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tdoa时钟同步解决方案工作范文
tdoa时钟同步解决方案
篇一：
移动通信网定位技术发展及应用
移动通信网定位技术发展及应用
1
目录
1移动通信网定位技术综述.......................................................................................1
定位基本概念.....................................................................................................1
物理位置和抽象位置..................................................................................1
定位性能指标..............................................................................................2
定位技术分类.....................................................................................................2
基于三角/双曲线关系的定位技术..............................................................2
基于场景（信号指纹）分析的定位技术..................................................3
基于临近关系的定位技术..........................................................................3
定位策略.............................................................................................................3
2移动通信网定位技术发展研究...............................................................................4
蜂窝网络定位技术.............................................................................................4
CellID定位技术.........................................................................................5
UTOA/UTDOA定位技术...........................................................................7
E-OTD定位技术.........................................................................................7
智能天线AOA.............................................................................................7
信号衰减...................................................................8
AGPS...........................................................................................................9
基于数据融合的混合定位..........................................................................9
模式匹配....................................................................................................10
无线局域网于1996年下达指示要求移动运营商为移动电话用户提供E-911服务，这就要求对所有移动电话用户实现定位功能，同时，FCC又于1999年对定位精度做出新的要求。
FCC的这些举措大大促进了关于定位技术及其服务业务研究的发展，很多国家开始致力于研究商用定位技术并推出了各具特色的商用定位服务。
近几年，全球移动用户的数量迅猛发展，为商用位置服务提供了极其诱人的市场前景。
相关的位置服务业务可包括：
紧急求救电话服务、物流管理、商业求助电话服务、个人问询服务、车辆导航服务、特定跟踪服务等等。
移动定位涉及移动无线通信、数学、地理信息和计算机科学等多个学科的知识，某些有关移动定位的基本概念比较容易混淆，因此有必要首先澄清一些基本概念。
定位基本概念
物理位置和抽象位置
定位系统提供的位置信息可以分为两类：
物理意义上的位置信息和抽象意义上的位置信息。
所谓物理意义上的位置信息，就是指被定位物体具体的物理或数学层面上的位置数据。
例如，GPS可以测得一幢建筑物位于北纬，东经，海拔50米处。
相对而言，抽象的位置信息可以表达为：
这栋建筑物位于公园的树林中或校园的主教学楼附近等。
从应用程序的角度
1
讲，不同的应用程序需要的位置信息抽象层次也不尽相同，有些只需要物理位置信息；而有些则需要抽象意义上的位置信息，单纯的物理位置信息对它们来说是透明的，或是没有意义的。
当然，物理位置信息可以在附加信息库的帮助下，转换并映射为抽象层次的位置信息。
定位性能指标
定位精度和定位准确度是两个紧密联系的概念，它们之间的关系类似于数理统计学中置信区间和置信水平之间的关系。
严格说来，如果孤立的指出某个定位系统的定位精度或定位准确度，都是没有意义的。
典型的正确描述应该是：
A定位系统可以在95%的概率（置信水平）下达到10m的定位精度。
其中，“95%”描述的是定位准确度。
定位精度越高，相应的定位准确度就越低，反之亦然。
通过增加定位设备的密度或综合使用多种不同的定位技术，可以同时提高定位系统的精度和准确度。
一般说来，室内应用所需定位精度要比室外应用高。
定位技术分类
无线定位技术通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断被测物体的位置。
测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和到达角等。
定位精度取决于测量的方法。
从定位原理的角度来看，定位技术大致可以分为三种类型：
基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。
基于三角/双曲线关系的定位技术
这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角或双曲线关系计算被测物体的位置，它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。
基于三角或双曲线关系的定位技术可以细分为两种：
基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。
基于距离测量的定位技术先要测量已知位置的参考点（A，B，C三点）与被测物体之间的距离，然后利用三角知识计算被测物体的位置。
具体说来，距离测量的方法有直接测量、传播时间、无线电波能量衰减三种方法。
直接测量通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。
例如，机器人移动自己的探针，直到触到障碍物，并把探针移动的距离作为自己与障碍物之间的一个距离参数。
传播时间测量法是在已知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它传播的时间成正比。
2
篇二：
联合TDOA改进算法和卡尔曼滤波的UWB室内定位研究
关键词：
到达时间差；卡尔曼滤波；超宽带；室内定位
中图分类号：
tn911?
