室內射線跟蹤定位方法研究

（重慶郵電大學 GIS研究所， 重慶 400065）

摘 要：

幾種常用的室內定位技術均存在各自的缺陷，很難用于復雜室內環(huán)境。提出了一個基于射線跟蹤技術的室內定位模型，通過跟蹤從發(fā)射機到接收機之間的所有傳播路徑，得出有效的定位參數(shù)，從而進行高精度定位。最后實驗仿真證明了模型的有效性。

關鍵詞：射線跟蹤； 一致繞射性理論； 電波傳播； 定位數(shù)據(jù)庫； 室內定位

中圖分類號： TP274.2文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)04-1299-03

Research of indoor positioning method based on ray-tracing

YUAN Zheng-wu， ZHAO Rui-jing， ZHU Zhi-hui

（GIS Research Center， Chongqing University of Posts Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract:

Several common indoor positioning technology had their limitations， so it was very difficult to deal with the complex indoor environment. This paper presented an indoor positioning model based on ray tracing technology. This model could gain the effective positioning parameters by tracking all the transmission path between the transmitter and the receiver， so it could conduct high-precision positioning. Finally， it was proved the availability of the presented model by simulation.

Key words：ray tracing; UTD; wave propagation; location database; indoor positioning

近幾年來，移動通信系統(tǒng)飛速發(fā)展，與之相關的定位業(yè)務也在許多國家和地區(qū)廣泛開展。人們對定位與導航的需求正在日益增大，尤其在復雜的室內環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，常常需要確定室內移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置信息。

與戶外環(huán)境相比，室內環(huán)境要復雜得多。建筑物的布局、內部結構、材料、裝飾裝修情況等都會對室內定位的效果產生影響。相對于室外定位，室內定位還受定位時間、定位精度以及復雜室內環(huán)境等條件的限制，現(xiàn)行比較完善的定位技術還無法很好地用于室內定位。盡管室內定位技術一直以來都備受人們的關注，并且也有很大的實用價值，但與實際應用比較起來它還很不成熟。目前獲得移動終端位置的方法歸納起來有兩大類[1]：

a)為了實現(xiàn)其定位功能使用特殊的定位設備來完成；

b)使用現(xiàn)有的通信設備來完成定位服務功能。

由于室內定位環(huán)境的復雜性，很多室外的定位方法都不太適合，并且當前的各種室內定位方法都各自存在著相應的缺陷。對室內定位，必須研究新的理論和方法來適應社會對室內定位的要求。

1 常用室內定位技術概要

由于室內外環(huán)境的差別，目前大多數(shù)的無線定位技術[2， 3]都是基于到達時間TOA(time of arrival)、到達時間差TDOA(time difference of arrival)和到達角度AOA(arrival of angle)。基于這些技術的定位結果只能在視距傳播信號占支配地位的情況下才是可靠的，室內環(huán)境復雜，因而無法適用于室內環(huán)境。此外，TOA或TDOA信息需要發(fā)射機與接收機之間的準確同步，這些要求在許多場合都難以達到；而AOA需要智能天線，價格昂貴且有定位盲點。目前室內定位的方法[4~6]主要有光跟蹤系統(tǒng)、室內GPS技術、超聲波定位技術、藍牙技術。但這些技術都有各自的缺點，如光跟蹤技術的設備復雜；室內GPS要受到室內環(huán)境的嚴重影響，精度和時延都比室外的差很多。其他的定位技術如RFID[7] (radio frequency identification)，它的定位精度在很大程度上與設備的多少和分布有關，并要求有與之相配套的設備和基礎設施；PLT(precision location technology，精確定位技術)是基于Wi-Fi無線網(wǎng)絡接入點的精確定位技術，它利用到達時間進行定位，需要精確的時間同步；UWB(ultra wide band)是利用納秒級窄脈沖發(fā)射無線信號的技術，也是基于時間的；RPT(rosum positioning technology)是利用電視信號進行定位，以及GPSOne技術。另一種可供選擇的定位方法是基于信號強度的解決方案，它并不測量到達信號的時間或角度，而是利用移動站MS(mobile station)感測的來自參考基站BS(base station)或接入點AP(IEEE 802.11術語中的access point)的信號功率，并且可以直接利用現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)的硬件資源進行定位，其成本較低。這些室內定位技術從總體上可歸納為幾種，即衛(wèi)星定位技術(如GPS等)、無線定位技術(無線通信信號、射頻無線標簽、超聲波、光跟蹤、無線傳感器定位技術等)、其他定位技術(計算機視覺、航位推算等)以及衛(wèi)星定位與無線定位組合的定位技術。

