（通信与信息系统专业论文）uwb定位中的自适应时间延迟估计算法.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在简要介绍超宽带无线通信及综合分析文献的基础上，系统归纳了超宽 带无线通信中的主要定位原理，而t d e ( t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ) 是超宽带定 位的一个关键因素。本文在查阅了大量中英文参考文献的基础上，对一些已 有的基本的时间延迟估计方法进行了归纳和总结。 本文针对现有的最大似然加权的广义相关自适应时间延迟估计 ( l m s m l - l e a s tm e a ns q u a r e m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 方法计算量大的缺点，采 用滑动加窗的方法来改进l m s m l 算法，此方法是将自适应延迟锁定辨识器 ( a d d l d a d a p t i v ed i g i t a ld e l a yl o c kd i s c r i m i n a t i o n ) 与l m s m l 相结合，利 用时域窗函数对自适应滤波器的权矢量加以约束限制，使迭代过程只在窗口 范围内进行，从而有效的减小计算量，并保持了l m s m l 的收敛性能；在通 过滑动加窗l m s m l 自适应时延估计前，为了提高抗干扰能力，对接收信号 采用自适应噪声抵消滤波法来进行预处理滤波消除噪声，此方法是利用频域 上的自适应滤波器的最佳传输函数的解，通过参考输入经过滤波后的合成输 出与原始输入相抵消的过程，抵消某些噪声分量，使输出的信号具有很高的 信噪比。当参考输入经过滤波后的合成输出存在与原始输入完全相抵消的噪 声时，噪声抵消法能得到最大增益，这一方法有效的消除了噪声干扰使输出 信号的信噪比达到最大值，从而使估计精度更准确。因此改进的l m s m l 算 法在低信噪比条件下计算量更低，估计时延精度更准确。 关键宇：超宽带( u w b )广义相关自适应时间延迟估计 最大似然加权( m l )滑动加窗自适应噪声抵消 a b s tr a c t t h i sp a p e rg i v e sab r i e fr e v i e wo fu l t r a - w i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so nt h eb a s i so f1 i t e r a t u r e ，c o n c l u d i n gt h em a i nl o c a t i o n p r i n c i p l eo fu l t r aw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，h o w e v e r , ak e yf a c t o r so f u l t r a - w i d e b a n dl o c a t i o ni st d e ( t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ) t 1 1 i sp a p e ri s c o n d u c t e d c o n c l u s i o na n ds u m m a r yo ns o m ee x i s t i n gb a s i ce s t i m a t i o nm e t h o do f t i m e d e l a yb y c o n s u l t i n gd o c u m e n t i nv i e wo ft h ed e f i c i e n c yo f l a r g ec a l c u l a t i o no fa v a i l a b l em a x i m u ml i k e l i h o o d w e i g h t e dg e n e r a l i z e dc o r r e l a t i o na d a p t i v et i m ed e l a ye s t i m a t i o n ( l m s m l ) m e t h o d ， t h i sp a p e ru t i l i z e ss l i d i n gw i n d o wf o rl m s m lm e t h o dt oi m p r o v e t h i sm e t h o di s u t i l i z e dt h et i m e d o m a i nw i n d o wf u n c t i o nt ol i m i t e dt h ew e i g h tv e c t o ro f a d a p t i v e f i l t e rc o m b i n e dw i t ht h ea d d l da n dl m s m l 1 1 l i sc a nm a k ei t e r a t i v ep r o c e s s c a l c u l a t ei nw i n d o ws c o p et or e