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(信号与信息处理专业论文)基于ofdm数字广播信号的无线定位与跟踪关键技术研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 摘要 数字广播是一种采用广播方式传输数字化音视频媒体流及各种数据信息的系统。数字广播已在 国外广泛应用,在国内也相继展开。利用数字地面广播、数字多媒体广播信号也可得到一种新的无 线定位方式。相对g p s ,其优势在于:信号在室内接收质量良好:发射台固定,易于捕获信号;信 号连续传送,有利于提高定位精度;利用数字电视地面广播基础设施,定位方案更经济。考虑到国 内及国外大多数国家候选或已采纳的标准均采用多载波的正交频分复用( o f d m ) 调制技术,因此, 研究基于o f d m 的数字广播定位技术具有广阔的应用前景。 本文工作围绕基于o f d m 数字广播信号的无线定位与跟踪关键问题展开,具体内容包括:研究 了基于o f d m 数字广播信号的测距方法,分析了影响测距精度的主要误差和非视距问题;总结了视 距环境下的定位跟踪算法,提出了基于扩展卡尔曼滤波器组修正重要采样的粒子滤波方法;采用两 种不同的思路,提出了在视距和非视距环境下进行定位跟踪的算法,并研究了在此情况下定位跟踪 均方误差的后验c r a m e r r a o 下限。 论文的主要贡献在于: l 、在视距环境下,针对一类状态噪声小、观测噪声大的系统模型的定位跟踪问题,提出了基于 扩展卡尔曼滤波器组修正霞要采样的粒子滤波方法。相比于扩展卡尔曼滤波和经典的粒子滤波,该 方法能提高定位精度,且收敛速度快,性能稳健,受初始值设定误差影响较小。 2 、针对视距和非视距混合环境下的定位跟踪问题,提出了基于改进扩展卡尔曼滤波器纽结合数 据融合的方法。该方法根据来自单个发射台的信号测量值,利用改进扩展卡尔曼滤波器组估计运动 状态和非视距状态,再通过数据融合得到当前时刻的运动状态估计。仿真实验表明,该方法在不同 的视距和非视距条件下均满足f c c e 9 11 定位精度要求,且鲁棒性强,复杂度满足实时性要求。此 外,算法的分布式结构适合大规模集成电路并行处理,且能够灵活地融合不同的测量方法及同步、 异步测量方式,有利于未来不同信息获取方式下的定位系统进行合作定位。 3 、在视距和非视距混合环境下,提出了基于r b p f 方法联合估计运动状态和视距环境变量。该 方法利用粒了滤波方法估计视距环境变量的后验概率密度,再通过分析方法得到运动状态估计。为 提高估计精度,在粒子滤波过程中,采用最优采样函数获得视距环境变量粒子,并通过后向预测方 法选择最有效的粒子用于视距环境变量估计。仿真实验表明,相比现有算法,该方法受先验概率设 定误差的影响较小,在视距和非视距转移概率无法正确估计时,定位精度增益明显。 4 、基于视距和非视距混合环境下的定位跟踪问题,提出了跟踪误差后验c r a m e r r a o 下限新的 计算方法。该方法首先通过分析得到接收机的状态估计,再应用s i g r m 点集和无迹变换求得f i s h e r 信息矩阵,获得后验c r l b 值。理论下限的计算过程中,假设在整个运动过程中l o s n l o s 的转移 过程已知。仿真实验表明r b p f 方法以及改进e k f 组方法在视距环境变量能正确估计的条件下,其 估计误差与理论下限接近。该理论下限可为后续开发新的有效算法提供理论指导,并在参数改变条 件下进行性能预测,设定合理可行的性能指标。 关键词:数字广播:无线定位;o f d m ;非视距;粒子滤波:扩展卡尔曼滤波;r a o - b l a e k w e u i z a t i o n ; c r a m e r r a o 限 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lb r o a d c a s t i n gi st ot r a n s m i td i g i t a lv i d e o s ,a u d i os t r e a m sa n dm u l t i m e d i ad a t ab yt h em e t h o do f b r o a d c a s t i n g i nr e c e n ty e a r s ,d i g i t a lb r o a d c a s t i n gs y s t e m s ,b a s e do nd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v 8 ) , d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ( d a b ) a n dd i g i t a lm e d i u mb r o a d c a s t i n g ( d m b ) s t a n d a r d s ,h a v eb e e nw i d e l y d e p l o y e da b r o a d i nm a n yd e m e s t i ec i t i e s ,t h i sk i n do fs e r v i c e sh a v ea l s ob e e nc a r r i e do u t u t i l i z i n gt h e s e d i g i t a lb r o a d c a s t i n gs i g n a l s an o v e lw i r e l e s s l o c a t i o nm e t h o dc a l lb eo b t a i n e d c o m p a r e dw i 吐ig l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) ,i th a sm a n yp o t e n t i a la d v a n t a n g e s :( 1 ) m o r es t r o n g e rt r a n s m i s s i o np o w e ra n db e t t e r d i f f r a c t i o np e r f o r r r 踟n c ew i l lc o n t r i b u t et og o o dr e c e i v i n gq u a l i t i e si n d o o r s ( 2 ) t r a n s m i t t e db yf i x e dd t v s t a t i o n s ,s i g n a l sw i l ln o tb es i g n i f i c a n t l yi n t e r f e r e db yd o p p l e re f f e c t sa n dt h ed e l a yc a u s e db yi