郭陸巖,莊銘杰
(華僑大學(xué)工學(xué)院,泉州362021)
當(dāng)今社會(huì),移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛,移智能移動(dòng)設(shè)備普及率不斷升高,5G時(shí)代的到來(lái)使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的增長(zhǎng)爆發(fā)期。這也使得人們對(duì)室內(nèi)定位的需求不斷增加。基于位置服務(wù)(LBS)[1]作為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中的核心服務(wù)之一,在人們的日常生活中起到了愈發(fā)重要的作用,人們對(duì)于無(wú)線定位的需求不斷增加。無(wú)線定位技術(shù)的趨勢(shì)將是室內(nèi)與室外定位相互結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)超高精度的無(wú)縫定位[2]。所以,低成本而且高精度的室內(nèi)定位技術(shù)是具有特別重要的現(xiàn)實(shí)意義的。
室外因?yàn)榄h(huán)境相對(duì)空曠所以GPS定位技術(shù)應(yīng)用廣泛,和基本無(wú)遮擋的室外環(huán)境相比較,室內(nèi)環(huán)境因?yàn)橛袎Ρ诤驼系K物等的遮擋,信號(hào)在傳播過(guò)程中,并不能直接到達(dá)接收端,而是經(jīng)過(guò)反射或者折射等形式到達(dá)接收端,因此室內(nèi)環(huán)境下,信號(hào)失真是比較嚴(yán)重的,用接收到的信號(hào)來(lái)測(cè)距定位是不準(zhǔn)確的、誤差較大的。不僅如此,室內(nèi)定位系統(tǒng)還要綜合考慮精度、范圍、性價(jià)比等多重因素,所以合適的室內(nèi)定位技術(shù)和相關(guān)算法有很大的研究?jī)r(jià)值[3]。隨著傳感器的的進(jìn)一步發(fā)展,基于新傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究也有了新的進(jìn)展。針對(duì)復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境,超寬帶技術(shù)[4]相比于其他定位技術(shù)會(huì)有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),例如,功耗較低、抗多徑能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等?;诔瑢拵У亩ㄎ患夹g(shù)成為當(dāng)今室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。
在超寬帶定位系統(tǒng)中,通過(guò)對(duì)接收到的超寬帶信號(hào)進(jìn)行處理,然后使用到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)間差(TDOA)等定位算法進(jìn)行定位獲取待測(cè)標(biāo)簽的具體位置。研究的關(guān)鍵一步是獲取超寬帶信號(hào),通過(guò)在真實(shí)環(huán)境中布置超寬帶基站和超寬帶標(biāo)簽可以獲取真實(shí)的超寬帶脈沖信號(hào),但是超寬帶基站成本較高,采集的數(shù)據(jù)受環(huán)境影響較大,環(huán)境的改變會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差變大,而且研究要采集大量的超寬帶信號(hào)數(shù)據(jù),采集耗時(shí)較長(zhǎng)。而研究通過(guò)仿真模擬復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的超寬帶信號(hào)源,可以快速獲取大量研究所需要的信號(hào)數(shù)據(jù),可以節(jié)省研究時(shí)間和硬件成本。
現(xiàn)在基于復(fù)雜環(huán)境下的UWB室內(nèi)定位信號(hào)源的模擬研究,較多側(cè)重于一個(gè)方面進(jìn)行研究,李佩琳[5]等人研究了脈沖的波形形成和波形的優(yōu)化算法,著重對(duì)高斯脈沖特性進(jìn)行研究,稅奇軍[6]等人,結(jié)合實(shí)際,用以光纖布拉格光柵為核心器件的仿真模型產(chǎn)生超寬帶信號(hào),侯欣雨[7]等人研究水下超寬帶信號(hào)波形特點(diǎn)。韓濤[8]等人利用物理光學(xué)特性來(lái)仿真超寬帶信號(hào)的多重繞射傳播特性。吳迪[9]等人研究了超寬帶的室內(nèi)信道建模,Adam Mohamed Ahmed Abdo[10]等人基于測(cè)量數(shù)據(jù)研究基于簇的新的路徑損耗模型,沒(méi)有結(jié)合發(fā)射信號(hào)源進(jìn)行研究。
