UWB定位技术浅析

UWB技术使用两种方式传输数据：一种是无线收发，利用卫星信号进行传输，另一种是通过无线通信的方式传输数据。

无线收发采用的模式主要是同步、异步和自适应多址。

UWB系统是近几年来非常热门的一个技术了，在民用市场已经有很大优势了，但由于技术发展太快，现在很多都没有进行商用了，所以我们先从最新版的 UWB技术开始介绍吧！

一、超宽带

超宽带（Ultra-wideband， UWB）是一种利用无线电信号进行数据传输的技术，是一种非授权频段的超宽带（UWB）系统。

超宽带通信系统的工作频率为1~10 GHz，波长为5~100μm，工作在C波段。

UWB具有高数据速率、低时延、穿透能力强、抗多径干扰等优点。

UWB是利用脉冲重复频率（PRS）和脉冲间隔时间（PLD）实现高速数据传输的技术。

脉冲重复频率指单位时间内脉冲发射次数，可分为连续或离散形式。

PRS可以根据频率来划分，常用的是20 MHz~100 MHz; PLD可以划分为2~4路数字信号处理模块组成；脉冲间隔时间（PL， pulse latency，即 PL/PLD）主要用于实现时钟恢复等功能；脉冲重复频率与 PRS有关，但更多地取决于天线形式、接收灵敏度、载波频率等因素，可通过测量 PRS和 PLD的 PL/DL值来计算。

二、时隙

UWB技术的时隙分为两类：同步和异步。

同步时隙：同步信号使用固定时隙，每个载波接收信号，并在发送时同步它的相位和幅度；异步时隙：每个载波接收一个相位和幅度变化的正弦信号，将其解调成一个时间片，然后通过时频转换成一个时间片。

UWB系统中使用同步和异步的时隙。

由于 UWB的波束窄且功率低，在对目标进行定位时通常使用 UWB信号来传输数据，而不是传统的无线电系统使用多个射频天线来发射信号，而射频天线只能用于接收数据。

因此在使用 UWB通信时，必须考虑发射功率问题，通常需要考虑的功率包括几个方面：

首先是发射时间点选择；其次是在接收端需要设置接收器来识别是否来自目标位置；最后才是根据接收到的信号类型进行选择正确的波束。

三、星间传输

星间传输也是利用卫星来进行通信，由于 UWB对卫星的要求很低，所以它的使用范围非常广泛，可以说是无处不在。

UWB星间传输的具体过程如图所示，可以将接收到的数据进行发送操作。

如果接收端没有数据包需要返回给发送端，则发送端只需将其传送给接收端即可。

如果收到的数据包需要传输到下一个发送端，则可以先将其传送给下一个用户，然后再传送到下一个用户，如此重复下去即可将全部数据包完成传输。

UWB卫星系统可以分为多个部分，每个部分都有其相应的功能。

星间传输技术的优点是定位精度高、可靠性高且成本低；缺点是对接收机硬件要求较高且对卫星环境依赖性强。所以它在军用和民用领域都有广泛应用。

四、多径效应。

UWB技术具有多径效应，即在一个发射信号中同时存在多个信号发射，这也是为什么该技术被称为“窄带定位”的原因。

当一条路径上的能量被用完后，就会产生多径，其中每一个信号都被用完了。所以，我们在接收定位目标的发射信号时，需要选择最短的路径去接收信号。

由于发射信号时能量消耗较大（一条路径上的能量消耗约为1-2 dB）且不能直接利用，所以需要在接收端将多余能量返回给下一个发射。

为了解决这一问题，可以采用“信道编码”（codice_1）或“波束形成”（baseline convex）技术来提高系统的抗多径能力。

此外在 UWB系统中还可以使用空间辅助的测距方式。

如果目标是一个移动物体或一个小体积对象（如车辆、人或物体），则还可以利用多普勒效应来实现测距功能。

五、波束成形

UWB信号的功率谱密度（PSD）在频域上为负，频率为800 MHz，使用 Ubc频段，如图6所示。

在 UWB系统中采用了一种全新的信号波形——波束成形算法。

其基本原理是：

当射频信号经过接收端时，接收机根据测量到的信号强度的变化对天线产生响应（即在接收机端获得与发送的信号强度成比例的反射率），然后再经过算法处理后将其转化为可用来表示接收机输出信息的形式，最后将这一形式发送到传输信道上。

该波形能够保证信号在所有方向均有相同的功率和频率增益。

该技术目前主要应用于测距定位领域，比如室内短距离无人驾驶汽车测距、无人驾驶车辆定位等等。

六、自适应多址调制（Aadd Mode Module， AMS）技术（使用 MISO调制）

MISO （Mission-specific Integrated Module，自适应多址）调制技术的基本原理就是：

利用调制方法来控制信号频谱。

利用一种称为预编码（precise encoding）的技术来增强系统性能。

AMS是由爱立信和高通共同开发的，使用 MISO调制方式，实现数据在一个周期内的复用。

其可以在发送端以一种灵活的方式使用各种信号形式，比如调制后，直接作为本地（based）数据流发送；也可以通过不同的编码方式进行复用。

AMS通过改变系统内部时钟和参考时钟之间的频率间隔来进行频谱选择；也可以对频率间隔进行调节，以确保所需数据速率。

其优点是：不需要对信号产生任何新的同步操作；不需要任何同步操作就能支持高带宽工作范围；无需发送端和接收端分别处理信号、通信或两者同时处理信号。

七、自适应用户选择协议（Adaptive Side Selection Protocol， APS）技术可以根据数据流的特征，自动选择不同的信道，从而使每个 UWB用户能够从多个信道中选择最优信道用于传输。

实现位置服务，即 UWB设备可以同时接收多个 UWB用户发送的数据流。

APS协议是 UWB无线技术中的核心部分，是通过将多个发射功率不同、频率不同的信号在一段时间内同时发送到多个基站进行测距所实现的。

APS与 OFDM相比具有以下优势：

•能够在同一时刻完成多用户发射，且每个用户可以独立地选择不同的信道；

•能够在单个基站上同时定位多个移动目标（包括但不限于：人、车辆等）。