基于数字调频广播的无线定位技术研究

摘要

With more and more new mobile devices (such as mobile phones, tablets, and wearable devices) entering people’s daily life, along with the application and development of relevant technologies based on users’ location information, location based service is becoming a basic service demand of people’s life. This paper puts forward a research on location technology based on frequency modulation band digital audio broadcasting (FM China Digital Radio, FM-CDR). A new method of adding timestamp information to the FM-CDR frame structure is proposed, which verified that the change to the system does not affect the normal transmission and reception of broadcast content under the original standards and can accurately extract the recognition signal and timing information of BS. In the complex environment, the estimation algorithm of signal parameters such as received signal strength (RSS), time of arrival (TOA), and time difference of arrival (TDOA) of terrestrial radio broadcast signals is studied. In this paper, a new method based on multisource data fusion is proposed, which can meet the need of localization in various environments and overcome the deficiency of single localization method.

一。介绍

基于数字广播网络上移动定位技术，在本文中，主要是指使用的数字地面广播的无线基站（BS）的信号。移动站（MS）接收到无线定位信号通过将高精度的定时信息到广播信号的数据帧，以确定其自身的位置或坐标。本文已经有效扩大了相关技术，并结合数字广播技术和定位技术的研究思路，并有效地实现了不同技术的三网融合背景下的有机结合。本文主要讨论和研究的关键技术，实现定位功能基于数字广播信号，并在此基础上，适用于数字广播信号，以及对广播信号定位的无线定位算法相关的技术方案设计，提出了.

（1）从不同BS发送的无线电数字广播信号的识别是在实现定位系统的一个重要的困难。一般地，数字广播信号的单频网络（SFN）中，不同BS的信号在相同的时间和在与同一发送内容相同的频率发送。因此，不可能对不同BS从接收信号的频率和内容的透视区分。此外，其前提是所述广播网络信号系统不被修改，从不同BS的信号不能在空间上识别。该FM-CDR系统不提供定时信息，这使得难以实现定位功能。因此，获得的测距信息需求的需要解决的问题。

（2）定位算法的选择。目前主流的定位算法需要根据接收到的无线电信号以及接收信号强度（RSS）、到达时间（TOA）、到达时差（TDOA）、到达角（AOA）等常用参数的位置来获取定位参数，每一种都对应于不同的应用环境；选择通常决定系统的精度和硬件开销。本文选择了基于距离的定位参数，包括TOA、TDOA和RSS方法。目前，各种文献提供了多种定位算法，如最小二乘法、基于可行域的网格搜索定位算法、扩展卡尔曼滤波定位算法等。

2. BS识别码和定时信息

在FM-CDR是一种技术标准，在中国开发自主知识产权。的标准的“频率调制频带的数字音频广播第1部分：数字广播信道帧结构，信道编码和调制”：GY / T 268.1-2013 [2013年8月正式发行1个]《调频频段数字音频广播第2部分：复用》标准于2013年11月正式发布：GY/T 268.2-2013[2个]。6点临时技术要求分别于2014年12月3日颁发，覆盖源编码技术（DRA +），编码器，多路复用器，致动器，发射器，和测试接收机。这个working frequency of FM digital broadcasting is 87~108 MHz, which is consistent with the current analog stereo FM radio frequency band. Analog/digital signal co-broadcast and future transition to full frequency digital broadcasting can be realized, which is both present and future oriented.

该FM-CDR系统实现数字音频广播和数据服务的通过数字编码和调制技术广播。多声道数字音频和数据服务能够同时传送。该FM-CDR传输系统的物理层的功能被显示在图1个。服务数据完成后，通过信道编码(置乱码、低密度奇偶校验码、卷积码)和符号映射处理上层的服务描述信息和系统信息。正交频分多路复用(OFDM)调制是与分散导频一起进行的。将调制后的信号加入伪随机码组成的信标中形成逻辑帧，再通过子帧进行分配形成物理层信号帧，最后将基带信号转换为射频信号传输。

