（重慶郵電大學(xué) GIS研究所， 重慶 400065）

摘 要：

幾種常用的室內(nèi)定位技術(shù)均存在各自的缺陷，很難用于復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境。提出了一個(gè)基于射線跟蹤技術(shù)的室內(nèi)定位模型，通過(guò)跟蹤從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的所有傳播路徑，得出有效的定位參數(shù)，從而進(jìn)行高精度定位。最后實(shí)驗(yàn)仿真證明了模型的有效性。

關(guān)鍵詞：射線跟蹤； 一致繞射性理論； 電波傳播； 定位數(shù)據(jù)庫(kù)； 室內(nèi)定位

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2009)04-1299-03

Research of indoor positioning method based on ray-tracing

YUAN Zheng-wu， ZHAO Rui-jing， ZHU Zhi-hui

（GIS Research Center， Chongqing University of Posts Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract:

Several common indoor positioning technology had their limitations， so it was very difficult to deal with the complex indoor environment. This paper presented an indoor positioning model based on ray tracing technology. This model could gain the effective positioning parameters by tracking all the transmission path between the transmitter and the receiver， so it could conduct high-precision positioning. Finally， it was proved the availability of the presented model by simulation.

Key words：ray tracing; UTD; wave propagation; location database; indoor positioning

近幾年來(lái)，移動(dòng)通信系統(tǒng)飛速發(fā)展，與之相關(guān)的定位業(yè)務(wù)也在許多國(guó)家和地區(qū)廣泛開(kāi)展。人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求正在日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書(shū)館、地下停車(chē)場(chǎng)、礦井等環(huán)境中，常常需要確定室內(nèi)移動(dòng)終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。

與戶外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境要復(fù)雜得多。建筑物的布局、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、裝飾裝修情況等都會(huì)對(duì)室內(nèi)定位的效果產(chǎn)生影響。相對(duì)于室外定位，室內(nèi)定位還受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，現(xiàn)行比較完善的定位技術(shù)還無(wú)法很好地用于室內(nèi)定位。盡管室內(nèi)定位技術(shù)一直以來(lái)都備受人們的關(guān)注，并且也有很大的實(shí)用價(jià)值，但與實(shí)際應(yīng)用比較起來(lái)它還很不成熟。目前獲得移動(dòng)終端位置的方法歸納起來(lái)有兩大類(lèi)[1]：

a)為了實(shí)現(xiàn)其定位功能使用特殊的定位設(shè)備來(lái)完成；

b)使用現(xiàn)有的通信設(shè)備來(lái)完成定位服務(wù)功能。

由于室內(nèi)定位環(huán)境的復(fù)雜性，很多室外的定位方法都不太適合，并且當(dāng)前的各種室內(nèi)定位方法都各自存在著相應(yīng)的缺陷。對(duì)室內(nèi)定位，必須研究新的理論和方法來(lái)適應(yīng)社會(huì)對(duì)室內(nèi)定位的要求。

1 常用室內(nèi)定位技術(shù)概要

由于室內(nèi)外環(huán)境的差別，目前大多數(shù)的無(wú)線定位技術(shù)[2， 3]都是基于到達(dá)時(shí)間TOA(time of arrival)、到達(dá)時(shí)間差TDOA(time difference of arrival)和到達(dá)角度AOA(arrival of angle)。基于這些技術(shù)的定位結(jié)果只能在視距傳播信號(hào)占支配地位的情況下才是可靠的，室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，因而無(wú)法適用于室內(nèi)環(huán)境。此外，TOA或TDOA信息需要發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的準(zhǔn)確同步，這些要求在許多場(chǎng)合都難以達(dá)到；而AOA需要智能天線，價(jià)格昂貴且有定位盲點(diǎn)。目前室內(nèi)定位的方法[4~6]主要有光跟蹤系統(tǒng)、室內(nèi)GPS技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)。但這些技術(shù)都有各自的缺點(diǎn)，如光跟蹤技術(shù)的設(shè)備復(fù)雜；室內(nèi)GPS要受到室內(nèi)環(huán)境的嚴(yán)重影響，精度和時(shí)延都比室外的差很多。其他的定位技術(shù)如RFID[7] (radio frequency identification)，它的定位精度在很大程度上與設(shè)備的多少和分布有關(guān)，并要求有與之相配套的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施；PLT(precision location technology，精確定位技術(shù))是基于Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的精確定位技術(shù)，它利用到達(dá)時(shí)間進(jìn)行定位，需要精確的時(shí)間同步；UWB(ultra wide band)是利用納秒級(jí)窄脈沖發(fā)射無(wú)線信號(hào)的技術(shù)，也是基于時(shí)間的；RPT(rosum positioning technology)是利用電視信號(hào)進(jìn)行定位，以及GPSOne技術(shù)。另一種可供選擇的定位方法是基于信號(hào)強(qiáng)度的解決方案，它并不測(cè)量到達(dá)信號(hào)的時(shí)間或角度，而是利用移動(dòng)站MS(mobile station)感測(cè)的來(lái)自參考基站BS(base station)或接入點(diǎn)AP(IEEE 802.11術(shù)語(yǔ)中的access point)的信號(hào)功率，并且可以直接利用現(xiàn)有的無(wú)線局域網(wǎng)的硬件資源進(jìn)行定位，其成本較低。這些室內(nèi)定位技術(shù)從總體上可歸納為幾種，即衛(wèi)星定位技術(shù)(如GPS等)、無(wú)線定位技術(shù)(無(wú)線通信信號(hào)、射頻無(wú)線標(biāo)簽、超聲波、光跟蹤、無(wú)線傳感器定位技術(shù)等)、其他定位技術(shù)(計(jì)算機(jī)視覺(jué)、航位推算等)以及衛(wèi)星定位與無(wú)線定位組合的定位技術(shù)。

