Millimetro：毫米波后向反射标签，用于精确的远距离定位

69Millimetro：用于精确、远距离定位的卡耐基梅隆大学esoltana@andrew.cmu.edu卡耐基梅隆大学aprabhak@andrew.cmu.edu卡耐基梅隆大学artur@cmu.edu马修·安德森大学加利福尼亚州伯克利mga@berkeley.edu摘要扬·M 拉巴伊大学加利福尼亚州伯克利jan@eecs.berkeley.edu卡内基梅隆大学arun@cmu.edu简介安东尼·罗卡内基梅隆大学agr@ece.cmu.edu本文介绍了Millimetro，一个超低功耗的标签，可以定位在高精度在扩展的距离。我们在自动驾驶的背景下开发虽然基于RF的定位提供了自然的解决方案，但是当前的超低功率定位系统难以在严格的延迟要求下在扩展范围内准确地操作。Millimetro通过重新使用以毫米波频率工作的现有汽车雷达来解决这一挑战，其中有充足的带宽可供使用，以确保高精度和低延迟。我们解决了关键的自由空间路径损耗问题所经历的信号从标签在毫米波波段的建设上的范阿塔阵列，回射入射能量朝向发射雷达以最小的损失和低功耗。我们的室内和室外实验结果表明，可扩展的系统，在理想的范围（超过100米），精度（厘米级），和超低功耗（3 uW）。关键词毫米波，后向散射，定位，后向反射标签，FMCW，汽车雷达ACM参考格式：放大图片作者：陈文辉，陈文辉，陈文辉.Rabaey，Swarun Kumar，and Anthony Rowe.2021年Millimetro：毫米波后向反射标签，用于精确的远距离定位。 在第27届移动计算和网络国际年会（ACM WEBCOM'21）上，2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良。ACM，纽约州纽约市，美国，14页。https://doi.org/10.1145/3447993.34486271引言“我们能否构建一个超低功耗标签，可以在长距离（例如超过百米）上以厘米级精确本地化？”虽然这样的标签可以使许多应用程序，我们*共同主要作者本作品采用知识共享署名国际4.0许可协议进行许可2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，ACM ISBN 978-1-4503-8342-4/21/10。https://doi.org/10.1145/3447993.3448627图1：Millimetro是一款超低功耗毫米波后向反射器，支持远距离精确定位。Millimetro通过将入射波定向反射回读取器获得长距离，并通过mmWave提供的大带宽专注于自动驾驶，车辆需要快速准确地定位长距离的数字车道标记、路标和其他路边基础设施即使今天由于这些系统（例如摄像机、激光雷达）和可视路边基础设施，这些系统容易受到诸如灰尘或碎片之类的障碍物以及诸如雨和雾之类的天气事件的影响。无线定位系统提供了一个自然的选择，因为它们对障碍物和恶劣天气具有弹性。然而，当前基于RF的标签定位解决方案在设备功耗和范围之间进行权衡一些解决方案，如GPS、WiFi和UWB是高功率的，需要频繁更换路边基础设施的电池其他基于RF反向散射的解决方案，如RFID，是超低功耗的，但范围仅限于5-10米左右虽然最近的反向散射进步已经寻求改善这些标签的范围，但是它们需要在延长的时间上的跳频或测量，这不适合于自主车辆上下文的低延迟要求我们在低延迟下的高精度设计限制自然使我们选择了在毫米波（mmWave）频段工作的解决方案毫米波频段提供连续的大带宽，可以以高数据速率探索-即不需要跳频，允许系统以低延迟运行。此外，我们可以重复使用基于毫米波的碰撞雷达，这些雷达已经成为全球汽车的主要产品，便于汽车原始设备制造商采用然而，核心挑战是毫米波因其70图2：Millimetro在确保高精度的同时，显著提升了当前超低功耗反向散射定位解决方案的范围。自由空间路径损耗显著[41]。当前的毫米波碰撞雷达仅仅依赖于大的目标雷达横截面目标的大表面积（例如，车辆大小的物体）然而，来自周围环境中的紧凑标签的反射将几乎检测不到。本文介绍了Millimetro，这是一种远程反向散射标签设计，可以相对于毫米波汽车雷达精确定位（如图1所示）。Millimetro此外，本发明还提供了一种方法，Millimetro标签设计是超低功耗（3千兆赫），每分辨率技术在阅读器，以实现准确的定位。