UWB与传统通信技术的区别在哪里?什么是uwb超宽带定位

来源: 发布时间:2020-09-28 369 次浏览

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什么是UWB超宽带定位

    UWB是一种全新的通信技术,与传统的通信技术有着很大的区别。与在传统通信系统中使用载波不同,该系统通过发送和接收低于纳秒级的极窄脉冲来传输数据,从而获得GHz量级的带宽。超宽带技术最基本的工作原理是发送和接收具有严格控制脉冲间隔的高斯单周期超短时脉冲,超短时单周期脉冲决定了信号的宽带宽,接收机直接利用级前端交叉相关器将脉冲序列转换为基带信号,从而减少了传统通信设备中的中频频率,大大降低了设备复杂度。因为UWB具有强大的数据传输速率优势,同时又受到发射功率的限制,因此,实现短距离高速无线数据传输将成为UWB的一个重要应用领域,如当前WLAN和WPAN的各种应用。

uwb超宽带定位

    UWB超宽带系统和传统的窄带系统相比区别在哪里?

    uwb超宽带系统与传统的窄带系统比较,具备超强穿透力、低功耗、抗多径效果好、高安全性、系统复杂度低、可提供定位精度的优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且可以提供十分的定位精度。

    UWB定位技术的应用

    UWB的定位原理和卫星导航定位原理基本相同。如下图,卫星坐标为已知,地上的接收设备同时接收到四个卫星信号就能确定自己的位置坐标(平面和高程坐标)。UWB的定位原理就是通过在室内布置4个已知坐标的定位基站,需要定位的人员或者设备携带定位标签,标签按照一定的频率发射脉冲,不断和四个已知位置的基站进行测距,通过一定的算法的计算定位标签的位置。

uwb定位基站

    UWB定位优势

    低功耗、对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位),具有很高的定位准确度和定位精度。

    基于UWB的室内定位方案正在逐步渗透机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车、监狱、军事训练基地等需要使用准确的室内定位信息的应用。

定位算法

    TOF时间飞行原理。时间飞行原理是指各种测量飞行时间的方法,更确切的是指一个物体或粒子或声波或电波等其他波类在某种介质内穿越一段距离所用的时间。TOF测距方法是D.McCrady提出的,然而该技术只侧重于直接序列扩频的通信系统。TOF测距技术可以理解为飞行时差测距方法,传统的测距技术分为双向测距技术)和单向测距技术。TOF测距方法属于双向测距技术,它主要利用信号在两个异步收发机之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。

    TDOA定位

    TDOA首先需解决的是时间同步问题,时间同步分为两种,一种是通过有线做时间同步,有线时间同步可以控制在0.1ns以内,同步的精度非常高,但由于采用有线,所有设备可以采用中心网络的方式,也可以采用级联的方式,增加了网络维护的复杂度,也增加了施工的复杂度,成本也高。并且,系统中还有一个专用的有线时间同步器,价格昂贵。

    一种是通过无线做时间同步,采用无线同步一般可以达到0.25ns,精度稍逊于有线时间同步,但其系统相对来说更为简单,定位基站只需要供电,数据回传可以采用WiFi的方式,有效降低了成本,

    时间同步基站时间同步之后,标签发送一个广播报文,基站收到之后,标记接收到此报文的时间戳,将才内容发送到计算服务器,计算服务器更加其他基站的定位报文的时间戳,计算出被定为目标的位置。

    AoA 定位

    AoA定位是基于相位差的计算方式角度,一般情况下是不会单独使用,AoA涉及角度分辨率的问题,若单纯AoA定位,若离基站越远,定位精度就越差。AoA 可以配合ToF测距时下定位,此模式下,单基站就可以完成定位。也可以两个基站通过AoA实现定位

    定位算法选择

    定位方法选择涉及到多方面因素,在系统中需要综合判断,以更好地满足系统的使用。

    定位系统容量因素

    在基于测距模式,相对来说容量比较低; 在TDOA模式下,若采用6.8Mbps的传送速率,标签的报文限制在12个字节内,每个报文的持续时间为95微秒,按18%的系统占空比计算,每个标签按1Hz的频率工作,系统容量接近1500个标签。若ToF配合AoA使用,能显著提升系统融合,比如,只和其中一个基站测距,其他基站辅助做角度判断,完成定位,系统容量能显著提升。

定位模式与工耗

    这里主要比较一下ToF和TDoA 两种模式下的功耗,ToF模式下,标签需要逐一和基站测距,需要多次测距,一般一轮测距下来,需要5ms以上。TDoA定位,标签只需要发送一个报文即可完成定位,一般从准备到发送完成也在0.5ms内完成,其功耗显著低于ToF模式。

TDoA算法环境因素

    由于TDoA算法是一种基于到达时间差的方法,因此一般都采用双曲线算法,其局限性决定了TDoA算法具有较高的定位精度,且其应用范围较广,尤其是在基站周围区域的定位精度较低。但与电厂等环境复杂场景相似,系统面临建设的巨大困难,TDoA定位难以满足其应用要求。在此模式下,可采用ToF定位,也可采用TDoA与AoA相结合的定位方法。

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