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密集多径环境下UWB无线传感器网络节点三维定位方法研究

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密集多径环境下UWB无线传感器网络节点三维定位方法研究

作者：段宏宇吉林大学

学位级别：硕士

利用UWB信号特有的优势，无线传感器网络（wireless sensor networks,WSN）节点定位技术被应用在地震信号测量、土壤检测、军事勘察和医疗监控等方面，正悄然改变着人们生活的方式。本文研究了密集多径环境下基于到达时间（time of arr... 详细信息

利用UWB信号特有的优势，无线传感器网络（wireless sensor networks,WSN）节点定位技术被应用在地震信号测量、土壤检测、军事勘察和医疗监控等方面，正悄然改变着人们生活的方式。本文研究了密集多径环境下基于到达时间（time of arrival, TOA）估计的UWB无线传感器网络节点定位问题，所考虑的环境为障碍物较多且传播路径受风、雨、雪等自然环境影响的情况。实现WSN节点定位技术重要的一步就是如何测量目标信号节点到已知节点之间的距离，本文参考雷达中阈值检测的恒虚警率（constant false alarm rate, CFAR）算法，用于检测密集多径环境下首先超过阈值门限的TOA估计值。在此基础上，再利用无线定位算法对WSN节点进行定位。在TOA估计方面，传统的基于阈值的方法一般仅考虑背景噪声服从高斯分布的情况，且多数采用基于能量的检测手段。这些方法虽然可以在一定程度上检测出TOA值，但是由于检测门限固定，在低SNR时TOA估计会带来很大误差。另外，在WSN定位方面，传统算法大多数都在二维平面进行定位，定位精度有限。论文首先对传统的高斯噪声背景下的三种基于能量检测的阈值TOA估计算法进行了研究，并且通过仿真实验分析了算法性能。针对传统算法的不足，本文对基于TOA估计的WSN节点定位方法进行了改进，所做创新性工作如下：针对传统算法的背景噪声分布单一、无法确切地表示密集多径环境下噪声的数学分布模型的缺陷，提出Weibull噪声背景下基于ML-CFAR（maximumlikelihood-constant false alarm rate）的WSN三维节点定位方法。该方法适合于密集多径且背景噪声服从Weibull分布的环境。仿真验证了ML-CFAR算法能很好估计出超过门限的第一径TOA值，但该算法必须基于ML算法事先估测出噪声的平均水平，当样本数少时TOA估计值有一定误差。针对传统能量检测算法和ML-CFAR算法的缺陷，进一步提出了一种Weibull噪声背景下基于CA-CFAR（cell averaging-constant false alarm rate）的WSN三维节点定位方法。该算法提取出一部分噪声单元作为参考单元，且加入比例因子T，这样确定出的阈值门限能够动态地自适应背景噪声水平的变化。仿真表明，该算法估计出的TOA值误差较小。针对传统WSN节点定位算法仅能定位在二维平面，无法在三维空间的缺陷，提出将传统的Taylor级数展开算法扩展到三维空间中对节点进行定位，在锚节点位置合理、个数合适的情况下，算法定位效果较好，定位误差较小。

关键词：无线传感器网络密集多径阈值 TOA估计 CFAR 三维节点定位 Weibull分布

超宽带通信系统室内密集多径信道模型识别与参数估计

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超宽带通信系统室内密集多径信道模型识别与参数估计

作者：谢晓娇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超宽带通信系统因其具有高数据率、低功率谱密度、短时间脉冲等优点,被广泛的应用于民生、军事等多个领域。超宽带信号由于其带宽较宽,同时室内环境场景狭小、障碍物较多,故会呈现密集多径信现象,为信道模型的识别与估计造成了困难。随... 详细信息

