维普资讯 http://www.cqvip.com 计算机科学２００７Ｖｏ１．３４Ｎｏ．７ 超宽带技术的信道模型和定位技术研究与分析 曾文 王宏 徐皑冬 （中国科学院沈阳自动化研究所 沈阳１１００１６） （中国科学院研究生院 北京１０００３９） 摘要短距离无线系统是今后较长时间内通信界研究的热点，其中个人局域网（ＰＡＮ）概念的提出，更推动了个人 ＇ 信息网络的发展。实现ＰＡＮ的主要技术有：ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ、Ｈｏｍｅ ＲＦ、蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）以及超宽带（Ｉ兀Ⅳ１３）等。其中 高带宽、高速率、低功耗和抗干扰等特点使得ＵＷＢ技术优势极为突出。本文系统地阐述了ＵＷＢ的物理信道模型、定 位技术和计算方法，并进行了必要的总结和概括。 关键词超宽带，无线信道模型，定位 Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＷＢ ＺＥＮＧ Ｗｅｎ ’。ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ ＸＵ Ａｉ—Ｄｏｎｇ （Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６） （Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９）０ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌ１ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｏｔ ｓｐｏｔ ｉｎ ａ ｌｏｎｇｅｒ ｔｉｍｅ．Ｐｅｒｓｏｎａ１ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ （ＰＡＮ）ｉｍｐｕｌｓｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｓｏｎａ１ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎｅｌｕｄｅ ＩＥＥＥ８Ｏ２．１１ｂ，Ｈｏｍｅ ＲＦ．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ａｓ ｗｅｌ１ ａｓ ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅ ｂａｎｄ（ＵＷＢ）ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｂｅｃａｕｓｅ Ｉ ｈａｓ ｉｔｓ ｕｎｉｑｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｉｄｅｒ ｂａｎｄ， ｈｉｇｈｅｒ ｓｐｅｅｄ ｒａｔｅ．１ｏｗｅｒ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇｅｒ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ｅｔｃ．ｔｈｅ １ ｝ｂａｓｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｍｏｒｅ ｄｅｅｐｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｂａｓｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｏｎ Ｉ ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｄｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅ ｂａｎｄ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｈａｎｎｅ１ ｍｏｄｅ１．Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ １ 引言 （５）抗干扰性能强。ＵＷＢ采用扩频跳频工作方式，这种 工作方式抗信号干扰的能力较强。在发射时，将微弱的无线 超宽带（ＵＷＢ）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微 电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设 秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的 备产生的噪声；接收时，将信号能量还原出来，在解扩过程中 一次性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流 产生扩频增益。因此与ＩＥＥＥ８Ｏ２．１ｌａ、ＩＥＥＥ８Ｏ２．１ｌｂ和蓝牙 技术。超宽带和其它的“窄带”或者“宽带”主要有两方面的区 相比，在同等码速条件下，ＵＷＢ具有更强的抗干扰性。 别：一是超宽带的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽；二 （６）安全性高。作为通信系统的物理层技术具有天然的 是超宽带的无载波传输方式。ＵＷＢ技术主要有下列特点： 安全性能。由于ＵＷＢ信号一般把信号能量弥散在极宽的频 （１）发射功率低。超宽带无线电的射频带宽可达１ＧＨｚ 带范围内，对一般通信系统，ＵＷＢ信号相当于白噪声信号。 以上，所需的平均功率很小。在短距离应用中，ＵＷＢ发射机 并且大多数情况下，ＵＷＢ信号的功率谱密度低于自然的电 的发射功率低于ｌｍＷ；低发射功率可以延长系统电源工作时 子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难 间，况且发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。 的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将 这样，ＵＷＢ的应用领域就广。 更加困难。 （２）多径分辨能力强。ＵＷＢ采用持续时间极短的窄脉 （７）低功耗。ＵＷＢ设备可以使用小于ｌｍＷ的发射功 冲，其时间、空间分辨力都很强，因此系统的多径分辨率极高， 率，这样就大大延长了系统电源的工作时间。ＵＷＢ技术的 １ｎｓ脉冲的多径分辨率为３０ｃｍ，接收机通过分集可以获得很 系统功耗也相当低，５９￣７０ｍＷ就可以满足它的工作要求，功 强的抗衰落能力。 耗还不到目前各种无线传输技术的１ 。 （３）传输速率高。ＵＷＢ使用ＧＨｚ级的超宽频带，所以即 （８）工程简单，造价便宜。在工程实现上，ＵＷＢ比其它无 使把发送信号功率谱密度控制得很低，也可以实现高达１００ 线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学 ５００Ｍｂｉｔ／ｓ的信息速率。 方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成 （４）带宽极宽。Ｌ八ＶＢ使用的带宽在１ＧＨｚ以上，高达几 到一个芯片上，设备的成本很低。 个ＧＨｚ。ＵＷＢ系统容量大，在半径１０ｍ的区域内，允许６个 发射机同时工作，每个发射机的数据速率以大于５０Ｍｂｉｔ／ｓ计 ２超宽带无线信道模型的研究 算，总数据速率约为３００Ｍｂｉｔ／ｓ，空间容量大于１０００ｋｂｉｔ／（Ｓ・ 超宽带不同于窄带通信，它在调制、编码、功率控制、天线 ｍ２）。 设计等方面面临着许多挑战。