（通信与信息系统专业论文）location+technique+in+uwb+system.pdf

摘要 摘要 近几年来，对无线通信网中定位的研究越来越多，其中超宽带( u w b ) 脉冲技术 由于其在多径环境中高分辨率的定位能力而得到广泛的重视。本文提出一种使用 发射参考( t r ) u w b 脉冲信号在多径环境下的高分辨率到达时间( t o a ) 估计技 术。采用一种基于具有直射径的( l o s ) 多径环境中使用第一径来进行时间估计的 简单有效的t o a 估计方法，并且使用m a t l a b 利用i e e e 的标准室内多径模型进 行仿真，最后给出了结果以及评估。第七章给出了以u w b 信号的r s s i 信息来进 行定位的技术，并且进行了相应的仿真和结果评估。第八章是一个动目标轨迹平 滑的应用，采用一种已知的l 滤波器方法，提出了l 滤波器的改进措施，在多种 运动模型的条件下进行了相应的仿真，其结果与已知的常增益滤波器方法进行了 比较。最后提出和讨论了进一步改进的可能措施。 关键词：定位，超宽带( u w b ) ，多径，直射径( l o s ) ，到达时间( t o a ) i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sh a sb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l yi n r e c e n ty e a r s ，a n du l t r aw i d e b a n d ( u w b ) i m p u l s er a d i oh a sp r o v e dt ob eap r o m i s i n g t e c h n o l o g ys u i t a b l ef o rh i g h - r e s o l u t i o nr a n g i n gi nad e n s em u l t i p a t he n v i r o n m e n t t h i s t h e s i sp r e s e n t sa ni n v e s t i g a t i o no ft i m e - d o m a i ns u p e r r e s o l u t i o nt i m e o f - a r r i v a l ( t o a ) e s t i m a t i o ne m p l o y i n gt r a n s m i t t e d r e f e r e n c et r - - u w bs i g n a l sf o ri n d o o rm u l t i p a t h l o c a t i o n as i m p l ea n de f f e c t i v et o ae s t i m a t i o nb a s e do nt i m eo fa r r i v a lo ft h ef i r s t m u l t i p a t hu n d e ra ni n d o o rl i n e o f - s i g h t ( l o s ) m u l t i p a t he n v i r o n m e n ti sp r e s e n t e d ，a n d t h es i m u l a t i o ni sc o n d u c t e d u s i n gm a t l a ba n di e e es t a n d a r d i n d o o r m u l t i p a t h m o d e l s t h ep e r f o r m a n c eo fp r o p o s e dm e t h o di se v a l u a t e d i nc h a p t e r7 ，ar s s ib a s e d p o s i t i o n i n gt e c h n i q u ev i au w bs i g n a li ss i m u l a t e da n dt h ep e r f o r m a n c ei se v a l u a t e d c h a p t e r8i sa na p p l i c a t i o no ft r a i ls m o o t h i n gu s i n glf i l t e r a ni m p r o v e m e n to fl f i l t e r i sp r o p o s e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei se v a l u a t e d ，c o m p a r e dw i t hk n o w nc o n s t a n tg a i n f i l t e r sb a s e do ns e v e r a lm o v e m e n tm o d e l s f u r t h e rp o s s i b l ec o n s i d e r a t i o n si sc o n s i d e r e d a n dd i s c u s s e d k e yw o r d s ：l o c a t i o n ，u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) ，m u l t i p a t h ，l i n e - o f - s i g h t ( l o s ) ， t i m e o f - a r r i v a l ( t o a ) a c r o n y mt a b l e a c r o n y mt a b l e a e r o n y m d e s c r i p t i o n u w bu l t r aw i d e b a n d t rt r a n s m i t t e dr e f e r e n c e t o at i m eo f a n i v a l t d o at i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l a o a a n g l eo f a r r i v a l r s s r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h l o sl i n eo fs i g h t n l o sn o nl i n eo fs i g h t b sb a s es t a t i o n g p sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。1 签名三整：羔日期：加“年6 月1 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蕾导师签名雄 日期：阳b 年月7 日 ，i i n t r o d u c t i o n 1 10 v e r v i e wo f u w b c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a nb eb r o a d l yc l a s s i f i e da s a n y c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h o s ei n s t a n t a n e o u sb a n d w i d t hi sm a n yt i m e sg r e a t e rt h a nt h e m i n i m u mr e q u i r e dt od e l i v e rp a r t i c u l a ri n f o r m a t i o n t h i se x c e s sb a n d w i d t hi st h e d e f i n i n gc h a r a c t e r i s t i co fu w b u n d e r s t a n d i n