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基于脉冲无线电超宽带系统的精确室内无线定位
联合接收机结构和到达时间算法的性能评估
摘要：脉冲无线电（IR）超宽带（UWB）是在开发室内和室外的定位和跟踪应用中最有前途的无线技术之一。由于其高带宽和短脉冲，超宽带可能允许基于到达时间（TOA）的距离测量一个非常准确的估计。本文的主要目的是比较和提供的关节提出了超宽带系统的接收器架构不同的基于到达时间，距离估计机制定性和定量评价。完成了对已分析的精度和所发射的信号的特性的参数，传播条件和信噪比的效果等方面的比较，同时开发出以此为目的的模拟工具，其中提出的802.15.4a不同的接收器架构，估计机制和信道模型已付诸实施。
关键词：超宽带，位置，范围，到达时间。
一．介绍
在提高生产率，并在工业，医疗，家庭自动化或军事等广泛的领域中利用定位跟踪（LT）的信息，优化资源管理是一个很好的工具。例如，定位在医院的医疗设备和人员，监控在工厂的流水线，在一个仓库里跟踪的股票或开发，根据游客在博物馆的位置选择旁白智能语音导览等。从标准的无线系统中获得定位信息机制的发展越来越引起人们的兴趣，特别是在室内的情况，其中，系统专用于位置如GPS或者伽利略设计是不合适的。在大多数情况下，主要的目标是采取广泛的扩展的无线技术的进步（例如WiFi，蓝牙，ZigBee），虽然未对位置特别设计，可以提供与此服务相结合的数据传输具有相对低的复杂度。
有许多无线跟踪人，设备，和产品的技术方法，无线位置信息可能不仅是用来提供应用或基于位置的服务，同时也作为对自己的系统中的无线资源管理（移动支持，自适应信道分配）的支持。
根据不同的应用，对位置测量的精确度和其精度的程度也有不同的要求。有时，在给定的区域确定一个人或设备的情况下，这将是足够的，而在其他情况下，可能需要一个非常精确的定位（例如追踪运动员并监控其性能）。无线定位及跟踪不同程度的精密度和准确度有多种算法。在一般情况下，为了获得准确的定位，即结合不同的参考节点和对位于所述元件之间估算的距离的三角测量算法得到广泛的应用。根据该算法，测距可以基于不同的参数，如位于所述元件和参考节点之间参考信号交换的到达角（AOA），接收信号强度指示（RSSI）和到达的参考信号的延迟或时间（TOA）。从RSSI估计的RF功率损失，和从到达时间获得传播延迟，都是距离的函数。在一般情况下，定位精度是高度依赖于信号参数和尤其是所使用的无线技术，因为它决定这些参数的估计的精度。
基于WiFi，蓝牙，ZigBee和RFID的定位和跟踪系统通常基于RSSI（接收信号强度指示）估计并且其精度普遍较低。
其中对于定位和追踪系统最有前途的技术是UWB（超宽带）。UWB结合有关的尺寸和功率消耗显着的特征，提供在距离估计精度高，允许同时的位置和具有高数据率的数据传输。IR（脉冲无线电）超宽带通信系统是基于持续时间很短的脉冲，它起源非常高带宽信号的传输。这个短脉冲的持续时间允许高水平到达时间估计精度，相比到达信号强度指示估计，它可以应对多径环境和非视距场景，而且在这样的情形下到达信号强度指示估计很不理想。此外UWB的高带宽提供了更高的抗干扰性。
本文重点研究基于UWB的定位追踪系统。由于三角测量算法是独立选择的技术和UWB在于对可能获得高精度的TOA估计的潜在好处，本研究将只集中在本主题。尽管商用UWB设备的供应减少，但还是有许多用于室内位置的产品，如Ubisense定位系统和多光谱解决方案的Sapphire Dart等。其他USB设备，如TimeDomain的PulsON，还具有测距的功能。尽管如此，这些商业产品并不总是能够实现可预期的精确度，尤其是在性能可能严重恶化的多径环境下。这方面鼓励更健壮和准确的距离估计算法的研究，因为它们对整个定位系统的性能有很大的影响。本文的主要目的是比较和提供的关节提出了UWB系统的接收器架构基于不同的TOA，距离估计机制定性和定量评价。首先，不同的TOA估计替代呈现和评估基于两种基本类型的接收方案：能量检测（ED）的基础上能源一体化接收器，以及存储的参考（SR）的信号相关接收。然后，旨在减轻一些基本接收机的限制更复杂的设计呈现。这是在Dirty Template和EDamp;SR的情况下。不同的TOA估计算法已经被考虑到了，研究其性能，评估其准确性和分析所发送的信号的特征参数、信噪比和传播条件的影响。
为了进行这项研究，系统仿真器已经被开发出来了，它详细地实现了行为和现实的场景中的物理层的特性。