我们展示了尽管在毫米波频率下工作，Millimetro如何实现超过100米的范围，同时在室内和室外提供厘米级的精确测距，并应用于自动驾驶、机器人等领域。图2展示了Millimeter如何在这3个轴上扩展最先进的定位技术因此，我们的设计做出了三个关键贡献：减少SNR损失的反向标签设计：我们首先解决了在毫米波下工作时出现的双重挑战，与sub-GHz频率相比，毫米波的路径损耗要高得多，同时使用具有较差雷达截面（RCS）的小形状因子标签。在发射器的功率预算内操作，一个天真的解决方案将是使用大型天线阵列使标签然而，这需要有源相控阵无线电和用于移动场景的恒定波束转向相反，我们保持标签无源，并使用Van Atta阵列实现方向性[49]。这种方法的灵感来自于嵌入在道路标志和车道标记中的无源光学回射器，其将来自前灯的光与光学不同，RF回复反射器允许在恶劣的环境、不同的照明和天气条件下工作Van Atta阵列是完全被动的，并将任何方向上到达的任何信号反射回其到达方向。这种反向性提供了所需的信号增益，解决了移动性和减少干扰，同时保持标签被动。异步标签读取器操作：在移动性（如自动驾驶汽车）和大规模（如工业物联网）的背景下，挑战之一是在存在大量雷达的情况下快速有效地定位标签的能力为了解决这个问题，我们使用一个完全异步的标签阅读器架构，不像RFID标签阅读器架构，其中介质访问协议用于处理并发的标签和阅读器。我们在标签上选择的反光Van Atta阵列允许每个阅读器同时获得2其自身发射信号的独特反射，允许多个雷达共存并定位标签，而不影响延迟。实际上此外，标签电路保持简单，有利于超低功耗。准确的标签识别和定位：虽然完全异步的标签阅读器架构提供了所需的低延迟，但它对标签识别和定位提出了新的挑战，因为雷达在扫描期间没有标签操作状态的概念这在诸如城市环境或杂乱的工业空间之类的多径丰富的环境中甚至更具挑战性为了解决这个问题，我们在Van Atta结构的顶部定义了一个时不变的调制方案，并建立在传统的雷达处理技术的基础上，以检测标签调制的独特签名，并使用超分辨率技术准确地定位它们标签编码调制还避免了附近的标签彼此干扰这允许以最小的延迟进一步扩展标签和读取器的数量，因为标签可以独立地和同时地通信，而无需与其他标签或读取器协调我们的系统是使用现成的毫米波雷达，工作在24 GHz，250MHz的带宽（概念上我们的系统也适用于77 GHz的雷达Millimetro是一种定制设计的24 GHz反向散射标签，具有VanAtta阵列和超低功耗电路等多种功能我们在室内和室外环境中评估了我们的系统，并表明Millimetro在100米的距离内实现了15厘米的毫米波-计算的功耗为2。36 mW，带连续标签调制在300Hz的频率下，同时在3V CR2032锂纽扣电池上运行，该电池与大多数电池的内部放电速率（给定CR2032容量的25.6年寿命）相当，并且可以从相同RF冲突域中的贡献：我们的核心技术贡献是：Millimetro是第一个超低功耗调制毫米波后向反射器的系统设计，在100米的距离上实现厘米精度我们提出了一种新的低延迟异步架构，以定位多个标签从多个读者。Millimetro在商用毫米波汽车雷达上实施和评估，并在室内和室外的概念验证部署中进行了演示2设计空间在本节中，我们首先定义了我们的动机，为回射解决方案，以解决功率与后向散射定位中的距离权衡然后，我们将解释其与毫米波技术的结合如何确保高定位精度，同时保持长距离，实现两全其美。2.1为什么要使用Van Atta逆向指示标签？在无线电传输中，相控阵列和智能天线已经是用于通过创建定向传输来增加接收信号功率并因此增加无线系统的操作范围的常规方法之然而，高功耗和···71/（− +）/【−（−）】[-（−）−（−）− −]|图3：Van Atta反向阵列是一种被动设计，可以反向反射任何入射波，平行于入射方向。波束控制和波束成形系统的复杂性使这种解决方案在低功率标签的设计这导致我们的反向性，仅使用模拟RF组件的能力，以反映入射信号的源方向，而没有任何先验知识的方向的到来后向性的概念来自角反射器，最初是为了远程雷达应用而提出的，例如通过在月球上安装这样的设备来进行月球激光测距[4]。角反射器使用正交金属片[13]将入射的无线电波沿着与入射波完全相同的方向反射回来。然而，这些无源反射器具有有限的功能并且体积庞大。随着高频电子器件的发展，RF后向反射器通过提供诸如信号调制的能力而变得更容易获得在无线通信系统中，实现后向性的方法有两种：相位共轭阵列和VanAtta阵列.