一種基于TC-OFDM系統的室內定位算法

張正舵，陳遠知

(中國傳媒大學 廣播電視數字化工程中心，北京 100024)

一種基于TC-OFDM系統的室內定位算法

張正舵，陳遠知

(中國傳媒大學 廣播電視數字化工程中心，北京 100024)

為了保證火災時人們安全有序撤離及方便消防救援工作，對室內定位技術在消防救援中的應用進行了研究，提出一種基于TC-OFDM(Time & Code Division-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統的室內定位新算法。該算法根據接收定位基點數目的不同采取不同處理流程，可以滿足應用對魯棒性要求。算法通過氣壓測高獲得高度數據，實現了室內三維空間定位。為了提高定位穩定性，算法增加了加權滑動平均濾波后處理。使用TC-OFDM實驗測試系統對新算法進行了性能測式，水平定位誤差約為3 m，垂直定位誤差為0.5 m。

TC-OFDM系統；測距定位；氣壓測高；加權滑動平均濾波

0 引言

室內定位研究始于20世紀90年代，Active Badge[1]被認為是第一個室內定位原型系統。1996年隨著FCC頒布E-91法令[2]，要求移動通信網絡提供定位功能，全球興起室內定位研究熱潮，Cricket[3]、RADAR[4]、IPAQ[5]、Active Office[6]、LANDMARC[7]、INEMO[8]和TC-OFDM[9]等各種室內定位系統如雨后春筍不斷涌現。經過20多年的發展，室內定位技術研究日趨成熟，開始走向工程應用階段。

隨著智慧城市[10]的快速發展，人們在大型建筑物內停留、活動的時間越來越長。火災時建筑物內人群的撤離和消防救援，成為影響社會安全的重要問題，室內定位有助于解決這一問題。

室內定位系統可以分為廣域室內定位和局域室內定位兩大類[11]。廣域室內定位由廣域網(如移動通信網、廣播電視網)承載，可實現全局區域覆蓋。其優點是覆蓋范圍大，易于形成標準應用產品和統一規范服務；缺點是需改造基站與終端設備，建設規模大、周期長且成本高。局域室內定位由局域網(如無線局域網(WLAN))承載，只能實現局部區域覆蓋。其優點是建設規模小、周期短、成本低；缺點是覆蓋區域小，不易形成統一規范的產品與服務。面向火災應用的室內定位系統，適宜采用廣域類別。

TC-OFDM系統是由北郵鄧中亮教授團隊牽頭研發的基于移動通信網的廣域室內外定位系統，本文主要研究的是基于該系統廣域室內節點網絡的終端定位解算算法，采用優化處理的室內二維重心定位方法和差分測高技術，最終得到適于該系統應用、定位性能優良的終端三維定位算法。

1 系統定位原理

TC-OFDM系統由通導融合基站、室內信號增補節點和定位終端組成，其中通導融合基站和信號增補節點為定位基點。通導融合基站架設在室外，發射融合通信與定位信號的TC-OFDM信號；信號增補節點布設在樓內各區域房頂，向終端轉發通導融合信號；定位終端由用戶攜帶，接收定位基點發射的TC-OFDM信號，并完成定位處理，實現室內外無縫銜接定位功能。

TC-OFDM系統支持基于到達時間差(TDOA)的高精度定位方案和基于接收信號強度指示(RSSI)的普通精度定位方案。基于RSSI信息又有三邊測量法[12]和最大似然估計法[13]等，考慮到應用要求和終端硬件平臺性能，本文選擇基于RSSI[14]測距方案實現室內定位。

無線電波在室內空間傳播模型[15]為：

(1)

式中，P為定位終端處場強；d為發射節點與定位終端間距離；n為路徑損耗指數(取值與環境有關，一般辦公室和樓道走廊取值大小為1.4～2.5[16])；d0為參考距離(一般選取1 m)；P0為d0處場強；δ為測距時引入的噪聲(不考慮多徑傳播和非視距誤差情況，可視為均值為0的高斯噪聲)。

依據文獻[17-18]，可以用接收信號強度RSSI代替場強值P，式(1)變為：

(2)

取參考距離d0=1，式(2)變為：

RSSI=RSSI0+10nlg(d)+δ。

(3)

