基于電力線位置指紋的抗時(shí)變室內(nèi)定位技術(shù)

　　引言

　　以GPS定位技術(shù)為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)正快速改變著我們感知和管理客觀世界的方式方法。然而，當(dāng)人們希望借物聯(lián)網(wǎng)熱潮通過空間定位技術(shù)把管理活動(dòng)引入到管理需求更為頻繁和多樣的人工建筑體內(nèi)部時(shí)，包括GPS定位技術(shù)在內(nèi)的無線電定位技術(shù)的局限性便顯露無遺，建筑體對(duì)無線信號(hào)的遮擋，以及遠(yuǎn)比室外空間要復(fù)雜得多的建筑體內(nèi)無線信號(hào)的傳播特性，令傳統(tǒng)的無線電定位技術(shù)不再適用，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展因此進(jìn)入一個(gè)技術(shù)及應(yīng)用的瓶頸期。迄今，業(yè)界還沒有找到一種既具有技術(shù)適用性，成本又可接受的室內(nèi)定位技術(shù)來滿足室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)管理需求，亟待從技術(shù)原理和方案上實(shí)現(xiàn)突破。

　　1.室內(nèi)無線定位的技術(shù)特點(diǎn)與傳統(tǒng)無線電定位技術(shù)的適用性分析

　　傳統(tǒng)的無線電定位技術(shù)是基于一個(gè)適用于室外空間的基本假設(shè)，即電磁波傳播環(huán)境可理想化為無邊界的空間環(huán)境，因此適合運(yùn)用經(jīng)典無線電傳播理論和幾何計(jì)算原理進(jìn)行定位。

　　與室外無線電傳播環(huán)境不同，室內(nèi)環(huán)境中的無線電波傳播過程受周邊墻體的影響非常大，墻體會(huì)對(duì)電波產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、透射和吸收，其中反射和吸收現(xiàn)象對(duì)無線電波傳播的影響尤為顯著。

　　在室內(nèi)環(huán)境，接收設(shè)備檢測(cè)到的無線信號(hào)是原傳播路徑信號(hào)與不同反射路徑信號(hào)的疊加。這種疊加合成的信號(hào)，會(huì)呈現(xiàn)信號(hào)衰落現(xiàn)象，會(huì)在相鄰碼元間產(chǎn)生干擾，這種特性被稱作多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)給原無線信號(hào)所攜帶信息的正確接收和提取帶來難度。

　　室內(nèi)定位難以避免無線信號(hào)收發(fā)設(shè)備之間的非視距傳播(NLOS)問題， NLOS使信號(hào)在原傳播方向的能量大幅降低甚至被阻斷，這將制約以無線電波沿直線傳播為基本假設(shè)的各種傳統(tǒng)無線定位方法。

　　傳統(tǒng)的無線電定位技術(shù)包括：利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(如無線基站)與待測(cè)目標(biāo)間信號(hào)的到達(dá)時(shí)間的TOA(Time of Arrival)或信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的TDOA(Time Difference of Arrival)進(jìn)行距離換算和幾何運(yùn)算的定位法;利用信號(hào)到達(dá)角度的AOA(Angle of Arrival)進(jìn)行幾何運(yùn)算的定位法;利用到達(dá)信號(hào)強(qiáng)度的RSS(Received Signal Strength)換算出傳播距離后進(jìn)行幾何運(yùn)算的定位法等。

　　TOA定位法對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)及待測(cè)目標(biāo)之間的信號(hào)同步技術(shù)要求非常嚴(yán)，需要增加大量硬件成本，而與其基本原理相通的TDOA定位方法則避開了同步問題，因而人們通常選用TDOA定位法而甚少直接運(yùn)用TOA定位法。

　　TDOA定位法顯然易受到NLOS的影響，因此只有在系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備之間的遮擋物對(duì)無線信號(hào)的反射和吸收處于可接受程度時(shí)，即易于檢測(cè)到并正確解算出TDOA信息時(shí)才適用，否則換算成距離進(jìn)行幾何計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。這種要求在工程上是比較苛刻的，由此帶來實(shí)用性問題。除了NLOS的制約，在室內(nèi)環(huán)境TDOA定位法還需面對(duì)多徑效應(yīng)帶來的難題。抗多徑技術(shù)會(huì)大幅增加技術(shù)復(fù)雜度，相關(guān)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性一直難以被接受，目前還不具有實(shí)用性。

