毕业设计超宽带无线定位技术的研究

1、毕 业 设 计题目：超宽带（UWB）无线定位技术学 校 院 系 通信与信息工程学院 专 业 通 信 技 术 姓 名 学 号 2012 年6月论文题目: 超宽带（UWB）无线通信技术专 业：通信技术学 生：林佳 签名：指导教师：新民 签名：摘 要随着无线通信技术的高速发展，人们对无线通信系统的要求日益提高，超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术凭借其高速率的数据传输、极低的功耗以与其精准的定位等性能，逐渐成为无线通信领域研究的一个热点，受到了广泛的关注。本文首先介绍了超宽带（UWB）技术的历史背景与其定义和特点。其次针对超宽带（UWB）的原理与其波形进行了研究和探讨。然后论述了超宽带

2、（UWB）的调制与接收，并主要分析了PPM-TH-UW，PAM-DS-UWB，MB-OFDM-UWB这三种调制方式。最后本文重点介绍了超宽带（UWB）的无线定位技术，首先是对其发展和定义进行了概述，其次分别介绍了超宽带无线定位的参数与其几何模型，重点对UWB定位中TOA的算法进行了研究，最后通过仿真对定位算法的实现做出了验证并得到了重要结论。关键词：超宽带（UWB），无线定位技术论文类型：理论研究性Title：Ultra-wideband(UWB)wireless positioning technologyMajor：Communications technologyName： Lin Ji

3、a Signature:Supervisor：Li XinMing Signature:AbstractWith the rapid development of wireless communication technology, the wireless communication system of the increasing demand, ultra wideband (Ultra-Wideband, UWB) technology by virtue of its high data rate, low power consumption and its precise posi

4、tioning performance, has become the field of wireless communication research a hot spot, has received the widespread attention.This thesis first introduces the ultra wideband (UWB) technology to the historical background and the definition and characteristics of. Secondly, ultra wideband (UWB) princ

5、iple and waveform are studied and discussed. And then discusses the ultra wideband (UWB) modulation and receiving, and primary analysis of PPM-TH-UW, PAM-DS-UWB, MB-OFDM-UWB the three modulation methods. Finally, this thesis introduces the ultra wideband (UWB) wireless positioning technology, first

6、of its development and definition are outlined, followed by introduces UWB wireless positioning parameters and geometry model, focus on the localization of UWB TOA algorithm is studied, finally through the simulation of positioning algorithm to verify and obtained important conclusion.Key words:ultr

7、a wideband (UWB), wireless positioning technology.Type of thesis:theoretical research目 录第一章超宽带（UWB）41.1 UWB技术的发展41.2 UWB的定义41.3 UWB的技术特点6第二章 UWB的原理与其波形72.1 UWB的原理72.2 UWB信号的产生72.3 UWB信号的波形72.1.1 UWB信道模型72.1.2高斯脉冲信号8第三章 UWB的调制和接收103.1 UWB典型调制方式103.1.1 PPM-TH-UWB103.1.2 PAM-DS-UWB113.3.3 MB-OFDM-UWB12

8、3.2 UWB信号的接收133.2.1无多径时AWGN信道的最佳接收机143.2.2多径信道的Rake接收机15第四章UWB无线定位系统184.1引言184.2无线定位技术184.2.1无线定位的概述184.2.2 UWB无线定位的参数204.2.3 UWB无线定位的几何模型254.3 UWB定位中TOA估计算法294.3.1 TOA估计的信号模型304.3.2 基于TOA位置估计算法324.4 LSE仿真实验与其结果分析344.5 本章小结34总结35致36参考文献3743 / 44第一章 超宽带（UWB）1.1 UWB技术的发展对超宽带（UWB，Ultra-Wideband）无限技术（简称

9、UWB技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h(t)-冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x(t),其输出信号y(t)可以唯一地由下列卷积来确定： (1-1) 然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察和测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，Robbins发明的敏感短波脉冲接收器

10、取代了笨重的时域示波器，加速了UWB系统的开发。1973年，Sperry获得了第一个UWB通信技术的专利。此后，在将近30年的时间，UWB的理论、技术和许多相关设备的研制得到了迅速的发展，但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其中包括UWB脉冲的产生和接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。2002年4月22日，FC

11、C颁布了UWB占用宽带的有关条例，允许UWB技术和产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术和标准的研究与攻关。1.2 UWB的定义近几年来,超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。FCC(美国通信委员会) 对超宽带系统的最新定义为： （1）信号相对带宽= （式中，、分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应