TC-OFDM系統的定位基點周期性廣播包含自身相關信息的信號，定位終端通過對該信號降頻、捕獲和跟蹤等處理之后，整合出的電文幀結構[19]如圖1所示。電文幀中包括定位終端處的信號RSSI值，基點標識符、經緯度坐標、氣壓、溫度和高度等數據。

同步頭標識符RSSI經緯度坐標氣壓值溫度值高度值…CRC

圖1 TC-OFDM幀結構

接收到基點信號后，定位終端可從TC-OFDM幀中解出定位終端處RSSI值和基點坐標數據，如果同時知道離基點距離d0位置處的RSSI0值，忽略噪聲影響，就能通過式(3)計算出定位終端與定位基點之間的距離d。

通常定位終端可以同時接收到多個定位基點的廣播電文，從接收電文解算出基點坐標、參考距離信號強度，再結合定位終端采集的各基點信號強度，就可以采用三邊法、質心法或加權質心法等常見定位算法[14]進行終端位置解算，實現二維空間定位功能。

2 重心定位算法

與技術探索不同，工程應用算法不僅需要追求較高的定位精度指標，而且還要滿足與工程應用相關的諸多約束條件。對于火災應用場景，定位算法需要滿足的約束條件包括：

① 收到的定位基點信號少于3個時仍能進行位置解算；

② 能適應符合通信要求的基點部署密度；

③ 能適應主流終端硬件平臺性能條件；

④ 能夠得到較準確的高度信息和終端周邊環境信息。

為了在滿足上述約束條件下獲得較高的定位精度，提出適應火災場景工程應用的重心定位算法。算法具體描述如下：

當只接收到1個室內基點時，可以認為定位終端處于該基點正下方附近。這是由于定位終端距其他基點過遠，信號強度過弱，因此無法捕獲到其他基點信號，而只捕獲到離自己最近的信號，即單基點情況下該基點坐標為定位終端位置坐標。

根據式(3)有

(4)

(5)

如前所述，假定定位終端位于兩基點連線上，依據其幾何關系，有

(6)

(7)

由式(4)～式(7)可以推導出

(8)

(9)

式中，ΔRSSIi=RSSIi,0-RSSIi(i=1,2)。

當接收到3個或3個以上基點信號時，認為定位終端處于所有兩兩基點組合情況下的定位點為垂足、基點連線的垂線相交坐標點的重心坐標位置。與接收到2個基點信號情況時接收終端所在位置類似，當任取2個基點A、B來計算，則定位終端的位置必在以定位點為垂足的A、B基點連線的垂線上。同理，當接收到多個基點信號時，定位終端的實際位置就會趨近于所有兩兩基點組合情況下的定位點為垂足、基點連線的垂線相交坐標點的重心坐標位置。

定位分以下4步進行：

① 對接收到的所有基點信號兩兩組合，按照兩基點定位方法求得各組合定位坐標；

② 在求取的兩基點定位坐標處，做垂直于相應基點連線的直線，獲得所有垂線兩兩交點(剔除距離基點位置較遠的垂線交點)；

③ 設置門限值，剔除距離任意基點位置較遠的垂線交點；

④ 求取所有垂線坐標點的重心坐標位置，即為定位終端定位坐標。

以接收到3個基點信號為例，說明多基點重心定位處理過程。如圖2所示，假設定位終端接收到A、B和C基點信號，兩兩組合求得兩基點重心分別為P1、P2和P3，3個基點兩兩連線的垂線交點分別為a、b和c，所形成的三角形重心G即為終端位置。

圖2 三基點幾何重心定位示意

上述定位算法只能獲得平面二維坐標數據，而樓層高度在發生火災時規劃撤離路線與確定救援位置具有重要作用。為此，定位終端使用氣壓測高方法獲取樓層高度數據，實現三維空間定位。

氣壓與海拔高度關系模型[20]為：

(10)

式中，h和p為終端的高度和氣壓；h0和p0為基站的高度和氣壓；t和t0分別為終端和基站處溫度值。

已知利用壓力傳感器獲取所處環境中的氣壓值，然后大氣壓與海拔高度的函數關系可以求得對應的高度值。式(10)中，h0、p0和t0分別認為是基準點高度、基準點氣壓和基準點溫度，并可從基站廣播電文中解出，p和t可以由終端集成的綜合傳感器測量。這樣，就可以通過式(10)解算出終端高度h，實現三維定位。