2 室內射線跟蹤定位模型

射線跟蹤是基于幾何光學原理(GO)，由源點出發(fā)向周圍空間均勻發(fā)出大量的射線，分別跟蹤每條射線的路徑，跟蹤過程由計算機程序完成。首先，利用程序中的算法確定是否存在視距路徑，即檢測源射線是否與物體相交。如果沒有發(fā)現(xiàn)相交，就直接計算接收場，并重新跟蹤另一條新的源射線；一旦判斷出有相交發(fā)生，程序就將源射線分解成折射射線和反射射線，這兩條射線都從射線和障礙物的相交點發(fā)出。然后，用類似于源射線的方式對這些射線進行處理，即檢查反射射線或折射射線在到達接收點前是否有阻擋。其中產生的繞射射線，可應用一致繞射性理論(UTD)將繞射場添加到總場中。這種遞歸一直繼續(xù)下去，直到射線強度下降到門限以下或不再發(fā)生相交為止。門限電平必須小心選擇，如果門限電平選得太低，算法就會浪費CPU時間和存儲容量，而對結果沒有什么重大改善；相反，如果門限電平太高，就可能會丟失許多對接收場有重要作用的射線。

2.1 室內射線跟蹤定位原理

射線跟蹤定位的原理[8]是根據(jù)電磁理論和幾何繞射理論，模擬基站發(fā)出的電磁波的每一條傳播路徑，計算考察區(qū)域內大量參考點接收到的信號強度、各路徑時延和信號到達角等參量，存入數(shù)據(jù)庫，再將用戶的測量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匹配查詢，以確定測量數(shù)據(jù)所對應的參考點，從而確定用戶的位置。

射線跟蹤定位的適用條件是高頻率或短波長，也就是當媒質特性和散射體參量等在一個波長距離范圍上變化非常緩慢時，電磁波的傳播和散射具有局部性，一個給定的觀察領域內的場，無須由整個初始表面上的場來求得，只需要由該表面的某一有限部分來求取，從而可以利用電磁理論和幾何繞射理論進行計算。現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都在甚高頻和超高頻，而且使用頻率有越來越高的趨勢。室內微蜂窩的實驗頻率就高于超高頻，已經到了特高頻的頻率范圍。因此移動通信系統(tǒng)可以使用射線跟蹤的方法來分析和處理電磁波的傳播問題。

室內射線傳播的主要機制是直射、反射、折射和繞射（包括邊緣繞射、頂點繞射和表面繞射）。

a)直射。它比較簡單，就是兩點之間的直線路徑。

b)反射。它發(fā)生在射線遇到障礙物的阻擋之時。反射射線的軌跡遵循反射定律，即滿足反射角等于入射角。

c)繞射。幾何繞射理論[9]認為，當入射射線遇到散射體邊界面的邊緣、頂點和凸曲面時會發(fā)生繞射現(xiàn)象，產生一組新的繞射射線。Keller指出邊緣繞射射線與邊緣的夾角等于入射射線與邊緣的夾角，入射射線與繞射射線分別位于通過繞射點與邊緣垂直的平面兩側或在一個平面上。一條入射射線會激起無窮多條繞射射線，它們都位于一個以繞射點為頂點的圓錐面上。圓錐軸就是繞射點處邊緣的切線，圓錐的半頂角等于入射射線與邊緣切線的夾角。

除了邊緣繞射，還有頂點繞射和表面繞射。頂點繞射射線就是從源點經過頂點到達接收點的射線，只要頂點沒有被繞射物體遮擋，頂點繞射就總是存在。頂點發(fā)出的繞射射線的方向是任意的，一條入射射線可以激起無窮多條頂點繞射射線，它們以頂點為中心沿徑向朝四面八方射出，其波陣面是以頂點為中心的球面。光滑凸曲面的繞射是指當射線向光滑凸曲面掠入射，即沿陰影邊界入射時，它將分為兩部分：一部分能量按照幾何光學定律繼續(xù)照直前進；另一部分能量沿著物體的表面?zhèn)鞑ィ蔀楸砻嫔渚€。表面射線在傳播時將不斷沿其切向發(fā)出表面繞射射線。頂點繞射和表面繞射衰減速度很快，一般不予考慮。

利用射線跟蹤算法可以對任意的室內環(huán)境完成全3D的路徑搜索，室內所有環(huán)境均用多邊形來建模。圖1給出了一個模擬的室內環(huán)境，發(fā)射天線和接收天線可以位于任意的位置。利用射線跟蹤算法可以搜索收發(fā)天線之間由于反射和繞射等而形成的所有傳播路徑，其中也包括多次反射、多次繞射以及反射加繞射。

