基于LTE信号的灾后环境下的信道建模与定位算法研究

作     者：姜铁增 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘雯

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：LTE信号 灾后搜救 信道建模 定位算法 

摘      要：自然灾害时刻影响着人们的生命安全,如何在灾后搜救工作中快速完成伤员定位更是重中之重。基于移动信号的定位技术因其基础设施完善、可快速布设基站的特性在灾后搜救领域有着不错的发展前景。手机随身携带率和LTE手机使用率逐年升高,LTE相比GSM和CDMA有着更大的带宽同时使用了MIMO技术提高了时延估计的精度,使用OFDM技术提升了抗多径和符号间干扰的能力,因此LTE信号已可作为一种灾后搜救资源。针对灾后环境下LTE信号的信道建模与定位技术的研究较少,而灾后环境下LTE频段的信道模型需要实地测量,定位精度受到灾后非视距环境的影响严重等问题,对LTE频段的信道进行了建模与实地测量,取得的研究成果如下:1)对灾后环境的信道建模进行了研究,提出了一种普适的信道衰落模型。对大尺度衰落模型与小尺度衰落中的多径信道冲激响应模型进行了建模,使用基于空间平滑的ESPRIT算法估计了信道参数并进行了参数拟合,得出了标准化多径时延符合指数分布,其幅值符合高斯分布的结论。得到了基于空间平滑的ESPRIT算法相比于AR模型法和ESPRIT参数估计方法在模型阶数和归一化均方根误差方面评价更高的结论。基于两种实际灾后环境建立了针对LTE信号频段的多径冲激响应模型,可以模拟灾后场景下的信道模型。另外获得的三种参数的概率分布可以用于非视距识别,降低非视距对测量值的影响,对位置精确解算有着重要的作用。2)提出了一种TDOA精确估计算法,减弱了非视距造成的影响,经过仿真验证了其性能。提出了一种基于非视距误差识别和抑制的定位算法,该方法先使用基于峰度、平均超量时延和均方根时延扩展参数的似然比率测试法进行非视距识别,之后进行了 TDOA精确估计以抑制非视距误差,再将TDOA测量值带入EFIR滤波算法中求解位置,相比其他算法以牺牲计算时间为代价得到了更好的定位精度。本文基于LTE信号频段对灾后层叠和混乱倒塌环境进行了信道建模,大尺度衰落模型的误差在2dB以内,小尺度多径冲激响应模型的评价指标平均超量时延、均方根时延扩展和峰度等参数与实际测得参数的误差在9%以内,可用于模拟两种倒塌情况下的信道。使用两种倒塌环境的数据对提出的算法进行了仿真,相比非视距识别、抑制后使用EKF算法和进行非视距识别后使用加权最小二乘算法以N倍计算时间为代价降低了非视距误差的影响,定位误差在两种灾后场景中降低了约20%-3 0%。