本文的结构如下。在第二节，介绍了UWB信号的主要特征。在第三节中，介绍了超宽带TOA实施的基础以及基本的接收器和TOA估计算法的说明。在第四节的模型，具现了假设及考虑模拟情景。第五节展示了在模拟的基本接收机和TOA估计算法获得的计算结果。在第六节提出了备选方案以解决基本接收器和算法的局限性。
二．脉冲无线电超宽带基础
一个定位系统的定位的精确度取决于从TOA导出的估计距离的精度。与UWB系统取得的电位高精度TOA估计是在物理层实现的。如果一个系统被认为是超宽带或者它的带宽大于500 MHz或大于它的中心频率的20%，是与不同应用相关联的可能的某种物理层实现。事实上，超宽带有两个主要应用：服务于个人区域网络的高数据率（HDR）系统是根据802.15.3a的研究，并基于多频带OFDM或直接序列（DS）的调制；低数据传输速率与基于802.15.4b开发的定位跟踪（LDR-LT）系统结合使用，它通常都是基于脉冲调制，如脉冲无线电（IR）。本文的重点显然在第二个。在这两种情况下，超宽带的主要特征之一是在宽的频率范围内传输能量，这导致功率谱密度很低。这允许可观的无线电频谱利用率，因为窄带系统的干扰非常低。
脉冲无线电UWB通信系统是基于持续时间很短的脉冲与给定的脉冲重复频率（PRF）周期性地重复的传输。TOA估计的高精确度的原因就在这一方面。脉冲重复频率的倒数定义了帧持续时间。作为脉冲应在帧持续时间内被接收，以避免帧间干扰和帧持续时间限制最大范围，这就需要等于帧持续时间的延迟的距离。
UWB信号是从一个数据序列生成的信息被关联到脉冲的不同的特性，如振幅（脉冲幅度调制，PAM），相位（相移键控，PSK）或脉冲位置（脉冲位置调制，PPM）。典型的BPSK（二进制相移键控）或BPPM（二进制PPM）被广泛使用。每个符号都是以脉冲编码，因此符号持续时间与数据速率也得到定义。对于典型的定位与跟踪应用一般在几百Kbps到几Mbps之间。
超宽带的优点之一是存在可以同时执行位置与通信的可能性。无论如何，因为联合接收机发射信号的知识的需要，在定位中训练序列的使用时很常见的，并且使用PPM调制时，可以有效避免TOA估计误差。关于定位精度的一个重要参数是在TOA估计中使用的脉冲的数量K。较高的脉冲数能减少噪声的影响，但会增加定位过程，这限制了位置更新速率的持续时间。此外，如果使用一个训练序列，一个更高的脉冲数会增加定位所用时间，因此会减少可用于通信的时间，减少数据速率。
脉冲形状有多种选择，但是凭借着有最小时间带宽积以及容易产生的特点，高斯脉冲及其衍生物，高斯单环和高斯峰被广泛使用。脉冲持续时间是在0.2和1.5纳秒的范围内。这导致一个在6到45cm之间的不确定的幅度。
跳时（TH）代码可用于旨在允许多用户访问（MA）和避免不同的传输之间的冲突。此外，TH码的使用可以随机化所发送的信号，去除其周期性且使所发射的信号频谱的形状趋于平滑。每个帧被划分成持续时间的多个时隙或碎片，它可以从该帧持续时间和TH序列的长度来获得。
为了在用TH码时避免帧间干扰，需要在连续帧之间定义一个保护间隔，因此脉冲重复频率和数据率也会下降。最后，该超宽带信号被调制到给定的载波频率上，尽管这对TOA估计不会有显著的影响。关于TOA估计另一个重要参数是接收机的采样频率，因为它定义了时间粒度和因此可达到的最大精度。图1以简化方式展示了UWB信号的主要参数和多径传播的影响。另一方面，必须考虑到该位置指一组为位于物体和参考节点的位置是已知之间传输。两种方案可以考虑：双向测距（TWR）和单程测距（OWR）。在TWR中，参考节点先查询到位于该节点，随后应答。在这个方案中，虽然不要求所涉及的设备有共同的时钟，但是在信号往返的过程中，信号的信道效应，所用的时间和检测到可能的错误都会翻倍。在更常见的OWR方案中，也可以直接位于对象发送到参考节点，尽管它需要非常精确的同步或所有设备共同的时钟。如果用基于TDOA（到达时间差）的技术，测量两个参考节点之间的延迟的差，只是所需的参考节点的共同的时钟，从而消除了发射器和接收器之间的同步问题。不失一般性，鉴于本文的目的是评价TOA估计程序，所以假定发射机和接收机之间是完全同步的。
图1. 传输参数。BPPM调制。TH码序列{1,2,2,1}
三．基于超宽带的TOA检测体系结构
如前文所述，实现精确定位的基础就在于TOA的精确估计，而这种估计依赖于对接收机的第一路径的参考信号的正确检测。事实上，接收机架构的设计目标必须能够对第一部分有一个良好的检测。然而，噪音和多径传播等的影响使这项任务很困难。