超宽带通信系统因其具有高数据率、低功率谱密度、短时间脉冲等优点,被广泛的应用于民生、军事等多个领域。超宽带信号由于其带宽较宽,同时室内环境场景狭小、障碍物较多,故会呈现密集多径信现象,为信道模型的识别与估计造成了困难。随着机器学习和人工智能革命的兴起,人工智能在无线通信领域的应用越来越广泛。本文提出了基于神经网络的信道模型识别与信噪比估计的方法,并将已识别出的信道模型和信噪比作为先验知识,改进了基于压缩感知理论的信道估计算法的参数选择,并基于估计结果设计了Rake接收机。本文在超宽带室内密集多径信道方面主要研究了三个内容,分别是信道模型识别、信噪比估计和信道参数估计。首先针对基于支持向量机的6种传统信道特征参量对信道模型分类正确率较低的问题,本文提出了基于神经网络的信道模型识别方法,该方法依托于IEEE802.15.4a信道模型,利用Gegenbauer多项式构造的正交脉冲作为发射信号,仿真生成接收信号作为训练测试集,分析了卷积神经网络在实现信道模型识别时应选取的结构和参数,并对搭建好的网络进行训练测试,得到了较高的分类准确率。其次提出了基于神经网络的信噪比估计的方法,构建了卷积神经网络和循环神经网络,分析对比了两者在信噪比估计方面的性能优劣,仿真实验结果表明,循环神经网络在信噪比估计方面性能较好。将已识别出的信道模型作为先验知识应用于神经网络,对比测试了在是否已知信道模型情况下信噪比估计的准确度,证明了已知信道模型对提高信噪比估计准确率有所帮助。再次改进了基于压缩感知理论的信道参数估计方法。将已知的信道模型和信噪比应用于信道参数估计,分析了导频数在不同信道模型不同信噪比情况下对估计误差的影响,实现了参数自适应的信道估计方法,提高了信道参数估计的效率。将信道参数估计的结果应用于Rake接收机的设计,得到了较低的误码率。本文提出的超宽带通信系统室内密集多径信道模型识别与参数估计方法,分别基于神经网络和压缩感知算法,逐级应用已获得的结论作为先验知识,相比较传统方法而言,减少了人工干预因素,取得了较好的结果。

关键词：超宽带密集多径信道模型识别信噪比估计信道估计

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测距平面约束下投影巷道空间的扩频定位方法

煤炭学报 2017年第5期42卷 1339-1345页

作者：孙继平蒋恩松中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

扩频测距是实现TOA定位的一种重要方式,在矿井环境下,由于密集多径的影响,其所测量数据具有非零均值的正向误差,严重影响目标的定位精度。针对这一问题,在研究井下巷道扩频测距正向偏差产生机制的基础上,提出一种测距平面约束下投影巷... 详细信息

扩频测距是实现TOA定位的一种重要方式,在矿井环境下,由于密集多径的影响,其所测量数据具有非零均值的正向误差,严重影响目标的定位精度。针对这一问题,在研究井下巷道扩频测距正向偏差产生机制的基础上,提出一种测距平面约束下投影巷道空间的定位方法,以巷道延伸方向为x轴,巷道宽方向为y轴,建立测距平面,由于矿井巷道是狭长链状的,可以忽略定位目标在巷道内横截面上的信息,只关心定位目标在巷道内x方向上的位置信息,因此方法采用向x方向投影实现移动目标的一维定位,并充分利用y方向的冗余信息对定位目标点在测距平面上加以约束以使得x方向的估计值向真实值趋近,同时测距偏移误差转移到定位目标点的y方向,显著优化了x方向的定位精度。试验结果表明,该方法能够统一NLOS与LOS定位场景,不但在巷道方向上可获得零均值误差的定位估计值,而且能有效抑制测距系统的随机误差。

关键词：巷道扩频定位非零均值密集多径测距平面非视距

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单载波超宽带系统的时域分数级分集方法

清华大学学报（自然科学版） 2019年第9期59卷 729-736页

作者：李博华裴玉奎清华大学电子工程系北京100084 清华大学北京信息科学与技术国家研究中心北京100084 清华大学宇航技术研究中心北京100084 深圳清华大学研究院深圳518057

单载波超宽带(SC-UWB)系统存在长时延密集多径,严重影响系统性能。传统信道均衡方法的均衡效果不够理想,而传统分集方法的硬件复杂度高且数据冗余量大。该文提出一种单载波频域均衡(SC-FDE)与时域分数级分集联合设计方法,以对抗超宽带(U... 详细信息

单载波超宽带(SC-UWB)系统存在长时延密集多径,严重影响系统性能。传统信道均衡方法的均衡效果不够理想,而传统分集方法的硬件复杂度高且数据冗余量大。该文提出一种单载波频域均衡(SC-FDE)与时域分数级分集联合设计方法,以对抗超宽带(UWB)系统的复杂密集多径。该方法在发端为两个或多个信息支路配备一个分集支路;收端先进行SC-FDE,然后将信息支路和分集支路得到的均衡结果进行基于后验概率的分集合并或低复杂度的等增益分集合并,最终恢复出原始数据。该方法具有单天线、低冗余的特点,仅需1.5倍或更低倍数的分集,即可取得良好的分集增益。仿真结果表明:在误码率为10-3下,该方法与SC-FDE相比有3dB的分集增益。

