基于电力线位置指纹的抗时变室内定位技术

　　引言

　　以GPS定位技术为代表的卫星导航技术正快速改变着我们感知和管理客观世界的方式方法。然而，当人们希望借物联网热潮通过空间定位技术把管理活动引入到管理需求更为频繁和多样的人工建筑体内部时，包括GPS定位技术在内的无线电定位技术的局限性便显露无遗，建筑体对无线信号的遮挡，以及远比室外空间要复杂得多的建筑体内无线信号的传播特性，令传统的无线电定位技术不再适用，物联网发展因此进入一个技术及应用的瓶颈期。迄今，业界还没有找到一种既具有技术适用性，成本又可接受的室内定位技术来满足室内物联网管理需求，亟待从技术原理和方案上实现突破。

　　1.室内无线定位的技术特点与传统无线电定位技术的适用性分析

　　传统的无线电定位技术是基于一个适用于室外空间的基本假设，即电磁波传播环境可理想化为无边界的空间环境，因此适合运用经典无线电传播理论和几何计算原理进行定位。

　　与室外无线电传播环境不同，室内环境中的无线电波传播过程受周边墙体的影响非常大，墙体会对电波产生反射、折射、散射、绕射、透射和吸收，其中反射和吸收现象对无线电波传播的影响尤为显着。

　　在室内环境，接收设备检测到的无线信号是原传播路径信号与不同反射路径信号的叠加。这种叠加合成的信号，会呈现信号衰落现象，会在相邻码元间产生干扰，这种特性被称作多径效应。多径效应给原无线信号所携带信息的正确接收和提取带来难度。

　　室内定位难以避免无线信号收发设备之间的非视距传播(NLOS)问题， NLOS使信号在原传播方向的能量大幅降低甚至被阻断，这将制约以无线电波沿直线传播为基本假设的各种传统无线定位方法。

　　传统的无线电定位技术包括：利用信标节点(如无线基站)与待测目标间信号的到达时间的TOA(Time of Arrival)或信号到达时间差的TDOA(Time Difference of Arrival)进行距离换算和几何运算的定位法;利用信号到达角度的AOA(Angle of Arrival)进行几何运算的定位法;利用到达信号强度的RSS(Received Signal Strength)换算出传播距离后进行几何运算的定位法等。

　　TOA定位法对信标节点及待测目标之间的信号同步技术要求非常严，需要增加大量硬件成本，而与其基本原理相通的TDOA定位方法则避开了同步问题，因而人们通常选用TDOA定位法而甚少直接运用TOA定位法。

　　TDOA定位法显然易受到NLOS的影响，因此只有在系统收发设备之间的遮挡物对无线信号的反射和吸收处于可接受程度时，即易于检测到并正确解算出TDOA信息时才适用，否则换算成距离进行几何计算时会出现偏差。这种要求在工程上是比较苛刻的，由此带来实用性问题。除了NLOS的制约，在室内环境TDOA定位法还需面对多径效应带来的难题。抗多径技术会大幅增加技术复杂度，相关技术的经济性一直难以被接受，目前还不具有实用性。

　　AOA定位法要测量来自待测目标的无线电信号的方向信息，在原理上就不适用于反射和NLOS都存在、甚至可能非常严重的室内环境，前者导致信息传播方向的错判，后者导致难以检测到传播方向信息。

　　由于室内环境多径效应严重，传统RSS定位法所依据的以无边界理想环境为前提的电磁波传播衰耗模型不再适用，虽然研究新模型或修正模型一直是业界的热点，但截至目前还没有出现实用化的成果，因而RSS定位法目前也不具实用性。

　　2.位置指纹模式匹配无线定位技术

　　本世纪初快速发展起来的基于位置指纹模式的DCM(数据库相关算法，Database correlation method)定位技术是一种有利于避开多径效应和NLOS的另辟蹊径的新定位技术【1】【2】【3】。

