畢業(yè)設(shè)計(jì)----超寬帶無線定位技術(shù)的研究

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　題目： 超寬帶（UWB）無線定位技術(shù) </p><p>　　學(xué) 校 西安科技大學(xué) </p><p>　　院 系 通信與信息工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 通 信 技 術(shù) </p&

2、gt;<p>　　論文題目: 超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)</p><p>　　專 業(yè)：通信技術(shù)</p><p>　　學(xué) 生：林佳 簽名： </p><p>　　指導(dǎo)教師：李新民 簽名： </p><p

3、><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)無線通信系統(tǒng)的要求日益提高，超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術(shù)憑借其高速率的數(shù)據(jù)傳輸、極低的功耗以及其精準(zhǔn)的定位等性能，逐漸成為無線通信領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。</p><p>　　本文首先介紹了超寬帶（UWB）技術(shù)的歷史背景及其定義和特點(diǎn)。其次針

4、對(duì)超寬帶（UWB）的原理及其波形進(jìn)行了研究和探討。然后論述了超寬帶（UWB）的調(diào)制與接收，并主要分析了PPM-TH-UW，PAM-DS-UWB，MB-OFDM-UWB這三種調(diào)制方式。最后本文重點(diǎn)介紹了超寬帶（UWB）的無線定位技術(shù)，首先是對(duì)其發(fā)展和定義進(jìn)行了概述，其次分別介紹了超寬帶無線定位的參數(shù)及其幾何模型，重點(diǎn)對(duì)UWB定位中TOA的算法進(jìn)行了研究，最后通過仿真對(duì)定位算法的實(shí)現(xiàn)做出了驗(yàn)證并得到了重要結(jié)論。</p><

5、;p>　　關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB），無線定位技術(shù)</p><p>　　論文類型：理論研究性</p><p>　　Title：Ultra-wideband(UWB)wireless positioning technology</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the

6、 rapid development of wireless communication technology, the wireless communication system of the increasing demand, ultra wideband (Ultra-Wideband, UWB) technology by virtue of its high data rate, low power consumption

7、and its precise positioning performance, has become the field of wireless communication research a hot spot, has received the widespread attention.</p><p>　　This thesis first introduces the ultra wideband (U

8、WB) technology to the historical background and the definition and characteristics of. Secondly, ultra wideband (UWB) principle and waveform are studied and discussed. And then discusses the ultra wideband (UWB) modulati

9、on and receiving, and primary analysis of PPM-TH-UW, PAM-DS-UWB, MB-OFDM-UWB the three modulation methods. Finally, this thesis introduces the ultra wideband (UWB) wireless positioning technology, first of its developmen

10、t and defi</p><p>　　Key words: ultra wideband (UWB), wireless positioning technology.</p><p>　　Type of thesis: theoretical research</p><p><b>　　目 錄</b></p><

11、p>　　第一章 超寬帶（UWB）4</p><p>　　1.1 UWB技術(shù)的發(fā)展4</p><p>　　1.2 UWB的定義4</p><p>　　1.3 UWB的技術(shù)特點(diǎn)6</p><p>　　第二章 UWB的原理及其波形7</p><p>　　2.1 UWB的原理7</p><

12、p>　　2.2 UWB信號(hào)的產(chǎn)生7</p><p>　　2.3 UWB信號(hào)的波形7</p><p>　　2.1.1 UWB信道模型7</p><p>　　2.1.2高斯脈沖信號(hào)8</p><p>　　第三章 UWB的調(diào)制和接收10</p><p>　　3.1 UWB典型調(diào)制方式10</p>

13、<p>　　3.1.1 PPM-TH-UWB10</p><p>　　3.1.2 PAM-DS-UWB11</p><p>　　3.3.3 MB-OFDM-UWB12</p><p>　　3.2 UWB信號(hào)的接收13</p><p>　　3.2.1無多徑時(shí)AWGN信道的最佳接收機(jī)14</p><p&

14、gt;　　3.2.2多徑信道的Rake接收機(jī)15</p><p>　　第四章UWB無線定位系統(tǒng)18</p><p><b>　　4.1引言18</b></p><p>　　4.2無線定位技術(shù)18</p><p>　　4.2.1無線定位的概述18</p><p>　　4.2.2 UWB無線

15、定位的參數(shù)20</p><p>　　4.2.3 UWB無線定位的幾何模型25</p><p>　　4.3 UWB定位中TOA估計(jì)算法29</p><p>　　4.3.1 TOA估計(jì)的信號(hào)模型30</p><p>　　4.3.2 基于TOA位置估計(jì)算法32</p><p>　　4.4 LSE仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

16、34</p><p>　　4.5 本章小結(jié)34</p><p><b>　　總 結(jié)35</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p>　　第一章 超寬帶（UWB）&

17、lt;/p><p>　　1.1 UWB技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　對(duì)超寬帶（UWB，Ultra-Wideband）無限技術(shù)（簡(jiǎn)稱UWB技術(shù)）的起源眾說紛紜，從目前的學(xué)者研究工作來看大約可以追溯到20世紀(jì)50年代末和60年代初。那時(shí)，研究工作在于通過沖激響應(yīng)特性來描述某一些微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)行為。其實(shí)，概念很簡(jiǎn)單，就是使用所謂的沖擊響應(yīng)h(t)----沖擊激勵(lì)來表征一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的

18、頻率響應(yīng)（幅值與相位值相對(duì)于頻率值）方法。特別是，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的任意輸入信號(hào)x(t),其輸出信號(hào)y(t)可以唯一地由下列卷積來確定： </p><p>　　(1-1) </p><p>　　然而，實(shí)際上直到采樣示波器和亞納秒（基帶）脈沖發(fā)生技術(shù)出現(xiàn)之后，才為這樣的沖擊激勵(lì)提供了近似方法、觀察和測(cè)量方法。從此，超寬帶技術(shù)有了快速的發(fā)展。1972年，Robbins發(fā)明的

19、敏感短波脈沖接收器取代了笨重的時(shí)域示波器，加速了UWB系統(tǒng)的開發(fā)。1973年，Sperry獲得了第一個(gè)UWB通信技術(shù)的專利。此后，在將近30年的時(shí)間內(nèi)，UWB的理論、技術(shù)和許多相關(guān)設(shè)備的研制得到了迅速的發(fā)展，但大約在1989年之前，“超寬帶”這一術(shù)語(yǔ)并不常用，各種名稱（如基帶、無載波或脈沖技術(shù)）等均混用。1989年，美國(guó)國(guó)防部采用“超寬帶”這一術(shù)語(yǔ)之后，才被業(yè)界沿用下來。之后，各種專利也相繼被授予，其中包括UWB脈沖的產(chǎn)生和接收方法，通

