脈沖超寬帶定位單元設計及應用測試

韋子輝，馮正和，王志峰，孫少欣

(1.保定天河電子技術有限公司博士后科研工作站，河北保定071051; 2.清華大學電子工程系博士后科研流動站，北京100084;3.河北大學質量技術監督學院，河北保定071002)

脈沖超寬帶定位單元設計及應用測試

韋子輝1，3，馮正和2，王志峰1，孫少欣3

(1.保定天河電子技術有限公司博士后科研工作站，河北保定071051; 2.清華大學電子工程系博士后科研流動站，北京100084;3.河北大學質量技術監督學院，河北保定071002)

脈沖超寬帶技術(Impulse Radio-UltraWideband，IR-UWB)具有傳輸速率高、測距精度高、抗多徑干擾能力強、功耗低的優點。采用IR-UWB技術可有效解決現有定位系統定位精度差、定位精度不穩定的缺點。應用IR-UWB技術設計射頻定位系統通信節點，采用雙向雙邊測距算法(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging，SDS-TWR)保證測距精度，在室內環境對測距誤差進行了測試，并采用到達時間(Time of Arrive，ToA)定位算法設計定位單元，測試結果表明IR-UWB定位技術在室內可達到分米級定位精度。

脈沖超寬帶;精確測距;TOA;多徑干擾

定位技術在人員定位追蹤、資產管理、醫療監護等領域存在著巨大的市場需求，射頻定位技術作為最具潛力的定位技術方案，近年來得到了廣泛關注。但現有射頻定位系統多是基于接收信號強度指示方法(Received Signal Strength Indication，RSSI)定位技術。ZigBee，WiFi是采用RSSI典型定位系統［1］。其中基于IEEE802.15.4標準的ZigBee最高可實現3～5 m精度定位，這類定位技術在實際應用中的主要問題是接收信號強度易受干擾、測距精度隨距離增加而顯著下降以及定位精度不穩定。

為解決無線傳感器網絡的定位精度問題，2002年11月，IEEE開始醞釀建立低速無線個人局域網(Wireless Personal Area Network，WPAN)物理層標準IEEE802.15.4a，其目的是提供比IEEE802.15.4更高測距精度及定位能力［2］。IEEE于2007年形成了一個融合多家提案的基本綱要。在這份綱要中，明確定位應用兩個可選的物理層:于2.4 GHz免授權頻段的線性調頻擴頻技術(Chirp Spread Spectrum，CSS)和工作于3.1～ 10.6 GHz頻段的IR-UWB技術。對于測距精度的具體解決方法是放棄RSSI定位技術，采用信號飛行時間測距方法。信號飛行時間測距具有測距精度高、測距精度穩定、測距精度不隨距離增加而降低、不易受外界環境干擾的優點。IEEE又于2011年提出IEEE802.15.4—2011標準，定位應用仍只有CSS和IR-UWB兩個可選物理層［3］，其中IR-UWB相對于CSS技術能夠實現更高定位精度，最高可實現10 cm定位精度，但目前IR-UWB定位系統被少數國外廠家壟斷，定價較高，例如英國Ubisense公司一個定位單元售價超過10萬元，這大大限制了IR-UWB定位技術的推廣應用。

本文基于IEEE802.15.4—2011標準中的IR-UWB技術開發高精度射頻定位系統，采用Decawave公司的DW1000芯片設計射頻定位系統通信節點，應用SDSTWR實現測距。測試結果顯示在視線傳輸(Line of Sight，LoS)條件下可實現10 cm測距精度。IR-UWB技術的突出優點為多徑誤差小，在室內設置遮擋物對多徑誤差進行測試，結果顯示在非視線傳輸(Not Line of Sight，NLoS)條件下可實現30 cm左右的測距精度，在測距精度和抗多徑干擾能力兩方面均優于CSS技術，比RSSI測距精度高出一個數量級。最后采用ToA定位算法設計定位單元，測試結果表明該系統在室內環境可達到分米級定位精度。

另外本文設計的IR-UWB通信節點最高傳輸速率達到6.8 Mbit/s，也可應用于數字家庭網絡領域。組建家庭娛樂網絡，可以被內置在電視、DVD、機頂盒、音響以及投影儀等家庭娛樂設備上，用來傳輸高品質的多媒體數據。

