基于數(shù)字調(diào)頻廣播的無線定位技術(shù)研究

張毅，楊占昕，鄧綸暉

(中國傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化教育部工程研究中心，100024)

1 引言

基于數(shù)字廣播網(wǎng)的移動定位技術(shù)在本文中主要指利用地面數(shù)字廣播單頻網(wǎng)絡(luò)中的廣播基站(以下簡稱BS)，在廣播信號數(shù)據(jù)幀中插入高精度授時信息作為定位信號，移動終端(以下簡稱MS)接收無線定位信號用以確定其自身位置或坐標(biāo)的方法。本文研究有效拓展了相關(guān)技術(shù)研究的思路，將數(shù)字廣播技術(shù)與定位技術(shù)進行有機結(jié)合，有效地實現(xiàn)了三網(wǎng)融合背景下不同技術(shù)的有機融合。本文著重探討和研究基于數(shù)字廣播信號實現(xiàn)定位功能的關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出適合于數(shù)字廣播信號的無線定位算法以及對于廣播信號定位的相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計。

(1)無線數(shù)字廣播信號BS識別是定位系統(tǒng)面臨的重要難點，一般情況下，在數(shù)字廣播信號單頻網(wǎng)(SFN)中，不同BS的信號是在同一時刻，以同一頻率發(fā)送相同的傳輸內(nèi)容。所以，無法從接收信號頻率和內(nèi)容的角度去區(qū)分不同BS。此外，在不改造廣播網(wǎng)絡(luò)信號體制的前提下，在空間上也無法對來自不同BS的信號進行識別；FM-CDR系統(tǒng)未提供授時間信息，這為實現(xiàn)定位功能帶來困難，因此，需要解決測距信息的獲得問題。

(2)定位算法選擇。目前主流的定位算法都需要根據(jù)接收到的無線電信號獲取定位參數(shù)，常用的定位參數(shù)包括接收信號強度(RSS)、到達(dá)時間(TOA)、到達(dá)時間差(TDOA)和到達(dá)角(AOA)，每一種都對應(yīng)著不同的應(yīng)用環(huán)境，其選擇常常決定著系統(tǒng)的定位精度和硬件開銷。本文選擇基于測距的定位參數(shù)包括TOA、TDOA以及RSS方法。目前各類文獻提供了種類繁多的定位算法，如最小二乘(Least Square，LS)算法、基于可行域的網(wǎng)格搜索定位算法以及擴展的卡爾曼濾波定位算法等等。

2 FM-CDR基站識別碼與授時信息

FM-CDR標(biāo)準(zhǔn)是我國自主研發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?！墩{(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播第1部份：數(shù)字廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》標(biāo)準(zhǔn)已于2013年8月正式發(fā)布：GY/T 268.1-2013[1]；《調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播 第2部分：復(fù)用》標(biāo)準(zhǔn)已于2013年11月正式發(fā)布：GY/T 268.2-2013[2]；2014年12月3日發(fā)布6項暫行技術(shù)要求，涉及：信源編碼技術(shù)(DRA+)、編碼器、復(fù)用器、激勵器、發(fā)射機、測試接收機。FM數(shù)字廣播工作頻段為87～108MHz，與當(dāng)前模擬立體聲調(diào)頻廣播頻段一致?？梢詫崿F(xiàn)模擬/數(shù)字信號同播以及將來向全頻段數(shù)字廣播過度，即兼顧當(dāng)下又面向未來。

FM-CDR系統(tǒng)通過數(shù)字編碼調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字音頻廣播業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的播出?？梢酝瑫r傳輸多路數(shù)字音頻及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。FM-CDR發(fā)射系統(tǒng)物理層功能如圖1所示。來自上層的主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息和系統(tǒng)信息經(jīng)過信道編碼(加擾、LDPC編碼、卷積碼)、星座映射處理后，與離散導(dǎo)頻一起進行OFDM調(diào)制。然后將調(diào)制后的信號加入由偽隨機碼組成的信標(biāo)，構(gòu)成邏輯幀，然后經(jīng)過子幀分配后形成物理層信號幀，最后將基帶信號變換至射頻信號發(fā)射。