20、信、雷達(dá)、車輛防撞、定位系統(tǒng)、醫(yī)療成像、液面感應(yīng)等應(yīng)用。在美國(guó)，UWB早期的研究工作主要限制在軍方，大約在20世紀(jì)90年代中期以后，才取消了這種分級(jí)限制。2002年4月22日，F(xiàn)CC頒布了UWB占用寬帶的有關(guān)條例，允許UWB技術(shù)和產(chǎn)品參與商業(yè)化運(yùn)作。這一條例的頒布直接促進(jìn)了基于UWB技術(shù)的通信系統(tǒng)的研發(fā)，給短距離高速無線通信系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力。為了跟蹤這一技術(shù)的發(fā)展，并形成</p><p>　　1.2 UW

21、B的定義</p><p>　　近幾年來,超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無線通信極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。</p><p>　　FCC(美國(guó)通信委員會(huì)) 對(duì)超寬帶系統(tǒng)的最新定義為： </p><p>　?。?）信號(hào)相對(duì)帶寬= （式中，、分別為功率較峰值功率下降10dB時(shí)所對(duì)

22、應(yīng)的高端頻率和低端頻率，為載波頻率或中心頻率。）</p><p>　　（2）信號(hào)絕對(duì)帶寬 500 MHZ （使用指定的3.1GHZ—10.6GHZ頻段的通信方式）</p><p>　　圖1-1 UWB的定義</p><p>　　FCC規(guī)定UWB工作頻譜位于3.1～10.6GHz。如圖1-2所示, UWB與其他技術(shù)的產(chǎn)品存在同頻和鄰頻干擾問題。為了降低UWB設(shè)備

23、對(duì)處于上述頻段的其他設(shè)備的干擾，必須對(duì)UWB設(shè)備的發(fā)射功率進(jìn)行限制。UWB信號(hào)發(fā)射的功率譜密度級(jí)可達(dá)-41.3dBm/MHz。</p><p>　　圖1-2 UWB頻譜與其他無線信號(hào)頻譜的關(guān)系</p><p>　　1.3 UWB的技術(shù)特點(diǎn)</p><p>　　由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,工作原理迥異,因此UWB 具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點(diǎn)。</p

24、><p>　　(1)系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道容量的升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來的效應(yīng),這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。</p><p>　　(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶,根據(jù)香農(nóng)信道容量公式,即使把發(fā)送信號(hào)功率密度控制得很低,也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般

25、情況下,其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps～1Gbps。</p><p>　　(3)多徑分辨能力強(qiáng)。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,窄脈沖的多徑信號(hào)在時(shí)間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)常規(guī)無線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號(hào)的衰落最多不到5dB。</p><p>　　(4)隱蔽性好。因

26、為UWB 的頻譜非常寬,能量密度非常低,因此信息傳輸安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 設(shè)備對(duì)于其他設(shè)備的干擾就非常低。</p><p>　　(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位,而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS 提供絕對(duì)地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置, 其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。</p>

27、<p>　　(6)抗干擾能力強(qiáng)。UWB 擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ,具有比其它擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強(qiáng)。一般來說,UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。</p><p>　　(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等, 因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

28、單,設(shè)備成本將很低。由于UWB 信號(hào)無需載波,而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時(shí)間很短,一般在0. 20ns～1. 5ns之間,有很低的占空因數(shù),所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統(tǒng)只需要50～70mW 的電源,是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一[10]。盡管如此,UWB 在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn), 還有諸多技術(shù)的問題有待研究解決,比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點(diǎn),建立信道模型,解決多徑傳播;需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號(hào)的生成、處理

29、等技術(shù);研究新的調(diào)制技術(shù),進(jìn)一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度等。</p><p>　　第二章 UWB的原理及其波形</p><p>　　2.1 UWB的原理</p><p>　　超寬帶無線通信技術(shù)（UWB）是一種無載波通信技術(shù)，UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極

30、小，它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。在與其它系統(tǒng)共存時(shí)，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　因而發(fā)射超寬帶(UWB) 信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時(shí)域上很短(占空比低達(dá)0. 5 %) 的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為“沖擊無線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱為基帶無載波無線電,因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號(hào)調(diào)制到更高的載頻上,而是用基帶信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)天線輸出的，由信息

31、數(shù)據(jù)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)為了形成所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜而用偽隨即序列對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。</p><p>　　2.2 UWB信號(hào)的產(chǎn)生</p><p>　　從本質(zhì)上講,產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級(jí)的信號(hào)源是UWB 技術(shù)的前提條件。目前產(chǎn)生脈沖信號(hào)源的方法有兩類：</p><p>　　（1）光電方法,基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡

32、峭上升沿獲得脈沖信號(hào)。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號(hào)可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬度可達(dá)到皮秒(10 - 12 )量級(jí)。另外,由于光導(dǎo)開關(guān)是采用集成方法制成的,可以獲得很好的一致性,因此是最有發(fā)展前景的一種方法。</p><p>　　（2）電子方法,利用微波雙極性晶體管雪崩特性,在雪崩導(dǎo)通瞬間,電流呈“雪崩”式迅速增長(zhǎng),從而獲得具有陡峭前沿的波形,成形后得到極短脈沖。在電路設(shè)計(jì)中,采用多個(gè)晶體管串行級(jí)聯(lián),使用并

33、行同步觸發(fā)的方式,加快了雪崩過程,從而達(dá)到進(jìn)一步降低脈沖寬度的目的。</p><p>　　2.3 UWB信號(hào)的波形</p><p>　　2.1.1 UWB信道模型</p><p>　　UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級(jí)脈沖串,脈沖寬度 遠(yuǎn)小于脈沖之間的平均間隔 ,兩個(gè)脈沖之間的間隔可以固定也可以時(shí)變。通常UWB 信號(hào)模型為:</p><p><

34、b>　?。?-1） </b></p><p>　　其中，W(t)表示發(fā)送的單周期脈沖,、分別表示單脈沖的幅度與時(shí)延。</p><p>　　2.1.2高斯脈沖信號(hào)</p><p>　　最簡(jiǎn)單、最通用的超寬帶波形是單周期（Monocycle）脈沖信號(hào)，只所以稱它為單周期脈沖是因?yàn)檫@種波形只有一個(gè)脈沖周期，通常是高斯脈沖或其微分形式。另一個(gè)使用高斯脈沖信

35、號(hào)的原因是為了分析的簡(jiǎn)便。 </p><p>　　高斯脈沖信號(hào)的表達(dá)如下：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中，是表示形成的參數(shù)，和脈沖寬度有關(guān)。</p><p>　　考慮去直流分量以及上述天線的微分作用等因素，在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般使用高斯脈沖的微分形：

