超寬帶在無線定位技術中的應用綜述

童凱翔，周 軒，李廣俠，劉 冰，田世偉

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，南京 210007；2.61773部隊，烏魯木齊 830014；3.中國科學院 光電研究院，北京 100094)

超寬帶在無線定位技術中的應用綜述

童凱翔1，周 軒2，李廣俠1，劉 冰3，田世偉1

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，南京 210007；2.61773部隊，烏魯木齊 830014；3.中國科學院 光電研究院，北京 100094)

超寬帶技術具有高數據傳輸速率，高時域分辨率及強穿透性等優點，其在短距離，環境復雜的無線傳感網絡定位技術中引起了人們極大的興趣。主要通過對超寬帶技術的發展歷程闡述以及結合大量最新的工作，總結技術發展軌跡，探討基于超寬帶技術的無線網絡中的定位技術、算法。結合一些最新的研究成果，討論基于超寬帶的無線定位技術仍存在的問題與發展方向。

超寬帶；無線網絡；定位技術

1 引言

以全球定位系統(global positioning system，GPS)為代表的衛星導航定位系統在世界范圍內，不論軍用還是民用方面都得到了廣泛的應用，為人們的出行等一系列社會活動提供了極大地便利。然而基于衛星信號的導航定位并不總是有效的，主要體現在當用戶處于森林、城市、峽谷及室內等挑戰環境中，尤其是當樓房等物體遮蔽造成信號大幅度地衰減及面對復雜室內多徑環境的問題時，衛星導航信號的檢測本身就存在一定的困難，即使檢測到了，也會存在較大的定位誤差[1]。同時，在具體的室內定位問題中用戶一般不需要知道精確的經緯度坐標，而相對一些特定坐標點的相對位置坐標在很多情況下顯得更有意義[2]。

因超寬帶(ultra wide band，UWB)信號具有其極強的穿透能力，極高的時域分辨率[3-4]等特性，UWB技術成為解決上述定位問題的重要手段，基于UWB技術的定位也成為定位領域一個研究熱點，得到了學界和業界的廣泛關注。

UWB信號是擁有超過中心頻率20%相對帶寬或者絕對帶寬超過500 MHz的信號[5]。UWB技術就是基于這樣一系列的占用很大帶寬的信號來實現各種應用的無線電技術。大的帶寬保證了其極強的穿透能力，而其在時域上精細的分辨率也為提高測距、定位精度提供了堅實的保障。

UWB技術始于20世紀60年代后期，一開始僅僅因其優越的穿透性和類噪聲性被軍事領域應用于監聽技術[6]。直到上世紀末該項技術引起了美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)的注意，這項技術才逐步開始民用以及商業化的進程。

本文旨在以IEEE 802.15.4a[3]協議為基礎，描述協議定義的物理層性質，由此展開在無線網絡中的定位技術、算法與相關的工作研究，通過對一些最新的研究的綜述，來描述UWB技術在定位方向上的發展歷程與研究方向。

2 IEEE 802.15.4a規定的幀結構

IEEE 802.15.4a規定了信號傳輸采用的幀結構，包括了一個同步頭(synchronization header，SHR)、一個物理層報頭(physical layer header，PHR)以及一個數據字段(PHY service data unit，PSDU)[3]。其中SHR由兩部分組成——測距前導碼(synchronization，SYNC)和幀分隔符(synchronization frame delimiter，SFD)。

簡單地來說，幀同步頭就是為了正確接收信號，在測距與定位技術中同樣需要以幀結構為基礎來判斷所接收的信號是否為有用的UWB信號。SYNC與SFD都是用于同步與測距的[7]，通過對收到的無線電波的分析得到正確的PHR接收時刻，從而得到兩點之間的距離信息。

3 基于UWB技術的無線網絡定位

本節主要綜述目前可與UWB技術較好結合的一些無線網絡中的定位技術與算法[5，8]。

為了更好地展開敘述，在此先定義在無線網絡定位中普遍存在的兩類節點：

1)參考節點(reference node)：在網絡中已知坐標位置的節點；

2)目標節點(target node)：在網絡中未知自身坐標，希望通過定位算法獲得自身絕對位置坐標或同參考節點的相對位置坐標[8]。

3.1 無線定位技術綜述

3.1.1 基于到達信號角的測量

目標節點通過來自于參考節點的無線電信號得到自身關于參考節點的角度信息。如圖1所示，一般在一個二維平面結構中，至少需要兩個參考節點來確定目標節點的位置[5]。到達角(arrival of angle，AOA)一般要求目標節點通過一個天線陣列來獲得較為精確的角度測量[9]，如圖2所示。

圖1 AOA測量角度信息

圖2 AOA天線陣列

AOA因為不涉及距離信息的提取，在算法復雜度以及實現上都較為簡單，但是文獻[5]指出AOA并不適用于UWB定位系統，原因主要有兩點：1)天線陣列的使用加大了系統的成本開銷，很難推廣與民用；2)在室內復雜多徑環境下，到達天線的信號的路徑的數量可能會非常之大，利用AOA仍然很難從中分離出有效的信息，與基于時間測度(time-based)或者說基于測距(ranging-based)的技術來說性能較差。

