地鐵無線定位系統Wi-Fi 6與UWB協同方案研究

摘要 隨著城市軌道交通事業的蓬勃發展，實時準確獲取地鐵內部設備位置信息愈發重要。針對地鐵無線通信環境的復雜性和密閉性所造成的定位精度低、覆蓋范圍差和可靠性下降的問題，該文基于Wi-Fi 6和UWB技術，提出一種地鐵無線定位系統下的協同定位方案。通過分析在地鐵場景下的技術原理與優勢，對協同方案中技術集成、融合算法、數據傳輸與處理和可靠性傳輸進行設計研究，旨在提高定位精度與覆蓋范圍，從而實現地鐵無線定位系統的精準定位與高可靠性。

關鍵詞 Wi-Fi 6技術；UWB技術；協同定位；無線定位

中圖分類號 U231 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0011-04

0 引言

隨著城市的加速發展和交通系統的不斷完善，地鐵作為一種高效的公共交通工具，在城市中的重要性日益凸顯。地鐵系統需要在任何時候都能夠追蹤車輛和乘客的準確位置，以確保安全運行。無線定位系統通過實時監測和定位，可以在緊急情況下提供更快速、更精確的響應，從而最大限度地減少事故風險[1]。精準的定位系統可以提供實時的列車到站信息，方便乘客更好地規劃行程。此外，地鐵內部導航系統也可以提供乘客在車站內的指引導航服務，改善乘客的整體出行體驗[2]。

然而，地鐵通信系統環境的復雜性和密閉性將會帶來許多挑戰，其中一個主要問題是車輛和乘客在地下隧道系統中移動時，準確、實時地進行位置跟蹤變得相當復雜[3]。傳統室外定位技術，如全球定位系統（Global Positioning System，GPS），由于其信號無法在地下穿透傳輸，因此無法完全適配于地鐵系統。目前，國內外廣泛應用的室內定位技術主要有藍牙、無線連接（Wireless-Fidelity，Wi-Fi）、紅外、射頻識別技術等，但上述技術的定位誤差精度都在米級，往往不能滿足地鐵系統內對定位誤差的高精度要求[4]。因此，設計一種可靠、高精度的地鐵內部無線定位系統變得至關重要。

為了更好地解決地下環境內無線定位的問題，該文提出一種基于Wi-Fi 6技術與超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術協作定位的[5]地鐵無線定位方案，基于兩種技術的優勢，以解決現有無線定位方案的高誤差精度與低可靠性的問題。同時，該文以青島地鐵六號線一期工程為例，在車站、區間內部對所提出的Wi-Fi 6與UWB協同架構下的無線定位方案進行實例驗證，保證人員與列車的高準確率定位，達到以全國第一，世界前列為目標的高標準要求。

1 地鐵無線定位技術研究

1.1 地鐵Wi-Fi 6技術應用方案探討

Wi-Fi 6（也稱為802.11ax）是一種新型無線網絡技術，其工作頻段為2.4 GHz和5 GHz，能夠提供9.6 Gbit/s的傳輸速率。相較于以往的Wi-Fi標準，Wi-Fi 6技術引入了許多新特性，提供了更高的性能和更好的網絡效率[6]。在地鐵無線定位系統中，Wi-Fi 6技術能夠提供一些顯著的優勢：

（1）具有更高的數據速率：在地鐵車站生產無線網中，Wi-Fi 6中可以為多類型多數量的智能化設備提供更多的無線Wi-Fi回傳通道，以實現更快的傳輸響應。

（2）具有優秀的容量管理能力：Wi-Fi 6引入了正交頻分多址技術和大規模用戶多輸入多輸出技術，可以更有效地管理多個設備的通信。

（3）具有低延遲能力：Wi-Fi 6廣泛采用了低能耗傳輸技術，如目標喚醒時間技術，能夠顯著降低設備的能耗，并減少通信的延遲。

（4）更廣泛的覆蓋范圍：Wi-Fi 6使用了更先進的調制和編碼技術，提高了信號的穩定性和覆蓋范圍。能夠在地鐵復雜的多非直視路徑傳輸條件下，提供更穩定的連接和更廣泛的覆蓋面。

