（信号与信息处理专业论文）超宽带测距定位技术研究.pdf

四川大学硕士学位论文 超宽带测距定位技术研究 信号与信息处理专业 研究生朱林指导老师袁晓 近年来，超宽带无线通信技术受到越来越多的关注，尤其是在2 0 0 2 年2 月u w b ( u l 台aw i d eb a n d ) 技术被f c c ( 美国联邦通信委员会) 允许通过以后， 关于超宽带应用的研究日益增多。超宽带冲激无线电通过产生超短脉冲来得到 频率带宽特别宽、功率谱密度极低的信号，这种信号抗多径衰落能力强、具有 很低的截获概率以及很低的功率损耗，其鲜明的强抗干扰能力、良好的信号隐 蔽性、极低的功耗等特点使之在军事通信中有着广泛的应用前景。同时，作为 一种室内短程高速无线传输通信手段，在民用领域也倍受关注。 随着无线通信网相关技术的发展以及用户对业务种类需求的提高，无线通 信网中的测距和定位功能显得越来越重要。传统的几种定位技术例如：g p s 定 位；基于地面网的定位( c e l li d 定位) 等方法各有不同的局限性。以u w b 作 为传输技术的通信网具有抗噪声和干扰能力强；多径分辨力高；穿透能力强； 通信容量大等众多优点，因此基于u w b 的测距和定位具有传统定位方式无法 比拟的优势。 论文在简要介绍超宽带无线通信的基础上，重点完成了两方面的内容： 首先，在综合分析文献的基础上，系统归纳了无线通信中的主要测距方法 和定位技术。并比较了各种技术的优缺点，对实际应用有一定的参考价值。 其次，提出了适用于超宽带冲激无线电测距定位的一种新方法，该方法通 过计算发射端发出的信号与本地信号的相关函数来估计t o a 进而完成测距， 并且利用判决输出量控制测距过程结束来提高测距速度。在测距基础上利用 l s e 最小化算法求解待测节点的坐标。这部分内容是论文的中心，论文中详细 到川大学硕士掌位论文 给出了该方法的基本原理、实现前提、具体实施过程。在介绍本方法的基础上， 通过仿真实验进行了测距误差与信噪比、测距误差与相邻相关器时延、测距误 差受用于测距的伪随机码的自相关函数的影响等分析，并与参考文献【3 1 】提出 的方法进行了比较。结果表明，论文提出的方法在信噪比较小的情况下可以很 好的完成测距工作，并且具有较高的测距精度，较快的测距速度，同时，本方 法受噪声和多径的影响较小，具有较高的实用价值。 关键词：超宽带无线通信，无线测距定位，相关函数， 四川人学颂l 学位论文 u w b r a n g i n ga n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y i n v e s t i g a t i o n m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m m i o np r o c e s s i n g g r a d u a t e ：z h ul i n t u t o r ：y u a r lx i a o o v e rt h el a s ty e a r st h e r eh a sb e e nag r e a td e a lo f i n t e r e s ti nu l t r aw i d e b a n d ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，e s p e c i a l l yf o l l o w i n gt h ea p p r o v a lo ft h eu w b t e c h n o l o g y b yt h ef c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) i nf e b r u a r y2 0 0 2 ，w h i c hi sa l s o r e s u l ti na l li n c r e a s i n gr e s e a r c hi nu w ba p p l i c a t i o n s u w bi m p u l s er a d i om a k e su p o fu l t r a - s h o r td u r a t i o np u l s e sw h i c hy i e l du l t r a - w i d e b a n ds i g n a l sc h a r a c t e r i z e db y e x t r e m e l yl o wp o w e rs p e c t r a ld e n s i t i e sa n de x t r e m e l yw i d ef r e q u e n c yb a n d t h e s e s y s t e m sa r ep o t e n t i a l l yi m m u n i t yt om u l t i p a t hf a d i n g ，w i t hal o wp r o b a b i l i t yo f i n t e r c e p t ( l p i ) a n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n i t sa p p