畢業(yè)設(shè)計----超寬帶無線定位技術(shù)的研究

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</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)域研究的一個熱點，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。其次針

4、對超寬帶（UWB）的原理及其波形進行了研究和探討。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。最后本文重點介紹了超寬帶（UWB）的無線定位技術(shù)，首先是對其發(fā)展和定義進行了概述，其次分別介紹了超寬帶無線定位的參數(shù)及其幾何模型，重點對UWB定位中TOA的算法進行了研究，最后通過仿真對定位算法的實現(xiàn)做出了驗證并得到了重要結(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信號的產(chǎn)生7</p><p>　　2.3 UWB信號的波形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信號的接收13</p><p>　　3.2.1無多徑時AWGN信道的最佳接收機14</p><p&

14、gt;　　3.2.2多徑信道的Rake接收機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估計算法29</p><p>　　4.3.1 TOA估計的信號模型30</p><p>　　4.3.2 基于TOA位置估計算法32</p><p>　　4.4 LSE仿真實驗及其結(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>　　對超寬帶（UWB，Ultra-Wideband）無限技術(shù)（簡稱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，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，概念很簡單，就是使用所謂的沖擊響應(yīng)h(t)----沖擊激勵來表征一個線性時變系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的

18、頻率響應(yīng)（幅值與相位值相對于頻率值）方法。特別是，對于一個系統(tǒng)的任意輸入信號x(t),其輸出信號y(t)可以唯一地由下列卷積來確定： </p><p>　　(1-1) </p><p>　　然而，實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提供了近似方法、觀察和測量方法。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域示波器，加速了UWB系統(tǒng)的開發(fā)。1973年，Sperry獲得了第一個UWB通信技術(shù)的專利。此后，在將近30年的時間內(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，美國國防部采用“超寬帶”這一術(shù)語之后，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、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，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)化運作。這一條例的頒布直接促進了基于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、抗多徑干擾能力強等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。</p><p>　　FCC(美國通信委員會) 對超寬帶系統(tǒng)的最新定義為： </p><p>　　（1）信號相對帶寬= （式中，、分別為功率較峰值功率下降10dB時所對

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>　?。?）信號絕對帶寬 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、對處于上述頻段的其他設(shè)備的干擾，必須對UWB設(shè)備的發(fā)射功率進行限制。UWB信號發(fā)射的功率譜密度級可達-41.3dBm/MHz。</p><p>　　圖1-2 UWB頻譜與其他無線信號頻譜的關(guān)系</p><p>　　1.3 UWB的技術(shù)特點</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。</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)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng),這一點也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。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)送信號功率密度控制得很低,也可以實現(xiàn)高的信息速率。一般

25、情況下,其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。</p><p>　　(3)多徑分辨能力強。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,窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明,對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10～30dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號的衰落最多不到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 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達厘米級。</p>

27、<p>　　(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ,具有比其它擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強。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

28、單,設(shè)備成本將很低。由于UWB 信號無需載波,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,建立信道模型,解決多徑傳播;需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理

29、等技術(shù);研究新的調(diào)制技術(shù),進一步降低收發(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}沖擴展到一個頻率范圍內(nèi)。UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極

30、小，它具有通常擴頻通信的特點。在與其它系統(tǒng)共存時，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點。</p><p>　　因而發(fā)射超寬帶(UWB) 信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時域上很短(占空比低達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,因為它不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號調(diào)制到更高的載頻上,而是用基帶信號直接驅(qū)動天線輸出的，由信息

31、數(shù)據(jù)對脈沖進行調(diào)制，同時為了形成所產(chǎn)生信號的頻譜而用偽隨即序列對數(shù)據(jù)符號進行編碼。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信號的產(chǎn)生</p><p>　　從本質(zhì)上講,產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級的信號源是UWB 技術(shù)的前提條件。目前產(chǎn)生脈沖信號源的方法有兩類：</p><p>　?。?）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。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬度可達到皮秒(10 - 12 )量級。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>　?。?）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,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)計中,采用多個晶體管串行級聯(lián),使用并