在研究ＵＷＢ通信技术的时 曾文博士生，研究领域为工业无线通信、超宽带技术研究。 ・ ３４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 候，需要一个合适的、接近于实际的ＵｗＢ信道模型。但令人 遗憾的是，至今尚无一个统一的信道模型。一方面１ 道非常复杂，较为全面地建立一个１ 容易的事；另一方面，我们对１ 信 Ａｌ－－ ，２≤ｚ； 信道模型不是一件 其中Ｋ＞Ｉ，则表示多径的到达是成簇的；如果Ｋ％Ｉ，则表示 多径到达趋向于分隔。 信道的研究时间不长，没 有实验数据来建立这样一个信道模型。目前，有关信道建模 的文章 。 虽然比较多，但各种信道模型的侧重点和描述参 数的考虑都不尽相同。它们的共同点是：ｕⅣＢ信道模型都 是建立在实际实验测量的基础上的，实验一般是在室内进行。 １ 信道具有时变特性，所以应该测量足够多的数据，用统 计的观点和方法来分析数据，描述信道特性。ＵＷＢ的无线 信道除了存在反射、散射和衍射等现象外，还有独特的簇特 性。一般说，１ 信道的特征主要体现在信道的路径损耗 （２）多径的幅度分布 时隙ｚ的冲击响应以ａ 表示，多径的幅度 ｌ为对数正 态分布，Ｐｒ表示反射导致的脉冲反相，并假设Ｐ 等概地取± １，有 ｍ— Ｉｍｌ ２０１ｇ（ １）～Ｎ（ ， ） 是时隙ｚ的过剩时延；ｒ是簇延因子； 和多径衰落上，因此１ 信道模型的建立也就从两方面考 虑，即路径损耗和多径效应。 ２．１路径损耗模型 理论分析和大量的实测数据都表明：接收到的信号的平 均幅度随着距离的增加而对数减小；在室内，无线信道在给定 距离上路径损耗是随机变量，服从对数正态分布。用距离的 指数方程来描述任意Ｔ＿Ｒ（发射机到接收机的距离）上的平均 路径损耗（以ｄＢ值表示），有 ＰＬ（ｄ）一ＰＬｏ（ ）＋１０Ｎｌｏｇ（芋）＋Ｓｏ（ａ ｏ ） ＰＬｏ（ｄｏ）是参考点处的接收功率，Ｎ是损耗指数，Ｓｏ（ ）是由 于阴影效应引起的损耗（ｄＢ），Ｓ（ ）服从正态分布。阴影效 应主要是信道中散射现象引起的，使得传播空间上的信号变 得混乱。ＰＬ（ｄ）随Ｔ－Ｒ的增大而减小，其值的变化幅度也增 大。因此，路径损耗的大小与信道中视距传播的情况有关：视 距传播路径多，即类似自由空间传播的情况占的比例增大，则 Ｎ变小，损耗减少；反之，损耗增大。 ２．２ 多径衰落信道模型 ２．２．１ Ｖ室内信道模型 Ｖ模型是两个泊松模型的应用。第一个泊松模型用于 描述每一簇第一径的到达时间，第二个泊松模型用于描述簇 内各路径的到达时间。假设： 表示第ｚ簇中第 个多径分 量到达时间； ， 表示第ｚ簇的第ｋ条多径相对于Ｔ 到达的延 迟； 表示单位时间内簇到达的速率； 表示单位时间内多径 分量到达的个数。 （１）多径的到达时间 簇到达时间和多径到达时间的分布为 （ ｌ丁ｆ＿一１）一 ｅｘｐ［－－ｖ（Ｔｌ— 一１）］，ｌ＞０ ｐ（ｒｋ， ｌｒ“一１），ｆ）一 ｅｘｐ［－－Ａ（ｒｋ，ｆ－Ｔ（ｋ一１），ｆ）ｊ，ｋ＞０ （２）多径的功率分布 第ｚ簇中第ｋ个多径分量的幅度服从瑞利分布，多径的 平均功率服从双指数分布： 隘一 （Ｏ，Ｏ）ｅｘｐ（一Ｔｌ／ｒ）ｅｘｐ（一 ／Ｘ） （Ｏ，Ｏ）是第一个簇中第一个多径分量的平均功率。 在这种信道模型中，由于采用了双指数衰减模型，因此比 较贴近于实际信道。对 Ｖ模型与测量数据进行拟合表明， Ｖ模型与测量数据吻合得很好。 ２．２．２ Ｋ模型 （１）多径的到达时间 时间轴以△为单位划分时隙，ｚ时隙中有一个多径信号 到达的概率为Ｐ ，如果前一个时隙ｚ一１内存在一个多径信 号，则Ｐ —ＫＡ 。否则Ｐ ＝ 。 描述为 ｎｏ是第一个簇中第一个多径分量的平均功率； １０Ｉｎ（ ）一１０Ｔｌ／３ ｌｎ（１０） 这种信道模型能较好地反映ＬＯＳ和ＮＬＯＳ信道的特征， 但由于这种信道模型采用了单个指数衰减的模式，所以不能 很好地反映ＬＯＳ或ＮＬＯＳ信道中的时延扩展均方根和平均 过剩时延。 ２．２．３ ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ的室内信道模型 根据大量的实验测量，多径幅度分布选择对数正态分布 比瑞利更合适一些，因此８０２．１５工作组对 Ｖ信道模型进行 了修改。 信道的离散冲击响应模型为 ，． Ｋ ｈ （￡）一Ｘ ∑∑ ｉ．ｆ （￡一 —ｒ；，ｆ） 其中ｉ表示第ｉ次信道的随机实现；Ｘ 表示第ｉ次信道随机 实现时的对数正态阴影函数，其分布为２０１ｇ（Ｘ ）～Ｎ（０， ）。 ， 为多径模型中的衰减系数， ， — ，概， 。 ８０２．１５工作组建议的超宽带室内信道模型如下： （１）多径到达时间的分布 令簇到达时间，即簇的第一条多径的到达时间服从参数 为到达速率 的泊松分布，而簇中其它多径的到达时间服从 参数为 的泊松分布， 一般远远大于ｕ。 及Ｔｋ，１分布为： 户（ ｌ 一１）一 ｅｘｐ［一 ］ｕ（ 一 一１）］，ｌ＞０ ｐ（ｒｋ，ｆ ｌ Ｔ（ｋ一１），ｆ）一 ｅｘｐＬ— （ ，ｆ—ｒ（ 一１），ｆ）ｊ，ｋ＞０ （２）多径幅度及能量的分布 信道系数定义为： ， 一 ，概， ， 表示第 个簇中第五个多径分量衰落的情况，它们都服从 正态分布，且相互统计，即２０１ｏｇ（Ａ， ）－－Ｎ（ｔ￣，ｆ， ＋ ） 是第 个簇中第是个多径分量的平均功率； １０１ｎ（ｎｏ）一１０ ／ｒ一１０ｒｋ， ／），（ ＋ ）Ｉｎ（１０） ， ｒ是簇时延因子，），表示多径分量的时延因子。相应地，多径 的能量分布为 瓯馥 １］＝ａｏｅ Ｅ Ｐｅ—ｒｋ，ｌ“ ３定位技术的研究 无线定位技术和方案很多ｒ３“］。常用的定位技术包括红 外线、超声波、射频信号等，但都不适合室内定位。红外线只 适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰， 在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影 响很大，不能用于室内环境；而射频信号普遍用在室外定位系 统中，应用于室内定位存在局限。利用ＧＰＳ进行定位的优势 ・ ３５ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 是卫星有效覆盖范围大、定位导航信号免费，缺点是定位信号 到达地面较弱，不能穿透建筑物，因此不适合室内定位，此外 如单层大厅或仓库；同样有定位误差不稳定、受噪声信号干扰 大的缺点。ＵＷＢ脉冲无线电技术具备了许多正弦载波通信 技术无法比拟的优势，特别是１ ｗＢ脉冲的宽度为纳秒级，占 用带宽在１ＧＨｚ以上，超宽带技术具有较高的时间分辨率和 定位器终端的成本较高。当前比较流行的Ｗｉ－Ｆｉ定位是 ＩＥＥＥ８０２．１１的一种定位解决方案。目前，它应用于小范围的 室内定位，成本较低。但Ｗｉ－Ｆｉ收发器只能覆盖半径９０ｍ以 较强的穿透材料的能力。利用超宽带信号进行定位，采用 Ｔ０Ａ技术测距，理论上可以达到厘米级的测距精度，完全能 内的地理区域，很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精 度，并不十分可靠，而且定位器的能耗较高。蓝牙技术应用于 定位，与Ｗｉ－Ｆｉ有很多相似之处，主要应用于小范围定位，例 够满足精确定位的需求。这种良好的性能为定位系统的设计 提供了很好的支撑。图１是这种定位系统工作原理。 图１ ＵＷＢ定位系统工作原理 ３．１基于ＴＯＡ技术的ＵＷＢ定位计算方法 １ ｗＢ精确定位采用的是基于到达时间的差分定位算 法。其原理是待测点发送信号到各个参考点的基站，由到达 时间来计算坐标。根据定位的几何原理，如果要定位一个待 测点的三维坐标，就存在３个未知数，再加上待测点发送信号 的时间也是未知的，所以至少需要４个参考点，建立４个方程 来进行计算： （ｚ一五） ＋（ 一 ） ＋（ 一 ） 一ｆ （ 一 ） ｉ一１，２，３，４ （１） 其中： Ａ－－鱼 ａｌ０２一ａ２Ｄｌ Ｂ－ ｂ２ｋ２－－ｂａｋ２ ａｌ０２一ａ２Ｏｌ （７－－堡 ！！