l i c a t i o ni nm i l i t a r yf i e l di s b e c o m i n gw i d e ra n dw i d e rb e c a u s eo ft h ea b i l i t i e st oa n t i - j a m ，a n t i - d e t e c t i o na n d r e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n a tt h es a m et i m e ，a sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o r s h o r t - r a n g ei n d o o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，u w bs y s t e m sh a v eb e c o m eag o o d c a n d i d a t ei nt h ec i v i l i a na p p l i c a t i o n sa sw e l l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g i e sa n d u s e r s i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fv a r i o u sk i n d so fs e r v i c e s ，r a n g i n ga n dp o s i t i o n i n g i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r ep l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e s e v e r a lc o n v e n t i o n a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sg p sp o s i t i o n i n g ；p o s i t i o n i n g b a s e do ng r o u n dn e t w o r k ( c e l li dp o s i t i o n i n g ) ，h a v ea nl i m i t e da p p l i c a t i o n f o r e g r o u n db e c a u s eo ft h e i rv a r i o u sd i s a d v a n t a g e s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e d 心川大学硕士学位论文 o nu w bt r a n s m i s s i o nh a sa g o o da b i l i t yo fa n t i n o i s e ，a n t i - j a m ，r e s o l v i n gm u t i p a t h a n dp e n e t r a t i n gw a l l s ，a n di sw i t hal a r g e rc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t ya sw e l l t h e r e f o r e ，r a n g i n ga n dp o s i t i o n i n gb a s e do nu w bh a v ei m m e n s ea d v a n t a g e so v e r t h e s ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s i nt h i st h e s i s ，a f t e ri n t r o d u c i n gt h eu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w e m a i n l yf i n i s ht w ot a s k sj u s td e s c r i b e da sf o l l o w s ： f i r s t ，b a s e do nt h ei n t e g r a t i v ea n a l y s i so ff o r m e rp a p e r s ，t h em a i nr a n g i n ga n d p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g i e su s e di nu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r ec o n c l u d e d r e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r el i s t e d ，w h i c hi sa v a l u a