地鐵無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)Wi-Fi 6與UWB協(xié)同方案研究

摘要 隨著城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取地鐵內(nèi)部設(shè)備位置信息愈發(fā)重要。針對(duì)地鐵無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的復(fù)雜性和密閉性所造成的定位精度低、覆蓋范圍差和可靠性下降的問(wèn)題，該文基于Wi-Fi 6和UWB技術(shù)，提出一種地鐵無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)下的協(xié)同定位方案。通過(guò)分析在地鐵場(chǎng)景下的技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)，對(duì)協(xié)同方案中技術(shù)集成、融合算法、數(shù)據(jù)傳輸與處理和可靠性傳輸進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，旨在提高定位精度與覆蓋范圍，從而實(shí)現(xiàn)地鐵無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位與高可靠性。

關(guān)鍵詞 Wi-Fi 6技術(shù)；UWB技術(shù)；協(xié)同定位；無(wú)線(xiàn)定位

中圖分類(lèi)號(hào) U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0011-04

0 引言

隨著城市的加速發(fā)展和交通系統(tǒng)的不斷完善，地鐵作為一種高效的公共交通工具，在城市中的重要性日益凸顯。地鐵系統(tǒng)需要在任何時(shí)候都能夠追蹤車(chē)輛和乘客的準(zhǔn)確位置，以確保安全運(yùn)行。無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定位，可以在緊急情況下提供更快速、更精確的響應(yīng)，從而最大限度地減少事故風(fēng)險(xiǎn)[1]。精準(zhǔn)的定位系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)的列車(chē)到站信息，方便乘客更好地規(guī)劃行程。此外，地鐵內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)也可以提供乘客在車(chē)站內(nèi)的指引導(dǎo)航服務(wù)，改善乘客的整體出行體驗(yàn)[2]。

然而，地鐵通信系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜性和密閉性將會(huì)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)，其中一個(gè)主要問(wèn)題是車(chē)輛和乘客在地下隧道系統(tǒng)中移動(dòng)時(shí)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地進(jìn)行位置跟蹤變得相當(dāng)復(fù)雜[3]。傳統(tǒng)室外定位技術(shù)，如全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），由于其信號(hào)無(wú)法在地下穿透?jìng)鬏?，因此無(wú)法完全適配于地鐵系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的室內(nèi)定位技術(shù)主要有藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)連接（Wireless-Fidelity，Wi-Fi）、紅外、射頻識(shí)別技術(shù)等，但上述技術(shù)的定位誤差精度都在米級(jí)，往往不能滿(mǎn)足地鐵系統(tǒng)內(nèi)對(duì)定位誤差的高精度要求[4]。因此，設(shè)計(jì)一種可靠、高精度的地鐵內(nèi)部無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)變得至關(guān)重要。

為了更好地解決地下環(huán)境內(nèi)無(wú)線(xiàn)定位的問(wèn)題，該文提出一種基于Wi-Fi 6技術(shù)與超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)協(xié)作定位的[5]地鐵無(wú)線(xiàn)定位方案，基于兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以解決現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)定位方案的高誤差精度與低可靠性的問(wèn)題。同時(shí)，該文以青島地鐵六號(hào)線(xiàn)一期工程為例，在車(chē)站、區(qū)間內(nèi)部對(duì)所提出的Wi-Fi 6與UWB協(xié)同架構(gòu)下的無(wú)線(xiàn)定位方案進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，保證人員與列車(chē)的高準(zhǔn)確率定位，達(dá)到以全國(guó)第一，世界前列為目標(biāo)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 地鐵無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)研究

1.1 地鐵Wi-Fi 6技術(shù)應(yīng)用方案探討

Wi-Fi 6（也稱(chēng)為802.11ax）是一種新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其工作頻段為2.4 GHz和5 GHz，能夠提供9.6 Gbit/s的傳輸速率。相較于以往的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi 6技術(shù)引入了許多新特性，提供了更高的性能和更好的網(wǎng)絡(luò)效率[6]。在地鐵無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)中，Wi-Fi 6技術(shù)能夠提供一些顯著的優(yōu)勢(shì)：

