软件工程硕士论文iLocate无线定位系统的设计与实现.doc

研 究 生 毕 业 论 文（申请工程硕士学位）论文题目iLocate无线定位系统的设计与实现作者姓名学科、专业名称工程硕士（软件工程领域）研究方向软件工程指导老师2009年 3 月 30 日学 号：MG0732054论文答辩日期： 2009年5月15日指 导 教 师： （签字）The Design and Implementation of iLocate Wireless Location SystemWANG, JunSubmitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineeringsupervised byAssociate Professor SHAO.DongSoftware InstituteNANJING UNIVERSITYNanjing, ChinaMarch, 2009摘 要无线定位是一种通过无线设备对物体或人进行定位并将信息实时呈现给使用者的技术，旨在为人们提供精确的定位信息。无线定位的应用在国外已经得到了很好应用，有诸如E911或者增强型112等成熟的系统。然而国内在无线定位技术的应用方面却处于相对落后的地位，尤其是针对短距离室内移动物体的精确定位，一直没有开发出完整的成熟应用。在这样的背景下，本文首先对无线技术及无线定位技术进行了阐述，分析了当今被广泛接受的GPS，UWB等无线技术。另一方面，无线定位系统通常伴随实时图像渲染与图像显示，为此本文阐述了无线定位系统中会使用到的相关3D图形技术。在介绍3D图形处理工作时，本文重点分析了Google Sketchup，OGRE，碰撞检测等技术的概念与应用。本文设计了一个具体的无线定位系统：iLocate无线定位系统。iLocate是一个主要用于室内短距离精确定位的无线定位系统，能够为使用者提供准确实时的定位信息。在设计中，iLocate系统被分为了iLocateEngine、iLocateServer及iLocateClient三个层次，本文对这三个层次的设计及实现进行了阐述，进行了实现，并简要展示了系统的运行效果。定位引擎(iLocateEngine)主要功能是为上层应用提供统一的位置信息；应用服务端(iLocateServer)主要负责与其它子系统进行交互、进行数据库管理；应用客户端(iLocateClient)主要功能包括网络通信、获取场景模型与物体实时位置信息、用2D/3D的图像显示场景与物体信息、提供图像处理的用户接口（例如场景的旋转、平移、缩放等操作）。iLocate无线定位系统是一套从硬件到软件的一体化解决方案，旨在通过自主研发实现完整的短距离无线精确定位系统。iLocate无线定位系统已经得到了实施并得到了好评。同时，iLocate在实际使用中拥有较好的易用性与可扩展性。关键词：无线定位，iLocate，UWB，无线网络AbstractWireless Location is a technology that can provide real-time location information about moving objects. By using wireless equipments, position of people can be located precisely. In the worldwide environment, wireless location systems such as E911 or E122 have already been existed for a while. However, in the domestic environment, not enough wireless location systems have been developed, especially for the systems that can provide accurate location service within short distance under indoor circumstances.As for the background knowledge introduction, this paper firstly shows the wireless technologies and wireless location technologies. You will see the concepts about GPS and UWB. At the other hand, real-time graphics rendering and image displaying is usually used in wireless location system. So this paper also introduces relative 3D graphics technologies. Technologies such as Google Sketchup, OGRE and Collision Detection, are given special attention in this paper.After showing background technologies, this paper proposes a wireless location system: iLocate Wireless Location System. Its a system that is used for doing precisely location within short distances. iLocate is divided into three main subsystems: iLocateEngine, iLocateServer