b l er e f e r e n c ei n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s s e c o n d ，an o v e lr a n g i n ga n dp o s i t i o n i n gm e t h o dt a i l o r e df o ru w bi m p u l s er a d i o i sp r o p o s e d ，i nw h i c ht o ai se s t i m a t e dv i ac a l c u l a t i n gt h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o n b e t w e e nt h et r a n s m i s s i o ns i g n a l sa n dl o c a ls i g n a l st oa c c o m p l i s hr a n g i n g s i n c e w h e t h e rt h er a n g i n gp r o c e s sw o u l db et e r m i n a t e di su n d e rt h ec o n t r o l l i n go fd e t e c t o r o u t p u t ，t h er a n g i n gs p e e di sg r e a t l yi m p r o v e d t h e nl s em i n i m i z i n ga l g o r i t h mi s t o k e na d v a n t a g eo ft os e e kt h ec o o r d i n a t e so ft h et a r g e tn o d e t h i ss e c t i o ni st h e c e n t e ro ft h ew h o l et h e s i s t h eb a s i cp r i n c i p l e ，p r e c o n d i t i o n sa n dp r o c e s so f i m p l e m e n t a t i o no ft h en o v e lm e t h o da r ep r e s e n t e d i nd e t a i l t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nr a n g i n ge r r o ra n ds n r ，t h et i m ed e l a yb e t w e e nt w oa d j a c e n tc o r r e l a t o r s ， t h ea u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o no fp s e u d o - r a n d o mc o d e su s e di nr a n g i n ga r ea n a l y z e d v i as i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h ec o m p a r i s o nr e s u l t sw i t ht h em e t h o dp r o p o s e di n 31 】 a r ea l s op r e s e n t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dp r o p o s e dh e r ec a na c c o m p l i s h r a n g i n ge v e nu n d e rt h ec o n d i t i o no fs m a l ls n r s ，a n di s w i t hah i g h e rr a n g i n g p r e c i s i o na n daf a s t e rr a n g i n gs p e e d a tt h es a m et i m e ，o u rm e t h o di si m m u n i t yt o n o i s ea n dm u l t i p a t h i naw o r d ，i tw i l lb et a k e ni n t om o r ec o n s i d e r a t i o ni nt h e c o m i n gf u t u r e k e y w o r d s ：u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s sr a n g i n g a n dp o s i t i o n i n g ，c o r r e l a t i o nf u n e t i o n 四川大学颂士学位论文 1 绪论 本章在综合分析大量文献以及总结近年来研究成果的基础上，给出超宽带 无线电概述。