　　AOA定位法要測(cè)量來自待測(cè)目標(biāo)的無線電信號(hào)的方向信息，在原理上就不適用于反射和NLOS都存在、甚至可能非常嚴(yán)重的室內(nèi)環(huán)境，前者導(dǎo)致信息傳播方向的錯(cuò)判，后者導(dǎo)致難以檢測(cè)到傳播方向信息。

　　由于室內(nèi)環(huán)境多徑效應(yīng)嚴(yán)重，傳統(tǒng)RSS定位法所依據(jù)的以無邊界理想環(huán)境為前提的電磁波傳播衰耗模型不再適用，雖然研究新模型或修正模型一直是業(yè)界的熱點(diǎn)，但截至目前還沒有出現(xiàn)實(shí)用化的成果，因而RSS定位法目前也不具實(shí)用性。

　　2.位置指紋模式匹配無線定位技術(shù)

　　本世紀(jì)初快速發(fā)展起來的基于位置指紋模式的DCM(數(shù)據(jù)庫相關(guān)算法，Database correlation method)定位技術(shù)是一種有利于避開多徑效應(yīng)和NLOS的另辟蹊徑的新定位技術(shù)【1】【2】【3】。

　　在室內(nèi)環(huán)境，由于反射現(xiàn)象嚴(yán)重存在，無線電信號(hào)傳播路徑復(fù)雜，在每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，信號(hào)由不同反射路徑抵達(dá)疊加后具有與人的指紋特性相類似的唯一性，這種具有物理特征唯一性的無線電信號(hào)被稱作該檢測(cè)點(diǎn)的位置指紋?；谖恢弥讣y，運(yùn)用DCM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。

　　基于DCM技術(shù)的位置指紋模式匹配定位技術(shù)分兩個(gè)階段實(shí)施。在離線階段，把待測(cè)目標(biāo)所處場(chǎng)點(diǎn)檢測(cè)到的來自信號(hào)基站的無線信號(hào)特征參量(即位置指紋，一般取RSS值)記錄下來，作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與場(chǎng)點(diǎn)的地理位置信息綁定存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中;于在線階段，用實(shí)時(shí)檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)無線信號(hào)特征參量，與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)位置指紋進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)處理后，通過映射處理查找到待測(cè)目標(biāo)的位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)定位。

　　基于DCM技術(shù)的位置指紋模式匹配技術(shù)充分利用了計(jì)算機(jī)的快速處理、大容量存儲(chǔ)能力，可以有效繞過NLOS、多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳播造成的直接影響，可避開物理建模和精準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算等復(fù)雜技術(shù)，與基于幾何計(jì)算的無線電定位技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，因而被業(yè)界普遍看好。

　　位置指紋模式匹配定位系統(tǒng)若配套建設(shè)專用基站(如RFID基站)，帶來系統(tǒng)投入大和基站的技術(shù)維護(hù)問題。為了降低系統(tǒng)建設(shè)成本，一般借用周邊已經(jīng)存在的通信網(wǎng)絡(luò)的無線基站信號(hào)，如GSM、3G、WLAN等通信基站，而不是重新建設(shè)專用定位基站。但是，這些基站是為通信業(yè)務(wù)而配置，它們?cè)谶\(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整、基站數(shù)量增減，甚至位置變動(dòng)等不測(cè)是難以避免的，顯然會(huì)影響在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)位置指紋的有效性。這說明作為DCM的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在時(shí)變性問題，給定位系統(tǒng)的正常定位操作帶來隱患，或者說存在著性能完好性問題。一旦出現(xiàn)上述時(shí)變性問題，系統(tǒng)的位置指紋信息數(shù)據(jù)庫必須全面校正，帶來的校正工作量是巨大的，周期也很長(zhǎng)。

　　3.基于電力線位置指紋的DCM定位技術(shù)

