UWB原理分析

举报
秃头小苏 发表于 2022/05/22 10:56:49 2022/05/22
【摘要】  🍊作者简介:秃头小苏,致力于用最通俗的语言描述问题🍊往期回顾:凸优化理论基础1–仿射集    凸优化理论基础2——凸集和锥🍊近期目标:拥有5000粉丝🍊支持小苏:点赞👍🏼、收藏⭐、留言📩@[TOC] UWB技术 写在前面  UWB(全称为ultra-wide band 、中文释义超宽带)是一种无线电技术,可以在大部分无线电频谱上使用非常低的能量水平进行短距离、高带宽通...

 

🍊作者简介:秃头小苏,致力于用最通俗的语言描述问题

🍊往期回顾:凸优化理论基础1–仿射集    凸优化理论基础2——凸集和锥

🍊近期目标:拥有5000粉丝
🍊支持小苏:点赞👍🏼、收藏⭐、留言📩

@[TOC]

UWB技术

写在前面

  UWB(全称为ultra-wide band 、中文释义超宽带)是一种无线电技术,可以在大部分无线电频谱上使用非常低的能量水平进行短距离、高带宽通信。【此为维基百科上的定义】

  首先我先来谈谈通信邻域中一个十分重要的定理——香农定理🌷🌷🌷。这个我想大家或多或少都听到过,其公式如下:

C = W log 2 ( 1 + S N ) {\rm{C}} = W{\log _2}(1 + \frac{S}{N})

  其中,各字母代表含义如下:

  • C 信道容量 (网速)
  • W 信道带宽 (占用频率范围)
  • S 信号功率
  • N 噪声功率
  • S N \frac{S}{N} 信噪比

​  从这个公式我们可以看出信道容量和带宽W和信噪比 S N \frac{S}{N} 成正比,即我们要想增加我们的信道容量往往有两种途径,其一是增大信道的带宽,其二则为增大信噪比。本次所讲述的UWB技术即是通过增大信道的带宽来提高信道的容量,UWB使用的带宽一般在500MHz以上,现通过下图来直观感受一下UWB的带宽大小:

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dtDjOhzz-1652966896654)(C:/Users/WSJ/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20220519194643726.png)]

  正是因为UWB使用了很大的带宽,使其有如下的优势:【常用于室内定位】

  • 抗干扰能力强
  • 低功耗
  • 高精度

 

下面来介绍一些利用UWB测距的一些方法:

TOA

​  TOA (Time of Arrival)的原理非常简单,其是通过利用UWB信号到达各个基站的时间从而计算出距离( R = t × c R 为距离, t 为时间, c 为光速 R=t \times c \quad R为距离,t为时间,c为光速 )。通过下图进行理解:现有三个基站 R 1 R 2 R 3 R_1、R_2、R_3 ,一物体我们称为标签会向基站发送具有时间信息的数据,基站接收后会计算出信号的传输时间,进而算出标签和基站的距离,那么以该基站为中心,距离R为半径会得到一个圆,则标签必定在此圆上⛳⛳⛳。同理,我们分别以三个基站做圆,其交点即为标签的准确位置。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-uKonnDhM-1652966896659)(C:/Users/WSJ/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20220519200430342.png)]

​  其所列数学公式为:

{ ( x 1 x 0 ) 2 + ( y 1 y 0 ) 2 = R 1 2 ( x 2 x 0 ) 2 + ( y 2 y 0 ) 2 = R 2 2 ( x 3 x 0 ) 2 + ( y 3 y 0 ) 2 = R 3 2 \left\{ \begin{array}{l} {({x_1} - {x_0})^2} + {({y_1} - {y_0})^2} = {R_1}^2\\ {({x_2} - {x_0})^2} + {({y_2} - {y_0})^2} = {R_2}^2\\ {({x_3} - {x_0})^2} + {({y_3} - {y_0})^2} = {R_3}^2 \end{array} \right.

