基于超寬帶的室內(nèi)定位技術(shù)研究綜述

基于超寬帶的室內(nèi)定位技術(shù)研究綜述

楊狄,唐小妹,李柏渝,王飛雪

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)工程研究中心,長沙 410073)

摘要：超寬帶(UWB)技術(shù)憑借其時間和空間分辨率高、保密性好、穿透性強、定位精度高等優(yōu)點,為高精度室內(nèi)定位提供了很好的室內(nèi)定位解決方案。本文首先從超寬帶技術(shù)特性出發(fā),對適用于室內(nèi)定位的算法及可行性做了概述和對比。然后針對適用于UWB室內(nèi)定位的到達(dá)時間(TOA)算法進(jìn)行詳細(xì)介紹和分析。最后將業(yè)內(nèi)對于UWB室內(nèi)定位性能的研究進(jìn)行歸納和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位;超寬帶(UWB);TOA

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.007

中圖分類號：TN967.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)05-0034-07

收稿日期：2015-06-15

作者簡介

Abstract:Ultra Wideband (UWB) technique,with its numerous advantages of high spatial resolution,good secrecy,strong penetrability and excellent location accuracy,provides a widely used solution in indoor localization.From the point of UWB tags used in the indoor localization,there is a brief introduction and comparison about the primary UWB-based indoor localization algorithms and their feasibility.Two kinds of TOA algorithms fit for UWB-based indoor localization are presented in detail.The performance of TOA algorithms fit for UWB-based indoor localization which have been studied is summarized.

0引言

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)具有應(yīng)用范圍廣、定位精度高等特點在室外已經(jīng)可以完美提供定位服務(wù)解決方案。然而,由于障礙物遮擋,墻壁阻隔等因素存在以及室內(nèi)環(huán)境極為復(fù)雜,GPS無法實現(xiàn)室內(nèi)精確定位。近年來,隨著近距離無線通信和移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速,基于位置的服務(wù)(LBS)越來越受到重視[1]。據(jù)統(tǒng)計,人類近80%的時間是活動在室內(nèi),因此對室內(nèi)高精度定位的研究成為熱點。

為了克服GPS的定位缺陷并實現(xiàn)在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的精確定位,國內(nèi)外研究人員在室內(nèi)定位中引入了紅外傳播技術(shù)、WLAN技術(shù)、超聲波技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)、低功耗藍(lán)牙技術(shù)、紫蜂(Zigbee)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)等多種技術(shù)[2]。紅外線定位技術(shù)原理簡單,應(yīng)用較早,但是僅能直線視距、傳輸距離較短、易受光線干擾等缺點使其室內(nèi)定位的效果很差,較為典型的應(yīng)用系統(tǒng)有Active Badge。超聲波技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)定位精度較高,并且抗干擾能力強。然而,構(gòu)建這種系統(tǒng)需要大量基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建部署,成本過高,典型的應(yīng)用系統(tǒng)有Cricket.RFID室內(nèi)定位技術(shù)覆蓋區(qū)域較大、速率高、安全性強、成本低等特點,近年來發(fā)展較快。缺點是作用距離近,不具有通信能力,與其他系統(tǒng)兼容性較差。RFID室內(nèi)定位典型應(yīng)用系統(tǒng)為LANDMARC.由于近年來無線網(wǎng)絡(luò)以及手機終端的普及,基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)興起。這種定位技術(shù)利用現(xiàn)成的無線網(wǎng)絡(luò),只需較少的基站,并且系統(tǒng)易于構(gòu)建。但是這種室內(nèi)定位解決方案易受電磁干擾,并且易于欺騙,安全性不高。針對室內(nèi)定位必須滿足定位精度高、抗干擾能力強、成本低、功耗低等條件,UWB技術(shù)作為一種快速發(fā)展的技術(shù),根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對其的定義和應(yīng)用規(guī)范,UWB技術(shù)在室內(nèi)定位中可以獲得廣泛應(yīng)用。

1UWB室內(nèi)定位測距算法的研究

定位技術(shù)可以基于測距,也可不基于測距。相比之下,不基于測距的定位技術(shù)精度較差,并且需要大量錨點(位置已知的節(jié)點)配合。室內(nèi)定位要求高精度和少錨點,因此一般采用基于距離的定位算法,主要包括基于到達(dá)時間(TOA)、基于到達(dá)時間差(TDOA)、基于接收信號強度(RSS)和基于到達(dá)角(AOA)等。2004年,IEEE發(fā)布802.15.4a信道模型,主要為2～10 GHz的超寬帶信號在室內(nèi)住宅和辦公室的傳播,為評估超寬帶測距定位算法性能提供了基礎(chǔ)[7]。

