无线局域网定位_图文

1、无线局域定位MartiinVossiek,Leif Wiebking,Peter Gulden,Jan Wieghardt,Clements Hoffmann,Patric Heide局域定位将会是下一代无线系统中最令人振奋的特色之一。用于无线数据传输和应答器系统的全新概念和特性将会浮出水面。自行管理的传感器网络,无处不在的运算,区域敏感的收费,与情形有关的信息服务,跟踪和导引等等仅仅是无数可能的应用领域中的一些例子。本文介绍了无线局域定位方案中的不同概念,并且回顾了现有的和正在涌现的系统和应用。近些年来,我们已经看到了以指数级速度增长的无线系统。无线技术已经进入了消费者应用领域,工业,医疗系

2、统及其它众多的应用中。到目前为止,无线系统的中心问题变为诸如标准,带宽,可用性,或模块成本等方面。换句话说,焦点是要实现无线接入的商业可用性。现在无线信息的获取范围很广,额外的推动这方面讨论的话题是来自于用户和应用一方。我们可以越来越_Martin Vossiek (martin.vossiek, Leif Wiebking, Peter Gulden,Jan Wieghardt, and Clemens Hoffmann are with Siemens Corporate Technology, Otto-Hahn-Ring 6, 81730 Munich, Germany.Martin

3、Vossiek is also with Technische Universität Clausthal, 38678 Clausthal-Zellerfeld Germany.Patric Heide is with EPCOS AG, Anzinger Str. 13, 81617 Munich, Germany明显地看到,无线系统的下一个飞跃不仅仅是要通过提高数据传输速率来将目前的状态升级。而需要能够方便,灵活和易于使用的无线系统新的特性和服务。在这种情况下,局域定位系统便引起了人们极大的关注1。通过局域定位技术,一个移动的器件可以收集关于它自身位置的信息或从别处对它进行定位

4、。对局域定位所产生的浓厚兴趣是由几方面的因素而激发出来的。首先,无线系统的最大成功是由其可移动性来诠释的。移动性从本质上说是与不确定性相联系的。然而,在工业制造,网络组织和其它许多应用中,常常不希望出现不确定性。局域定位是有效地克服不确定性的唯一方式。安全性和完善性也同样可以极大地受益于局域定位。数据源头,传播路径,和目的地这些信息对于安全性和完善性来说当然是非常重要的。最后但却并非最不重要的是无线网络数据容量的限制是其固有的特性。因此,需要一种智能化的能显示来龙去脉的信息传输。一个必要的信息便是移动器件的位置。局域定位可以使无线数据传输和应答器系统的全新概念和特性得以实现。自行管理传感器网络

5、,无处不在的运算,区域敏感的收费,与情形有关的信息服务,跟踪和导引等仅仅是许多可能的应用领域中的一些例子。这个需求激发了热烈的研究活动。几乎所有无线领域的业界巨头和无数新建公司都在开展这方面的工作,结果便是现有的商业化无线局域定位系统在不断地增加。无线局域定位系统的分类一个无线局域定位系统基本上都包含至少两个分离的硬件:一个是承载系统“智能化”主要部分的测量单位和一个信号发射机。最简单的应用中的发射机不过是一个信标(beacon。取决于这些部件的功能和它们的相互作用,可以对无线局域定位系统进行一个系统化的分类。系统拓扑结构正如前面所述,系统拓扑结构是一种区别不同的无线局域定位系统的一种可能方式

6、。表1给出了一个关于命名的概述 2 。第一个区别是自定位系统和远程定位系统。在自定位系统中,测量单元是移动的。这个单元接受来自于几个位置已知的发射机的信号,具有根据测量的信号来确定自身位置的能力。远程定位系统是以另一种方式工作的;它们的信号发射机是移动的,几个固定的测量单元接受来自发射机的信号。在主基站,来自所有测量单元的结果被集中起来,发射机的位置便可以被计算出来。远程定位系统的主要优点是移动部件能够做得体积小,成本低,功率效率好。而另一方面,这个优点的代价是复杂的系统和主干网络,昂贵的基础设施。究竟是远程系统更合适,还是自定位系统更合适,这将严格地取决于应用。错误的选择会将系统的成本提高1