33、行同步觸發(fā)的方式,加快了雪崩過程,從而達到進一步降低脈沖寬度的目的。</p><p>　　2.3 UWB信號的波形</p><p>　　2.1.1 UWB信道模型</p><p>　　UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級脈沖串,脈沖寬度 遠(yuǎn)小于脈沖之間的平均間隔 ,兩個脈沖之間的間隔可以固定也可以時變。通常UWB 信號模型為:</p><p><

34、b>　　（2-1） </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延。</p><p>　　2.1.2高斯脈沖信號</p><p>　　最簡單、最通用的超寬帶波形是單周期（Monocycle）脈沖信號，只所以稱它為單周期脈沖是因為這種波形只有一個脈沖周期，通常是高斯脈沖或其微分形式。另一個使用高斯脈沖信

35、號的原因是為了分析的簡便。 </p><p>　　高斯脈沖信號的表達如下：</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>　?。?-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，直接進行基帶傳輸，是傳統(tǒng)和常用的UWB實現(xiàn)方式。通常采用的多址方式有TH或DS，信號調(diào)制方式可以是PPM、PAM或OOK等，其中PAM是用信息符號控制脈沖的幅度進行信息調(diào)制，OOK是PAM的一種簡化形式，PPM是用信息符號控制脈沖信號的時延來實現(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)中的第一個模塊是產(chǎn)生待發(fā)射的二進制序列；第二個模塊是重復(fù)編碼</p><p>　　器，二進制信號經(jīng)過重復(fù)編碼，引入冗余來增加抗干擾性能；第三個模塊是進行</p><p>　　TH編碼和二進制PPM調(diào)制，引入偽隨機跳時PN碼調(diào)制，接著進行PPM調(diào)制</p><p>　　引入脈沖時移；最后是脈沖形成濾波器，產(chǎn)生發(fā)射信號的基本脈沖波形。</p><p

41、>　　PPM-TH-UWB輸出信號可以表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中，p(t)為單個UWB脈沖， 是脈沖重復(fù)周期，稱為幀長，傳送一個比特的</p><p>　　時間為 ， = ， 為重復(fù)編碼率，跳時偽隨機碼序列 ，對信號引入TH </p><p>　　位移， 則

42、是PPM引起的位移， 是碼片時間(chip time)。</p><p>　　圖3-2是對二進制序列 進行PPM-TH調(diào)制后的信號仿真波形。仿真采用高斯二階導(dǎo)數(shù)波形，偽隨機跳時碼序列是 ，每個比特有五個脈沖，即五個幀組成。前面五個脈沖在對應(yīng)間隙的起始位置，表示二進“0”，后面五脈沖對應(yīng)間隙的后面位置，表示二進制的“l(fā)”。具體實現(xiàn)的參數(shù)分別為：脈沖發(fā)</p><p>　　射功率-30dBm，

43、幀長 =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是用每個脈沖出現(xiàn)的位置</p><p>　　超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時刻一個特定的時間來表示一個特定信息的，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)編碼器將二進制信息每個比特重復(fù) 次，接著進行直接序列擴頻和PAM調(diào)制，直接序列擴頻的方法是將信息序列和偽隨機序列進行模二相加，然后再進行PAM調(diào)制，最后進入脈沖形

45、成器， 產(chǎn)生發(fā)射信號。</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)制的二進制數(shù)據(jù)， 是偽隨機碼序列，P（t）為單個UWB脈沖， 是幀長。</

46、p><p>　　圖3-4是對二進制序列 進行PAM-DS調(diào)制的信號仿真波形，這里的擴頻序列是 ，重復(fù)編碼率為5，每個比特由五個幀組成，前面五個脈沖對應(yīng)二進制“0”，后面的五個脈沖對應(yīng)二進制“1”。產(chǎn)生信號波形的具體參數(shù)分別為：脈沖發(fā)射功率-30dB，幀長 =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)射機產(chǎn)生信

