陳大偉，汪 洋，張繼良，丁麗琴

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

一種NLOS場(chǎng)景TOA估計(jì)方法與實(shí)測(cè)門限優(yōu)化

陳大偉，汪 洋，張繼良，丁麗琴

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

針對(duì)峰值檢測(cè)法估計(jì)TOA精度較低的問(wèn)題，在現(xiàn)有門限法的基礎(chǔ)上，提出了一種室內(nèi)非視距場(chǎng)景的TOA估計(jì)方法，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行門限優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)峰值檢測(cè)法相比，門限優(yōu)化法TOA估計(jì)精度提高54.5%，系統(tǒng)定位精度提高逾1 m。

到達(dá)時(shí)間；峰值檢測(cè)；門限優(yōu)化

室內(nèi)定位以其在消防救援、智慧家庭、商場(chǎng)導(dǎo)購(gòu)等領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景而備受人們重視?；诘竭_(dá)時(shí)間(TOA)的室內(nèi)定位方法因具有較高精度而被廣泛應(yīng)用。該方法的關(guān)鍵技術(shù)是從定位信號(hào)中檢測(cè)出到達(dá)接收機(jī)的第一個(gè)信號(hào)徑分量(direct path，簡(jiǎn)稱DP)，根據(jù)其傳播時(shí)延計(jì)算出測(cè)量距離，進(jìn)而結(jié)合相應(yīng)定位算法解算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置。然而，相比于室外空曠環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境人員密集、障礙物遮擋嚴(yán)重，TOA估計(jì)精度受限[1]。一方面，直達(dá)徑信號(hào)傳播受到阻擋，能量損耗嚴(yán)重。另一方面，室內(nèi)環(huán)境中存在大量的密集多徑，在密集多徑信號(hào)中估計(jì)首徑分量的TOA存在困難[2]。

近年來(lái)，TOA估計(jì)算法得到了深入的研究。一種廣泛應(yīng)用的方法是基于匹配濾波的TOA估計(jì)方法，該方法將接收的多徑信號(hào)與本地模板信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，獲取滑動(dòng)相關(guān)峰。針對(duì)相關(guān)峰，采取不同的處理方法，即可獲得不同精度的TOA估計(jì)結(jié)果。另一種最常用的方法是峰值檢測(cè)法，檢測(cè)滑動(dòng)相關(guān)峰中功率最大的峰作為首徑所在的相關(guān)峰，其時(shí)延即為待估計(jì)的TOA。這種方法的前提是首徑在接收信號(hào)中是能量最強(qiáng)的單徑分量。LOW等[3]將峰值檢測(cè)法應(yīng)用到超寬帶測(cè)距中，檢測(cè)接收信號(hào)脈沖最大值估計(jì)TOA。由于超寬帶穿透力、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了峰值檢測(cè)法的不足。劉曉建等[4]在做相關(guān)輸出時(shí)，輸入是多徑信號(hào)和構(gòu)造的本地鋸齒波，檢測(cè)相關(guān)輸出的最大值點(diǎn)估計(jì)TOA。該方法簡(jiǎn)化了峰值檢測(cè)法的運(yùn)算量，但是TOA估計(jì)精度降低。LEE等[5]建立了相關(guān)輸出的似然函數(shù)，尋找似然函數(shù)最大時(shí)的相關(guān)輸出來(lái)估計(jì)TOA，該方法增大了運(yùn)算量，但能提高TOA估計(jì)精度。SATTARZADEH等[6]分析了TOA估計(jì)誤差與相關(guān)輸出中峰值和峰值點(diǎn)斜率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立查詢表，對(duì)任意輸出，通過(guò)查表方法估計(jì)TOA。該方法對(duì)不同的場(chǎng)景建立不同的查詢庫(kù)，略顯繁瑣。還有一種比較新穎且精度較高的方法是基于門限的TOA估計(jì)方法。GUVENCI等[7]根據(jù)相關(guān)輸出波形的最大值和最小值設(shè)定歸一化門限，把低于門限的成分作為噪聲除掉，第一個(gè)大于門限的抽樣值即為首徑信號(hào)所在的能量塊。WANG等[8]通過(guò)迭代法不斷更新門限以獲取最優(yōu)門限，相比文獻(xiàn)[7]的TOA估計(jì)性能得到了較大提高。門限設(shè)置都需要同時(shí)檢測(cè)相關(guān)輸出峰的最大峰值和最小峰值，僅從理論上給出可能提高估計(jì)精度的門限設(shè)置方法，還未從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上進(jìn)行驗(yàn)證。為此，提出了一種基于門限優(yōu)化的TOA估計(jì)方法。

