UWB定位技術(shù)介紹

UWB技術(shù)使用兩種方式傳輸數(shù)據(jù)：一種是無(wú)線(xiàn)收發(fā)，利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行傳輸，另一種是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式傳輸數(shù)據(jù)。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)采用的模式主要是同步、異步和自適應(yīng)多址。

UWB系統(tǒng)是近幾年來(lái)非常熱門(mén)的一個(gè)技術(shù)了，在民用市場(chǎng)已經(jīng)有很大優(yōu)勢(shì)了，但由于技術(shù)發(fā)展太快，現(xiàn)在很多都沒(méi)有進(jìn)行商用了，所以我們先從最新版的 UWB技術(shù)開(kāi)始介紹吧！

一、超寬帶

超寬帶（Ultra-wideband, UWB）是一種利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，是一種非授權(quán)頻段的超寬帶（UWB）系統(tǒng)。

超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻率為1~10 GHz，波長(zhǎng)為5~100μm，工作在C波段。

UWB具有高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延、穿透能力強(qiáng)、抗多徑干擾等優(yōu)點(diǎn)。

UWB是利用脈沖重復(fù)頻率（PRS）和脈沖間隔時(shí)間（PLD）實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。

脈沖重復(fù)頻率指單位時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)射次數(shù)，可分為連續(xù)或離散形式。

PRS可以根據(jù)頻率來(lái)劃分，常用的是20 MHz~100 MHz; PLD可以劃分為2~4路數(shù)字信號(hào)處理模塊組成；脈沖間隔時(shí)間（PL, pulse latency，即 PL/PLD）主要用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)等功能；脈沖重復(fù)頻率與 PRS有關(guān)，但更多地取決于天線(xiàn)形式、接收靈敏度、載波頻率等因素，可通過(guò)測(cè)量 PRS和 PLD的 PL/DL值來(lái)計(jì)算。

二、時(shí)隙

UWB技術(shù)的時(shí)隙分為兩類(lèi)：同步和異步。

同步時(shí)隙：同步信號(hào)使用固定時(shí)隙，每個(gè)載波接收信號(hào)，并在發(fā)送時(shí)同步它的相位和幅度；異步時(shí)隙：每個(gè)載波接收一個(gè)相位和幅度變化的正弦信號(hào)，將其解調(diào)成一個(gè)時(shí)間片，然后通過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換成一個(gè)時(shí)間片。

UWB系統(tǒng)中使用同步和異步的時(shí)隙。

由于 UWB的波束窄且功率低，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)通常使用 UWB信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，而不是傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)使用多個(gè)射頻天線(xiàn)來(lái)發(fā)射信號(hào)，而射頻天線(xiàn)只能用于接收數(shù)據(jù)。

因此在使用 UWB通信時(shí)，必須考慮發(fā)射功率問(wèn)題，通常需要考慮的功率包括幾個(gè)方面：

首先是發(fā)射時(shí)間點(diǎn)選擇；其次是在接收端需要設(shè)置接收器來(lái)識(shí)別是否來(lái)自目標(biāo)位置；最后才是根據(jù)接收到的信號(hào)類(lèi)型進(jìn)行選擇正確的波束。

三、星間傳輸

星間傳輸也是利用衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行通信，由于 UWB對(duì)衛(wèi)星的要求很低，所以它的使用范圍非常廣泛，可以說(shuō)是無(wú)處不在。

UWB星間傳輸?shù)木唧w過(guò)程如圖所示，可以將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送操作。

如果接收端沒(méi)有數(shù)據(jù)包需要返回給發(fā)送端，則發(fā)送端只需將其傳送給接收端即可。

如果收到的數(shù)據(jù)包需要傳輸?shù)较乱粋€(gè)發(fā)送端，則可以先將其傳送給下一個(gè)用戶(hù)，然后再傳送到下一個(gè)用戶(hù)，如此重復(fù)下去即可將全部數(shù)據(jù)包完成傳輸。

UWB衛(wèi)星系統(tǒng)可以分為多個(gè)部分，每個(gè)部分都有其相應(yīng)的功能。

星間傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高、可靠性高且成本低；缺點(diǎn)是對(duì)接收機(jī)硬件要求較高且對(duì)衛(wèi)星環(huán)境依賴(lài)性強(qiáng)。所以它在軍用和民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

四、多徑效應(yīng)。

UWB技術(shù)具有多徑效應(yīng)，即在一個(gè)發(fā)射信號(hào)中同時(shí)存在多個(gè)信號(hào)發(fā)射，這也是為什么該技術(shù)被稱(chēng)為“窄帶定位”的原因。

