ｓ
） ） Ｔｃ）（ １ －（ ｊ－１
式中 ： Ｔｃ 为 码 片 速 率 ； Ｔｓ 为 符 号 速 率 ， Ｔｓ ＝ Ｎ · ｝ 是第ｉ 个发送符号 ； 是给不 Ｔｃ； ｂ ０， １ ｃ ０， １｝ ｉ∈ ｛ ｊ∈ ｛ 同用户分配的扩频码字 ， 用于多址接入 。 当信号经 过信道 ， 接收到的信号可以表达为 ）＝ｓ （ ； ） （ ） ｒ（ ｔ ｔ ｔ ２ τ） ＋ ｗ（ （ ； ） 式中 ： 表 示 传 播 时 延 的 函 数； 表示加性 ｓ ｔ ｗ（ ｔ τ） 高斯噪声 。 ） 对式（ 中的信号进行采样 ， 得到离散数学模型 ２
Ｎ １ ２ －２ （ ｌ ｎ ｎ ２ － ２ π σ） ｐ ＝ｌ ２ σ
Ｔ
２ ０
） （ ； ） ｒ（ ｔ ｔ ｄ ｔ －ｓ τ） ∫（ （ ） ６
） 两次求导 ６ 对式 （
２ ｎ １ Ｔ （；） ｌ ｐ ） （ ； ） ＇ｔτ （ ｒ（ ｔ ｔ ｄ ｔ＋ ＝ ２（ ｓ －ｓ τ） ２ τ σ ０
超宽带室内定位关键技术
张令文１ 杨 刚２
（ ） 北京交通大学宽带无线移动通信研究所 ， 北京 ， 中国传媒大学信息工程学院 ， 北京 ， １． １ ０ ０ ０ ４ ４； ２． １ ０ ０ ０ ２ ４ 摘要 ： 超宽带信号的高时间分辨率特性非常适合用于室内场景下的精确定位 。 本文回顾了超宽带 系 统 位 置 估 计 ，ＵＷＢ） 问题 ， 首先介绍了超宽带 （ 定位系统的 特 点 ， 然后给出了定位基本原理， 指出了超宽带定 Ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｗ ｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ 分别是超宽带信号 采 样 问 题 和 到 达 时 间 参 数 估 计 问 题 ， 应用压缩感知理论 位系统设计中面临的两个重要挑战 ， 解决问题并给出了最新研究成果 ， 最后描述了一种精密实时的 ＵＷＢ 商用定位系统 。 关键词 ： 超宽带 ； 室内定位 ； 测距 ； 到达时间 中图分类号 ： ＴＮ ９ ２ ９． ５ ３ 文献标志码 ： Ａ
引 言
近年来 ， 室内定位技术和基于位置的应用成为 了研究热点 ， 室内 定 位 在 商 业 、 公共安全和军事上 都有 广 泛 应 用 。 虽 然 Ｇ Ｐ Ｓ和 Ｅ ９ １ １也可以提供定 位服务 ， 但是由于 Ｇ Ｐ Ｓ 定位信号无法穿透建筑物 ， 它们不能提供精确的室内定位 ， 要寻找一种新的定 位技术来弥补其不足 ， 实现两种定位方法相结合的 无缝精确定位 。ＵＷＢ 技 术 由 于 功 耗 低 、 抗多径效 果好 、 安全性高 、 系统复杂度低 、 能提供精确定位精 度等优点 ， 在众多 无 线 定 位 技 术 中 脱 颖 而 出 ， 成为 候选技术之一
Ｎ １ ２ －２ ２ ｅ ｘ （ π σ） ｐ－ ２ ２ σ ） 取对数 ５ 对式 （
） （ ； ） ） ｒ（ ｔ ｔ ｄ ｔ －ｓ τ） ５ （ ∫（ ）（
２ ０
Ｔ
图 １ Ｆ Ｃ Ｃ 针对室内频率资源分配图
机理还是技术实现都有极大的区别 。 实际上 ， 超宽 带系统是产生 、 发射 、 接收 、 处理极窄脉冲信号的无 线电系统 。 超宽带 系 统 中 发 射 的 脉 冲 一 般 是 脉 宽 这种窄脉冲具有非常宽的频 小于ｌ ｎ ｓ的高斯脉冲 ， 谱 。 随着相 关 电 子 技 术 的 发 展 ， 宽 度 在 ０． ２ｎ ｓ以 下的窄脉冲产生器已经研究成功 ， 这种窄脉冲的相 对带宽接 近 甚 至 大 于 ２ ０ ０％ 。 与 传 统 的 无 线 电 探 在 超 宽 带 探 测 系 统 中 不 需 要 载 频， 测系统相比较 ， 能够直接用产生的窄脉冲去激励天线 、 辐射电磁波 来进行目标的探测 。
∫
Ｔ
（ ； ） ） ｓ ＇ ｔ ｄ ｔ τ） ∫－ （
２ ０
（ ）７
） 取平均 ７ 对式 （
２ ｎ ｌ １ Ｔ （；） ｐ ２ （ ） ｓ ′ｔτ ） ｄ ｔ ８ ＝－ ２ （ ２ τ σ ０ ＯＡ 的 最 小 均 方 估 计 误 差 的 下 界 最终得 到 Ｔ
Ｅ
（ ） ∫
Ｔ
１ ． １ ＵＷＢ 定位系统的特点
Ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｉ ｄ ｅ Ｂ ａ ｎ ｄ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ Ｉ ｎ ｄ ｏ ｏ ｒ Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ －Ｗ － ｇ ｇ
１ ２ ， Ｚ ｈ ａ ｎ Ｌ ｉ ｎ ｗ ｅ ｎ Ｙ ａ ｎ Ｇ ａ ｎ ｇ ｇ ｇ ｇ
第２ ８卷第６期 ２ ０ １ ３年１ １月
