1.UWB簡介

UWB是一種短距離、大頻寬的無線通訊技術，該技術的使用一直被限制在雷達、感知和軍事通訊領域。在 Time Domain 等公司的推動下，2002年，FCC制定了 UWB 技術使用規範並允許無授權使用。從此，UWB 技術才得到了學術和產業界的廣泛關注和研究。根據 FCC 對於 UWB 的定義，只要絕對頻寬大於（包括等於）500MHz 或者相對頻寬大於（包括等於）0.2 的無線訊號都稱為 UWB 訊號。按照 UWB 的定義，UWB 訊號擁有極大的頻寬，因此不可避免地會佔據已分配給其他無線訊號的頻段。為了避免對其他無線訊號造成干擾，FCC對 UWB 訊號做了一系列頻譜限制，在此我們僅介紹關於室內 UWB 訊號的相關規定。如圖所示，在室內應用場景中， FCC規定 UWB 訊號頻率頻寬須介於 3.1GHZ-10.6GHZ 之間；當使用 1MHZ 頻寬解析度的頻譜分析儀進行測量，UWB 發射裝置等效全向輻射功率譜不得高於-41.3dBm。
傳統通訊方式使用的是連續波訊號

2.UWB優勢

除了具有較高的測距精度，UWB 定位系統還具有如下主要優勢：
1.系統簡單（成本低）、功耗低。基帶脈衝訊號，不需要載波調製，因此不涉及傳統無線通訊系統所需要的上變換（幀頻提升）、訊號放大、下變換（幀頻下降）等操作。此外，UWB 訊號屬於非連續訊號、訊號佔空比低，一個脈衝週期內訊號接收機僅僅需要監聽處理其中的極小部分。
2.有利於抑制多路徑影響。UWB訊號擁有極大的頻寬、頻率分佈廣，有利於抑制多路徑影響。此外，極短的脈衝減少了多路徑訊號對直路徑的干擾。以 FCC 規定的最小頻寬 500MHz 為例，當多路徑與直路徑訊號到達時間之差大於 2ns，二者將不會產生重疊現象。頻寬越大，對到達時間差的要求低，越有利於減少多路徑影響。
3. UWB訊號中低頻部分能量衰減較慢，在遇到障礙物時可以穿透部分障礙物。因此，UWB 訊號具有一定的障礙物穿透能力，比如能穿透玻璃、木頭、混泥土等。

3.UWB測距演算法

3-a.單邊雙向測距

工作原理：裝置A主動傳送資料，同時記錄時間戳；裝置B接收資料，記錄接收時的時間戳。延時一段時間後，裝置B傳送資料，同時記錄傳送時間戳，裝置A接收資料，同時記錄接收時間戳。
飛行時間計算TOF：

3-b.雙邊雙向測距

雙邊雙向測距分為四訊息法和三訊息法。四訊息法是：裝置A傳送，裝置B接收；經過延時，裝置B傳送，裝置A接收。三訊息法：裝置A傳送，裝置B接收，A接收完後立刻再給B傳送。下面主要介紹三訊息法。

飛行時間計算：

4.UWB定位原理

根據測量引數進行劃分，無線定位模型可以分為基於接收訊號強度法（RSSI）、基於到達角度法（AOA）、基於接受時間法三種類別。
基於接受訊號強度法通過構建訊號強度和距離的關係模型，根據訊號強度來估算基站和標籤之間的距離。基於接受訊號強度法系統只與訊號強度相關，無需關心飛行時間，也不用考慮率對基站和標籤進行時鐘同步。但是，該定位方法容易受到非視距和多徑效應的干擾，對環境要求比較高，一旦環境發生變化，測距資訊會出現較大誤差，進而影響整體的定位效果。
基於到達角度法，主要運用於測向技術，根據距離標籤最近的兩個基站對應的方向角做出軌跡線，軌跡線的交點即為標籤的位置。此種方法同意容易受到外界環境的干擾，非視距和多徑效應會導致定位精度的下降，且需要架設天線陣列，成本較高，一般作為輔助手段。
基於接收時間法主要分為兩類，其一，根據基站和標籤之間的距離，利用三個軌跡圓的交點定位標籤的位置；其二，是根據標籤到達兩個基站之間的時間差，通過計算距離差從而解算位置資訊。基於接收時間法是目前應用較為廣泛的方案，下面給對其進行詳細介紹。

4-a.TWR三邊定位原理

三邊測量法的原理如右圖所示，以三個節點 A、B、 C 為圓心作圓，座標分別為\((x_a,y_a),(x_b,y_b),(x_c,y_c)\)這三個圓周相交於一點 D，交點 D 即為標籤， A、 B、 C 即為基站， A、 B、 C 與交點 D 的距離分別為\(d_a,d_b,d_c\) 。假設交點 D 的座標為\((x,y)\),可得;

標籤的座標可得：

4-b.基於時間差法TDOA

到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）是一種利用到達時間差進行定位的方法又稱為雙曲線定位。標籤卡對外發送一次UWB訊號，在標籤無線覆蓋範圍內的所有基站都會收到無線訊號，如果有兩個已知座標點的基站收到訊號，標籤距離兩個基站的間隔不同，那麼這兩個基站收到訊號的時間點是不一樣的。
如下圖所示：

當標籤發出脈衝訊號的時候，根據基站接收的時間可以得到如下參量


座標求解演算法主要包括：
1）Chan演算法



2)Fang演算法



以上演算法解出來都是近似解，應該通過迭代演算法，再進行更新，從而無限接近真實座標，常用演算法為泰勒演算法。

5.影響定位精度的主要因素

1）噪聲干擾
噪聲干擾是無線通道中最常見的干擾訊號，尤其是高斯白噪聲干擾， 幾乎 是每個無線通道都存在的干擾形式。在室內超寬頻系統中，由於超寬頻訊號的發射功率很小，根據FCC制定的室內超寬頻福射標準，室內超寬頻裝置 在 3.1GHZ到10.6GHZ範圍內的平均發射功率極限值為-41.3dbm 。 這就導致接收到的訊號功率很小 ，因此接收信噪比很低。
2）多徑干擾
在無線傳輸中，訊號從發射機到達接收機可以藉助多種不同的傳輸路徑， 這就帶來了多徑傳輸。多徑傳輸是無線通道中不避免的干擾形式，而在室內無線通道中，由於牆壁等固定物體的遮欄和折射作用，多徑傳輸將變得尤其嚴重多徑傳輸將給接收端帶來嚴重的多徑衰落和波形失真
3）時鐘相位抖動
時鐘相位抖動和相位噪聲對同一種現象分別在時域和頻域的兩種定義方 式 。在理想情況下，一個頻率固定的完美的脈衝訊號（以1Mhz為例）的持續 時間應該恰好是1微秒，每500ns有一個跳變沿。但不幸的是，這種訊號並不 存在。如圖3 . 1 所示，訊號週期的長度總會有一定變化，從而導致下一個沿的 到來時間不確定。這種不確定就是抖動

5.參考資料

https://zhuanlan.zhihu.com/p/61538564
51uwb.cn
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朱穎. 基於UWB的室內定位系統設計與實現[D].南京郵電大學,2019.DOI:10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000297.
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