gh o wt h i sc h a r a c t e r i s t i ca f f e c t ss y s t e m p e r f o r m a n c ea n dd e s i g ni sc r i t i c a lt om a k i n gi n f o r m e de n g i n e e r i n gd e s i g nd e c i s i o n s r e g a r d i n gu w bi m p l e m e n t a t i o n u w bd e f i n e db yt h ef e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ( f c c ) i sa n yw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns c h e m et h a to c c u p i e saf r a c t i o n a lb a n d w i d t hw f c 2 0 w h e r ew i st h e t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ha n df ci st h eb a n dc e n t e rf r e q u e n c y , o rm o r et h a n5 0 0m h zo f a b s o l u t eb a n d w i d t h i nt r a d i t i o n a lu w b s y s t e m s ，s u c hl a r g eb a n d w i d t h sw e r ea c h i e v e d b yu s i n gv e r yn a r r o wt i m ed u r a t i o nb a s e b a n dp u l s e so fa p p r o p r i a t es h a p ea n dd u r a t i o n ， i n c l u d i n gt h ef a m i l yo fg a u s s i a ns h a p e dp u l s e sa n dt h e i rd e r i v a t i v e 1 1 t oc o n f i n et h e t r a n s m i t t e ds p e c t r u mt oad e s i r e dp a s s b a n d ，p o s t f i l t e r i n go ft h eb a s e b a n dp u l s es p e c t r u m i n c l u d i n gt h ei m p a c to ft h et r a n s m i ta n t e n n ac h a r a c t e r i s t i c sh a st r a d i t i o n a l l yb e e n a s s u m e d t h e r ea r es e v e r a lb e n e f i t st ou s i n gs u c hl a r g eb a n d w i d t h si na d d i t i v eg a u s s i a n n o i s el i m i t e de n v i r o n m e n t ，e x p a n d i n gb a n d w i d t hi st h ep r e f e r r e dc o s t e f f e c t i v ep a t h w a y t oa c h i e v i n gh i g h e rd a t ar a t e sw i t h o u tt h en e e dt oi n c r e a s e t r a n s m i t p o w e r i na m u l t i p a t hd o m i n a t e de n v i r o n m e n t ，l a r g e rt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h sr e s u l ti nt h ea b i l i t y f o ri n c r e a s i n g l yf i n er e s o l u t i o no fm u l t i p a t ha r r i v a l s ，w h i c hl e a d st or e d u c e df a d i n gp e r r e s o l v e dp a t h ，s i n c et h ei m p u l s i v en a t u r eo ft h et r a n s m i t t e dw a v e f o r m sp r e v e n t s s i g n i f i c a n to v e r l a pa n d ，h e n c e ，r e d u c e sp o s s i b i l i t yo f d e s t r u c t i v ec o m b i n i n g t h ef c cr e c e n t l y a p p r o v et h ed e p l o y m e n to fu w bo na nu n l i c e n s e db a s i si nt h e 3 1 1 0 6g h zb a n ds u b j e c tt oam o d i f i e dv e r s i o no fp a r t1 5 2 0 9r u l e s 2 t h ee s s e n c e o ft h i sr u l i n gi st ol i m i tt h ep o w e r s p e c t r a ld e n s i t ym e a s u r e di na1m h zb a n d w i d t ha t t h eo u t p u to f a ni s o t r o p i ct r a n s i ta n t e n n a ，s h o w ni nf i g u r e1 - 1 t h ea b o v es p e c t r a lm a s k 电子科技大学硕士学位论文 a l l o w su w bd e v i c et oo v e r l a ye x i s t i n gs y s t e m sw h i l ee n s u n n gs u f f i c i e n ta t t e n u a t i o nt o l i m i ta d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e 墨 i 击 g ：l ：l 一0 。 i 一y ! 一r 。 ：。j 1 - 一匡 一岫曲= o r u m 圈。