然而，在本文第4部分也會提到，隨著制造工藝的進步和AOA與其他定位技術(如TOA，RSS等)的聯合應用，在不提高成本的情況下能夠較好地提高定位精度，所以筆者認為AOA仍是一個重要的研究領域。

3.1.2 基于到達信號傳播時延或時延差的測量

基于時間測度的定位技術的核心就是測量目標節點與參考節點之間信號的傳播時間，到達時間(time of arrival，TOA)和到達時間差(time difference of arrival，TDOA的大致思想分別如圖3和圖4所示[6]，需要一個目標節點和至少3個參考節點。TOA測量目標節點與參考節點之間獨立的傳播時間τ， 利用d=c×τ， 得到彼此間距離(c為光速)，利用三個圓的交點來確定目標節點坐標。TDOA則利用兩個參考節點信號傳播的時間差Δτ來推算與兩個參考節點的距離差，一個距離差確定一條雙曲線，利用雙曲線的交點來確定目標節點的位置。

圖3 TOA的測距定位模型

圖4 TDOA的測距定位模型

當使用TOA和TDOA這種基于時間測距的定位技術時，非視距(nonlineofsigh，NLOS)帶來的影響必須要進行考慮，因為信號的NLOS傳播會導致最終的測距結果始終存在一個正的偏差。同時，由于多徑效應的存在，除了來自于直達路徑的信號(很可能由于阻擋而導致信號強度非常微弱)以外，經過反射、衍射的信號也同樣可以到達接收端[10]，從而造成對于τ的錯誤估計。文章第4部分也會列舉相應的文獻，針對多徑環境下測距的精確性進行研究。

3.1.3 接收信號強度

基于接收信號強度(received signal strength，RSS)的定位方法仍然基于測距原理，通過式(1)[8]建立接收信號強度的衰減模型為

(1)

式(1)中，Prec為接收到的信號強度，P0為基準位置d0處的基準信號強度，np為信號強度衰減指數。顯然，這種方法需要先驗的信道模型信息以及傳輸信號功率信息。文獻[5]也指出在一般的無線網絡中，目標節點與參考節點的距離一般比較近，而UWB信號極大地帶寬性質使得衰減很微弱，單一使用RSS很難提供所需要的測距精度，一般而言，使用UWB技術測距時，RSS可與其他方式結合使用。

3.1.4 模式匹配(Pattern matching)

模式匹配的另一種稱呼為“指紋學習”(Fingerprinting)，與許多其他學科中的模式匹配一樣，Fingerprinting也是一種基于學習的算法。通過提取接收到的信號的有關傳播參數，稱這些參數為“位置指紋”(location fingerprints)，并在數據庫中找到與之最為匹配的位置信息[11]。

3.2 無線定位算法分類

無線定位算法分類的依據有許多種：根據信息處理位置的不同可以分為集中式與分布式算法、根據用戶能獲得的定位信息多少分為系統級與代理級算法、根據有無對所處環境的先驗知識分為基于特點環境的與基于隨機環境的算法、根據位置信息的表達方式分為絕對式與相對式的算法，還可以分為協同定位與非協同定位[8]。

4 基于UWB定位精度的研究與新算法

4.1 無線網絡中實現定位的問題

不論是基于IEEE 802.15.4的UWB通信體制，還是基于802.11的WiFi通信體制都會遇到一些相同的問題。例如NLOS帶來的問題以及如何盡可能地提高定位精度都是需要面對的難題。本小節通過引用一些經典的文獻與最新的文獻，大致總結一下相應研究領域的研究方向。

4.2 相關研究與最新進展

文獻[7～17]針對如何解決多徑效應帶來的測距定位誤差做出了深入的研究，文獻[16，18～23]在提高測距精度方面做出了不同方面的嘗試與努力，研究工作不僅僅局限于理論與軟件仿真，也有很多進行了卓有成效的硬件實現。由于篇幅所限，本小節僅列舉一些有代表性的文獻工作。

4.2.1 定位算法與精度

文獻[7]基于IEEE 802.15.4a中規定的幀結構建立信號的數學模型，主要通過兩個步驟來從接收到的信號中得到接收到物理層報頭PHR的時刻(ranging marker)。第一步為確定前導碼中表征每一個符號的脈沖序列中第一個脈沖的到達時間；第二步為定位幀分隔符(SFD)確切的起始位置；由于SFD長度已知，等效于得到物理層報頭PHR開始的確切位置。

