（通信与信息系统专业论文）无线局域网系统定位算法研究.pdf

无线局域网系统定位算法研究 y9 5 2 8 1 5 摘要 近年来，随着无线通信技术的飞速发展，无线网络业务也越来越引起人们的关注，主要 表现在现今的无线网络不单单局限于通话、小规模数据传输等传统业务，己突破原有无线业 务狭窄的业务空间，向多样化、实时化转变，扩大了无线系统服务范围，使通信、信息检索、 媒体、娱乐服务都能在无线网络中得到应用，可以说无线局域网已经从原来的互连设备转变 成一种多业务承载平台，这其中获取用户位置是实现增值业务的关键。 本文主要讨论了无线局域网络中的定位算法，重点关注室内无线局域网定位，考虑到无 线局域网广泛分布于办公楼寓、厂房车问等室内环境，研究室内无线网络定位有着极其重要 的实际惹义。 本文开始部分简单介绍了无线网络定位的概念，并对应用于无线局域网系统的定位方法 进行了介绍，接着讨论了无线信道特性和应用于无线定位的基本算法。 结合室内无线信道特性，参考已有的无线定位模型，本文利用接收信号功率( r s s ) 提 取距离估计值，进而得到位置估计，考虑到室内电磁波传播情况复杂，通过将传播损耗模型 与最大似然估计结合，提出了- - f , 室内无线定位的迭代算法，可以明显提高定位精度。 在前面的基础上，本文提出了将接收信号功率与到达时间( t o a ) 结合，通过分别考察 信号功率和到达时间的误差范围，共同确定初始的距离估计值，有效抑制了局部极小值对迭 代算法的影响，提高定位精度。 本文还对应用于传感器网络的定位算法进行了探讨，通过结合最大似然估计，提高了在 无线传感网络中实现定位的可行性。 最后，本文还结合作者实际开发经验，介绍了一种室内无线局域网定位系统。此外，还 介绍了一种蜂窝网络定位系统解决方案。 关键词：无线网络；用户位置；定位算法；室内无线局域网；接收信号功率：传播损耗模 型；最大似然估计；迭代算法i 到达时阐：初始估计值；局部极小值：传感器网络；定位系 统 歪垡生堕坚墨堕里篁墨堡型茎 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ew i r e l e s sn e t w o r ks e r v i c ei sb e c o m i n go i l eo ft h eh o tt o p i c sw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s se o m m t l n i c a t i o nt e c h n o l o g y , f o re x a m p l e ，t h ew i r e l e s sn e t w o r k s c “p r o v i d et h es e r v i c e st h a ta r eb e y o n dt h et r a d i t i o n a ls p e e c ht r a n s m i s s i o na n ds m a l l s e a l e d a t at r a n s m i s s i o nt h e s en e wi n c r e a s e ds e r v i c e si n c l u d ev i d e ot e l e p h o n y , v i d e o0 nd e m a n d ( v o d ) ，r e a l t i m em u l t i m e d i ad i s p l a ya n ds oo ha l lt h e s ed e v e l o p m e n t ss h o wt h a tt h e w i r e l e s ss e r v i c eh a sb e e nc h a r a c t e r i z e da s d i v e r s i f i e d ，r e a l - t i m e ，h i g hc a p a c i t y , a n dh i ! 曲 r e l i a b i l i t y b e s i d e s t h e s p e e c hc o m m u n i e a t i o f f ，i n f o r m a t i o ns e a r c h e s ，m u l t i m e d i a , a n d e n t e r t a i n m e n ts e r v i c e sh a v ea p p l i e dw i r e l e s sm o b i l e t e c h n o l o g ym e a n w h i l e ，t h ew i r e l e s s n e t w o r k sh a v eb e e nap l a t f o r m ，w h i c hc a nb e a ra l lo ft h em u l t i m e d i as e r v i c e sa c c o r d i n 2t o i n t e r - c o n n e c to fd i et e r m i n a l sa m o n gt h e m ，h o wt og e tt h el