相位共轭阵列：这些阵列使用外差技术[39]通过将输入信号与本地振荡器（LO）混频来使每个天线元件处的输入信号的相位这导致朝向源方向返回然而，这样的设计需要在RF和LO信号之间具有大的频率差的混频器电路，这使得阵列复杂、庞大并且功耗高–Van Atta阵列：Van Atta阵列是实现后向性的另一种方法，首次出现于1959年[49]。如图3所示，它们由天线阵列组成，天线阵列通过相等长度或长度差等于导波波长倍数的传输线对称成对连接该阵列中的每个天线既用作接收天线又用作发射天线。由每个天线接收的信号通过线路发射，并从相应的成对天线再辐射。在图3中观察到，每个天线及其对以镜像对称的方式布置第一个天线连接到最后一个，第二个连接到倒数第二个，等等。阵列和馈电网络的这种布置是故意的-当与入射波相比时，其结果是，所有入射到范阿塔阵列的能量只是沿着精确的入射方向反射回来与需要有源元件的相位共轭阵列不同，角度 ，相对相移为0 ，2 ，..，1，其中 = 2sin，并且 是元件间间距，并且是信号的引导波长。 由 天线接收的信号（ = 1，...， 通过传输线的长度，从相应的成对天线再辐射出去1，导致额外相移2（见Fig. （3）第三章。由于其间的连接传输线被设计为具有相等的长度λ/2（或相差波长的倍数），因此由于所有这些线引起的相移实际上相等。结果，我们可以看到从阵列辐射出的信号将具有1 ， 2 ，..，与入射信号相比为2μ m、1μ m、0。我们利用Van Atta阵列的这一特性，通过确保接收信号沿阅读器的方向专门聚焦来增加接收信号强度，从而增加反向散射系统的工作范围。稍后我们将详细介绍如何在保持超低功耗的同时将调制添加到Van Atta结构中。2.2为什么选择毫米波背向散射？精确的测距和定位需要高带宽以获得高时间分辨率。然而，宽ISM频带在较低频率中不可用最近的工作试图通过使用信道拼接和跳频技术来解决这个问题[33，36]，以跳跃延迟为代价来模拟更宽的带宽然而，对于这个问题，更恰当的长期解决方案是利用毫米波频段中的大的连续多GHz未授权带宽更重要的是，这些频率中的信号的短波长使得能够以小的形状因子实现大的天线这可以显著地改善Van Atta后向阵列的性能，因为它允许改善反向散射设备的信号SNR和雷达截面，而不损失与常规天线阵列相对的角孔径。因此，Van Atta阵列和毫米波工作频率的组合实现了长距离和低功耗（Van Atta的特性）以及精确定位和紧凑的外形（毫米波的特性）-将两种系统的最佳特性结合在虽然与较低频率相比，毫米波频段的自由空间路径损耗更高（我们通过反向方向性解决的问题），但应该注意的是，它们确实受益于反向散射背景下标签的更强反射，这在一定程度上减轻了我们的挑战。要了解原因，请注意，反向散射系统主要依靠切换标签处的输入阻抗来创建两个状态并调制反向散射信号。在每个阻抗状态下，标签呈现一定的雷达截面（RCS），并且最大化两个状态的差分RCS允许标签检测和识别的更大容易性。基于加载天线RCS [13]，反向散射标签的雷达截面，表示为42 2阵列可以完全使用无源元件来设计，��� =���2个|Γ���λ2与波长成反比������，使其非常适合于低功率反向散射。Van Atta阵列的简要数学入门为了理解无源Van Atta阵列的后向性，让我们考虑一个如图1所示3.第三章。 考虑在一个接收端接收的信号，，两种状态的反射系数，其中λ是标签天线的孔径效率，λ是标签的物理面积 对于固定有效孔径、更高频率的操作提供了反向散射信号可检测性的显著372−图4：系统概述3系统概述我们提出了一种新的后向散射定位系统，它使用毫米波后向反射器和调频连续波（FMCW）雷达，以实现远距离和准确的后向散射定位。Millimetro定位系统的概述如图4所示。 标签连续调制和回射任何入射信号，然后由FMCW MIMO雷达识别和定位。雷达发射快速线性调频信号（以调频的形式），每个信号占用毫米波频率范围内可用的整个ISM频带（例如，24 GHz中的250 MHz带宽然后，它接收发射信号的回波，并在本地分析该回波，以识别和定位标签。Millimetro然而，这种协议依赖于多标签多读取器场景中的时间复用，导致显著增加的延迟。此外，在诸如自动驾驶的动态设置中，读者及时地彼此协调更具挑战性在这里，我们利用反向方向性作为替代标签阅读器架构的机会在这个设计中，我们使标签的能量源独立于反向散射定位系统。标签连续调制独立于读取器操作的任何入射信号。