1 系統(tǒng)模型

1.1 定位信號(hào)的數(shù)學(xué)模型

發(fā)射信號(hào)s(t)是碼長(zhǎng)為1023的m序列調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度T=100 ns，采用2PSK調(diào)制方式，信號(hào)帶寬B=20 MHz。將發(fā)送信號(hào)送入頻率響應(yīng)為H(f)的信道中，由接收端接收。接收信號(hào)r(t)是s(t)與h(t)卷積的結(jié)果，設(shè)其是一個(gè)具有L個(gè)路徑的多徑信號(hào)，可表示為

(1)

其中：τD<τ2<…<τL，第一條到達(dá)路徑就是要估計(jì)的首徑DP；aDP為首徑的幅度；ai為第i條路徑信號(hào)的幅度；τi為第i個(gè)路徑的時(shí)延；τD為待估計(jì)的TOA，由光速即可計(jì)算出測(cè)量距離。TOA的估計(jì)精度直接影響系統(tǒng)定位精度。

1.2 TOA測(cè)距定位系統(tǒng)

TOA測(cè)距定位系統(tǒng)由測(cè)距部分和定位部分組成。測(cè)距部分重點(diǎn)研究TOA估計(jì)方法，設(shè)計(jì)改善測(cè)距性能的方案。定位部分結(jié)合現(xiàn)有的定位算法，研究測(cè)距性能的提高給定位帶來(lái)的積極影響。

在做測(cè)距時(shí)，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)嚴(yán)格時(shí)間同步。圖1為一個(gè)典型的TOA測(cè)距定位系統(tǒng)。由基站B1、B3、B3和移動(dòng)臺(tái)M組成。記ti為移動(dòng)臺(tái)獲取的來(lái)自3個(gè)基站的定位信號(hào)的傳播時(shí)間，通過(guò)TOA估計(jì)方法獲得。di=cti(1≤i≤3)為測(cè)量距離，c為光速。

圖1 TOA定位原理圖Fig.1 TOA positioning schematic diagram

TOA的測(cè)距方程組如式(2)所示。其中：(x,y)為M的坐標(biāo)；(xi,yi)為Bi的坐標(biāo)，1≤i≤3。

由于d1、d2、d3含有誤差，直接解式(2)，定位精度較差，需要設(shè)計(jì)精度較高的定位算法。利用近似極大似然定位算法(AML)[13]考察門限法和峰值檢測(cè)法估計(jì)TOA的系統(tǒng)的定位性能。

2 基于門限優(yōu)化的TOA估計(jì)算法

2.1 峰值檢測(cè)法估計(jì)TOA

將接收到的多徑信號(hào)r(t)與本地模板信號(hào)s(t)同時(shí)輸入匹配濾波器，得到滑動(dòng)相關(guān)函數(shù)

(3)

利用信號(hào)參數(shù)及信道數(shù)據(jù)隨機(jī)生成了4個(gè)滑動(dòng)相關(guān)波形，如圖2所示。圖2只給出了500 ns以內(nèi)部分，并不影響實(shí)際分析。精確時(shí)延由信道測(cè)量時(shí)測(cè)量的收發(fā)天線距離除以光速獲得。

峰值檢測(cè)法檢測(cè)相關(guān)峰中最大峰估計(jì)TOA。在存在直射徑情況下，最大峰即首徑所在的峰，此時(shí)峰值檢測(cè)法具有較高TOA估計(jì)精度。根據(jù)精確時(shí)延判斷，圖2(a)的最大峰是首徑所在峰，圖2(b)、(c)、(d)首徑所在峰是最大峰前的一個(gè)峰。峰值檢測(cè)法估計(jì)TOA的誤差分別為7、61、74、66 ns。

