硬件电路设计之“室内定位技术UWB介绍”

[导读]本文主要介绍UWB技术。UWB(UltraWideBand，超宽带)是一种基于IEEE802.15.4a和802.15.4z标准的无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，它能够非常准确地测量无线电信号的飞行时间，从而实现厘米精度的距离/位置测量。不同于蓝牙、WiFi等...

本文主要介绍UWB技术。

UWB(Ultra Wide Band，超宽带)是一种基于IEEE802.15.4a和802.15.4z标准的无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，它能够非常准确地测量无线电信号的飞行时间，从而实现厘米精度的距离/位置测量。不同于蓝牙、WiFi等其他定位技术，UWB射频信号与生俱来的物理特性使得UWB技术从一开始就被明确定义：实现实时、超精确、超可靠的定位和通信。UWB的历史可以追溯到一百多年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。1964~1987年，Harmuth的著作奠定了UWB收发信机的设计基础，1974年Ross和Robbins发表的专利是UWB通信方面最早的里程碑式的专利，到了1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号，为了促进并规范UWB技术的发展，2002年4月FCC重新对UWB做了定义：系统-10dB带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。此后，超宽带这个术语才被沿用下来。直到2002年，FCC批准UWB无线电在严格限制条件下可在公众通信频段3.1GHz~10.6GHz上运行，才有力推进了UWB的发展。UWB的技术规格也比较多，围绕UWB的标准之争一开始就非常激烈，曾经有二十几个标准参与竞争，传统的UWB（IR-UWB）是采用脉冲无线电（Impulse Radio），直接通过天线传输，不需要对正弦波调制，这种系统实时简单，成本低、功耗低、抗多径强、良好的穿透性等，后来被 802.15.4a 标准所采用。发展到现在，只剩下两个主要的阵营，即Intel、TI主导的以MB-OFDM为基础的MBOA，以及Freescale、Motorola主导的基于DS-CDMA的DS-UWB。技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的，DS-UWB曾提出一个通用信令模式，希望与MBOA兼容。但这种模式显然在技术上无法实现，所以被MBOA、IEEE和无线USB协会拒绝。2007年3月，ISO正式通过了WiMedia联盟提交了MB-OFDM标准，正式成为了UWB技术的第一个国际标准。除了最底层，UWB架构中还有其他上层标准，比如：PAL协议适应层（Protocol Adaption Layer），Wireless USB、Wireless 1394、Application Profiles（DLNA compliant，DLNA：Digital Living Network Alliance）等应用层协议。目前已经有几十家厂商推出了UWB芯片、设备、应用平台等。

UWB为了完成定位，定义了两种角色：基站Anchor和标签Tag，类似GPS中的卫星和地面设备。无线定位系统为了实现定位，一般都要先获得和位置相关的变量，建立定位的数学模型，然后再利用这些参数和相关的数学模型来计算目标的位置坐标。按照测量参数的不同，UWB定位的方法可以分为三类：基于接收信号的强度（RSS，Received Signal Strength）、基于到达角度（Angle of Arrival）、基于到达时间（TOA，Time of Arrival）。

其中，AOA通过获取被测点到两个接收机的信号到达角度进行定位，需要配置复杂的天线系统，且角度误差对定位精度的影响远比测距误差大。RSS根据信号的传播模型，利用接收信号的强度与信号传播距离的关系，对目标进行定位。这种方法的定位覆盖距离较近，且对信道传输模型的依赖性非常大，多径以及环境条件的变化都会使其精度严重恶化，特别是距离估计的精度与信号的带宽无关，不能发挥 UWB 带宽大的优势。所以，RSS和AOA方法一般不单独用于UWB定位，只作为辅助手段进行初级粗定位。常用的定位算法还是基于TOA的，也叫TOF，具体衍生出来的常用算法包括OWR（One Way Ranging）、TWR（Two Way Ranging，也叫TW-TOF（Two Way-Time of Flight））、TDOA（Time Difference of Arrival）。同时还有混合使用上述的两种或三种定位技术的混合定位技术，比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等，通过检测并提取相关的定位参数，用于定位解算。混合定位技术可以运用多种定位参数实现定位，综合不同定位技术的特点，在各种定位技术的特性中取长补短，让最终的定位性能得到优化。