概述

IEEE 802.15.4z修正案［ ２ ］符合IEEE®802.15.4标准b[1]指定MAC和物理层，以及使用超宽带(UWB)通信的相关测距和定位。超宽带非常短的脉冲持续时间允许在时域上有更细的粒度，因此在空间域上有更准确的估计。

802.15.4z修订版的关键测距和定位功能包括三种mac级技术:

本例通过使用与IEEE 802.15.4标准兼容的PHY帧来演示SS-TWR技术b[1]以及IEEE 802.15.4z修正案［ ２ ］。有关生成phy级IEEE 802.15.4z波形的详细信息，请参阅HRP UWB IEEE 802.15.4a/z波形生成的例子。

单面双向测距(SS-TWR)

双向测距包括在无线802.15.4z链路的两个方向上传输帧。单面测距意味着只有两个设备中的一个估计它们之间的距离。

每一帧在其测距标记(RMARKER)处计时，这是帧开始分隔符(SFD)之后的第一个符号的时间。有关传输帧中字段的更多信息，请参见HRP UWB IEEE 802.15.4a/z波形生成的例子。测距应答器设备，在一定的应答时间(Treply)后发送应答帧。测距启动设备将往返时间(round)计算为发送帧的rmarker与响应帧之间的时间距离。Treply由测距应答器与测距启动器通信，使后者估计传播时间(Tprop)为Tprop = (Tround - Treply)/2。

IEEE 802.15.4z修正案［ ２ ］指定共享Treply的多种可能性:

本例考虑两个设备之间固定应答时间的场景。

IEEE 802.15.4b[1]指定交换的帧必须是数据帧及其确认。IEEE 802.15.4z修正案［ ２ ］放宽此规范，允许在任何对传输帧和响应帧上执行测距测量。然而，对于固定的应答时间场景，802.15.4z修正案指定交换加密时间戳序列数据包配置选项3 (SP3)帧。SP3帧包含一个打乱的时间戳序列(STS)，没有PHY报头(PHR)或有效负载。

本示例侧重于基本测距交换，而不演示与测距过程相关的前面的设置和后面的完成活动。

设置

确认ZigBee®和UWB附加组件的通信工具箱™库的安装。

comm金宝appSupportPackageCheck (“无线个域网”）;

确定实际距离和Tprop，并初始化可视化。配置一个timescope对象来绘制启动器和响应器信号。

C = physconst(“光速”）;%光速(m/s)actualDistance = 5;%单位:米actualprop = actualDistance/c;%单位:秒信噪比= 30;%信噪比Symbolrate = 499.2e6;% HRP PHY的符号速率SPS = 10;每个符号的样本百分比Ts =时间范围(…SampleRate = sps * symbolrate,…ChannelNames = {“启动程序”，“应答”}，…LayoutDimensions = (2 - 1),…Name =“SS-TWR”）;ts.YLimits = [-0.25 0.25];ts.ActiveDisplay = 2;ts.YLimits = [-0.25 0.25];

传输帧

启动器传输

生成要在设备之间传输的包含SP3 PHY帧(不含MAC帧/PSDU)的波形。在发起者的时间轴上注册传输帧。

sp3Config = lrwpanHRPConfig(…模式=“HPRF”，…STSPacketConfiguration = 3,…PSDULength = 0,…不等= true);sp3Wave = lrwpanWaveformGenerator([]，sp3Config);[transmitFrame,responseFrame] = deal(sp3Wave);%开始传输时的启动器时间initiatorView = transmitFrame;

无线信道

通过AWGN信道过滤传输帧并添加传播延迟。然后，更新两个链路端点的时间轴。

samplesToDelay = actualprop *sp3Config.SampleRate;receivedtransmit = lclDelayWithNoise()…transmitFrame samplesToDelay,信噪比);initiatorView = [initiatorView;0 ((samplesToDelay),即:1)];responderView = receivedtransmit;

应答器接收

在响应端，检测802.15.4z PHY帧的序言，然后对传输的帧进行处理。序文检测包括确定在Nsync = PreambleDuration之外的序文的第一个实例。绘制a上的启动器视图和响应器视图timescope。

索引= lrwpanhrpfieldindiices (sp3Config);每个字段的%长度(开始/结束)sp3Preamble = sp3Wave(1:ind.SYNC(end)/sp3Config.PreambleDuration);preamPos = helperfindfirstthrppreamble ()…receivedTransmitted、sp3Preamble sp3Config);ts (initiatorView responderView);

响应帧

响应者传输

将应答时间设置为三个SP3帧的长度，以指定何时发送响应帧。在响应端将第一个和最后一个RMARKER样本索引设置为第一个post-SFD符号的开始，然后再设置Treply样本。Treply采样后，从响应设备发送响应帧。

