基于UWB无线网络的定位算法研究

T ag
T0
T1
T
T1
T0'B1
T12
T "B2 0 T13
T + T1 + T2 T + T1 + T0
B3
图2 该定位算法的时间流程及参数 其中， 为发送的 UWB 脉冲； 为接收到的 UWB 脉冲。 T1,T2,T3 ：Tag 和每个标识之间的脉冲传输时间（未知）。 T12,T13,T23 ： 脉冲在每个标识之间传播的时间（已知）。 T0 ： 发送至主控标识第一个脉冲的传输时间（已知）。 T0′ , T0′′ ： 标识 2 和标识 3 相对于 T0 的延迟时间（未知）。 XT ：标识 1 测得的 Tag 脉冲到达时间（可测）。 YB , YT ：标识 2 测得的 标识 1 和脉冲的到达时间（可测）。 ZB , ZT ：标识 3 测得的 标识 1 和 Tag 脉冲的到达时间（可测）。具体的传输流程如 下：（1）PU 在主控标识 B1 发送的第一个 UWB 脉冲上提供一 个异步传送时间信息 T0。（2）主控标识 B1 在 T0 时刻发送一 个 UWB 脉冲到 Tag 和其他标识 B2 和 B3。（3）B2 和 B3 存储 第一个 UWB 脉冲的到达时间到缓存中。（4）在接收到从 B1 发出的 UWB 脉冲后，Tag 延迟时间 T 发送一个 UWB 脉冲到每 个标识。（5）B2 和 B3 同样存储第二个 UWB 脉冲的到达时间 到缓存中。（6）B1、B2 和 B3 分别报告从 Tag 到 PU 的第一个 UWB 脉冲和第二个 UWB 脉冲的到达时间。（7）通过预先定义
τ0
图 4 TWTOA 流程
其中，RTS-TTOA 为 Request-to-Send TTOA，是 BN 发
送的请求信号，CTS-TTOA 为 Clear-to-Send TTOA,是 RN 发
出的解除信号。如图 4 所示：τ total 是全部花费的时间。τ internal
是 RN 中时间的延时， τ0 是传播延时，它可以表示为
图 3 TTOA 算法模型
这个系统采用了 TWTOA（Two-way Time of Arrival）测
量方法，使用这种传输方式不需要 RN 和 BN 之间的同步。如
图 4 所示：
τ total
BN RTS-TTOA
CTS-TTห้องสมุดไป่ตู้A
RN τ0
τ RTS-TTOA int ernal CTS-TTOA
标识
标识
B2
3
B3
5
4
6
Tag
12
B1 标识
PU
图 1 基于 RTT 的 TOA 算法模型
收稿日期：2007-06-25。 作者简介：万 超（1982－），男，硕士研究生，主要从事第三代移动通信和超宽带通信技术的研究工作；申 敏，女,教授，主要从事第三代
移动通信和超宽带技术研究工作。
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该算法不需要标识间的时间同步，但是由于所有的标识 需要实现于与 Tag 的 UWB 对等传输，因此会有较长的定位处 理延迟和较大的功率消耗。 1.2 TDOA 算法
T
的各标识间距离、报告的两个 UWB 脉冲的到达时间，PU 计算 出 Tag 的位置。
这里假定 PU 获得了主控和被控标识之间的距离和传播 延迟。此外，为了避免 UWB 脉冲间的冲突，预先定义了标识 和 Tag 之间的最大保护时间为 T。因此，只需确定 T1,T2,T3 三 个参数就能确定出 Tag 的位置。以上三参数可由下面的方程 组解得：XT − T0 = T1 + T + T1 ，解出 T1 ；YB − T0′ = T12 ，解出 T0′ ； YT − T0′ = T1 + T + T2 ， 解 出 T2 ； ZB − T0′′= T13 解 出 T0′′ ； ZT − T0′′= T1 + T + T3 ，解出 T3 。
1.1 TOA 算法
图 1 所示的是基于 TOA 算法的 UWB 定位系统。该系统由
位置已知且固定的标识（Beacon）、移动且位置待定的 Tag
和处理器单元（PU：Processing Unit）组成。其定位过程
如下：标识 1 发送一个 UWB 脉冲到 Tag，Tag 接收到以后延
迟预先定义的时刻后返回一个 UWB 脉冲到标识 1。标识 2 和
3 基于 TTOA 的定位算法
TTOA（Triangle Time of Arrival）是一种只需一个参 考节点的三角到达时间算法[4]。图 3 是 TTOA 的定位算法示意 图，RN（Reference Node）为参考节点，BN（Blind Node） 为盲节点。设盲节点 B 以平均速度 V （ V = (v,ϕ ) ，v 为盲节 点的速率，ϕ 为方向）行进到位置 C，目标在 B 点的时间为 t0 , 在 C 点的时间为 t1 ，ABC 组成了一个三角形。
标识 3 按照相同的方式进行处理。每个标识计算出各自的
RTT ， 由 TOA 方 程 d1 = (x1 − x)2 + ( y1 − y)2 ，
