无线局域网定位

无线局域定位MartiinVossiek,

Leif Wiebking,

Peter Gulden,

Jan Wieghardt,

Clements Hoffmann,

Patric Heide

局域定位将会是下一代无线系统中最令人振奋的特色之一。用于无线数据传输和应答器系统的全新概念和特性将会浮出水面。自行管理的传感器网络，无处不在的运算，区域敏感的收费，与情形有关的信息服务，跟踪和导引等等仅仅是无数可能的应用领域中的一些例子。本文介绍了无线局域定位方案中的不同概念，并且回顾了现有的和正在涌现的系统和应用。

近些年来，我们已经看到了以指数级速度增长的无线系统。无线技术已经进入了消费者应用领域，工业，医疗系统及其它众多的应用中。到目前为止，无线系统的中心问题变为诸如标准，带宽，可用性，或模块成本等方面。换句话说，焦点是要实现无线接入的商业可用性。现在无线信息的获取范围很广，额外的推动这方面讨论的话题是来自于用户和应用一方。我们可以越来越

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Martin Vossiek (martin.vossiek@), Leif Wiebking, Peter Gulden,

Jan Wieghardt, and Clemens Hoffmann are with Siemens Corporate Technology, Otto-Hahn-Ring 6, 81730 Munich, Germany.

Martin Vossiek is also with Technische Universität Clausthal, 38678 Clausthal-Zellerfeld Germany.

Patric Heide is with EPCOS AG, Anzinger Str. 13, 81617 Munich, Germany

明显地看到，无线系统的下一个飞跃不仅仅是要通过提高数据传输速率来将目前的状态升级。而需要能够方便，灵活和易于使用的无线系统新的特性和服务。在这种情况下，局域定位系统便引起了人们极大的关注[1]。通过局域定位技术，一个移动的器件可以收集关于它自身位置的信息或从别处对它进行定位。对局域定位所产生的浓厚兴趣是由几方面的因素而激发出来的。首先，无线系统的最大成功是由其可移动性来诠释的。移动性从本质上说是与不确定性相联系的。然而，在工业制造，网络组织和其它许多应用中，常常不希望出现不确定性。局域定位是有效地克服不确定性的唯一方式。安全性和完善性也同样可以极大地受益于局域定位。数据源头，传播路径，和目的地这些信息对于安全性和完善性来说当然是非常重要的。最后但却并非最不重要的是无线网络数据容量的限制是其固有的特性。因此，需要一种智能化的能显示来龙去脉的信息传输。一个必要的信息便是移动器件的位置。

局域定位可以使无线数据传输和应答器系统的全新概念和特性得以实现。自行管理传感器网络，无处不在的运算，区域敏感的收费，与情形有关的信息服务，跟踪和导引等仅仅是许多可能的应用领域中的一些例子。这个需求激发了热烈的研究活动。几乎所有无线领域的业界巨头和无数新建公司都在开展这方面的工作，结果便是现有的商业化无线局域定位系统在不断地增加。

无线局域定位系统的分类

一个无线局域定位系统基本上都包含至少两

个分离的硬件：一个是承载系统“智能化”

主要部分的测量单位和一个信号发射机。最简单的应用中的发射机不过是一个信标（beacon）。取决于这些部件的功能和它们的相互作用，可以对无线局域定位系统进行一个系统化的分类。

系统拓扑结构

正如前面所述，系统拓扑结构是一种区别不同的无线局域定位系统的一种可能方式。表1给出了一个关于命名的概述 [2] 。

第一个区别是自定位系统和远程定位系统。在自定位系统中，测量单元是移动的。这个单元接受来自于几个位置已知的发射机的信号，具有根据测量的信号来确定自身位置的能力。远程定位系统是以另一种方式工作的；它们的信号发射机是移动的，几个固定的测量单元接受来自发射机的信号。在主基站，来自所有测量单元的结果被集中起来，发射机的位置便可以被计算出来。远程定位系统的主要优点是移动部件能够做得体积小，成本低，功率效率好。而另一方面，这个优点的代价是复杂的系统和主干网络，昂贵的基础设施。究竟是远程系统更合适，还是自定位系统更合适，这将严格地取决于应用。错误的选择会将系统的成本提高10倍。这个事实所要强调的是几乎不可能制作一个单一的系统来覆盖很宽的应用范围。

