UWB定位,新一代的精确定位技术

超宽带UWB无线定位技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低，尤其是能提供非常精确的定位精度等优点，而成为未来无线定位技术的热点和首选。文章将 UWB定位技术与其他无线定位技术就定位环境和精度等方面进行了综合比较，探讨了 UWB 定位技术的理论基础和发展现状，最后对 UWB 无线定位的未来应用前景进行了展望。0、引言 随着无线通信技术的发展，21 世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如 WiFi、 WiMax、 Ad BlueTooth 和 UltraWideBandUWB， ZigBee、 hoc、在办公室、家庭、工厂、公园等大众生活的方方面面得到了广泛应用，基于无线网络的定位技术的应用更加具有广阔的发展前景。根据投资银行 Rutberg 公司、无线数据研究集团和国际数据公司等的预测，网络新技术将在未来的 3 年内达到几百亿甚至上千亿美元的营业收入，而无线定位技术的应用将在其中占有至少上百亿美元的份额。 除了全球定位系统GPS在导航和室外环境的应用定位以外，人们对室内定位、短距离定位等应用不甚了解。未来无线定位技术的趋势是室内定位与室外定位相结合，实现无缝的、精确的定位。现有的网络技术还不能完全满足这个要求，而 UWB 技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为未来无线定位技术的热点。1、UWB 的定位优势 无线定位技术和方案很多，常用的定位技术包括红外线、超声波、射频信号等，但都不适合室内定位。红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，不能用于室内环境；而射频信号普遍用在室外定位系统中，应用于室内定位存在局限。 GPS 是目前应用最为广泛的室外定位技术，它是 20 世纪 70 年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要利用几颗卫星的测量数据计算移动用户位置，即经度、纬度和高度。一般用于车辆导航和手持设备。在此基础上，还出现了增强型 GPS，辅助 GPS 等技术，它们可以广泛用于航空、航海和野外定位等领域。利用 GPS 进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，定位导航信号免费；缺点是定位信号到达地面是较弱，不能穿透建筑物，因此不适合室内定位，此外定位器终端的成本较高。GPS 所能达到的定位精度范围在5m-20m。 当前比较流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE802.11 的一种定位解决方案。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低，但 Wi-Fi 收发器只能覆盖半径 90m 以内的地理区域，很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗较高。 蓝牙技术应用于定位，与 Wi-Fi 有很多相似之处，主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库；同样有定位误差不稳定，受噪声信号干扰大的缺点。 由此可见，随着定位技术的发展和定位服务需求的不断增加，无线定位技术必须克服现有技术的缺点，满足以下几个条件：a高抗干扰能力；b高精度定位；c低生产成本；d低运营成本；e高信息安全性；f低能耗及低发射功率；g小的收发器体积。 以上几种技术方案，都不可能完全满足这些要求。而 UWB 用在无线定位上，能够基本满足上述要求，因此成为未来无线定位的首选。UWB 是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术。UWB 信号是带宽大于 500MHz 或基带带宽和载波频率的比值大于 0.2 的脉冲信号UWBWG， 2001， FCC 规定 UWB 的频带从 3.1GHz10.6GHz， 具有很宽的频带范围，并限制信号的发射功率在-41dBm 以下。由此可见，UWB 聚焦在两个领域的应用上，一是符合 IEEE802.15.3a 标准的短距离高速数据通信，即无线无延迟地传播大量多媒体数据，速率要达到 1OOMbit/s-500Mbit/s；另一个是符合 IEEE802.15.4a 的低速低功率传输，用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、工业自动化、传感器网络、家庭/办公自动化、机器人运动跟踪等。UWB 信号的特点说明它在定位上具有低成本、抗多径干扰、穿透能力强的优势，所以可以应用于静止或者移动物体以及人的定位跟踪，能提供十分精确的定位精度。2、UWB 定位技术 2.1 理论基础 UWB 定位技术属于无线定位技术的一种。无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法，即定位算法。目前最常用的定位技术主要有：时差定位技术、信号到达角度测量AOA技术、到达时间定位TOA和到达时间差定位TDOA等。其中，TDOA 技术是目前最为流行的一种方案，除了用于 GSM 系统，在其他诸如 AMPS 和 CDMA 系统中也广泛应用，UWB 定位采用的也是这种技术。 2.2 方案讨论 通常，UWB 定位系统设定几个定位参考点根据实际需要，以接收待测点数量上百发出的高斯脉冲信号。为了避免信号发生碰撞，每个待测点都有自己的代码序列。当一个高斯脉冲中代码序列被参考点收到时，它将在一个时间整合相关器内与当前产生的一个对照序列作比较。当收到信号的位移与对照信号相吻合，即出现一个相关高峰信号。这样就容易判断是否收到正确的代码序列。处理接收到的脉冲序列得到接收时间，从而利用节 2.1 的算法计算得到待测点的坐标。 上述系统存在许多误差源。 从 发送端的误差包括待测点传送代码序列的处理时间、 MAC层到信道的等待时间以及在物理层比特的传输时间；空间传播误差主要是无线链路的传播环境带来的时延；接收端误差包括物理层比特的接收时间和代码序列传送到应用层的时间。此外，还有 NLOS 影响、接收噪声与参考点之间的同步以及求解方程带来的误差等，都是在设计系统时需要注意的问题。 目前美国海军已经开发了一种军用的 UWB 定位系统 PALPrecision Asset Location，在 L 波段工作，瞬时带宽可以达到约 400MHz。参考点使用高速隧道二级管检测器来进行UWB 脉冲的边缘检测，从而可以实现在多径环境中找到第一个到达的脉冲信息，通过优化算法算出待测点坐标。待测点有一个短脉冲发射器，峰值输出功率约 0.25W，数据包突发长度 40bits，发送周期 5s，发射器平均输出功率-79dB/MHz。这个功率比 FCC 规定的功率 该系统的试验已成功，还要低 38dB。 它在大型集装箱货物环境下可以达到理想的定位精度，但是在小型货物定位时，精度不够理想，改进的 PAL 系统的商用化正在进行之中。此外，美国 AetherWire 公司已经开发出最先进的芯片 Aether5 和 Driver2，它是基于 COMS 和UWB 频谱开发的，具有体积小、功耗低、穿透力强，不易被察觉和定位精度高等特点，现已广泛用于消防、反恐等重大领域。3、前景展望 采用 UWB 进行无线定位，可以满足未来无线定位的需求，在众多无线定位技术中有相当大的优势，目前的研究表明超宽带定位的精度在实验室环境已经可以达到十几 cm。此外，超宽带无线电定位，很容易将定位与通信结合，快速发展的短距离超宽带通信无疑将带动UWB 在定位技术的发展，而常规无线电难以做到这一点。