and iLocateClient. And this paper will introduce the design and implementation for them, as well as showing the running effect. iLocateEngine is used for providing uniformed location information for upper layers. iLocateServer is used for communicating with iLocateEngine and iLocateClient, as well as database management. iLocateClient is used for acquiring real-time data of scenes and moving objects, displaying real-time data with 2D/3D graphics, and providing graphics manipulating interfaces for users (Orbit, Pan and Zoom).iLocate is a comprehensive solution that involves both hardware and software components. It aims at developing precise wireless location system for objects within short distance. So far, iLocate has been deployed into some places and has won its reputation. iLocate has good feasibility and extensibility.Keywords: Wireless Location, iLocate, UWB, Wireless Internet目录摘 要IAbstractI第一章 绪 论11.1 无线定位技术11.1.1 无线定位技术11.1.2 无线定位技术的发展状况11.2 选题意义11.3 本文的工作1第二章 无线定位相关技术12.1 GPS无线定位12.1.1 GPS的组成12.1.2 GPS的定位方法12.1.3 GPS的误差12.1.4 GPS定位技术小结12.2 UWB无线定位12.2.1 UWB无线技术12.2.2 UWB特点与发展状况12.2.3 UWB与其它技术12.2.4 UWB定位技术小节1第三章 3D模型处理技术13.1 Google Sketchup13.1.1 Google Sketchup的特点13.1.2 Google Sketchup与其它3D模型软件13.2 OGRE技术13.2.1 OGRE13.2.2 MOGRE13.3 碰撞检测技术1第四章 iLocate无线定位系统14.1 iLocate无线定位系统14.1.1 iLocate系统开发背景14.1.2 iLocate系统功能14.1.3 iLocate系统应用场景14.2 iLocate系统总体设计14.3 iLocateEngine模块14.3.1 总体设计14.3.2 坐标转换14.3.3 功能模块14.4 iLocateServer模块14.4.1 Logic模块14.4.2 iLocate通信协议14.5 iLocateClient模块14.5.1 Net模块14.5.2 MOGRE与MogreNewt模块14.5.3 碰撞检测插件14.5.4 GUI模块1第五章 iLocate无线定位系统实现15.1 iLocateEngine模块15.1.1 对外接口模块（Middleware for Location System）15.1.2 位置服务模块（Location Fusion System）15.2 iLocateServer模块15.2.1 网络连接的处理15.2.2 其它功能15.3 iLocateClient模块15.3.1 Net模块15.3.2 MOGRE与Kernel模块15.3.3 GUI模块1第六章 总结与展望16.1 论文小结16.1.1 本文背景16.1.2 本文工作16.2 工作展望1参 考 文 献1致 谢1第一章 绪 论1.1 无线定位技术1.1.1 无线定位技术无线定位技术通常指人们通过无线设备获取设备所处的地理坐标，以及对其在一定的地图范围内进行精确定位的技术。它又被称为移动定位(Mobile-Location)，无线电定位(Radio-Location)，或是地理定位(Geo-Location) 周武旸等, 2006。无线定位里有两个重要的概念：基站(Base Station)与移动站(Mobile Station) Ali et al, 2003。基站(Base Station)是指，位于固定位置的专门用户收发移动设备信号的通信站，它是进行无线定位的核心组成部分，多个基站组合即构成一个能够对移动设备进行准确定位的系统。移动站(Mobile Station)是指被定位对象，它可以是一个GPS定位设备、一部手机或是一个专用定位装置等。在进行无线定位时，我们可以有几种不同的选择，即无线定位工作可以是以下定位方式中的任意一种：基于方向的定位、基于距离的定位、基于指纹的定位等。基于方向的定位：基于方向的无线定位也称作Angle of Arrival (AOA)定位技术。该技术通过至少两个位于不同位置的基站(Base Station)对移动设备进行测量。测量开始时，以基站为原点，把经过基站的某一固定方向作为角的一边，将基站与移动设备相连形成的射线作为角的另外一边，由此可以确定出移动设备相对于基站的偏移角，当有两个基站时，两条偏移射线相交将会形成一个交点，该交点即为移动设备的准确位置。