UWB在5G智慧室分系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與實(shí)現(xiàn)

夏聰

摘? ?要：5G時(shí)代傳統(tǒng)室分已轉(zhuǎn)型升級(jí)為智慧室分解決方案，除大幅降低有源室分建網(wǎng)成本外，還提供室內(nèi)位置及物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的能力。但采用藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位精度無(wú)法滿足工業(yè)等領(lǐng)域高精度需求的應(yīng)用場(chǎng)景。文章對(duì)UWB在5G智慧室分系統(tǒng)中的應(yīng)用展開研究并給出系統(tǒng)性解決方案。

關(guān)鍵詞：Smart DAS;超寬帶;到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù);普通最小二乘法估計(jì);加權(quán)最小二乘估計(jì)

5G“通信、導(dǎo)航、物聯(lián)一體化”室內(nèi)覆蓋解決方案是大勢(shì)所趨，傳統(tǒng)無(wú)源室分已升級(jí)為智慧室分系統(tǒng)（Smart Distributed Antenna System，Smart DAS），并實(shí)現(xiàn)同5G小基站的融合組網(wǎng)，傳統(tǒng)智慧室分基于iBeacon的定位技術(shù)定位精度一般僅達(dá)3～5 m，僅可滿足大多數(shù)精度要求低的商用場(chǎng)景。但在大量工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域都有分米級(jí)或更高的精度需求，顯然采用這類信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)類的定位技術(shù)是無(wú)法達(dá)到的。因此，采用超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位技術(shù)作為補(bǔ)充已為必然趨勢(shì)，兩種技術(shù)共同為運(yùn)營(yíng)商提供室內(nèi)位置服務(wù)整體解決方案。本文將針對(duì)UWB定位技術(shù)與智慧室分的融合場(chǎng)景展開研究并給出解決方案。

1? ? 系統(tǒng)框架

UWB和5G智慧室分融合組網(wǎng)系統(tǒng)框架如圖1所示。

5G接入單元、擴(kuò)展單元、遠(yuǎn)端單元實(shí)現(xiàn)5G通信信號(hào)的室內(nèi)覆蓋，同時(shí)，提供UWB所需的回傳通路，在5G接入單元完成數(shù)據(jù)匯聚及分離，UWB定位相關(guān)數(shù)據(jù)將上報(bào)到設(shè)備管理和位置服務(wù)器。對(duì)于UWB基站，為了方便工程應(yīng)用，支持星型和菊花鏈組網(wǎng)，采用到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位技術(shù)，基站之間采用無(wú)線時(shí)鐘同步方式，設(shè)備管理&位置服務(wù)器實(shí)現(xiàn)UWB基站的監(jiān)控管理和定位引擎等相關(guān)功能，對(duì)外提供應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）輸出開放分類（Tag）位置坐標(biāo)[1]。

2? ? 定位算法分析

在智慧室分應(yīng)用中主要提供二維定位，采用TDOA定位方式，無(wú)Tag與定位基站時(shí)間同步的要求，因而，Tag端軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、功耗小，同時(shí)，具備系統(tǒng)容量高等優(yōu)點(diǎn)，可規(guī)模性應(yīng)用。在服務(wù)器軟件功能中，定位坐標(biāo)的計(jì)算將是主要的瓶頸，本文就二維坐標(biāo)解算算法進(jìn)行分析說(shuō)明。

系統(tǒng)示意如圖2所示，假定Tag發(fā)送的定位包可以被基站1，基站2，…，基站n共計(jì)n個(gè)基站接收到，各基站之間采用無(wú)線時(shí)鐘同步方式。（xi，yi）為已知基站位置坐標(biāo)，（x，y）為待解算Tag的坐標(biāo)，ri為Tag到基站的距離[2]。

因而有：ri=（x-xi）2+（y-yi）2? ? ? ? ? ? ?（1）

令：ri1=ri-r1;ki=x2i+y2i;xi1=xi-x1;yi1=yi-y1;則（1）可變形為：

（2）

令：

則：GZ=h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

一般情況下，式（3）為超定方程組，常規(guī)無(wú)解，需采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行解算。

2.1? 普通最小二乘法

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)高斯—馬爾可夫定理，在普通線性回歸模型中，如果TDOA各定位基站測(cè)量誤差滿足零均值，同方差且互不相關(guān)，則回歸系數(shù)的最佳線性無(wú)偏估計(jì)就是普通最小二乘法估計(jì)（Ordinary Least Square，OLS）[3]。

