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LocSpeck：协作和分布式基于非对称节点的定位系统UWB Ad-Hoc网络和Wi-Fi指纹识别

摘要：本文介绍了LocSpeck，这是一种协作的分布式室内定位系统，基于节点间相对范围测量，使用自组织网络连接的动态节点和Wi-Fi指纹识别。所提出的系统使用对等范围测量进行操作并且不需要超宽带（UWB）固定锚，也不需要预定义的网络拓扑。就板载可用传感器，计算资源和功率容量而言，节点可能是不对称的。这种不对称性会对定位性能较弱的节点产生不利的影响。不同节点之间的协作是通过分布式估算器实现的，而无需单个集中计算元件。该系统的测距的组成部分基于Decawave的DW1000 UWB收发器芯片，该芯片连接到一套配备非对称传感器的智能手机。分布式定位滤波器在本地融合每个节点上的相对范围测量值，内部传感器的读数以及Wi-Fi接收信号强度指示器（RSSI）读数以获得对每个节点位置的估计。本文所描述的系统不依赖于固定的UWB锚点，而是在线支持节点的添加和删除以及动态节点角色分配（作为锚或作为节点）流动。系统的性能是通过使用以下四个为一组的真实测试场景来评估的，通过徒步使用智能手机来导航室内环境。性能可与基于UWB的商业系统相媲美。本文所提出的结论可以表明，就可用的定位传感器而言，如果移动节点较弱，可以在和附近其他节点的协作中受益。

关键字：超宽带，室内定位系统，实时定位系统，嵌入式系统，临时网络

介绍：室内定位和定位系统构成了跨越不同领域的区域传感技术和多种位置估计技术。无论是从研究角度来看还是从商业角度来看，该领域最近几年一直处于持续膨胀扩大中，随着室内定位和定位系统的普及以及基于位置的服务（LBS）和实时定位系统的快速应用（RTLS）在商业，工业，紧急响应和军事领域中的使用量增加[1]，在某些情况下，由于节点的限制，各个节点的定位精度可能无法令人接受，同时可用的传感器或观测点不足的情况也时常出现。在操作脚本中，存在一组物理上接近的节点，并且其中一些节点可以相对准确地定位自身，使用相对测量值可以增强每个节点的独立观测能力，并改善节点集合[2，3]的定位精度。

使用相对范围测量产生了位置估计滤波器的附加约束，这可以提高协作节点的定位精度[4]。超宽带（UWB）测距设备之所以不受多径影响而产生错误，是因为它可以以精确的时间分辨率区分不同事件，而这要归功于它的频道带宽大。这使得基于UWB的设备在理想工作条件下能够达到厘米级的测距精度[5]。

本文提出的目标是LocSpeck，即协作的分布式定位系统使用基于UWB的相对范围测量来定位智能手机和手持式应用程序，以及Wi-Fi指纹识别和惯性传感器。 该系统经过实验评估，并且将该结果与基于商业UWB的定位系统Pozyx的性能进行了比较。本节的其余部分将简要概述不同的测距和定位技术在基于UWB的系统中使用，然后将讨论基于范围的定位应用。

1.1基于UWB的测距

超宽带定位和定位系统已用于需要厘米级测距精度，并限制测距设备的成本和功率的不同场景。基于UWB的本地化系统的应用包括紧急情况下的急救人员或资产的跟踪和监视，医疗保健应用程序，安全和访问的控制，无线传感器网络中的节点定位和军事领域的应用[6-9]。

使用不同的技术对超宽带无线电进行测距：到达角（AOA），接收信号强度（RSS），到达时间差（TDOA）或到达时间（TOA）/飞行时间（TOF）[7]。基于到达角的系统很复杂，同一节点上天线的数量需要很多根，这无疑增加了系统成本和实现的复杂性。因为信号的高带宽除了增强对多径效应的抵抗力外，还提供非常好的空间分辨率[10]，所以基于时间的方法更适合于UWB系统。克拉姆·劳先生使用IEEE 802.15.4-2011的前身---IEEE 802.15.4a来限制到达时间的测距精度，在单路径加性高斯白噪声（AWGN）下的渠道模型，可以表示为：

其中sigma;R是范围估计值R的标准偏差，c是光速，beta;是有效值带宽和SNR是信噪比[7、11]。设置beta;=500MHz和SNR =10，范围估计的标准偏差sigma;R=2cm[12]

与窄带相比，由于UWB信号的大带宽，UWB信号的RSS不易受到小规模衰落的影响 [13]。但是，使用RSS方法可达到的测距精度随着距离的增加而降低[14]，这使得可达到的精度小于使用时间延迟方法获得的精度。范围测量精度RSS技术可以表示为：