数 据 采 集 与 处 理 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｄ ａ ｔ ａ Ａ ｃ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ＆Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｑ ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８Ｎ ｏ ． ６ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ ３
（ ） １ ０ ０ ４ ９ ０ ３ ７ ２ ０ １ ３ ０ ６ ０ ７ ０ ６ ０ ８ 文章编号 ： － － －
。
） 国家自然科学基金 （ 资助项目 。 ６ １ １ ０ １ ２ ３ ７ 基金项目 ： ； 修订日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ３ １ ８ ２ ０ １ ３ ０ ４ １ ８ 收稿日期 ： － － － －
第 ６ 期
张令文 ， 等： 超宽带室内定位关键技术
７ ０ ７ （ ） ３
ｒ ＋ ｗｎ τ） ｎ ＝ｓ ｎ（ ｒ ｎ 在时延τ 条件下的联合概率密度为
［ ］ ３ ５ － ， 拉美罗 （ 下界推导如 Ｃ ｒ ａ ｍ ｅ ｒ ａ ｏ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ Ｃ Ｒ Ｂ） －Ｒ 下。
（ ） ９ 其中
Ｔ
２ ０ ２ （ ； ｓ ｔ ｄ ｔ τ） ２ ＋∞
Ｄ Ｓ －ＵＷＢ 系统下的发射信号可表达为
Ｎ
（ ）＝ ｓ ｔ
ｂ∑ ｃｐ（ ｔ－ｉ Ｔ ∑
ｉ ｉ ｊ ｊ＝１
（ ， ， ， ； １． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｂ ｒ ｏ ａ ｄ ｂ ａ ｎ ｄ Ｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｍ ｏ ｂ ｉ ｌ ｅ Ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ４ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｊ ｇ ｇ ｙ ｊ ｇ ， ， ， ） ２． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ２ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｙ ｊ ｇ
［ ］ １ ２ －
１ ＵＷＢ 定位技术
，ＵＷＢ） 超宽带 （ 技术是一项 Ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｗ ｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ － 短距离大带宽的 无 线 电 技 术 ， 最 早 应 用 在 军 事 上， 由于其突出的性能 优 势 也 非 常 适 合 于 民 用 的 各 领 域， 因 此 近 年 来 各 国 对 ＵＷＢ 技 术 格 外 重 视 。 ＵＷＢ 系统的定义是１ ０ｄ Ｂ 衰减带宽大于中心频率 。 美国联 的２ ０％ 或 １ ０ｄ Ｂ 衰减带宽大于 ５ ０ ０ ＭＨ ｚ 邦通 讯 委 员 会 （ Ｆ ｅ ｄ ｅ ｒ ａ ｌ ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｃ ｏ ｍｍ ｉ ｓ － ， 把 无 线 资 源 中 无 牌 照 的 ３． ｓ ｉ ｏ ｎ Ｆ Ｃ Ｃ） １ ＧＨ ｚ至 １ ０． ６ＧＨ ｚ分配给 室 内 ＵＷＢ 无 线 通 信 系 统 使 用 ， 如图 １ 所示 。 超宽带 技 术 是 基 于 极 窄 脉 冲 的 无 线 电 技 术 。 超宽带探测与传统的探测系统相比较 ， 无论是工作
探测设备对目标的识别能力取决于其距离分 ， 辨率和角度分辨率 （ 方位角和仰角 ） 而距离分辨率 又正比于 发 射 脉 冲 的 时 域 有 效 宽 度 。 ＵＷＢ 信 号 具有上吉赫兹的带宽 、 亚纳秒级极窄脉冲的时间宽
］ １ ２ － 。 度， 因此距离分 辨 率 极 高 ， 可 以 达 到 厘 米 量 级［
Ｎ
Ｎ
１ ２ ２ －２ ｒ ｓ τ）） ｒ ２ ｅ ｘ ｎ－ ｎ（ τ）＝ （ π σ） ｐ － ２∑（ ｐ（ ｎ｜ ２ σ ｎ＝１
（
）
（ ） ４ 式中 ： Ｎ 为采样点数 ； σ 为ｒ ｎ 的方差 。 ） 为了获得式 （ 连续的概率密度 ４
２
ｒ｜ ｉ ｍ ｐ（ ｒ ＝ τ）＝ ｌ ｐ（ ｎ τ）
Ｎ →＋∞
是
σ ｔ ＝－
２
１ ＝ ２ ｎ ｌ ｐ Ｅ ２ τ
