UWB通道選擇、信號阻擋和反射對UWB定位范圍和定位精度的影響（一）-視線通道（LOS）
發(fā)布日期：2020-05-11 瀏覽次數(shù)：907次

本文主要說明UWB信號通道的特性對UWB通信范圍和UWB測距精度的影響，由于篇幅較長，分3篇分享。

（一）頻道類型

1，頻道

當(dāng)考慮無線電方案中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的信道時，該信道的最重要屬性之一是它是否為：視線（LOS）和非視線（NLOS）。

通道可以具有許多其他屬性，本章我們將主要關(guān)注這一主要區(qū)別。在整整篇行文中，為簡潔起見，“視線”縮寫為“ LOS”，“非視線”縮寫為“ NLOS”。

2，范圍

在本文中，重要的是要理解以下術(shù)語之間的區(qū)別：

取決于頻道，這兩者可能相同也可能不同，在某些情況下，絕對不會相同。

接收機(jī)通過為每個接收到的幀推導(dǎo)發(fā)送器和接收器之間的通信信道的脈沖響應(yīng)來進(jìn)行操作。它通過處理每個IEEE802.15.4-2011 UWB幀開始處的前導(dǎo)序列來實現(xiàn)此目的。

UWB接收機(jī)可以實現(xiàn)：

（1）從噪聲層下面檢測信號。

（2）提取直接路徑信號及其后的任何多路徑信號。

（3）處理脈沖響應(yīng)，并在該響應(yīng)中標(biāo)記超過動態(tài)調(diào)整的檢測閾值的第一個峰值的時間戳。

通過應(yīng)用軟件可以訪問的寄存器報告脈沖響應(yīng)中第一個峰值的時間戳。然后可以以各種不同的方式使用此值來實現(xiàn)定位和測距方案。

（二）LOS操作

如果可以在兩個節(jié)點的天線之間畫一條假想的直線，則在兩個無線節(jié)點之間存在一條清晰的視線。

從RF角度區(qū)分光學(xué)清晰的視線和清晰的視線很重要：

當(dāng)沒有物理物體阻礙從另一天線的位置觀看一個天線時，存在光學(xué)透明的LOS。

如果在光學(xué)視線周圍的定義區(qū)域（稱為菲涅耳區(qū)域）沒有障礙物，則存在RF視線。有關(guān)此主題的更多信息，請參見附錄。

對于UWB設(shè)備之間的通信，關(guān)注的是RF視線。

1，LOS頻道的通訊范圍

兩個UWB設(shè)備之間的通信范圍取決于：（1）到達(dá)接收器的信號電平；（2）接收器的靈敏度。

只要接收器處的信號電平大于或等于接收器靈敏度，接收器就可以檢測到信號，并且通信將成功進(jìn)行。

通過查看Friis的路徑損耗公式可以看出，接收信號的電平取決于許多因素：

其中：

PR為接收信號電平；

PT是發(fā)射功率。

G包括發(fā)送和接收天線的天線增益，以及來自外部放大器的任何其他增益。在正確校準(zhǔn)的系統(tǒng)中，UWB發(fā)射機(jī)發(fā)射足夠的功率，從而使發(fā)射天線輻射-41.3 dBm / MHz。

L包括系統(tǒng)中的任何PCB，電纜，連接器和其他損耗；

c是光速299792458 m / s；

fc是所用通道的中心頻率，以赫茲表示；

d是發(fā)射器和接收器之間的距離（以米為單位）。

如果PR大于接收器靈敏度，則信號將被正確接收。PR的值與接收器靈敏度之間的差稱為“鏈接余量”，它表示通道上通信的魯棒性。較大的鏈路余量意味著通信很健壯，并且可以處理其他衰減而不會引起通信損耗，反之亦然。

Friis的公式清楚地表明：

對于給定的距離，隨著信號頻率的增加，路徑損耗也會增加。

對于給定的頻率，隨著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離增加，路徑損耗也會增加。

因此，要最大化范圍可以關(guān)注以下3點：

（1）發(fā)射功率需要保持在最大允許極限，以確保將最大能量傳輸?shù)叫诺乐小＿@些限制由世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定，對于正常的UWB操作，通常為-41.3 dBm / MHz。

（2）必須將由于PCB和天線效應(yīng)引起的損耗保持在最低水平，然后阻抗正確匹配。

（3）如果最大范圍是最重要的要求，則應(yīng)使用可能的最低信道頻率。

接收器靈敏度取決于許多參數(shù)，包括所選通道和數(shù)據(jù)速率。對于最長的范圍，應(yīng)使用最低的數(shù)據(jù)速率（110 kbps）。

（三）LOS通道的測距精度

為了確定兩個節(jié)點之間的距離，必須準(zhǔn)確地測量這兩個節(jié)點之間的無線電信號的飛行時間（TOF）。知道兩個節(jié)點之間的TOF以及自由空間中無線電信號的速度，可以計算節(jié)點之間的距離，如示圖1。

TOF測量的精度至關(guān)重要。TOF測量精度為1 ns，因此可以將范圍確定為大約1ns的精度。30厘米，而100 ps的測量精度使該數(shù)字降低到3厘米。通過UWB芯片自動處理到達(dá)信號的時間戳，精度可以超過20 ps。