o c a t i o no ft h ew i r e l e s su s e r si s b e c o m i n go q o r ea n dn l o r ei m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u l t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h el o c a t i o na l g o r i t h mi nt h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) ，e s p e c i a l l yt h ea l g o r i t h mf o rp o s i t i o n i n gi nw l a nd e p l o y e di ni n d o o re n v i r o n m e n t 8 e e a u s et h ew l a ni sa l w a y sd e p l o y e di no m c e s ，w o r k s h o p s ，a n de 寸r b i t i e nh a l l s ，t h i s m a k e st h er e s e a r c ho i lt h el o c a t i o na l g o r i t h mf o ri n d o o rw i r e l e s sn e t w o r k sm u c hn l o f e v a l u a b l e i nt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，t h eb a s i cc o n c e p t so fl o c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds o m c l o c a t i o nm e t h o d sh iw i r e l e s su e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d ，a n ds o m ei n t r o d u c t i o n sa r em a d eo n t h ec h a r a c t e r i s t i co f w k e l e s sc h m m e la n db a s i ca l g o r i t h m sf o rw i r e l e s sl o c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef o r m e rd i s c u s s i o n ，b yu t i l i z i n gt i r er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ( r s s ) ，a n a l g o r i t h mb a s e do nt h ei n d o o rp r o p a g a t i o nl o s sm o d e li sh i e d u c e d t h ea l g o r i t h mn s e at h e m a x i m u m l i k e l i h o o d ( m l ) f i l e t h o d ，t a k e sa d v a n t a g eo fa ni r e r a t i v em e t h o dt t jg e tt h e d i s t a n c e sb e t w e e nt h eu s e ra n de a c hr e c e i v e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n ge s t i m a t i o no ft h e s h a d o w i n gf a c t o ri nt h ep r o p a g a t i o nl o s sm o d e l ，a n dg e t st h el o c a t i o ne s t i m a t i o n n c s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a n c o n v e r g e a tt h ef i n a le s t i m a t i o n q u i c k l ya n d a c c u r a t e l y i nt h ef o l l o w i n g a l li n d o o rl o c a t i o na l g o r i f l n nb a s e do i lc o m b i n e dt i m eo fa r r i v a l ( t o a ) a n dr s sm o d e lw a si n t r o d u c e d b yu s i n gt o aa n d r s s ，t h ea