虽然无线精确定位技术已有了多年发展，但目前超宽带技术正处于发展初级阶段，精确定位技术的商业化正在进行之中，定位算法还有待改进。随着超宽带技术的不断成熟和发展，市场需求的不断增加，相信不久超宽带定位技术就可以完全实现商业化，精确的超宽带定位系统将会得到广泛应用。uwbi like itUWBUltra-Wideband超宽带，一开始是使用脉冲无线电技术，此技术可追溯至 19 世纪。后来由 Intel 等大公司提出了应用了 UWB 的 MB-OFDM 技术方案，由于两种方案的截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定 UWB 标准的 802.15.3a 工作组没能在两者中决出最终的标准方案，于是将其交由市场解决。至今 UWB 还在争论之中。UWB 调制采用脉冲宽度在 ns 级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至 GHz，不需常规窄带调制所需的 RF 频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在 10 - 100 ps 级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB 信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低， 可同时发射多个 UWB 信号。 RF UWB 信号类似于基带信号，可采用 OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB 不同于把基带信号变换为无线射频 RF 的常规无线系统，可视为在 RF 上基带传播方案，在建筑物内能以极低频谱密度达到 100 Mb/s 数据速率。 为进一步提高数据速率，UWB 应用超短基带丰富的 GHz 级频谱，采用安全信令方法Intriguing Signaling Method。基于 UWB 的宽广频谱，FCC 在 2002 年宣布 UWB 可用于精确测距，金属探测，新一代 WLAN 和无线通信。为保护 GPS，导航和军事通信频段，UWB限制在 3.1 - 10.6 GHz 和低于 41 dB 发射功率。 UWBUltra Wideband无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短小于 1ns的脉冲进行通信的方式，也称做脉冲无线电 Impulse Radio、时域Time Domain或无载波Carrier Free通信。与普通二进制移相键控BPSK信号波形相比，UWB 方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于 1ns 的脉冲，因此这种通信方式占用带宽非常之宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。 UWB（UltraWideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB 能在 10 米左右的范围内实现数百 Mbits 至数 Gbits 的数据传输速率。UWB 具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线 LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。 UWB 技术最初是被作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域。2002 年 2月，美国 FCC 批准了 UWB 技术用于民用，UWB 的发展步伐开始逐步加快。 抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大 与蓝牙和 WLAN 等带宽相对较窄的传统无线系统不同，UWB 能在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲。较宽的频谱、较低的功率、脉冲化数据，意味着 UWB 引起的干扰小于传统的窄带无线解决方案，并能够在室内无线环境中提供与有线相媲美的性能。UWB 具有以下特点： 抗干扰性能强。UWB 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与 IEEE80211a、IEEE80211b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB 具有更强的抗干扰性。传输速率高。UWB 的数据速率可以达到几十 Mbits 到几百 Mbits， 也可以高于 IEEE802 有望高于蓝牙 100 倍， 11a和 IEEE80211b。 带宽极宽。UWB 使用的带宽在 1GHz 以上，高达几个 GHz。超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源。 消耗电能小。通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此要消耗一定电能。而 UWB 不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按 0 和 1 发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。 保密性好。UWB 保密性表现在两方面。一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。 发送功率非常小。UWB 系统发射功率非常小，通信设备可以用小于 1mW 的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。 在军用和民用领域均有广阔应用空间 由于 UWB 具有强大的数据传输速率优势，同时受发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输将是 UWB 的重要应用领域，如当前 WLAN 和 WPAN 的各种应用。总的说来，UWB 主要分为军用和民用两个方面。 在军用方面，主要应用于 UWB 雷达、UWBLPID 无线内通系统（预警机、舰船等）、战术手持和网络的 PLID 电台、警戒雷达、UAVUGV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体。民用方主要包括以下 3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器；汽车防冲撞传感器等；家电设备及便携设备之间的无线数据通信等。 特别是，UWB 在家庭数字娱乐领域大有用武之地。在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD、DVR、数码相机、数码摄像机、HDTV、PDA、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。未来“家庭数字娱乐中心”的概念是：将来住宅中的 PC、娱乐设备、智能家电和 Internet 都连接在一起，人们可以在任何地方更加轻松地使用它们。举例来说，家庭用户储存的视频数据可以在 PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看，可以自由地同 Internet 交互信息；可以遥控 PC，让它控制你的信息家电；也可以通过 Internet 联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。