47、號</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)的各種先進技術(shù)， </p><p>　　如CDMA、OFDM、多輸入／多輸出(MIMO)、Turbo檢測等，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的若干個頻帶，給定用戶</p><p>　　的數(shù)據(jù)在相繼的時間內(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>　　射機的簡化原理圖。</b></p><p>　　圖3-5 MB-OFDM-UWB發(fā)射機原理圖</p><p>　　在發(fā)射端，數(shù)據(jù)經(jīng)過卷積編碼后進行比特交織，然后進

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

51、列構(gòu)成的，該訓(xùn)練序列由IFFT產(chǎn)生，并在時域輸出的結(jié)果中添加37個零后綴。這部分導(dǎo)頻符號可以用做信道頻域響應(yīng)估計，生成的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換(DAC，Digital to Analog Converter)后，成為基帶模擬信號。最后基帶模擬信號利用時頻編碼調(diào)制多個不同的載波，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MB-OFDM-UWB符號。這里的實現(xiàn)參數(shù)是：OFDM 的載波數(shù)為1

52、28，每個符號的持續(xù)時間為312.5ns，包含了70.1 ns的保護時間以及242.4ns的信息時間長度，其中保護時間又包含60.6ns的循環(huán)前綴和9.5ns 的初始間隙。</p><p>　　圖3-6 一個MB-OFDM-UWB符號</p><p>　　MB-OFDM-UWB是實現(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>　　帶的各個子帶技術(shù)都是基于傳統(tǒng)的通信方案傳輸?shù)?，這種方式有利于實現(xiàn)商業(yè)化。目前，MB-OFDM-UWB已經(jīng)成為高速無線個域網(wǎng)(HR-WPAN)的物理層技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　3.2 UWB信號的接收</p><p>　　UWB信號在信道傳輸?shù)倪^程中會受到路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落等的</p><p>

54、　　影響，另外還可能會有多址干擾、窄帶干擾以及背景噪聲的影響，這樣到達接收</p><p>　　機的信號波形會存在嚴(yán)重的失真。因此接收機的設(shè)計問題就是找到一種盡可能最佳的方式從接收信號中提取有用的信號，實現(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，最佳接收機的性</p><p>　　能不再是最佳，需要使用Rake接收機收集多徑能量以提高接收性能，但是因為</p><p>　　需要信道估計和同步，Rake接收機的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；為了減少接收機的復(fù)雜性，可以采用基于發(fā)射參考脈沖(TR，Transmitted Reference)的接收機方案，但是其傳</p><p>　　輸速率下降3 dB。下面就針

56、對最佳接收機和Rake接收機這兩種接收機進行分析。</p><p>　　3.2.1無多徑時AWGN信道的最佳接收機</p><p>　　在AWGN信道中，接收信號主要受熱噪聲的污染，熱噪聲可以通過白高斯</p><p>　　隨機過程 來表示，發(fā)射信號為 ，這里假設(shè)信道是單徑信道且無多址干擾， 則接收信號表示為：</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。相干接收的最</p><p>　　佳接收機結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 最佳接收機框圖</p><p>　　假設(shè)收、發(fā)信號已經(jīng)同步， 為本地模版信號，則模版信號為： </p><p>

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

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“1”的情況，“ ”是發(fā)送信息符號“0”的情況， </p><p>　　是信號“0”與“1”的相關(guān)系數(shù)(PPM為“0”，PAM為“ 1”)。 是單個脈沖</p><p>　　的能量， 是比特能量， ，是均值

60、為0、方差為 的高斯隨機變量。</p><p>　　令 為第n個發(fā)送信息符號，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，對不同信噪比和不同調(diào)制方式的UWB最佳接收機的誤比特率進</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</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)射信號經(jīng)過多徑信道的</p><p>　　衰減、時延和失真之后，在接收端得到多個信號的疊加。接收端UWB多徑信號</p><p>　　可以表示為單個發(fā)射脈沖經(jīng)過時延和衰減之后的脈沖序列，接收到的信號可表示</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)， 是各徑對應(yīng)的時延。 是傳送一個比特的時間，重復(fù)編碼率為 ， </p><p>　　幀長為 ， 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、信號能量是散布在一段時間內(nèi)的，出現(xiàn)在不同的多徑分量上，因此需要使用Rake接收機，從可分辨的多徑信號中構(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個叉指的Rake接收機，有L個多徑對應(yīng)的附加時延分別為別為 ，且有0 ，接收機由L個相關(guān)器組成，分</p><p>　　別將接收信號r(t)與本地參考信號時延 后的模板 相

