UWB通道選擇、信號(hào)阻擋和反射對(duì)UWB定位范圍和定位精度的影響（二）-NLOS操作
發(fā)布日期：2020-05-27 瀏覽次數(shù)：321次

上次我們介紹了視線通道（LOS）對(duì)UWB信號(hào)阻擋、反射對(duì)UWB定位的影響，沒(méi)看過(guò)的可以點(diǎn)擊“UWB通道選擇、信號(hào)阻擋和反射對(duì)UWB定位范圍和定位精度的影響（一）-視線通道（LOS）”查看，本篇我們介紹下NLOS操作。

（一）介紹

檢查NLOS操作時(shí)需要考慮三個(gè)方面：

（1）由于整體信號(hào)衰減，通信范圍減小。

（2）由于直接路徑信號(hào)的衰減，導(dǎo)致直接路徑檢測(cè)范圍的減小。

（3）由于阻塞材料的折射率差異而導(dǎo)致的飛行時(shí)間誤差，這些概念可以在下圖中說(shuō)明：

圖5：通過(guò)障礙物的RF傳播

入射射頻信號(hào)到達(dá)障礙物有兩個(gè)作用。入射能量的一部分會(huì)從障礙物反射回來(lái)，而其余部分則進(jìn)入障礙物。其余部分被材料吸收（并導(dǎo)致加熱）。一些剩余的信號(hào)可能會(huì)從障礙物的遠(yuǎn)端邊緣進(jìn)一步反射，而其余的信號(hào)會(huì)從另一側(cè)的障礙物出來(lái)。

（二）由于信號(hào)衰減導(dǎo)致范圍減小

信號(hào)被任何特定障礙物反射或衰減的程度取決于構(gòu)成障礙物的材料，障礙物的厚度以及入射RF信號(hào)的頻率。附錄1給出了不同材料的衰減特性。

像在LOS情況下一樣，接收器處的信號(hào)功率以及發(fā)射功率，系統(tǒng)中任何天線的增益/損耗和自由空間衰減的函數(shù)，現(xiàn)在也必須考慮造成材料損耗的原因。路徑為NLOS路徑。

在這種情況下，根據(jù)障礙物的損失，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信范圍可以嚴(yán)重縮小到該材料不能透過(guò)無(wú)線電信號(hào)的程度，并且通信不再發(fā)生。

（三）折射率差異導(dǎo)致的TOF誤差

請(qǐng)考慮以下情形。UWB發(fā)送器是物理障礙物的一側(cè)，而接收器是另一端。阻塞是這樣的：

（1）它不能充分衰減信號(hào)以防止被接收器接收

（2）它不允許周圍有多路徑

那么，與LOS情況相比，阻塞的引入對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的飛行時(shí)間有什么影響？

節(jié)點(diǎn)1                                            節(jié)點(diǎn)2

圖6：阻塞的影響

根本的影響是，通過(guò)障礙物的無(wú)線電信號(hào)的傳播速度要比在自由空間中慢。這意味著該消息將到達(dá)接收方，該消息由于通過(guò)阻塞的傳播時(shí)間增加而延遲，如下所示：

其中：

TOF是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的飛行時(shí)間

d是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的物理距離，以米為單位

d'是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的計(jì)算距離

c是自由空間中光的速度，單位為m/s，術(shù)語(yǔ)c/R表示通過(guò)障礙物后無(wú)線電信號(hào)的速度降低

w是障礙物的寬度

R是阻塞物的折射率

因此，我們可以看到，計(jì)算出的距離已經(jīng)超出了一個(gè)取決于障礙物折射率的因子，并且隨著折射率接近自由空間的折射率而趨于零：

假設(shè)阻塞是固定的，因此w和R恒定，則有可能在特定使用情況下（例如在實(shí)時(shí)定位方案中使用UWB進(jìn)行錨時(shí)鐘同步）來(lái)校正阻塞的影響。

不同的材料具有不同的R值。典型值在附錄1中給出。

對(duì)飛行時(shí)間的影響程度取決于障礙物相對(duì)于總路徑長(zhǎng)度的相對(duì)厚度。

例如，如果總路徑長(zhǎng)度為10 m，其中25 cm由折射率1.25的阻礙物組成，則飛行時(shí)間的最終誤差約為200 ps，相當(dāng)于測(cè)量路徑的誤差從發(fā)射器到接收器的長(zhǎng)度大約為6 cm，因此報(bào)告的距離將為10.06 m，而不是10m。

（四）多路徑NLOS操作

1、介紹

NLOS情況下多路徑的存在引發(fā)了有趣的情況。一個(gè)典型的例子在圖7。在這里，我們可以看到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的直接路徑被遮蓋了，而其他未遮蓋的路徑也可能由于附近表面的反射而被遮蓋了。

節(jié)點(diǎn)1                                                                 節(jié)點(diǎn)2

圖7：帶有多路徑的NLOS

下表微能信息的UWB工程師就到達(dá)接收機(jī)的直接路徑和多路徑信號(hào)列出了這些場(chǎng)景的一些典型示例。

表3：各種NLOS方案

2、分析

圖8給出了NLOS信道的典型信道脈沖響應(yīng)。

在所示的示例中，直接路徑幅度小于一些隨后的多路徑幅度，但高于檢測(cè)閾值（由水平線顯示）。這表明第一路徑不是LOS路徑，但是相對(duì)于隨后的多路徑分量已經(jīng)以某種方式衰減。此示例對(duì)應(yīng)于場(chǎng)景2表3。

圖8：NLOS信道的信道沖激響應(yīng)示例

圖9：未正確檢測(cè)到第一條路徑的NLOS通道

圖9上面顯示了方案3的示例，其中直接路徑低于檢測(cè)閾值，并且以后的多路徑信號(hào)被標(biāo)記為直接路徑。這會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤計(jì)算的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，其大小取決于直接路徑和反射路徑之間的相對(duì)路徑長(zhǎng)度。

3、NLOS環(huán)境中的操作緩解策略

首先，在非視距情況下是否需要緩解策略取決于最終應(yīng)用。如果最終應(yīng)用程序是通信應(yīng)用程序，那么未接收到直接路徑的后果不會(huì)像在基于位置的應(yīng)用程序中那樣嚴(yán)重，在該應(yīng)用程序中，直接路徑被用作位置確定算法的輸入。

可以在非視距情況下采用的緩解策略基本上有三方面：

（1）優(yōu)化硬件和軟件配置設(shè)置，以最大程度地接收和檢測(cè)直接路徑信號(hào)的可能性。

（2）使用通道診斷信息來(lái)確定報(bào)告的時(shí)間戳是多路徑信號(hào)還是直接路徑信號(hào)的結(jié)果，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?/span>

（3）使用其他系統(tǒng)和算法知識(shí)來(lái)識(shí)別節(jié)點(diǎn)返回的時(shí)間戳實(shí)際上是多徑信號(hào)的時(shí)間戳，而不是直接徑信號(hào)。在這種情況下，計(jì)算出的距離/位置將是不正確的，但是在了解先前位置，操作環(huán)境和合適的算法的情況下，可能有可能拒絕或加權(quán)這些多路徑時(shí)間戳。