1、無線局域定位MartiinVossiek,Leif Wiebking,Peter Gulden,Jan Wieghardt,Clements Hoffmann,Patric Heide局域定位將會是下一代無線系統(tǒng)中最令人振奮的特色之一。用于無線數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)答器系統(tǒng)的全新概念和特性將會浮出水面。自行管理的傳感器網(wǎng)絡(luò),無處不在的運(yùn)算,區(qū)域敏感的收費(fèi),與情形有關(guān)的信息服務(wù),跟蹤和導(dǎo)引等等僅僅是無數(shù)可能的應(yīng)用領(lǐng)域中的一些例子。本文介紹了無線局域定位方案中的不同概念,并且回顧了現(xiàn)有的和正在涌現(xiàn)的系統(tǒng)和應(yīng)用。近些年來,我們已經(jīng)看到了以指數(shù)級速度增長的無線系統(tǒng)。無線技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了消費(fèi)者應(yīng)用領(lǐng)域,工業(yè),醫(yī)療系

2、統(tǒng)及其它眾多的應(yīng)用中。到目前為止,無線系統(tǒng)的中心問題變?yōu)橹T如標(biāo)準(zhǔn),帶寬,可用性,或模塊成本等方面。換句話說,焦點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)無線接入的商業(yè)可用性。現(xiàn)在無線信息的獲取范圍很廣,額外的推動這方面討論的話題是來自于用戶和應(yīng)用一方。我們可以越來越_Martin Vossiek (martin.vossiek, Leif Wiebking, Peter Gulden,Jan Wieghardt, and Clemens Hoffmann are with Siemens Corporate Technology, Otto-Hahn-Ring 6, 81730 Munich, Germany.Martin

3、Vossiek is also with Technische Universität Clausthal, 38678 Clausthal-Zellerfeld Germany.Patric Heide is with EPCOS AG, Anzinger Str. 13, 81617 Munich, Germany明顯地看到,無線系統(tǒng)的下一個飛躍不僅僅是要通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率來將目前的狀態(tài)升級。而需要能夠方便,靈活和易于使用的無線系統(tǒng)新的特性和服務(wù)。在這種情況下,局域定位系統(tǒng)便引起了人們極大的關(guān)注1。通過局域定位技術(shù),一個移動的器件可以收集關(guān)于它自身位置的信息或從別處對它進(jìn)行定位

4、。對局域定位所產(chǎn)生的濃厚興趣是由幾方面的因素而激發(fā)出來的。首先,無線系統(tǒng)的最大成功是由其可移動性來詮釋的。移動性從本質(zhì)上說是與不確定性相聯(lián)系的。然而,在工業(yè)制造,網(wǎng)絡(luò)組織和其它許多應(yīng)用中,常常不希望出現(xiàn)不確定性。局域定位是有效地克服不確定性的唯一方式。安全性和完善性也同樣可以極大地受益于局域定位。數(shù)據(jù)源頭,傳播路徑,和目的地這些信息對于安全性和完善性來說當(dāng)然是非常重要的。最后但卻并非最不重要的是無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量的限制是其固有的特性。因此,需要一種智能化的能顯示來龍去脈的信息傳輸。一個必要的信息便是移動器件的位置。局域定位可以使無線數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)答器系統(tǒng)的全新概念和特性得以實(shí)現(xiàn)。自行管理傳感器網(wǎng)絡(luò)

5、,無處不在的運(yùn)算,區(qū)域敏感的收費(fèi),與情形有關(guān)的信息服務(wù),跟蹤和導(dǎo)引等僅僅是許多可能的應(yīng)用領(lǐng)域中的一些例子。這個需求激發(fā)了熱烈的研究活動。幾乎所有無線領(lǐng)域的業(yè)界巨頭和無數(shù)新建公司都在開展這方面的工作,結(jié)果便是現(xiàn)有的商業(yè)化無線局域定位系統(tǒng)在不斷地增加。無線局域定位系統(tǒng)的分類一個無線局域定位系統(tǒng)基本上都包含至少兩個分離的硬件:一個是承載系統(tǒng)“智能化”主要部分的測量單位和一個信號發(fā)射機(jī)。最簡單的應(yīng)用中的發(fā)射機(jī)不過是一個信標(biāo)(beacon。取決于這些部件的功能和它們的相互作用,可以對無線局域定位系統(tǒng)進(jìn)行一個系統(tǒng)化的分類。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正如前面所述,系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種區(qū)別不同的無線局域定位系統(tǒng)的一種可能方式

