IR-UWB穿墻測距誤差研究

蒙 靜，張欽宇，張乃通，，張霆廷，馬 琳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，518055深圳，starsmeng@126.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，150001哈爾濱)

基于脈沖超寬帶(Impulse Radio Ultra-wideband，IR-UWB)的無線定位系統(tǒng)充分利用了IRUWB信號高達(dá)納秒級別的時間分辨率，結(jié)合到達(dá)時間(Time-of-Arrival，TOA)的測距理論上可獲得厘米級別的定位精度[1].然而，無線定位測距性能也受到IR-UWB信號傳播特性的影響，特別是復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的非視距(Non-Line-of-Sight，NLOS)傳播是造成TOA測距誤差的主要原因.由于IR-UWB信號具有強(qiáng)穿透能力，是目前眾多短距離定位技術(shù)無法匹敵的[2]，深入研究IR-UWB信號穿墻透射機(jī)理及其導(dǎo)致的NLOS測距誤差，對無線定位系統(tǒng)設(shè)計和性能優(yōu)化都具有重要意義.

目前在視距(Line-of-Sight，LOS)環(huán)境下對IR-UWB定位系統(tǒng)測距誤差的研究已經(jīng)獲得了較統(tǒng)一的高斯分布模型[3－4]，而對 NLOS誤差的研究一直沒有定論，主要是由于室內(nèi)環(huán)境統(tǒng)計相似性已明顯消失[5]，有限環(huán)境測量結(jié)果通用性不大.特別是IR-UWB穿墻傳播中的距離誤差不僅與收發(fā)節(jié)點距離和障礙物參數(shù)有關(guān)，也受到脈沖信號傳播特性影響.結(jié)合IR-UWB信號穿墻傳播特性對測距誤差的研究很少，多是單獨研究IRUWB信號的透射機(jī)理，如文獻(xiàn)[6－7]對不同天線和墻體對IR-UWB信號傳播的影響進(jìn)行了實測，文獻(xiàn)[8]將傳統(tǒng)透射系數(shù)的時域表達(dá)式用于IR-UWB信號透射的建模，但并未給出相應(yīng)仿真結(jié)果.且上述文獻(xiàn)中均未考慮IR-UWB信號傳播過程中的頻率依賴性.基于此，本文將IR-UWB信號穿墻傳播特性與TOA測距誤差研究相結(jié)合，將NLOS距離誤差建模為由脈沖信號在墻體內(nèi)額外傳播時延導(dǎo)致的幾何距離誤差和脈沖波形畸變導(dǎo)致的峰值偏移誤差.并推導(dǎo)了幾何距離誤差限，通過對IR-UWB信號穿墻透射傳播機(jī)理的建模，定量分析了脈沖信號波形失真問題，以及不同墻體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的相關(guān)峰值偏移誤差對完全NLOS環(huán)境下TOA距離估計的影響.

1 IR-UWB穿墻測距誤差

NLOS傳播環(huán)境下，IR-UWB信號具有的強(qiáng)穿透障礙物能力使得DP能夠穿墻傳播到達(dá)接收機(jī).然而，由于電波信號在障礙物內(nèi)的傳播速度小于自由空間傳播速度，IR-UWB信號穿墻傳播引入的額外傳播時延必然產(chǎn)生TOA測距誤差[9].同時，IR-UWB信號的頻率依賴性使其在傳播過程中發(fā)生波形畸變[10]，脈沖峰值位置不確定，也會導(dǎo)致相干TOA測距誤差.從而使得最終的TOA距離估計結(jié)果恒大于收發(fā)節(jié)點間實際距離.因此，IR-UWB穿墻測距誤差由2部分組成:

1)電波在收發(fā)節(jié)點間折射后實際傳播路徑與直線距離的幾何距離誤差εgeo;

2)IR-UWB信號波形失真導(dǎo)致相關(guān)峰值位置不確定產(chǎn)生的峰值偏移誤差εpeak.

