UWB室內(nèi)定位和通信一體化技術(shù)研究

王超　孫曉莉

摘要：UWB室內(nèi)定位和通信的一體化在本質(zhì)上就是將UWB定位和通信相融合，目前對(duì)UWB室內(nèi)定位的研究越發(fā)火熱，在此情勢(shì)下，將現(xiàn)有資源進(jìn)行的充分運(yùn)用，以UWB定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)將通信進(jìn)行融合是可行之舉?？紤]到目前IEEE802.15.4a是UWB定位系統(tǒng)主要采用的低速標(biāo)準(zhǔn)，為便于實(shí)現(xiàn)和集成UWB定位和通信一體化系統(tǒng)的硬件，在本文中提出將低速UWB標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：UWB室內(nèi)定位;通信一體化技術(shù);研究

將本文中所提到的UWB室內(nèi)定位和通信一體化系統(tǒng)，同現(xiàn)有的UWB定位系統(tǒng)比較來(lái)看，UWB室內(nèi)定位和通信一體化系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度都有所降低，而系統(tǒng)的靈活性有所提高。將全無(wú)線方式的構(gòu)想作為基站新部署方式的參考，提出用具備雙向通信功能的移動(dòng)終端的概念去代替標(biāo)簽的叫法，對(duì)集成方案的完善有所幫助，完成一體化平臺(tái)與終端的通信。

一、UWB的發(fā)展

本質(zhì)意義上的超寬帶（Ultra Wideband，UWB），又被稱為脈沖無(wú)線電，最初在19世紀(jì)的無(wú)線電報(bào)時(shí)代便可追溯到超寬帶的歷史，受時(shí)域脈沖響應(yīng)控制的微波網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)時(shí)的研究領(lǐng)域。自20世紀(jì)60年代起，在軍用雷達(dá)系統(tǒng)便應(yīng)用了窄脈沖信號(hào)的UWB技術(shù)，而UWB在通信領(lǐng)域的應(yīng)用是從90年代開(kāi)始吸引工業(yè)和學(xué)術(shù)屆的關(guān)注。1989年由美國(guó)軍方率先提出了“超寬帶”的概念，規(guī)定UWB系統(tǒng)的相對(duì)帶寬應(yīng)該大于0.2。UWB技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展作為一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域?qū)⒌巧厦裼梦枧_(tái)。美國(guó)FCC在2002年對(duì)UWB技術(shù)的定義提出補(bǔ)充，給出了民用領(lǐng)域限制功率限制，并提出10dB絕對(duì)帶寬超過(guò)500Hz的系統(tǒng)也可視作UWB系統(tǒng)。從2002年FCC開(kāi)放UWB短距離無(wú)線通信領(lǐng)域并頒發(fā)了應(yīng)用許可后，人們便開(kāi)始真正去廣泛關(guān)注UWB技術(shù)和并進(jìn)行研究，到目前為止，人們對(duì)UWB的研究依舊充滿熱情，如今的時(shí)代，UWB技術(shù)正在飛速發(fā)展，所以人民將會(huì)繼續(xù)深入U(xiǎn)WB的研究。

二、UWB定位和通信一體化現(xiàn)狀總結(jié)

通過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)UWB的研究現(xiàn)狀分析情況可以體現(xiàn)出，UWB信號(hào)的產(chǎn)生、天線設(shè)計(jì)和信道傳輸和調(diào)制與解調(diào)UWB信號(hào)等問(wèn)題是UWB通信技術(shù)上的研究的主要內(nèi)容;在研究定位技術(shù)方面，主要內(nèi)容是定位算法，努力提高定位的精度，UWB在室內(nèi)定位精度已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)甚至更低，面對(duì)如此高的成就，如果不能在定位精度上的研究有新的突破，可以將定位方法上作為研究重點(diǎn)。UWB作為理想室內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)的一種，新的研究趨勢(shì)是將定位和通信充分結(jié)合起來(lái)并發(fā)揮的它的優(yōu)勢(shì)。精度是衡量UWB定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，但是在定位和通信一體化系統(tǒng)中精度并不是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，衡量一體化系統(tǒng)新的準(zhǔn)則是定位能力和相關(guān)資源數(shù)據(jù)的傳輸能力。因此目前必須要考慮的問(wèn)題是UWB室內(nèi)定位和通信的一體化：

（1）在系統(tǒng)硬件問(wèn)題方面，當(dāng)前市場(chǎng)上并未出現(xiàn)UWB集成到PC以及多種電子移動(dòng)設(shè)備上的批量產(chǎn)品。目前普遍的UWB產(chǎn)品是獨(dú)立于手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備之外的標(biāo)簽產(chǎn)品，所以目前需要將UWB產(chǎn)品是否集成到手機(jī)等設(shè)備上納入考量。

（2）在干擾性問(wèn)題方面，盡管UWB的民用使用權(quán)限上FCC有所規(guī)定，但UWB的使用必須符合環(huán)境場(chǎng)景，目前研究數(shù)據(jù)表明，UWB信號(hào)對(duì)天文臺(tái)有干擾，但對(duì)于帶外的干擾未有明確跡象表明是否有影響。

（3）通信信號(hào)融合和UWB定位的問(wèn)題，其中包括通信信號(hào)與定位信號(hào)融合和共存之后對(duì)定位精度帶來(lái)的影響等，UWB對(duì)時(shí)延較為敏感，稍有誤差，將帶來(lái)很大的影響。

