超宽带室内定位无线时钟同步设计与实现

冯 帆，王 军，陈小磊，吴 春

(中电海康集团研究院，浙江 杭州 310015)

0 引言

随着物联网(IOT)技术的发展，各行各业，如危化工厂、养老院、监狱、机场大厅、矿井、隧道等，对室内定位信息的需求也日益增大。对于复杂的室内环境，全球导航卫星系统(GNSS)信号受损严重[1]，不能提供室精准的室内定位服务，而基于室内定位的服务极具商业价值和潜在应用前景，由此衍生出GNSS 之外的室内定位技术，比如ZigBee 技术[2]、红外线技术、Wi-Fi 技术[3]、射频识别(RFID)技术、蓝牙(BLE)技术[4]、超声波技术、超宽带(UWB)技术[5]等。

相比于室外，室内环境复杂，无线信号在传播过程中存在反射、折射、衍射等现象，定位源接收到的定位信号受损严重，导致定位不准确甚至出现无法定位的情况[6]。一些定位技术，如蓝牙、Wi-Fi、红外线、超声波等定位技术，由于信号受到室内复杂环境的严重干扰，达不到高精度的定位要求，而超宽带因为其上百兆的带宽，具有较强的多径分辨能力、抗干扰能力、穿透力等[7]，当用于室内定位时，其在定位结果的精确性和实时性方面具有绝对的优势[8]。

在基于UWB的室内实时定位系统中，主要是通过基于时间的测距方式来实现对未知目标源的定位，基于到达时间(TOA)的方法和基于达到时间差(TDOA)的方法是常用的UWB 室内定位方法[5]，这两种方法都需要精准的时间测量。由于每个源节点的内部都有独立的晶体振荡器，各自按照自己的时钟体系运转，不存在相互联系，从而导致不同源节点之间存在初始的时间差。除了时间差外，各个源节点的晶振之间还存在频率差，即使所有源节点初始时间相同，即不存在初始时间差，但是因为频率差的存在，各个源节点的时间读数也会在一段时间后有所不同，而引起频率差的原因有很多，如：生产工艺、温度、湿度、设备老化等。同时，在利用无线信号实现基于时间的测距的过程中，由于无线信号的飞行速度(3×108m/s)的数量级，导致1 μs 钟差足够产生300 m的误差，因此不管是基于TOA 还是TDOA的测距方法，都需要对不同的源节点进行时钟同步。

对于定位源节点的时钟同步，目前大体有有线和无线[9]两种方式。有线同步利用同步控制器连接每个定位源节点，通过有线通信的方式将时间信息传输到每个源节点，使得每个源节点都共用一个时钟系统。无线同步利用源节点之间频繁的时钟信息交互，获取时钟偏差参数，对本地时钟进行调整实现时钟与其他源节点时钟一致。虽然有线方式的同步精度比无线方式的高，但是在部署简易度和成本上来说，无线同步方式更有优势。源节点间的无线通信有单向模式[10]也有双向模式[11]，单向通信模式中某一基站按照一定的频率发送UWB 信号给其他基站，无需等待其他基站的回复，而双向通信模式中基站之间按照一定的频率进行双向UWB 信息交换，从时隙划分简易度和待定位节点并发量方面考虑，显然单向通信模式优于双向通信模式。本文采用无线单向通信的同步方式实现定位源节点之间的时钟同步，同时采用基于TDOA的测距来实现目标源节点的定位。考虑到单个区域[12](一个主基站三个从基站)的定位源节点的部署不足以满足实际定位场景中较大区域的定位要求，在单个区域的时钟同步基础上进行了多区域(多个主基站多个从基站)的时钟同步设计，实现多区域定位源节点的时钟同步和待定位节点的定位。

1 单区域时钟同步设计

针对单区域一主三从的网络设计，主基站除了负责接收待定位节点的定位帧(BLINK)之外，还需要额外周期性地给另外三个从基站发送同步帧(CCP)，从基站之间不存在交互，同时对于主基站的同步帧也不需要进行回复。主基站需要在接收信息和发送信息两个状态之间进行切换，从基站只需要一直处于接收状态，待定位节点也只需要一直处于发送状态。单区域一主三从时钟同步和定位系统组成示意图如图1 所示。

图1 单区域系统组成示意图

单区域时钟同步原理示意图如图2 所示。以主基站MA 和从基站SA1 之间的通信为例，当主基站MA 处于发送状态，发送同步帧CCP 给从基站SA1，同时记录发送CCP 时间戳txccp01，之后切换至接收状态，接收待定位节点Tag的定位帧，记录定位帧接收时间戳blink0，在经过一段固定时间△t0后，主基站MA 再次发送同步帧CCP 给从基站SA1，记录发送时间戳txccp02；从基站SA1 一直保持接收状态，分别记录接收到主基站MA 同步帧的时间戳txccp11、rxccp12和待定位节点Tag 定位帧时间戳blink1。

图2 单区域时钟同步原理示意图

当主基站MA 和从基站SA1 处于相同的时钟体系，即两者之间不存在初始时间差和频率差时，很容易得出主基站MA 和从基站SA1 对于待定位节点Tag的TDOA，即：