基于RSS和AOA的估計算法性能與信號形式無關(guān),因此并不能完全發(fā)揮UWB信號GHz帶寬的獨特優(yōu)勢。AOA估計算法是通過獲取目標(biāo)節(jié)點到兩個接收機信號的到達(dá)角度進(jìn)行定位,一般運用陣列天線獲取方向信息。AOA定位精度高,且不需考慮接收機時鐘同步問題,圖1示出了AOA定位的理論下界。然而實際運用AOA定位時,需要配置非常復(fù)雜的天線系統(tǒng),不但增加了復(fù)雜度,也增加了成本且角度誤差對定位精度的影響非常大,如圖2所示。RSS估計是將接收信號強度與傳播距離的路徑損耗建模進(jìn)行定位,對信道模型依賴性強,多徑和環(huán)境的變化極大的影響定位精度。圖3示了了不同環(huán)境下RSS方法估計的最小標(biāo)準(zhǔn)差與距離的關(guān)系,如圖所示,基于RSS估計方法下,當(dāng)CM1環(huán)境下距離為10 m時,最小標(biāo)準(zhǔn)誤差下界已經(jīng)接近3 m,距離誤差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足FCC對室內(nèi)定位精度(小于1 m)的標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是,在圖2中,CM1～4分別代表4 m內(nèi)視距(LOS)環(huán)境、4 m內(nèi)非視距(NLOS)環(huán)境、10 m內(nèi)NLOS環(huán)境以及極端NLOS環(huán)境,具體參數(shù)如表1所示。

聯(lián)系人： 楊狄 E-mail: yangdiapple@163.com

圖1　10天線ULA陣AOA定位理論下界

圖2　AOA下界與接收信號到達(dá)角度的關(guān)系

圖3　不同環(huán)境下RSS定位理論下界

由于UWB信號具有GHz帶寬的獨特優(yōu)勢,結(jié)合TOA測距技術(shù)能夠充分利用UWB信號時間分辨率高的特點,圖4和圖5分別示出了TOA定位最小標(biāo)準(zhǔn)差與有效帶寬和信噪比關(guān)系曲線,從圖中可以看出,隨著有效帶寬和信噪比的增加,TOA估計性能可以達(dá)到厘米級。綜合上述三種定位算法的克拉美羅下限的研究表明基于到達(dá)時間的定位(TOA)最能挖掘超寬帶信號的大寬帶特性,可以看出,TOA測距技術(shù)是最適合于UWB室內(nèi)定位的。

表1　IEEE 802.15.4a信道參數(shù)

圖4　TOA定位理論下界與有效帶寬的關(guān)系

圖5　TOA定位理論下界與信噪比的關(guān)系

基于UWB的TOA測距算法在近幾年得到了廣泛研究。根據(jù)UWB信號在信道表現(xiàn)出的明顯的不同特征,通常將UWB的研究分為兩類:LOS環(huán)境和NLOS環(huán)境。在理想室內(nèi)視距(LOS)環(huán)境下,直達(dá)徑(DP)通常為接收信號強度的最強徑(SP),因此TOA算法對接收信號的峰值的檢測可以正確估計出脈沖到達(dá)時刻。然而,實際環(huán)境中,常有障礙物遮擋,因此對于有障礙物阻擋的非視距(NLOS)環(huán)境,DP通常不是SP,穿透障礙物的直達(dá)路徑能量比后續(xù)到達(dá)的多徑能量小,此時,直接檢測峰值會造成很大誤差。Pahlavan等人[3]根據(jù)接收信號中DP的相對能量及可用性將室內(nèi)環(huán)境分為有明顯直達(dá)徑(DDP)、無明顯直達(dá)徑(NDDP)和無直達(dá)徑(UDP)三種情況。在DDP環(huán)境下,接收機檢測到SP即為DP,因此,接收機鎖定DP同時準(zhǔn)確的估計出TOA.在NDDP環(huán)境下,DP在信道中不明顯,接收機鎖定的SP并不是DP,造成TOA估計誤差。在UDP環(huán)境下,接收機完全檢測不出DP.