此處需要明確的是，本文暫不考慮多徑傳播對相干TOA估計的影響，即只關(guān)注僅有穿墻透射信號達(dá)到接收機(jī)的情況.

2 幾何距離誤差理論限

考慮二維平面的距離誤差推導(dǎo)，實際三維空間的距離誤差可看作是二維平面的擴(kuò)展.將收發(fā)節(jié)點置于如圖1所示的參考坐標(biāo)軸中.設(shè)收發(fā)節(jié)點均為全向天線，增益為1.圖中目標(biāo)節(jié)點A和參考節(jié)點B的坐標(biāo)分別為(xA，yA)和(xB，yB)，則AB節(jié)點間的直線距離為

根據(jù)等效源法，從A點以入射角θi入射到墻體表面后穿墻傳播到B點的信號，可等效為從A'點以相同入射角穿墻傳播到B點，信號的傳播路徑等效為A'到B的直線路徑.則節(jié)點A'和B之間的直線距離為 dA'B= Δy/sin θi.其中 Δy=|yA－ yB|.接下來計算IR信號在墻體內(nèi)的額外傳播時延.設(shè)墻體厚度為dwall，脈沖信號在墻內(nèi)的等效傳播距離為d'=dwall/cos θi.墻體內(nèi)傳播的額外時延為

其中εr為墻體的相對介電常數(shù)，c為光速.對應(yīng)的額外距離為

圖1 完全NLOS傳播幾何誤差

因此，TOA距離估計誤差為

上式可進(jìn)一步寫為

其中θ為AA'與AB的夾角.由此可見，IR-UWB信號穿墻傳播過程中的幾何距離誤差，由收發(fā)節(jié)點間距離、墻體參數(shù)以及入射角共同決定.此時通過相干TOA估計可能使得目標(biāo)節(jié)點A的位置偏移到以接收節(jié)點B為圓心，估計節(jié)點?到B的直線距離為半徑的圓上.

由式(1)，入射角和收發(fā)節(jié)點間距離變化對IR-UWB信號穿墻測距誤差的影響見圖2.設(shè)墻體為混凝土墻和石膏板，UWB頻段上對應(yīng)的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率均值分別為混凝土εr=6.05，σ=0.001 95 s/m;石 膏 板 εr= 2.8，σ =0.03 s/m.墻體厚度均為15 cm，收發(fā)節(jié)點間直線距離2 m.圖2(a)中εgeo與ε(dwall，θi)變化趨勢相同，隨著入射角的增加而增加，與收發(fā)節(jié)點間距離有關(guān)的誤差項ε(dAB，θi)為負(fù)數(shù)，也隨著入射角的增加而增加.單從數(shù)值大小上，ε(dwall，θi)遠(yuǎn)大于ε(dAB，θi).當(dāng)入射角 θi≥ π/3 后，εgeo基本與ε(dwall，θi)重合.圖2(b)中固定混凝土墻厚度為15 cm，入射角θi= π/4時，ε(dwall，θi)為常數(shù)，dAB的變化對總的距離誤差基本無影響.因此，式(1)中等式右邊第二項，即與墻體參數(shù)有關(guān)的距離誤差項決定了IR-UWB信號穿墻TOA測距的主要誤差.

圖2 IR-UWB穿墻測距幾何距離誤差限

3 IR-UWB穿墻透射波形失真

IR-UWB信號穿墻傳播導(dǎo)致的峰值偏移誤差εpeak完全由IR-UWB信號穿墻透射波形決定，明確波形失真對相干TOA測距誤差的影響，必須對IR-UWB單徑信號穿墻傳播建模.