但是在实际应用场景中，主基站MA 和从基站SA1都有自己的时钟体系，必然不能直接计算两者之间的TDOA。

根据图2 主从基站同步通信过程可知，从基站SA1和主基站MA的定位帧在从基站SA1 接收同步帧CCP的时刻对应的时间差分别为：

其中T01表示同步帧CCP 从主基站MA 到从基站SA1的飞行时间。

假设在时间段[txccp01，txccp02]内，两基站的时钟未发生漂移[13]，即时钟频率保持不变，从而可得两者的频率差为：

已知主从基站的频率差，则对于从基站时钟体系下的某一时间间隔△ts，均可换算成其对应的主基站时钟体系下的时间间隔△tm，换算关系如下：

其推导过程如下：

以t 表示标准时钟的读数，c(t)表示节点本地时钟在标准时刻t 时的读数，则节点时钟与标准时钟在标准时刻t的时间偏差为：

从而可得两者的时间频率差[10]为：

即两者时间偏差的一阶导数。

以主基站的时钟为标准时钟体系，对于从基站的一个时间间隔，令其本身时钟体系下的起始时刻和终止时刻分别为和，其所对应的主基站时钟体系下的时刻分别为和，则存在如下关系：

两式相减并移项得：

根据单区域主从基站时钟同步原理示意图可以看出，如果将从基站SA1 时钟体系下的时间间隔换算成主基站MA 时钟体系下的时间段，就可以得出从基站SA1与主基站MA 对同一定位帧BLINK的TDOA，即：

由时间段换算关系式(1)可得：

2 多区域时钟同步设计

在将单区域定位系统扩展成多区域定位系统来满足更大区域的定位需求的过中，用于定位的源节点的角色不再是以前的主基站和从基站，而需要分成三类基站，即一级主基站、次级主基站和从基站。

一级主基站周期性地发送同步帧CCP 给其从基站和下级主基站，并在发送完CCP 后切换至接收状态接收标签定位帧BLINK；次级主基站在接收其上级主基站发送的定位帧CCP 之后，切换至发送状态并发送同步帧给其下级主基站(若有)和从基站，然后切换至接收状态接收标签定位帧BLINK；从基站一直处于接收状态，接收其上级主基站发送的定位帧CCP 和标签发送的定位帧BLINK。

本文设计的多区域定位系统以图3 为例来进行说明。一级主基站MA1的下级主基站为MA2，从基站为SA1 和SA2，该四个基站围成的区域为第一区域；次级主基站MA2的上级主基站为MA1，下级主基站为MA3，从基站为SA2 和SA3，该四个基站围成的区域为第二区域；次级主基站MA3的上级主基站为MA2，没有下级主基站，从基站为SA3、SA4 和SA5，该四个基站围成的区域为第三区域。在该系统中，对于多个主基站发送的同步帧，次级主基站和从基站只会接收其上级基站发送的同步帧。

图3 多区域系统组成示意图

多区域时钟同步原理和单区域时钟同步原理类似，以三个主基站和三区域的某个从基站为例，其原理示意图如图4 所示。

图4 多区域时钟同步原理示意图

为方便多区域基站的时钟同步，在进行多区域基站的时钟同步时，将每个基站接收到的标签定位帧时间戳换算成一级主基站时钟体系下的时间戳。令：

则对于次级主基站MA2 接收到的定位帧BLINK2，其转换后的值为：

同理，对于次级主基站MA3 和从基站SA4，其转换后的定位帧时间戳分别为：

第一区域响应定位帧的基站BLINK 时间戳换算可以参考次级主基站MA2的，第二区域的基站参考次级主基站MA3的，第三区域的基站参考从基站SA4的。通过将所有响应标签定位帧的基站的BLINK 时间戳转换成一级主基站时钟体系下的时间戳后，在定位阶段，可选任以基站作为定位参考基站，均可以计算其余基站与该基站的TDOA，从而进行基于TDOA的位置解算，实现对目标源节点的定位。

3 测试验证和结果分析

在测试时钟同步效果时，采用了一主一从两基站进行验证，此时标签置于两基站正中间，理论上来说，此时标准TDOA 应该为0，本文分别测试了两个基站不同距离时所估计的TDOA 大小，并与标准值进行比较，比较结果如图5 所示。

图5 主从基站预估TDOA与标准值的比较

在测试验证定位效果时，选择某室内场地作为测试场景，其示意图如图3 所示，各个基站的坐标分别如下：MA1(0，0)，MA2(12，6)，MA3(26，6)，SA1(0，6)，SA2(16，0)，SA3(31，0)，SA4(31，15)，SA5(26，15)。实测过程中，每个区域选取了一个点进行定点测试，且这些点也代表了区域内部点、区域边界附近点以及区域重合附近点，累计误差概率图如图6 所示。

图6 多区域不同点的定点测试结果

从测试结果可以看出，在实际定位场景中，对于一主一从两基站的TDOA 预估与标准值的误差在±1 000 ps左右，而且对于多区域不同区域的定点测试，定位结果的定位误差低于0.4 m的概率不低于95%。

4 结论

本文在单区域(一主三从)UWB 定位基站时钟同步的基础上，提出了一种适用于较大区域的时钟同步方案，并利用实际室内环境进行测试，测试结果表明，该时钟同步系统能够达到较好的同步效果，并能够取得较好的定位效果。