o n o s p h e r e , w h i c hc o u l db ea c q u i r e dm o r ee a s i l y ( 3 ) t h ec o n t i n u o u s l yt r a n s m i t t e ds i g n a l sc a nb ec a p t u r e df r e q u e n t l y , t h u s ,t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a nb ei m p r o v e d ( 4 ) mt e c h n i q u em a k e su s eo f t h ed t vf a c i l i t i e s ,s ot h e p o s i t i o n i n gs y s t e mi sr e l a t i v e l ye c o n o m i c a lw h e np u ti n t op r a c t i c e s t a n d a r d sb a s e do no r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ( o f d m ) m o d u l a t i o na w i d e l ya d o p t e di nm o s tc o u n t r i e s t h e r e f o r e , t h e p o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gt e c h n i q u e sb a s e do i lm u l t i c a r r i e ro f d md i g i t a lb r o a d c a s t i n gs i g n a l sw i l lh a v e b r i l l i a n ta p p l i c a t i o np r o s p e c t s 1 r h i s p a p e rd i s c u s s e s s e v e r a lk e yp r o b l e m so fp o s i t i o na n dt r a c k i n gb a s e do no f d md i g i t a l b r o a d c a s t i n gs i g n a l s t h em a i nw o r kc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s :f i r s t l y , t h ep s e u d o - r a n g em e a s u r e m e n t m e t h o du s i n go f d mm o d u l a t e dd i g i t a lb r o a d c a s t i n gs i g n a l si ss t u d i e d , a n dt h em a i ne r r o r st h a ti n f l u e n c e o nt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya r ea n a l y z e d s e c o n d l y ,i nt h el i n e o f - s i g h t ( l o s ) c o n d i t i o n s ,an o v e lp a r t i c l e f i l t e r i n gm e t h o di sp r o p o s e d , w h i c hu s e si m p o r t a n ts a m p l i n gf u n c t i o nb a s e do ne k fb a n k t h i r d l y , t h e n o n e - l i n e - o f - s i g h t ( n l o s ) p r o b l e mi sd i s c u s s e di nd e p t h , w h i c hh a si m p o r t a n ta d v e r s ei m p a c to nt h e p r e c i s em o b i l el o c a t i o ne s t i m a t i o n t h e n , t w od i f f e r e n ta l g o r i t h m sa r ep r o p o s e dt ot r a c kt h em o b i l ep o s i t i o n i nm i x e dl o s n l o sc o n d i t i o n s a n dt h ep o s t e r i o rc r a m e r - r a ol o w e rb o u n d ( c r l b ) f o rm o b i l et r a c k i n g i nt h i sk i n do fc o n d i t i o ni sf i h t h e rs t u d i e d 耵忙m a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sw o r ki n c l u d e : ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r et h a td i g i t a lb r o a d c a s t i n gs i g n a l sa r ec o n t i n u o u s l yt r a n s m i t t e di nac o n s t a n t b i tr a t e m o b i l es t a t ec a nb es e q u e n t i a l l ye s t i m a t e db a s e do nm u l t i p l em e a s u r e m e n t si ns h o r ti n t e r v a l sa f t e r t h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o n an e wp a r t i c l ef i l t e r i n gm e t h o di sp r o p o s e d , w h i c hu s e se x t e n d e dk a l m a n f i l t e r i n g ( e k f ) b a n kb a s e di m p o r t a n ts a m p l i n gf u n c t i o n 1 1 1 em