室內(nèi)環(huán)境下無線定位關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，由于計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，情境感知服務(wù)正在由夢想變成現(xiàn)實，而服務(wù)對象的位置信息是最重要的環(huán)境參數(shù)之一。傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)(Globle Positioning System, GPS)以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，能夠為室外用戶提供較為精準的定位及導(dǎo)航服務(wù)。但是在室內(nèi)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(dǎo)致傳統(tǒng)的室外無線定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中會產(chǎn)生比較大的誤差。由此，室內(nèi)無

2、線定位技術(shù)成為近年的研究熱點，多種室內(nèi)定位系統(tǒng)相繼研制成功，在商業(yè)、公共服務(wù)以及軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　影響室內(nèi)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(nèi)信道建模、位置參數(shù)感知以及定位算法三項室內(nèi)定位的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，提出了相應(yīng)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(jù)

3、室內(nèi)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(nèi)無線信號傳輸?shù)膸缀文Ｐ?。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(zhuǎn)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(yīng)復(fù)雜的非視距環(huán)境。此外，提出了TOA、DOA聯(lián)合兩步最小二乘算法，根據(jù)虛擬路徑的TOA和DOA值，估

4、計出未知目標的位置。仿真結(jié)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，計算復(fù)雜度較高。針對信號在基站與移動終端之間傳播最多經(jīng)歷一次反射或繞射的場合，提出了基于虛擬基站的TOA室內(nèi)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(shù)，與已有的相關(guān)幾何模型相比，在可接受的定位誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)硬件

5、結(jié)構(gòu)以及計算復(fù)雜度更為簡單。仿真結(jié)果表明，該方法在經(jīng)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(dǎo)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(shù)有限的條件下，對寬帶線性調(diào)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(shù)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(yīng)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(jié)果進行校正。仿真結(jié)果表明，在快拍數(shù)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