IR-UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域，而節(jié)點(diǎn)定位是其開展應(yīng)用的前提。IR-UWB由于其高精度測(cè)距能力和低硬件復(fù)雜度等特點(diǎn)，已成為最適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)。在IR-UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為充分利用IR-UWB的強(qiáng)時(shí)間分辨力，定位使用基于TOA估計(jì)的測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　本文對(duì)IR-UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究?；趯?duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，指出了已有研究中定位系統(tǒng)的三大模塊（測(cè)距模塊、NLO

2、S處理模塊及定位模塊）在各自的內(nèi)在機(jī)理及外在交互上均存在問(wèn)題與不足。本文的研究旨在改進(jìn)這些問(wèn)題與不足，一定程度上完善IR-UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)距與定位理論體系。研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面：
　　第一，對(duì)測(cè)距模塊內(nèi)TOA估計(jì)算法的研究。提出了I-CLEAN-GML、ED- TC-MMR、兩步法及MF-TC-JM這四種適用情況不同的TOA估計(jì)算法。I— CLEAN-GML算法改進(jìn)自CLEAN-GML算法，通過(guò)循環(huán)相關(guān)檢測(cè)獲得接收信號(hào)

3、中直達(dá)徑DP的位置，相比原算法此算法在流程上進(jìn)行了較大優(yōu)化，能最大程度挖掘IR-UWB的精確測(cè)距能力，適合于未來(lái)硬件水平發(fā)展足夠以后的WSN座用，而當(dāng)前其結(jié)果亦可作為對(duì)其他算法研究時(shí)的性能參考基準(zhǔn)。ED- TC-MMR算法是一種基于能量檢測(cè)的非相干TOA估計(jì)算法，其中算法的檢測(cè)門限依據(jù)從能量采樣序列中提取的MMR值得到了優(yōu)化設(shè)置，此算法在所有信噪比范圍內(nèi)均能獲得優(yōu)于其他已有的幾種非相干TOA估計(jì)算法的性能，適用于當(dāng)前硬件水平較差、對(duì)測(cè)距

4、精度要求不是特別高的WSN應(yīng)用。兩步法結(jié)合使用了能量檢測(cè)與相關(guān)檢測(cè)，第一步使用能量檢測(cè)從能量采樣序列中檢測(cè)到DP所在的能量塊，然后第二步通過(guò)相關(guān)檢測(cè)獲得DP在已檢測(cè)到的能量塊內(nèi)的精確位置，此算法能以較低的運(yùn)算復(fù)雜度獲得高于ED-TC-MMR算法的測(cè)距精度，適用于硬件能力足夠、對(duì)測(cè)距精度有較高要求的WSN應(yīng)用。MF-TC- JM算法直接從接收信號(hào)的匹配濾波輸出檢測(cè)到DP的位置，其中檢測(cè)門限依據(jù)匹配濾波輸出的峭度和均方根時(shí)延擴(kuò)展所組成的復(fù)合

5、參量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置，此算法的運(yùn)算量比兩步法稍大、但精度有所提高，即折衷策略對(duì)測(cè)距精度是有所傾向的，它可與兩步法一起為尋求折衷策略的WSN應(yīng)用提供測(cè)距解決方案。對(duì)于ED-TC-MMR算法，還將其應(yīng)用到了哈工大深圳研究生院所研制的一套IR-UWB樣機(jī)平臺(tái)上，通過(guò)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)ED-TC-MMR算法的正確性進(jìn)一步驗(yàn)證，并考察該樣機(jī)平臺(tái)在現(xiàn)有配置下的測(cè)距能力。
　　第二，對(duì)測(cè)距模塊的源端影響因素與輸出端結(jié)果可信度衡量的研究。源端影響因素即發(fā)射

6、端系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，這些系統(tǒng)參數(shù)主要包括測(cè)距脈沖的波形、帶寬及發(fā)送間隔。本文首先從理論上對(duì)各參數(shù)的影響趨勢(shì)作了定性預(yù)測(cè)，然后在IEEE802.15.4a信道環(huán)境下通過(guò)大量仿真對(duì)影響情況作定量考察；討論過(guò)程中同時(shí)考慮了基于相干機(jī)制和基于非相干機(jī)制的測(cè)距以使得結(jié)論更具一般性。對(duì)輸出端TOA估計(jì)結(jié)果進(jìn)行可信度衡量的目的在于將可信度信息提供給定位模塊可進(jìn)一步提高最終的定位精度，本文的衡量手段是依據(jù)直接決定TOA估計(jì)精度的門限設(shè)置參量對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行

7、可信度分級(jí)，并為各級(jí)別的估計(jì)誤差建立概率密度模型。
　　第三，對(duì)NLOS問(wèn)題處理方法的研究。NLOS效應(yīng)是密集多徑條件下影響測(cè)距精度的主要因素之一，本文從兩個(gè)思路對(duì)NLOS問(wèn)題的處理進(jìn)行了研究：一是對(duì)信道的NLOS狀態(tài)進(jìn)行鑒別，二是估計(jì)出NLOS誤差的量值。所提出的NLOS狀態(tài)鑒別方法不依賴于信道估計(jì)，直接從接收信號(hào)的截取段中提取采祥序列的首均比與峰均比乘積作為鑒別參量，然后使用似然比檢驗(yàn)方法判斷出信道狀態(tài)。所提出的NLOS誤差量

8、值估計(jì)方法以路徑損耗模型為理論基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)接收信號(hào)中的DP和MCP兩條單徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。這兩種思路各有所長(zhǎng)，前者易于實(shí)現(xiàn)，后者更直接有效，實(shí)際應(yīng)用中可視具體情況選用。
　　第四，對(duì)定位模塊內(nèi)單節(jié)點(diǎn)定位算法和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同定位方案的研究。單節(jié)點(diǎn)定位是網(wǎng)絡(luò)定位的基礎(chǔ)，本文建立了一體化的測(cè)距與定位平臺(tái)用于對(duì)單節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行研究，定位算法所使用的距離估計(jì)結(jié)果來(lái)源于測(cè)距模塊對(duì)測(cè)距接收信號(hào)的處理（而非使用特定的概率密度模型隨機(jī)產(chǎn)生），且考慮了對(duì)測(cè)距結(jié)