基于偏度的脈沖無線電60GHz測距方法
【技術領域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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 Τ0Α 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Τ0Α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。
[0004] 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，Α0Α)，以及基于信號到達 時間（Time of Arrival，Τ0Α)和信號到達時間差（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。
[0005] 在利用Τ0Α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。
[0006] 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： [0007] 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;
[0008] B.由待測距終端發射60GHz脈沖無線電信號；
[0009] 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；
[0010] D.由參考基基站將信號積分能量塊發送到測距服務器；
[0011] E.由測距服務器接收參考基站發送的積分能量塊，并計算傳輸時延；
[0012] F.由測距服務器計算測距結果；
[0013]待測距終端是在測距區域內移動的，一般是60GHz脈沖信號發射裝備；
[0014]參考基站是分布在測距區域內的定位基站，內含接收機，可以接收待測距終端發 送的60GHz脈沖信號，根據不同的積分步長確定信號積分能量塊，并將信號積分能量塊傳給 測距服務器；
[0015] 測距服務器包括計算機，可以接收來自參考基站發送的積分能量塊，并對其進行 數據處理，計算距離。
[0016] 以上步驟中，對測距結果影響最大的步驟是E中脈沖信號的傳輸時延的計算，目前 基于能量檢測的時延估計常見的算法有：
[0017] 1)最大能量法(Maximum Error Selection，MES):選擇接收信號的最大能量塊所 對應的時刻為時延估計值，由于在室內非視距環境下，由于遮擋、多徑等環境因素，直達徑 信號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)的時延估計算法，將接收信號的能 量塊與適當的門限進行比較，第一個超過門限的能量塊所在的時刻即為時延估計值。要直 接確定一個門限是比較困難的，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算門限。選擇適當的門限是基于能量檢測的時延估計方法的關鍵， 目前廣泛使用的是固定門限法，即將歸一化門限設置為一個固定值。由于室內測距、定位的 環境會由于人們活動經常改變，固定門限法不能隨環境的改變而實時變化，應用受到局限。
【發明內容】
[0019] 本發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 服現有技術測量精度不高的不足。
[0020] 鑒于基于能量檢測的接收技術具有諸多優點，因此本發明采用該技術進行測距。
[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)首先建立測距系統與參數設置，所涉及的測距系統包括IR-60GHZ發射機、能量 接收機、參考基站和測距服務器，其中發射機發射IR_60GHz信號，能量接收機接收發射機發 射的信號，并設定積分時間Tb(Tb取值為lns-9ns)，選擇典型室內視距或非視距環境，當發 射機與能量接收機之間有障礙物時為非視距環境，無障礙物時為