（通信与信息系统专业论文）基于ieee802154a标准的超宽带定位技术的研究.pdf

摘要 摘要 自二十世纪九十年代以来无线网络和移动通信技术经过高速成长，已经被人们广泛使用：近年 来用户对于不同业务的需求成为对可移动终端定位研究的重要驱动力量，并使无线网络中的可移动 终端定位问题成为研究的热点之一与此同时逐渐成熟的超宽带( u w b ) 技术得到了人们的关注， 基带窄脉冲方式超宽带系统中独特的发送窄脉冲可以大幅提高定位系统的分辨率，具有更好的定位 性能；实际运用中随着超宽带系统组网范围的扩大。其定位功能具有广阔的应用前景。因而已经被 e e e 所关注并制定相应的标准。 本学位论文就是针对i e e e s 0 2 1 5 4 a 标准下基带窄脉冲方式超宽带定位技术的研究，主要研究内 容包括定位方式的选择、定位算法的选择和在此基础上的性能仿真分析。 本文主要分为六章，主要按照研究工作开展的顺序相应的做出介绍。 第一章主要对目前的各种无线网络进行简单的介绍，然后介绍了u w b 系统相关概念和特点并 分析了超宽带定位技术的运用前景，最后介绍了本文各章节的安排。 第二章介绍i e e e 8 0 2 1 5 4 a 标准下u w b 系统的信道模型，为整个研究奠定了基础。 第三章分析i e e e 8 0 2 1 5 4 a 定位工作小组提出的各种定位方式并比较选择了t d o a 方式作为 定位研究方向。 第四章介绍了传统蜂窝系统中定位算法，选择了有代表性几种方法详细分析。 第五章建立基带脉冲方式超宽带定位系统的结构模型，提出了相应的t d o a 值得测量方法，并 采用已选择的方法进行仿真和分析 第六章是对本文工作的总结与下一步工作方向的展望。 脉冲方式的超宽带定位技术定位精度很高，具有其独特的应用前景，正在快速发展之中。本文 对脉冲方式的超宽带定位技术进行了部分研究，希望可以对下一步的研究工作起到积极的作用。 关键诃：超宽带定位信道模型t d o a 摘要 a b s t r a c t f r o mn i n e t i e so ft w e n t yc e n t u r y , t h ew i r e l e s sn e t w o r ka n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sh a v e i m p r o v e dp r o m i n e n t l y , a n dh a v eb e e na p p l i e dw i d e l y i nr e c e n t l yy e a r s ，d i v e r s i f i e db u s i n e s sr e q u i r e m e n t s o fc o u s u m d rd r i v et h er e s e a r c ho fm o b i l e - t e r m i n a ll o c a l i z a t i o n a st op u s hi tt ob eo n eo ft h em o s t a b s o r b i n gs u b j e c t s a tt h es a l n et i m e ，t h ed e v e l o p i n gu w bt e c h n i q u e sa t t r a c ti n t e r e s tf r o ma l lo v e rt h e w o r d t h es p e c i a ln a r r o w - i m p u l s eo ft h en a r r o w - i m p u l s eb a s e b a n du w bs y s t e mc a ni m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo fl o c a l i z a t i o ne n o r m o u s l y , l np r a c t i c e , a l o n gw i t ht h ee x p a n s i o no fu w bn e t w o r kl o c a t i o n w i l lb ea p p l i e de x t e n s i v e l yi nt h ef u t u r e , s oi th a sb e e n i n v e s t i g a t e db yt h ei e e ea n ds o m es t a n d a r d sh a v e b e e np r o p o s e d t h i sp a p e rr e s e a r c ht h eb a s e b a n dn a r r o wp u l s el o c a l i z a t i o nt e c h n i q u eo fu w bu n d e ri e e e s 0 2 1 5 。