王 輝，熊 飛，谷源濤

(1.空軍裝備研究院通信所，北京100085;2.清華大學(xué)電子工程系，北京100084)

0 引言

近年來(lái)，無(wú)論是在軍用還是民用領(lǐng)域，對(duì)移動(dòng)目標(biāo)定位的應(yīng)用需求日益強(qiáng)烈。移動(dòng)位置服務(wù)業(yè)務(wù)已成為最具增長(zhǎng)潛力的增值業(yè)務(wù)之一［1］。當(dāng)前，移動(dòng)定位系統(tǒng)研究重點(diǎn)在于定位信息的獲取和處理以及提高定位精度和準(zhǔn)確度等方面。移動(dòng)Mesh技術(shù)適合于區(qū)域環(huán)境覆蓋和寬帶高速無(wú)線接入。結(jié)合移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)寬帶高、頻譜利用率高的優(yōu)勢(shì)，以及具有網(wǎng)絡(luò)自組織、自維護(hù)等特點(diǎn)［2］，提出了一種基于移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，在對(duì)移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)及TDOA(Time dispersion of arrival)定位算法分析的基礎(chǔ)上，給出了在3 km×2 km無(wú)線覆蓋區(qū)域中移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)“錨”節(jié)點(diǎn)(含有衛(wèi)星定位模塊，具有自定位功能的移動(dòng)Mesh節(jié)點(diǎn))配置方案，利用Mesh節(jié)點(diǎn)作為“錨”節(jié)點(diǎn)，建立相對(duì)坐標(biāo)系，移動(dòng)終端通過(guò)測(cè)量與“錨”節(jié)點(diǎn)之間距離，并通過(guò)TDOA定位算法獲得自身相對(duì)位置信息，最后對(duì)系統(tǒng)定位性能進(jìn)行了仿真分析。

1 移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)及定位原理

移動(dòng)定位是利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)特征測(cè)量分析并計(jì)算，為移動(dòng)終端用戶提供相關(guān)的位置信息服務(wù)［3］。

移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)(無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò))也稱為“多跳(multi-hop)”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是真正無(wú)中心的網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)其他無(wú)線定位系統(tǒng)，移動(dòng)Mesh通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位有其顯著的優(yōu)勢(shì)，第一，各Mesh節(jié)點(diǎn)均可自由移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有隨機(jī)性，又因?yàn)镸esh網(wǎng)絡(luò)無(wú)中心節(jié)點(diǎn)，因此其抗毀性是其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所不能比擬的;第二，采用純IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以無(wú)限擴(kuò)展，支持任意數(shù)量的節(jié)點(diǎn)隨意接入;第三，Mesh采用同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制，利用系統(tǒng)同步機(jī)制，可以方便地得到移動(dòng)終端與Mesh節(jié)點(diǎn)之間的定時(shí)同步(信號(hào)延時(shí))，進(jìn)而計(jì)算得到它們之間的距離，使其具有了自組織定位能力的先天優(yōu)勢(shì);第四，Mesh支持移動(dòng)(Point to MutiPoint)模式，為終端拓展提供了便利條件;第五，Mesh支持MAC層設(shè)計(jì)，具有QOS性能，安全性更高。

移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)定位原理與步驟如下:① 建立區(qū)域內(nèi)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。建立無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，滿足所有Mesh節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)終端之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求;②實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各單元的定位。以無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用一定的定位方法實(shí)現(xiàn)各無(wú)線通信單元的定位。

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要考慮因素有:

①建立無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)，能夠滿足一定區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)互通;②保證每個(gè)移動(dòng)終端最少與3個(gè)以上Mesh節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通以實(shí)現(xiàn)定位計(jì)算。

采用符合IEEE 802.16e協(xié)議的移動(dòng)Mesh通信網(wǎng)絡(luò)體制，信道編碼采用OFDM技術(shù)，選用5 GHz通信頻段，最大物理層傳輸速率20 Mbps，通信距離2～5 km，采用 QPSK/QAM自適應(yīng)調(diào)制，TDD雙工模式。

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位主要考慮因素有:

(1)利用OFDM符號(hào)定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)測(cè)距

OFDM系統(tǒng)中，發(fā)送端信號(hào)經(jīng)過(guò)IFFT，接收端要正確解調(diào)就必須確定FFT窗口的準(zhǔn)確位置，這就產(chǎn)生了所謂OFDM系統(tǒng)符號(hào)同步問(wèn)題［4］。確定FFT的窗口位置，關(guān)鍵是定時(shí)估計(jì)要準(zhǔn)確，即在接收端，通過(guò)定時(shí)估計(jì)得到的時(shí)延估計(jì)值推算出OFDM符號(hào)的起始位置，并將FFT窗口位置調(diào)整到此位置。經(jīng)過(guò)調(diào)整后，F(xiàn)FT窗口就能夠包含OFDM符號(hào)上當(dāng)前幀的全部樣值點(diǎn)，最后實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)。如果對(duì)OFDM系統(tǒng)的定時(shí)估計(jì)不準(zhǔn)確，位置沒(méi)有定位在OFDM幀結(jié)構(gòu)的第1個(gè)樣值點(diǎn)上，就會(huì)引起符號(hào)間干擾，造成通信誤碼或中斷。由上可見(jiàn)，OFDM符號(hào)同步的關(guān)鍵是定時(shí)估計(jì)。

