超宽带定位与RAKE接收关键技术研究

论文摘要

超宽带（Ultra Wideband, UWB）技术是对正弦载波无线电的一次突破,由于特有的性质和应用领域,使其在无线通信领域研究中受到了热切关注。由于信号的超宽带特性,UWB的距离分辨精度要比其他系统高的多,在精确定位应用中具有极大潜力。同时,UWB系统通常工作在复杂的多径环境下,但可以采用RAKE接收机收集多径能量来改善系统性能。本文针对UWB系统中的定位问题和RAKE接收机进行了研究,主要成果包括以下几点：（1）提出了一种基于UWB的TOA/AOA联合定位方案,其中TOA和AOA估计分别用于获得定位双方的距离和方位信息,只需单个定位源就可完成对定位节点的相对定位。提出了TOA/AOA联合估计算法,TOA通过往返时间来确定,无需定位两端时钟同步；AOA信息通过近似的TDOA方式获得,无需借助计算复杂度较高的波束赋形等方法。该联合定位方案将不同的定位技术TOA和AOA都统一到了基于UWB多径时延估计框架中,简化了定位体制。（2）探讨了UWB定位研究中非视距（Non Line-of-Sight, NLOS）定位这个难点问题。提出了一种适用于NLOS环境的UWB定位方案,通过对散射体的利用,使得在直射路径被阻挡之后TOA和AOA方法仍能适用,并可通过搜索最强路径来获得TOA估计,避免了阈值搜索。该方案同样适用于LOS（Line-of-Sight）环境。该方案能够直接完成NLOS定位,出发点不同于传统的被动式的NLOS定位方法。（3）NLOS鉴别能为UWB定位提供重要的先验信息,首先通过仿真实验分析了在IEEE 802.15.4a信道下UWB定位时TOA估计性能,并验证了UWB多径分量的统计特性作为NLOS判决方法的可行性。然后从UWB定位误差统计模型出发,以假设检验（Hypothesis Test）理论为基础来求解LOS/NLOS状态鉴别问题。通过分析NLOS条件下定位误差的概率密度函数,定义了一种基于误差分布的NLOS鉴别概率,不依赖于信道特性,利用虚警概率经过数学推导后,得出了鉴别概率的求解方法。（4）提出了一种在NLOS条件下降低复杂度的选择性RAKE接收机方案（RC-SRAKE）,利用接收端参考波形和接收信号的相关卷积,并以多径间隔对卷积输出抽样来选取Finger参数,参考波形又能根据Finger参数来确定RAKE相关接收时的匹配模板信号,因此不需要已知信道信息。通过误码率分析和仿真实验表明,RC-SRAKE能获得和理想RAKE接收机相近的性能,可以作为实际应用时可行的接收方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景
• §1.2 超宽带技术概述
• 1.2.1 超宽带定义和特点
• 1.2.2 超宽带技术的发展史
• 1.2.3 超宽带技术研究现状
• §1.3 论文的选题与主要工作
• 1.3.1 超宽带研究中的关键技术
• 1.3.2 论文选题的出发点
• 1.3.3 论文的主要工作和结构安排
• 本章参考文献
• 第二章 超宽带信号、多径信道与定位技术
• §2.1 UWB信号调制方式
• 2.1.1 TH-PPM-UWB
• 2.1.2 DS-PAM-UWB
• 2.1.3 调制方式小结
• §2.2 UWB多径信道模型
• 2.2.1 修正S-V/IEEE 802.15.3a信道模型
• 2.2.2 IEEE 802.15.4a信道模型
• §2.3 UWB定位技术
• 2.3.1 TOA/TDOA定位
• 2.3.2 其他的测时定位方式
• §2.4 UWB多径时延估计
• 2.4.1 相干和非相干TOA估计
• 2.4.2 两步TOA估计算法
• 2.4.3 最大似然算法
• 2.4.4 阈值搜索算法
• §2.5 时延估计性能界
• 2.5.1 克拉莫劳下界（CRLB）
• 2.5.2 Ziv-Zakai下界（ZZLB）
• §2.6 NLOS定位和NLOS鉴别
• 2.6.1 NLOS定位误差
• 2.6.2 NLOS鉴别
• §2.7 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 UWB定位中TOA/AOA联合估计方案研究
• §3.1 引言
• §3.2 UWB定位技术对比
• 3.2.1 RSS和AOA
• 3.2.2 定位方法的组合使用
• §3.3 TOA/AOA联合定位方案
• 3.3.1 联合定位方案
• 3.3.2 TOA/AOA估计方法
• §3.4 UWB多径信号检测算法
• 3.4.1 基于DP的相干检测算法
• 3.4.2 TOA/AOA联合定位算法步骤
• §3.5 误差说明和仿真实验
• 3.5.1 定位误差说明
• 3.5.2 定位方案性能仿真
• §3.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 适用于NLOS条件的UWB定位方案
• §4.1 引言
• §4.2 NLOS定位研究概述
• 4.2.1 UWB信号的穿透能力
• 4.2.2 两种NLOS定位策略
• 4.2.3 利用散射体的NLOS定位思路
• §4.3 NLOS环境下UWB定位方案
• §4.4 基于UWB多径信号中SP检测的定位算法
• 4.4.1 UWB接收信号模型
• 4.4.2 基于最强路径（SP）搜索的TOA估计
• 4.4.3 NLOS环境下基于UWB的定位方案步骤
• §4.5 仿真实验和分析
• 4.5.1 仿真实验设置
• 4.5.2 TOA估计对定位性能的影响
• 4.5.3 （α,β）对定位性能的影响
• §4.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 UWB定位中的NLOS鉴别研究
• §5.1 引言
• §5.2 IEEE 802.15.4a信道下时延估计性能
• 5.2.1 仿真试验设置
• 5.2.2 实验结果分析
• §5.3 基于UWB多径信道统计特性的NLOS鉴别
• 5.3.1 UWB多径时延特性
• 5.3.2 基于SP与信道能量比的NLOS鉴别
• 5.3.3 SP与信道能量比的仿真实验
• §5.4 基于UWB定位误差分析的NLOS鉴别
• 5.4.1 UWB定位中的多径误差和NLOS误差
• 5.4.2 视为假设检验问题的NLOS鉴别概率
• 5.4.3 鉴别概率的求解
• §5.5 仿真实验和分析
• 5.5.1 多径误差的影响
• 5.5.2 NLOS误差的影响
• §5.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 超宽带系统中选择性RAKE接收技术研究
• §6.1 引言
• §6.2 二进制UWB信号的RAKE接收性能
• §6.3 RAKE接收性能比较
• §6.4 NLOS环境下低复杂度的RAKE接收机
• 6.4.1 三种RAKE接收机的特性
• 6.4.2 RC-SRAKE接收机设计
• 6.4.3 RC-SRAKE性能分析
• §6.5 仿真实验和分析
• §6.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 结束语
• §7.1 本文内容总结
• §7.2 工作展望
• 致谢
• 作者在读期间的研究成果