但如果移动设备恰好位于两个基站之间的直线上，两个基站将无法准确测出设备的位置，因此需要在第三个位置引入一个基站。因此，实际上，3个不在同一直线上的基站可以准确的获取在移动设备在任何位置上的实时信息。图1.1显示了基于方向的无线定位(AOA)的工作原理Ali et al, 2003：角度1角度2已知距离DBS1BS2被测物体图1.1 AOA工作原理基于距离的定位：因为电子波在空气中的传播速度即光速，因此我们可以通过无线信号从移动设备发出的时刻与无线信号被基站接收的时刻推算出移动设备与基站之间的距离，由该距离我们可以知道移动设备存在于距离基站一定距离的圆周上。当有2至3个基站存在时，我们可以确定出移动设备对应于每个基站的圆周，而这些圆周的交点即是移动设备的具体位置，因此完成对设备的准确定位。这种基于距离的无线定位方法又被称作Time of Arrival (TOA)方法，其工作原理类似于下图所示Ali et al, 2003：图1.2 TOA工作原理基于指纹的定位：基于指纹的定位方法，又称作射频指纹(Radio Frequency Fingerprinting)技术，相较于之前两种定位技术，射频指纹(RF Fingerprinting)是一种能够高精度进行无线设备定位的技术Kaveh, 2002。在进行设备定位之前，先建立起基于特定建筑物场所的WLAN覆盖区域信号热图，由于无线信号会因为距离远近以及墙壁等障碍物而出现信号衰减，因此在特定建筑物内的每一个特定区域都将有其特定的无线请好强度数据，无线定位系统首先根据这些不同的信号强度建立该区域的信号数据库，并为每一个位置标志上唯一性的指纹。当有无线设备进入该检测局域时，系统便能快速精确的确定出该设备的坐标信息RF指纹识别。射频指纹技术已经在一些领域得到了成熟的应用，比如跟踪无线电话语音的E911系统（参见1.3 无线定位技术的发展状况）和无线资产管理系统等。1.1.2 无线定位技术的发展状况在美国，自911事件后，政府主导推广了增强型911 (E911)系统，旨在让系统通过呼叫中的移动电话对呼叫者进行准确定位，以便及时提供救助。该服务适用于所有蜂窝系统和宽带个人通信业务，同时还适用于专用移动无线电(SMR)执照持有者。于此同时，在E911中担任核心角色的Spring PCS在获得批准后开始推行商用移动定位服务。同时在美国，UWB技术于21世纪初得到了美国军方开放的认可，基于UWB的短距离精确无线定位商用系统由此进入民间市场，并且得到了很好的应用，是国际上较早开发短距离精确无线定位商用系统的国家之一周武旸等, 2006。欧洲方面，自2003年1月1日起，政府便开始推行增强型112 (E112)。与E911类似，政府希望能够及时的为呼叫者提供准确定位，以便展开救助，欧洲政府还在E112中实现了对个人隐私和信息安全性的保证Kaveh, 2002。但是，无线定位的商业应用在欧洲却没有得到很有效的推广。处在亚洲的日本与韩国也属于无线定位的先驱国家之列。日本移动运营商NTT DoCoMo先后推出了基于GPSOne技术的DoCoNavi业务与i Area定位服务；韩国方面，移动运营商KTF继美国的Spring PCS与日本的KDDI之后，全球第三家提供了GPSOne业务，而KTF推出的Geleye手机在开阔的地方进行定位的精确度可以达到50m，并为手机用户提供了诸如“移动保镖(Mobile Bodyguard)”的个人安全服务方旭明等, 2004。在中国，移动运营商中国移动与中国联通比较早的开始了对移动定位业务市场的探索。中国移动在2001年展开了基于Cell-ID技术的移动定位业务试验，并于2003年初在“移动梦网”的GPRS业务中捆绑了定位功能。中国联通则通过在CDMA 1x网络中使用GPSOne技术为用户提供“定位之星”业务。“定位之星”业务基于移动终端的定位，结合地理信息系统(GIS)所提供的地图数据信息，向用户提供位置信息服务。它将GPSOne内置于CDMA手机芯片中实现定位功能，具有精度高（最高可达5m），定位时间段，耗电少等显著优点吴伟陵等, 2005。1.2 选题意义关于移动定位技术，除了中国移动与中国联通在精确无线定位上做出过较大范围的尝试以外，便少有其它产商针对该领域研制开发精确无线定位系统，对于国外比较成熟的市场来说，国内在短距离精确无线定位领域还处于相对落后甚至相对空白的地位。本文正是基于这样的背景，对无线定位技术进行了分析，并接着介绍了国内比较领先的移动定位系统iLocate无线定位系统。旨在通过对无线技术以及具体无线定位系统的介绍，来达到普及无线定位技术以及无线定位系统的目的。本文通过对iLocate无线定位系统的介绍，为国内在无线定位技术上相对落后的状况提出了一个发展的参考DONE公众定位系统, 2008。iLocate无线定位系统具有这样的功能：通过底层的UWB传感器获取移动物体的实时数据，并将该实时传送至iLocateEngine层；在iLocateEngine层中，实时数据被转换为统一的坐标格式，并传送至上层的iLocateServer；在iLocateServer中物体数据与模型被存储于数据库之中，iLocateServer通过与客户端建立连接进行模型与实时物体数据的传输；在iLocateClient层，模型与物体数据被实时渲染并显示出来，最终以3D或2D图像的形式呈现在客户端的PC机中DONE, 2008。无线定位技术应用前景广阔，而iLocate无线定位系统很好的弥补了国内在短距离精确无线定位上相对落后的状态，通过低成本与一体化的自主研发，形成了完善的无线定位系统，并较好地应用于实际项目之中，得到了较好的评价。1.3 本文的工作本文在分析了国内外移动定位技术的发展状况后，首先对无线通信及无线定位技术进行了介绍。描述了目前主流的无线通信技术，如GPS、UWB等，并简要介绍了它们各自的特点及应用场合。