其中d是两个节点之间的距离，np是路径损耗因子，sigma;sh是表示正态通道阴影的零均值高斯随机变量的对数的标准偏差[7]。对于某些不需要厘米级精度的应用来说，当各个节点非常接近时这个精度级别可能就足够了。RSS本地化依靠两种技术：范围估计技术或指纹技术。第一个是在已知路径损耗模型（PLM）和信道状态信息（CSI）应用[13、15]。第二个是应用于信号强度指纹识别[16]，这要求在学习阶段收集RSS指纹以及一组参考点，之后在RSS本地化阶段时，将实际RSS值与之前生成的指纹数据库进行比较，实时估计UWB接收器的位置。

1.2基于UWB的定位

由于UWB基于时间的距离测量精度要求较高，在UWB信号在锚点和被跟踪的设备之间没有任何障碍物时，通过解决视线中的多边问题，可以达到十亿分之一米的精度要求（LOS）[17]。在跟踪移动设备的典型情况下，可以通过适当的设备动态模型和一台卡尔曼滤波器（EKF）来解决定位问题。所获得的估算位置的准确性取决于传感器网络节点的几何形状[18]，并且估算位置的准确性可以通过精度[19]的几何稀释来评估。为了正确跟踪移动节点，一些商业研究的定位系统（例如Pozyx系统）正在使用固定的UWB网络[17]。

由于在室内环境中非视距（NLOS）测量非常频繁，最近的一些工作为了降低离群值的影响考虑了识别NLOS测量值[20]或动态适应EKF中的测量方差的问题[21]。通过适当地分析接收到的UWB信号[19、22]的特性，最近这些基于功能方法为NLOS识别和缓解提供了令人鼓舞的结果。目前看来机器学习的方法并没有为减轻NLOS效应提供了重要的改进，但是也被证明也非常适合NLOS测量值的识别[23,24]。

为了减小UWB测量误差并对预计轨迹加以量化，可以考虑结合其他传感器提供的信息。例如基于惯性传感器测量结果的行人航位推算[25]。此外，当必须同时估计多个设备的位置时协作定位方法也可以考虑[26]。点对点UWB范围测量可以与惯性传感器结合在一起，用以提高集成估计器的定位精度[27]。

与静态网络架构的情况相反，本文研究的网络能够与可用UWB设备的数量动态自适应。这种方法的主要优点是它不需要网络中节点的任何先验知识，因此能够完美地适应用户进入或退出配备了UWB收发器的跟踪区域每一个瞬间的潜在真实情况。这项工作旨在调查在不需要使用固定的UWB架构情况下定位系统的工作性能。不使用固定的UWB架构，从而大大降低了系统成本，并且有希望使用协作的方法来支持定位性能较弱节点，例如，配备较少传感器/较少传感器信息量的节点。

1.3UWB网络架构

IEEE 802.15.4-2011标准为在个人局域网（PAN）环境中的UWB设备提供两种网络架构支持。如图1所示：星形网络架构，以及对等网络架构。一个基于UWB的定位系统的典型网络配置包括一组固定锚点和一个或多个移动节点。锚点的位置通常是已知，同时使用锚点和节点之间测量的范围可以推算移动节点的位置。一个来自Decawave基于DW1000的商用UWB无线电定位系统示例[28]---Pozyx系统[29，30]。Pozyx系统支持固定网络架构[31]，它需要事先了解网络中移动节点，标签，固定节点或锚点的数量。标签的位置使用时分多址（TDMA）方法以此推算以消除不同标签相互之间干扰的可能性。在Pozyx系统中，来自整个网络中的单个设备有效地启动了定位和测距过程，该设备可以根据可到达的可用节点列表远程控制其他节点或标签。

图1.（a）星型网络架构 （b）对称性网络架构

UWB网络体系结构的另一个部分是媒体访问控制（MAC）协议的设计，该设计已经在无线传感器网络（WSN）的环境中被广泛地研究。传感器网络的MAC协议的设计以网络的操作目标为指导，通常，该设计是在两个相互冲突的目标之间进行权衡的尝试：实现高吞吐量和保持节能运行。最近的调查文章描述了MAC协议的分类法并概述了不同MAC协议的发展[33 – 37]。 WSN的MAC协议可以是分为同步，异步，帧时隙和多通道协议。 虽然IEEE 802.15.4-2011标准定义了MAC层，但并非每个UWB无线芯片都完全执行了标准。例如，Decawave DW1000没有执行由标准定义的介质访问控制层，并将此任务留给主机系统[28]。