Treply = 3*length(sp3Wave);样品百分比在响应端找到rmarkerframeStart = 1+preamPos-ind.SYNC(end)/sp3Config.PreambleDuration;sfdEnd = frameStart + ind.SYNC(end) + diff(ind.SFD);RMARKER_R1 = sfdEnd+1;RMARKER_R2 = RMARKER_R1 + Treply;%重复后传播。找出应答者需要多长时间%保持空闲状态。idleResponderTime = Treply - diff(id . sts)-1 - diff(id . shr)-1;responderView =…[responderView;0 (idleResponderTime, 1);…responseFrame;0 ((samplesToDelay),即:1)];initiatorView = [initiatorView;0 (idleResponderTime 1)];

无线信道

通过AWGN信道过滤传输帧并添加传播延迟。然后，更新两个链路端点的时间轴。

receivedResponse = lclDelayWithNoise()…responseFrame samplesToDelay,信噪比);initiatorView = [initiatorView;receivedResponse];

启动处接待

回到启动端，检测802.15.4z PHY帧的序言，然后处理传输的帧。

txFrameEnd = inds . sts (end);preamPos = helperfindfirstthrppreamble ()…initiatorView (txFrameEnd + 1:结束),sp3Preamble, sp3Config);

区间估计

估计传播延迟和两个设备之间的距离。将启动端的第一个和最后一个RMARKER样本索引设置为传输的开始(在t=0时已知)和第一个post-SFD符号的开始。使用rmarker、Tround和Tprop来估计发起者和应答者之间的距离。

rmarker_1 = 1+ind.SFD(end);frameStart = 1+preamPos-ind.SYNC(end)/sp3Config.PreambleDuration;sfdEnd = txFrameEnd + frameStart + ind.SYNC(end) + diff(ind.SFD);rmarker_2 = sfdEnd+1;round = RMARKER_I2 - RMARKER_I1;样品中%Tprop = (Tround-Treply)/(2*sp3Config.SampleRate);%单位:秒estimatedDistance = c*Tprop;%单位:米

这timescope如图6-47所示的帧交换［ ２ ］与x轴限制放大，以查看传输帧和响应帧之间的传播延迟。

重置(ts);ts ([initiatorView;0 ((samplesToDelay),即:1)),responderView);释放(ts);

估计的距离与实际距离相差几厘米。

流([实际距离= %d m。…'\nEstimated Distance = %0.2f m'…'\ nererror = %0.3f m (%0.2f%%)\n']，…actualDistance estimatedDistance,…estimatedDistance-actualDistance,…100 * (estimatedDistance-actualDistance) / actualDistance)

实际距离= 5米。误差= 0.015 m (0.29%)

对于依赖于估计飞行时间(TOF)的测距方法，当传播时间(Tprop)不是样本时间的整数倍时，距离估计误差主要产生。这种测距方法的最大距离误差发生在Tprop持续的半个样本时间大于样本时间的整数倍时。当Tprop为采样时间的整数倍时，距离误差最小。对于本例中使用的高速率脉冲重复频率(HRP) PHY的高脉冲重复频率(HRPF)模式，符号速率为499.2 MHz，每个符号的采样数为10，导致Tprop估计的最大误差为 $0。5\times c/（499。2\times 10）$。因此，默认测距误差在0到3厘米之间。

一般来说，与窄带通信相比，UWB中信道带宽越大，对应的符号持续时间越短，测距误差越小。对于IEEE 802.11az规定的窄带通信，信道带宽范围为20mhz ~ 160mhz。考虑到窄带通信的最大Tprop误差，160 MHz的测距误差估计在0到10 cm之间，20 MHz的测距误差估计在0到75 cm之间。有关IEEE 802.11az范围的更多信息，请参阅使用超分辨率到达时间估计的802.11az定位(WLAN工具箱)的例子。

进一步的探索

本示例使用ZigBee®和UWB附加组件的通信工具箱™库中的这些对象和函数。

这些实用程序没有文档记录，它们的API或功能将来可能会更改。要查看这些实用程序的源代码，请使用编辑函数。例如，输入:

编辑lrwpanHRPConfig

在MATLAB®命令行打开lrwpanHRPConfig。

函数接收= lclDelayWithNoise(发送，samplesToDelay，信噪比)无线信道的操作(传播延迟，AWGN)vfd = dsp.VariableFractionalDelay;% 0 pad @ end，将整个帧从VFD中取出delayedtransmit = vfd(…[传播;0 ((samplesToDelay),即:1)),samplesToDelay);%添加高斯白噪声:接收= awgn(延迟发送，信噪比);结束

选定的参考书目

1-“IEEE低速率无线网络标准”，IEEE标准802.15.4-2020 (IEEE标准802.15.4-2015修订版)，pp.1-800, 2020年7月23日，doi: 10.1109/IEEESTD.2020.9144691。

2 -“IEEE低速率无线网络标准-修订1:增强型超宽带(UWB)物理层(物理层)和相关测距技术”，IEEE标准802.15.4z-2020(修订IEEE标准802.15.4-2020)，pp.1-174, 2020年8月25日，doi: 10.1109/IEEESTD.2020.9179124。