這里采用了一種對(duì)稱共扼序列作為訓(xùn)練序列的定時(shí)估計(jì)算法，序列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，A部分的序列是由Nu/4(Nu≤N)長(zhǎng)的PN序列經(jīng)過(guò)N/4點(diǎn)的IDFT產(chǎn)生，B*部分由A的共扼對(duì)稱序列產(chǎn)生。

圖1 訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)示意圖

利用A和B的對(duì)稱性，定時(shí)測(cè)度表達(dá)式為:

其中:

在接收端，將M(θ)取得最大值所對(duì)應(yīng)的采樣位置取為定時(shí)估計(jì)的位置，即定時(shí)估計(jì)值為:

在此算法中，由于R(θ)取值為始終正，從而對(duì)P(θ)進(jìn)行了歸一化，但同時(shí)也使運(yùn)算量會(huì)增加一倍。由于P(θ+1)和P(θ)的數(shù)據(jù)不同，由序列的共扼對(duì)稱性可知P(θ)只有在準(zhǔn)確點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值，因此得到的定時(shí)估計(jì)的精度較高。

OFDM系統(tǒng)中，信號(hào)時(shí)延τ為收到信號(hào)起始時(shí)刻tr加上信號(hào)偏差θT，再減去信號(hào)發(fā)送時(shí)刻ts:

通過(guò)對(duì)N個(gè)OFDM符號(hào)進(jìn)行定時(shí)估計(jì)可以得到N個(gè)測(cè)距值，取其平均值，從而得到更為準(zhǔn)確的估計(jì)值。一般情況下，N取值可為4n，比如256、1 024等，N值越大估計(jì)值越精確，但同時(shí)運(yùn)算量也成幾何倍數(shù)增加。

利用信號(hào)時(shí)延與距離的關(guān)系，很容易得到基站與終端之間距離為:

式中，c代表光速，Ri指終端與第i個(gè)“錨”節(jié)點(diǎn)之間距離，τ(i)指終端與第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)延。

(2)通過(guò)計(jì)算得到定位結(jié)果

測(cè)距算法采用TDOA，定位算法采用最大似然估計(jì)算法［5，6］。

最大似然估計(jì)算法是常用的定位算法。它對(duì)三邊定位算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)增加已知節(jié)點(diǎn)數(shù)量，利用冗余信息加權(quán)定位限制，使定位精度得到很大程度上的提高。所以最大似然估計(jì)算法也稱作多邊定位算法。

最大似然估計(jì)算法中，已知n個(gè)基站坐標(biāo)分別為 B1(x1，y1)，B2(x2，y2)，……，Bn(xn，yn)，與移動(dòng)終端 M(x，y)測(cè)得的距離分別為 d1，d2，……，dn，如圖2所示。

類似三邊定位算法，可以由已知條件建立方程組如下:

圖2 最大似然估計(jì)定位算法示意圖

采用最大似然估計(jì)法(Maximum Likelihood Estimation，MLE)求解方程組，由上面方程中上式依次減去最后一項(xiàng)式可得:

則利用最小均方差估計(jì)可以得到M坐標(biāo)為:

此算法可以很大程度上克服由于測(cè)距誤差帶來(lái)的定位誤差，定位精度會(huì)得到顯著提高。

2 仿真分析

2.1 移動(dòng)Mesh通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與仿真

根據(jù)需要，假定實(shí)際應(yīng)用中要求在某個(gè)指定區(qū)域，比如3 km×2 km范圍中，實(shí)際中，必須考慮設(shè)備體積與重量，因此，假設(shè)設(shè)計(jì)Mesh基站覆蓋半徑一定，那么通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，當(dāng)Mesh節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置到該區(qū)域中，取基站覆蓋半徑分別為1 km，2 km，則基站數(shù)量和平均覆蓋率(可通信率)關(guān)系如圖3所示。

圖3 基站數(shù)量與覆蓋率關(guān)系圖

仿真結(jié)果表明，當(dāng)移動(dòng)Mesh節(jié)點(diǎn)無(wú)線覆蓋半徑為2 km，隨機(jī)接入的基站數(shù)目達(dá)到3個(gè)以上時(shí)，系統(tǒng)的可接通率達(dá)到99%(即系統(tǒng)可信度達(dá)到99%)，可滿足區(qū)域內(nèi)一般通信網(wǎng)絡(luò)需求。

