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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(二)-NLOS操作
发布日期:2020-05-27 浏览次数:19

上次我们介绍了视线通道(LOS)对UWB信号阻挡、反射对UWB定位的影响,没看过的可以点击“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)”查看,本篇我们介绍下NLOS操作。



(一)介绍

检查NLOS操作时需要考虑三个方面:

(1)由于整体信号衰减,通信范围减小。

(2)由于直接路径信号的衰减,导致直接路径检测范围的减小。

(3)由于阻塞材料的折射率差异而导致的飞行时间误差,这些概念可以在下图中说明:


1通过障碍物的RF传播.jpg

图5:通过障碍物的RF传播


入射射频信号到达障碍物有两个作用。入射能量的一部分会从障碍物反射回来,而其余部分则进入障碍物。其余部分被材料吸收(并导致加热)。一些剩余的信号可能会从障碍物的远端边缘进一步反射,而其余的信号会从另一侧的障碍物出来。



(二)由于信号衰减导致范围减小

信号被任何特定障碍物反射或衰减的程度取决于构成障碍物的材料,障碍物的厚度以及入射RF信号的频率。附录1给出了不同材料的衰减特性。


像在LOS情况下一样,接收器处的信号功率以及发射功率,系统中任何天线的增益/损耗和自由空间衰减的函数,现在也必须考虑造成材料损耗的原因。路径为NLOS路径。


2公式.jpg


在这种情况下,根据障碍物的损失,两个节点之间的通信范围可以严重缩小到该材料不能透过无线电信号的程度,并且通信不再发生。



(三)折射率差异导致的TOF误差

请考虑以下情形。UWB发送器是物理障碍物的一侧,而接收器是另一端。阻塞是这样的:

(1)它不能充分衰减信号以防止被接收器接收

(2)它不允许周围有多路径

那么,与LOS情况相比,阻塞的引入对发射机和接收机之间的飞行时间有什么影响?


3阻塞的影响.jpg

节点1                                            节点2

图6:阻塞的影响


根本的影响是,通过障碍物的无线电信号的传播速度要比在自由空间中慢。这意味着该消息将到达接收方,该消息由于通过阻塞的传播时间增加而延迟,如下所示:


4公式.jpg


其中:

TOF是两个节点之间的飞行时间

d是两个节点之间的物理距离,以米为单位

d'是两个节点之间的计算距离

c是自由空间中光的速度,单位为m/s,术语c/R表示通过障碍物后无线电信号的速度降低

w是障碍物的宽度

R是阻塞物的折射率


因此,我们可以看到,计算出的距离已经超出了一个取决于障碍物折射率的因子,并且随着折射率接近自由空间的折射率而趋于零:


5公式.jpg


假设阻塞是固定的,因此w和R恒定,则有可能在特定使用情况下(例如在实时定位方案中使用UWB进行锚时钟同步)来校正阻塞的影响。


不同的材料具有不同的R值。典型值在附录1中给出。


对飞行时间的影响程度取决于障碍物相对于总路径长度的相对厚度。


例如,如果总路径长度为10 m,其中25 cm由折射率1.25的阻碍物组成,则飞行时间的最终误差约为200 ps,相当于测量路径的误差从发射器到接收器的长度大约为6 cm,因此报告的距离将为10.06 m,而不是10m。



(四)多路径NLOS操作

1、介绍

NLOS情况下多路径的存在引发了有趣的情况。一个典型的例子在图7。在这里,我们可以看到两个节点之间的直接路径被遮盖了,而其他未遮盖的路径也可能由于附近表面的反射而被遮盖了。


6带有多路径的NLOS.jpg

节点1                                                                 节点2

图7:带有多路径的NLOS


下表微能信息的UWB工程师就到达接收机的直接路径和多路径信号列出了这些场景的一些典型示例。


表3:各种NLOS方案

情境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这与多路径的LOS情况相同
2减少直接路径链接余量和直接路径超过检测阈值大多径链接裕量直接路径将被可靠地检测到
3减少直接路径链接余量和直接路径低于检测阈值大多径链接裕量高于检测阈值的第一个到达多路径将被检测为直接路径没有
4负直接路径链接边距大多径链接裕量高于检测阈值的第一个到达多路径将被检测为直接路径没有
5负直接路径链接边距小多径链接裕量高于检测阈值的第一个到达多路径将被检测为直接路径没有
6负直接路径链接边距所有多路径的负多路径链接裕量没有通讯没有没有没有



2、分析

图8给出了NLOS信道的典型信道脉冲响应。

在所示的示例中,直接路径幅度小于一些随后的多路径幅度,但高于检测阈值(由水平线显示)。这表明第一路径不是LOS路径,但是相对于随后的多路径分量已经以某种方式衰减。此示例对应于场景2表3。


7NLOS信道的信道冲激响应示例.png

图8:NLOS信道的信道冲激响应示例


8未正确检测到第一条路径的NLOS通道.png

图9:未正确检测到第一条路径的NLOS通道


图9上面显示了方案3的示例,其中直接路径低于检测阈值,并且以后的多路径信号被标记为直接路径。这会导致错误计算的两个节点之间的距离,其大小取决于直接路径和反射路径之间的相对路径长度。


3、NLOS环境中的操作缓解策略

首先,在非视距情况下是否需要缓解策略取决于最终应用。如果最终应用程序是通信应用程序,那么未接收到直接路径的后果不会像在基于位置的应用程序中那样严重,在该应用程序中,直接路径被用作位置确定算法的输入。


可以在非视距情况下采用的缓解策略基本上有三方面:

(1)优化硬件和软件配置设置,以最大程度地接收和检测直接路径信号的可能性。

(2)使用通道诊断信息来确定报告的时间戳是多路径信号还是直接路径信号的结果,并采取适当的措施。

(3)使用其他系统和算法知识来识别节点返回的时间戳实际上是多径信号的时间戳,而不是直接径信号。在这种情况下,计算出的距离/位置将是不正确的,但是在了解先前位置,操作环境和合适的算法的情况下,可能有可能拒绝或加权这些多路径时间戳。

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