一 - 一p a r【5 u ； l f i g u r e1 - 1u w bs p e c t r a lm a s ka n df c cp a r t1 5l i m i t s m o d e mu w bt e c h n o l o g yh a sb e e na r o u n ds i n c et h e1 9 6 0 s u w bt e c h n o l o g yw a s d e v e l o p e dl a r g e l yu n d e rt h ea e g i so ft h eu s d e p a r t m e n to fd e f e n s et h a tu s e d w i d e b a n ds i g n a l sp r i m a r i l yf o rv e r ya c c u r a t el o c a l i z a t i o na n d i m a g i n gi nt h ec o n t e x to f s e c u r ec o m m u n i c a t i o n s t h i sh a sg i v e nr i s et oa t h r i v i n gc o m m e r c i a la n dm i l i t a r ys e c t o r o fu w b c o m p o n e n t sa n dp r o d u c t st h a te x p l o i tt h ef i n el o c a t i o nc a p a b i l i t i e so fu w b w i t h i nt h ea c a d e m i cc o n t e x t ，u w bi n v e s t i g a t i o n sw e r e l a r g e l yp i o n e e r e db yp r o f s c h o l t za n dh i s g r o u p s i n c et h ee a r l y19 9 0 s ，f o c u s i n g m a i n l y o nl o wr a t e a p p l i c a t i o n s 【3 【4 【5 r e c e n t d e v e l o p m e n t si nh i g hs p e e ds w i t c h i n ga n dn a r r o w b a n dp u l s eg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yh a sp r o m p t e daf r e s hl o o ka tu w bs i g n a lg e n e r a t i o nf o rv e r yd i f f e r e n t p u r p o s e ：h i g hs p e e d ，s h o r tr a n g en e t w o r k i n gi ns u p p o r to f av a r i e t yo f p o t e n t i a ll o wc o s t ， l o wp o w e rm u l t i m e d i at r a n s p o r ta p p l i c a t i o n si nh o m ea n de n t e r p r i s ee n v i r o n m e n t s o t h e rt e r m sa s s o c i a t e d w i t h u l t r a - w i d e b a n d i n c l u d e i m p u l s e ，s h o r t p u l s e ， n o n s i n u s o i d a l ，c a r r i e r l e s s ，t i m ed o m a i n ，s u p e rw i d e b a n d ，f a s tf r e q u e n c yc h i r p a n d m o n o p u l s e ( t a y l o l1 9 9 5 ) i m p u l s er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n di m p u l s e 2 i n t r o d u c t i o n r a d a r sb o t hu t i l i z ev e r ys h o r tp u l s e si nt r a n s m i s s i o nt h a tr e s u l t si na nu l t r a w i d e b a n d s p e c t r u m f o rr a d i oa p p l i c a t i o n s ，t h i sc o m m u n i c a t i o nm e t h o di s a l s oc l a s s i f i e da sa p u l s em o d u l a t i o nt e c h n i q u eb e c a u s et h ed a t am o d u l a t i o ni si n t r o d u c e db yp u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ( p p m ) t h eu w bs i g n a l i sn o i s el i k ew h i c hm a k e si n t e r c e p t i o na n d d e t e c t i o nq u i t ed i f f i c u l t d u et ot h el o w p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , u w bs i g n a l sc a u s ev e r y l i t t l ei n t e r f e r e n c ew i t he x i s t i n gn a r r o w - b a n dr a d i os y s t e m s d e p e n d i n go nt h ea t t i t u d eo f n a t i o n a la n di n t e m a t i o n a lr e g u l a t o r yb o d i e s ，t h i ss h o u l da l l o wl i c e n s e f r e eo p e r a t i o no f r a d i os y s t e m s t i m e m o d u l a t e d ( t m ) i m p u l s er a d i os i g n a li ss e e na sac a r r i e r - l e s s b a s e b a n dt r a n s m i s s i o n t h ea b s e n c eo fc a r r i e r f r e q u e n c yi s t h ev e r yf u n d a m e n t a l c h a r a c t e rt h a td i f f e r e n t i a t e s i m p u l s er a d i oa n di m p u l s er a d a rt r a n s m i s s i o n sf r o m n a r r o w b a n d a p p l i c a t i o n sa n df r o md i r e c ts e q u e n c e ( d s ) s p r e a ds p e c t r u m ( s s ) m u l t i c a r r i e r ( m c ) t r a n s m i s s i o n s ，w h i c hc a na l s ob ec h a r a c t e r i z e da sa ( u l t r a ) w i d e b a n d t e c h n i q u e f a s ts l e w i n gc h i r p sa n de x p o n e n t i a l l yd a m p e ds i n ew a v e sa r ea l s op o s s i b l e m e t h o d so fg e n e r a t i n gu w b s i g n a l s 1 2 i m p u l s er a d i os y s t e m p u r ei m p u l s er a d i o ，u n l i k ec l a s s i cc o m m u n i c a t i o n s ，d o e sn o tu s eam o d u l a t e ds i n u s o i d a l c a r r i e rt oc o n v e yi n f o r m a t i o n i n s t e a d ，t h et r a n s