4 a s t a n d a r d t h em a i nc o n t e n ti n c l u d et h el o c a l i z a t i o nm a n n e rs e l e c t i o n , l o c a l i z a t i o na l g o r i t h ms e l e c t i o na n d p e r f o r m e n c es i m u l a t i o nb a s e do nt h e m t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sp a p e r ；, t h e yw e r ei n t r o d u c e dm a i n l yb yt h er e s e a r c h i n gw o r ko r d e n t h ef i r s tc h a p t e rs i m p l yp r e s e n t st h ew i r e l e s sn e t w o r k , t h e ni n t r o d u c e st h ec o n c e p t sa n dc h a r a c t e r so f u w b s y s t e m ，a n a l y z e st h e i ra p p l i c a t i o ne x p e c t a t i o ni nt h ef u t u r e t h el a s ti sc o n t e n ta r r a n g e m e n to ft h i s p a p e r t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ec h a n n e lm o d e lo f u w b s y s t e mu n d e ri e e e 8 0 2 1 5 4 扎w h i c hi st h e b a s e m e n to f a l lt h er e s e a r c h e s t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e sv a r i o u si o c a l i z a t i o n sm e t h o d sp r o p o s e d b yt h ew o r d i n gg r o u po f i e e e s 0 2 1 5 4 a , t h e nc o m p a r ea n ds e l e c t t h e t i x ) a m e t h o d 鲴t h er e s e a r c h d i r e c t i o n 1 1 1 ef o u r t hc h a p t e rp r e s e n t st h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m si nc o n v e n t i o n a lc e l l a rs y s t e ma n da n a l y z e s s e v e r a lr e p r e s e n t a t i o n a lm e t h o d s 1 r h ef i f t hc h a p t e re s t a b l i s h e st h ea r c h i t e c t u r em o d e lo f n a r r o w - i m p u l s eb a s e b a n dl o c a l i z a t i o ni nu w b p r o p o s e dt h em e a s u i _ em e t h o d so f t h et d o av a l u e ，t h e ns i m u l a t e da n da n a l y z e dt h es e l e c t e dm e t h o d s t h el a s tc h a p t e ri ss u m m a r yo f t h i st h e s i sa n de x p e c t a t i o no f n e x tr e s e a r c hw o r k s t h ep u l s el o c a l i z a t i o nt e c h n i q u eo fu w bh 鹤h i g l lp r e c i s i o t hp a r t i c u l a rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa n di s u n d e rf a s td e v e l o p i n g t h i sp a p e rp a r t i a lr e s e a r c h e dt h ep u l s el o c a l i z a t i o nt e c h n i q u eo f u w b a n d h o p et h a t i tc a l lh e l p f u lf o rf u t u r er e s e a r c hw o r k s k e yw o r d s ：u w bl o c a l i z a t i o nc h a n n e lm o d e lt d o a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 亏、匆 研究生签名：兰军日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 躲缉备错一幽 第一章绪论 1 1 无线网络简介 第一章绪论 自= 十世纪九十年代以来，移动通信和计算机互联网得到了巨大的发展。