（1）具有更高的數(shù)據(jù)速率：在地鐵車(chē)站生產(chǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)中，Wi-Fi 6中可以為多類(lèi)型多數(shù)量的智能化設(shè)備提供更多的無(wú)線(xiàn)Wi-Fi回傳通道，以實(shí)現(xiàn)更快的傳輸響應(yīng)。

（2）具有優(yōu)秀的容量管理能力：Wi-Fi 6引入了正交頻分多址技術(shù)和大規(guī)模用戶(hù)多輸入多輸出技術(shù)，可以更有效地管理多個(gè)設(shè)備的通信。

（3）具有低延遲能力：Wi-Fi 6廣泛采用了低能耗傳輸技術(shù)，如目標(biāo)喚醒時(shí)間技術(shù)，能夠顯著降低設(shè)備的能耗，并減少通信的延遲。

（4）更廣泛的覆蓋范圍：Wi-Fi 6使用了更先進(jìn)的調(diào)制和編碼技術(shù)，提高了信號(hào)的穩(wěn)定性和覆蓋范圍。能夠在地鐵復(fù)雜的多非直視路徑傳輸條件下，提供更穩(wěn)定的連接和更廣泛的覆蓋面。

根據(jù)Wi-Fi 6的部署優(yōu)勢(shì)，如圖1所示，在地鐵生產(chǎn)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)架構(gòu)下，采用Wi-Fi 6的無(wú)線(xiàn)控制器（Wireless Access Point Controller，AC）集中認(rèn)證、本地轉(zhuǎn)發(fā)模式。通過(guò)部署Wi-Fi 6模式的無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)（Wireless Access Point，AP）終端，在PoE接入實(shí)現(xiàn)匯聚層的IoT網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)能力，在控制管理區(qū)，將兩臺(tái)AC設(shè)備組合為一個(gè)AC備份域，以提供無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余保障。同時(shí)，基于Wi-Fi 6的網(wǎng)絡(luò)分層切片技術(shù)，通過(guò)在不同的業(yè)務(wù)層設(shè)立獨(dú)立VLAN，以此實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)業(yè)務(wù)隔離，對(duì)各類(lèi)業(yè)務(wù)提供不同的訪(fǎng)問(wèn)身份碼，綁定不同認(rèn)證方式，增加定位數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)之間的安全性。

1.2 地鐵UWB技術(shù)應(yīng)用方案探討

UWB技術(shù)是一種基于脈沖無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，其基本原理是通過(guò)以極短脈沖的形式傳輸信號(hào)。脈沖的脈寬通常非常短，僅為納秒級(jí)別，從而導(dǎo)致信號(hào)在頻譜上具有極寬的帶寬[7]。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的定義，UWB技術(shù)的脈沖寬度小于1 μs，使其頻譜占用超過(guò)500 MHz，這使得UWB技術(shù)具有廣泛的優(yōu)勢(shì)：

（1）高帶寬：由于采用了極短脈沖，UWB信號(hào)在頻譜上分布非常寬，允許在相同頻段內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)。這種高帶寬特性使得UWB在數(shù)據(jù)傳輸速率方面表現(xiàn)優(yōu)異，可以實(shí)現(xiàn)幾百兆甚至數(shù)千兆比特每秒的傳輸速率。

（2）時(shí)間域定位方式：由于脈沖的極短時(shí)間間隔，UWB系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高精度的定位。

（3）多徑信號(hào)處理能力：在多徑傳播環(huán)境中，信號(hào)可能經(jīng)過(guò)多條路徑到達(dá)接收器，由于UWB信號(hào)的極短脈沖，系統(tǒng)能夠更好地分辨不同路徑的信號(hào)，有效克服多徑傳播對(duì)定位精度的影響。

（4）低功耗和抗干擾性：相比于傳統(tǒng)通信技術(shù)，UWB采用7.5 GHz的頻帶，同時(shí)設(shè)定了遠(yuǎn)低于藍(lán)牙/Wi-Fi的輻射功率，其功率僅為?43.1 dBm。同時(shí)，UWB信號(hào)的極短脈沖使其在抗干擾方面表現(xiàn)良好，能夠更好地應(yīng)對(duì)信號(hào)干擾和頻譜擁擠。