e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ee s t i m a t i o n p r o b l e m , i nw h i c ht h es t a t em o d e lh a sv e r ys m a l lp r o c e s sn o i s eb u tr e l a t i v e l yl a r g em e a s u r e m e n tn o i s e s i m u l a t i o ns h o w st h a tc o m p a r e dw i t ht h ee i 心a n ds e q u e n t i a li m p o r t a n tr e s a m p l i n g ( s i r ) f i l t e r , t h e a l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ee s t i m a t i o np r e c i s i o n , a n dc o n v e r g ef a s t e r ( 2 ) an o v e lm e t h o di sp r o p o s e dt ot r a c kt h ep o s i t i o no f r e c e i v e ri nt h em i x e dl o s n l o sc o n d i t i o n s af i r s t - o r d e rm a r k o vm o d e li se m p l o y e dt od e s c r i b et h ed y n a m i ct r a n s i t i o no fl o s n l o sc o n d i t i o n s , w h i c hi sh i d d e ni nt h em e a s u r e dd a t a t h em e t h o df i r s t l yu 5 e sm o d i f i e de l 叮b a n k st oj o i n t l ye s t i m a t eb o t h m o b i l es t a t e ( p o s i t i o na n dv e l o c i t y ) a n dt h eh i d d e ns i g h ts t a t eb a s e do nt h em e a s u r e m e n tf r o ms i n g l ed i g i t a l b r o a d c a s t i n gs t a t i o n t h e nb a y e s i a nd a t af u s i o na l g o r i t h mi sf u r t h e ra p p l i e dt oa c h i e v eah i 【g he s t i m a t i o n a c c u r a c y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a t i o ne r l o r so ft h ep r o p o s e dm e t h o da r ea l ls i g n i f i c a n t l y s m a l l e rt h a nt h a to ft h ef c cr e q u i r e m e n ti nd i f f e r e n tl o s n l o sc o n d i t i o n s i na d d i t i o n , t h em e t h o di s r o b u s ti nt h ep a r a m e t e rm i s m o d e l i n gt e s t c o m p l e x i t ye x p e r i m e n t ss u g g e s tt h a ti ti sp r o m i s i n gf o rr e a l - t i m e a p p l i c a t i o n s m o r e o v e r ,t h i sa l g o r i t h mi sf l e x i b l et oi n c o r p o r a t ed i f f e r e n tt y p e so fm e a s u r e m e n tm e t h o d s a n da s y n c h r o n o u so rs y n c h r o n o u so b s e r v a t i o n s ,w h i c hi se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h e f u t u r ec o o p e r a t i v e i u 东南人学博十学位论文 l o e a t i o ns y s t e m s ( 3 ) ar a o - b l a c k w e l l i z e dp a r t i c l ef i l t e r i n g ( r b p f ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od e a lw i t ht h em o b i l e l o c a l i z a t i o ni nm i x e dl o sa n dn l o sc o n d i t i o n s t h ea l g o r i t h me s t i m a t e st h es i g h tc o n d i t i o ns t a t eu s i n g p a r t i c l ef i l t e r i n g , i nw h i c hp a r t i c l e sa r es a m p l e db yt h eo p t i m a lt r i a ld i s t r i b u t i o na n ds e l e c t e db yo n e - s t e p b a c k w a r dp r e d i c t i o n b ya p p l y i n gd e c e n t r a l i z e de k fm e t h o d , t h em o b i l es t a t ec o u l dt h e nb ea n a l y t i c a l l y c o m p u t e d s i m u l a t i o ns h o w st h a t , c o m p a r e dw i t hc u r r e n tm e t h o d s ,t h ea l g o r i t h mc a l lb ei e s si n f l u e n c e