鄧中亮 北京郵電大學(xué)教授

尹露 北京郵電大學(xué)講師

基于TC-OFDM體制的室內(nèi)定位系統(tǒng)

鄧中亮 北京郵電大學(xué)教授

尹露 北京郵電大學(xué)講師

分析了各主流室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)；提出了TC-OFDM定位系統(tǒng)，給出了其系統(tǒng)架構(gòu)及信號(hào)產(chǎn)生方式，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3m以內(nèi)的室內(nèi)定位精度；分析了影響定位精度的原因，為提高定位精度提供了參考。

室內(nèi)定位 TC-OFDM 定位精度

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，位置服務(wù)（Location BasedSevers，LBS）得到了廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在人們所使用的信息中有80%以上與“位置”有關(guān)，人們對(duì)室內(nèi)外無(wú)縫定位的需求也在不斷增加。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有信號(hào)弱、易受干擾等缺點(diǎn)，在城市峽谷、樓宇內(nèi)部等遮擋、干擾較為嚴(yán)重的區(qū)域很難正常工作，且定位精度會(huì)嚴(yán)重下降甚至無(wú)法定位。因此，近幾年出現(xiàn)了大量新的定位方法或定位系統(tǒng)，例如基站定位系統(tǒng)、Wi-Fi定位系統(tǒng)、偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，利用它們較強(qiáng)的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)城市室內(nèi)外環(huán)境的無(wú)縫覆蓋，同時(shí)也可以利用多個(gè)定位系統(tǒng)進(jìn)行組合定位，以實(shí)現(xiàn)更高的定位精度、覆蓋范圍以及定位魯棒性。

2 常見室內(nèi)定位技術(shù)

2.1 WLAN定位技術(shù)

WLAN是一種新一代的信息獲取平臺(tái)，可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測(cè)和追蹤任務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)前，比較流行的Wi-Fi定位是無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)精度高。在一定的區(qū)域內(nèi)安裝適量的無(wú)線基站，根據(jù)這些基站獲得的待定位物體發(fā)送的信息，結(jié)合基站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合分析，從而確定物體的具體位置。這類系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備，增加相應(yīng)的信息分析服務(wù)器以完成定位信息的分析。目前，國(guó)外典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)有RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)、Ekahau PositioningEngine等；國(guó)內(nèi)則有如北京郵電大學(xué)開發(fā)的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)“尋鹿”等，以上定位系統(tǒng)在局域重點(diǎn)區(qū)域可達(dá)到m級(jí)定位精度。但目前該技術(shù)尚在推廣應(yīng)用中，當(dāng)定位精度要求較高時(shí)，需要采集大量的指紋，以建立匹配數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)維成本高。

2.2 WSN定位技術(shù)

WSN定位技術(shù)可以分為基于測(cè)距和非測(cè)距兩種?；跍y(cè)距的定位技術(shù)一般是通過(guò)超聲波、紅外線等方法進(jìn)行測(cè)距，如KaminWhiteHouse的Calamari定位系統(tǒng)使用超聲波進(jìn)行測(cè)距，同時(shí)結(jié)合信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）進(jìn)行定位，使系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性，定位誤差約為20%～30%。由于Calamari定位系統(tǒng)使用超聲波進(jìn)行測(cè)距，需要視距環(huán)境，對(duì)環(huán)境依賴過(guò)大，人員的走動(dòng)和物品擺放位置變化都會(huì)給定位精度帶來(lái)很大的影響，不適用于大型建設(shè)物內(nèi)人員流動(dòng)大、環(huán)境布置經(jīng)常發(fā)生變化的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境定位。另外，Calamari定位系統(tǒng)采用超聲波進(jìn)行測(cè)距，需要大量的底層硬件設(shè)施設(shè)計(jì)，從而增加了功耗和硬件成本?；诜菧y(cè)距的定位算法比較典型的研究如北京郵電大學(xué)的基于RSSI的差分定位方法，在網(wǎng)絡(luò)平均連通度為10、錨節(jié)點(diǎn)比例為10%的各向同性網(wǎng)絡(luò)中平均定位精度為20%左右。

2.3 RFID定位技術(shù)

RFID被列為21世紀(jì)十大重要技術(shù)課題之一，美國(guó)已經(jīng)在RFID標(biāo)準(zhǔn)的建立、相關(guān)軟硬件技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用領(lǐng)域走在世界的前列。歐洲RFID標(biāo)準(zhǔn)追隨美國(guó)主導(dǎo)的EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)，日本也提出UID標(biāo)準(zhǔn)。最近，隨著RFID技術(shù)的興起，對(duì)RFID標(biāo)簽的定位跟蹤日益受到關(guān)注，目前比較成熟的RFID室內(nèi)定位方案有SpotON、3D-iDpinpoint和LANDMARC。這3種RFID室內(nèi)定位方案都是采用射頻信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為定位依據(jù)。RFID定位技術(shù)由于通信能力弱，不便于與其他系統(tǒng)進(jìn)行融合。