关键词：单载波超宽带(SC-UWB) 密集多径单载波频域均衡(SC-FDE) 时域分数级分集后验概率低复杂度

一种自适应直扩超宽带(DS-UWB)接收机在高速无线室内传输环境中的性能

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电子与信息学报 2006年第3期28卷 424-428页

作者：梁中华朱世华王绍鹏西安交通大学电子与信息工程学院西安710049

该文提出了一种基于可变长训练序列的自适应直扩超宽带(DS-UWB)接收机。该接收机充分利用自适应 NLMS算法在收敛性、复杂度及稳定性方面的综合优势,以较小的训练开销实现了自适应接收机的功能。理论分析及计算机仿真实验表明,在误码性... 详细信息

该文提出了一种基于可变长训练序列的自适应直扩超宽带(DS-UWB)接收机。该接收机充分利用自适应 NLMS算法在收敛性、复杂度及稳定性方面的综合优势,以较小的训练开销实现了自适应接收机的功能。理论分析及计算机仿真实验表明,在误码性能相当的前提下,所提出的自适应接收机比传统的Rake接收机具有更为简单的结构,同时与现有的自适应接收机相比,其训练序列的开销可节省60％以上,因而适用于低功率、低成本以及简易实用的室内超宽带应用场合。

关键词：无线通信超宽带(UWB) 密集多径自适应

一种基于特殊训练序列的TH-UWB信号同步捕获算法

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黑龙江大学自然科学学报 2007年第5期24卷 567-571,575页

作者：杨莘元毕晓艳李一兵殷潜哈尔滨工程大学信息与通信工程学院哈尔滨150001

超宽带信号的快速同步捕获是实现UWB系统的一个重大挑战。提出了一种基于特殊训练序列的同步捕获算法,它只需对接收信号进行符号速率的积分清洗运算,然后根据信号的依次截取实现同步参数的搜索估计。该算法有效地提高了密集多径信道下... 详细信息

超宽带信号的快速同步捕获是实现UWB系统的一个重大挑战。提出了一种基于特殊训练序列的同步捕获算法,它只需对接收信号进行符号速率的积分清洗运算,然后根据信号的依次截取实现同步参数的搜索估计。该算法有效地提高了密集多径信道下极窄脉冲能量捕获,并且降低了运算复杂度和同步捕获时间。通过计算机仿真评估了在密集多径信道下,训练序列长度对捕获精度和系统误码性能的影响,以及捕获性能、系统误码性能与信噪比的变化关系。仿真实验表明,在训练序列长度为16、32时误码性能曲线和理想同步情况下已十分接近。这说明与传统的数据辅助算法相比,该算法只需要较短的训练序列就可以实现较理想的系统性能,从而提高了系统的带宽利用率。

关键词：超宽带同步捕获训练序列密集多径

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一种TH-UWB信号同步捕获算法研究

微计算机信息 2007年第21期23卷 91-92,84页

作者：毕晓艳杨莘元李一兵殷潜哈尔滨工程大学信息与通信工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对跳时超宽带(TH-UWB)系统,提出了一种基于特殊训练序列的同步捕获算法,该算法使用宽度为一个信息符号的滑动时间窗对接收信号依次截取,通过设计一种特殊的训练序列使得相邻两段截取信号的相关值仅与时间窗的滑动时延有关,然后利用这... 详细信息

针对跳时超宽带(TH-UWB)系统,提出了一种基于特殊训练序列的同步捕获算法,该算法使用宽度为一个信息符号的滑动时间窗对接收信号依次截取,通过设计一种特殊的训练序列使得相邻两段截取信号的相关值仅与时间窗的滑动时延有关,然后利用这种滑动搜索来实现同步捕获参数的估计。这种算法能够有效地捕获密集多径信道下极窄脉冲的能量,并且降低了运算复杂度和同步捕获时间。结果表明,在训练序列长度为16、32时误码性能曲线和理想同步情况下十分接近。

