超寬帶室內(nèi)定位無(wú)線時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮 帆，王 軍，陳小磊，吳 春

(中電?？导瘓F(tuán)研究院，浙江 杭州 310015)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)，如危化工廠、養(yǎng)老院、監(jiān)獄、機(jī)場(chǎng)大廳、礦井、隧道等，對(duì)室內(nèi)定位信息的需求也日益增大。對(duì)于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)受損嚴(yán)重[1]，不能提供室精準(zhǔn)的室內(nèi)定位服務(wù)，而基于室內(nèi)定位的服務(wù)極具商業(yè)價(jià)值和潛在應(yīng)用前景，由此衍生出GNSS 之外的室內(nèi)定位技術(shù)，比如ZigBee 技術(shù)[2]、紅外線技術(shù)、Wi-Fi 技術(shù)[3]、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、藍(lán)牙(BLE)技術(shù)[4]、超聲波技術(shù)、超寬帶(UWB)技術(shù)[5]等。

相比于室外，室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中存在反射、折射、衍射等現(xiàn)象，定位源接收到的定位信號(hào)受損嚴(yán)重，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確甚至出現(xiàn)無(wú)法定位的情況[6]。一些定位技術(shù)，如藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外線、超聲波等定位技術(shù)，由于信號(hào)受到室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的嚴(yán)重干擾，達(dá)不到高精度的定位要求，而超寬帶因?yàn)槠渖习僬椎膸?，具有較強(qiáng)的多徑分辨能力、抗干擾能力、穿透力等[7]，當(dāng)用于室內(nèi)定位時(shí)，其在定位結(jié)果的精確性和實(shí)時(shí)性方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[8]。

在基于UWB的室內(nèi)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中，主要是通過(guò)基于時(shí)間的測(cè)距方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)未知目標(biāo)源的定位，基于到達(dá)時(shí)間(TOA)的方法和基于達(dá)到時(shí)間差(TDOA)的方法是常用的UWB 室內(nèi)定位方法[5]，這兩種方法都需要精準(zhǔn)的時(shí)間測(cè)量。由于每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部都有獨(dú)立的晶體振蕩器，各自按照自己的時(shí)鐘體系運(yùn)轉(zhuǎn)，不存在相互聯(lián)系，從而導(dǎo)致不同源節(jié)點(diǎn)之間存在初始的時(shí)間差。除了時(shí)間差外，各個(gè)源節(jié)點(diǎn)的晶振之間還存在頻率差，即使所有源節(jié)點(diǎn)初始時(shí)間相同，即不存在初始時(shí)間差，但是因?yàn)轭l率差的存在，各個(gè)源節(jié)點(diǎn)的時(shí)間讀數(shù)也會(huì)在一段時(shí)間后有所不同，而引起頻率差的原因有很多，如：生產(chǎn)工藝、溫度、濕度、設(shè)備老化等。同時(shí)，在利用無(wú)線信號(hào)實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間的測(cè)距的過(guò)程中，由于無(wú)線信號(hào)的飛行速度(3×108m/s)的數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致1 μs 鐘差足夠產(chǎn)生300 m的誤差，因此不管是基于TOA 還是TDOA的測(cè)距方法，都需要對(duì)不同的源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步。

對(duì)于定位源節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，目前大體有有線和無(wú)線[9]兩種方式。有線同步利用同步控制器連接每個(gè)定位源節(jié)點(diǎn)，通過(guò)有線通信的方式將時(shí)間信息傳輸?shù)矫總€(gè)源節(jié)點(diǎn)，使得每個(gè)源節(jié)點(diǎn)都共用一個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)。無(wú)線同步利用源節(jié)點(diǎn)之間頻繁的時(shí)鐘信息交互，獲取時(shí)鐘偏差參數(shù)，對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘與其他源節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘一致。雖然有線方式的同步精度比無(wú)線方式的高，但是在部署簡(jiǎn)易度和成本上來(lái)說(shuō)，無(wú)線同步方式更有優(yōu)勢(shì)。源節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信有單向模式[10]也有雙向模式[11]，單向通信模式中某一基站按照一定的頻率發(fā)送UWB 信號(hào)給其他基站，無(wú)需等待其他基站的回復(fù)，而雙向通信模式中基站之間按照一定的頻率進(jìn)行雙向UWB 信息交換，從時(shí)隙劃分簡(jiǎn)易度和待定位節(jié)點(diǎn)并發(fā)量方面考慮，顯然單向通信模式優(yōu)于雙向通信模式。本文采用無(wú)線單向通信的同步方式實(shí)現(xiàn)定位源節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步，同時(shí)采用基于TDOA的測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)源節(jié)點(diǎn)的定位。考慮到單個(gè)區(qū)域[12](一個(gè)主基站三個(gè)從基站)的定位源節(jié)點(diǎn)的部署不足以滿足實(shí)際定位場(chǎng)景中較大區(qū)域的定位要求，在單個(gè)區(qū)域的時(shí)鐘同步基礎(chǔ)上進(jìn)行了多區(qū)域(多個(gè)主基站多個(gè)從基站)的時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域定位源節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步和待定位節(jié)點(diǎn)的定位。