根據Wi-Fi 6的部署優勢，如圖1所示，在地鐵生產網無線定位系統架構下，采用Wi-Fi 6的無線控制器（Wireless Access Point Controller，AC）集中認證、本地轉發模式。通過部署Wi-Fi 6模式的無線訪問接入點（Wireless Access Point，AP）終端，在PoE接入實現匯聚層的IoT網關擴展物聯網能力，在控制管理區，將兩臺AC設備組合為一個AC備份域，以提供無線網絡冗余保障。同時，基于Wi-Fi 6的網絡分層切片技術，通過在不同的業務層設立獨立VLAN，以此實現公網或專網業務隔離，對各類業務提供不同的訪問身份碼，綁定不同認證方式，增加定位數據等業務之間的安全性。

1.2 地鐵UWB技術應用方案探討

UWB技術是一種基于脈沖無線電通信技術，其基本原理是通過以極短脈沖的形式傳輸信號。脈沖的脈寬通常非常短，僅為納秒級別，從而導致信號在頻譜上具有極寬的帶寬[7]。根據國際電信聯盟的定義，UWB技術的脈沖寬度小于1 μs，使其頻譜占用超過500 MHz，這使得UWB技術具有廣泛的優勢：

（1）高帶寬：由于采用了極短脈沖，UWB信號在頻譜上分布非常寬，允許在相同頻段內傳輸更多的數據。這種高帶寬特性使得UWB在數據傳輸速率方面表現優異，可以實現幾百兆甚至數千兆比特每秒的傳輸速率。

（2）時間域定位方式：由于脈沖的極短時間間隔，UWB系統能夠準確地測量信號從發射到接收的時間，從而實現高精度的定位。

（3）多徑信號處理能力：在多徑傳播環境中，信號可能經過多條路徑到達接收器，由于UWB信號的極短脈沖，系統能夠更好地分辨不同路徑的信號，有效克服多徑傳播對定位精度的影響。

（4）低功耗和抗干擾性：相比于傳統通信技術，UWB采用7.5 GHz的頻帶，同時設定了遠低于藍牙/Wi-Fi的輻射功率，其功率僅為?43.1 dBm。同時，UWB信號的極短脈沖使其在抗干擾方面表現良好，能夠更好地應對信號干擾和頻譜擁擠。

在地下等密閉性場景下，UWB技術能夠彌補Wi-Fi技術定位不準確的缺陷，可以獲取更加精確的位置信息。同時，由于UWB極寬的頻域范圍，使得其能夠與其他無線通信系統共享頻段資源，但UWB系統是一種未獲得授權的應用，在頻譜上無法獲得保護，因此，若要在地鐵無線定位上采用UWB技術，則需要與現有通信技術相兼容融合，且不能夠對其他通信系統造成干擾。

2 地鐵無線定位系統Wi-Fi 6與UWB協同方案研究

2.1 技術集成方案

為了確保Wi-Fi 6和UWB終端設備在硬件和軟件層面上兼容，需要制定技術之間的通信協議，以保證相互配合工作。如圖2所示，基于集成方案對整體架構進行設計。考慮Wi-Fi技術與UWB技術工作頻段的不同，需要對頻段進行劃分，Wi-Fi 6通常在2.4 GHz和5 GHz工作，而UWB可以在3.1～10.6 GHz范圍內工作，基于動態頻譜調整技術，根據實時的頻譜使用情況調整Wi-Fi 6和UWB的頻率和信道，以最大限度地減少干擾。

