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uwb定位技术原理及应用分析

发布时间:2019-06-28 06:33 来源:未知 编辑:admin

  UltraWideband(UWB)也可称为脉冲无线世纪。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10-100ps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,RF可同时发射多个UWB信号。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100Mb/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(In-triguingSignalingMethod)。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3.1-10.6GHz和低于41dB发射功率。

  UWB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(ImpulseRadio)、时域(TimeDomain)或无载波(CarrierFree)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通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s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。

  目前无线定位技术是指,即定位算法。目前最常用的用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法主要有: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。目前UWB定位系统也可以提供3D定位功能,此定位系统采用TDOA和AOA两种定位算法,已达到3D定位的效果。

  UbisenseUWB精确定位系统包含三个组成部分:传感器sensor、有源定位标签tag和定位平台iLocateTRM,在该系统中,定位标签tag利用uwb脉冲信号发射出位置信息给传感器sensor,传感器接受到信号后采用TDOA和AOA定位算法对标签位置进行分析,最终通过有线以太网传输到iLocate服务器。iLocateT-MUWB定位单元可以实现无缝蜂窝连接,将定位空间无限扩展,定位标签可以在各个单元自由行走,通过定位平台软件分析,将定位目标真实地以虚拟动态三维效果显示出来。该系统在传统的应用环境中稳定达到15cm的3D定位精度。

  UWB作为一项新的短距离无线通讯定位技术,具有以下一些传统的通讯技术无法比拟的优势:

  UWB属于中短距离范围内的通讯技术,非常适合构建室内环境的实时定位系统。根据最近的发展,目前的单个传感器定位单元的覆盖面积达到400平方米,传感器网络的信号发射节点跟信号接收节点之间的最大距离达到60米。可以实现多个定位单元(Cell)联合工作,按需扩大覆盖面积。

  相对于其他定位技术,UWB定位一个很大的优势就是它具有较好的实时性。下面的表格给出了目前无线定位领域各种定位技术的实时响应频率。

  UWB信号具有非常强的穿透力。UWB信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质,因此军事上UWB雷达可用来探测地雷,民用上可以查找地下金属管道、探测高速公路地基等。

  民用商品中,一般要求UWB信号的传输范围为10m以内,再根据经过修改的信道容量公式,其传输速率可达500Mbit/s,是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输,并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源,而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中,可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传。

  UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0.20ns~1.5ns之间,有很低的占空因数,系统耗电可以做到很低,在高速通信时系统的耗电量仅为几百W~几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电线左右,是蓝牙设备所需功率的1/20左右。军用的UWB电台耗电也很低。因此,UWB设备在电池寿命和电磁辐射上,相对于传统无线设备有着很大的优越性。

  前面分析可知,UWB定位系统无论在定位精度、传输能力、穿透力、实时性等方面与其他的无线定位技术相比都有明显优势,能够满足未来无线定位的要求。可以预见UWB技术将来一定会在无线定位领域得到广泛应用。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,相关芯片还很少,市场推动力不足等因素,阻碍着UWB定位技术的推广和应用。

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