本文通過(guò)結(jié)合基于高斯脈沖的超寬帶發(fā)射信號(hào)與室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的信道建模,研究在復(fù)雜環(huán)境下UWB室內(nèi)定位信號(hào)源的模擬,可以快速生成大量擬合真實(shí)數(shù)據(jù)的超寬帶室內(nèi)定位信號(hào)源,節(jié)省研究成本,對(duì)方便下一步對(duì)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的超寬帶定位進(jìn)行研究。
基于UWB的室內(nèi)定位系統(tǒng),主要由待測(cè)標(biāo)簽、信號(hào)基站和服務(wù)控制中心三部分組成,如圖1所示,在系統(tǒng)中,基站位置是已知且固定的,基站通過(guò)一般通過(guò)光纖等有線網(wǎng)絡(luò)與控制處理中心相聯(lián)接。待測(cè)標(biāo)簽在空間中位置未知。定位時(shí),首先時(shí)待測(cè)標(biāo)簽向所有基站同時(shí)發(fā)送定位信號(hào),定位信號(hào)一般為發(fā)送時(shí)間信息、角度信息等用于定位的識(shí)別信息?;驹诮邮盏叫畔⒑?,將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂铺幚碇行?,由中心通過(guò)算法解算標(biāo)簽位置,并通過(guò)基站回傳給標(biāo)簽,完成標(biāo)簽定位。以基于到達(dá)時(shí)間(TOA)算法的定位系統(tǒng)為例,待測(cè)標(biāo)簽在同一時(shí)間向基站發(fā)射UWB信號(hào),每個(gè)基站記錄下接收到定位信號(hào)的時(shí)間,將其傳輸?shù)接?jì)算中心進(jìn)行計(jì)算,在理想條件下時(shí)間乘以光速就是物體與基站之間的距離,然后以基站坐標(biāo)為圓心,距離為半徑做圓,三圓交點(diǎn)就是所求的位置坐標(biāo),因此TOA定位也叫圓周定位。復(fù)雜環(huán)境下,受墻壁和障礙物等的遮擋,UWB信號(hào)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)射、折射,造成計(jì)算誤差變大,最終導(dǎo)致定位精度下降。所以要結(jié)合其他算法進(jìn)行誤差糾正然后進(jìn)行迭代計(jì)算,最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。
圖1 UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)框圖
本文主要集中在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的UWB接收信號(hào)的模擬研究,目的是得到信號(hào)數(shù)據(jù)后進(jìn)行誤差糾正和算法改進(jìn)提高室內(nèi)環(huán)境下的定位精度,相關(guān)研究將在以后的工作中體現(xiàn)。圖2表示本文模擬信號(hào)源從發(fā)射到接收整體流程框圖,待發(fā)射的二進(jìn)制序列經(jīng)過(guò)發(fā)射機(jī)編碼調(diào)制變成結(jié)合二進(jìn)制PPM調(diào)制的TH跳時(shí)UWB信號(hào)序列。我們使用IEEE 802.15.3a定義的四種室內(nèi)信道環(huán)境作為仿真信號(hào)環(huán)境,發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)序列與信道沖激響應(yīng)卷積,生成無(wú)噪聲的UWB定位信號(hào),除了與室內(nèi)信道卷積,我們還需要添加高斯白噪聲來(lái)模擬復(fù)雜環(huán)境下的接收信號(hào),通過(guò)對(duì)序列進(jìn)行編碼調(diào)制、卷積、加性噪聲,我們最終得到由接收機(jī)接收的復(fù)雜環(huán)境下的UWB室內(nèi)定位接受信號(hào)。
圖2 UWB室內(nèi)定位信號(hào)的模擬框圖
生成室內(nèi)定位信號(hào)的第一步是生成發(fā)射信號(hào),在基于超寬帶信號(hào)的定位系統(tǒng)中,使用超寬帶信號(hào)發(fā)射序列最常用的方法就是直接發(fā)射極短脈沖,即沖激超寬帶信號(hào)(IR-UWB),本文使用結(jié)合隨機(jī)跳時(shí)(TH)的抗干擾和脈沖位置調(diào)制(PPM)定位分辨能力的基于脈沖位置調(diào)制(PPM)的跳時(shí)超寬帶信號(hào)(TH-UWB)來(lái)仿真生成發(fā)射信號(hào)。
圖3 PPM-TH-UWB信號(hào)仿真方案
假設(shè)發(fā)射的二進(jìn)制序列a=(a0,a1,…,ak,…),二進(jìn)制發(fā)射速率Ra=1/Ta(b/s),仿真時(shí),我們使用MATLAB的rand()函數(shù),生成均勻分布隨機(jī)數(shù)后將隨機(jī)數(shù)平均判別成兩部分保證等概率生成二進(jìn)制數(shù)值。第一步是使用重復(fù)編碼器對(duì)序列進(jìn)行重復(fù)次數(shù)為Ns次,重復(fù)編碼的目的是引入冗余,提高信息傳輸效率,降低誤碼率。為了仿真方便,我們采用多次重復(fù)信道編碼,實(shí)際應(yīng)用中可以使用抗干擾和噪聲強(qiáng)的信道編碼。重復(fù)編碼后產(chǎn)生新的二進(jìn)制序列為:
新產(chǎn)生的序列我們用序列b表示:
b=(…,b0,b1,…,bj,bj+1,…)=(…,a0,a0,…,a0,a1,a1,…,a1,…ak,ak,…,ak,…),新序列b的速率為原序列的Ns倍,即Rb=Ns/Ta(b/s)=1/Ts(b/s),Ts表示平均脈沖時(shí)間,Ts一般設(shè)置為3納秒,我們可以通過(guò)將輸入二進(jìn)制序列轉(zhuǎn)換成Ns個(gè)離散脈沖序列與抽樣點(diǎn)同樣是Ns的離散矩形濾波器相卷積,進(jìn)行重復(fù)信道編碼。
下一步是引入整數(shù)值跳時(shí)(TH)碼序列c和脈沖位置調(diào)制(PPM)對(duì)產(chǎn)生的新的二進(jìn)制序列b進(jìn)行編碼,生成位置偏移序列d,d的表達(dá)式一般為:
cjTC是TH跳時(shí)碼引起的位置偏移,cj,TH碼序列是一個(gè)一個(gè)長(zhǎng)度為Nb的矢量序列,該矢量序列由均勻分布在0到Na之間的整數(shù)組成。Na是數(shù)值最大值上界。我們需要生成一個(gè)序列c來(lái)作為T(mén)H跳時(shí)碼,這里我們使用二進(jìn)制的m序列生成偽隨機(jī)序列,二進(jìn)制的m序列又稱偽噪聲序列(PN),相比于其他序列,m序列自相關(guān)性好,隨機(jī)性能接近于真隨機(jī)序列和噪聲。TH跳時(shí)碼序列的速率為Rc=1/Tc,Tc是碼片時(shí)間,是一個(gè)常量,需要我們自己定義,在本文中我們?cè)O(shè)置碼片時(shí)間Tc為1納秒。biε是由PPM調(diào)制引起的位置偏移,b是重復(fù)信道編碼后的序列元素,ε為常量。我們通過(guò)將時(shí)域上來(lái)連續(xù)的輸入值轉(zhuǎn)離散值然后對(duì)輸入序列進(jìn)行重復(fù)循環(huán),通過(guò)重復(fù)周期確定脈沖位置然后進(jìn)行PPM-TH調(diào)制位置偏移。
最后是脈沖波形的產(chǎn)生。這是UWB無(wú)線定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。超寬帶信號(hào)模型可用下面的公式表達(dá):
其中,α2表示脈沖形成因子。無(wú)直流分量是脈沖形成的基本條件,經(jīng)過(guò)求導(dǎo)后的高斯脈沖導(dǎo)函數(shù)都符合這個(gè)條件。
圖4 給出了高斯脈沖波形和它的前十一階高斯導(dǎo)函數(shù)的波形圖,通過(guò)分析對(duì)比時(shí)域波形可知,高斯導(dǎo)函數(shù)的階數(shù)越高,脈沖波形波峰也就越多,而波峰越多的信號(hào)越難被檢測(cè)和捕獲,而且高斯導(dǎo)函數(shù)的階數(shù)越低,其產(chǎn)生設(shè)備也越簡(jiǎn)單,波形生成也越容易實(shí)現(xiàn)。
圖4 高斯脈沖及前十一階導(dǎo)函數(shù)波形
圖5表示高斯脈沖的前11階導(dǎo)函數(shù)的功率譜密度(PSD),從圖中可以看出,一階但函數(shù)的功率譜密度雖然符合輻射掩蔽,但形狀很窄,所以綜合考量,本文選用高斯脈沖二階導(dǎo)函數(shù)作為脈沖波形。
圖5高斯脈沖前十一階導(dǎo)函數(shù)功率譜密度
高斯脈沖的導(dǎo)函數(shù)理論上持續(xù)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng),但是從圖中可得知,脈沖信號(hào)衰減很快,所以仿真可以設(shè)置脈沖持續(xù)時(shí)間Tm,假定脈沖在Tm持續(xù)時(shí)間內(nèi)信號(hào)是存在的,根據(jù)Giancola等人的研究,Tm選取數(shù)值為脈沖形成因子的2.2倍最佳。
級(jí)聯(lián)所有模塊,產(chǎn)生的PPM-TH-UWB信號(hào)可表示為:
Tc是碼片時(shí)間,biε是由PPM調(diào)制引起的位置偏移,TH-PPM信號(hào)的實(shí)質(zhì)是用不同的脈沖波形表示不同的信息,PPM引入時(shí)間為一,將不同的比特用具有不同偏移量的波形表示。簡(jiǎn)化s(t),可得:
將TH跳時(shí)引起的隨機(jī)時(shí)間偏移cjTC和PPM引起的調(diào)制位移biε,用時(shí)間隨機(jī)位移統(tǒng)一表示。