圖2 峰值檢測(cè)法估計(jì)TOAFig.2 Estimating TOA by peak detection

2.2 門限法估計(jì)TOA

門限法估計(jì)TOA是將滑動(dòng)相關(guān)峰中只含噪聲的相關(guān)峰成分與噪聲和信號(hào)的混合成分分離，檢測(cè)第一個(gè)含有信號(hào)的相關(guān)峰，其時(shí)延即是待估計(jì)的TOA。提出的門限法估計(jì)TOA分為3個(gè)過(guò)程：

1)檢測(cè)相關(guān)峰中功率最大的峰。仿真出發(fā)射信號(hào)s(t)，經(jīng)過(guò)自由空間傳播，利用信道測(cè)量的數(shù)據(jù)H(f)，得到接收信號(hào)r(t)，將r(t)與原信號(hào)s(t)滑動(dòng)相關(guān)，得到滑動(dòng)相關(guān)函數(shù)，檢測(cè)滑動(dòng)相關(guān)函數(shù)所有峰值中幅值最大的峰值，記最大的幅值為pm。

已經(jīng)求得20 MHz帶寬下實(shí)測(cè)場(chǎng)景的最優(yōu)門限值ξo=-4.8 dB，分別求得圖3(a)、(b)、(c)、(d)中虛線的搜索邊界。提取搜索邊界以上的時(shí)延最小的相關(guān)峰作為首徑所在相關(guān)峰，其時(shí)延就是TOA。得到的TOA提取誤差分別為7、6、24、16 ns。由此可知，門限法估計(jì)TOA時(shí)，對(duì)于不同的滑動(dòng)相關(guān)波形，無(wú)論首徑是否是最大功率徑，均能提取出其所在的相關(guān)峰，相比于峰值檢測(cè)法，具有較高的精度。

3 基于實(shí)測(cè)的門限優(yōu)化

最優(yōu)門限ξo受定位場(chǎng)景及信號(hào)帶寬等因素影響，對(duì)于特定場(chǎng)景的定位，計(jì)算最優(yōu)門限再估計(jì)TOA，通過(guò)信道測(cè)量獲取了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而優(yōu)化門限。

3.1 測(cè)量平臺(tái)與測(cè)量方案

測(cè)量平臺(tái)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院自主研發(fā)的室內(nèi)寬帶信道測(cè)量?jī)x，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率放大器、天線、同軸電纜等構(gòu)成，測(cè)量頻率可調(diào)，如圖4所示。

圖3 門限法估計(jì)TOAFig.3 Estimating TOA by threshold

圖4 信道測(cè)量平臺(tái)Fig.4 Channel measurement platform

測(cè)量場(chǎng)景為哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院A棟教學(xué)樓4樓，平面圖如圖5所示。發(fā)射天線TX置于走廊，位置固定，接收天線RX置于兩側(cè)的教室內(nèi)，發(fā)射天線與接收天線之間有墻壁阻隔，場(chǎng)景內(nèi)多徑分布密集。測(cè)量時(shí)發(fā)射天線位置不變，每進(jìn)行一個(gè)位置測(cè)量接收天線移動(dòng)一次，同時(shí)測(cè)量收發(fā)天線的直線距離，以便求取真實(shí)TOA值，測(cè)量得到信道頻率響應(yīng)為H(f)[9-12]。測(cè)量參數(shù)如表1所示。

圖5 信道測(cè)量平面圖Fig.5 Planar graph of channel measurement

參數(shù)值測(cè)量頻率/GHz6.0～6.4測(cè)量帶寬/MHz400天線位置90掃頻點(diǎn)數(shù)1601

3.2 門限優(yōu)化方法

(4)

遍歷ξ，得到平均絕對(duì)誤差與門限的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 平均絕對(duì)誤差與門限關(guān)系Fig.6 Relationship between MAE and threshold