l g o r i t h mc a l lg e tm o r ee f f e c t i v e i n i t i a ld i s t a n c ee s t i m a t i o n r e d u c et h ee f f e c t so ft h es h a d o w i n gf a c t o r , a n di m p r o v et h e l o c a t i o ne s t i m a t i o np r e c i s i o n s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi se f f c c t i v e b e s i d e sf i r s tt w oa l g o r i t h m sw h i c hc o n c e n t r a t ei ni n d o o rw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g y , a n a l g o r i t h m ，w h i c hc a nb ea p p l i e di nt h es e n s o rn e t w o r k s ，i sd i s c u s s e dt o i r e p r o v et h e o p e r a b i l i t yo f t h el o c a t i o nt e c h n o l o g yi ns e n s o rn e r w o r k s a t 】a s t ，ap r a c t i c a li n d o o rl o c a t i o as y s t e mb a s e d0 1 1r s si sd e s c r i b e d a n dal o c a t i o n s o l u t i o nf o rc e l l u l a rn e g r o r k si sa l s oi n k o d u c e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k s ；l o c a t i o no fu s e r s ；l o c a t i o na l g o r i t h m ；i n d o o rw l a n ；r e c e i v e d s i g n a ls w e n 粤h ；p r o p a g a t i o nl o s sm o d e l ；m a x i m u m l i k e l i h o o d ；i t e r a t i v em e t h o d ；t i m eo f a r r i v a l ；i n i t i a ld i s t a n c ee s t i m a t i o n ；s h a d o w i n gf a c t o r ；s e n s o rn e t w o r k s ；l o c a t i o ns y s t e m o 无线局域网系统定位算法研究 第一章引言 1 1 移动通信的发展和定位需求的提出 近十年，无线通信的发展非常迅速，移动用户的数量每年以接近4 0 的速度 增长，以我国为例，自2 0 0 1 年以来，移动电话用户年新增用户数量都保持在 6 0 0 0 万左右，并呈稳步上升的趋势。其中，2 0 0 4 年我国新增移动用户达到6 4 8 0 万，2 0 0 5 年，全年新增用户在5 8 0 0 万左右。移动用户数在以很快的速度增长 的同时，移动通信技术也在发生飞快的变革，从开始的模拟技术到数字技术， 从频分复用( f d m a ) 到时分复用( t d m a ) ，从窄带接入到宽带接入，从g s m 、 i s 9 5 发展到w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a ，再到研究中的b 3 g ，无时 无刻不体现着移动通信技术的日新月异，随着移动通信技术的进步，移动通信 的应用也在不断变化：从原始的语音业务向多媒体数据业务发展，从日常生活 使用向移动办公过渡，从大众化服务向个性化服务延伸。随着移动性的普遍、 个性服务的推出，通信系统对“位置”的概念越来越敏感，这不单单是一些位 置相关服务的要求，例如信息查询、公共安全、车辆管理等等，更重要的是依 据位置信息可以从技术上提高系统处理请求的能力，而且移动通信网络的发达 和技术的进步使这种位置服务( l o c a t i o ns e r v i c e ：l c s ) 在实现上成为可能。 定位是位置服务的基础，一般来讲，定位是指确定特定物体在某一参考坐 标系中的位置，定位技术本身是一项既古老又年轻的技术，有着极为重要的应 用价值。传统的定位和导航技术密不可分，导航指的是引导交通工具或其他物 体从一个位置移动到另一个位置的过程，在这一个过程中进行定位辅助，而在 现代社会中，定位有了新的应用，除了传统的导航外，定位技术开始应用于工 程设计、移动蜂窝系统规划、紧急救助、交通监控与管理等等。