誤差矢量：Φ=h-GZ，則有E（Φ）=O，cov（Φ，Φ）=σ2ΦIn（In為n階單位陣），令：

J（Z）=ΦΦT=hTh-2ZTGTh+ZTGTGZ （4）

根據(jù)矩陣求導(dǎo)法則，則有：

（5）

若要誤差最小，則令（5）式等于0，若GTG為非奇異陣，則有最小二乘法的解析解：

Z=（GTG） -1 GTh? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

定義無(wú)噪聲表達(dá)式形式為{*}0，則：h=Φ+GZ0，且：

（7）

顯然式（7）是一個(gè)全局最優(yōu)解。

2.2? 加權(quán)最小二乘法

最小二乘法是將每次測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)重同等看待，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，各定位基站給出的測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量是存在差異的，如受距離遠(yuǎn)近、反射路徑等因素影響，造成各數(shù)據(jù)存在異方差性，單純采用OLS解算結(jié)果將失去有效性估計(jì)特性，造成定位精度誤差惡化。

加權(quán)最小二乘估計(jì)（Weighted Least Squares，WLS）是指對(duì)原模型進(jìn)行加權(quán)，使之成為一個(gè)新的不存在異方差性的模型，然后采用普通最小二乘法估計(jì)其參數(shù)的一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。實(shí)際上就是TDOA測(cè)量的數(shù)據(jù)不再以同等重要性來(lái)看待，給每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)增加權(quán)重屬性，質(zhì)量越好的測(cè)試數(shù)據(jù)賦予更高的權(quán)重。

若：E（Φ）=O，且各基站之間測(cè)量誤差不相關(guān)，考慮異方差性，則：

（8）

設(shè)： W=DDT，則：

（9）

h=GZ+Φ兩邊左乘D-1，則：D-1h=D-1GZ+D-1Φ令：H*=D -1h;G*=D-1G;Φ*=D -1Φ則有：

H*=G*Z+Φ*? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

可以計(jì)算：cov（Φ*，Φ*）=E（Φ*，Φ*T）=σ2ΦIn，因而式（10）具有同方差性。

用普通最小乘法進(jìn)行估計(jì)，則：

Z=（G*T，G*）-1G*T，H*=（GTW -1G）-1GTW -1h? ?（11）

2.3? 解算方案

結(jié)合上述分析，顯然WLS更適用于實(shí)際定位坐標(biāo)解算，在式（11）中，最關(guān)鍵是如何得到矩陣W，實(shí)際上要精確得到W是不可能的，可采用估算的方法，首先，用式（6）解算出粗位置坐標(biāo)Z1，則W近似估計(jì)：

其中，ei為各測(cè)量誤差值，然后由（10）再次計(jì)算定位坐標(biāo)。

通過(guò)上述分析可以看出，所有算法都要求E（Φ）=O，在室內(nèi)定位場(chǎng)景中， 非視距（Non Line of Sight，NLOS）是無(wú)法避免的，對(duì)算法的影響很大，除了工程要盡可能避免以外，也可對(duì)各測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，要求定位基站在上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)攜帶質(zhì)量因子、場(chǎng)強(qiáng)等數(shù)據(jù)，如果計(jì)算時(shí)刻數(shù)據(jù)組數(shù)大于4組，可以根據(jù)數(shù)據(jù)品質(zhì)進(jìn)行有效性選擇。當(dāng)然如果數(shù)據(jù)組數(shù)僅有3組，只能直接解方程組進(jìn)行獲得位置坐標(biāo)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)UWB在5G智慧室分融合場(chǎng)景下的應(yīng)用進(jìn)行了研究，尤其在定位算法方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析下的解決方案，整體實(shí)現(xiàn)方案硬件要求低、實(shí)時(shí)性好，目前已成功應(yīng)用在5G小基站相關(guān)產(chǎn)品中，為5G智慧室分提供高精度位置服務(wù)的能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊洲.基于UWB/MEMS的高精度室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[2]黃亞萍.基于TDOA和TOA的無(wú)線定位技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2012.

[3]原創(chuàng)力文檔.Low-rate wireless personal area networks[EB/OL].（2017-10-16）[2019-06-10].https：//max.book118.com/html/2017/1016/137255924.shtm.

Application research and implementation of UWB in 5G intelligent room division subsystem

Xia Cong

（Guangzhou Branch of Tianjin Jingxin Communication system Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract：The traditional DAS has transformed into smart DAS solution in the era of 5G， which can provide indoor positioning and IOT service in addition to greatly reduce the construction cost of active DAS. But the positioning accuracy using Bluetooth technology doesnt meet the requirement in some scenarios such as industry. This paper focuses on the study of UWB application technology in 5G smart DAS and provides systematical solution.

Key words：smart distributed antenna system; ultra wideband; time difference of arrival; ordinary least square; weighted least squares