12、的高端频率和低端频率，为载波频率或中心频率。）（2）信号绝对带宽500 MHZ （使用指定的3.1GHZ10.6GHZ频段的通信方式）图1-1 UWB的定义FCC规定UWB工作频谱位于3.110.6GHz。如图1-2所示, UWB与其他技术的产品存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频段的其他设备的干扰，必须对UWB设备的发射功率进行限制。UWB信号发射的功率谱密度级可达-41.3dBm/MHz。 图1-2 UWB频谱与其他无线信号频谱的关系1.3 UWB的技术特点由于UWB与传统通信系统相比,工作原理迥异,因此UWB 具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点。(1)系统容量大。香

13、农公式给出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,带宽增加使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应,这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G系统。(2)高速的数据传输。UWB 系统使用上GHz 的超宽频带,根据香农信道容量公式,即使把发送信号功率密度控制得很低,也可以实现高的信息速率。一般情况下,其最大数据传输速度可以达到几百Mbps1Gbps。(3)多径分辨能力强。UWB 由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠,很容易分离出多径分量,所以能充分利用发射信号的能量。实验表明,对常规无线电信号多径衰

14、落深达1030dB 的多径环境,UWB 信号的衰落最多不到5dB。(4)隐蔽性好。因为UWB 的频谱非常宽,能量密度非常低,因此信息传输安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 设备对于其他设备的干扰就非常低。(5)定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度,采用超宽带无线电通信,可在室和地下进行精确定位,而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视围之。与GPS 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。(6)抗干扰能力强。UWB 扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB 的占空比一般为0. 010. 001 ,具有比其它扩频

15、系统高得多的处理增益,抗干扰能力强。一般来说,UWB 抗干扰处理增益在50dB 以上。(7)低成本和低功耗。UWB 无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环( PLL) 、压控振荡器(VCO) 、混频器等, 因而结构简单,设备成本将很低。由于UWB 信号无需载波,而是使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0. 20ns1. 5ns之间,有很低的占空因数,所以它只需要很低的电源功率。一般UWB 系统只需要5070mW 的电源,是蓝牙技术的十分之一10。尽管如此,UWB 在技术上面临一定的挑战, 还有诸多技术的问题有待研究解决,比如需要更好地理解UWB 传播信道的特点,建立信道模型,解

16、决多径传播;需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术;研究新的调制技术,进一步降低收发结构的复杂度等。第二章 UWB的原理与其波形2.1 UWB的原理超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率围。UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。 因而发射超宽带(UWB) 信号最常用和最传统的方法是发射一种时域上很短(占空比低达0. 5 %) 的冲激脉冲。这种传输技术称为“冲击无线电( IR) ”.

17、UWB - IR 又被称为基带无载波无线电,因为它不像传统通信系统中使用正弦波把信号调制到更高的载频上,而是用基带信号直接驱动天线输出的，由信息数据对脉冲进行调制，同时为了形成所产生信号的频谱而用伪随即序列对数据符号进行编码。因此冲击脉冲和调制技术就是超宽带的两大关键所在。2.2 UWB信号的产生从本质上讲,产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB 技术的前提条件。目前产生脉冲信号源的方法有两类：（1）光电方法,基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿,所以得到的脉冲宽度可达到皮秒(10 - 12 )量级。另外,由于光导开关是采用集成方法

18、制成的,可以获得很好的一致性,因此是最有发展前景的一种方法。（2）电子方法,利用微波双极性晶体管雪崩特性,在雪崩导通瞬间,电流呈“雪崩”式迅速增长,从而获得具有陡峭前沿的波形,成形后得到极短脉冲。在电路设计中,采用多个晶体管串行级联,使用并行同步触发的方式,加快了雪崩过程,从而达到进一步降低脉冲宽度的目的。2.3 UWB信号的波形2.1.1 UWB信道模型UWB 系统发送的是纳秒级脉冲串,脉冲宽度远小于脉冲之间的平均间隔,两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。通常UWB 信号模型为: （2-1） 其中，W(t)表示发送的单周期脉冲,、分别表示单脉冲的幅度与时延。2.1.2高斯脉冲信号最简单、最

