UWB

⾼精度室内定位技术——UWB

在分析室内定位的相关技术之前，我们先来了解⼀下定位是怎么⼯作的。定位的核⼼技术其实是测距。给定空间中已知

三点的具体坐标，和⼀个未知点到三点的距离，即可算出未知点的坐标。这通常叫做三边测量定位算法。

三边测量定位的⼏何理解⾮常简单。

以三个已知点和距离作三个圆，他们交于同⼀个点，这个点的坐标就是测量点的坐标。然⽽这是⼀个理想情况，实际由

于测量精度的限制，实际上他们通常交不到⼀个点上，交出来的是⼀块有⾯积的东西。这块⾯积的⼤⼩就是定位精

度。当然我们可以通过更多组的测量使得相交的⾯积进⼀步减⼩以提⾼精度。

在这样简单易⾏的算法的⽀持下，我们就将定位问题转化为了测直线距离问题，如何精确计算⼀个已知点到未知点的距

离。GPS的解决⽅案⾮常简单粗暴。GPS的本质是⼀个授哺育造句 时系统，也就是告诉你卫星发出这个信号的时候是⼏点⼏分

⼏秒⼏毫秒⼏微秒。⽽从GPS到地⾯有⼀定距离，⽆线电波在空⽓中以光速传播，等传到终端上是已经过去了⼏微

秒，所以我们只要乘上光速就能知道终端到这颗星的距离了。⼀个要克服的问题是终端的时间并不⼀定很精确，但如果

我们可以通过⼏颗星之间两两差值来算出本地应该有的时间。通过⼗⼏颗星⼀起授时进⾏修正，最后能很好将精度控

制住。提⾼精度的⽅法也很粗暴，提⾼授时精度即可。

这样的模型放在室内定位的时候会遇到什么问题呢？

1.距离太短，时间难测

由于室内定位距离太短，要知道光速是299,792,458m/s，跑⼏⽶的时间太短了，根本测不精准。所以如果想继续通过

授时的⽅法解决问题，⽆线电波通常是不靠谱的。当然也不是没有解决⽅案，⽐如速度慢得多的声波，⼀个解决⽅案就

是超声波定位，这个可以是主动等回波来测量，或者被动授时测量，但超声波受多径效应和⾮视距传播影响很⼤，设计

起来⾮常捉急。

2.信号遮挡，波长难选

同样⽆论⽤超声还是⽆线电都会遇到这个问题。波长长了，能绕过障碍物，但接收很困难，毕竟⼿机上不能捆个⼤锅盖

（绕过障碍物=绕过终端设备）。波长短了，信号很容易被遮挡，导致收不到信号。

现在的室内定位设备都是怎么⼯作的呢？

折中选择⼀个频率，使得不太容易被遮挡也⽐较好接收，这种选择的话2.4GHz或者5GHz的Wi-Fi或者蓝⽛信号就是

可选的。这个频率在⼀个合法的发射功率下距离不太⼤。这有⼀个好处：信号衰减很有规律，通过测量信号强度通常就

可以估计出离发射源的距离了。更重要的是Wi-Fi和蓝⽛都是⼿机上已经集成好的模块，可以降低硬件部署成本。现在

常见的Wi-Fi室内定位和iBeacons也是基于类似的原理。⽽基于ZigBee协议的定位选择了距离更短功耗更低的基站

来获得更精确的定位，其本质是类似的。

这样的⽅法⽬前已经可以获得室内⼏⽶的定位精度，也就是说可⽤的地步了。那么现在还有什么问题要克服呢？

1.多径效应与测量精度

还是这个问题，信号可能在室内多次反射，这五花茶配方 样得到的信号其实是不能正确测距的。相⽐GPS⼏乎和地⾯没有遮挡物

的条件，室内房屋结构复杂，移动的⼈、物品的摆放、墙壁、门都可能成为严重影响距离测量的因素。当然如果像

ZigBee这样距离⾮常短的传输协议，其实受这种影响相对就会⼩⼀点，能提⾼精度。现在像Google试图从算法上提⾼

精度并取得了⼀定成果，所以这个问题并不太⼤。

2.发射距离与部署成本

Wi-Fi和蓝⽛发射距离很短意味着要⼤量部署设备，要完成⼀个商场室内定位设备的部署其成本其实相当⾼。如果当前

应⽤的场景还不是很丰富的情况下，商家很少会主动部署这样的设备。虽然同样是Wi-Fi，不能再是单纯覆盖即可的思

路，⽽是要每个点⾄少要能搜到四五个Wi-Fi信号，成本相当⾼。ZigBee的话由于其传输距离短，部署的成本会更

⾼。

⾼。

室内定位现状：

当前市场对定位的需求越来越多，所以衍⽣出各种各样的定位技术，幵根据丌同定位信号不同⽤途分成不同的定位系

统。如利⽤卫星⽆线RF信号的GPS、利⽤红外和激光的光学定位、利⽤超声和声纳的声⾳定位、利⽤图像处理和计算