国际上对无线 定位技术的研究与应用始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位( a v l ) 系统。8 0 年 代以后，随着智能交通运输系统( i t s ) 需求的产生及蜂窝移动通信系统的出现， 人们对无线定位技术也有了新的要求。美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年公 布了e 9 1 1 紧急定位需求的报告，要求所有的无线服务提供商，包括蜂窝移动、 无线局域网系统定位算法研究 宽带p c s 和广域s m r 运营商，都能提供用于e 9 1 1 公共安全服务的定位信息， 并指定了实现的时间表和定位精度要求：第一阶段，到1 9 9 8 年4 月，要求运营 系统能转发接收e 9 1 1 呼叫所在的蜂窝或者蜂窝扇区的位置，而且能够把该 e 9 1 1 呼叫者的电话号码( 称为自动号码识别a n i ) 发送给指定的公用安全回复 点( p s a p ) ，保证当呼叫断开后p s a p 仍可以进行回叫；第二阶段，到2 0 0 0 年 1 0 月，要求无线运营系统能报告e 9 11 呼叫者的位置，并且完成精度达到1 2 5 米( 4 1 0 步) 内的定位需求占到总的定位需求的6 7 ；2 0 0 1 年以后，系统必须能 提供更高的定位精度( 完成精度在1 2 5 米的定位需求占到总需求的9 0 ) 和三维 位置信息。 相比蜂窝移动网络，无线局域网定位起步较晚，但是随着无线局域网的广 泛应用越来越受到人们的重视，文献 4 儿5 6 8 1 3 3 8 4 1 4 4 4 5 4 6 4 7 4 9 5 0 儿5 1 针对室内无线网络定位技术作了研究，文献 9 1 2 1 4 1 8 1 9 等提出了一些针对无线传感网络的定位算法，考虑到定位技术的特点， 如何将定位精度、定位健壮性和定位成本综合考虑已经成为研究热点，而且， 考虑到无线局域网在实际中越来越多的应用，研究无线局域网络定位技术具有 很大的实用价值。 1 2 无线定位的基本概念 定位系统的基本功能是收集在某一地理位置上运作的移动台( m s ) 相关的 位置信息，并对这些信息进行处理，以形成定位估计。无线定位算法是测量在 m s 和一些固定的接收器机之间的无线信号，然后根据测量得到的信号参数( 信 号强度、频率、相位) 的变化，按照给定的算法计算得到m s 的定位估计。由于 无线信道存在信号衰落、信道干扰、多径干扰等影响，接收到的无线信号较大 程度上存在失真，这也使得无线定位很难达到较高的定位精度。无线定位系统 可以由两种基本方法来实现，第一种方法是由一些位置固定的信号发射台( b s ) 发射特定的信号，m s 接收这些信号并分析这些信号的特征值，然后估计出自 己的位置。这种方法在卫星无线定位中使用比较多，比如g p s 、g l o n a s s 、 北斗双星等卫星系统的多个卫星实现移动目标的三维定位；第二种方法是b s 测 量由m s 发射的信号，并将它们转发到一个中心站点进行处理计算，然后将位 无线局域嘲系统定位算法研究 置信息发还m s ，与第一种方法相比，第二种方法不需要对m s 手持机进行任何 修改或者添加专门的设备，而且可以利用更多的系统资源进行更为准确的定位 计算。 1 3 无线定位的种类 1 3 1g p s 卫星定位系统 全球定位系统的空间部分使用2 4 颗高度约2 0 2 万千米的卫星组成卫星星 座。这2 4 颗卫星分布在6 个轨道面上，每个轨道面4 颗。卫星的分布使得在全 球几乎任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，能保证较高的定位精 度和持续的全球导航能力。g p s 系统包括三大部分：空间部分一g p s 卫星星 座、地面控制部分一地面监控系统、用户设备部分一g p s 信号接收机。地面 控制部分一方面要监控卫星运动及其轨道参数，另一方面要保持各颗卫星处于 同一时间标准一g p s 时间系统。g p s 可以提供标准定位服务( s p s ) 和精确定位 服务( p p s ) 两种定位服务，其中s p s 主要为民用，可提供1 0 0 m 的定位准确度， 而p p s 为军用，能够提供2 0 m 之内的定位准确度。g p s 定位系统根据原理可分 为基本g p s 定位( 单点定位) 和差分g p s 定位( 相对定位) 两大类，差分定位又可 分为位置差分、伪距差分和相位差分。单点定位是通过一台接收机对卫星发送 的伪距码进行测量和计算：相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定 观测点之间的相对位置。三类差分定位方法均由基准站发送修正值到接收机， 并由接收机对测量结果进行修正。差分g p s 可以为固定的g p s 基准站1 0 0 o n 范 围内的物体进行精度在2 1 0 m 的定位。 单点定位是依据空间距离来实现的，其原理公式为： 一= 瓜i 再百习而 这里，( 五，i ，z i ) 为g p s 系统中某一颗卫星的位置，( ，y o ，气) 为待测接收 机的位置，在定位过程中需要得到待测接收机与三颗卫星的距离、t 和乇， 然后建立方程便可求解得到( x o ，) 。