李 海，解云龍，劉月圓，葉興躍，韋子輝

(1.河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，河北 石家莊 050227;2.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002)

0 引 言

近年來(lái)，UWB 定位技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)投身于UWB 定位技術(shù)的研究以及產(chǎn)品研發(fā)。目前，UWB 定位技術(shù)分為基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間(time of arrival，TOA)、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival，TDOA)、基于信號(hào)到達(dá)角度(angle of arrival，AOA)、基于接收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength，RSS)等[1-3]。為了盡可能利用UWB 信號(hào)帶寬大、持續(xù)時(shí)間短、時(shí)間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，UWB 定位技術(shù)中主要采用基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)距方式。但目前UWB 定位方案所存在的缺陷是在NLOS 環(huán)境中，UWB 信號(hào)會(huì)受到障礙物遮擋，從發(fā)射端經(jīng)過(guò)障礙物抵達(dá)接收端，會(huì)造成一定的時(shí)間延遲，使得信號(hào)接收端接收到的信號(hào)比較雜亂，直接影響對(duì)信號(hào)接收時(shí)間的測(cè)量，1 ns 時(shí)間延遲會(huì)造成30 cm 距離測(cè)量誤差，間接導(dǎo)致定位精度不夠理想[4]，原理見(jiàn)圖1。圖中實(shí)線(xiàn)為L(zhǎng)OS 狀態(tài)下定位曲線(xiàn)，黃色交點(diǎn)為標(biāo)簽位置，虛線(xiàn)為受障礙物遮擋狀態(tài)下曲線(xiàn)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)镹LOS狀態(tài)下標(biāo)簽位置，故NLOS 信道會(huì)造成定位誤差明顯增大。因此解決多徑信號(hào)的干擾是當(dāng)前主要工作。

圖1 NLOS 影響精度原理圖

針對(duì)多徑這一問(wèn)題，主要有兩種方式進(jìn)行處理，一種是將NLOS 信號(hào)識(shí)別出來(lái)并進(jìn)行剔除，即在定位算法中不使用包含多徑信號(hào)的數(shù)據(jù)；第二種就是將NLOS 信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)整算法或者對(duì)其進(jìn)行誤差修正，使其成為可用的數(shù)據(jù)，以此來(lái)提高定位精度[5-6]。如果對(duì)于上傳的信道狀態(tài)不進(jìn)行判斷，而直接進(jìn)行誤差修正，會(huì)使LOS 信道的計(jì)算量增加同時(shí)可能會(huì)造成真實(shí)信號(hào)的改變，故對(duì)于NLOS 信道的處理最主要的是對(duì)該信道識(shí)別，之后無(wú)論是進(jìn)行該信道數(shù)據(jù)的剔除還是對(duì)其誤差修正都將對(duì)定位精度的提高有較大幫助。

近年來(lái)，對(duì)于NLOS 的識(shí)別有了較大的發(fā)展。Lee[7]等提出一種基于卡爾曼濾波器的NLOS 截面識(shí)別方法。Yang[8]等針對(duì)定位中存在的NLOS 問(wèn)題，提出一種基于特征選擇策略的NLOS識(shí)別算法。Yu[9]等提出一種環(huán)境依賴(lài)性較小且與先驗(yàn)知識(shí)無(wú)關(guān)的NLOS識(shí)別和緩解方法，能夠確定特定的NLOS 信道。張浩[10]等提出一種基于偏度的NLOS區(qū)分算法，該算法在室內(nèi)辦公環(huán)境中識(shí)別率較高，但在室內(nèi)其他環(huán)境或者室外環(huán)境中識(shí)別率比較低。Guvenc[11]等提出一種新的基于峰度、平均附加時(shí)延和均方根時(shí)延擴(kuò)展等多徑信道統(tǒng)計(jì)量融合的非視距識(shí)別技術(shù)。Nguyen[12]等將相關(guān)向量機(jī)（relevance vector machine，RVM）應(yīng)用于NLOS識(shí)別，利用信道特征與接收波形之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種有效的RVM 分類(lèi)器來(lái)識(shí)別NLOS 信號(hào)。Savic[13]等提出一種基于核主成分分析（kernel principal component analysis，kPCA）結(jié)合高斯回歸（Gaussian process regression，GPR）的NLOS識(shí)別方法。這些方法存在識(shí)別率較低或者只在某一環(huán)境下識(shí)別率較高，環(huán)境適用性差的問(wèn)題，而一些采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法雖然識(shí)別率較高但需要提前進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)的收集，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為復(fù)雜。為此針對(duì)已有算法不足，本文提出一種新的基于信道沖激響應(yīng)特征參量—Sum_T與UD-P 聯(lián)合的NLOS識(shí)別方法。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，本算法比使用單一特征參量具有更高的識(shí)別率，并且在不同環(huán)境下也能較好實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別。