这大大简化了标签电路，不需要任何计算逻辑，包络检测器或解码组件，使其低功耗，适合规模部署。此外，由于具有反向指向性，标签可以通过最小化潜在干扰同时响应多个读取器，从而实现并发的多标签多读取器操作。然而，标签的连续操作对实现超低功耗的标签设计提出了新的挑战第4.2节详细介绍了Millimetro总之，Millimetro由两个主要组件组成，以满足上述所需特性（低功耗、远距离和精确定位）：超低功耗逆向标签：Millimetro利用Van Atta阵列来增加标签的工作范围，而无需复杂和高功率组件。与毫米波信号的短波长相结合，毫米波标签配备了大型但紧凑的Van Atta阵列，以进一步提高后向散射的后向性，而不减少角孔径。然而，毫米波信号的显著路径损耗可能导致高的4多径环境中的带内干扰。第4节解释了Millimetro如何利用逆反射调制来增加后向散射信号的差分雷达截面，从而提高标签的可检测性。单源超分辨率标签定位：Millimetro利用商用FMCW MIMO雷达，通过估计后向反射信号的距离和角度特性来提供单点定位。毫米波雷达通过在距离-多普勒域中搜索Van Atta调制的唯一签名来识别标签然而，距离和角度分辨率仍然受到啁啾带宽和接收天线数目的限制第5节讨论了Millimetro超分辨率技术，以微调标签回射的范围和角度估计并执行定位。4毫米标签架构4.1逆向范阿塔设计如图1所示，最简单的Millimetro标签由一对通过传输线相互连接的天线组成。RF开关被放置在线路内，以通过将信号引导到产生回射的成对天线或引导到负载以破坏回射性来调制回射信号。虽然这是最紧凑和简单的毫米波标签版本，但更精细的多天线设计可以权衡额外的空间，以提高雷达横截面和范围。因此，我们的Millimetro设计建立在线性Van Atta结构上，阵列的每个元件都是4元件线性串联馈电贴片阵列，以获得额外增益（见图5）。这使得我们能够保持一个大的波束宽度沿平面的后向性，同时补偿波束宽度的正交平面，以增加整体天线增益。此外，串联馈电贴片阵元具有高增益，可以用最少的调制元件数获得最大的RCS每个Van Atta元件上的贴片后面都有一个四分之一波Transformer，以提供高S11特性。Van Atta阵列中的传输线是影响后向性的另一个重要因素每个馈线网络相对于其他线路的感应相位延迟（从1到1/2，相对于2到1/2，等等）应该相同。这在理论上可以通过选择与波长成比例的线长度来然而，当在每条传输线的中间为了满足这一要求，我们将每条线分成两部分，从每个天线到开关，并调整每条线段的长度，··730（）下一页图5：Millimetro标签使用由RF开关调制的Van Atta阵列结构，RF开关由运行在纽扣电池上的低功率微控制器控制。天线对的相应部分在中心频率中遇到类似的相移（如图10b所示）。检测标签的主要挑战之一是标签和读取器的随机功能雷达没有标签何时开始调制的概念，并且标签很可能在啁啾的中间切换，从而导致损坏的反射信号。此外，在多径丰富的环境中，雷达必须处理由于环境中的其他反射（诸如从雷达到标签的二阶反射，反之亦然）而引起的大动态范围Millimetro利用最先进的信号处理解决方案来应对这一挑战。在下一节中，我们首先解释Millimetro如何利用频域中开关键控调制的独特属性来识别标签，然后详细说明Millimetro5.1标签识别在雷达处对接收信号进行下啁啾并在采样频率下进行模数转换之后，4.2反向反射信号的调制反向散射调制是用于标签识别和编码增益的常规方法之一，其通常通过使用可以被建模为( )= sin(4中国（1）振幅、相位或频率调制。完全异步的标签阅读器架构对功耗既有正面影响也有负面影响。一方面，这使得标签没有任何计算逻辑或耗电组件，如移相器，包络检测器，解码器，或高频振荡器。但在其中，λ是信号的幅度，λ是样本取，00是光速，00是到目标的距离。 在存在附着到目标的有源标签的情况下，开关键控表现为具有开关频率的方波。������������������=1/ ���������������另一方面，这种异步操作需要标签在任何时间对任何入射信号连续地执行调制（���）=���si n（4������������）·。∞������������2(���−���������������ℎ− 0)(2)������������������ℎ导致更高的功耗。为了优化这种权衡，我们选择了一种高能效的调制方案，使标签能够连续运行调制，同时消耗低至2。