基于TDOA和PTP的高精度WLAN定位系統設計和實現

文/周俊杰 沈亮杰

引言

隨著“物聯網”時代的臨近，無線定位技術作為其中一項關鍵性技術，已經引起了工業界廣泛的關注和國內外的研究熱潮。無線定位技術在軍事國防、車輛管理、搶險救災、危險環境、自動化車間、物流管理等許多領域有著十分廣闊的應用前景[1]。

無線定位技術以其定位精度的高低和定位范圍的大小直接影響了定位系統的性能[2]。由于無線局域網(WLAN)的普及，基于WLAN(IEEE802.11X)的無線定位技術是最常見的，也是成本最低的定位方式。但現有的WLAN定位系統并不能滿足這些新興的分米級甚至厘米級的高精密定位應用要求。現有的WLAN定位技術主要通過信號強度(RSSI)進行定位。這類技術受信號傳播環境的影響很大，普遍精度不高，誤差通常大于10米，大大超出了許多高精度定位的實際應用的需要[2]。在無線精確定位領域，目前國內公司普遍采用的都是這種最簡單的RSSI定位方式。在技術研發上，遠遠落后于國外同行。芬蘭的Ekahau公司通過獲取信號指紋的方式，獲得了業界領先的WLAN定位精度，但也只是在理想情況下將定位精度提高到了3米左右[3]。英國的Ubisense和德國的Nanotron 能夠提供分米甚至厘米級別的高精度無線定位解決方案[4]。但這兩家公司的解決方案并不是基于常見的WLAN信號，而是基于工業用無線通信技術，比如UWB(超寬頻 )和 Chirp Spread Spectrum （線性調頻擴頻）， 這就意味著這兩家公司的產品不能和普通的無線終端一起使用。另一方面，目前的商用WLAN 設備或芯片并不支持高精度的信號到達時間記錄。

TDOA和PTP相關技術的應用研究

到達時差(TDOA)定位技術

到達時差(TDOA)定位又稱為雙曲線定位, 是通過處理三個或更多個測量站采集到的信號到達時間測量數據對輻射源進行定位[5]。在二維平面內, 輻射源信號到達兩測量站的時間差規定了一對以兩站為焦點的雙曲線。如果利用三或四個站形成兩條曲線, 則得到兩對雙曲線的兩個交點,再利用其他輔助信息去除定位模糊, 從而可以確定輻射源的位置[6]。在三維空間中,至少需要形成三對雙曲面來產生交點。形成雙曲線的幾何原理是：到兩個固定點距離差為常數的動點的軌跡，是以這兩個固定點為焦點的雙曲線，平面上兩條雙曲線相交可確定一點。

圖1中P點為被測點的位置，A(主站臺)、B（副臺）、C（副臺）為 3個參考站臺。若測得BP和AP的距離差為ΔD1，CP與AP 的距離差為ΔD2,以及AC距離，AB距離，則可分別由ΔD1、ΔD2在圖上劃出兩條雙曲線，交點P即為被測點的位置。

圖1 TDOA到達時差(雙曲線)定位原理

TDOA應用在WLAN定位(IEEE802.11x標準)的情況下是已知傳播速度的，所以無線電波傳播的距離與它傳播的時間成正比。但這種測量方法需要注意幾個問題：1.無線電波在非視距NLOS環境中的傳播特性；一般的解決方法是增加測量次數，求出統計意義上的測量值。2.時鐘精度問題；采用經典的異常數據（outlier）統計工具，過濾出帶有NLOS誤差的到達時間測量結果，提高其精度。3.時鐘同步問題[7]；系統中參與同一個定位過程的參考點之間必須保證時鐘的同步。

