淺談 UWB定位技術(shù)

王波

(重慶市重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程系計(jì)算機(jī)通信教研室，重慶 401331)

1 UWB技術(shù)簡介

Ultra Wideband(UWB)也可稱為脈沖無線電，可追溯至19世紀(jì)。至今UWB還在爭論之中。UWB調(diào)制采用脈沖寬度在ns級(jí)的快速上升和下降脈沖，脈沖覆蓋的頻譜從直流至GHz，不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。脈沖峰峰時(shí)間間隔在10-100 ps級(jí)。頻譜形狀可通過甚窄持續(xù)單脈沖形狀和天線負(fù)載特征來調(diào)整。UWB信號(hào)在時(shí)間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當(dāng)?shù)停琑F可同時(shí)發(fā)射多個(gè)UWB信號(hào)。UWB信號(hào)類似于基帶信號(hào)，可采用OOK，對映脈沖鍵控，脈沖振幅調(diào)制或脈位調(diào)制。UWB不同于把基帶信號(hào)變換為無線射頻 (RF)的常規(guī)無線系統(tǒng)，可視為在RF上基帶傳播方案，在建筑物內(nèi)能以極低頻譜密度達(dá)到100 Mb/s數(shù)據(jù)速率。

為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，UWB應(yīng)用超短基帶豐富的GHz級(jí)頻譜，采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的寬廣頻譜，F(xiàn)CC在2002年宣布UWB可用于精確測距，金屬探測，新一代WLAN和無線通信。為保護(hù)GPS，導(dǎo)航和軍事通信頻段，UWB限制在3.1-10.6 GHz和低于41 dB發(fā)射功率。

UWB無線通信是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短(小于1ns)的脈沖進(jìn)行通信的方式，也稱做脈沖無線電(Impulse Radio)、時(shí)域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)通信。與普通二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)信號(hào)波形相比，UWB方式不利用余弦波進(jìn)行載波調(diào)制而發(fā)送許多小于1ns的脈沖，因此這種通信方式占用帶寬非常之寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。

UWB通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)，能在10米左右的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達(dá)等領(lǐng)域。

2 UWB定位原理介紹

2.1 UWB定位算法

目前無線定位技術(shù)是指，即定位算法。目前最常用的用來判定移動(dòng)用戶位置的測量方法和計(jì)算方法主要有：時(shí)差定位技術(shù)、信號(hào)到達(dá)角度測量(AOA)技術(shù)、到達(dá)時(shí)間定位(TOA)和到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)等。其中，TDOA技術(shù)是目前最為流行的一種方案，除了用于GSM系統(tǒng)，在其他諸如AMPS和CDMA系統(tǒng)中也廣泛應(yīng)用，UWB定位采用的也是這種技術(shù)。目前UWB定位系統(tǒng)也可以提供3D定位功能，此定位系統(tǒng)采用TDOA和AOA兩種定位算法，已達(dá)到3D定位的效果。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

接下來以常州唐恩軟件科技有限公司生產(chǎn)的Ubisense UWB精確定位系統(tǒng)為例介紹UWB定位系統(tǒng)的構(gòu)成。

Ubisense UWB精確定位系統(tǒng)包含三個(gè)組成部分：傳感器sensor、有源定位標(biāo)簽tag和定位平臺(tái)iLocateTRM,在該系統(tǒng)中，定位標(biāo)簽tag利用uwb脈沖信號(hào)發(fā)射出位置信息給傳感器sensor，傳感器接受到信號(hào)后采用TDOA和AOA定位算法對標(biāo)簽位置進(jìn)行分析，最終通過有線以太網(wǎng)傳輸?shù)絠Locate服務(wù)器。iLocateTMUWB定位單元可以實(shí)現(xiàn)無縫蜂窩連接，將定位空間無限擴(kuò)展，定位標(biāo)簽可以在各個(gè)單元自由行走，通過定位平臺(tái)軟件分析，將定位目標(biāo)真實(shí)地以虛擬動(dòng)態(tài)三維效果顯示出來。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境中穩(wěn)定達(dá)到15cm的3D定位精度。

圖1 定位傳感器Sensor

圖2 定位標(biāo)簽Tag

圖3 定位平臺(tái)iLocateTM

3 UWB定位優(yōu)勢

UWB作為一項(xiàng)新的短距離無線通訊定位技術(shù)，具有以下一些傳統(tǒng)的通訊技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢：

3.1 定位精度高

下面的表格給出了目前無線定位領(lǐng)域各種定位技術(shù)的定位精度對照表。

技術(shù) 定位精度Proximity cards 大約30m GPS 5m-20m Bluetooth 大約3m IEEE802.11 大約3m Dedicated RF 大約3m Unidirectional UWB <30cm UBIsense UWB 15cm(3d)

3.2 范圍覆蓋廣。UWB屬于中短距離范圍內(nèi)的通訊技術(shù)，非常適合構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。根據(jù)最近的發(fā)展，目前的單個(gè)傳感器定位單元的覆蓋面積達(dá)到400平方米，傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)跟信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)之間的最大距離達(dá)到60米。可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)定位單元（Cell）聯(lián)合工作，按需擴(kuò)大覆蓋面積。

3.3 實(shí)時(shí)性好

相對于其他定位技術(shù)，UWB定位一個(gè)很大的優(yōu)勢就是它具有較好的實(shí)時(shí)性。下面的表格給出了目前無線定位領(lǐng)域各種定位技術(shù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)頻率。

Z UBItag

3.4 穿透力強(qiáng)

UWB信號(hào)具有非常強(qiáng)的穿透力。UWB信號(hào)能穿透樹葉、土地、混凝土、水體等介質(zhì)，因此軍事上UWB雷達(dá)可用來探測地雷，民用上可以查找地下金屬管道、探測高速公路地基等。

3.5 傳輸能力強(qiáng)。民用商品中，一般要求UWB信號(hào)的傳輸范圍為10m以內(nèi)，再根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達(dá)500Mbit/s，是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨(dú)占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。在軍事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴(kuò)頻增益來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳。

3.6 發(fā)射功率小

UWB系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，一般在0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時(shí)系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動(dòng)電話所需功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/20左右。軍用的UWB電臺(tái)耗電也很低。因此，UWB設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統(tǒng)無線設(shè)備有著很大的優(yōu)越性。

4 UWB定位系統(tǒng)前景展望

前面分析可知，UWB定位系統(tǒng)無論在定位精度、傳輸能力、穿透力、實(shí)時(shí)性等方面與其他的無線定位技術(shù)相比都有明顯優(yōu)勢，能夠滿足未來無線定位的要求。可以預(yù)見UWB技術(shù)將來一定會(huì)在無線定位領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但目前超寬帶技術(shù)正處于發(fā)展初級(jí)階段，精確定位技術(shù)的商業(yè)化正在進(jìn)行之中，定位算法還有待改進(jìn)，相關(guān)芯片還很少，市場推動(dòng)力不足等因素，阻礙著UWB定位技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

[1]王金龍等著.無線超寬帶（UWB）通信原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社.出版，2005-11-1

[2]朱剛等著.超寬帶（UWB）原理與干擾[M].北京：清華大學(xué)出版社.出版日期：2009-07

[3]張新躍,沈樹群；UWB超寬帶無線通信技術(shù)及其發(fā)展前景[J]。數(shù)據(jù)通信，2004年02期

[4]呂學(xué)龍，基于IR-UWB的室內(nèi)無線通信定位技術(shù)的研究[D];哈爾濱工程大學(xué).2010年