d u c et h ea m o u n to fc a l c u l a t i o na n dk e e pu pt h e c o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v et h ea n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y , t h e p r e t r e a t m e n ti sc a r r i e do u tt oe l i m i n a t en o i s eb yt h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l l a t i o nf i l t e r m e t h o db e f o r et h er e c e i v e ds i g n a lp a s s e st h r o u g hs l i d i n gw i n d o wl m s m l a d a p t i v e t i m ee s t i m a t i o n 1 1 1 em e t h o di su t i l i z e dt h es o l u t i o no fm o s to p t i m u mt r a n s m i s s i o n f u n c t i o no f a d a p t i v en o i s ec a n c e l l a t i o nf i l t e ro nf r e q u e n c yd o m a i n , w h i c hc o u n t e r a c t s s o m en o i s ec o m p o n e n tt om a k et h eo u t p u to f s i g n a lw i t hh i g hs n r ( s i g n a lt on o i s e r a t i o ) b yt h ec a n c e l l a t i o np r o c e s st h a tt h es y n t h e s i so u t p u ta f t e rt h er e f e r e n c ei n p u t t h r o u g hf i l t e r i n gc o u n t e r a c t st h eo r i g i n a li n p u t w h e l lm en o i s et h a tt 1 1 ee x i s t e n c e s y n t h e s i so u t p u ta f t e rt h er e f e r e n c ei n p u tt h r o u g hf i l t e r i n gc a n c e lt h eo r i g i n a li n p u t c o m p l e t e l y , t h en o i s ec a n c e l l a t i o ng e tm o s tg a i n ，t h i sm e t h o di sa ne f f e c t i v ew a yt o c a n c e ln o i s ei n t e r f e r e n c ea n dm a k et h es i g n a lo u t p u tt oa c h i e v em a x i m u ms n r s ot h a t e s t i m a t i o np r e c i s i o ni sm o r ea c c u r a t e l y s ot h ei m p r o v e dl m s m l a l g o r i t h mh a st h e l e s sc a l c u l a t i o na m o u n ta n dt h em o r ea c c u r a t ee s t i m a t i o nt i m ed e l a yp r e c i s i o nu n d e r c o n d i t i o n so fl o ws n r k e yw ords ：u l t r a - w i d e b a n d ；m a x i m u ml i k e l i h o o dw e i g h t e d ；g e n e r a l i z e d c o r r e l a t i o na d a p t i v et i m ed e l a ye s t i m a t i o n ；s l i d i n gw i n d o w ； a d a p t i v en o is ec a n c e l la t i o n 一一一 。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：1 兑霞 日期：2 。口p 弓 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：倪奄 一名：邹传乙胁抛胪歹 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 随着通信技术的不断发展，很多的民用和军用场合都需要精确的定位信 息。