3.1 穿墻透射模型

考慮IR-UWB信號穿透單個厚度為d的均勻墻體的情況.IR-UWB信號入射到不同介質(zhì)的分界面會同時發(fā)生反射和折射，穿墻傳播更為實際的情況是電磁波會在墻體內(nèi)的分界面之間發(fā)生連續(xù)多次反射[11]，如圖3 所示.圖中Rij和τij分別為電磁波在區(qū)域i和區(qū)域j分界面的反射和折射系數(shù).因此總的透射信號是首條透射徑與多個連續(xù)反射－透射徑的疊加.根據(jù)圖3的幾何關(guān)系，IRUWB信號在墻體內(nèi)單次傳播的衰減為Pd=e－jkl.其中k= ω為電磁波在墻體內(nèi)的傳播常數(shù)，l=d/cos θt為實際傳播距離.圖中 R12= ?！停瑸榇怪睒O化和水平極化的Fresnel反射系數(shù)，τij=Rij+1，且R23=R21=－Γ.修正的透射系數(shù)可以表示為如下的級數(shù)形式:

圖3 IR-UWB穿墻傳播模型

由式(2)可知，IR-UWB信號的穿墻傳播特性與墻體參數(shù)密切相關(guān).表征材料電磁特性的參數(shù)有3個:電容率ε，電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ.室內(nèi)材料通常都是非磁性介質(zhì)，因此其相對磁導(dǎo)率μr近似為1.對于有損耗媒質(zhì)，其等效的復(fù)介電常數(shù)可表示為，其中介電常數(shù)為為自由空間介電常數(shù)，εr為相對介電常數(shù)，ε″為介電損耗.該復(fù)介電常數(shù)直接決定了電磁波在有損耗媒質(zhì)中的傳播常數(shù)k.等效介電常數(shù)中已包含頻率因子ω，因此通常所說的媒質(zhì)介電常數(shù)是指某一特定頻率上的電參數(shù)值.文獻(xiàn)[13]對室內(nèi)常見材料電參數(shù)(相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率)在UWB頻段的實測結(jié)果指出材料電參數(shù)是具有頻率依賴性的.對IR-UWB信號穿墻傳播的研究必須考慮墻體電參數(shù)隨頻率變化的問題.本文使用子頻帶的方法研究IR-UWB信號的穿墻傳播[14].其整個過程可描述為

其中Er(t)為時域接收信號;Einc(jω)為發(fā)射信號Einc(t)的頻譜;Fi(jω)為第i個子頻帶的透射系數(shù);Ai(jω)為第i個子頻帶對應(yīng)的矩形窗函數(shù);M為所有子頻帶數(shù)目.

3.2 IR-UWB信號波形失真分析

使用如下的高斯脈沖二階導(dǎo)函數(shù)作為發(fā)射脈沖:

其中A為高斯二階導(dǎo)脈沖的幅度，τ為脈沖成形因子，Tc為時間偏移量.仿真中 A=1 V，α=0.160 ns，Tc=0.5 ns.該脈沖對應(yīng)的距離分辨率ΔR≈3.75 cm.室內(nèi)環(huán)境下常見的障礙物材料及尺寸如表1所列，鋼筋混凝土墻厚度為15 cm，鋼筋直徑分別為2 cm和4 cm，間隔7.5 cm.根據(jù)文獻(xiàn)[13]中給出的墻體電參數(shù)，高斯二階導(dǎo)脈沖信號垂直入射到不同障礙物后的透射波形如圖4所示.

表1 室內(nèi)常見障礙物尺寸及IR-UWB信號穿墻透射性能相關(guān)參數(shù)

圖4 IR-UWB信號穿透不同墻的透射性能相關(guān)參數(shù)