36、 （2-3） </p><p>　　其中，x代表微分次數(shù)。高斯脈沖的譜密度函數(shù)如下：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　它的功率譜密度如下：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　相應(yīng)的高斯脈沖的

37、各次微分的功率密度的公式如下：</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　如圖2-1所示為0～3次微分的高斯脈沖的波形和功率譜示意圖。</p><p>　　圖2-1 0～3次微分的高斯脈沖的波形和功率譜示意圖</p><p>　　第三章 UWB的調(diào)制和接收</p><p>

38、;　　3.1 UWB典型調(diào)制方式</p><p>　　IR-UWB不使用載波，直接進(jìn)行基帶傳輸，是傳統(tǒng)和常用的UWB實(shí)現(xiàn)方式。通常采用的多址方式有TH或DS，信號(hào)調(diào)制方式可以是PPM、PAM或OOK等，其中PAM是用信息符號(hào)控制脈沖的幅度進(jìn)行信息調(diào)制，OOK是PAM的一種簡(jiǎn)化形式，PPM是用信息符號(hào)控制脈沖信號(hào)的時(shí)延來實(shí)現(xiàn)的。不同的多址方式與調(diào)制方式的組合形成了多種信號(hào)形式，目前較多采用的主要有PPM-TH-UW

39、B和PAM-DS-UWB。在載波調(diào)制實(shí)現(xiàn)的UWB系統(tǒng)中，通常采用MB-OFDM-UWB。</p><p>　　3.1.1 PPM-TH-UWB </p><p>　　PPM-TH-UWB是采用TH多址方式的二進(jìn)制PPM調(diào)制的UWB系統(tǒng)，其典型的發(fā)射鏈路如圖3-1所示.</p><p>　　圖3-1 PPM-TH-UWB</p><p>　　系

40、統(tǒng)中的第一個(gè)模塊是產(chǎn)生待發(fā)射的二進(jìn)制序列；第二個(gè)模塊是重復(fù)編碼</p><p>　　器，二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過重復(fù)編碼，引入冗余來增加抗干擾性能；第三個(gè)模塊是進(jìn)行</p><p>　　TH編碼和二進(jìn)制PPM調(diào)制，引入偽隨機(jī)跳時(shí)PN碼調(diào)制，接著進(jìn)行PPM調(diào)制</p><p>　　引入脈沖時(shí)移；最后是脈沖形成濾波器，產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)的基本脈沖波形。</p><p

41、>　　PPM-TH-UWB輸出信號(hào)可以表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中，p(t)為單個(gè)UWB脈沖， 是脈沖重復(fù)周期，稱為幀長(zhǎng)，傳送一個(gè)比特的</p><p>　　時(shí)間為 ， = ， 為重復(fù)編碼率，跳時(shí)偽隨機(jī)碼序列 ，對(duì)信號(hào)引入TH </p><p>　　位移， 則

42、是PPM引起的位移， 是碼片時(shí)間(chip time)。</p><p>　　圖3-2是對(duì)二進(jìn)制序列 進(jìn)行PPM-TH調(diào)制后的信號(hào)仿真波形。仿真采用高斯二階導(dǎo)數(shù)波形，偽隨機(jī)跳時(shí)碼序列是 ，每個(gè)比特有五個(gè)脈沖，即五個(gè)幀組成。前面五個(gè)脈沖在對(duì)應(yīng)間隙的起始位置，表示二進(jìn)“0”，后面五脈沖對(duì)應(yīng)間隙的后面位置，表示二進(jìn)制的“l(fā)”。具體實(shí)現(xiàn)的參數(shù)分別為：脈沖發(fā)</p><p>　　射功率-30dBm，

43、幀長(zhǎng) =3 ns，重復(fù)編碼率 =5，碼片寬度 =1 ns，脈沖波</p><p>　　形的形成因子 =0.25 ns，脈沖寬度 =0.5 ns，PPM是用每個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置</p><p>　　超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻一個(gè)特定的時(shí)間來表示一個(gè)特定信息的，這里脈沖位置調(diào)</p><p>　　制的偏移量是0.5 ns。</p><p>　　圖3-2

44、PPM-TH-UWB輸出信號(hào)波形</p><p>　　3.1.2 PAM-DS-UWB </p><p>　　PAM—DS-UWB是采用DS多址方式的二進(jìn)制PAM調(diào)制的UWB系統(tǒng)，其發(fā)射鏈路可以表示為圖3-3所示的模型。模型中重復(fù)編碼器將二進(jìn)制信息每個(gè)比特重復(fù) 次，接著進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻和PAM調(diào)制，直接序列擴(kuò)頻的方法是將信息序列和偽隨機(jī)序列進(jìn)行模二相加，然后再進(jìn)行PAM調(diào)制，最后進(jìn)入脈沖形

45、成器， 產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。</p><p>　　圖3-3 PAM-DS-UWB發(fā)射系統(tǒng)模型</p><p>　　PAM-DS-UWB的輸出信號(hào)可以表示為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中， 為經(jīng)過PAM調(diào)制的二進(jìn)制數(shù)據(jù)， 是偽隨機(jī)碼序列，P（t）為單個(gè)UWB脈沖， 是幀長(zhǎng)。</

46、p><p>　　圖3-4是對(duì)二進(jìn)制序列 進(jìn)行PAM-DS調(diào)制的信號(hào)仿真波形，這里的擴(kuò)頻序列是 ，重復(fù)編碼率為5，每個(gè)比特由五個(gè)幀組成，前面五個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)二進(jìn)制“0”，后面的五個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)二進(jìn)制“1”。產(chǎn)生信號(hào)波形的具體參數(shù)分別為：脈沖發(fā)射功率-30dB，幀長(zhǎng) =2ns，碼片寬度 =1ns，高斯脈沖的形成因子 ，脈沖寬度 =0.5ns。</p><p>　　圖3-4 PAM-DS-UWB發(fā)射機(jī)產(chǎn)生信

47、號(hào)</p><p>　　3.3.3 MB-OFDM-UWB</p><p>　　MB-OFDM-UWB是載波調(diào)制的UWB系統(tǒng)中典型的實(shí)現(xiàn)方式。它在原理和</p><p>　　結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)有很多相似之處，因此傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的各種先進(jìn)技術(shù)， </p><p>　　如CDMA、OFDM、多輸入／多輸出(MIMO)、Turbo檢測(cè)等，都可以應(yīng)

48、用在</p><p>　　MB-OFDM—UWB系統(tǒng)中。當(dāng)然由于UWB信號(hào)具有超寬的帶寬特性，這些技</p><p>　　術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)的應(yīng)用方式又有許多不同地方。</p><p>　　MB-OFDM-UWB的實(shí)現(xiàn)方法是在FCC規(guī)定的頻帶范圍3.1GHz～10．6 GHz </p><p>　　內(nèi)，把這7.5GHz的帶寬分割成最小帶寬為500

