[发明专利]基于偏度的脉冲无线电60GHz测距方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别设计脉冲无线电60GHz(IR‐60GHz)无线通信技术，具体是一种基于偏度的脉冲无线电60GHz测距方法。

背景技术

如今，无线设备已成为我们生活中不可或缺的一部分，位置服务也成为智能无线设备的必备功能。室内精确定位，如家庭/办公自动化、医院精密监护、工业自动化、机器人运动跟踪等，也越来越受到欢迎与重视。目前，用于室内定位的射频定位系统有WLAN、蓝牙、ZigBee、RFID、超宽带等定位系统。这些技术由于受到信号所在频段、带宽以及功率等因素的影响，定位精度不高。工作在毫米波段的60GHz无线通信技术是近几年来快速发展的无线技术之一，其免许可带宽可达7GHz，发射功率可达10瓦，特别是随着半导体加工工艺的不断进步，制造小体积、低成本、高性能的60GHz芯片逐渐成为可能，60GHz高速无线通信技术正逐渐成为短距离高速传输以及精确测距、定位的潜在技术。

专利《一种基于60GHz脉冲信号的高精度测距定位方法》中提出了一种基站采用基于阵列天线的切换波束进行方向性传输的方法来提高定位精度。首先对各基站阵列天线进行波束训练，找到各自基站阵列天线的最优波束指向，满足各基站波束指向能够将待定位节点覆盖在其波束范围内；其次在接收信号时，各基站在其已确定的波束指向方向接收60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的到达各基站的传播时延进行估计。其中待定位节点采用全向天线发射信号，基站端采用定向天线接收信号。这种方法可以保证接收端接能接收到通过较优路径传输过来的信号，降低了多径的影响，提高定位精度。但该方法只针对如何获取更有效的接收信号，并不直接参与时延估计。本专利是在接收信号的基础上，提出一种更好的时延估计的方法，以增强抗干扰能力，提高定位精度。文献《Threshold Selection for UWB TOA Estimation Based on Kurtosis Analysis》提出了一种针对Ultra‐wideband(UWB)信号的门限选择时延估计方法，通过检测接收信号能量块峭度来改变门限值，进而提高定位精度。对于60GHz信号来说，偏度的变化趋势要优于峭度，即当改变相同量度的信噪比时，偏度的变化速度要快于峭度，因此对环境更敏感，精度更高。文献《Threshold Selection for TOA Estimation Based on Skewness and Slope in Sensor Networks》针对UWB信号，提出了一种利用偏度和最大斜率进行TOA估计的方法来提高定位精度。对于60GHz通信系统，偏度值随信噪比的增加而增大，而最大斜率值随信噪比的增大而减小，效果没有单一变量偏度好。基于此，本专利针对60GHz系统，提出了一种利用偏度的脉冲无线电测距方法。

接收端获取接收信号后，常用的无线定位方法有基于接收信号能量(Received Signal Strength，RSS)，基于信号到达方向(Angel of Arrival，AOA)，以及基于信号到达时间(Time of Arrival，TOA)和信号到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)的方法。其中TOA与TDOA定位方法的精度最高，应用最为广泛。两者都是利用信号在收发机之间的传播时延进行测距，再利用多个参考节点及相应的测距信息进行定位。

在利用TOA进行测距时，有两种接收方式可以选择，基于匹配滤波的相关接收技术和基于能量检测的非相关接收技术。基于相关接收的时延估计原理是本地产生一个不断时移的模板信号，与接收信号进行相关运算，取相关积分结果最大的时刻作为时延估计值。这种接收方式定位精度较高，但是需要产生模板信号，对同步要求高；另外，由于60GHz信号频率高，需要极高的采样频率，因此相关接收机设备复杂度太高，不易实现。基于能量检测的接收机原理为，将接收信号按积分步长进行平方积分运算，得到若干信号的能量块，再通过能量块的位置估计信号的时延。这种方法测距精度不如相关接收机那么高，但是系统不需要 模板信号，设备结构简单，易于实现，适宜于60GHz系统的定位应用。

图1为基于能量检测的脉冲无线电60GHz系统进行测距的流程图，一般步骤如下：

A.系统进行初始化：主要包括设定每次测距次数N、基站能量探测积分时间Tb、脉冲信号的传播速度C；

B.由待测距终端发射60GHz脉冲无线电信号；

C.由参考基站接收脉冲信号并计算脉冲信号的信号积分能量块；

D.由参考基基站将信号积分能量块发送到测距服务器；