无线网络作为移动通 信技术和计算机互联网结合的产物，是人们实现随时随地自由传递信息的主要手段i 进入二十一世 纪无线网络业务已经开始向纵深发展，不仅仅满足于单纯的语音业务，而且已经开始进入到生活的 方方面面，如：数据业务、多媒体业务、物流管理、交通系统、军事、救援等领域。 根据无线网络的应用范围，我们可以把正在发展的和将要发展的无线网络分成如下几类【1 l 嘲； a ) 无线广域网州w a n _ 一w i r e i e s s w d e a r e an e i = 、= v o r k s ) ； ”无线城域网( w m n w - r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ) ： c ) 无线局域网( w l a n 。w i ”l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) ； 由无线个域网( w 队n - 。惭r e l 船sp o r s o n a l a r e a n e t w o r k s ) ) 0 ) 无线多媒体广播赠( w 忸n w 拍l e s sm u l t i m e d i ab r o a d c a s tn e t w o r k ) ； 0 其它无线网络，如a d h o c 网和卫星通信网等。 w w a n 主要指蜂窝移动通信网。蜂窝移动通信经历了模拟阶段，窄带数字阶段，正进入宽带 数字阶段第三代移动通信时代，主要包括三个国际移动通信标准：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和我 国的t d - s c d m a 。第四代移动通信的研究在i e e e 8 0 2 2 0 移动广带无线接入( m b w a m o b i l e b 删b m dw i r e l e s sa c c e s s ) i 作组的领导下渐渐拉开序幕。 w m a n 是一种无线固定宽带接入网络，工作在直径超过5 0 k m 的区域。主要用于整个建筑楼 或家庭与骨干通信网的无线接入，相应的标准规范由i e e e 8 0 2 1 6 工作组指定 w l a n 最初定义为有线局域网的无线延伸，现在则作为高速无线互联网接入技术，应用于机场、 工厂大厦、图书馆、学校等人口密集的热点地方。至少能够支持大于1 0 0 m 的距离，利用网络内 部的物理层连接。还能支持至少2 k m 距离的通信。主要的标准包括由i e e e s 0 2 1 1 工作组制定的 i e e e 8 0 2 1l a b g 等。 w p a n 开始的目标是建立一种应用于家庭连接各种家电、娱乐设备的无线网络，作用距离在1 0 米范围内，而i e e e 8 0 2 1 5 3 a 就是一种采用o f d m 调制技术的超宽带( u w b - - u l t r aw i d c b a n d ) 高速 w f a n 标准。数据传输速率在1 0 0 兆比特每秒( m b p s ) 以上，主要用于摄像机和娱乐设备的多媒体 传输。但随着多样化需求的增加及作用距离的延伸，基带窄脉冲方式的超宽带技术又在原有的数据 业务的基础上的到了提伸，i e e e 8 0 2 1 5 4 a 就是一种采用基带窄脉冲方式的超宽带综合业务的标准， l 笙二翌堡垒 在我国基于o f d m 技术的超宽带通信技术和脉冲方式的超宽带通信技术的研究已同时列入国家 “8 6 3 ”研究计划。 w m b n 可以被看作为广播电视网向交互式多媒体业务的延伸，其技术支持多种功能，如远程 教育、远程会议、远程医疗等。目前，世界上有三个地面数字广播电视网标准：美国的a t s c ，欧 洲的d v b t 和日本的i s d b - t 系统。我国也在加紧研究新一代的地面数字广播电视标准，如清华 大学数字电视传输技术研发中心提出的基于时域同步正交频分复用( t d s o t n y m 3 技术的地面数字多 媒体广播( d m b 系统方案【3 1 。 图l - l 是满足不同距离和速率的无线网络的速率一距离直方图： 通信距离( m ) 图i - i 速率一距离直方图 从图中可以看出以上各种无线网络系统中，任何单独一种都不能满足所有的需求，因此最终期 望的无线网络是由上述各种无线网络无缝连接的，与各种有线通信网络互通的，可以在任何时间、 任何地点、与任何人进行通信的全球统一的信息传输网络。如果希望达到这样的最终目的各种网络 系统之间就必须存在交叠，随着人类需求的增加和技术的发展甚至出现相互的渗透。 