圖1 物理層邏輯信道編碼和調(diào)制系統(tǒng)功能框

通過對上述數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)研究不難發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)不具有完成定位功能所必須的相關(guān)信息：未提供基站識別信息，相較于多媒體廣播技術(shù)CMMB數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，本標(biāo)準(zhǔn)去掉了數(shù)據(jù)幀頭發(fā)射機標(biāo)識(TxID)部分，加大了BS識別難度；未在發(fā)送端加入授時信息，MS無法提取如數(shù)據(jù)幀發(fā)射時的準(zhǔn)確時刻等定位參量，無法實現(xiàn)定位功能。

圖2 添加時間信息至復(fù)用流

文獻[3]中設(shè)計的CDR 單頻網(wǎng)時間戳格式(112bit)如圖2所示。

圖3 時間戳消息的格式

邏輯幀的產(chǎn)生時刻：40bit，表示當(dāng)前邏輯幀產(chǎn)生的時刻。復(fù)用器開機時讀取GPS時間，并以開機時的整數(shù)秒為第一個超幀0的第一個邏輯幀產(chǎn)生的時刻，此邏輯幀的毫秒數(shù)為0。復(fù)用器每隔16秒讀取一次GPS時間，作為當(dāng)前邏輯幀的產(chǎn)生時刻。

廣播尋址：16bit，用于尋址單頻網(wǎng)中的某一個發(fā)射機，可尋址范圍0x0000至0xffff，其中0x0000表示尋址網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有發(fā)射機。最大延遲時間與獨立調(diào)整時延兩個字段作為單頻網(wǎng)組網(wǎng)參數(shù)，本文不作討論。

圖2中時間戳信息位于復(fù)用流中，在業(yè)務(wù)傳輸通道數(shù)據(jù)塊和激勵器系統(tǒng)信息等其它信息之前發(fā)送，只是為保障CDR系統(tǒng)SFN組網(wǎng)需要而設(shè)，籍此保證各激勵器系統(tǒng)工作時間統(tǒng)一，而沒有真正送到發(fā)射機發(fā)送，因此MS無法收到該時間戳信息。

FM-CDR已使用的系統(tǒng)信息由48個比特組成，包括編碼碼率、數(shù)據(jù)調(diào)制方式，當(dāng)前子幀位置、頻譜模式索引等信息。

一個邏輯子幀承載了108個系統(tǒng)信息符號，而系統(tǒng)信息符號采用了QPSK方式進行調(diào)制，每個符號代表2個比特，因此，一個子幀實際承載了216個比特的系統(tǒng)信息。除去已占用的48比特，還剩余168比特可以利用?？捎靡约尤胧跁r信息以實現(xiàn)定位功能授時需求。為了保證現(xiàn)有廣播信號體制完備性，插入的信息沒有改動信道幀結(jié)構(gòu)，不會影響原廣播信號的發(fā)送與接收。而將圖2所示時間戳信息作為實現(xiàn)定位所需的授時信息是可行的。本文將這112bit時間戳信息比特插入每一個邏輯幀的第一個邏輯子幀的系統(tǒng)信息中，位于系統(tǒng)已占用的48bit信息之后。

需要注意的是，圖3中所示的時間信息TOD只是邏輯幀產(chǎn)生的時刻，對于每一個BS而言，這個TOD值都是一樣的。而從定位功能角度來講，需要關(guān)注的是各個BS將該幀信號發(fā)送出去的絕對時刻，需要將時間戳消息格式中的“邏輯幀產(chǎn)生時刻”、“最大延遲時間”與“獨立調(diào)整時延”三項相加，才能獲得射頻信號的絕對發(fā)射時刻tTOD。