34文献标识码：
a文章编号：
1004?
373x（20XX）13?
0001?
050引言
全球定位系统（globalpositioningsystem，gps）是室外定位的通用解决方案，在无辅助的情况下定位精度一般为10m以上。
在室内，基于传统无线电技术的各类定位解决方案仍然是一个未解决的问题，因为室内信号传播环境相比室外更加复杂，很难精确分析信号到达时间或到达角度等参数[1]。
射频识别及蓝牙定位具有低功耗、时延小、低成本等特点，但是较低的传输速率使其并不适合大数据传输场景；此技术的另一局限性在于它的定位精度是米级，且易受噪声信号的干扰，传输距离较短。
ghz无线网络频带与蓝牙类似，定位方法同样受环境影响较大，遇到障碍物或者电磁波干扰就会造成数据的不准确。
各种定位技术的特性比较，如图1所示。
如图2所示，各个基站的信号在到达标签的过程中，要经过室内各种复杂的信道，而这种信道是多径的且具有非视距误差，因此信号从基站到达标签的时间经常要比一个基站的信号脉冲时间要大很多，如果不加入保护时隙，那么前一个基站的信号会与后一个发生碰撞重叠，导致标签无法对基站进行区分[4]。
tdoa算法通过比较信号到达时间差，就能作出一组双曲线，如图3所示，双曲线的交点是标签的位置，而双曲线的焦点是基站的位置[5]。
式中：
是基站的坐标；是标签的坐标；是第个基站到达标签的时间；是电磁波的速度为tdoa标准算法可以通过方程组
（1）推导出标签的坐标。
tdoa标准算法需要基站间保持时钟同步，基站发信号，标签接收。
由于基站的绝对完全同步，可以通过数学方法得到最优解，如最小二乘法、线性约束等[6]。
标签将根据到达时差、保护时隙和基站的坐标计算自己的位置。
然而，对于tdoa标准算法基站完全同步的高要求，因为晶振频率的不精确，环境温度的影响等，导致基站在初始时间是不可能完全同步的。
此外，即使实现初始状态的时钟同步，由于晶振的频率是不同的，随着时间的推移，将会产生时钟漂移，变得又不同步了[7]。
标准tdoa传统的实现同步方式是采用网线或其他导线避免不同步，有局限性，容易受限于地理因素，无法大规模部署，也做不到无线时钟同步，方便性很差，无法商业应用，针对这一问题，采用tdoa改进算法实现无线时钟同步。
3tdoa改进算法
tdoa改进算法不同于标准tdoa算法之处在于，可以采用比标准算法更容易、更方便的方式对基站做初始时钟同步。
这就意味着，新算法进一步降低了时钟同步的难度且容易实现无线。
如图4所示，是四个基站和标签1的距离，是基站1和其他基站的距离。
基站1发送一个信号到整个网络，其他基站在收到基站1的信号后立即发射信号给标签1。
标签1在接收到基站1的信号后，记录下该信号的到达时间，然后一直等待，直到来自基站2，基站3，基站4的信号到达，记录从所有基站到达标签1的到达时间，计算基站2，基站3，基站4，…，基站的到达时间差，，…，。
结合它们的坐标计算自己的坐标。
由于标签1通过本地时钟记录下了基站1的到达时间，对于新算法来说，它等价于同一信号从随机选取的基站1出发后经过不同的路径到达标签1，它们的开始时间本质上是一致的，这样就实现了基站的时钟初始化同步。
tdoa改进算法在算法层实现了同步，故不需要部署网线或导线实现时钟同步，可以无线方式部署，故而采用此改进tdoa算法做室内定位。
式中：
是基站抵达标签1的时间；是标签1的矩估计量；是基站的坐标；是基站与标签的距离的矩估计。
由于基站1和基站之间的距离可以通过场地测量，因此不需要用矩估计量。
在tdoa定位过程中，标签接收到信号，但是它不发送信号，不会产生碰撞干扰，标签1和标签2是相对独立的，故而可以实现多标签的扩展。
在本小节，已经在初始时刻实现了基站的时钟同步，面对室内复杂的环境，信号在传输过程中，不可避免地遇到非视距的障碍物阻挡产生误差，对于这一问题，采用卡尔曼滤波错误检测算法来消除传输误差。
4卡尔曼滤波消除信号传递过程的干扰
无线时钟同步运用卡尔曼滤波消除信号传递过程中的干扰。
把基站分为主基站和从基站，通过一个同步周期的时钟信息去估计下一个同步周期的主从基站时钟间的漂移。