m i ts i g n a li sas e r i e so fb a s e b a n dp u l s e s b e c a u s et h ep u l s e sa r ee x t r e m e l ys h o r t ( c o m m o n l yi nt h en a n o s e c o n dr a n g eo rs h o r t e r ) ， t h et r a n s m i ts i g n a lb a n d w i d t hi so nt h eo r d e ro fg i g a h e r t z n o t et h a tt h ef r a c t i o n a l b a n d w i d t hi sg r e a t e rt h a n2 0 ，a ss h o w ni nf i g u r e1 2 t h eu n m o d u l a t e dt r a n s m i t s i g n a la ss e e nb yt h er e c e i v e r , i nt h ea b s e n c eo fc h a n n e le f f e c t s ，c a nb er e p r e s e n t e da s ： s ( f ) = 4 ( t ) p ( t f o r m u l a ( 1 1 ) w h e r ea i ( t ) i st h ea m p l i t u d eo ft h ep u l s ee q u a lt 。巧，w h e r ee pi st h ee n e r g yp e r p u l s e ，p ( t ) i st h er e c e i v e dp u l s es h a p ew i t hn o r m a l i z e de n e r g y , a n dt fi st h ef l a m e r e p e t i t i o nt i m e f au w bf r a m ei sd e f i n e da st h et i m ei n t e r v a li nw h i c ho n ep u l s ei s t r a n s m i t t e d ) w ea l s od e f i n et pt ob et h ed u r a t i o no ft h ep u l s e n o t et h a tt h ep u l s e r e p e t i t i o nr a t e 巧= 1 t si sn o tn e c e s s a r i l ye q u a lt ot h ei n v e r s eo ft h ep u l s ew i d t h i n 3 电子科技大学硕士学位论文 o t h e rw o r d s ，t h ed u t yc y c l eo f t h et r a n s m i t t e ds i g n a li sa l m o s ta l w a y sl e s st h a n1 i nt h i s w o r kw ew i l lr e f e rt os ( t ) a st h et r a n s m i ts i g n a lt oa v o i dc o n f u s i o nw i t ht h er e c e i v e d s i g n a lr ( t ) t h a ti n c l u d e sc h a n n e la n da n t e n n ae f f e c t s m o s tp r a c t i c a ls y s t e m sw i l lu s e s o m ef o r mo fp u l s e s h a p i n gt oc o n t r o lt h es p e c t r a lc o n t e n to f e a c hp u l s et oc o n f o r mt o r e g u l a t o r yl i m i t s f r e q u e n c y ( h z ) f i g u r e1 - 2 c o m p a r i s o n o f t h e f r a c t i o n a l b a n d w i d t ho f a n a r r o w b a n d a n d u l t r a w i d e b a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t 3 a d v a n t a g e so f u w b u w bh a san u m b e ro fa d v a n t a g e st h a tm a k ei ta t t r a c t i v ef o rc o n s u m e rc o m m u n i c a t i o n s a p p l i c a t i o n s t h ek e y b e n e f i t so f u w bc a l lb es u m m a r i z e da s ： low e q u i p m e n t c o s t h i g h d a t ar a t e s m u l t i p a t hi m m u n i t y h i g h r e s o l u t i o nr a n g i n ga n dc o m m u n i c a t i o na tt h es a m et i m e t h el o wc o m p l e x i t ya n dl o wc o s to f u w b s y s t e m sa r i s e sf r o mt h ee s s e n t i a l l yb a s e b a n d 4 日p)暑iscmo一墨芑直每o乱 i n i r o d u c t i o n n a t u r eo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o n t h ea b i l i t yt od i r e c t l ym o d u l a t eap u l s eo n t oa n a n t e n n ai sp e r h a p sa ss i m p l eat r a n s m i t t e ra sc a nb em a d e ，l e a d i n gm a n ym a n u f a c t u r e r s t og e te x c i t e db yt h ep o s s i b i l i t i e sf o re x t r e m e l yc h e a pt r a n s c e i v e r s t h i si sp o s s i b l eb y e l i m i n a t i n gm a n yo ft h ec o m p o n e n t sr e q u i r e df o rc o n v e n t i o n a ls i n u s o i d a lt r a n s m i t t e r s a n dr e c e i v e r s u n l i k ec o n v e n t i o n a lr a d i os y s t e m s ，t h eu w bt r a n s m i t t e rp r o d u c e sav e r y s h o r tt i m ed o m a i np u l s e ，w h i c hi sa b l et op r o p a g a t ew i t h o u tt h en e e df o ra na d d i t i o n a l r f ( r a d i of r e q u e n c y ) m i x i n gs t a g e t h er fm i x i n gs t a g et a k e sab