此外，時間戳信息中的“廣播尋址”字段可用來識別不同的BS以獲取該BS地理位置信息與天線高度信息(本文設(shè)計中地理位置信息等存于MS中)等。

3 無線定位算法及FM-CDR測距參數(shù)獲取

3.1 FM-CDR測距定位參數(shù)獲取

按以下步驟獲取TOA：1)MS首先利用信標(biāo)進行子幀同步，同時記錄下此時刻t；

2)OFDM解調(diào)獲得系統(tǒng)信息；

3)進行邏輯幀同步，找到插入了時間戳信息的子幀，獲得該子幀發(fā)送時刻tTOD；

4)與第1)步中所同步的子幀對比，具有時間戳信息的子幀與之間隔的子幀數(shù)n(0～4，邏輯幀由4個子幀構(gòu)成)；

5)TOA=t-tTOD+n*160ms。

依據(jù)第3)步時間戳信息中的基站尋址字段，獲取該BS的地理位置坐標(biāo)。

在獲得多個BS的TOA參量后，將TOA最小值對應(yīng)的BS作為第一BS，而后將其余BS的TOA與第一BS的TOA相減，即可得到多組TDOA參量。特別地，在SFN中，由于各BS同時發(fā)送同樣的內(nèi)容，因此TDOA參量可以通過廣義互樣關(guān)GCC[4]方法獲得，該算法的核心就是通過接收SFN中來自兩個不同BS的兩路信號，利用計算二者互相關(guān)函數(shù)來求解這兩個基站之間信號傳輸?shù)腡DOA。另外，在某些無法獲得兩組或以上TDOA值時，可將RSS測距參數(shù)引入以獲得TDOA值(此時需預(yù)知該BS的地理位置)。

根據(jù)無線信號強度與空間位置的關(guān)系，構(gòu)建“信號強度-距離”模型。隨著信號傳播距離的增加，信號的強度逐漸變?nèi)?，并且信號強度的衰減和距離成一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。在室內(nèi)環(huán)境無線信號服從反射、散射和繞射等。

基于RSS測距算法目前普遍采用了Shadowing模型[5]作為室內(nèi)無線信號的傳播模型。如式(1)。

(1)

式中d0是參考距離，常取為1m。d是實際距離，p(d)和p(d0)分別是距離為d和d0時的路徑損耗值，ξ是遮蔽因子。通常使用簡化的Shadowing模型，如式(2)：

(2)

又由于路徑損耗等于初始發(fā)送的信號強度與接收信號強度之差，即P(d)=P(0)-RSSI(d)和P(d0)=P(0)-RSSI(d0)，其中P(0)為初始發(fā)送信號強度，RSSI(d)和RSSI(d0)分別是距離為d和d0處的接收信號強度值。通常取d0=1m，A=-RSSI(d0)，從而得到實際應(yīng)用的RSS測距公式：

RSSI(d)=-(10nlog10d+A)

(3)

式(3)中n是與信號傳播環(huán)境相關(guān)的信號傳輸常數(shù)，A是距離BS 1m處測量得到的RSS平均值的絕對值。

FM-CDR射頻接收芯片一般都可以直接提供RSS值，因此可以利用RSS測量距離，不需要再附加額外的硬件，因此采用該技術(shù)實現(xiàn)定位成本很低。但是由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，即使處于與BS相同距離情況時，很多因素都也對信號產(chǎn)生不同程度的RSS損耗，因而導(dǎo)致利用RSS值測得的距離誤差較大?？梢宰鳛樵谀承o法獲得足夠多BS信號情景下的備用選擇方案。

3.2 無線定位算法

本文主要研究基于測距的幾何定位算法[6]。

幾何定位法通過測量已知參考點與未知目標(biāo)之間的距離來計算未知目標(biāo)的位置信息，是應(yīng)用最為廣泛的定位算法，常用測距方法包括基于信號到達(dá)時間(Time Of Arrival，TOA)、基于到達(dá)時間差(Time Difference Of Arrival，TDOA)、以及基于接收信號強度(Received Signal Strength，RSS)[7-10]；

1)TOA方法

原理是根據(jù)無線電傳播速度已知條件下，測量三個或以上的基站發(fā)出的信號到達(dá)終端的時間，那么接收終端與基站距離就可以唯一確定。如圖4所示。

圖4 TOA測距法原理

分別測量MS與BS1、BS2和BS3之間的距離R1、R2，R3。則MS處于：以BS坐標(biāo)為圓心，以MS與BS之間距離作為半徑的圓上。因此與三個BS構(gòu)成三個圓，終端位置即為三個圓的交點。方程組如式(4)：

(4)