1.4概要

本文的其余部分描述了LocSpeck的体系结构，LocSpeck是基于UWB的分布式临时Ad Hoc定位系统，包含节点的硬件和软件。第二节概述了目标网络体系结构，节点的硬件体系结构以及范围测量消息序列的具体情况。 LocSpeck系统的即席媒体访问协议在第2节的末尾进行描述。第3节从描述分布式相对范围测量方法开始，接下来然后继续描述用于更新的其他过滤器的状态的测试方法，例如Wi-Fi指纹和楼层平面图更新。第4.1节介绍媒体访问协议仿真环境以及测试设置。本节也讨论定时测距信息的结果以及使用已提出的媒体访问协议实现的距离测量速率的理论极限。最后，第4.2节介绍了协作定位测试环境和不同的测试场景；接下来介绍拟议系统的定位结果。简要讨论以及最后的结论分别在第5节和第6节中论述。

2.基于Ad Hoc-UWB的定位系统

本节介绍了拟议的基于UWB的临时UWB定位系统的硬件和软件部分。该系统支持临时网络架构，兼容运行和节点删除以及对的动态节点的分配。此外，拟议系统不依赖于固定锚点，也不需要协作节点之间进行时间同步。本节首先介绍受支持的网络结构，然后介绍该系统的硬件和软件基础。本节稍后讨论测距的具体情况和媒体访问协议。

2.1Ad Hoc网络结构

临时网络是独立节点之间的网络，这些独立节点可以动态地更改其连接性，而无需固定的基础元件或中央控制单元[38]。在没有预定的结构，没有固定功能的情况下。LocSpeck系统中的节点使用临时网络架构进行连接。由于该网络的主要目标是在UWB接收机视线内实现相邻节点之间的距离测量，所以此处描述的自组织网络与用于通信应用的ad-hoc网络有一些不同的特征[39]。定位系统支持的网络特性的总结为以下内容：

bull;平面网络拓扑：就通信能力而言，网络由对称节点组成的，这意味着每个节点都可以发起测距请求或响应来自其他节点的此类请求。此外，与IEEE 802.15.4-2011标准中描述的点对点网络体系结构相反，该网络体系中没有协作节点[32，40]。然而，节点的感测和计算能力仍然可以不对称。

bull;单跳网络：节点只关心与相邻节点交换距离信息。

bull;节能：在测距交换尝试失败或成功之后，无线电芯片会在新的测距序列开始之前进入预定的睡眠时间。

bull;灵活性：节点可以实时进入和退出网络，而无需重新配置或通知现有节点

这些特性强调了该网络的主要目标：测距和定位。就通信能力而言，节点是相同的，并且节点可以分布在较大的物理空间范围内。ad-hoc网络与固定功能网络的测距和定位应用的拓扑结构之间的区别如图2所示。

图2.（a）固定功能网络拓扑 （b）动态功能网络拓扑

2.2动态节点体系结构

动态节点是拟议UWB定位系统的构成要素。每个节点由测距设备和相关联的智能手机构成。该系统体系结构的概述如图3所示。测距设备基于商用成品组件。适用的UWB无线电模块是DWM1000，它基于Decawave DW1000无线电接收器，并配备了板载芯片天线[41]。DWM1000是连接到TI [42]的CC2640R2 LaunchPad套件，该套件承载CC2640R2F无线微控制器单元（MCU），使用智能手机可以通过蓝牙低能耗接口（BLE）与DW1000设备通信。UWB模块和MCU通过串行外围设备接口（SPI）进行连接，允许主机MCU配置UWB无线电，启动距离测量，并通过无线电获得数据和状态信息。UWB模块和由TI生产的BLE评估电路板被封装在定制的塑料盒中，该塑料盒用于放置电池和电源开关，如图4a所示。挑选由Decawave无线电模块提供系统元件以确保厘米级的测距精度。BLE接口用于使UWB模块轻松地与智能手机配对，该接口提供了一个低成本，多功能的平台，其中包含感应，计算，和通信功能。为了进行比较，Pozyx系统的锚点和标签节点如图4b，c所示。

图3. LocSpeck平台概述[41,42]

主机智能手机通过蓝牙低功耗（BLE）接口连接到测距设备-智能手机还运行传感器记录应用程序，如图5所示。设备固件和日志记录应用程序通过通用属性配置文件（GATT）进行通信，它是蓝牙低能耗协议栈的组成部分，负责任何两个连接的设备之间实际的数据交换。GATT将数据作为一组字段存储并传递（称为特性），存储在BLE设备的内存中。GATT简介表1总结了LocSpeck测距设备实现的功能。LocSpeck日志记录应用程序可以识别连接的UWB芯片，读取并更改UWB芯片的配置，

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