6、。表1給出了一個關(guān)于命名的概述 2 。第一個區(qū)別是自定位系統(tǒng)和遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)。在自定位系統(tǒng)中,測量單元是移動的。這個單元接受來自于幾個位置已知的發(fā)射機(jī)的信號,具有根據(jù)測量的信號來確定自身位置的能力。遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)是以另一種方式工作的;它們的信號發(fā)射機(jī)是移動的,幾個固定的測量單元接受來自發(fā)射機(jī)的信號。在主基站,來自所有測量單元的結(jié)果被集中起來,發(fā)射機(jī)的位置便可以被計算出來。遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是移動部件能夠做得體積小,成本低,功率效率好。而另一方面,這個優(yōu)點(diǎn)的代價是復(fù)雜的系統(tǒng)和主干網(wǎng)絡(luò),昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施。究竟是遠(yuǎn)程系統(tǒng)更合適,還是自定位系統(tǒng)更合適,這將嚴(yán)格地取決于應(yīng)用。錯誤的選擇會將系統(tǒng)的成本提高1

7、0倍。這個事實(shí)所要強(qiáng)調(diào)的是幾乎不可能制作一個單一的系統(tǒng)來覆蓋很寬的應(yīng)用范圍。如果一個局域定位系統(tǒng)提供一個無線數(shù)據(jù)鏈接,那么當(dāng)然有可能將測量結(jié)果1從自定位測量單元傳送到遠(yuǎn)程端或2反之亦然。第一種情況可以認(rèn)為是間接的遠(yuǎn)程定位,而第二種情況稱為間接自定位。測量原理目前主要采用三種不同的測量原理:到達(dá)角度(AOA,接受信號強(qiáng)度(RSS,以及進(jìn)一步分為三個子類的以傳播時間為基礎(chǔ)的測量原理:到達(dá)時間(TOA,來回飛行時間(RTOF,到達(dá)時間差(TDOA。圖1顯示了每種概念的原理。在AOA系統(tǒng)中,是通過測向儀來計算位置的。通過使用定向天線或天線陣列,測量與已知位置點(diǎn)的相對角度。幾個測得的方向點(diǎn)的交點(diǎn)便能夠給

8、出位置信息。 圖1 測量原理(a到達(dá)角度AOA,其中RU和MU代表的是遠(yuǎn)程和移動單元,1和2是測量的方向角度;(b接收信號強(qiáng)度RSS,其中L1和L2代表測得的路徑損耗;(cTOA和RTOF,其中1和2代表的是測得的信號的單程或雙程的傳播時間,空間位置是由圓心在RU的圓的交點(diǎn)決定的;(dTDOA,其中12和23代表的是信號從MU到達(dá)兩個不同的RU的時間差,位置信息是由焦點(diǎn)在RU處的雙曲線交點(diǎn)所確定的。圖2 當(dāng)前無線局域定位系統(tǒng)一覽。這種方法的精度受到測量孔徑的定向性,屏蔽和/或來自于錯誤方向的多路徑反射的限制。RSS系統(tǒng)是基于傳播損耗方程的。例如,自由空間的傳輸損耗L B,是與1/r2成正比的。

9、然而,在實(shí)際情況中,這個簡單公式卻并不適合用來根據(jù)發(fā)射和接收功率之差來計算距離3。在室內(nèi)環(huán)境或已建成區(qū)域中,多徑衰落和屏蔽起著支配性的作應(yīng)4。為了解決這個問題,需要一個先進(jìn)的傳播模型,或者通過實(shí)際測量得到所感興趣的區(qū)域內(nèi)實(shí)際的場分布。由于高度非線性化的輸入輸出對應(yīng)關(guān)系,使用了復(fù)雜的算法或神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。后一種方法使用在本文隨后將要描述的神經(jīng)元蜂窩-定位系統(tǒng)(NCPS中。RSS的主要優(yōu)點(diǎn)是大多數(shù)現(xiàn)代化的無線模塊實(shí)際上已經(jīng)提供了接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI。而且,誤碼率(BER可以被用來估測信號的衰減。因此,在無線通信系統(tǒng)中實(shí)施一個局域定位系統(tǒng)或多或少都是軟件方面的課題,并不需要專有硬件。由于物理上的