TOA算法的目標(biāo)是實現(xiàn)NDDP環(huán)境下對DP的成功檢測。DP檢測的方法分為兩類:一類是相干TOA算法,一類是非相干TOA算法,其中相干TOA算法依靠高采樣率、高進(jìn)度匹配濾波實現(xiàn),而非相干TOA算法則是基于低采樣率、低復(fù)雜度的能量檢測原理。

Lee等人[4]提出了一種基于匹配濾波的廣義極大似然(GML)估計方法檢測DP信號,是一種經(jīng)典的相干TOA算法。測距系統(tǒng)在每個收發(fā)器中利用一個相關(guān)器和一個高速并行采樣器實現(xiàn)在一個時鐘周期內(nèi)完成測距,基于GML的TOA算法過程分析如下:

UWB接收信號可以表示為

(1)

式中: τ1<τ2<τ3<…<τL.參數(shù)τd和ad代表DP信號到達(dá)時間和強度; s(t)代表寬度為Tp的典型單徑信號; 多徑數(shù)目L事先未知; 噪聲nm(t)假設(shè)為加性高斯白噪聲。

假設(shè)信號已完成采樣,形式如下:

(2)

(3)

式中:τpeak代表SP信號到達(dá)時間;L代表多徑數(shù)量;τd和ad代表DP信號到達(dá)時間和強度,同樣的,τn和an代表其他n條徑的到達(dá)時間和強度,由相關(guān)器決定。在式(1)中,δ是被估計參量,GML估計將其余未知參量當(dāng)做確定量,則δ被估計為

(4)

1) 為了避免在噪聲中檢測DP失敗的概率增大,應(yīng)當(dāng)對δ設(shè)置一個門限值θδ,使得在信號r(t)上的搜索滿足t≥-θδ.

2) 為了保持其他參量的值保持穩(wěn)定,需要對單徑信號強度設(shè)定門限θρ,在迭代搜索過程中,如果沒有檢測到任意單徑信號強度滿足ρ≥θρ,則搜索停止。

3) 忽略晚于已經(jīng)檢測到的其他徑的參量,來提高搜索檢測速度。

基于GML估計的TOA算法流程圖如圖6所示。

圖6　基于GML估計的TOA算法流程圖

該算法由于將匹配濾波器峰值作為DP的TOA估計,忽略了SP后的路徑包含的信息,這些信息可以很好的增強檢測SP的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[5]證明了直接將匹配濾波器峰值作為DP的TOA估計，算法僅僅適用于全向收發(fā)天線的LOS環(huán)境。針對密集多徑環(huán)境下的相干TOA算法,文獻(xiàn)[6]以及文獻(xiàn)[7]提出了密集多徑環(huán)境下的低復(fù)雜度的ML檢測方法。

由于相干TOA算法涉及到多次相關(guān)峰值檢測,因此算法復(fù)雜度高。與之對比,非相干TOA算法則是基于能量檢測,確定DP的過程具有低采樣率和算法低復(fù)雜度的優(yōu)勢。較為經(jīng)典的判斷DP的解決方案分為三類:選擇值最大的能量塊(MES)算法、門限比較(TC)算法和峰值能量回溯門限比較(MES-SB)算法。

Guvenc等人[8-9]將用于TOA算法的采樣信號事先通過平方器,然后通過MES、TC和MES-SB三種解決方案精確檢測DP,并且證明了在IEEE802.15.4a信道模型下基于能量檢測(非相干)TOA算法在分米級測距準(zhǔn)確率達(dá)到90%.

接收信號在能量檢測后采樣如圖7所示,將接收信號經(jīng)過平方器后進(jìn)行符號速率的積分采樣,通過設(shè)計合適的傳輸波形和使用適當(dāng)?shù)臄?shù)量采樣點可有效提升采樣速率。

圖7　能量檢測后對接收信號采樣

其中基于MES、TC和MES-SB三種解決方案的TOA估計(圖8所示)如下:

圖8　基于能量檢測的TOA估計

1)MES

選擇最大能量輸出是一種最簡單的TOA估計方法,運用MES方法對TOA的估計:

=(nmax-0.5)·Tb.

(5)

如式(5)所示,將能量塊的中心判為TOA的估計。如圖3所示,最大能量塊并不是第一塊能量,因此MES方法容易將只含噪聲的能量判為最大能量,從而出現(xiàn)誤判,造成TOA估計錯誤[10]。

2) TC

采樣信號可以估計為一個近似的門限值,通常將第一個超過門限值的采樣信號表示為TOA的估計值

(6)

式中:ξ是由接收信號統(tǒng)計特性決定的門限;當(dāng)采樣到最大能量和最小能量,ξ可以歸一化表示，如圖9所示,具體為

(7)

圖9　基于最大和最小能量塊的門限歸一化

3) MES-SB

為了提高TC解決方案在低信噪比下的性能,能量采樣應(yīng)該在最大能量到達(dá)之前被搜索到。MES-SB方法估計TOA如式(8)所示

(nmax-ωs b-1)]·Tb,

(8)