19、通用的超宽带波形是单周期（Monocycle）脉冲信号，只所以称它为单周期脉冲是因为这种波形只有一个脉冲周期，通常是高斯脉冲或其微分形式。另一个使用高斯脉冲信号的原因是为了分析的简便。 高斯脉冲信号的表达如下： （2-2）其中，是表示形成的参数，和脉冲宽度有关。考虑去直流分量以与上述天线的微分作用等因素，在实际应用中，我们一般使用高斯脉冲的微分形： （2-3） 其中，x代表微分次数。高斯脉冲的谱密度函数如下： （2-4）它的功率谱密度如下： （2-5）相应的高斯脉冲的各次微分的功率密度的公式如下： （2-6）如图2-1所示为03次微分的高斯脉冲的波形和功率谱示意图。图2-1 03次微分的高斯脉

20、冲的波形和功率谱示意图第三章 UWB的调制和接收3.1 UWB典型调制方式IR-UWB不使用载波，直接进行基带传输，是传统和常用的UWB实现方式。通常采用的多址方式有TH或DS，信号调制方式可以是PPM、PAM或OOK等，其中PAM是用信息符号控制脉冲的幅度进行信息调制，OOK是PAM的一种简化形式，PPM是用信息符号控制脉冲信号的时延来实现的。不同的多址方式与调制方式的组合形成了多种信号形式，目前较多采用的主要有PPM-TH-UWB和PAM-DS-UWB。在载波调制实现的UWB系统中，通常采用MB-OFDM-UWB。3.1.1 PPM-TH-UWBPPM-TH-UWB是采用TH多址方式的二进

21、制PPM调制的UWB系统，其典型的发射链路如图3-1所示.图3-1 PPM-TH-UWB系统中的第一个模块是产生待发射的二进制序列；第二个模块是重复编码器，二进制信号经过重复编码，引入冗余来增加抗干扰性能；第三个模块是进行TH编码和二进制PPM调制，引入伪随机跳时PN码调制，接着进行PPM调制引入脉冲时移；最后是脉冲形成滤波器，产生发射信号的基本脉冲波形。 PPM-TH-UWB输出信号可以表示为： （3-1）其中，p(t)为单个UWB脉冲，是脉冲重复周期，称为帧长，传送一个比特的时间为，=，为重复编码率，跳时伪随机码序列，对信号引入TH 位移， 则是PPM引起的位移，是码片时间(chip ti

22、me)。图3-2是对二进制序列进行PPM-TH调制后的信号仿真波形。仿真采用高斯二阶导数波形，伪随机跳时码序列是，每个比特有五个脉冲，即五个帧组成。前面五个脉冲在对应间隙的起始位置，表示二进“0”，后面五脉冲对应间隙的后面位置，表示二进制的“l”。具体实现的参数分别为：脉冲发射功率-30dBm，帧长=3 ns，重复编码率=5，码片宽度=1 ns，脉冲波形的形成因子=0.25 ns，脉冲宽度=0.5 ns，PPM是用每个脉冲出现的位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间来表示一个特定信息的，这里脉冲位置调制的偏移量是0.5 ns。图3-2 PPM-TH-UWB输出信号波形3.1.2 PAM-DS-

23、UWBPAMDS-UWB是采用DS多址方式的二进制PAM调制的UWB系统，其发射链路可以表示为图3-3所示的模型。模型中重复编码器将二进制信息每个比特重复次，接着进行直接序列扩频和PAM调制，直接序列扩频的方法是将信息序列和伪随机序列进行模二相加，然后再进行PAM调制，最后进入脉冲形成器， 产生发射信号。图3-3 PAM-DS-UWB发射系统模型PAM-DS-UWB的输出信号可以表示为： （3-2）其中，为经过PAM调制的二进制数据，是伪随机码序列，P（t）为单个UWB脉冲，是帧长。图3-4是对二进制序列进行PAM-DS调制的信号仿真波形，这里的扩频序列是，重复编码率为5，每个比特由五个帧组成

24、，前面五个脉冲对应二进制“0”，后面的五个脉冲对应二进制“1”。产生信号波形的具体参数分别为：脉冲发射功率-30dB，帧长=2ns，码片宽度=1ns，高斯脉冲的形成因子，脉冲宽度=0.5ns。图3-4 PAM-DS-UWB发射机产生信号3.3.3 MB-OFDM-UWBMB-OFDM-UWB是载波调制的UWB系统中典型的实现方式。它在原理和结构上与传统的通信系统有很多相似之处，因此传统通信系统的各种先进技术， 如CDMA、OFDM、多输入多输出(MIMO)、Turbo检测等，都可以应用在MB-OFDMUWB系统中。当然由于UWB信号具有超宽的带宽特性，这些技术的应用与传统的应用方式又有许多不同