1 單區(qū)域時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)

針對(duì)單區(qū)域一主三從的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，主基站除了負(fù)責(zé)接收待定位節(jié)點(diǎn)的定位幀(BLINK)之外，還需要額外周期性地給另外三個(gè)從基站發(fā)送同步幀(CCP)，從基站之間不存在交互，同時(shí)對(duì)于主基站的同步幀也不需要進(jìn)行回復(fù)。主基站需要在接收信息和發(fā)送信息兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行切換，從基站只需要一直處于接收狀態(tài)，待定位節(jié)點(diǎn)也只需要一直處于發(fā)送狀態(tài)。單區(qū)域一主三從時(shí)鐘同步和定位系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1 單區(qū)域系統(tǒng)組成示意圖

單區(qū)域時(shí)鐘同步原理示意圖如圖2 所示。以主基站MA 和從基站SA1 之間的通信為例，當(dāng)主基站MA 處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送同步幀CCP 給從基站SA1，同時(shí)記錄發(fā)送CCP 時(shí)間戳txccp01，之后切換至接收狀態(tài)，接收待定位節(jié)點(diǎn)Tag的定位幀，記錄定位幀接收時(shí)間戳blink0，在經(jīng)過(guò)一段固定時(shí)間△t0后，主基站MA 再次發(fā)送同步幀CCP 給從基站SA1，記錄發(fā)送時(shí)間戳txccp02；從基站SA1 一直保持接收狀態(tài)，分別記錄接收到主基站MA 同步幀的時(shí)間戳txccp11、rxccp12和待定位節(jié)點(diǎn)Tag 定位幀時(shí)間戳blink1。

圖2 單區(qū)域時(shí)鐘同步原理示意圖

當(dāng)主基站MA 和從基站SA1 處于相同的時(shí)鐘體系，即兩者之間不存在初始時(shí)間差和頻率差時(shí)，很容易得出主基站MA 和從基站SA1 對(duì)于待定位節(jié)點(diǎn)Tag的TDOA，即：

但是在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，主基站MA 和從基站SA1都有自己的時(shí)鐘體系，必然不能直接計(jì)算兩者之間的TDOA。

根據(jù)圖2 主從基站同步通信過(guò)程可知，從基站SA1和主基站MA的定位幀在從基站SA1 接收同步幀CCP的時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間差分別為：

其中T01表示同步幀CCP 從主基站MA 到從基站SA1的飛行時(shí)間。

假設(shè)在時(shí)間段[txccp01，txccp02]內(nèi)，兩基站的時(shí)鐘未發(fā)生漂移[13]，即時(shí)鐘頻率保持不變，從而可得兩者的頻率差為：

已知主從基站的頻率差，則對(duì)于從基站時(shí)鐘體系下的某一時(shí)間間隔△ts，均可換算成其對(duì)應(yīng)的主基站時(shí)鐘體系下的時(shí)間間隔△tm，換算關(guān)系如下：

其推導(dǎo)過(guò)程如下：

以t 表示標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的讀數(shù)，c(t)表示節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻t 時(shí)的讀數(shù)，則節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻t的時(shí)間偏差為：

從而可得兩者的時(shí)間頻率差[10]為：

即兩者時(shí)間偏差的一階導(dǎo)數(shù)。

以主基站的時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘體系，對(duì)于從基站的一個(gè)時(shí)間間隔，令其本身時(shí)鐘體系下的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻分別為和，其所對(duì)應(yīng)的主基站時(shí)鐘體系下的時(shí)刻分別為和，則存在如下關(guān)系：

兩式相減并移項(xiàng)得：

根據(jù)單區(qū)域主從基站時(shí)鐘同步原理示意圖可以看出，如果將從基站SA1 時(shí)鐘體系下的時(shí)間間隔換算成主基站MA 時(shí)鐘體系下的時(shí)間段，就可以得出從基站SA1與主基站MA 對(duì)同一定位幀BLINK的TDOA，即：

由時(shí)間段換算關(guān)系式(1)可得：

2 多區(qū)域時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)

在將單區(qū)域定位系統(tǒng)擴(kuò)展成多區(qū)域定位系統(tǒng)來(lái)滿足更大區(qū)域的定位需求的過(guò)中，用于定位的源節(jié)點(diǎn)的角色不再是以前的主基站和從基站，而需要分成三類(lèi)基站，即一級(jí)主基站、次級(jí)主基站和從基站。

