UWB無線定位技術(shù)探討

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

關(guān)鍵詞　無線定位　UWB　精確定位　精度

0、引言

　　隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的世界將很快從網(wǎng)絡(luò)時(shí)代進(jìn)入無線互聯(lián)時(shí)代。新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(yīng)用，基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)的應(yīng)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(tuán)和國(guó)際數(shù)據(jù)公司等的預(yù)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)將在未來的3年內(nèi)達(dá)到幾百億甚至上千億美元的營(yíng)業(yè)收入，而無線定位技術(shù)的應(yīng)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(dǎo)航和室外環(huán)境的應(yīng)用定位以外，人們對(duì)室內(nèi)定位、短距離定位等應(yīng)用不甚了解。未來無線定位技術(shù)的趨勢(shì)是室內(nèi)定位與室外定位相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無縫的、精確的定位�，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不能完全滿足這個(gè)要求，而UWB技術(shù)由于功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)，在眾多無線定位技術(shù)中脫穎而出，成為未來無線定位技術(shù)的熱點(diǎn)。

1、UWB的定位優(yōu)勢(shì)

　　無線定位技術(shù)和方案很多，常用的定位技術(shù)包括紅外線、超聲波、射頻信號(hào)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(yīng)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(hào)普遍用在室外定位系統(tǒng)中，應(yīng)用于室內(nèi)定位存在局限。

　　GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)，它是20世紀(jì)70年代初美國(guó)出于軍事目的開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要利用幾顆衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算移動(dòng)用戶位置，即經(jīng)度、緯度和高度。一般用于車輛導(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)，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)是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，定位導(dǎo)航信號(hào)免費(fèi)；缺點(diǎn)是定位信號(hào)到達(dá)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(dá)到的定位精度范圍在5m-20m。

　　當(dāng)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(yīng)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(hào)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(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于定位，與Wi-Fi有很多相似之處，主要應(yīng)用于小范圍定位，例如單層大廳或倉(cāng)庫；同樣有定位誤差不穩(wěn)定，受噪聲信號(hào)干擾大的缺點(diǎn)。

　　由此可見，隨著定位技術(shù)的發(fā)展和定位服務(wù)需求的不斷增加，無線定位技術(shù)必須克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，滿足以下幾個(gè)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(yùn)營(yíng)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(shù)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(shù)。UWB信號(hào)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(hào)(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(hào)的發(fā)射功率在-41dBm以下。由此可見，UWB聚焦在兩個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用上，一是符合IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到1OOMbit/s-500Mbit/s；另一個(gè)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(chǎng)士兵的位置發(fā)現(xiàn)、工業(yè)自動(dòng)化、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭/辦公自動(dòng)化、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。UWB信號(hào)的特點(diǎn)說明它在定位上具有低成本、抗多徑干擾、穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，所以可以應(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。

2、UWB定位技術(shù)

　　2.1　理論基礎(chǔ)

　　UWB定位技術(shù)屬于無線定位技術(shù)的一種。無線定位技術(shù)是指用來判定移動(dòng)用戶位置的測(cè)量方法和計(jì)算方法，即定位算法。目前最常用的定位技術(shù)主要有：時(shí)差定位技術(shù)、信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量(AOA)技術(shù)、到達(dá)時(shí)間定位(TOA)和到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)等。其中，TDOA技術(shù)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(yīng)用，UWB定位采用的也是這種技術(shù)。

　　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(gè)三維坐標(biāo)，至少需要4個(gè)參考點(diǎn)，建立4個(gè)方程來進(jìn)行直接計(jì)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(diǎn)位置的坐標(biāo)，to表示需要定位的位置發(fā)送信號(hào)的時(shí)間，是未知數(shù)，ti表示參考點(diǎn)位置的到達(dá)時(shí)間。利用時(shí)間差△tij=ti-tj，經(jīng)過一系列代換，可以減小參考點(diǎn)和需定位坐標(biāo)之間由于不同步帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)差分的時(shí)間到達(dá)算法(TDOA)，從而簡(jiǎn)化方程組求解。

　　在上述理論基礎(chǔ)上，求待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的問題就轉(zhuǎn)換成了解四元二次方程組問題。解這個(gè)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(cè)點(diǎn)坐標(biāo)z的值。通常，方程有2個(gè)解，而期望的解只有1個(gè)。若所得的解沒有物理意義或者超過了可測(cè)量的范圍，就視其為無效解。為了提高有解的概率，可以設(shè)定5個(gè)參考點(diǎn)，這樣就有5個(gè)不同的組合，產(chǎn)生5組方程組，可以得到5組解，再?gòu)闹羞x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(xué)模型，將定位坐標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)寫成


　　　　(2)

　　整理可得到


　　　　(3)

　　其中，。

　　上述目標(biāo)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(shè)定幾個(gè)定位參考點(diǎn)(根據(jù)實(shí)際需要)，以接收待測(cè)點(diǎn)(數(shù)量上百)發(fā)出的高斯脈沖信號(hào)。為了避免信號(hào)發(fā)生碰撞，每個(gè)待測(cè)點(diǎn)都有自己的代碼序列。當(dāng)一個(gè)高斯脈沖中代碼序列被參考點(diǎn)收到時(shí)，它將在一個(gè)時(shí)間整合相關(guān)器內(nèi)與當(dāng)前產(chǎn)生的一個(gè)對(duì)照序列作比較。當(dāng)收到信號(hào)的位移與對(duì)照信號(hào)相吻合，即出現(xiàn)一個(gè)相關(guān)高峰信號(hào)。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(shí)間，從而利用節(jié)2.1的算法計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

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

　　目前美國(guó)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(shí)帶寬可以達(dá)到約400MHz。參考點(diǎn)使用高速隧道二級(jí)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)化算法算出待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。待測(cè)點(diǎn)有一個(gè)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(zhǎng)度40bits，發(fā)送周期5s，發(fā)射器平均輸出功率-79dB/MHz。這個(gè)功率比FCC規(guī)定的功率還要低38dB。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，但是在小型貨物定位時(shí)，精度不夠理想，改進(jìn)的PAL系統(tǒng)的商用化正在進(jìn)行之中。此外，美國(guó)AetherWire公司已經(jīng)開發(fā)出最先進(jìn)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(qiáng)，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。

3、前景展望

　　采用UWB進(jìn)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(shù)中有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，目前的研究表明超寬帶定位的精度在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境已經(jīng)可以達(dá)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(dòng)UWB在定位技術(shù)的發(fā)展，而常規(guī)無線電難以做到這一點(diǎn)。雖然無線精確定位技術(shù)已有了多年發(fā)展，但目前超寬帶技術(shù)正處于發(fā)展初級(jí)階段，精確定位技術(shù)的商業(yè)化正在進(jìn)行之中，定位算法還有待改進(jìn)。隨著超寬帶技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，市場(chǎng)需求的不斷增加，相信不久超寬帶定位技術(shù)就可以完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，精確的超寬帶定位系統(tǒng)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。