扫描和定位延迟为38毫秒。在潜在的调制方案中，传统的开关键控最适合于Van Atta结构，因为它可以简单地通过插入在每个Van Atta传输线内的无源超低功率RF开关来当开关处于导通状态时，入射波通过传输线，导致朝向信号方向的高返回场当开关处于关断状态时，两个天线都被匹配负载端接，通过产生接近零的返回信号来破坏后向性这使开关RCS最大化，从而导致更高的可探测性。与PIN二极管相比，我们选用GaAs 吸收式单刀双掷（SPDT）射频开关，因为它具有较低的功耗。此外，开关的非反射配置允许在关断状态下两个天线的同时负载匹配下一节将详细说明在标签和雷达之间没有任何时间同步的情况下，Millimetro如何识别标签调制5毫米波Millimetro利用商用FMCW MIMO雷达来识别和定位标签。在操作期间，雷达发射多个啁啾，每个啁啾占用整个可用带宽。在雷达的视场中存在有源标签的情况下，标签处的入射信号被调制并朝向雷达回射雷达在其天线阵列处接收该信号，并将其乘以发射信号，从而产生差中频（IF）信号。然后分析IF信号以识别标签回射并提取相应的距离和方位信息。5=−∞其中FMCW0表示随机时移，因为FMCW芯片和标签切换不同步，并且由于标签和读取器的异步操作而不为雷达所知。为了解决这个问题，Millimetro在频域中执行标签检测和定位，以创建标签调制的时不变签名在操作过程中，毫米波雷达触发一帧内的超快啁啾，并记录中频信号。然后，它使用第一啁啾的接收信号作为背景减除的参考这允许在自主应用中消除来自周围物体（诸如路标本身或附近的汽车）的主要多径反射。应该注意的是，标签识别仅依赖于由于标签调制而产生的差分RCS，该差分RCS即使在背景减除之后也将被保留最后，我们对帧内的每个线性调频脉冲执行2维傅里叶变换，以估计信道的距离FFT图因此，调制的标签信号出现在标签的对应距离仓处的FFT输出FFT输出的快照如图6所示，位于标签所在的7μ m距离区间然而，由于标签和阅读器的异步操作，随机时移仍然存在于啁啾为了消除这种偏移，我们执行另一种称为距离多普勒的FFT操作，该操作将啁啾上的方波转换为具有等于调制频率的主频率分量距离-多普勒图中标签调制的独特签名也允许我们将标签反射与其他动态反射区分开。因此，Millimetro通过匹配过滤预期的sinc模板来������跨范围条格的最大值（最小���������������值）������(���������������������������������ℎ)=���������((2��� ��� ���������������ℎ ))(3)���74∗()罪（）下一页.图6：Millimetro Reader分析一系列FMCW啁啾，使用模板匹配搜索标签调制，识别标签，然后使用FFT和MUSIC算法的组合对其进行定位其中，是标签���������������是一个周期平方函数，而λ是对应于雷达啁啾重复频率的啁啾采样时间然而，在多径丰富的环境中，雷达可以接收回射标签信号的多于一个副本（即，从环境中的强反射器到达标签的二阶反射），并且匹配滤波可以导致多径信号比标签和读取器之间的直接路径为了避免这种混淆，Millimetro定义了一个阈值，并选择通过相关阈值的最短距离仓应该注意的是，阈值定义了定位精度和虚警之间的权衡，这在评估部分中进行了研究类似地，可以通过使用接收天线之间的相位差在方位平面中识别标签Millimetro对所有接收天线执行距离-多普勒处理。多普勒-FFT的每个峰值包含包括Millimetro标签的每个反射的相位信息因此，在天线序列上的离散FFT产生在对应标签位置处具有峰值的距离-角度图（如图6所示）。移动性：在标签或雷达移动的移动场景因此，从标签接收的信号表现为由于Millimetro依赖于从标签到雷达的直接回射，因此诸如周围汽车之类的物体不会影响匹配过滤过程然而，这种动态路径可能导致模糊，因为这些反射的多普勒频率也出现在第二FFT中。Millimetro通过以下方式避免这种模糊性：（1）将调制频率定义为离移动车辆的多普勒频率范围足够远，（2）基于sinc模板而不是主要频率分量定义匹配滤波器直觉是，由于移动周围物体引起的多普勒频移是距离-多普勒图中的单个频率分量，而标签开关键控表现为具有已知频率中的谐波的sinc函数调制速率与线性调频持续时间与功率：注意标签调制速率是雷 达 啁 啾 持 续 时 间 和 标 签 功 率 预 算 的 函 数 。 一 方 面 ，Millimetro至少需要接收完整的调制周期而没有线性调频破坏来检测标签。