首先从超宽带无线通信的基本物理概念入手，分析超宽带无线电 信号的特点，并将超宽带无线电这种特殊的通信技术和常规无线电( 基于正弦 载波的无线电) 进行了比较，从而阐明超宽带无线电独特的性能及优势；最后 对超宽带通信的历史和国内外发展现状做了详细的介绍。 1 1 超宽带无线通信概念、实现方式及主要优势 1 1 1 超宽带无线通信的概念 超宽带技术是当前国内外军事通信及民用短程高速无线传输的一个新技 术，它在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域具 有广阔的应用前景【1 1 2 】。应用于雷达和通信的超宽带技术的产生可回溯n 2 0 世 纪6 0 年代。1 9 6 4 年，r o s s 在博士论文中采用微波电路( 包括宽带天线结构) 证 实了发射和接收短脉冲信号的可能性。比较明确的关于“超宽带( u l t r a w i d e b a n d ) ”的概念曾经两次被提出，第一次是由美国国防高级研究计划局于 1 9 9 0 年提出的【”，其定义是将信号相对带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 大于2 5 的 任何波形称之为超宽带信号，也就是说发射信号的3 d b 带宽大于中心频率的 2 5 。这里，信号的相对带宽是指2 ( 厶一兀) ( 厶+ 五) ，其中，厶表示信号高 端频率，力表示信号低端频率，( 名，力) 表示信号带宽，即有 ，一，、 ，一， 信号的相对带宽= 竺警掣= 生毕o 2 5( 1 一1 ) | h 七3lj q 式中，f o = ( 厶+ f l ) 2 为信号的中心频率。2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员会 p _ q 川火学硕士学位论文 ( v c c ) 重新给出了“超宽带”的两种定义 4 】，第一种定义是对其军方定义做了两 点修改，即将信号的带宽改为1 0 d b 带宽，也就是厶和五，分剐表示低于信号最 大发射( 包括天线的影响) 1 0 d b 处的高端和低端频率，别一处修改则是将信号 的相对带宽改为大于、等于0 2 ；第二种定又是不管其信号的稆对带宽为多少， 只要其信号的1 0 d b 带宽大于或等于5 0 0 m h z ，都统称为超宽带信号。目前，超 宽带信号的定义主要以2 0 0 2 年2 月的定义为准。 1 1 2 超宽带无线通信的两种主要实现方式 “超宽带”是从信号带宽的角度定义无线电信号，没有指明相应的实现方 式。当前，“超宽带无线”的主要实现方式有采用冲激无线电( i r ，i m p u l s er a d i o ， 又称脉冲无线电，p u l s er a d i o ) 技术 5 - 7 和多频段技术( m u l t i b a n d ) 8 - 1 1 2 0 1 1 2 i 冲激元线电技术( i r ) 冲激无线电技术是以占空比很低的冲激脉冲( 宽度为纳秒级的窄脉冲) 作 为信息载体的无线电技术。典型的冲激无线电直接发射冲激脉冲串，不再具有 传统的中频和射频的概念，此时发射的信号可看成基带信号( 依常规无线电而 言) ，也可看成射频信号( 从发射信号的频谱分量考虑) 。信号的带宽主要由脉 冲波形决定( 发射天线通常作为带通滤波器) 。一个信息符号可映射为数个到数 百个这样的脉冲。由于脉冲的宽度很窄，发射信号具有很宽的频谱，其时域脉 冲( 此处的脉冲为高斯一阶导数脉冲) 和其频谱见图1 1 所示。采用冲激无线 电技术的典型超宽带收发信机的功能框图示于图1 2 。 四川大学坝士学位论文 厂 复 1 。1 。 b 勺 h 0o 卫0 0 口。b g “固如) 图1 1 脉冲波形和频谱图 图1 2 采用冲激无线电技术的典型超宽带收发信机的功能框图 这种通信系统采用跳时脉冲位置调制( t i m e h o p p i n gp u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ) 0 2 1 。在发送端，基带信号和伪随机序列共同控制窄脉冲产生器， 将信息符号映射为脉冲的发射时延，然后经天线发射；在接收端，由本地产生 的伪随机脉冲序列与接收信号相关，然后经基带信号处理完成信号解调，恢复 四川大学硕士学位论文 得到原始信息。 除了上面介绍的跳时脉冲位置调制外，跳时脉冲幅度调制( t i m e h o p p i n g p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) b 2 也是一种典型的调制方式。它将信息符号序列映 射为发射脉冲的幅度变抉，包括脉冲的幅度大小和极性。也可以不用跳时序列， 而采用在直接序列扩谱中的伪随机序列对发射脉冲进行编码调制【l ”。图1 3 给 出了p p m 调制和两极性幅度调制的两种冲激无线电信号。 0 5 o o _ 5 0o11 0110 弋m 一h j 一 厂， 图1 3 两种冲激无线电调制信号波形 1 1 2 2 多频段( m u l t i - b a n d ) 调制 随着超宽带技术的发展，出现了一些新的超宽带技术，其中最具代表性的 是m u l t i - b a n d 技术，m u l t i - b a n d 技术是一种不同于冲激无线电的超宽带实现方 式。