基于TC-OFDM体制的室内定位系统

邓中亮 北京邮电大学教授

尹露 北京邮电大学讲师

基于TC-OFDM体制的室内定位系统

邓中亮 北京邮电大学教授

尹露 北京邮电大学讲师

分析了各主流室内定位系统的优缺点；提出了TC-OFDM定位系统，给出了其系统架构及信号产生方式，该系统可实现3m以内的室内定位精度；分析了影响定位精度的原因，为提高定位精度提供了参考。

室内定位 TC-OFDM 定位精度

1 引言

随着移动互联网技术的发展，位置服务（Location BasedSevers，LBS）得到了广泛关注。据统计，在人们所使用的信息中有80%以上与“位置”有关，人们对室内外无缝定位的需求也在不断增加。而卫星导航系统有信号弱、易受干扰等缺点，在城市峡谷、楼宇内部等遮挡、干扰较为严重的区域很难正常工作，且定位精度会严重下降甚至无法定位。因此，近几年出现了大量新的定位方法或定位系统，例如基站定位系统、Wi-Fi定位系统、伪卫星定位系统等，利用它们较强的信号可以实现城市室内外环境的无缝覆盖，同时也可以利用多个定位系统进行组合定位，以实现更高的定位精度、覆盖范围以及定位鲁棒性。

2 常见室内定位技术

2.1 WLAN定位技术

WLAN是一种新一代的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前，比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统精度高。在一定的区域内安装适量的无线基站，根据这些基站获得的待定位物体发送的信息，结合基站的拓扑结构综合分析，从而确定物体的具体位置。这类系统可以利用现有的无线局域网设备，增加相应的信息分析服务器以完成定位信息的分析。目前，国外典型的室内定位系统有RADAR室内定位系统、Ekahau PositioningEngine等；国内则有如北京邮电大学开发的WLAN室内定位系统“寻鹿”等，以上定位系统在局域重点区域可达到m级定位精度。但目前该技术尚在推广应用中，当定位精度要求较高时，需要采集大量的指纹，以建立匹配数据库，运维成本高。

2.2 WSN定位技术

WSN定位技术可以分为基于测距和非测距两种。基于测距的定位技术一般是通过超声波、红外线等方法进行测距，如KaminWhiteHouse的Calamari定位系统使用超声波进行测距，同时结合信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）进行定位，使系统具有很好的可扩展性，定位误差约为20%～30%。由于Calamari定位系统使用超声波进行测距，需要视距环境，对环境依赖过大，人员的走动和物品摆放位置变化都会给定位精度带来很大的影响，不适用于大型建设物内人员流动大、环境布置经常发生变化的室内复杂环境定位。另外，Calamari定位系统采用超声波进行测距，需要大量的底层硬件设施设计，从而增加了功耗和硬件成本。基于非测距的定位算法比较典型的研究如北京邮电大学的基于RSSI的差分定位方法，在网络平均连通度为10、锚节点比例为10%的各向同性网络中平均定位精度为20%左右。

2.3 RFID定位技术

RFID被列为21世纪十大重要技术课题之一，美国已经在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准，日本也提出UID标准。最近，随着RFID技术的兴起，对RFID标签的定位跟踪日益受到关注，目前比较成熟的RFID室内定位方案有SpotON、3D-iDpinpoint和LANDMARC。这3种RFID室内定位方案都是采用射频信号强度数据作为定位依据。RFID定位技术由于通信能力弱，不便于与其他系统进行融合。

2.4 蓝牙技术

蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网（Piconet）的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在掌上电脑（Personal DigitalAssistant，PDA）、个人电脑（Personal Computer，PC）以及手机中。理论上，对于持有集成了蓝牙功能的移动终端设备用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。其不足在于对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性差，在噪声信号干扰严重的条件下，定位精度急剧下降。

2.5 超宽带定位技术

超宽带技术是一种与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有ns或ns级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、伪距测量精度高等优点。目前，已有美国AETHERWIRE&LOCATION公司开发的Localizers室内定位系统、Ubisense公司开发的Ubisense室内定位系统等。但目前超宽带技术成本较高，产业尚不成熟，还具有普适性差的缺点，不能满足广域定位的需求。

3 基于TC-OFDM体制的广域室内定位技术

目前，基于地面移动通信网的定位技术已有大量研究，由于地面网络信号覆盖良好，因此可对室内用户进行定位。在各种基于移动通信网的定位系统中，采用的基本定位原理大致是相似的，都是通过检测移动台和多个固定位置收发信机之间传播信号的特征参数，如电波场强、传播时间或时间差、入射角等来估计出目标移动台的几何位置。目前，基于地面移动网络的定位技术主要基于小区识别码（Cell-Identity，CellID）、时间提前量（Timing Advance，TA）、上行链路信号到达时间（TimeofArrival，TOA）、上行链路信号到达时间差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）以及信号度（AngleofArrival，AOA）、高级前向链路三角（Advanced Forward Link Trilateration，AFLT）、应用于时分多址（TimeDivision MultipleAddress，TDMA）系统的下行链路增强观测时间差（Enhanced-Observed Time Difference，E-OTD)。