二堡！￡２ ａｌＤ２－－ａ２ｆ，１ Ｄ－－堡！ 二堡 ａｌ０，２——ａ２Ｏｌ 将（５）、（６）式代人（２）式，得 ｆ（ｔ１一ｔ０）一Ｅｚ＋Ｆ Ｅ一 １（ Ａ＋ｙ２１ｃ＋锄） Ｆ一￡ ＋ （２黝Ｂ＋ｙ２１Ｄ）一 （７） 式中，（ｚ，Ｙ， ）和（丑，Ｙ ， ）分别表示需要定位的位置和参考 点位置的坐标； 表示需要定位的位置发送信号的时间；ｔ 是 节点ｉ的Ｔ０Ａ，表示参考点位置的到达时间（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉ— 将（５），（６）式和（７）式代人（１）式，可得到方程 Ｇｚ ＋Ｈｚ＋Ｉ＝０ （８） ｖａｌ，Ｔ０Ａ）；ｆ表示信号传播的速度；ｔｏ是信号从定位基站到 定位标签传输的往返时间。解这个方程组就可以得到待测点 的坐标位置。解方程组一般有两种方法：直接计算方法和基 于最优化的迭代方法。 ３．１．１直接计算方法 一其中，Ｇ＝Ａ ＋ ＋１一 Ｈ＝２［－Ａ（Ｂ－－ｘ￣）＋Ｃ（Ｄ— １）－－Ｚｌ～ＥＦ］ Ｊ一（Ｂ— １）。＋（Ｄ—ｙ１）。＋ ｝一Ｆ２ 则可以得到两个解： —一 １时 ±√ｃ 一 ｃ。， “。一专（ｆｌ十ｆ２）十 ）， 一２，３，４ ．（ 一２ｘ ｌ 一２ｙｑＹ一２ （２） 方程组有两个解，而期望的解只有一个。若计算得到的 解没有物理意义或者超过了可测量的范围，就视其为无效解； 若两个解非常接近并且都合理，则取它们的中间值。最后求 出 ，Ｙ的值。 ３．１．２基于最优化的方法 ＴＣｉｌ一．Ｔｃｉ——３７１ Ｙａ—ｙｉ——ｙｌ ｌ一 ～Ｚ１ 基于最优化的方法是根据以上建立的数学模型式（１），将 定位坐标的目标函数可以写成 （３） （４） ％一ｚ｝十 十孝一（ｚ｝十 十 ｝） 令Ａｔ ＝ －－ｔｉ，消去（２）式中的ｔ０，得 ａｌｚ十ｂｌ 十Ｃｌ ｚ＝ｋｌ ｎ２ｚ十ｂ２ｙ十ｃ２ｚ＝ｋｚ ｆ（ ）一∑｛［（ — ） ＋（ｙ－－ｙ ） ＋（ｚ－－ｚ ） ］ －－ｃ（ｔ 一 ｔ０）｝ （１Ｏ） 其中：ｎｌ＝Ａｔｌ２ｚ３ｌ—Ａｔｌ３ｚ２ｌ，ｎ２一Ａｔ１２ｚ４ｌ—Ａｔｌ４ ２ｌ ｂｌ—ＡｔｌｚＹ３１一￣ｔ１３ｙｚｌ ｂｚ一△￡ｌ２ ４１－－￣ｔｌ４Ｙｚｌ Ｃｌ—ＡｔｌｚＺ３１一Ａｔ１３Ｚ２１ ｆ２一△ｔｌｚＺ４１一△ｔ１４Ｚ２１ 户一＆，ｙ， ，ｔｏ］ 表示待测点的位置坐标（ ，ｙ， ）的矢量；ｔｏ 表示未知的传输时间；ｔ 是第ｉ个节点估计的Ｔ０Ａ值。目标 函数是所有点的距离误差的平方和。优化的目的是最小化目 ｋｌ一÷（ｆ。Ａｔ１２Ａｔｌ３Ａｔ３２＋Ａｔｌ２口３ｌ－－Ａｔｌ３口２１） ｋｚ一÷（ｆ。Ａｔｌ２Ａｔ１４Ａｔ４２十Ａｔｌ２口４ｌ－－Ａｔｌ４口２１） 合并（３）式和（４）式，表示为 ｚ—Ａｚ十Ｂ ｙ＝Ｃｚ＋Ｄ （５） （６） 标函数来得到最优的位置估计值。为了便于表示，定义 Ｆ（ｘ，Ｙ， ，ｔ０）一专∑ （ｚ， ， ，ｔ０） 从而得到 （１１） （１２） 厂（户）一１／２ Ｉｌ厂（户）ｌｌ ｔ。） ，然后根据式（１２）用迭代算法求解。 式中，厂（夕）一（ｆｌ（户），ｆ２（户），…，＾（户）） ，Ｐ一（ ，ｙ， ， ・３６ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 有很多优化方法用于目标函数来取得最小值，以便达到 优化的性能。在参考文Ｅｓ］中，采用高斯一牛顿方法和ＤＣＦ相 似牛顿算法对该目标函数进行优化，用于对ｕｗＢ精确位置 反射、衍射等其它路径到达，则ＴＯＡ测量值会引入非视距 （ＮＬＯＳ）误差。基于优化的位置估计定位方法是迭代的，当 预先定义的标准满足，迭代的执行终止。与迭代算法相比，直 定位。 （１）高斯～牛顿方法 在当前点 使用泰勒级数展开目标函数，取展开式的 前三项，可得 Ｆ（Ｐ女＋Ｓ女）一Ｆ（Ｐ女）＋ｇ 女十 Ｇ（Ｐ ）５ ／２ ５ 是方向矢量；ｇｋ是目标函数在Ｐ 处的梯度；Ｇ（Ｐ ）是目标 函数的Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵： Ｇ（Ｐｋ）ｓｋ一一 ＪＩＪ Ｓ 一－－Ｊｌｆ（Ｐ ） Ｊ 是，（Ｐ）在 的Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵，它是全排列矩阵。 ５女一一（Ｊ２Ｊ女） －厂２厂（Ｐ女） （ｊｗｊ 十九ｂｆＩ） 一－－Ｊｌｆ（Ｐ女） 迭代计算开始，需要初始位置坐标和初始传输时间。位 置坐标的初始估计值可以选取固定节点或被监控区域的平均 位置。初始的估计发送时间可以是比接收时间更早的一段时 间点。初始位置和传输时间的估计越准确，性能越好。 （２）相似牛顿一高斯算法 Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵Ｇ（Ｐ ）用一个矩阵 ， 通过迭代进行更 新。当第Ｋ次迭代，设 一－Ｂｋｇｋ 这种算法是通过迭代计算得到位置的估计值，迭代公式 如下： Ｐ计ｌ—Ｐ女＋ａ＆ｇ女 Ｐ 表示待估位置的坐标矢量，在第Ｋ次迭代时被估计的传 输时间；ａ表示步长；ｇ 表示目标函数的梯度： ＝ 厂（ｘ，ｙ，ｚ，ｔｏ）＿［ ， ，甏 ， ＆表示逆Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵，按照下式校正更新： 一 ＋筹一 ｈ女一Ｐ女一 ｌ— 一躲 １一 初始矩阵 是正定矩阵。为了开始迭代，需要初始坐 标的位置和初始传输时间。初始坐标的估计值可以选取所有 活动或在检测域内的节点的平均位置。初始的估计发送时间 可以是比接收时间更早的一段时间点。每次迭代的步长和梯 度都要被更新。 以上两种算法在计算中都可能出现无解或者迭代溢出的 情况，这主要是因为实际测量中存在误差，同时基站位置的选 择对方程组有较大影响。为了减小无解或者迭代溢出发生的 可能性，一般会设定５个基站参考点，从中选择４个接收信号 功率最高的作为最佳参考点，然后再联立方程组进行计算。 ３．２目前的研究进展 目前ＵＷＢ精确定位采用的算法主要是传统定位算法， 系统的定位精度受限于无线信道的传输条件。如果收发器之 间存在视距（ＬＯｓ）传输，定位精度会较高。反之，信号只能以 接计算的方法简单且容易执行。当无线信道的传输条件好 时，或对精确度要求不高的应用，可以考虑直接计算的方法。 目前存在的非迭代算法，如果非迭代算法的位置估计被用作 为初始位置估计，那么基于优化方法的性能可能会被改善。 文［６］提出使用最大似然估计方法进行建模和快速测距方案； 文［７］使用粒子滤波器解决非视距问题，为室内条件下的定位 提供了良好的解决方案；文［８］提出基于ＴＯＡ和ＡＯＡ两种 技术建立成本函数。 结束语 目前，ＵＷＢ技术已经成为未来最有前途的１０ 大通信技术之一，拥有十分广阔的前景。无线信道模型的研 究和定位技术是ＵＷＢ技术研究的基础，无线信道模型的建 立是评价整个无线通信系统（不仅仅指ＵＷＢ）性能的评价标 准。信道模型对信道链路估算、传播范围的规划和评估物理 层方案都是必需的。而定位技术是ＵＷＢ本身特有的物理特 性，是其它无线通信技术所不具备的。作为无线信道技术重 要的支撑基础，信道模型和节点的定位问题极具研究价值。 本文论述了ＵＷＢ无线信道模型和节点定位问题的基本原理 与计算方法，归纳了已有的研究及最新发展，期望能为未来的 研究提供一个良好的基础，借此推动国内对这一领域的关注 和研究。 参考文献 １ Ｓａｌｅｈ Ａ，Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａ Ｒ．Ａ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｉｎｄｏｏｒｓ Ｍｕｈｉｐａｔｈ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．１ＥＥＥ ＪＳＡＣ，１９８７，５（２） ２ 王金龙，等．无线超宽带（ＵＷＢ）通信原理与应用［Ｍ］．