从FM-CDR数字广播标准，我们不难发现，该标准没有完成定位功能所必需的相关信息：未提供BS标识信息。与多媒体广播技术的中国移动多媒体广播（CMMB）数据帧结构相比，该标准去除的数据帧报头中发送器识别（TxID添加），这增加了的BS标识困难的部分。无需在发送端添加定时信息，MS不能提取定位参数，如数据帧传输的确切时刻，无法实现定位功能。

CDR时间戳格式(112位)，如其他地方所述[三]如图所示2个。

Generation time of logical frame: 40 bits, representing the generation time of current logical frames. The multiplexer reads the Global Positioning System (GPS) time at startup and takes the integer seconds at startup as the time of generation of the first logical frame of the first super frame 0, and the number of milliseconds of this logical frame is 0. The multiplexer reads the GPS time every 16 seconds as the generation time of the current logical frame.

基站寻址：16位，用于对单频网络中的发射机进行寻址。可寻址范围从0x0000到0xffff，其中0x0000表示寻址网络中的所有发射机。

本文不讨论最大延迟时间和独立调节延迟两个问题。

时间戳信息位于多路复用的蒸汽中，它是在服务数据、系统信息和其他信息之前发送的，只是为了安全CDR系统SFN联网的需要；这保证了每个执行器系统的工作时间统一，并且它实际上并没有发送到发送器，因此MS不能接收时间戳信息。

FM-CDR所使用的系统信息由48比特组成，包括编码码率、数据调制方式、当前子帧位置、频谱模式指数等信息。

逻辑子帧携带108个系统信息符号，由QPSK调制。每个符号代表2个比特。因此，子帧实际上带有的系统信息216个比特。Except for the 48 bits that have been taken, there are 168 that are available. The timestamp information can be added to achieve the positioning function timing requirements. In order to ensure the integrity of the existing broadcast signal system, the inserted information does not change the channel frame structure and does not affect the transmission and reception of the original broadcast signal. It is feasible to use the timestamp information shown in Figure2个作为实现本地化所需的时间信息。在系统占用48位信息后，将时间戳信息（112位）插入到每个逻辑帧的第一逻辑子帧的系统信息中。

应该注意的是，时间信息TOD如图所示三仅生成逻辑帧的时间，并且每个BS的TOD值相同。从定位功能的角度来看，需要注意每个BS发出帧信号时的绝对时刻。需要在时间戳消息格式中添加“逻辑帧生成时间”、“最大延迟时间”和“独立调整延迟时间”，以获得的绝对传输时间的无线电频率信号。

此外，“基站寻址”字段在时间戳信息可以用于识别不同的BS，以获得BS地理位置信息，它的天线高度的信息（在本文中所述地理位置信息存储在MS）等。

3.无线定位算法和测距参数的采集

3.1条。FM-CDR测距定位参数的获取

3.1.1条。TOA值

按照以下步骤获取TOA值：

（1） MS利用信标进行子帧同步，同时记录时间t。

(2)利用OFDM解调获取系统信息。

（3）执行逻辑帧同步，发现携带的时间戳信息的子帧，并且获得“"这个子帧的发送时间。

（4）比较所述同步子帧，在步骤（1），并且子帧的具有时间戳信息为“N”（N = 0〜4;逻辑帧组成的4个子帧）的数目。

（5）TOA值=叔+n个1个6个0个 ms.

根据步骤(3)时间戳信息中的基站寻址字段，得到基站的地理位置坐标。

3.1.2条。时差值

在获得多个基站的TOA参数后，将TOA最小值对应的基站作为BS 1，然后从BS 1的TOA值中减去剩余基站的TOA值，得到多组TDOA参数。特别地，在SFN中，由于每个BS同时发送相同的内容，因此可以通过广义交叉样条GCC获得TDOA参数[4个)方法。该算法的核心是通过接收SFN中两个不同BSs的信号，并计算它们的相互关联函数，来求解两个BSs之间的信号传输的TDOA。此外，当无法获得两组或更多TDOA值时，可以引入RSS测距参数来获取TDOA值(此时需要预测BS的地理位置)。