10、限制,AOA和RSS系統(tǒng)只能給出中等精度的位置信息。用于局域定位測量最直觀和最準(zhǔn)確的方法可能是測量信號從發(fā)射機(jī)傳播到達(dá)測量單元以及返回所用的時間。很明顯,飛行時間隨后便可以用來計算距離。在若干個這種測量的基礎(chǔ)上,二維或三維位置信息便可以通過時間差異直接推導(dǎo)出來。然而,這種直接了當(dāng)?shù)姆椒ㄔ趯?shí)施時卻有著嚴(yán)重的固有困難。時鐘同步是一個主要的問題。實(shí)際上,基于時間的系統(tǒng)主要是由處理這個問題的不同概念來區(qū)分的。在TOA系統(tǒng)中,所測量的是單程傳播時間,測量單元和信號發(fā)射機(jī)之間的距離便可以計算出來。這種概念需要所有被用到的固定和移動單元具有精確的時間同步。在這種情況下,絕對時間的同步必須具有與所要求的位置精

11、度相關(guān)的精確度。例如,在厘米范圍的位置精度要求其絕對時間的同步要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1ns。因為時鐘信息必須分布到移動元件并在此保存,這種方法要么會產(chǎn)生一個昂貴的系統(tǒng),要么會產(chǎn)生一個不夠準(zhǔn)確的系統(tǒng)。如果選擇RTOF系統(tǒng),絕對同步的要求可以被較為溫和的相對時鐘同步來替代。在這里,測量單元或多或少地充當(dāng)著公用雷達(dá)的角色。應(yīng)答器回應(yīng)著詢問的雷達(dá)信號,并且測量一個完整的雙程傳播時間。在這種情況下,同步化的挑戰(zhàn)是測量單元必須知道回復(fù)器準(zhǔn)確的延遲/處理時間。一個簡單的計算可以表明這個要求是很難達(dá)到的。如果測量單元和應(yīng)答器均具有精度為25ppm的相當(dāng)好的石英時鐘源,那么應(yīng)答器中1ms的處理時間會引起測量值產(chǎn)生幾米的變化

12、。一般來說,在RTOF系統(tǒng)中,要么具有一個較好的時鐘同步,要么就是處理時間要非常短。一個巧妙的防止系統(tǒng)同步問題的方法是使用調(diào)制反射的概念5,6。在這里來自基站的詢問信號與疊加了特定調(diào)制的信號同步化地被反射回去。這種方法的主要缺點(diǎn)是雷達(dá)信號必須要完成一個完整的來回雙程路徑。因此,傳播損耗至少與距離 r 的4次方成比例。 圖3信號功率分布的范例。基站信號的強(qiáng)度由移動電話測量并且隨后返回位置服務(wù)器。圖4 自測量模式的LPR系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu),其中一個移動測量單元B1同時測量在它所能達(dá)到的范圍內(nèi)與所有調(diào)制的有源反射器單元T1T n之間的距離。圖5 LPR 測量原理:一個與FMCW-雷達(dá)類似的測量單元

13、測量其與一個調(diào)制反射器單元的距離。所以,這種方法的標(biāo)準(zhǔn)形式只適合于短距離系統(tǒng)。然而,新的應(yīng)答器概念提供了克服這個缺點(diǎn)的方案7,8。在本文的后面將要介紹基于調(diào)制反射的一個強(qiáng)有力的RTOF系統(tǒng)。今天,現(xiàn)有的大多數(shù)方案是遠(yuǎn)程TDOA系統(tǒng)。在TDOA系統(tǒng)中,計算若干對測量單元所接收到的信號的時間差。TDOA 系統(tǒng)的優(yōu)勢是只需要使測量單元之間同步。這種同步是通過使用干線網(wǎng)絡(luò)或位置已知的參考應(yīng)答器來實(shí)現(xiàn)的。幾乎所有基于時間的局域定位系統(tǒng)采用的都是我們所熟悉的現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的信號和信號分析概念。連續(xù)波(cw信號,脈沖,或偽隨機(jī)脈沖序列,線性頻率調(diào)制信號,跳頻,或相位調(diào)制信號都可以使用。就硬件/軟件要求,實(shí)施方