2.4 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)通過(guò)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位。這是一種短距離低功耗的無(wú)線傳輸技術(shù)，在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微微網(wǎng)（Piconet）的主設(shè)備，就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于小范圍定位，例如單層大廳或倉(cāng)庫(kù)。藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、易于集成在掌上電腦（Personal DigitalAssistant，PDA）、個(gè)人電腦（Personal Computer，PC）以及手機(jī)中。理論上，對(duì)于持有集成了藍(lán)牙功能的移動(dòng)終端設(shè)備用戶，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。其不足在于對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，在噪聲信號(hào)干擾嚴(yán)重的條件下，定位精度急劇下降。

2.5 超寬帶定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一種與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過(guò)發(fā)送和接收具有ns或ns級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場(chǎng)士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、偽距測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前，已有美國(guó)AETHERWIRE&LOCATION公司開發(fā)的Localizers室內(nèi)定位系統(tǒng)、Ubisense公司開發(fā)的Ubisense室內(nèi)定位系統(tǒng)等。但目前超寬帶技術(shù)成本較高，產(chǎn)業(yè)尚不成熟，還具有普適性差的缺點(diǎn)，不能滿足廣域定位的需求。

3 基于TC-OFDM體制的廣域室內(nèi)定位技術(shù)

目前，基于地面移動(dòng)通信網(wǎng)的定位技術(shù)已有大量研究，由于地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋良好，因此可對(duì)室內(nèi)用戶進(jìn)行定位。在各種基于移動(dòng)通信網(wǎng)的定位系統(tǒng)中，采用的基本定位原理大致是相似的，都是通過(guò)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)和多個(gè)固定位置收發(fā)信機(jī)之間傳播信號(hào)的特征參數(shù)，如電波場(chǎng)強(qiáng)、傳播時(shí)間或時(shí)間差、入射角等來(lái)估計(jì)出目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的幾何位置。目前，基于地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)主要基于小區(qū)識(shí)別碼（Cell-Identity，CellID）、時(shí)間提前量（Timing Advance，TA）、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TimeofArrival，TOA）、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）以及信號(hào)度（AngleofArrival，AOA）、高級(jí)前向鏈路三角（Advanced Forward Link Trilateration，AFLT）、應(yīng)用于時(shí)分多址（TimeDivision MultipleAddress，TDMA）系統(tǒng)的下行鏈路增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)間差（Enhanced-Observed Time Difference，E-OTD)。

由北京郵電大學(xué)提出的基于TC-OFDM信號(hào)體制的定位系統(tǒng)，利用定位和通信信號(hào)的一體化融合，實(shí)現(xiàn)了高精度的廣域室內(nèi)外無(wú)縫定位（見圖1）。上行站將基于現(xiàn)有通信信號(hào)與授時(shí)信號(hào)上行至衛(wèi)星；衛(wèi)星將通信信號(hào)與授時(shí)信號(hào)播發(fā)至地面廣播基站，由衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)對(duì)通信基站進(jìn)行高精度時(shí)間同步；通信基站將高精度定位信號(hào)融合到OFDM信號(hào)上，形成高同步精度的TC-OFDM定位信號(hào)，定位精度可達(dá)3m以內(nèi)。

通過(guò)移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)發(fā)射TC-OFDM信號(hào)，其發(fā)射過(guò)程如圖2所示。

由高精度同步的基站發(fā)射TC-OFDM信號(hào)，可以進(jìn)行廣域室內(nèi)覆蓋，終端將對(duì)TC-OFDM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并獲得導(dǎo)航電文。除了室內(nèi)環(huán)境，TC-OFDM信號(hào)還可以輔助GNSS系統(tǒng)，以獲得更高的室外定位精度、定位魯棒性及首次定位時(shí)間（Time to First Fix，TTFF），TC-OFDM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)m級(jí)精度的室內(nèi)外無(wú)縫覆蓋。定位信息可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)側(cè)的定位服務(wù)器發(fā)送，并利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)定位信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)高精度的定位，并進(jìn)行一些位置服務(wù)應(yīng)用。

圖1 TC-OFDM定位系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 TC-OFDM信號(hào)的產(chǎn)生

4 影響定位精度的主要因素

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中由于非理想的無(wú)線信道環(huán)境，使得定位終端（移動(dòng)臺(tái)）和基站之間多徑傳播、非視距（NLOS）傳播普遍存在；在CDMA系統(tǒng)中，存在多址干擾等因素。這些都會(huì)使檢測(cè)到的各種信號(hào)測(cè)量值出現(xiàn)誤差，從而影響定位精度。