比如儿童搜寻、寻找失落的行李、跟踪和解救人员等。u w b 技术在下 列应用领域己显现出或估计会有很大的发展潜力： ( 1 ) 在室内的大型仓储、医院和一些实验室环境下，对物品、病人和相关 实验器材进行精确的定位跟踪，可以使仓储货物，病人的医护和实验等效率 大大提高。 ( 2 ) 在一些自然或人为的灾难现场进行搜救行动时，如在火灾、地震交通 事故和其他一些紧急事故现场时，借助于高精度的定位也可以使搜救工作起 到事半功倍的效果。 1 1 本选题的背景及意义 随着人类社会的不断发展，人们对无线通信的要求也在不断提高，希望 能够提供更高的数据传输速率和传输质量。然而，由于无线通信技术的发展， 各种无线通信系统相继出现，可利用的频谱资源日趋饱和。在这样的背景 下，超宽带( u w b u l t r aw i d eb a n d ) 技术又称为脉冲无线电技术，引起了人们 的重视，逐渐成为无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线 通信的关键技术之一扭m ，。 u w b 是一种无线载波通信技术，它不采用传统的正弦载波，而是利用 纳秒级的非正弦波脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽，可以从数h z 至 数g h z 。根据信道容量的香农公式可知，在信道容量一定的情况下，信号带 宽和信噪比可以互补。这样u w b 系统可以在信噪比很低的情况下工作，并 且u w b 系统发射功率谱密度也非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声 中，故具有功耗低、系统复杂度低、隐秘性好、截获率低、保密性好等优点， 能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。同时信号的传输速率高，可达 几十m b p s - 几g b p s ，并且抗多径衰减能力强，具有很强的穿透能力，能提供 准确的定位精度h ，。传统的几种定位技术，例如g p s 定位、基于蜂窝网的无 线定位等方法各有不同的局限性。因此基于u w b 的定位技术具有传统定位 技术无法比拟的优势，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为未来定位技术 的热点，因此对u w b 定位技术的研究是十分有意义的。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 超宽带定位的国内外研究现状 近年来，u w b 的研究在国际上倍受重视，各国都在致力于超宽带技术 及其产品的开发。在美国国防部重点技术计划中，己经连续几年把u w b 列 为研究计划项目中的重点课题。许多著名大学和实验室，如美国m i tl i n c o l n 实验室、l o sa l a m o s 国家实验室、o h i o 州立大学、g e o r g i a 理工学院、英国 r s r e 实验室等都开展了u w b 的研究。 美国a e t h e rw i r e l o c a t i o n 开发的l o c a l i z e r s 室内定位系统。该 系统是通过待定位的超宽带接收机和几个参考定位的收发信机之间进行脉 冲通信，通过监测信号中携带的伪随机码的时延来判断到不同参考点的距 离。该系统知道3 个以上的参考点就可以确定未知点的三维位置。目前美国 海军已经开发了一种军用的u w b 定位p a l ( p r e c i s i o na s s e tl o c a t i o n ) ，在l 波段工作，瞬时带宽可以达到约4 0 0 m h z 。参考点使用高速隧道二级管检测 器来进行u w b 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 2 5 w ，数据包突发长4 0 b i t s 发送周期5 s ，发射器平均输出 功率7 9 d b w m h z 。这个功率比f c c 规定的功率还要低3 8 d b 。该系统的试验 已成功，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p a l 系统的商用化正在进行之中。此外， 美国a e t h e r w i r e 公司已经开发出最先进的芯片a e t h e r 5 和d r i v e r 2 ，它是基于 c o m s 和u w b 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。 在u w b 定位技术上的研究主要有w i n 和s c h o l t z 提出多径u w b 环境下 的最大似然( m l ) 检测方法；c r a m e 等人基于c l e a n 算法提出了一种包含 t o a ，a o a 参数的u w b 信道模型；j o o n y o n gl e e 等人提出了在u w b 无线 链路上基于t o a 的范围测量方法。大多数u w b 定位系统的研究均基于单天 线传感器网络。