硬件電路設(shè)計(jì)之“室內(nèi)定位技術(shù)UWB介紹”

時(shí)間：2021-09-18 17:55:00

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[導(dǎo)讀]本文主要介紹UWB技術(shù)。UWB(UltraWideBand，超寬帶)是一種基于IEEE802.15.4a和802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)的無載波通信技術(shù)，利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，它能夠非常準(zhǔn)確地測量無線電信號(hào)的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)厘米精度的距離/位置測量。不同于藍(lán)牙、WiFi等...

本文主要介紹UWB技術(shù)。

UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)是一種基于IEEE802.15.4a和802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)的無載波通信技術(shù)，利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，它能夠非常準(zhǔn)確地測量無線電信號(hào)的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)厘米精度的距離/位置測量。不同于藍(lán)牙、WiFi等其他定位技術(shù)，UWB射頻信號(hào)與生俱來的物理特性使得UWB技術(shù)從一開始就被明確定義：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、超精確、超可靠的定位和通信。UWB的歷史可以追溯到一百多年前波波夫和馬可尼發(fā)明越洋無線電報(bào)的時(shí)代。1964~1987年，Harmuth的著作奠定了UWB收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，1974年Ross和Robbins發(fā)表的專利是UWB通信方面最早的里程碑式的專利，到了1989年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)首先采用超寬帶這一術(shù)語，并規(guī)定：若信號(hào)在-20dB處的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz或相對(duì)帶寬大于25%，則該信號(hào)為超寬帶信號(hào)，為了促進(jìn)并規(guī)范UWB技術(shù)的發(fā)展，2002年4月FCC重新對(duì)UWB做了定義：系統(tǒng)-10dB帶寬與系統(tǒng)中心頻率之比大于20%或系統(tǒng)帶寬至少為500MHz。此后，超寬帶這個(gè)術(shù)語才被沿用下來。直到2002年，F(xiàn)CC批準(zhǔn)UWB無線電在嚴(yán)格限制條件下可在公眾通信頻段3.1GHz~10.6GHz上運(yùn)行，才有力推進(jìn)了UWB的發(fā)展。UWB的技術(shù)規(guī)格也比較多，圍繞UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭一開始就非常激烈，曾經(jīng)有二十幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參與競爭，傳統(tǒng)的UWB（IR-UWB）是采用脈沖無線電（Impulse Radio），直接通過天線傳輸，不需要對(duì)正弦波調(diào)制，這種系統(tǒng)實(shí)時(shí)簡單，成本低、功耗低、抗多徑強(qiáng)、良好的穿透性等，后來被 802.15.4a 標(biāo)準(zhǔn)所采用。發(fā)展到現(xiàn)在，只剩下兩個(gè)主要的陣營，即Intel、TI主導(dǎo)的以MB-OFDM為基礎(chǔ)的MBOA，以及Freescale、Motorola主導(dǎo)的基于DS-CDMA的DS-UWB。技術(shù)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的，DS-UWB曾提出一個(gè)通用信令模式，希望與MBOA兼容。但這種模式顯然在技術(shù)上無法實(shí)現(xiàn)，所以被MBOA、IEEE和無線USB協(xié)會(huì)拒絕。2007年3月，ISO正式通過了WiMedia聯(lián)盟提交了MB-OFDM標(biāo)準(zhǔn)，正式成為了UWB技術(shù)的第一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)。除了最底層，UWB架構(gòu)中還有其他上層標(biāo)準(zhǔn)，比如：PAL協(xié)議適應(yīng)層（Protocol?Adaption?Layer），Wireless?USB、Wireless?1394、Application?Profiles（DLNA?compliant，DLNA：Digital?Living?Network?Alliance）等應(yīng)用層協(xié)議。目前已經(jīng)有幾十家廠商推出了UWB芯片、設(shè)備、應(yīng)用平臺(tái)等。

UWB為了完成定位，定義了兩種角色：基站Anchor和標(biāo)簽Tag，類似GPS中的衛(wèi)星和地面設(shè)備。無線定位系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)定位，一般都要先獲得和位置相關(guān)的變量，建立定位的數(shù)學(xué)模型，然后再利用這些參數(shù)和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算目標(biāo)的位置坐標(biāo)。按照測量參數(shù)的不同，UWB定位的方法可以分為三類：基于接收信號(hào)的強(qiáng)度（RSS，Received Signal Strength）、基于到達(dá)角度（Angle of Arrival）、基于到達(dá)時(shí)間（TOA，Time of Arrival）。

其中，AOA通過獲取被測點(diǎn)到兩個(gè)接收機(jī)的信號(hào)到達(dá)角度進(jìn)行定位，需要配置復(fù)雜的天線系統(tǒng)，且角度誤差對(duì)定位精度的影響遠(yuǎn)比測距誤差大。RSS根據(jù)信號(hào)的傳播模型，利用接收信號(hào)的強(qiáng)度與信號(hào)傳播距離的關(guān)系，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。這種方法的定位覆蓋距離較近，且對(duì)信道傳輸模型的依賴性非常大，多徑以及環(huán)境條件的變化都會(huì)使其精度嚴(yán)重惡化，特別是距離估計(jì)的精度與信號(hào)的帶寬無關(guān)，不能發(fā)揮 UWB 帶寬大的優(yōu)勢。所以，RSS和AOA方法一般不單獨(dú)用于UWB定位，只作為輔助手段進(jìn)行初級(jí)粗定位。常用的定位算法還是基于TOA的，也叫TOF，具體衍生出來的常用算法包括OWR（One Way Ranging）、TWR（Two Way Ranging，也叫TW-TOF（Two Way-Time of Flight））、TDOA（Time Difference of Arrival）。同時(shí)還有混合使用上述的兩種或三種定位技術(shù)的混合定位技術(shù)，比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等，通過檢測并提取相關(guān)的定位參數(shù)，用于定位解算。混合定位技術(shù)可以運(yùn)用多種定位參數(shù)實(shí)現(xiàn)定位，綜合不同定位技術(shù)的特點(diǎn)，在各種定位技術(shù)的特性中取長補(bǔ)短，讓最終的定位性能得到優(yōu)化。