25、地方。MB-OFDM-UWB的实现方法是在FCC规定的频带围3.1GHz106 GHz ，把这7.5GHz的带宽分割成最小带宽为500 MHZ的若干个频带，给定用户的数据在相继的时间在不同的子带上传输。图3-5是MB-OFDM-UWB系统发射机的简化原理图。图3-5 MB-OFDM-UWB发射机原理图在发射端，数据经过卷积编码后进行比特交织，然后进行四相移相键控(QPSK，Binary Phase Shift Keying)映射和正交扩频编码。接着进行快速傅里叶反变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)产生基带调制信号，基带调制信号加上循环前缀、保护间隔后

26、，生成OFDM符号。多个OFDM符号加上导频符号后形成一个数据包，一个已调的OFDM信号由调制在不同载波频率上的几个并行射的信号组成。导频符号的信道估计部分是通过加入6个周期的OFDM训练序列构成的，该训练序列由IFFT产生，并在时域输出的结果中添加37个零后缀。这部分导频符号可以用做信道频域响应估计，生成的数字信号经过数模变换(DAC，Digital to Analog Converter)后，成为基带模拟信号。最后基带模拟信号利用时频编码调制多个不同的载波，相加合并后由同一天线输出。图3-6是仿真产生的一个MB-OFDM-UWB符号。这里的实现参数是：OFDM 的载波数为128，每个符号的

27、持续时间为312.5ns，包含了70.1 ns的保护时间以与242.4ns的信息时间长度，其中保护时间又包含60.6ns的循环前缀和9.5ns 的初始间隙。图3-6 一个MB-OFDM-UWB符号MB-OFDM-UWB是实现WPAN的最佳选择之一，在数字化无线家庭网络、数字化办公室、个人便携设备和军事等诸多领域都有广阔的应用前景，由于多频带的各个子带技术都是基于传统的通信方案传输的，这种方式有利于实现商业化。目前，MB-OFDM-UWB已经成为高速无线个域网(HR-WPAN)的物理层技术的标准。3.2 UWB信号的接收UWB信号在信道传输的过程中会受到路径损耗、阴影衰落和多径衰落等的影响，另外

28、还可能会有多址干扰、窄带干扰以与背景噪声的影响，这样到达接收机的信号波形会存在严重的失真。因此接收机的设计问题就是找到一种尽可能最佳的方式从接收信号中提取有用的信号，实现信息正确的解调和恢复。 在单径、加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)信道中，UWB最佳接收机由相关器和判决器组成；在多径传播环境下，最佳接收机的性能不再是最佳，需要使用Rake接收机收集多径能量以提高接收性能，但是因为需要信道估计和同步，Rake接收机的结构比较复杂；为了减少接收机的复杂性，可以采用基于发射参考脉冲(TR，Transmitted Reference)的接收机方案

29、，但是其传输速率下降3 dB。下面就针对最佳接收机和Rake接收机这两种接收机进行分析。3.2.1无多径时AWGN信道的最佳接收机在AWGN信道中，接收信号主要受热噪声的污染，热噪声可以通过白高斯随机过程来表示，发射信号为，这里假设信道是单径信道且无多址干扰， 则接收信号表示为： （3-3）为了保证系统传输的可靠性和功率效率，这里采用相干检测。相干接收的最佳接收机结构如图3-7所示。图3-7 最佳接收机框图假设收、发信号已经同步，为本地模版信号，则模版信号为： （3-4）这里，重复编码率为，帧长为，是传送一个比特的时间，是j的函数，其单位能量对不同的调制方式是不同的，这里以PAM-DS-UWB

30、信号为例，其中： (3-5)接收信号r（t）与本地模版信号进行相关，输出为y（t），在第n个符号间隔末，即t=n时，判决变量可以表示为： (3-6)其中,“”是发送信息符号“1”的情况，“”是发送信息符号“0”的情况，是信号“0”与“1”的相关系数(PPM为“0”，PAM为“1”)。是单个脉冲的能量，是比特能量，是均值为0、方差为的高斯随机变量。 令为第n个发送信息符号，则最大似然(ML，Maximum Likelihood)判断规则表示为： (3-7) 可以得到UWB最佳接收机的误比特率为： 其中，Q()是误差函数，是比特能量，在PPM为“0”，PAM为“1。 通过仿真，对不同信噪比和不同调

