殷志偉

摘 要：調(diào)頻（FM）廣播信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、寬頻帶、功率利用率高的特點(diǎn)，使得其在當(dāng)代廣播信號(hào)中取得了廣泛應(yīng)用。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)在地面范圍可能存在遮擋，且硬件成本相對(duì)較高，使得其應(yīng)用受限。針對(duì)這個(gè)問題，本文從FM信號(hào)特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)基于FM廣播信號(hào)定位的位置指紋法的原理進(jìn)行探析，考慮應(yīng)用已有廣播信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的優(yōu)勢(shì)與可能性。

關(guān)鍵詞：調(diào)頻（FM）;定位;廣播信號(hào)

引言：用戶位置信息已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代廠商為用戶提供服務(wù)的重要依據(jù)，眾多網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都依賴于位置信息。如何降低硬件成本，為用戶提供廉價(jià)的定位服務(wù)，已經(jīng)成為近年的重要研究。盡管衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，如GPS信號(hào)和北斗信號(hào)，在全球具有優(yōu)秀的定位性能和覆蓋率，但在城市區(qū)域由于建筑物的存在經(jīng)常會(huì)發(fā)生遮擋效應(yīng)，從而影響性能[1]。近年來，我國(guó)廣播電臺(tái)在大中小城市實(shí)現(xiàn)了高覆蓋率，電臺(tái)所發(fā)射的FM信號(hào)在應(yīng)用頻段內(nèi)抗干擾性能良好，有必要探討使用該信號(hào)進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)及可能性。

1 FM信號(hào)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

FM指的是用載波的頻率變化來表征信息的調(diào)制方式。FM信號(hào)主要由甚高頻波段（30MHz到300MHz）的無線電波組成，明顯低于無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）和全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)（GSM）所處頻段，這也為FM信號(hào)提供了其獨(dú)有優(yōu)勢(shì)：

（1）無線電波的衰減效應(yīng)隨頻率而增加，相比于Wi-Fi和GSM，F(xiàn)M信號(hào)在城市內(nèi)部更容易穿過建筑物墻壁到達(dá)接收器，使得在復(fù)雜城市環(huán)境下的定位成為可能[2]。而且，F(xiàn)M信號(hào)波長(zhǎng)為米級(jí)，使得在室內(nèi)定位時(shí)，理論上該信號(hào)受障礙物影響較小[3]。

（2）FM信號(hào)受大氣條件影響較小。國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)指出，頻率低于1GHz的信號(hào)，雨水散射帶來的干擾可忽略不計(jì);頻率低于10GHz的信號(hào)，云霧所帶來的干擾效應(yīng)也可忽略[2]。根據(jù)FM信號(hào)的頻率范圍，其受大氣條件影響可以忽略。

（3）FM信號(hào)對(duì)地形遮擋效應(yīng)有更低的敏感度。舉例來說，100MHz的無線電波在穿過樹林時(shí)，其衰減效應(yīng)的典型值約為0.04 dB/m，而對(duì)于GSM信號(hào)，其衰減程度甚至可以達(dá)到0.3 dB/m[2]。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)M信號(hào)受到地形等因素的影響更小。

（4）FM信號(hào)的覆蓋范圍通?？梢赃_(dá)到數(shù)十甚至上百公里，使得城市或農(nóng)村較大區(qū)域范圍內(nèi)收到信號(hào)成為可能。并且，相對(duì)于Wi-Fi信號(hào)掃描儀，F(xiàn)M信號(hào)接收器（如收音機(jī)）通常具有更低的功耗[3]。

綜上所述，根據(jù)FM信號(hào)的特點(diǎn)，基于FM信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位有其獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)行探討與研究。

2 位置指紋定位方法

可應(yīng)用于定位的無線電信號(hào)特征主要包括信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA）、信號(hào)到達(dá)角度（AOA）與接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）等[4]。其中，作為無線電信號(hào)的典型特征，RSS被廣泛應(yīng)用于FM信號(hào)定位。理論上，RSS與傳輸距離的平方成反比，但在實(shí)際情況下，該特征值會(huì)受到多種環(huán)境因素的作用與影響[2]。這就使得基于RSS的直接定位方法精度較差，考慮到這一點(diǎn)，位置指紋定位方法被提出并應(yīng)用。