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

67、 </p><p>　　當(dāng)信道為頻率選擇性衰落信道時，對于發(fā)信號的寬帶特性，收信號r(t)具有內(nèi)在的多徑分集。在此情況下，Rake接收機可利用分集技術(shù)，從可分辨的多徑信號中構(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位置移動到另一個位置的過程，這一過程

69、通常需要定位進行輔助。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，如在機場大廳、</p><p>　　倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境，利用各種定位技術(shù)確定移動終</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、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。在機器人、普適計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際問題，并且取得了很多進</p><p>　　展。在很多軍用和民用的場合同樣都需要精

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，測量定位參數(shù)TOA </p><p>　　時理論上可以達到很高的精度，因此應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動

72、物體以及人的定位</p><p>　　跟蹤與導(dǎo)航，具有獨特的優(yōu)勢。</p><p><b>　　4.2無線定位技術(shù)</b></p><p>　　無線定位技術(shù)有很多種實現(xiàn)方法，在對目標(biāo)進行定位時，首先要依據(jù)信號的</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應(yīng)的方程組，對</p>

73、<p>　　方程組求解就能獲得目標(biāo)的坐標(biāo)信息。下面對無線定位的相關(guān)技術(shù)進行研究。</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)從信號形式上看，包</p&

74、gt;<p>　　括紅外(IR，Infra-red)、超聲波(US，Ultrasonic)和射頻識別技術(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，下面分別介紹。</b></p><p>　　GPS：GPS是20世紀(jì)70年代初，美國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)星測量的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)計算移動用戶的位置，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進行定位的優(yōu)勢是</p><p>　　衛(wèi)星有效覆蓋的范圍大，且定位導(dǎo)航信號是免費的。其缺點是定位信號到達地面</p><p>　　時強度較弱，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的干擾，從而影響其定位精度，同時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)基于信號強度分析法，通過標(biāo)簽檢測到的信號強</p><p>　　弱來確定目標(biāo)之間的距離，采用聚合算法對三維空間進行定位。主要用于門禁系</p><p>　　統(tǒng)，包括主動RFID和被動RFID。其優(yōu)點是標(biāo)簽的體積比較小，造價比較低，</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)傳感器接收信號來實現(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

80、，系統(tǒng)就不能實現(xiàn)正確的定位。目前</p><p>　　該項技術(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，可以達到厘米級，但是它也只</p><p>　　能進行視距傳播，同時需要大量的底層硬

81、件設(shè)備，因此也存在成本較高的缺點。</p><p>　　該項技術(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，采用經(jīng)驗測試與</p><p>　　信號傳播模型相結(jié)合的方式，通過測量信號強度實現(xiàn)定位。它最大的優(yōu)點就是設(shè)</p><p>

82、　　備體積小，易于集成在PDA、PC以及手機等設(shè)備中，容易推廣普及。在室內(nèi)安</p><p>　　裝藍牙局域網(wǎng)接入點，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</p><p>　　牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微微網(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)點是容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視距的影響，主要不足則是對于復(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)進行定位具有抗多徑干擾、穿透能力強的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于靜止或者移動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定位的精度在實驗室環(huán)境已經(jīng)可以達到幾厘米。美國海軍已經(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，瞬時帶寬可以達到約400 MHz。參考點使用高速隧道二極管檢測器來進行UWB脈沖的邊緣檢測，從而可以實現(xiàn)在多徑環(huán)境中找到第一個到達的脈沖信息，通過優(yōu)化算法可以算出待測點的坐標(biāo)。該系統(tǒng)的試驗已成功，它在大型集裝箱貨物環(huán)境下可以達到理想的定位精度，但是在對小型貨物定位時，精度還不夠理想。美國Aether Wire公司已經(jīng)開發(fā)出先進的芯片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，現(xiàn)已廣泛用于消防、反恐等重大領(lǐng)域。英國的Ubisense公司已經(jīng)開發(fā)出成熟的UWB 室內(nèi)實時定位系統(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)展初級階段，精確定位技術(shù)的商業(yè)化正

