UWB室內定位和通信一體化技術研究

王超　孫曉莉

摘要：UWB室內定位和通信的一體化在本質上就是將UWB定位和通信相融合，目前對UWB室內定位的研究越發火熱，在此情勢下，將現有資源進行的充分運用，以UWB定位系統為基礎將通信進行融合是可行之舉。考慮到目前IEEE802.15.4a是UWB定位系統主要采用的低速標準，為便于實現和集成UWB定位和通信一體化系統的硬件，在本文中提出將低速UWB標準作為系統標準。

關鍵詞：UWB室內定位;通信一體化技術;研究

將本文中所提到的UWB室內定位和通信一體化系統，同現有的UWB定位系統比較來看，UWB室內定位和通信一體化系統的成本和復雜度都有所降低，而系統的靈活性有所提高。將全無線方式的構想作為基站新部署方式的參考，提出用具備雙向通信功能的移動終端的概念去代替標簽的叫法，對集成方案的完善有所幫助，完成一體化平臺與終端的通信。

一、UWB的發展

本質意義上的超寬帶（Ultra Wideband，UWB），又被稱為脈沖無線電，最初在19世紀的無線電報時代便可追溯到超寬帶的歷史，受時域脈沖響應控制的微波網絡是當時的研究領域。自20世紀60年代起，在軍用雷達系統便應用了窄脈沖信號的UWB技術，而UWB在通信領域的應用是從90年代開始吸引工業和學術屆的關注。1989年由美國軍方率先提出了“超寬帶”的概念，規定UWB系統的相對帶寬應該大于0.2。UWB技術經過不斷地發展作為一個獨立的研究領域將登上民用舞臺。美國FCC在2002年對UWB技術的定義提出補充，給出了民用領域限制功率限制，并提出10dB絕對帶寬超過500Hz的系統也可視作UWB系統。從2002年FCC開放UWB短距離無線通信領域并頒發了應用許可后，人們便開始真正去廣泛關注UWB技術和并進行研究，到目前為止，人們對UWB的研究依舊充滿熱情，如今的時代，UWB技術正在飛速發展，所以人民將會繼續深入UWB的研究。

二、UWB定位和通信一體化現狀總結

通過國內外對UWB的研究現狀分析情況可以體現出，UWB信號的產生、天線設計和信道傳輸和調制與解調UWB信號等問題是UWB通信技術上的研究的主要內容;在研究定位技術方面，主要內容是定位算法，努力提高定位的精度，UWB在室內定位精度已經達到厘米級甚至更低，面對如此高的成就，如果不能在定位精度上的研究有新的突破，可以將定位方法上作為研究重點。UWB作為理想室內無線通信技術的一種，新的研究趨勢是將定位和通信充分結合起來并發揮的它的優勢。精度是衡量UWB定位系統的標準，但是在定位和通信一體化系統中精度并不是唯一的標準，衡量一體化系統新的準則是定位能力和相關資源數據的傳輸能力。因此目前必須要考慮的問題是UWB室內定位和通信的一體化：

（1）在系統硬件問題方面，當前市場上并未出現UWB集成到PC以及多種電子移動設備上的批量產品。目前普遍的UWB產品是獨立于手機等移動設備之外的標簽產品，所以目前需要將UWB產品是否集成到手機等設備上納入考量。

（2）在干擾性問題方面，盡管UWB的民用使用權限上FCC有所規定，但UWB的使用必須符合環境場景，目前研究數據表明，UWB信號對天文臺有干擾，但對于帶外的干擾未有明確跡象表明是否有影響。

