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超宽带探测室内多径传播特性的研究与分析

韩文文  
【摘要】:超宽带(Ultra Wideband,UWB)技术具有传输速率高、发射功率低、多径分辨率高、抗干扰能力强等优点,使得它受到越来越多的关注。尤其是UWB技术超过一般窄带信号的高定位精度,使得其在军事反恐和民用生活方面都有着很大的应用前景。在对目标定位、灾害救援、物体追踪等方面,使用超宽带技术定位可以取得很大的效果。本文对室内超宽带定位技术进行深入的研究,并对超宽带信号定位估计的四种基本方法,即(TOA,TDOA,RSS与AOA)进行了较为全面的分析与研究。并以IEEE 802.15.4a提供的信道模型为背景,对室内环境定位的实现进行研究,提出基于查表法的定位算法。本文主要结构和内容如下:对超宽带信号的物理特性进行理论研究,并根据超宽带发射信号的要求,对高斯脉冲及其多次微分进行仿真,从而获得适合室内定位的UWB信号脉冲模型;介绍了UWB信号室内的经典模型,主要对IEEE 802.15工作组提供的不同环境下的信道模型进行研究。分析几种常见的UWB定位技术。基于接收信号强度(RSS)定位技术的方法是在充分了解发射信号强度和信道模型的基础上,才能估计目标节点与基站之间距离,进行定位的。但是因为室内环境的复杂多变,以及多径信号和非视距的影响,这都使得在相同距离下会出现不同的传输损耗,从而影响定位的精度;基于角度定位技术(AOA)的方法,较RSS定位方式有了很大的改善,能获得较高的定位精度,但是需要接收端使用天线阵列,这使得基站的复杂性和成本都会很大程度上的增加,并且在多径效应和非视距情况下AOA的估计精度将很难保证。基于接收信号时间延迟法(TOA/TDOA),利用信号的传播时延进行测距,由于超宽带信号自身良好的时间分辨率,且信道环境的变化在短时间内可以认为是相对稳定的,因此基于接收信号时间延迟法具有相对较高的精度。所以本文选取TOA/TDOA作为进行室内定位的方法,该方式不仅可以提高定位的精度且实现方式简单。分析造成室内定位误差的主要因素:多径效应以及抑制该误差的方法;并且在已有的基于到达时间的定位算法中,对两种经典的检测方式,即相关路径与Fang氏算法进行实际仿真分析,并发现其不足。而后,提出一种基于时间延迟查找检测表的定位算法。论文对提出的查表法进行穿墙建模分析,并对室内视距(LOS)环境模型下,进行多径误差与直达波模拟分析,从而验证了快速查表法的可行性。


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