7、0倍。这个事实所要强调的是几乎不可能制作一个单一的系统来覆盖很宽的应用范围。如果一个局域定位系统提供一个无线数据链接,那么当然有可能将测量结果1从自定位测量单元传送到远程端或2反之亦然。第一种情况可以认为是间接的远程定位,而第二种情况称为间接自定位。测量原理目前主要采用三种不同的测量原理:到达角度(AOA,接受信号强度(RSS,以及进一步分为三个子类的以传播时间为基础的测量原理:到达时间(TOA,来回飞行时间(RTOF,到达时间差(TDOA。图1显示了每种概念的原理。在AOA系统中,是通过测向仪来计算位置的。通过使用定向天线或天线阵列,测量与已知位置点的相对角度。几个测得的方向点的交点便能够给

8、出位置信息。 图1 测量原理(a到达角度AOA,其中RU和MU代表的是远程和移动单元,1和2是测量的方向角度;(b接收信号强度RSS,其中L1和L2代表测得的路径损耗;(cTOA和RTOF,其中1和2代表的是测得的信号的单程或双程的传播时间,空间位置是由圆心在RU的圆的交点决定的;(dTDOA,其中12和23代表的是信号从MU到达两个不同的RU的时间差,位置信息是由焦点在RU处的双曲线交点所确定的。图2 当前无线局域定位系统一览。这种方法的精度受到测量孔径的定向性,屏蔽和/或来自于错误方向的多路径反射的限制。RSS系统是基于传播损耗方程的。例如,自由空间的传输损耗L B,是与1/r2成正比的。

9、然而,在实际情况中,这个简单公式却并不适合用来根据发射和接收功率之差来计算距离3。在室内环境或已建成区域中,多径衰落和屏蔽起着支配性的作应4。为了解决这个问题,需要一个先进的传播模型,或者通过实际测量得到所感兴趣的区域内实际的场分布。由于高度非线性化的输入输出对应关系,使用了复杂的算法或神经元网络。后一种方法使用在本文随后将要描述的神经元蜂窝-定位系统(NCPS中。RSS的主要优点是大多数现代化的无线模块实际上已经提供了接收信号强度指示器(RSSI。而且,误码率(BER可以被用来估测信号的衰减。因此,在无线通信系统中实施一个局域定位系统或多或少都是软件方面的课题,并不需要专有硬件。由于物理上的

10、限制,AOA和RSS系统只能给出中等精度的位置信息。用于局域定位测量最直观和最准确的方法可能是测量信号从发射机传播到达测量单元以及返回所用的时间。很明显,飞行时间随后便可以用来计算距离。在若干个这种测量的基础上,二维或三维位置信息便可以通过时间差异直接推导出来。然而,这种直接了当的方法在实施时却有着严重的固有困难。时钟同步是一个主要的问题。实际上,基于时间的系统主要是由处理这个问题的不同概念来区分的。在TOA系统中,所测量的是单程传播时间,测量单元和信号发射机之间的距离便可以计算出来。这种概念需要所有被用到的固定和移动单元具有精确的时间同步。在这种情况下,绝对时间的同步必须具有与所要求的位置精

11、度相关的精确度。例如,在厘米范围的位置精度要求其绝对时间的同步要远远小于1ns。因为时钟信息必须分布到移动元件并在此保存,这种方法要么会产生一个昂贵的系统,要么会产生一个不够准确的系统。如果选择RTOF系统,绝对同步的要求可以被较为温和的相对时钟同步来替代。在这里,测量单元或多或少地充当着公用雷达的角色。应答器回应着询问的雷达信号,并且测量一个完整的双程传播时间。在这种情况下,同步化的挑战是测量单元必须知道回复器准确的延迟/处理时间。一个简单的计算可以表明这个要求是很难达到的。如果测量单元和应答器均具有精度为25ppm的相当好的石英时钟源,那么应答器中1ms的处理时间会引起测量值产生几米的变化