另一方面，调制速率应与标签处的可用功率预算成比例因此，我们将标签调制频率定义为其中，λ是雷达啁啾持续时间，λ是常数标量在最坏的情况下，每次标签切换都可能导致损坏的啁啾，则通过选择λ>3，Millimetro可以保证在每个帧中接收至少一个全标签调制在本文中，我们定义了150−350 kHz量级的调制，���4∞���������( )=(������0( +���) )·中国（2（−−0）������������������周期约为3 - 10毫秒。=−∞���������������ℎ（四）5.2单源标签本地化其中，λ是相对多普勒速度，λ是线性调频脉冲持续时间。因此，可以通过细化匹配滤波模板来简单地将Millimetro扩展到移动场景，以考虑预期的多普勒速度，������(���������������������������������ℎ, )=���������[(2��� ������������������ℎ )·���������(2 (2 ������/ 0) ��� ��� )]������其中，RF是发射信号的中心频率Millimetro为相应的标签调制频率和预期的多普勒速度 定义2D模板矩阵，并选择在距离-多普勒图的距离仓之间具有最高相关性的最小值和最小值元组。������������������应当指出的是，其他移动设备6为了在物理空间中定位标签，可以通过利用雷达处的天线阵列来范围和角度的组合允许Millimetro从单个有利位置定位标签，结合毫米波MIMO雷达的小尺寸，这使得Millimetro能够在城市传感、工业物联网或增强现实等各种应用中用作便携式反向散射定位系统虽然在前一节中解释的标签识别模块提供了标签到目标的距离和方位角的粗略估计（五））753/2图7：表征与不同开关频率对应的sinc模板函数之间相关程度的Gram矩阵雷达，基于FFT的估计的分辨率在多径丰富的环境中是有限的另一方面，超分辨率技术（如MUSIC [53]）以高计算开销为代价提供更高的分辨率为了解决这个问题，我们使用从识别过程中的粗略估计作为标签的范围和方位角的初始估计，以限制搜索空间，并通过使用超分辨率算法来啁啾内的采样信号可以写为：图8：Millimetro标签原型可以被分配使得没有峰冲突。对于更密集的部署，我们放宽了标准，允许第一个峰值（2个峰值）发生冲突，并确保后续峰值（2个峰值3个峰值，2个峰值5个峰值）������������这将标准更改为2Δ>2，从而允许更多的切换。 ���频率。 这样我们就可以随着越来越多的标签被部署而放宽标准。对于=256，松弛第一峰碰撞给我们67个频率，松弛第二峰碰撞给我们106个频率。图7示出了革兰氏矩阵，基本上是交叉校正。选择切换（.���cos（2������），���= 0.���−1（6）频率根据我们的标准。按照设计，我们观察到存在高自相关和低互相关。注意到=1其中， 是啁啾中的样本总数， =是每个啁啾的斜率 ，是啁啾带宽，和是目标的复振幅和时延 。当信号由天线元件阵列收集时，还观察到空间采样，导致时间延迟中的新分量，表示为������=���（ ���+sin ���），���= 0. −1（7）式中，λ1和λ 2是目标的距离和方位角 ，λ2是光速，λ3是天线阵间距，λ4是接收天线的数量���因此，可以定义2D MUSIC[53]算法用于联合距离-方位角微调。标签的距离和方位角的初始基于FFT的估计还允许将搜索空间限制到标签位置并且避免伪多径估计。最后，距离和角度估计可用于在2D物理空间中直接定位标签在雷达仰角平面上存在天线阵的情况下，该公式可以扩展到距离、方位角和仰角的3D联合估计5.3并发操作Millimetro多个标签：Millimetro直觉是，不同的调制速率表现为距离-多普勒轮廓中具有不同频率分量的sinc函数换句话说，在频率为100Hz 时切换将导致sinc函数在2 kHz、2 kHz 、3 kHz、2kHz、5 kHz等处出现峰值���������������为了避免冲突，两个不同的开关频率必须达到峰值在距离为整数的仓中，即2Δ>2。���该条件足以确保没有峰值与其它开关频率的峰值冲突对于频率=256，最多24个开关频率7只有当它们被部署在相同的附近时，才需要选择唯一切换频率的多个标签。彼此远离的标签仍然可以具有相同的开关频率。