對(duì)于已定帶寬的情況下，存在最優(yōu)門限ξo，使得TOA估計(jì)平均絕對(duì)誤差最小，20MHz的最優(yōu)門限ξo=-4.8dB。表2為不同帶寬下門限法和峰值檢測(cè)法TOA估計(jì)的最優(yōu)門限及平均估計(jì)誤差值。由表2可知，在10～100MHz，隨帶寬增大，最優(yōu)門限逐漸減小，其平均估計(jì)誤差也相應(yīng)減小。

4 測(cè)距與定位性能分析

4.1 測(cè)距性能分析

TOA定位系統(tǒng)中，測(cè)距性能決定著定位精度的優(yōu)劣，帶寬是影響TOA測(cè)距的主要因素之一，分別利用門限法和峰值檢測(cè)法得到各自不同帶寬下的測(cè)距平均誤差，結(jié)果如圖7所示。

表2 門限法和峰值檢測(cè)法的最優(yōu)門限和估計(jì)誤差

Tab.2Optimalthresholdandestimationerrorofthresholdandpeakdetection

帶寬/MHz最優(yōu)門限/dB門限法誤差/ns峰值法誤差/ns10-4.322.2427.5020-4.817.0224.6730-5.914.7223.3340-8.012.0522.3850-10.29.6421.9460-11.87.3421.5570-14.06.9221.3080-16.05.8520.9890-16.15.3220.46100-16.24.8820.35

圖7 測(cè)距平均誤差與帶寬的關(guān)系Fig.7 Relationship between ranging mean error and bandwidth

從圖7可看出，在帶寬一定的情況下，門限法的測(cè)距精度高于峰值檢測(cè)法，隨著帶寬增大，門限法的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。為綜合衡量2種算法的優(yōu)劣，定義帶寬范圍內(nèi)的平均測(cè)距精度提高程度為

(5)

4.2 定位性能分析

20MHz下，已求出門限優(yōu)化法TOA測(cè)距誤差

為考察測(cè)距性能的提高給定位性能帶來(lái)的影響，設(shè)置4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的方形定位區(qū)域，坐標(biāo)分別為(-100,100)，(-100,-100)，(100,100)，(100,-100)。不失一般性，均勻選取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A(0,0)，B(50,0)，C(100,0)，D(150,0)，E(50,-50)，F(xiàn)(150,-150)，如圖8所示。

采用文獻(xiàn)[13]的AML，測(cè)距誤差替換為TOA估計(jì)的誤差。每個(gè)節(jié)點(diǎn)仿真3000次，估計(jì)均方差可表示為：

(6)

圖8 定位節(jié)點(diǎn)布局Fig.8 Layout of location nodes

仿真得到不同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)下的定位精度，如表3所示。

表3 定位結(jié)果

由表3可知，AML算法影響定位精度的主要因素是測(cè)距誤差的方差σ2，誤差方差越大，定位精度越低。門限法的測(cè)距誤差方差26.4m2小于峰值檢測(cè)法的37.8m2，其定位性能得到提高，表3的結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。相比于峰值法，門限法平均定位精度提高超過(guò)1m。可以預(yù)見(jiàn)，對(duì)于其他形式的定位區(qū)域，門限法的定位性能仍高于峰值檢測(cè)法。

5 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性使得TOA估計(jì)相對(duì)困難。傳統(tǒng)的峰值檢測(cè)法對(duì)存在直射路徑的場(chǎng)景具有較高的TOA估計(jì)精度，此時(shí)匹配濾波獲得的相關(guān)峰中功率最大的峰就是首徑所在峰，然而一旦無(wú)直射路徑，其估計(jì)性能顯著下降。針對(duì)室內(nèi)非視距提出了一種基于門限優(yōu)化的TOA估計(jì)方法，在相關(guān)峰中利用判決門限確定首徑搜索區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)尋找時(shí)延最小的峰，并把該峰作為首徑所在的峰，其時(shí)延為待估計(jì)的TOA。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)門限進(jìn)行優(yōu)化，獲取了一定帶寬下典型室內(nèi)非視距場(chǎng)景TOA估計(jì)的最優(yōu)門限。研究表明，在不同信號(hào)帶寬下，門限法較之峰值檢測(cè)法平均TOA估計(jì)精度提高54.5%，系統(tǒng)定位精度提高1m以上。

[1]ROXINA,GABERJ,WACKM,etal.Surveyofwirelessgeolocationtechniques[C]//GlobecomWorkshops,IEEE,2007:1-9.

