引言

　　以GPS定位技術為代表的衛星導航技術正快速改變著我們感知和管理客觀世界的方式方法。然而，當人們希望借物聯網熱潮通過空間定位技術把管理活動引入到管理需求更為頻繁和多樣的人工建筑體內部時，包括GPS定位技術在內的無線電定位技術的局限性便顯露無遺，建筑體對無線信號的遮擋，以及遠比室外空間要復雜得多的建筑體內無線信號的傳播特性，令傳統的無線電定位技術不再適用，物聯網發展因此進入一個技術及應用的瓶頸期。迄今，業界還沒有找到一種既具有技術適用性，成本又可接受的室內定位技術來滿足室內物聯網管理需求，亟待從技術原理和方案上實現突破。

　　1.室內無線定位的技術特點與傳統無線電定位技術的適用性分析

　　傳統的無線電定位技術是基于一個適用于室外空間的基本假設，即電磁波傳播環境可理想化為無邊界的空間環境，因此適合運用經典無線電傳播理論和幾何計算原理進行定位。

　　與室外無線電傳播環境不同，室內環境中的無線電波傳播過程受周邊墻體的影響非常大，墻體會對電波產生反射、折射、散射、繞射、透射和吸收，其中反射和吸收現象對無線電波傳播的影響尤為顯著。

　　在室內環境，接收設備檢測到的無線信號是原傳播路徑信號與不同反射路徑信號的疊加。這種疊加合成的信號，會呈現信號衰落現象，會在相鄰碼元間產生干擾，這種特性被稱作多徑效應。多徑效應給原無線信號所攜帶信息的正確接收和提取帶來難度。

　　室內定位難以避免無線信號收發設備之間的非視距傳播(NLOS)問題， NLOS使信號在原傳播方向的能量大幅降低甚至被阻斷，這將制約以無線電波沿直線傳播為基本假設的各種傳統無線定位方法。

　　傳統的無線電定位技術包括：利用信標節點(如無線基站)與待測目標間信號的到達時間的TOA(Time of Arrival)或信號到達時間差的TDOA(Time Difference of Arrival)進行距離換算和幾何運算的定位法;利用信號到達角度的AOA(Angle of Arrival)進行幾何運算的定位法;利用到達信號強度的RSS(Received Signal Strength)換算出傳播距離后進行幾何運算的定位法等。

　　TOA定位法對信標節點及待測目標之間的信號同步技術要求非常嚴，需要增加大量硬件成本，而與其基本原理相通的TDOA定位方法則避開了同步問題，因而人們通常選用TDOA定位法而甚少直接運用TOA定位法。

　　TDOA定位法顯然易受到NLOS的影響，因此只有在系統收發設備之間的遮擋物對無線信號的反射和吸收處于可接受程度時，即易于檢測到并正確解算出TDOA信息時才適用，否則換算成距離進行幾何計算時會出現偏差。這種要求在工程上是比較苛刻的，由此帶來實用性問題。除了NLOS的制約，在室內環境TDOA定位法還需面對多徑效應帶來的難題。抗多徑技術會大幅增加技術復雜度，相關技術的經濟性一直難以被接受，目前還不具有實用性。

　　AOA定位法要測量來自待測目標的無線電信號的方向信息，在原理上就不適用于反射和NLOS都存在、甚至可能非常嚴重的室內環境，前者導致信息傳播方向的錯判，后者導致難以檢測到傳播方向信息。

　　由于室內環境多徑效應嚴重，傳統RSS定位法所依據的以無邊界理想環境為前提的電磁波傳播衰耗模型不再適用，雖然研究新模型或修正模型一直是業界的熱點，但截至目前還沒有出現實用化的成果，因而RSS定位法目前也不具實用性。

　　2.位置指紋模式匹配無線定位技術

　　本世紀初快速發展起來的基于位置指紋模式的DCM(數據庫相關算法，Database correlation method)定位技術是一種有利于避開多徑效應和NLOS的另辟蹊徑的新定位技術【1】【2】【3】。

　　在室內環境，由于反射現象嚴重存在，無線電信號傳播路徑復雜，在每一個檢測點，信號由不同反射路徑抵達疊加后具有與人的指紋特性相類似的唯一性，這種具有物理特征唯一性的無線電信號被稱作該檢測點的位置指紋。基于位置指紋，運用DCM技術可實現實時定位。

　　基于DCM技術的位置指紋模式匹配定位技術分兩個階段實施。在離線階段，把待測目標所處場點檢測到的來自信號基站的無線信號特征參量(即位置指紋，一般取RSS值)記錄下來，作為經驗數據與場點的地理位置信息綁定存儲在計算機數據庫中;于在線階段，用實時檢測到的現場無線信號特征參量，與數據庫中存儲的經驗位置指紋進行匹配關聯處理后，通過映射處理查找到待測目標的位置坐標，從而實現定位。