t o m a s g p r a t t 等人提出了将阵列天线技术用于u w b 定位的 方法，改善了非视距( n l o s ) 环境下的性能，扩展了低s n r 下的定位范围， k e g e ny u 提出一种基于t o a 的u w b 定位和跟踪移动目标算法。我国在u w b 技术研究方面取得的成果主要集中在u w b 信号产生及有效辐射。电子科技 大学应用所在大功率窄脉冲产生器，超宽带天线等方面取得了进展；国防科 技大学、南京船舶雷达研究所开展了微功率冲击雷达研究；2 0 0 3 年1 0 月国 家无线电监测中心派人参加i t us g l 会议，讨论和研究u w b 电磁兼容等问 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 题：2 0 0 3 年信息产业部下达u w b 系统电磁兼容分析科学研究项目，国家无 线电监测中心承担，北京邮电大学协助；北京邮电大学、北京理工大学、东 南大学等研究u w b 系统的信号产生、r a k e 接收等技术，并获专利；国家十 五8 6 3 一期项目中关于u w b 电磁兼容问题的研究：2 0 0 4 年9 月2 8 首届u w b 中国论坛在北京召开；2 0 0 5 年l o 月1 2 日第二界u w b 中国论坛在香山饭店 召开；2 0 0 5 年1 1 月1 1 日，全国超宽带无线通信技术学术会议在南京召开。 以海尔集团和环旭电子集团为代表的中国企业在u w b 技术产品开发上 走在了世界的前列，与f r e e s c a l e 半导体有限公司合作展示并推出了u w b 高 清电视和家庭媒体中心等产品和系统，这标志着中国的企业在高新技术的应 用开发领域正在迈向世界先进行列。 1 3 现有u w b 定位技术中存在的问题 利用u w b 信号进行定位，最大的优势就是它的定位精度在理论上可达 厘米级，完全能够满足精确定位的需求。此外，超宽带信号还具有极强的穿 透能力，可在室内和地下进行精确定位，使定位系统的应用范围更广。目前， u w b 精确定位采用的算法主要是传统定位算法，定位精度可以达到 1 1 1 8 m 。但是这种精度对于小型货物的定位还远远不够，特别是在库房、 运输船的船舱等场合，因此，提高u w b 定位系统算法的精度具有重要意义。 尽管近年来已提出一些时延参数估计算法并用于u w b 定位中，但这些算法 存在诸多缺陷： ( 1 ) 现有的基本相关法计算简单，但是在信号噪声的谱特性不理想的情 况下效果不够理想，易于受到噪声的影响。 ( 2 ) 现有的广义相关时间延迟估计方法是以相关技术为基础，一类依据 某种最优准则对接收信号进行加权预处理，以改善基本相关法的时间延迟估 计性质的方法，进行广义相关加权的目的主要是对输入信号的功率谱密度进 行白化处理，以改善低信噪比条件下的时间延迟估计性能。但是广义相关时 间延迟估计算法也有其局限性：首先，广义相关时间延迟估计算法依赖于输 入信号和噪声的统计特性先验知识，如m l 加权实现最优的前提是已知信号 和噪声的功率谱分布，但在实际应用中这种先验知识是难于得到的，只能用 估值替代，故理论上最优方法也只能近似实现2 】其次，广义相关时间延迟 估计算法只适用于时间延迟为常数的情况，当因目标和接收器相对运动而引 起非平稳或时变的时延参数，此方法则无能为力了；最后，当信号中伴有周 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 期性或相关干扰时，广义相关时间延迟估计法的估计性能明显下降，以致不 能得到正确的时延估计结果m ，。因此，广义相关时间延迟估计方法的性能受 到显著的影响。 ( 3 ) 因此需要对现有定位算法进行改进，本文提出了改进的最大似然( m l ) 加权的广义相关自适应时间延迟估计方法。 1 4 本课题的主要内容 在简要介绍超宽带无线通信及综合分析文献的基础上，系统归纳了超宽 带无线通信中的定位原理，而时延估计( t d e t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ) 是超宽带 定位的一个关键因素。本文在查阅了大量中英文参考文献的基础上对一些已 有的基本的时间延迟估计方法进行了归纳和总结。 首先已有的广义相关时间延迟估计方法是以相关技术为基础，一类依据 某种最优准则对接收信号进行加权预处理，以改善基本相关法的时间延迟估 计性质的方法，进行广义相关加权的目的主要是对输入信号的功率谱密度进 行白化处理，以改善低信噪比条件下的时间延迟估计性能。广义相关理论框 架中的各种广义相关加权函数，基本上是输入信号自功率谱或互功率谱密度 函数的不同组合。因此广义相关时间延迟估计算法的有效工作，取决于对输 入信号统计特性先验知识的了解。然而，在实际应用中往往难于得到上述先 验知识，只能用功率谱的估计来代替，因此广义相关时间延迟估计方法的性 能受到显著的影响。 其次已有的自适应时间延迟估计方法一般不依赖于输入信号和噪声的 统计先验知识，它可以在迭代过程中不断调整自身的参数和结构，尤其适用 于信号与噪声统计特性未知的条件下，动态跟踪时变的时间延迟；并且自适 应滤波器设计简单，计算复杂度低，易于实现。此外，如果考虑一些特殊结 构，自适应时间延迟估计方法还可以有效抑制信号中伴随的加性噪声和周期 性干扰。