在數據同步層面，需要保證Wi-Fi 6和UWB設備在時間上同步，以確保在相同的時間戳下發送和接收數據。可以通過采用精確的時鐘同步協議或利用GPS等外部參考源實現，確保在不同設備之間的時間戳校準，以最小化由于時鐘漂移而導致的定位誤差。

同時，采用定義數據幀格式、握手過程以及錯誤處理機制的方式制定Wi-Fi 6和UWB之間的通信協議，以確保能夠有效地交換數據；優先考慮定位數據的傳輸，在網絡擁塞或高負載情況下，定位數據能夠具有較高的服務質量。

基于加權融合算法，根據技術的場景優勢與缺點進行權衡協同工作，以提高整體定位精度，考慮在不同環境或使用案例下動態切換Wi-Fi 6技術和UWB技術，以最大化系統的性能，在車站等需要廣泛用戶鏈接的場景內使用Wi-Fi 6技術，在地鐵隧道等環境封閉場景使用UWB技術。

2.2 定位算法方案

基于上述方案中提到的加權融合算法，同樣可以采用濾波器（如卡爾曼濾波器）進行融合，以平滑和校正來自Wi-Fi 6和UWB的測量值，從而提高整體的定位精度。

對于在多路徑環境下，UWB信號會發生折射或反射，從而導致非視線誤差的問題，可以采用多路徑消除技術，特別是在Wi-Fi 6協同定位的情況下，以抵御多路徑傳播效應對定位精度的負面影響。同時，根據不同技術的信號強度信息，對多路徑效應進行補償，確保準確反映真實的用戶位置。

在環境建模上，在算法中引入對地鐵車輛和車站環境的模型，考慮如何影響信號傳播的障礙物、反射和吸收，以擴大模型的適用性，并且使用傳感器（如攝像頭或其他環境感知設備）監測實時環境變化，以調整定位算法的參數。

2.3 數據傳輸與處理

確定Wi-Fi 6和UWB的數據實時采集，以確保定位系統能夠及時獲取最新的位置信息。在不同環境和使用場景下，動態調整Wi-Fi 6和UWB的數據采樣率，以平衡精度和功耗。

對采集到的Wi-Fi 6和UWB信號進行濾波處理，以去除噪聲和異常值，提高數據的可靠性。并進行實時的誤差校正，糾正由于信號傳播、多徑效應等原因引起的測量誤差。

為了終端設備兼容，需要制定通信協議，在數據傳輸階段，對協議中數據幀格式、傳輸頻率行進一步規范處理，滿足高效傳輸，在高速移動的地鐵車輛中確保定位數據的低延遲傳輸，以實現實時的用戶位置更新。

數據采集完成后，將來自Wi-Fi 6終端設備和UWB終端設備的數據進行融合，結合定位算法得到更精確的用戶位置信息。針對大量實時數據采用智能優化算法對信息進行處理，確保系統具有良好的實時性能。

最后，對整體系統網絡拓撲結構進行優化，如圖3所示在地鐵車輛和車站中優化Wi-Fi 6和UWB終端設備的部署，確保網絡拓撲結構能夠最大限度地提高數據傳輸效率。在地鐵隧道等信號較弱的區域部署中繼設備，提高數據傳輸的覆蓋范圍和穩定性。

2.4 可靠性方案研究

為了保證整體系統的可靠性，需要對系統各部分進行安全性處理。首先，在傳輸過程中采用端到端的數據加密，以保護用戶的定位信息不被惡意攻擊者截獲和解密。使用強加密算法確保通信安全，防止未經授權的訪問和數據竊聽。

實施有效的設備身份驗證機制，確保只有合法的Wi-Fi 6和UWB設備能夠參與到定位系統中，防止設備的偽裝攻擊。同時，在系統中實現用戶身份保護機制，對具有訪問權限的用戶進行加密保護處理，以確保用戶的身份信息不被泄漏。