31、制方式的UWB最佳接收机的误比特率进行了比较，图3-8给出了2PPM和2PAM在不同信噪比情况下的误比特率曲线图。由图中可以看出，在单径AWGN信道中，UWB最佳接收机的误比特率随着噪比的升高而下降；在一样信噪比的情况下，采用PAM调制比PPM调制的误比特率性能要好。图3-8 AWGN信道中2PPM和2PAM的误比特率曲线3.2.2多径信道的Rake接收机 UWB系统应用的典型环境是室密集多径环境，发射信号经过多径信道的衰减、时延和失真之后，在接收端得到多个信号的叠加。接收端UWB多径信号可以表示为单个发射脉冲经过时延和衰减之后的脉冲序列，接收到的信号可表示为： (3-8) 这里，h(t)表示

32、信道冲激响应，L表示多径数目，是各径幅值的衰减系数，是各径对应的时延。是传送一个比特的时间，重复编码率为，帧长为，是脉冲能量，n(t)是高斯白噪声。在这种情况下，接收到的UWB信号能量是散布在一段时间的，出现在不同的多径分量上，因此需要使用Rake接收机，从可分辨的多径信号中构筑合并的脉冲波形，从而提高传输特性。这里考虑L个叉指的Rake接收机，有L个多径对应的附加时延分别为别为，且有0，接收机由L个相关器组成，分别将接收信号r(t)与本地参考信号时延后的模板相关。考虑第n个信息符号的检测， 则第L个相(t)关器的输出为： = (3-9)其中，为接受信号与模板信号互相关输出的幅值，均值为0、方

33、差为的高斯随机变量。Rake接收机的结构如图3-9所示：图3-9 Rake接收机框图 当信道为频率选择性衰落信道时，对于发信号的宽带特性，收信号r(t)具有在的多径分集。在此情况下，Rake接收机可利用分集技术，从可分辨的多径信号中构筑合并的脉冲波形，以提高传输特性。各相关器输出的合并有不同的方式，以形成判决变量，如等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）、选择式合并等。第四章UWB无线定位系统4.1引言定位通常是指确定地球表面的物体在某一参考系中的位置。定位技术的研究在很多领域都是比较热门且富有挑战性的问题。传统的定位技术和导航有着密不可分的关系，导航是引导交通工具或者其它物体从一个位置

34、移动到另一个位置的过程，这一过程通常需要定位进行辅助。随着定位技术的发展和定位服务需求的不断增加，人们对定位与导航的需求包括在复杂的室环境中，如在机场大厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境，利用各种定位技术确定移动终端或其持有者、物品与设施等在室的位置信息。位置信息是判断提供何种服务的重要信息之一。近年来，定位技术开始应用于蜂窝网系统设计、信道分配、切换、小区服务区域确定、E-911紧急援助、交通监控与管理等领域。在机器人、普适计算以与无线传感器网络等研究领域中， 很多研究者们提出了各种各样的定位方法以解决实际问题，并且取得了很多进展。在很多军用和民用的场合同样都需要精确的定位信息，

35、比如儿童搜寻，寻找失落的宠物、行，贵重物品定位，跟踪搜索和解救人员等等因此研究无线定位技术可以解决很多实际应用的问题。在众多的定位技术中，UWB由于窄脉冲的带宽很宽，测量定位参数TOA 时理论上可以达到很高的精度，因此应用于室静止或者移动物体以与人的定位跟踪与导航，具有独特的优势。4.2无线定位技术无线定位技术有很多种实现方法，在对目标进行定位时，首先要依据信号的形式来确定定位所需要的参数，然后根据定位的几何模型建立对应的方程组，对方程组求解就能获得目标的坐标信息。下面对无线定位的相关技术进行研究。4.2.1无线定位的概述无线定位技术和方案很多，全球定位系统(GPS，Global Positi

36、oning System) 是目前应用最为广泛的室外定位技术。常用的室定位技术从信号形式上看，包括红外(IR，Infra-red)、超声波(US，Ultrasonic)和射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)等，这些都是传统室无线定位系统主要的形式。UWB 是近几年新发展起来的无线定位技术，能够实现高精度的定位。这些技术各有特点，下面分别介绍。GPS：GPS是20世纪70年代初，美国出于军事目的而开发的卫星导航定位系统，是目前应用最为广泛的室外定位技术，能达到的定位精度围在5-20 m。它主要利用几颗卫星测量的经度、纬度和高度数据计算移动用户的位