3 平滑后處理

由于定位終端1 s內最多可以接收同一室內基點發送的多達20組電文信息。依據定位終端每次解算時收到的基點個數，對短時間內所有定位結果進行加權滑動平均濾波處理，可以消除定位誤差波動，提高定位的穩定性。

滑動平均濾波法又稱為遞推平均濾波法。對于一個離散系統，取N個連續采樣值組成一個固定長度隊列，每次輸入一個新樣本進入隊尾，同時推出隊首的一個樣本(先進先出原則)；每次取當前隊列的N個樣本計算平均值，作為濾波器輸出。該方法平滑度高，對周期性干擾有良好的抑制效果。

(11)

(12)

4 實驗測試與分析

采用北京郵電大學和北斗羲和公司開發的室內增補節點和定位終端，在50m*15m的樓層內搭建實驗測試平臺。在設定區域樓層內共布設6個室內節點，節點均勻分布，用于發射TC-OFDM信號并廣播導航電文。

從圖3中可以看出，60組解算坐標點大部分分布在以實際位置點為圓心、半徑為3m的圓周兩側，符合預期定位效果。

傳統加權質心定位算法在室內節點極多、室內小空間和無障礙物隔擋等環境條件下精度更高[21]；但TC-OFDM方案主要應用于室內廣域空間，覆蓋面積更大，采用的是特定的幾何交點重心算法，需要考慮障礙物和隔墻等的影響，并且選用較少的室內節點個數來達到較高的室內定位精度，在室內廣域空間應用上優勢明顯。

圖3 實際位置與解算位置分布

為了分析定位的穩定性和可靠性，在室內任意已知坐標點連續進行200次定位解算，并對結果進行加權平滑濾波后處理，可以得到后處理情況定位數據序列。然后通過式(13)計算定位誤差序列，繪制定位誤差曲線，結果如圖4所示。

(13)

圖4曲線分別為無平滑處理定位誤差曲線和 20階加權滑動平均濾波處理定位誤差曲線。由圖4可以看出，在幾乎沒有定位結果損失的情況下，定位誤差在3 m以內，誤差波動比未平滑后處理情況有明顯改善，毛刺減少，穩定性提高，更有利于導航和航跡推算。

圖4 定位誤差對比曲線

由于室內火場環境溫度復雜多變，氣壓測高實驗在室內仿真環境中進行。在同一樓層內，通過定位終端多次測量，總是從已測量到的若干室內溫度值中選取最低的溫度值tmin和相應氣壓值Pmin帶入式(10)，來解算定位終端所在高度h。進行100次氣壓、溫度數據采集實驗，解算高度數據，結果如圖5所示。測量高度誤差都在0.5m以內，滿足火場場景應用要求。

圖5 高度測量曲線

5 結束語

在火災場景應用TC-OFDM廣域室內定位系統，要求定位算法不僅有較高的定位精度，還需要適應使用中面臨的各種現場情況。本文提出幾何重心定位算法，可根據接收定位基點數目不同采用不同的定位處理流程，保證了實際應用中算法的魯棒性。為了獲得更加穩定的定位結果，算法增加了對空間幾何解算定位結果的加權平滑后處理。同時，算法結合氣壓測高方法，使用綜合傳感器測量定位點溫度和氣壓等環境數據，根據氣壓與高度關系模型計算定位點高度數據，實現了室內三維空間定位。實驗測試結果表明，在數百平米樓宇內，算法水平定位誤差在3m以內，垂直誤差為0.5m，并且具有良好的魯棒性，滿足火災場景工程應用需要。

[1]WANTR,HOPPERA,FALCAOV,eta1.TheActiveBadgeLocationSystem[J].ACMTransactionsonInformationSystems,1992,10(1):91-102.

[2]FCCDocketNo.94-102.RevisionoftheCommissionRulestoInsureCompatibilitywithEnhanced91lEmergencyCallingSystems[Z].FederalCommunicationsCommissionTech.Rep.RaM-8 143,1996.

[3]PRIYANTHANB,CHAKRABORTYA,BALAKRISHNANH.TheCricketLocation-supportSystem[C]∥InProceedingsofMobiCom2000,Boston:ACM,2000:32-43.

[4]BAHLP,PADMANABHANVN.RADAR:AnIn-buildingRF-basedUserLocationandTrackingSystem[C]∥InProceedingsoftheIEEEINFOCOM,2000:775-784.

