王超　孫曉莉

摘要：UWB室內(nèi)定位和通信的一體化在本質(zhì)上就是將UWB定位和通信相融合，目前對UWB室內(nèi)定位的研究越發(fā)火熱，在此情勢下，將現(xiàn)有資源進(jìn)行的充分運(yùn)用，以UWB定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)將通信進(jìn)行融合是可行之舉。考慮到目前IEEE802.15.4a是UWB定位系統(tǒng)主要采用的低速標(biāo)準(zhǔn)，為便于實(shí)現(xiàn)和集成UWB定位和通信一體化系統(tǒng)的硬件，在本文中提出將低速UWB標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：UWB室內(nèi)定位;通信一體化技術(shù);研究

將本文中所提到的UWB室內(nèi)定位和通信一體化系統(tǒng)，同現(xiàn)有的UWB定位系統(tǒng)比較來看，UWB室內(nèi)定位和通信一體化系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度都有所降低，而系統(tǒng)的靈活性有所提高。將全無線方式的構(gòu)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(biāo)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(fā)展

本質(zhì)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(jì)的無線電報(bào)時代便可追溯到超寬帶的歷史，受時域脈沖響應(yīng)控制的微波網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)時的研究領(lǐng)域。自20世紀(jì)60年代起，在軍用雷達(dá)系統(tǒng)便應(yīng)用了窄脈沖信號的UWB技術(shù)，而UWB在通信領(lǐng)域的應(yīng)用是從90年代開始吸引工業(yè)和學(xué)術(shù)屆的關(guān)注。1989年由美國軍方率先提出了“超寬帶”的概念，規(guī)定UWB系統(tǒng)的相對帶寬應(yīng)該大于0.2。UWB技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展作為一個獨(dú)立的研究領(lǐng)域?qū)⒌巧厦裼梦枧_。美國FCC在2002年對UWB技術(shù)的定義提出補(bǔ)充，給出了民用領(lǐng)域限制功率限制，并提出10dB絕對帶寬超過500Hz的系統(tǒng)也可視作UWB系統(tǒng)。從2002年FCC開放UWB短距離無線通信領(lǐng)域并頒發(fā)了應(yīng)用許可后，人們便開始真正去廣泛關(guān)注UWB技術(shù)和并進(jìn)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(shù)正在飛速發(fā)展，所以人民將會繼續(xù)深入U(xiǎn)WB的研究。

二、UWB定位和通信一體化現(xiàn)狀總結(jié)

通過國內(nèi)外對UWB的研究現(xiàn)狀分析情況可以體現(xiàn)出，UWB信號的產(chǎn)生、天線設(shè)計(jì)和信道傳輸和調(diào)制與解調(diào)UWB信號等問題是UWB通信技術(shù)上的研究的主要內(nèi)容;在研究定位技術(shù)方面，主要內(nèi)容是定位算法，努力提高定位的精度，UWB在室內(nèi)定位精度已經(jīng)達(dá)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(diǎn)。UWB作為理想室內(nèi)無線通信技術(shù)的一種，新的研究趨勢是將定位和通信充分結(jié)合起來并發(fā)揮的它的優(yōu)勢。精度是衡量UWB定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，但是在定位和通信一體化系統(tǒng)中精度并不是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，衡量一體化系統(tǒng)新的準(zhǔn)則是定位能力和相關(guān)資源數(shù)據(jù)的傳輸能力。因此目前必須要考慮的問題是UWB室內(nèi)定位和通信的一體化：

（1）在系統(tǒng)硬件問題方面，當(dāng)前市場上并未出現(xiàn)UWB集成到PC以及多種電子移動設(shè)備上的批量產(chǎn)品。目前普遍的UWB產(chǎn)品是獨(dú)立于手機(jī)等移動設(shè)備之外的標(biāo)簽產(chǎn)品，所以目前需要將UWB產(chǎn)品是否集成到手機(jī)等設(shè)備上納入考量。