12、。一般来说,在RTOF系统中,要么具有一个较好的时钟同步,要么就是处理时间要非常短。一个巧妙的防止系统同步问题的方法是使用调制反射的概念5,6。在这里来自基站的询问信号与叠加了特定调制的信号同步化地被反射回去。这种方法的主要缺点是雷达信号必须要完成一个完整的来回双程路径。因此,传播损耗至少与距离 r 的4次方成比例。 图3信号功率分布的范例。基站信号的强度由移动电话测量并且随后返回位置服务器。图4 自测量模式的LPR系统的工作原理和结构,其中一个移动测量单元B1同时测量在它所能达到的范围内与所有调制的有源反射器单元T1T n之间的距离。图5 LPR 测量原理:一个与FMCW-雷达类似的测量单元

13、测量其与一个调制反射器单元的距离。所以,这种方法的标准形式只适合于短距离系统。然而,新的应答器概念提供了克服这个缺点的方案7,8。在本文的后面将要介绍基于调制反射的一个强有力的RTOF系统。今天,现有的大多数方案是远程TDOA系统。在TDOA系统中,计算若干对测量单元所接收到的信号的时间差。TDOA 系统的优势是只需要使测量单元之间同步。这种同步是通过使用干线网络或位置已知的参考应答器来实现的。几乎所有基于时间的局域定位系统采用的都是我们所熟悉的现代雷达系统的信号和信号分析概念。连续波(cw信号,脉冲,或伪随机脉冲序列,线性频率调制信号,跳频,或相位调制信号都可以使用。就硬件/软件要求,实施方

14、案以及性能来说,不同形式的信号有它们各自特定的长处和短处。对于所有宽带调制方式来说,有一个共同特性:在多路径环境中,带宽是实现准确定位的关键要求9。只有在合适的带宽下,才可能将多路径传播分开及消除。即使带宽可达到几百兆赫,一个设计良好的系统的精度主要还是由未被消除的多路径传输和/或多路径衰落来限制的。系统现状和解决方案到此为止,我们已经介绍了不同种类的无线定位系统。每种类型的系统又存在着不同的实施方法,从而导致了市场上产品的多样性。对目前所有系统进行一个完整的综述则超出了本文的范围。然而,图2对当今无线局域定位系统进行了一个粗略的综述,接下来要对一些典型系统和公司进行讨论。最有名和分布最广的定

15、位系统是全球定位系统(GPS或它的差分配套系统,DGPS10。这个出色的已存在于全球的系统同样也适用于许多室外其它定位任务。然而,在密集的城市地区和室内,GPS有它自己的短处。遗憾的是,这些正是产生大量的,发展势头迅猛的局域无线数据传输的区域。对于蜂窝电话定位系统来说,存在着若干种不同的解决方案 2, 11,12。最简单,同时也是最不准确 图 6 在一座办公大楼内,当在若干由数字标示的测试位置上对无绳DECT电话定位时,所得到的位置信息和位置误差信息。的概念是直接使用与服务地区的物理位置相关联的蜂窝的识别号。典型的蜂窝尺寸可以是100m到几十公里。从相邻基站测得的TOA或TDOA可在城市地区将

16、精度提高到50m到100m。在标准无线局域网(WLAN如DECT, WLAN802.11或蓝牙等通信系统中实施局域定位是非常有吸引力的。定位系统和通信系统之间的协同作用已经展现出来。几年前,微软研究小组介绍了他们称为RADAR的系统,这个系统是在WLAN组件的基础上所实施的RSS定位系统13。Li等人发表了基于DSSS或OFDM WLAN基础上的TDOA解决方案14。在本文的后面,将要描述西门子NCPS方案,这是一个基于DECT或WLAN802.11的RSS系统。一个典型的WLAN局域定位系统的精度大约是3-30m,位置更新的速度是几秒钟。一些专利化的解决方案,例如Pinpoint的3D-ID

17、系统15,或WhereNet的TDOA系统16,具有与上述WLAN系统相似的性能表现。然而,一些具有较长的功率消耗时间的特别设计的硬件和协议可以将移动器件内的功耗降到最低,因此,这些产品主要是针对典型的应答器市场,而不是WLAN 数据传输服务的。正如图2中所描绘的,可以明确表示出具有精度高于1m的精确定位系统与不精确定位系统之间的技术障碍。对于众多跟踪,运输以及导引应用来说,一个中等程度的精度就足够了。然而,在许多领域,如自动化和控制应用中,精度要求则高得多。到目前为止,只有专利的宽带微波系统可以具有这样的精度。未来的超宽带(UWBWLAN系统很有可能提供准确的局域定位信息。今天,已经存在若干

