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作者:赵红梅

出版社:电子工业出版社

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超宽带室内定位系统应用技术

超宽带室内定位系统应用技术试读:

前言

根据诺基亚、谷歌等提供的数据,人们的日常生活中超过80%的时间都发生在室内,室内位置服务是真正实现万物互联的基础,室内定位技术已经成为解决定位导航最后 100米的关键手段。《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》认为,面向大众和面向行业应用的室内定位导航成为刚需,于此同时,大型城市综合体越来越多,大型医院、大型停车场、大型办公楼、大型商场等建筑物室内空间也更加复杂,传统的指示牌已经无法满足人们找寻目的地的需求。室内定位精度高,能够实现跨楼层指引,可以极大提升便利性精准室内定位技术,可为智慧大楼、智慧停车场、智慧工厂、智慧医院、大型会展等行业领域提供诸多室内定位解决方案,当前市场对室内定位的需求越来越多,所以衍生出各种各样的定位技术。

超宽带技术是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。目前,包括美国、日本、加拿大等在内的国家都在研究这项技术,其在无线室内定位领域具有较强的应用前景。

超宽带室内定位技术是一种基于脉冲超宽带技术的无载波无线通信技术,具有传输速率高、发射功率较低、穿透能力较强、定位精度高等优点,使它在室内定位领域独占鳌头。超宽带室内定位技术常采用TDOA测距定位算法,通过信号到达的时间差,利用双曲线交叉实现定位。定位过程中由 UWB 接收器接收标签发射的 UWB 信号,通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰,得到含有效信息的信号,再通过中央处理单元进行定位算法分析,解析出位置信息。

基于智慧城市、物联网、移动互联网等相关行业的需求,位置服务也已成为我国经济转型升级的迫切需求。位置服务和移动互联网技术是一种业务支撑的关系,无论是信息消费还是战略信息产业,在国民经济中都是新增长点。由于室内不仅是人们的生活场所,还是工作场所,而且人们大部分时间生活在室内,室内位置服务的发展至关重要。导航与位置服务攸关国家安全、经济发展和社会民生,在新一代信息技术这一战略性新兴产业中,具有举足轻重和不可或缺的地位。

本书的研究内容主要包括:提出了基于双非门结构的新型超宽带窄脉冲信号发生器设计,避免了传统的基于数字逻辑的方法对器件自身的依赖性,改善了脉冲性能;利用小型化、宽带化微带天线设计方法,提出了多种新型结构的小型化超宽带天线及带阻天线设计方法;采用微带线和多指谐振腔设计方法,提出了新型结构的超宽带滤波器设计方法;利用频域测量手段和射线追踪方法,研究了超宽带信号的电波传播特性,揭示了超宽带信号室内—室外传播的电波传播规律,给出了解析数学模型;分析给出了基于数模混合接收超宽带定位系统定位基站方案,提出了可控积分电路高速模数转换电路方法;构建了到达时间差和物理距离关系模型,提出了偏最小二乘粒子群定位算法,加快了算法的收敛,增强了算法的鲁棒性;分析了 IEEE802.15.3a 信道模型下定位算法的适应性,提出了导频辅助的2LS-PSO定位算法,定位误差小于10cm(TDOA误差小于0.5ns时);提出了自适应卡尔曼平滑滤波跟踪算法,解决了移动目标机动变化、不良测量条件带来的定位不准确问题。

本书主要章节基于脉冲超宽带技术的室内定位系统各个组成部分一层层展开,具有较强的工程背景,可读性强。本书内容来自作者近几年来发表的论文、获奖、申请专利等,涉及最新的电路结构、算法及分析方法,可借鉴性、工程性强,具有较强的工程指导价值。

本书由赵红梅副教授独立编著,负责全书大纲及内容的拟定并定稿。在前期研究及本书撰写过程中,充分借鉴和引用了国内外同行在本领域的的相关研究成果,同时也得到了郑州轻工业学院河南省“超宽带无线通信技术”院士工作站研究团队的各位老师和研究生们的大力支持,他们对本书的撰写及研究成果都做出了大量的贡献,并提出了许多宝贵的意见与建议,在此对他们表示感谢。第1章 绪论1.1 无线定位技术简介

随着信息化时代的深入,信息产业的各行各业都呈现出蓬勃发展的趋势,如移动通信已经发展到“4G”通信,正逐步向“5G”迈入;家庭网络也已步入百兆带宽时代。“位置”作为一类信息也开始被人们所关注,尤其是随着信息化时代新生产物无线定位技术的快速发展,使得这一类信息可被广泛使用于日常生活中,促使了许多依赖位置的服务LBS (Location-Based Services)产生,基于GPS定位技术的相关服务,以及使用电信运营通信实现的110/120急救服务都是LBS在日常生活中的典型实例。现代定位技术最早应用在军事领域,如全球定位系统(Global Positioning System,GPS),用以提供精确制导、战场监控和单兵作战等系统保障。目前,GPS是世界上应用最广泛和成功的一种定位技术。然而,特别是随着多媒体和数据业务的快速增加,人们对定位与导航的需求日益增大,尤其是在复杂的室内环境下,常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的具体位置信息。近几年,随着移动设备与智能终端的广泛普及,LBS更是渗入人们生活的各个方面,如信息查询(旅游景点、交通情况、商场等)、车辆调度、物资管理、交通指挥、行车导航等服务,体现出了其巨大的潜在价值。

