基于偏度的脈沖無線電60GHz測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)，特別設(shè)計(jì)脈沖無線電60GHz (IR- 60GHz)無線通信技術(shù)， 具體是一種基于偏度的脈沖無線電60GHz測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今，無線設(shè)備已成為我們生活中不可或缺的一部分，位置服務(wù)也成為智能無線 設(shè)備的必備功能。室內(nèi)精確定位，如家庭/辦公自動(dòng)化、醫(yī)院精密監(jiān)護(hù)、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)跟蹤等，也越來越受到歡迎與重視。目前，用于室內(nèi)定位的射頻定位系統(tǒng)有WLAN、藍(lán)牙、 ZigBee、RFID、超寬帶等定位系統(tǒng)。這些技術(shù)由于受到信號(hào)所在頻段、帶寬以及功率等因素 的影響，定位精度不高。工作在毫米波段的60GHz無線通信技術(shù)是近幾年來快速發(fā)展的無線 技術(shù)之一，其免許可帶寬可達(dá)7GHz，發(fā)射功率可達(dá)10瓦，特別是隨著半導(dǎo)體加工工藝的不斷 進(jìn)步，制造小體積、低成本、高性能的60GHz芯片逐漸成為可能，60GHz高速無線通信技術(shù)正 逐漸成為短距離高速傳輸以及精確測距、定位的潛在技術(shù)。
[0003] 專利《一種基于60GHz脈沖信號(hào)的高精度測距定位方法》中提出了一種基站采用基 于陣列天線的切換波束進(jìn)行方向性傳輸?shù)姆椒▉硖岣叨ㄎ痪?。首先?duì)各基站陣列天線進(jìn) 行波束訓(xùn)練，找到各自基站陣列天線的最優(yōu)波束指向，滿足各基站波束指向能夠?qū)⒋ㄎ?節(jié)點(diǎn)覆蓋在其波束范圍內(nèi)；其次在接收信號(hào)時(shí)，各基站在其已確定的波束指向方向接收 60GHz脈沖信號(hào)，并對(duì)脈沖信號(hào)的到達(dá)各基站的傳播時(shí)延進(jìn)行估計(jì)。其中待定位節(jié)點(diǎn)采用全 向天線發(fā)射信號(hào)，基站端采用定向天線接收信號(hào)。這種方法可以保證接收端接能接收到通 過較優(yōu)路徑傳輸過來的信號(hào)，降低了多徑的影響，提高定位精度。但該方法只針對(duì)如何獲取 更有效的接收信號(hào)，并不直接參與時(shí)延估計(jì)。本專利是在接收信號(hào)的基礎(chǔ)上，提出一種更好 的時(shí)延估計(jì)的方法，以增強(qiáng)抗干擾能力，提高定位精度。文獻(xiàn)《Threshold Selection for UWB TOA Estimation Based on Kurtosis Analysis》提出了一種針對(duì)Ultra-wideband (UWB)信號(hào)的門限選擇時(shí)延估計(jì)方法，通過檢測接收信號(hào)能量塊峭度來改變門限值，進(jìn)而提 高定位精度。對(duì)于60GHz信號(hào)來說，偏度的變化趨勢要優(yōu)于峭度，即當(dāng)改變相同量度的信噪 比時(shí)，偏度的變化速度要快于峭度，因此對(duì)環(huán)境更敏感，精度更高。文獻(xiàn)《Threshold Selection for Τ0Α Estimation Based on Skewness and Slope in Sensor Networks》 針對(duì)UWB信號(hào)，提出了一種利用偏度和最大斜率進(jìn)行Τ0Α估計(jì)的方法來提高定位精度。對(duì)于 60GHz通信系統(tǒng)，偏度值隨信噪比的增加而增大，而最大斜率值隨信噪比的增大而減小，效 果沒有單一變量偏度好?；诖?，本專利針對(duì)60GHz系統(tǒng)，提出了一種利用偏度的脈沖無線 電測距方法。
[0004] 接收端獲取接收信號(hào)后，常用的無線定位方法有基于接收信號(hào)能量(Received Signal Strength，RSS)，基于信號(hào)到達(dá)方向（Angel of Arrival，Α0Α)，以及基于信號(hào)到達(dá) 時(shí)間（Time of Arrival，Τ0Α)和信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TD0A)的 方法。其中Τ0Α與TD0A定位方法的精度最高，應(yīng)用最為廣泛。兩者都是利用信號(hào)在收發(fā)機(jī)之 間的傳播時(shí)延進(jìn)行測距，再利用多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)的測距信息進(jìn)行定位。