σ
０
２
（ ）∫
Ｔ
＝
２ （ ； ） ｓ ′（ ｔ ｄ ｔ τ）
； ｓ（ ｔ ｄ ｔ τ） Ｅ ·∫ ＝ Ｎ （ ） ·β ； （ ； ） ｓ（ ｔ ｄ ｔ ｓ ′（ ｔ ｄ ｔ τ） τ） ∫ ∫
２
σ
２
０
１ －
２
Ｔ
Ｔ
２
２
０
０
实际 系 统 中 ， 通 过 测 量 得 到 ＵＷＢ 信 号 到 达 时 间 （ ， 与已知信号传播速度（ 光 Ｔ ｉ ｍ ｅ ｏ ｆ ａ ｒ ｒ ｉ ｖ ａ ｌ Ｔ ＯＡ） 速） 相乘 ， 从而得到距离测量值 。Ｔ ＯＡ 估计值的克
： Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｈ ｔ ｉ ｍ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ（ ＵＷＢ） ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ｆ ａ ｃ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｔ ｅ ｓ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｏ ｓ ｉ －ｗ － － ｇ ｇ ｐ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｉ ｎ ｄ ｏ ｏ ｒ ｓ ｃ ｅ ｎ ａ ｒ ｉ ｏ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ＵＷＢ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ － ｙ ｐ ｐ ， ｖ ｉ ｅ ｗ ｅ ｄ ｂ ｅ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｎ ｏ ｖ ｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ＵＷＢ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｔ ｈ ｉ ｓ ｏ － ｇ ｇ ｐ ｇ ｙ ， ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ．Ｔ ｗ ｏ ｖ ｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ ｉ ｓ ｆ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗ ｅ ｄ ｂ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｆ ｋ ｅ ｃ ｈ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｄ ｉ ． ｅ ． ｐ ｇ ｙ ｙ ｇ ｏ ｆ ＵＷＢ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ａ ｍ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｔ ｉ ｍ ｅ ｏ ｆ ａ ｒ ｒ ｉ ｖ ａ ｌ（ Ｔ ＯＡ） ｅ ｓ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｔ ｈ ｅ ｇ ｐ ｇ ｐ ｐ Ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｉ ｓ ａ ｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｓ ｏ ｌ ｖ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｉ ｖ ｅ ｎ． Ｆ ｉ － ｐ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ， ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｎ ａ ｌ ｌ ｒ ｅ ａ ｌ ｔ ｉ ｍ ｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ． － ｐ ｙ ａ ｙ ： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ（ ＵＷＢ） ｉ ｎ ｄ ｏ ｏ ｒ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｎ ｉ ｎ ｔ ｉ ｍ ｅ ｏ ｆ ａ ｒ ｒ ｉ ｖ ａ ｌ（ Ｔ ＯＡ） －ｗ － － － ｇ ｇ ｙ