　　近些年來出現(xiàn)的電力線定位技術(shù)【4】【5】【6】，是一種基于電力線位置指紋的DCM定位新技術(shù)，正逐步引起業(yè)界的注意。研究表明【4】，電力線定位技術(shù)的定位精度、技術(shù)復(fù)雜性、功耗和成本等多項(xiàng)性能均優(yōu)于基于GSM基站或WLAN基站的位置指紋定位系統(tǒng)。

　　電力線定位技術(shù)以低壓電力線為信號(hào)傳輸與輻射媒介，低壓電力線網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、復(fù)雜的傳輸特性賦予位置指紋獨(dú)特的可辨識(shí)特性，加之電力線至室內(nèi)空間的“天然”通達(dá)性，使電力線定位技術(shù)具備了率先突破室內(nèi)定位瓶頸的技術(shù)潛力。

　　3.1基于電力線傳輸?shù)臒o線電定位信號(hào)的覆蓋性

　　無線電定位技術(shù)首先要解決信號(hào)的覆蓋性問題，這是前提條件。與主要以空氣為傳播媒介的其它無線電定位技術(shù)不同，電力線在定位信號(hào)的傳播過程中有兩重作用，一是通過電力線遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)定位信號(hào)，二是借助電力線輻射出定位信號(hào)形成各場(chǎng)點(diǎn)的位置指紋。

　　一般而言，建筑體內(nèi)的低壓電力線系統(tǒng)或稱電力線網(wǎng)絡(luò)總是配置在人員活動(dòng)或設(shè)備安裝區(qū)域，提供照明用電或用電器接駁口。這些區(qū)域正是有物聯(lián)網(wǎng)管理需求的區(qū)域，因此可以說低壓電力線網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些區(qū)域具有“天然”覆蓋的特點(diǎn)。大多建筑體都是由同一個(gè)低壓變壓器供電，如果在低壓變壓器的用戶線一側(cè)耦合接入定位信號(hào)，信號(hào)就可以通過電力線網(wǎng)絡(luò)輕易到達(dá)室內(nèi)有管理需求的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)良好的信號(hào)覆蓋。

　　電力線定位技術(shù)的定位信號(hào)通過電力線遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)，既利用了電力線作為良導(dǎo)體的傳導(dǎo)特性，使信號(hào)傳送距離更遠(yuǎn)，覆蓋性更好，又避開了信號(hào)于建筑體內(nèi)隔墻傳送過程中的NLOS問題，同時(shí)減少了信號(hào)在傳送過程中的多徑效應(yīng)的影響。

　　3.2電力線傳輸特性的位置敏感性與位置指紋可分辨性

　　電力線的傳輸特性比專為信息通信而設(shè)計(jì)的通信電纜要復(fù)雜得多，當(dāng)電力線作為通信信道利用時(shí)，其傳輸增益和輸入阻抗等特性會(huì)依地理位置改變、頻率的變化、時(shí)間的不同而顯著地變化【7】【8】【9】。

　　圖1【7】【8】是實(shí)際測(cè)得的低壓電力線上輸入阻抗隨頻率的變化曲線，圖中兩條曲線是在同一電力線網(wǎng)絡(luò)中的不同地理位置所測(cè)得?？梢?，不同場(chǎng)點(diǎn)所測(cè)輸入阻抗隨頻率的變化趨勢(shì)差別極其顯著，表明了其對(duì)所處地理位置極其敏感。

圖1 輸入阻抗與頻率的關(guān)系

　　傳輸特性的這種對(duì)位置的敏感性，一是緣于隨距離的增加電力線對(duì)信號(hào)的快速衰耗，二是與低壓電力網(wǎng)中用電器等負(fù)荷在地理空間上無規(guī)律分布密切關(guān)聯(lián)。用電器接入電力線所引入的負(fù)載效應(yīng)對(duì)距離較近的檢測(cè)點(diǎn)所呈現(xiàn)傳輸特性的影響會(huì)更大，即傳輸特性與用電器位置分布呈現(xiàn)出關(guān)聯(lián)性，這種關(guān)聯(lián)性可轉(zhuǎn)化為檢測(cè)點(diǎn)傳輸特性與檢測(cè)點(diǎn)所處位置的關(guān)系，稱作位置敏感性。

