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理論基礎(chǔ)

TOA&AOA

TOA 定位方法

?AOA 定位方法

?TOA/AOA 混合定位

TDOA

RSS

標(biāo)題，摘要，總結(jié)

標(biāo)題：

摘要：

研究背景

大背景：

小背景：

研究?jī)?nèi)容，成果

潛在研究點(diǎn)

疑問(wèn)

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理論基礎(chǔ)

TOA&AOA

TOA 定位方法

• 測(cè)到達(dá)時(shí)間，需要三個(gè)基站畫(huà)出三個(gè)圓，得到交點(diǎn)。
• 要求發(fā)送和接收端是嚴(yán)格同步的。

TOA 定位方法，主要是根據(jù)測(cè)量接收信號(hào)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間的到達(dá)時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為距離，從而進(jìn)行定位。該方法至少需要三個(gè)基站，才能計(jì)算目標(biāo)的位置，其定位示意圖如圖所示。

?三個(gè)基站測(cè)得與 MS 的距離分別為 r 1 , r 2 , r 3 r_1,r_2,r_3 r1?,r2?,r3?，以各自基站為圓心測(cè)量距離為半徑，繪制三個(gè)圓，其交點(diǎn)即為 MS 的位置。當(dāng)三個(gè)基站都是 LOS 基站時(shí)，一般可以根據(jù)最小二乘(LS)算法計(jì)算 MS 的估計(jì)位置。假設(shè) MS 位的置坐標(biāo)為 ( x , y ) (x,y) (x,y)， N? 個(gè) BS 的位置坐標(biāo)為 ( x i , y i ) 根據(jù)其幾何意義，則它們之間滿(mǎn)足的關(guān)系是
????????????????????????????????????????

?將公式展開(kāi)，化簡(jiǎn)得到????????

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我們要求得坐標(biāo) (x,y)，即求得 X。利用最小二乘法可得
展開(kāi)后 ??????????????????????????????????????????????????????

?

?AOA 定位方法

• 測(cè)信號(hào)到兩個(gè)基站的角度，兩個(gè)角相交的交點(diǎn)。
• 需要基站具有陣列天線(xiàn)來(lái)獲取角度。
• MUSIC/root-MUSIC和ESPRIT是求AOA的經(jīng)典算法。

AOA 定位方法，主要是測(cè)量信號(hào)移動(dòng)臺(tái)和基站之間的到達(dá)角度，以基站為起點(diǎn)形成的射線(xiàn)必經(jīng)過(guò)移動(dòng)臺(tái)，兩條射線(xiàn)的交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的位置。該方法只需兩個(gè)基站就可以確定 MS 的估計(jì)位置，其定位示意圖如圖所示。

?

?TOA/AOA 混合定位

?同理利用 LS 算法求解，得到移動(dòng)臺(tái)的位置

TDOA

• 測(cè)兩兩基站的到達(dá)時(shí)間差。也需要三個(gè)基站畫(huà)出三個(gè)雙曲線(xiàn)，得到交點(diǎn)。
• 不需要同步。

RSS

• 一種是基于路徑損耗的，一種是基于RSS作為指紋的。
• 因?yàn)閭鞑ゴ嬖诙鄰?#xff0c;第一種精度不高。
• 第二種的話(huà)會(huì)出現(xiàn)不同的點(diǎn)有相同RSS的情況，而且做指紋時(shí)分割區(qū)域也不會(huì)太小，精度不高。

MiMO

多進(jìn)多出（MIMO）是為極大地提高信道容量，在發(fā)送端和接收端都使用多根天線(xiàn)，在收發(fā)之間構(gòu)成多個(gè)信道的天線(xiàn)系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是具有極高的頻譜利用效率，在對(duì)現(xiàn)有頻譜資源充分利用的基礎(chǔ)上通過(guò)利用空間資源來(lái)獲取可靠性與有效性?xún)煞矫嬖鲆?#xff0c;其代價(jià)是增加了發(fā)送端與接收端的處理復(fù)雜度。大規(guī)模MIMO技術(shù)采用大量天線(xiàn)來(lái)服務(wù)數(shù)量相對(duì)較少的用戶(hù)，可以有效提高頻譜效率。

標(biāo)題，摘要，總結(jié)

標(biāo)題：

無(wú)線(xiàn)通信定位一體化進(jìn)展及其在煤礦井下應(yīng)用分析

摘要：

無(wú)線(xiàn)通信定位一體化（ILWC）是一種基于硬件資源及軟件信息共享以實(shí)現(xiàn)定位與通信功能協(xié)同的新型信息技術(shù)。通過(guò)簡(jiǎn)述無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和定位技術(shù)的研究進(jìn)展，揭示了 ILWC 技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)拓展的必然結(jié)果。給出了不同研究對(duì)于 ILWC 技術(shù)的定義和內(nèi)涵，明確了 ILWC 核心思想為“硬件集成，軟件共享”，按照設(shè)備復(fù)用和深度融合 2 個(gè)階段綜述了 ILWC 技術(shù)的研究進(jìn)展。結(jié)合煤礦井下場(chǎng)景的特殊性，提出了煤礦井下 ILWC 概念：基于時(shí)間、空間、頻譜、計(jì)算等資源共享，具有場(chǎng)景自動(dòng)感知和資源動(dòng)態(tài)自適應(yīng)分配機(jī)制的通信功能和定位功能融合技術(shù)。對(duì)煤礦井下 ILWC 在大巷、中央變電所、井底車(chē)場(chǎng)、采煤工作面等場(chǎng)景的適應(yīng)性進(jìn)行了討論，指出井下 ILWC 面臨的挑戰(zhàn)是煤礦井下無(wú)線(xiàn)信道復(fù)雜性、基站部署不均衡性、井下復(fù)雜場(chǎng)景精準(zhǔn)判別。
?