（2）在干擾性問題方面，盡管UWB的民用使用權(quán)限上FCC有所規(guī)定，但UWB的使用必須符合環(huán)境場景，目前研究數(shù)據(jù)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(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

目前并沒有成熟的硬件平臺可以使UWB室內(nèi)定位和通信一體化得到支持，雖然法國的Bespoon的SpoonPhone已經(jīng)將UWB技術(shù)集成到手機(jī)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(tǒng)的物理基礎(chǔ)，它的設(shè)計(jì)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(tǒng)分別對一體化平臺和硬件系統(tǒng)兩個部分進(jìn)行便攜式設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)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(jìn)行分析，對于硬件系統(tǒng)可以通過串口對其提供指導(dǎo)與通信。將一體化平臺和硬設(shè)系統(tǒng)聯(lián)通的關(guān)鍵是串口。作為整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)可以初步采集信號的特征值，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、上傳，實(shí)現(xiàn)一體化平臺與系統(tǒng)的通信功能，為利于基站部署，在設(shè)計(jì)中提出采用全無線方式的設(shè)計(jì)，因?yàn)榛驹诓煌氖覂?nèi)建筑位置不同，而且當(dāng)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(jù)用戶的需求隨時對位置進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)行傳輸。

四、UWB定位和通信一體化通信幀設(shè)計(jì)

為保證一體化系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的定位通信技術(shù)可以正常工作，需要對通信幀進(jìn)行設(shè)計(jì)，在本文中，在定位幀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)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(dǎo)碼，然后是數(shù)據(jù)和物理頭（定義數(shù)據(jù)長度）。標(biāo)志前導(dǎo)碼結(jié)束的是幀分隔符，以及精確的轉(zhuǎn)換到物理頭和數(shù)據(jù)調(diào)制開始。因?yàn)榉浅４_定這個事件的時間戳，所以才使得RTLS精確的應(yīng)用。SFD可以發(fā)送的三種狀態(tài)由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分別由（0）不發(fā)送、（1）正常發(fā)送和（-1）發(fā)送反向脈沖組合形成。

UWB定位數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的融合方法是在定位序列后添加新的序列，數(shù)據(jù)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?yàn)閿?shù)據(jù)區(qū)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(shè)備會對信息進(jìn)行處理，并進(jìn)行繁瑣的計(jì)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(yīng)答，所以對控制中心發(fā)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(shí)現(xiàn)測距數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的共存，應(yīng)對現(xiàn)有定位測距的現(xiàn)象進(jìn)行改進(jìn)。

如圖所示，其中用于定義數(shù)據(jù)區(qū)域的長度的Bit2-Bit8是無符號的整數(shù);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(jìn)行提取處理;為以后擴(kuò)展使用總是將Bit10為零，作為保留位，Bit11-Bit12作為應(yīng)答幀，是前導(dǎo)碼持續(xù)時間，可以通過接收機(jī)來設(shè)置;Bit13-Bit18一組六個作為校驗(yàn)位，主要用于減少信道缺陷和噪聲帶來的影響。

Bit9作為標(biāo)志位的出現(xiàn)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(jìn)行處理;PC端可以通過標(biāo)志位對向移動終端發(fā)送的通信指令進(jìn)行分類，以免用于用于通信的信號與用于定位的信號發(fā)生碰撞。

總結(jié)：在UWB室內(nèi)定位和通信一體化的系統(tǒng)中，用戶可以通過所持有的移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)信息，無線基站完成接收并對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(fù)責(zé)，并向主無線基站轉(zhuǎn)發(fā)測距信息;定位解算和發(fā)送通信數(shù)據(jù)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(tǒng)中起到連接上下行通路的作用。因此本文所提出的UWB室內(nèi)定位和通信一體化系統(tǒng)，在完成定位的同時又實(shí)現(xiàn)了平臺對終端的通信，使UWB定位和通信實(shí)現(xiàn)了融合。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：云南國土資源職業(yè)學(xué)院）