37、置，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的围大，且定位导航信号是免费的。其缺点是定位信号到达地面时强度较弱，不能穿透建筑物，因此不适合室定位，而且定位器终端的成本比较高，不适用于无线传感器网络等要求低复杂度和低能耗的场合。Wi-Fi定位：这是IEEE 80211提供的一种定位解决方案。目前，它应用于小围的室定位，成本比较低。Wi-Fi定位的不足之处是它的收发器只能覆盖半径在90 m以的地理区域，而且很容易受到其它信号的干扰，从而影响其定位精度，同时它的定位器的能耗也比

38、较高。RFID：这种室定位系统基于信号强度分析法，通过标签检测到的信号强弱来确定目标之间的距离，采用聚合算法对三维空间进行定位。主要用于门禁系统，包括主动RFID和被动RFID。其优点是标签的体积比较小，造价比较低，但是它作用的距离比较近，而且不具有通信能力，也不便于整合到其它系统中。红外室定位系统：红外室定位系统是通过红外标签发射调制的红外射线，由室的光学传感器接收信号来实现定位的。虽然红外线有相当高的室定位精度，但是由于光不能穿透障碍物，使得红外射线仅能视距传播，也就是说当标签放在衣服口袋或者有墙壁与其它遮挡时，系统就不能实现正确的定位。目前该项技术典型的代表是Active Badge系统

39、。US室定位系统：US定位主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法来确定物体的具体位置。虽然整体的定位精度很高，可以达到厘米级，但是它也只能进行视距传播，同时需要大量的底层硬件设备，因此也存在成本较高的缺点。该项技术的典型应用有Cricket System和Active Bat。Bluetooth室定位系统：Bluetooth技术用于室定位时，采用经验测试与信号传播模型相结合的方式，通过测量信号强度实现定位。它最大的优点就是设备体积小，易于集成在PDA、PC以与手机等设备中，容易推广普与。在室安装蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网

40、的主设备，就可以获得用户的位置信息。其技术优点是容易发现设备且信号传输不受视距的影响，主要不足则是对于复杂的空间环境建模比较困难。UWB定位技术：UWB技术是一种高速、低成本和低功耗的新兴无线通信技术。采用UWB技术进行定位具有抗多径干扰、穿透能力强的优势，可以应用于静止或者移动物体以与人的定位跟踪，能提供十分精确的定位精度，目前的研究、表明，UWB定位的精度在实验室环境已经可以达到几厘米。美国海军已经开发了一种军用的UWB定位系统(Precision Asset Location)，在L波段工作，瞬时带宽可以达到约400 MHz。参考点使用高速隧道二极管检测器来进行UWB脉冲的边缘检测，从而

41、可以实现在多径环境中找到第一个到达的脉冲信息，通过优化算法可以算出待测点的坐标。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，但是在对小型货物定位时，精度还不够理想。美国Aether Wire公司已经开发出先进的芯片Aether5和Driver2，它们是基于COMS和UWB频谱开发的，具有体积小、功耗低、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。英国的Ubisense公司已经开发出成熟的UWB 室实时定位系统(RTLS，RealTime Location Systems)，可以实现目标的3D实时定位，精确度为15cm。UWB无线定位技术，很容易将定位

42、与通信结合，可以实现人们追求的“智能空间”。目前UWB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，定位算法还有待于进一步的改进。未来无线定位技术将来的趋势是室定位与室外定位相结合，高精度的无线定位。随着UWB技术的不断成熟和发展，市场需求的不断增加，在不久的将来，精确的UWB定位系统将会得到广泛的开发和应用。 图4-1 超宽带（UWB）定位系统原理 4.2.2 UWB无线定位的参数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。与位置有关的参数包括：接收信号强度(RSSI，Received Sign

43、al Strength Indication)、信号到达时间(TOA，Time Of Arrival)、到达时间差(TDOA，Time Difference Of Arrival)、到达角度(AOA，Angle Of Arrival)等。下面研究用于UWB定位的RSSI、AOA、TOATDOA等定位参数的估计方法并分析各种定位参数在UWB定位中应用的特点。1RSSI (信号接收强度)采用RSSI参数的定位是在已知无线信号发射功率和信道传播模型的基础上，通过参考节点接收到的信号功率，计算出信号在传输过程中的损耗，进而推算出目标节点到参考节点的距离，实现对目标的无线定位。无线信号在传输过程中的多径