3.1.3条。RSS方法

根据无线信号强度和空间位置之间的关系，构建了“的信号强度的距离”的模式。随着信号传播距离的增加，信号强度逐渐变弱，信号强度和距离的衰减形成一定的数学关系。在室内环境中，无线信号服从反射，散射，衍射和。

目前，遮蔽模型[5个]基于RSS测距算法的室内无线信号传输模型被广泛采用如下。

在(1个),为参考距离，始终为1m，是实际距离，和当距离为时，路径损耗值是否为和分别与是掩蔽因子。一个简化的阴影模型通常使用如下。

另外，路径损耗等于初始发送信号强度与接收信号强度之差，即，P（d）=P（0）-RSS（d）和P（d_0个)=P（0）-RSS（d_0个),在那里是初始发送信号强度，并且RSS（d）和RSS（d）_0个)接收信号的强度值是否在距离丁和丁_0个. 通常，选择丁_0个=1μm时，A = -RSS（d_0个)来获得实际的RSS测距公式。

在(三),在信号传输常数相关的信号传输环境和一个是在距离BS1米测得的平均RSS值的绝对值。

由于FM-CDR射频接收芯片通常可以直接提供RSS值，因此RSS可以在不增加硬件的情况下用来测量距离，因此利用该技术进行定位的成本较低。但由于室内环境复杂，即使在与BS相同的距离内，许多因素对信号的RSS损耗程度不同，导致RSS值测量的距离误差较大。在某些无法获得足够的BSs信号的情况下，它可以作为替代方案。

3.2条。无线定位算法

本文主要研究基于测距几何定位算法[6个]。

通过测量已知参考点与未知目标之间的距离，几何定位法计算出未知目标的位置信息。该方法是目前应用最广泛的定位算法、测距方法，包括基于TOA、TDOA和RSS的测距方法[7个–14个]。

(1） TOA法. 其原理是测量来自三个或更多个基站的信号到达MS的时间，根据已知的无线传输速度，可以唯一地确定基站与MS之间的距离。见图4个。

测量MS与BS1、BS2和BS3之间的距离，分别为R1、R2和R3。然后，MS在以BS坐标为中心、MS与BS距离为半径的圆上。因此，它与三个BSs形成三个圆，MS在三个圆的交点处，方程如下：

哪里是已知的BS坐标，是终端坐标，和是MS和BS之间的距离我。

然而，这种方法对BS和MS之间的时钟同步有很高的要求（1us时钟同步误差会导致300米的距离误差），因此MS的成本大大增加，有时甚至达不到时间同步。

本文采用最小二乘法求解非线性方程组，得到MS坐标。

LS的解法如下。

在(5个)

(2）RSS方法. RSS定位算法与TOA方法相同。唯一的区别是丁通过不同的方法得到了BSs和MS之间的关系。

(3）时差法。测量到达MS的两个或更多个BS之间的时间差，并使用该时间差来计算MS的位置。与TOA方法相比，MS不需要同步时钟严格与BS。大多数陆基导航系统使用此方法。原则示于图5个。

类似于to a方法，在BS的情况下我标记为的网站(xi,易)， MS site标记为(x_0个，Y_0个)， MS和BS1距离与BS2差为 ,MS和BS1以及BS3的距离差,MS在两组双曲线的交点处。它可以通过求解(7个). 在多组解的情况下，很容易排除与实际位置不匹配的解。

当BS数大于3，则使用LS方法求解非线性方程组。

在(八)

所述估计值是通过使用LS获得之后，它可以被用作泰勒级数最小二乘法的用于迭代计算的初始值，其可以进一步提高定位精度。TDOA误差的局部LS溶液通过多个迭代计算求解，以逐渐提高MS估计的位置[15个]。

利用LS和Taylor方法协同计算时差坐标的过程如图所示6个。

算法过程:对于(7个）中，首先，其MS初始位置扩展到泰勒级数。如果二阶的条件被丢弃(7个）可以转化为以下。

在(10个)