此處使用能量損耗L和波形相關(guān)度ρ衡量IR-UWB信號的波形失真，分別定義為

4 TOA測距誤差分析

根據(jù)3.2節(jié)的仿真結(jié)果，結(jié)合相干TOA測距算法，僅有穿墻透射信號時，可將接收信號相關(guān)峰值的TOA估計作為IR-UWB信號的最優(yōu)到達(dá)時間.圖5為IR-UWB信號穿透15 cm石膏墻、混凝土墻和鋼筋混凝土墻之后，分別使用發(fā)射脈沖和接收信號作為模板信號時的歸一化自相關(guān)和互相關(guān)波形.自相關(guān)波形有明顯的峰值，相對于峰值點是完全對稱的，互相關(guān)波形出現(xiàn)了2個正負(fù)峰值.自相關(guān)和互相關(guān)峰值間的偏移量即為波形失真導(dǎo)致的相關(guān)峰值偏移誤差.對于鋼筋混凝土的情況更為復(fù)雜，互相關(guān)波形出現(xiàn)了2個較大的峰值.對圖4中穿墻透射波形進(jìn)行相關(guān)處理之后，由于波形畸變導(dǎo)致的相關(guān)峰值偏移TOA估計誤差εpeak見表2.其中幾何距離誤差εgeo由式(1)直接算出.IR-UWB信號穿透均勻墻體的波形失真造成的峰值偏移誤差都小于幾何距離誤差，其數(shù)值維持在單個脈沖信號持續(xù)時間對應(yīng)的距離分辨率范圍;對于非均勻的鋼筋混凝土墻，峰值偏移誤差已經(jīng)與幾何誤差相當(dāng)，此時幾何距離誤差已不能很好的描述IR-UWB信號穿墻傳播導(dǎo)致的NLOS距離誤差.

圖5 IR-UWB透射信號的自相關(guān)和互相關(guān)歸一化波形

表2 不同墻體導(dǎo)致的距離誤差比較

綜上，對于完全NLOS環(huán)境下IR-UWB信號穿墻傳播導(dǎo)致的TOA距離估計誤差，本文第2節(jié)推導(dǎo)的幾何距離誤差限εgeo是該NLOS誤差的主要部分，其由墻體材料和墻體內(nèi)傳播距離決定，收發(fā)節(jié)點間距離的影響可忽略;另一部分NLOS距離估計誤差是由IR-UWB信號波形畸變導(dǎo)致的相關(guān)峰值偏移誤差，對于均勻墻體，峰值偏移誤差εpeak維持在脈沖對應(yīng)的距離分辨率量級，而非均勻墻體導(dǎo)致的峰值距離偏差極大，文中給出的鋼筋混凝土墻體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的峰值偏移誤差已接近幾何距離誤差.此時必須考慮脈沖信號畸變對測距精度的影響.

5 結(jié)論

NLOS環(huán)境下IR-UWB信號穿墻傳播會導(dǎo)致相干TOA測距誤差.本文將IR-UWB信號穿墻測距NLOS誤差建模為由脈沖信號在墻體內(nèi)額外傳播時延導(dǎo)致的幾何距離誤差和脈沖波形畸變導(dǎo)致的峰值偏移誤差之和.幾何距離誤差理論主要由IR-UWB信號在墻體障礙物內(nèi)的傳播距離和材料決定，收發(fā)節(jié)點間距離對其影響可忽略.IR-UWB信號穿墻傳播中能量損耗隨墻體電導(dǎo)率增加而增大;波形畸變則主要受墻體的相對介電常數(shù)和非均勻性影響.對于厚度與脈沖信號波長相當(dāng)?shù)恼系K物，還必須考慮介質(zhì)板內(nèi)多重反射對透射波形的影響.IR-UWB信號穿透均勻墻體的波形畸變導(dǎo)致的峰值偏移誤差小于幾何距離誤差，其數(shù)值維持在脈寬對應(yīng)的距離分辨率量級;而對非均勻墻體來說，峰值偏移誤差是NLOS誤差的重要組成部分，在對IR-UWB測距誤差修正中必須加以考慮.本文的后續(xù)工作擬利用該確定環(huán)境測距誤差信息結(jié)合實際信道分布，完善IR-UWB穿墻測距誤差修正理論，以及對NLOS定位性能的優(yōu)化.

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