无线定位技术和方案有很多,常见的定位技术包括红外线、超声[1~3]波、射频信号等。不同于室外的建筑物,室内环境具有更复杂的特性,室内的布置、材料的结构、空间尺度的不同将会导致信号的路径损耗很大。红外线容易受室内灯光的干扰,在定位精度上有一定的局限性;超声波则受非视距传播和多径效应的影响较大;射频信号广泛应用在室外定位系统中。故这些技术都不适合室内定位系统的开发。随着新兴无线网络技术(如WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带等)的出现,在现有无线定位技术基础上,结合成熟的无线信息融合和网络通信技术,实现精度高、稳定性强、适应性好的短距离室内定位和导航系统将是未来无线定位技术的发展趋势。目前,室内无线定位技术的研究主要集中在射频(RF)信号的基础上,同时结合无线网络技术,如 ZigBee、超宽带、WiFi、蓝牙和射频识别(Radio-Frequency [4,5]Identification,RFID)等定位技术的研究。

随着定位技术的发展和定位服务需求的不断增加,未来无线定位技术必须克服现有技术的缺点,满足以下几个条件:①抗干扰能力强;②定位精度高;③生产成本低;④运营成本低;⑤信息安全性好;⑥[6]能耗低及发射功率低;⑦收发器体积小。

不管是 GPS 定位技术还是利用无线传感器网络或其他定位手段进行定位都有其局限性。各种无线定位技术的对比如表 1-1 所示。无线定位技术的趋势是室内定位与室外定位相结合,实现无缝的、精确的定位。表1-1 各种无线定位技术的对比

在室内定位上,由于其定位机制的限制,表现出的性能差强人意,达不到人们所需求的厘米级高精度定位。此时,国内外学者纷纷将目光投向了短距无线定位技术,试图从这方面找到突破口,研究出更加适合室内定位的技术。多年来,经过学者们不懈的努力与钻研,针对电磁环境复杂、多障碍物(墙壁、货物等)遮挡的室内定位提出了多种解决方案,目前新兴的无线网络技术,如WiFi、ZigBee、BlueTooth和Ultra Wide Band(UWB)等,在办公室、家庭、工厂、公园等大众生活的各个方面逐渐得到了广泛应用,未来基于无线网络的定位技术的应用将具有更加广阔的发展前景。依据投资银行Rutberg公司、无线数据研究集团和国际数据公司等的预测,网络新兴技术将在未来的3年内达到几百亿美元甚至上千亿美元的营业收入,而无线定位技术的应用将在其中占有至少上百亿美元的份额,因此,如何最大限度地开发利用无线定位技术已经成了国内外研究的主要热点。表1-2从精确度、穿透性、抗干扰性、布局复杂度、成本方面分析了各种定位系统用于室内定位的优劣。表1-2 各种定位系统用于室内定位的性能对比

从表1-2的对比中可以看出,UWB技术不同于其他无线通信技术,它具有隐蔽性好、抗多径和窄带干扰能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强、功耗低、系统复杂度低等一系列优点,而且可以充[1,2]分利用频谱资源,很好地解决了频谱资源拥挤不堪的问题。超宽带无线通信技术已经成为短距离无线通信中最具竞争力和发展前景的技术之一,被视为无线互联时代的关键技术。1.2 超宽带技术概述

UWB 技术的历史可追溯到 20 世纪 60 年代,它最早出现在时域电磁学的研究中,通过冲激响应用来完整地描述某一类微波网络的瞬时特性。初期,超宽带作为一项脉冲雷达技术被军方用于战场中通信与雷达探测,在此期间超宽带技术的发展可谓停滞不前,速度缓慢。直到20世纪60年代,人们为了利用冲激响应来研究某类微波网络的[11]瞬态特性,将超宽带技术引入到了电磁学,之后超宽带迎来了一个发展期。之后,此种技术被用于设计宽带辐射的天线振子,接着又被用于开发短脉冲的雷达通信系统。最为显著的是 Sperry研究中心和 Sperry Rand 公司将这项技术用于各种雷达通信系统的研究与开发,取得了多项发明专利。1972 年,一种高灵敏度的短脉冲接收设备的成功研制,进一步加快了 UWB技术的发展进程。1973年Ross获[12]得了第一个UWB通信系统的专利,成为UWB发展的一个里程碑。同年,Morey获得了第一个用于地球物理测量的UWB穿地雷达专利[13]。1978年Ross实现了UWB在自由空间内的通信,并在1978年完成了UWB LPI/D(低截获/检测概率)通信的演示系统开发。在此之前,UWB 作为一类非正弦、单周期或少数几个周期的极窄脉冲串无线电信号,并没有统一的术语,叫法甚多:impulse,carrier-free,time domain,orthogonal function and large-relative-bandwidth radio/radar signal。直至1989美国国防部将其称为Ultra Wide Band后,才统[14]一采用了UWB这一术语。到1989年,超宽带(UWB)这个名称才被美国国防部启用,在此之前,这项技术常常被称为冲激无线电(Impulse Radio,IR)技术或者基带无载波调制(Baseband Carrier-Free)。在美国,绝大部分关于 UWB技术的早期研究工作,尤其是冲激无线电(IR)通信领域,都是在美国政府机密的计划支持下完成的。直到1994年以后,保密的限制才逐渐被解除,从而使超宽带方面的研究取得了飞速的发展。随着超宽带通信技术的飞速发展,越来越多的研究者希望能够允许超宽带无线电技术转入民用。自 1998 年起,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)就关于超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其电磁兼容的问题开始广泛征求业界意见。2002年2月14日,FCC首次批准了这项无线技术可以用于民用通信的规定,与此同时,FCC还修正了关于超宽带的定义,通过了超宽带在限制功率辐射条件下的商用许可,并为超宽带通信规划了频谱使用范围3.1~10.6GHz,这是超宽[7]带技术发展史上的又一重要的里程碑。这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。

