UWB

?精度室內定位技術——UWB

在分析室內定位的相關技術之前，我們先來了解?下定位是怎么?作的。定位的核?技術其實是測距。給定空間中已知

三點的具體坐標，和?個未知點到三點的距離，即可算出未知點的坐標。這通常叫做三邊測量定位算法。

三邊測量定位的?何理解?常簡單。

以三個已知點和距離作三個圓，他們交于同?個點，這個點的坐標就是測量點的坐標。然?這是?個理想情況，實際由

于測量精度的限制，實際上他們通常交不到?個點上，交出來的是?塊有?積的東西。這塊?積的??就是定位精

度。當然我們可以通過更多組的測量使得相交的?積進?步減?以提?精度。

在這樣簡單易?的算法的?持下，我們就將定位問題轉化為了測直線距離問題，如何精確計算?個已知點到未知點的距

離。GPS的解決?案?常簡單粗暴。GPS的本質是?個授哺育造句 時系統，也就是告訴你衛星發出這個信號的時候是?點?分

?秒?毫秒?微秒。?從GPS到地?有?定距離，?線電波在空?中以光速傳播，等傳到終端上是已經過去了?微

秒，所以我們只要乘上光速就能知道終端到這顆星的距離了。?個要克服的問題是終端的時間并不?定很精確，但如果

我們可以通過?顆星之間兩兩差值來算出本地應該有的時間。通過??顆星?起授時進?修正，最后能很好將精度控

制住。提?精度的?法也很粗暴，提?授時精度即可。

這樣的模型放在室內定位的時候會遇到什么問題呢？

1.距離太短，時間難測

由于室內定位距離太短，要知道光速是299,792,458m/s，跑??的時間太短了，根本測不精準。所以如果想繼續通過

授時的?法解決問題，?線電波通常是不靠譜的。當然也不是沒有解決?案，?如速度慢得多的聲波，?個解決?案就

是超聲波定位，這個可以是主動等回波來測量，或者被動授時測量，但超聲波受多徑效應和?視距傳播影響很?，設計

起來?常捉急。

2.信號遮擋，波長難選

同樣?論?超聲還是?線電都會遇到這個問題。波長長了，能繞過障礙物，但接收很困難，畢竟?機上不能捆個?鍋蓋

（繞過障礙物=繞過終端設備）。波長短了，信號很容易被遮擋，導致收不到信號。

現在的室內定位設備都是怎么?作的呢？

折中選擇?個頻率，使得不太容易被遮擋也?較好接收，這種選擇的話2.4GHz或者5GHz的Wi-Fi或者藍?信號就是

可選的。這個頻率在?個合法的發射功率下距離不太?。這有?個好處：信號衰減很有規律，通過測量信號強度通常就

可以估計出離發射源的距離了。更重要的是Wi-Fi和藍?都是?機上已經集成好的模塊，可以降低硬件部署成本。現在

常見的Wi-Fi室內定位和iBeacons也是基于類似的原理。?基于ZigBee協議的定位選擇了距離更短功耗更低的基站

來獲得更精確的定位，其本質是類似的。

這樣的?法?前已經可以獲得室內??的定位精度，也就是說可?的地步了。那么現在還有什么問題要克服呢？

1.多徑效應與測量精度

還是這個問題，信號可能在室內多次反射，這五花茶配方 樣得到的信號其實是不能正確測距的。相?GPS?乎和地?沒有遮擋物

的條件，室內房屋結構復雜，移動的?、物品的擺放、墻壁、門都可能成為嚴重影響距離測量的因素。當然如果像

ZigBee這樣距離?常短的傳輸協議，其實受這種影響相對就會??點，能提?精度。現在像Google試圖從算法上提?

