一种基于UWB的主动功率控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于UWB的主动功率控制方法。

背景技术

自动增益控制是限幅输出的一种，它利用线性放大和压缩放大的有效组合对信号功率进行调整。当弱信号输入时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输入信号达到一定强度时，启动压缩放大电路，使输出幅度降低。也就是说，自动增益控制功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度。

UWB即超宽带技术，它是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。传统的定位技术是根据信号强弱来判别物体位置，信号强弱受外界影响较大，因此定位出的物体位置与实际位置的误差也较大，定位精度不高，而UWB定位采用的宽带脉冲通讯技术，具备极强的抗干扰能力，使定位误差减小。UWB定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白，它具有对信道衰弱不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。

目前主流的功率控制方式为发送端发送固定的功率，接收端通过自动功率控制将信号调整到目标功率，由于受到成本以及复杂性的限制，接收端的自动功率控制只能在一定范围内对信号进行调整。通过UWB技术，发送端可以知道接收端与其的距离，从而可以自动调整发送功率，由原来只有接收端进行功率控制，变成了收发两端进行功率控制，通过两种两级功率控制的方式极大的提高了通信的可靠性以及通信距离，具有十分重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于UWB的主动功率控制方法，主从设备通过定期互相收发UWB信号，得到两者之间的距离信息，利用得到距离信息，对发送信号功率进行控制，使发送设备具有自适应调整发送功率的功能。通过该方法，使收发两端都具有功率动态调整的特征，不仅极大地提高了通信的成功率，增大了两者之间的通信距离，而且一定程度上有利于降低发送端的功耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于UWB的主动功率控制方法，包括以下步骤：

S1、主从设备中由执行主动功率控制的一方作为发起者，发送UWB信号，并记录发起者发送UWB信号的时间戳；

S2、响应者收到发起者发送UWB信号后，将响应者接收UWB信号的时间戳、响应者发送UWB信号的时间戳，以及响应者接收UWB信号的时间戳与响应者发送UWB信号的时间戳之间的时钟频率关系估计值封装在UWB信号帧中，并将UWB信号发送给发起者；

S3、发起者接收响应者发送的UWB信号，记录发起者收到UWB信号的时间戳，并解析UWB信号，得到响应者记录的时间戳，以及发起者收到UWB信号的时间戳和响应者记录的时间戳之间的时钟频率关系估计值；

S4、发起者根据发起者发送UWB信号的时间戳、响应者接收UWB信号的时间戳、响应者发送UWB信号的时间戳、发起者收到UWB信号的时间戳，以及发起者与响应者之间的时钟频率关系估计值，计算出发起者与响应者之间的距离值；

S5、发起者根据步骤S4中计算的距离值，计算出发送信号的目标功率值对应的控制字，根据控制字对发送功率进行调整。

优选的，步骤S1中，主从设备包括主设备和从设备，主设备和从设备均包括通信模块和UWB模块，并且均具有UWB信号的收发功能，通信模块与UWB模块为同源时钟。

优选的，步骤S2中，响应者在接收发起者发送的蓝牙、wifi、UWB信号时，会对接收信号进行载波频偏估计、采样偏差估计得到的收发两端的时钟频率关系，并对时钟频率关系进行滤波得到响应者接收UWB信号的时间戳与响应者发送UWB信号的时间戳之间的时钟频率关系估计值，具体方法如下：

δ'

其中，n表示响应者接收发起者发送信号对时钟频率关系估计的次数，δ'

优选的，步骤S4中，发起者收到UWB信号的时间戳和响应者记录的时间戳之间的时钟频率关系估计值计算方法为：

其中，δ'

发起者与响应者之间的距离值的计算方法如下：

其中，c为光速，T

优选的，步骤S5中，发起者根据距离值，计算出发送信号的目标功率值对应的控制字，根据控制字对发送功率进行调整，方法如下：

其中，G

因此，本发明采用上述一种基于UWB的主动功率控制方法，其技术效果如下：

(1)通过该方法，使收发两端都具有功率动态调整的特征，不仅极大地提高了通信的成功率，而且增大了两者之间的通信距离。

(2)基于发送端能够自适应控制发送功率，在一些通信条件比较好的情况下，发送端能够自主降低发送功率，有利于降低发送端的功耗。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种基于UWB的主动功率控制方法的数据处理流程图；