18、专利化的UWB局域定位系统17。然而,由于目前FCC UWB规范中严格的功率限制,主要还是短距离的解决方案比较可行。今天市场上功能最为强大的无线局域定位系统之一是由奥地利的ABATEC公司所开发的18。这个局域定位测量系统(LPM是为体育方面的应用而特别设计的。对于那些对成本要求不太敏感的应用,它所能提供的定位范围大于500m,具有小于1 ms的高速的数据更新速度,精度可达到cm级。西门子开发的局域定位雷达(LPR系统具有类似的更新速度和精度。这个系统是最近投入开发的,可用于工业应用中如起重机和叉车的定位。这个系统设计的方针是将安装,基础设施和维护成本减到最小。下面将要详细介绍LPR系统。RS

19、S-系统的例子- NCPS我们已经讨论了RSS系统的基础概念。本节将要介绍一个特别的RSS系统,西门子神经元蜂窝定位系统(NCPS。这个系统通过使用现有的无线语音或数据基础设施,避免使用另外的接收机来降低成本。移动手提装置或无线局域网适配器已经定期地对无线电频带进行扫描,一旦接收到的功率降低到某个门槛值以下时,便开始切换。接收机要使用这个测量数据并不需要另外的硬件。只需简单地将接收到的信号功率与基站识别代码一同发送给中心位置计算引擎即可。 图 7 一个配有无线局域定位系统来实时监测每一台机器，存货以及运输工具的位置的智能工厂的一个场景。 当用到幅值类型的量值来进行室内定位时，所需解 答器以及更

20、为复杂的雷达前置端。 这些变化可以将测量 决的主要问题是复杂的非线性场分布将简单的接收功率 距离扩延到几百米。 另外， 优化的系统方案省略了任何 与距离的关系变成了一个复杂的映射问题。图 3 便显示 了这种情况。 场设置的复杂性是由神经元网络的学习方法来解决 的。电磁场的实际分布是通过在已知位置处进行接收功 率的测量来得到的。这个分布数据存贮在中心服务器中， 作为位置计算引擎的输入。在定位过程中，无线器件将 测得的功率发给每个基站，位置计算引擎随后对相对于 每个基站的场强进行映射，从而给出实际测量得到的位 置。表 2 是总结的系统精度和参数。这个系统的特殊优 点是可以与标准的通信系统严丝合缝地

21、集成在一起而无 需另外的硬件。 RTOF 的系统实例- LPR 正如前面所讨论的，若干应用所要求的精度要达到几个 cm，更新速度通常要小于 100ms。这种要求只能通过专 利化的微波系统如 LPR 才能达到。在这个 RTOF 系统中， 图 8 采用局域定位雷达（LPR）测得的起重机的运行路 测量信号在应答器和基站之间的往返时间。LPR 的另一 线。 个特性是它有可能按照远程-定位和自定位两种方式来运 行。接下来，主要考虑如图 4 所示的自定位运行方式。 基于频率调制连续波（FMCW）雷达的原理，一个 移动的测量单元 B1 在其力所能及的范围内同时测量它与 所有调制的有源反射器单元 T1Tn 之

22、间的距离。通过求 解一组来自测量的几何结构和所测得的距离的三角函数 方程，便可以计算出移动单元的位置。在图 5 中对距离 原理进行了说明。首先，雷达单元发出一个频率调制信 号。这个信号随后被应答器通过一个特定的调制反射回 来，对接收到的经过双程传输的调制信号响应进行计算， 通过类似于 FMCW 雷达的方式便可得到距离。在文献 19 发表前，已经发表了测量概念所包含的物理和技术。 图 9 LPR 与参考系统的测量距离的误差直方图。对在轧 目前这个解决方案的不同之处仅在于不同调制类型的应 机房里正常工作的起重机进行了一千次的测量。 82 IEEE microwave magazine Decemb