在地下等密閉性場(chǎng)景下，UWB技術(shù)能夠彌補(bǔ)Wi-Fi技術(shù)定位不準(zhǔn)確的缺陷，可以獲取更加精確的位置信息。同時(shí)，由于UWB極寬的頻域范圍，使得其能夠與其他無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)共享頻段資源，但UWB系統(tǒng)是一種未獲得授權(quán)的應(yīng)用，在頻譜上無(wú)法獲得保護(hù)，因此，若要在地鐵無(wú)線(xiàn)定位上采用UWB技術(shù)，則需要與現(xiàn)有通信技術(shù)相兼容融合，且不能夠?qū)ζ渌ㄐ畔到y(tǒng)造成干擾。

2 地鐵無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)Wi-Fi 6與UWB協(xié)同方案研究

2.1 技術(shù)集成方案

為了確保Wi-Fi 6和UWB終端設(shè)備在硬件和軟件層面上兼容，需要制定技術(shù)之間的通信協(xié)議，以保證相互配合工作。如圖2所示，基于集成方案對(duì)整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]Wi-Fi技術(shù)與UWB技術(shù)工作頻段的不同，需要對(duì)頻段進(jìn)行劃分，Wi-Fi 6通常在2.4 GHz和5 GHz工作，而UWB可以在3.1～10.6 GHz范圍內(nèi)工作，基于動(dòng)態(tài)頻譜調(diào)整技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)的頻譜使用情況調(diào)整Wi-Fi 6和UWB的頻率和信道，以最大限度地減少干擾。

在數(shù)據(jù)同步層面，需要保證Wi-Fi 6和UWB設(shè)備在時(shí)間上同步，以確保在相同的時(shí)間戳下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)采用精確的時(shí)鐘同步協(xié)議或利用GPS等外部參考源實(shí)現(xiàn)，確保在不同設(shè)備之間的時(shí)間戳校準(zhǔn)，以最小化由于時(shí)鐘漂移而導(dǎo)致的定位誤差。

同時(shí)，采用定義數(shù)據(jù)幀格式、握手過(guò)程以及錯(cuò)誤處理機(jī)制的方式制定Wi-Fi 6和UWB之間的通信協(xié)議，以確保能夠有效地交換數(shù)據(jù)；優(yōu)先考慮定位數(shù)據(jù)的傳輸，在網(wǎng)絡(luò)擁塞或高負(fù)載情況下，定位數(shù)據(jù)能夠具有較高的服務(wù)質(zhì)量。

基于加權(quán)融合算法，根據(jù)技術(shù)的場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)進(jìn)行權(quán)衡協(xié)同工作，以提高整體定位精度，考慮在不同環(huán)境或使用案例下動(dòng)態(tài)切換Wi-Fi 6技術(shù)和UWB技術(shù)，以最大化系統(tǒng)的性能，在車(chē)站等需要廣泛用戶(hù)鏈接的場(chǎng)景內(nèi)使用Wi-Fi 6技術(shù)，在地鐵隧道等環(huán)境封閉場(chǎng)景使用UWB技術(shù)。

2.2 定位算法方案

基于上述方案中提到的加權(quán)融合算法，同樣可以采用濾波器（如卡爾曼濾波器）進(jìn)行融合，以平滑和校正來(lái)自Wi-Fi 6和UWB的測(cè)量值，從而提高整體的定位精度。

對(duì)于在多路徑環(huán)境下，UWB信號(hào)會(huì)發(fā)生折射或反射，從而導(dǎo)致非視線(xiàn)誤差的問(wèn)題，可以采用多路徑消除技術(shù)，特別是在Wi-Fi 6協(xié)同定位的情況下，以抵御多路徑傳播效應(yīng)對(duì)定位精度的負(fù)面影響。同時(shí)，根據(jù)不同技術(shù)的信號(hào)強(qiáng)度信息，對(duì)多路徑效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，確保準(zhǔn)確反映真實(shí)的用戶(hù)位置。