1 UWB 定位接收信號(hào)時(shí)域分析

在實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)發(fā)射端和接收端之間存在障礙物不可避免，信號(hào)在傳輸過(guò)程中可以穿透障礙物或者經(jīng)其他物體表面反射后傳輸給信號(hào)接收端，會(huì)造成信號(hào)的多路徑傳播。由于實(shí)際定位中的距離不會(huì)特別大，UWB 信號(hào)傳輸?shù)乃俣冉咏馑?，而多條路徑的距離差又很小，使得各路信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間差更小，傳統(tǒng)窄帶通信技術(shù)會(huì)使各路徑的信號(hào)疊加在一起，從而無(wú)法確定直接路徑信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，產(chǎn)生對(duì)測(cè)距精度的影響，間接影響定位精度。而UWB 通信技術(shù)沒(méi)有載波，采用短時(shí)脈沖信號(hào)傳輸信息，具有時(shí)間分辨率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[14-15]，使得各路徑的信號(hào)在時(shí)域是可分離的，為識(shí)別NLOS 信號(hào)提供了一種可能。

在UWB 通信中，當(dāng)考慮發(fā)射端和接收端之間的通信特征時(shí)，最重要的特征就是它是LOS 信號(hào)還是NLOS 信號(hào)。LOS 就是在發(fā)射端和接收端之間沒(méi)有任何遮擋，沒(méi)有任何干擾UWB 信號(hào)的介質(zhì)，UWB 信號(hào)可以直接從信號(hào)發(fā)射端傳輸?shù)叫盘?hào)接收端，使得信號(hào)傳輸時(shí)間測(cè)量較為準(zhǔn)確，測(cè)距精度較高。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛是基于DW1000 射頻芯片的技術(shù)方案，該芯片為愛(ài)爾蘭Decavave 公司推出的UWB 測(cè)距芯片，符合IEEE802.15.4-2011 超寬帶標(biāo)準(zhǔn)，芯片發(fā)射功耗低，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射接收時(shí)間測(cè)量，時(shí)間測(cè)量分辨率15.65 ps，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)測(cè)距精度。它提供了CIR 輸出接口，通過(guò)CIR 波形分析可以識(shí)別出接收信號(hào)中直射路徑和反射路徑，CIR 波形示意圖分析見(jiàn)圖2。

圖2 LOS 環(huán)境CIR 的時(shí)域波形

如圖2 所示，是在實(shí)際環(huán)境為無(wú)遮擋時(shí)所采集到的波形，可以很明顯地看到首達(dá)波就是最高峰值，即對(duì)應(yīng)直接路徑信號(hào)，而后面的波形是由于室內(nèi)墻壁的反射產(chǎn)生的信號(hào)，在這種情況下，首達(dá)波即對(duì)應(yīng)直接路徑信號(hào)，此時(shí)可以精確測(cè)量信號(hào)接收時(shí)間，不影響定位精度。

如圖3 所示，顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的NLOS 場(chǎng)景，其中節(jié)點(diǎn)1 發(fā)送的信號(hào)在其路徑上有一個(gè)障礙物。圖的頂部還顯示了單個(gè)反射。通過(guò)圖中內(nèi)容可得，直射路徑的峰值比反射路徑的峰值小，這是因?yàn)橹鄙渎窂絺鬏斨杏姓趽跷?，?dǎo)致信號(hào)存在衰減，使得接收端接收到的信號(hào)較弱，而反射路徑中并不存在任何遮擋物，所以信號(hào)較強(qiáng)。但是由于反射的存在，使得反射的路徑比直射傳輸?shù)穆窂揭L(zhǎng)，這就是反射路徑的峰值出現(xiàn)的比直接路徑峰值晚的原因。

圖3 NLOS 環(huán)境CIR 波形示例

圖3 是較為理想的波形圖，比較容易區(qū)分直射路徑和其他路徑傳輸?shù)牟ㄐ危谛盘?hào)飛行時(shí)間測(cè)量的定位體系中，識(shí)別并測(cè)量首達(dá)波作為信號(hào)到達(dá)時(shí)間，但在復(fù)雜工況環(huán)境下，由于噪聲或其他因素的存在，導(dǎo)致首達(dá)波判斷錯(cuò)誤，將反射路徑信號(hào)判斷為首達(dá)波，引入多徑誤差，多徑誤差往往使信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)量值延后。本文的目的就在于通過(guò)綜合分析接收信號(hào)波形時(shí)域特征參數(shù)，來(lái)判別NLOS 信號(hào)。