精度并取得了?定成果，所以這個問題并不太?。

2.發射距離與部署成本

Wi-Fi和藍?發射距離很短意味著要?量部署設備，要完成?個商場室內定位設備的部署其成本其實相當?。如果當前

應?的場景還不是很豐富的情況下，商家很少會主動部署這樣的設備。雖然同樣是Wi-Fi，不能再是單純覆蓋即可的思

路，?是要每個點?少要能搜到四五個Wi-Fi信號，成本相當?。ZigBee的話由于其傳輸距離短，部署的成本會更

?。

?。

室內定位現狀：

當前市場對定位的需求越來越多，所以衍?出各種各樣的定位技術，幵根據丌同定位信號不同?途分成不同的定位系

統。如利?衛星?線RF信號的GPS、利?紅外和激光的光學定位、利?超聲和聲納的聲?定位、利?圖像處理和計算

機視覺的視覺定位、利?陀螺原理的相對定位等等。其中，GPS是?前應?最成功的定位技術，不過它也有?個很明

顯的缺陷，就是在室內不能定位，?且?般民?的精度也不夠?（10m左右），相對于室內定位的要求（1m左右或更

低）還有?段距離。?前室內?線定位技術的研究相對集中在基于RF信號，并結合各種?線?絢技術如ZigBee，超

寬帶(Ultra-WideBand，UWB)，Wi-Fi，藍?，射頻識別(Radio-frequencyIdentification，RFID)等定位技術的研究。

超寬帶技術（UWB）超寬帶技術是與傳統通信技術有極?差異的通信?線新技術。它不需要使?傳統通信體制中的載

波，?是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從?具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。?前，

包括美國，?本，加拿?等在內的國家都在研究這項技術，在?線室內定位領域具有良好的前景。UWB技術是?種傳

輸速率?社會調查報告 （最?可達1000Mbps以上），發射功率較低，穿透能?較強并且是基于極窄脈沖的?線技術，?載波。正是

這些優點，使它在室內定位領域得到了較為精確的結果。超寬帶室內定位技術常采?TDOA演?測距定位算法，就是

通過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統包括產?、収射、接收、處理極窄脈沖信號的?線電系

統。?超寬帶室內定位系統則包括UWB接收器、UWB參考標簽清炒白菜的做法 和主動UWB標簽。定位過程中由UWB接收器接收標

簽發射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲?擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元

進?測距定位計算分析。

室內布局很多基站（Anchor），可以獲取標簽（Tag）跟各個基站的距離，根據這些測量的距離就可以對標簽（Tag）

進?定位，類似GPS原理。如果我們再融合慣性傳感器和恰當的算法，就可以獲取相對于基站（Anchor）更精確的定

位信息。

超寬帶可?于室內精確定位，例如戰場?兵的位置發現、機器?運動跟蹤等。超寬帶系統與傳統的窄帶系統相?，具有

穿透?強、功耗低、抗?擾效果好、安全性?、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬帶技術可以應

?于室內靜?或者移動物體以及?的定位跟蹤與導航，且能提供?分精確的定位精度。定位精度：根據不同公司使?的

技術?段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

UWB具有以下特點

1系統容量?

?農公式給出C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提?遠遠?于信號功率上升所帶來的效應，這?點也

正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶?線電系統?戶數量???于3G系統。

2?速的數據傳輸

UWB系統使?上吉赫茲的超寬頻帶，根據?農信道容量公式，即使把發送信號功率密度控制得很低，也可以實現?的

信息速率。?般情況下，其最?數據傳輸速度可以達到?百兆?特每秒康托爾集 到吉?特每秒。

3多徑分辨能?強

UWB由于其極?的?作頻率和極低的占空??具有很?的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，很動漫女孩簡筆畫 容易分離

出多徑分量，所以能充分利?發射信號的能量。實驗調查報告 表明，對常規?線電信號多徑衰落深達10～30dB的多徑環

境，UWB信號的衰落最多不到5dB。

4隱蔽性好

因為UWB的頻譜?常寬，能量密度?常低，因此信息傳輸安全性?。另???，由于能量密度低，UWB設備對于其他

設備的?擾就?常低。

5定位精確

沖激脈沖具有很?的定位精度，采?超寬帶?線電通信，可在室內和地下進?精確定位，精度最?可達2厘?，?般精

度在15厘?內。

6抗?擾能?強

UWB擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空?和發送每個?特所?的脈沖數。UWB的占空??般為0.01～0.001，具有?