（3）通信信號融合和UWB定位的問題，其中包括通信信號與定位信號融合和共存之后對定位精度帶來的影響等，UWB對時延較為敏感，稍有誤差，將帶來很大的影響。

三、系統總體設計思想

目前并沒有成熟的硬件平臺可以使UWB室內定位和通信一體化得到支持，雖然法國的Bespoon的SpoonPhone已經將UWB技術集成到手機上，但是方案并不成熟，方案的成本太高而性能較低。，一體化硬件作為整個系統的物理基礎，它的設計更加重要，文章本段主要將采用DW1000對上文中提到的UWB定位和通信一體化系統分別對一體化平臺和硬件系統兩個部分進行便攜式設計，硬件系統部分包括移動終端和無線基站，一體化平臺可以接收定位信息并對其進行分析，對于硬件系統可以通過串口對其提供指導與通信。將一體化平臺和硬設系統聯通的關鍵是串口。作為整個系統的物理基礎，硬件系統可以初步采集信號的特征值，并對數據進行處理、上傳，實現一體化平臺與系統的通信功能，為利于基站部署，在設計中提出采用全無線方式的設計，因為基站在不同的室內建筑位置不同，而且當擺放新的大件物品時，容易對基站信號造成遮擋，形成非視距，以致于基站收不到完整信號，造成較大誤差。無線基站可以根據用戶的需求隨時對位置進行挪移。如下圖所示，無線基站分為主、從基站，主無線基站通過串口轉USB與一體化平臺相連，通過UWB方式和其它無線基站和移動終端之間進行傳輸。

四、UWB定位和通信一體化通信幀設計

為保證一體化系統所設計的定位通信技術可以正常工作，需要對通信幀進行設計，在本文中，在定位幀的基礎上進行改進的形成通信幀，如下圖所示IEEE802.15.4是定義UWB物理層框架，于一個同步頭開始，包括幀分隔符與前導碼，然后是數據和物理頭（定義數據長度）。標志前導碼結束的是幀分隔符，以及精確的轉換到物理頭和數據調制開始。因為非常確定這個事件的時間戳，所以才使得RTLS精確的應用。SFD可以發送的三種狀態由IEEE802.15.4標準規定，分別由（0）不發送、（1）正常發送和（-1）發送反向脈沖組合形成。

UWB定位數據與通信數據的融合方法是在定位序列后添加新的序列，數據的融合將帶來兩個影響，一個是干擾問題，另一個是時延增加。在通訊的過程中，因為數據區域包含定位信號和通信信號和兩個部分信息。在上行鏈路中，設備會對信息進行處理，并進行繁瑣的計算;相反在下行鏈路中，由于用來定位的信號會搶占通訊的應答，所以對控制中心發來的用于通信的信號部分則是一種干擾。為了解決所存在的問題，實現測距數據與通信數據的共存，應對現有定位測距的現象進行改進。

如圖所示，其中用于定義數據區域的長度的Bit2-Bit8是無符號的整數;Bit9則表示該通信幀是用于定位測距或者是用于通信，0代表該幀是用于通信，1代表該幀用于定位測距，通過分類匹配對信號進行提取處理;為以后擴展使用總是將Bit10為零，作為保留位，Bit11-Bit12作為應答幀，是前導碼持續時間，可以通過接收機來設置;Bit13-Bit18一組六個作為校驗位，主要用于減少信道缺陷和噪聲帶來的影響。

Bit9作為標志位的出現解決通信和定位共同存在的問題，可以通過基站在由移動終端上傳信息的過程中對信息進行處理;PC端可以通過標志位對向移動終端發送的通信指令進行分類，以免用于用于通信的信號與用于定位的信號發生碰撞。

總結：在UWB室內定位和通信一體化的系統中，用戶可以通過所持有的移動終端發送數據信息，無線基站完成接收并對數據進行計算，主無線基站完成對移動終端的測距，同時將測距信息傳遞到一體化定位平臺;對移動終端的測距主要有其他基站負責，并向主無線基站轉發測距信息;定位解算和發送通信數據主要由一體化平臺完成;移動終端與基站配合完成測距，并處理接收的通信信息;主無線基站在整個系統中起到連接上下行通路的作用。因此本文所提出的UWB室內定位和通信一體化系統，在完成定位的同時又實現了平臺對終端的通信，使UWB定位和通信實現了融合。

參考文獻：

[1] 吳如玥，黃風華，鄒駝玲.基于UWB的室內定位系統研究[J].信息與電腦（理論版），2019（14）：110-112.

[2] 田亞飛.基于UWB的室內無線定位技術研究[D].吉林大學，2019.

（作者單位：云南國土資源職業學院）