基于IR-UWB無線室內(nèi)定位的機理研究.pdf

1、隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對位置信息感知的需求也日益增大。在短距離高速率無線通信技術的支撐下，作為一項新興技術，脈沖超寬帶(Impluse Radio Ultra Wideband, IR-UWB)技術可滿足無線室內(nèi)定位高精度、低功耗和低復雜度的實現(xiàn)要求，結(jié)合基于到達時間(Time-of-Arrival, TOA)的測距算法可以充分利用IR-UWB信號時間分辨率高的優(yōu)點獲得很好的定位精度，從而迅速成為短距離無線室內(nèi)定位研究

2、的熱點。
　　與高速通信系統(tǒng)所關注的無線信號時延擴展不同，IR-UWB定位系統(tǒng)主要關注直達路徑(Direct Path, DP)的傳播特性，相應的性能衡量標準也由誤碼率變?yōu)榫嚯x誤差。復雜室內(nèi)環(huán)境下，IR-UWB信號傳播過程中的多徑和非視距(Non-Line-of-Sight, NLOS)現(xiàn)象是造成定位測距誤差的主要原因。雖然 IR-UWB信號本身所具備的納秒級時間分辨率可降低多徑對 DP路徑的干擾，但受系統(tǒng)帶寬的限制，也同樣存在多

3、徑誤差。NLOS誤差則為 DP受到障礙物的阻擋，對非直達徑的檢測所產(chǎn)生的額外傳播時延而導致的距離誤差?？梢?，IR-UWB無線定位系統(tǒng)的性能是與IR-UWB信號的傳播特性密切相關的。現(xiàn)有的IR-UWB信道模型均是從統(tǒng)計的角度給出IR-UWB信號傳播過程中的幅度和時延信息，無法有效的反映 IR-UWB單徑信號與具體空間環(huán)境的相互作用機理，而這對于關注DP信號傳播特性的TOA測距定位系統(tǒng)尤為重要。本文在明晰IR-UWB單徑信號傳播機制的基礎上

4、，以分析多徑傳播所造成的TOA測距誤差為切入點，以探索完全非視距環(huán)境下的脈沖信號定位機理為目標，深入系統(tǒng)地研究了 IR-UWB信號的傳播特性，同時建立了基于IR-UWB的定位測距誤差模型，可為IR-UWB無線定位系統(tǒng)的設計與基礎算法提供參考依據(jù)。本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾方面：
　　(1) IR-UWB無線定位系統(tǒng)基礎理論研究。首先分析了現(xiàn)有超寬帶系統(tǒng)中常用脈沖信號的特點及其用于TOA定位的優(yōu)劣，作為研究定位環(huán)境下 IR-UWB

5、信號傳播機理的基礎。重點介紹了 IEEE802.15工作組給出的針對脈沖超寬帶信號在不同應用環(huán)境下的3a和4a信道模型詳細參數(shù)。最后研究了無線室內(nèi)定位系統(tǒng)的總體結(jié)構框架，包括定位原理、測距算法性能限、以及結(jié)合 IR-UWB信號進行無線室內(nèi)定位的可行性。
　　(2)提出了 IR-UWB單徑信號傳播的研究方案，研究了室內(nèi) LOS環(huán)境下IR-UWB信號的傳播特性。由于IR-UWB信號為超寬頻譜基帶瞬態(tài)窄脈沖，傳統(tǒng)窄帶調(diào)制連續(xù)波信號基于中

6、心頻率的傳播理論已不適合分析 IR-UWB信號，而目前針對 IR-UWB單徑信號傳播特性的研究一直沒有定論，本文提出了研究IR-UWB單徑信號傳播特性的修正的確定性時頻域方法。同時，鑒于IR-UWB信號在復雜室內(nèi)環(huán)境中傳播的易反射現(xiàn)象，本文在對室內(nèi) LOS環(huán)境下 IR-UWB信號傳播建模的基礎上，重點研究了 IR-UWB單徑信號的反射特性。最后通過對不同收發(fā)機環(huán)境下的接收信號的分析，利用兩徑模型中直達徑與反射徑的傳播時延差，從理論上明確

7、了TOA測距多徑誤差與環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的相互關系。為IR-UWB定位測距誤差的建模提供了理論依據(jù)。
　　(3)從理論建模和實際測量兩方面研究了 NLOS環(huán)境下 IR-UWB信號的穿墻傳播特性。鑒于IR-UWB信號潛在的強穿透障礙物能力，通過對其在有限厚度障礙物內(nèi)傳播過程的描述及相應系數(shù)的修正，給出了 IR-UWB穿墻透射系數(shù)的時頻域閉合表達式。在此基礎上，結(jié)合相干 TOA測距系統(tǒng)對 IR-UWB信號穿墻傳播的要求，明晰了脈沖超寬

8、帶信號的透射性能與環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的相互關系，重點分析了 IR-UWB信號波形失真對相干 TOA測距性能的影響。為選擇合理的脈沖信號完成 NLOS環(huán)境下的高精度定位提供了理論參考。最后利用哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院通信工程研究中心自主研發(fā)設計的IR-UWB樣機完成了 IR-UWB信號的穿墻傳播實測，通過與理論結(jié)果的比較驗證，完善了IR-UWB信號的穿墻傳播理論。
　　(4)針對 IR-UWB無線室內(nèi)定位測距誤差的建模研究。在明確

9、與IR-UWB信號傳播特性有關的測距多徑誤差和NLOS誤差產(chǎn)生原因的基礎上，根據(jù)多徑誤差與環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的理論關系，研究了不同信道環(huán)境下與系統(tǒng)帶寬有關的多徑誤差，給出了500MHz~8GHz帶寬范圍的多徑誤差分布參數(shù)。針對現(xiàn)有信道模型無法描述 IR-UWB信號在 NLOS環(huán)境下的額外傳播時延，基于IR-UWB信號穿透有限厚度障礙物傳播的空間幾何結(jié)構，推導了 IR-UWB信號穿墻測距 NLOS幾何距離誤差限，明晰了收發(fā)節(jié)點距離和障礙物