14、案以及性能來說,不同形式的信號有它們各自特定的長處和短處。對于所有寬帶調(diào)制方式來說,有一個共同特性:在多路徑環(huán)境中,帶寬是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵要求9。只有在合適的帶寬下,才可能將多路徑傳播分開及消除。即使帶寬可達(dá)到幾百兆赫,一個設(shè)計良好的系統(tǒng)的精度主要還是由未被消除的多路徑傳輸和/或多路徑衰落來限制的。系統(tǒng)現(xiàn)狀和解決方案到此為止,我們已經(jīng)介紹了不同種類的無線定位系統(tǒng)。每種類型的系統(tǒng)又存在著不同的實(shí)施方法,從而導(dǎo)致了市場上產(chǎn)品的多樣性。對目前所有系統(tǒng)進(jìn)行一個完整的綜述則超出了本文的范圍。然而,圖2對當(dāng)今無線局域定位系統(tǒng)進(jìn)行了一個粗略的綜述,接下來要對一些典型系統(tǒng)和公司進(jìn)行討論。最有名和分布最廣的定

15、位系統(tǒng)是全球定位系統(tǒng)(GPS或它的差分配套系統(tǒng),DGPS10。這個出色的已存在于全球的系統(tǒng)同樣也適用于許多室外其它定位任務(wù)。然而,在密集的城市地區(qū)和室內(nèi),GPS有它自己的短處。遺憾的是,這些正是產(chǎn)生大量的,發(fā)展勢頭迅猛的局域無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮^(qū)域。對于蜂窩電話定位系統(tǒng)來說,存在著若干種不同的解決方案 2, 11,12。最簡單,同時也是最不準(zhǔn)確 圖 6 在一座辦公大樓內(nèi),當(dāng)在若干由數(shù)字標(biāo)示的測試位置上對無繩DECT電話定位時,所得到的位置信息和位置誤差信息。的概念是直接使用與服務(wù)地區(qū)的物理位置相關(guān)聯(lián)的蜂窩的識別號。典型的蜂窩尺寸可以是100m到幾十公里。從相鄰基站測得的TOA或TDOA可在城市地區(qū)將

16、精度提高到50m到100m。在標(biāo)準(zhǔn)無線局域網(wǎng)(WLAN如DECT, WLAN802.11或藍(lán)牙等通信系統(tǒng)中實(shí)施局域定位是非常有吸引力的。定位系統(tǒng)和通信系統(tǒng)之間的協(xié)同作用已經(jīng)展現(xiàn)出來。幾年前,微軟研究小組介紹了他們稱為RADAR的系統(tǒng),這個系統(tǒng)是在WLAN組件的基礎(chǔ)上所實(shí)施的RSS定位系統(tǒng)13。Li等人發(fā)表了基于DSSS或OFDM WLAN基礎(chǔ)上的TDOA解決方案14。在本文的后面,將要描述西門子NCPS方案,這是一個基于DECT或WLAN802.11的RSS系統(tǒng)。一個典型的WLAN局域定位系統(tǒng)的精度大約是3-30m,位置更新的速度是幾秒鐘。一些專利化的解決方案,例如Pinpoint的3D-ID

17、系統(tǒng)15,或WhereNet的TDOA系統(tǒng)16,具有與上述WLAN系統(tǒng)相似的性能表現(xiàn)。然而,一些具有較長的功率消耗時間的特別設(shè)計的硬件和協(xié)議可以將移動器件內(nèi)的功耗降到最低,因此,這些產(chǎn)品主要是針對典型的應(yīng)答器市場,而不是WLAN 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的。正如圖2中所描繪的,可以明確表示出具有精度高于1m的精確定位系統(tǒng)與不精確定位系統(tǒng)之間的技術(shù)障礙。對于眾多跟蹤,運(yùn)輸以及導(dǎo)引應(yīng)用來說,一個中等程度的精度就足夠了。然而,在許多領(lǐng)域,如自動化和控制應(yīng)用中,精度要求則高得多。到目前為止,只有專利的寬帶微波系統(tǒng)可以具有這樣的精度。未來的超寬帶(UWBWLAN系統(tǒng)很有可能提供準(zhǔn)確的局域定位信息。今天,已經(jīng)存在若干