1 信號飛行時間測距原理

在信號飛行時間測距中，影響測距精度的一個重要因素是信號發射到達時間估計的精確度，根據克拉美·勞下界計算公式，該精確度與信號帶寬成正比，因此IR-UWB應用于信號飛行時間測距相比傳統窄帶信號可獲得更高時間測量精度。另一方面基于時間測量定位技術在實際應用中的主要問題是測量精度易受多徑干擾影響，而IR-UWB信號在時域是時間極短的高斯脈沖，通常是ns數量級，在多徑環境下多徑反射信號和直射信號在時間軸上是可分離的，相對于窄帶信號具有更好的多徑分辨能力［4］。因此IR-UWB在基于時間測量的測距及定位應用中具有傳統窄帶信號無可比擬的優勢。

在信號飛行時間測距中時鐘抖動對測距的影響也不可忽視，1 ns的時間測量誤差，即可造成30 cm的測距誤差，而晶振漂移造成的時鐘抖動不可避免。為減小測量誤差，在IEEE802.15.4a標準中建議采用SDS-TWR算法濾除時鐘抖動提高測距精度［5］。

雙邊測距(TwoWay Ranging，TWR)過程如圖1所示。

圖1 SDS-TWR測距示意圖

節點A發送測距信號1并檢測發送時間τAS，節點B接收到測距信號并測量信號到達時間τBR。由于節點A， B之間沒有時鐘同步，無法得到測距信號傳輸時間tp。采用雙邊測距后，節點B延時tReplyB后發送測距信號2，節點A接收信號2并檢測信號到達時間τAR。則可以得到

考慮晶振偏差的影響，則測量結果應為

式中:eA，eB分別為節點A，B晶振偏差造成的測量誤差。

將(τAR-τAS)=2tp+tReplyB和(τBS-τBR)=tReplyB代入式(2)得

由于tReplyB遠大于tp，則上式簡化成

通過式(4)可以看出TWR通過晶振偏差eA，eB的差分運算，濾除晶振偏差影響，可大大減小測距誤差，并可以在此基礎上采用SDS-TWR進一步提高測距精度。如圖1中所示，節點A收到節點B的回復信號2后，延時tReplyA時間后，回復信號3，則可完成兩次雙邊測距，即SDS-TWR測距，測距結果計算公式為

同樣考慮晶振偏差，根據式(4)，式(5)得到

由于tReplyB遠大于(tReplyA-tReplyB)，對比式(4)和式(6)，可得SDS-TWR相對于TWR可實現更高測距精度，這使得通信節點在不采用高精度晶振的情況下，仍可獲得較高的時間測量精度。采用SDS-TWR測距雖然可以保證測距精度，但需要信號的多次往返來完成一次測距，實際應用中存在測距時間長、功耗大的問題。

目前支持SDS-TWR測距方式的射頻芯片主要有:德國Nanotron公司推出的NA5TR1芯片，采用CSS通信技術，最大帶寬80 MHz;愛爾蘭Decawave公司2013年最新推出的DW1000芯片，采用IR-UWB技術，信號最大帶寬1 300 MHz。

2 通信節點硬件電路設計

為實現高定位精度，通信節點采用Decawave公司推出的DW1000射頻芯片，典型帶寬500 MHz。支持6個信道，頻率范圍3.5～6.5 GHz，采用脈沖位置調制(Pulse Position Modulation，PPM)和二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調制方式，發射功率-35～-62 dBm/MHz可調，最大測距距離290 m，可實現10 cm測距精度，最大通信速率為6.8 Mbit/s。

DW1000芯片內部集成63.897 6 GHz采樣時鐘，計時分辨率為15.65 f/s(幀/秒)，保證了測距過程中的時間測量精度。發送數據幀格式參照 IEEE802.15.4—2011標準，包括前導碼(Preamble Code，PC)、數據幀分隔符(Start of Frame Delimiter，SFD)、數據幀頭(Physical Layer Header，PHR)、數據區部分。芯片在發送數據時，可以記錄發送數據中PHR首字符發出時的時鐘計數，同樣接收時也可以測量記錄接收數據PHR首字符到達的采樣時鐘計數。另外可以采用延時發送機制，根據當前時鐘計數，設定延時時間，可以精確計算將要發送數據PHR首字符發出時的時鐘計數，并可將該時鐘計數值加入到數據包中，發送給接收方。這些功能保證了DW1000可以實現圖1中的SDS-TWR測距。

