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章节5

用于定位的计算方法

Fardad Askarzadeh, Yunxing Ye, Umair I. Khan,

Ferit Ozan Akgul, Kaveh Pahlavan, and Sergey

N. Makarov

CWINS, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, MA

室内定位的概念在定位领域已引起相当大的关注。据报道，到达时间（TOA）为基础的本地化技术表现出优越的性能相对于接收信号强度（RSS）技术或到达方向（DOA）技术。然而，这这种系统的准确性是有限的，主要是由于意想不到的大范围在室内环境中观察到的障碍所造成的直接阻塞路径（DP）的对象，如micrometals或人体。分析的微金属物体和人类身体的影响准确度的研究
范围估计被证明是一个非常具有挑战性的问题。在本章中，我们
讨论电磁（EM）计算技术的应用，分析微金属物体和人体的影响
距离估计精度。我们使用时域有限差分（FDTD）直接用几何方法求解麦斯威尔方程组以及射线追踪（RT）均匀衍射理论。计算方法的结果是从实时频域获得的信道配置文件相比测量分析仿真方法的准确性。
5.1渠道建模的重要性
有效的设计，评估和安装的无线网络需要一个准确的表征信道。的信道特性的变化从一个环境到另一个，和特定的特性确定在一个给定的操作环境中使用建议的通信技术的可行性。在每个频段的信道特性，包括关键的参数和详细的信道的数学模型，使设计人员或用户对无线系统的信号覆盖范围，可实现的数据速率，和替代的信号传输和接收方案的具体性能属性。信道模型也被用来确定天线的安装的最佳位置，并分析不同系统之间的干扰。

现有路径的发射机和接收机之间的室内环境中不可预知的情况与室外通道很相似，而事实上，这已经在无线移动信道的特性所做的工作为建模提供了一个有用的指南室内通道。在室内环境中，多径是由一个办公室内的墙壁，天花板，地板和物体反射引起的；在室外无线信道中，多径是由地面以及移动终端附近的建筑物和车辆反射引起的。

有两种基本的方法来模拟宽带无线电传播特性：（1）基于测量的统计建模和（2）直接解析解的无线传播方程（计算技术）。基于测量的统计模型是基于使用多个参数的数学描述。每个单独的测量的宽带信道特性的参数值进行评估，并在一个大的数据库的参数的统计数据被用来完成该模型为一个给定的覆盖区域。统计迦特发生在典型区域的测量扩展到所有覆盖区的更广义的模型。统计模型一般不包括在室外覆盖区域的建筑物的细节或在一个建筑物的房间的布局。相反，他们把所有地区划分为有限数量的广泛指定的环境和所有建筑物成几类建筑物。

在现代性能评价中，系统设计者通常关心的是典型区域或典型建筑物的总体性能，而统计模型通常合理地为目标服务。在其他应用程序，如微蜂窝或室内安装，其中适当的坐在天线是一个重要的问题，建立特定的无线传播模型提供了一个更精确的工具，威慑—挖掘最佳天线位置。建筑物特定的无线电传播模型是基于无线电传播方程的直接解，该边界由一个覆盖区域的地图或建筑物的布局图所定义。该技术被称为RT提供对无线电波传播的一个简单的近似分析。另一种方法是使用FDTD技术的麦斯威尔方程的数值解。RT算法也是非常有用的分析的到达角的多输入多输出（MIMO）的应用程序的路径和TOA的直接线的视线（LOS）流行的基于托阿的地理定位系统需要的路径。

比较各种计算机模拟技术的结果，可能采用几种方法。最明显的方法是比较的测量和模拟信道响应的典型部位。这个方法不好适合统计模型的评价，因为统计模型不涉及到特定位置的信道响应。然而，为了评估建筑物的具体无线电波传播模型，此方法非常有用。为了评价模拟方法的结果的另一种方法是比较实证数据与累积分布函数（分布）的均方根（RMS）时延扩展和多径功率模拟所产生的。然而，比较无线传播模型的另一种方法是评估一个特定的调制解调器的性能测量和建模渠道。标准的调制技术，如二进制相移键控（BPSK），宽带技术，如直接序列扩频或nonspread自适应均衡的信号，可作为这些评价方法的基准。

两维（2 - D）实时仿真技术最初开发了用于分析小室内区域使用2 - D的反射和传输模型的射线拍摄技术[ 1射线追踪无线信道的行为]。该模型为无线局域网（WLAN）应用的小型室内区域提供了一种低成本的传播分析方法。衍射没有发挥重要作用，在大多数室内无线电传播的情况下，因为DIF分数的影响会显着影响传播，只有在走廊等的位置时，LOS路径被封锁，接收到的信号涉及多个反射和传输。然而，这不是一个可能的情况，室内WLAN应用，其中终端通常使用在合理开放的工作领域。