2 室內(nèi)射線跟蹤定位模型

射線跟蹤是基于幾何光學(xué)原理(GO)，由源點(diǎn)出發(fā)向周?chē)臻g均勻發(fā)出大量的射線，分別跟蹤每條射線的路徑，跟蹤過(guò)程由計(jì)算機(jī)程序完成。首先，利用程序中的算法確定是否存在視距路徑，即檢測(cè)源射線是否與物體相交。如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相交，就直接計(jì)算接收?qǐng)?，并重新跟蹤另一條新的源射線；一旦判斷出有相交發(fā)生，程序就將源射線分解成折射射線和反射射線，這兩條射線都從射線和障礙物的相交點(diǎn)發(fā)出。然后，用類(lèi)似于源射線的方式對(duì)這些射線進(jìn)行處理，即檢查反射射線或折射射線在到達(dá)接收點(diǎn)前是否有阻擋。其中產(chǎn)生的繞射射線，可應(yīng)用一致繞射性理論(UTD)將繞射場(chǎng)添加到總場(chǎng)中。這種遞歸一直繼續(xù)下去，直到射線強(qiáng)度下降到門(mén)限以下或不再發(fā)生相交為止。門(mén)限電平必須小心選擇，如果門(mén)限電平選得太低，算法就會(huì)浪費(fèi)CPU時(shí)間和存儲(chǔ)容量，而對(duì)結(jié)果沒(méi)有什么重大改善；相反，如果門(mén)限電平太高，就可能會(huì)丟失許多對(duì)接收?qǐng)鲇兄匾饔玫莫┥渚€。

2.1 室內(nèi)射線跟蹤定位原理

射線跟蹤定位的原理[8]是根據(jù)電磁理論和幾何繞射理論，模擬基站發(fā)出的電磁波的每一條傳播路徑，計(jì)算考察區(qū)域內(nèi)大量參考點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度、各路徑時(shí)延和信號(hào)到達(dá)角等參量，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，再將用戶的測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配查詢(xún)，以確定測(cè)量數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)，從而確定用戶的位置。

射線跟蹤定位的適用條件是高頻率或短波長(zhǎng)，也就是當(dāng)媒質(zhì)特性和散射體參量等在一個(gè)波長(zhǎng)距離范圍上變化非常緩慢時(shí)，電磁波的傳播和散射具有局部性，一個(gè)給定的觀察領(lǐng)域內(nèi)的場(chǎng)，無(wú)須由整個(gè)初始表面上的場(chǎng)來(lái)求得，只需要由該表面的某一有限部分來(lái)求取，從而可以利用電磁理論和幾何繞射理論進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)都在甚高頻和超高頻，而且使用頻率有越來(lái)越高的趨勢(shì)。室內(nèi)微蜂窩的實(shí)驗(yàn)頻率就高于超高頻，已經(jīng)到了特高頻的頻率范圍。因此移動(dòng)通信系統(tǒng)可以使用射線跟蹤的方法來(lái)分析和處理電磁波的傳播問(wèn)題。