44、效应以与通过障碍时产生的阴影效应都会给定位带来误差，在信号传输方向上，多径效应有时会使在相距仅半个波长的两点上的信号强度相差30-40dB左右。为了克服多径效应对测距的影响，对高速移动的用户，可以通过求得其接收信号强度的平均值来提高定位的准确性，但对于缓慢移动甚至是静止的无线用户，有效的接收信号强度平均值比较难以测得，因此，RSSI方法依赖于信道的特性，受信道参数估计影响很大。信号由目标节点到参考节点的传输过程中受到多径衰减、阴影衰落和路径损失。理想情况下，通过在足够长时间计算接收信号强度的平均值来消除多径和阴影衰落造成的影响，其信号路径损耗模型可以表示为： （4-1）其中，是距离发射信号d处

45、接收信号的平均功率，是距离发射信号处接收信号的平均功率，它们单位都是dBm，n是路径损失指数。如果观测时问不足够长，将无法去除阴影衰落的影响，接收功率的数学模中需要考虑路径损失和阴影衰落的影响。对于阴影衰落，在对数尺度下满足均为0，方差为的高斯随机过程。接收信号的功率P(d)可以表示为P(d)N(P(d)，其中，可以通过公式(4-1)求得。这个模型可以用在LOS传播环境，也可以用在NLOS传播环境。在UWB信道中，路径损失和信号的频率有关，并且距离和频率变化所引起的路径损失是相互独立的，则接收信号的功率模型可以表示为： P= (42) 其中，(d)=表示由距离变化引起的功率损失，表示由频率变化

46、引起的功率损失。在UWB信道测量中发现，频率变化引起的功率损失和成比例，这里m的值在0.81.4之间变化，a是幅度系数。总体的损失可以通过在信号整个频率围对路径的损失取其积分来计算。由UWB接收信号的功率模型(4-2)式构造RSSI观测的对数似然函数为：。上式说明，RSSI方法测距估计的下界由信道参数、目标节点与参考节点之间的距离决定的，这种方法的精度与信号的带宽没有直接关系，因此这样就不能充分体现UWB很宽的带宽在定位上的优势。一般在UWB无线传感器网络的应用中，目标节点和参考节点之间的距离比较近的情况下，可以使用RSSI测距方法来定位。当然还可以通过与其它的方法相结合，如RSSITOA或R

47、SSITOOA 来进一步提高最终的定位精度。2AOA （信号到达角度）AOA定位，是一种通过测量目标节点与参考节点之间夹角的定位方法。如果使用一个参考节点，这种方法能得出特定目标节点所在方向，当同时用两个参考节点测量同一目标节点所发出的信号时，两个参考节点各自测量AOA所得方向直线的交点，就是目标节点所在的位置，可以得到二维的定位信息。为了提高AOA的定位精度，通常使用天线阵列，根据阵列阵元间的排列关系来确定AOA。常用的天线阵列有均匀线阵(ULA)、均匀圆阵(UCA)和十字阵列。其中基于均匀线阵的定位算法最为简单，这种阵列只能提供AOA的一维信息，因此只适合用在二维平面中的定位。当信号由远场

48、入射到均匀线性阵列时，到达每个阵元的方向都可以看作是平行的，所以通过测量不同阵元的信号到达相位差就可以得到AOA估计值。假设在t时刻，信号S(t)由方向入射到一个均匀线性阵列，阵列的阵元数目为N， 阵元之间的距离为d，阵列的输出向量定义为y(t)=，则阵列信号模型表示为：y= (4-4) 这里，方向向量为N1的列向量，表示每个阵元接收到入射信号的相对相位时延，假设阵元之间不存在互耦。其中的第i个元素为=，i=0，1N-1，为S(t)的中心频率，C为光的传播速度，n(t)是噪声，同样也是N维的列向量。向量的各个元素假定为实部、虚部互相独立的复高斯过程，方差为。设在t=0时刻，对于具有N个阵元的U