根据美国f c c 对u w b 技术的定义，信号带宽超过5 0 0 m h z 的信号，都认 为是超宽带信号。所以采用冲激脉冲并不是实现超宽带通信的唯一途径。 m u l t i - b a n d 技术就是把整个超宽带频段划分为多个子频段，每个子频段的带宽 不低于5 0 0 m h z ，发射信号的频谱是由多个子频带组成，所以称为m u l t i b a n d 调制方式。超宽带无线电m u l t i - - b a n d 调制信号时频示意图如图1 4 所示，图中 共化分了8 个子频带。 多频段超宽带有着许多相对于冲激无线电的优点 1 3 1 , 它不仅可以细化传输 四j i i 大学硕士学位论文 功率谱密度( p s d ) 的控制，当遭遇谱覆盖时可以增大平均传输功率，而且还大大 减轻了对模数转换器( a d c ) 的要求，对于接收机中的r a k e 接收也相对简单。 在多频段超宽带中，子频段的形成不只单用冲激脉冲来产生，它可以允许包括 直接序列扩频、o f d m 和编码脉冲调制的选择结合使用产生。图1 5 给出了冲 激无线电和多频段超宽带两种实现方式时域波形和频域的比较。 图1 4 多频段u w b 频谱 必川大学颂士学位论文 图1 5 冲激无线电和m u l t i - b a n d 调制信号的时域和频域表示( 上图：冲激无线电，下图： 超宽带多频段技术) 1 1 3 超宽带无线通信与常规无线电通信相比所具有的主要优势 与常规无线电技术相比，超宽带无线通信的优势很多。主要有以下几个方 面： ( 1 ) 非常简单的收发信机结构和硬件电路。根据超宽带无线电的信号模型1 4 j 可知，超宽带无线电实质上是以占空比很低的冲激脉冲作为信息载体的无载波 扩谱技术【l4 j 。典型的超宽带无线电直接发射脉冲串，不再具有传统的中频和射 频电路，此时超宽带无线电的信号可以看成为基带信号( 依常规无线电而言) ， 也可看作射频信号( 从发射信号的频谱考虑) 。以超宽带无线电为传输手段对 于减小通信系统的体积、降低能源消耗具有特别的意义。 ( 2 ) 隐蔽性好。超宽带无线电“扩谱”的机理是将信息符号映射为占空比很 低的冲激脉冲串，功率谱密度很低【l 5 1 ，带宽很宽，例如，可将8 k b p s s 的数据 四j i l j 学硕士学位论文 信号，映射为带宽为2 g h z 的发射信号( 采用o 5 n s 的脉冲) ，这种特性利用 传统的正弦无线电很难得到。功率谱密度低，较好的信号隐蔽性极大的提高了 超宽带无线通信系统在军事应用中的生存能力。 ( 3 ) 处理增益高。冲激无线电中处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每 个比特所用脉冲数，很容易就可以做到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益。 例如，一个2 g h z 1 0 m p p s 的超宽带链路传输8 k b p s 的数据，以o 5 n s 的脉冲宽 度和l o o n s 的脉冲重复间隔产生的占空比为o 5 ，获得第一部分处理增益为 2 3 d b ；1 0 m p p s 8 k b p s 为每信息比特1 2 5 0 个脉冲，获得第二部分处理增益为 3 l d b ；从而，系统总的处理增益为5 4 d b 。 ( 4 ) 多径分辨能力强。由于传统正弦载波无线电通信的射频信号大多为连续 信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径效应限制了通信质量和传输速率。 由于超宽带无线电发射的是持续时间很短的冲激脉冲且占空比很低，多径信号 在时间上是可分离的。多径脉冲要在时间上交叠，其多径传输路径长度应小于 脉冲宽度与传播速度的乘积。由于多径脉冲信号在时间上不重叠，就很容易分 离出多径分量，如采用商效的r a k e 接收，可以充分利用发射信号的能量 1 6 - 1 7 】， 在低功率下可以传输更远的距离。 ( 5 ) 传输速率高。目前，常规无线电的数据传输速率仍不能令人满意，而从 信号传播的角度考虑，超宽带无线通信由于能有效的减小多径传播的影响，并 且具有很宽的带宽，从而使得可以传输高速率数据。 ( 6 ) 空间传输容量大。根据i n t e l 公司的研究报掣1 8 】，i e e e8 0 2 1l b 的空间 容量为l k b p g 平方米，“蓝牙”的空间容量为3 0 k p b “平方米，i e e e8 0 2 1 l a 的 空间容量为8 3 k p b s 平方米，超宽带无线通信的空间容量为1 0 0 0 k p b s 平方米。 可见，在空间容量方面，超宽带无线通信比现有类似系统具有更大的优势。 ( 7 ) 与其它系统良好的同频段共存性。“共存性”包含两个方面的内容：在 相同的频带上，本通信系统不影响其它系统的正常工作，同时，其它系统也不 影响本系统的运行。前者，超宽带无线电的功率谱本身就很低，另外还可通过 限制超宽带信号的辐射能量实现( 事实上，超宽带冲激无线电的干扰比较小， 有时甚至可以忽略 1 9 】) ，后者由超宽带冲激无线电的时频特性和高处理增益很 容易做到，即超宽带系统可以在其它系统已被占用的频带上正常工作，而对其 四川大学硕士学位论文 无须给以限制。这是超宽带无线电的显著特点之一。