86、在進</p><p>　　行之中，定位算法還有待于進一步的改進。未來無線定位技術(shù)將來的趨勢是室內(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，市場需求的不斷增加，在不久的將來，精確的UWB定位系統(tǒng)將會得到廣泛的開</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：接收信號強度(RSSI，Received Signal Strength Indication)、信號到達時

89、間(TOA，Time Of Arrival)、到達時間差(TDOA，Time Difference Of Arrival)、到達角度(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)的估計方法并分析各種定位參數(shù)在UWB定位中應(yīng)用的特點。</p><p>　　1．RSSI (信號接收強度)</p><p>　　采用RSSI參數(shù)

90、的定位是在已知無線信號發(fā)射功率和信道傳播模型的基礎(chǔ)上，通過參考節(jié)點接收到的信號功率，計算出信號在傳輸過程中的損耗，進而推算出目標(biāo)節(jié)點到參考節(jié)點的距離，實現(xiàn)對目標(biāo)的無線定位。</p><p>　　無線信號在傳輸過程中的多徑效應(yīng)以及通過障礙時產(chǎn)生的陰影效應(yīng)都會給定位帶來誤差，在信號傳輸方向上，多徑效應(yīng)有時會使在相距僅半個波長的兩點上的信號強度相差30-40dB左右。為了克服多徑效應(yīng)對測距的影響，對高速移動的用戶，可以

91、通過求得其接收信號強度的平均值來提高定位的準(zhǔn)確性，但對于緩慢移動甚至是靜止的無線用戶，有效的接收信號強度平均值比較難以測得，因此，RSSI方法依賴于信道的特性，受信道參數(shù)估計影響很大。</p><p>　　信號由目標(biāo)節(jié)點到參考節(jié)點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，通過在足夠長時間內(nèi)計算接收信號強度的平均值來消除多徑和陰影衰落造成的影響，其信號路徑損耗模型可以表示為： </p>

92、<p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中， 是距離發(fā)射信號d處接收信號的平均功率， 是距離發(fā)射信號 處接收信號的平均功率，它們單位都是dBm，n是路徑損失指數(shù)。</p><p>　　如果觀測時問不足夠長，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。對于陰影衰落，在對數(shù)尺度下滿足均為0，方差為 的高斯

93、隨機過程。接收信號的功率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立的，則接收信號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整個頻率范圍內(nèi)對路徑的損失取其積分來計算。由UWB接收信號的功率模型(4-2)式構(gòu)造RSSI觀測的對數(shù)似然函數(shù)為：</p>

95、<p><b>　　。</b></p><p>　　上式說明，RSSI方法測距估計的下界由信道參數(shù)、目標(biāo)節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離決定的，這種方法的精度與信號的帶寬沒有直接關(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。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)點和參考節(jié)點之間

96、的距離比較近的情況下，可以使用RSSI測距方法來定位。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>　　來進一步提高最終的定位精度。</p><p>　　2．AOA （信號到達角度）</p><p>　　AOA定位，是一種通過測量目標(biāo)節(jié)點與參考節(jié)點之間夾角的定位方法。如</p><p>　　果使用

97、一個參考節(jié)點，這種方法能得出特定目標(biāo)節(jié)點所在方向，當(dāng)同時用兩個參</p><p>　　考節(jié)點測量同一目標(biāo)節(jié)點所發(fā)出的信號時，兩個參考節(jié)點各自測量AOA所得方</p><p>　　向直線的交點，就是目標(biāo)節(jié)點所在的位置，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)信號由遠(yuǎn)場入射到均勻線性陣列時，到達每個陣元的方向都可以看作是平</p><p>　　