db y s e te r r o r so fp r i o rp r o b a b i l i t y i nt h ec o n d i t i o nt h a tt h el o sa n dn l o st r a n s i t i o np r o b a b i l i t yc o u l dn o tb e e s t i m a t e dc o r r e c t l y ,t h ea l g o r i t h ma c h i e v e sm o r ea c c u r a t er e s u l t st h a nc u r r e n tm e t h o d s ( 4 ) 1 1 屺t h e o r e t i c a le r r o rl o w e rb o u n do ft h em o b i l et r a c k i n gp r o b l e mi ss t u d i e di nm i x e dl o sa n d n l o sc o n d i t i o n s o nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h el o sa n dn l o st r a s i t i o nh i s t o r yi sk n o w nd u r i n gt h ew h o l e t r a j e c t o r y ,an e wm e t h o di sp r e s e n t e dt oc o m p u t et h ep o s t e r i o rc r l b :t h em o b i l es t a t ei sf i r s te s t i m a t e db y d e c e n t r a l i z e de k fm e t h o d , t h e ns i g m ap o i n ts e ta n du n s c e n t e dt r a n s f o r m a t i o na r ea p p l i e dt oc a l c u l a t e f i s h e ri n f o r m a t i o nm a t r i x ( f i m ) n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee r r o rp e r f o r m a n c e so fr b p fa n d m o d i f i e de k fb a n k sa r ei nag o o da g r e e m e n tw i t ht h ep o s t e r i o rc r l bw h e nt h es i g h tc o n d i t i o n sc a l lb e c o r r e c t l yd e t e c t e db yt h et w oa l g o r i t h m s t h ep o s t e r i o rc r l bc o u l db eu s e da st h et h e o r e t i e a lb o u n d sf o r d e v e l o p i n gn e wa l g o r i t h m si nt h i sk i n do fp r o b l e m s i ti sa l s ou s e f u li np r e d i c t i n gt h ep e r f o r m a n c ef o r v a r i o u ss a m p l i n gi n t e r v a l sa n ds e n s o ra c c u r a c y k e y w o r d s :d i g i t a lb r o a d c a s t i n g , w i r e l e s sp o s i t i o n i n g ,o f d m , n l o s ,p a r t i c l ef i l t e r i n g ,e x t e n d k a l m a nf i l t e r ( e k f ) ,r a o - b l a c k w e l l i z a t i o r t , c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d i v 插图清单 插图清单 图2 1o f d m 频谱1 l 图2 2o f d m 循环前缀示意图1 2 图2 3 测距系统各时间系及其之间关系1 3 图3 - 1 重采样过程。2 6 图3 - 2 算法流图。2 7 图3 3 基于e k f 滤波器组重要采样的粒子滤波改进算法。2 9 图3 - 4 真实轨迹与一次实现的位置跟踪结果3 0 图3 5 位置r m s e 31 图3 6 速度r m s e 3 1 图4 1 两状态视距环境变量一阶马尔可夫转移模型3 9 图4 - 2 接收机运动状态估计总体模型4 0 图4 3 基于e k f 组和数据融合的算法结构图4 2 图4 4 单次仿真中3 种算法的跟踪结果4 3 图4 5 位置r m s e 比较4 4 图4 - 6r s e 的累积量分布4 4 图4 7 不同运动速度下的平均i t m s e 4 5 图4 8 不同加速度下的平均r m s e 4 5 图5 1l o s n l o s 动态转移条件下根方误差累积量分布函数( p o = a = 0 9 9 5 ) 5 5 图5 2l o s n l o s 动态转移条件下根方误差累积量分布函数( p o = a = 0 8 5 ) 5 5 图5 3l o s n l o s 动态转移条件下不同时刻均方根误差比较( p o = 届= 0 8 5 ) 5 6 图5 4 不同运动速度下的平均r m s e 5 6 图5 5 不同加速度下的平均r m s e 5 7 图5 - 6 粒子数与性能比较。5 7 图6 1r s e 的累积量分布6 7 图6 2 位置r m s e 比较6 7 i x 表格清单 表格清单 表3 1u k f 算法描述2 2 表3 23 种算法单次运行时间对比3 2 表4 1 基于e k f 组和数据融合的定位跟踪方法4 l 表4 2 固定视距环境下算法性能比较4 3 表4 33 种算法的计算时间比较4 6 表5 1 基于r b p f 的定位跟踪方法5 3 表5 2 仿真实验基本参数。5 3 表5 3 固定视距环境下算法性能比较( p o = a = 0 9 9 5 ) 5 4 表5 _ 4 固定视距环境下算法性能比较转移概率( p o = a = 0 8 5 ) 。5 5 表5 - 53 种算法的计算时间比较5 8 表6 1 迭代计算后验c r a m e r - r a o 下限6 6 表6 2 视距环境变量设定6 6 表6 3 固定视距环境下算法性能比较( p o = p 。