23、er 2003 参考源 - 既不需要时钟同步，也不需要参考单元。此外， 目前的这种解决方案具有完全实时的能力，更新速度可 以达到 1KHz。如果中心站同样需要测量信息，可以与 LPR 并行使用一个标准的 WLAN 链接。表 3 总结了目前 这套系统的精度和性能。 应用 用户定位和资产管理 基础设施的管理对于智能化办公室，医院和其它许多应 用来说，是很感兴趣的。像 NCPS 这种系统使用现有的 基础设施，如无绳电话或 WLAN 系统，从而只产生很 低的系统和安装费用。NCPS 有两种不同的实施方案： 第一种是镶嵌进入西门子 HIPATH 的无绳电话系统中， 第 二 种 是 使 用 无 线 局 域

24、 网 WLAN802.11b 和 WLAN802.11g。另外，所需覆盖的区域通常是由系统本 身来实现的，避免了额外安装。 一个典型的应用是在办公大楼内对资产进行定位。 例如，资产管理软件发出了找寻彩色打印机的请求。定 位请求通过 WLAN 到达定位服务器。服务器在中央交 换机中通过使用一个标准的客户应用协议（CAP）界面 与打印机的无线电话/传真机单元取得联系。信息在控制 单元和基站（BS）之间来回进行分程传递。无绳电话进 行前面所讲的测量，并且将测量的功率数据发回到服务 器。服务器进行处理，计算位置的标准完整的坐标，最 后将打印机的位置交付给应用请求。 在一座办公大楼内对 NCPS 系统进

25、行了测试。首先， 要得到一层楼的场分布，然后将无绳电话放在不同的位 置。图 6 描绘了大楼楼层的结构并且显示了所测量所得 到的位置。最后得到的精度为几米，这对于大部分基础 设施的定位应用来说已经足够了。 图 10 目前的扩增实境行人导引系统的实验室装置。 图 11 在 AR 为基础的跑道维护系统中，采用由移动的扩 增实境系统为维护小组自动导引。 智能工厂 智能工厂的整体思路是要知道每一台机器，存货和运输 工具的位置。一般来说，需要跟踪的物体有叉车，起重 机或维修工人。货物的跟踪是通过当其从运输车辆上被 移走的时候发出一个精确的位置信息来实现的。图 7 绘 出了一个典型的应用场景。 中心计算机所

26、能实施的完全的位置跟踪具有以下几 个令人振奋的新的特性： 对于生产过程中的位置和供应货物的数量有一 个全面的了解 优化物流 虚拟区域的确定（存储区等） 运输方式的操作限制 防止碰撞 图 12 未来的手提式多媒体系统要求的是复杂的，高度 集成化的无线模块。 December 2003 自然，这种应用要求一个较快的能跟上运输工具速 度的数据更新速率。另外，位置测量的精度必需与被运 物品的物理尺寸相当或更好。 IEEE microwave magazine 83 这个新型的西门子 LPR 系统是为这些工业应用设计 的。一个成功实施的 LPR 系统是在钢厂对室内龙门吊车 进行定位。这个建筑物是一个工业

27、大楼，有着金属屋顶 和墙壁，50m 宽，1,000 m 长。应答器沿着墙壁安装以 用作射频界标。测量单元安装在吊车上，使用前面所描 述的算法来计算自己的位置。位置数据随后被发给中心 计算机，并且由堆料场管理系统进行处理。 现场操作的结果非常好。虽然环境条件恶劣，但最 大的不准确度低于±15cm。图 8 显示出一个测量的吊车 技术要求 跟踪的范例。图 9 是典型的位置误差分布直方图。在测 我们在这里已经介绍了若干个关键应用。其中最值得注 量现场，误差是通过相对于一个参考测量系统来得到的， 意的是行人导引系统需要将应答器集成进入用户的手提 并且所描绘的测量是在常规生产过程中获取的。这个结