超宽带技术向民用领域的开放极大地刺激了全球各界对UWB技术的研究热情。2003年12月,在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的IEEE有关 UWB标准的大讨论:一方是以Intel与德州仪器为首支持的MBOA标准,该方采用的是多频带的方式来实现UWB技术;另一方是以摩托罗拉为首的DS-UWB标准,坚持采用单频带方式。这两个阵营各不相让,都表示将单独推动各自的技术。虽然经过讨论,UWB标准仍尘埃未定,但这两大阵营有了新的加入者。三星采用摩托罗拉的第二代产品Xtreme Spectrum芯片实现了全球第一套可同时播放三个不同的HSDTV视频流的无线广播系统。而在另一阵营中,Intel公司首次展示了多家公司联合支持的、采用本公司设计的 UWB 芯片的、应用范围超过10M的480Mbps无线USB技术。美国在UWB的积极投入,引起其他国家的重视,欧盟和日本也纷纷开展研究计划。由Wisair、Philips等6家公司和团体成立了Ultrawaves组织,研究家庭内UWB在AV设备高速传输的可行性研究。PULSERS是由位于瑞士的IBM研究公司、英国的Philips研究组织等45家以上的研究团体组成,研究UWB的近距离无线界面技术和位置测量技术。日本在2003年元月成立了UWB研究开发协会,共计有40家以上的业者和大学参加,并在同年 3 月构筑 UWB 通信试验设备。多个研究机构可在不经过核准的情况下,先行从事研究。

在国内,超宽带无线通信技术受到相当的重视。我国在2001年9月初发布的“十五”国家“863计划”通信技术主题研究项目中,首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容,鼓励国内学者加强这方面的研究工作。国家自然科学基金委员会信息科学部也积极鼓励相关超宽带无线通信理论与关键技术的探索性研究。随后国内许多高校和研究机构都在进行有关超宽带技术和产品的研究,但还主要以理论和技术研究为主,如由张乃通院士承担的国家自然科学基金《超宽带高速无线接入理论与关键技术》的课题研究,许多高校也已经开展了有关超宽带技术方面的研究,并且已经取得大量的研究成果。与理论研究相比,国内应用产品的开发还处于次要地位,因此,对超宽带定位系统的研究和开发对我国超宽带应用产品的发展具有重要的推进作用。

超宽带(UWB)技术与其他无线通信技术有很大的不同,它为无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)和个域网(Personal Area Network,PAN)的接口卡和接入技术带来了低功耗、高带宽和结构相对简单等优点。同时,超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的关于传播方面的难题。超宽带技术在无线通信方面的创新性、利益性具有非常大的潜力,在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面很好地满足了人们对未来无线网络的要求。1.2.1 UWB技术定义

超宽带技术最早使用在包括军用雷达和遥感等军事领域中。21世纪初,美国联邦通信委员会(FCC)批准超宽带技术可以运用到民用领域中。由于该技术得到民用通信方面的巨大关注,因此,得到了的迅速发展。FCC对超宽带信号的定义如下:

即相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500MHz。f、f指信号功HL率谱密度的峰值衰减10dB时所对应的上下限频率。

为了避免对其他通信系统的干扰,FCC将超宽带的发射功率限定[10~11]在一定范围内,即在超宽带通信频率范围内的每个频率上都规定一个最大的允许功率,这个功率值一般通过辐射掩蔽来决定。FCC规定的各类定位系统的频谱对比图如图1-1所示,超宽带通信使用的频谱范围在3.1~10.6GHz多达7.5GHz的范围内。如此低的功率谱密度共享频谱的方式在频谱资源相当匮乏的今天有着极其重要的意义,这也是当今社会超宽带能够兴起和快速发展的主要原因之一。针对超宽带的应用环境,F C C同样规定了室内通信系统的限制功率和室外手持超宽带通信设备的限制功率,如图1-2所示。图1-1 各类定位系统的频谱对比图图1-2 FCC规定的超宽带系统有效全向辐射1.2.2 UWB技术特点

UWB 技术是利用纳秒甚至皮秒级的极窄脉冲来实现信息的传输的。由于是在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB可以在10m[15~19]左右的范围内实现数百Mbps甚至数Gbps的数据传输速率。

