基于TC-OFDM體制的室內定位系統

鄧中亮 北京郵電大學教授

尹露 北京郵電大學講師

基于TC-OFDM體制的室內定位系統

鄧中亮 北京郵電大學教授

尹露 北京郵電大學講師

分析了各主流室內定位系統的優缺點；提出了TC-OFDM定位系統，給出了其系統架構及信號產生方式，該系統可實現3m以內的室內定位精度；分析了影響定位精度的原因，為提高定位精度提供了參考。

室內定位 TC-OFDM 定位精度

1 引言

隨著移動互聯網技術的發展，位置服務（Location BasedSevers，LBS）得到了廣泛關注。據統計，在人們所使用的信息中有80%以上與“位置”有關，人們對室內外無縫定位的需求也在不斷增加。而衛星導航系統有信號弱、易受干擾等缺點，在城市峽谷、樓宇內部等遮擋、干擾較為嚴重的區域很難正常工作，且定位精度會嚴重下降甚至無法定位。因此，近幾年出現了大量新的定位方法或定位系統，例如基站定位系統、Wi-Fi定位系統、偽衛星定位系統等，利用它們較強的信號可以實現城市室內外環境的無縫覆蓋，同時也可以利用多個定位系統進行組合定位，以實現更高的定位精度、覆蓋范圍以及定位魯棒性。

2 常見室內定位技術

2.1 WLAN定位技術

WLAN是一種新一代的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內實現復雜的大范圍定位、監測和追蹤任務，而網絡節點自身定位是大多數應用的基礎和前提。當前，比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網絡系列標準之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統采用經驗測試和信號傳播模型相結合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無線網絡結構，系統精度高。在一定的區域內安裝適量的無線基站，根據這些基站獲得的待定位物體發送的信息，結合基站的拓撲結構綜合分析，從而確定物體的具體位置。這類系統可以利用現有的無線局域網設備，增加相應的信息分析服務器以完成定位信息的分析。目前，國外典型的室內定位系統有RADAR室內定位系統、Ekahau PositioningEngine等；國內則有如北京郵電大學開發的WLAN室內定位系統“尋鹿”等，以上定位系統在局域重點區域可達到m級定位精度。但目前該技術尚在推廣應用中，當定位精度要求較高時，需要采集大量的指紋，以建立匹配數據庫，運維成本高。

2.2 WSN定位技術

WSN定位技術可以分為基于測距和非測距兩種。基于測距的定位技術一般是通過超聲波、紅外線等方法進行測距，如KaminWhiteHouse的Calamari定位系統使用超聲波進行測距，同時結合信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）進行定位，使系統具有很好的可擴展性，定位誤差約為20%～30%。由于Calamari定位系統使用超聲波進行測距，需要視距環境，對環境依賴過大，人員的走動和物品擺放位置變化都會給定位精度帶來很大的影響，不適用于大型建設物內人員流動大、環境布置經常發生變化的室內復雜環境定位。另外，Calamari定位系統采用超聲波進行測距，需要大量的底層硬件設施設計，從而增加了功耗和硬件成本。基于非測距的定位算法比較典型的研究如北京郵電大學的基于RSSI的差分定位方法，在網絡平均連通度為10、錨節點比例為10%的各向同性網絡中平均定位精度為20%左右。

2.3 RFID定位技術

RFID被列為21世紀十大重要技術課題之一，美國已經在RFID標準的建立、相關軟硬件技術的開發、應用領域走在世界的前列。歐洲RFID標準追隨美國主導的EPCglobal標準，日本也提出UID標準。最近，隨著RFID技術的興起，對RFID標簽的定位跟蹤日益受到關注，目前比較成熟的RFID室內定位方案有SpotON、3D-iDpinpoint和LANDMARC。這3種RFID室內定位方案都是采用射頻信號強度數據作為定位依據。RFID定位技術由于通信能力弱，不便于與其他系統進行融合。

2.4 藍牙技術

藍牙技術通過測量信號強度進行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍牙局域網接入點，把網絡配置成基于多用戶的基礎網絡連接模式，并保證藍牙局域網接入點始終是這個微微網（Piconet）的主設備，就可以獲得用戶的位置信息。藍牙技術主要應用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫。藍牙室內定位技術最大的優點是設備體積小、易于集成在掌上電腦（Personal DigitalAssistant，PDA）、個人電腦（Personal Computer，PC）以及手機中。理論上，對于持有集成了藍牙功能的移動終端設備用戶，只要設備的藍牙功能開啟，藍牙室內定位系統就能夠對其進行位置判斷。其不足在于對于復雜的空間環境，藍牙系統的穩定性差，在噪聲信號干擾嚴重的條件下，定位精度急劇下降。

2.5 超寬帶定位技術

超寬帶技術是一種與傳統通信技術有極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有ns或ns級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶可用于室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、偽距測量精度高等優點。目前，已有美國AETHERWIRE&LOCATION公司開發的Localizers室內定位系統、Ubisense公司開發的Ubisense室內定位系統等。但目前超寬帶技術成本較高，產業尚不成熟，還具有普適性差的缺點，不能滿足廣域定位的需求。

3 基于TC-OFDM體制的廣域室內定位技術

目前，基于地面移動通信網的定位技術已有大量研究，由于地面網絡信號覆蓋良好，因此可對室內用戶進行定位。在各種基于移動通信網的定位系統中，采用的基本定位原理大致是相似的，都是通過檢測移動臺和多個固定位置收發信機之間傳播信號的特征參數，如電波場強、傳播時間或時間差、入射角等來估計出目標移動臺的幾何位置。目前，基于地面移動網絡的定位技術主要基于小區識別碼（Cell-Identity，CellID）、時間提前量（Timing Advance，TA）、上行鏈路信號到達時間（TimeofArrival，TOA）、上行鏈路信號到達時間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）以及信號度（AngleofArrival，AOA）、高級前向鏈路三角（Advanced Forward Link Trilateration，AFLT）、應用于時分多址（TimeDivision MultipleAddress，TDMA）系統的下行鏈路增強觀測時間差（Enhanced-Observed Time Difference，E-OTD)。