另外，在无线定位系统中，通常会使用到各种图像渲染与图像处理技术，为实时的图像显示提供支撑。本文还就Google Sketchup、OGRE、碰撞检测等技术的介绍与应用进行了阐述。接着本文提出了iLocate无线定位项目。iLocate无线定位系统是一个从硬件到软件的一体化解决方案，能够在户外及室内进行精确的移动物体定位。在设计中，iLocate系统被分为了iLocateEngine，iLocateServer，iLocateClient三个层次，本文阐述了每个层次的设计与概要实现。在iLocateClient中，阐述了Net模块、MOGRE模块、GUI模块的设计与实现；在iLocateServer中，阐述了Logic模块、Data模块、Utility模块、GUI模块等内容；在iLocateEngine中，要阐述了Transform模块、PlugIn模块、数据融合模块等内容。本文的组织结构如下：第一章 绪论 介绍了无线定位技术的概念，描述了当今无线定位技术在国内外的应用状况，并引出问题，说明了目前国内在短距离精确无线定位系统的应用中还不够成熟，缺乏完整的商用系统。第二章 无线定位相关技术 介绍了GPS、WLAN与UWB三种目前流行的无线标准，并说明了各自的特点与使用场合。说明了GPS在户内或高精度要求下无法准确定位的问题。解释了UWB的工作原理，并说明了UWB能够完成室内高精度的定位工作。第三章 3D模型处理技术 阐述了iLocate系统中使用到的Google Sketchup、OGRE图像渲染引擎、碰撞检测引擎等技术。阐述了Google Sketchup建模工具；对OGRE的设计与应用做了分析；并介绍了碰撞检测引擎的概念。第四章 iLocate无线定位系统 本章首先介绍了iLocate系统的项目背景、应用场景；然后对iLocate系统的整体框架及三个层次的具体设计进行了分别阐述。第五章 iLocate无线定位系统的实现 阐述了iLocate系统中iLocateEngine、iLocateServer、iLocateClient的具体实现。并给出了简要的系统运行效果。第六章 总结与展望 对论文期间所作工作进行了总结，分析了下一步的工作，并对无线定位系统的未来作了一个展望。第二章 无线定位相关技术2.1 GPS无线定位GPS（Global Positioning System）全球定位系统，又称作导航卫星定时与测距（Navigation Satellite Timing and Ranging），是由美国建立的基于卫星导航的精密定位系统。从1973年开始，GPS系统由美国国防部组织三军共同研制，并与1993年基本完成。利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和精密定位GPS, 2009。图2.1 GPS系统卫星图2.1.1 GPS的组成整个GPS系统主要由空间部分、地面控制部分与用户接收机三部分组成GPS org, 2009：空间部分：GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星组成，早先这些卫星被分成8颗一组，分布在3个不同的绕地轨道上，之后人们对这样的安排做了调整，最终将24颗卫星划分为6组，每组四颗，分布在6个不同的绕地轨道上，轨道平均高度为20200公里，不同轨道之间的倾角为55°。卫星运行周期约为11小时58分钟。GPS卫星轨道经过调整之后，能够保证在世界上几乎所有的地方都能够至少有6颗卫星处于地平线以上，即可见范围，最多时能达到12颗。这样布局从理论上可以保证GPS在地球上任何时间、任何地点对物体进行定位。加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS是一个全球性、全天候的连续实时的导航和定位系统。地面控制部分：GPS地面监控系统分布于全球范围，由1个主控站、5个监控站和3个注入站组成。主控站位于美国科罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，主控站根据各监控站对GPS的观测计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去，以调整偏离轨道的卫星至预订轨道，或启用备用卫星替代失效卫星等。监控站的作用负责接收卫星信号，监控卫星工作状态。注入站负责将主控站计算出的卫星星历和卫星改正数据注入到卫星中去。用户设备部分：GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机气象仪器等所组成）。它的作用是接受GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。2.1.2 GPS的定位方法GPS的定位方法有多种分类，大致可以有以下几种GPS org, 2009：1) 静态定位与动态定位静态定位：如果待定点相对于周围的固定点没有可以察觉的运动，或者运动十分缓慢以至于数月甚至数年才能反映出来，即认为这种待定点相对于地球坐标系是固定不动的，这种待定点的坐标确定方法称为静态定位。动态定位：车、船、飞机、航天器等物体在运动时通常需要知道他们的实时位置。通常在这些运动载体上安装GPS接收机，实时测得GPS接受信号天线所在的位置。这种对快速移动物体进行定位的方式就叫做动态定位，也是最常见并且应用广泛的定位方式。2) 绝对定位与相对定位绝对定位：绝对定位是确定独立待定点在地球坐标系中的位置的定位方式。相对定位：相对定位是确定同步跟踪相同GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的一种方法。由于采用同步观测，各个同步站获得信号的许多误差是相同的或大致相同的（如卫星时钟误差、星历误差、信号的大气传播误差等），可以消除或减弱这些误差，获得精确度相对高的相对位置。