2.2 接收場強計算

在用射線跟蹤法進行室內定位時，接收點的總場強可表示為各接收場強的矢量和，即

Er=∑iEi

Ei=GtiGriLi(s)ΠjR=(θji)ΠkT=(jki)Πm D=(φmi)E0

其中：Ei為第i條射線在接收點的電場強度矢量；E0為距發(fā)射點1 m處的電場強度矢量；Gti和Gri分別為發(fā)射和接收天線的方向性系數(shù)；Li(s)為第i條射線到達接收點所經過路徑s在自由空間的衰減；R=(θji)為第i條射線第j次反射的反射系數(shù)，入射角為θji；T=(jki)為第i條射線第k次透射的透射系數(shù)，入射角為jki；D=(φmi)為第i條射線第m次繞射的繞射系數(shù)，入射角為φmi。

2.3 室內射線跟蹤定位參數(shù)序列庫

從蜂窩移動通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中獲取待定位移動終端每條射線的場強大小、對應的時延和到達角等定位參數(shù)信息以及總場強數(shù)據(jù)，或者從有關信息中計算出這些數(shù)據(jù)，形成對應的參數(shù)序列。因為這些序列數(shù)據(jù)可能與參數(shù)序列定位數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不完全相同，因此要利用最大似然準則進行匹配，找出對應的cell ID+grid ID (cell identification+grid identification)或者當前基站覆蓋區(qū)的grid ID。因為每一個cell ID+grid ID或者當前基站覆蓋區(qū)的grid ID對應惟一特定的位置，因此找到了cell ID+grid ID或者當前基站覆蓋區(qū)的grid ID就能確定該待定位移動終端的位置。

這種參數(shù)序列定位的方法是一種基于網(wǎng)絡的定位方法。它定位的參量均可以從現(xiàn)存的網(wǎng)絡中獲取，所以無須對移動終端進行修改，也無須對蜂窩網(wǎng)絡硬件進行修改，只要稍微修改蜂窩網(wǎng)絡的軟件，適應于所有移動通信系統(tǒng)，實施費用少，因此既具有可靠性、可行性，又具有實用性。這種定位方法可以動態(tài)調整，只要將網(wǎng)格大小調整，分層建立對應的參數(shù)序列—位置數(shù)據(jù)庫就可以了。

3 仿真分析

對圖1所示的室內環(huán)境進行模擬仿真，圖中是大小為類6×8×3 m3的不規(guī)則房間。采用文獻[10]中的材料參數(shù)，即墻的介電常數(shù)εr=5+0.1j，其他材料的介電常數(shù)εr=2.5+0.1j，而所有材料的導電率μr=1。同文獻[11]，仿真中發(fā)射天線位于室內的左上角，這樣放置發(fā)射天線的一個好處是，它可以使得室內的大部分地方都有視距信號。接收天線可以位于任何地方，收發(fā)天線均為無方向性的。射線跟蹤對所有可能的多路徑進行跟蹤計算，圖2是從發(fā)射機到某一接收機射線跟蹤所計算的多路徑情況，其中頻率為6.85 GHz。它包括多次反射、繞射、視線傳播等情況。接收場強是所有多路徑的復數(shù)疊加。

室內射線跟蹤可以提供多路徑情況和路徑損耗、接收場強、時間延遲剖面(time-delay profile)、到達角(AOA)、發(fā)射角(DOA)、延遲擴散等數(shù)據(jù)信息。用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件可以將指定的局部區(qū)間的數(shù)據(jù)顯示出來。仿真中取發(fā)射場強為1 V/m，取房間左下角為坐標原點，如可對指定顯示數(shù)據(jù)為4.0 m<x<4.3 m， 1 m



以模型中橫向方向為視角，可得出路徑損耗的二維顯示圖，如圖4所示。橫軸表示用戶沿模型中縱向方向行進時所處的位置，縱軸表示該位置的路徑損耗。圖4中的曲線顯示，當處于3.8 m~5.2 m附近時，路徑損耗最為嚴重，這是由于房間正中間有兩個隔板的原因，尤其是縱向隔板大大遮擋了信號的接收。圖5為仿真得出的接收場強二維圖，其分析與圖4類似。得出有利的定位參數(shù)后，建立參數(shù)序列—定位數(shù)據(jù)庫，即可進行匹配定位。



4 結束語

本文對常用的室內定位技術進行了概要分析，指出現(xiàn)有室內定位技術具體應用時所遇到的問題。通過研究射線跟蹤技術建立了一種基于射線跟蹤技術的室內定位模型。該模型可以跟蹤發(fā)射機與接收機之間的各種傳播路徑，包括直射、反射和繞射等，得出有利的定位參數(shù)，建立定位數(shù)據(jù)庫，進行精確定位。另外，利用射線跟蹤來進行室內定位，可以克服非視距傳播、多徑傳播、可檢測性、多址干擾和幾何淡化因子等對定位精度的影響，從而改善定位的精度，同時也可解決單接入點定位難的問題。在今后的工作中對室內射線跟蹤定位技術進行深入研究是十分有意義的。

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