位置指紋定位的方法核心在于將未知位置的觀測(cè)值與所有已知位置的測(cè)量值進(jìn)行比較，找到最佳匹配值作為估計(jì)位置返回輸出，這使得該方法受環(huán)境因素的影響相對(duì)較小，抗干擾能力較強(qiáng)[1]。

該方法的實(shí)施主要分為訓(xùn)練階段和測(cè)試階段，如圖1所示，在訓(xùn)練階段，利用接收設(shè)備在已知位置點(diǎn)處采集多頻段FM信號(hào)（FM1， FM2，…， FMi）的信號(hào)強(qiáng)度（RSS1， RSS2， RSS3， RSS4，…， RSSn），以此為基礎(chǔ)采集信號(hào)特征建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包含了所有參考點(diǎn)處接收到的來自于不同頻段的RSS信息;在測(cè)試階段，根據(jù)獲得的信號(hào)指紋，選取適當(dāng)算法對(duì)未知位置處的位置坐標(biāo)進(jìn)行匹配與估計(jì)，以得到滿足要求的最佳匹配值。在此過程中，樣本點(diǎn)的多少、采用的估計(jì)方法等都會(huì)直接影響到最終的定位精度。在采樣點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，可以期望其能夠達(dá)到十米級(jí)甚至是米級(jí)的精度要求;但在采樣點(diǎn)數(shù)量難以達(dá)到要求或前期測(cè)量成本較高時(shí)，也會(huì)對(duì)該方法的應(yīng)用造成一定限制。

針對(duì)匹配估計(jì)算法，目前國(guó)內(nèi)外已有一些研究，如確定性估計(jì)法、概率估計(jì)法、結(jié)合法以及通過訓(xùn)練模型建立信號(hào)強(qiáng)度分布圖等等[4][5]。這些方法為應(yīng)用位置指紋法實(shí)施定位過程提供了大量參考依據(jù)，可幫助用戶根據(jù)實(shí)際問題與需求完成定位方案的設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)：

由于FM信號(hào)的覆蓋范圍大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用FM信號(hào)進(jìn)行定位成為了可能。在城市、山區(qū)等衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)被遮擋的情況下，利用FM信號(hào)進(jìn)行定位不但能保障定位系統(tǒng)可用性，而且能有效降低硬件成本。利用FM信號(hào)進(jìn)行定位，可以拓寬傳統(tǒng)廣播信號(hào)的應(yīng)用范圍，對(duì)我國(guó)廣電事業(yè)的發(fā)展具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

本文對(duì)廣泛應(yīng)用于FM信號(hào)的位置指紋算法的原理進(jìn)行了探析，分析了該方法的來源、實(shí)施過程與可行性。構(gòu)建樣本指紋數(shù)據(jù)庫(kù)過程的采樣點(diǎn)數(shù)量是限制該方法精度的重要因素，因各種條件限制而無法繼續(xù)提高采樣點(diǎn)數(shù)量時(shí)，有必要根據(jù)實(shí)際需求，選取合適的匹配估計(jì)算法，以達(dá)到用戶所需的精度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]樓杭霄， 王結(jié)太， 滕姿， 等. 基于 FM 無線信號(hào)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 信息與電腦（理論版）， 2018， 11.

[2]Popleteev A. Indoor positioning using FM radio signals[D]. University of Trento， 2011.

[3]何艷軍. 基于 FM 的定位技術(shù)研究[D]. 湘潭大學(xué)， 2015.

[4]Youssef A， Krumm J， Miller E， et al. Computing location from ambient FM radio signals [commercial radio station signals][C]//IEEE Wireless Communications and Networking Conference， 2005. IEEE， 2005， 2： 824-829.

[5]Moghtadaiee V， Dempster A G. Indoor location fingerprinting using FM radio signals[J]. IEEE Transactions on Broadcasting， 2014， 60（2）： 336-346.