因为接收机和g p s 不同步的缘故，计算 得到的距离不准确该距离称为伪距离，如果我们假定接收机与g p s 系统的时 - 3 无线局域网系统定位算法研究 间差为出，但是缸未知，故 = ( 蜀一吒) 2 + ( i 一甄) 2 + ( z 一z 。) 2 + ，c ( 1 2 ) 这里，c 为电磁波传播速度，既然g p s 系统中卫星是同步的，如果我们能 够得到待测接收机与四颗卫星之间的距离，便能求得接收机的位置。 位置差分定位则是按照单点定位原理计算出用户接收机和基准站的位置。 由于基准站位置己知，这样就可以得出计算值与确定值之间的修正值，然后基 准站将该改正值发送给用户接收机进行修正。位置差分要求基准站和用户接收 机观测的是同一组卫星。 伪距差分定位中，基准站根据坐标求得它与可见卫星的实际距离，再把该 距离与含有误差的测量值加以比较，利用滤波器求出偏差，然后将这些偏差传 送给用户接收机进行修正。伪距差分是目前用途最广的一种技术。 载波相位差分是利用g p s 卫星载波相位进行静态基线测量，以获得很高的 精度( 1 0 1 0 “1 ，但为了可靠的求出相位模糊度，通常要求静止观测的时间达 1 2 j 、时。 1 3 2 蜂窝无线定位系统 蜂窝无线定位系统实现对移动台定位的基本方法是基于电波场强、基于电 磁波信号到达入射角( a n g l eo f a r r i v a l ：a o a ) 、基于到达时间 ( t i m eo f a r r i v a l ：t o a ) 或基于到达时间差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ：t d o a ) 。 无线定位要求精确定位的前提是电波视距( l o s ) 传播，而电磁波信号的非视距 ( n l o s ) 传播是引起各种定位误差的主要原因。 在蜂窝网络中，对移动台定位的方案主要分为三类：基于移动台的定位方 案、基于网络的定位方案和g p s 辅助定位方案。对应的几类定位系统有： 基于m s 的定位系统 基于网络的定位系统 网络辅助定位系统 m s 辅助定位系统 g p s 辅助定位系统 a 无线局域刚系统定位算法研究 基于m s 的定位方法主要有应用于t d m a 系统的下行链路增强观测时间差 定位方法( e o t d ) 、应用于c d m a 系统的下行链路空闲周期观测到达时间差方 法( o t d o a i p d l ) 、基于g p s 的混合定位技术g p s o n e 等：基于网络的定位方法 主要有基于c e l l i d 定位和基于时间提前量( t a ) 定位的方法、上行链路信号到 达时间( u t o a ) 定位方法、上行链路信号到达时间差( u t d o a ) 定位方法以及 上行链路信号到达角度( u a o a ) 定位方法等，相比基于m s 的定位方法，基于 网络的定位方案不需要对现有移动台进行任何修改，能充分利用蜂窝网络的系 统资源，保护用户现有的投资，而且实现相对容易，因此这种方案在实际系统 中得到了广泛的应用，比如g s m 和c d m a 网络中增加的l c s 功能。 1 3 3 无线局域网定位系统 虽然定位原理与蜂窝网类似，但是由于无线局域网所处的环境比较复杂， 加之无线网络的组织性不像蜂窝网络那么分明，定位方法也会有相应的不同。 因为无线网络一般布置在建筑物密集的地区，仅仅依靠系统原有的硬件设 备不可能实现t o a 、t d o a 、a o a 的精确测量，除非进行系统的升级，增加 投入才能引入上述的定位方法，现有的无线网络定位一般用接收信号强度来进 行位置估计，虽然用于根据接收信号功率估计距离的模型是一个统计模型，但 是该模型是环境依赖的，这也是其能够实现定位的原因。 现有的依据接收信号功率来进行定位的方法大致分为两种：经验数据定位 方法，这种定位方法需要在所在局域网内进行大量数据统计，为网络中的特征 点建立信号向量图，在实际定位中，根据待测点的信号功率向量，使用最大似 然估计算法实现定位；自适应定位方法，在此方法中允许作少量的数据统计， 得到系统模型的主要参数，然后根据算法，综合考虑接收信号功率、距离估计 值和位置估计值来进行定位，这是本文所要讨论的问题。 1 4 无线局域网定位系统的应用 无线局域网是近些年发展起来并被广泛应用的种无线系统，它可使计算 机网络摆脱网线的束缚，与此同时，信息技术的飞速发展已经将无线终端做得 无线局域网系统定位算法研究 越来越小，比如p d a 等个人手持移动设备，这也使无线网络的应用越来越广泛， 而且不管是从成本上，还是从使用效率上，在小范围内布置无线局域网已经成 为企业、学校的首选。同蜂窝网一样，无线局域网也有定位需求，主要包括： 网络安全 网络性能改善 所在地信息查询 战地组网 灾害救助 环境监测 众所周知，安全接入一直是无线网络考虑的重点，一方面设置鉴权，允许 用户合法接入，另一方面需要检测非法入侵网络的用户，这就需要定位技术的 支持。 再者，有了定位技术的支持，可以为无线用户提供优化的路由策略，完成 整个网络性能的改善。 对建立在无线网络上的增值服务系统，定位系统可以提供关键的业务支持， 合法用户可以随时随地的查询网络数据库中的自己所需信息，并完成自己在网 络数据库中的操作，真正实现移动办公。 