无线通信定位一体化进展及其在煤矿井下应用分析
目录
理论基础
TOA&AOA
TOA 定位方法
AOA 定位方法
TOA/AOA 混合定位
TDOA
RSS
标题，摘要，总结
标题：
摘要：
研究背景
大背景：
小背景：
研究内容，成果
潜在研究点
疑问
理论基础
TOA&AOA
TOA 定位方法
- 测到达时间，需要三个基站画出三个圆，得到交点。
- 要求发送和接收端是严格同步的。
TOA 定位方法，主要是根据测量接收信号在基站和移动台之间的到达时间，然后转换为距离，从而进行定位。该方法至少需要三个基站，才能计算目标的位置，其定位示意图如图所示。
三个基站测得与 MS 的距离分别为 r 1 , r 2 , r 3 r_1,r_2,r_3 r1,r2,r3，以各自基站为圆心测量距离为半径，绘制三个圆，其交点即为 MS 的位置。当三个基站都是 LOS 基站时，一般可以根据最小二乘(LS)算法计算 MS 的估计位置。假设 MS 位的置坐标为 ( x , y ) (x,y) (x,y)， N 个 BS 的位置坐标为 ( x i , y i ) 根据其几何意义，则它们之间满足的关系是
将公式展开，化简得到
我们要求得坐标 (x,y)，即求得 X。利用最小二乘法可得
展开后
AOA 定位方法
- 测信号到两个基站的角度，两个角相交的交点。
- 需要基站具有阵列天线来获取角度。
- MUSIC/root-MUSIC和ESPRIT是求AOA的经典算法。
AOA 定位方法，主要是测量信号移动台和基站之间的到达角度，以基站为起点形成的射线必经过移动台，两条射线的交点即为移动台的位置。该方法只需两个基站就可以确定 MS 的估计位置，其定位示意图如图所示。
TOA/AOA 混合定位
同理利用 LS 算法求解，得到移动台的位置
TDOA
- 测两两基站的到达时间差。也需要三个基站画出三个双曲线，得到交点。
- 不需要同步。
RSS
- 一种是基于路径损耗的，一种是基于RSS作为指纹的。
- 因为传播存在多径，第一种精度不高。
- 第二种的话会出现不同的点有相同RSS的情况，而且做指纹时分割区域也不会太小，精度不高。
MiMO
多进多出（MIMO）是为极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。大规模MIMO技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户，可以有效提高频谱效率。
标题，摘要，总结
标题：
无线通信定位一体化进展及其在煤矿井下应用分析
摘要：
无线通信定位一体化（ILWC）是一种基于硬件资源及软件信息共享以实现定位与通信功能协同的新型信息技术。通过简述无线通信技术和定位技术的研究进展，揭示了 ILWC 技术是无线通信系统承载业务拓展的必然结果。给出了不同研究对于 ILWC 技术的定义和内涵，明确了 ILWC 核心思想为“硬件集成，软件共享”，按照设备复用和深度融合 2 个阶段综述了 ILWC 技术的研究进展。结合煤矿井下场景的特殊性，提出了煤矿井下 ILWC 概念：基于时间、空间、频谱、计算等资源共享，具有场景自动感知和资源动态自适应分配机制的通信功能和定位功能融合技术。对煤矿井下 ILWC 在大巷、中央变电所、井底车场、采煤工作面等场景的适应性进行了讨论，指出井下 ILWC 面临的挑战是煤矿井下无线信道复杂性、基站部署不均衡性、井下复杂场景精准判别。
总结：
（1） ILWC 技术是无线通信系统承载业务拓展的必然结果。将该技术应用到煤矿井下，将有助于
推进矿山智能化建设。
（2） 通过讨论煤矿井下 ILWC 应用及特有问题，认为：① 井下通信与定位环境复杂，易受多径效应影响，如何解决复杂信道环境对 ILWC 的影响是一个巨大挑战。② 井下基站稀疏场景导致定位信息匮乏，如何解决基站稀疏带来的定位信息匮乏问题也是严峻考验。③ 井下复杂环境对 ILWC 技术环境感知和资源动态自适应分配提出了较高要求。
研究背景
大背景：
为了实现井下矿工位置及行为管理，从井下机器人定位和导航等角度出发，已有矿井部署了矿井
实时精确定位系统，并取得了较好效果。这些系统的数据通信功能在硬件上利用了矿井已建设的以太环网设备，但硬件独立性仍然较强，具体表现在定位基站的硬件设备独立、定位所用电磁波频谱独立。这就意味着，即使在井下已部署通信系统的情况下，部署矿井实时精确定位系统仍需较大的硬件投入，这也导致井下设备维护工作量和系统复杂度增加。
煤矿经过自动化、信息化及当前智能化建设，特别是随着 5G 技术在井下推广，煤矿已经建立了基本覆盖全矿井用以语音通信和数据传输的无线通信网络，部分场所建设了无线节点众多的传感器网络。可预期，为了满足将来替代矿工的遥控/自主机器人控制及通信需求，井下将存在节点众多的泛在无线通信网络。若能利用泛在无线通信网络的硬件设备和电磁波频谱实现实时精确定位功能，可在为智能矿山建设提供技术支撑的前提下，减少矿井硬件投入和维护工作量。利用无线网络实现定位功能正是无线通信定位一体化（Integrated Localizationand Wireless Communication，ILWC）研究的范畴，也是当前研究热点。本文对 ILWC 技术研究进展及趋势进行阐述，并对 ILWC 技术在煤矿井下的适用性及面临的挑战进行分析
小背景：
研究内容，成果
通信功能和定位功能资源使用优先级随井下场景需求的变化而变化，如：煤矿在日常安全生产过程
中，定位功能所提供的空间信息对智能化精细化安全生产支撑作用大，ILWC 系统一般存在持续稳定的外部电量供给，因此允许定位功能的电量消耗高于通信功能；在灾后救援过程中，ILWC 系统往往只能利用内部蓄电池进行电量供给，此时定位功能的电量消耗限制会远高于应急通信功能
由于 ILWC 通信功能和定位功能共享一套系统，所以将 ILWC 系统部署在井下具有节约总体投资、减少维护工作量的优点。但煤矿井下不同场景所布置的无线通信网络不同，使用的定位方法也不
同，因此不同场景使用的 ILWC 技术也不同。煤矿井下不同场景 ILWC 技术适用性见表 3
成果：
潜在研究点
ILWC 深度融合阶段的研究还处于起步阶段，现
有研究大多基于地面环境，研究内容及问题也是煤
矿井下 ILWC 需要关注的。实际上，煤矿井下特殊
环境使得定位与通信应用有其特殊性，具体表现在
煤矿井下无线信道复杂性、基站部署不均衡性和井
下场景识别困难导致的问题。
场景判别机制是煤矿井下 ILWC 对通信与定位
资源优先级分配的技术支撑。由于目前没有现成的
算法或模型能够解决煤矿井下工作与非工作场景的
判别问题，所以 ILWC 技术在煤矿井下应用时必须
建立对应模型，提出有效算法，解决正常工作场景与
灾后场景的准确判别问题。相比于地面简单场景，
井下复杂场景的精确判别会是一个巨大挑战。
疑问
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