与其它系统良好的同频段 共存性使得超宽带无线通信系统可以在电磁环境复杂的环境稳定可靠的工作， 同时对其他系统的影响非常小，比如用于交通监测；楼宇、家庭内部；医疗器 材众多的环境，可以很好的解决电磁兼容问题。 ( 8 ) 测距、定位能力f 出色。由于超宽带无线电直接发射冲激脉冲，其宽带 为纳秒级( 甚至小于1 纳秒) ，可以方便的实现定位功能，其定位精度高达厘米 级。在很多通信网络的应用中，都需要提供定位g p 踪服务，通常利用g p s 实 现。而在实际中，在一些情况下，特别是在室内，很难实现。这是采用传统无 线电的通信网络很难解决的问题。而采用超宽带无线电后，很容易实现精确的 定位( 相对定位) 。国外公司为军方开发的超宽带通信定位系统，己从实践上 证明了超宽带无线电定位的优越性能【2 0 】。 1 2 超宽带无线通信在军事通信和民用的研究现状及应用前景 1 2 1 超宽带无线通信在军事通信中的研究现状及应用前景 超宽带无线通信技术首先在美国军方和政府部门得到实质性关注。军用超 宽带无线通信技术的研究和开发的主要动因是利用超宽带信号的隐蔽性、抗干 扰性能、高数据传输速率和系统的多功能集成( 例如雷达通信集成、通信定 位集成) 等。其用途主要在战术电台和移动无线网网络。目前已开发成功多种 采用冲激无线电技术的军用超宽带无线通信、定位系统，工作频段包括：3 0 一 5 0m h z ，2 2 5 - - 4 0 0m h z ，1 3 0 0 1 7 0 0m h z ，2 2 0 0 - - 2 7 0 0 m h z ，5 4 0 0 - - 5 9 0 0m h z 和9 0 0 0 一1 1 0 0 0m h 等，信号带宽为2 0 - - 2 0 0 0m h z 。早在1 9 9 5 年，a e t h e r 公 司就在半年技术报告中 2 t 介绍了一种战场士兵定位通信网络：终端只有纽扣 大小，每个定位器能测定相互之间的距离，并共享网内信息资源。为了在一个 区域内能容纳很多定位器，系统采用了多分支和多节点。便携式指挥单元能在 网内的任何地点接入并查询网内任一终端。1 9 9 7 年，时域公司就已经在美海军 陆战队基地进行了超宽带无线电的现场演示，整个演示共开通了6 部电台，3 四川大学碳士学位论文 条链路，并全双工以3 2 k b i t s 的速率传输交换了数字图像。美国国防部为了开 发高速移动、多节点的超宽带a d h o c 无线网络，于0 1 年6 月，联合m s s i 公司、 t h a l e s 公司和r o c k w e l l 公司研制了战术无线网络实验系统，现场演示了数字话 音、数据和视频传输。2 0 0 2 年春季，美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 高科 技办公室( a t o ) 推出了极端环境网络( n e t e x ) 计划，它是一个军用个人无线通 信系统，在恶劣环境下可提供可靠连接，并能兼容新兴传感技术及通信系统。 超宽带无线通信在军事通信中的应用前景是可观的。现代通信正以数字 化、综合化、宽带化、智能化及个人化为发展方向，军事无线通信也不例外。 然而，宽带化一直都是无线通信发展最为迫切解决的问题，只有解决了宽带化 问题，才能提高数据传输速率，实现无线综合业务，达到真正意义上现代通信 要求。超宽带无线通信从定义上就规定了其宽带化，并能提供高的数据传输速 率，能有效解决军事无线通信中的宽带化、综合化问题。另外，由于战争一般 都是处于电磁环境十分复杂的环境下进行的，而超宽带频谱密度极低、处理增 益高，与其它窄带频谱在频域上交叠而不致互相干扰，使得超宽带无线通信能 以极强的生命力处于这种环境下，适应于复杂的数字化战场。 1 2 2 超宽带无线通信民用研究现状及应用前景 超宽带无线通信发展至今，民用研究也不断深入，商业化的通信产品已经 开始走向市场。目前，许多公司都已经有了自己开发的超宽带系统。时域公司 开发的系统主要有【2 2 1 ： ( 1 ) 全双工1 3 g h z 超宽带无线电系统，平均输出功率2 5 0 m w ，可变传输速 率3 9 k b p s 或1 5 6 k b p s 。已通过1 6 k m 通信距离的测试。 ( 2 ) 全双工1 7 g h z “w a l k i e t a l k i e ”系统，数据传输速率3 2 k b p s ，覆盖范围 9 0 0 m ，兼有测距功能。 ( 3 ) 单工2 0 g h z 数据链路，平均输出功率5 0 m w ，数据速率5 m b p s ，室内 隔墙传输距离1 0 m ，在无f e c 的条件下得到了0 误码率；时域公司的部分产品 已开始向有权购买的警察和安全组织出售。 9 四川丈学硕j ：学位论文 多频谱公司也不示弱，它拥的系统主要有【2 3 】： ( 1 ) 手持式超宽带全双工话音数据收发信机，l 波段( 1 5 g h z ) ，瞬时带宽 4 0 0 m h z ，带宽比2 7 。 ( 2 ) 低截获，检测地面波通信系统：用于严重干扰环境，非视线超宽带话音 数据无线电。证明了超宽带无线电穿透树叶和障碍物的能力以及在高密度电磁 干扰环境中抑制干扰的能力。 ( 3 ) 非对称视频指挥控制超宽带收发信机：传输输率2 5 m b p s ，用于传输压 缩视频、指挥和控制信息。