后来，一三维（3维）基于一个典型的住宅区RT仿真开发再次与安装在屋顶的天线在宏蜂窝的高层城市峡谷无线信道特性分析。这个模拟是基于模型，反射和锐边衍射的信号传播的模拟的主要机制。

虽然RT模型可以有效地预测室内和室外应用的无线电波传播特性，这些技术是近似的电磁波传播方程的直接解。模拟无线电波传播的理想方法是数值求解麦斯威尔方程。这些微分方程在指定的区域的数值解需要选择的点的数目，该溶液是迭代确定的。

FDTD方法可能是最直接和最广泛使用的麦斯威尔方程的数值解的方法。用这种方法，麦斯威尔方程近似的一组有限差分方程。通过将电场和磁场对交错网格，通过定义合适的初始条件下，时域有限差分算法采用中心差分近似空间和时间的衍生物，它解决了麦斯威尔方程的直接。在整个网格中的电场和磁场的分布的增量计算的时间，并且当模拟完成后，传播特性是已知的，在该地区所研究的每个位置中。

传统的时域有限差分法（通信应用程序）的计算效率较高的形式也被应用到以前的室内区域，在矩形FDTD算法的精度显着改善。这种方法所需的计算时间是一个3 - D RT算法相媲美。一个点对点之间的比较预测和测量功率在所有位置为2 d和3 - D RT和FDTD模型表明，RT模型和FDTD模型都在良好的协议与测量。然而，RT提供了一个更准确的估计功率的基础上计算的标准偏差对测量[ 1 ]。

在一般情况下，室内定位问题被认为是一个具有挑战性和困难的问题，制定和模型，主要是由于不断变化的无线信道特性[ 1 ]。大量的研究报告的结果表明，托阿为基础的技术表现出优异的性能在LOS条件相比，RSS和DOA技术[ 2 - ]。这是由于这样的事实
从LOS测量得到的位置轴承度量比RSS和DOA度量更准确。的DP的TOA然后可以与天线对的分离。在2 - D的情况下，从已知的参考点（RP S）的三个精确的距离测量足以精确地确定移动终端的位置。

然而，基于托阿的技术的准确性急剧下降，当LOS条件不符合[ 5，6 ]，确认在各种测量活动[ 7 - ]。在这种情况下，减缓测距误差起着至关重要的作用，在提高系统的准确性。这就需要使用建模和估计的测距误差在非视距（NLOS）条件。第一个自然的解决方案是使用现有的多径模型开发的电信应用。然而，这些多径模型主要基于信道的延迟扩展，并没有特别注意的到达时间的DP。在所有这些模型，第一路径被假定为DP。这种假设忽略了存在未被发现直接路径（UDP）的条件下，这是一个托阿的预测误差较大的主要原因为基础的定位系统；我们将讨论这个更详细的下一部分。

在下面的章节中，我们将介绍用于建模无线信道的重要参数。我们提供了一个简短的教程，基于托阿的技术和讨论的挑战，提出了该技术。我们也会接触到基于托阿技术的测量和模拟技术。

位置手册：理论、实践与进展。编辑由Seyed A.（Reza）zekavat和R. Michael Buehrer。
？2012电气与电子工程师学会
由John Wiley出版2012

5.2 定位的重要信道模型参数

高速无线通信和定位无线电传输的测量与建模是一个具有挑战性的科学和工程领域。这是由于这样的事实，无线信道遭受的时间，空间和DOA衰落所造成的多径分量携带无线电信号从一个位置到另一个非常复杂的随机变化。在无线电传播的统计测量和建模中，无线发射机和接收机之间的无线信道可以由以下公式来进行建模和统计测量。

其中H（d，t，beta;，phi;，tau;，theta;）是在时间t内在发射器和接收器之间的整体信道脉冲响应，彼此的距离是d，并且 beta;，phi;，tau;，和theta;分别是振幅、相位、延迟到达，和发射信号的多到达路径的到达角。由于在无线应用中，无论是终端可以移动或人可以移动或发射器和接收器之间，这些路径和信道脉冲响应也是时间和空间的函数。使用方程5.1，发射机和接收机之间的给定距离的平均接收功率对应于[ 1 ]

这里，接收到的信号功率是所有路径振幅的平方和。在窄带信令的情况[ 1 ]，

在振幅添加矢量和整体力量所得到的矢量的平方。结果，窄带信号的归一化接收功率小于或等于宽带信号。

要计算发射器和接收器之间的距离，我们用平均接受信号强度（RSS）和距离-功率关系来定义D。如果将距离测量误差定义为测量值与实际值之间的距离，

，εd = Dminus;d，RSS系统中的这种错误将与系统的带宽无关。该功率是由一个共同的原则背后的所有统计模型计算的RSS，对应于

在这个被称为对数正态模型的模型中，PT是发射功率，d是发射机和接收机之间的距离，alpha;是环境的距离功率梯度。随机变量X是表示阴影效应的对数正态分布随机变量。