2 特征參數(shù)分析

2.1 信號(hào)的特征參量

在復(fù)雜工況環(huán)境下進(jìn)行UWB 定位時(shí)，往往會(huì)有多徑干擾。多徑傳輸會(huì)引入測(cè)距誤差，降低定位精度，因此為提高定位精度，及時(shí)判斷并剔除多徑傳輸至關(guān)重要。而UWB 信號(hào)易受環(huán)境影響產(chǎn)生變化，故可以從CIR 波形分析LOS 信道與NLOS 信道波形的區(qū)別判斷信號(hào)傳播信道的類(lèi)型。主要特征值包括平均時(shí)延拓展、均方根時(shí)延拓展、上升時(shí)間、峰值時(shí)間、最大振幅、總能量等。

1）最大振幅（maximum amplitude）。信號(hào)傳輸中的振幅最大值，記為rmax，其數(shù)學(xué)模型如下：

2）上升時(shí)間（rise time，trise）。信號(hào)從0.1 倍最大幅值到0.9 倍最大幅值的時(shí)間，其數(shù)學(xué)模型如下：

其中

3）峰值時(shí)間（peak time，tp）。信號(hào)從最低幅值到最大幅值的時(shí)間，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：t0——信號(hào)開(kāi)始識(shí)別時(shí)間；

tpt——信號(hào)峰值時(shí)的時(shí)間。

4）總能量（total energy）。處理信號(hào)段能量總和，記為 ε，其數(shù)學(xué)模型如下：

5）平均附加時(shí)延（mean excess delay，τmed）。用來(lái)表征多徑信道的時(shí)間色散特性的一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)學(xué)模型如下：

6）均方根時(shí)延（root-mean-squre delay spread，τrms）。用來(lái)表征多徑信道的時(shí)間色散特性的另一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)學(xué)模型如下：

2.2 單特征參量性能分析

正常情況下，在LOS 環(huán)境中，最大振幅和總能量普遍偏高，上升時(shí)間和峰值時(shí)間因第一路徑直達(dá)會(huì)較小，平均附加時(shí)延和均方根時(shí)延因無(wú)信號(hào)反射色散較少會(huì)較小，而NLOS 環(huán)境下，最大振幅和總能量會(huì)有一定的衰減，上升時(shí)間和峰值時(shí)間會(huì)有一定延遲，平均附加時(shí)延和均方根時(shí)延會(huì)變大。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別進(jìn)行3000 組LOS 信道和NLOS 信道實(shí)驗(yàn)，遮擋采用人體遮擋，進(jìn)行特征參量分析。如圖4 所示為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)LOS 和NLOS 條件下的信道傳播參數(shù)數(shù)值分布，由圖可以看出均方根時(shí)延重合度較高，單憑數(shù)值進(jìn)行分類(lèi)并不可行；最大振幅、總能量、平均附加時(shí)延重合度較低，可以在分類(lèi)中使用但分類(lèi)效果并不太好，上升時(shí)間和峰值時(shí)間重合度最低，可以產(chǎn)生較好的分類(lèi)效果，但實(shí)際識(shí)別率并不是很高。

圖4 LOS 和NLOS 條件下信道傳播參數(shù)數(shù)值分布

3 NLOS 區(qū)分算法

3.1 參數(shù)提取

通過(guò)對(duì)單特征參量分析，發(fā)現(xiàn)上升時(shí)間有89.8%的識(shí)別率，峰值時(shí)間有86.6%的識(shí)別率，雖然有較高的識(shí)別效果，但在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步提高其識(shí)別率，故提出上升時(shí)間與峰值時(shí)間結(jié)合方法，將兩者和作為一個(gè)新的識(shí)別參量進(jìn)行NLOS識(shí)別。分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行1000 組LOS 信道實(shí)驗(yàn)和人體遮擋NLOS 實(shí)驗(yàn)，其數(shù)值分布圖如圖5 所示。分析可得將兩者和作為識(shí)別參量可達(dá)到94.2%的識(shí)別率。

圖5 LOS 和NLOS 條件下Sum_T 數(shù)值分布

通過(guò)對(duì)波形的分析發(fā)現(xiàn)會(huì)有第一路徑在識(shí)別閾值以下不能識(shí)別，導(dǎo)致上升時(shí)間與峰值時(shí)間和不能正確判斷的情況出現(xiàn)。如果第一路徑的信號(hào)存在較為嚴(yán)重的衰減，衰減到閾值以下，這可能會(huì)使DW1000錯(cuò)誤地識(shí)別第一路徑信號(hào)，即可能會(huì)將反射信號(hào)識(shí)別為第一路徑信號(hào)。圖6 顯示為第一路徑被錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)的情形，實(shí)際的第一路徑在原閾值以下。