總結(jié)：

（1） ILWC 技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)拓展的必然結(jié)果。將該技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下，將有助于
推進(jìn)礦山智能化建設(shè)。

（2） 通過(guò)討論煤礦井下 ILWC 應(yīng)用及特有問(wèn)題，認(rèn)為：① 井下通信與定位環(huán)境復(fù)雜，易受多徑效應(yīng)影響，如何解決復(fù)雜信道環(huán)境對(duì) ILWC 的影響是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。② 井下基站稀疏場(chǎng)景導(dǎo)致定位信息匱乏，如何解決基站稀疏帶來(lái)的定位信息匱乏問(wèn)題也是嚴(yán)峻考驗(yàn)。③ 井下復(fù)雜環(huán)境對(duì) ILWC 技術(shù)環(huán)境感知和資源動(dòng)態(tài)自適應(yīng)分配提出了較高要求。
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研究背景

大背景：

為了實(shí)現(xiàn)井下礦工位置及行為管理，從井下機(jī)器人定位和導(dǎo)航等角度出發(fā)，已有礦井部署了礦井
實(shí)時(shí)精確定位系統(tǒng)，并取得了較好效果。這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能在硬件上利用了礦井已建設(shè)的以太環(huán)網(wǎng)設(shè)備，但硬件獨(dú)立性仍然較強(qiáng)，具體表現(xiàn)在定位基站的硬件設(shè)備獨(dú)立、定位所用電磁波頻譜獨(dú)立。這就意味著，即使在井下已部署通信系統(tǒng)的情況下，部署礦井實(shí)時(shí)精確定位系統(tǒng)仍需較大的硬件投入，這也導(dǎo)致井下設(shè)備維護(hù)工作量和系統(tǒng)復(fù)雜度增加。

煤礦經(jīng)過(guò)自動(dòng)化、信息化及當(dāng)前智能化建設(shè)，特別是隨著 5G 技術(shù)在井下推廣，煤礦已經(jīng)建立了基本覆蓋全礦井用以語(yǔ)音通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，部分場(chǎng)所建設(shè)了無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)眾多的傳感器網(wǎng)絡(luò)。可預(yù)期，為了滿(mǎn)足將來(lái)替代礦工的遙控/自主機(jī)器人控制及通信需求，井下將存在節(jié)點(diǎn)眾多的泛在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。若能利用泛在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備和電磁波頻譜實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確定位功能，可在為智能礦山建設(shè)提供技術(shù)支撐的前提下，減少礦井硬件投入和維護(hù)工作量。利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位功能正是無(wú)線(xiàn)通信定位一體化（Integrated Localizationand Wireless Communication，ILWC）研究的范疇，也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。本文對(duì) ILWC 技術(shù)研究進(jìn)展及趨勢(shì)進(jìn)行闡述，并對(duì) ILWC 技術(shù)在煤礦井下的適用性及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析
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小背景：

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研究?jī)?nèi)容，成果

通信功能和定位功能資源使用優(yōu)先級(jí)隨井下場(chǎng)景需求的變化而變化，如：煤礦在日常安全生產(chǎn)過(guò)程
中，定位功能所提供的空間信息對(duì)智能化精細(xì)化安全生產(chǎn)支撐作用大，ILWC 系統(tǒng)一般存在持續(xù)穩(wěn)定的外部電量供給，因此允許定位功能的電量消耗高于通信功能；在災(zāi)后救援過(guò)程中，ILWC 系統(tǒng)往往只能利用內(nèi)部蓄電池進(jìn)行電量供給，此時(shí)定位功能的電量消耗限制會(huì)遠(yuǎn)高于應(yīng)急通信功能

由于 ILWC 通信功能和定位功能共享一套系統(tǒng)，所以將 ILWC 系統(tǒng)部署在井下具有節(jié)約總體投資、減少維護(hù)工作量的優(yōu)點(diǎn)。但煤礦井下不同場(chǎng)景所布置的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)不同，使用的定位方法也不
同，因此不同場(chǎng)景使用的 ILWC 技術(shù)也不同。煤礦井下不同場(chǎng)景 ILWC 技術(shù)適用性見(jiàn)表 3

?成果：

?

潛在研究點(diǎn)

ILWC 深度融合階段的研究還處于起步階段，現(xiàn)
有研究大多基于地面環(huán)境，研究?jī)?nèi)容及問(wèn)題也是煤
礦井下 ILWC 需要關(guān)注的。實(shí)際上，煤礦井下特殊
環(huán)境使得定位與通信應(yīng)用有其特殊性，具體表現(xiàn)在
煤礦井下無(wú)線(xiàn)信道復(fù)雜性、基站部署不均衡性和井
下場(chǎng)景識(shí)別困難導(dǎo)致的問(wèn)題。
?

場(chǎng)景判別機(jī)制是煤礦井下 ILWC 對(duì)通信與定位
資源優(yōu)先級(jí)分配的技術(shù)支撐。由于目前沒(méi)有現(xiàn)成的
算法或模型能夠解決煤礦井下工作與非工作場(chǎng)景的
判別問(wèn)題，所以 ILWC 技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用時(shí)必須
建立對(duì)應(yīng)模型，提出有效算法，解決正常工作場(chǎng)景與
災(zāi)后場(chǎng)景的準(zhǔn)確判別問(wèn)題。相比于地面簡(jiǎn)單場(chǎng)景，
井下復(fù)雜場(chǎng)景的精確判別會(huì)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
?

疑問(wèn)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的无线通信定位一体化进展及其在煤矿井下应用分析的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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