　　在電力線附近，周邊連成一體的電力線就像一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀的特型天線，其輻射出的無線定位信號(hào)(位置指紋)在附近場(chǎng)點(diǎn)呈現(xiàn)出電磁場(chǎng)近場(chǎng)特點(diǎn)。在近場(chǎng)條件下，特型天線輻射區(qū)的電磁場(chǎng)特性與空間參量的關(guān)系很復(fù)雜，也體現(xiàn)出對(duì)位置的敏感性。

　　上述信號(hào)傳輸特性或輻射特性所呈現(xiàn)的對(duì)位置的敏感性，都有利于電力線定位系統(tǒng)辨識(shí)位置指紋隨地理位置的顯著變化，即增強(qiáng)了位置指紋的可分辨性。

　　3.3電力線傳輸特性的頻率選擇性與位置指紋

　　電力線傳輸特性的另一個(gè)特點(diǎn)是顯著的頻率選擇性，例如在圖1中表現(xiàn)為輸入阻抗特性隨頻率而劇烈變化，頻率選擇性的另一個(gè)例子如圖2【10】呈現(xiàn)的信道衰減特性隨頻率的變化，這些都使信號(hào)經(jīng)信道傳輸后嚴(yán)重失真。電力線的這種頻率選擇性對(duì)信息傳輸技術(shù)或以信息傳輸為基礎(chǔ)的定位技術(shù)而言，會(huì)成為信號(hào)接收解調(diào)電路的有相當(dāng)難度的技術(shù)障礙。對(duì)于采用DCM技術(shù)的電力線定位技術(shù)，則因其技術(shù)原理的截然不同而繞開了需接收電路有效恢復(fù)原信號(hào)的問題，需要的只是采集并記錄在檢測(cè)點(diǎn)實(shí)際的疊加合成信號(hào)的電磁特征(用于實(shí)時(shí)定位時(shí)比對(duì)映射)，頻率選擇性不再成為技術(shù)障礙。

　　傳輸特性的頻率選擇性在一定條件下可以被利用起來增加位置指紋信息的可分辨性。圖1表明，不同的地理位置檢測(cè)到的頻率選擇性廻然不同，利用這種位置-頻率相關(guān)性可增強(qiáng)位置指紋的可分辨性。

　　3.4電力線傳輸特性的時(shí)變性與位置指紋

　　電力線通信系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，最令研發(fā)人員頭疼的莫過于電力線傳輸特性的時(shí)變性。電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中用電器的接入或斷開都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能，時(shí)變性因此普遍存在于電力線網(wǎng)絡(luò)電特性的各個(gè)方面，包括傳輸特性和干擾特性等。眾多用電器隨機(jī)接入/斷開對(duì)傳輸特性影響的統(tǒng)計(jì)效果也表現(xiàn)出一定的規(guī)律，如表現(xiàn)為用電高峰和用電低谷時(shí)的較大差異，例如圖2所示為一個(gè)典型測(cè)試數(shù)據(jù)三維圖，呈現(xiàn)了電力線傳輸衰減特性在一天24小時(shí)內(nèi)的波動(dòng)周期，一天內(nèi)的差別最大可達(dá)數(shù)十分貝。這種波動(dòng)以一天為周期劇烈地起伏，而在比一天更長(zhǎng)的時(shí)段觀察，衰減特性的均值還會(huì)隨低壓電力網(wǎng)中大量用電器的隨機(jī)接入/斷開而整體上下變化。

圖2 傳輸衰減的時(shí)變性與頻率選擇性

　　如何解決傳輸特性隨時(shí)間波動(dòng)對(duì)位置指紋定位帶來的影響，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。筆者針對(duì)時(shí)變性難題提出了一種定位方法和系統(tǒng)實(shí)施方案，以適應(yīng)位置指紋的時(shí)變性，從而實(shí)現(xiàn)正確定位，在下一章將作一簡(jiǎn)單介紹。