室內(nèi)射線傳播的主要機(jī)制是直射、反射、折射和繞射（包括邊緣繞射、頂點(diǎn)繞射和表面繞射）。

a)直射。它比較簡(jiǎn)單，就是兩點(diǎn)之間的直線路徑。

b)反射。它發(fā)生在射線遇到障礙物的阻擋之時(shí)。反射射線的軌跡遵循反射定律，即滿足反射角等于入射角。

c)繞射。幾何繞射理論[9]認(rèn)為，當(dāng)入射射線遇到散射體邊界面的邊緣、頂點(diǎn)和凸曲面時(shí)會(huì)發(fā)生繞射現(xiàn)象，產(chǎn)生一組新的繞射射線。Keller指出邊緣繞射射線與邊緣的夾角等于入射射線與邊緣的夾角，入射射線與繞射射線分別位于通過(guò)繞射點(diǎn)與邊緣垂直的平面兩側(cè)或在一個(gè)平面上。一條入射射線會(huì)激起無(wú)窮多條繞射射線，它們都位于一個(gè)以繞射點(diǎn)為頂點(diǎn)的圓錐面上。圓錐軸就是繞射點(diǎn)處邊緣的切線，圓錐的半頂角等于入射射線與邊緣切線的夾角。

除了邊緣繞射，還有頂點(diǎn)繞射和表面繞射。頂點(diǎn)繞射射線就是從源點(diǎn)經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)到達(dá)接收點(diǎn)的射線，只要頂點(diǎn)沒(méi)有被繞射物體遮擋，頂點(diǎn)繞射就總是存在。頂點(diǎn)發(fā)出的繞射射線的方向是任意的，一條入射射線可以激起無(wú)窮多條頂點(diǎn)繞射射線，它們以頂點(diǎn)為中心沿徑向朝四面八方射出，其波陣面是以頂點(diǎn)為中心的球面。光滑凸曲面的繞射是指當(dāng)射線向光滑凸曲面掠入射，即沿陰影邊界入射時(shí)，它將分為兩部分：一部分能量按照幾何光學(xué)定律繼續(xù)照直前進(jìn)；另一部分能量沿著物體的表面?zhèn)鞑?，成為表面射線。表面射線在傳播時(shí)將不斷沿其切向發(fā)出表面繞射射線。頂點(diǎn)繞射和表面繞射衰減速度很快，一般不予考慮。

利用射線跟蹤算法可以對(duì)任意的室內(nèi)環(huán)境完成全3D的路徑搜索，室內(nèi)所有環(huán)境均用多邊形來(lái)建模。圖1給出了一個(gè)模擬的室內(nèi)環(huán)境，發(fā)射天線和接收天線可以位于任意的位置。利用射線跟蹤算法可以搜索收發(fā)天線之間由于反射和繞射等而形成的所有傳播路徑，其中也包括多次反射、多次繞射以及反射加繞射。

2.2 接收?qǐng)鰪?qiáng)計(jì)算

在用射線跟蹤法進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，接收點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)可表示為各接收?qǐng)鰪?qiáng)的矢量和，即

Er=∑iEi

Ei=GtiGriLi(s)ΠjR=(θji)ΠkT=(jki)Πm D=(φmi)E0

其中：Ei為第i條射線在接收點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；E0為距發(fā)射點(diǎn)1 m處的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；Gti和Gri分別為發(fā)射和接收天線的方向性系數(shù)；Li(s)為第i條射線到達(dá)接收點(diǎn)所經(jīng)過(guò)路徑s在自由空間的衰減；R=(θji)為第i條射線第j次反射的反射系數(shù)，入射角為θji；T=(jki)為第i條射線第k次透射的透射系數(shù)，入射角為jki；D=(φmi)為第i條射線第m次繞射的繞射系數(shù)，入射角為φmi。

2.3 室內(nèi)射線跟蹤定位參數(shù)序列庫(kù)

從蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中獲取待定位移動(dòng)終端每條射線的場(chǎng)強(qiáng)大小、對(duì)應(yīng)的時(shí)延和到達(dá)角等定位參數(shù)信息以及總場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，或者從有關(guān)信息中計(jì)算出這些數(shù)據(jù)，形成對(duì)應(yīng)的參數(shù)序列。因?yàn)檫@些序列數(shù)據(jù)可能與參數(shù)序列定位數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不完全相同，因此要利用最大似然準(zhǔn)則進(jìn)行匹配，找出對(duì)應(yīng)的cell ID+grid ID (cell identification+grid identification)或者當(dāng)前基站覆蓋區(qū)的grid ID。因?yàn)槊恳粋€(gè)cell ID+grid ID或者當(dāng)前基站覆蓋區(qū)的grid ID對(duì)應(yīng)惟一特定的位置，因此找到了cell ID+grid ID或者當(dāng)前基站覆蓋區(qū)的grid ID就能確定該待定位移動(dòng)終端的位置。

