基于IR-UWB無線室內(nèi)定位的機(jī)理研究.pdf

1、隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對(duì)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(shù)的支撐下，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，脈沖超寬帶(Impluse Radio Ultra Wideband, IR-UWB)技術(shù)可滿足無線室內(nèi)定位高精度、低功耗和低復(fù)雜度的實(shí)現(xiàn)要求，結(jié)合基于到達(dá)時(shí)間(Time-of-Arrival, TOA)的測距算法可以充分利用IR-UWB信號(hào)時(shí)間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。
　　與高速通信系統(tǒng)所關(guān)注的無線信號(hào)時(shí)延擴(kuò)展不同，IR-UWB定位系統(tǒng)主要關(guān)注直達(dá)路徑(Direct Path, DP)的傳播特性，相應(yīng)的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)也由誤碼率變?yōu)榫嚯x誤差。復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下，IR-UWB信號(hào)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(hào)本身所具備的納秒級(jí)時(shí)間分辨率可降低多徑對(duì) 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(duì)非直達(dá)徑的檢測所產(chǎn)生的額外傳播時(shí)延而導(dǎo)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(hào)的傳播特性密切相關(guān)的?，F(xiàn)有的IR-UWB信道模型均是從統(tǒng)計(jì)的角度給出IR-UWB信號(hào)傳播過程中的幅度和時(shí)延信息，無法有效的反映 IR-UWB單徑信號(hào)與具體空間環(huán)境的相互作用機(jī)理，而這對(duì)于關(guān)注DP信號(hào)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(hào)傳播機(jī)制的基礎(chǔ)上

4、，以分析多徑傳播所造成的TOA測距誤差為切入點(diǎn)，以探索完全非視距環(huán)境下的脈沖信號(hào)定位機(jī)理為目標(biāo)，深入系統(tǒng)地研究了 IR-UWB信號(hào)的傳播特性，同時(shí)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(shè)計(jì)與基礎(chǔ)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(chǔ)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(hào)的特點(diǎn)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(hào)傳播機(jī)理的基礎(chǔ)。重點(diǎn)介紹了 IEEE802.15工作組給出的針對(duì)脈沖超寬帶信號(hào)在不同應(yīng)用環(huán)境下的3a和4a信道模型詳細(xì)參數(shù)。最后研究了無線室內(nèi)定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架，包括定位原理、測距算法性能限、以及結(jié)合 IR-UWB信號(hào)進(jìn)行無線室內(nèi)定位的可行性。
　　(2)提出了 IR-UWB單徑信號(hào)傳播的研究方案，研究了室內(nèi) LOS環(huán)境下IR-UWB信號(hào)的傳播特性。由于IR-UWB信號(hào)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(hào)基于中

6、心頻率的傳播理論已不適合分析 IR-UWB信號(hào)，而目前針對(duì) IR-UWB單徑信號(hào)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(hào)傳播特性的修正的確定性時(shí)頻域方法。同時(shí)，鑒于IR-UWB信號(hào)在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中傳播的易反射現(xiàn)象，本文在對(duì)室內(nèi) LOS環(huán)境下 IR-UWB信號(hào)傳播建模的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了 IR-UWB單徑信號(hào)的反射特性。最后通過對(duì)不同收發(fā)機(jī)環(huán)境下的接收信號(hào)的分析，利用兩徑模型中直達(dá)徑與反射徑的傳播時(shí)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(guān)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(shí)際測量兩方面研究了 NLOS環(huán)境下 IR-UWB信號(hào)的穿墻傳播特性。鑒于IR-UWB信號(hào)潛在的強(qiáng)穿透障礙物能力，通過對(duì)其在有限厚度障礙物內(nèi)傳播過程的描述及相應(yīng)系數(shù)的修正，給出了 IR-UWB穿墻透射系數(shù)的時(shí)頻域閉合表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相干 TOA測距系統(tǒng)對(duì) IR-UWB信號(hào)穿墻傳播的要求，明晰了脈沖超寬

8、帶信號(hào)的透射性能與環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的相互關(guān)系，重點(diǎn)分析了 IR-UWB信號(hào)波形失真對(duì)相干 TOA測距性能的影響。為選擇合理的脈沖信號(hào)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(xué)深圳研究生院通信工程研究中心自主研發(fā)設(shè)計(jì)的IR-UWB樣機(jī)完成了 IR-UWB信號(hào)的穿墻傳播實(shí)測，通過與理論結(jié)果的比較驗(yàn)證，完善了IR-UWB信號(hào)的穿墻傳播理論。
　　(4)針對(duì) 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(hào)傳播特性有關(guān)的測距多徑誤差和NLOS誤差產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)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(guān)系，研究了不同信道環(huán)境下與系統(tǒng)帶寬有關(guān)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(duì)現(xiàn)有信道模型無法描述 IR-UWB信號(hào)在 NLOS環(huán)境下的額外傳播時(shí)延，基于IR-UWB信號(hào)穿透有限厚度障礙物傳播的空間幾何結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了 IR-UWB信號(hào)穿墻測距 NLOS幾何距離誤差限，明晰了收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離和障礙物