　　4.抗電力線時(shí)變性的電力線位置指紋定位技術(shù)解決方案

　　筆者提出一種基于電力線位置指紋和DCM技術(shù)的室內(nèi)定位方法，定位系統(tǒng)由定位信號(hào)發(fā)生器、移動(dòng)終端、信息處理單元、指紋信息數(shù)據(jù)庫、固定感應(yīng)裝置組成。該方法的核心思想是，配置于已知地理位置處的固定感應(yīng)裝置準(zhǔn)實(shí)時(shí)反饋位置指紋信息，用以及時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)驗(yàn)位置指紋信息，以應(yīng)對(duì)傳輸特性的時(shí)變性。

　　系統(tǒng)在低壓變壓器的用戶側(cè)配置一個(gè)定位信號(hào)發(fā)生器，它向電力線發(fā)送的定位輔助信號(hào)選用多個(gè)單頻信號(hào)線性合成一個(gè)特征參量矢量。于移動(dòng)終端和固定感應(yīng)裝置接收并提取的信號(hào)矢量(即各單頻信號(hào)幅度)，即為位置指紋信息，反映出所處場(chǎng)點(diǎn)的頻率衰耗特性。系統(tǒng)信息處理單元根據(jù)接收到的已知安裝位置坐標(biāo)的固定感應(yīng)裝置反饋的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)位置指紋，及時(shí)調(diào)整指紋信息數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)位置指紋信息。系統(tǒng)信息處理單元依據(jù)接收到的待定位移動(dòng)終端的位置指紋信息進(jìn)行DCM處理(參見第2章)，從指紋信息數(shù)據(jù)庫中映射索查出該終端的即時(shí)位置信息。

　　室內(nèi)定位系統(tǒng)一般有兩種典型應(yīng)用模式，一種應(yīng)用模式是終端自行定位導(dǎo)航模式，另一種是對(duì)終端或終端載體進(jìn)行管理的模式。

　　在終端自行定位導(dǎo)航模式下，系統(tǒng)的連接示意圖如圖3。系統(tǒng)利用了電力線作為傳輸和輻射媒介，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)終端和固定感應(yīng)裝置技術(shù)簡(jiǎn)單，凸顯出較好的經(jīng)濟(jì)性或?qū)嵱眯浴?/P>

圖3 終端自行定位導(dǎo)航模式配置示意圖

　　另一種應(yīng)用模式是對(duì)終端或終端載體進(jìn)行管理的模式。這種應(yīng)用模式下，系統(tǒng)的連接示意圖如圖4。這種模式下的信息傳輸特點(diǎn)是，移動(dòng)終端通過短距離無線通信鏈路(例如藍(lán)牙鏈路)將實(shí)時(shí)提取的位置指紋信息發(fā)給固定感應(yīng)裝置后，再與固定感應(yīng)裝置的反饋信息一起通過電力線通信通道轉(zhuǎn)發(fā)至信息處理單元，從而最大限度地利用電力線媒介實(shí)現(xiàn)定位，實(shí)用性很強(qiáng)。

圖4 對(duì)終端或終端載體進(jìn)行管理模式配置示意圖

　　本系統(tǒng)在滿足室內(nèi)定位的技術(shù)需求的同時(shí)，作為實(shí)用產(chǎn)品具有低成本優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：技術(shù)簡(jiǎn)單因而開發(fā)成本低;終端技術(shù)適合集成化因而產(chǎn)品制造成本有望繼續(xù)降低;免除了基站和天線的配置，因而系統(tǒng)建設(shè)成本低。

　　5.結(jié)束語

　　本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域亟待突破的室內(nèi)定位技術(shù)，分析了室內(nèi)定位的技術(shù)需求和現(xiàn)有無線電定位技術(shù)的不適用性，基于對(duì)電力線傳輸特性的分析提出了一種適合室內(nèi)定位的電力線定位技術(shù)方案。該方案利用電力線傳輸特性的頻率選擇性和位置敏感性形成位置指紋，基于DCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，運(yùn)用準(zhǔn)實(shí)時(shí)反饋和調(diào)整機(jī)制有效克服電力線信道特性的時(shí)變性，可破解室內(nèi)無線定位難題。

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