（1）多徑傳播

影響蜂窩無(wú)線定位的一個(gè)基本因素之一就是多徑傳播問(wèn)題。在移動(dòng)信道中，由于反射物體和散射體的存在會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不斷變化的環(huán)境，使得信號(hào)能量在幅值、相位和時(shí)間延遲方面產(chǎn)生彌散，這些效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)接收天線時(shí)的形式各異，顯示出不同的時(shí)間和空間方位。不同的多徑分量的隨機(jī)幅值和相位引起信號(hào)強(qiáng)度的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生小尺度衰落和信號(hào)畸變，使接收信號(hào)的信噪比嚴(yán)重下降，最終影響定位精度。

（2）NLOS傳播

導(dǎo)致定位誤差的另一個(gè)重要因素是移動(dòng)臺(tái)和基站之間的信號(hào)為非視距傳播（NLOS）信號(hào)。LOS傳播是得到準(zhǔn)確的信號(hào)特征測(cè)量值的必要條件，GPS系統(tǒng)也正是基于電波的LOS傳播實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位。但是，在城市和近郊，移動(dòng)臺(tái)和多個(gè)基站之間實(shí)現(xiàn)LOS傳播通常是很困難的，更多的情況是通過(guò)反射和折射的方式進(jìn)行傳播的，從而影響了到達(dá)場(chǎng)強(qiáng)、接收電波的到達(dá)方向以及電波傳播時(shí)間。在這樣的環(huán)境下，即便沒有多徑干擾且系統(tǒng)能提供足夠高的定時(shí)精度也同樣會(huì)導(dǎo)致定位測(cè)量誤差。

（3）CDMA多址接入干擾

所有的移動(dòng)通信系統(tǒng)均存在多址干擾，但多址接入對(duì)于定位精度的影響在CDMA系統(tǒng)中尤為明顯。由于CDMA系統(tǒng)中的各用戶均使用同一頻段，通過(guò)偽隨機(jī)碼來(lái)區(qū)分各個(gè)用戶，這種高容量也帶來(lái)了遠(yuǎn)近效應(yīng)和多址干擾。多址干擾會(huì)嚴(yán)重影響定位測(cè)量信號(hào)估計(jì)。在CDMA系統(tǒng)中通常采用功率控制來(lái)克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，但由于無(wú)線定位需要多個(gè)基站同時(shí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，功率控制只對(duì)服務(wù)基站起作用，對(duì)非服務(wù)基站，移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)仍然受到嚴(yán)重的多址干擾，因而影響常規(guī)接收機(jī)的性能。研究表明，多址干擾會(huì)嚴(yán)重影響TOA和TDOA的定位精度。

（4）參與定位的基站數(shù)的限制

網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)需要至少兩個(gè)或3個(gè)以上基站的參與，但是在基站稀疏的環(huán)境下很難同時(shí)存在多個(gè)基站參與移動(dòng)臺(tái)定位，即使在基站稠密的城市環(huán)境中，也可能由于建筑物的遮擋而無(wú)法接收到視距傳播的信號(hào)。另外，由于CDMA系統(tǒng)采用了功率控制技術(shù)來(lái)克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)靠近服務(wù)基站時(shí)，其他基站就很難接收到移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的定位測(cè)量信號(hào)。

表1給出了各種環(huán)境下所能參與移動(dòng)臺(tái)定位的基站數(shù)量的統(tǒng)計(jì)情況，其中X表示接收信號(hào)功率大于-100dBm的基站數(shù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在鄉(xiāng)村或郊區(qū)同時(shí)存在3個(gè)或3個(gè)以上基站與移動(dòng)臺(tái)保持聯(lián)系的可能性較小。

表1 可參與移動(dòng)臺(tái)定位的基站數(shù)量

（5）基站和移動(dòng)臺(tái)幾何位置分布

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素中，基站的幾何分布是最主要的因素。參與定位的各基站之間的相對(duì)位置、移動(dòng)臺(tái)與基站之間相對(duì)位置的差異造成的幾何精度因子（GDOP）的不同也會(huì)影響定位算法的性能，造成定位精度的差異。特別是在高速公路附近，為了獲得好的通信覆蓋，在高速公路沿線設(shè)置一系列的蜂窩網(wǎng)基站，這種情況下TDOA的定位精度將嚴(yán)重惡化，使得較小的定位參數(shù)測(cè)量誤差導(dǎo)致很大的定位估算誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了一種利用TC-OFDM體制進(jìn)行定位的新型定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3m以內(nèi)的室內(nèi)定位精度，還分析了影響室內(nèi)定位誤差的因素，為提高定位精度提供了一定的參考。

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2015-02-20）