圖6 第一路徑識(shí)別錯(cuò)誤示意圖

如果能夠在DW1000 所識(shí)別的第一路徑之前檢測(cè)到峰值的存在，那就可以認(rèn)定有一個(gè)未檢測(cè)到的第一路徑的可能，如果可以確定在原閾值以下的一定范圍內(nèi)的波峰的數(shù)量，就可以以此來(lái)判斷是否存在多徑信號(hào)。記該值為未檢測(cè)到的峰值數(shù)（undetected peak，UD-P）計(jì)算一個(gè)新的低閾值，取原閾值的0.6 倍。這個(gè)新閾值如圖6 中紅色所示。其中綠色橫線(xiàn)為原閾值。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

上文針對(duì)NLOS 傳播環(huán)識(shí)別的單獨(dú)特征參量進(jìn)行了評(píng)估，雖然個(gè)別參量可以很好的識(shí)別，但大多數(shù)特征參量識(shí)別率都不是太高。因此，仍不能獲得很高的識(shí)別準(zhǔn)確率（95%以上），在這種情況下，可以將多個(gè)特征參量進(jìn)行組合來(lái)提高識(shí)別準(zhǔn)確率。本文用于處理數(shù)據(jù)的平臺(tái)是臺(tái)式電腦，其處理器為Intal(R) Core(TM) i7-8700 CPU @3.20 GHz 3.19 GHz，處理軟件為基于.NET Framework 4.6 開(kāi)發(fā)的CIR 數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)采集選用已有的定位基站和定位標(biāo)簽，在CIR 波形中提取特征參量，首先，由于只要U-DP 大于0，傳播路徑必為NLOS 傳播環(huán)境，故可以將UD-P 作為第一個(gè)特征識(shí)別參量進(jìn)行信號(hào)篩選，隨后進(jìn)行Sum_T 的判斷。如圖7 所示為該NLOS識(shí)別方法的流程圖。

圖7 識(shí)別方法流程圖

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別進(jìn)行1000 組LOS 信道實(shí)驗(yàn)和人體遮擋NLOS 實(shí)驗(yàn)計(jì)算識(shí)別率達(dá)到了95.75%，本識(shí)別算法有了較大的提高，可以用于實(shí)際的室內(nèi)定位NLOS識(shí)別中。

4 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文NLOS識(shí)別算法在不同環(huán)境下的有效性，利用已有的定位裝置（基站和標(biāo)簽）開(kāi)展了不同環(huán)境（見(jiàn)圖8）對(duì)該算法識(shí)別精度的影響研究。包括距離對(duì)識(shí)別精度的影響以及玻璃阻塞、墻體阻塞、工況阻塞等不同場(chǎng)景下該算法的識(shí)別精度。

圖8 實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖

4.1 距離對(duì)性能影響

在信號(hào)傳播過(guò)程中，接收信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著傳播距離的增加造成衰減，一些特征參量中隱含這種衰減特性，使用這種距離衰減嚴(yán)重的特征參量作為分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)使分類(lèi)精度降低。為驗(yàn)證本算法受傳播距離的影響，分別在10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 處做1000 組LOS 和人體遮擋NLOS 信道實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)識(shí)別率如圖9 所示。實(shí)驗(yàn)表明本NLOS識(shí)別系統(tǒng)受傳播距離影響較小，可以應(yīng)用于范圍較大的場(chǎng)景。

圖9 距離對(duì)識(shí)別率的影響

4.2 不同障礙物對(duì)性能影響

信號(hào)在穿過(guò)障礙物后會(huì)造成一定程度的衰減，并且不同障礙物有不同的介電常數(shù)，衰減也不同，CIR 波形也會(huì)發(fā)生一定的變化，故需要測(cè)試本NLOS識(shí)別系統(tǒng)在不同環(huán)境下的適用性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。分別在玻璃阻塞、墻體阻塞、工況阻塞的情況下做1000 組實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)識(shí)別率如圖10 所示。實(shí)驗(yàn)表明本算法受環(huán)境干擾較小，適用性較強(qiáng)。

圖10 環(huán)境對(duì)識(shí)別率的影響

5 結(jié)束語(yǔ)

在室內(nèi)UWB 定位系統(tǒng)中，NLOS 信道傳播是造成定位精度降低的主要原因。當(dāng)前解決NLOS誤差的主要方法是對(duì)該信道進(jìn)行識(shí)別，然后再進(jìn)行剔除或者補(bǔ)償。本文提出了一種基于Sum_T 與UD-P特征參量的NLOS識(shí)別方法，該方法具有識(shí)別率較高、運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)。在不同環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，仍能實(shí)現(xiàn)較高識(shí)別率，表明該方法的具有可行性。