式中:

z[nmax-ωs b+1]…z[nmax]];

式中，ωs b為采樣的搜索能量回溯窗,其由信道的統(tǒng)計特性決定,表示為

(9)

式中，Ws b表示為一個時間周期內(nèi)窗的大小。MES-SB方法對TOA估計的精度受MES方法精度的限制。

可見,無論是相干TOA算法還是非相干TOA算法,關(guān)鍵都在于選擇合理的檢測門限。最優(yōu)門限值的選擇非常重要,門限過小,噪聲導(dǎo)致過大的估計虛警,將噪聲判為DP;門限過大會降低檢測概率,出現(xiàn)漏檢。Dardari等人[11]通過對最優(yōu)門限的研究,指出最優(yōu)門限值的選擇與信噪比、收發(fā)距離和LOS路徑環(huán)境有很大關(guān)系。

結(jié)合相干與非相干TOA算法的優(yōu)勢與缺點,Gezici等人[12]提出一種折中的TOA算法,即先基于能量檢測確定DP所在能量塊,然后在該能量塊中利用相干檢測確定DP.該方法聯(lián)合利用了相干檢測高精度和非相干檢測算法低復(fù)雜度的優(yōu)勢,是現(xiàn)有硬件條件下的一個較好的解決方案。

利用UWB信號實現(xiàn)精確定位目前主要依靠TOA測距算法完成[13]。基于TOA算法的UWB定位的最大缺點是需要精確的節(jié)點時間同步,然而實現(xiàn)相對困難。基于TDOA的測距方法則可以弱化同步要求。文獻(xiàn)[14]和[15]詳細(xì)研究了基于TDOA的測距定位,通過設(shè)定一個額外的基準(zhǔn)參考點,獲得其余參考點到該節(jié)點的傳播時間差,利用雙曲線模型進(jìn)行定位。

事實上,受到室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境、參考節(jié)點的數(shù)目和相對位置的影響,TOA定位算法出現(xiàn)誤差,三邊測量法得不到精確解,目標(biāo)節(jié)點的位置出現(xiàn)模糊,此時就需要對目標(biāo)節(jié)點的位置進(jìn)行準(zhǔn)確估計。

Doherty等人[16]根據(jù)距離等信息量估計出目標(biāo)節(jié)點可能存在的區(qū)域?qū)?yīng)的矩形區(qū)域,并判定對應(yīng)矩形區(qū)域的質(zhì)心即為所估計的目標(biāo)節(jié)點位置。Fang等人[17]詳研究了在較少的參考節(jié)點環(huán)境下估計目標(biāo)節(jié)點位置坐標(biāo)的問題,并詳細(xì)推導(dǎo)了估計表達(dá)式。

上述直接利用距離信息對目標(biāo)節(jié)點位置進(jìn)行估計,方法簡單,但精度低。為了實現(xiàn)高精度位置估計,業(yè)內(nèi)常用的方法是充分利用冗余參考節(jié)點信息對定位結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。主要方法為利用極大似然估計進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化的準(zhǔn)則包括LS[18]方法,WLS[19]方法和ML[20]方法等。

2UWB室內(nèi)定位測距性能的研究

相比于通信系統(tǒng)使用誤碼率描述系統(tǒng)性能,UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)為距離誤差[10]。由于測距誤差的產(chǎn)生主要由多徑和NLOS環(huán)境影響造成的,因此,對UWB室內(nèi)定位測距性能的研究自然分為在LOS環(huán)境和NLOS環(huán)境。

在LOS環(huán)境下,TOA測距誤差主要為多徑誤差。由于多徑的影響,使得接收機不能準(zhǔn)確判斷接收信號是直達(dá)信號還是多徑信號,造成TOA估計時相關(guān)峰發(fā)生偏移,進(jìn)而產(chǎn)生TOA距離估計誤差。UWB信號雖然具有很大帶寬,理論上具有很高的多徑分辨能力,一定程度上可以減弱多徑對直達(dá)徑檢測的影響,但是受限于現(xiàn)實系統(tǒng),依然存在多徑誤差。Celebi和Guvenc等人[21]總結(jié)出LOS環(huán)境下影響接收信號TOA估計的因素包括接收機結(jié)構(gòu)(信道沖擊響應(yīng)CIR和能量塊EB等)、測距算法(相干或非相干)以及信道的統(tǒng)計特性(直達(dá)徑DP和最強徑SP的相位和幅度及其時延的統(tǒng)計特性等)。

