戶處于森林、城市、峽谷及室內(nèi)等挑戰(zhàn)環(huán)境中，尤其是當(dāng)樓房等物體遮蔽造成信號(hào)大幅度地衰減及面對(duì)復(fù)雜室內(nèi)多徑環(huán)境的問(wèn)題時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的檢測(cè)本身就存在一定的困難，即使檢測(cè)到了，也會(huì)存在較大的定位誤差[1]。同時(shí)，在具體的室內(nèi)定位問(wèn)題中用戶一般不需要知道精確的經(jīng)緯度坐標(biāo)，而相對(duì)一些特定坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)在很多情況下顯得更有意義[2]。

因超寬帶(ultra wide band，UWB)信號(hào)具有其極強(qiáng)的穿透能力，極高的時(shí)域分辨率[3-4]等特性，UWB技術(shù)成為解決上述定位問(wèn)題的重要手段，基于UWB技術(shù)的定位也成為定位領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，得到了學(xué)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注。

UWB信號(hào)是擁有超過(guò)中心頻率20%相對(duì)帶寬或者絕對(duì)帶寬超過(guò)500 MHz的信號(hào)[5]。UWB技術(shù)就是基于這樣一系列的占用很大帶寬的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的無(wú)線電技術(shù)。大的帶寬保證了其極強(qiáng)的穿透能力，而其在時(shí)域上精細(xì)的分辨率也為提高測(cè)距、定位精度提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

UWB技術(shù)始于20世紀(jì)60年代后期，一開始僅僅因其優(yōu)越的穿透性和類噪聲性被軍事領(lǐng)域應(yīng)用于監(jiān)聽技術(shù)[6]。直到上世紀(jì)末該項(xiàng)技術(shù)引起了美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)的注意，這項(xiàng)技術(shù)才逐步開始民用以及商業(yè)化的進(jìn)程。

本文旨在以IEEE 802.15.4a[3]協(xié)議為基礎(chǔ)，描述協(xié)議定義的物理層性質(zhì)，由此展開在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)、算法與相關(guān)的工作研究，通過(guò)對(duì)一些最新的研究的綜述，來(lái)描述UWB技術(shù)在定位方向上的發(fā)展歷程與研究方向。

2 IEEE 802.15.4a規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)

IEEE 802.15.4a規(guī)定了信號(hào)傳輸采用的幀結(jié)構(gòu)，包括了一個(gè)同步頭(synchronization header，SHR)、一個(gè)物理層報(bào)頭(physical layer header，PHR)以及一個(gè)數(shù)據(jù)字段(PHY service data unit，PSDU)[3]。其中SHR由兩部分組成——測(cè)距前導(dǎo)碼(synchronization，SYNC)和幀分隔符(synchronization frame delimiter，SFD)。

簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，幀同步頭就是為了正確接收信號(hào)，在測(cè)距與定位技術(shù)中同樣需要以幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)判斷所接收的信號(hào)是否為有用的UWB信號(hào)。SYNC與SFD都是用于同步與測(cè)距的[7]，通過(guò)對(duì)收到的無(wú)線電波的分析得到正確的PHR接收時(shí)刻，從而得到兩點(diǎn)之間的距離信息。

3 基于UWB技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位

本節(jié)主要綜述目前可與UWB技術(shù)較好結(jié)合的一些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)與算法[5，8]。

為了更好地展開敘述，在此先定義在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位中普遍存在的兩類節(jié)點(diǎn)：

1)參考節(jié)點(diǎn)(reference node)：在網(wǎng)絡(luò)中已知坐標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn)；

2)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(target node)：在網(wǎng)絡(luò)中未知自身坐標(biāo)，希望通過(guò)定位算法獲得自身絕對(duì)位置坐標(biāo)或同參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)[8]。

3.1 無(wú)線定位技術(shù)綜述

3.1.1 基于到達(dá)信號(hào)角的測(cè)量

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)來(lái)自于參考節(jié)點(diǎn)的無(wú)線電信號(hào)得到自身關(guān)于參考節(jié)點(diǎn)的角度信息。如圖1所示，一般在一個(gè)二維平面結(jié)構(gòu)中，至少需要兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來(lái)確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置[5]。到達(dá)角(arrival of angle，AOA)一般要求目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)天線陣列來(lái)獲得較為精確的角度測(cè)量[9]，如圖2所示。