18、專利化的UWB局域定位系統(tǒng)17。然而,由于目前FCC UWB規(guī)范中嚴(yán)格的功率限制,主要還是短距離的解決方案比較可行。今天市場上功能最為強(qiáng)大的無線局域定位系統(tǒng)之一是由奧地利的ABATEC公司所開發(fā)的18。這個局域定位測量系統(tǒng)(LPM是為體育方面的應(yīng)用而特別設(shè)計的。對于那些對成本要求不太敏感的應(yīng)用,它所能提供的定位范圍大于500m,具有小于1 ms的高速的數(shù)據(jù)更新速度,精度可達(dá)到cm級。西門子開發(fā)的局域定位雷達(dá)(LPR系統(tǒng)具有類似的更新速度和精度。這個系統(tǒng)是最近投入開發(fā)的,可用于工業(yè)應(yīng)用中如起重機(jī)和叉車的定位。這個系統(tǒng)設(shè)計的方針是將安裝,基礎(chǔ)設(shè)施和維護(hù)成本減到最小。下面將要詳細(xì)介紹LPR系統(tǒng)。RS

19、S-系統(tǒng)的例子- NCPS我們已經(jīng)討論了RSS系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念。本節(jié)將要介紹一個特別的RSS系統(tǒng),西門子神經(jīng)元蜂窩定位系統(tǒng)(NCPS。這個系統(tǒng)通過使用現(xiàn)有的無線語音或數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施,避免使用另外的接收機(jī)來降低成本。移動手提裝置或無線局域網(wǎng)適配器已經(jīng)定期地對無線電頻帶進(jìn)行掃描,一旦接收到的功率降低到某個門檻值以下時,便開始切換。接收機(jī)要使用這個測量數(shù)據(jù)并不需要另外的硬件。只需簡單地將接收到的信號功率與基站識別代碼一同發(fā)送給中心位置計算引擎即可。 圖 7 一個配有無線局域定位系統(tǒng)來實(shí)時監(jiān)測每一臺機(jī)器，存貨以及運(yùn)輸工具的位置的智能工廠的一個場景。 當(dāng)用到幅值類型的量值來進(jìn)行室內(nèi)定位時，所需解 答器以及更

20、為復(fù)雜的雷達(dá)前置端。 這些變化可以將測量 決的主要問題是復(fù)雜的非線性場分布將簡單的接收功率 距離擴(kuò)延到幾百米。 另外， 優(yōu)化的系統(tǒng)方案省略了任何 與距離的關(guān)系變成了一個復(fù)雜的映射問題。圖 3 便顯示 了這種情況。 場設(shè)置的復(fù)雜性是由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法來解決 的。電磁場的實(shí)際分布是通過在已知位置處進(jìn)行接收功 率的測量來得到的。這個分布數(shù)據(jù)存貯在中心服務(wù)器中， 作為位置計算引擎的輸入。在定位過程中，無線器件將 測得的功率發(fā)給每個基站，位置計算引擎隨后對相對于 每個基站的場強(qiáng)進(jìn)行映射，從而給出實(shí)際測量得到的位 置。表 2 是總結(jié)的系統(tǒng)精度和參數(shù)。這個系統(tǒng)的特殊優(yōu) 點(diǎn)是可以與標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)嚴(yán)絲合縫地

21、集成在一起而無 需另外的硬件。 RTOF 的系統(tǒng)實(shí)例- LPR 正如前面所討論的，若干應(yīng)用所要求的精度要達(dá)到幾個 cm，更新速度通常要小于 100ms。這種要求只能通過專 利化的微波系統(tǒng)如 LPR 才能達(dá)到。在這個 RTOF 系統(tǒng)中， 圖 8 采用局域定位雷達(dá)（LPR）測得的起重機(jī)的運(yùn)行路 測量信號在應(yīng)答器和基站之間的往返時間。LPR 的另一 線。 個特性是它有可能按照遠(yuǎn)程-定位和自定位兩種方式來運(yùn) 行。接下來，主要考慮如圖 4 所示的自定位運(yùn)行方式。 基于頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)的原理，一個 移動的測量單元 B1 在其力所能及的范圍內(nèi)同時測量它與 所有調(diào)制的有源反射器單元 T1Tn 之

