室內環(huán)境下無線定位關鍵技術研究.pdf

1、近年來，由于計算機技術和無線通信技術的發(fā)展，情境感知服務正在由夢想變成現實，而服務對象的位置信息是最重要的環(huán)境參數之一。傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)(Globle Positioning System, GPS)以及蜂窩網絡定位技術，能夠為室外用戶提供較為精準的定位及導航服務。但是在室內環(huán)境中，由于家具、人員以及墻壁等障礙物的影響，使無線信號發(fā)生能量衰減、傳播速度以及方向變化，導致傳統(tǒng)的室外無線定位技術在室內環(huán)境中會產生比較大的誤差。由此，室內無

2、線定位技術成為近年的研究熱點，多種室內定位系統(tǒng)相繼研制成功，在商業(yè)、公共服務以及軍事領域得到了廣泛的應用。
　　影響室內無線定位精度的因素主要有兩個：一是信號的非視距傳播，二是信號的多徑傳播。為了解決以上兩個問題，本文對室內信道建模、位置參數感知以及定位算法三項室內定位的關鍵技術開展研究，提出了相應的解決方案，通過算法比較和仿真實驗，證明了所提方案的有效性。論文主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.將非視距和多徑信息加以利用，根據

3、室內布局圖，通過建立虛擬基站，提出了基于波達時間(Time of Arrival, TOA)和波達方向(Directon of Arrival, DOA)的室內無線信號傳輸的幾何模型。該模型考慮了直射、透射、反射和繞射等傳輸方式，將非視距條件下的定位問題轉化為視距條件下的定位問題。該模型不僅可以處理單重散射問題，也可以處理多重散射，以適應復雜的非視距環(huán)境。此外，提出了TOA、DOA聯合兩步最小二乘算法，根據虛擬路徑的TOA和DOA值，估

4、計出未知目標的位置。仿真結果表明，該方法在不同程度的非視距條件下，均達到了較高的定位精度，特別是處理多重散射的能力要好于已有的幾何學方法。
　　2.由于DOA估計需要陣列天線，系統(tǒng)硬件結構較為復雜，計算復雜度較高。針對信號在基站與移動終端之間傳播最多經歷一次反射或繞射的場合，提出了基于虛擬基站的TOA室內無線信號傳輸模型。由于該模型僅需要進行TOA測量，減少了DOA參數，與已有的相關幾何模型相比，在可接受的定位誤差范圍內，系統(tǒng)硬件

5、結構以及計算復雜度更為簡單。仿真結果表明，該方法在經歷一次反射或繞射的非視距環(huán)境中，達到了比較高的定位精度。
　　3.對以上兩種基于虛擬基站的信號模型進行性能分析，推導出了采用虛擬基站方法的克拉美羅下界(Cramer-Rao Lower Bound, CRLB)以及幾何精度因子(Geometric Dilution of Precision, GDOP)。
　　4.針對在快拍數有限的條件下，對寬帶線性調頻(chirp)多徑信

6、號進行高精度、高分辨率的DOA估計問題，提出了FrFT-IAA算法。該算法利用分數階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform, FrFT)，將適用于窄帶信號DOA估計的自適應迭代算法(Iterative Adaptive approach, IAA)擴展至寬帶chirp信號的DOA估計，并引入能量重心譜校正方法對估計結果進行校正。仿真結果表明，在快拍數很少的條件下，該方法的DOA估計的精度及分辨率均達到了較高