淺談UWB室內(nèi)無線定位技術(shù)

技術(shù)背景

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的提高，基于位置的服務(wù)成為最有前途的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之一。無論移動(dòng)在室內(nèi)還是室外環(huán)境下，快速準(zhǔn)確地獲得移動(dòng)終端的位置信息和提供位置服務(wù)的需求變得日益迫切。通信和定位兩大系統(tǒng)正在相互融合、相互促進(jìn)。利用無線通信和參數(shù)測量確定移動(dòng)終端位置，而定位信息又可以用來支持位置業(yè)務(wù)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理，提高位置服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能。所以，在各種不同的無線網(wǎng)絡(luò)中快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地獲取移動(dòng)位置信息的定位技術(shù)及其定位系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 

無線定位技術(shù)領(lǐng)域可分為廣域定位和短距離無線定位，廣域定位可分為衛(wèi)星定位和移動(dòng)定位；短距離定位主要包括WLAN、RFID、UWB、藍(lán)牙、超聲波等。當(dāng)前應(yīng)用的主要無線定位技術(shù)與無線定位測量方法的關(guān)聯(lián)狀況如下圖：

無線定位技術(shù)與定位測量方法關(guān)聯(lián)示意圖

與室外環(huán)境相比，在室內(nèi)環(huán)境中感測位置信息并且需要非常可觀的精度是極具挑戰(zhàn)性的，部分原因是各種物體反射和信號(hào)的分散導(dǎo)致。而UWB（Ultra WideBand）是室內(nèi)定位領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，與其他定位技術(shù)相比，它具有更好的性能，更高精度，更適用于室內(nèi)定位。

UWB定位技術(shù)概述

UWB超寬帶技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大的差異，它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶室內(nèi)定位可用于各個(gè)領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航，包括人和大型物品，例如貴重物品倉儲(chǔ)、礦井人員定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤、汽車地庫停車等。 

超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。但是成本比較昂貴，網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜。

室內(nèi)環(huán)境中的常用無線定位測量方法

無線定位測量方法是指分析接收到的無線電波信號(hào)的特征參數(shù)，然后根據(jù)特定算法計(jì)算被測對(duì)象的位置（二維/三維坐標(biāo)：?經(jīng)度，緯度，高度）。

常用的室內(nèi)無線定位測量方法如下：

基于AOA（Angle of Arriva, 到達(dá)角度定位）的定位算法

基于TOA（Time of Arriva, 到達(dá)時(shí)間定位）的定位算法

基于TDOA（Time Difference of Arriva, 到達(dá)時(shí)間差定位）的定位算法

基于RSS（Received Signal Strength, 接收信號(hào)強(qiáng)度定位）的定位算法

混合定位

不同的算法，定位的精度也不同。為了提高定位的精度，也可以采用多種技術(shù)的組合。 

基于AOA的定位算法 

AOA定位是通過基站天線或天線陣列測出終端發(fā)射電波的入射角（入射角是光源與法線的夾角），從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到終端的徑向連線，即方位線。利用兩個(gè)或兩個(gè)以上AP接入點(diǎn)提供的AOA測量值，按AOA定位算法確定多條方位線的交點(diǎn)，即，為待定終端的估計(jì)位置。

基于AOA的定位算法

基于TOA的定位算法 

TOA技術(shù)是指由基站向移動(dòng)站發(fā)出特定的測距命令或指令信號(hào)，并要求終端對(duì)該指令進(jìn)行響應(yīng)。基站會(huì)紀(jì)錄下由發(fā)出測距指令到收到終端確認(rèn)信號(hào)所花費(fèi)的時(shí)間，該時(shí)間主要由射頻信號(hào)在環(huán)路上的傳播時(shí)延、終端的響應(yīng)時(shí)延和處理時(shí)延、基站的處理時(shí)延組成。如果能夠準(zhǔn)確地得到終端和基站的響應(yīng)和處理時(shí)延，就可以算出射頻信號(hào)的環(huán)路傳播時(shí)延。因?yàn)闊o線電波在空氣中以光速傳播，所以基站與終端之間的距離可以估算出來。當(dāng)有三個(gè)基站參與測量時(shí)，就可以根據(jù)三角定位法來確定終端所在的區(qū)域。

基于TDOA的定位算法

TDOA定位算法是一種利用時(shí)間差進(jìn)行定位的方法，通過測量信號(hào)達(dá)到基站的時(shí)間，可以確定信號(hào)源的距離，利用信號(hào)源到多個(gè)無線電監(jiān)測站的距離（以無線電基站為中心，距離為半徑作園），就能確定信號(hào)的位置。通過比較信號(hào)到達(dá)多個(gè)基站的時(shí)間差，就能做出以檢測站為焦點(diǎn)、距離差為長軸的雙曲線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為信號(hào)的位置。

TDOA是基于多站點(diǎn)的定位算法，因此要對(duì)信號(hào)進(jìn)行定位必須有至少3個(gè)以上的監(jiān)測站進(jìn)行同時(shí)測量。而每個(gè)監(jiān)測站的組成則相對(duì)比較簡單，主要包括接收機(jī)、天線和時(shí)間同步模塊。理論上現(xiàn)有的監(jiān)測站只要具有時(shí)間同步模塊就能升級(jí)為TDOA監(jiān)測站，而不需要復(fù)雜的技術(shù)改造。 