现有的l m s 自适应时间延迟估计( l m s t d e l e a s tm e a ns q u a r e st i m e d e l a ye s t i m a t i o n ) 是一种自适应的时间延迟估计方法，它不依赖于有关信号与 噪声的统计先验知识，通过在其参考通道中插入一段与基本通道时间延迟相 等的延迟，可以实现两路信号的最大的相关性，并且使系统的均方误差达到 最小。但是l m s t d e 的收敛速度较慢，在低信噪比条件下时间延迟估计精度 较低。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 因此把广义相关法和l m s t e d 法的各自特点结合起来，通过改变权函数 就可以得到各种形式的自适应时问延迟估计。故一种最大似然加权的时延估 计法被g c c a r t e r 等人于1 9 7 6 年提出的”，但是此方法的计算量大，并且难 以消除其它噪声信号的干扰，本文将针对上述问题做进一步改进。 本文针对现有的最大似然加权的广义相关自适应时间延迟估计 ( l m s m l l e a s tm e a ns q u a r e m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 方法计算量大的缺点，采 用滑动加窗方法来改进l m s m l 算法，此方法是将自适应延迟锁定辨识器 ( a d d l d - a d a p t i v ed i g i t a ld e l a yl o c kd i s c r i m i n a t i o n ) 与l m s m l 相结合，利 用时域窗函数对自适应滤波器的权矢量加以约束限制，使迭代过程只在窗口 范围内进行，从而有效的减小计算量，并保持了l m s m l 的收敛性能；在通 过滑动加窗l m s m l 自适应时间估计前，为了提高抗干扰能力，对接收信号 采用自适应噪声抵消滤波法来进行预处理滤波消除噪声，此方法是利用频域 上的自适应滤波器的最佳传输函数的解，通过参考输入经过滤波后的合成输 出与原始输入相抵消的过程，抵消某些噪声分量，使输出的信号具有很高的 信噪比。当参考输入经过滤波后的合成输出存在与原始输入完全相抵消的噪 声时，噪声抵消法能得到最大增益，这一方法有效的消除了噪声干扰使输出 信号的信噪比达到最大值，从而使估计精度更准确。因此改进的l m s m l 算 法在低信噪比条件下计算量更低，时延估计精度更高。 1 5本课题的内容安排 本文共分五章，具体安排如下： 第一章阐述本课题的背景及意义，国内外研究现状及现有u w b 定位技 术中存在的问题，介绍了本论文的主要内容。 第二章介绍超宽带的定义，特点及应用，分析了超宽带定位方法和目 前典型的定位算法。 第三章介绍了时延估计的基本模型，相关分析的时延估计方法，最小 均方( l m s ) 自适应时间延迟估计算法及最大似然( m l ) 的广义相关自适应时间 延迟估计算法等。 第四章提出种改进的最大似然加权的广义相关自适应时间延迟估计 算法，并在低信噪比的情况下，对改进算法与l m s t d e 方法和没有改进前的 方法进行仿真比较，验证了算法的有效性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 超宽带定位的基本原理 2 1 超宽带的定义 超宽带无线电是指具有很高带宽比( 能量带宽与中心频率之比) 的无线 电技术。2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 给出超宽带定义为，： 眙：龙) 倪 2 0 、( 或者总带宽为5 0 0 m h z ) ( 2 - 1 ) 局、兀是能量功率谱密度( e s d p o w e rs p e c t r a ld e n s i t yo f e n e r g y ) 的下限频 率和上限频率，将厅、兀定义在功率谱密度衰减为1 0 d b 的辐射点上，中心 频率为尼= ( 詹饥) 2 。 u w b 是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至皮秒 级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此它所占的频谱范围很宽。u w b 是利用 纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信。 按照f c c 的规定，从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 之间的7 5 g h z 的带宽频率为u w b 所使用的频率范围。要求其发射功率低于美国放射噪音规定值 4 1 3 d b m m h z ( 换算成功率为l m w m h z ) 。 根据香农信道容限公式：c = b l 0 9 2 ( 1 + 1 ： ( b n o ) ) ( 式中，口是信道带宽，o 是高斯白噪声功率谱密度，尸是信号功率) 。故知，增大通信容量有两种实现 方式：一是通过增加信号功率p ；二是增大传输带宽。u w b 是通过大的带宽 来获得非常高的传输速率。 