现对于UWB的特点总结如下:(1)抗干扰性能强。在 UWB 常用的跳时系统中,由于超宽带信号本身的频谱特性,再加上跳时扩频,频谱可以达到几千兆赫兹,是一般扩频系统的100多倍,抗干扰性也就更强了。(2)多径分辨能力强。UWB是利用极窄的脉冲进行信息的传输的。由于其占空比低,在多径的情况下可以实现时间上的分离,能够充分利用发射信号的能量。据相关实验表明,对常规无线电多径衰落深达 10~30dB 的多径环境,对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。(3)系统容量大。随着无线通信系统技术的不断发展,频谱资源变得越来越紧张,而超宽带技术的通信空间容量却具有相当大的优势。根据 Intel 公司的研究报告,IEEE 802.11b、Bluetooth、IEEE 222802.11a的空间容量分别约为1 kbps/m、30 kbps/m、83 kbps/m ,2而UWB技术的空间容量可达1000 kbps/m。(4)传输速率高。UWB的数据速率可以达到几十Mbps,理论上传输速率甚至可以达到Gbps以上。(5)安全性高。由于UWB信号拥有7.5GHz的频带,而且FCC对其功率谱密度的限制低于环境噪声电平,因此,很难被基于频谱搜索的电子侦测设备截获。(6)低成本、低功耗。基于超宽带技术的发射端,可以完全由易于集成的数字电路来实现,因此,可以极大地降低生产成本。同时由于 UWB 信号拥有非常宽的频带,为了避免与其他窄带系统产生干扰,UWB信号发射的功率谱密度受到FCC的严格限制,发射功率非常低。1.2.3 UWB技术的应用

最初,UWB技术起源于军事领域,多年来美国也一直将UWB技术作为军事作战的技术之一,这在一定程度上限制了 UWB 技术在商用方面的发展。随着无线频谱资源日益紧缺,UWB 技术开始在民用领域蓬勃发展。基于其功率谱密度低、抗多径衰落能力好,超宽带技术被越来越多地应用在室内短距离的保密通信。此外,UWB 技术精确的定位能力也促进了一系列精度高的UWB雷达和定位器的应运而生。就目前的发展现状来说,UWB技术的应用主要分为军用和民用两个方面。

在军用方面,主要应用于UWB雷达、UWB低截获率(LPI/D)的无线内部通信系统(如预警机、舰船等)、警戒雷达、战术手持和网络的LPI/D电台、地波通信、无线标签、探测地雷、无人驾驶飞行[20]器、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体,等等。

在民用方面,自2002年2月14日FCC 批准可将UWB用于民用产品以来,UWB技术凭借着短距离范围内高速传输的巨大优势,将其主要的应用锁定在无线局域网(WLAN)及无线个域网(WPAN)上。通常短距离小范围内的高速通信主要是靠有线连接完成的,而超宽带技术的应用可以使这种通信变为无线,从而使人们能够摆脱线缆的束缚,使通信变得简洁方便。人们也可以利用超宽带技术的成像定位功能,协助警察搜寻室内范围内逃犯,以及搜寻被困在坍塌物下面的人员,甚至可以开发汽车防撞系统。相信在不久的将来,类似这样的应用将层出不穷,大大超过人们的想象。而就目前的发展趋势来看,超宽带技术的应用主要集中在以下几个方面:

1.家庭无线多媒体网络

在家庭无线多媒体网络中,各种数字家用多媒体设备,如数码摄像机、数字电视、MP3/MP4播放器、计算机、数字机顶盒及各种智能家电等,可以根据各自的需要在短距离小范围内组成一个Ad-hoc网络,从而相互之间传送多媒体数据,并且可通过家中的宽带网关接入Internet,构成一个智能的家庭网络,使一些相互独立的多媒体能够有机地结合起来。现有的各种短距离的无线通信技术(如ZigBee、红外、蓝牙等)中,仅有UWB技术能够满足多种无线多媒体传输速率的要求。

2.无线传感网络

在无线传感网络中,常常要求传感器的功耗较小,要能够连续工作数个月甚至数年之久且无须经常充电。现有的做法是通过媒体接入控制(MAC)层和网络层的协议设计,以尽量减少不必要的传输,进而有效地利用无线信道的能量资源。无线传感网络在这些基础上,采用超低功耗的超宽带物理层,可大大简化控制层和网路层的复杂度,从而使系统的总功耗进一步降低。

3.智能交通系统

超宽带(UWB)系统同时具有无线定位和通信功能,能够方便地应用于智能交通系统中,为汽车测速、防撞系统、监视系统、智能收费系统等提供低成本、高性能的解决方案。此外,如果在驾车的过程中遇到紧急情况,司机可以利用车载的超宽带系统向外界发送求助和报警信息。

4.室内定位系统

超宽带系统,特别是采用基带窄脉冲方式的超宽带系统,具有较强的穿透障碍物能力,能够满足室内复杂环境下无线定位的要求,同时由于超宽带具有小于1ns的时间分辨率,可以在保持通信的同时实现厘米级的定位精度。