49、LA阵列，对阵列输出向量进行采样，同样不考虑阵元之间的互耦，公式(4-4)可以变为： y=A()s+n （4-5） 其中，s表示复幅度。在这个模型中，三个未知的参数分别为：信号s的波达角度、幅度A和相位。N个天线阵元产生N个观测向量，每一个观测向量都可以看作是信号与复高斯白噪声的叠加，假定其中噪声的每个样本是互不相关的， 这样，任一观测向量都可以表示为：，i=0，1，N。对于N个阵元的ULA阵列，可以推导出计算估计的CRLBVar （4-6）由上式可以看出，增加阵元间的距离d，或者增加阵元数N都可以减小AOA 测量值的CRLB，信号的入射角度日对AOA定位估计的精度也有影响，在大的入射角度情况

50、下，将会造成AOA定位估计结果的误差很大。AOA定位方法要求被测的目标节点与所有参考节点之间的无线信号是LOS 的，NLOS传播环境将会给AOA定位带来无法预测的误差。在以LOS传输为主的情况下，无线信号的多径效应也会给AOA的测量带来干扰。另外，由于天线设备角度分辨率的限制，AOA的测量精度会随着目标节点与参考节点之间的距离的增加而不断减小。由于室的UWB信号多径数目多，用最大似然方法估计每条多径的AOA的计算量将会很大，因为这种算法的搜索维数取决于信号传输中的多径数目；UWB带宽很宽，受周围环境物体多径散射的影响严重，所以其AOA估计精度难以保证；在室应用中一般需要便携式接收设备，使用AO

51、A中天线阵列会增加系统的体积和成本，给接收机的设计带来麻烦，所以该方法不适合用于UWB定位系统。但是在室外或者比较空旷的空间环境，可以考虑使用AOA定位方法的，另外可以和其它方法相结合使用，比如TDOAAOA方法来提高定位的精度。3TOA/TDOA （信号到达时间/时间差）TOA/TDOA方法是通过测量目标节点到各参考节点之间无线信号传输时间或者传输时间差来实现测距的。与AOA方法相比较，TOA/TDOA实现起来比较容易，在一样的参考节点数目时，能够提供更高的定位精度，因而是应用的最广泛的一种定位方法。在实际应用中，TOA需要考虑目标节点和参考节点之间的时钟同步问题，这是影响TOA估计精度主要

52、因素。如果参考节点之间能够保持同步，则可以测量信号到达各参考节点的时间差，即可以采用TDOA的定位方法，定位参数估计原理与TOA一样，下面主要分析TOA方法。测量TOA参数，由目标节点向参考节点发出特定的测距命令或指令信号， 参考节点对该指令进行响应。参考节点通过已知的数据格式，解析出目标节点发射信号传输到参考节点的时间，该时间主要由无线信号在传输过程中的传播时延、参考节点的响应时延和处理时延组成。如果能够准确地得到参考节点的响应和处理时延，就可以算出无线信号的传播时延。因为无线电波在空气中以光速C 传播，所以参考节点与目标节点之间的距离估值为。当有三个参考节点参与测量时，就可以根据几何模型确

53、定目标节点所在的区域。下面对是否受多径信道的影响分别考虑TOA测距的CRLB。(1)在不考虑多径效应的情况下，目标节点作为信号源发射已知信号S(t)，参考节点作为接收设备处理信号，接收信号为r(t)=s(t)+n(t)，使用TOA方法测距估计的CRLB满足不等式： Var (4-7) 其中，表示无偏TOA估计的距离，SNR(Signal to Noise Ratio)为信噪比，S(f) 为发射信号的频域变换，是有效信号带宽， 定义为 (4-8)图4-1中显示带宽分别取0.5 GHz，0.75 GHz，1 GHz，3.1GHz和106 GHz 时TOA测距的CRLB曲线。由图示可见，距离的CRL

54、B随着带宽的增加而减小，在带宽为3.1GHz时，距离的CRLB已经小于5 cm。FCC规定的UWB的可用带宽为3.110.6 GHz，由此可知，理论上UWB的测距精度可达厘米级。图4-1 TOA估计与带宽的关系(2)在实际应用中，信号传播环境通常会受到多径的影响，特别是在室定位应用中。多径环境下TOA定位估计的CRLB的推导要相对复杂些。设目标节点发射的己知信号为S(t)，使用的UWB发射信号模型为： (4-9)其中，是每个符号的发送能量，是比特周期，为每个符号的帧数，表示每个符号的波形，是帧周期，是码片持续时间，是伪随机跳时序列。参考节点作为接收设备，在AWGN、多径衰落信道模型下，接收信号可以表示如下： (4-9)式中，L为多径数,是各径的增益系数，是各径的多径时延，满足是均值为0的白噪声，其双边带功率谱。由上面