1 2 超宽带( u w b ) 无线通信技术 随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资源日趋饱和。然而， 人们对无线通信系统的要求仍在不断提高希望其提供更高的数据传输速率，成本更低、功耗更小。 在这样的背景下，超宽带( u w b ，u l t r a - w i d e b a n d ) 1 4 1 1 5 】技术引起了人们的重视，已逐渐成为无线通 信领域研究、开发的个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 超宽带技术起源于2 0 世纪5 0 年代末此前主要是作为军事技术在雷达等通信设备中使用，随 着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍 受关注。按照f c c ( 美国联邦通信委员会) 的定义嘲，u w b 设备是相对带宽大于0 2 或在传输的任 何时刻带宽大于5 0 0m h z 的设备。这里相对带宽定义为： 2 嚣8 坩譬 率， 阳 搿 嶝 黼 b 第一章绪论 = 瓦f 巧- 而a 其中厶和无分别为系统的高端和低端频点( 按一1 0 衄计算) 。根据f c c 的规定，室内u w b 通 信的实际使用频谱范围为3 1g h z 1 0 6g h z ，并在这一范围内，有效各向同性发射功率( e i r p ， e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 不超过4 l 3d b m m h z 。f c c 规定的室内u w b 通信频谱范围和功 率限制如图1 2 所示。 图l - 2f c c 规定的室内u w b 发射功率限制 与常见的通信方式使用连续的载波不同，u w b 采用极短的脉冲信号来传送信息。通常每个脉冲 持续的时间只有几十皮秒到几百皮秒的时间。如图1 - 3 所示，这些脉冲所占用的带宽甚至高达几o h z ， 因此支持很高的数据传输速率。在高速通信的同时，u w b 设备的发射功率谱密度却很小，仅仅是现 有设备的几千分之一，对于普通的非l 舟, r b 接收机来说，近似于噪声，因此从理论上讲，u w b 设备 可以与现有无线电设备共享带宽。所以，u w b 是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无 线通信领域得到广泛的应用。目前，i n t e l ，m o t o r a l a ，t i 等大公司正在进行u w b 的研究和产品化。 图1 - 3u w b 短脉冲信号的时域波形 第一章绪论 鉴于u w b 信号是持续时间非常短的脉冲串，占用带宽大，因此它有一些十分独特的优点和用 途。在通信领域，u w b 可以提供高速率的无线通信。在雷达方面，u w b 雷达具有高分辨率( n s 级) ， 当前的隐身技术是采用隐射涂料和隐身特殊结构，但都只能在一个不大的频带内有效，在超宽频带 信号下目标就会原形毕露；u w b 雷达还具有很强的穿透能力，u w b 信号能穿透树叶，土地、混凝 土、水体等介质，因此军事上u w b 雷达可用来探测地雷，民用上可以查找地下金属管道、探测高 速公路地基等。在定位方面，u w b 可以提供很高的定位精度。u w b 使用极微弱的同步脉冲可以辨 别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，定位误差只有十几个甚至几个厘米。也就是说，嗣一个u w b 设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。u w b 无线通信除了带宽大，通信速率高之外，还有更多 的优点。首先，u w b 保密性强，u w b 系统的发射功率谱密度非常低，有，4 息完全淹没在噪声中， 被截获概率很小，被检测的概率也很低，这一点在军事通信上有很大的应j景。其次，u w b 通信 采用跳时序列，能够抗多径衰落。多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机 变化。而u w b 系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。 因此，系统特别适合于高速移动环境下使用。 当前i e e e 的超宽带通信的标准有i e e e s 0 2 1 5 3 a 和i e e e s 0 2 1 5 4 a 。m e e 8 0 2 1 5 3 a 是基于 o f d m 调制技术的超宽带协议通信标准，可以在短距离( 不超过十米) 内提供很高的数据传输速率； i e e e s 0 2 1 5 4 a 是基于基带窄脉冲方式的超宽带协议通信标准，从i e e e s 0 2 ，1 5 a a 的信道模型1 7 j 上来 看其应用范围得到了拓展( 不超过二十八米) ，随着应用范围的增加很多新业务的讨论开发就变的更 加有意义，本文就是针对i e e e s 0 2 1 5 4 a 协议下定位技术的研究。 1 3 定位技术的发展与超宽带定位技术的运用前景 无线电定位技术的起源可以追溯到上世纪初，第二次世界大战的军事需求和年代末开始推广 的数字蜂窝移动通信系统分别推动了该项技术在军事和民用领域的发展。