其中(xi，yi)是已知BS坐標(biāo)，(x0，y0)即為終端坐標(biāo)，di是終端與第i個基站的距離。

但這種方法對基站與接收終端之間時鐘同步要求很高(1us時鐘同步誤差就會導(dǎo)致300米距離誤差)，因此導(dǎo)致接收終端成本大大提高，有時甚至無法達(dá)到時間同步。

本文采用最小二乘法(LS)求解非線性方程組以獲得MS坐標(biāo)。

LS解為：

(5)

其中：

2)TDOA方法

測量兩組或多組兩個基站到達(dá)終端的時間差，利用這個時間差計算終端位置。與TOA方法相比，采用這種方法，不要求接收終端與基站嚴(yán)格時鐘同步。大部份的陸基導(dǎo)航系統(tǒng)用該方法。原理如圖5所示。

圖5 TDOA測距法原理

與TOA方法類似，第i個BS坐標(biāo)記為(xi，yi)，MS坐標(biāo)記為(x0，y0)，MS到BS1與BS2的距離差為，MS到BS1和BS3的距離差記為，則終端位置即為兩組雙曲線的交點?？捎煞匠探M(式6)求解所得。在有多組解的情況下，不符合實際位置的解很容易被排除。

(6)

當(dāng)BS數(shù)大于3時，采用LS法求解該非線性方程組得：

(7)

利用LS求得估計值后，再將其作為泰勒(Taylor)級數(shù)最小二乘法的初值進行迭代運算，可進一步提高定位精度。通過多次迭代計算來求解TDOA誤差的局部LS解，以使MS估計位置逐步改善[11]。

算法過程：對于式(6)的TDOA非線性方程組，首先將其MS初始位置(x0，y0)進行展開為Taylor級數(shù)，舍棄二階上以的項，則可將式(6)轉(zhuǎn)化為：

ht=Gtδ+ε

(7)

其中：

加權(quán)最小二乘解為：

(8)

其中Q為TDOA測量值的協(xié)方差矩陣，初始迭代時，令x=x0，y=y0在下一次迭代中，令：x(1)=x0+△x，y(1)=y0+△y。

重復(fù)進行該過程，直到滿足預(yù)設(shè)的閾值ε，使得：

|△x|+|△y|<ε

(9)

Taylor級數(shù)最小二乘法的比較簡單，易于實現(xiàn)。

圖6 LS法與Taylor協(xié)同解算TDOA坐標(biāo)

3)TOA，TDOA，RSS加權(quán)聯(lián)合定位

在不同的應(yīng)用情形下，每種方法都有其優(yōu)勢和劣勢。單一的定位算法已經(jīng)不能滿足高精度定位的需求，多算法融合定位、多基站協(xié)同定位是目前室內(nèi)定位的主要趨勢。本文提出一種采用最佳線性加權(quán)方法，融合不同方式解算獲得的定位位置進一步處理，以期能滿足多種環(huán)境下的定位需求，同時能進一步縮小定位誤差。

設(shè)：

則最終位置估計的輸出為：

(10)

4 實驗仿真平臺

本小節(jié)通過MATLAB仿真，在AWGN信道、4個BS信號、NLOS條件下，對TOA，TDOA，RSS定位算法進行性能比較。性能指標(biāo)主要采用均分根誤差與累積誤差分布函數(shù)(CDR)。

均方根誤差(RMSE)的表達(dá)式為：

(11)

預(yù)設(shè)FM-CDR模式：傳輸模式1、頻譜模式9、系統(tǒng)信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等都采用QPSK非分層調(diào)制方式的星座映射、載波頻率90MHz。仿真次數(shù)均為1000。

(a)BS端：

按照文獻[1]生成標(biāo)準(zhǔn)主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)，將本文所設(shè)計的時間戳信息插入系統(tǒng)信息指定位置，然后按傳輸模式1進行OFDM調(diào)制，之后進行邏輯子幀分配，生成基帶信號，射頻信號，加入噪聲、多徑時延等。BS端定位仿真流程如圖7