当然超宽带技术的应用还不仅仅局限于以上几个方面,它在服务、医疗等方面也有诸多应用,未来的超宽带应用将和其他不同的网络协调共存,实现随时随地、无缝的通信。1.3 超宽带室内定位技术简介

UWB技术用于室内定位较之WiFi、ZigBee、RFID等优势突出,前景相当乐观,尤其适合室内高精度跟踪定位。这是因为 UWB 是以极窄脉冲传输数据的短距离无线载波通信技术,由于抗干扰、低功耗、低截获、强穿透等优点,尤其适合室内高精度定位,使用时对 UWB 参考点与移动目标上的 UWB 标签进行距离、时间的解算,从而可获得厘米级的精度,该技术广泛用于战场定位、虚拟商场、物流管理、电力巡检等领域,市场空间超百亿元。UWB 技术与互联网结合,三维地图形成协同,更是有望涉足智能家居、可穿戴设备市场,可预见超宽带室内定位系统的智能化将是必然趋势。1.3.1 超宽带室内定位原理及系统构成

无线定位系统要实现精确定位,首先要获取定位解算所需的参数信息,然后构建相应的解算模型,根据这些参数信息和模型求解定位目标的准确位置。UWB 具有超高的时间和空间分辨率,保证其可以准确获得待定位目标的时间和角度信息,时间信息可以转化为距离信息,最终求得待定位目标的位置。[20]

基于UWB的定位技术通常采用测向和测距来实现定位,按照其测量参数的不同可以分为3种方法:基于接受信号强度(Received Signal Strength,RSS)的检测方法、基于到达角度(Angle Of Arrival,AOA)估计的检测方法和基于到达时间(Time/Time Difference Of Arrival,TOA/TDOA)估计的检测方法。

3种常用的UWB定位方法中基于AOA的检测方法属于测向技术,需要多阵列天线或波束赋形技术等,增加了系统成本,而且定位的精度也取决于波到达角度的估计;基于RSS的方法则依赖于线路损耗模型,精度和节点间的间距密切相关,对信道的环境极为敏感,鲁棒性较低;和前两种方法相比,基于TOA/TDOA的检测方法是通过估计信号到达时延或时延差从而来计算发射与接收两端的距离或距离差,这种方法充分利用了超宽带信号高的时间分辨率,能体现超宽带在精确定位方面的优势,在目前的研究中受到较多的关注。

典型的超宽带室内定位系统框图如图1-3所示,该系统采用基于TDOA的检测方法。系统主要由标签(Tags)、接收机和中心处理器三部分构成,每个接收机都与中心处理器相连,它们都被固定在已知的位置,并且接收机到处理器的传输时延已知。标签在空间的位置是未知的,每隔一段时间标签就发送一次定位信号。系统简化的工作流程如下:(1)标签向接收机发送定位信号。(2)各个接收机检测到标签发送的定位信号并将其发送给中心处理器。(3)中心处理器收到传输的时间差,通过某种特定的算法,就可推算出标签的位置。图1-3 超宽带室内定位系统框图

整个系统的数据信息处理过程如图 1-4 所示。标签发射电路的时钟读出存储器中的伪随机调制编码信息,用来控制调制电路中脉冲间隔的变换。经过伪随机码调制的时钟序列激励窄脉冲产生电路产生窄脉冲,然后通过天线发射出去。在某些特殊的场合要求较高的探测距离,则需要在窄脉冲产生器的后端连接脉冲放大电路,对脉冲进行放大,之后再利用天线辐射向室内空间。UWB 接收机在系统时钟的控制下接收标签电路发射的 UWB 信号。由于电磁波在辐射的过程中,会混杂入各种噪声和其他干扰信号,所以,必须将无用信号过滤出去,得到包含有用信息的信号。其次,因为脉冲的宽度极窄,必须先对接收到的信号等效采样,然后才能进行筛选,提取有效信息。最后经过中心处理单元特定的定位算法,得到精确的标签位置信息。简而言之,超宽带定位系统就是产生、发射、接收和处理极窄脉冲信号的无线电系统,而定位标签在整个系统的功能是产生和发射定位信号,是超宽带室内定位系统的基础,在整个系统中占有举足轻重的地位,因此,研究和设计出性能良好的超宽带定位标签对超宽带室内定位系统的发展具有重要的意义。图1-4 超宽带室内定位系统的数据信息处理过程1.3.2 超宽带室内定位系统的应用前景

近几年来,无线通信技术的快速发展,移动计算设备也与人们的日常生活联系越来越密切,这都大大增加了与无线定位相关的应用场景,引起了室内定位的研究热潮。超宽带技术以其独特的优势成为了开发室内定位系统的最佳选择,未来,超宽带室内定位系统将会在军事、商业及公共安全等领域广泛应用。在公共安全和军事方面,超宽带室内定位系统将用于跟踪监狱里的犯人,以及给消防员、士兵导航,方便他们快捷安全地完成任务。在商业应用方面,室内定位系统可以方便地追踪一些特殊的人群,如离开看护人员的老人、儿童,或者给盲人导航。除此之外,室内定位系统还可以定位医院有需要的病人、仪器等。在一些商场或仓库也可以应用室内定位系统来定位特殊的商品和货物。作为功能强大且用户可以随时携带的通信处理设备,下一代移动定位设备将越来越普遍地应用于室内环境。因此,超宽带室内精确定位技术在未来有广阔的发展空间和巨大的商业价值。1.4 超宽带室内定位技术现有产品