49、 MHZ的若干個(gè)頻帶，給定用戶</p><p>　　的數(shù)據(jù)在相繼的時(shí)間內(nèi)在不同的子帶上傳輸。圖3-5是MB-OFDM-UWB系統(tǒng)發(fā)</p><p><b>　　射機(jī)的簡(jiǎn)化原理圖。</b></p><p>　　圖3-5 MB-OFDM-UWB發(fā)射機(jī)原理圖</p><p>　　在發(fā)射端，數(shù)據(jù)經(jīng)過卷積編碼后進(jìn)行比特交織，然后進(jìn)

50、行四相移相鍵控(QPSK，Binary Phase Shift Keying)映射和正交擴(kuò)頻編碼。接著進(jìn)行快速傅里葉反變換(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)產(chǎn)生基帶調(diào)制信號(hào)，基帶調(diào)制信號(hào)加上循環(huán)前綴、保護(hù)間隔后，生成OFDM符號(hào)。多個(gè)OFDM符號(hào)加上導(dǎo)頻符號(hào)后形成一個(gè)數(shù)據(jù)包，一個(gè)已調(diào)的OFDM信號(hào)由調(diào)制在不同載波頻率上的幾個(gè)并行射的信號(hào)組成。導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)部分是通過加入6個(gè)周期的OFDM訓(xùn)練序

51、列構(gòu)成的，該訓(xùn)練序列由IFFT產(chǎn)生，并在時(shí)域輸出的結(jié)果中添加37個(gè)零后綴。這部分導(dǎo)頻符號(hào)可以用做信道頻域響應(yīng)估計(jì)，生成的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換(DAC，Digital to Analog Converter)后，成為基帶模擬信號(hào)。最后基帶模擬信號(hào)利用時(shí)頻編碼調(diào)制多個(gè)不同的載波，相加合并后由同一天線輸出。</p><p>　　圖3-6是仿真產(chǎn)生的一個(gè)MB-OFDM-UWB符號(hào)。這里的實(shí)現(xiàn)參數(shù)是：OFDM 的載波數(shù)為1

52、28，每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間為312.5ns，包含了70.1 ns的保護(hù)時(shí)間以及242.4ns的信息時(shí)間長(zhǎng)度，其中保護(hù)時(shí)間又包含60.6ns的循環(huán)前綴和9.5ns 的初始間隙。</p><p>　　圖3-6 一個(gè)MB-OFDM-UWB符號(hào)</p><p>　　MB-OFDM-UWB是實(shí)現(xiàn)WPAN的最佳選擇之一，在數(shù)字化無線家庭網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化辦公室、個(gè)人便攜設(shè)備和軍事等諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景

53、，由于多頻</p><p>　　帶的各個(gè)子帶技術(shù)都是基于傳統(tǒng)的通信方案?jìng)鬏數(shù)?，這種方式有利于實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。目前，MB-OFDM-UWB已經(jīng)成為高速無線個(gè)域網(wǎng)(HR-WPAN)的物理層技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　3.2 UWB信號(hào)的接收</p><p>　　UWB信號(hào)在信道傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落等的</p><p>

54、　　影響，另外還可能會(huì)有多址干擾、窄帶干擾以及背景噪聲的影響，這樣到達(dá)接收</p><p>　　機(jī)的信號(hào)波形會(huì)存在嚴(yán)重的失真。因此接收機(jī)的設(shè)計(jì)問題就是找到一種盡可能最佳的方式從接收信號(hào)中提取有用的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息正確的解調(diào)和恢復(fù)。</p><p>　　在單徑、加性高斯白噪聲(AWGN，Additive White Gaussian Noise)信道中，UWB最佳接收機(jī)由相關(guān)器和判決器組成；在

55、多徑傳播環(huán)境下，最佳接收機(jī)的性</p><p>　　能不再是最佳，需要使用Rake接收機(jī)收集多徑能量以提高接收性能，但是因?yàn)?lt;/p><p>　　需要信道估計(jì)和同步，Rake接收機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；為了減少接收機(jī)的復(fù)雜性，可以采用基于發(fā)射參考脈沖(TR，Transmitted Reference)的接收機(jī)方案，但是其傳</p><p>　　輸速率下降3 dB。下面就針

56、對(duì)最佳接收機(jī)和Rake接收機(jī)這兩種接收機(jī)進(jìn)行分析。</p><p>　　3.2.1無多徑時(shí)AWGN信道的最佳接收機(jī)</p><p>　　在AWGN信道中，接收信號(hào)主要受熱噪聲的污染，熱噪聲可以通過白高斯</p><p>　　隨機(jī)過程 來表示，發(fā)射信號(hào)為 ，這里假設(shè)信道是單徑信道且無多址干擾， 則接收信號(hào)表示為：</p><p><b&g

57、t;　?。?-3）</b></p><p>　　為了保證系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃院凸β市?，這里采用相干檢測(cè)。相干接收的最</p><p>　　佳接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 最佳接收機(jī)框圖</p><p>　　假設(shè)收、發(fā)信號(hào)已經(jīng)同步， 為本地模版信號(hào)，則模版信號(hào)為： </p><p>

58、<b>　?。?-4）</b></p><p>　　這里，重復(fù)編碼率為 ，幀長(zhǎng)為 ， 是傳送一個(gè)比特的時(shí)間， 是j的函數(shù)，其單位能量對(duì)不同的調(diào)制方式是不同的，這里以PAM-DS-UWB信號(hào)為例，其中： (3-5)</p><p>　　接收信號(hào)r（t）與本地模版信號(hào) 進(jìn)行相關(guān)，輸出為y（t），在第n個(gè)符號(hào)間隔末，即t=n 時(shí)，

59、判決變量可以表示為：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　其中,“ ”是發(fā)送信息符號(hào)“1”的情況，“ ”是發(fā)送信息符號(hào)“0”的情況， </p><p>　　是信號(hào)“0”與“1”的相關(guān)系數(shù)(PPM為“0”，PAM為“ 1”)。 是單個(gè)脈沖</p><p>　　的能量， 是比特能量， ，是均值

60、為0、方差為 的高斯隨機(jī)變量。</p><p>　　令 為第n個(gè)發(fā)送信息符號(hào)，則最大似然(ML，Maximum Likelihood)判斷規(guī)</p><p><b>　　則表示為： </b></p><p><b>　　(3-7) </b></p><p>　　可以得到UWB最佳接收機(jī)的誤比特率為：