一級(jí)主基站周期性地發(fā)送同步幀CCP 給其從基站和下級(jí)主基站，并在發(fā)送完CCP 后切換至接收狀態(tài)接收標(biāo)簽定位幀BLINK；次級(jí)主基站在接收其上級(jí)主基站發(fā)送的定位幀CCP 之后，切換至發(fā)送狀態(tài)并發(fā)送同步幀給其下級(jí)主基站(若有)和從基站，然后切換至接收狀態(tài)接收標(biāo)簽定位幀BLINK；從基站一直處于接收狀態(tài)，接收其上級(jí)主基站發(fā)送的定位幀CCP 和標(biāo)簽發(fā)送的定位幀BLINK。

本文設(shè)計(jì)的多區(qū)域定位系統(tǒng)以圖3 為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。一級(jí)主基站MA1的下級(jí)主基站為MA2，從基站為SA1 和SA2，該四個(gè)基站圍成的區(qū)域?yàn)榈谝粎^(qū)域；次級(jí)主基站MA2的上級(jí)主基站為MA1，下級(jí)主基站為MA3，從基站為SA2 和SA3，該四個(gè)基站圍成的區(qū)域?yàn)榈诙^(qū)域；次級(jí)主基站MA3的上級(jí)主基站為MA2，沒(méi)有下級(jí)主基站，從基站為SA3、SA4 和SA5，該四個(gè)基站圍成的區(qū)域?yàn)榈谌齾^(qū)域。在該系統(tǒng)中，對(duì)于多個(gè)主基站發(fā)送的同步幀，次級(jí)主基站和從基站只會(huì)接收其上級(jí)基站發(fā)送的同步幀。

圖3 多區(qū)域系統(tǒng)組成示意圖

多區(qū)域時(shí)鐘同步原理和單區(qū)域時(shí)鐘同步原理類(lèi)似，以三個(gè)主基站和三區(qū)域的某個(gè)從基站為例，其原理示意圖如圖4 所示。

圖4 多區(qū)域時(shí)鐘同步原理示意圖

為方便多區(qū)域基站的時(shí)鐘同步，在進(jìn)行多區(qū)域基站的時(shí)鐘同步時(shí)，將每個(gè)基站接收到的標(biāo)簽定位幀時(shí)間戳換算成一級(jí)主基站時(shí)鐘體系下的時(shí)間戳。令：

則對(duì)于次級(jí)主基站MA2 接收到的定位幀BLINK2，其轉(zhuǎn)換后的值為：

同理，對(duì)于次級(jí)主基站MA3 和從基站SA4，其轉(zhuǎn)換后的定位幀時(shí)間戳分別為：

第一區(qū)域響應(yīng)定位幀的基站BLINK 時(shí)間戳換算可以參考次級(jí)主基站MA2的，第二區(qū)域的基站參考次級(jí)主基站MA3的，第三區(qū)域的基站參考從基站SA4的。通過(guò)將所有響應(yīng)標(biāo)簽定位幀的基站的BLINK 時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成一級(jí)主基站時(shí)鐘體系下的時(shí)間戳后，在定位階段，可選任以基站作為定位參考基站，均可以計(jì)算其余基站與該基站的TDOA，從而進(jìn)行基于TDOA的位置解算，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)源節(jié)點(diǎn)的定位。

3 測(cè)試驗(yàn)證和結(jié)果分析

在測(cè)試時(shí)鐘同步效果時(shí)，采用了一主一從兩基站進(jìn)行驗(yàn)證，此時(shí)標(biāo)簽置于兩基站正中間，理論上來(lái)說(shuō)，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)TDOA 應(yīng)該為0，本文分別測(cè)試了兩個(gè)基站不同距離時(shí)所估計(jì)的TDOA 大小，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖5 所示。

圖5 主從基站預(yù)估TDOA與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

在測(cè)試驗(yàn)證定位效果時(shí)，選擇某室內(nèi)場(chǎng)地作為測(cè)試場(chǎng)景，其示意圖如圖3 所示，各個(gè)基站的坐標(biāo)分別如下：MA1(0，0)，MA2(12，6)，MA3(26，6)，SA1(0，6)，SA2(16，0)，SA3(31，0)，SA4(31，15)，SA5(26，15)。實(shí)測(cè)過(guò)程中，每個(gè)區(qū)域選取了一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)試，且這些點(diǎn)也代表了區(qū)域內(nèi)部點(diǎn)、區(qū)域邊界附近點(diǎn)以及區(qū)域重合附近點(diǎn)，累計(jì)誤差概率圖如圖6 所示。

圖6 多區(qū)域不同點(diǎn)的定點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在實(shí)際定位場(chǎng)景中，對(duì)于一主一從兩基站的TDOA 預(yù)估與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在±1 000 ps左右，而且對(duì)于多區(qū)域不同區(qū)域的定點(diǎn)測(cè)試，定位結(jié)果的定位誤差低于0.4 m的概率不低于95%。

4 結(jié)論

本文在單區(qū)域(一主三從)UWB 定位基站時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于較大區(qū)域的時(shí)鐘同步方案，并利用實(shí)際室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該時(shí)鐘同步系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的同步效果，并能夠取得較好的定位效果。