99、行的，所以通過測量不同陣元的信號到達相位差就可以得到AOA估計值。假設(shè)在t時刻，信號S(t)由 方向入射到一個均勻線性陣列，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，表示每個陣元</p><p>　　接收到入射信號的相對相位時延，假設(shè)陣元之間不存在互耦。其中的第i個元素</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。向量的各個元素假定為實部、虛部互相獨立的復(fù)高斯過程，方差為 。</p><p>　　設(shè)在t=

101、0時刻，對于具有N個陣元的ULA陣列，對陣列輸出向量進行采樣，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。在這個模型中，三個未知的參數(shù)分別為：信號s的波達角</p><p>　　度 、幅度A和相位 。N個天線陣元產(chǎn)生N個觀

102、測向量，每一個觀測向量都可</p><p>　　以看作是信號與復(fù)高斯白噪聲的疊加，假定其中噪聲的每個樣本是互不相關(guān)的， </p><p>　　這樣，任一觀測向量都可以表示為： ，i=0，1， ，N 。對于N個陣元的ULA陣列，可以推導(dǎo)出計算 估計的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>　　測量值的CRLB，信號的入射角度日對AOA定位估計的精度也有影響，在大的</p><p>　　入射角度情況下，將會造成AOA定位估計結(jié)果的誤差很大。</p><p>　　AOA定位方法要求被測的目標(biāo)節(jié)點與所有參考節(jié)點之間的無線信號是LOS </p>

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

105、法估計</p><p>　　每條多徑的AOA的計算量將會很大，因為這種算法的搜索維數(shù)取決于信號傳輸</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>　　天線陣列會增加系統(tǒng)的體積和成本，給接收

106、機的設(shè)計帶來麻煩，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

107、到達時間/時間差）</p><p>　　TOA/TDOA方法是通過測量目標(biāo)節(jié)點到各參考節(jié)點之間無線信號傳輸時間</p><p>　　或者傳輸時間差來實現(xiàn)測距的。與AOA方法相比較，TOA/TDOA實現(xiàn)起來比較</p><p>　　容易，在相同的參考節(jié)點數(shù)目時，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

108、際應(yīng)用中，TOA需要考慮目標(biāo)節(jié)點和參考節(jié)點之間的</p><p>　　時鐘同步問題，這是影響TOA估計精度主要因素。如果參考節(jié)點之間能夠保持</p><p>　　同步，則可以測量信號到達各參考節(jié)點的時間差，即可以采用TDOA的定位方</p><p>　　法，定位參數(shù)估計原理與TOA相同，下面主要分析TOA方法。</p><p>　　測量TOA

109、參數(shù)，由目標(biāo)節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)出特定的測距命令或指令信號， 參考節(jié)點對該指令進行響應(yīng)。參考節(jié)點通過已知的數(shù)據(jù)格式，解析出目標(biāo)節(jié)點發(fā)</p><p>　　射信號傳輸?shù)絽⒖脊?jié)點的時間 ，該時間主要由無線信號在傳輸過程中的傳播時</p><p>　　延、參考節(jié)點的響應(yīng)時延和處理時延組成。如果能夠準(zhǔn)確地得到參考節(jié)點的響應(yīng)</p><p>　　和處理時延，就可以算出無線信號的傳

110、播時延。因為無線電波在空氣中以光速C 傳播，所以參考節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點之間的距離估值為 。當(dāng)有三個參考節(jié)點</p><p>　　參與測量時，就可以根據(jù)幾何模型確定目標(biāo)節(jié)點所在的區(qū)域。下面對是否受多徑</p><p>　　信道的影響分別考慮TOA測距的CRLB。</p><p>　　(1)在不考慮多徑效應(yīng)的情況下，目標(biāo)節(jié)點作為信號源發(fā)射已知信號S(t)，參</p&g

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

112、 是有效信號帶寬， 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TOA測距的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，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的測距精度可達厘米級。</p><p>　　圖4-1 TOA估計與帶寬的關(guān)系</p><p>　　(2)在實際應(yīng)用中，信號傳播環(huán)境通常會受到多徑的影響，特別是在室內(nèi)定位應(yīng)用中。多徑環(huán)境下TOA定位估計的CRLB的推導(dǎo)要相對復(fù)雜些。設(shè)目標(biāo)節(jié)</p>