[2]HEJ,PAHLAVANK,LIS,etal.ATestbedforevaluationoftheeffectsofmultipathonperformanceofTOA-basedindoorgeolocation[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2013,62(8):2237-2247.

[3]LOWZN,CHEONGJH,LAWCL,etal.Pulsedetectionalgorithmforline-of-sight(LOS)UWBrangingapplications[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,2005,4(1):63-67.

[4] 劉曉建，王智博，鄭霖.能量包絡(luò)的簡(jiǎn)單TOA估計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012,48(5):78-80.

[5]LEEJY,SCHOLTZR.RanginginadensemultipathenvironmentusinganUWBradiolink[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2002,20(9):1677-1683.

[6]SATTARZADEHSA,ABOLHASSANIB.TOAextractioninmultipathfadingchannelsforlocationestimation[C]//IEEEInternationalSymposiumonPersonalIndoorandMobileRadioCommunications,2006:1-4.

[7]GUVENCI,SAHINOGLUZ.Threshold-basedTOAestimationforimpulseradioUWBsystems[C]//IEEEInternationalConferenceonUltra-Wideband(ICUWB),2005:420-425.

[8]WANGX,YINB,LUY,etal.IterativeThresholdselectionforTOAestimationofIR-UWBsystem[C]//2013IEEEInternationalConferenceonGreenComputingandCommunicationsandIEEEInternetofThingsandIEEECyber,PhysicalandSocialComputing,2013:1763-1766.

[9]ZHANGJL,WANGY,DINGLQ,etal.Biterrorprobabilityofspatialmodulationovermeasuredindoorchannels[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2014,13(3):1380-1387.

[10]ZHANGJL,WANGY,DINGLQ,etal.MIMOchannelmeasurementandcharacterizationat6.0-6.4GHzundertypicalclassroomenvironment[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology,2014,21(1):69-76.

[11] 張繼良，汪洋，丁麗琴，等.6.0-6.4GHz室內(nèi)MIMO無(wú)線信道測(cè)量與傳播特性分析[J].電子學(xué)報(bào)，2012,40(6)：1213-1217.

[12]DINGLQ,WANGY,ZHANGJL,etal.Investigationofspatialcorrelationfortwo-usercooperativecommunicationinindoorofficeenvironment[C]//IEEEICCT,2010:420-423.

[13]CHANYT,HANGHYC,CHINGPC.Exactandapproximatemaximumlikelihoodlocalizationalgorithms[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2006,55(1):10-16.

編輯：梁王歡

A TOA estimation method and measured threshold optimization in NLOS scenery

CHEN Dawei, WANG Yang, ZHANG Jiliang, DING Liqin

(Harbin Institute of Technology, Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China)

Aiming at the low precision of TOA estimation by peak detection, on the basis of the existing threshold method, a TOA estimation method under indoor NLOS scenario is proposed. The threshold is optimized using measured data. Simulation results show that, compared with conventional peak detection, threshold optimization can increase average TOA estimation accuracy by 54.5%, and the system positioning accuracy by over 1 meter.

TOA; peak detection; threshold optimization

2016-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(61371101)；深圳市生物、互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金(JC201104210030A)

汪洋(1977-)，男，黑龍江人，副教授，博士，研究方向?yàn)镸IMO無(wú)線通信。E-mail:wangyang@hitsz.edu.cn

陳大偉，汪洋，張繼良,等.一種NLOS場(chǎng)景TOA估計(jì)方法與實(shí)測(cè)門限優(yōu)化[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(6)：442-448.

TN915.01

A

1673-808X(2016)06-0442-07