g p s 和l o r a n c 系统是 典型的定位系统，它们采用无线电定位方法满足不同的定位精度要求。随着c d m a 等原属于军事应 用的领域的先进技术快速民用化及蜂窝网络的迅猛发展，图外早已开始研究蜂窝移动通信系统定位 技术。1 9 9 6 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布了e - 9 1 1 法规，要求2 0 0 1 年1 0 月1 日起蜂窝网 络必须能对发出紧急呼叫的移动台提供精度在1 2 5 m 内、准确率达到6 7 的位置服务。1 9 9 8 年又提 出了定位精度为4 0 0 m 、准确率不低于9 0 的服务要求。1 9 9 9 年f c c 对定位精度提出新的要求：对 基于网络定位的精度为1 0 0 m 、准确率达6 7 ，耩度1 5 0 m 、准确率9 5 ，f c c 的规定大大推动了蜂 窝无线定位技术的发展。近年来随着无线定位技术的发展定位技术的应用范围得到了推广很多业 务需要提供在一定范围内精度很高的定位服务：而由上一节我们知道基带窄脉冲方式的超宽带通信 具有成本低、功耗小、脉冲分辨率高的优点，因此可以胜任对定位精度要求高的领域。如： ( 1 ) 智能交通系统 u w b 系统同时具有无线通信和定位的功能，可以方便地应用于智能交通系统中，为汽车防撞系 4 第一苹绪论 统、智能收费系统、测速系统等提供高性能、低成本的解决方案。比如在汽车防撞系统中，装在汽 车上的u w b 设备不断地发射超短脉冲，测量本车和其它车辆之间的距离，其精度可以达到1 0 - 2 0 厘米。如果距离低于警界值，u w b 设备通知汽车内的电脑系统，采取相应的措施。u w b 设备与电 脑系统的连接可以是有线或无线的。采用无线连接，可以避免使用额外的电缆，而且放置方便、灵 活。 ( 2 ) 物流管理 对具有物质流动性的企业，特别是零售业来说减少物流过程中不必要的环节及损失，改进其供 应链结构，最大限度的降低流通环节的成本，取得对竞争者的相对优势，是非常重要的。2 0 0 3 年6 月9 日1 2 日在美国芝加哥市举行的面向零售业系统展览会上，沃尔玛百货公司公布了正式引进无 线标签( r f l d 标签) 的计划：无线标签是由芝麻粒大小的无线通信i c 和天线组成的模块，标签中一 般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体的表面，阅读器可无接 触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的，通过阅读器所读取的 标签信息被传送到电脑上进行下一步处理，通过给商品和货物分配固定的i d 编号后用于物流管理等 领域。基带窄脉冲方式超宽带技术就非常适合于运用到无线标签上。首先，基带窄脉冲方式的超宽 带通讯电路实现简单成本更低：其次，超宽带电路的发射功率非常低，而作为体积很小的无线标签 能够提供的电能是十分有限韵；u w b 技术高精度的定位功能完全可以支持其物流业务，而且多个 u w b 基站组网又可以有效的覆盖整个超市的范围。随着物流行业的发展，超宽带定位技术大有用武 之地；甚至可能运用到公司的人员管理等方面。 ( 3 ) 军事、救援等领域 采用无载波脉冲方式的u w b 系统，具有较强的穿透障碍物进行通信的功能，在军事、消防、 勘探等领域有着广泛的用途。2 0 0 3 年2 月，美国t u n c d o m a i n 公司推出了穿墙透视仪r a d a r v i s i o n r a d a r v i s i o n 采用了u w b 技术，可以透过2 - 3 层一般墙壁，探测1 0 米范围内的物体，为警察、特种 部队士兵等制服藏匿于室内的持枪歹徒提供了强有力的先进工具在救援领域无载波脉冲方式的 u w b 系统的高精度定位功能尤为重要，在挖掘灾后的幸存者时如果能较精确的确定幸存者的位置时 就可以采用机械挖掘，大大缩短救援时问，提高受灾这生还的可能性。在勘探领域，利用u w b 技 术可以探测到地表以下数米深的物质唧。 1 4 论文各章节安排 第二章主要介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 a 协议下u w b 系统的信道模型。信道是整个无线通信系统中不 可缺少的客观存在的一部分。其时频特性直接影响相应的无线定位系统的构成与性能。而从客观事 物中抽象出来的信道模型与实际信道的符合程度也将影响到相应系统的性能与设计。u w b 信道是一 个相对崭新的信道，用恰当的信道模型正确、合理地描述出其特性，对于u w b 定位系统设计而言 有着十分重要的意义。 第一章绪论 第三章主要介绍并分析了i e e e 8 0 2 1 5 4 a 定位工作组所提出的定位方式，这样做有两点意义：首 先通过分析不同的定位方式可以选择一个定位方式作为研究对象：第二，作为超宽带工作组中首 先研究定位方向的学生可以为后续同学的研究提供一个铺垫。 第四章参考蜂窝系统中各种定位算法，根据基带窄脉冲方式im ，b 系统的要求或可能面对的问 题选择了不同的算法加以数学分析。