d2 = (x2 − x)2 + ( y2 − y)2 ， d3 = (x3 − x)2 + ( y3 − y)2 ， PU
能够计算出 Tag 的最终位置。
τ0
=
1 2
(τ total
τ − ) internal
，
（1）
那么，AB 的平均距离就可以表示为
d0 = PB − PA = (x0 − xR )2 + ( y0 − yR )2 = c *τ 0 ， （2）
C 为光速。因此，AC 之间的距离可以定义为
d1 = PC − PA = (x1 − xR )2 + ( y1 − yR )2 = c *τ1 ， （3）
−
d0
cosθ
,
ϕ >γ,
⎪⎩ y0 = −xR sinϕ + yR cosϕ + d0 sinθ ,
其 中 ， (x0, y0) 为 估 计 的 BN 坐 标 ， 而 γ 定 义 为 γ =
arctg xR yR 。
4 算法比较
文中采用 802.15.4a 信道作为信道仿真模型对各个算 法进行仿真，它的多径衰落服从泊松分布的修正 Saleb-Valenzuela 模式，多径增益服从 Nakagami 分布。利 用 0.5 ns 宽的高斯脉冲的一阶导数作为脉冲信号，设 SNR 为固定的 10 dB，在一个 20m*20m 的二维空间对一个盲节点 进行定位。这里，Prob（d<distance）表示定位的实际值和 估计值的误差 d 小于给定的横坐标值 distance 的概率。
其中τ1 为时延估计。如果 t0 和 t1 之间的时间足够短的话，那
么可以设 v 和 ϕ 不变，则 l 可以表示为
l = v ⋅ (t1 − t0 ) = v ⋅ ∆t ，
（4）
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根据图 3 模型和三角函数知识，可以把 θ 表示成：
θ = ∠ABC = arccos d02 + l2 − d12 ， 2d0l
TDOA 算法与上述 TOA 算法不同在于它没有使用 RTT 技 术，系统必须在所有标识之间执行严格的时钟同步。Tag 发 送同步的 UWB 脉冲到所有标识，标识向处理单元报告 UWB 脉 冲的接收时间。在这种情况下，Tag 的最终位置能从 TDOA 测 量值中获得。该算法能在低功耗和短处理延迟的情况下提供 高精度定位能力，但是对标识间的时间同步误差相当敏感。
【Key words】UWB；position location algorithm；TOA；TDOA
0 引言
近来，UWB 技术作为一种新型的短距离高速数据传输方 案，广泛的应用于室内无线环境。由于 UWB 系统只传输少量 持续时间极短（毫微秒级）的脉冲。在室内信道下，UWB 系 统能提供非常好的多径可分离性（该性能取决于极窄脉冲的 持续时间）[1]，使得该系统非常适用于高精度距离修正和定 位应用。
（5）
并且，可以得到
tgϕ = x0 y0 ，
（6）
结合（1）式到（6）式，可以得出 BN 的位置为：
⎧⎪ ⎨
x0
= xR cosϕ + yR sinϕ − d0 cosθ ,
ϕ ≤γ,
⎪⎩ y0 = −xR sinϕ + yR cosϕ − d0 sinθ ,
或
⎧⎪ ⎨
x0
=
xR
cosϕ
+
yR
sin ϕ
2007 年第 11 期，第 40 卷 总第 191 期
通信技术 Communications Technology
Vol.40，No.11,2007 No.191,Totally
基于 UWB 无线网络的定位算法研究
万 超， 申 敏
（重庆邮电大学，重庆 400065）
【摘 要】UWB(超宽带)技术作为一种新型的短距无线通信系统,在室内定位技术中越来越受到重视。文中分析了 TOA 和
但是它对同步的要求比较高；而基于 RTT 的简单异步算法综 合了上述两算法的优点，在较小的功率消耗的情况下获得较 高的定位精度，具有一定的应用价值。基于 TTOA 的定位算 法计算较为复杂，但是在测量上，它只需一个节点，使得系 统较为容易实现。
基于 RTT 新算法的精度虽然比较低，但是可以对它进 行改进。基于 RTT 的这种新算法之所以精度比较低是由于 B2 和 B3 需要从 B1 得到时间信息，这个信息在传输过程中受到 多径干扰和 AWGN 干扰。因此，B2 和 B3 在计算之前就已经存 在误差。为了除去 ISI 干扰，文献[5]建议把保护时隙设置 为 200 纳秒，因为所有的脉冲在 200 纳秒后能量基本上消散 了。为了消除 AWGN 干扰，文献[5]的方法是在接受端发送足 够多的同一脉冲，然后在一段时间内取平均，这样就可以消 除 AWGN 干扰。虽然这样要增加处理时间，但是这个时间只 是小部分。经过这样改进后，基于 RTT 的算法精度和 TOA 和 TDOA 一致（如图 5 中的菱形线），而系统复杂度和功耗却比 它们低，使它的应用性又前进了一步。