2 2 超宽带的特点及应用 2 2 1超宽带的特点 ( 1 ) 测距、定位能力出色。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无 线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽 带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而g p s 定位 系统只能工作在g p s 定位卫星的可视范围之内；与g p s 提供绝对地理位置 不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。此外， 超宽带无线电定位器更为便宜。 ( 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，功率谱密度很低哺，带宽很宽。例如，可将8 k b p s s 的数 据信号，映射为带宽为2 g h z 的发射信号( 采用0 5 n s 的脉冲) ，这种特性利 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 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0 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0 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 续信号或其持续时问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，如采用高效的r a k e 接收，可以充分利用发 射信号的能量n ”，在低功率下可以传输更远的距离。 ( 5 ) 传输速率高。理论上一令宽度为0 的脉冲具有无限的带宽。因此，脉 冲信号要想发射出去并有足够带宽，必须有足够陡峭的上升下降沿和足够 窄的宽度。u w b 的脉冲宽度用于军事雷达系统时，最短在皮秒级水平，但 在民用上，一般在纳秒级，纳秒为一秒的十亿分之一，这意味着，如果一个 脉冲代表一个数位，那么u w b 有能力在一秒内传送1 0 亿个数位，即1 g b p s 的速率。若脉冲宽度降至0 1 纳秒，则速率可达1 0 g b p s 。目前，厂家演示的 实验速度在1 0 0 m b p s 至4 8 0 m b p s 之间，但理论上有达到1 g b p s 以上的潜力。 ( 6 ) 电磁兼容性。由于u w b 的宽频脉冲性质，因此人们担心它对其它电 子设备可能形成强大干扰。但理论上，由于u w b 脉冲极窄，频带极宽，其 带宽相当于1 0 0 0 个电视频道或3 万个f m 广播频道，因此单位频宽内的功率 密度相当低( 根据f r e e s c a l e 资料) 。加上美国f c c 对它的发射功率做了严格 限制，其功率密度甚至低于一般的噪声水平，比如低于一部笔记本电脑的辐 射。因此u w b 对其它设备的影响微乎其微。 ( 7 ) 抗干扰性能强。u w b 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i e e e8 0 2 1l a 、i e e e8 0 2 1 l b 和蓝牙相比，在同等码速条件 下，u w b 具有更强的抗干扰性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 8 ) 成本低。由于u w b 不需要对载波信号的调制和解调，所以不需要混 频器、过滤器、r f i f 转换器及本地振荡器等复杂元件，同时更容易集成到 c m o s 电路中。i n t e l 的技术官员曾表示，即使是使用1 0 g h z 附近的高频带 区域，u w b 也可以全部通过c m o s 技术来实现，这无疑降低了成本。 2 2 2 超宽带的应用 超宽带无线通信的应用主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 通信和传感器 通信的应用领域可以分为两部分- 低速率系统和高速率系统。这两种方 式都要求低功耗、高性能，而这正是超宽带系统所具有的优势。即使在信噪 比很低时超宽带也可以在短距离上实现高达几百兆至1 g b i t s s 的传输速率。 超宽带通信设备支持高速率，低功耗的数据链路，并且在抗多径干扰机制上 具有独到之处。因此将它应用于短距离，高速率的场合是非常合适的，可以 用于楼内通信系统、室内宽带蜂窝电话、保密无线电和无线宽带互联网接入 等方面。同时由于超宽带功耗很低，而且以间歇方式工作，可以几百个设备 在同一个地点工作而不互相干扰，这使得它也适合于低速率系统。 超宽带技术在传感器方面也有广泛应用。现在传感器的应用很多，它们 可以保护人们的房子、汽车及其它财产。超宽带技术可以用在传感器网络的 无线链路上，而且超宽带信号本身也可用作传感器。它可以在特定区域形成 监控区，并且这些区域的大小是可以变化的。传感器在医疗方面可以检测心 率、体温和其他生命指标，使用超宽带技术可以无须导线传递信息，而且它 也能监视病人的呼吸、心跳，甚至还可以进行医学成像憎儿”，。 ( 2 ) 雷达 窄带雷达的距离分辨率大于目标尺寸，而超宽带雷达分辨率远小于目标 尺寸。