加权最小二乘解如下。

这个表示时差测量协方差矩阵，以及初始迭代 , ,在下一次迭代中。

重复该过程，直到达到预设的“top”阈值，以便

通过K个迭代，得到的位置来估计MS的位置。

泰勒级数最小二乘法简单易行。

(4）TOA，TDOA和RSS加权联合定位。每种方法都有其优点和在不同的应用缺点。单次定位算法已经不能满足高精度定位的需求。多算法融合定位和多基站协作的定位是在本室内定位的主要趋势。在本文中，线性加权方法的最佳建议进行进一步的处理通过组合不同的方法得到的位置，以便满足各种环境中定位的要求，并进一步降低了定位误差。

集合：

基于TOA位置坐标计算 ,方差。

基础计算的TDOA定位坐标 ,方差。

基于RSS定位坐标计算 ,方差。

然后，最终位置估计的输出如下。

4.实验仿真平台

本节通过MATLAB仿真比较了TOA、TDOA和RSS定位算法在AWGN信道和非视距条件下的性能。以平均根误差和累积误差分布函数(CDF)作为性能指标。

均方根误差（RMSE）的表达式如下。

在(15个), 采用MS定位算法进行位置估计。是MS的实际位置（在模拟实验中预设）。

本文采用对称结构的定位网络。假设FM-CDR单频网络的BS按蜂窝网络排列。实验设置7个BSs，建立二维平面坐标系。7bs坐标被设置为 , , , , , ,和。我s 5 km.

预设FM-CDR模式：传输模式1、频谱模式9、系统信息、业务数据均采用QPSK非分级调制模式的符号映射，载频90 MHz。模拟时间都是1000次。

在BS侧。根据 [1个]以产生标准的服务数据，服务描述数据和系统信息的数据，插入时间戳信息到系统所指定的信息的位置，然后使用OFDM调制，根据逻辑帧分配后传送模式1中，基带信号生成，RF信号，加噪声，延迟等BS侧的模拟过程显示在图7个。

在MS方. MS定位过程主要分为定位建立和准备、定位计算和定位更新三个阶段。

在定位建立和准备阶段，首先加载区域BS信号的载波频率，然后降低频率到基带信号。取样之后，BS信号的发送模式根据CP长度决定。子帧同步的信标使用：根据所确定的传输模式，获得副载波矩阵的散射导频，信道估计和均衡被执行。携带系统信息的子载波（连续导频）被获得。符号映射之后，位交错，这些副载波数据的卷积解码，获得系统信息如频谱模式，子帧位置和插入其中时间戳信息。

在定位计算阶段，首先获取定位参数TOA、TDOA、RSS等；识别NLOS的存在，抑制NLOS，计算MS的位置。

在定位更新阶段，判断与实际情况是否一致；如果与期望位置的差距过大，则忽略当前估计值，然后重新估计。MS端定位仿真过程如图所示八。

5.仿真结果与分析

从图中可以看出9个当设置4个BSs时，在相同的传输条件下，TDOA的性能明显优于TOA。由于TOA算法需要BS和MS时钟的精确同步，给定位算法带来了一定的时钟误差。TDOA方法不需要与BS保持时钟同步，因而具有更好的性能。

从图中可以看出10个中，当4点的BS被设置时，相同的SNR和NLOS的条件下，所有的三个定位误差增加在一定程度上作为系统测量误差增大。从定位效果，TDOA算法更接近于克拉美 - 罗下限（CRLB），定位性能比TOA算法更好。LS＆Taylor的协同定位的TDOA算法具有抑制测量误差的好本领。

从图中可以看出11个该NLOS的条件下，TDOA定位精度优于TOA算法和TOA算法比RSS算法更好。TDOA制作17米误差的概率是67％和34米的误差为95％。该TOA算法的误差为41米，95％的概率。在室内的环境中，所造成的NLOS误差相对于LOS的条件非常明显的是，并且需要进一步提高定位精度。