机视觉的视觉定位、利⽤陀螺原理的相对定位等等。其中，GPS是⽬前应⽤最成功的定位技术，不过它也有⼀个很明

显的缺陷，就是在室内不能定位，⽽且⼀般民⽤的精度也不够⾼（10m左右），相对于室内定位的要求（1m左右或更

低）还有⼀段距离。⽬前室内⽆线定位技术的研究相对集中在基于RF信号，并结合各种⽆线⽹绚技术如ZigBee，超

宽带(Ultra-WideBand，UWB)，Wi-Fi，蓝⽛，射频识别(Radio-frequencyIdentification，RFID)等定位技术的研究。

超宽带技术（UWB）超宽带技术是与传统通信技术有极⼤差异的通信⽆线新技术。它不需要使⽤传统通信体制中的载

波，⽽是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从⽽具有3.1~10.6GHz量级的带宽。⽬前，

包括美国，⽇本，加拿⼤等在内的国家都在研究这项技术，在⽆线室内定位领域具有良好的前景。UWB技术是⼀种传

输速率⾼社会调查报告 （最⾼可达1000Mbps以上），发射功率较低，穿透能⼒较强并且是基于极窄脉冲的⽆线技术，⽆载波。正是

这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采⽤TDOA演⽰测距定位算法，就是

通过信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产⽣、収射、接收、处理极窄脉冲信号的⽆线电系

统。⽽超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签清炒白菜的做法 和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标

签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声⼲扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元

进⾏测距定位计算分析。

室内布局很多基站（Anchor），可以获取标签（Tag）跟各个基站的距离，根据这些测量的距离就可以对标签（Tag）

进⾏定位，类似GPS原理。如果我们再融合惯性传感器和恰当的算法，就可以获取相对于基站（Anchor）更精确的定

位信息。

超宽带可⽤于室内精确定位，例如战场⼠兵的位置发现、机器⼈运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相⽐，具有

穿透⼒强、功耗低、抗⼲扰效果好、安全性⾼、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应

⽤于室内静⽌或者移动物体以及⼈的定位跟踪与导航，且能提供⼗分精确的定位精度。定位精度：根据不同公司使⽤的

技术⼿段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

UWB具有以下特点

1系统容量⼤

⾹农公式给出C=Blog2(1+S/N)可以看出，带宽增加使信道容量的提⾼远远⼤于信号功率上升所带来的效应，这⼀点也

正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带⽆线电系统⽤户数量⼤⼤⾼于3G系统。

2⾼速的数据传输

UWB系统使⽤上吉赫兹的超宽频带，根据⾹农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现⾼的

信息速率。⼀般情况下，其最⼤数据传输速度可以达到⼏百兆⽐特每秒康托尔集 到吉⽐特每秒。

3多径分辨能⼒强

UWB由于其极⾼的⼯作频率和极低的占空⽐⽽具有很⾼的分辨率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很动漫女孩简笔画 容易分离

出多径分量，所以能充分利⽤发射信号的能量。实验调查报告 表明，对常规⽆线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环

