超宽带在无线定位技术中的应用综述

第１期
童凯翔，等：超宽带在无线定位技术中的应用综述
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位方向上的发展历程与研究方向。
２ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ａ规 定 的 帧 结 构
ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ａ规 定 了 信 号 传 输 采 用 的 帧 结 构，包括 了 一 个 同 步 头 （ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｈｅａｄｅｒ， ＳＨＲ）、一 个 物 理 层 报 头 （ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ｈｅａｄｅｒ， ＰＨＲ） 以及一 个 数 据 字 段 （ＰＨＹ ｓｅｒｖｉｃｅ ｄａｔａ ｕｎｉｔ， ＰＳＤＵ）［３］。其中 ＳＨＲ 由 两 部 分 组 成———测 距 前 导 码 （ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ＳＹＮＣ） 和 帧 分 隔 符 （ｓｙｎ－ ｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅ ｄｅｌｉｍｉｔｅｒ，ＳＦＤ）。
摘要：超宽带技术具有高数据传输速率，高时域分辨率及强穿透性等优点，其在短距离，环境复杂的无线传感网络定 位技术中引起了人们极大的兴趣。主要通过对超宽带技术的发展历程阐述以及结合大量最新的工作，总结技术发展轨迹， 探讨基于超宽带技术的无线网络中的定位技术、算法。结合一些最新的研究成果，讨论基于超宽带的无线定位技术仍存在 的问题与发展方向。
ＴＯＮＧ Ｋａｉ－ｘｉａｎｇ１，ＺＨＯＵ Ｘｕａｎ２，ＬＩ Ｇｕａｎｇ－ｘｉａ１，ＬＩＵ Ｂｉｎｇ３，ＴＩＡＮ Ｓｈｉ－ｗｅｉ１ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｎａ；
关键词：超宽带；无线网络；定位技术 中 图 分 类 号 ：ＴＮ９６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－４９９９（２０１５）－０１－００１０－０５
Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ＵＷＢ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＵＷＢ 技术始于２０世 纪 ６０ 年 代 后 期， 一 开 始 仅仅因其 优 越 的 穿 透 性 和 类 噪 声 性 被 军 事 领 域 应 用于监听技术 。 ［６］ 直到上世纪末该项技术引起了 美 国联 邦 通 信 委 员 会 （Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍ－ ｍｉｓｓｉｏｎ，ＦＣＣ） 的 注 意， 这 项 技 术 才 逐 步 开 始 民 用以及商业化的进程。
３ 基于 ＵＷＢ 技术的无线网络定位
本节主要综述目前可与 ＵＷＢ 技术较好结合的 一些无线网络中的定位技术与算法 。 ［５，８］
为了更 好 地 展 开 叙 述， 在 此 先 定 义 在 无 线 网 络定位中普遍存在的两类节点：
１） 参 考 节 点 （ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｎｏｄｅ）： 在 网 络 中 已 知坐标位置的节点；
基于时间 测 度 的 定 位 技 术 的 核 心 就 是 测 量 目 标节点与 参 考 节 点 之 间 信 号 的 传 播 时 间， 到 达 时 间 （ｔｉｍｅ ｏｆ ａｒｒｉｖａｌ，ＴＯＡ） 和 到 达 时 间 差 （ｔｉｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ａｒｒｉｖａｌ，ＴＤＯＡ 的 大 致 思 想 分 别 如 图 ３和图４所示 ， ［６］ 需要一个 目 标 节 点 和 至 少 ３ 个 参 考节点。ＴＯＡ 测量 目 标 节 点 与 参 考 节 点 之 间 独 立 的传播 时 间τ，利 用 ｄ ＝ ｃ×τ，得 到 彼 此 间 距 离 （ｃ为光速），利用三个圆 的 交 点 来 确 定 目 标 节 点 坐 标。ＴＤＯＡ 则利 用 两 个 参 考 节 点 信 号 传 播 的 时 间 差 Δτ来推算与两 个 参 考 节 点 的 距 离 差， 一 个 距 离 差确定一 条 双 曲 线， 利 用 双 曲 线 的 交 点 来 确 定 目 标节点的位置。