我们假设标签的调制频率在部署时基于每个区域中存在的标签的数量多个读取器：Millimetro标签的后向性功能密集的雷达（由Van Atta结构中的元素数量定义）仍然会受到一些干扰。然而，雷达的异步操作以及发射信号的啁啾结构的组合显著地降低了两个雷达同时发送相同频率的概率在7.5节中，我们评估了存在多个有源雷达时的定位性能。6执行我 们 使 用 商 用 毫 米 波 MIMO 雷 达 ADI TinyRad[2] 实 现 了Millimetro，该雷达工作频率为24 GHz，带宽为250 MHz，最大功率输出为8 kHz。该雷达集成了4个机载接收天线和2个发射天线。在此实现中，我们仅使用其中一个发射无线电链路，在整个250 MHz带宽上发送FMCW啁啾，并在Rx 1-Rx 4处对接收信号进行采样这种配置仅提供2D定位，然而，通过使用2D MIMO雷达，Millimetro可以轻松扩展到3D此外，Millimetro的架构与工作频率无关，可以扩展到77 GHz，提供更大的接收到的信号以1 MHz采样，并使用MATLAB捕获，直接从板上轮询数据。6.1Millimetro标签原型我们开发了多个反光标签原型，如图8所示。我们的第一个设计采用ADRF 5027 [1] RF开关评估76×(a) 天线波束方向图（b）S11参数图9：Millimetro天线原型(a)Van Atta原型（b）阶段（c）Van Atta增益图10：Van Atta微基准测试套件由一个ATmega328P微控制器和2个现成的微带贴片天线，每个天线在一个2 8阵列供电天线连接到交换机的RFC和RF1端口，形成2元件Van Atta阵列，而RF2端接50Ω电容，用于开关键控调制。 我们在第7节的所有评估中都使用这个原型。下一个原型是优化的功率效率。如图8所示，它由MACOM[5]的GaAs SPDT RF开关组成，位于Rogers RO4350B基板顶部，使用接地共面波导（GCPW）和2.92连接器互连定制设计的天线（图9和10）Texas Instruments的MSP430FR5994微控制器用于控制RF开关。我们有两个版本的这个板（见图10a）-一个专门用于2元素的Van Atta阵列，另一个模块化设计，允许从1到4元素的阵列完全集成版本的Millimetro标签可以设计成比信用卡稍大。请注意，由于两个天线在关断状态下的端接电阻均为50Ω，因此开关在馈线中的位置并不重要我们选择将开关定位在传输线的拐角处，以最大限度地减少沿传输线的广角转弯为了实现第4.1节中讨论的期望的后向性，我们匹配天线对上的相应传输线段的相位。图10 b使用单端口反射系数测量值演示了24.125 GHz时的相同此外，图10c显示了不同尺寸的Van Atta阵列的预期再辐射场[13]如所预期的，对于与由天线定义的波束图案成比例的更大数量的元件，反向增益增加在具有多个射频开关的Van Atta结构中，应特别注意射频开关控制迹线，以确保同时激活。如图10a所示，我们使用长度受控差分对来互连微控制器和RF开关，以确保相同的传播延迟。具有4个或更多个天线元件对的设计将受益于遵循控制信号的星形分布以及相同的迹线长度。8图11：实验在四个具有不同多径复杂度和范围的环境中进行。6.2功耗我们的一个关键设计挑战是尽量减少标签的能源消耗。许多高频RF开关需要消耗大量功率来保持线性度，但MACOM RF开关[5]在我们的频段内工作，典型功耗小于1 kHz。我们将其与MSP430FR5994微控制器[7]配对，该微控制器在整个电池电压范围内工作，因此不需要电压调节器。使用单个定时器域来产生PWM信号，并通过使用PWM信号的两个边沿来控制两个输出引脚通过使用专门的定时器子系统，微控制器，troller保持在低功耗睡眠模式（LPM 4）与内部低功耗低频振荡器运行和RF开关main-taining其打开或关闭状态。定时器子系统将定期触发并自动改变射频开关的状态整个过程的改变射频开关的状态和耗尽引脚和痕迹的内部电容cess需要约500毫安。因此，标签的总功耗取决于开关状态改变的数量 对于每秒300、600、700、900、1100个状态变化的速率，我们测量到的平均功耗为2。三十六，二。53，2。六十一岁，二、71和2。使用Keysight N6784A源测量单元（SMU）。如果与小尺寸的3英寸CR2032锂纽扣电池（235英寸������）配对，我们预测该标签可以提供连续运行，20.1至25.6年，假设效率为75%且无电池放电当然，这种电池的保质期约为10年，之后制造商无法保证其性能[3]。