UWB定位技術介紹

UWB技術使用兩種方式傳輸數據：一種是無線收發，利用衛星信號進行傳輸，另一種是通過無線通信的方式傳輸數據。

無線收發采用的模式主要是同步、異步和自適應多址。

UWB系統是近幾年來非常熱門的一個技術了，在民用市場已經有很大優勢了，但由于技術發展太快，現在很多都沒有進行商用了，所以我們先從最新版的 UWB技術開始介紹吧！

一、超寬帶

超寬帶（Ultra-wideband, UWB）是一種利用無線電信號進行數據傳輸的技術，是一種非授權頻段的超寬帶（UWB）系統。

超寬帶通信系統的工作頻率為1~10 GHz，波長為5~100μm，工作在C波段。

UWB具有高數據速率、低時延、穿透能力強、抗多徑干擾等優點。

UWB是利用脈沖重復頻率（PRS）和脈沖間隔時間（PLD）實現高速數據傳輸的技術。

脈沖重復頻率指單位時間內脈沖發射次數，可分為連續或離散形式。

PRS可以根據頻率來劃分，常用的是20 MHz~100 MHz; PLD可以劃分為2~4路數字信號處理模塊組成；脈沖間隔時間（PL, pulse latency，即 PL/PLD）主要用于實現時鐘恢復等功能；脈沖重復頻率與 PRS有關，但更多地取決于天線形式、接收靈敏度、載波頻率等因素，可通過測量 PRS和 PLD的 PL/DL值來計算。

二、時隙

UWB技術的時隙分為兩類：同步和異步。

同步時隙：同步信號使用固定時隙，每個載波接收信號，并在發送時同步它的相位和幅度；異步時隙：每個載波接收一個相位和幅度變化的正弦信號，將其解調成一個時間片，然后通過時頻轉換成一個時間片。

UWB系統中使用同步和異步的時隙。

由于 UWB的波束窄且功率低，在對目標進行定位時通常使用 UWB信號來傳輸數據，而不是傳統的無線電系統使用多個射頻天線來發射信號，而射頻天線只能用于接收數據。

因此在使用 UWB通信時，必須考慮發射功率問題，通常需要考慮的功率包括幾個方面：

首先是發射時間點選擇；其次是在接收端需要設置接收器來識別是否來自目標位置；最后才是根據接收到的信號類型進行選擇正確的波束。

三、星間傳輸

星間傳輸也是利用衛星來進行通信，由于 UWB對衛星的要求很低，所以它的使用范圍非常廣泛，可以說是無處不在。

UWB星間傳輸的具體過程如圖所示，可以將接收到的數據進行發送操作。

如果接收端沒有數據包需要返回給發送端，則發送端只需將其傳送給接收端即可。

如果收到的數據包需要傳輸到下一個發送端，則可以先將其傳送給下一個用戶，然后再傳送到下一個用戶，如此重復下去即可將全部數據包完成傳輸。

UWB衛星系統可以分為多個部分，每個部分都有其相應的功能。

星間傳輸技術的優點是定位精度高、可靠性高且成本低；缺點是對接收機硬件要求較高且對衛星環境依賴性強。所以它在軍用和民用領域都有廣泛應用。

四、多徑效應。

UWB技術具有多徑效應，即在一個發射信號中同時存在多個信號發射，這也是為什么該技術被稱為“窄帶定位”的原因。

當一條路徑上的能量被用完后，就會產生多徑，其中每一個信號都被用完了。所以，我們在接收定位目標的發射信號時，需要選擇最短的路徑去接收信號。

由于發射信號時能量消耗較大（一條路徑上的能量消耗約為1-2 dB）且不能直接利用，所以需要在接收端將多余能量返回給下一個發射。

為了解決這一問題，可以采用“信道編碼”（codice_1）或“波束形成”（baseline convex）技術來提高系統的抗多徑能力。

此外在 UWB系統中還可以使用空間輔助的測距方式。

如果目標是一個移動物體或一個小體積對象（如車輛、人或物體），則還可以利用多普勒效應來實現測距功能。

五、波束成形

UWB信號的功率譜密度（PSD）在頻域上為負，頻率為800 MHz，使用 Ubc頻段，如圖6所示。

在 UWB系統中采用了一種全新的信號波形——波束成形算法。

其基本原理是：

當射頻信號經過接收端時，接收機根據測量到的信號強度的變化對天線產生響應（即在接收機端獲得與發送的信號強度成比例的反射率），然后再經過算法處理后將其轉化為可用來表示接收機輸出信息的形式，最后將這一形式發送到傳輸信道上。

該波形能夠保證信號在所有方向均有相同的功率和頻率增益。

該技術目前主要應用于測距定位領域，比如室內短距離無人駕駛汽車測距、無人駕駛車輛定位等等。

六、自適應多址調制（Aadd Mode Module, AMS）技術（使用 MISO調制）

MISO（Mission-specific Integrated Module，自適應多址）調制技術的基本原理就是：

利用調制方法來控制信號頻譜。

利用一種稱為預編碼（precise encoding）的技術來增強系統性能。

AMS是由愛立信和高通共同開發的，使用 MISO調制方式，實現數據在一個周期內的復用。

其可以在發送端以一種靈活的方式使用各種信號形式，比如調制后，直接作為本地（based）數據流發送；也可以通過不同的編碼方式進行復用。

AMS通過改變系統內部時鐘和參考時鐘之間的頻率間隔來進行頻譜選擇；也可以對頻率間隔進行調節，以確保所需數據速率。

其優點是：不需要對信號產生任何新的同步操作；不需要任何同步操作就能支持高帶寬工作范圍；無需發送端和接收端分別處理信號、通信或兩者同時處理信號。

七、自適應用戶選擇協議（Adaptive Side Selection Protocol, APS）技術可以根據數據流的特征，自動選擇不同的信道，從而使每個 UWB用戶能夠從多個信道中選擇最優信道用于傳輸。

實現位置服務，即 UWB設備可以同時接收多個 UWB用戶發送的數據流。

APS協議是 UWB無線技術中的核心部分，是通過將多個發射功率不同、頻率不同的信號在一段時間內同時發送到多個基站進行測距所實現的。

APS與 OFDM相比具有以下優勢：

?能夠在同一時刻完成多用戶發射，且每個用戶可以獨立地選擇不同的信道；

?能夠在單個基站上同時定位多個移動目標（包括但不限于：人、車輛等）；

審核編輯黃宇