22、間的距離。通過求 解一組來自測量的幾何結(jié)構(gòu)和所測得的距離的三角函數(shù) 方程，便可以計算出移動單元的位置。在圖 5 中對距離 原理進(jìn)行了說明。首先，雷達(dá)單元發(fā)出一個頻率調(diào)制信 號。這個信號隨后被應(yīng)答器通過一個特定的調(diào)制反射回 來，對接收到的經(jīng)過雙程傳輸?shù)恼{(diào)制信號響應(yīng)進(jìn)行計算， 通過類似于 FMCW 雷達(dá)的方式便可得到距離。在文獻(xiàn) 19 發(fā)表前，已經(jīng)發(fā)表了測量概念所包含的物理和技術(shù)。 圖 9 LPR 與參考系統(tǒng)的測量距離的誤差直方圖。對在軋 目前這個解決方案的不同之處僅在于不同調(diào)制類型的應(yīng) 機(jī)房里正常工作的起重機(jī)進(jìn)行了一千次的測量。 82 IEEE microwave magazine Decemb

23、er 2003 參考源 - 既不需要時鐘同步，也不需要參考單元。此外， 目前的這種解決方案具有完全實(shí)時的能力，更新速度可 以達(dá)到 1KHz。如果中心站同樣需要測量信息，可以與 LPR 并行使用一個標(biāo)準(zhǔn)的 WLAN 鏈接。表 3 總結(jié)了目前 這套系統(tǒng)的精度和性能。 應(yīng)用 用戶定位和資產(chǎn)管理 基礎(chǔ)設(shè)施的管理對于智能化辦公室，醫(yī)院和其它許多應(yīng) 用來說，是很感興趣的。像 NCPS 這種系統(tǒng)使用現(xiàn)有的 基礎(chǔ)設(shè)施，如無繩電話或 WLAN 系統(tǒng)，從而只產(chǎn)生很 低的系統(tǒng)和安裝費(fèi)用。NCPS 有兩種不同的實(shí)施方案： 第一種是鑲嵌進(jìn)入西門子 HIPATH 的無繩電話系統(tǒng)中， 第 二 種 是 使 用 無 線 局 域

24、 網(wǎng) WLAN802.11b 和 WLAN802.11g。另外，所需覆蓋的區(qū)域通常是由系統(tǒng)本 身來實(shí)現(xiàn)的，避免了額外安裝。 一個典型的應(yīng)用是在辦公大樓內(nèi)對資產(chǎn)進(jìn)行定位。 例如，資產(chǎn)管理軟件發(fā)出了找尋彩色打印機(jī)的請求。定 位請求通過 WLAN 到達(dá)定位服務(wù)器。服務(wù)器在中央交 換機(jī)中通過使用一個標(biāo)準(zhǔn)的客戶應(yīng)用協(xié)議（CAP）界面 與打印機(jī)的無線電話/傳真機(jī)單元取得聯(lián)系。信息在控制 單元和基站（BS）之間來回進(jìn)行分程傳遞。無繩電話進(jìn) 行前面所講的測量，并且將測量的功率數(shù)據(jù)發(fā)回到服務(wù) 器。服務(wù)器進(jìn)行處理，計算位置的標(biāo)準(zhǔn)完整的坐標(biāo)，最 后將打印機(jī)的位置交付給應(yīng)用請求。 在一座辦公大樓內(nèi)對 NCPS 系統(tǒng)進(jìn)

25、行了測試。首先， 要得到一層樓的場分布，然后將無繩電話放在不同的位 置。圖 6 描繪了大樓樓層的結(jié)構(gòu)并且顯示了所測量所得 到的位置。最后得到的精度為幾米，這對于大部分基礎(chǔ) 設(shè)施的定位應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。 圖 10 目前的擴(kuò)增實(shí)境行人導(dǎo)引系統(tǒng)的實(shí)驗室裝置。 圖 11 在 AR 為基礎(chǔ)的跑道維護(hù)系統(tǒng)中，采用由移動的擴(kuò) 增實(shí)境系統(tǒng)為維護(hù)小組自動導(dǎo)引。 智能工廠 智能工廠的整體思路是要知道每一臺機(jī)器，存貨和運(yùn)輸 工具的位置。一般來說，需要跟蹤的物體有叉車，起重 機(jī)或維修工人。貨物的跟蹤是通過當(dāng)其從運(yùn)輸車輛上被 移走的時候發(fā)出一個精確的位置信息來實(shí)現(xiàn)的。圖 7 繪 出了一個典型的應(yīng)用場景。 中心計算機(jī)所