圖1 AOA測(cè)量角度信息

圖2 AOA天線陣列

AOA因?yàn)椴簧婕熬嚯x信息的提取，在算法復(fù)雜度以及實(shí)現(xiàn)上都較為簡(jiǎn)單，但是文獻(xiàn)[5]指出AOA并不適用于UWB定位系統(tǒng)，原因主要有兩點(diǎn)：1)天線陣列的使用加大了系統(tǒng)的成本開銷，很難推廣與民用；2)在室內(nèi)復(fù)雜多徑環(huán)境下，到達(dá)天線的信號(hào)的路徑的數(shù)量可能會(huì)非常之大，利用AOA仍然很難從中分離出有效的信息，與基于時(shí)間測(cè)度(time-based)或者說(shuō)基于測(cè)距(ranging-based)的技術(shù)來(lái)說(shuō)性能較差。

然而，在本文第4部分也會(huì)提到，隨著制造工藝的進(jìn)步和AOA與其他定位技術(shù)(如TOA，RSS等)的聯(lián)合應(yīng)用，在不提高成本的情況下能夠較好地提高定位精度，所以筆者認(rèn)為AOA仍是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

3.1.2 基于到達(dá)信號(hào)傳播時(shí)延或時(shí)延差的測(cè)量

基于時(shí)間測(cè)度的定位技術(shù)的核心就是測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)的傳播時(shí)間，到達(dá)時(shí)間(time of arrival，TOA)和到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival，TDOA的大致思想分別如圖3和圖4所示[6]，需要一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和至少3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。TOA測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間獨(dú)立的傳播時(shí)間τ， 利用d=c×τ， 得到彼此間距離(c為光速)，利用三個(gè)圓的交點(diǎn)來(lái)確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。TDOA則利用兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳播的時(shí)間差Δτ來(lái)推算與兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離差，一個(gè)距離差確定一條雙曲線，利用雙曲線的交點(diǎn)來(lái)確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。

圖3 TOA的測(cè)距定位模型

圖4 TDOA的測(cè)距定位模型

當(dāng)使用TOA和TDOA這種基于時(shí)間測(cè)距的定位技術(shù)時(shí)，非視距(nonlineofsigh，NLOS)帶來(lái)的影響必須要進(jìn)行考慮，因?yàn)樾盘?hào)的NLOS傳播會(huì)導(dǎo)致最終的測(cè)距結(jié)果始終存在一個(gè)正的偏差。同時(shí)，由于多徑效應(yīng)的存在，除了來(lái)自于直達(dá)路徑的信號(hào)(很可能由于阻擋而導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度非常微弱)以外，經(jīng)過(guò)反射、衍射的信號(hào)也同樣可以到達(dá)接收端[10]，從而造成對(duì)于τ的錯(cuò)誤估計(jì)。文章第4部分也會(huì)列舉相應(yīng)的文獻(xiàn)，針對(duì)多徑環(huán)境下測(cè)距的精確性進(jìn)行研究。

3.1.3 接收信號(hào)強(qiáng)度

基于接收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength，RSS)的定位方法仍然基于測(cè)距原理，通過(guò)式(1)[8]建立接收信號(hào)強(qiáng)度的衰減模型為

(1)

式(1)中，Prec為接收到的信號(hào)強(qiáng)度，P0為基準(zhǔn)位置d0處的基準(zhǔn)信號(hào)強(qiáng)度，np為信號(hào)強(qiáng)度衰減指數(shù)。顯然，這種方法需要先驗(yàn)的信道模型信息以及傳輸信號(hào)功率信息。文獻(xiàn)[5]也指出在一般的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的距離一般比較近，而UWB信號(hào)極大地帶寬性質(zhì)使得衰減很微弱，單一使用RSS很難提供所需要的測(cè)距精度，一般而言，使用UWB技術(shù)測(cè)距時(shí)，RSS可與其他方式結(jié)合使用。

3.1.4 模式匹配(Pattern matching)

模式匹配的另一種稱呼為“指紋學(xué)習(xí)”(Fingerprinting)，與許多其他學(xué)科中的模式匹配一樣，F(xiàn)ingerprinting也是一種基于學(xué)習(xí)的算法。通過(guò)提取接收到的信號(hào)的有關(guān)傳播參數(shù)，稱這些參數(shù)為“位置指紋”(location fingerprints)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與之最為匹配的位置信息[11]。