1 3 1 7 g h z ，2 7 带宽比，4 w 峰值功率。 ( 4 ) 超宽带战术a dh o c 无线网络：高移动性，多节点，提供安全、低截获 检测概率，支持加密话音数据( 至1 2 8 k b p s ) 和高速视频( 1 5 4 4 m p b s ) 传输。 除了多频谱公司、时域公司等率先从事超宽带技术开发的公司外， x t r e m e s p e c t r u m ，i b m 、i n t e l 、m o t o r o l a 、t i 、j v c 、p a n a s o n i c 、s o n y 、和s h a r p 及新加坡的c e l l o n i c s 等大公司相继展开了超宽带技术的研究和开发，一些公司 已开发出超宽带无线电芯片。x t r e m e s p e c t r u m 公司在2 0 0 2 年6 月( f c c 发布 超宽带使用新规则后四个月) 发布了他的x s l l 0 0t r i n i t y 系列芯片，包括单 片的m a c 控制器芯片、基带处理芯片、射频收发芯片、低噪声放大器( l n a ) 芯片、超宽带天线，这是第一家提供消费类电子产品应用商业化的超宽带技术 完全解决方案且符合f c c 对非申请频段使用规则，该方案支持点对点和a d - h o c 网络连接，它采用二相调制超宽带技术和i e e e8 0 2 1 5 3 的m a c 协议，传输速 率最高可达1 0 0 m b p s 。d t c ( d i s c r e t e t i m e c o m m u n i c a f i o n ) 公司利用m u l t i b a n d 技术实现高达2 0 0 m b p s 的传输速率的无线个人通信网络技术。 超宽带无线通信在民用领域亦具有巨大的市场前景，美国f c c 预言，超宽 带技术可能会带来一个全新的产业。目前，为满足低廉的宽带i n t e r n e t 无线 接入和宽带多媒体业务增长的需要，民用超宽带无线通信研究主要是建立短距 离家庭、办公室以及学校的宽带无线网络。美国f c c 已经批准超宽带技术的部 分应用领域和相应的频段划分见表1 1 。各频段的有效全向发射功率( e i r p ) 限制分别见图i 6 所示。 删川大学硕士学位论文 表1 1 f c c 授权的超宽带技术的应用领域和使用频段 应用领域 使用频段 透地雷达成像系统9 6 0m h z 以下，3 1 1 0 6g h z 墙内成像系统9 6 0m h z 以下，3 1 1 0 6g h z 穿墙成像系统9 6 0m h z 以下，1 9 9 1 0 6g h z 医疗系统 监视系统1 9 9 1 0 6g h z 汽车雷达系统 2 4 0 7 5g h z 以上 通信与测量系统 3 1 1 0 6g h z e 季 自 频率g ( a ) 四川大学硕士学位论文 善 自 柑撅率ghz ( 6 ) 图1 6f c c “f i r s t p , e p o r t a n d o r d e r ”对超宽带系统的有效全向发射功率( e i r p ) 限制 ( 口) 室内限制，( 6 ) 室外限制 1 3 论文的内容安排 本文在引入了超宽带无线通信概念和介绍完超宽带无线通信特点之后，主 要介绍了以下内容。 在本论文的第二章介绍超宽带无线通信系统的测距定位技术，超宽带通信 由于其信号特点有着比常规通信系统更优秀的测距定位能力。 第三章介绍无线通信的一些位置估计算法，并分析比较目前定位算法的不 同特点。 第四章是文章的主体，提出了一种新的适于超宽带通信网络的测距方法， 详细介绍了其基本原理、性能，并给出了举例说明、仿真结果，比较说明了该 方法的优势。 第五章是结束语，主要总结了文章的主体内容，指出了本文所描述方法有 待研究的问题和发展方向。 四川大学硕士学位论文 2 超宽带无线通信的测距定位技术 2 1 测距技术概述 2 1 1 测距技术简介 “测距”定义为计算从一个参考节点到一个目的节点的距离。在网络中， 参考节点希望得到关于目的节点的距离信息，可以通过建立一条到达目的节点 的链路来获得。这条通信链路用来计算那些参考节点估计自己到目的节点距离 的参数值。参数大多是在信道衰落或传播时延的基础上定义的，有关这方面的 内容我们将在后面几节中进一步描述。图2 1 绘出了一个测距和定位的例子， 图中节点a 、b 、c 构成一个坐标系，d 为目的节点。如果各参考节点的坐标 已知，那么就可以得到目标节点d 的绝对位置信息；如果各参考节点的坐标未 知，那么可以得到目标节点d 的相对位置信息。 y 0x 图2 1 测距、定位示意圈 测距是估计发送节点和接收节点之间的距离。给定传输信号s ( t ) ，相应的 接收信号为： r ( t ) = h ( t ) 4j ( ，) + n ( t ) ( 2 1 ) 朋j i i 大学颂士学位论文 ( f ) 是信道冲激响应，胛( f ) 是热噪声。假定信号在一个理想信道上传播， 该理想信道假设为“超宽带无线电多径信道”【2 4 】，信道冲激响应表达式如下： h ( t ) = a ( d ) 8 ( t f ( d ) ) r 2 2 、 接收信号可以表示如下： ， r ( t ) = a ( d ) s ( t f ( d ) ) + 厅o ) r 2 3 、 式( 2 。