3) 伪距法与载波相位法伪距法Daly P., 1993：在使用伪距法定位时，接收机本机振荡产生于卫星发射信号相同的一组测距码（P码或C/A码），通过延迟器与接收机收到的信号进行比较，当两组信号彼此完全重合（相关）时，测出的本机信号延迟量即为卫星信号的传输时间，加上一系列的改正后乘以光速，得出卫星与天线相位中心的斜距。如果同时观测了四颗（或以上）卫星，即可以按距离交会法算出测站的位置和始终误差四个未知数。伪距发的测量精度相对较低。载波相位法：该方法是把载波作为测量信号，对载波进行量测，确定卫星信号和接受机参考信号的相位差，推算出相位观测值。然后采用和伪距法类似的原理，求出观测站的位置和时钟误差等。相对于伪距法，载波相位法拥有较高的测量精度。2.1.3 GPS的误差由于GPS自身的特点，我们在使用GPS进行定位时，会受到多种因素的影响，这使得GPS定位存在误差。关于GPS定位系统的误差，网络上已经存在详尽的分类与相关文献，本文此处不全部列出GPS误差, 2008，以下列出的是一些GPS定位中相对难以解决的部分：1) SA干扰误差SA误差是美国军方为了限制非特许用户利用GPS进行高精度定位而采用的江都系统精度的政策，简称SA政策，它包括降低广播星历精度的技术和在卫星基本频率上附件随机抖动的技术。实施SA技术后，SA误差已经成为影响GPS定位误差的最主要因素。虽然美国在2000年5月1日取消了SA，但是战时如果必要，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。2) 电离层折射在地球上空距地面50至100Km之间的电离层中，气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离，形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时，与其他电磁波一样，信号的路径要发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量的距离发生偏差。在改正电离层折射方面已经拥有比较有效的方式，如利用同步观测值求方差等方法，但是完全消除误差还拥有较大困难。3) 对流层折射对流层的高度为40Km以下的大气底层，其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的增加而降低。GPS信号通过对流层时，传播路径也会发生弯曲，从而使测量距离产生偏差。4) 接收机软件和硬件造成的误差在进行GPS定位时，定位结果还收受到诸如处理与控制软件和硬件的影响。改误差的大小取决于接收设备软硬件的具体实现，如果接收设备的软硬件平台不够理想，数据的误差将会对最终结果产生较大影响。5) 无法进行室内定位尽管GPS定位通过各种误差处理方式能够在很大程度上减小误差，但是由于GPS定位是基于太空中的卫星进行的，所有的定位均需要在卫星可见的视野中完成。因此，假如物体处在室内等卫星不可见的区域中时，GPS定位将无法发挥作用。这时，就需要有其它无线定位技术进行精确定位。本文将在2.2小节介绍可用于室内短距离精确定位的UWB无线定位技术。2.1.4 GPS定位技术小结GPS技术现今已经得到了广泛的认可与应用，但是GPS技术并不是万能的，相反，GPS定位拥有一些先天的盲区。在进行定位时，GPS系统完全依赖太空中的卫星提供信息，这就使得处于室内环境或者隐蔽环境下的物体难以得到准确定位。另外，如前面小节中所说，GPS系统存在固有的测量误差，并且有一些是难以彻底解决的误差，这也使得GPS定位技术在进一步提高自身定位精度的问题上存在较大的障碍，尤其是在室内的短距离精确定位系统的开发上，GPS显得更加无法满足需求Tom, 1998。作为GPS技术的补充，本文将在以下小节介绍适用于室内的短距离精确定位的UWB无线技术。2.2 UWB无线定位2.2.1 UWB无线技术UWB（Ultra Wideband）超带宽无线通信，又称作超带宽无线技术，是一种不用载波，而采用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲进行通信的通信技术，也称作脉冲无线电（Impulse Radio）、时域（Time Domain）或无载波（Carrier Free）通信。UWB的历史开始自20世纪60年代，当时主要研究为微波网络在面对时域脉冲所产生的瞬间行为。在Harmuth、Ross、以及Robbins等研究者的努力下，UWB技术在70年代有重大的发展，主要集中在雷达系统方面，具体包括穿地雷达系统等。到了1989年，美国国防部首次将脉冲无线电（Impulse Radio）更名为超带宽（Ultra Wideband）。自从1994年开始，美国关于UWB的研发工作开始在没有分类限制的状况下进行，这大幅增加了UWB的研发速度，同时也吸引了商业界对UWB应用的兴趣赛迪网, 2007。2002年2月，美国联邦通信委员会（FCC）批准了UWB技术用于民用，UWB的发展由此进入了民用与商用阶段。UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB使用的电波带宽为数GHz，与带宽20MHz左右的无线LAN相比，UWB利用的带宽高出数百倍。与普通二进制移相键控（BPSK）信号波形相比，UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。功率谱密度比之扩频信号（2.4GHz无线LAN低于10mW/MHz），UWB信号也低得多（低于10nW/MHz）。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。而且由于脉冲的时间宽度极小，能把多路径分得更小，能实现RAKE接收（汇集接收许多方向的电波）。