图2是本发明一种基于UWB的主动功率控制方法的UWB通信过程示意图；

图3是本发明一种基于UWB的主动功率控制方法的UWB帧结构示意图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

一种基于UWB的主动功率控制方法，主要用于两个设备进行无线通信，这两个设备为主从设备，包括主设备和从设备，主设备与从设备除了包含一些蓝牙、wifi通信模块外，都包含UWB模块，并且都具有UWB信号的收发功能，通信模块与UWB模块为同源时钟。

不管是主设备或者从设备，都可以作为发起者，发起者会通过UWB技术得到与响应者之间的距离信息，并利用距离信息进行发送功率调整。

图1为一种基于UWB的主动功率控制方法的数据处理流程图。其处理流程为：

1)主从设备中由想要执行主动功率控制的一方作为发起者，发送UWB信号并记录发送UWB信号的时间戳；2)响应者收到发起者发送UWB信号后，将收到UWB信号的时间戳、准备发送UWB信号的时间戳，以及两者之间的时钟频率关系估计值封装在UWB信号帧中，并将UWB信号发送给发起者；3)发起者接收响应者发送的UWB信号，记录收到UWB信号的时间戳，并解析UWB信号，得到响应者记录的时间戳，以及两者之间的时钟频率关系估计值；4)发起者根据所有时间戳，以及两者之间的时钟频率关系估计值，计算出两者之间的距离值；5)发起者根据距离值，计算出发送信号的目标功率值对应的控制字，根据控制字对发送功率进行调整。

如图1所示为本实施例的每一步的处理流程，该处理流程共包含5个步骤，具体如下：

步骤S101～S103进行UWB通信过程如图2所示。

S101：主从设备中由想要执行主动功率控制的一方作为发起者，发送UWB信号并记录发送UWB信号的时间戳。

UWB信号如图3所示，包含前导、起始帧分界符(SFD,Start of Frame Delimite)、帧控制头、数据四部分。

前导用于信号检测以及测距，起始帧分界符为前导结束并且帧控制头开始的分界符，帧控制头包含数据字段的一些编码以及调制等信息，数据为传输的数据。

发起者发送UWB信号的时间戳为T

需要说明的一点是，因为UWB与蓝牙、wifi使用的是不同的频段。因此，在进行UWB通信的过程，并不影响蓝牙、wifi通信。

S102：响应者收到发起者发送UWB信号后，将收到UWB信号的时间戳、准备发送UWB信号的时间戳，以及两者之间的时钟频率关系估计值封装在UWB信号帧中，并将UWB信号发送给发起者。

响应者收到UWB信号的时间戳为T

响应者发送UWB信号的时间戳为T

响应者与发送者之间的时钟频率关系估计值δ'

T

响应者与发送者之间的时钟频率关系估计值δ'

δ'

其中，n表示响应者接收发起者发送信号对时钟频率关系估计的次数，δ'

S103：发起者接收响应者发送的UWB信号，记录收到UWB信号的时间戳，并解析UWB信号，得到响应者记录的时间戳，以及两者之间的时钟频率关系估计值。

发起者接收UWB信号的时间戳为T

S104：发起者根据所有时间戳，以及两者之间的时钟频率关系估计值，计算出两者之间的距离值。

通过响应者估计的两者时钟频率关系估计值δ'

其中，δ'

两者之间的距离值的计算方法如下：

其中，c为光速，T

S105：发起者根据距离值，计算出发送信号的目标功率值对应的控制字，根据控制字对发送功率进行调整。

目标功率值对应的控制字的计算方法如下：

其中，G

因此，本发明采用上述一种基于UWB的主动功率控制方法，通过该方法，使收发两端都具有功率动态调整的特征，不仅极大地提高了通信的成功率，而且增大了两者之间的通信距离；基于发送端能够自适应控制发送功率，在一些通信条件比较好的情况下，发送端能够自主降低发送功率，有利于降低发送端的功耗。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。