UWB定位之入门技术理论与基础

       目前在室内定位与特殊高精度定位方案中，国内开始逐渐重视UWB定位技术（但未来可能随着Wi-Fi6技术的发展UWB技术会被桎梏）。国内各高校的硕博学生也以此为课题进行研究学习，但多数研究内容较为渐显，真正推动技术发展的是各产业公司与新兴工作室，本系列博客针对初学者解惑。

  一、UWB实现方案

          目前的实现方案有三种，IR-UWB（脉冲无线电）、DS-UWB（脉冲无线电的改进版）、MB-UWB（调制技术），但目前真正用于定位领域的是IR-UWB，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。相关案例可以参照爱尔兰Decawave公司的DW1000芯片，据最新消息DW3000芯片今年可能会发布并且量产。

公司网址：https://www.decawave.com/

二、IR-UWB的技术特点

         为什么都使用IR-UWB作为定位的基础，这离不开其信道的物理特性。

 

如上图所示，带宽高、速度快、定位精度高、成本低（实际成本与Wi-Fi比并不低）、功耗低、抗多径能力强。

       其中带宽高与速度快从香农公式可以得出，

                                                                            

    为信道容量，为信道带宽，信道容量与信道带宽成正比，一般的UWB信道带宽在500MHz以上因此可以算出其通信速度是极快的。

       而IR-UWB为什么信道带宽会这么大呢？

      UWB信号采用的时域上的脉冲宽带在纳秒级的极窄脉冲，脉宽和信号带宽乘积约为1，也就是UWB信号的带宽可以达到GHz级别（脉冲带宽是脉冲持续时间的傅立叶变化后除以2π的倒数）。

       那么为什么IR-UWB定位精度高呢？

      IR-UWB使用的是极窄脉冲作为信号的传播载体，信号的发射在1ns可能，而且占空比很低，持续时间远小于多径信号的时延，那么信号接收机可以通过极短时间内工作有效规避多径信号也使得UWB具有很高的时间分辨率，那么定位系统基于这种信号到达时间或时间差的定位方式，就能够把这个定位精度提升到厘米级。这也回答了其抗多径能力————纳秒级窄脉冲，持续时间远小于多径传播的时延，所以在接收端能够有效分离多径信号，从而具有较高的多径分辨率。（室内通信信道中多径时延通常为纳秒级，窄带无线通信系统分辨如此小的时延将会十分困难，UWB通信系统采用时间宽度为纳秒级的时间离散窄脉冲对信号进行传输，多径反射的延时信号与直达的脉冲信号在时间上是可以分离出来的，其室内多径分辨能力较强。）（只需要接收机在极短的时间内工作，即可有效规避多径信号））

           为什么IR-UWB的功耗低呢？

     UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，可能在1ns，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW（这是因为UWB的功率谱密度很低，为什么低呢？需要首先明白功率谱密度是指什么，将功率平均分布到整个信道上，而UWB信道带宽那么高，进而使功率谱密度很低）

              如何产生UWB信号（或UWB使用何种波形）？

         目前多数学者并不研究此领域，这属于电子通信范畴，一般是使用集成芯片如DW1000.此问题可查阅西安电子科技大学硕士论文——基于UWB的高精度室内定位算法研究。

                此外需要了解的相关术语如下：

   冲激响应：当输入一个单位脉冲信号时，信道输出端的响应输出信号。因为任何输入信号都可以分解成单位脉冲信号的线性叠加，因此输出信号也可以用冲击响应的线性叠加表示。

   路径损耗：电波在空间传播所产生的损耗，是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成的。

   泊松分布：描述单位时间内随机事件发生的次数。

   S-V模型：信号簇的到达率和簇内多径成分的到达率都服从泊松过程，所以S-V 模型可以看作两个泊松过程的参数叠加。

   时延扩展：时延扩展在数值上等于最先到达信号分量和最后到达信号分量之间的时间延迟，如果时延扩展大于信号带宽的倒数，那会造成信号的严重失真。

   多径效应：指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。

   超宽带信号：超宽带信号在时域上是持续时间极短的冲击脉冲信号，其具有极低的占空比，那么超宽带信号具有多径分辨力。超宽带信号在频域上表现为分布的频段很宽，与白噪声一样具有很低的功率谱密度。

   多径分辨能力强：UWB采用纳秒级窄脉冲，持续时间远小于多径传播的时延，所以在接收端能够有效分离多径信号，从而具有较高的多径分辨率。（室内通信信道中多径时延通常为纳秒级，窄带无线通信系统分辨如此小的时延将会十分困难，UWB通信系统采用时间宽度为纳秒级的时间离散窄脉冲对信号进行传输，多径反射的延时信号与直达的脉冲信号在时间上是可以分离出来的，其室内多径分辨能力较强。）（只需要接收机在极短的时间内工作，即可有效规避多径信号）

   信道带宽：信道带宽是限定允许通过该信道的信号上限频率和下限频率。

   信噪比：输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比

   发射功率低：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，可能在1ns，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW

   功率谱密度：当波的功率频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率，w/HZ

   隐蔽性强：UWB信号使用时域间皮秒级的极窄脉冲持续时间，频带宽度可达GHz，能量分散在这么一个很宽的范围重，导致UWB的功率谱密度很低，近似一段白噪声，使得难以侦截。