UWB定位技术(1).ppt

1 江南大学物联网工程学院智能系统与网络计算研究所 第6章UWB定位技术 2 超宽带 UWB Ultra WideBand 技术是一种使用1GHz以上带宽且无需载波的先进无线通信技术 虽然是无线通信 但其通信速度可以达到几百Mbit s以上 由于不需要价格昂贵 体积庞大的中频设备 UWB冲激无线电通信系统的体积小且成本低 而UWB系统发射的功率谱密度可以非常低 甚至低于美国联邦通信委员会 FCC FederalCommunicationsCommission 规定的电磁兼容背景噪声电平 因此短距离UWB无线电通信系统可以与其他窄带无线电通信系统共存 第6章UWB定位技术 3 近年来 UWB通信技术受到越来越多的关注 并成为通信技术的一个热点 作为室内通信用途 FCC已经将3 1G 10 6GHz频带向UWB通信开放 IEEE802委员会也已将UWB作为个人区域网 PAN PersonalAreaNetwork 的基础技术候选对象来探讨 UWB技术被认为是无线电技术的革命性进展 巨大的潜力使得它在无线通信 雷达跟踪以及精确定位等方面有着广阔的应用前景 第6章UWB定位技术 4 6 1UWB简介6 2UWB定位技术6 3UWB定位应用6 4本章小结 第6章UWB定位技术 5 6 1 1UWB的定义6 1 2UWB的发展与现状6 1 3UWB技术的主要特点6 1 4UWB的关键技术6 1 5UWB与其他近距离无线通信技术的比较 6 1UWB简介 6 6 1 1UWB的定义 UWB的定义经历了以下三个阶段 第一阶段 1989年前 UWB信号主要是通过发射极短脉冲获得 这种技术广泛用于雷达领域并使用脉冲无线电这个术语 属于无载波技术 第二阶段 1989年 美国国防高级研究计划署 DARPA DefenseAdvancedResearchProjectsAgency 首次使用UWB这个术语 并规定若一个信号在衰减20dB处的绝对带宽大于1 5GHz或相对带宽大于25 则这个信号就是UWB信号 7 6 1 1UWB的定义 第三阶段 为了促进并规范UWB技术的发展 2002年4月FCC发布了UWB无线设备的初步规定 并重新对UWB作了定义 按此定义 UWB信号的带宽应大于等于500MHz 或其相对带宽大于20 这里相对带宽定义为 其中 fH fL分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率 fc是信号的中心频率 fc fH fL 2 如图6 1所示 8 6 1 1UWB的定义 图6 1超宽带信号与窄带信号的比较 9 6 1 2UWB的发展与现状 UWB的历史渊源 可以追溯到一百多年前波波夫和马克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 Ross及Robbins的美国专利于1974年发表 是UWB通信方面最早的里程碑式专利 10 6 1 2UWB的发展与现状 脉冲UWB技术在1989年被美国国防部确定为超宽带 UWB 技术 直至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通信的发展 随之而来的便是各种技术方案围绕国际标准的制定方面展开的激烈的竞争 2007年3月 ISO正式通过了WiMedia联盟提交的MB OFDM标准 正式成为了UWB技术的第一个国际标准 11 6 1 2UWB的发展与现状 目前已有超过20多家厂商开发推出了UWB芯片 应用开发平台和相关设备 其中走在前列的主要是美国的制造商 另外 也包括一些以色列 日本 英国 欧洲和中国台湾的企业 12 6 1 2UWB的发展与现状 与国外先进国家相比 我国的UWB研发起步相对较晚 从1999年开始 我国研究者开始关注UWB技术的发展 2001年 国家 863 计划启动了高速UWB实验演示系统的研发项目 经过遴选 由东南大学 清华大学 中国科技大学分别进行研发 各自提出方案 