26、能實(shí)施的完全的位置跟蹤具有以下幾 個令人振奮的新的特性： 對于生產(chǎn)過程中的位置和供應(yīng)貨物的數(shù)量有一 個全面的了解 優(yōu)化物流 虛擬區(qū)域的確定（存儲區(qū)等） 運(yùn)輸方式的操作限制 防止碰撞 圖 12 未來的手提式多媒體系統(tǒng)要求的是復(fù)雜的，高度 集成化的無線模塊。 December 2003 自然，這種應(yīng)用要求一個較快的能跟上運(yùn)輸工具速 度的數(shù)據(jù)更新速率。另外，位置測量的精度必需與被運(yùn) 物品的物理尺寸相當(dāng)或更好。 IEEE microwave magazine 83 這個新型的西門子 LPR 系統(tǒng)是為這些工業(yè)應(yīng)用設(shè)計 的。一個成功實(shí)施的 LPR 系統(tǒng)是在鋼廠對室內(nèi)龍門吊車 進(jìn)行定位。這個建筑物是一個工業(yè)

27、大樓，有著金屬屋頂 和墻壁，50m 寬，1,000 m 長。應(yīng)答器沿著墻壁安裝以 用作射頻界標(biāo)。測量單元安裝在吊車上，使用前面所描 述的算法來計算自己的位置。位置數(shù)據(jù)隨后被發(fā)給中心 計算機(jī)，并且由堆料場管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。 現(xiàn)場操作的結(jié)果非常好。雖然環(huán)境條件惡劣，但最 大的不準(zhǔn)確度低于±15cm。圖 8 顯示出一個測量的吊車 技術(shù)要求 跟蹤的范例。圖 9 是典型的位置誤差分布直方圖。在測 我們在這里已經(jīng)介紹了若干個關(guān)鍵應(yīng)用。其中最值得注 量現(xiàn)場，誤差是通過相對于一個參考測量系統(tǒng)來得到的， 意的是行人導(dǎo)引系統(tǒng)需要將應(yīng)答器集成進(jìn)入用戶的手提 并且所描繪的測量是在常規(guī)生產(chǎn)過程中獲取的。這個結(jié)

28、 裝置中，例如掌上電腦，或無線電話中。定位系統(tǒng)的小 果是很值得注意的，因為大樓的典型方均根延遲為幾百 型化是這些系統(tǒng)的突破關(guān)鍵。圖 12 通過一個未來可用 納秒。最大測量值甚至可達(dá) 1µs。 于定位的多媒體裝置，特別是將其與圖 10 所示的實(shí)驗 與堆料場管理系統(tǒng)的直接鏈接極大地改善了物流和 室的裝置相比來說明元件小型化這個基本要求。在標(biāo)準(zhǔn) 調(diào)貨時間。這種出色的性能說明該系統(tǒng)完全適合其它在 WLAN 平臺上實(shí)施一個精確的局域定位技術(shù)，如 LPR， 物流，自動化生產(chǎn)和監(jiān)管方面的應(yīng)用。 可以被認(rèn)為是在現(xiàn)有無線電系統(tǒng)上增加另外一個多模式 定位處理過程可以被集成進(jìn)入一個自主的移動平臺上。 圖