3.2 無(wú)線定位算法分類

無(wú)線定位算法分類的依據(jù)有許多種：根據(jù)信息處理位置的不同可以分為集中式與分布式算法、根據(jù)用戶能獲得的定位信息多少分為系統(tǒng)級(jí)與代理級(jí)算法、根據(jù)有無(wú)對(duì)所處環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)分為基于特點(diǎn)環(huán)境的與基于隨機(jī)環(huán)境的算法、根據(jù)位置信息的表達(dá)方式分為絕對(duì)式與相對(duì)式的算法，還可以分為協(xié)同定位與非協(xié)同定位[8]。

4 基于UWB定位精度的研究與新算法

4.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)定位的問(wèn)題

不論是基于IEEE 802.15.4的UWB通信體制，還是基于802.11的WiFi通信體制都會(huì)遇到一些相同的問(wèn)題。例如NLOS帶來(lái)的問(wèn)題以及如何盡可能地提高定位精度都是需要面對(duì)的難題。本小節(jié)通過(guò)引用一些經(jīng)典的文獻(xiàn)與最新的文獻(xiàn)，大致總結(jié)一下相應(yīng)研究領(lǐng)域的研究方向。

4.2 相關(guān)研究與最新進(jìn)展

文獻(xiàn)[7～17]針對(duì)如何解決多徑效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)距定位誤差做出了深入的研究，文獻(xiàn)[16，18～23]在提高測(cè)距精度方面做出了不同方面的嘗試與努力，研究工作不僅僅局限于理論與軟件仿真，也有很多進(jìn)行了卓有成效的硬件實(shí)現(xiàn)。由于篇幅所限，本小節(jié)僅列舉一些有代表性的文獻(xiàn)工作。

4.2.1 定位算法與精度

文獻(xiàn)[7]基于IEEE 802.15.4a中規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)建立信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，主要通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)從接收到的信號(hào)中得到接收到物理層報(bào)頭PHR的時(shí)刻(ranging marker)。第一步為確定前導(dǎo)碼中表征每一個(gè)符號(hào)的脈沖序列中第一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間；第二步為定位幀分隔符(SFD)確切的起始位置；由于SFD長(zhǎng)度已知，等效于得到物理層報(bào)頭PHR開始的確切位置。

文獻(xiàn)[15]的工作被IEEE 802.15.4a有關(guān)于UWB定位技術(shù)的附錄D1部分引用，文章中提出了在NLOS環(huán)境中，不僅僅只有通過(guò)視距路徑(line-of-sight，LOS)到達(dá)的信號(hào)才可以用來(lái)進(jìn)行定位估計(jì)。文章利用估計(jì)理論與統(tǒng)計(jì)推斷，討論了在沒(méi)有先驗(yàn)NLOS傳輸延遲統(tǒng)計(jì)信息以及有先驗(yàn)NLOS傳輸延遲統(tǒng)計(jì)信息兩種不同情況下不同的估計(jì)算法對(duì)于定位精度的影響，并且做了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。證明了在沒(méi)有先驗(yàn)NLOS統(tǒng)計(jì)信息的條件下，最大似然估計(jì)(ML)是更好的估計(jì)方式，當(dāng)NLOS統(tǒng)計(jì)信息先驗(yàn)的情況下，并考慮這些先驗(yàn)信息，最大后驗(yàn)估計(jì)(MAP)會(huì)得到比僅僅使用首達(dá)信號(hào)的信息更為精確的定位精度。與此同時(shí)，作者在文中也提到利用多徑到達(dá)的信號(hào)必然會(huì)增加運(yùn)算復(fù)雜度，很多情況下需要做適當(dāng)?shù)恼壑小?/p>

很多研究工作關(guān)心的都是定位精度的問(wèn)題，文獻(xiàn)[11，13，17-18]都在提高定位精度方面做了值得稱道的工作。很多因素都會(huì)影響到定位精度，比如多徑干擾、采樣率的限制、本地接收機(jī)振蕩器的相位噪聲以及系統(tǒng)時(shí)鐘的抖動(dòng)和漂移。其中文獻(xiàn)[11]的工作實(shí)現(xiàn)了二維在有障礙物遮蔽的條件下亞米級(jí)的精確定位，他們的實(shí)驗(yàn)工作也被錄制成了視頻放在了互聯(lián)網(wǎng)上。文獻(xiàn)[17]得到了厘米級(jí)的測(cè)量精度。然而也必須看到實(shí)驗(yàn)中還是有一定的理想假設(shè)的，比如時(shí)鐘是嚴(yán)格同步的。