高的距离分辨率和宽频谱的结合使u w b 雷达具有精确目标识别的能 力，能获得复杂目标的细微特征，从而在雷达探测、成像、目标识别等方面 具有广泛的应用价值。采用超宽带信号可以大幅度降低高清晰度雷达的成 本。同时，超宽带技术的应用也使雷达具有了许多新的功能。这不仅可以使 雷达市场取得长足的发展，也使其具有了许多新的应用领域。这些新型应用 包括汽车雷达、防碰撞雷达、智能气囊、智能高速公路、个人安全雷达以及 公共安全中的精确测量和透视应用。透墙检测物体运动的功能现在己经实 现，这种设备产生的超宽带脉冲可以穿透大多数建筑材料，包括混凝土、石 膏板、砖块、木材、塑料、瓷砖、玻璃纤维等，通过这种设备，军队或者法 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 律强制执行队伍在行动前能详细了解室内情况。近年来，u w b 雷达的研究 在国际上倍受重视，在美国国防部重点技术计划中，已经连续几年把超宽带 雷达列为高灵敏度雷达技术研究计划项目中的重点课题。许多著名大学和实 验室，如美国m i tl i n c o l n 实验室、l o sa l a m o s 国家实验室、o h i o 州立大学、 g e o r g i a 理工学院、英国r s r e 实验室等都开展了超宽带雷达的研究工作。 在超宽带雷达研究中，美国走在前列，它已研制成能投入应用的超宽带雷达 系统，并在理论和试验上对超宽带电磁散射、系统设计、信号处理等方面进 行了全面研究“。 ( 3 ) 定位和跟踪 随着通信技术的不断发展，人们对高精度的无线定位业务的需求随之增 长。除了传统的雷达追踪和全球定位系统( g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 定 位应用外，短距离范围内的定位应用拥有广阔的前景。虽然利用g p s 可以实 现全球精确定位，超宽带技术对于室外定位来说也不是一个好的方案，但它 可以解决小范围的定位问题，例如在一些自然或人为的灾难现场进行搜救行 动时，如在火灾、地震、交通事故和其他一些紧急事故现场，借助于超宽带 高精度的定位可以使搜救工作起到事半功倍的效果。同时，在未来由各种智 能家电组成的无线家庭网络中，配备了定位功能的各种家电设备可以使各个 设备间协调工作更加智能灵活，也可以增强家庭的安全防范。使用先进的跟 踪设备，人们不仅可以知道物体的位置而且能精确跟踪它的移动。例如，对 存储在仓库中的货物可以实现从到达到离开的全过程跟踪，甚至跟踪到它的 最终目的地”川。 超宽带的应用还远不止这些，随着技术的进步和市场的需求的发展。新 的业务将会不断涌现，超宽带的应用前景一片光明。 2 3 超宽带定位方法 u w b 定位技术属于无线定位技术的一种，定位原理按其测量参数的不 同，可分为基于接收信号强度法、基于接收信号角度法和基于接收信号时间 法。基于接收信号强度法是由测量结点间能量的情况来估计距离；基于接收 信号角度法是测量未知结点和参考结点间的角度来估计位置；而基于接收信 号时间法是由接收信号的传播时间来估计距离。下面将从u w b 系统的角度 来分析每种方法。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 1基于接收信号强度法 基于接收信号强度( r s s r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ) 的定位方法是利用接 收信号强度与移动台至基站距离成反比的关系，通过测出接收信号的场强 值、已知的信道衰落模型和发射信号的场强值估算出收发信号机之间的距 离，根据多个距离值即能估计出目标移动台的位置。 在路径损耗模式的基础上，两个结点间距离可以由测量一个结点上接收 信号的能量计算。这种基于距离的方法至少需要三个参考结点来实现一个未 知结点的二维定位。用r s s 方法确定距离，必须清楚信道特性。因此，基于 r s s 定位算法对这些信道参数的估计非常敏感。 电磁波在自由空间中的传播损耗是传输距离的函数，接收信号功率表示 为： p ，( 西= p ，g ，c r ( z 4 兀d ) 上 ( 2 - 2 ) 其中，p ，是信号发射功率，g ，是发射增益，g ，是接收增益，p ，( 田是接收 信号功率。可以看出在发射信号频率( 波长) 一定的条件下，接收信号功率是 信号传播距离的函数。 定义信号在自由空间中的传播损耗三( 力为： ( d ) = l0 1 0 9 l o ( p t p ，) = 一1 0 1 0 9 l o ( g t g ，) + 1 0 l o g l o ( 九4 7 c d ) z ( 2 3 ) 如果测得距离信源锄处接收信号的功率为p r ( d o ) ，那么相对接收功率 p r ( d ) 定义为： p ，( 力= p r ( d o ) ( d o d ) z ( 2 4 ) 但在实际生活或者工业环境中，电磁波相对接收功率p ，( 力表示为： p ，( d ) = p r ( d o ) ( d o 回n ( 2 5 ) 其中，l 做路径损耗因子。在自由空间n = 2 ，但在实际环境中就不一定 是2 ，是根据实测数据估算出来的，而且刀的值对环境非常敏感。 