在这方面，应用 UWB 技术无疑是一个很好的选择。 目前 UWB 标准化的工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善，但它将可能成为新一代 WLAN 和 WPAN 的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入。专家指出，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。 与其它短距离无线技术的比较 从 UWB 的技术参数来看，UWB 的传输距离只有 10M 左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与 UWB 作一对比，从中更能显示出 UWB 的杰出的优点。常见的短距离无线技术由 IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。 1IEEE802.11a 与 UWB IEEE802.11a 是由 IEEE 制定的无线局域网标准之一，物理层速率在 54Mbps，传输层速率在 25Mbps，它的通信距离可能达到 100M，而 UWB 的通信距离在 10M 左右。在短距离的范围如 10M 以内，IEEE802.11a 的通信速率与 UWB 相比却相差太大，UWB 可以达到上千兆，是 IEEE802.11a 的几十倍；超过这个距离范围即大于 10M，由于 UWB发射功率受限，UWB 就性能就差很多目前从演示的产品来看，UWB 的有效距离已扩展到20M 左右。因此从总体来看，10M 以内，802.11a 无法与 UWB 相比；但是在 10M 以外，UWB 无法与 802.11a 相比。另外与 UWB 相比，802.11a 的功耗相当大。 2蓝牙Bluetooth与 UWB 蓝牙技术是爱立信、IBM 等 5 家公司在 1998 年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织SIG来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有 1800 多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为 10cm10m。它采用 2.4GHz ISM 频段和调频、跳频技术，速率为 1Mbps。从技术参数上来看，UWB 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但 UWB 的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比 UWB 优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着 UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在 UWB 刚出现时，把 UWB 看成是蓝芽的杀手，不是?挥械览淼摹?3HomeRF 与 UWB HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了 802. 11 规范中支持 TCP/ IP 传输的协议；而其语音传输性能则来自 DECT无绳电话 标准。HomeRF定义的工作频段为 2. 4GHz ，这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口，每秒跳频 50 次，即每秒钟信道改换 50 次。收发信机最大功率为 100mW ，有效范围约 50m，其速率为 1Mbps 至 2Mbps。写 UWB 相比，各有优势：HomeRF 的传输距离远，但速率太低；UWB 传输距离只有 HomeRF 的五分之一，但速度却是 HomeRF 的几百倍甚至上千倍。 总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争， 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说quotUWB 或取代某种技术quot这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。下面通过图表的形式把四者的区别罗列如下： UWB 蓝芽 802.11a HomeRF 速率（bps） 最高达 1G 1M 54M 12M 距离（米） 10 10 10100 50 功率 1 毫瓦以下 1100 毫瓦 1 瓦以上 1 瓦以下 应用范围 探距离多媒体 家庭或办公室 电脑和 Internet 网关 电脑、电话及移动设备 UWB 应用概述 UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于 UWB 具有巨大的数据传输速率优势， 同时受发射功率的限制， 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域，如当前 WLAN 和 WPAN 的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点；UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。总的说来，UWB 的用途很多，主要分为军用和民用两个方面。 在军用方面主要用于如下领域如 UWB 雷达、UWB L PI/ D 无线内通系统预警机、舰船等 、战术手持和网络的 PL I/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体；在民用方面，自从 2002 年 2 月 14 日 FCC批准将 UWB 用于民用产品以来， UWB 的民用主要包括以下 3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器imaging system ；汽车防冲撞传感器等vehicle radar system ；家电设备及便携设备之间的无线数据通信 communication and measurementssystem 。下面对两个重要应用展开论述。 UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位，例如使用 UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线 UWB 塔标和无线 UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线 UWB 漫游器和无线 UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量，再经往返或循环 时间的测量值的对比和分析，得到目标的精确定位。此系统使用的是 2.5 ns 宽的 UWB 脉冲信号，其峰值功率为 4W，工作频带范围为 1. 31. 7GHz ，相对带宽为 27 ，符合 FCC 对 UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线，其视距通信范围可超过 2 km。在建筑物内部，由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用，系统通信距离被限制在约 100 m 以内。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战士在城市环境条件下能够以 0. 3 m