61、 </p><p>　　其中，Q( )是誤差函數(shù)， 是比特能量， 在PPM為“0”，PAM為“ 1"。</p><p>　　通過仿真，對(duì)不同信噪比和不同調(diào)制方式的UWB最佳接收機(jī)的誤比特率進(jìn)</p><p>　　行了比較，圖3-8給出了2PPM和2PAM在不同信噪比情況下的誤比特率曲線圖。</p><p>　　由圖中可以看出，在單徑

62、AWGN信道中，UWB最佳接收機(jī)的誤比特率隨著噪</p><p>　　比的升高而下降；在相同信噪比的情況下，采用PAM調(diào)制比PPM調(diào)制的誤比特</p><p><b>　　率性能要好。</b></p><p>　　圖3-8 AWGN信道中2PPM和2PAM的誤比特率曲線</p><p>　　3.2.2多徑信道的Rake接

63、收機(jī)</p><p>　　UWB系統(tǒng)應(yīng)用的典型環(huán)境是室內(nèi)密集多徑環(huán)境，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過多徑信道的</p><p>　　衰減、時(shí)延和失真之后，在接收端得到多個(gè)信號(hào)的疊加。接收端UWB多徑信號(hào)</p><p>　　可以表示為單個(gè)發(fā)射脈沖經(jīng)過時(shí)延和衰減之后的脈沖序列，接收到的信號(hào)可表示</p><p><b>　　為：</b>&l

64、t;/p><p><b>　　(3-8) </b></p><p>　　這里，h(t)表示信道沖激響應(yīng)，L表示多徑數(shù)目， 是各徑幅值的衰減系數(shù)， 是各徑對(duì)應(yīng)的時(shí)延。 是傳送一個(gè)比特的時(shí)間，重復(fù)編碼率為 ， </p><p>　　幀長(zhǎng)為 ， 是脈沖能量，n(t)是高斯白噪聲。</p><p>　　在這種情況下，接收到的UWB

65、信號(hào)能量是散布在一段時(shí)間內(nèi)的，出現(xiàn)在不同的多徑分量上，因此需要使用Rake接收機(jī)，從可分辨的多徑信號(hào)中構(gòu)筑合并</p><p>　　的脈沖波形，從而提高傳輸特性。</p><p>　　這里考慮L個(gè)叉指的Rake接收機(jī)，有L個(gè)多徑對(duì)應(yīng)的附加時(shí)延分別為別為 ，且有0 ，接收機(jī)由L個(gè)相關(guān)器組成，分</p><p>　　別將接收信號(hào)r(t)與本地參考信號(hào)時(shí)延 后的模板 相

66、關(guān)?？紤]第n個(gè)信息符號(hào)的檢測(cè)， 則第L個(gè)相(t)關(guān)器的輸出為：</p><p>　　= (3-9)</p><p>　　其中， 為接受信號(hào)與模板信號(hào)互相關(guān)輸出的幅值， 均值為0、方差為 的高斯隨機(jī)變量。Rake接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 Rake接收機(jī)框圖

67、 </p><p>　　當(dāng)信道為頻率選擇性衰落信道時(shí)，對(duì)于發(fā)信號(hào)的寬帶特性，收信號(hào)r(t)具有內(nèi)在的多徑分集。在此情況下，Rake接收機(jī)可利用分集技術(shù)，從可分辨的多徑信號(hào)中構(gòu)筑合并的脈沖波形，以提高傳輸特性。</p><p>　　各相關(guān)器輸出的合并有不同的方式，以形成判決變量，如等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）、選擇

68、式合并等。</p><p>　　第四章UWB無線定位系統(tǒng)</p><p><b>　　4.1引言</b></p><p>　　定位通常是指確定地球表面的物體在某一參考系中的位置。定位技術(shù)的研究在很多領(lǐng)域都是比較熱門且富有挑戰(zhàn)性的問題。傳統(tǒng)的定位技術(shù)和導(dǎo)航有著密不可分的關(guān)系，導(dǎo)航是引導(dǎo)交通工具或者其它物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的過程，這一過程

69、通常需要定位進(jìn)行輔助。隨著定位技術(shù)的發(fā)展和定位服務(wù)需求的不斷增加，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求包括在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，如在機(jī)場(chǎng)大廳、</p><p>　　倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書館、地下停車場(chǎng)、礦井等環(huán)境，利用各種定位技術(shù)確定移動(dòng)終</p><p>　　端或其持有者、物品與設(shè)施等在室內(nèi)的位置信息。</p><p>　　位置信息是判斷提供何種服務(wù)的重要信息之一。近年來，定位技術(shù)開始

70、應(yīng)用</p><p>　　于蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信道分配、切換、小區(qū)服務(wù)區(qū)域確定、E-911緊急援助、交</p><p>　　通監(jiān)控與管理等領(lǐng)域。在機(jī)器人、普適計(jì)算以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等研究領(lǐng)域中， </p><p>　　很多研究者們提出了各種各樣的定位方法以解決實(shí)際問題，并且取得了很多進(jìn)</p><p>　　展。在很多軍用和民用的場(chǎng)合同樣都需要精

71、確的定位信息，比如兒童搜尋，尋找</p><p>　　失落的寵物、行李，貴重物品定位，跟蹤搜索和解救人員等等因此研究無線定</p><p>　　位技術(shù)可以解決很多實(shí)際應(yīng)用的問題。</p><p>　　在眾多的定位技術(shù)中，UWB由于窄脈沖的帶寬很寬，測(cè)量定位參數(shù)TOA </p><p>　　時(shí)理論上可以達(dá)到很高的精度，因此應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)

72、物體以及人的定位</p><p>　　跟蹤與導(dǎo)航，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。</p><p><b>　　4.2無線定位技術(shù)</b></p><p>　　無線定位技術(shù)有很多種實(shí)現(xiàn)方法，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，首先要依據(jù)信號(hào)的</p><p>　　形式來確定定位所需要的參數(shù)，然后根據(jù)定位的幾何模型建立對(duì)應(yīng)的方程組，對(duì)</p>

73、<p>　　方程組求解就能獲得目標(biāo)的坐標(biāo)信息。下面對(duì)無線定位的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。</p><p>　　4.2.1無線定位的概述</p><p>　　無線定位技術(shù)和方案很多，全球定位系統(tǒng)(GPS，Global Positioning System) </p><p>　　是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)。常用的室內(nèi)定位技術(shù)從信號(hào)形式上看，包</p&

74、gt;<p>　　括紅外(IR，Infra-red)、超聲波(US，Ultrasonic)和射頻識(shí)別技術(shù)(RFID，Radio </p><p>　　Frequency Identification)等，這些都是傳統(tǒng)室內(nèi)無線定位系統(tǒng)主要的形式。UWB </p><p>　　是近幾年新發(fā)展起來的無線定位技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位。這些技術(shù)各有特</p><p