无线局域网定位的另外一个重要应用就是战场、战地应用，在战场上，获 取作战士兵周围的信息同获取士兵本身信息一样重要，这可以帮助指挥官快速、 有效的做出决定。 除此之外，无线局域网定位系统可以帮助在灾害中受困的受害者，也可以 帮助科学工作者完成对环境参数的监测。 所以，随着无线网络的广泛应用，无线局域定位的意义也越来越重要，这 也是完成本文的重要原因。 无线局域网系统定位算法研究 第二章无线通信信道特性 2 。1 无线通信系统 无线通信系统依靠电磁波传输而实现，当b s 和m s 之间的建立无线链路连 接后，信号即可传输，这是无线通信的特点，而其他通信系统都是用有线来完 成的。但是b s 和m s 之间的无线信道十分复杂，为了进行通信，需要频段选择、 频率分配、无线规划、调制解调、编码译码、同步装置等技术支持。 无线电波的多径传播和由于m s 或周围散射体的运动所引入的非线性时变 特性是移动通信信道的主要特征，这些特征不仅是影响通信质量的主要原因， 也是造成无线定位误差的主要因素。在一般情况下，m s 和b s 之间都存在着障 碍物，比如当m s 在室内或在建筑物群中时，m s 发射的信号只能以反射或衍射 的方式到达b s ，也就是说，b s 无论是从电波的到达时间还是方向角上，都无 法判断m s 位于b s 的真实距离和方向，这种现象就被称为非视距( n l o s ) 。可 以说，移动信道的特征依赖于其所处的环境。通常，将环境分为三种：宏小区、 微小区和室内微微小区。在宏小区中，b s 天线的高度远在地形之上，离散射物 体较远，而m s 则被小距离范围内的散射物包围着。这样，在m s 和服务它的b s 之间就不可能存在直接的视距路径( l o s ) 。在微小区中，b s 和m s 相距不远， 有可能存在l o s 路径。 为了准确地实现定位，关键是要找到可以准确描述电磁信号传播的模型， 因而必须深入研究电磁信号的传播特性。 2 2 电磁信号传播特性 因为定位系统都是基于电磁信号，了解信号的传播极为重要，信号传播过 程中的衰减、反射、折射、散射和绕射，都给信号建模带来了很大困难，尤其 是在非卫星通信系统中，信号传播复杂性研究显得尤为突出，因为这样的系统 大多处在信号传播复杂的环境中，例如城市、楼宇等区域，这一章将主要探讨 信号传播理论，以及基于此的几种信号传播模型。 无线局域网系统定位算法研究 2 2 1 信号传播原理 在研究信号传播理论中，最基本的概念是电场一词，它是由每一点的电场方 向与幅度来描述的，我们知道，电场的周期振动就形成了电磁信号，理论上， 电磁信号可以被分解为正交的分量，最典型的分解就是分成横波和纵波。 功率密度也可以用来描述场强，如果得到接收天线处电场的功率密度f 、 接收天线增益g ，一依赖于天线的物理尺寸、电磁信号频率、波长五和系统的硬 件给信号带来的损耗三，接收到的信号功率可以表示为： p ：f q a _ _ 芝2 ( 2 1 ) 4 x l 、一。 依据式( 2 1 ) ，接收信号功率与波长的平方成正比，实际上波长也影响接 收天线的增益，如果天线的物理尺寸与功率密度是恒定的，那么接收到的信号 与信号频率将是无关的。但是由于传播介质的缘故，信号的频率还是会影响到 功率密度。 因为接收信号功率在很大的范围内变化，所以常用分贝表示，一种是分贝 瓦特，表示用一瓦特去归一化功率值，取得到的比值的对数，然后乘以1 0 ；另 种是分贝毫瓦，与分贝瓦特类似，只不过用毫瓦做归一化，分别表示： p d b w = 1 0 l o g ( p w 1 ( 2 2 ) p d b m l = l o l o g ( p m w l 、 ( 2 3 ) 因为分贝瓦特和分贝毫瓦描述的都是一种比例关系，原来变量的倍数关系 也被转变成和差关系，而且分贝瓦特与分贝毫瓦可以实现简单的转换： p d b m = p d b w + 3 0 ( 2 4 ) 2 2 2 信号的自由空间衰减 在自由空间中，电波传播一段距离后，信号功率会被衰减，接收端天线附 近的信号功率f 可以表示为： ，：堕( 2 5 ) 4 万d 2 这里只是发送端信号功率，g 是发送天线增益，d 是传播的距离。我们将 无线局域网系统定位算法研究 式( 2 1 ) 与上式合并并用分贝表示： p 2 # + 1 0 1 ，o g ( g r ) + l o l o g ( g r ) + 2 0 l o g ( )( 2 6 ) 一2 0 l o g ( d ) 一2 2 上式只适用于自由空间，因为在自由空间中，没有反射、吸收、散射以及 其它一些使信号失真的因素，如果发射机与接收机之间的视距传播被阻挡，接 收到的信号功率会远远小于根据自由空间传播公式( 2 6 ) 计算所得值。 2 2 3 信号的吸收效应 在现实世界的通信系统中，信号总是在一定的媒介中传播，在卫星通信中， 这种媒介主要是指大气层，在蜂窝通信，以及一般的无线局域网中，信号总是 被一些媒介或障碍物吸收，例如建筑物、树木等。而且，信号传播的衰减幅度爿 与y “成比例，这里d 为传播距离，y 是损耗因子，取决于信号传播媒质和信号 频率，这也意味着如果用分贝表示，信号的损耗与传播距离是线性关系。 在高频段，例如高于1 0 g h z 的频率，由于吸收效应而对电磁信号造成的损 耗尤为突出，己经可以同自由空间传播一段距离后的传播媒质损耗相比拟。