超宽频使用IEEE 802.15.4z本地化
这个例子展示了如何估计单一设备的位置按照IEEE®802.15.4z™标准[2],使用通信工具箱™库ZigBee®和超宽频插件。
概述
IEEE 802.15.4z修正案[2]内部的IEEE®802.15.4标准提供服务[1]是一个MAC层和物理层规范设计范围和本地化使用超宽带(UWB)通信。非常短的超宽频脉冲持续时间允许细粒度在时域,因此在空间域更准确的估计。
的关键测距和定位功能802.15.4z修正案包括3 MAC-level技术:
单面双向测距(SS-TWR)——一个设备估计两个设备之间的距离在两个方向上都通过使用帧传输的无线802.15.4z链接。这种技术了使用IEEE 802.15.4z超宽频范围的例子。
双面双向测距(DS-TWR)——这两个设备估计两个设备之间的距离在两个方向上都通过使用帧传输的无线802.15.4z链接。
单向测距/到达时差(OWR /目标辐射源)- Network-assisted定位,一个设备与一组同步通信节点估计设备的位置。
这个例子演示了上行传输的OWR /辐射源脉冲技术,通过使用MAC层和物理层帧内部符合IEEE 802.15.4标准提供服务[1]和IEEE 802.15.4z修正案[2]。在生成PHY-level IEEE 802.15.4z波形的更多信息,见合超宽频IEEE 802.15.4a / z波形的一代的例子。在内部生成IEEE 802.15.4 MAC帧提供服务的更多信息,见内部IEEE 802.15.4 - MAC帧生成和解码提供服务的例子。
单向测距/到达时差(OWR /辐射源脉冲)
单向测距(OWR)包括帧传输上行或下行方向。在上行的情况下,该设备是定期广播短消息称为本地化眨眼。IEEE 802.15.4z修正案[2]不眨眼的规定一个特定的帧格式,然而它州眨眼应该尽可能地短。这些眨眼收到消息的一组基础设施节点同步通过有线主干或通过一个超宽频无线通讯联系。在下行的情况下,同步节点周期性地发送广播消息与一个已知的时间偏移量。
到达时差(辐射源脉冲)之间的周期信息的地方的设备在一个双曲表面每一对同步节点[3]。所有的交集双曲表面(每一对同步节点)给设备的位置估计。
这个例子演示了上行OWR情况。
设置
确认安装通信工具箱™图书馆无线个域网®和超宽频插件。
%检查通信工具箱图书馆无线个域网和超宽频的支持包安装:金宝appcomm金宝appSupportPackageCheck (“无线个域网”);
配置网络
建立一个网络与3同步节点和1设备,100 x100飞机:
numNodes = 3;deviceLoc = (50 50);%设备中心的地方nodeLoc = [40 41;62 83;87年24];辐射源脉冲=南(numNodes);helperShowLocations (deviceLoc nodeLoc);
计算实际的飞行距离和时间节点和设备之间(TOF)。
actualDistances =√总和(nodeLoc - deviceLoc)。^ 2,2));c = physconst (“光速”);%光速(米/秒)actualTOF = actualDistances / c;信噪比= 30;在dB %
配置眨眼
内部使用短(IEEE 802.15.4 MAC)提供服务数据帧作为一个眨眼。
numBlinks = 1;%的MAC层:有效载荷=“00”;cfg = lrwpan.MACFrameConfig (…FrameType =“数据”,…SourceAddressing =的短地址,…SourcePANIdentifier =“AB12”,…SourceAddress =“CD77”);blinkMAC = lrwpan.MACFrameGenerator (cfg、载荷);% PHY层:%确保启用等领域。%设置适当的PSDU长度。blinkPHYConfig = lrwpanHRPConfig (…模式=“HPRF”,…STSPacketConfiguration = 1,…PSDULength =长度(blinkMAC),…不等= true);blinkPHY = lrwpanWaveformGenerator (…blinkMAC,…blinkPHYConfig);%缓存序言,序言中使用检测。%获得第一个实例的Nsync = PreambleDuration重复。指数= lrwpanHRPFieldIndices (blinkPHYConfig);%每个字段的长度(开始/结束)blinkPreamble = blinkPHY (…1:indices.SYNC(结束)/ blinkPHYConfig.PreambleDuration);% 1的Nsync重复
运行仿真
在仿真回路,一个眨眼传播到每个节点的传播延迟是由其不同的距离。接下来,每一对节点计算他们的眨眼到达时间的差异。因此,设备的位置估计在一双双曲表面每个节点。所有表面的交点给设备的位置估计。在这里,一块2 d曲线显示了交点表明设备的位置估计。