或者，这个量的功率可以很容易地由许多能量收集甚至原子源提供[6]。7评价我们在四种不同的环境中部署我们的系统：（1）没有汽车的开放式停车场，（2）多路径丰富的街道，（3）有屋顶的停车场，有多辆汽车围绕标签和雷达，（4）有长长的走廊，金属箱子和很多的室内办公室环境77××图12：实验装置的快照在标签和雷达附近的家具，代表了一个多路径丰富的室内环境。标签的位置和超过150个雷达位置如图11所示，标签和雷达设置的快照如图12所示。对于室内实验，我们将啁啾持续时间设置为150 μ s，每帧256个啁啾这导致最大可探测距离为37米（在具有真实数据的雷达上）。对于室外实验，我们将啁啾持续时间增加到1ms，每帧64个啁啾，以保证300 m的最大检测范围在每个实验中，每个测试位置收集100帧。对于大多数这些实验，如果没有特别提到，我们使用的2元素范阿塔结构与2 8贴片天线阵列在每个元素。基线：我们的基线是一个其他相同的反向散射标签与常规散射天线，而不是反向天线阵列。我们通过在两个系统上使用相同的定位和检测算法来我们无法比较Millimetro在文献中，由于有限的公共设计细节和高工程工作涉及复制他们正确。需要注意的是，Millimetro标签与类似mmWave标签的主要区别在于超低功耗，使用第6.2节中提供的标称值可进行比较。地面实况：为了在较短的范围内（最大40米）收集地面实况，我们使用60 60Aruco标记和安装在雷达顶部的摄像机，如图11所示。 在距离超过40米的地方，标记器不起作用，我们使用了激光测距仪和地砖的组合。7.1定位性能我们在多路径丰富的室内和开放的室外空间的所有实验的定位精度进行评估由于距离和方位估计误差的分布在扩展范围内是不同的，我们从Millimetro分别估计这两个参数的性能如图13a所示，在室内和室外设置中，中值范围误差为15 cm90%的身高是60厘米室内的主要区别而室外实验则在前10���个百分位数，结果显示室内实验的尾部较长这主要是由多径传播引起的，特别是在狭窄的走廊中。图13b呈现方位角估计误差。通过利用雷达与商用雷达的标称方位分辨率（约20度[2]）相比，Millimetro的超分辨率算法已经提高了在 很 大 程 度 上 提 高 了 角 度 估 计 的 准 确 性 然 而 ， 考 虑 到Millimetro的扩展操作范围，方位角误差估计可能对2D定位具有显著不同的影响9不同范围的误差例如，对于在5、10、20或100 m的范围处的目标，2度的方位角误差分别导致0.17、0.35、0.7、3.5 m的2D然而，考虑到雷达的移动性和定位中的Millimetro的低延迟，可以使用随时间的聚合标签读数以及卡尔曼滤波器技术来提高定位精度。此外，在包括自动驾驶、机器人或工业室内的许多应用应该注意的是，雷达接收天线的数量因此，通过简单地使用具有较大阵列的雷达，特别是在具有小形状因子的天线的毫米波频带中，可以进一步提高该分辨率尽管如此，为了完整性，我们还在图13c中提供了室外和室内实验中的2D定位精度，其示出了开放空间室外实验中22 cm的中值精度和多径丰富室内空间中56 cm的中值精度。如前所述，该图中的长尾是较长范围内方位角误差的影响7.2操作范围接下来，我们评估Millimetro为了更好地理解Millimetro的后向性对扩展工作范围的影响 我们在室外开放空间和室内办公空间重复实验，以在图11所示的类似测试位置进行基线。为了公平的比较，我们在这两种方法之间保持所有其他参数相同，包括调制方案和本地化算法。图14a示出了在不同距离上与该基线相比的Millimetro的检测率我们可以看到，Millimetro在100米范围内保持90%以上的检测率，在200米以上的范围内逐渐下降到20%以下。这是因为基线方法在超过40米的范围内受到显著影响，并且在超过100米的范围内下降到0%的检测率。这表明了在获得长距离操作中后向性的重要性。影响工作范围的其他因素是Van Atta阵列的大小以及标签处的天线增益然而，这定义了需要基于应用需求考虑的角度视场和覆盖范围之间的权衡图14 b和14 c显示了中位数以及第10和第90百分位数毫米波的误差是与雷达距离的函数这些图表明，Millimetro在高达100 m的不同距离上将中值距离误差保持在10-20 cm，并且将方位估计保持在5-10度。然而，当移动到更长的范围时，范围和方位角离群值误差都增加，导致更长的误差条。这是由于SNR在较长距离处下降，这又降