从图中可以看出德意志北方银行该NLOS的条件下，TDOA + TOA算法的精度是最佳的。TDOA + TOA + RSS合并算法的准确度是第二，虽然TDOA + RSS的精度接近于TOA + RSS算法。TDOA + TOA使得8米错误的概率是67％，和15米长的错误的概率是95％，而TDOA + TOA + RSS算法具有20米长的错误的概率为95％。

结果表明，当MS能够获得足够的BS信号时，TDOA+TOA联合定位方法是最优的；RSS定位算法由于与其他算法一起参与权值计算，精度最差。因此，只有在无法获得足够的BS信号时，RSS定位算法才能作为替代方案。一般来说，使用多源数据进行联合定位计算，可以有效地减少使用单一算法时的误差。当MS接收到更多的BS信号时，定位精度将进一步提高。

6。结论

在本文中，针对在定位FM-CDR数字广播标准的信号的不足，研究现有的标准的基础上，在信道帧创新性与识别的基站识别码所需要的定时的信息并将找到完整的时序信息的设计。据的模拟实验的结果，该系统的这个变化不影响原来的标准下的正常传输和广播内容接收，并且可以准确地获得BS识别码和定位定时的信息。

复杂的室内环境下研究，在RSS，TOA，TDOA和信号参数估计算法的理由，提出了多源数据加权定位计算方法的融合物。它可以更好地克服缺乏一个定位方法，并在同一时间适应更多的场景。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应的作者处获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究获得国家广播电视总局中频高频数字广播应用研究(批准号:2017-1)资助。

工具书类

国家广播电影电视总局，《调频频段数字音频广播第1部分：数字广播信道的帧结构、信道编码和调制》，GY/T 268.1-2013。查看在：谷歌学术
国家广播电影电视总局，“数字音频调频广播”，第2部分，多路，GY/T 268.2-2013。查看在：谷歌学术
方树国，“CDR单频网路网路化关键技术之探讨”，国立中央大学资讯工程研究所硕士论文。广播电视技术卷。44，没有。8，第90-94，2017。查看在：谷歌学术
C、 H.Knapp和G.C.Carter，“估计时滞的广义相关方法”IEEE声学、语音和信号处理汇刊卷。24，没有。4，第320-327，1976。查看在：发布者网站|谷歌学术
W、 “基于接收信号强度测量的室内定位算法”复旦大学学报，第43卷，no。1，第72-76页，2006。查看在：谷歌学术
R、凌志玲、徐岳、徐兴宇，「室内定位：分类、方法及应用回顾，」地理信息世界卷。22，没有。2，第8-14，30，2015年。查看在：谷歌学术
Y.伟室内无线定位研究学院，广州，中国，2010年中国南方大学。
五十、 Ming，C.Chong，X.Xiongbing等人。，全球定位系统：信号、测量和性能，电子工业出版社，北京，中国。
A.诺尔，M. Alam的，和M. M.哈克，“用于在WCDMA系统TDOA / AOA无线定位最小二乘方法”，在《计算机与信息技术学报》(ICCIT '08)，IEEE，2008年。查看在：谷歌学术
J、 -Y.Yoon，J.-W.Kim，W.-H.Lee等人，《使用精确时间同步的时差定位》，in在先进的通信技术的第14届国际会议论文集（ICACT '12）卷。12，第1266至1271年，IEEE，2012。查看在：谷歌学术
A、 Savvides，C.C.Han和M.B.Strivastava，“传感器自组织网络中的动态细粒度定位”，in第七届移动计算和网络年度国际会议的会议记录，第166-179，2001。查看在：发布者网站|谷歌学术
M. Aatique，对于使用CDMA技术TDOA [M.位置的位置S.论文]，MPRG弗吉尼亚理工大学，第8卷，第48-57页，2003年。
五十、 A.Stilp，“时差网络定位系统的优势”无线通信和系统，第1-11页，2000。查看在：谷歌学术
J.帕森，移动无线电传播信道， John Wiley and Sons, New York, NY, USA，第二版，1992。
L.赵华，W.余多，S.青，“基于Chan的TDOA三维定位算法”，现代通讯技术，第20卷，第3期，第36-40页，2014年。查看在：谷歌学术

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