首先选择了实现起来最简单的四基站s c h m i d t 几何算法作分析； 然后沿着无须迭代的情况下精度强高的c h a r t 算法逐步作出了分析，包括三基站的t h a n 几何算法、 多基站的c h a n 统计算法，针对n l o s 路径存在的情况下对c h a r t 的统计算法做残差加权处理的算法。 第五章首先建立满足基于i e e e $ 0 2 1 5 4 a 超宽带信道模型的仿真模型，然后通过分析给出了适用 于超宽带系统的 i t ) o a 值的求取方法，最后采用了第四章所分析的算法在超宽带仿真系统中相应的 做出了性能仿真，并分析了结果。 第六章总结全文，并讨论了未来超宽带系统定位技术可能的发展方向。 6 第二章超宽带信道模型 2 1 引言 第二章超宽带信道模型 在这一章中，我们主要介绍一下目前i e e e8 0 2 1 5 4 a 中超宽带系统所用的信道模型： i e e e 8 0 2 1 5 4 a 信道模型工作组的最终文档1 7 j 里面所提出的模型，是对目前所有提交给i e e e8 0 2 1 5 4 a 的各种u w b 物理层提案进行评估所采用的标准信道模型，很符合信道的实际测量结果。同时和i e e e 8 0 2 1 5 3 a 信道简单比较，可以看出超宽带信道的发展演变。 实际仿真研究中我们采用4 a 中的u w b 信道模型，这些信道模型，延时大，路径繁多，并且还 有无直达路径的影响，对高精度的定位要求有相当的挑战性，因此需要选择合适的定位方式和对相 应的算法进行优化。 2 2 超宽带信道模型 2 2 1i e e e s 0 2 1 5 4 a 的超宽带信号的信道模型简介 e e e s 0 2 1 5 4 a - i - 作组希望开发出适用于传感器网络和类似设备的物理层协议以支持 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层协议，最终达到高能量利用率的数据传输和定位的目的。这就需要提供能 够为各方接受的信道模型，以评估各种方案的性能，于是i e e e 8 0 2 1 5 4 a 成立了一个信道模型工作组。 而在此之前，已经有些研究机构开展了信道模型方面的研究，包括进行信道测量，收集实测数据， 提出统计模型等等。这些研究的结果也陆续在一些学术会议和学术刊物上发表出来。1 e e e s 0 2 1 5 4 a 的信道模型工作组采取的方法是，广泛地征求各方面的意见，这得到了很多公司和研究机构的响应， 收集到很多信道模型的建议和基于实测数据的总结。然后召开会议对这些建议举行广泛的讨论和综 合，最后提出了普遍接受的信道模型。 这个工作组所提出的信道模型共有四种：2 1 0 0 h z 的u w b 信道模型、2 , - , 6 g h z 身体四周 0 径的到达时间分布函数对不同的环境是不同的，户外环境和工业环境下仍为泊松分布，有： p ( 靠，k 唰) = 五e x p 一名( 靠1 - - 铀) ，) ，七 0 居住环境和室内办公环境下为混合的泊松分布，满足式2 9 。 p ( t ，l 【v ) = , 8 钨e x p 一 ( 。，- - r ( 。，) ( 2 6 ) ( 2 。7 ) ( 2 8 ) + ( 1 - p ) & e x p 一九( 气厂f ( 朋，b 0 ( 2 9 ) 路径系数定义如下式，其中q 表示第磋的能量乃是簇内延时常数。当径的到达时间分布函数 为泊松分布时，多经系数满足式2 1 0 ， e 慨1 2 ) ：q z 南e x p ( _ 叫乃) 9 ( 2 1 0 ) 第二章超宽带信道模型 当径的到达时间分布函数为混合泊松分布时，多径系数满足式2 1 l ， 蚓2 ) = q 丽刁币1 瓦而e x p ( - - f , ，乃) 对乃、q 有： 力o c t z + 1 0 t o g ( q ) = 1 0 l o g ( e x p f - e , r ) ) + c 蝴 其中t 表示簇内延时常数随时间的变化，劓，蝌是标准差为盯t 的正态分布随机变量 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 在无直达径的办公和工业环境下多径延时模型有所不同，如式2 1 4 。其中z 表示第一径被衰减 的程度，。表示p d p ( p o w e rd e a l yp r o f i l e ) 的增长速度， 表示随时问增长的衰减 e 坩i = 意编唰- r + s l y , ) ( 1 - z e x p ( - r , ，) ) ( 2 1 4 ) 2 2 4 小尺度衰落模型 小尺度衰落的振幅满足n a k a g a m i 分布，如下： p a f ( x ) = 丽2 ( 叼“c x p ( 一秘 ( 2 1 5 ) 其中m = 1 2 是n a k a g a m i 的m 因子；r ( r a ) 是伽玛函数；参数q 表征平均能量，定义如上节； m 定义为对数正态分布的随机变量，均值为，0 标准差为o _ ，和a 乙均与时间有关，有 ( f ) = 一k f a - m ( f ) = m o k f 对每一簇的第一n a k a g a m i 的m 因子都建模为固定的，和时问无关的量，有：聊= 磊 1 0 ( 2 1 6 ) 第一二章超宽带信道模型 2 2 5 信道的实现 由上面的描述可知，整个信道模型是把三个子模型综合在一起得到的，每个模型都包含有相应 的参数。 