75、><b>　　點(diǎn)，下面分別介紹。</b></p><p>　　GPS：GPS是20世紀(jì)70年代初，美國(guó)出于軍事目的而開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位</p><p>　　系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)，能達(dá)到的定位精度范圍在5-20 m。</p><p>　　它主要利用幾顆衛(wèi)星測(cè)量的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)計(jì)算移動(dòng)用戶的位置，一般用</p&g

76、t;<p>　　于車輛導(dǎo)航和手持設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了增強(qiáng)型GPS、輔助GPS等技術(shù)， </p><p>　　它們可以廣泛用于航空、航海和野外定位等領(lǐng)域。利用GPS進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)是</p><p>　　衛(wèi)星有效覆蓋的范圍大，且定位導(dǎo)航信號(hào)是免費(fèi)的。其缺點(diǎn)是定位信號(hào)到達(dá)地面</p><p>　　時(shí)強(qiáng)度較弱，不能穿透建筑物，因此不適合室內(nèi)定位，而且定位

77、器終端的成本比</p><p>　　較高，不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等要求低復(fù)雜度和低能耗的場(chǎng)合。</p><p>　　Wi-Fi定位：這是IEEE 802．11提供的一種定位解決方案。目前，它應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本比較低。Wi-Fi定位的不足之處是它的收發(fā)器只能覆蓋半徑在90 m以內(nèi)的地理區(qū)域，而且很容易受到其它信號(hào)的干擾，從而影響其定位精度，同時(shí)它的定位器的能耗也比較高。</p

78、><p>　　RFID：這種室內(nèi)定位系統(tǒng)基于信號(hào)強(qiáng)度分析法，通過標(biāo)簽檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)</p><p>　　弱來確定目標(biāo)之間的距離，采用聚合算法對(duì)三維空間進(jìn)行定位。主要用于門禁系</p><p>　　統(tǒng)，包括主動(dòng)RFID和被動(dòng)RFID。其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)簽的體積比較小，造價(jià)比較低，</p><p>　　但是它作用的距離比較近，而且不具有通信能力，也不便于整合

79、到其它系統(tǒng)中。</p><p>　　紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)：紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過紅外標(biāo)簽發(fā)射調(diào)制的紅外射</p><p>　　線，由室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收信號(hào)來實(shí)現(xiàn)定位的。雖然紅外線有相當(dāng)高的室內(nèi)定</p><p>　　位精度，但是由于光不能穿透障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，也就是說當(dāng)</p><p>　　標(biāo)簽放在衣服口袋或者有墻壁及其它遮擋時(shí)

80、，系統(tǒng)就不能實(shí)現(xiàn)正確的定位。目前</p><p>　　該項(xiàng)技術(shù)典型的代表是Active Badge系統(tǒng)。</p><p>　　US室內(nèi)定位系統(tǒng)：US定位主要采用反射式測(cè)距法，通過三角定位等算法來</p><p>　　確定物體的具體位置。雖然整體的定位精度很高，可以達(dá)到厘米級(jí)，但是它也只</p><p>　　能進(jìn)行視距傳播，同時(shí)需要大量的底層硬

81、件設(shè)備，因此也存在成本較高的缺點(diǎn)。</p><p>　　該項(xiàng)技術(shù)的典型應(yīng)用有Cricket System和Active Bat。</p><p>　　Bluetooth室內(nèi)定位系統(tǒng)：Bluetooth技術(shù)用于室內(nèi)定位時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試與</p><p>　　信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，通過測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)定位。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是設(shè)</p><p>

82、　　備體積小，易于集成在PDA、PC以及手機(jī)等設(shè)備中，容易推廣普及。在室內(nèi)安</p><p>　　裝藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)</p><p>　　牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微微網(wǎng)的主設(shè)備，就可以獲得用戶的位置信息。其技</p><p>　　術(shù)優(yōu)點(diǎn)是容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號(hào)傳輸不受視距的影響，主要不足則是對(duì)于復(fù)雜的空</p&g

83、t;<p>　　間環(huán)境建模比較困難。</p><p>　　UWB定位技術(shù)：UWB技術(shù)是一種高速、低成本和低功耗的新興無線通信技術(shù)。采用UWB技術(shù)進(jìn)行定位具有抗多徑干擾、穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤，能提供十分精確的定位精度，目前的研究、表明，UWB定位的精度在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境已經(jīng)可以達(dá)到幾厘米。美國(guó)海軍已經(jīng)開發(fā)了一種軍用的UWB定位系統(tǒng)(Precision Asset Lo

84、cation)，在L波段工作，瞬時(shí)帶寬可以達(dá)到約400 MHz。參考點(diǎn)使用高速隧道二極管檢測(cè)器來進(jìn)行UWB脈沖的邊緣檢測(cè)，從而可以實(shí)現(xiàn)在多徑環(huán)境中找到第一個(gè)到達(dá)的脈沖信息，通過優(yōu)化算法可以算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。該系統(tǒng)的試驗(yàn)已成功，它在大型集裝箱貨物環(huán)境下可以達(dá)到理想的定位精度，但是在對(duì)小型貨物定位時(shí)，精度還不夠理想。美國(guó)Aether Wire公司已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的芯片Aether5和Driver2，它們是基于COMS和UWB頻譜開發(fā)的，具有體

85、積小、功耗低、不易被察覺和定位精度高等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于消防、反恐等重大領(lǐng)域。英國(guó)的Ubisense公司已經(jīng)開發(fā)出成熟的UWB 室內(nèi)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS，Real．Time Location Systems)，可以</p><p>　　UWB無線定位技術(shù)，很容易將定位與通信結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)人們追求的“智</p><p>　　能空間”。目前UWB技術(shù)正處于發(fā)展初級(jí)階段，精確定位技術(shù)的商業(yè)化正

86、在進(jìn)</p><p>　　行之中，定位算法還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)。未來無線定位技術(shù)將來的趨勢(shì)是室內(nèi)</p><p>　　定位與室外定位相結(jié)合，高精度的無線定位。隨著UWB技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，市場(chǎng)需求的不斷增加，在不久的將來，精確的UWB定位系統(tǒng)將會(huì)得到廣泛的開</p><p><b>　　發(fā)和應(yīng)用。</b></p><p&g

87、t;　　圖4-1 超寬帶（UWB）定位系統(tǒng)原理 </p><p&

88、gt;　　4.2.2 UWB無線定位的參數(shù)</p><p>　　無線定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，一般是要先獲得和位置相關(guān)的變量，建立定位的數(shù)</p><p>　　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)。與位置</p><p>　　有關(guān)的參數(shù)包括：接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI，Received Signal Strength Indication)、信號(hào)到達(dá)時(shí)