同時，TDOA對信號到達時間記錄精確度具有很高的要求，工業實現難度大，需要借助于先進的數字信號處理技術來實現。特別是基于WLAN的高精度到達時間差定位，不僅需要無線接入點 (AP) 之間實現納秒級別的時間同步精度 (1納秒的時間同步誤差相當于10 ～ 30厘米的定位誤差)，還需要信號到達時間的記錄誤差也控制在幾個納秒之內。但目前市場上比較可行的AP之間的時間同步精度僅能達到微秒或毫秒級, 并沒有比較成熟的可以利用TDOA高精度定位方法的 WLAN定位方案。GPS或北斗授時模塊可以提供納秒級的同步精度，但無線AP通常安裝在室內，屬于衛星信號盲點的位置上，因而這種時鐘同步方式并不能滿足于大多數的WLAN定位系統的要求。

IEEE1588v2（PTP）精確網絡時鐘同步技術

IEEE1588v2[8], 也稱為PTP (Precision Time Protocol),是參照國際標準“IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，IEEE Std 1588TM-2008，March 2008”的新一代 (2008年完成協議標準化）的時鐘同步技術。其主要特點是適用于多種授時拓撲, 能將一個IP或以太網絡范圍內的所有節點（比如WLAN AP）同步到一個公共基準時鐘源（如GPS/北斗）并達到亞微秒 (us) 同步精度。PTP時鐘同步占用網絡帶寬小，可重用現有連接AP的WLAN網絡。

正是基于此原因，我們選擇校企合作單位的IEEE1588v2高精度時鐘設備PTPGrand-2100[9]，作為WLAN網絡授時的時間信號源；以及其PTPWatch網絡時鐘監測儀，作為WLAN網絡中定位服務器與各TDOA-AP接入站及定位終端之間交互時的精確時鐘同步監測工具。IEEE1588v2主時鐘設備PTPGrand-2100如圖2所示。

PTPGrand-2100內嵌IEEE1588v2的高精度網絡時鐘協議棧軟件（Protocol Stack）。該協議棧實現了完整的IEEE1588v2的功能，包括IEEE1588-2008協議引擎，最佳主時鐘競爭（BMC）算法，軟件或硬件時間戳，標準定義的各種時鐘狀態和模式以及網絡通信及報文管理機制[10]。該協議棧既可作主時鐘，亦可作從時鐘，取決于BMC算法競爭結果或用戶設置。在有外部時鐘參考源時，PTPStack-1000能夠以優于+/-50ns（硬件時間戳）或+/-10us（軟件時間戳）的精度鎖定該參考源[11]。

高精度WLAN定位系統的架構設計

為了解決室內WLAN定位目前難以達到分米甚至厘米級的高精度問題，綜合以上相關技術的研究和應用，提出以到達時差原理(TDOA) 和IEEE1588v2（PTP）精確網絡時鐘同步技術為基礎，結合非視距測距誤差消除等技術，集成設計出一套基于現有WLAN(IEEE802.11x系列標準)設備的高精度（分米級）實時定位解決方案。

定位系統的框架

基于TDOA 和PTP的高精度WLAN定位系統，其邏輯框架如圖3所示，主要由位置感知層、網絡傳輸層和定位應用層三部分組成。

首先在位置感知層，基于SDR等嵌入式技術開發設計出支持IPv6協議的定位AP，實現物理層無線信號到達時間的精確測量和信號到達時間差(TDOA)的定位計算，并將PTP數據報文交付網絡傳輸層設備。

圖2 納秒級主時鐘設備PTPGrand-2100與同步軟件IEEE1588v2協議棧

其次是網絡傳輸層，用于位置感知層和定位應用層的聯通，基于IPv6網絡將位置感知層獲得PTP報文信息傳送至定位應用層。同時接入IEEE1588v2（PTP）國際標準主時鐘，通過雙棧（IPv4/6）路由交換機多跳時延補償和非對稱補償算法的綜合應用，保障WLAN接入點(AP)間納秒級別的時間同步精度 (1納秒的時間同步誤差相當于10 ～ 30厘米的定位誤差)，將無線測距的時域誤差控制在5ns以下。