3 ) 表明：距离d 从衰减a ( d ) 或时延f ( d ) 中都可以估计得到。使用两 者中的哪一个决定了估计距离的方法：接收信号强度( r s s i ，r e c e i v e ds i g n a l s t r e n g t hi n d i c a t o r ) 法或到达时间( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 法”。 r s s i 这种方法是通过测出接收信号的场强值，在己知信道衰落模型及发射 信号场强值的前提下估算出收发信机之间的距离。由于距离和衰减之间的关系 依赖于信道特性，要可靠地估计距离就必须有一个精确的传输模型。收发信机 的移动性和信道行为不可预知的变化，就成了摆在我们面前的一个现实问题 口6 1 。另外。硬件的局限性给r s s i 方法引入了一个附加的错误源头，尤其是发 射机必须正好以参考功率发射信号才能得到正确的距离信息，如果发射功率和 参考功率之间存在偏差将会引起距离估计上的系统性误差【2 7 1 。总之，r s s i 不是 非常精确的方法，它仅限用于粗糙测距。 t o a 技术是基于发送机和接收机之间的传播时延来计算距离。电波的传播 速度为光速c ，假设信号从某参考节点到目的节点的时间为t ，则两者间的距离 为c t 。t o a 方法是在雷达领域中使用最为普遍的距离估计方法，也正因为这个 原因，术语“t o a ”经常跟“测距”互换使用。 2 i 2 超宽带无线通信用于测距的优势 超宽带无线通信具有许多与其他无线通信系统完全不同的特点，因此将超 宽带无线通信用于测距和定位具有很多其他无线定位方式不具备的优势，具体 阐述如下： ( 1 ) 在一些实际使用情况下特别是在室内和障碍物比较多的环境下，大多数 常规测距定位手段，比如g p s 很难完成测距和定位。障碍物的阻挡是采用传统 删川大学硕士学位论文 无线电的通信网络很难逾越的问题，然而由于超宽带无线通信具有良好的穿透 能力，可以很好的完成室内和障碍物遮挡环境下的测距和定位。 ( 2 ) 在t o a 方式的下，如果我们可以得到脉冲的准确到达时间，那么就可以 精确地测量出脉冲发射源距离接收机的距离。在采用发射脉冲方式的u w b 系统 中，所使用的脉冲的持续时间很短，可以使采用这种方式的u w b 系统具有很高 的测距精度。因此这种方式的u w b 系统是用于测距和定位的理想选择。脉冲的 持续时间与传输信号的带宽成反比。根据f c c 的规定，u w b 系统的可用带宽可 达7 5 g h z ( 见表1 1 1 ，所以脉冲的最大时间分辨率为1 3 3 p s ，因此脉冲到达时传输 时间的误差最大为1 3 3 p s ，对应到空间位置为4 c m 的偏差。如果u w b 信号的带宽 为5 0 0 m h z ，则相应的时间误差为2 n s ，而空间距离偏差为6 0 c m 。因此，对于任 意的u w b 信号，只要到达各个信号源的时间和空间误差不存在明显的衰减，都 能够完成距离偏差在厘米级的定位过程。 2 2 基于t o a 测距定位方法及实例 2 2 1 基于t o a 测距定位方法的理论 无线通信中时延估计是个关键的讨论热点，要求能够使用时延估计来完成 发送和接收之间的信号同步。对于这个问题在许多文献中提到了几种解决的办 法。他们大多数源于m l 估计。该估计准则描述如下： 假设噪声为a w g nh ( f ) ，时延r 的m l 估计( 记为i 。) 对应于使m l 函 数达到最小时的f 值。可以表示为口8 1 ： f 。p ，= a r ；璺i n ( e 一击l f ( ，p 卜“，_ 啪 c z 一4 ， 0 是噪声的双边p s d ，是观测时间间隔，在这个时间间隔里完成估计。 近似m l 估计器的一个普通同步方案是被称为迟早门( e a r l y l a t eg a t e ) 四川大学硕士学位论文 的同步器。为了理解这种方法是怎样工作的，我们考虑一个周期为t 的矩形脉 冲s ( f ) ，如图2 2 所示。 s ( t ) 1 ot 图2 2 周期为t 的矩形脉冲 众所周知，匹配滤波器对应于输入s ( r ) 的输出r 。( f ) 是s ( t ) f l c j 自相关函数在 时间上的平移，它的最大值会在善2t 处取得。如图2 3 所示2 5 1 。 r g ) 1 0t t 图2 3 匹配滤波器关于图2 2 所示输入信号的输出 注意：月s ( 善) 可以表示为相关接收机的输出，见参考文献2 4 1 。峰值可以通 鲤j l i 大学硬士学位论文 过在善= 丁处对r ，( 善) 抽样获得。 迟早门同步器利用了r ( 亭) 的对称性，即月一( r 一占) 2 r 一( r + 扪。同步器针 对相关接收机积分器的输出，在以其峰值对称的f = t - 巧和善= t + g 时刻进行 抽样，得到r s ( 善) 在期望峰值附近两个对称位置的取值。然后同步器计算下面 的值： 衄= r s 盯一占) 一r s ( r + 占) ( 2 5 ) 当达到理想同步时，r s ( 丁一占) 和r r ( 丁+ 占) 是相等的，丝= 0 。反之，若有 未知的时延出现在接收信号中，同步器提取到的两个值就不