[0005] 在利用Τ0Α進(jìn)行測距時(shí)，有兩種接收方式可以選擇，基于匹配濾波的相關(guān)接收技術(shù) 和基于能量檢測的非相關(guān)接收技術(shù)。基于相關(guān)接收的時(shí)延估計(jì)原理是本地產(chǎn)生一個(gè)不斷時(shí) 移的模板信號(hào)，與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，取相關(guān)積分結(jié)果最大的時(shí)刻作為時(shí)延估計(jì)值。這 種接收方式定位精度較高，但是需要產(chǎn)生模板信號(hào)，對(duì)同步要求高；另外，由于60GHz信號(hào)頻 率高，需要極高的采樣頻率，因此相關(guān)接收機(jī)設(shè)備復(fù)雜度太高，不易實(shí)現(xiàn)。基于能量檢測的 接收機(jī)原理為，將接收信號(hào)按積分步長進(jìn)行平方積分運(yùn)算，得到若干信號(hào)的能量塊，再通過 能量塊的位置估計(jì)信號(hào)的時(shí)延。這種方法測距精度不如相關(guān)接收機(jī)那么高，但是系統(tǒng)不需 要模板信號(hào)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適宜于60GHz系統(tǒng)的定位應(yīng)用。
[0006] 圖1為基于能量檢測的脈沖無線電60GHz系統(tǒng)進(jìn)行測距的流程圖，一般步驟如下： [0007] A.系統(tǒng)進(jìn)行初始化：主要包括設(shè)定每次測距次數(shù)N、基站能量探測積分時(shí)間Tb、脈 沖信號(hào)的傳播速度C;
[0008] B.由待測距終端發(fā)射60GHz脈沖無線電信號(hào)；
[0009] C.由參考基站接收脈沖信號(hào)并計(jì)算脈沖信號(hào)的信號(hào)積分能量塊；
[0010] D.由參考基基站將信號(hào)積分能量塊發(fā)送到測距服務(wù)器；
[0011] E.由測距服務(wù)器接收參考基站發(fā)送的積分能量塊，并計(jì)算傳輸時(shí)延；
[0012] F.由測距服務(wù)器計(jì)算測距結(jié)果；
[0013]待測距終端是在測距區(qū)域內(nèi)移動(dòng)的，一般是60GHz脈沖信號(hào)發(fā)射裝備；
[0014]參考基站是分布在測距區(qū)域內(nèi)的定位基站，內(nèi)含接收機(jī)，可以接收待測距終端發(fā) 送的60GHz脈沖信號(hào)，根據(jù)不同的積分步長確定信號(hào)積分能量塊，并將信號(hào)積分能量塊傳給 測距服務(wù)器；
[0015] 測距服務(wù)器包括計(jì)算機(jī)，可以接收來自參考基站發(fā)送的積分能量塊，并對(duì)其進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理，計(jì)算距離。
[0016] 以上步驟中，對(duì)測距結(jié)果影響最大的步驟是E中脈沖信號(hào)的傳輸時(shí)延的計(jì)算，目前 基于能量檢測的時(shí)延估計(jì)常見的算法有：
[0017] 1)最大能量法(Maximum Error Selection，MES):選擇接收信號(hào)的最大能量塊所 對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為時(shí)延估計(jì)值，由于在室內(nèi)非視距環(huán)境下，由于遮擋、多徑等環(huán)境因素，直達(dá)徑 信號(hào)所在能量塊往往不是最大能量塊，這種方法的測距精度不高。
[0018] 2)門限法:基于門限(Threshold-Crossing，TC)的時(shí)延估計(jì)算法，將接收信號(hào)的能 量塊與適當(dāng)?shù)拈T限進(jìn)行比較，第一個(gè)超過門限的能量塊所在的時(shí)刻即為時(shí)延估計(jì)值。要直 接確定一個(gè)門限是比較困難的，所以通常采用歸一化門限，然后在接收端利用最大能量塊 和最小能量塊就可以計(jì)算門限。選擇適當(dāng)?shù)拈T限是基于能量檢測的時(shí)延估計(jì)方法的關(guān)鍵， 目前廣泛使用的是固定門限法，即將歸一化門限設(shè)置為一個(gè)固定值。由于室內(nèi)測距、定位的 環(huán)境會(huì)由于人們活動(dòng)經(jīng)常改變，固定門限法不能隨環(huán)境的改變而實(shí)時(shí)變化，應(yīng)用受到局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的是提供一種基于偏度的脈沖無線電60GHz能量檢測測距方法，以克 服現(xiàn)有技術(shù)測量精度不高的不足。
[0020] 鑒于基于能量檢測的接收技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此本發(fā)明采用該技術(shù)進(jìn)行測距。
[0021] 一種基于偏度的脈沖無線電60GHz測距方法，其特征在于包括以下步驟：
[0022] A.建立接收信號(hào)積分能量塊偏度與歸一化門限的偏度S-歸一化門限曲線；
[0023] (1)首先建立測距系統(tǒng)與參數(shù)設(shè)置，所涉及的測距系統(tǒng)包括IR-60GHZ發(fā)射機(jī)、能量 接收機(jī)、參考基站和測距服務(wù)器，其中發(fā)射機(jī)發(fā)射IR_60GHz信號(hào)，能量接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā) 射的信號(hào)，并設(shè)定積分時(shí)間Tb(Tb取值為lns-9ns)，選擇典型室內(nèi)視距或非視距環(huán)境，當(dāng)發(fā) 射機(jī)與能量接收機(jī)之間有障礙物時(shí)為非視距環(huán)境，無障礙物時(shí)為