UWB通道選擇、信號阻擋和反射對UWB定位范圍和定位精度的影響（二）-NLOS操作
發布日期：2020-05-27 瀏覽次數：360次
上次我們介紹了視線通道（LOS）對UWB信號阻擋、反射對UWB定位的影響，沒看過的可以點擊“UWB通道選擇、信號阻擋和反射對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操作時需要考慮三個方面：
（1）由于整體信號衰減，通信范圍減小。
（2）由于直接路徑信號的衰減，導致直接路徑檢測范圍的減小。
（3）由于阻塞材料的折射率差異而導致的飛行時間誤差，這些概念可以在下圖中說明：
圖5：通過障礙物的RF傳播
入射射頻信號到達障礙物有兩個作用。入射能量的一部分會從障礙物反射回來，而其余部分則進入障礙物。其余部分被材料吸收（并導致加熱）。一些剩余的信號可能會從障礙物的遠端邊緣進一步反射，而其余的信號會從另一側的障礙物出來。
（二）由于信號衰減導致范圍減小
信號被任何特定障礙物反射或衰減的程度取決于構成障礙物的材料，障礙物的厚度以及入射RF信號的頻率。附錄1給出了不同材料的衰減特性。
像在LOS情況下一樣，接收器處的信號功率以及發射功率，系統中任何天線的增益/損耗和自由空間衰減的函數，現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，根據障礙物的損失，兩個節點之間的通信范圍可以嚴重縮小到該材料不能透過無線電信號的程度，并且通信不再發生。
（三）折射率差異導致的TOF誤差
請考慮以下情形。UWB發送器是物理障礙物的一側，而接收器是另一端。阻塞是這樣的：
（1）它不能充分衰減信號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，阻塞的引入對發射機和接收機之間的飛行時間有什么影響？
節點1 節點2
圖6：阻塞的影響
根本的影響是，通過障礙物的無線電信號的傳播速度要比在自由空間中慢。這意味著該消息將到達接收方，該消息由于通過阻塞的傳播時間增加而延遲，如下所示：
其中：
TOF是兩個節點之間的飛行時間
d是兩個節點之間的物理距離，以米為單位
d'是兩個節點之間的計算距離
c是自由空間中光的速度，單位為m/s，術語c/R表示通過障礙物后無線電信號的速度降低
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，計算出的距離已經超出了一個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（例如在實時定位方案中使用UWB進行錨時鐘同步）來校正阻塞的影響。
不同的材料具有不同的R值。典型值在附錄1中給出。
對飛行時間的影響程度取決于障礙物相對于總路徑長度的相對厚度。
例如，如果總路徑長度為10 m，其中25 cm由折射率1.25的阻礙物組成，則飛行時間的最終誤差約為200 ps，相當于測量路徑的誤差從發射器到接收器的長度大約為6 cm，因此報告的距離將為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了有趣的情況。一個典型的例子在圖7。在這里，我們可以看到兩個節點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。
節點1 節點2
圖7：帶有多路徑的NLOS
下表微能信息的UWB工程師就到達接收機的直接路徑和多路徑信號列出了這些場景的一些典型示例。
表3：各種NLOS方案
| 情境 | 直接路徑信號 | 多徑信號 | 評論 | 通訊 | 時間戳記 | 正確的直接路徑 |
| 1 | 大型直接路徑鏈接邊距 | 大多徑鏈接裕量 | 這與多路徑的LOS情況相同 | 是 | 是 | 是 |
| 2 | 減少直接路徑鏈接余量和直接路徑超過檢測閾值 | 大多徑鏈接裕量 | 直接路徑將被可靠地檢測到 | 是 | 是 | 是 |
| 3 | 減少直接路徑鏈接余量和直接路徑低于檢測閾值 | 大多徑鏈接裕量 | 高于檢測閾值的第一個到達多路徑將被檢測為直接路徑 | 是 | 是 | 沒有 |
| 4 | 負直接路徑鏈接邊距 | 大多徑鏈接裕量 | 高于檢測閾值的第一個到達多路徑將被檢測為直接路徑 | 是 | 是 | 沒有 |
| 5 | 負直接路徑鏈接邊距 | 小多徑鏈接裕量 | 高于檢測閾值的第一個到達多路徑將被檢測為直接路徑 | 是 | 是 | 沒有 |
| 6 | 負直接路徑鏈接邊距 | 所有多路徑的負多路徑鏈接裕量 | 沒有通訊 | 沒有 | 沒有 | 沒有 |
2、分析
圖8給出了NLOS信道的典型信道脈沖響應。
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，但高于檢測閾值（由水平線顯示）。這表明第一路徑不是LOS路徑，但是相對于隨后的多路徑分量已經以某種方式衰減。此示例對應于場景2表3。
圖8：NLOS信道的信道沖激響應示例
圖9：未正確檢測到第一條路徑的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閾值，并且以后的多路徑信號被標記為直接路徑。這會導致錯誤計算的兩個節點之間的距離，其大小取決于直接路徑和反射路徑之間的相對路徑長度。
3、NLOS環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用。如果最終應用程序是通信應用程序，那么未接收到直接路徑的后果不會像在基于位置的應用程序中那樣嚴重，在該應用程序中，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）優化硬件和軟件配置設置，以最大程度地接收和檢測直接路徑信號的可能性。
（2）使用通道診斷信息來確定報告的時間戳是多路徑信號還是直接路徑信號的結果，并采取適當的措施。
（3）使用其他系統和算法知識來識別節點返回的時間戳實際上是多徑信號的時間戳，而不是直接徑信號。在這種情況下，計算出的距離/位置將是不正確的，但是在了解先前位置，操作環境和合適的算法的情況下，可能有可能拒絕或加權這些多路徑時間戳。