图１ ＡＯＡ 测量角度信息
ＡＯＡ 因为不涉 及 距 离 信 息 的 提 取， 在 算 法 复 杂度以及实现 上 都 较 为 简 单， 但 是 文 献 ［５］ 指 出
图２ ＡＯＡ 天线阵列
ＡＯＡ 并不适用 于 ＵＷＢ 定 位 系 统， 原 因 主 要 有 两 点：１） 天线阵 列 的 使 用 加 大 了 系 统 的 成 本 开 销， 很难推广与民用；２） 在 室 内 复 杂 多 径 环 境 下， 到 达天线的 信 号 的 路 径 的 数 量 可 能 会 非 常 之 大， 利 用 ＡＯＡ 仍然很难从中分离出有效的 信 息， 与 基 于 时间 测 度 （ｔｉｍｅ－ｂａｓｅｄ） 或 者 说 基 于 测 距 （ｒａｎ－ ｇｉｎｇ－ｂａｓｅｄ） 的技术来说性能较差。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＷＢ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
１ 引 言
以全球 定 位 系 统 （ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ＧＰＳ） 为代表的 卫 星 导 航 定 位 系 统 在 世 界 范 围 内， 不论军用还是民用方面都得到了广泛的应用，为 人们的出行等一系列社会活动提供了极大地便利。 然而基于卫星信号的导航定位并不总是有 效的， 主要体现在 当 用 户 处 于 森 林、 城 市、 峡 谷 及 室 内 等挑战环境中，尤其是当楼房等物体遮蔽造成信 号大幅度 地 衰 减 及 面 对 复 杂 室 内 多 径 环 境 的 问 题 时，卫星导航信号的检测本身就存在一定的困难， 即使检 测 到 了， 也 会 存 在 较 大 的 定 位 误 差 。 ［１］ 同 时，在具体 的 室 内 定 位 问 题 中 用 户 一 般 不 需 要 知 道精确的经纬度坐标，而相对一些特定坐标点的 相对位置坐标在很多情况下显得更有意义 。 ［２］
本 文 旨 在 以 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ａ［３］协 议 为 基 础， 描述协议 定 义 的 物 理 层 性 质， 由 此 展 开 在 无 线 网 络中的定位 技 术、 算 法 与 相 关 的 工 作 研 究， 通 过 对一些最新的研究的综述，来描述 ＵＷＢ 技术在定
收 稿 日 期 ：２０１４－０３－３１ 第 一 作 者 简 介 ： 童 凯 翔 （１９９１）， 男 ， 江 西 玉 山 人 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 卫 星 导 航 和 室 内 外 协 同 定 位 的 算 法 研 究 工 作 。
然而，在本文第４部分也会提到，随着制造工 艺的进步和 ＡＯＡ 与其他定位技术 （如 ＴＯＡ，ＲＳＳ 等）的联合应 用， 在 不 提 高 成 本 的 情 况 下 能 够 较 好地提高定位精度，所以笔者认为 ＡＯＡ 仍 是 一 个 重要的研究领域。
３．１．２ 基 于 到 达 信 号 传 播 时 延 或 时 延 差 的 测 量
２．Ｔｒｏｏｐｓ ６１７７３，Ｕｒｕｍｑｉ ８３００１４，Ｃｈｉｎａ； ３．Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｄａｔａ ｒａｔｅ ａｎｄ ｆｉｎｅ ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ （ＵＷＢ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ａｒｏｕｓｅｄ ｇｒｅａｔ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ａｓ ａ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａ ｓｈｏｒｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｃｏｍｐｌｅｘ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＵＷＢ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｗｏｒｋ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ＵＷＢ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－ｂａｓｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＵＷＢ－ｂａｓｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
