UWB(定位技术)超宽带无线通信技术一、UWB调制技术超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。

它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。

传统通信方式使用的是连续波信号，即本地振荡器产生连续的高频载波，需要传送信息通过例如调幅，调频等方式加载于载波之上，通过天线进行发送。

现在的无线广播，4G通信，WIFI等都是采用该方式进行无线通信。

下图是一个使用调幅方式传递语音信号的的连续波信号产生示意图。

图1 连续波调幅信号而脉冲超宽带IR-UWB(Impluse Radio Ultra Wideband)信号，不需要产生连续的高频载波，仅仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲，便可通过天线进行发送。

需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度，时间，相位进行加载，进而实现信息传输。

下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图。

图2 IR-UWB调相信号从频域上看，连续波信号将能量集中于一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低，如图3所示。

图3 IR-UWB信号频谱在无线定位中，使用IR-UWB信号相对于窄带信号的主要优势为，IR-UWB信号能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。

主要有三种应用：成像、通信与测量和车载雷达系统，再宏观一点，可以分为定位、通信和成像三种场景。

·通信：因为大带宽，所以UWB一度被认为是USB数据传输的无线替代方案，蓝牙的问题是传输速度太慢。

UWB还常用于军用保密通信，这主要也是因为UWB脉冲的能量很低，很容易低于噪声门限，不容易被其它无线电系统监听到。

UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能实现数百Mbit/s至2Gbit/s 的数据传输速率。

而且具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、空间容量大、能精确定位等诸多优点，可以说是个超级“潜力股”，很有可能在将来成为家庭主用的无线传输技术。

·成像：UWB系统的带宽很宽，目前UWB穿墙雷达是很广泛的应用，具体做法是利用窄脉冲传过墙壁，获得墙对面的回波，可以得到成像，成像误差很低[3]。

所以如果有一天苹果开放底层接口，说不定iphone就可以拿来窥探邻居了。

根据美国联邦通信委员会的规范，UWB的工作频带为3.1~10.6GHz，系统-10dB带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。

UWB 信号的发生可通过发射时间极短（如2ns）的窄脉冲（如二次高斯脉冲）通过微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现。

这项技术通过超大带宽和低发射功率，实现低功耗水平上的快速数据传输。

FCC（美国联邦通信委员会）为UWB分配了3.1~10.6 GHz共7.5 GHz频带，还对其辐射功率做出了比FCC Part15.209更为严格的限制，将其限定-41.3dBm 频带内。

二、UWB室内定位技术室内定位之所以具有普遍适用性，与定位技术繁多是密不可分的。

常见的室内定位技术有超声波技术、红外线定位技术、蓝牙定位技术、WiFi定位技术、UWB （超宽带）定位技术、ZigBee定位技术、射频技术、惯性导航技术、地磁定位技术、视觉定位等。

不同行业对定位精度的需求有所不同，所以使用的定位技术也不尽相同。

其中，智能制造、智能建设、养老医疗、公共安全、物流运输等行业使用最多的就是UWB定位技术。

无线定位技术领域可分为广域定位和短距离无线定位，广域定位可分为卫星定位和移动定位；短距离定位主要包括WLAN、RFID、UWB、蓝牙、超声波等。

当前应用的主要无线定位技术与无线定位测量方法的关联状况如下图：大家所熟知的GPS、北斗等，都属于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），可以提供卫星定位服务。

为了更好地消除误差、提高反应速度，GNSS会引入一些天基或陆基的辅助手段。

结合辅助手段的GNSS，也被称为A-GNSS。

A就是Assisted，“辅助”的意思。

现在比较常用的A-GNSS，是通过陆基的移动通信网络，传送增强改正数据，提供辅助信息，加强和加快卫星导航信号的搜索跟踪性能和速度，缩短定位时间，提高定位精度。

不管是GNSS，还是A-GNSS，都有一个明显的缺点，就是不能实现室内定位。

原因显而易见，卫星信号会被建筑物遮挡啊。

然而，随着时代的发展，室内定位的业务场景却越来越多，用户对室内定位的需求越来越强烈。

例如地下车库导航、商场寻找店铺或同伴，甚至儿童走失寻回。

于是，一些人开始尝试利用各种短距离通信技术，开发高精度的室内定位系统，用于迎合用户需求，赚小钱钱。

可供选择的技术，就包括Wi-Fi，蓝牙，UWB 等。

由于UWB脉冲的时间宽度极短，因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。

在2002年以前，UWB被广泛用于军事方面的用途。

2002年，FCC（美国联邦通信委员会）对UWB做了如前文所说的功率上的严格限制，才将UWB技术解禁，准许进入民用领域。

此后，UWB技术进入了高速发展期，各种技术方案围绕着UWB国际标准的制定也展开了激烈的竞争。

2007年，IEEE在802.15.4a标准中对UWB技术进行了标准化。

经过近十年的发展，UWB的标准也在不断完善。

说到UWB的产业链，就不得不提到Decawave公司。

Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。

他们提供低成本的芯片出售，零售价格在几美元。

芯片型号是DW1000，符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议（在理想条件下，最大可测量范围为300m）。