分别于2005年12月和2006年4月完成并通过验收 在2011年的中国国际信息通信展览会上 深圳国人通信有限公司推出了超宽带数字光纤分布系统 UW DDS 这是可实现多制式多业务共同接入 协同发展以及共建共享的最新解决方案 已在国家大剧院等处应用并获得巨大成功 13 6 1 3UWB的主要特点 结构简单隐蔽性好 保密性强功耗低多径分辨力强数据传输率高穿透能力强 定位精确抗干扰能力强 14 6 1 4UWB的关键技术 脉冲信号超宽带无线电中的信息载体为脉冲无线电 IR ImpulseRadio 脉冲无线电是指采用冲激脉冲 超短脉冲 作为信息载体的无线电技术 这种技术的特点是 通过对非常窄 往往小于1ns 的脉冲信号进行调制 以获得非常宽的带宽来传输数据 15 6 1 4UWB的关键技术 调制方式UWB无线通信的调制方式有两种 传统的基于脉冲无线电方式和非传统的基于频域处理方式 其中传统的基于脉冲无线电的调制方式又包括脉冲位置调制 脉冲幅度调制等 16 6 1 4UWB的关键技术 信道模型目前尚未有一个通用的UWB信道模型 IEEE802委员会关于UWB的信道模型提案主要有 Intel的S V模型 K模型 Win Cassioli模型等 其中修正后的S V模型被推荐为IEEE802 15 3a的室内信道模型 该模型能很好拟合UWB实验中得到的数据 已经得到广泛的认可 成为各研究机构进行UWB系统性能仿真的公共信道平台 17 6 1 4UWB的关键技术 天线设计UWB系统中 通常使用的是面天线 它的特点是能产生对称波束 可平衡UWB馈电 因此它能够保证比较好的波形 目前 UWB系统天线设计还处于研究阶段 没有形成有效的统一数学模型 18 6 1 4UWB的关键技术 收发信机设计图6 2UWB收发信机的基本结构 19 6 1 5UWB与其他近距离无线通信技术的比较 表6 1几种近距离无线通信技术的比较 20 6 2 1UWB的定位方法6 2 2基于时间的UWB测距技术6 2 3基于时间的UWB测距技术的主要误差来源6 2 4UWB信号时延估计方法6 2 5UWB定位算法实现6 2 6其他形式的UWB定位 6 2UWB定位技术 21 6 2 1UWB的定位方法 无线定位系统实现定位 一般是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 因此 按测量参数的不同 可将UWB的定位方法分为基于接收信号强度 RSS ReceivedSignalStrength 法 基于到达角度 AOA AngleofArrival 法和基于接收信号时间 TOA TDOA Time TimeDifferenceofArrival 法 22 6 2 1UWB的定位方法 基于接收信号时间法是由接收信号的传播时间来估计距离 相对于前两种方法 TOA方法有着不可比拟的优势 它的定位精度最高 可以充分利用UWB超宽带宽的优势 而且最能体现出UWB信号时间分辨率高的特点 有关TOA定位方法的基本内容已在3 2 1节论述过 在此不作赘述 由于TOA方法是雷达领域使用最为普遍的距离估计方法 术语 TOA 也经常跟 测距 互换使用 关于在UWB中使用TOA法定位的具体过程 将在下面几小节进行详细讨论 23 6 2 2基于时间的UWB测距技术 TOA测距双程测距 TWR TwoWayRanging 是指在节点间没有公共时钟的情况下 可以利用收发节点间的往返时间来估计这两个节点间的距离 如图6 3所示 节点A在T0时刻发送含有时间标记信息的包给节点B 等节点B和此时间标记信息做好同步后 便会回送一个信号给节点A 以表示同步完成 节点A根据收到的信号来决定传播时间 图6 3双程测距图解 24 6 2 2基于时间的UWB测距技术 TOA测距单程测距 OWR OneWayRanging 技术适用于节点间有一个共同的时钟的情况 这种方法可以直接估计节点间的传播时间 如图6 4所示 图6 4单程测距图解 25 6 2 3基于时间的UWB测距技术的主要误差来源 