= 0 9 9 5 ) 6 8 表6 _ 4 固定视距环境下算法性能比较转移概率( p o = p l = o 8 5 ) 6 8 x i 缩写衷 3 g p p a c a d t b 陋、五 a o a a t s c a v c a w g n b i f s b s a c b s t o f d m c d f c d m a c i f c m m b c o d r r c o f d m c p c r l b c 刷( c n r ) d a b d f t d m b d m e d o a d o s d 1 v d v b h d v b - t e k f e 1 广s i e 0 t d f c c f d m f f t f l 0 g d o p g i g l o n a s s g n s s g p s g s m h d t v h m m i c i i d f t 球f t 聃m i s 9 5 i s d b - t i s i n s k f l d p c 缩写表 t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t第三代合作伙伴计划 a u d i oc o d i n g音频编码 a d v a n c e dd i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gs y s t e m 高级数字电视广播系统 a d v a n c e df o r w a r dl i n kt r i l a t e r a t i o n 高级前向链路三角定位技术 a n g l eo f a r r i v a l到达角度 a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e先进电视系统委员会 a d v a n c e dv i d c oc o d i n g高级视频编码 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯臼噪声 b i n a r yf o r m a tf o rs c e n e s 二进制格式场景 b i ts l i c ea r i t h m e t i cc o d i n g比特分片算法编码 b a n d w i d t hs e g m e n t e dt r a n s m i s s i o no f d m 基于频带分段传输正交频分复用 c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n e t i o n 累积量分布 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t 共享中问格式 c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 中困移动多媒体广播系统 c o d ed i v i s i o nt e s t b e d 码分测试台 c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x 编码正交频分复用 c y c l i cp r e f i x 循环前缀 c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d 克拉美罗下界 c a r r i e r - t o - n o i s er a t i o载噪比 d i g i t a la u d i ob r o a d c s t i n g 数字音频广播 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离敏傅里叶变换 d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 数7 多媒体广播 d i s t a n c em e a s u r e m e n te q u i p m e n t测距设备 d i r e c t i o no f a r r i v a l到达方向 d i s ko f s c a m r i n g圆盘散射 d i g i t a lt e l e v i s i o n 数字电视 d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g h a n d h e l d 手持数字视频广播 d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l 地面数字视频广播 e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r i n g扩展卡尔曼滤波 e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss d a n d a r d si n s t i t u t e 欧洲电信标准委员会 e n h a n c e do b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e增强观测时间差定位法 f e d e r a lc o m m u n c a t i o nc o m m i t t e e联邦通信委员会 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g频分复用 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅里叶变换 f o r w a r dl i n ko n l y 前向单链接 g e o m e t r i cd i l u t i o no f p r e c i s i o n 几何精度凶子 g u a r di n t e r v a l 保护问隔 g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m 全球导航卫星系统 g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m 全球卫星导航系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 全球定位系统 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s全球移动通信系统 h i 曲d e f t n i t i o nt e l e v i s i o n 高清晰度电视 h i d d e nm a r k o vm o d e l 隐马尔可夫模型 i n t e r - 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