當(dāng)一條路徑上的能量被用完后，就會(huì)產(chǎn)生多徑，其中每一個(gè)信號(hào)都被用完了。所以，我們?cè)诮邮斩ㄎ荒繕?biāo)的發(fā)射信號(hào)時(shí)，需要選擇最短的路徑去接收信號(hào)。

由于發(fā)射信號(hào)時(shí)能量消耗較大（一條路徑上的能量消耗約為1-2 dB）且不能直接利用，所以需要在接收端將多余能量返回給下一個(gè)發(fā)射。

為了解決這一問(wèn)題，可以采用“信道編碼”（codice_1）或“波束形成”（baseline convex）技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的抗多徑能力。

此外在 UWB系統(tǒng)中還可以使用空間輔助的測(cè)距方式。

如果目標(biāo)是一個(gè)移動(dòng)物體或一個(gè)小體積對(duì)象（如車(chē)輛、人或物體），則還可以利用多普勒效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。

五、波束成形

UWB信號(hào)的功率譜密度（PSD）在頻域上為負(fù)，頻率為800 MHz，使用 Ubc頻段，如圖6所示。

在 UWB系統(tǒng)中采用了一種全新的信號(hào)波形——波束成形算法。

其基本原理是：

當(dāng)射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)接收端時(shí)，接收機(jī)根據(jù)測(cè)量到的信號(hào)強(qiáng)度的變化對(duì)天線(xiàn)產(chǎn)生響應(yīng)（即在接收機(jī)端獲得與發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度成比例的反射率），然后再經(jīng)過(guò)算法處理后將其轉(zhuǎn)化為可用來(lái)表示接收機(jī)輸出信息的形式，最后將這一形式發(fā)送到傳輸信道上。

該波形能夠保證信號(hào)在所有方向均有相同的功率和頻率增益。

該技術(shù)目前主要應(yīng)用于測(cè)距定位領(lǐng)域，比如室內(nèi)短距離無(wú)人駕駛汽車(chē)測(cè)距、無(wú)人駕駛車(chē)輛定位等等。

六、自適應(yīng)多址調(diào)制（Aadd Mode Module, AMS）技術(shù)（使用 MISO調(diào)制）

MISO（Mission-specific Integrated Module，自適應(yīng)多址）調(diào)制技術(shù)的基本原理就是：

利用調(diào)制方法來(lái)控制信號(hào)頻譜。

利用一種稱(chēng)為預(yù)編碼（precise encoding）的技術(shù)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

AMS是由愛(ài)立信和高通共同開(kāi)發(fā)的，使用 MISO調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在一個(gè)周期內(nèi)的復(fù)用。

其可以在發(fā)送端以一種靈活的方式使用各種信號(hào)形式，比如調(diào)制后，直接作為本地（based）數(shù)據(jù)流發(fā)送；也可以通過(guò)不同的編碼方式進(jìn)行復(fù)用。

AMS通過(guò)改變系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘和參考時(shí)鐘之間的頻率間隔來(lái)進(jìn)行頻譜選擇；也可以對(duì)頻率間隔進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保所需數(shù)據(jù)速率。

其優(yōu)點(diǎn)是：不需要對(duì)信號(hào)產(chǎn)生任何新的同步操作；不需要任何同步操作就能支持高帶寬工作范圍；無(wú)需發(fā)送端和接收端分別處理信號(hào)、通信或兩者同時(shí)處理信號(hào)。

七、自適應(yīng)用戶(hù)選擇協(xié)議（Adaptive Side Selection Protocol, APS）技術(shù)可以根據(jù)數(shù)據(jù)流的特征，自動(dòng)選擇不同的信道，從而使每個(gè) UWB用戶(hù)能夠從多個(gè)信道中選擇最優(yōu)信道用于傳輸。

實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)，即 UWB設(shè)備可以同時(shí)接收多個(gè) UWB用戶(hù)發(fā)送的數(shù)據(jù)流。

APS協(xié)議是 UWB無(wú)線(xiàn)技術(shù)中的核心部分，是通過(guò)將多個(gè)發(fā)射功率不同、頻率不同的信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)發(fā)送到多個(gè)基站進(jìn)行測(cè)距所實(shí)現(xiàn)的。

APS與 OFDM相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

?能夠在同一時(shí)刻完成多用戶(hù)發(fā)射，且每個(gè)用戶(hù)可以獨(dú)立地選擇不同的信道；

?能夠在單個(gè)基站上同時(shí)定位多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)（包括但不限于：人、車(chē)輛等）；

審核編輯黃宇