如圖1所示節點A在測距過程中可以測量信號1的發送時間τAS，信號2的到達時間τAR，并采用延時發送計算信號3發送時間τAf，在發送的信號3報文中加入τAS，τAR，τAf發送給節點B，節點B則可以根據圖1中的測量值τBR，τBS，τBF及接收的節點A報文中數據，根據式(5)計算A，B之間距離。另外DW1000測量的信號發出時間只是信號發生電路發出信號的時間，計算飛行距離時仍要考慮天線造成的延遲。

控制器采用意法半導體(ST)公司的STM32f105 32 bit ARM微控制器，自帶完整的SPI接口控制器，能夠勝任對DW1000射頻芯片的控制及數據收發工作。并且集成串口控制器、USB控制器、Ethernet控制器，可用于實現與上位機的通信。

3 測距精度測試與多徑誤差測試

相比RSSI測距，信號飛行時間測距精度更高更穩定，能夠很好地抵御環境干擾，當信號受到干擾時只會縮短距離而不會產生較大測距誤差。但其測距精度也受多徑干擾的影響，本文分別在室內LoS和NLoS環境下，對采用DW1000的通信節點測距精度進行測試，并與基于CSS技術的NA5TR1芯片測距精度進行對比，測試時采用DW1000的通信節點帶寬設置為500 MHz，采用NA5TR1的通信節點帶寬設置為80 MHz。兩組通信節點都采用SDS-TWR測距算法。

3.1 LOS環境測距精度測試

在室內LOS環境下，分別采用DW1000通信節點和NA5TR1通信節點，在0.5～10 m多個距離下的50次重復測量，計算測距標準差。圖2為測量結果，顯示基于IR-UWB技術的DW1000測距標準差小于5 cm，而基于CSS技術的NA5TR1測距標準差在10～25 cm之間。兩者測距精度均優于RSSI測距的3～5 m測距精度，并且500 MHz帶寬IR-UWB技術相對于80 MHz帶寬CSS技術可實現更高測距精度。

圖2 LOS條件下測距標準差對比

3.2 NLOS環境多徑誤差測試

信號飛行時間測距精度主要受多徑干擾影響，尤其在室內環境信號會經天花板，墻壁反射形成多徑傳輸［6］。為測試多徑干擾造成的測量誤差，在室內環境兩通信節點固定在4 m距離，測試不同遮擋物對測量精度的影響，如圖3中所示，采用IR-UWB技術50次重復測量最大測距標準差為0.35 m。而采用CSS的通信節點在相同條件下測距標準差較大，恒正系統誤差數值較大，并且測距結果受天線方向影響較大，說明CSS技術在室內環境無法準確區分經天花板、地面、墻壁反射的多徑信號與直射信號，應用于室內環境必須考慮多徑干擾的影響，目前CSS技術在實際應用中多采用雙天線設計，通過開關切換先后采用兩個天線測距，取兩次測距較小值作為測量結果，這必然會增加測距時間和功耗［7］，相比較IR-UWB室內環境下受多徑干擾影響不大，更適合于室內環境定位應用。

圖3 NLOS條件下測距標準差對比

另外需要補充說明的是本文所進行的多徑誤差測試，只能說明在相同條件下500MHz帶寬IR-UWB技術抗多徑干擾能力明顯優于80 MHz帶寬CSS技術，由于多徑誤差受測試環境影響較大，具體多徑誤差數值僅供參考。

4 定位單元設計及精度測試

ToA定位就是測量出2個(或多個)參考節點與移動節點之間的信號傳播時間，從而得到2個(或多個)移動節點到參考節點距離的估計值，以基站為圓心，到移動臺的距離為半徑畫圓，圖4所示多個圓的交點就是移動節點的估計位置，測量移動節點到固定參考節點的信號飛行時間，得到R1，R2，R3，計算移動節點的相對坐標。ToA定位需要移動節點和參考節點均實現時鐘同步，技術實現難度較大，目前多采用SDS-TWR測距，依次測量移動節點到多個參考節點之間的距離實現非時鐘同步的ToA定位。

圖4 ToA定位原理示意圖

采用SDS-TWR測距的ToA定位主要優點是不需要時鐘同步，缺點是需要移動節點多次發射接收信號，定位速度慢，定位系統移動節點容量小，功耗大。

具體求解過程如下，已知A，B，C，D為位置已知的4個參考節點，其平面坐標分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，M點為移動節點，設它的平面坐標為(x，y)。測得移動節點到定位基站的坐標分別為d1，d2，d3，d，得到如下方程組