当使 用 ＴＯＡ 和 ＴＤＯＡ 这 种 基 于 时 间 测 距 的 定位 技 术 时， 非 视 距 （ｎｏｎ ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈ，ＮＬＯＳ） 带来的 影 响 必 须 要 进 行 考 虑， 因 为 信 号 的 ＮＬＯＳ
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导航定位学报第３卷 Nhomakorabea图３ ＴＯＡ 的测距定位模型
“位置 指 纹” （ｌｏｃａｔｉｏｎ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｓ）， 并 在 数 据 库 中找到与之最为匹配的位置信息 。 ［１１］
２） 目标节点 （ｔａｒｇｅｔ ｎｏｄｅ）： 在网络中未知自 身坐标，希望通过定位算法获得自身绝对位置坐 标或同参考节点的相对位置坐标 。 ［８］ ３．１ 无 线 定 位 技 术 综 述 ３．１．１ 基 于 到 达 信 号 角 的 测 量
目标节点 通 过 来 自 于 参 考 节 点 的 无 线 电 信 号 得到自身关于参考节点的角度信息。如图１所示， 一般在一个二维平面结构中，至少需要两个参考 节点来确定目标节点的位置 。 ［５］ 到达 角 （ａｒｒｉｖａｌ ｏｆ ａｎｇｌｅ，ＡＯＡ） 一般要求目 标 节 点 通 过 一 个 天 线 阵 列来获得较为精确的角度测量 ， ［９］ 如图２所示。
３．２ 无 线 定 位 算 法 分 类 无线定 位 算 法 分 类 的 依 据 有 许 多 种： 根 据 信
息处理位置的不同可以分为集中式与分布式算法、 根据用户 能 获 得 的 定 位 信 息 多 少 分 为 系 统 级 与 代 理级算法、 根 据 有 无 对 所 处 环 境 的 先 验 知 识 分 为 基于特点 环 境 的 与 基 于 随 机 环 境 的 算 法、 根 据 位 置信息的表达方式分为绝对 式与 相 对 式 的算 法， 还可以分为协同定位与非协同定位 。 ［８］
第３卷 第１期 ２０１５ 年 ３ 月
导航定位学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．１ Ｍａｒ．，２０１５
超宽带在无线定位技术中的应用综述
童 凯 翔１ ， 周 轩２ ， 李 广 侠１ ， 刘 冰３ ， 田 世 伟１
（１．解放军理工大学 通信工程学院，南京 ２１０００７；２．６１７７３部队，乌鲁木齐 ８３００１４；３．中国科学院 光电研究院，北京 １０００９４）
因超 宽 带 （ｕｌｔｒａ ｗｉｄｅ ｂａｎｄ，ＵＷＢ） 信 号 具 有其极强的 穿 透 能 力， 极 高 的 时 域 分 辨 率 等 ［３－４］ 特 性，ＵＷＢ 技 术 成 为 解 决 上 述 定 位 问 题 的 重 要 手
段，基于 ＵＷＢ 技术的定位也成为定位领域一个研 究热点，得到了学界和业界的广泛关注。
简单地 来 说， 帧 同 步 头 就 是 为 了 正 确 接 收 信 号，在测距 与 定 位 技 术 中 同 样 需 要 以 帧 结 构 为 基 础来判断所接 收 的 信 号 是 否 为 有 用 的 ＵＷＢ 信 号。 ＳＹＮＣ 与 ＳＦＤ 都 是 用 于 同 步 与 测 距 的 ， ［７］ 通 过 对 收到的 无 线 电 波 的 分 析 得 到 正 确 的 ＰＨＲ 接 收 时 刻，从而得到两点之间的距离信息。
ＵＷＢ 信号是拥有超过中心频率 ２０％相对带宽 或者绝 对 带 宽 超 过 ５００ ＭＨｚ 的 信 号 。 ［５］ ＵＷＢ 技 术就是基 于 这 样 一 系 列 的 占 用 很 大 带 宽 的 信 号 来 实现各种 应 用 的 无 线 电 技 术。 大 的 带 宽 保 证 了 其 极强的穿 透 能 力， 而 其 在 时 域 上 精 细 的 分 辨 率 也 为提高测距、定位精度提供了坚实的保障。