通過(guò)發(fā)射鏈路仿真發(fā)射信號(hào)需要設(shè)置的參數(shù)有脈沖形成濾波器,脈沖形成因子tau(秒),沖激響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間Tm,PPM時(shí)移dPPM(秒),平均發(fā)射功率(dBm),信號(hào)的抽樣頻率fc,由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits,平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts(單位為秒),每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns,碼片時(shí)間Tc(單位為秒)等。參數(shù)設(shè)置如下:脈沖形成因子tau=0.25ns,沖激響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間Tm=0.55e-9,即0.55納秒,平均發(fā)射功率Pow為-30dBm,PPM時(shí)移dPPM=0.5納秒。因?yàn)槌瑢捫盘?hào)脈沖時(shí)間極短,所以信號(hào)抽樣頻率也要設(shè)置的足夠高,這里信號(hào)的抽樣頻率fc設(shè)置為50e9,由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits=2,仿真以2比特的信號(hào)為例,平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts為3納秒,每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns=5,碼片時(shí)間Tc為1納秒。
圖6 PPM-TH-UWB發(fā)射機(jī)模擬發(fā)射信號(hào)
圖6表示PPM-TH-UWB發(fā)射機(jī)模擬的發(fā)射信號(hào),從圖中可以看出,發(fā)射序列為[0 1 0],脈沖位于時(shí)間間隙前位置表示0,脈沖位于時(shí)間間隙后位置表示1。
本文采用IEEE802.15.3a研究小組推薦的UWB超寬帶信道模型,該信道模型是在Saleh和Valenzuela信道模型[12]的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)大量超寬帶信號(hào)真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,對(duì)信道模型進(jìn)行了修改,用對(duì)數(shù)正態(tài)分布表示多徑增益分布,用對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量表示總多徑增益的波動(dòng),信道系數(shù)把復(fù)變量改為使用實(shí)變量等,通過(guò)一系列的修改,使仿真數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)更加吻合。
X是對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量,代表信道的幅度增益;L是觀測(cè)到的簇的數(shù)目,K是第n簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目,αlk代表多徑增益函數(shù),Tl代表第l簇到達(dá)時(shí)間,τlk代表以Tl為基準(zhǔn),第l簇中的第k徑的延遲時(shí)間。
IEEE802.15.3A標(biāo)準(zhǔn)信道模型將室內(nèi)信道環(huán)境分為四種情況,即Case A:LOS(0~4m)、Case B:NLOS(0~4m)、Case C:NLOS(4~10m)和Case D:極限NLOS多徑信道。
表1 IEEEUWB信道模型的參數(shù)屬性設(shè)置
圖7 CM1和CM3信道沖激響應(yīng)
本文采用IEEE802.15.3a定義的四種情況。其中LOS信道增益取參考衰減A0=47dB,衰減指數(shù)γ=1.7,NLOS信道增益取參考衰減A0=51dB,衰減指數(shù)γ=3.5。
從CM1和CM3的兩種信道的沖激響應(yīng)的對(duì)比可以看出,環(huán)境越復(fù)雜,信道產(chǎn)生的多徑分量也就越多。
發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境傳播后,信號(hào)通過(guò)障礙物后會(huì)發(fā)生反射、折射以及衰減,最后信號(hào)會(huì)發(fā)生失真。如果復(fù)雜環(huán)境信道用IEEE802.15.3A定義的的統(tǒng)計(jì)信道模型表示,則將發(fā)射信號(hào)與四種離散時(shí)間信道沖激響應(yīng)卷積,并添加高斯噪聲得到復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的超寬帶模擬信號(hào)源。最終的接收信號(hào)可以表示為:
ERX表示發(fā)射脈沖的總接受能量,N是觀測(cè)到的簇的數(shù)目,K是第n簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目,αnk代表多n徑增益函數(shù),Tl代表第l簇到達(dá)時(shí)間,τlk代表以Tl為基準(zhǔn),第l簇中的第k徑的延遲時(shí)間。n(t)表示接收機(jī)輸入端的AWGN.n(t)表示高斯噪聲。