关键词：超宽带同步捕获训练序列密集多径

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PAM-UWB系统同步技术研究

PAM-UWB系统同步技术研究

作者：曾伟哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

超宽带脉冲通信由于其优良独特的技术特性，正越来越受到通信学术界和产业界的重视，并且也为社会各界所关注，将会在小范围和室内大容量高速率无线多媒体通信、雷达、精密定位、穿墙透地探测、成像和测量等领域获得日益广泛的应用。本... 详细信息

超宽带脉冲通信由于其优良独特的技术特性，正越来越受到通信学术界和产业界的重视，并且也为社会各界所关注，将会在小范围和室内大容量高速率无线多媒体通信、雷达、精密定位、穿墙透地探测、成像和测量等领域获得日益广泛的应用。本文首先研究了同步误差对超宽带系统误码率的影响。主要研究了同步捕获误差在单个滑动相关器的直接路径信道、Rake接收机在密集多径信道中能量捕获能力和稳定性。其次，研究了基于搜索的同步捕获算法。针对UWB特有的脉冲信号，研究了一种具有同步跟踪功能的超宽带系统同步方案。最后，研究了基于估计的同步捕获算法。研究了数据辅助ML估计方法，对数据辅助ML同步捕获的方法和规则进行了阐释。利用符号或帧速率来进行同步捕获，导出了与信道振幅无关的密集多径下同步捕获的广义似然比率测试(GLRT)，来估计出现在符号位的有效信号增益。对GLRT前导序列的优化设计进行了详细的论述。

关键词： PAM-UWB 密集多径同步捕获

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超宽带系统若干关键问题研究

超宽带系统若干关键问题研究

作者：丁海洋北京工业大学

学位级别：硕士

近几年来,超宽带(Ultra-wideband简称UWB)技术得到了研究机构和工业界越来越广泛的关注。UWB技术采用超短脉冲发射技术(纳秒乃至皮秒量级),占用的频谱可达几个GHz,这使得其在短距离内可达到几百兆比特的传输速率[1-4],该技术因此而非常... 详细信息

近几年来,超宽带(Ultra-wideband简称UWB)技术得到了研究机构和工业界越来越广泛的关注。UWB技术采用超短脉冲发射技术(纳秒乃至皮秒量级),占用的频谱可达几个GHz,这使得其在短距离内可达到几百兆比特的传输速率[1-4],该技术因此而非常适于近距离高速无线个人域网[2](WPAN)。同时,由于UWB技术本身的特点,很多传统通信技术(如分集技术,调制技术等)在应用于UWB系统时性能发生了改变,为此需要重新评估这些技术在UWB系统中的适用性和可靠性。本文的工作主要分为以下几部分内容。1.采用标准高斯近似法及其改进方法对密集多径信道下(IEEE 802.15.3a CM1超宽带标准信道[1,2])多用户直扩-双相调制(Direct-Sequence Spread-Spectrum Binary Phase Shift Keying,简称DSSS-BPSK或DS-BPSK)超宽带系统的误码性能进行分析。首先由标准高斯近似法得到影响系统误码性能的几个关键因素。在此基础上证明改进型高斯近似法(Improved Gassian Approximation,简称IGA)在本文所述系统中的适用性,并利用其简化算法(Simplified IGA,简称SIGA)得到简洁的误码率近似表达式。进而通过蒙特卡罗仿真验证上述误码率近似表达式的正确性。此外,本文还比较了几种常见脉冲,常见伪随机码对系统误码率的影响,并对最优脉冲的设计进行了初步探讨。2.根据UWB密集多径信道的特点,提出了“复合对数正态随机变量”的概念。在此基础上,提出了一种新的对对数正态随机变量和的统计特性进行近似的方法,该方法对变量的分布参数和变量间的相关特性没有任何限制,且精度较已有方法有了进一步的提高。进而利用该法对复合对数正态信道下双集接收机(dual diversity receiver)的中断概率(Outage Probability)(分别采用最大比组合Maximal Ratio Combining和等增益组合Equal Gain Combining)进行了分析,并得到了精度较高的结果。此外,实验结果表明本文建议方法对多对数正态随机变量和的情况也适用,且精度很高。3.在IEEE802.15.3a UWB室内信道模型基础上,采用几种常见的RAKE分集接收方式,在考虑符号间串扰情况下对不同传输速率的BPSK调制信号进行了系统性能仿真实验。通过实验,得到了两种典型UWB信道中(0-4m视距和

关键词：超宽带密集多径误码率中断概率双分集对数正态分布