[5]CASTROP,CHIUP,KREMENEKT,etal.AProbabilisticRoomLocationServiceforWirelessNetworkedEnvironments[J].ComputerScience,2001,2201:18-34.

[6]SAVVIDESA,HANC,STRIVASTAVAM.DynamicFine-GrainedLocalizationinAd-HocNetworksofSensors[C]∥InProceedingsofthe7thAnnualInternationalConferenceonMobileComputingandNetworking,NewYork:ACM,2001:166-179.

[7]NILM,LIUYunhao,LAUYC,etal.LANDMARC:IndoorLocationSensingUsingActiveRFID[C]∥ProceedingsoftheFirstIEEEInternationalConference,2003:407-415.

[8]LIH,SHENX,ZHAOJ,etal.INEMO:DistributedRF-basedIndoorLocationDeterminationwithConfidenceIndicator[C]∥EURASIPJournalonAdvancesinSignalProcessing,2008:80-85.

[9]DENGZhongliang,YUYanpei,YUANXie,etal.SituationandDevelopmentTendencyofIndoorPositioning[J].ChinaCommunications,2013,10(3):42-55.

[10] 喬宏章,付長軍.“智慧城市”發展現狀與思考[J].無線電通信技術,2014,40(6):1-5．

[11] 龐貝,劉斌,鄧中亮.攻克廣域室內外無縫定位難題[J].科技創新與品牌,2012(12):40-41．

[12] 李雙明,武慶威．采用RSSI提高無線傳感網絡定位精度的算法[J].無線電工程,2015,45(2):8-10.

[13] 常亞兵.基于RSSI測距的室內定位算法研究[D].上海:東華大學,2015:17-19.

[14] 楊遜豪,何加銘,董義旺,等.基于無線傳感器網絡時間同步MAC協議研究[J].無線電通信技術,2012,38(6):15-19.

[15] 梁堯.WLAN室內定位系統中無線信號傳播的統計建模與應用[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009:31-33.

[16] 朱明輝,張會清.基于RSSI的室內測距模型的研究[J].傳感器與微系統,2010,29(8):19-22.

[17] 鄧中亮,余彥培,袁協,等．一種生成定位信息的方法、裝置和導航電文[P].中國專:201110086258.4,2011.

[18] 袁曉峰,陳頎.一種基于RFID的定位方法[J].無線電通信技術,2016,42(6):81-85.

[19] 韓文君.基于RSSI的室內節點定位方法的研究與實現[D].長沙:湖南大學,2015:15-20.

[20] 鄧中亮,余彥培,徐連明,等.室內外無線定位與導航[M].北京:北京郵電大學出版社,2013:42-43.

[21] 李延.基于RSSI測距的室內定位技術研究[D].長沙:中南林業科技大學,2015:46-52.

A New Indoor Positioning Algorithm Based on TC-OFDM System

ZHANG Zheng-duo，CHEN Yuan-zhi

(EngineeringCenterofDigitalAudioandVideo,CommunicationUniversityofChina,Beijing100024,China)

In order to ensure the safe and orderly evacuation and fire rescue work,the application of indoor positioning technology in fire rescue is studied,and a new indoor positioning algorithm based on TC-OFDM system is proposed in this paper.According to different number of available beacons,a different processing procedure is applied to improve robustness of engineering algorithm.The algorithm obtains the height data through the barometric altimetry technique,realizing three dimensional indoor positioning.For more stable positioning data,a weighted moving average filter is used for post-processing of calculation result of position value.On a TC-OFDM experiment platform,the algorithm has been evaluated with about 3 m horizontal positioning error and 0.5 m vertical error.

TC-OFDM system;ranging location;barometric altimetry;weighted moving average filter

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.11

張正舵,陳遠知.一種基于TC-OFDM系統的室內定位算法[J].無線電工程,2017,47(9):55-59.[ZHANG Zhengduo，CHEN Yuanzhi.A New Indoor Positioning Algorithm Based on TC-OFDM System[J].Radio Engineering,2017,47(9):55-59.]

TN965.5

A

1003-3106(2017)09-0055-05

2017-04-07

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃) 基金資助項目(2015AA124101)。

張正舵 男，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向：室內定位、嵌入式技術。

陳遠知 男，(1966—)，教授，博士生導師。主要研究方向：信號處理技術。