圖7 BS端仿真流程

(b)MS端：

MS定位過程大體上分為三個階段：定位建立和準(zhǔn)備、定位計算以及定位更新。

在定位建立和準(zhǔn)備階段：首先載入本區(qū)域BS信號的載波頻率，下變頻至基帶信號；采樣后，根據(jù)CP長度確定BS信號的傳輸模式；利用信標(biāo)進行子幀同步；根據(jù)已確定的傳輸模式，獲得子載波矩陣中離散導(dǎo)頻，進行信道估計與均衡；獲得承載系統(tǒng)信息的子載波(連續(xù)導(dǎo)頻)，對這些子載波數(shù)據(jù)進行解星座映射、解比特交織、卷積碼譯碼后，獲得如頻譜模式、子幀位置等系統(tǒng)信息以及插入其中的時間戳信息。

定位計算階段：首先，獲得定位參量TOA，TDOA，RSS等；鑒別是否存在NLOS，抑制NLOS，解算MS位置；

在定位更新階段：判斷是否和實際情況相符，如果與期望位置差距過大則舍去當(dāng)前估計值再重新估算。MS端定位仿真流程如圖8。

圖8 MS端仿真流程

5 仿真結(jié)果與分析

由圖9可以看出，當(dāng)設(shè)定4個BS，相同傳輸條件情況下，TDOA的性能明顯優(yōu)于TOA性能。由于TOA算法需要BS與MS的時鐘保持精確同步，這為定位算法帶來一定的時鐘誤差。而TDOA方法由于MS不需要與BS之間保持時鐘同步，性能更優(yōu)一些。

圖9 TOA、TDOA定位算法與真實位置對比

由圖10可以看出，當(dāng)設(shè)定4個BS，相同信噪比、NLOS條件下，隨著系統(tǒng)測量誤差的增加，三種定位誤差均有一定程度增加。從定位效果上看，TDOA算法更接近到CRLB界，定位性能優(yōu)于TOA算法。LS與Taylor協(xié)同定位的TDOA算法對測量誤差有較好的抑制能力。

圖10 TOA、TDOA、RSS測距定位算法在NLOS條件下RMSE

由圖11可以看出，在NLOS條件下，TDOA定位精度要優(yōu)于TOA算法，TOA算法優(yōu)于RSS算法。TDOA滿足67%概率達(dá)到17米誤差，95%概率達(dá)到34米誤差。而TOA算法在95%概率時，誤差為41米。在室內(nèi)環(huán)境中，相對于LOS條件下，由NLOS引起的誤差非常明顯，需要進一步提高定位精度。

圖11 TOA、TDOA、RSS測距定位在NLOS條件下CDF

由圖12可以看出，在NLOS條件下，TDOA+TOA算法精度最優(yōu)；TDOA+TOA+RSS聯(lián)合算法精度次之，而TDOA+RSS與TOA+RSS算法精度很接近。TDOA+TOA滿足67%概率達(dá)到8米誤差，95%概率達(dá)到15米誤差。而TDOA+TOA+RSS算法在95%概率時，誤差為20米。

圖12 不同聯(lián)合定位算法NLOS條件下CDF

可以得出：當(dāng)MS能夠獲取足夠多的BS信號時，采用TDOA+TOA聯(lián)合定位方法最佳；RSS定位算法精度最差，由于其參與了與其它的算法的加權(quán)運算，導(dǎo)致精度下降。因此，RSS定位算法只能作為在無法獲得足夠多的BS信號時的一種備用方案?？傮w而言，利用多源數(shù)據(jù)進行聯(lián)合定位計算，能夠有效地降低了采用單一算法時的誤差。當(dāng)MS能接收更多的BS信號時，定位精度將得以進一步提高。

6 結(jié)語

本文針對FM-CDR數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)的信號在定位方面的不足，在研究現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地為信道幀加入用于含有識別基站識別碼，定位所需要的授時信息。完成授時信息設(shè)計。根據(jù)仿真實驗，驗證了對系統(tǒng)這個改動不影響原有標(biāo)準(zhǔn)下的廣播內(nèi)容的正常發(fā)送與接收，并且能準(zhǔn)確獲得基站識別碼與定位授時信息。

研究在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，地面無線廣播信號的信號強度、信號達(dá)到時間(差)(RSS、TOA、TDOA)等信號參量的估計算法，提出一種融合多源數(shù)據(jù)的加權(quán)定位計算方法，可以較好地克服單一定位方法自身的不足，同時能適應(yīng)更多場景。