最后是定位應用層，設計開發定位引擎和定位應用平臺。基于非視距誤差的時變穩定性原理，定位引擎在服務器上通過NLOS誤差過濾和定位前數據預處理，最大程度的消除NLOS誤差的影響。再基于TDOA定位算法對數據進行解算，實現分米級別或更高精度的位置估計。定位應用平臺根據定位引擎解算出的實時位置信息，并結合GIS等系統，可展示位置區域和相關應用，實現人機交互。

整套系統組成中包括了IEEE1588v2主時鐘、TDOA WLAN接入站(TDOA-AP)、定位服務器以及被定位終端設備等，各個設備在統一時鐘步調下協同工作，實現各自的功能。

1.IEEE1588v2主時鐘：采用銣鐘進行時間保持(GPS可選)，通過IEEE1588v2協議棧與各TDOA WLAN接入點(TDOAAP)進行交互，實現各AP間的時間同步。主時鐘采用PTPGrand-2100設備作為WLAN網絡授時的時間信號源，以及采用PTPWatch網絡時鐘監測儀作為精確時鐘同步監測工具。

2.TDOA-AP：是系統的重點部件，采用嵌入式設計與開發。除了支持IPv6 的協議棧，采用Wi-Fi transceiver模塊之外,還將新增一個可編程模塊(FPGA)。FPGA模塊中實現了專有的高精度1588v2模塊支持上行（主時鐘方向）方向的PTP時鐘同步,進行本地時鐘校準，并針對來自主時鐘方向的1588報文打上硬件時間戳，以及記錄來自移動終端方向的定位信號到達時間戳等功能。

圖3 基于TDOA和PTP的高精度WLAN定位系統架構

圖4 基于軟件無線電的物理層對定位信號到達時間的測量

3.IPv4/IPv6雙棧交換機：選用市場上支持IPv4/IPv6雙棧協議的交換機，進行必要的802.1q Trunk 鏈路、透傳模式和IPv6地址DHCP策略等配置，以使所連接的TDOA-AP完成IPv6協議下封裝的PTP報文的快速轉發。

4.定位終端: 每個被定位的移動終端在移植的軟件程序控制下，定時向AP發送定位信號。定位終端程序的開發主要需要解決低功耗，集成度高體積小等工程挑戰。

5.定位服務器：定位服務器上運載定位引擎和定位應用平臺，其主要功能是采集WLAN中一個或多個無線定位站所提供的定位信號到達時間，并進行信號到達時間差(TDOA)的定位計算，可實現終端LBS分析、定位數據管理、位置報告、軌跡顯示、系統復位等功能。

關鍵技術分析及實現方案

基于TDOA和PTP的高精度WLAN定位系統設計中，其關鍵技術創新點和難點主要體現在對WLAN定位系統中的高精度物理層無線信號到達時間的測量、基于IEEE1588v2標準的AP間精確時鐘同步、非視距誤差（NLOS）消除及定位前的數據預處理等三方面的內容。具體的解決和實現方案如下。

1.高精度物理層信號到達時間測量為了盡可能降低信號到達時間記錄的誤差，提高TDOA定位精度，如圖4所示，我們擬通過一個軟件無線電架構，將一個WLAN AP系統中的802.11MAC、基帶、中頻/射頻轉換、射頻以及功率放大芯片等模塊整合在一起。信號到達時間的打戳點（Time-Stamping Point）為在802.11 MAC與基帶處理模塊連接的數據通路上。基于具有高速可編程邏

輯門陣列 (FPGA)和多核DSP處理器的開發板，通過專有的無線信號識別算法，實現在開發板數據總線上探測到Wi-Fi信號，打上時間戳，從而將定位信號的到達時間記錄精確到納秒級，避免了系統在MAC層及以上的協議棧中的處理誤差。