目前，常用的UWB测距方法有三种，分别是：（1）TOF（Time of flight）：通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距。

（2）（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差来进行定位。

（3）（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到达角相位来测量基站与标签之间方位关系。

（4）基于RSS（Received Signal Strength, 接收信号强度定位）的定位算法。

（5）混合定位。

不同的算法，定位的精度也不同。

为了提高定位的精度，也可以采用多种技术的组合。

基于AOA的定位算法AOA定位是通过基站天线或天线阵列测出终端发射电波的入射角（入射角是光源与法线的夹角），从而构成一根从接收机到终端的径向连线，即方位线。

利用两个或两个以上AP接入点提供的AOA测量值，按AOA定位算法确定多条方位线的交点，即，为待定终端的估计位置。

基于TOA的定位算法TOA技术是指由基站向移动站发出特定的测距命令或指令信号，并要求终端对该指令进行响应。

基站会纪录下由发出测距指令到收到终端确认信号所花费的时间，该时间主要由射频信号在环路上的传播时延、终端的响应时延和处理时延、基站的处理时延组成。

如果能够准确地得到终端和基站的响应和处理时延，就可以算出射频信号的环路传播时延。

因为无线电波在空气中以光速传播，所以基站与终端之间的距离可以估算出来。

当有三个基站参与测量时，就可以根据三角定位法来确定终端所在的区域。

基于TDOA的定位算法TDOA定位算法是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量信号达到基站的时间，可以确定信号源的距离，利用信号源到多个无线电监测站的距离（以无线电基站为中心，距离为半径作园），就能确定信号的位置。

通过比较信号到达多个基站的时间差，就能做出以检测站为焦点、距离差为长轴的双曲线的交点，该交点即为信号的位置。

TDOA是基于多站点的定位算法，因此要对信号进行定位必须有至少3个以上的监测站进行同时测量。

而每个监测站的组成则相对比较简单，主要包括接收机、天线和时间同步模块。

理论上现有的监测站只要具有时间同步模块就能升级为TDOA监测站，而不需要复杂的技术改造。

基于RSS的定位算法在基于RSS的算法中，被跟踪目标测量来自多个发射器接收的信号强度，以便使用信号强度作为发射器和接收器之间距离的估算参数。

这样，接收器将能够估算其相对于发射器节点的位置。

在基于RSS的算法中，无线信号传输过程中的多径效应和通过障碍时产生的阴影效应是产生定位误差的主要原因。

在开放空间里，若无障碍物的阻隔，可以得到较为精确的定位，而在很多环境下，因为存在各种各样的障碍物导致的多径效应，衰减，散射等等不确定因素，将大大影响其定位精度。

另外，基于RSS的算法与其他算法相比也具有一些优势，在基于RSS 的算法中，移动标签仅用作接收器，因此依赖于来自多个发射器的接收信号的强度来找到它们的位置。

以这种方式，基于RSS的算法倾向于具有较少的通信流量，这有助于改善信道访问控制和定位准确性。

此外，较少的通信流量有助于克服对使用中的标签数量的限制。

移动标签只是接收器，数量没有限制。

基于RSS的算法可以分为两种主要类型：三边测量和指纹识别。

三边测量算法使用RSS测量来估计到三个不同参考节点的距离，从而估计当前位置。

另一方面，指纹识别需要收集场景RSS指纹的数据集，该数据集则用于将在线测量与数据集中最接近的指纹匹配用以估计位置。

混合定位目前，混合定位已成为新的无线定位主流。

混合定位的核心思想依赖于可靠的短程测量的使用，以提高无线系统的位置估计的准确性。

用已经实现了基本独立的无线定位测量方法（RSS、TOA、TDOA、AOA等）的不同组合来增强位置估算的准确性。

UWB所采用的定位测量方法对于UWB定位而言，AOA不如其他算法实用。

此外，AOA需要传感器之间的大量合作，并且会受到误差累积的影响。

虽然AOA具有可接受的准确度，但对于具有强散射的UWB信号而言其功能较弱。

另一方面，RSS算法相对于其他算法没有有效地利用UWB的高带宽。

RSS更适合使用窄带信号的系统。

而TOA算法在基于UWB的系统等宽带系统中表现更好。

使用RSS算法，在提高可实现的准确度的意义上，对大带宽没有积极影响。

与提供高精度的时间方法相比，这使得RSS方法的使用效率降低。

关于在二维空间中的定位，TDOA算法需要至少三个适当定位的基站，而AOA 算法仅需要两个基站用于位置估计。

就准确性而言，当目标物体远离基站时，角度测量中的微小误差将对准确性产生负面影响。

TDOA和AOA定位算法可以组合在一个算法中，它们可相互补充，这种算法具有实现高定位精度的优点。

由于UWB信号的高时间分辨率，TOA和TDOA相对于其他算法具有更高的准确度。

对目前UWB定位来说最有效的解决方案是采用TOA与TDOA的混合定位算法，因为结合了两种算法的优点。