北京：人民 邮电出版社，２００５ ３ Ｏｐｓｈａｕｇ Ｇ Ｒ，Ｅｎｇｅ Ｐ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＧＰＳ ａｎｄ ＵＷＢ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓ— ｔｅｍ：Ｍｏｔｉｖａｔｅｓ ｔｈｅ Ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｏｎ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｉｎ：ｌＥＥＥ Ｃｏｎ— ｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２００２ ４ 任丽荣，肖军．基于ＴＯＡ的无线传感器网络定位系统［Ｊ］．信息与 控制，２００６，３５（２）：２８０￣２８３ ５ Ｙｕ Ｋ，Ｏｐｐｅｒｍａｎｎ Ｉ．ＵＷＢ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ａ￣．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ２００４ ＩＥＥＥ Ｒａｄｉｏ ａｎｄ ｗｉｒｅ－ ｌｅｓｓ ｏＣｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．４５９￣４６２ ６ Ｌｅｅ Ｊ Ｙ，Ｓｅｈｏｈｚ Ｒ Ａ．Ｒａｎｇｉｎｇ ｉｎ ａ Ｄｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉ—ｐａｔｈ Ｅｎｖｉｒｏｎ— ｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ ａｎ ＵＷＢ Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００２，２０（９）：１６７７￣１６８３ ７ Ｊｏｕｒｄａｎ Ｄ Ｂ，Ｄｅｙｓｔ Ｊ Ｊ Ｊｒ，Ｗｉｎ Ｍ Ｚ．Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐａｔｈ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ Ｕｓｉｎｇ ＵＷＢ Ｒａｎｇｉｎｇ［Ａ］．Ｉｎ：Ｐｒｏ— ｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｕｈｒａ－Ｗｉｄｅｂａｎｄ ［ｃ］．Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００５．３１４￣３１９ ８ Ｍｏｎｔｉｌｌｅｔ Ｊ－ｐ。Ｂｒａｙｓｙ Ｔ，Ｏｐｐｅｒｍａｎｎ Ｉ．Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｎｏｄｅｓ Ｌｏ— ｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｄ－Ｈｏｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｓｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ［Ａ］．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｎｒａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｄ－ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＩＷＷＡＮ２００５）［ｃ］．ｈｔｔｐ：／／ ＣＳ．ｂｅｒｋｅ— ｌｅｙ．ｅｄｕ ・ ３７ ・