式(7)中4個方程2個未知數，該方程組屬于超定方程組，沒有精確解，可通過求解最小二乘解確定移動節點坐標。

為驗證IR-UWB定位精度，在室內16 m×18 m辦公室環境下，布置4個參考節點，高度2 m。移動節點在LoS條件下選取10個測量點，測得的二維定位標準差如圖5所示，LoS條件下標準差不超過10 cm。NLoS條件下重復上述測量過程，選點模擬常見辦公環境遮擋情況，通常移動標簽到1～2基站有遮擋物，遮擋物為辦公桌或人體，如圖5中所示，測量結果中標準差40 cm。

圖5 室內LoS和NLoS條件下定位標準差

5 結語

IR-UWB術是目前高精度定位應用最佳物理層技術，本文采用 Decawave公司的 IR-UWB射頻芯片DW1000設計定位系統通信節點，對測距及定位精度進行了測試，結果顯示IR-UWB具有較強抗多徑干擾能力，在室內環境下可實現分米級定位精度，并且其高傳輸速率使其在無線多媒體傳輸領域具有很好的應用前景。相信DW1000芯片的推出會推動IR-UWB技術的應用，打破少數國外廠商壟斷國內高精度定位系統市場的格局。但作為商用定位系統的開發還需開展以下研究工作:

1)室內應用影響定位精度的主要因素為多徑干擾，可通過多徑識別及濾波算法，進一步提高NLoS條件下定位精度;

2)基于SDS-TWR測距的ToA非時鐘同步定位由于移動節點要求至少與3個基站完成測距，定位時間長，導致定位系統容納移動節點數量小，移動節點能耗大。基于時鐘同步的TDoA定位算法則可解決上述問題，但高精度的時鐘同步實現較為困難。

3)定位系統在現場應用還需解決參考節點組網通信協議、多標簽防沖突算法設計、標簽低功耗設計等問題［8］。

［1］彭宇，王丹.無線傳感器網絡定位技術綜述［J］.電子測量與儀器學報，2011，25(5):389-399.

［2］王振朝，曹永青，韋子輝.基于WSN的射頻定位技術［J］.河北大學學報，2013，33(5):554-559.

［3］張中兆，沙學軍.超寬帶通信系統［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［4］周祥為，馮金振.UWB無線通信關鍵技術與應用［J］.電視技術，2007，31(9):51-54.

［5］IEEE 802.15.4 a—2007，IEEE用于無線個人域網(WPAN)的物理層和媒體接入控制層規范［S］.2007.

［6］TINGCONG Y，WALSH M，O’FLYNN B.Experimental analysis of transmit-power for IEEE 802.15.4a UWB ranging undermultipath environment［C］//Proc.Signals and Systems Conference(ISSC 2012). Maynooth:IET，2012:1-6.

［7］KANG H，SEO G，LEEW J.Error compensation for CSS—based localization system［C］//Proc.the World Congress on Computer Science and Information Engineering.Los Angeles:IEEE Press，2009:2-9.

［8］GAFFNEY B.Considerations and challenges in real time locating systems design［EB/OL］.［2014-03-22］.www.decawave.com.

Design and Application Test of IR-UWB Positioning Unit

WEIZihui1，3，FENG Zhenghe2，WANG Zhifeng1，SUN Shaoxin3
(1.PostdoctoralWorkstation，Baoding Galaxy Electronic Technology Co.，Ltd.，Hebei Baoding 071051，China; 2.Postdoctoral Research Institutions，Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 3.College of Quality and Technical Supervision，Hebei University，Hebei Baoding 071002，China)

With the advantages of fast transmission speed，high precision in ranging，low power consumption，anti-multipath and anti-interference abilities，the Impulse-Radio-Ultra Wideband(IR-UWB)technology is well-suited to improve the poor accuracy of the existing positioning systems.IR-UWB is the key technique in the design of the proposed wireless communication and positioning nodes，which form a ranging and positioning system.Indoor ranging is implemented by the Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging(SDS-TWR)technique and the ranging error ismeasured.High indoor positioning accuracy is achieved using the ToA algorithm.

IR-UWB;precise ranging;ToA;multipath interference

TP393

A

?? 薇

2014-04-02

【本文獻信息】韋子輝，馮正和，王志峰，等.脈沖超寬帶定位單元設計及應用測試［J］.電視技術，2014，38(23).

河北省博士后擇優項目(B2013003015);河北省省校科技合作開發支持項目

韋子輝(1977—)，博士后，副教授，主研射頻定位、無線傳感器網絡;

馮正和(1945—)，博士后導師，主研無線通信、RF及微波技術、電磁場理論與數值方法、智能天線、時空信號處理。