路径损耗模型中包含以下参数： ，：距离一米处的路径损耗 弗：路径衰落指数 q ：阴影效应的标准差 s ：阴影效应产生的影响 4 珊f ：天线增益 暂：频率对路径损耗的影响因子 多径延时中包含以下参数： z ：簇数量的均值 a ：簇的到达率 ，五，： 径的到达率( 混合泊松分布时的参数) 五：径的到达率( 泊松分布时的参数) r ：簇的能量衰耗因子 七，：簇的衰减时间参数 a k 。：影响簇的能量的随机变量的标准差 ，矗，乃，z ：定义另一种模型下的簇的轮廓的参数 小尺度衰落中包含以下参数 ，：定义n a k a g a m i 分布的n l 因子均值的参数 l l 第二章超宽带信道模型 蒜，e ；定y n a k a g a m i 分布的m 因子标准差的参数 瓦；：定y n a k a g a m i 分布的m 因子强度的参数 这些参数的值，信道模型工作组都是根据收集到的大量的实测数据拟合得到的。由于不同的工 作环境下测量得到的数据特性并不相同，拟合得到参数也大不相同，甚至不能用同一个模型来表述， 因此根据实测环境分为八组信道模型：室内视距传播环境( 7 2 0 m ) 、室内非视距传播环境( 7 2 0 m ) 、 室内视距传播办公环境( 3 - 2 8 m ) 、室内非视距传播办公环境( 3 2 8 m ) 、户外视距传播环境( 扣1 7 m ) ， 户外非视距传播环境( s 1 7m ) ，工业视距传播环境( 2 - 8m ) 、工业非视距传播环境( 2 矗m ) ，分 别记为：c m i 、c m 2 、c m 3 、c m 4 、c m 5 、c m 6 、c m 7 和c m 8 ，这些信道的参数在表1 中给出。 表2 i u w b 信道统计参数表鸭 c m lc m 2c m 3c m 4 p a t h l o s s 4 3 94 8 7 3 6 65 1 4 疗 1 7 94 5 81 6 33 0 7 1 - 93 9 t s 【d b 】 2 2 23 5 1 3 3 33 以。【d b l r 【d b o c t a v e 】 1 1 2 o 1 21 5 3 o 3 2 - 3 55 3 p o w e rd e l a yp r o f i l e 33 55 41 上 a 【1 m 】 0 0 4 7o 1 2 0 0 1 6 1 5 4 ，0 1 5 ，0 0 9 51 7 7 ，o 1 5 ，o 0 4 50 1 9 ，2 9 7 , 0 0 1 8 4 ，五【i n s ， r 【n s 】 2 2 6 12 6 2 7 1 4 6 0 00 t 1 2 5 31 7 5 0 6 4 扎 n s 2 7 52 9 3 t ” d b 】 s m a l l _ _ s c a ef a d i n g 0 6 7 o 6 9 o 4 20 5 0 d b 】 第二章超宽带信道模型 00 k 0 2 8o 3 2o 3 l0 2 5 , n o d b 】 一 o ooo 吒 a l lp a t h sh a v es a m emf a c t o r m o d i s t r i b u t i o n o 8 6 。 1 5 2 1 z 1 1 8 4 c m 5c m 6c m 7c m 8 p a t h l o s s 4 3 2 94 3 2 95 6 75 6 7 ， 甩 1 7 62 51 22 1 5 0 8 3266 c r j s 【d b 3333 屯盯【d b 】 r d b o c t a v e 】 - 1 60 4- 5 67 8 2 p o w e rd e l a yp r o f i l e 1 3 61 0 。54 7 5l 上 a 【l a s 】 0 0 0 4 80 0 2 4 30 0 7 0 9 0 2 7 ，2 4 1 。0 0 0 7 80 t 5 ，1 1 3 0 0 6 2 五，五【l n s ， 五n a f 【1 1 s l 3 1 71 0 4 71 3 4 7 o00 9 2 6 砖 3 79 30 6 5 l i 船】 4 3 2 d k 。【d b 】 s m a l l _ s c a l ef a d i n g 0 7 70 5 6o 3 60 3 0 【d b 】 o0oo 吒 第二章超宽带信道模型 0 7 8o 2 51 1 31 1 5 m o 【d b 】 一 00o0 k 。 