时钟同步精度TOA估计需要目标节点与参考节点之间的精确的时间同步 TDOA估计需要参考节点之间精确时钟同步 因此 非精确的时间同步将导致UWB系统的定位误差 但由于硬件的局限 完全精确的时钟同步是不可能的 26 6 2 3基于时间的UWB测距技术的主要误差来源 多径传播TOA估计算法中 经常用匹配滤波器输出最大值的时刻或相关最大值的时刻作为估计值 由于多径的存在 使相关峰值的位置有了偏移 从而估计值与实际值之间存在很大误差 27 6 2 3基于时间的UWB测距技术的主要误差来源 非视距传播 NLOS 视距 LOS 传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件 当两个点之间不存在直接传播路径时 只有信号的反射和衍射成分能够到达接收端 此时第一个到达的脉冲的时间不能代表TOA的真实值 存在非视距误差 28 6 2 3基于时间的UWB测距技术的主要误差来源 多址干扰在多用户环境下 其他用户的信号会干扰目标信号 从而降低了估计的准确性 减小这种干扰的一种方法就是把来自不同用户的信号从时间上分开 也即对不同节点使用不同的时隙进行传输 29 6 2 4UWB信号时延估计方法 相关函数法相关函数法是最基本的时延估计算法 用来检测两路信号的相关程度 在UWB系统中 相关接收机中会保留一定时长的脉冲信号 用来检测接收的信号 当接收机与发射机时钟同步时 就可以用相关法来检测信号的时延值 用相关函数法估计信号到达时间的系统框图如图6 5所示 图6 5相关函数法系统框图 30 6 2 4UWB信号时延估计方法 相关函数法如果发送的脉冲序列为其中p t 为UWB脉冲 Tf为帧周期 N为发送序列中脉冲个数 则经过多径信道后 接收信号表示为其中w t 为零均值加性高斯白噪声 通常情况下 认为在一个符号周期内信道是非时变的 31 6 2 4UWB信号时延估计方法 相关函数法在传统的相关算法中 对接收信号作相关运算 有对该式进行峰值检测 即检测信号R t 的最大值所对应的时间 即为所要的时延估计值 由于存在噪声 所以要进行多次试验 最后对每次估计的时延结果进行平均计算来提高估计性能 32 6 2 4UWB信号时延估计方法 三阶累积量方法三阶累积量方法可以解决相关函数法对高斯噪声敏感的问题 而且对相关高斯噪声同样有效 这主要是因为高斯噪声的三阶累积量理论上为0 四阶累积量方法MUSIC方法MUSIC算法是一种高分辨率的信号到达时间估计方法 实验证明 使用MUSIC方法能够在多径成分密集的情况下 解决传统相关算法中多径分辨率低的问题 也能解决三阶累积量法和四阶累积量法不能分辨更多多径的问题 33 6 2 5UWB定位算法实现 UWB定位算法中位置的估计就是求解定位方程组以获得目标所在位置坐标的过程 在获得信号的传输时间TOA后 可以根据球型定位模型建立方程组 三维定位至少需要四个参考节点 从而需要建立4个方程 在笛卡尔坐标系中 设参考节点i的坐标位置为 xi yi zi 目标节点坐标位置为 x y z 则根据每个参考节点到目标节点的距离可得出4个方程 其中 c是光速 ti为信号传输到第i个参考节点的传输时间 也即TOA 34 6 2 5UWB定位算法实现 几何方法几何方法又称为直接计算方法 将非线性方程组两边平方可得根据方程组可解得两组解 但是其中仅有一个点为待定位的目标节点 如果其中一个点坐标无物理意义或超出了待定位区域 可以舍去该点 如果求出的两个点坐标都是合理的且距离较近 可以选取该两点的中心位置作为待定位的目标节点的坐标值 35 6 2 5UWB定位算法实现 最小二乘法当时延估计中存在误差时 几何方法仍然适用 因为目标节点的位置是通过直接计算获得的 但此时一种更好的定位方法是进行统计 当存在测量误差时 多个球面 多个双曲面相交时存在多个交点 因此 通过统计能够获得比较理想的解 一般而言 从N个参考节点接收到的信号向量rm可以建模为其中 nm为测量的噪声向量 并设该噪声向量均值为0 