a s e b a n ds i g n a la n d i n j e c t s ac a r r i e rf r e q u e n c yo rt r a n s l a t e st h es i g n a lt oaf r e q u e n c yt h a th a sd e s i r a b l e p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ev e r yw i d e b a n dn a t u r eo ft h eu w bs i g n a lm e a n si t s p a n sf r e q u e n c i e sc o m m o n l yu s e da sc a r r i e rf r e q u e n c i e s t h es i g n a lw i l lp r o p a g a t ew e l l w i t h o u tt h en e e df o ra d d i t i o n a lu p c o n v e r s i o na n da m p l i f i c a t i o nt h er e v e r s ep r o c e s so f d o w nc o n v e r s i o ni sa l s on o tr e q u i r e di nt h eu w br e c e i v e r a g a i n ，t h i sm e a n st h e o m i s s i o no fal o c a lo s c i l l a t o ri nt h er e c e i v e ga n dt h er e m o v a lo fa s s o c i a t e dc o m p l e x d e l a ya n dp h a s et r a c k i n gl o o p s c o n s e q u e n t l nt m u w bs y s t e m sc a nb ei m p l e m e n t e d i nl o wc o s t ，l o w p o w e r , i n t e g r a t e dc i r c u i tp r o c e s s e s ( t i m ed o m a i nc o r p o r a t i o n ，19 9 8 ) t m u w bt e c h n i q u e a l s oo f f e r sg r a t i n gl o b em i t i g a t i o ni ns p a r s ea n t e n n aa r r a ys y s t e m sw i t h o u tw e a k e n i n go f t h ea n g u l a rr e s o l u t i o no ft h ea r r a y ( a n d e r s o ne t a 1 ，1 9 9 1 ) g r a t i n gl o b e sa r e a s i g n i f i c a n tp r o b l e mi nc o n v e n t i o n a ln a r r o w b a n da n t e n n aa r r a y s d u et ot h el o we n e r g y d e n s i t ya n dt h ep s e u d o r a n d o m ( p r ) c h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a n s m i t t e ds i g n a l ，t h eu w b s i g n a li sn o i s e l i k e ，w h i c hm a k e su n i n t e n d e dd e t e c t i o nq u i t ed i f f i c u l t w h i l s tt h e r ei s s o m ed e b a t ei nt h el i t e r a t u r e ，i t a p p e a r st h a t t h el o wp o w e r , n o i s e l i k e ，u w b t r a n s m i s s i o n sd on o tc a u s es i g n i f i c a n ti n t e r f e r e n c et o e x i s t i n gr a d i os y s t e m s t h e i n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o nb e t w e e ni m p u l s er a d i oa n de x i s t i n gr a d i os y s t e m si so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt o p i c si nc u r r e n tu w br e s e a r c h t i m e - m o d u l a t i o ns y s t e m so f f e rp o s s i b i l i t yf o rh i g hd a t ar a t e sf o rc o m m u n i c a t i o n t h e h i g hd a t ar a t e sa r ep e r h a p st h em o s tc o m p e l l i n ga s p e c tf r o mau s e r sp o i n to fv i e wa n d a l s of r o mac o m m e r c i a lm a n u f a c t u r e r sp o s i t i o n h u n d r e d so fm b p sh a v eb e e nr e p o r t e d f o rc o m m u n i c a t i o nl i n k s i ti se s t i m a t e d ( t i m ed o m a i nc o r p o r a t i o n ，19 9 8 ；k o l e n c h e r y e ta 1 ，1 9 9 7 ) t h a tt h en u m b e ro fu s e r si na ni m p u l s er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s 5 电子科技大学硕士学位论文 m u c hl a r g e rt h a ni nc o n v e n t i o n a ls y s t e m s t h ee s t i m a t i o ni sc l a i m e dt ob ev a l i df o rb o t h h i g h - a n dl o w d a t a - r a t ec o m m u n i c a t i o n s b e c a u s eo ft h el a r g eb a n d w i d t ho ft h e t r a n s m i t t e ds i g n a l ，v e r yh i g hm u l t i p a t hr e s o l u t i o ni sa c h i e v e d t h el a r g eb a n d w i d t h o f f e r s ( a n da l s or e q u i r e s ) h u g ef i e q u e n c yd i v e r s i t yt h a t ，t o g e t h e rw i t ht h ed i s c o n t i n u o u s t r a n s m i s s i o n ，m a k e st h et m u w bs i g