室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變,NLOS傳播現(xiàn)象較為普遍。Lee等人[22]指出在NLOS環(huán)境下,由于障礙物等遮擋,產(chǎn)生出反射、折射、投射或繞射信號,使得接收機對直達(dá)徑信號的檢測形成巨大干擾,使得在TOA估計中產(chǎn)生額外時延,造成估計誤差。具體的講,由于NLOS環(huán)境的特殊性,接收信號的直達(dá)徑(DP)往往不是最強徑(SP),因而利用相關(guān)峰對TOA進(jìn)行估計會產(chǎn)生多徑誤差,即使正確的檢測到了DP到達(dá)時間,由于NLOS環(huán)境影響,產(chǎn)生的時延大于收發(fā)節(jié)點間直線時延,使得位置估計產(chǎn)生偏差。

大量學(xué)者針對UWB室內(nèi)定位測距的性能進(jìn)行了相關(guān)實測。Alavi等人[23]對帶寬為3～8GHz的UWB信號分別在辦公室、廠房樓層、住宅等4種建筑下的性能進(jìn)行2 934次實測,發(fā)現(xiàn)測距誤差與收發(fā)器位置相關(guān)并且是首條直達(dá)徑(FDP)能量的函數(shù),與建筑種類無關(guān)。Alsindi等人[24]結(jié)合實際環(huán)境,分別在住宅區(qū)、辦公室和工廠樓層的環(huán)境下對定位性能進(jìn)行實測,并詳細(xì)研究了傳播信道和系統(tǒng)參數(shù)多TOA測距新能的影響,指出TOA測距的覆蓋范圍與系統(tǒng)帶寬成反比,同時受到周圍環(huán)境影響很大,并給出了有無DP時不同環(huán)境的距離誤差分布。

Bellusci等人[25]指出距離誤差很大程度上由系統(tǒng)帶寬、收發(fā)器相對位置影響。針對3.1～10.6GHzUWB信號傳播實測,收發(fā)機距離在LOS環(huán)境下為2～15m,NLOS環(huán)境為3～12m,總共進(jìn)行600次測量,通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,指出LOS環(huán)境下距離誤差服從高斯分布,NLOS環(huán)境下距離誤差服從高斯分布和指數(shù)分布之和。在LOS環(huán)境下,當(dāng)信號帶寬足夠大,測距精度可達(dá)厘米級;雖然在NLOS環(huán)境下由于多徑以及額外時延的影響,精度相比LOS環(huán)境有所下降,但是定位性能依然良好。

Denis等人[25]主要研究了UWB定位系統(tǒng)在NLOS環(huán)境下的性能,指出信道的影響是測距誤差的主要來源;對于UWB系統(tǒng)來說,檢測首條直達(dá)徑(FDP)較檢測最強徑(SP)精度更高。通過分析LOS、NLOS和NLOS2環(huán)境下的定位性能,即使在最惡劣的NLOS2的環(huán)境里,距離估計誤差不超過3m.特別是當(dāng)收發(fā)節(jié)點距離小于12m時,FDP誤差可完全控制在1m以內(nèi)。

3結(jié)束語

本文首先概括了適用于UWB室內(nèi)定位的算法并從克拉美羅下界的角度分析了各種算法的優(yōu)缺點。由于TOA算法可以充分發(fā)揮UWB信號的優(yōu)勢,本文重點將業(yè)內(nèi)基于TOA的UWB室內(nèi)定位測距方法極其性能進(jìn)行梳理和總結(jié),并列舉了兩種典型的相干、非相干TOA算法。

未來基于UWB的室內(nèi)定位,對系統(tǒng)的實用性、精確度等提出了更高要求,雖然UWB室內(nèi)定位精度可達(dá)厘米級,但是由于其可兼容性不好,需要特定的設(shè)備,因此單一基于UWB的定位技術(shù)無法滿足普通大眾用戶應(yīng)用需求。因此對各種定位系統(tǒng)和算法的融合,如UWB與WSNs的融合,將是一大發(fā)展趨勢。

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楊狄(1989-),男,碩士生,主要研究方向為星基導(dǎo)航與定位技術(shù)。

唐小妹(1982-),女,副研究員,主要研究方向為星基導(dǎo)航與定位技術(shù)。

李柏渝(1982-),男,講師,主要研究方向為星基導(dǎo)航與定位技術(shù)。

王飛雪(1971-),男,教授,主要研究方向為星基導(dǎo)航與定位技術(shù)。

A Review of Ultra Wideband Based Indoor Localization Technology

YANG Di,TANG Xiaomei,LI Baiyu,WANG Feixue

(SatelliteNavigationR&DCenter,SchoolofElectronicScienceandEngineering,

NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Key words: Indoor localization technology; Ultra Wideband (UWB); time-of-arrival