协方差矩阵为 为待估计的参数向量 36 6 2 5UWB定位算法实现 最小二乘法求解式 6 52 的一种典型方法为最小二乘估计方法 为未知参数向量的非线性函数 一种比较直接的求解方法为使用梯度下降法迭代搜索函数的最小值 使用该方法需要给出目标位置的初始估计 然后根据下式进行更新 其中 为步长矩阵 为第k次估计值 指对向量进行求导 37 6 2 5UWB定位算法实现 DFP法目标函数定义为式中k为参考节点数目 ri为第i个参考节点到目标节点的距离 为目标节点的位置坐标 显然 目标函数为所有参考节点到目标节点测距误差的平方和 优化的目标是求目标函数的最小值 38 6 2 5UWB定位算法实现 泰勒级数展开法为了将式 6 52 表示的问题转换为最小二乘问题 可以通过泰勒级数展开法 TSP TaylorSeriesExpansion 将非线性函数线性化 将在初始位置处进行泰勒级数展开得到 其中 H为矩阵的雅可比行列式 则得到的最小二乘解为 在下一次递归中 令 重复以上过程 直到足够小 满足设定的门限 39 6 2 6其他形式的UWB定位 24GHzUWB定位调频连续波UWB定位声学超宽带定位及其推广 40 6 3 1UWB定位应用现状6 3 2UWB定位应用实例6 3 3UWB定位应用进一步研究方向 6 3UWB定位应用 41 6 3 1UWB定位应用现状 UWB测距应用雷达探测 成像和跟踪等应用业界UWB定位系统的发展 Ubisense7000系统 Localizers系统 Sapphire系统UWB定位的应用趋势 42 6 3 2UWB定位应用实例 基于Ubisense7000平台的仓储物流系统图6 8Ubisense7000系统定位原理示意图图6 9Ubisense软件平台结构 43 6 3 2UWB定位应用实例 基于Ubisense7000平台的仓储物流系统基于UWB技术的仓储物流系统以Ubisense7000定位系统为底层硬件平台 结合了UWB技术和RFID技术 利用以太网为骨干传输网 将仓库等仓储物流场所划分为多个监控单元 其网络结构如图6 10所示 图6 10仓储物流系统网络结构示意图 44 6 3 2UWB定位应用实例 基于TDOA测距技术的超宽带标签定位系统本系统采用一个独立时差计数器统一记录标签信号到达各基站的时间差 故基站间无须严格同步的参考时钟 避免了因参考时钟起点不同步带来的测量误差 从而在有效地提高定位精度的同时降低了系统实现复杂度 图6 11直接时差计数的TDOA定位系统 45 6 3 2UWB定位应用实例 基于TDOA测距技术的超宽带标签定位系统图6 12TDOA估计流程时序图 46 6 3 3UWB定位应用进一步研究方向 UWB定位的精确性和实时性高精度定位时的压缩感知复杂场景下的UWB定位与通信功能集成认知UWB定位与无缝定位 47 6 4本章小结 UWB技术是一种使用1GHz以上带宽且无需载波的最先进的无线通信技术 其关键技术包括脉冲信号的产生 信号调制 信道模型 天线设计和收发信机设计等等 相对于其他无线通信技术 UWB技术具有传输速度快 安全性高 系统结构简单等优点 也因此得到了越来越多的应用 48 6 4本章小结 基于接收信号时间法凭借其高定位精度等优势成为UWB定位技术中采用最广泛的定位方法 基于时间的UWB定位方法在定位过程中需要测量的参数为接收信号时间 进而计算出参考节点到目标节点的距离 最终确定目标节点的具体坐标 基于时间的UWB测距技术根据节点间是否有公共时钟可分为双程测距和单程测距 但易受到时钟同步精度 多径传播 非视距传播 多址干扰等因素的影响 为了最大限度地减小测距误差 需要采用合适的方法进行时延估计 如相关函数法MUSIC方法等等 在获得信号的传输时间之后 接下来便可根据参考节点的坐标和接收信号时间来联立方程组 以计算目标节点的具体坐标 可采用的计算方法有几何法 最小二乘法 DFP法 泰勒级数展开法等等 49 6 4本章小结 由于UWB具有高速率 低功耗和低成本的特点 因此它非常适