vfd = dsp.VariableFractionalDelay;numNodes arrivalTime = 0 (1);plotStr = {“r——”,“b——”,“g——”};(x, y) =交易(细胞(1、3));为idx = 1: numBlinks为节点= 1:numNodes%的发射和接受眨了眨眼%每个节点收到一个特别延迟版本的眨眼tof = actualTOF(节点);samplesToDelay = tof * blinkPHYConfig.SampleRate;重置(vfd);释放(vfd);变频。MaximumDelay =装天花板(1.1 * samplesToDelay);delayedBlink =变频(…[blinkPHY;0 ((samplesToDelay),即:1)),…samplesToDelay);%添加高斯白噪声receivedBlink = awgn (delayedBlink,信噪比);%节点接收器检测序言preamPos = helperFindFirstHRPPreamble (…receivedBlink、blinkPreamble blinkPHYConfig);%传输每个闪烁在每个周期t = 0。眨眼之间到达不同%在每个节点实例,由于他们不同的距离设备。arrivalTime(节点)= (…preamPos indices.SYNC(结束)/…blinkPHYConfig.PreambleDuration) / blinkPHYConfig.SampleRate;结束%定位:为每一对估计位置同步的骨干%的节点pairCnt = 1;为node1 = 1: numNodes为node2 = (node1 + 1): numNodes%计算到达时差(辐射源脉冲)目标辐射源(node1, node2) = arrivalTime (node1) -arrivalTime (node2);%得到双曲表面node1和node2之间的辐射源[x {pairCnt}, {pairCnt}] = helperGetHyperbolicSurface (…nodeLoc (node1:)…nodeLoc (node2:)…目标辐射源(node1 node2));情节(x {pairCnt}, {pairCnt}, plotStr {pairCnt});pairCnt = pairCnt + 1;结束结束%之间找到交点双曲表面(xC、yC) = helperFindHyperbolicIntersection (x, y);%的估计位置相交三角形的中心xO =意味着(xC, 2);哟=意味着(yC, 2);情节(xO,哟,“罗”)情节(xC’, yC’,“处方”)结束腿=传奇(“设备”,“同步节点”,“a - b”,“得了”,“c”,“估计”,“十字路口”,“位置”,“西北”);
放大到估计面积:
zoomInToEstimationArea (deviceLoc xC、yC xO,哟,腿);
IEEE 802.15.4z定位算法允许多个2双曲表面之间的交集点,因此存在一个或两个可能的定位答案。计算定位误差为每个回答:
为idx = 1:元素个数(xO) locError =√6(和((xO (idx)哟(idx)] -deviceLoc)。^ 2);流(定位错误# % d = % 0.3 f m。\ n”、idx locError);结束
定位错误# 1 = 0.012 m。
定位方法,依靠估计到达时间,距离估计中的错误主要是造成当到达时间不是一个整数倍数的样本。这样的定位方法的最大距离误差时半样品到达时间持续时间超过一个整数多个样品的时间。最小的距离误差发生在样品的到达时间是一个整数倍数。高脉冲重复频率(HRPF)模式的高脉冲重复频率(合)体育在这个例子中,使用符号率为499.2 MHz,每个符号的样本数量是10。最大的距离估计误差 ,这是大约3厘米。
一般来说,更大的信道带宽在超宽频对应短符号持续时间和规模较小的测距误差相对于窄带通信。窄带通信指定的IEEE 802.11 az,通道带宽范围从20兆赫到160兆赫。窄带通信,考虑到最大距离误差估计的定位误差介于0和10厘米之间为160 MHz和0和75厘米20 MHz。关于定位与IEEE 802.11 az的更多信息,见802.11 az定位使用超分辨率到达时间估计(WLAN工具箱)的例子。
进一步的探索
这个示例使用这些对象和功能的通信工具箱™库ZigBee®和超宽频插件。
lrwpan。MACFrameConfig:创建内部配置802.15.4 MAC帧提供服务
lrwpan。MACFrameGenerator:内部生成802.15.4 MAC帧提供服务
lrwpanHRPConfig:合波形配置
lrwpanWaveformGenerator:创建一个IEEE 802.15.4a / z合超宽频波形
这些实用程序无证及其API或功能在未来可能会改变。
函数zoomInToEstimationArea (deviceLoc xC、yC xO,哟,腿)%放大2 d平面到周边地区设备位置allX = [deviceLoc (1);xO (:);我()):;盟友= [deviceLoc (2);哟(:);yC (:));风骚女子= min (allX);maxX = max (allX);如矿坑的= min(盟友);maxY = max(盟友); axis([minX-0.1*(maxX-minX), maxX+0.1*(maxX-minX), minY-0.1*(maxY-minY), maxY+0.1*(maxY-minY)]) leg.Location =“东北”;结束
选定的参考书目
1 -“低速率无线网络,IEEE标准”IEEE Std 802.15.4-2020 IEEE Std 802.15.4-2015(修订),pp.1 - 800, 2020年7月23日,doi: 10.1109 / IEEESTD.2020.9144691。
2 -“IEEE标准低速率无线网络——修正案1:增强超宽带(UWB)等物理层(物理)和相关技术,“在IEEE Std 802.15.4z-2020 IEEE Std 802.15.4-2020(修正案),pp.1 - 174, 2020年8月25日,doi: 10.1109 / IEEESTD.2020.9179124。
美国3 -黄;Zargani, r . Jassemi;布鲁克斯,d &金,B。“被动目标定位使用几何方法time-difference-of-arrival法”,加拿大国防研究与发展的科学报告,drdc rddc - 2017 r079, 2017年6月,页1 - 77