因此，测量场强定位方法的精度只依赖信道参数和两个结点间距离。在 使用r s s 方法时，虽然u w b 信号带宽非常大，但这个特点并不能改善定位 精度。 2 3 2基于接收信号角度法 基于接收信号角度( a o a - a n g l eo fa r r i v e ) 的定位方法就是通过信号到达 的方向角度来确定信号位置的。这种定位技术一般利用两个或多个参考结 点，通过测量接收信号的到达方向来估计目标结点的位置。由于当信号存在 直达路径时，最先到达的信号都是延直达路径到达的，因此a o a 方法通过 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 多个基站的智能天线矩阵可以测量从定位目标最先到达的信号的到达角度 来估计定位目标的位置。采用此方法在障碍物较少的地区可以得到较高的准 确度，但在障碍物较多的环境中，由子无线传输存在多径效应，误差增大。 另外，a o a 技术要建立在智能天线的基础上才能实现。 因此a o a 的方法并不适用于u w b 定位。首先，天线阵列的使用会增加 整个系统的成本，这削减了u w b 无线电收发机在成本低上的优势。其次， u w b 无线电信号具有非常宽的带宽，这使得其多径效应明显，尤其是在室 内环境下，这样从各种物体上反射回来的信号将严重影响角度的估计。 2 3 ，3 基于接收信号时间法 基于接收信号时间的定位技术依赖节点间信号传输时间的测量n “。如果 两个节点公用一个时钟，则接收信号的结点可以通过参考节点的时间信息来 确定接收信号的到达时间。对于一个单路径的加性高鲰自噪声( a w g n ) 信道 来说，t o a 技术是非常适合于u w b 无线定位的，这主要归功于其带宽非常 的宽。t o a 估计精度通过其估计错误的方差衫来表示，该精度实际上与信 号的带宽及接收机的s n r 有关。根据m l 估计的一般理论，在a w g n 噪声 情况下，估计方差呶? 的下限是通过c r a m e r 。r a o 下限给出的副： 1 2 压厕 ( 2 6 ) 其中，s n r 是信噪比，声是有效信号带宽并定义为： 夕le 厂2l s ( i ) 1 2a l f ：l s ( i ) ( 2 d f i ( 2 。) 其中，s q ) 是发射信号的功率谱密度。 由上式可知与r s s 技术不同，基于时间的方法可以通过提高信噪比或有 效利用信号带宽来改善定位精度。根据f c c 的规定，室内u w b 通信的实际 使用频谱范围为3 1 g h z 1 0 6 g h z ，在这一范围内有效各向同性发射功率 ( e i r p e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 不超过4 1 3 d b m m h z ，信道带宽范 围在5 0 0 m h z 7 5 g h z 时，信号最大通信距离为1 0 m n ”。假如u w b 脉冲完全 利用3 1 1 0 6 g h z 频带，在信噪比s n r ；o d b 的条件下，定位误差会是厘米级。 通过上述几种定位方法的分析可以发现a o a 方法成本较高，而且定位 精度不高；场强定位法最简单，成本较低，但由于多径衰落和阴影效应的影 响较大，其定位精度较差；基于信号传播时间的定位方法精度较高，因此一 般都采用基于信号传播时间的定位方法。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 4t o a 和t d o a 两种定位方法 信号传播时间的定位方法又可以分为信号到达时间( t o a 。t i m eo fa r r i v e ) 和信号到达时间差( t d o a t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v e ) 两种定位方法。 ( 1 ) t o a 的定位法 t o a 技术原理：信号在空间是以光速c 传播，移动台与基站间的距离正 比子信号的传输时延，利用基站接收到的移动台发出的定位信号到达多个 ( 至少三个) 基站的时闯来确定移动用户的位置。如果同时知道移动台发射信 号的时间，则这两个时间差可以用来估计信号从m s 到b s 所经历的时间。 经过3 次( 二维空间) 或4 次( 三维空间) 测量印可确定移动终端的位置。下面 我们以二维空间定位为例对t o a 定位进行介绍。 设移动终端发射信号的时刻为t ，第f 个接收机收到该信号的时刻为t ，i = l ，2 ，3 。若已知第i 个接收机的坐标为瓴f ) 待确定的移动终端的坐标为 ) ， 如图2 - 1 所示，可建立如下方程： 厂： 墨= ( x 一) 2 + ( y 一乃) 。= c ( 一t ) = ，i = i ，2 ，3 ( 2 8 ) 式中，c 是信号传播速度3 1 0 8 m s ，t 是第i 个接收端所测得的t o a 值。 三个圆的交点即是移动终端的坐标点，求解方程组即可确定移动终端的位置 坐标 ) 。 通常为了提高定位精度，可利用控( 羟 3 ) 个以上接收机的t o a 测量值进 行定位计算。从聆个接收机中任选3 组较优接收机的t o a 测量值进行计算“”， 在t o a 测量值的估计没有偏差的情况下，m s 的坐标的解应该是唯一的。 t o a 技术要求定位