通信速度为数百Mbit/s1Gbit/s，与高速有线LAN旗鼓相当。总得说来，UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。与普通二进制移相键控（BPSK）信号波形相比，UWB通信时并不利用余弦波进行载波调制UWB, 2009，而是发送许多小于1ns的脉冲，由此带来的好处是UWB可占用带宽非常宽。还由于UWB脉冲宽度在ns级别，脉冲覆盖的频谱可以从直流至GHz，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。因为UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF因此可以同时发射多个UWB信号。王金龙等, 2005。为进一步提高数据速率，UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法（Intriguing Signaling Method）。基于UWB的宽广频谱，FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距，金属探测，新一代WLAN和无线通信。为保护GPS，导航和军事通信频段，UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41dB发射功率ENET, 2007。2.2.2 UWB特点与发展状况UWB的特点具体来说，UWB拥有以下7个特点：1) 拥有宽带宽（系统容量大）UWB, 2009从香农公式C=Blog2(1+S/N)可以看出，带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。UWB使用的带宽在1GHz以上，高的可达几个GHz。并且UWB可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。在频率资源日益紧张的今天，UWB可以说是一个拥有良好使用前景的无线通信技术。2) 高速的数据传输UWB系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百Mbit/s（兆比特每秒）到Gbit/s（吉比特每秒）。3) 多径分辨能力强UWB技术综述, 2007UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径数据分量，所以能充分利用发射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达1030dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB。4) 隐蔽性好UWB保密性表现在两方面：一是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；二是UWB的频谱非常宽，能量密度非常低，用传统的接收机无法接收，因此保密性好。另一方面，由于能量密度低，UWB设备对于其他设备的干扰也非常低王金龙等, 2005。5) 定位精确冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级王金龙等, 2005。6) 抗干扰能力强UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE802.11a、 IEEE802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。一般来说，UWB抗干扰处理增益在50dB以上。7) 低成本和低功耗James et al, 2005无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此要消耗一定电能，而UWB信号无需载波，通过间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.201.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要5070mW的电源，是蓝牙技术的十分之一UWB技术综述, 2007。UWB的发展状况UWB技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一。由于UWB具有巨大的数据传输速率优势，同时受发射功率的限制，因此，短距离范围内的高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN的各种应用。UWB也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。总的说来，UWB的用途很多，主要分为军用和民用两个方面。在国际上，来自美国的XtremeSpectrun公司提供了能够达到100Mb/s以上传输速率，并且能够在各种设备之间进行无线音频、视频传输的UWB芯片组；Intel也于2000年成立了UWB研究实验室，并希望最终能够让UWB的短距离传输速率达到400500Mb/s，关于无线USB的概念，也是由Intel在基于UWB技术研究的基础上提出的；Time Domain公司利用UWB PPM技术，先后开发了三代PulsON芯片，推动了UWB技术的发展；Pulse Link公司在2003年第一季度推出了传输速率达400Mb/s的UWB芯片组；美国的Discrete Time公司也开发了多频段UWB技术，与单频段UWB相比，多频段UWB系统的每频段内可以用较低的速率发送信息，这降低了UWB的成本，具有较好的自适应性，可以与802.11a共存；另外，Cisco、Sony等公司都做出投入准备进入UWB无线数据通信市场。以上公司的努力