早在2003年,Robert J.Fontanat等人就成功地开发出了可产品化的,用于财物定位的PAL650定位系统,如图1-5所示,其中,(a)所示的是带有天线屏蔽器的定位标签,(b)是用于安置在房顶的UWB接收器,(c)为中央处理HUB,可与电脑相连,(d)所示的是一个圆盘天线,(e)和(f)分别展示了定位标签天线端和UWB接收器的射频电路部分,(g)则表示 UWB 接收器的数字处理部分,定位系统的架构连接图。该系统的定位精度可以达到15cm以内。图1-5 PAL650定位系统

英国Ubisense公司开发的Ubisense7100超宽带实时定位系统是目前商用较成功的一个产品,如图1-6所示。该系统主要由3部分组成:便携的微型UWB定位标签(Tags)、多个位置经预先校准的UWB传感器(Sensors),以及一个集采集、分析、显示和控制为一体的软件平台。其定位过程如下:定位标签以某一更新率向区域内的所有传感器发送 UWB信号,多个传感器在接收到信号后,通过特定的算法来综合计算并优化该定位标签的二维或者三维坐标预测估计值,并将其发送至配套的软件平台界面上,通过图形界面实时显示该定位的精确运动轨迹。图1-6 Ubisense7100超宽带实时定位系统

美国Time Domain公司也在超宽带定位技术的产品化过程中做出了较大的贡献。其开发的PLUS RTLS及PULSON400系统提供了室内超宽带的完整系统,同样包括定位标签、超宽带传感器等一系列模块,和英国Ubisense7100的区别在于整个系统内所有通信内容,包括定位和数据交互等,全通过超宽带信号来传递。尤其是PULSON400系统,本质上是一个片上系统(System On-a-Chip,SOC),因此,能够提供灵活的二次开发功能,可以为研究仿真提供很大的帮助。

国内最早发布的超宽带室内定位系统产品是唐恩iLocate定位系统,该系统是由江苏唐恩科技资讯有限公司设计的。经过数年的技术更新,2013 年,唐恩发布了其最新产品LocateSys物联定位系统V4,该产品采用UWB技术和TDOA(时间到达差)技术,主要用于室内、室外人员或物品定位,二维定位精度高达10cm,算得上是相关产品界内精度最高的商用无线定位系统。2014年3月,郑州联睿电子开发[20]出“Uloc定位系统”,用于跟踪、导航类的多种应用,该产品以超宽带技术为核心,与类似产品相比较,该产品可配置性非常灵活,成本也下降了。

采用 UWB 进行无线定位,可以满足未来无线定位的需求,在众多无线定位技术中有相当大的优势,目前的研究表明超宽带定位在实验室环境已经可以达到 10cm 的精度。此外,超宽带无线电定位,很容易将定位与通信结合,快速发展的短距离超宽带通信无疑将带动 UWB 在定位技术的发展,而常规无线电难以做到这一点。随着超宽带技术的不断成熟和发展,市场需求的不断增加,相信不久的将来超宽带定位技术就可以完全实现商业化,精确的超宽带定位系统将会得到广泛应用。小结

本章首先简要介绍了各种无线定位技术,并对多种定位技术性能做了对比。通过与其他室内定位技术比较得出了超宽带技术作为室内定位系统开发技术的优越性。之后介绍了超宽带技术的发展历史与研究现状,详细阐述了超宽带的定义及其特点,同时简要介绍了超宽带室内定位系统的结构构成及工作原理,分析了超宽带室内定位系统的应用前景和开发此系统的重要意义,最后介绍了超宽带室内定位技术现有的产品。参考文献

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[20] 施长宝,李瑾.基于超宽带技术的室内无线定位的研究[J].科技信息,2012(7):171-172.第2章 IR-UWB窄脉冲设计

标签作为超宽带室内定位系统的前端,对整个系统起到至关重要的作用。而超宽带是利用纳秒甚至皮秒级的脉冲传递信息的无载波通信技术,因此,本章在目前超宽带脉冲产生技术的基础上,设计了一个基于数字电路逻辑特性的 UWB 脉冲发生器,通过对该脉冲发生器仿真结果的分析,本章又提出了一种双非门结构的超宽带窄脉冲的产生方法,该方法由于利用两个非门的延时差,对器件的要求不高,同时由于采用了两级电路的缘故,严格抑制了之前脉冲的拖尾和抖动现象。本书根据此仿真原理图制作了相应的实物并进行了测试,测得微分之前的脉冲宽度约为1.47ns,幅度约为1.6V,带宽为1GHz。2.1 超宽带脉冲的产生方法

