[發明專利]基于偏度的脈沖無線電60GHz測距方法

有效

• 申請號: 201610018186.2
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105589063B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 呂婷婷;杜寧;張浩;魏兆強;王增鋒;梁曉林;靳一恒
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01S11/02
• 分類號: G01S11/02
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司37201
• 代理人: 張中南,邱岳

技術領域

本發明涉及無線通信技術，特別設計脈沖無線電60GHz(IR‐60GHz)無線通信技術，具體是一種基于偏度的脈沖無線電60GHz測距方法。

背景技術

如今，無線設備已成為我們生活中不可或缺的一部分，位置服務也成為智能無線設備的必備功能。室內精確定位，如家庭/辦公自動化、醫院精密監護、工業自動化、機器人運動跟蹤等，也越來越受到歡迎與重視。目前，用于室內定位的射頻定位系統有WLAN、藍牙、ZigBee、RFID、超寬帶等定位系統。這些技術由于受到信號所在頻段、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無線通信技術是近幾年來快速發展的無線技術之一，其免許可帶寬可達7GHz，發射功率可達10瓦，特別是隨著半導體加工工藝的不斷進步，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。

專利《一種基于60GHz脈沖信號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行方向性傳輸的方法來提高定位精度。首先對各基站陣列天線進行波束訓練，找到各自基站陣列天線的最優波束指向，滿足各基站波束指向能夠將待定位節點覆蓋在其波束范圍內；其次在接收信號時，各基站在其已確定的波束指向方向接收60GHz脈沖信號，并對脈沖信號的到達各基站的傳播時延進行估計。其中待定位節點采用全向天線發射信號，基站端采用定向天線接收信號。這種方法可以保證接收端接能接收到通過較優路徑傳輸過來的信號，降低了多徑的影響，提高定位精度。但該方法只針對如何獲取更有效的接收信號，并不直接參與時延估計。本專利是在接收信號的基礎上，提出一種更好的時延估計的方法，以增強抗干擾能力，提高定位精度。文獻《Threshold Selection for UWB TOA Estimation Based on Kurtosis Analysis》提出了一種針對Ultra‐wideband(UWB)信號的門限選擇時延估計方法，通過檢測接收信號能量塊峭度來改變門限值，進而提高定位精度。對于60GHz信號來說，偏度的變化趨勢要優于峭度，即當改變相同量度的信噪比時，偏度的變化速度要快于峭度，因此對環境更敏感，精度更高。文獻《Threshold Selection for TOA Estimation Based on Skewness and Slope in Sensor Networks》針對UWB信號，提出了一種利用偏度和最大斜率進行TOA估計的方法來提高定位精度。對于60GHz通信系統，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。基于此，本專利針對60GHz系統，提出了一種利用偏度的脈沖無線電測距方法。

接收端獲取接收信號后，常用的無線定位方法有基于接收信號能量(Received Signal Strength，RSS)，基于信號到達方向(Angel of Arrival，AOA)，以及基于信號到達時間(Time of Arrival，TOA)和信號到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)的方法。其中TOA與TDOA定位方法的精度最高，應用最為廣泛。兩者都是利用信號在收發機之間的傳播時延進行測距，再利用多個參考節點及相應的測距信息進行定位。

在利用TOA進行測距時，有兩種接收方式可以選擇，基于匹配濾波的相關接收技術和基于能量檢測的非相關接收技術。基于相關接收的時延估計原理是本地產生一個不斷時移的模板信號，與接收信號進行相關運算，取相關積分結果最大的時刻作為時延估計值。這種接收方式定位精度較高，但是需要產生模板信號，對同步要求高；另外，由于60GHz信號頻率高，需要極高的采樣頻率，因此相關接收機設備復雜度太高，不易實現。基于能量檢測的接收機原理為，將接收信號按積分步長進行平方積分運算，得到若干信號的能量塊，再通過能量塊的位置估計信號的時延。這種方法測距精度不如相關接收機那么高，但是系統不需要 模板信號，設備結構簡單，易于實現，適宜于60GHz系統的定位應用。

圖1為基于能量檢測的脈沖無線電60GHz系統進行測距的流程圖，一般步驟如下：

A.系統進行初始化：主要包括設定每次測距次數N、基站能量探測積分時間Tb、脈沖信號的傳播速度C；

B.由待測距終端發射60GHz脈沖無線電信號；

C.由參考基站接收脈沖信號并計算脈沖信號的信號積分能量塊；

D.由參考基基站將信號積分能量塊發送到測距服務器；