文獻[15]的工作被IEEE 802.15.4a有關于UWB定位技術的附錄D1部分引用，文章中提出了在NLOS環境中，不僅僅只有通過視距路徑(line-of-sight，LOS)到達的信號才可以用來進行定位估計。文章利用估計理論與統計推斷，討論了在沒有先驗NLOS傳輸延遲統計信息以及有先驗NLOS傳輸延遲統計信息兩種不同情況下不同的估計算法對于定位精度的影響，并且做了相應的仿真實驗。證明了在沒有先驗NLOS統計信息的條件下，最大似然估計(ML)是更好的估計方式，當NLOS統計信息先驗的情況下，并考慮這些先驗信息，最大后驗估計(MAP)會得到比僅僅使用首達信號的信息更為精確的定位精度。與此同時，作者在文中也提到利用多徑到達的信號必然會增加運算復雜度，很多情況下需要做適當的折中。

很多研究工作關心的都是定位精度的問題，文獻[11，13，17-18]都在提高定位精度方面做了值得稱道的工作。很多因素都會影響到定位精度，比如多徑干擾、采樣率的限制、本地接收機振蕩器的相位噪聲以及系統時鐘的抖動和漂移。其中文獻[11]的工作實現了二維在有障礙物遮蔽的條件下亞米級的精確定位，他們的實驗工作也被錄制成了視頻放在了互聯網上。文獻[17]得到了厘米級的測量精度。然而也必須看到實驗中還是有一定的理想假設的，比如時鐘是嚴格同步的。

4.2.2 定位算法的創新

一些文獻中的工作也提出了不少新的觀點，筆者認為其中一些觀點對于未來定位算法的發展有很好的參考價值與借鑒意義。其中值得一提就是文獻[9，14]提出來的AOA與TOA結合使用測距的思想。如圖5所示，在最理想的情況下，單一的TOA測距只能得到笛卡爾坐標系下的歐氏距離信息，所以至少需要三個參考節點才能實現定位，而AOA與TOA結合的定位算法，等效于將目標節點至于極坐標系下考量，如果既能得到距離信息和角度信息，則最少的情況只要一個參考節點就可以實現定位。

圖5 傳統TOA定位與聯合定位

文獻[9]在UWB信號帶寬分別為0.5 GHz和1.5 GHz的條件下的仿真結果說明聯合定位算法在性能和功耗上都有優勢，文獻[14]說明了在LOS環境下，聯合定位的表現并不比TOA算法優異，但是在NLOS環境下聯合定位的性能明顯優于TOA定位算法性能。

文獻[19]提供了一個有趣的思路，對于已知幾何形狀的環境中，只利用一個參考節點，而對其各種反射的信息加以利用實現定位。類似于光學中的鏡像，文章將參考節點，或稱之為錨節點(Anchor Node)關于墻壁的鏡像稱之為虛錨節點(Virtual Anchors)。需要認識到這種想法目前來說可實現性還比較差，但隨著相關學科比如圖像處理技術的進一步發展，這種想法也是有機會成為現實的。

4.2.3 協同定位(Cooperative Position)

協同定位在無線定位系統中有著廣闊的發展前景，很多文獻將UWB技術作為用戶間協同的手段，進行了諸多卓有成效的研究，如文獻[4，8，21，23]及其中所引用的一些文獻。基于協同的定位思想可以很好地提高在復雜電磁環境下定位的精確性。實現協同定位也有多種思路，文獻[23-25]報告了該領域許多研究成果，其中文獻[23]描述了幾種不同的協同定位算法，其中利用因子圖建立網絡的圖形模型并提出SPAWN算法。文獻[24]從協同定位的應用、基本原理、定位基本算法等方面對協同定位思想做了一個完整的綜述。文獻[25]討論協同定位在導航領域中的應用與性能限制因素。協同定位研究的文獻還有很多，篇幅所限在此不贅述。

5 結束語

本文結合最新的一些研究文獻對UWB技術在定位技術方面的應用做了一個總體的概述。IEEE 802.15.4a協議對UWB的物理層和MAC層都做了詳細的規定，也使得UWB技術能夠更好地進入實際應用階段。文章也旨在對最新的研究成果的介紹，希望吸引更多的學者進入相關的領域從事研究工作。

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A Review of UWB Applications in Wireless Location Technology

TONG Kai-xiang1，ZHOU Xuan2，LI Guang-xia1，LIU Bing3，TIAN Shi-wei1

(1.College of Communications Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.Troops 61773，Urumqi 830014，China；3.Academy of Opto-electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China)

Because of its high data rate and fine time resolution，the ultra-wideband (UWB) technology has aroused great interest as a positioning technology used in a short distance，complex wireless sensor network environment.In this paper，through the development process of UWB technology and a combination of a lot of the latest work，the article discusses the UWB technology-based wireless sensor network positioning technology and algorithms.Combined with some of the latest research results，we discussed the problems exist and the development direction of UWB-based wireless location technology.

UWB；wireless networks；localization techniques

2014-03-31

童凱翔(1991)，男，江西玉山人，碩士，主要從事衛星導航和室內外協同定位的算法研究工作。

TN96

A

2095-4999(2015)-01-0010-05