　　基于DCM技術的位置指紋模式匹配技術充分利用了計算機的快速處理、大容量存儲能力，可以有效繞過NLOS、多徑效應對信號傳播造成的直接影響，可避開物理建模和精準測量計算等復雜技術，與基于幾何計算的無線電定位技術相比，實現原理和實現技術相對簡單，因而被業界普遍看好。

　　位置指紋模式匹配定位系統若配套建設專用基站(如RFID基站)，帶來系統投入大和基站的技術維護問題。為了降低系統建設成本，一般借用周邊已經存在的通信網絡的無線基站信號，如GSM、3G、WLAN等通信基站，而不是重新建設專用定位基站。但是，這些基站是為通信業務而配置，它們在運營過程中出現信號強度調整、基站數量增減，甚至位置變動等不測是難以避免的，顯然會影響在數據庫中存儲的經驗位置指紋的有效性。這說明作為DCM的經驗數據存在時變性問題，給定位系統的正常定位操作帶來隱患，或者說存在著性能完好性問題。一旦出現上述時變性問題，系統的位置指紋信息數據庫必須全面校正，帶來的校正工作量是巨大的，周期也很長。

　　3.基于電力線位置指紋的DCM定位技術

　　近些年來出現的電力線定位技術【4】【5】【6】，是一種基于電力線位置指紋的DCM定位新技術，正逐步引起業界的注意。研究表明【4】，電力線定位技術的定位精度、技術復雜性、功耗和成本等多項性能均優于基于GSM基站或WLAN基站的位置指紋定位系統。

　　電力線定位技術以低壓電力線為信號傳輸與輻射媒介，低壓電力線網絡獨特的拓撲結構、復雜的傳輸特性賦予位置指紋獨特的可辨識特性，加之電力線至室內空間的“天然”通達性，使電力線定位技術具備了率先突破室內定位瓶頸的技術潛力。

　　3.1基于電力線傳輸的無線電定位信號的覆蓋性

　　無線電定位技術首先要解決信號的覆蓋性問題，這是前提條件。與主要以空氣為傳播媒介的其它無線電定位技術不同，電力線在定位信號的傳播過程中有兩重作用，一是通過電力線遠距離傳導定位信號，二是借助電力線輻射出定位信號形成各場點的位置指紋。

　　一般而言，建筑體內的低壓電力線系統或稱電力線網絡總是配置在人員活動或設備安裝區域，提供照明用電或用電器接駁口。這些區域正是有物聯網管理需求的區域，因此可以說低壓電力線網絡對這些區域具有“天然”覆蓋的特點。大多建筑體都是由同一個低壓變壓器供電，如果在低壓變壓器的用戶線一側耦合接入定位信號，信號就可以通過電力線網絡輕易到達室內有管理需求的區域，實現良好的信號覆蓋。

　　電力線定位技術的定位信號通過電力線遠距離傳導，既利用了電力線作為良導體的傳導特性，使信號傳送距離更遠，覆蓋性更好，又避開了信號于建筑體內隔墻傳送過程中的NLOS問題，同時減少了信號在傳送過程中的多徑效應的影響。

　　3.2電力線傳輸特性的位置敏感性與位置指紋可分辨性

　　電力線的傳輸特性比專為信息通信而設計的通信電纜要復雜得多，當電力線作為通信信道利用時，其傳輸增益和輸入阻抗等特性會依地理位置改變、頻率的變化、時間的不同而顯著地變化【7】【8】【9】。

　　圖1【7】【8】是實際測得的低壓電力線上輸入阻抗隨頻率的變化曲線，圖中兩條曲線是在同一電力線網絡中的不同地理位置所測得。可見，不同場點所測輸入阻抗隨頻率的變化趨勢差別極其顯著，表明了其對所處地理位置極其敏感。

圖1 輸入阻抗與頻率的關系

　　傳輸特性的這種對位置的敏感性，一是緣于隨距離的增加電力線對信號的快速衰耗，二是與低壓電力網中用電器等負荷在地理空間上無規律分布密切關聯。用電器接入電力線所引入的負載效應對距離較近的檢測點所呈現傳輸特性的影響會更大，即傳輸特性與用電器位置分布呈現出關聯性，這種關聯性可轉化為檢測點傳輸特性與檢測點所處位置的關系，稱作位置敏感性。

　　在電力線附近，周邊連成一體的電力線就像一個網絡狀的特型天線，其輻射出的無線定位信號(位置指紋)在附近場點呈現出電磁場近場特點。在近場條件下，特型天線輻射區的電磁場特性與空間參量的關系很復雜，也體現出對位置的敏感性。