　　在室内环境，由于反射现象严重存在，无线电信号传播路径复杂，在每一个检测点，信号由不同反射路径抵达叠加后具有与人的指纹特性相类似的唯一性，这种具有物理特征唯一性的无线电信号被称作该检测点的位置指纹。基于位置指纹，运用DCM技术可实现实时定位。

　　基于DCM技术的位置指纹模式匹配定位技术分两个阶段实施。在离线阶段，把待测目标所处场点检测到的来自信号基站的无线信号特征参量(即位置指纹，一般取RSS值)记录下来，作为经验数据与场点的地理位置信息绑定存储在计算机数据库中;于在线阶段，用实时检测到的现场无线信号特征参量，与数据库中存储的经验位置指纹进行匹配关联处理后，通过映射处理查找到待测目标的位置坐标，从而实现定位。

　　基于DCM技术的位置指纹模式匹配技术充分利用了计算机的快速处理、大容量存储能力，可以有效绕过NLOS、多径效应对信号传播造成的直接影响，可避开物理建模和精准测量计算等复杂技术，与基于几何计算的无线电定位技术相比，实现原理和实现技术相对简单，因而被业界普遍看好。

　　位置指纹模式匹配定位系统若配套建设专用基站(如RFID基站)，带来系统投入大和基站的技术维护问题。为了降低系统建设成本，一般借用周边已经存在的通信网络的无线基站信号，如GSM、3G、WLAN等通信基站，而不是重新建设专用定位基站。但是，这些基站是为通信业务而配置，它们在运营过程中出现信号强度调整、基站数量增减，甚至位置变动等不测是难以避免的，显然会影响在数据库中存储的经验位置指纹的有效性。这说明作为DCM的经验数据存在时变性问题，给定位系统的正常定位操作带来隐患，或者说存在着性能完好性问题。一旦出现上述时变性问题，系统的位置指纹信息数据库必须全面校正，带来的校正工作量是巨大的，周期也很长。

　　3.基于电力线位置指纹的DCM定位技术

　　近些年来出现的电力线定位技术【4】【5】【6】，是一种基于电力线位置指纹的DCM定位新技术，正逐步引起业界的注意。研究表明【4】，电力线定位技术的定位精度、技术复杂性、功耗和成本等多项性能均优于基于GSM基站或WLAN基站的位置指纹定位系统。

　　电力线定位技术以低压电力线为信号传输与辐射媒介，低压电力线网络独特的拓扑结构、复杂的传输特性赋予位置指纹独特的可辨识特性，加之电力线至室内空间的“天然”通达性，使电力线定位技术具备了率先突破室内定位瓶颈的技术潜力。

　　3.1基于电力线传输的无线电定位信号的覆盖性

　　无线电定位技术首先要解决信号的覆盖性问题，这是前提条件。与主要以空气为传播媒介的其它无线电定位技术不同，电力线在定位信号的传播过程中有两重作用，一是通过电力线远距离传导定位信号，二是借助电力线辐射出定位信号形成各场点的位置指纹。

　　一般而言，建筑体内的低压电力线系统或称电力线网络总是配置在人员活动或设备安装区域，提供照明用电或用电器接驳口。这些区域正是有物联网管理需求的区域，因此可以说低压电力线网络对这些区域具有“天然”覆盖的特点。大多建筑体都是由同一个低压变压器供电，如果在低压变压器的用户线一侧耦合接入定位信号，信号就可以通过电力线网络轻易到达室内有管理需求的区域，实现良好的信号覆盖。

　　电力线定位技术的定位信号通过电力线远距离传导，既利用了电力线作为良导体的传导特性，使信号传送距离更远，覆盖性更好，又避开了信号于建筑体内隔墙传送过程中的NLOS问题，同时减少了信号在传送过程中的多径效应的影响。