一般情况下，大多数的接收机体系都有共同的框架。第一个步骤是在被称为不确定的区域的时间段提取信号的能量。该区域被定义为所接收信号的第一组份推测出所在位置的时间间隔。然后，对于所捕获的信号能量，可以应用TOA估计算法来决定哪些样品与第一成分对应。我们将在这一节对两种基本的接收机进行说明。第一种是基于RSS（接收信号强度），第二种是基于接收信号与发射信号的一个存储样本的关联性。鉴于噪声和多径效应可导致在第一路径的估计错误，则每个架构的性能和相关联的TOA检测算法应当在几个多径场景相对于信噪比（SNR）进行分析。
A：UWB接收机架构
接收机为了得到数据序列需要解调接收的UWB信号。用于检测的最简单的方法是收集所接收到的信号的能量中被定义为块持续时间的对应于用于接收器的采样间隔所确定的积分间隔。然后，将TOA估计算法应用在这些RSS（接收信号强度）的样品上。这种方法被称为能量检测（ED）。图2示出一个典型的ED接收机的框图。为了提高该方法的性能，测量的能量被K个连续的脉冲进行平均。
图2. 能量监测（ED）接收机框图
这种方法的优点是获得使用根据奈奎斯特频率的采样频率的有效能量检测的可能性。尽管如此，这种方法对噪声非常敏感，并在低信噪比的条件下，噪声样本可以大过信号样本，从而导致接收器性能的劣化。
匹配滤波法是最佳的检测技术。实施匹配滤波法的最简单的方法是将接收信号与所发送的信号的存储参考的模板相关，也就是存储参考接收机（SR）。图3显示出了SR接收机的框图。这种方法需要发射波形的形状的知识。它也需要在相关接收机具有高的采样速率，能够使得接收的波形与模板波形能够完美对齐。否则，由于定时不匹配，SR将不能从接收到的多路径抵达地收集足够的能量。这一要求极其增加了接收机的复杂性。为了提高接收机的性能，相关样本被K个连续的脉冲进行平均，比如ED接收机。
图3. 存储参考（SR）接收机框图
B：TOA估计算法
一旦我们有了接收能量的样本，就必须运用一个算法来检测信号的上升沿并估计到达时间。这种算法可以像采摘最大能量样品或者采摘超过给定阈的第一份样品一样容易。对采样信号进行不同的操作的更复杂的算法也已经被提出了。每种算法的性能取决于所观察到的信噪比和的信道特性，如延迟扩展。接下来将呈现最常见的算法。图4以直观的方式总结了一些这些算法的操作。
图4. MES,TC（=0.6）,和MES-SB（=0.4，=10）算法的TOA估计
最大能量选择（MES）：选择的最大能量输出作为上升沿是实现TOA估计的最简单的方法。但是，最强的能量块在很多情况下并不是上升能量块，因此甚至在一个高信噪比区域最大能量选择仍会击中一个误码平层。
阈比较（TC）：收到的样品可以比作一个适当的阈值，并且超过阈值的第一采样索引对应TOA估计。归一化的阈值，在0和1之间变化，并且必须根据接收到的信号的统计信息来设置。低门槛可能会导致错误检测，采摘到噪声样本，而高门槛则会丢失上升沿，所以要有一个权衡。最佳值则取决于信噪比和信道特性。
基于返回搜索的最大能量选择（MES-SB）：为了提高阈值比较（TC）在低信噪比的性能，这将与阈值相比较的能量的样品会被限制于一个低于最大能量样品的返回搜索窗口。返回搜索窗口是由根据信道统计信息设定的来表示的。由于单个样品中的能量被使用，最大能量选择容易受噪声干扰，而且因为在上升沿和最大能量块之间可能会有很大的延迟，他不能提供高的时间分辨率。为了利用多径分量的能量，能量样品可以在长度的窗口内相加。从滑动窗口获得的结果来看，最大能量选择算法被应用于检测上升沿。由于一个非常大的窗口长度会捕获大量的噪音，一个小窗口长度不能捕获足够的能量，因此存在一个最佳窗口长度，它依赖于信道的特性，比如它的时延扩展。
加权MESS（W-MESS）：为了提高MESS算法的性能，鉴于所有多径分量不具有相同的能量，所以总和可以与信道的PDP（功率延迟分布）的估计进行加权。这实际上等效于把接收的能量矢量与信道的估计的PDP相关，然后，应用MES算法选择对应于上升沿的样品。
四．计算机仿真评估，模型和假设
为了执行对第3部分所述的不同接收器类型和TOA估计算法进行比较评价，我们已经在一套用C 开发的系统仿真器中进行模拟。
仿真器允许UWB发射机，信道和接收机一组灵活的主要参数的值，包括TOA估计的主要参数值。这些参数，这已在第2和
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