圖1：視線通道

其中：

TOF是兩個節(jié)點之間的飛行時間

d是兩個節(jié)點之間的實際物理距離，以米為單位

d'是兩個節(jié)點之間的計算距離，以米為單位

c是光速，單位為m / s

由于信道中沒有障礙物，因此沒有NLOS效應(yīng)，因此d = d'，測距精度由信道帶寬和兩個節(jié)點內(nèi)的其他因素決定。

在不存在多徑的最簡單LOS情況下，由UWB接收機(jī)檢測到的信號是一個單峰，代表直接路徑信號中的能量。這里有3種情況需要考慮：

表1：LOS通信和測距方案

第一種情況代表正確和正常的操作。嘗試通信的兩個節(jié)點在一定范圍內(nèi)，以使一個節(jié)點發(fā)送的信號到達(dá)另一個節(jié)點時，該信號高于接收器的敏感度，并已正確接收，處理和加上時間戳。

第二種情況也代表正確和正常的操作。在這里，我們達(dá)到了正常通信的極限，但是到達(dá)的信號仍處于或高于接收器的靈敏度。

在第三種情況下，兩個節(jié)點之間無法進(jìn)行通信，因為它們在自由空間中相隔太遠(yuǎn)，或者在兩個節(jié)點之間的RF路徑中有障礙物會衰減信號，使其低于接收器靈敏度水平。

（四）多路徑LOS操作

多徑是指一個信道，其中發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的直接路徑不是唯一存在的信號路徑。在現(xiàn)實世界中通常是這種情況。

多徑信號通常是由反射自RF反射表面的無線電信號引起的。這些表面可以相對于發(fā)射和接收天線（在上方，下方，后面，側(cè)面等）處于任何方向。

由單次反射引起的多路徑信號將在相位上與原始信號反相，因此可能會取決于兩條路徑的相對長度而在接收器處干擾直接路徑信號。

相對而言，在窄帶無線電方案中，使用的脈沖非常寬。這意味著存在大量的多路徑，反射信號將在該多路徑上重疊并干擾直接路徑信號。另一方面，在超寬帶方案中，脈沖非常窄（2 ns），因此只有很少的一組多徑信號，其路徑長度在直接路徑長度的2 ns之內(nèi)，并且能夠在接收器處引起干擾。

在LOS通道中，多路徑信號的能量少于直接路徑，并且它們在接收器和發(fā)送器之間的路徑長度都比直接路徑長。因此，它們的到達(dá)時間比直接路徑晚。正是這一性質(zhì)，使我們能夠?qū)⒅苯勇窂脚c后來到達(dá)的多路徑區(qū)分開來，從而計算出發(fā)送和接收節(jié)點之間的正確飛行時間。

從直接路徑檢測的角度來看，因為從定義上講，多路徑信號的能量都比LOS直接路徑少（它們更長，因此遭受更大的損失），所以具有多路徑的LOS情況與沒有多路徑的LOS情況沒有什么不同。

因為除非在非常特殊的情況下，否則多徑不會干擾UWB系統(tǒng)，因此與僅直接路徑的情況相比，沿著每個多徑的信號到達(dá)代表了到達(dá)接收機(jī)的額外能量。這可有效提高鏈路余量，并增加LOS通信范圍。

表2：存在多路徑的LOS場景

圖2：具有多路徑的LOS通道

圖2顯示了場景1中通信信道的脈沖響應(yīng)示例，來自表2。在沒有信號的情況下（圖的左側(cè)）的信道響應(yīng)是不相關(guān)的噪聲。在存在信號的情況下，脈沖響應(yīng)會顯示沿直接路徑和其后的每個多路徑接收的能量的大小。

第一路徑清晰可見，是接收到的最強(qiáng)信號。還存在強(qiáng)多徑，但是沒有任何多徑信號比直接路徑更強(qiáng)，這表明直接路徑是LOS路徑。

1，地面反彈導(dǎo)致多路徑

在室外環(huán)境和開闊的室內(nèi)空間中，最常見的多徑形式是由地面的RF反射引起的。圖3說明了這個概念。可以看出，在發(fā)送器和接收器之間有無數(shù)這樣的路徑。

這里最主要的問題是這些多徑分量在到達(dá)接收器時如何干擾直接路徑（或不干擾）。如3.4.1 以上，多徑長度必須在直接路徑長度的1 ns之內(nèi)，以使多路徑信號干擾直接路徑信號。顯然，這是一個非常特殊的情況，并且代表UWB由于多徑而容易衰落的唯一情況。顯然，這受地面上方兩個節(jié)點的高度以及兩個節(jié)點之間的距離。

圖3：地面反射引起的多路徑

可以通過考慮在通道中心頻率處的兩個正弦波隨直接路徑長度和反射路徑長度的變化如何發(fā)生干擾（相長和相消）而進(jìn)行粗略分析。如果我們將此分析應(yīng)用于信道2（中心頻率為4 GHz），并考慮兩個節(jié)點，每個節(jié)點都位于離地面1 m的位置，則結(jié)果顯示為圖6。

圖4：由于地面反彈，兩個節(jié)點都在離地面1 m處而衰減

這表明，當(dāng)兩個節(jié)點相距約26 m時，衰落的可能性為-12 dB。由于UWB傳輸不是單一頻率，而是跨500 MHz傳播的，因此該分析是對現(xiàn)實情況的過度簡化，因此即使該帶寬的某些部分可能會在特定的多徑長度下衰減，該帶寬其他部分則不會。

2，室內(nèi)環(huán)境中的多路徑

隨著物理環(huán)境變得更加混亂，發(fā)送器和接收器之間的多徑數(shù)量也隨之增加。但是原則上按照表2的情況分析。

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