IR-UWB無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點定位的關鍵技術研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡能夠應用到國計民生的各個領域，而節(jié)點定位是其開展應用的前提。IR-UWB由于其高精度測距能力和低硬件復雜度等特點，已成為最適合無線傳感器網(wǎng)絡的物理層技術。在IR-UWB無線傳感器網(wǎng)絡中，為充分利用IR-UWB的強時間分辨力，定位使用基于TOA估計的測距來實現(xiàn)。
　　本文對IR-UWB無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點定位的關鍵技術進行了較為系統(tǒng)的研究?；趯鴥?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（測距模塊、NLO

2、S處理模塊及定位模塊）在各自的內(nèi)在機理及外在交互上均存在問題與不足。本文的研究旨在改進這些問題與不足，一定程度上完善IR-UWB無線傳感器網(wǎng)絡中的測距與定位理論體系。研究內(nèi)容包括以下幾方面：
　　第一，對測距模塊內(nèi)TOA估計算法的研究。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估計算法。I— CLEAN-GML算法改進自CLEAN-GML算法，通過循環(huán)相關檢測獲得接收信號

3、中直達徑DP的位置，相比原算法此算法在流程上進行了較大優(yōu)化，能最大程度挖掘IR-UWB的精確測距能力，適合于未來硬件水平發(fā)展足夠以后的WSN座用，而當前其結果亦可作為對其他算法研究時的性能參考基準。ED- TC-MMR算法是一種基于能量檢測的非相干TOA估計算法，其中算法的檢測門限依據(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估計算法的性能，適用于當前硬件水平較差、對測距

4、精度要求不是特別高的WSN應用。兩步法結合使用了能量檢測與相關檢測，第一步使用能量檢測從能量采樣序列中檢測到DP所在的能量塊，然后第二步通過相關檢測獲得DP在已檢測到的能量塊內(nèi)的精確位置，此算法能以較低的運算復雜度獲得高于ED-TC-MMR算法的測距精度，適用于硬件能力足夠、對測距精度有較高要求的WSN應用。MF-TC- JM算法直接從接收信號的匹配濾波輸出檢測到DP的位置，其中檢測門限依據(jù)匹配濾波輸出的峭度和均方根時延擴展所組成的復合

5、參量進行了優(yōu)化設置，此算法的運算量比兩步法稍大、但精度有所提高，即折衷策略對測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應用提供測距解決方案。對于ED-TC-MMR算法，還將其應用到了哈工大深圳研究生院所研制的一套IR-UWB樣機平臺上，通過實測實驗對ED-TC-MMR算法的正確性進一步驗證，并考察該樣機平臺在現(xiàn)有配置下的測距能力。
　　第二，對測距模塊的源端影響因素與輸出端結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)的設置，這些系統(tǒng)參數(shù)主要包括測距脈沖的波形、帶寬及發(fā)送間隔。本文首先從理論上對各參數(shù)的影響趨勢作了定性預測，然后在IEEE802.15.4a信道環(huán)境下通過大量仿真對影響情況作定量考察；討論過程中同時考慮了基于相干機制和基于非相干機制的測距以使得結論更具一般性。對輸出端TOA估計結果進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估計精度的門限設置參量對估計結果進行

7、可信度分級，并為各級別的估計誤差建立概率密度模型。
　　第三，對NLOS問題處理方法的研究。NLOS效應是密集多徑條件下影響測距精度的主要因素之一，本文從兩個思路對NLOS問題的處理進行了研究：一是對信道的NLOS狀態(tài)進行鑒別，二是估計出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，直接從接收信號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方法判斷出信道狀態(tài)。所提出的NLOS誤差量

8、值估計方法以路徑損耗模型為理論基礎，通過檢測接收信號中的DP和MCP兩條單徑來實現(xiàn)。這兩種思路各有所長，前者易于實現(xiàn)，后者更直接有效，實際應用中可視具體情況選用。
　　第四，對定位模塊內(nèi)單節(jié)點定位算法和網(wǎng)絡協(xié)同定位方案的研究。單節(jié)點定位是網(wǎng)絡定位的基礎，本文建立了一體化的測距與定位平臺用于對單節(jié)點定位算法進行研究，定位算法所使用的距離估計結果來源于測距模塊對測距接收信號的處理（而非使用特定的概率密度模型隨機產(chǎn)生），且考慮了對測距結