超宽带信号的实现方式可以分为脉冲无线电和载波调制方式。前者为传统的超宽带通信方式,后者是FCC规定了通信频谱的使用范围和功率限制后,在超宽带无线通信标准化过程中逐渐提出来的,是目前主流的超宽带技术的延伸。常见的超宽带通信体制有三种:基于脉冲无线电的超宽带系统(Impulse Radio Ultra Wideband,IR-UWB)、基于直接序列扩频超宽带系统(Direct Sequence Ultra Wideband,DS-UWB)及基于多频带复用的超宽带系统(Multi-Band Multiplexing,MB-UWB)。

1.脉冲无线电IR-UWB

脉冲无线电技术就是直接以占空比很低的,脉冲宽度为纳秒级甚至亚纳秒级的基带窄脉冲作为信息载体的无线电技术。窄脉冲序列携带信息,无须本地振荡器、混频器、滤波等直接通过天线传输,所以,实现起来比较简单。在用信息数据符号直接对窄脉冲进行调制时,其调制方式有许多种。最常用的是脉冲位置调制(PAM)和脉冲幅度调制(PPM)。例如,TH-SS PPM系统结构框图如图2-1所示。

IR-UWB的特点分析如下。(1)传输速度方面:理论上,一个宽度为0的脉冲具有无限的带宽,因此,脉冲信号要想发射出去并有足够的带宽,必须具有陡峭的上升沿和下降沿,以及足够窄的脉冲宽度。UWB脉冲宽度一般在纳秒级,这意味着信息的传递速率在1Gbps左右。图2-1 TH-SS PPM系统结构框图(2)功耗方面:UWB 因为不使用载波,仅在发射窄脉冲时消耗少量能量,避免了发射连续载波的大量能量消耗。IR-UWB 的这一特点可以使 UWB 通过缩短脉冲的宽度来提高带宽,却不会增加功耗,特别是针对室内定位的手持设备,UWB 还可以通过大幅降低脉冲的占空比使功耗大幅度降低。(3)成本方面:由于 IR-UWB 不需要对载波信号进行调制和解调,所以,不需要混频器、本地振荡器等一些复杂的元件,同时更容[1]易集成到CMOS电路中,这就降低了整个系统的成本。

IR-UWB 技术除了上述优点之外,由于该系统的信号频谱宽,含有低频成分,而低频成分具有穿透性,所以IR-UWB信号有穿透性,同时还拥有抗多径干扰能力强、定位精度高等优点。但是 IR-UWB 用于高速通信的脉冲波形为了满足 FCC 要求的功率辐射限制,实现较[2,3]难。

2.直接序列扩频的DS-UWB

DS-UWB 系统是在 FCC 制定了民用超宽带系统的功率辐射限制后对传统的 IR-UWB系统的改进,是在 DS-SS BPM 系统的基础上,增加了频移措施之后发展过来的,最初的版本称为DS-CDMA,后改进形成现在的DS-UWB。DS-UWB发射系统的原理框图如图2-2所示。图2-2 DS-UWB发射系统的原理框图

实现该方案的主要特点如下:(1)频带划分。DS-UWB是DS-CDMA系统,使用了载波调制,将窄脉冲的频谱搬移到FCC规定的范围。该方案是将3.1~10.6GHz之间7.5GHz的频谱分成了两个频带,一个频带在802.11a频带的上面,另一个在802.11a频带的下面,如图2-3所示。两个频带之间的部分没有利用是为了避免与美国非特许的国家信息基础设施(UNⅡ)频段和 IEEE802.11a系统的干扰。图2-3 DS-UWB的工作频段示意图

低频带适合相对较长距离、较低数据速率的应用,而高频带适合相对较短距离、较高数据速率的传输,通过选择不同的频带组合方式,可以得到3种不同的工作模式。如果同时使用两个频带,总的数据速率可望达到1.2Gbps。此外,为了适应不同地区频谱的规定,中心频率和带宽还可以修改。此外,由于DS-UWB系统发射的脉冲信号是经过频移之后的,不存在低频分量,容易满足FCC要求的频谱限制,与其他无线通信系统共存性较好。(2)采用直扩CDMA。扩频技术提供了14dB的增益,有助于抑制窄带干扰。为了获得更好的抗窄带干扰性能,还可以进一步使用可调的陷波滤波器,在每个抑制频率上提供20~40dB的保护。(3)纠错编码。前向纠错编码采用卷积码,辅助以交织措施分散突发性错误,卷积编织时使用打孔(Puncturing)增加编码速率。

综合上述分析,可以得出,DS-UWB是先用待传输的数据调制极窄脉冲来获得超宽的频带,然后通过频移将频谱搬移到规定的传输频带上,在无线信道传输上仍然是极窄脉冲,所以,DS-UWB仍然可以[4,5]看做IR-UWB方式的超宽带系统。

3.基于多频带复用的MB-UWB

MB-UWB 技术方案是将应用于无线局域网中的正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)与多频带技术相结合的实现方案,是一种纯粹的载波调制技术。该方案具体介绍如下:(1)多频带划分。MB-OFDM方案的频带划分如图2-4所示,它将3.1~10.6GHz的整频带划分为几个528MHz的频带。每个528 MHz的频带使用OFDM方式传输信息,一共有128个子载波,其中100个用于传输信息,使用QPSK调制;12个子载波用于载波和相位跟踪,10个子载波用于用户自定义的导频,剩下6个子载波备用。OFDM子载波的信号可以通过128点的IFFT/FFT快速傅里叶正、反变换来产生。(2)调制与编码。采用MBOK(M-ary Binary Orthogonal Keying)+QPSK调制,然后进行正交频分复用OFDM调制到载波上。