如果一个局域定位系统提供一个无线数据链接，那么当然有可能将测量结果1）从自定位测量单元传送到远程端或2）反之亦然。第一种情况可以认为是间接的远程定位，而第二种情况称为间接自定位。

测量原理

目前主要采用三种不同的测量原理：到达角度（AOA），接受信号强度（RSS），以及进一步分为三个子类的以传播时间为基础的测量原理：到达时间（TOA），来回飞行时间（RTOF），到达时间差（TDOA）。图1显示了每种概念的原理。

在AOA系统中，是通过测向仪来计算位置的。通过使用定向天线或天线阵列，测量与已知位置点的相对角度。几个测得的方向点的交点便能够给出位置信息。

图1 测量原理（a）到达角度AOA，其中RU和MU代表的是远程和移动单元，α1和α2是测量的方向角度；（b）接收信号强度RSS，其中L1和L2代表测得的路径损耗；（c）TOA和RTOF，其中τ1和τ2代表的是测得的信号的单程或双程的传播时间，空间位置是由圆心在RU的圆的交点决定的；（d）TDOA，其中∆τ12和∆τ23代表的是信号从MU到达两个不同的RU的时间差，位置信息是由焦点在RU处的双曲线交点所确定的。

图2 当前无线局域定位系统一览。

这种方法的精度受到测量孔径的定向性，屏蔽和/或来自于错误方向的多路径反射的限制。

RSS系统是基于传播损耗方程的。例如，自由空间的传输损耗L B，是与1/r2成正比的。然而，在实际情况中，这个简单公式却并不适合用来根据发射和接收功率之差来计算距离[3]。在室内环境或已建成区域中，多径衰落和屏蔽起着支配性的作应[4]。为了解决这个问题，需要一个先进的传播模型，或者通过实际测量得到所感兴趣的区域内实际的场分布。由于高度非线性化的输入输出对应关系，使用了复杂的算法或神经元网络。后一种方法使用在本文随后将要描述的神经元蜂窝-定位系统（NCPS）中。RSS的主要优点是大多数现代化的无线模块实际上已经提供了接收信号强度指示器（RSSI）。而且，误码率（BER）可以被用来估测信号的衰减。因此，在无线通信系统中实施一个局域定位系统或多或少都是软件方面的课题，并不需要专有硬件。

由于物理上的限制，AOA和RSS系统只能给出中等精度的位置信息。用于局域定位测量最直观和最准确的方法可能是测量信号从发射机传播到达测量单元以及返回所用的时间。很明显，飞行时间随后便可以用来计算距离。在若干个这种测量的基础上，二维或三维位置信息便可以通过时间差异直接推导出来。然而，这种直接了当的方法在实施时却有着严重的固有困难。时钟同步是一个主要的问题。实际上，基于时间的系统主要是由处理这个问题的不同概念来区分的。在TOA系统中，所测量的是单程传播时间，测量单元和信号发射机之间的距离便可以计算出来。这种概念需要所有被用到的固定和移动单元具有精确的时间同步。在这种情况下，绝对时间的同步必须具有与所要求的位置精度相关的精确度。例如，在厘米范围的位置精度要求其绝对时间的同步要远远小于1ns。因为时钟信息必须分布到移动元件并在此保存，这种方法要么会产生一个昂贵的系统，要么会产生一个不够准确的系统。

如果选择RTOF系统，绝对同步的要求可以被较为温和的相对时钟同步来替代。在这里，测量单元或多或少地充当着公用雷达的角色。应答器回应着询问的雷达信号，并且测量一个完整的双程传播时间。在这种情况下，同步化的挑战是测量单元必须知道回复器准确的延迟/处理时间。一个简单的计算可以表明这个要求是很难达到的。如果测量单元和应答器均具有精度为25ppm的相当好的石英时钟源，那么应答器中1ms的处理时间会引起测量值产生几米的变化。一般来说，在RTOF系统中，要么具有一个较好的时钟同步，要么就是处理时间要非常短。一个巧妙的防止系统同步问题的方法是使用调制反射的概念[5]，[6]。在这里来自基站的询问信号与叠加了特定调制的信号同步化地被反射回去。这种方法的主要缺点是雷达信号必须要完成一个完整的来回双程路径。因此，传播损耗至少与距离 r 的4次方成比例。