89、間(TOA，Time Of Arrival)、到達(dá)時(shí)間差(TDOA，Time Difference Of Arrival)、到達(dá)角度(AOA，Angle Of Arrival)等。下面研究用于UWB定位的RSSI、AOA、TOA／TDOA等定位參數(shù)的估計(jì)方法并分析各種定位參數(shù)在UWB定位中應(yīng)用的特點(diǎn)。</p><p>　　1．RSSI (信號(hào)接收強(qiáng)度)</p><p>　　采用RSSI參數(shù)

90、的定位是在已知無線信號(hào)發(fā)射功率和信道傳播模型的基礎(chǔ)上，通過參考節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)功率，計(jì)算出信號(hào)在傳輸過程中的損耗，進(jìn)而推算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的無線定位。</p><p>　　無線信號(hào)在傳輸過程中的多徑效應(yīng)以及通過障礙時(shí)產(chǎn)生的陰影效應(yīng)都會(huì)給定位帶來誤差，在信號(hào)傳輸方向上，多徑效應(yīng)有時(shí)會(huì)使在相距僅半個(gè)波長(zhǎng)的兩點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度相差30-40dB左右。為了克服多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)距的影響，對(duì)高速移動(dòng)的用戶，可以

91、通過求得其接收信號(hào)強(qiáng)度的平均值來提高定位的準(zhǔn)確性，但對(duì)于緩慢移動(dòng)甚至是靜止的無線用戶，有效的接收信號(hào)強(qiáng)度平均值比較難以測(cè)得，因此，RSSI方法依賴于信道的特性，受信道參數(shù)估計(jì)影響很大。</p><p>　　信號(hào)由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的傳輸過程中受到多徑衰減、陰影衰落和路徑損失。理想情況下，通過在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度的平均值來消除多徑和陰影衰落造成的影響，其信號(hào)路徑損耗模型可以表示為： </p>

92、<p><b>　　（4-1）</b></p><p>　　其中， 是距離發(fā)射信號(hào)d處接收信號(hào)的平均功率， 是距離發(fā)射信號(hào) 處接收信號(hào)的平均功率，它們單位都是dBm，n是路徑損失指數(shù)。</p><p>　　如果觀測(cè)時(shí)問不足夠長(zhǎng)，將無法去除陰影衰落的影響，接收功率的數(shù)學(xué)模中需要考慮路徑損失和陰影衰落的影響。對(duì)于陰影衰落，在對(duì)數(shù)尺度下滿足均為0，方差為 的高斯

93、隨機(jī)過程。接收信號(hào)的功率P(d)可以表示為P(d)～N(P(d) )，其中， 可以通過公式(4-1)求得。這個(gè)模型可以用在LOS傳播環(huán)境，也可以用在NLOS傳播環(huán)境。</p><p>　　在UWB信道中，路徑損失和信號(hào)的頻率有關(guān)，并且距離和頻率變化所引起的路徑損失是相互獨(dú)立的，則接收信號(hào)的功率模型可以表示為： </p><p>　　P= (4—2)

94、</p><p>　　其中， (d)= 表示由距離變化引起的功率損失， 表示由頻率變化引起的功率損失。在UWB信道測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，頻率變化引起的功率損失和 </p><p>　　成比例，這里m的值在0.8 1.4之間變化，a是幅度系數(shù)?？傮w的損失可以通過在信號(hào)整個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)路徑的損失取其積分來計(jì)算。由UWB接收信號(hào)的功率模型(4-2)式構(gòu)造RSSI觀測(cè)的對(duì)數(shù)似然函數(shù)為：</p>

95、<p><b>　　。</b></p><p>　　上式說明，RSSI方法測(cè)距估計(jì)的下界由信道參數(shù)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離決定的，這種方法的精度與信號(hào)的帶寬沒有直接關(guān)系，因此這樣就不能</p><p>　　充分體現(xiàn)UWB很寬的帶寬在定位上的優(yōu)勢(shì)。一般在UWB無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)</p><p>　　用中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間

96、的距離比較近的情況下，可以使用RSSI測(cè)距方法來定位。當(dāng)然還可以通過與其它的方法相結(jié)合，如RSSI／TOA或RSSI／TOOA </p><p>　　來進(jìn)一步提高最終的定位精度。</p><p>　　2．AOA （信號(hào)到達(dá)角度）</p><p>　　AOA定位，是一種通過測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間夾角的定位方法。如</p><p>　　果使用

97、一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，這種方法能得出特定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在方向，當(dāng)同時(shí)用兩個(gè)參</p><p>　　考節(jié)點(diǎn)測(cè)量同一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的信號(hào)時(shí)，兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)各自測(cè)量AOA所得方</p><p>　　向直線的交點(diǎn)，就是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在的位置，可以得到二維的定位信息。為了提高</p><p>　　AOA的定位精度，通常使用天線陣列，根據(jù)陣列陣元間的排列關(guān)系來確定AOA。</p>

98、<p>　　常用的天線陣列有均勻線陣(ULA)、均勻圓陣(UCA)和十字陣列。其中基于均勻</p><p>　　線陣的定位算法最為簡(jiǎn)單，這種陣列只能提供AOA的一維信息，因此只適合用</p><p>　　在二維平面中的定位。</p><p>　　當(dāng)信號(hào)由遠(yuǎn)場(chǎng)入射到均勻線性陣列時(shí)，到達(dá)每個(gè)陣元的方向都可以看作是平</p><p>　　

99、行的，所以通過測(cè)量不同陣元的信號(hào)到達(dá)相位差就可以得到AOA估計(jì)值。假設(shè)在t時(shí)刻，信號(hào)S(t)由 方向入射到一個(gè)均勻線性陣列，陣列的陣元數(shù)目為N， 陣元之間的距離為d，陣列的輸出向量定義為y(t)= ，則</p><p>　　陣列信號(hào)模型表示為：</p><p>　　y= (4-4) </p><p>　　這里，

100、方向向量 為N×1的列向量，表示每個(gè)陣元</p><p>　　接收到入射信號(hào)的相對(duì)相位時(shí)延，假設(shè)陣元之間不存在互耦。其中的第i個(gè)元素</p><p>　　為 = ，i=0，1 N-1， 為S(t)的中心頻率，C為光的傳播速度，n(t)是噪聲，同樣也是N 維的列向量。向量的各個(gè)元素假定為實(shí)部、虛部互相獨(dú)立的復(fù)高斯過程，方差為 。</p><p>　　設(shè)在t=

