基于偏度的脉冲无线电60GHz测距方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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 Τ0Α 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Τ0Α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。
[0004] 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，Α0Α)，以及基于信号到达 时间（Time of Arrival，Τ0Α)和信号到达时间差（Time Difference of Arrival，TD0A)的 方法。其中Τ0Α与TD0A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。
[0005] 在利用Τ0Α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。
[0006] 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： [0007] 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;
[0008] B.由待测距终端发射60GHz脉冲无线电信号；
[0009] 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；
[0010] D.由参考基基站将信号积分能量块发送到测距服务器；
[0011] E.由测距服务器接收参考基站发送的积分能量块，并计算传输时延；
[0012] F.由测距服务器计算测距结果；
[0013]待测距终端是在测距区域内移动的，一般是60GHz脉冲信号发射装备；
[0014]参考基站是分布在测距区域内的定位基站，内含接收机，可以接收待测距终端发 送的60GHz脉冲信号，根据不同的积分步长确定信号积分能量块，并将信号积分能量块传给 测距服务器；
[0015] 测距服务器包括计算机，可以接收来自参考基站发送的积分能量块，并对其进行 数据处理，计算距离。
[0016] 以上步骤中，对测距结果影响最大的步骤是E中脉冲信号的传输时延的计算，目前 基于能量检测的时延估计常见的算法有：
[0017] 1)最大能量法(Maximum Error Selection，MES):选择接收信号的最大能量块所 对应的时刻为时延估计值，由于在室内非视距环境下，由于遮挡、多径等环境因素，直达径 信号所在能量块往往不是最大能量块，这种方法的测距精度不高。
[0018] 2)门限法:基于门限(Threshold-Crossing，TC)的时延估计算法，将接收信号的能 量块与适当的门限进行比较，第一个超过门限的能量块所在的时刻即为时延估计值。要直 接确定一个门限是比较困难的，所以通常采用归一化门限，然后在接收端利用最大能量块 和最小能量块就可以计算门限。选择适当的门限是基于能量检测的时延估计方法的关键， 目前广泛使用的是固定门限法，即将归一化门限设置为一个固定值。由于室内测距、定位的 环境会由于人们活动经常改变，固定门限法不能随环境的改变而实时变化，应用受到局限。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的是提供一种基于偏度的脉冲无线电60GHz能量检测测距方法，以克 服现有技术测量精度不高的不足。
[0020] 鉴于基于能量检测的接收技术具有诸多优点，因此本发明采用该技术进行测距。
[0021] 一种基于偏度的脉冲无线电60GHz测距方法，其特征在于包括以下步骤：
[0022] A.建立接收信号积分能量块偏度与归一化门限的偏度S-归一化门限曲线；
[0023] (1)首先建立测距系统与参数设置，所涉及的测距系统包括IR-60GHZ发射机、能量 接收机、参考基站和测距服务器，其中发射机发射IR_60GHz信号，能量接收机接收发射机发 射的信号，并设定积分时间Tb(Tb取值为lns-9ns)，选择典型室内视距或非视距环境，当发 射机与能量接收机之间有障碍物时为非视距环境，无障碍物时为