但 是在现今使用的通信系统中，因为使用频率往往不是很高( 低于1 0 g h z ) ，吸收 效应并不十分明显。 值得一提的是，与空气相比，其他传播介质对电磁信号的吸收衰减效用都 很明显。 除了吸收效应，障碍物所引起的信号的反射，进一步衰减了信号能量，如 果综合考虑吸收效应和反射对信号衰减造成的影响，当信号频率在1 0 g h z 以下 时，可以造成l 2 0 d b 的衰减：当信号频率高于i o g h z 时，信号的衰减更是可 以达到l 6 0 d b 。 2 2 4 信号的反射 如果电磁信号传播过程中遇到尺寸大于其波长的障碍物，反射就会发生， 在反射面，入射电磁信号的小部分被障碍物吸收，大部分沿着反射路径继续传 播。在室外环境中，电磁信号经常被地面所反射形成发射机与接收机之间的双 路径信号传播，如图( 2 1 ) 所示。入射平面中由入射信号与反射信号共同决 无线局域网系统定位算法研究 定。 飞：= 二_ 喜收机 二三二= 。二一厂7 幽2 1 电磁波双路径传播情形 在信号的双路径传播模型中，接收到的信号由直射信号和反射信号构成， 两种信号到达接收机时，信号的相位一般会有差异，在极端的情况下，两种信 号会相互抵消，而造成在接收端信号的陷落，给信号检测带来困难。被反射信 号的幅度依赖于菲涅尔反射因子，而反射因子与反射物体、反射面的光洁度、 信号的频率和入射角度都有关系。当发生反射的表面很粗糙时，又会造成信号 的散射，因此发生在粗糙表面的反射对信号造成衰减的程度远远大于光洁表面。 而且，对于电磁波的纵向成分和横向成分，反射因子并不同，因此反射也会影 响电磁波的极化情况。 图2 2 不同参数时双路径传播模型的曲线 图( 2 2 ) 给出了不同参数时双路径传播模型的曲线，参考文献 1 给出了 用于描述双路径传播的确切方程，由上图可以看出，传播距离越远，双路径传 播模型与4 次方拟和曲线匹配程度越好，4 次方拟和曲线方程如下： g d b = 只【础 + 1 0 l o g ( g f ) + 1 0 l o g ( g ，) 一4 0 l o g ( d ) 一2 2 ( 2 7 ) 1 0 蜘螂勘舶棚舶勘彤舶懈 一p)奄0d口m20。8篷 无线局域网系统定位算法研究 这里p 为接收信号功率，只为发射信号功率，g ，、g ，分别为发射端天线、 接收端天线的处理增益，d 为传播距离。由上式看出，接收信号已经不同于自 由空间中与传播距离的平方成反比，而是与传播距离的4 次方成反比。 2 2 5 信号的衍射 根据惠更斯原理，在介质中，波传到的各点不论在同一波前或不同波前上， 都可以看成是发射子波的波源。当电磁信号传播到楼宇的边缘时，衍射就会发 生，电磁信号也将在楼宇的背面传播。图( 2 3 ) 中，信号发射机被放置在障碍 物附近。 如果电磁信号发生衍射的情况越严重，所消耗的能量也越多，信号衰减的 也越厉害。子波的信号强度要远远小于原来的波，因此如果在接收机和发射机 之间存在直射路径，衍射路径的影响一般可以忽略。 ：泠t ；， 铺；彩_ 磷 委蔑t l 一 、， i 一i t 。一“_ 巍。 图2 3 衍射 2 2 1 6 多径衰落和阴影效应 由于m s 移动的原因，信号的传播不但具有以上所述的典型传输特性，而 且信号的传播呈现移动特征，例如其多径信号的传播距离、相位和延时都是随 机变化的，因而b s 接收到的信号矢量有时增强，有时减弱，在很短的时间内呈 无线局域网系统定位算法研究 现出急剧的变化，所以多径衰落也被称作快衰落，比如，m s 仅移动一个波长 即可导致m s 或者b s 接收的信号起伏达3 0 d b 。 在数字通信中，多径效应也会引起信号幅度衰落、信号时间色散和延时扩 展，当幅度衰落超过一定阈值时将引起误码，而时延扩展会引起“码间串扰”， 例如在窄带系统中，会使信号的幅度、相位发生快速剧烈的变化：在宽带系统中， 会引起严重的“码间串扰”。但在c d m a 系统中，由于其编码的正交性，扩频 技术能从一定程度上抑制多径效应，因为不同的路径相隔若干个码片时间，而 表现出不相关性。 除此之外，多径效应还会引起多普勒频移。比如，当m s 在较短时间内从速 度v 从a 移动到b ，移动距离d a ，。= f l l 一k | | 相对于丸，。= | j 厶。一l a ij 和 吃啪= f f k 一厶| | 都很小( 如图2 4 ) ，从而可以进一步假设嬲一a 与4 一b 的夹角 和b s b 与a b 的夹角相等，为0 ，这样，因为传播路径差d 导致的电波相 位差为： 西：丝a d ：2 z r a t - c o s 0( 2 8 ) b s m s v 图2 4 多晋勒频移分析 接收的信号频率发生的变化，即为对应的多普勒频移： 厶：土型：兰c o s 0( 2 9 ) 。 2 n - ， 五 兀主要取决于m s 的移动方向与电波传播方向的夹角。 与快衰落相对的是慢衰落，或者阴影衰落、阴影效应，它表现为距离所弓 无线局域网系统定位算法研究 起的信号包络变化很小，通常在数百波长的区间内，信号的短区间中值也只出 现缓慢的变动。阴影衰落主要是山当地的拓扑结构的差异引起的，比如建筑、 植物或丘陵小山等。从试验经验数据分析，在宏小区和微小区中，阴影衰落都 可以认为是呈近似对数分布。 