从图5中可以推断，当所有的基站完全同步（均方差为m以下），其定位结果准确，标准tdoa和改进tdoa的定位方法的性能非常接近。
当均方差较大时，两种定位方法的均方根误差均高于1m。
事实上，由于tdoa改进算法需要发送信号到其他基站最后回到标签，在中转的基站上，由于硬件要实现转发过程，使得它比标准算法性能稍差。
但是，改进tdoa算法实现初始时刻时钟同步更容易，也可以实现无线，且标准和改进tdoa算法的rmse值变化趋势基本是相同的。
从这个意义上讲，与标准tdoa算法相比，tdoa的改进算法具有一定的优势。
联合算法的多标签性能仿真
tdoa算法的最大优点是，它不限制标签的数量，标签是相互独立的。
在此，通过matlab仿真，分析多标签下的改进tdoa算法的性能，横坐标代表加入标签的数量，纵坐标代表定位精度。
在标准tdoa算法和改进tdoa算法中加入卡尔曼滤波算法，逐渐增加标签数量，测试其定位精度并作比较。
如图6所示，作为一种理想状态，标准tdoa定位联合卡尔曼滤波算法精度可以达到20cm。
这是因为标准tdoa算法使所有的基站做到绝对同步。
与标准tdoa联合卡尔曼滤波算法相比，改进的tdoa联合卡尔曼滤波算法的定位精度有一定的波动，但是波动幅度小于5cm，是可以接受的。
考虑到测试的随机性，进行独立重复试验。
此前的rmse比较表明单纯的tdoa算法改进并不能达到厘米级的定位精度，加入卡尔曼滤波算法后，如图7所示，matlab仿真结果表明测距精度基本稳定在15～25cm，这个结果证明tdoa改进算法联合卡尔曼滤波算法是有效的。
本硬件系统hainan是由团队自主研发，目前这套初期的系统已经做到了单标签10cm的定位精度。
图9（a）是超宽带系统的天线模块，使用市面上成熟的全向天线设计；图9（b）是定位模块和stm32最小系统模块，stm32通过spi总线控制定位芯片；图9（c）是pc端的上位机，上位机和客户端采用sockettcp进行可靠通信；图9（d）是多节点网络图，中间的标签通过周围的四个基站定位；图9（e）由移动电源给板子供电；图9（f）是ipad客户端实时显示室内的人或者物体的运动轨迹。
7结语
篇三：
无线网络定位技术
无线网络定位技术
标签：
应用LBS
20XX-03-2417:
30
阎啸天于蓉蓉武威
（中国移动通信有限公司研究院业务所）
摘要介绍了位置信息和定位性能分析指标等基本概念，根据定位原理与策略的差异对各种定位方法进行分类，概要阐述和比较说明了蜂窝网络、无线局域网络，然后利用三角知识计算被测物体的位置。
具体说来，距离测量的方法有三种：
直接测量
这种方法通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。
例如，机器人移动自己的探针，直到触到障碍物，并把探针移动的距离作为自己与障碍物之间的一个距离参数。
传播时间
在已知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它传播的时间成正比。
这种测量方法需要注意的问题有如下几个：
无线电波（在非视距NLOS环境中）的传播特性。
一般的解决方法是增加测量次数，求出统计意义上的测量值。
时钟精度。
时钟同步。
参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同。
无线电波能量衰减
已知发射电波的强度，在接收方测量收到的电波强度，以此估计出发射端距离接收端之间的距离。
例如，在理想传播环境下，无线电波的衰减与1/r2成正比（r为传播距离）。
实际上，无线电波在空间传播时能量的衰减受多种因素影响，相比传播时间测量方法没有优势。
基于角度测量的定位技术
基于角度的定位技术与基于距离测量的定位技术在原理上是相似的。
两者主要的不同在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。
一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），那么则需要测量两个角度和一个距离。