這種參數(shù)序列定位的方法是一種基于網(wǎng)絡(luò)的定位方法。它定位的參量均可以從現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)中獲取，所以無(wú)須對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行修改，也無(wú)須對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行修改，只要稍微修改蜂窩網(wǎng)絡(luò)的軟件，適應(yīng)于所有移動(dòng)通信系統(tǒng)，實(shí)施費(fèi)用少，因此既具有可靠性、可行性，又具有實(shí)用性。這種定位方法可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，只要將網(wǎng)格大小調(diào)整，分層建立對(duì)應(yīng)的參數(shù)序列—位置數(shù)據(jù)庫(kù)就可以了。

3 仿真分析

對(duì)圖1所示的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，圖中是大小為類(lèi)6×8×3 m3的不規(guī)則房間。采用文獻(xiàn)[10]中的材料參數(shù)，即墻的介電常數(shù)εr=5+0.1j，其他材料的介電常數(shù)εr=2.5+0.1j，而所有材料的導(dǎo)電率μr=1。同文獻(xiàn)[11]，仿真中發(fā)射天線位于室內(nèi)的左上角，這樣放置發(fā)射天線的一個(gè)好處是，它可以使得室內(nèi)的大部分地方都有視距信號(hào)。接收天線可以位于任何地方，收發(fā)天線均為無(wú)方向性的。射線跟蹤對(duì)所有可能的多路徑進(jìn)行跟蹤計(jì)算，圖2是從發(fā)射機(jī)到某一接收機(jī)射線跟蹤所計(jì)算的多路徑情況，其中頻率為6.85 GHz。它包括多次反射、繞射、視線傳播等情況。接收?qǐng)鰪?qiáng)是所有多路徑的復(fù)數(shù)疊加。

室內(nèi)射線跟蹤可以提供多路徑情況和路徑損耗、接收?qǐng)鰪?qiáng)、時(shí)間延遲剖面(time-delay profile)、到達(dá)角(AOA)、發(fā)射角(DOA)、延遲擴(kuò)散等數(shù)據(jù)信息。用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件可以將指定的局部區(qū)間的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。仿真中取發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)為1 V/m，取房間左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，如可對(duì)指定顯示數(shù)據(jù)為4.0 m<x<4.3 m， 1 m



以模型中橫向方向?yàn)橐暯?，可得出路徑損耗的二維顯示圖，如圖4所示。橫軸表示用戶沿模型中縱向方向行進(jìn)時(shí)所處的位置，縱軸表示該位置的路徑損耗。圖4中的曲線顯示，當(dāng)處于3.8 m~5.2 m附近時(shí)，路徑損耗最為嚴(yán)重，這是由于房間正中間有兩個(gè)隔板的原因，尤其是縱向隔板大大遮擋了信號(hào)的接收。圖5為仿真得出的接收?qǐng)鰪?qiáng)二維圖，其分析與圖4類(lèi)似。得出有利的定位參數(shù)后，建立參數(shù)序列—定位數(shù)據(jù)庫(kù)，即可進(jìn)行匹配定位。



4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)常用的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了概要分析，指出現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)具體應(yīng)用時(shí)所遇到的問(wèn)題。通過(guò)研究射線跟蹤技術(shù)建立了一種基于射線跟蹤技術(shù)的室內(nèi)定位模型。該模型可以跟蹤發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的各種傳播路徑，包括直射、反射和繞射等，得出有利的定位參數(shù)，建立定位數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行精確定位。另外，利用射線跟蹤來(lái)進(jìn)行室內(nèi)定位，可以克服非視距傳播、多徑傳播、可檢測(cè)性、多址干擾和幾何淡化因子等對(duì)定位精度的影響，從而改善定位的精度，同時(shí)也可解決單接入點(diǎn)定位難的問(wèn)題。在今后的工作中對(duì)室內(nèi)射線跟蹤定位技術(shù)進(jìn)行深入研究是十分有意義的。

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