基于双射频技术的DRIPS和uDRIPS室内定位分析及异步定位算法研究

摘要

在移动互联网和物联网飞速发展的今天，数据和多媒体业务快速增长，各种新型移动设备比如手机、平板电脑和可穿戴设备层出不穷，这一切都使得定位感知服务需求日益增加。对于无线传感器节点（WSN）应用来说，位置感知服务至关重要，至今为止已经有大量的基于测距定位的系统的研究。全球定位系统（GPS）主要应用于室外环境，其定位精度大约在5 m。然而由于卫星射频信号很难穿透建筑物墙壁，GPS对于室内定位的表现并不好。此外，超宽带（UWB）定位系统拥有很高的定位精度，但是过高的成本使其不能得到广泛使用。射频干涉室内定位系统（RIPS）是在2005年被首先提出的一种室内定位系统，该系统使用两个发送端来直接生成干涉信号，且两个发送端信号的频率很接近，因此干涉信号有一个低频包络，而这可以通过WSN中低廉的节点设备测量估算。而后又有诸如DRIPS和uDRIPS的定位系统，这些系统利用了双频信号来进行射频干涉室内定位，计算方法更为简单且能适用于平坦衰落信道。
　　本文主要研究对象是基于无线传感器网络的室内定位技术。由于射频信号是无线传感器网络中最为普遍的信号，我们选择利用射频信号来进行室内定位。我们的研究主要分为两个部分，一个是利用PXI平台搭建了双频射频干涉测距实验，用以分析双频射频干涉实验的测距效果，从而可以分析其定位效果。另外一个是对于一般双频射频干涉定位技术做出了改进，使得异步定位成为可能，降低硬件要求。这两方面内容具体来说如下：
　　(1)在射频干涉定位中，DRIPS是一种双频射频干涉定位系统，由于该双频信号中的两个信号的频差很小，小于信号相干带宽，因此该信号所经历的信道模型可以建模成平坦衰落信道。但是在DRIPS中，定位算法中使用了平方运算来产生低频差信号，而这会导致一个较高的噪声功率。另一种方法是uDRIPS，它是一种使用了欠采样技术的DRIPS。除了DRIPS本身的优点以外，由于uDRIPS采用了欠采样技术，这种方法通过直接采样接收的双频信号可以有效避免噪声放大。我们利用PXI设备来实现并评估这两种测距方法，由于实验条件的一些限制，我们只设置了一个发送端和一个接收端来进行实验。通过多次实验，我们得到了一些实验数据，再对实验数据进行分析我们可以得出双频射频干涉定位的有效性和可靠性，同时评估了DRIPS和uDRIPS这两种方法的优劣。
　　(2)在诸多室内定位技术中，一个绕不过去的问题是同步问题，它大大增加了系统的复杂性和成本。尤其是在射频信号的室内定位中，由于射频信号的传播速度是光速，同步的精准度要求便更高，这对系统来说是一个挑战。为此我们提出一种基于双频射频干涉的异步TDOA定位系统，命名为ATPS。在该系统中，我们使用特别的通信机制可以实现系统异步进行定位，另外只需要两个发送端（其中一个是盲节点一个是参考锚节点发送端）和四个接收端便可以进行定位。在系统中，我们采用了ESPRIT算法来进行接收端频率的估计，再通过利用TDOA算法来进行相位和时间处理，最后利用Chan双曲线定位算法定位盲节点。我们也通过仿真对该定位技术进行评估和讨论。
　　综上所述，本文主要研究了双频射频干涉室内定位技术，首先利用PXI设计并实施了实验来验证该定位技术的可行性，然后通过提出一种新的双频射频干涉异步TDOA室内定位技术解决了室内定位技术中必须同步的问题。论文的研究有助于推进室内定位的技术发展及相关应用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 主要研究工作及本文章节安排

第二章 射频干涉定位的研究现状

2.1 引言

2.2 TripLoc：射频干涉到达角估计

2.3 SpinLoc：利用转动浮标的精确室内定位

2.4 dTrack：利用射频多普勒频移来跟踪移动节点

2.5 mTrack：移动无线节点的射频干涉跟踪

第三章 基于NI PXI的双频射频干涉测距实验

3.1 引言

3.2 系统描述

3.3 测距方法

3.4 误差来源

3.5 实验与评估

3.6 本章小结

第四章 基于双频射频干涉的异步TDOA定位

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 频率估计问题

4.4 仿真结果

4.5 本章小结

全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间申请的专利

攻读学位期间参与的项目