基于RSS的定位算法

在基于RSS的算法中，被跟蹤目標(biāo)測量來自多個(gè)發(fā)射器接收的信號(hào)強(qiáng)度，以便使用信號(hào)強(qiáng)度作為發(fā)射器和接收器之間距離的估算參數(shù)。這樣，接收器將能夠估算其相對(duì)于發(fā)射器節(jié)點(diǎn)的位置。在基于RSS的算法中，無線信號(hào)傳輸過程中的多徑效應(yīng)和通過障礙時(shí)產(chǎn)生的陰影效應(yīng)是產(chǎn)生定位誤差的主要原因。在開放空間里，若無障礙物的阻隔，可以得到較為精確的定位，而在很多環(huán)境下，因?yàn)榇嬖诟鞣N各樣的障礙物導(dǎo)致的多徑效應(yīng)，衰減，散射等等不確定因素，將大大影響其定位精度。另外，基于RSS的算法與其他算法相比也具有一些優(yōu)勢，在基于RSS的算法中，移動(dòng)標(biāo)簽僅用作接收器，因此依賴于來自多個(gè)發(fā)射器的接收信號(hào)的強(qiáng)度來找到它們的位置。以這種方式，基于RSS的算法傾向于具有較少的通信流量，這有助于改善信道訪問控制和定位準(zhǔn)確性。此外，較少的通信流量有助于克服對(duì)使用中的標(biāo)簽數(shù)量的限制。移動(dòng)標(biāo)簽只是接收器，數(shù)量沒有限制。

基于RSS的算法可以分為兩種主要類型：三邊測量和指紋識(shí)別。三邊測量算法使用RSS測量來估計(jì)到三個(gè)不同參考節(jié)點(diǎn)的距離，從而估計(jì)當(dāng)前位置。另一方面，指紋識(shí)別需要收集場景RSS指紋的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集則用于將在線測量與數(shù)據(jù)集中最接近的指紋匹配用以估計(jì)位置。

目前，混合定位已成為新的無線定位主流。混合定位的核心思想依賴于可靠的短程測量的使用，以提高無線系統(tǒng)的位置估計(jì)的準(zhǔn)確性。用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本獨(dú)立的無線定位測量方法（RSS、TOA、TDOA、AOA等）的不同組合來增強(qiáng)位置估算的準(zhǔn)確性。

UWB所采用的定位測量方法

對(duì)于UWB定位而言，AOA不如其他算法實(shí)用。此外，AOA需要傳感器之間的大量合作，并且會(huì)受到誤差累積的影響。雖然AOA具有可接受的準(zhǔn)確度，但對(duì)于具有強(qiáng)散射的UWB信號(hào)而言其功能較弱。

另一方面，RSS算法相對(duì)于其他算法沒有有效地利用UWB的高帶寬。RSS更適合使用窄帶信號(hào)的系統(tǒng)。而TOA算法在基于UWB的系統(tǒng)等寬帶系統(tǒng)中表現(xiàn)更好。使用RSS算法，在提高可實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度的意義上，對(duì)大帶寬沒有積極影響。與提供高精度的時(shí)間方法相比，這使得RSS方法的使用效率降低。

關(guān)于在二維空間中的定位，TDOA算法需要至少三個(gè)適當(dāng)定位的基站，而AOA算法僅需要兩個(gè)基站用于位置估計(jì)。就準(zhǔn)確性而言，當(dāng)目標(biāo)物體遠(yuǎn)離基站時(shí)，角度測量中的微小誤差將對(duì)準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面影響。TDOA和AOA定位算法可以組合在一個(gè)算法中，它們可相互補(bǔ)充，這種算法具有實(shí)現(xiàn)高定位精度的優(yōu)點(diǎn)。

由于UWB信號(hào)的高時(shí)間分辨率，TOA和TDOA相對(duì)于其他算法具有更高的準(zhǔn)確度。對(duì)目前UWB定位來說最有效的解決方案是采用TOA與TDOA的混合定位算法，因?yàn)榻Y(jié)合了兩種算法的優(yōu)點(diǎn)。

總結(jié)

室內(nèi)定位技術(shù)眾多，各種技術(shù)都有自己的局限性，彼此間又在一定程度上存在互相競爭。高精度室內(nèi)定位技術(shù)均需要比較昂貴的額外輔助設(shè)備或前期大量的人工處理，這些都大大制約了技術(shù)的推廣普及。低成本的定位技術(shù)則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎(chǔ)上降低成本也是室內(nèi)定位的一個(gè)方向。未來的趨勢一定是多種技術(shù)融合使用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，以面對(duì)復(fù)雜環(huán)境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術(shù)越容易普及。 

下圖是UWB與其他常用室內(nèi)定位技術(shù)之間的比較。

常用室內(nèi)定位技術(shù)之間比較

寫在最后

在工業(yè)4.0的物聯(lián)網(wǎng)體系中，關(guān)鍵位置定位信息，是工業(yè)信息智能化的重要組成部分，解決的是4.0時(shí)代工業(yè)現(xiàn)場供應(yīng)鏈組件、生產(chǎn)設(shè)備、調(diào)度車輛與操作人員精確定位的問題，是對(duì)生產(chǎn)組織過程進(jìn)行智能分析、科學(xué)決策的前提條件。

銳捷網(wǎng)絡(luò)人員資產(chǎn)定位管理方案通過融合感知級(jí)別的無源RFID應(yīng)用、米級(jí)定位的有源RFID應(yīng)用、亞米級(jí)定位的UWB超寬帶應(yīng)用和銳捷物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供一套軟硬件綜合應(yīng)用解決方案。可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、人員資產(chǎn)分布、歷史軌跡回放、電子圍欄報(bào)警、物資管理、物資盤點(diǎn)等功能。可廣泛應(yīng)用于隧道管廊、司法監(jiān)獄、大型工廠、石油化工、養(yǎng)老醫(yī)院、倉儲(chǔ)物流、智能樓宇、機(jī)場車站等對(duì)人員和資產(chǎn)有定位管理需求的場景。根據(jù)定位需求的不同，提供多種定位方案，實(shí)現(xiàn)需求與成本的完美平衡。