29、10 是一個具有擴(kuò)增實(shí)境功能的行人導(dǎo)引系統(tǒng)的原理 和樣機(jī)。該系統(tǒng)應(yīng)用的一個范例是跑道維護(hù)，見圖 11。 傳統(tǒng)的用于坑洼這類地面缺陷的標(biāo)識物要么很難看見， 要么會分散駕駛員的注意力。此外，由于跑道的尺寸和 不均勻性，這 些標(biāo)識物很難 看到。采用擴(kuò) 增實(shí)境和定位 相結(jié)合，一個 控制小組將路 面缺陷發(fā)送給 服務(wù)器。維修 小組便可以使 用移動的擴(kuò)增 實(shí)境系統(tǒng)來將 他們導(dǎo)引到對 應(yīng)的位置上， 這樣就避免了 純粹依靠地圖 映射導(dǎo)引所帶 圖 13 用于雙頻帶 802.11a/b/g 應(yīng)用的高 度 集 成 化 的 前 置 端 模 塊 （ EPCOS 來的復(fù)雜性。 在 不 遠(yuǎn) 24）。 的將來，無線 局域定位技

30、術(shù)必將成為大量有趣的新的擴(kuò)增實(shí)境服務(wù)的 核心部分，而這又將為用戶提供對應(yīng)于抽象數(shù)字信息的 自然直觀的界面。 擴(kuò)增實(shí)境 無線定位系統(tǒng)是新型的基于用戶服務(wù)的一個關(guān)鍵技術(shù)。 在由西門子公司技術(shù)部，Linz 的 Johanne Kepler 大學(xué)， Linz 的 Ars 電子未來實(shí)驗室聯(lián)合進(jìn)行的西門子項目 INSTAR 中，對若干種應(yīng)用進(jìn)行了研究。其中的一個特 別有趣的領(lǐng)域是行人導(dǎo)引。一個個人數(shù)字助手（PDA） 被用作基本計算平臺，顯示出放大的場景。一個照相機(jī) 和一個慣性傳感器牢牢地附著在 PDA 上，這可使得照 相機(jī)的方向和其顯示可以可靠地測量出來。最后，必須 要提供一個定位模塊。對于室外情況來說，

31、可用 GPS 接 收機(jī)，而在室內(nèi)則要使用 NCPS 或 LPR 系統(tǒng)。實(shí)際的導(dǎo) 引處理，即線路計算和地圖映射是通過無線局域網(wǎng)連接 到一個遠(yuǎn)程服務(wù)上進(jìn)行的。在這種方式下，這個完整的 84 IEEE microwave magazine 和/或多頻帶特性。但是在今天，既沒有所需的超小型化 的 WLAN 卡，也沒有先進(jìn)的集成化的多頻帶/多模式前 置端。相反，WLAN 卡還是相當(dāng)大的（卡的形式類似于 PCMCIA 和小型的 PCI 卡），這是因為他們中間含有許 多分立元件和多個集成電路芯片。顯然，未來這些卡的 尺寸必須要縮小到記憶棒或快閃卡的尺寸。與已發(fā)生在 移動手提裝置中的趨勢相類似，未來的 WLA

32、N 要將前 置端模塊集成進(jìn)來 20 。在半導(dǎo)體方面，目前的工作著 重在向高集成化多頻帶/多模式無線電方面發(fā)展21-23。 新型設(shè)計使用了單片無線電芯片再附以集成化的將所有 濾波和天線開關(guān)包含進(jìn)來的射頻前置端模塊。低溫共燒 陶瓷（ LTCC ）技術(shù)注定是達(dá)到如此高集成度的關(guān)鍵， 這樣可以使得無線產(chǎn)品更簡單，更小，更便宜。WLAN 前置端集成的最新狀態(tài)發(fā)表在文獻(xiàn)24中。 EPCOS 首次 December 2003 定位是一個開放的和非常廣闊的領(lǐng)域。很清楚，無 線定位有潛力成為無線市場中下一個爆炸性的技術(shù)。在 下面幾年中，在這個極其吸引人的市場上，預(yù)計會出現(xiàn) 激烈的競爭。這個競爭所產(chǎn)生的深受歡迎的

33、結(jié)果是將會 出現(xiàn)許多強(qiáng)大的有吸引力的無線局域定位系統(tǒng)的解決方 案和服務(wù)。 參考文獻(xiàn) 1 J. Hightower and G. Borriello, “Locations systems for ubiquitous computing,” IEEE Computer, vol 34, pp. 5766, Aug. 2001. 2 C. Drane, M. Macnaughtan, and C. Scott, “Positioning GSM telephones,” IEEE Commun. Mag., vol. 36, pp. 4659, Apr. 1998. 3 J. Latvala,

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