纠错编码采用Outer Reed-Solomon码系统结构也接纳Punctured Convolutional Codes、Concatenated Convolutional+Reed-Solomon code、Turbo codes、低密度校验码LDPC这些纠错码。(3)多址通信。采用时频码(Time-Frequency Code)实现多址通信,表2-1中频带组1~频带组4分别定义了4个时频码,为频带组5定义了2个时频码,一个时频码对应一个逻辑信道,故MB-UWB有18[11]个潜在的逻辑信道。图2-4 MB-OFDM方案的频带划分表2-1 MB-UWB的时频码

另外,该系统还采用了扰频和插入导频信号保证接收端正确接收信号。根据上述MB-UWB的技术方案,MB-UWB发射系统的结构框图如图2-5所示。图2-5 MB-UWB发射系统的结构框图

MB-UWB 运用了 OFDM 技术使信号带宽大于 500MHz,来实现高速通信,同时该方案对民用的超宽带频谱进行了合理规划,运用时频码实现多址通信。除此之外,该方案还具有很高的频谱灵活性,避免了对一些已有的通信系统造成干扰。而且 MB-UWB 使用的是OFDM技术,各子载波的信号是正交的,在载波复用的时候各子载波的频谱可以重叠,因此,MB-UWB具有很高的频谱利用率。但是该方案需要快速跳频的本地振荡器来实现多址通信,实现的复杂度较高。同时由于 MB-UWB 是连续的载波调制,不具有脉冲调制所具有的特[6,7]别低的功耗。2.2 常用的脉冲模板

不同于传统的正弦载波通信系统,UWB系统作为一种全新的通信体制,其标签(Tag)的设计和实现存在着很多技术上的挑战,窄脉冲的产生和控制就是其中两个关键的难点,也是领域内备受关注的

[19,20]问题。由于UWB系统的瞬时工作带宽大于500MHz或者相对带宽大于20%,因此,不可避免地与现有的无线电通信系统如全球定位系统(GPS)、蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(IEEE 802.11a/b/g)等产生相互干扰。为了减少与现有窄带系统的相互干扰,FCC严格规定了UWB系统的工作频段及频谱掩蔽。为了满足FCC的频谱掩蔽设计,UWB脉冲在频域上必须是一个带限信号。同时为了实现高速率和低符号间干扰,脉冲的持续时间也要尽可能短,所以,UWB脉冲[20]在时域上必须是一个时限信号。

综上所述,UWB脉冲的设计规则如下:(1)脉冲宽度窄,以确保占用超宽的频谱,典型的脉冲宽度为1ns以下。(2)频谱利用率高。要求所设计的脉冲能够充分利用 FCC 给定的频率范围 3.1~10.6GHz,频域越宽,相应的时域就越窄,信号在传输过程中就能够携带更多的信息。(3)高效的天线辐射功率要求脉冲具有较小的直流分量,因此,追求零直流分量的脉冲也是设计中需要考虑的因素,微分电路可以作为设计参考。(4)提高脉冲重复频率,以实现高速率的数据传输。(5)满足FCC的频谱掩蔽要求。由于UWB通信占用很宽的频带,对辐射功率的限制必须严格,以免对其他系统造成干扰,也是隐藏自身传递信息的方式。(6)稳定性。UWB 技术不仅能实现高速率的数据通信,还能实现高精度的定位。传输信号的稳定性为整个系统的收发提供了重要保证,避免了信号不稳定时带来的误码率,确保信号的同步和解调的正确性。(7)所设计的UWB脉冲信号应该容易实现、可控制。2.2.1 高斯脉冲及其各阶导数

目前,用于超宽带无线通信系统的脉冲波形主要包括高斯脉冲及其各阶导数、基于正弦载波调制的脉冲、Hermite 正交脉冲等。由于高斯脉冲的时域波形及频谱形状类似于钟形,符合超宽带脉冲既是时限又是带限的要求,而且容易实现,因此,高斯脉冲及其各阶导数成[8]为超宽带无线通信系统应用最为广泛的脉冲波形。

1.高斯脉冲的时域及频域分析

1)高斯脉冲的时域分析

高斯函数的时域表达式如下22

令δ=α/4π,则高斯函数的表达式变为

适当地改变式中的参数α时,将会使p(t)的宽度也随之发生变化。因此,通过选取合适的α值就可以得到一个合适脉宽的高斯窄脉冲。由于参数α决定了高斯脉冲的宽度和幅度,通常将α称为高斯脉冲的成形因子。图2-6显示了α取0.5ns、1ns、2ns所对应的高斯脉冲波形。从图2-6中可以看出,随着α的减小,脉冲的幅度增大,脉冲的宽度逐渐变窄。图2-6 α取不同值时高斯脉冲的波形

2)高斯脉冲的频域分析

设基本高斯脉冲的傅里叶变换为

为了便于分析,将上式改为

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