UWB無線定位技術探討

摘要　超寬帶(UWB)無線定位技術由于功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低，尤其是能提供非常精確的定位精度等優(yōu)點，而成為未來無線定位技術的熱點和首選。文章將UWB定位技術與其他無線定位技術就定位環(huán)境和精度等方面進行了綜合比較，探討了UWB定位技術的理論基礎和發(fā)展現(xiàn)狀，最后對UWB無線定位的未來應用前景進行了展望。

關鍵詞　無線定位　UWB　精確定位　精度

0、引言

　　隨著無線通信技術的發(fā)展，21世紀的世界將很快從網(wǎng)絡時代進入無線互聯(lián)時代。新興的無線網(wǎng)絡技術，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Ad hoc、BlueTooth和UltraWideBand(UWB)，在辦公室、家庭、工廠、公園等大眾生活的方方面面得到了廣泛應用，基于無線網(wǎng)絡的定位技術的應用更加具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)投資銀行Rutberg公司、無線數(shù)據(jù)研究集團和國際數(shù)據(jù)公司等的預測，網(wǎng)絡新技術將在未來的3年內(nèi)達到幾百億甚至上千億美元的營業(yè)收入，而無線定位技術的應用將在其中占有至少上百億美元的份額。

　　除了全球定位系統(tǒng)(GPS)在導航和室外環(huán)境的應用定位以外，人們對室內(nèi)定位、短距離定位等應用不甚了解。未來無線定位技術的趨勢是室內(nèi)定位與室外定位相結(jié)合，實現(xiàn)無縫的、精確的定位。現(xiàn)有的網(wǎng)絡技術還不能完全滿足這個要求，而UWB技術由于功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點，在眾多無線定位技術中脫穎而出，成為未來無線定位技術的熱點。

1、UWB的定位優(yōu)勢

　　無線定位技術和方案很多，常用的定位技術包括紅外線、超聲波、射頻信號等，但都不適合室內(nèi)定位。紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性；超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大，不能用于室內(nèi)環(huán)境；而射頻信號普遍用在室外定位系統(tǒng)中，應用于室內(nèi)定位存在局限。

　　GPS是目前應用最為廣泛的室外定位技術，它是20世紀70年代初美國出于軍事目的開發(fā)的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，主要利用幾顆衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)計算移動用戶位置，即經(jīng)度、緯度和高度。一般用于車輛導航和手持設備。在此基礎上，還出現(xiàn)了增強型GPS，輔助GPS等技術，它們可以廣泛用于航空、航海和野外定位等領域。利用GPS進行定位的優(yōu)勢是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，定位導航信號免費；缺點是定位信號到達地面是較弱，不能穿透建筑物，因此不適合室內(nèi)定位，此外定位器終端的成本較高。GPS所能達到的定位精度范圍在5m-20m。

　　當前比較流行的Wi-Fi定位是IEEE802.11的一種定位解決方案。目前，它應用于小范圍的室內(nèi)定位，成本較低，但Wi-Fi收發(fā)器只能覆蓋半徑90m以內(nèi)的地理區(qū)域，很容易受到其他信號干擾，從而影響定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗較高。

　　藍牙技術應用于定位，與Wi-Fi有很多相似之處，主要應用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫；同樣有定位誤差不穩(wěn)定，受噪聲信號干擾大的缺點。

　　由此可見，隨著定位技術的發(fā)展和定位服務需求的不斷增加，無線定位技術必須克服現(xiàn)有技術的缺點，滿足以下幾個條件：a)高抗干擾能力；b)高精度定位；c)低生產(chǎn)成本；d)低運營成本；e)高信息安全性；f)低能耗及低發(fā)射功率；g)小的收發(fā)器體積。

　　以上幾種技術方案，都不可能完全滿足這些要求。而UWB用在無線定位上，能夠基本滿足上述要求，因此成為未來無線定位的首選。UWB是一種高速、低成本和低功耗新興無線通信技術。UWB信號是帶寬大于500MHz或基帶帶寬和載波頻率的比值大于0.2的脈沖信號(UWBWG，2001)，具有很寬的頻帶范圍，F(xiàn)CC規(guī)定UWB的頻帶從3.1GHz～10.6GHz，并限制信號的發(fā)射功率在-41dBm以下。由此可見，UWB聚焦在兩個領域的應用上，一是符合IEEE802.15.3a標準的短距離高速數(shù)據(jù)通信，即無線無延遲地傳播大量多媒體數(shù)據(jù)，速率要達到1OOMbit/s-500Mbit/s；另一個是符合IEEE802.15.4a的低速低功率傳輸，用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、工業(yè)自動化、傳感器網(wǎng)絡、家庭/辦公自動化、機器人運動跟蹤等。UWB信號的特點說明它在定位上具有低成本、抗多徑干擾、穿透能力強的優(yōu)勢，所以可以應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。

2、UWB定位技術

　　2.1　理論基礎

　　UWB定位技術屬于無線定位技術的一種。無線定位技術是指用來判定移動用戶位置的測量方法和計算方法，即定位算法。目前最常用的定位技術主要有：時差定位技術、信號到達角度測量(AOA)技術、到達時間定位(TOA)和到達時間差定位(TDOA)等。其中，TDOA技術是目前最為流行的一種方案，除了用于GSM系統(tǒng)，在其他諸如AMPS和CDMA系統(tǒng)中也廣泛應用，UWB定位采用的也是這種技術。