其他擴頻系統?得多的處理增益，抗?擾能?強。?般來說，UWB抗?擾處理增益在50dB以上。

7低成本和低功耗

UWB?線通信系統接收機沒有本振、功放、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等，因?結構簡單，設備成本將

很低。由于UWB信號?需載波，?是使?間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，?般在0.20～1.5ns之間，有很

低的占空因數，所以它只需要很低的電源功率。?般UWB系統只需要50～70mW的電源，是藍?技術的?分之?。

?線UWB技術最基本的?作原理是發送和接收脈沖間隔嚴格受控的?斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了

信號的帶寬很寬，接收機直接??級前端交叉相關器就把脈沖序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，

極?地降低了設備復雜性。

?線UWB技術采?脈沖位置調制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，?般?作脈寬0.1-1.5ns(1納秒=?億分之?

秒)，重復周期在25-1000ns。

典型?斯單周期脈沖的時域和頻域

實際通信中使??長串的脈沖。圖3顯?了周期性重復的單脈沖的時域和頻域特性。頻譜中出現了強烈的能量尖峰，這

是由于時域中信號重復的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會對傳統?線電設備和信號構成?擾，?且這種?分

規則的脈沖序列也沒有攜帶什么有?信息。改變時域的周期性可以減低這種尖峰，即采?脈沖位置調制PPM。

單周期脈沖序列的時、頻域特性

?如可以?每個脈沖出現位置超前或落后于標準時刻?個特定的時間來表??個特定的信息。圖4是?個?進制信息調

制的?例。

PPM調制的?意圖

圖中調制前脈沖的平均周期和調制量的數值都極?。因此調制后在接收端需要?匹配濾波技術才能正確接收，即?交

叉相關器在達到零相位差的時候就可以檢測到這些調制信息，哪怕信號電平低于周圍噪聲電平。由圖還可見調制后降低

了頻譜的尖峰幅度，之所以仍不夠?分平滑是因為時間位置偏移量不夠?，也不夠雜亂。

為了進?步平滑信號頻譜，可以讓重復時間的位置偏移量??不?，變化隨機，同時也為了在共同的信道?如空中取

得??專?的信道，即實現通信系統的多9點的英文 址，可以對?個相對長的時間幀內的脈沖串按位置調制進?編碼，特別是采?

偽隨機序列編碼。接收端只有?同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯?了偽隨機時間調制編碼后的脈沖序列的

波形和頻譜。

圖中頻譜已經接近?噪聲頻譜，cut的意思 功率也?了許多，這就是偽隨機編碼產?的效果。適當地選擇碼組，保證組內各個碼字

相互正交或接近正交，就可以實現碼分多址。

偽隨機時間調制編碼后的脈沖序列

基于?線UWB技術的系統采?相關接收技術，關鍵部件稱為相關器（correlator）。相關器?準備好的模板波形乘以接

基于?線UWB技術的系統采?相關接收技術，關鍵部件稱為相關器（correlator）。相關器?準備好的模板波形乘以接

收到的射頻信號，再積分就得到?個直流輸出電壓。相乘和積分只發?在脈沖持續時間內，間歇期則沒有。處理過程?

般在不到1ns的時間內完成。相關器實質上是改進了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關器的輸出結果量度了接收到

的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。不同位置七個脈沖經相關器后的波形?勢，750ns后的穩定波形是輸出結

果。

值得注意的是，雖然UWB信號?乎不對?作于同?頻率的?線設備造成?擾。但是所有帶內的?線電信號都是對UWB

信號的?擾，?線UWB技術可以綜合運?偽隨機編碼和隨機脈沖位置調制以及相關解調技術來解決這?問題。