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

目前并沒(méi)有成熟的硬件平臺(tái)可以使UWB室內(nèi)定位和通信一體化得到支持，雖然法國(guó)的Bespoon的SpoonPhone已經(jīng)將UWB技術(shù)集成到手機(jī)上，但是方案并不成熟，方案的成本太高而性能較低。，一體化硬件作為整個(gè)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，它的設(shè)計(jì)更加重要，文章本段主要將采用DW1000對(duì)上文中提到的UWB定位和通信一體化系統(tǒng)分別對(duì)一體化平臺(tái)和硬件系統(tǒng)兩個(gè)部分進(jìn)行便攜式設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)部分包括移動(dòng)終端和無(wú)線基站，一體化平臺(tái)可以接收定位信息并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)于硬件系統(tǒng)可以通過(guò)串口對(duì)其提供指導(dǎo)與通信。將一體化平臺(tái)和硬設(shè)系統(tǒng)聯(lián)通的關(guān)鍵是串口。作為整個(gè)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)可以初步采集信號(hào)的特征值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、上傳，實(shí)現(xiàn)一體化平臺(tái)與系統(tǒng)的通信功能，為利于基站部署，在設(shè)計(jì)中提出采用全無(wú)線方式的設(shè)計(jì)，因?yàn)榛驹诓煌氖覂?nèi)建筑位置不同，而且當(dāng)擺放新的大件物品時(shí)，容易對(duì)基站信號(hào)造成遮擋，形成非視距，以致于基站收不到完整信號(hào)，造成較大誤差。無(wú)線基站可以根據(jù)用戶的需求隨時(shí)對(duì)位置進(jìn)行挪移。如下圖所示，無(wú)線基站分為主、從基站，主無(wú)線基站通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB與一體化平臺(tái)相連，通過(guò)UWB方式和其它無(wú)線基站和移動(dòng)終端之間進(jìn)行傳輸。

四、UWB定位和通信一體化通信幀設(shè)計(jì)

為保證一體化系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的定位通信技術(shù)可以正常工作，需要對(duì)通信幀進(jìn)行設(shè)計(jì)，在本文中，在定位幀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的形成通信幀，如下圖所示IEEE802.15.4是定義UWB物理層框架，于一個(gè)同步頭開(kāi)始，包括幀分隔符與前導(dǎo)碼，然后是數(shù)據(jù)和物理頭（定義數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）。標(biāo)志前導(dǎo)碼結(jié)束的是幀分隔符，以及精確的轉(zhuǎn)換到物理頭和數(shù)據(jù)調(diào)制開(kāi)始。因?yàn)榉浅４_定這個(gè)事件的時(shí)間戳，所以才使得RTLS精確的應(yīng)用。SFD可以發(fā)送的三種狀態(tài)由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分別由（0）不發(fā)送、（1）正常發(fā)送和（-1）發(fā)送反向脈沖組合形成。

UWB定位數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的融合方法是在定位序列后添加新的序列，數(shù)據(jù)的融合將帶來(lái)兩個(gè)影響，一個(gè)是干擾問(wèn)題，另一個(gè)是時(shí)延增加。在通訊的過(guò)程中，因?yàn)閿?shù)據(jù)區(qū)域包含定位信號(hào)和通信信號(hào)和兩個(gè)部分信息。在上行鏈路中，設(shè)備會(huì)對(duì)信息進(jìn)行處理，并進(jìn)行繁瑣的計(jì)算;相反在下行鏈路中，由于用來(lái)定位的信號(hào)會(huì)搶占通訊的應(yīng)答，所以對(duì)控制中心發(fā)來(lái)的用于通信的信號(hào)部分則是一種干擾。為了解決所存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的共存，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有定位測(cè)距的現(xiàn)象進(jìn)行改進(jìn)。

如圖所示，其中用于定義數(shù)據(jù)區(qū)域的長(zhǎng)度的Bit2-Bit8是無(wú)符號(hào)的整數(shù);Bit9則表示該通信幀是用于定位測(cè)距或者是用于通信，0代表該幀是用于通信，1代表該幀用于定位測(cè)距，通過(guò)分類(lèi)匹配對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取處理;為以后擴(kuò)展使用總是將Bit10為零，作為保留位，Bit11-Bit12作為應(yīng)答幀，是前導(dǎo)碼持續(xù)時(shí)間，可以通過(guò)接收機(jī)來(lái)設(shè)置;Bit13-Bit18一組六個(gè)作為校驗(yàn)位，主要用于減少信道缺陷和噪聲帶來(lái)的影響。

Bit9作為標(biāo)志位的出現(xiàn)解決通信和定位共同存在的問(wèn)題，可以通過(guò)基站在由移動(dòng)終端上傳信息的過(guò)程中對(duì)信息進(jìn)行處理;PC端可以通過(guò)標(biāo)志位對(duì)向移動(dòng)終端發(fā)送的通信指令進(jìn)行分類(lèi)，以免用于用于通信的信號(hào)與用于定位的信號(hào)發(fā)生碰撞。

總結(jié)：在UWB室內(nèi)定位和通信一體化的系統(tǒng)中，用戶可以通過(guò)所持有的移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)信息，無(wú)線基站完成接收并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，主無(wú)線基站完成對(duì)移動(dòng)終端的測(cè)距，同時(shí)將測(cè)距信息傳遞到一體化定位平臺(tái);對(duì)移動(dòng)終端的測(cè)距主要有其他基站負(fù)責(zé)，并向主無(wú)線基站轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距信息;定位解算和發(fā)送通信數(shù)據(jù)主要由一體化平臺(tái)完成;移動(dòng)終端與基站配合完成測(cè)距，并處理接收的通信信息;主無(wú)線基站在整個(gè)系統(tǒng)中起到連接上下行通路的作用。因此本文所提出的UWB室內(nèi)定位和通信一體化系統(tǒng)，在完成定位的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)對(duì)終端的通信，使UWB定位和通信實(shí)現(xiàn)了融合。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院）