a l lp a t h sh a v es a m er e _ f a c t o r1 2 9 9 m o d i s t r i b u t i o n l ，m 1 7 3 5 z8 5 3 6 图2 2 给出了根据这个信道模型生成的一个信道实现【7 j ： 图2 - 2 ( a ) c m l 室内视距传播环境 1 4 第二章超宽带信道模型 图2 - 2 0 ) c m 2 室内非视距传播环境 图2 2 ( c ) c m 3 室内视距传播办公环境 第二章超宽带信道模型 图2 - 2 ( d ) c m 4 室内非视距传播办公环境 图2 - 2 ( e ) c m 5 户外视距传播环境 1 6 第二章超宽带信道模型 图2 - 2 ( 0 c m 6 户外非视距传播环境 图2 - 2 ( g ) c m 7 工业视距传播环境 1 7 第二章超宽带信道模型 图2 - 2 0 1 ) c m $ 工业非视距传播环境 2 3 信道对定位系统的影响 和i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道相比4 a 信道距离更长，同时4 a 信道在3 a 的基础上加入了小尺度衰落模 型，这说明对超宽带技术的认识在提高，超宽带技术可能作用的范围越来越广，在此基础上研究超 宽带定位技术有切实的意义。但对于新的信道环境和通信方式，有必要分析一下信道特性对定位系 统产生的影响。 影响无线定位性能的一个基本因素就是多径传播问题。在信道中，由于反射物体和散射体的存 在会产生一个不断变化的环境，使得信号能量在幅值、相位和时间延迟方面产生弥散，这些效应导 致发射信号经过不同的路径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空问方位。不同的多 径分量的随机幅值和相位引起信号强度的扰动。从而产生小尺度衰落和信号畸变，使接收信号的信 噪比严重下降，最终影响定位精度。 导致定位误差的另一个重要因素是移动台和基站之闻的信号为非视距传播( n l o s ) 信号。l o s 传 播是得到准确的信号特征测量值的必要条件，各种定位系统也正是基于电波的l o s 传播实现对目标 的精确定位。具体环境下基站和移动目标之间完全保证l o s 传播通常是不可能的，信号更多的情况 是通过反射和折射的方式进行传播。从而影响了到达场强，接收电波的到达方向以及电波传播时间。 在这样环境下，即便没有多径干扰且系统能提供足够高的定时精度也同样会导致定位测量误差。 1 b 第二章超宽带信道模型 在超宽带系统中信号的多径扩展十分严重。而由信道模型n l o s 传播的情况也必须加以考虑 因此希望选择合适的定位方式和定位算法，来实现超宽带系统中定位的目的。 1 9 第三章基于u w b 系统定位方式的研究 3 1 引言 第三章基于u w b 系统定位方式的研究 i e e e 8 0 2 1 5 4 a 的定位是设定定位目标是准静态的。也就是定位过程中不考虑定位目标的移动 性。其定位过程都一般都分为两个步骤，首先是选择合适的方法测算出定位目标和已知位置的基站 之间的距离信息，然后选择一定的几何或统计算法来综合这些距离信息进而计算出待测目标的具体 位置。i e e e s 0 2 1 5 研究定位的小组委员会【1 2 j 列出了五种有可能被4 a 协议最终采纳的定位方式，分 别为： 1 ) 信号到达时间法( t i m eo fa r r i v a l ) 2 ) 信号到达时间差法( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 3 ) 信号强度测量法( s i g n a ls t r e n g t hr a n g i n g ) 4 ) 信号到达角测量法( a n g l eo fa r r i v a l ) 5 ) 电磁场相位差测量法( n e a r - f i e l d 翻r a n g i n g ) 这一章主要根据这两个步骤分析这五种定位方式，试图选出二维空间中最适合基带窄脉冲超宽 带系统的定位方式。 3 2 信号到达时间法( t o a ) t o a ”3 】1 1 4 1 【l ，】【1 6 1 定位方式的基本思想是测量定位目标发送信号到达已知位置基站的时间，进而 测算出两者之间的距离；然后综合至少三组目标到达不同已知位置基站的距离，来得到目标的位置。 3 2 1t o a 测距方式 在定位目标和基站之间同步的系统中 i d a 测距方式较为简单：只需定位目标发送包含发送时间 信息的数据，基站记录下接收到数据的时间并和数据里的发送时间做差，然后乘以电磁波传播速度 就可以了。 当定位目标和基站之间不同步时测距较为复杂，必须考虑到两个时钟之间的偏移量，这就需要 定位基站回发一个数据包。如图3 1 ， 2 0 第三章基于u w b 系统定位方式的研究 a 眦1 ) b ( d o c k 2 l 图3 - 1 定位目标和基站不同步时t o a 定位方式下数据交互 设定位目标为节点a ，基站为节点b ，信号从a 节点传到b 节点所用的时间为0 ，b 节点时钟 相对于a 节点时钟的时间偏移量为t o ；墨r 为a 节点发送第一个数据包的时闻，暑础为b 节点接收 到第一个数据包的时间，五”为b 节点发送第二个数据包的时间互艘为a 节点接收到第二个数据 包的时间( 正4 r 、五朋、五。r 、正肌均包含在传送的数据中) 有方程组如式3 1 可解得0 ，间接 测得a 、b 间距离。 t ，i b r2 t ，i a ，+ o + ? ( 3 1 ) i 正肌= 五朋+ 一f 0 同时，也有可以仅收发应答信号不传送数据测距方式，利用延时巧妙的估计距离。如图3 - 2 ，第 一次应答完成测距的准备；第二次应答中节点a 在r 1 ( o ) 时发送信号，节点b 在丁( 1