在人体周围传播的情况下，环境的变化和身体的运动会导致路径损失是不同的平均值为一个给定的距离。这种现象被称为阴影，它代表了路径损耗变化周围的平均。

在TOA系统中，TOA测量需要更复杂的接收机，测量精度取决于系统带宽。TOA传感器从DW = Ctau;1，W估计距离，其中C是光和速度，tau;1，w是DP的TOA估计。TOA的估计是通过以下方式获得的接收信号的第一峰值检测，这个值是带宽的函数和UDP条件的发生。距离误差定义为

d是传感器和目标物体之间的实际距离。在本章接下来的部分，我们以托阿为基础的技术，测距误差，第5.3.1讨论和图5.2所示是基于方程5.5。第一个统计模型在室内地区的TOA传感器的行为是一个原始模型参考11报告。该模型使用的测量校准的RT软件开发的距离测量误差的统计模型的结果，并涉及到传感器的带宽。

对于通信应用，我们需要一个方便的数值测量的时间分散或多径延迟传播的渠道。延迟扩展的一个流行的措施是RMS延迟扩展，tau;RMS，这是信道冲激响应的二阶中心矩。它是由数学给出

在给定的L传播路径，

这些方程是目前的2 D和3 - D RT应用程序的延迟扩展计算的基础，将在以后的章节中讨论。

5.3 TOA-BASED技术

在本章的开头部分，我们描述了以定位为目的的信道建模的重要性，并解释了它与用于通信目的的信道建模的不同之处。在整个前两个部分中，我们提到了多个定位技术和重要的信道参数与每个技术。我们简要地谈到了多个测量活动，当视距（LOS）条件存在时，基于TOA的技术表现出结果相对于RSS或基于DOA的技术较优异。

在本节中，我们将继续讨论基于TOA的技术，并讨论使用TOA的分析其重要的信道参数时所面临的挑战。我们提供了一个广泛的教程测量技术和仿真程序，用于分析信道，了解视线被阻碍时的行为和UDP协议的条件。

本节的总体目标是为读者提供一个很好的了解基于TOA的技术和具体案例中它的缺点，了解研究人员如何试图通过测量和模拟的信道行为来预测测距误差。

详细讨论了宽带和超宽带系统TOA估计技术的细节。

5.3.1 TOA技术面临的挑战

室内无线信道遭受严重的多径传播和重影衰落条件，使定位的测量在许多情况下是不准确的。在一般情况下，在大的室内和城市地区的到达阶段（DOA）和DOA的测量提供了非常不可靠的测量。TOA和RSS估计也由于不希望的多径条件容易受到较大的影响。为了准确估计室内区域的TOA，我们需要采用不同的操作频率和更复杂的信号格式和信号处理技术来解决这些问题。在室内多径传 播的TOA传感器的测量的是高度敏感的传感器的带宽。超宽带（UWB）系统，利用超过1 GHz的带宽，是测量精确的室内定位技术应用的一个手段，吸引了相当多的关注。然而，在其他TOA系统，UWB系统不能完全避免UDP问题[ 12 ]。图5.1显示了宽带TOA测量的基本概念，在一个典型的室内多径环境中使用的第一路径的到达时间[ 9，10 ]。在这个图中，DP表示的第一路径，这也是最强的路径。此路径的位置是期望值的TOA。其他路径与一些反射和过渡到达后DP与低振幅。这些路径将被观察到在接收机如果系统的带宽是无限的。在实践中，带宽是有限的，所接收的信号包括多个脉冲的振幅和到达时间和脉冲一样，但它们是形状脉冲。所有这些脉冲形状的叠加形成接收到的信号，我们称之为信道配置文件。一通常的做法是估计的位置的DP作为第一路径的峰值的位置，这是估计TOA。在单路径环境中，实际期望和估计的DPS是相同的。然而，在多径条件下，如图5.1所示，信道轮廓的峰值从预期的TOA得到移位，导致在TOA估计误差所造成的多径条件。我们参考距离误差的TOA引起的距离误差作为距离测量误差，可以计算使用方程5.5中所讨论的前一节。对于一个给定的多径条件下，我们预计，随着我们增加的带宽，距离测量误差变小。

图5.1使用直接连接发射机和接收机的第一路径到达的宽带TOA测量中所涉及的参数。

Amplitude：振幅 First path (expected TOA): 第一路径（期望TOA） First peak (estimated TOA): 第一峰（估计TOA）

TOC estimation error:TOC的估计误差 Channel profile:通道透视; Reflect

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