2.基于IEEE1588v2的AP間精確時鐘同步

為了解決系統的精確時鐘同步問題，我們基于IEEE1588v2（PTP）協議，通過一系列的技術創新，包括網絡流量預測、多跳時延補償和非對稱補償等算法，實現80ns以下的單跳時鐘同步精度。這意味著AP間用一個交換機連接時, AP間的時間記錄誤差可控制在單次測量80ns以下。通過多次測量之后，我們還將進行誤差分布的建模（獲取其概率分布，均值，方差等），將最終誤差控制在5ns以下，從而將TDOA定位的誤差可控制在1米以下。

3.非視距誤差消除技術

在定位AP和被定位信號源之間存在非視距（NLOS）信號傳輸的情況下，基于TDOA的測距或定位精度也會受到影響。通過理論研究，采用信號指紋和TDOA混合定位，并基于非視距(NLOS)誤差的時變穩定性的原理，通過NLOS誤差過濾和定位前數據預處理，我們可以最大程度的消除NLOS誤差的影響，實現分米以下的TODA定位精度。圖5展示了居于非視距誤差時變穩定性的原理，通過幾何分析過濾NLOS測距誤差的方法示意圖[12]。

圖5 NLOS測距誤差幾何分析過濾示意

除此之外，高精度的WLAN定位系統還涉及對定位AP原型開發設計，IEEE1588v2的TDOA-AP間納米級時鐘同步算法、非視距誤差過濾算法、省電算法的設計與實現，以及嵌入式硬軟件的系統集成、調試和優化設計部分，如圖6所示。

4 .實驗驗證與關鍵指標測試

圖6 基于IEEE1588v2的納秒級時間同步技術示意

基于PTP和TDOA的高精度WLAN定位方案，應用于本校合作的某企業工業生產環境中進行實驗測試。該定位系統實驗方案按照表1中的TDOA+PTP系統設備進行配置，擬實現對工廠的人、車、物10厘米級的精度定位。通過在工廠測試區域內布設有限數量DOA-AP，工人手持已裝SDR-S終端程序的Phone，將測試車、物貼上微標簽，其位置信息在幾納秒內幾乎零延時傳送到控制中心的定位服務器上進行精確定位，實現工廠的精確管控以精益生產。

該實驗測試了工業生產中人、車、物等對象的混合定位和分類管理，真正做到工廠物聯網建設中精確、高效、實時的定位。TDOA+PTP系統搭建后，經過多次反復測試，獲得其定位參數指標如表2所示。實驗驗證表明，本方案的定位技術指標明顯優于UWB或CSS技術方案，且基于IEEE 802.11X通用WLAN信號，民用成本價格整體降低40%左右，具有極大的推廣應用價值。

表1 定位系統實驗設備配置

表2 系統定位參數測試與對比

點對點作用距離30～300m(設備不同，作用距離不同。

結語

隨著物聯網相關產業的迅速發展，各行業領域中關于無線定位的業務需求越來越多，特別是需要高精度WLAN室內定位的LBS位置服務[13]。本文以IEEE1588v2（PTP）精確網絡時鐘同步技術和到達時差原理(TDOA) 為基礎，結合非視距(NLOS)測距誤差消除等技術，研究和設計出一套基于現有WLAN(IEEE802.11x系列標準)設備的高精度實時定位解決方案，可廣泛應用于移動互聯網、物流管理、礦業勘探、醫療健康等方面。

基于TDOA和PTP的高精度WLAN定位系統，搭建在軟件無線電網絡通信平臺上，完成Wi-Fi無線信號到達時間的精確測量，基于TDOA原理實現到達時間差的測距定位計算；并創新提出基于IEEE1588v2（PTP）標準，保障WLAN接入點(AP)間納秒級別的時間同步精度；最后，系統通過NLOS誤差過濾和定位前數據預處理，消除NLOS誤差的影響，將無線測距的時域誤差控制在5ns以下，從而實現分米或更高精度的位置估計。

系統后期將融入多跳時延補償、非對稱補償等算法的綜合應用，優化高速定位解算引擎，開放GIS等定位引擎API接口[14]，逐步提高系統定位精度，滿足系統集成商和終端用戶多維的定位業務需求。