境，UWB信号的衰落最多不到5dB。

4隐蔽性好

因为UWB的频谱⾮常宽，能量密度⾮常低，因此信息传输安全性⾼。另⼀⽅⾯，由于能量密度低，UWB设备对于其他

设备的⼲扰就⾮常低。

5定位精确

冲激脉冲具有很⾼的定位精度，采⽤超宽带⽆线电通信，可在室内和地下进⾏精确定位，精度最⾼可达2厘⽶，⼀般精

度在15厘⽶内。

6抗⼲扰能⼒强

UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空⽐和发送每个⽐特所⽤的脉冲数。UWB的占空⽐⼀般为0.01～0.001，具有⽐

其他扩频系统⾼得多的处理增益，抗⼲扰能⼒强。⼀般来说，UWB抗⼲扰处理增益在50dB以上。

7低成本和低功耗

UWB⽆线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器等，因⽽结构简单，设备成本将

很低。由于UWB信号⽆需载波，⽽是使⽤间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，⼀般在0.20～1.5ns之间，有很

低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。⼀般UWB系统只需要50～70mW的电源，是蓝⽛技术的⼗分之⼀。

⽆线UWB技术最基本的⼯作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的⾼斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了

信号的带宽很宽，接收机直接⽤⼀级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，

极⼤地降低了设备复杂性。

⽆线UWB技术采⽤脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码，⼀般⼯作脉宽0.1-1.5ns(1纳秒=⼀亿分之⼀

秒)，重复周期在25-1000ns。

典型⾼斯单周期脉冲的时域和频域

实际通信中使⽤⼀长串的脉冲。图3显⽰了周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。频谱中出现了强烈的能量尖峰，这

是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统⽆线电设备和信号构成⼲扰，⽽且这种⼗分

规则的脉冲序列也没有携带什么有⽤信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰，即采⽤脉冲位置调制PPM。

单周期脉冲序列的时、频域特性

⽐如可以⽤每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻⼀个特定的时间来表⽰⼀个特定的信息。图4是⼀个⼆进制信息调

制的⽰例。

PPM调制的⽰意图

图中调制前脉冲的平均周期和调制量的数值都极⼩。因此调制后在接收端需要⽤匹配滤波技术才能正确接收，即⽤交

叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息，哪怕信号电平低于周围噪声电平。由图还可见调制后降低

了频谱的尖峰幅度，之所以仍不够⼗分平滑是因为时间位置偏移量不够⼤，也不够杂乱。

为了进⼀步平滑信号频谱，可以让重复时间的位置偏移量⼤⼩不⼀，变化随机，同时也为了在共同的信道⽐如空中取

得⾃⼰专⽤的信道，即实现通信系统的多9点的英文 址，可以对⼀个相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进⾏编码，特别是采⽤

伪随机序列编码。接收端只有⽤同样的编码序列才能正确接收和解码。图4显⽰了伪随机时间调制编码后的脉冲序列的

波形和频谱。

图中频谱已经接近⽩噪声频谱，cut的意思 功率也⼩了许多，这就是伪随机编码产⽣的效果。适当地选择码组，保证组内各个码字

相互正交或接近正交，就可以实现码分多址。

伪随机时间调制编码后的脉冲序列

基于⽆线UWB技术的系统采⽤相关接收技术，关键部件称为相关器（correlator）。相关器⽤准备好的模板波形乘以接

基于⽆线UWB技术的系统采⽤相关接收技术，关键部件称为相关器（correlator）。相关器⽤准备好的模板波形乘以接

收到的射频信号，再积分就得到⼀个直流输出电压。相乘和积分只发⽣在脉冲持续时间内，间歇期则没有。处理过程⼀

般在不到1ns的时间内完成。相关器实质上是改进了的延迟探测器，模板波形匹配时，相关器的输出结果量度了接收到

的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。不同位置七个脉冲经相关器后的波形⾛势，750ns后的稳定波形是输出结

果。

值得注意的是，虽然UWB信号⼏乎不对⼯作于同⼀频率的⽆线设备造成⼲扰。但是所有带内的⽆线电信号都是对UWB

信号的⼲扰，⽆线UWB技术可以综合运⽤伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这⼀问题。