UWB定位技術(shù)淺析

UWB技術(shù)使用兩種方式傳輸數(shù)據(jù)：一種是無線收發(fā)，利用衛(wèi)星信號進行傳輸，另一種是通過無線通信的方式傳輸數(shù)據(jù)。

無線收發(fā)采用的模式主要是同步、異步和自適應(yīng)多址。

UWB系統(tǒng)是近幾年來非常熱門的一個技術(shù)了，在民用市場已經(jīng)有很大優(yōu)勢了，但由于技術(shù)發(fā)展太快，現(xiàn)在很多都沒有進行商用了，所以我們先從最新版的 UWB技術(shù)開始介紹吧！

一、超寬帶

超寬帶（Ultra-wideband， UWB）是一種利用無線電信號進行數(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，波長為5~100μm，工作在C波段。

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

UWB是利用脈沖重復(fù)頻率（PRS）和脈沖間隔時間（PLD）實現(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)頻率來劃分，常用的是20 MHz~100 MHz; PLD可以劃分為2~4路數(shù)字信號處理模塊組成；脈沖間隔時間（PL， pulse latency，即 PL/PLD）主要用于實現(xiàn)時鐘恢復(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形式、接收靈敏度、載波頻率等因素，可通過測量 PRS和 PLD的 PL/DL值來計算。

二、時隙

UWB技術(shù)的時隙分為兩類：同步和異步。

同步時隙：同步信號使用固定時隙，每個載波接收信號，并在發(fā)送時同步它的相位和幅度；異步時隙：每個載波接收一個相位和幅度變化的正弦信號，將其解調(diào)成一個時間片，然后通過時頻轉(zhuǎn)換成一個時間片。

UWB系統(tǒng)中使用同步和異步的時隙。

由于 UWB的波束窄且功率低，在對目標進行定位時通常使用 UWB信號來傳輸數(shù)據(jù)，而不是傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)使用多個射頻天線來發(fā)射信號，而射頻天線只能用于接收數(shù)據(jù)。

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

首先是發(fā)射時間點選擇；其次是在接收端需要設(shè)置接收器來識別是否來自目標位置；最后才是根據(jù)接收到的信號類型進行選擇正確的波束。

三、星間傳輸

星間傳輸也是利用衛(wèi)星來進行通信，由于 UWB對衛(wèi)星的要求很低，所以它的使用范圍非常廣泛，可以說是無處不在。

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

如果接收端沒有數(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€發(fā)送端，則可以先將其傳送給下一個用戶，然后再傳送到下一個用戶，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)可以分為多個部分，每個部分都有其相應(yīng)的功能。

星間傳輸技術(shù)的優(yōu)點是定位精度高、可靠性高且成本低；缺點是對接收機硬件要求較高且對衛(wèi)星環(huán)境依賴性強。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)，即在一個發(fā)射信號中同時存在多個信號發(fā)射，這也是為什么該技術(shù)被稱為“窄帶定位”的原因。

當一條路徑上的能量被用完后，就會產(chǎn)生多徑，其中每一個信號都被用完了。所以，我們在接收定位目標的發(fā)射信號時，需要選擇最短的路徑去接收信號。

由于發(fā)射信號時能量消耗較大（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發(fā)射。

為了解決這一問題，可以采用“信道編碼”（codice_1）或“波束形成”（baseline convex）技術(shù)來提高系統(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距方式。

如果目標是一個移動物體或一個小體積對象（如車輛、人或物體），則還可以利用多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)測距功能。

五、波束成形

UWB信號的功率譜密度（PSD）在頻域上為負，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波形——波束成形算法。

其基本原理是：

當射頻信號經(jīng)過接收端時，接收機根據(jù)測量到的信號強度的變化對天線產(chǎn)生響應(yīng)（即在接收機端獲得與發(fā)送的信號強度成比例的反射率），然后再經(jīng)過算法處理后將其轉(zhuǎn)化為可用來表示接收機輸出信息的形式，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)用于測距定位領(lǐng)域，比如室內(nèi)短距離無人駕駛汽車測距、無人駕駛車輛定位等等。

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)制方法來控制信號頻譜。

利用一種稱為預(yù)編碼（precise encoding）的技術(shù)來增強系統(tǒng)性能。

AMS是由愛立信和高通共同開發(fā)的，使用 MISO調(diào)制方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在一個周期內(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；也可以通過不同的編碼方式進行復(fù)用。

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

其優(yōu)點是：不需要對信號產(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；無需發(fā)送端和接收端分別處理信號、通信或兩者同時處理信號。

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

實現(xiàn)位置服務(wù)，即 UWB設(shè)備可以同時接收多個 UWB用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)流。

APS協(xié)議是 UWB無線技術(shù)中的核心部分，是通過將多個發(fā)射功率不同、頻率不同的信號在一段時間內(nèi)同時發(fā)送到多個基站進行測距所實現(xiàn)的。

APS與 OFDM相比具有以下優(yōu)勢：

?能夠在同一時刻完成多用戶發(fā)射，且每個用戶可以獨立地選擇不同的信道；

?能夠在單個基站上同時定位多個移動目標（包括但不限于：人、車輛等）。