28、 装置中，例如掌上电脑，或无线电话中。定位系统的小 果是很值得注意的，因为大楼的典型方均根延迟为几百 型化是这些系统的突破关键。图 12 通过一个未来可用 纳秒。最大测量值甚至可达 1µs。 于定位的多媒体装置，特别是将其与图 10 所示的实验 与堆料场管理系统的直接链接极大地改善了物流和 室的装置相比来说明元件小型化这个基本要求。在标准 调货时间。这种出色的性能说明该系统完全适合其它在 WLAN 平台上实施一个精确的局域定位技术，如 LPR， 物流，自动化生产和监管方面的应用。 可以被认为是在现有无线电系统上增加另外一个多模式 定位处理过程可以被集成进入一个自主的移动平台上。 图

29、10 是一个具有扩增实境功能的行人导引系统的原理 和样机。该系统应用的一个范例是跑道维护，见图 11。 传统的用于坑洼这类地面缺陷的标识物要么很难看见， 要么会分散驾驶员的注意力。此外，由于跑道的尺寸和 不均匀性，这 些标识物很难 看到。采用扩 增实境和定位 相结合，一个 控制小组将路 面缺陷发送给 服务器。维修 小组便可以使 用移动的扩增 实境系统来将 他们导引到对 应的位置上， 这样就避免了 纯粹依靠地图 映射导引所带 图 13 用于双频带 802.11a/b/g 应用的高 度 集 成 化 的 前 置 端 模 块 （ EPCOS 来的复杂性。 在 不 远 24）。 的将来，无线 局域定位技

30、术必将成为大量有趣的新的扩增实境服务的 核心部分，而这又将为用户提供对应于抽象数字信息的 自然直观的界面。 扩增实境 无线定位系统是新型的基于用户服务的一个关键技术。 在由西门子公司技术部，Linz 的 Johanne Kepler 大学， Linz 的 Ars 电子未来实验室联合进行的西门子项目 INSTAR 中，对若干种应用进行了研究。其中的一个特 别有趣的领域是行人导引。一个个人数字助手（PDA） 被用作基本计算平台，显示出放大的场景。一个照相机 和一个惯性传感器牢牢地附着在 PDA 上，这可使得照 相机的方向和其显示可以可靠地测量出来。最后，必须 要提供一个定位模块。对于室外情况来说，

31、可用 GPS 接 收机，而在室内则要使用 NCPS 或 LPR 系统。实际的导 引处理，即线路计算和地图映射是通过无线局域网连接 到一个远程服务上进行的。在这种方式下，这个完整的 84 IEEE microwave magazine 和/或多频带特性。但是在今天，既没有所需的超小型化 的 WLAN 卡，也没有先进的集成化的多频带/多模式前 置端。相反，WLAN 卡还是相当大的（卡的形式类似于 PCMCIA 和小型的 PCI 卡），这是因为他们中间含有许 多分立元件和多个集成电路芯片。显然，未来这些卡的 尺寸必须要缩小到记忆棒或快闪卡的尺寸。与已发生在 移动手提装置中的趋势相类似，未来的 WLA

32、N 要将前 置端模块集成进来 20 。在半导体方面，目前的工作着 重在向高集成化多频带/多模式无线电方面发展21-23。 新型设计使用了单片无线电芯片再附以集成化的将所有 滤波和天线开关包含进来的射频前置端模块。低温共烧 陶瓷（ LTCC ）技术注定是达到如此高集成度的关键， 这样可以使得无线产品更简单，更小，更便宜。WLAN 前置端集成的最新状态发表在文献24中。 EPCOS 首次 December 2003 定位是一个开放的和非常广阔的领域。很清楚，无 线定位有潜力成为无线市场中下一个爆炸性的技术。在 下面几年中，在这个极其吸引人的市场上，预计会出现 激烈的竞争。这个竞争所产生的深受欢迎的

33、结果是将会 出现许多强大的有吸引力的无线局域定位系统的解决方 案和服务。 参考文献 1 J. Hightower and G. Borriello, “Locations systems for ubiquitous computing,” IEEE Computer, vol 34, pp. 5766, Aug. 2001. 2 C. Drane, M. Macnaughtan, and C. Scott, “Positioning GSM telephones,” IEEE Commun. Mag., vol. 36, pp. 4659, Apr. 1998. 3 J. Latvala,

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