　　3.2电力线传输特性的位置敏感性与位置指纹可分辨性

　　电力线的传输特性比专为信息通信而设计的通信电缆要复杂得多，当电力线作为通信信道利用时，其传输增益和输入阻抗等特性会依地理位置改变、频率的变化、时间的不同而显着地变化【7】【8】【9】。

　　图1【7】【8】是实际测得的低压电力线上输入阻抗随频率的变化曲线，图中两条曲线是在同一电力线网络中的不同地理位置所测得。可见，不同场点所测输入阻抗随频率的变化趋势差别极其显着，表明了其对所处地理位置极其敏感。

图1 输入阻抗与频率的关系

　　传输特性的这种对位置的敏感性，一是缘于随距离的增加电力线对信号的快速衰耗，二是与低压电力网中用电器等负荷在地理空间上无规律分布密切关联。用电器接入电力线所引入的负载效应对距离较近的检测点所呈现传输特性的影响会更大，即传输特性与用电器位置分布呈现出关联性，这种关联性可转化为检测点传输特性与检测点所处位置的关系，称作位置敏感性。

　　在电力线附近，周边连成一体的电力线就像一个网络状的特型天线，其辐射出的无线定位信号(位置指纹)在附近场点呈现出电磁场近场特点。在近场条件下，特型天线辐射区的电磁场特性与空间参量的关系很复杂，也体现出对位置的敏感性。

　　上述信号传输特性或辐射特性所呈现的对位置的敏感性，都有利于电力线定位系统辨识位置指纹随地理位置的显着变化，即增强了位置指纹的可分辨性。

　　3.3电力线传输特性的频率选择性与位置指纹

　　电力线传输特性的另一个特点是显着的频率选择性，例如在图1中表现为输入阻抗特性随频率而剧烈变化，频率选择性的另一个例子如图2【10】呈现的信道衰减特性随频率的变化，这些都使信号经信道传输后严重失真。电力线的这种频率选择性对信息传输技术或以信息传输为基础的定位技术而言，会成为信号接收解调电路的有相当难度的技术障碍。对于采用DCM技术的电力线定位技术，则因其技术原理的截然不同而绕开了需接收电路有效恢复原信号的问题，需要的只是采集并记录在检测点实际的叠加合成信号的电磁特征(用于实时定位时比对映射)，频率选择性不再成为技术障碍。

　　传输特性的频率选择性在一定条件下可以被利用起来增加位置指纹信息的可分辨性。图1表明，不同的地理位置检测到的频率选择性廻然不同，利用这种位置-频率相关性可增强位置指纹的可分辨性。

　　3.4电力线传输特性的时变性与位置指纹

　　电力线通信系统开发时，最令研发人员头疼的莫过于电力线传输特性的时变性。电力线网络是一个拓扑结构复杂的网络，网络中用电器的接入或断开都会影响网络性能，时变性因此普遍存在于电力线网络电特性的各个方面，包括传输特性和干扰特性等。众多用电器随机接入/断开对传输特性影响的统计效果也表现出一定的规律，如表现为用电高峰和用电低谷时的较大差异，例如图2所示为一个典型测试数据三维图，呈现了电力线传输衰减特性在一天24小时内的波动周期，一天内的差别最大可达数十分贝。这种波动以一天为周期剧烈地起伏，而在比一天更长的时段观察，衰减特性的均值还会随低压电力网中大量用电器的随机接入/断开而整体上下变化。

图2 传输衰减的时变性与频率选择性

　　如何解决传输特性随时间波动对位置指纹定位带来的影响，是一个具有挑战性的难题。笔者针对时变性难题提出了一种定位方法和系统实施方案，以适应位置指纹的时变性，从而实现正确定位，在下一章将作一简单介绍。

　　4.抗电力线时变性的电力线位置指纹定位技术解决方案

　　笔者提出一种基于电力线位置指纹和DCM技术的室内定位方法，定位系统由定位信号发生器、移动终端、信息处理单元、指纹信息数据库、固定感应装置组成。该方法的核心思想是，配置于已知地理位置处的固定感应装置准实时反馈位置指纹信息，用以及时调整数据库中的经验位置指纹信息，以应对传输特性的时变性。

