UWB无线定位技术探讨

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超宽带(UWB)无线定位技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低，尤其是能提供非常精确的定位精度等优点，而成为未来无线定位技术的热点和首选。
            文章将UWB定位技术与其他无线定位技术就定位环境和精度等方面进行了综合比较，探讨了UWB定位技术的理论基础和发展现状，最后对UWB无线定位的未来应用前景进行了展望。
            0、引言
            随着无线通信技术的发展，21世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Adhoc、BlueTooth和UltraWideBand(UWB)，在办公室、家庭、工厂、公园等大众生活的方方面面得到了广泛应用，基于无线网络的定位技术的应用更加具有广阔的发展前景。根据投资银行Rutberg公司、无线数据研究集团和国际数据公司等的预测，网络新技术将在未来的3年内达到几百亿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。
            除了全球定位系统(GPS)在导航和室外环境的应用定位以外，人们对室内定位、短距离定位等应用不甚了解。未来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。现有的网络技术还不能完全满足这个要求，而UWB技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为未来无线定位技术的热点。
            1、UWB的定位优势
            无线定位技术和方案很多，常用的定位技术包括红外线、超声波、射频信号等，但都不适合室内定位。红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，不能用于室内环境；而射频信号普遍用在室外定位系统中，应用于室内定位存在局限。
            GPS是目前应用最为广泛的室外定位技术，它是20世纪70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要利用几颗卫星的测量数据计算移动用户位置，即经度、纬度和高度。一般用于车辆导航和手持设备。在此基础上，还出现了增强型GPS，辅助GPS等技术，它们可以广泛用于航空、航海和野外定位等领域。利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，定位导航信号免费；缺点是定位信号到达地面是较弱，不能穿透建筑物，因此不适合室内定位，此外定位器终端的成本较高。GPS所能达到的定位精度范围在5m-20m。
            当前比较流行的Wi-Fi定位是IEEE802.11的一种定位解决方案。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低，但Wi-Fi收发器只能覆盖半径90m以内的地理区域，很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗较高。
            蓝牙技术应用于定位，与Wi-Fi有很多相似之处，主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库；同样有定位误差不稳定，受噪声信号干扰大的缺点。
            由此可见，随着定位技术的发展和定位服务需求的不断增加，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：a)高抗干扰能力；b)高精度定位；c)低生产成本；d)低运营成本；e)高信息安全性；f)低能耗及低发射功率；g)小的收发器体积。
            以上几种技术方案，都不可能完全满足这些要求。而UWB用在无线定位上，能够基本满足上述要求，因此成为未来无线定位的首选。UWB是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术。UWB信号是带宽大于500MHz或基带带宽和载波频率的比值大于0.2的脉冲信号(UWBWG，2001)，具有很宽的频带范围，FCC规定UWB的频带从3.1GHz～10.6GHz，并限制信号的发射功率在-41dBm以下。由此可见，UWB聚焦在两个领域的应用上，一是符合IEEE802.15.3a标准的短距离高速数据通信，即无线无延迟地传播大量多媒体数据，速率要达到1OOMbit/s-500Mbit/s；另一个是符合IEEE802.15.4a的低速低功率传输，用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、工业自动化、传感器网络、家庭/办公自动化、机器人运动跟踪等。UWB信号的特点说明它在定位上具有低成本、抗多径干扰、穿透能力强的优势，所以可以应用于静止或者移动物体以及人的定位跟踪，能提供十分精确的定位精度。
            2、UWB定位技术
            2.1理论基础
            UWB定位技术属于无线定位技术的一种。无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法，即定位算法。目前最常用的定位技术主要有：时差定位技术、信号到达角度测量(AOA)技术、到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)等。其中，TDOA技术是目前最为流行的一种方案，除了用于GSM系统，在其他诸如AMPS和CDMA系统中也广泛应用，UWB定位采用的也是这种技术。
            UWB精确定位的主要思想是基于距离公式(1)的。根据定位的基本物理和几何条件，如果要定位一个三维坐标，至少需要4个参考点，建立4个方程来进行直接计算：

       

            (1)

            其中，(x，y，z)和(xi，yi，zi)分别表示需要定位的位置和参考点位置的坐标，to表示需要定位的位置发送信号的时间，是未知数，ti表示参考点位置的到达时间。利用时间差△tij=ti-tj，经过一系列代换，可以减小参考点和需定位坐标之间由于不同步带来的误差，实现差分的时间到达算法(TDOA)，从而简化方程组求解。
            在上述理论基础上，求待测点坐标的问题就转换成了解四元二次方程组问题。解这个方程组，目前常用的解析算法是Fang算法，即完成上述代换后，可以先解出待测点坐标z的值。通常，方程有2个解，而期望的解只有1个。若所得的解没有物理意义或者超过了可测量的范围，就视其为无效解。为了提高有解的概率，可以设定5个参考点，这样就有5个不同的组合，产生5组方程组，可以得到5组解，再从中选取最优的解。此外解析算法还有Chan算法、Friedlander算法等。
            另一种求解方程组的算法基于最优化的思想，即根据以上建立的数学模型，将定位坐标的目标函数写成

             　

            (2)

            整理可得到

            　

            (3)

            其中， 。
            上述目标函数可以用Guass-Newton迭代算法或Quasi-Newton迭代算法求解。
            2.2方案讨论
            通常，UWB定位系统设定几个定位参考点(根据实际需要)，以接收待测点(数量上百)发出的高斯脉冲信号。为了避免信号发生碰撞，每个待测点都有自己的代码序列。当一个高斯脉冲中代码序列被参考点收到时，它将在一个时间整合相关器内与当前产生的一个对照序列作比较。当收到信号的位移与对照信号相吻合，即出现一个相关高峰信号。这样就容易判断是否收到正确的代码序列。处理接收到的脉冲序列得到接收时间，从而利用节2.1的算法计算得到待测点的坐标。
            上述系统存在许多误差源。发送端的误差包括待测点传送代码序列的处理时间、从MAC层到信道的等待时间以及在物理层比特的传输时间；空间传播误差主要是无线链路的传播环境带来的时延；接收端误差包括物理层比特的接收时间和代码序列传送到应用层的时间。此外，还有NLOS影响、接收噪声与参考点之间的同步以及求解方程带来的误差等，都是在设计系统时需要注意的问题。
            目前美国海军已经开发了一种军用的UWB定位系统PAL(PrecisionAssetLocation)，在L波段工作，瞬时带宽可以达到约400MHz。参考点使用高速隧道二级管检测器来进行UWB脉冲的边缘检测，从而可以实现在多径环境中找到第一个到达的脉冲信息，通过优化算法算出待测点坐标。待测点有一个短脉冲发射器，峰值输出功率约0.25W，数据包突发长度40bits，发送周期5s，发射器平均输出功率-79dB/MHz。这个功率比FCC规定的功率还要低38dB。该系统的试验已成功，它在大型集装箱货物环境下可以达到理想的定位精度，但是在小型货物定位时，精度不够理想，改进的PAL系统的商用化正在进行之中。此外，美国AetherWire公司已经开发出最先进的芯片Aether5和Driver2，它是基于COMS和UWB频谱开发的，具有体积小、功耗低、穿透力强，不易被察觉和定位精度高等特点，现已广泛用于消防、反恐等重大领域。
            3、前景展望
            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的精度在实验室环境已经可以达到十几cm。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。虽然无线精确定位技术已有了多年发展，但目前超宽带技术正处于发展初级阶段，精确定位技术的商业化正在进行之中，定位算法还有待改进。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。