2.2 移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)定位架構(gòu)與仿真分析

首先假設(shè)Mesh節(jié)點(diǎn)自身位置信息已經(jīng)確定，作為“錨”節(jié)點(diǎn)，Mesh節(jié)點(diǎn)向終端發(fā)送定位信息。可以想象，由于本系統(tǒng)是一個(gè)隨機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，Mesh節(jié)點(diǎn)的布局將直接影響終端能否實(shí)現(xiàn)定位功能。如果系統(tǒng)中移動(dòng)終端同時(shí)必須接收到3個(gè)以上Mesh“錨”節(jié)點(diǎn)定位信號(hào)，就可以認(rèn)為終端可以實(shí)現(xiàn)自身定位。假如在一種情況下，Mesh“錨”節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置到3 km×2 km的區(qū)域范圍中，節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑為2 km，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，則實(shí)現(xiàn)定位目的的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與可實(shí)現(xiàn)定位的概率之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 “錨”節(jié)點(diǎn)數(shù)量與定位概率之間的關(guān)系

仿真結(jié)果表明，在當(dāng)前確定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)，當(dāng)取基站節(jié)點(diǎn)數(shù)目為6個(gè)以上時(shí)，此網(wǎng)絡(luò)基本具備定位能力。

2.3 測(cè)距仿真分析

利用OFDM系統(tǒng)定時(shí)計(jì)算單個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離。定時(shí)估計(jì)采用EC算法，在高斯信道下進(jìn)行仿真，仿真中采用子載波數(shù)取2 048，循環(huán)前綴取64，QPSK 調(diào)制，符號(hào)取224 μs，單個(gè)樣值點(diǎn)0.109 4 μs，SNR 取0～20 dB，對(duì)于每個(gè) SNR 分別仿真1 000次求其平均值。信道采用四徑多徑衰落信道，時(shí)延分別設(shè)為 0，10，20，40，信號(hào)衰減分別為0，10，20，25 dB。得到 θ與信噪比(SNR)及測(cè)距誤差關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 高斯信道下定時(shí)偏差與信噪比之間的關(guān)系

圖6 高斯信道下距離誤差與信噪比之間的關(guān)系

2.4 定位算法仿真及誤差分析

該文采用最大似然估計(jì)算法，主要對(duì)定位精度進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其初始參數(shù)包括隨機(jī)Mesh節(jié)點(diǎn)(“錨”節(jié)點(diǎn))位置、隨機(jī)移動(dòng)終端位置，設(shè)測(cè)距誤差分布服從N～(μ，σ)的正態(tài)分布，其中 μ等于0，σ值由測(cè)距仿真計(jì)算得到。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)服從正態(tài)分布(σ=1)情況下定位誤差分析

圖8 節(jié)點(diǎn)服從正態(tài)分布(σ=5)情況下定位誤差分析

綜合考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、測(cè)距誤差以及信道狀況等，這里所描述的Mesh定位系統(tǒng)定位誤差主要包含2部分，第1個(gè)是測(cè)距誤差，實(shí)際仿真結(jié)果表明在信噪比比較大，即信道質(zhì)量較好的情形下，誤差范圍在米級(jí)，對(duì)系統(tǒng)定位影響不大;第2個(gè)是定位算法帶來(lái)的計(jì)算誤差，這里選擇的最大似然估計(jì)算法，當(dāng)“錨”節(jié)點(diǎn)數(shù)量足夠多時(shí)，定位精度將顯著提高，誤差精度能夠達(dá)到米級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究了Mesh節(jié)點(diǎn)在一定區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布局，Mesh節(jié)點(diǎn)位置(坐標(biāo))已知情形下該區(qū)域中隨機(jī)移動(dòng)終端的定位問(wèn)題。分析了基于OFDM技術(shù)下的移動(dòng)Mesh通信網(wǎng)絡(luò)中各單元的相對(duì)定位問(wèn)題。對(duì)Mesh系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的關(guān)鍵技術(shù)及算法進(jìn)行了闡述及仿真驗(yàn)證，并綜合考慮了隨機(jī)Mesh網(wǎng)絡(luò)建立、測(cè)距算法及實(shí)現(xiàn)和定位算法及實(shí)現(xiàn)，分析了基于OFDM模式下Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自定位的可能性與誤差分析。

通過(guò)仿真驗(yàn)證結(jié)論，找到了一種實(shí)現(xiàn)移動(dòng)Mesh網(wǎng)絡(luò)自定位的方法，其定位精度與定位能力滿足一般地面通信系統(tǒng)定位使用的要求。

［1］賽迪顧問(wèn)通信產(chǎn)業(yè)研究中心.2009－2010年中國(guó)位置服務(wù)(GPS/LBS)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)分析［R］.北京：賽迪集團(tuán)，2010：1.

［2］宋文，方旭明.無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)研究與發(fā)展［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2007，29(2)：96 －103.

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［4］楊國(guó)慶.基于OFDM信號(hào)的無(wú)源定位技術(shù)研究［D］.西南交通大學(xué)碩士論文，2008.

［5］WU Hao-yun，LU I-tai.A simple and Accurate Linear Solver for Hyperbolic Localization ［C］∥ IEEE Communications Socie-ty/WCNC 2005：1733 －1736.

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