4.2.2 定位算法的創(chuàng)新

一些文獻(xiàn)中的工作也提出了不少新的觀點(diǎn)，筆者認(rèn)為其中一些觀點(diǎn)對(duì)于未來(lái)定位算法的發(fā)展有很好的參考價(jià)值與借鑒意義。其中值得一提就是文獻(xiàn)[9，14]提出來(lái)的AOA與TOA結(jié)合使用測(cè)距的思想。如圖5所示，在最理想的情況下，單一的TOA測(cè)距只能得到笛卡爾坐標(biāo)系下的歐氏距離信息，所以至少需要三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)定位，而AOA與TOA結(jié)合的定位算法，等效于將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)至于極坐標(biāo)系下考量，如果既能得到距離信息和角度信息，則最少的情況只要一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)定位。

圖5 傳統(tǒng)TOA定位與聯(lián)合定位

文獻(xiàn)[9]在UWB信號(hào)帶寬分別為0.5 GHz和1.5 GHz的條件下的仿真結(jié)果說(shuō)明聯(lián)合定位算法在性能和功耗上都有優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[14]說(shuō)明了在LOS環(huán)境下，聯(lián)合定位的表現(xiàn)并不比TOA算法優(yōu)異，但是在NLOS環(huán)境下聯(lián)合定位的性能明顯優(yōu)于TOA定位算法性能。

文獻(xiàn)[19]提供了一個(gè)有趣的思路，對(duì)于已知幾何形狀的環(huán)境中，只利用一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，而對(duì)其各種反射的信息加以利用實(shí)現(xiàn)定位。類似于光學(xué)中的鏡像，文章將參考節(jié)點(diǎn)，或稱之為錨節(jié)點(diǎn)(Anchor Node)關(guān)于墻壁的鏡像稱之為虛錨節(jié)點(diǎn)(Virtual Anchors)。需要認(rèn)識(shí)到這種想法目前來(lái)說(shuō)可實(shí)現(xiàn)性還比較差，但隨著相關(guān)學(xué)科比如圖像處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這種想法也是有機(jī)會(huì)成為現(xiàn)實(shí)的。

4.2.3 協(xié)同定位(Cooperative Position)

協(xié)同定位在無(wú)線定位系統(tǒng)中有著廣闊的發(fā)展前景，很多文獻(xiàn)將UWB技術(shù)作為用戶間協(xié)同的手段，進(jìn)行了諸多卓有成效的研究，如文獻(xiàn)[4，8，21，23]及其中所引用的一些文獻(xiàn)?；趨f(xié)同的定位思想可以很好地提高在復(fù)雜電磁環(huán)境下定位的精確性。實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位也有多種思路，文獻(xiàn)[23-25]報(bào)告了該領(lǐng)域許多研究成果，其中文獻(xiàn)[23]描述了幾種不同的協(xié)同定位算法，其中利用因子圖建立網(wǎng)絡(luò)的圖形模型并提出SPAWN算法。文獻(xiàn)[24]從協(xié)同定位的應(yīng)用、基本原理、定位基本算法等方面對(duì)協(xié)同定位思想做了一個(gè)完整的綜述。文獻(xiàn)[25]討論協(xié)同定位在導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用與性能限制因素。協(xié)同定位研究的文獻(xiàn)還有很多，篇幅所限在此不贅述。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合最新的一些研究文獻(xiàn)對(duì)UWB技術(shù)在定位技術(shù)方面的應(yīng)用做了一個(gè)總體的概述。IEEE 802.15.4a協(xié)議對(duì)UWB的物理層和MAC層都做了詳細(xì)的規(guī)定，也使得UWB技術(shù)能夠更好地進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。文章也旨在對(duì)最新的研究成果的介紹，希望吸引更多的學(xué)者進(jìn)入相關(guān)的領(lǐng)域從事研究工作。

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A Review of UWB Applications in Wireless Location Technology

TONG Kai-xiang1，ZHOU Xuan2，LI Guang-xia1，LIU Bing3，TIAN Shi-wei1

(1.College of Communications Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.Troops 61773，Urumqi 830014，China；3.Academy of Opto-electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China)

Because of its high data rate and fine time resolution，the ultra-wideband (UWB) technology has aroused great interest as a positioning technology used in a short distance，complex wireless sensor network environment.In this paper，through the development process of UWB technology and a combination of a lot of the latest work，the article discusses the UWB technology-based wireless sensor network positioning technology and algorithms.Combined with some of the latest research results，we discussed the problems exist and the development direction of UWB-based wireless location technology.

UWB；wireless networks；localization techniques

2014-03-31

童凱翔(1991)，男，江西玉山人，碩士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航和室內(nèi)外協(xié)同定位的算法研究工作。

TN96

A

2095-4999(2015)-01-0010-05