在環(huán)境建模上，在算法中引入對(duì)地鐵車(chē)輛和車(chē)站環(huán)境的模型，考慮如何影響信號(hào)傳播的障礙物、反射和吸收，以擴(kuò)大模型的適用性，并且使用傳感器（如攝像頭或其他環(huán)境感知設(shè)備）監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)環(huán)境變化，以調(diào)整定位算法的參數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸與處理

確定Wi-Fi 6和UWB的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，以確保定位系統(tǒng)能夠及時(shí)獲取最新的位置信息。在不同環(huán)境和使用場(chǎng)景下，動(dòng)態(tài)調(diào)整Wi-Fi 6和UWB的數(shù)據(jù)采樣率，以平衡精度和功耗。

對(duì)采集到的Wi-Fi 6和UWB信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以去除噪聲和異常值，提高數(shù)據(jù)的可靠性。并進(jìn)行實(shí)時(shí)的誤差校正，糾正由于信號(hào)傳播、多徑效應(yīng)等原因引起的測(cè)量誤差。

為了終端設(shè)備兼容，需要制定通信協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸階段，對(duì)協(xié)議中數(shù)據(jù)幀格式、傳輸頻率行進(jìn)一步規(guī)范處理，滿(mǎn)足高效傳輸，在高速移動(dòng)的地鐵車(chē)輛中確保定位數(shù)據(jù)的低延遲傳輸，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的用戶(hù)位置更新。

數(shù)據(jù)采集完成后，將來(lái)自Wi-Fi 6終端設(shè)備和UWB終端設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，結(jié)合定位算法得到更精確的用戶(hù)位置信息。針對(duì)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用智能優(yōu)化算法對(duì)信息進(jìn)行處理，確保系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性能。

最后，對(duì)整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示在地鐵車(chē)輛和車(chē)站中優(yōu)化Wi-Fi 6和UWB終端設(shè)備的部署，確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸效率。在地鐵隧道等信號(hào)較弱的區(qū)域部署中繼設(shè)備，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)母采w范圍和穩(wěn)定性。

2.4 可靠性方案研究

為了保證整體系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行安全性處理。首先，在傳輸過(guò)程中采用端到端的數(shù)據(jù)加密，以保護(hù)用戶(hù)的定位信息不被惡意攻擊者截獲和解密。使用強(qiáng)加密算法確保通信安全，防止未經(jīng)授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)和數(shù)據(jù)竊聽(tīng)。

實(shí)施有效的設(shè)備身份驗(yàn)證機(jī)制，確保只有合法的Wi-Fi 6和UWB設(shè)備能夠參與到定位系統(tǒng)中，防止設(shè)備的偽裝攻擊。同時(shí)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)用戶(hù)身份保護(hù)機(jī)制，對(duì)具有訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限的用戶(hù)進(jìn)行加密保護(hù)處理，以確保用戶(hù)的身份信息不被泄漏。

在定位數(shù)據(jù)中采用匿名化技術(shù)，以消除直接關(guān)聯(lián)用戶(hù)身份的信息，從而提高用戶(hù)位置隱私。并引入隨機(jī)化處理，使得攻擊者難以通過(guò)分析數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間模式來(lái)識(shí)別個(gè)別用戶(hù)。

3 方案實(shí)踐結(jié)果分析

通過(guò)上述方案理論分析與研究，該文以具體項(xiàng)目為例進(jìn)行介紹。該項(xiàng)目為青島地鐵六號(hào)線(xiàn)一期工程方案項(xiàng)目。在地鐵站臺(tái)、站廳層采用基于室內(nèi)Wi-Fi 6 AP擴(kuò)展室內(nèi)型UWB網(wǎng)關(guān)，單個(gè)UWB網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍20～30 m、其精度范圍為0.5～1 m。在軌行區(qū)場(chǎng)景采用基于軌旁Wi-Fi 6 AP拓展室外型UWB網(wǎng)關(guān)，其定位精度達(dá)1 m左右。終端檢測(cè)設(shè)備配備全向天線(xiàn)，覆蓋范圍為120～200 m。定位采用一維、二維定位，保證能夠在定位區(qū)域內(nèi)精準(zhǔn)定位出終端位置。