由北京郵電大學提出的基于TC-OFDM信號體制的定位系統，利用定位和通信信號的一體化融合，實現了高精度的廣域室內外無縫定位（見圖1）。上行站將基于現有通信信號與授時信號上行至衛星；衛星將通信信號與授時信號播發至地面廣播基站，由衛星授時接收機對通信基站進行高精度時間同步；通信基站將高精度定位信號融合到OFDM信號上，形成高同步精度的TC-OFDM定位信號，定位精度可達3m以內。

通過移動基站網絡發射TC-OFDM信號，其發射過程如圖2所示。

由高精度同步的基站發射TC-OFDM信號，可以進行廣域室內覆蓋，終端將對TC-OFDM信號進行解調并獲得導航電文。除了室內環境，TC-OFDM信號還可以輔助GNSS系統，以獲得更高的室外定位精度、定位魯棒性及首次定位時間（Time to First Fix，TTFF），TC-OFDM系統可以實現m級精度的室內外無縫覆蓋。定位信息可以通過網絡向網絡側的定位服務器發送，并利用網絡服務器對定位信息進行處理，實現高精度的定位，并進行一些位置服務應用。

圖1 TC-OFDM定位系統架構

圖2 TC-OFDM信號的產生

4 影響定位精度的主要因素

在蜂窩網絡中由于非理想的無線信道環境，使得定位終端（移動臺）和基站之間多徑傳播、非視距（NLOS）傳播普遍存在；在CDMA系統中，存在多址干擾等因素。這些都會使檢測到的各種信號測量值出現誤差，從而影響定位精度。

（1）多徑傳播

影響蜂窩無線定位的一個基本因素之一就是多徑傳播問題。在移動信道中，由于反射物體和散射體的存在會產生一個不斷變化的環境，使得信號能量在幅值、相位和時間延遲方面產生彌散，這些效應導致發射信號經過不同的路徑到達接收天線時的形式各異，顯示出不同的時間和空間方位。不同的多徑分量的隨機幅值和相位引起信號強度的擾動，從而產生小尺度衰落和信號畸變，使接收信號的信噪比嚴重下降，最終影響定位精度。

（2）NLOS傳播

導致定位誤差的另一個重要因素是移動臺和基站之間的信號為非視距傳播（NLOS）信號。LOS傳播是得到準確的信號特征測量值的必要條件，GPS系統也正是基于電波的LOS傳播實現對目標的精確定位。但是，在城市和近郊，移動臺和多個基站之間實現LOS傳播通常是很困難的，更多的情況是通過反射和折射的方式進行傳播的，從而影響了到達場強、接收電波的到達方向以及電波傳播時間。在這樣的環境下，即便沒有多徑干擾且系統能提供足夠高的定時精度也同樣會導致定位測量誤差。

（3）CDMA多址接入干擾

所有的移動通信系統均存在多址干擾，但多址接入對于定位精度的影響在CDMA系統中尤為明顯。由于CDMA系統中的各用戶均使用同一頻段，通過偽隨機碼來區分各個用戶，這種高容量也帶來了遠近效應和多址干擾。多址干擾會嚴重影響定位測量信號估計。在CDMA系統中通常采用功率控制來克服遠近效應，但由于無線定位需要多個基站同時監測移動臺發射的信號，功率控制只對服務基站起作用，對非服務基站，移動臺的信號仍然受到嚴重的多址干擾，因而影響常規接收機的性能。研究表明，多址干擾會嚴重影響TOA和TDOA的定位精度。

（4）參與定位的基站數的限制

網絡定位技術需要至少兩個或3個以上基站的參與，但是在基站稀疏的環境下很難同時存在多個基站參與移動臺定位，即使在基站稠密的城市環境中，也可能由于建筑物的遮擋而無法接收到視距傳播的信號。另外，由于CDMA系統采用了功率控制技術來克服遠近效應，當移動臺靠近服務基站時，其他基站就很難接收到移動臺發出的定位測量信號。

表1給出了各種環境下所能參與移動臺定位的基站數量的統計情況，其中X表示接收信號功率大于-100dBm的基站數。統計數據表明，在鄉村或郊區同時存在3個或3個以上基站與移動臺保持聯系的可能性較小。

表1 可參與移動臺定位的基站數量

（5）基站和移動臺幾何位置分布

在系統設計因素中，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位置、移動臺與基站之間相對位置的差異造成的幾何精度因子（GDOP）的不同也會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，在高速公路沿線設置一系列的蜂窩網基站，這種情況下TDOA的定位精度將嚴重惡化，使得較小的定位參數測量誤差導致很大的定位估算誤差。

5 結束語

本文分析了目前主流的室內定位技術及其優缺點，介紹了一種利用TC-OFDM體制進行定位的新型定位系統，該系統可以實現3m以內的室內定位精度，還分析了影響室內定位誤差的因素，為提高定位精度提供了一定的參考。

1 Cheong J W.Towards Multi-constellation Collective Detection for Weak Signals:A Comparative Experimental Analysis.24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation 2011.Portland:Institute of Navigation.2011

2 彭競,劉增軍,朱明等.基于優選RFID觀測值的GPS/RFID組合定位方法.國防科技大學學報.2012

3 滕云龍,師奕兵,鄭植.惡劣環境下GPS接收機定位算法研究.儀器儀表學報.2011

2015-02-20）