在定位數據中采用匿名化技術，以消除直接關聯用戶身份的信息，從而提高用戶位置隱私。并引入隨機化處理，使得攻擊者難以通過分析數據的時間和空間模式來識別個別用戶。

3 方案實踐結果分析

通過上述方案理論分析與研究，該文以具體項目為例進行介紹。該項目為青島地鐵六號線一期工程方案項目。在地鐵站臺、站廳層采用基于室內Wi-Fi 6 AP擴展室內型UWB網關，單個UWB網關覆蓋范圍20～30 m、其精度范圍為0.5～1 m。在軌行區場景采用基于軌旁Wi-Fi 6 AP拓展室外型UWB網關，其定位精度達1 m左右。終端檢測設備配備全向天線，覆蓋范圍為120～200 m。定位采用一維、二維定位，保證能夠在定位區域內精準定位出終端位置。

在定位終端正常的情況下，在定位基站范圍內進行精度驗證測試，隨機抽取不同的位置進行測試，每個測試點位采集5組數據，進行精度檢測分析?；诜桨杆鶞y量的經過與已知坐標的固定位置進行對比，并計算其精度偏差與平均偏差。記錄數據表如表1所示。

基于上述測量結果，在車站內部無線定位平均測量誤差能夠在1 m以內，這是由于站廳或站臺層存在較為開闊的傳輸路徑，直視分量路徑信號占比較大，Wi-Fi 6能夠提供較為廣泛的鏈接。而對于區間，隧道內折射分量較多，UWB的信號折射與反射嚴重，對誤差補償的精度有所下降。但整體方案測量結果均滿足地鐵無線定位的需求，能夠保證數據的實時完整傳輸，進一步可以考慮增加終端設備的數量，減小平均偏差。

4 結束語

該文以Wi-Fi 6與UWB技術為核心，在地鐵場景下提出了一種協同定位方案，基于Wi-Fi 6技術的高容量、低延遲與廣覆蓋能力，對地鐵無線定位生產網架構進行部署設計。同時，由于UWB技術的極短脈沖和高穿透特性，使得UWB技術能夠彌補Wi-Fi技術在定位不準確的缺陷，從而獲取更加精確的位置信息。基于此架構下，分別從技術集成、融合算法、數據傳輸與處理和可靠性傳輸方面對方案進行完善設計，解決現有無線定位方案的高誤差精度與低可靠性的問題。最后，通過項目實踐測量，證明此方案能夠實現更加精確的定位結果，保證了人員與列車在車站和區間內的高準確率定位。

未來進一步的研究可以探索深度學習算法在融合算法中的應用，以提高對復雜場景的適應性和精度。并通過大數據處理等方案來滿足實時數據精準預測計算，以提供更高精度的定位數據。

參考文獻

[1]何雪杰，王華軍.基于無線網絡技術的地鐵應急定位系統[J].數字通信，2013（1）：40-42+51.

[2]萬壯，謝劍，趙尋，等.車載定位與通信網絡協議研究進展[J].電子科技，2021（11）：42-45+54.

[3]汪琮棠，薛志剛.地鐵仿真環境下的非暴露空間魯棒定位方法研究[J].鐵路技術創新，2023（3）：108-119.

[4]張鵬飛，李亮，潘一航，等.基于雙模高精度定位的智能環衛終端設備研究[J].交通科技與管理，2023（20）：5-8.

[5]肖昌明，翟昊宇.基于超寬帶（UWB）通信技術的定位系統在地鐵中的應用[J].技術與市場，2021（10）：48-49.

[6]陳婷婷，范飛濤，鄒佳怡，等.基于WiFi定位的地鐵到站提醒系統設計[J].上海工程技術大學學報，2019（2）：119-123.

[7]王明東，戴亞文，范俊，等.基于UWB技術的隧道無線定位方法研究[J].武漢理工大學學報，2016（8）：56-60.

收稿日期：2024-07-20

作者簡介：王豐凱（1977—），男，本科，工程師，主要從事城市軌道交通設備系統技術管理工作。