在定位終端正常的情況下，在定位基站范圍內(nèi)進(jìn)行精度驗(yàn)證測(cè)試，隨機(jī)抽取不同的位置進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)位采集5組數(shù)據(jù)，進(jìn)行精度檢測(cè)分析。基于方案所測(cè)量的經(jīng)過(guò)與已知坐標(biāo)的固定位置進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算其精度偏差與平均偏差。記錄數(shù)據(jù)表如表1所示。

基于上述測(cè)量結(jié)果，在車(chē)站內(nèi)部無(wú)線(xiàn)定位平均測(cè)量誤差能夠在1 m以?xún)?nèi)，這是由于站廳或站臺(tái)層存在較為開(kāi)闊的傳輸路徑，直視分量路徑信號(hào)占比較大，Wi-Fi 6能夠提供較為廣泛的鏈接。而對(duì)于區(qū)間，隧道內(nèi)折射分量較多，UWB的信號(hào)折射與反射嚴(yán)重，對(duì)誤差補(bǔ)償?shù)木扔兴陆怠５w方案測(cè)量結(jié)果均滿(mǎn)足地鐵無(wú)線(xiàn)定位的需求，能夠保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)完整傳輸，進(jìn)一步可以考慮增加終端設(shè)備的數(shù)量，減小平均偏差。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文以Wi-Fi 6與UWB技術(shù)為核心，在地鐵場(chǎng)景下提出了一種協(xié)同定位方案，基于Wi-Fi 6技術(shù)的高容量、低延遲與廣覆蓋能力，對(duì)地鐵無(wú)線(xiàn)定位生產(chǎn)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行部署設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于UWB技術(shù)的極短脈沖和高穿透特性，使得UWB技術(shù)能夠彌補(bǔ)Wi-Fi技術(shù)在定位不準(zhǔn)確的缺陷，從而獲取更加精確的位置信息?；诖思軜?gòu)下，分別從技術(shù)集成、融合算法、數(shù)據(jù)傳輸與處理和可靠性傳輸方面對(duì)方案進(jìn)行完善設(shè)計(jì)，解決現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)定位方案的高誤差精度與低可靠性的問(wèn)題。最后，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐測(cè)量，證明此方案能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的定位結(jié)果，保證了人員與列車(chē)在車(chē)站和區(qū)間內(nèi)的高準(zhǔn)確率定位。

未來(lái)進(jìn)一步的研究可以探索深度學(xué)習(xí)算法在融合算法中的應(yīng)用，以提高對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的適應(yīng)性和精度。并通過(guò)大數(shù)據(jù)處理等方案來(lái)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)計(jì)算，以提供更高精度的定位數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]何雪杰，王華軍.基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地鐵應(yīng)急定位系統(tǒng)[J].數(shù)字通信，2013（1）：40-42+51.

[2]萬(wàn)壯，謝劍，趙尋，等.車(chē)載定位與通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究進(jìn)展[J].電子科技，2021（11）：42-45+54.

[3]汪琮棠，薛志剛.地鐵仿真環(huán)境下的非暴露空間魯棒定位方法研究[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2023（3）：108-119.

[4]張鵬飛，李亮，潘一航，等.基于雙模高精度定位的智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)備研究[J].交通科技與管理，2023（20）：5-8.

[5]肖昌明，翟昊宇.基于超寬帶（UWB）通信技術(shù)的定位系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2021（10）：48-49.

[6]陳婷婷，范飛濤，鄒佳怡，等.基于WiFi定位的地鐵到站提醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（2）：119-123.

[7]王明東，戴亞文，范俊，等.基于UWB技術(shù)的隧道無(wú)線(xiàn)定位方法研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（8）：56-60.

收稿日期：2024-07-20

作者簡(jiǎn)介：王豐凱（1977—），男，本科，工程師，主要從事城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)管理工作。