同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），那么则需要测量三个角度和一个距离。
基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线阵列等。
基于场景（信号指纹）分析的定位技术
这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。
业界习惯上将上述形式化和量化后的位置特征信息形象地称为信号“指纹”。
观察者根据待定位物体所在位置的“指纹”特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。
由此可以看出，这种定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。
Microsoft的RADAR无线局域网定位系统就是一个典型的基于场景分析的定位系统。
基于临近关系的定位技术
基于临近关系进行定位的技术原理是：
根据待定位物体与一个或多个已知位置参考点的临近关系来定位。
这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。
这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的CellID。
假设待定位物体分别位于三个Cell中。
由于各个Cell中参考点的位置已知，所以根据待定位物体所在Cell可以粗略确定其位置（即Cell中参考点
的位置）。
除了CellID以外，其他的例子还有XeroxPareTABSystem、CarnegieMellonAndrew、ActiveBadge等。
定位策略
从定位策略的角度来看，定位技术/系统可以分为基于移动终端的定位和基于网络的定位两种。
基于移动终端的定位是指定位计算由移动终端自主完成，移动终端能够自行确定自身当前的位置。
基于网络的定位主要由网络系统收集待定位移动终端的信息并计算移动终端的当前位置。
如果再对以上两种定位策略进行细分，前一种定位策略又可以分为基于移动终端的定位和网络辅助定位两种；而后一种定位策略又可以分为基于网络的定位和移动终端辅助定位两种。
4.无线网络定位技术
不同的无线移动网络对定位有着不同的业务需求和定义，不同的网络拓扑、物理层和MAC层设计对定位技术也提出了不同的挑战。
按照不同的网络拓扑形式，现有定位系统可以分为蜂窝网络、WLAN和无线传感器网络辅助的定位系统。
蜂窝网络定位技术
目前，实现蜂窝无线定位主要有三大类解决方案：
1）基于网络的定位技术，如基于CellID和时间提前量（TA）的方法、上行链路信号到达时间（TOA）方法、上行链路信号到达时间差（TDOA）方法以及上行链路信号到达角度（AOA）方法，这些解决方案需要对现有网络做部分改进，但却可以兼容现有移动终端；2）基于移动台的定位方法。
用于GSM中的下行链路增强观测时差定位方法（E-OTD）、用于WCDMA下行链路空闲周期观测到达时间差方法（OTDOA-IPDL）等；3）以GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU、QZSS等为代表的卫星定位系统，移动台和网络侧集成了卫星定位的辅助设备。
从技术角度来说，第二类和第三类方法更容易提供较为精确的用户定位信息，但这些技术需要改进网络的同时，也存在对移动台改动的需求，这将对移动台体积、功耗、成本带来影响。
各类定位方法已经在不同蜂窝网络中被标准化。
3GPP对于GSM网络选择了基于CellID和时间提前量、上行TOA、E-OTD、辅助GPS等方案，而为WCDMA网络选择了基于CellID、OTDOA-IPDL、AGPS等方法。
GSM网络中与定位相关的标准包括和，3G网络中还有系列规范对位置服务系统的架构和相关定位流程进行了规定。
下面重点介绍几种主要蜂窝网络定位方法和其性能的比较，见表格1。
表格1蜂窝网络定位技术小结
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