101、0時(shí)刻，對(duì)于具有N個(gè)陣元的ULA陣列，對(duì)陣列輸出向量進(jìn)行采樣，同樣不考慮陣元之間的互耦，公式(4-4)可以變?yōu)椋?</p><p>　　y=A( )s+n （4-5） </p><p>　　其中，s表示復(fù)幅度。在這個(gè)模型中，三個(gè)未知的參數(shù)分別為：信號(hào)s的波達(dá)角</p><p>　　度 、幅度A和相位 。N個(gè)天線陣元產(chǎn)生N個(gè)觀

102、測(cè)向量，每一個(gè)觀測(cè)向量都可</p><p>　　以看作是信號(hào)與復(fù)高斯白噪聲的疊加，假定其中噪聲的每個(gè)樣本是互不相關(guān)的， </p><p>　　這樣，任一觀測(cè)向量都可以表示為： ，i=0，1， ，N 。對(duì)于N個(gè)陣元的ULA陣列，可以推導(dǎo)出計(jì)算 估計(jì)的CRLB</p><p>　　Var （4-6）</p><

103、p>　　由上式可以看出，增加陣元間的距離d，或者增加陣元數(shù)N都可以減小AOA </p><p>　　測(cè)量值的CRLB，信號(hào)的入射角度日對(duì)AOA定位估計(jì)的精度也有影響，在大的</p><p>　　入射角度情況下，將會(huì)造成AOA定位估計(jì)結(jié)果的誤差很大。</p><p>　　AOA定位方法要求被測(cè)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與所有參考節(jié)點(diǎn)之間的無線信號(hào)是LOS </p>

104、<p>　　的，NLOS傳播環(huán)境將會(huì)給AOA定位帶來無法預(yù)測(cè)的誤差。在以LOS傳輸為主</p><p>　　的情況下，無線信號(hào)的多徑效應(yīng)也會(huì)給AOA的測(cè)量帶來干擾。另外，由于天線</p><p>　　設(shè)備角度分辨率的限制，AOA的測(cè)量精度會(huì)隨著目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距</p><p>　　離的增加而不斷減小。由于室內(nèi)的UWB信號(hào)多徑數(shù)目多，用最大似然方

105、法估計(jì)</p><p>　　每條多徑的AOA的計(jì)算量將會(huì)很大，因?yàn)檫@種算法的搜索維數(shù)取決于信號(hào)傳輸</p><p>　　中的多徑數(shù)目；UWB帶寬很寬，受周圍環(huán)境物體多徑散射的影響嚴(yán)重，所以其</p><p>　　AOA估計(jì)精度難以保證；在室內(nèi)應(yīng)用中一般需要便攜式接收設(shè)備，使用AOA中</p><p>　　天線陣列會(huì)增加系統(tǒng)的體積和成本，給接收

106、機(jī)的設(shè)計(jì)帶來麻煩，所以該方法不適</p><p>　　合用于UWB定位系統(tǒng)。但是在室外或者比較空曠的空間環(huán)境，可以考慮使用</p><p>　　AOA定位方法的，另外可以和其它方法相結(jié)合使用，比如TDOA／AOA方法來</p><p><b>　　提高定位的精度。</b></p><p>　　3．TOA/TDOA （信號(hào)

107、到達(dá)時(shí)間/時(shí)間差）</p><p>　　TOA/TDOA方法是通過測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到各參考節(jié)點(diǎn)之間無線信號(hào)傳輸時(shí)間</p><p>　　或者傳輸時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。與AOA方法相比較，TOA/TDOA實(shí)現(xiàn)起來比較</p><p>　　容易，在相同的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)目時(shí)，能夠提供更高的定位精度，因而是應(yīng)用的最廣</p><p>　　泛的一種定位方法。在實(shí)

108、際應(yīng)用中，TOA需要考慮目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的</p><p>　　時(shí)鐘同步問題，這是影響TOA估計(jì)精度主要因素。如果參考節(jié)點(diǎn)之間能夠保持</p><p>　　同步，則可以測(cè)量信號(hào)到達(dá)各參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，即可以采用TDOA的定位方</p><p>　　法，定位參數(shù)估計(jì)原理與TOA相同，下面主要分析TOA方法。</p><p>　　測(cè)量TOA

109、參數(shù)，由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出特定的測(cè)距命令或指令信號(hào)， 參考節(jié)點(diǎn)對(duì)該指令進(jìn)行響應(yīng)。參考節(jié)點(diǎn)通過已知的數(shù)據(jù)格式，解析出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)</p><p>　　射信號(hào)傳輸?shù)絽⒖脊?jié)點(diǎn)的時(shí)間 ，該時(shí)間主要由無線信號(hào)在傳輸過程中的傳播時(shí)</p><p>　　延、參考節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)延和處理時(shí)延組成。如果能夠準(zhǔn)確地得到參考節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)</p><p>　　和處理時(shí)延，就可以算出無線信號(hào)的傳

110、播時(shí)延。因?yàn)闊o線電波在空氣中以光速C 傳播，所以參考節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離估值為 。當(dāng)有三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)</p><p>　　參與測(cè)量時(shí)，就可以根據(jù)幾何模型確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域。下面對(duì)是否受多徑</p><p>　　信道的影響分別考慮TOA測(cè)距的CRLB。</p><p>　　(1)在不考慮多徑效應(yīng)的情況下，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為信號(hào)源發(fā)射已知信號(hào)S(t)，參</p&g

111、t;<p>　　考節(jié)點(diǎn)作為接收設(shè)備處理信號(hào)，接收信號(hào)為r(t)= s(t)+n(t)，使用TOA方法測(cè)距估計(jì)的CRLB滿足不等式： </p><p>　　Var (4-7) </p><p>　　其中， 表示無偏TOA估計(jì)的距離，SNR(Signal to Noise Ratio)為信噪比，S(f) 為發(fā)射信號(hào)的頻域變換，

112、 是有效信號(hào)帶寬， 定義為</p><p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　圖4-1中顯示帶寬 分別取0.5 GHz，0.75 GHz，1 GHz，3.1GHz和10．6 GHz </p><p>　　時(shí)TOA測(cè)距的CRLB曲線。由圖示可見，距離的CRLB隨著帶寬的增加而減小，在帶寬為3.1GHz時(shí)，距離的CRLB已經(jīng)小于5

113、 cm。FCC規(guī)定的UWB的可用</p><p>　　帶寬為3.1—10.6 GHz，由此可知，理論上UWB的測(cè)距精度可達(dá)厘米級(jí)。</p><p>　　圖4-1 TOA估計(jì)與帶寬的關(guān)系</p><p>　　(2)在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)傳播環(huán)境通常會(huì)受到多徑的影響，特別是在室內(nèi)定位應(yīng)用中。多徑環(huán)境下TOA定位估計(jì)的CRLB的推導(dǎo)要相對(duì)復(fù)雜些。設(shè)目標(biāo)節(jié)</p>