​  其中, ( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0) 为标签坐标。

 

AOA

​  AOA(Angle of Arrival)的距离测量方法是通过测量信号到达的角度求解目标的位置。其实这个也很容易理解啦,如果我们有两个基站,每个基站都知道标签的一个方向,那么我们就很容易得到这个标签的位置,如下图所示:

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CkRhReBX-1652966896662)(C:/Users/WSJ/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20220519202800645.png)]

​  其所列数学公式为: tan ( θ i ) = x 0 x i y 0 y i , i = 1 , 2 \tan ({\theta _i}) = \frac{{{x_0} - {x_i}}}{{{y_0} - {y_i}}},i = 1,2 。其中 θ 1 θ 2 \theta_1、\theta_2 为标签和基站之前的夹角, ( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0) 为标签坐标。

 

 

TDAO

​  TDOA(Time Difference of Arrival)是一种利用时间差进行定位的方法。这个方法和TOA相似,但又有些差别。现设定一个基站作为参考基站,通过测量目标到参考基站与其他基站的到达时间差,从而得出待测目标到参考基站与其他基站之间的距离差。因此TDOA的测量值是由每个基站与参考基站的TOA值做差得到,TDOA的测量值在几何上对应的是以参考基站和定位基站为焦点的双曲线。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VVsFCLSy-1652966896664)(C:/Users/WSJ/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20220519210728614.png)]

​  其所列数学公式为:

{ r 31 = ( x 3 x ) 2 + ( y 3 y ) 2 ( x 1 x ) 2 + ( y 1 y ) 2 r 32 = ( x 3 x ) 2 + ( y 3 y ) 2 ( x 2 x ) 2 + ( y 2 y ) 2 \left\{ \begin{array}{l} {r_{31}} = \sqrt {{{({x_3} - x)}^2} + {{({y_3} - y)}^2}} - \sqrt {{{({x_1} - x)}^2} + {{({y_1} - y)}^2}} \\ {r_{32}} = \sqrt {{{({x_3} - x)}^2} + {{({y_3} - y)}^2}} - \sqrt {{{({x_2} - x)}^2} + {{({y_2} - y)}^2}} \end{array} \right.

​  其中, r 31 r_{31} 表示待测目标到参考基站3与基站2之前的距离差。

 

三种定位方式比较

​​  AOA定位方法S有较高的定位精度,但是需要在接收端使用天线阵列,这样基站的复杂性和成本都会增加,并且存在多径和非视距环境下AOA估计精度很难保证。TOA定位方法利用UWB具有良好的时间分辨率,基于时间的定位具有良好的定位精度,测量的主要误差来源于多径干扰和非视距传播,另外目标节点与基站之间的时钟同步存在困难,因此TDOA 在实际中实现该技术的可能性与 TOA 相比要高的多,这是因为它不要求基站与待测目标之间时钟同步,只需要每个基站之间时钟同步就能得到 TDOA 值,并且在对到达时间做差的过程中会减小部分误差,定位精度能相对提高。

 

 

参考视频:https://www.bilibili.com/video/BV1Ai4y1D754?spm_id_from=333.337.search-card.all.click

参考文章:https://www.cnblogs.com/Aaron12/p/7653202.html

 
 
如若文章对你有所帮助,那就🛴🛴🛴

咻咻咻咻~~duang~~点个赞呗

【版权声明】本文为华为云社区用户原创内容,转载时必须标注文章的来源(华为云社区)、文章链接、文章作者等基本信息, 否则作者和本社区有权追究责任。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,欢迎发送邮件进行举报,并提供相关证据,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容,举报邮箱: cloudbbs@huaweicloud.com
  • 点赞
  • 收藏
  • 关注作者

评论(0

0/1000
抱歉,系统识别当前为高风险访问,暂不支持该操作

全部回复

上滑加载中

设置昵称

在此一键设置昵称,即可参与社区互动!

*长度不超过10个汉字或20个英文字符,设置后3个月内不可修改。

*长度不超过10个汉字或20个英文字符,设置后3个月内不可修改。

举报
请填写举报理由
0/200