2 3 电磁信号传播模型 无论是在定位系统、通信系统的网络优化，还是功率控制的应用中，为电 磁信号传播建模都很重要。电磁信号传播模型经常被用来预测在信号在通信环 境中传播情况，涉及接收信号功率、信号频率特征等等，而且也可以用来描述 电磁信号在传播中的极化、电磁信号的时间弥散、信道的频率选择性和其他一 些影响通信系统性能的参数特征。 出于不同的研究目的，常常需要分别考虑路径损耗、折射、散射等给电磁 信号传播的影响，有时候还要考虑环境气候因素，因而所需要的电磁信号传播 模型也就有一定的差异，比如在考虑规划卫星通信以及诸如此类无线链接距离 超过几十千米的通信系统时，考虑了自由空间损耗、媒质吸收效应、地面反射 的传播模型可以足够准确的描述此类通信系统中的电磁信号传播情况；另一方 面，由于在建筑物密集的城市内部，或者是为了研究建筑物内无线链接的情况， 环境因素诸如障碍物的分布会对电磁信号的传播产生很严重的影响，产生反射、 散射，简单的建模已经不能较为准确的描述电磁信号的传播情形。基于此，从 是否引入环境因子，电磁信号传播模型可以分为通用传播模型和特定环境传播 模型，细化的模型划分如下图： ，一、 ( p r o p a g a t i o nm o d e lj 么多飞一 ( g e n e r a l j f s i t e - s p e c i f i c ) fhata，多冬 - ，。= ：，= ! 、一 l o g - d i s t a n c e = 7 一 + e r i c s s o nm b 9 7 毛e (一ray-optical、-wolflelandston皓r 图2 5 传播模型的划分 无线局域网系统定位算法研究 2 3 1 通用传播模型 通用传播模型主要描述的是信号强度与信号传播距离之间的关系，双路径一 地面反射模型就属于这一类传播模型，还有一种传播模型o k u m u r a 模型，经 常被用来研究无线信道特性，它主要考虑了自由空间的信号损耗问题，而且加 入了一个纠正因子，该因子是信号传播距离与信号频率的函数，依据所建立的 模型，o k u m u r a 分别给出了在开阔、准开阔、郊区、市区时描述信号强度的曲 线。h a t a 根据o k u m u r a 给出的经验数据提出了理论公式，而后c o s t 一2 3 1 工作 委员会发展了h a t a 模型，使之能够在高频段使用，例如1 8 0 0 h z 的移动通信频 段。值得注意的是，h a t a o k u m u r a 模型得很主要的缺陷在于只能用来描述电磁 信号传播超过一千米的情形。 对数损耗模型( 路径损耗模型) 是自由空间路径损耗模型式( 2 6 ) 的拓展， 接收信号功率为： p 【d 目 = # 【d e + z o + 层l o g ( d ) + f ( 2 1 0 ) 这里屈和届共同描述了在特定环境下电磁信号传播一段距离后的损耗情 况，f 是一个修正值，一般为一个随机变量，可以看出，如果届的值为一2 0 d b 时， 上述模型退化至自由空间损耗模型。 2 3 2 地理传播模型 宏观上，电磁信号的传播比较容易理解，如果需要考虑地理信息，诸如地 理环境，建筑数据，建筑构造图等等，我们就需要利用地理传播模型来描述电 磁信号传播，因为此类模型是可以在通信系统实现之前就可以被利用，因此常 用来做通信网络规划。比如，r a y - o p t i c a l 模型用反射和衍射方程来描述信号路 径，一般可以分两步来构建r a y - o p t i c a l 模型：r a y l a u n c h i n g ( 如下图a ) 和 r a y - t r a c i n g ( 如下图b ) 。 在r a y l a u n c h i n g 阶段，电磁信号从发射点向各个方向发射，在个别方向会 遇到障碍物，此时，电磁信号就会产生反射和折射，对空间中的某点的电磁 场建模需要计算由发射点到达该点的每一条“信号射线”；在r a y - t r a c i n g 阶段， 1 4 无线局域网系统定位算法研究 需要考虑所有能够到达该点的信号，从而构建出该点电磁信号的状况。 图2 6r a y o p t i c a l 建模过程 实验证明，在没有经验数据的情况下，使用r a y o p t i c a l 模型可以很好的预测 电磁信号的传播情况，但是如果没有详细的环境信息，该模型的有效性也会被 恶化，另外，建模需要大量的计算时间也是制约该模型使用的一个关键因素。 除了r a y o p t i c a l 模型，还有其他一些地理传播模型，比如一些神经网络算 法，通过将环境参数融合进算法，来对室内的信号强度进行预测，总而言之， 地理传播模型在预测电磁信号传播时有着不可替代的作用。 2 3 3 经验传播模型 经验传播模型是依赖于通信系统的所在环境和通信系统本身的特点，构建 经验模型需要直接从所在的通信系统获取信息，这与通用传播模型和地理传播 模型有着明显的区别。为了得到经验传播模型，必须对所获取的数据、信号功 率样本等信息处理，采用统计、拟合等数学手段完成模型的构建。一般来讲， 经验传播模型很准确，因为它获取了大量的系统信息，这是其他模型难以做到 的。很明显，经验传播模型的缺点就是其环境依赖性，这使它难以达