　　UWB精確定位的主要思想是基于距離公式(1)的。根據(jù)定位的基本物理和幾何條件，如果要定位一個三維坐標，至少需要4個參考點，建立4個方程來進行直接計算：


　　　　(1)

　　其中，(x，y，z)和(xi，yi，zi)分別表示需要定位的位置和參考點位置的坐標，to表示需要定位的位置發(fā)送信號的時間，是未知數(shù)，ti表示參考點位置的到達時間。利用時間差△tij=ti-tj，經(jīng)過一系列代換，可以減小參考點和需定位坐標之間由于不同步帶來的誤差，實現(xiàn)差分的時間到達算法(TDOA)，從而簡化方程組求解。

　　在上述理論基礎上，求待測點坐標的問題就轉(zhuǎn)換成了解四元二次方程組問題。解這個方程組，目前常用的解析算法是Fang算法，即完成上述代換后，可以先解出待測點坐標z的值。通常，方程有2個解，而期望的解只有1個。若所得的解沒有物理意義或者超過了可測量的范圍，就視其為無效解。為了提高有解的概率，可以設定5個參考點，這樣就有5個不同的組合，產(chǎn)生5組方程組，可以得到5組解，再從中選取最優(yōu)的解。此外解析算法還有Chan算法、Friedlander算法等。

　　另一種求解方程組的算法基于最優(yōu)化的思想，即根據(jù)以上建立的數(shù)學模型，將定位坐標的目標函數(shù)寫成


　　　　(2)

　　整理可得到


　　　　(3)

　　其中，。

　　上述目標函數(shù)可以用Guass-Newton迭代算法或Quasi-Newton迭代算法求解。

　　2.2　方案討論

　　通常，UWB定位系統(tǒng)設定幾個定位參考點(根據(jù)實際需要)，以接收待測點(數(shù)量上百)發(fā)出的高斯脈沖信號。為了避免信號發(fā)生碰撞，每個待測點都有自己的代碼序列。當一個高斯脈沖中代碼序列被參考點收到時，它將在一個時間整合相關器內(nèi)與當前產(chǎn)生的一個對照序列作比較。當收到信號的位移與對照信號相吻合，即出現(xiàn)一個相關高峰信號。這樣就容易判斷是否收到正確的代碼序列。處理接收到的脈沖序列得到接收時間，從而利用節(jié)2.1的算法計算得到待測點的坐標。

　　上述系統(tǒng)存在許多誤差源。發(fā)送端的誤差包括待測點傳送代碼序列的處理時間、從MAC層到信道的等待時間以及在物理層比特的傳輸時間；空間傳播誤差主要是無線鏈路的傳播環(huán)境帶來的時延；接收端誤差包括物理層比特的接收時間和代碼序列傳送到應用層的時間。此外，還有NLOS影響、接收噪聲與參考點之間的同步以及求解方程帶來的誤差等，都是在設計系統(tǒng)時需要注意的問題。

　　目前美國海軍已經(jīng)開發(fā)了一種軍用的UWB定位系統(tǒng)PAL(Precision Asset Location)，在L波段工作，瞬時帶寬可以達到約400MHz。參考點使用高速隧道二級管檢測器來進行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)化算法算出待測點坐標。待測點有一個短脈沖發(fā)射器，峰值輸出功率約0.25W，數(shù)據(jù)包突發(fā)長度40bits，發(fā)送周期5s，發(fā)射器平均輸出功率-79dB/MHz。這個功率比FCC規(guī)定的功率還要低38dB。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，但是在小型貨物定位時，精度不夠理想，改進的PAL系統(tǒng)的商用化正在進行之中。此外，美國AetherWire公司已經(jīng)開發(fā)出最先進的芯片Aether5和Driver2，它是基于COMS和UWB頻譜開發(fā)的，具有體積小、功耗低、穿透力強，不易被察覺和定位精度高等特點，現(xiàn)已廣泛用于消防、反恐等重大領域。

3、前景展望

　　采用UWB進行無線定位，可以滿足未來無線定位的需求，在眾多無線定位技術中有相當大的優(yōu)勢，目前的研究表明超寬帶定位的精度在實驗室環(huán)境已經(jīng)可以達到十幾cm。此外，超寬帶無線電定位，很容易將定位與通信結(jié)合，快速發(fā)展的短距離超寬帶通信無疑將帶動UWB在定位技術的發(fā)展，而常規(guī)無線電難以做到這一點。雖然無線精確定位技術已有了多年發(fā)展，但目前超寬帶技術正處于發(fā)展初級階段，精確定位技術的商業(yè)化正在進行之中，定位算法還有待改進。隨著超寬帶技術的不斷成熟和發(fā)展，市場需求的不斷增加，相信不久超寬帶定位技術就可以完全實現(xiàn)商業(yè)化，精確的超寬帶定位系統(tǒng)將會得到廣泛應用。