由北京邮电大学提出的基于TC-OFDM信号体制的定位系统，利用定位和通信信号的一体化融合，实现了高精度的广域室内外无缝定位（见图1）。上行站将基于现有通信信号与授时信号上行至卫星；卫星将通信信号与授时信号播发至地面广播基站，由卫星授时接收机对通信基站进行高精度时间同步；通信基站将高精度定位信号融合到OFDM信号上，形成高同步精度的TC-OFDM定位信号，定位精度可达3m以内。

通过移动基站网络发射TC-OFDM信号，其发射过程如图2所示。

由高精度同步的基站发射TC-OFDM信号，可以进行广域室内覆盖，终端将对TC-OFDM信号进行解调并获得导航电文。除了室内环境，TC-OFDM信号还可以辅助GNSS系统，以获得更高的室外定位精度、定位鲁棒性及首次定位时间（Time to First Fix，TTFF），TC-OFDM系统可以实现m级精度的室内外无缝覆盖。定位信息可以通过网络向网络侧的定位服务器发送，并利用网络服务器对定位信息进行处理，实现高精度的定位，并进行一些位置服务应用。

图1 TC-OFDM定位系统架构

图2 TC-OFDM信号的产生

4 影响定位精度的主要因素

在蜂窝网络中由于非理想的无线信道环境，使得定位终端（移动台）和基站之间多径传播、非视距（NLOS）传播普遍存在；在CDMA系统中，存在多址干扰等因素。这些都会使检测到的各种信号测量值出现误差，从而影响定位精度。

（1）多径传播

影响蜂窝无线定位的一个基本因素之一就是多径传播问题。在移动信道中，由于反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号能量在幅值、相位和时间延迟方面产生弥散，这些效应导致发射信号经过不同的路径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不同的多径分量的随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落和信号畸变，使接收信号的信噪比严重下降，最终影响定位精度。

（2）NLOS传播

导致定位误差的另一个重要因素是移动台和基站之间的信号为非视距传播（NLOS）信号。LOS传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件，GPS系统也正是基于电波的LOS传播实现对目标的精确定位。但是，在城市和近郊，移动台和多个基站之间实现LOS传播通常是很困难的，更多的情况是通过反射和折射的方式进行传播的，从而影响了到达场强、接收电波的到达方向以及电波传播时间。在这样的环境下，即便没有多径干扰且系统能提供足够高的定时精度也同样会导致定位测量误差。

（3）CDMA多址接入干扰

所有的移动通信系统均存在多址干扰，但多址接入对于定位精度的影响在CDMA系统中尤为明显。由于CDMA系统中的各用户均使用同一频段，通过伪随机码来区分各个用户，这种高容量也带来了远近效应和多址干扰。多址干扰会严重影响定位测量信号估计。在CDMA系统中通常采用功率控制来克服远近效应，但由于无线定位需要多个基站同时监测移动台发射的信号，功率控制只对服务基站起作用，对非服务基站，移动台的信号仍然受到严重的多址干扰，因而影响常规接收机的性能。研究表明，多址干扰会严重影响TOA和TDOA的定位精度。

（4）参与定位的基站数的限制

网络定位技术需要至少两个或3个以上基站的参与，但是在基站稀疏的环境下很难同时存在多个基站参与移动台定位，即使在基站稠密的城市环境中，也可能由于建筑物的遮挡而无法接收到视距传播的信号。另外，由于CDMA系统采用了功率控制技术来克服远近效应，当移动台靠近服务基站时，其他基站就很难接收到移动台发出的定位测量信号。

表1给出了各种环境下所能参与移动台定位的基站数量的统计情况，其中X表示接收信号功率大于-100dBm的基站数。统计数据表明，在乡村或郊区同时存在3个或3个以上基站与移动台保持联系的可能性较小。

表1 可参与移动台定位的基站数量

（5）基站和移动台几何位置分布

在系统设计因素中，基站的几何分布是最主要的因素。参与定位的各基站之间的相对位置、移动台与基站之间相对位置的差异造成的几何精度因子（GDOP）的不同也会影响定位算法的性能，造成定位精度的差异。特别是在高速公路附近，为了获得好的通信覆盖，在高速公路沿线设置一系列的蜂窝网基站，这种情况下TDOA的定位精度将严重恶化，使得较小的定位参数测量误差导致很大的定位估算误差。

5 结束语

本文分析了目前主流的室内定位技术及其优缺点，介绍了一种利用TC-OFDM体制进行定位的新型定位系统，该系统可以实现3m以内的室内定位精度，还分析了影响室内定位误差的因素，为提高定位精度提供了一定的参考。

1 Cheong J W.Towards Multi-constellation Collective Detection for Weak Signals:A Comparative Experimental Analysis.24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation 2011.Portland:Institute of Navigation.2011

2 彭竞,刘增军,朱明等.基于优选RFID观测值的GPS/RFID组合定位方法.国防科技大学学报.2012

3 滕云龙,师奕兵,郑植.恶劣环境下GPS接收机定位算法研究.仪器仪表学报.2011

2015-02-20）