　　上述信號傳輸特性或輻射特性所呈現的對位置的敏感性，都有利于電力線定位系統辨識位置指紋隨地理位置的顯著變化，即增強了位置指紋的可分辨性。

　　3.3電力線傳輸特性的頻率選擇性與位置指紋

　　電力線傳輸特性的另一個特點是顯著的頻率選擇性，例如在圖1中表現為輸入阻抗特性隨頻率而劇烈變化，頻率選擇性的另一個例子如圖2【10】呈現的信道衰減特性隨頻率的變化，這些都使信號經信道傳輸后嚴重失真。電力線的這種頻率選擇性對信息傳輸技術或以信息傳輸為基礎的定位技術而言，會成為信號接收解調電路的有相當難度的技術障礙。對于采用DCM技術的電力線定位技術，則因其技術原理的截然不同而繞開了需接收電路有效恢復原信號的問題，需要的只是采集并記錄在檢測點實際的疊加合成信號的電磁特征(用于實時定位時比對映射)，頻率選擇性不再成為技術障礙。

　　傳輸特性的頻率選擇性在一定條件下可以被利用起來增加位置指紋信息的可分辨性。圖1表明，不同的地理位置檢測到的頻率選擇性廻然不同，利用這種位置-頻率相關性可增強位置指紋的可分辨性。

　　3.4電力線傳輸特性的時變性與位置指紋

　　電力線通信系統開發時，最令研發人員頭疼的莫過于電力線傳輸特性的時變性。電力線網絡是一個拓撲結構復雜的網絡，網絡中用電器的接入或斷開都會影響網絡性能，時變性因此普遍存在于電力線網絡電特性的各個方面，包括傳輸特性和干擾特性等。眾多用電器隨機接入/斷開對傳輸特性影響的統計效果也表現出一定的規律，如表現為用電高峰和用電低谷時的較大差異，例如圖2所示為一個典型測試數據三維圖，呈現了電力線傳輸衰減特性在一天24小時內的波動周期，一天內的差別最大可達數十分貝。這種波動以一天為周期劇烈地起伏，而在比一天更長的時段觀察，衰減特性的均值還會隨低壓電力網中大量用電器的隨機接入/斷開而整體上下變化。

圖2 傳輸衰減的時變性與頻率選擇性

　　如何解決傳輸特性隨時間波動對位置指紋定位帶來的影響，是一個具有挑戰性的難題。筆者針對時變性難題提出了一種定位方法和系統實施方案，以適應位置指紋的時變性，從而實現正確定位，在下一章將作一簡單介紹。

　　4.抗電力線時變性的電力線位置指紋定位技術解決方案

　　筆者提出一種基于電力線位置指紋和DCM技術的室內定位方法，定位系統由定位信號發生器、移動終端、信息處理單元、指紋信息數據庫、固定感應裝置組成。該方法的核心思想是，配置于已知地理位置處的固定感應裝置準實時反饋位置指紋信息，用以及時調整數據庫中的經驗位置指紋信息，以應對傳輸特性的時變性。

　　系統在低壓變壓器的用戶側配置一個定位信號發生器，它向電力線發送的定位輔助信號選用多個單頻信號線性合成一個特征參量矢量。于移動終端和固定感應裝置接收并提取的信號矢量(即各單頻信號幅度)，即為位置指紋信息，反映出所處場點的頻率衰耗特性。系統信息處理單元根據接收到的已知安裝位置坐標的固定感應裝置反饋的現場實時位置指紋，及時調整指紋信息數據庫中對應區域的經驗位置指紋信息。系統信息處理單元依據接收到的待定位移動終端的位置指紋信息進行DCM處理(參見第2章)，從指紋信息數據庫中映射索查出該終端的即時位置信息。

　　室內定位系統一般有兩種典型應用模式，一種應用模式是終端自行定位導航模式，另一種是對終端或終端載體進行管理的模式。

　　在終端自行定位導航模式下，系統的連接示意圖如圖3。系統利用了電力線作為傳輸和輻射媒介，簡化了系統結構，移動終端和固定感應裝置技術簡單，凸顯出較好的經濟性或實用性。

圖3 終端自行定位導航模式配置示意圖

　　另一種應用模式是對終端或終端載體進行管理的模式。這種應用模式下，系統的連接示意圖如圖4。這種模式下的信息傳輸特點是，移動終端通過短距離無線通信鏈路(例如藍牙鏈路)將實時提取的位置指紋信息發給固定感應裝置后，再與固定感應裝置的反饋信息一起通過電力線通信通道轉發至信息處理單元，從而最大限度地利用電力線媒介實現定位，實用性很強。

圖4 對終端或終端載體進行管理模式配置示意圖

　　本系統在滿足室內定位的技術需求的同時，作為實用產品具有低成本優勢，主要體現在：技術簡單因而開發成本低;終端技術適合集成化因而產品制造成本有望繼續降低;免除了基站和天線的配置，因而系統建設成本低。

　　5.結束語

　　本文針對物聯網領域亟待突破的室內定位技術，分析了室內定位的技術需求和現有無線電定位技術的不適用性，基于對電力線傳輸特性的分析提出了一種適合室內定位的電力線定位技術方案。該方案利用電力線傳輸特性的頻率選擇性和位置敏感性形成位置指紋，基于DCM技術實現定位，運用準實時反饋和調整機制有效克服電力線信道特性的時變性，可破解室內無線定位難題。

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