使用MATLAB軟件仿真實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)源的模擬仿真,輸入信號(hào)采用基于位置調(diào)制的二進(jìn)制跳時(shí)超寬帶(PPM-TH)信號(hào),信道采用前期生成的CM1到CM4四種信道環(huán)境,將發(fā)射信號(hào)與四種離散時(shí)間信道沖激響應(yīng)卷積,并添加隨機(jī)高斯噪聲,最終得到復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的超寬帶模擬信號(hào)源。
本文以CM1和CM3兩種情況分別代表LOS和NLOS兩種信道環(huán)境下的離散時(shí)間信道沖激響應(yīng)為例進(jìn)行分析。復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的超寬帶模擬信號(hào)源是將發(fā)射信號(hào)與該響應(yīng)卷積并添加高斯噪聲得到。為了觀察方便,我們生成1比特周期為5的PPM-TH序列脈沖觀察它們?cè)诓煌旁氡群筒煌诺老碌男盘?hào)波形。
圖8無(wú)噪聲CM1信道下信號(hào)波形
圖9 0dB信噪比CM1信道下信號(hào)波形
圖8和圖9分別在CM1的信道環(huán)境下,表示無(wú)噪聲的理想環(huán)境下和加大噪聲的環(huán)境的信噪比為0dB的真實(shí)環(huán)境下的超寬帶信號(hào)源表示,從上圖可以看出,在加大噪聲的情況下,基本已經(jīng)不能看出信號(hào)的脈沖形狀,但是根據(jù)峰值計(jì)算,在該種情況下,大約造成0.2ns的峰值誤差。也就是說(shuō),LOS環(huán)境并不能造成信號(hào)的大規(guī)模時(shí)延誤差,用于室內(nèi)定位,大概會(huì)造成6cm左右的測(cè)距誤差。因此,用LOS環(huán)境下傳播的超寬帶信號(hào)不需要進(jìn)行大規(guī)模的誤差糾正后再定位。
圖1 0表示的是同一個(gè)超寬帶信號(hào)在通過(guò)CM3信道環(huán)境即NLOS環(huán)境下產(chǎn)生的接受信號(hào)。從圖10可以看出通過(guò)NLOS環(huán)境的信號(hào)更加復(fù)雜,信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展更長(zhǎng),而且信號(hào)失真也更加嚴(yán)重,通過(guò)峰值計(jì)算同步誤差,在該環(huán)境下,信號(hào)大約會(huì)造成9ns的同步誤差,如果該信號(hào)同于定位會(huì)造成大約270cm的測(cè)距誤差,后期通過(guò)算法定位會(huì)造成嚴(yán)重誤差,所以使用超寬帶信號(hào)進(jìn)行定位時(shí),需要對(duì)NLOS環(huán)境下的信號(hào)進(jìn)行誤差糾正。
圖1 0信噪比0dB的CM3信道下信號(hào)波形
通過(guò)對(duì)比LOS和NLOS環(huán)境下的接收信號(hào),當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)信號(hào)時(shí),接收機(jī)接收到的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)多徑分量,在LOS情況下,第一條多徑分量傳輸?shù)哪芰孔罡?,其他簇大致也表現(xiàn)出這一規(guī)律,所以接收信號(hào)失真較小,用于定位誤差也小,NLOS環(huán)境下,最強(qiáng)峰值出現(xiàn)在非第一條傳輸路徑上,這是因?yàn)镹LOS環(huán)境下存在障礙物對(duì)UWB信號(hào)傳輸產(chǎn)生干擾造成的結(jié)果,信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展[13]相比與LOS環(huán)境下的信號(hào)更加明顯,信號(hào)具有更大的時(shí)間彌散性,測(cè)量誤差也就更大。
本文通過(guò)結(jié)合IEEE802.15.3a信道模型,對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的超寬帶信號(hào)源進(jìn)行模擬仿真,可以得到比單純加噪聲得到更貼近真實(shí)數(shù)據(jù)的超寬帶信號(hào)仿真數(shù)據(jù),仿真生成數(shù)據(jù)相比與真實(shí)環(huán)境采集,更加節(jié)省成本和時(shí)間,而最終目的是提高超寬帶信號(hào)定位在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的定位精度,該項(xiàng)研究只是為下一步研究提供大量研究數(shù)據(jù),未來(lái)的工作我們將集中在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理,降低NLOS環(huán)境下信號(hào)的同步誤差,估計(jì)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中標(biāo)定物的最終位置,進(jìn)一步提升超寬帶定位信號(hào)在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位精度。