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UWB通道选择、信号阻挡和反射对UWB定位范围和定位精度的影响(一)-视线通道(LOS)
发布日期:2020-05-11 浏览次数:132

本文主要说明UWB信号通道的特性对UWB通信范围和UWB测距精度的影响,由于篇幅较长,分3篇分享。



(一)频道类型


1,频道

当考虑无线电方案中的发射机和接收机之间的信道时,该信道的最重要属性之一是它是否为:视线(LOS)和非视线(NLOS)。


通道可以具有许多其他属性,本章我们将主要关注这一主要区别。在整整篇行文中,为简洁起见,“视线”缩写为“ LOS”,“非视线”缩写为“ NLOS”。



2,范围

在本文中,重要的是要理解以下术语之间的区别:


术语描述主要取决于
通讯范围成功进行通信的两个节点之间的范围(由给定应用程序可接受的包错误率定义)。在两个节点之间的所有路径上,由发射机发送到信道并在接收机处接收到的总能量。如果高于接收器灵敏度,则可能会发生通信。
直接路径检测范围接收机可以正确检测并标记两个节点之间的直接路径信号,而不是任何多路径时间戳的两个节点之间的范围接收器处接收的能量仅通过发送器和接收器之间的直接路径。该能量必须高于动态调整的阈值,以便接收器能够检测到。


取决于频道,这两者可能相同也可能不同,在某些情况下,绝对不会相同。


接收机通过为每个接收到的帧推导发送器和接收器之间的通信信道的脉冲响应来进行操作。它通过处理每个IEEE802.15.4-2011 UWB帧开始处的前导序列来实现此目的。


UWB接收机可以实现:

(1)从噪声层下面检测信号。

(2)提取直接路径信号及其后的任何多路径信号。

(3)处理脉冲响应,并在该响应中标记超过动态调整的检测阈值的第一个峰值的时间戳。


通过应用软件可以访问的寄存器报告脉冲响应中第一个峰值的时间戳。然后可以以各种不同的方式使用此值来实现定位和测距方案。



(二)LOS操作

如果可以在两个节点的天线之间画一条假想的直线,则在两个无线节点之间存在一条清晰的视线。


从RF角度区分光学清晰的视线和清晰的视线很重要:

当没有物理物体阻碍从另一天线的位置观看一个天线时,存在光学透明的LOS。

如果在光学视线周围的定义区域(称为菲涅耳区域)没有障碍物,则存在RF视线。有关此主题的更多信息,请参见附录。


对于UWB设备之间的通信,关注的是RF视线。


1,LOS频道的通讯范围

两个UWB设备之间的通信范围取决于:(1)到达接收器的信号电平;(2)接收器的灵敏度。


只要接收器处的信号电平大于或等于接收器灵敏度,接收器就可以检测到信号,并且通信将成功进行。


通过查看Friis的路径损耗公式可以看出,接收信号的电平取决于许多因素:


01公式.jpg


其中:

PR为接收信号电平;

PT是发射功率。

G包括发送和接收天线的天线增益,以及来自外部放大器的任何其他增益。在正确校准的系统中,UWB发射机发射足够的功率,从而使发射天线辐射-41.3 dBm / MHz。

L包括系统中的任何PCB,电缆,连接器和其他损耗;

c是光速299792458 m / s;

fc是所用通道的中心频率,以赫兹表示;

d是发射器和接收器之间的距离(以米为单位)。


如果PR大于接收器灵敏度,则信号将被正确接收。PR的值与接收器灵敏度之间的差称为“链接余量”,它表示通道上通信的鲁棒性。较大的链路余量意味着通信很健壮,并且可以处理其他衰减而不会引起通信损耗,反之亦然。


Friis的公式清楚地表明:

对于给定的距离,随着信号频率的增加,路径损耗也会增加。

对于给定的频率,随着发射机和接收机之间的距离增加,路径损耗也会增加。


因此,要最大化范围可以关注以下3点:

(1)发射功率需要保持在最大允许极限,以确保将最大能量传输到信道中。这些限制由世界各地的监管机构设定,对于正常的UWB操作,通常为-41.3 dBm / MHz。

(2)必须将由于PCB和天线效应引起的损耗保持在最低水平,然后阻抗正确匹配。

(3)如果最大范围是最重要的要求,则应使用可能的最低信道频率。

接收器灵敏度取决于许多参数,包括所选通道和数据速率。对于最长的范围,应使用最低的数据速率(110 kbps)。



(三)LOS通道的测距精度

为了确定两个节点之间的距离,必须准确地测量这两个节点之间的无线电信号的飞行时间(TOF)。知道两个节点之间的TOF以及自由空间中无线电信号的速度,可以计算节点之间的距离,如示图1。


TOF测量的精度至关重要。TOF测量精度为1 ns,因此可以将范围确定为大约1ns的精度。30厘米,而100 ps的测量精度使该数字降低到3厘米。通过UWB芯片自动处理到达信号的时间戳,精度可以超过20 ps。


图1:视线通道.jpg

图1:视线通道


其中:

TOF是两个节点之间的飞行时间

d是两个节点之间的实际物理距离,以米为单位

d'是两个节点之间的计算距离,以米为单位

c是光速,单位为m / s


由于信道中没有障碍物,因此没有NLOS效应,因此d = d',测距精度由信道带宽和两个节点内的其他因素决定。


在不存在多径的最简单LOS情况下,由UWB接收机检测到的信号是一个单峰,代表直接路径信号中的能量。这里有3种情况需要考虑:


表1:LOS通信和测距方案

情境直接路径信号通讯时间戳记正确直接路径
1大链接保证强大的
2链接余量很小或没有充足
3负链接裕量没有没有没有


第一种情况代表正确和正常的操作。尝试通信的两个节点在一定范围内,以使一个节点发送的信号到达另一个节点时,该信号高于接收器的敏感度,并已正确接收,处理和加上时间戳。

第二种情况也代表正确和正常的操作。在这里,我们达到了正常通信的极限,但是到达的信号仍处于或高于接收器的灵敏度。

在第三种情况下,两个节点之间无法进行通信,因为它们在自由空间中相隔太远,或者在两个节点之间的RF路径中有障碍物会衰减信号,使其低于接收器灵敏度水平。



(四)多路径LOS操作

多径是指一个信道,其中发送节点和接收节点之间的直接路径不是唯一存在的信号路径。在现实世界中通常是这种情况。


多径信号通常是由反射自RF反射表面的无线电信号引起的。这些表面可以相对于发射和接收天线(在上方,下方,后面,侧面等)处于任何方向。


由单次反射引起的多路径信号将在相位上与原始信号反相,因此可能会取决于两条路径的相对长度而在接收器处干扰直接路径信号。



02.jpg


相对而言,在窄带无线电方案中,使用的脉冲非常宽。这意味着存在大量的多路径,反射信号将在该多路径上重叠并干扰直接路径信号。另一方面,在超宽带方案中,脉冲非常窄(2 ns),因此只有很少的一组多径信号,其路径长度在直接路径长度的2 ns之内,并且能够在接收器处引起干扰。


在LOS通道中,多路径信号的能量少于直接路径,并且它们在接收器和发送器之间的路径长度都比直接路径长。因此,它们的到达时间比直接路径晚。正是这一性质,使我们能够将直接路径与后来到达的多路径区分开来,从而计算出发送和接收节点之间的正确飞行时间。


从直接路径检测的角度来看,因为从定义上讲,多路径信号的能量都比LOS直接路径少(它们更长,因此遭受更大的损失),所以具有多路径的LOS情况与没有多路径的LOS情况没有什么不同。


因为除非在非常特殊的情况下,否则多径不会干扰UWB系统,因此与仅直接路径的情况相比,沿着每个多径的信号到达代表了到达接收机的额外能量。这可有效提高链路余量,并增加LOS通信范围。


表2:存在多路径的LOS场景

情景直接路径信号多径信号评论通讯时间戳记正确的直接路径
1大型直接路径链接边距大多径链接裕量直接路径将被可靠地检测到
2小链接余量很小或没有多径链接余量直接路径将被可靠地检测到
3无链接余量负链接裕量直接路径将被可靠地检测到
4负链接裕量负链接裕量没有通讯没有没有没有


图片2.png

图2:具有多路径的LOS通道


图2显示了场景1中通信信道的脉冲响应示例,来自表2。在没有信号的情况下(图的左侧)的信道响应是不相关的噪声。在存在信号的情况下,脉冲响应会显示沿直接路径和其后的每个多路径接收的能量的大小。


第一路径清晰可见,是接收到的最强信号。还存在强多径,但是没有任何多径信号比直接路径更强,这表明直接路径是LOS路径。


1,地面反弹导致多路径

在室外环境和开阔的室内空间中,最常见的多径形式是由地面的RF反射引起的。图3说明了这个概念。可以看出,在发送器和接收器之间有无数这样的路径。


这里最主要的问题是这些多径分量在到达接收器时如何干扰直接路径(或不干扰)。如3.4.1 以上,多径长度必须在直接路径长度的1 ns之内,以使多路径信号干扰直接路径信号。显然,这是一个非常特殊的情况,并且代表UWB由于多径而容易衰落的唯一情况。显然,这受地面上方两个节点的高度以及两个节点之间的距离。


03.jpg

图3:地面反射引起的多路径


可以通过考虑在通道中心频率处的两个正弦波随直接路径长度和反射路径长度的变化如何发生干扰(相长和相消)而进行粗略分析。如果我们将此分析应用于信道2(中心频率为4 GHz),并考虑两个节点,每个节点都位于离地面1 m的位置,则结果显示为图6。


04.jpg

图4:由于地面反弹,两个节点都在离地面1 m处而衰减


这表明,当两个节点相距约26 m时,衰落的可能性为-12 dB。由于UWB传输不是单一频率,而是跨500 MHz传播的,因此该分析是对现实情况的过度简化,因此即使该带宽的某些部分可能会在特定的多径长度下衰减,该带宽其他部分则不会。


2,室内环境中的多路径

随着物理环境变得更加混乱,发送器和接收器之间的多径数量也随之增加。但是原则上按照表2的情况分析。


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