　　系统在低压变压器的用户侧配置一个定位信号发生器，它向电力线发送的定位辅助信号选用多个单频信号线性合成一个特征参量矢量。于移动终端和固定感应装置接收并提取的信号矢量(即各单频信号幅度)，即为位置指纹信息，反映出所处场点的频率衰耗特性。系统信息处理单元根据接收到的已知安装位置坐标的固定感应装置反馈的现场实时位置指纹，及时调整指纹信息数据库中对应区域的经验位置指纹信息。系统信息处理单元依据接收到的待定位移动终端的位置指纹信息进行DCM处理(参见第2章)，从指纹信息数据库中映射索查出该终端的即时位置信息。

　　室内定位系统一般有两种典型应用模式，一种应用模式是终端自行定位导航模式，另一种是对终端或终端载体进行管理的模式。

　　在终端自行定位导航模式下，系统的连接示意图如图3。系统利用了电力线作为传输和辐射媒介，简化了系统结构，移动终端和固定感应装置技术简单，凸显出较好的经济性或实用性。

图3 终端自行定位导航模式配置示意图

　　另一种应用模式是对终端或终端载体进行管理的模式。这种应用模式下，系统的连接示意图如图4。这种模式下的信息传输特点是，移动终端通过短距离无线通信链路(例如蓝牙链路)将实时提取的位置指纹信息发给固定感应装置后，再与固定感应装置的反馈信息一起通过电力线通信通道转发至信息处理单元，从而最大限度地利用电力线媒介实现定位，实用性很强。

图4 对终端或终端载体进行管理模式配置示意图

　　本系统在满足室内定位的技术需求的同时，作为实用产品具有低成本优势，主要体现在：技术简单因而开发成本低;终端技术适合集成化因而产品制造成本有望继续降低;免除了基站和天线的配置，因而系统建设成本低。

　　5.结束语

　　本文针对物联网领域亟待突破的室内定位技术，分析了室内定位的技术需求和现有无线电定位技术的不适用性，基于对电力线传输特性的分析提出了一种适合室内定位的电力线定位技术方案。该方案利用电力线传输特性的频率选择性和位置敏感性形成位置指纹，基于DCM技术实现定位，运用准实时反馈和调整机制有效克服电力线信道特性的时变性，可破解室内无线定位难题。

　　参考文献

　　1)李昊 位置指纹定位技术【J】《山西电子技术》2007(5)

　　2)Tsung-Nan Lin.Po-Chiang Lin Performance Comparison of Indoor Positioning Techniques Based on Location Fingerprinting in Wireless Network

　　【C】 W ireless Networks,Communications and Mobile Computing ,2005 International Conference on Volume 2

　　3)H. Laitinen, J. Lahteenmaki, T. Nordstrom. Database correlation method for GSM location.【C】Proc. IEEE Veh. Tech. Conf. (VTC Spring 2001)， vol. 4, May 2001

　　4)Shwetak N. Patel, et al. PowerLine_Positioning_A_Practical_Sub-Room Level_Indoor_Location_System_for_Domestic_Use【C】 UbiComp2006

　　5)Stuntebeck_erich_p, et al.Wideband Powerline Positioning for Indoor Localization 【C】 UbiComp 2008

　　6)李娇 基于电力线的室内定位方法研究 【D】 电子科技大学硕士毕业论文 2013

　　7)高峰等 低压电力线载波通信中信号传输特性分析 【J】《电力系统自动化》 24(7)

　　8)Radford D. Spread～Spectrum Data Leap Through AC Power Wiring 【J】 IEEE Spectrum 1996

　　9)仲元昌等 低压电力线的信道特性【J】 《重庆大学学报》 2002,9

　　10)EN50065-1-2001【S】 CENELEC 2001