超宽带探测室内多径传播特性的研究与分析

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IEEE802.15.4a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IEEE802.15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。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 研究内容及方法

1．4 研究思路

1．4．1 超宽带收发系统原理

1．4．2 超宽带室内模型确定

1．4．3 超宽带室内多径效应下定位实现

第2章 UWB无线系统概述

2．1 UWB信号脉冲波形与实现

2．2 IR-UWB调制技术

2．3 IR-UWB信号接收技术

2．4 IR-UWB信号室内传播模型

2．5 IR-UWB典型信道模型

2．5．1 IEEE802．1 5．3a信道模型

2．5．2 IEEE802．1 5．4a信道模型

2．6 IEEE802．15．4．a模型参数与性能分析

2．7 本章小结

第3章 几种室内定位算法的研究

3．1 TOA定位

3．2 TDOA定位

3．3 AOA定位

3．4 基于接收信号强度RSS定位

3．5 混合定位

3．6 本章小结

第4章 IR-UWB室内多径传播研究

4．1 多径环境下信道模型分类

4．2 传统时延估计

4．2．1 相关接收法

4．2．2 Fang氏算法

4．3 UWB室内介质多径效应的研究

4．3．1 UWB信号传播研究

4．3．2 UWB遇见障碍物反射研究

4．4 本章小结

第5章 UWB室内多径条件下定位仿真

5．1 穿墙UWB传播的误差分析

5．2 多径距离误差

5．3 UWB穿墙研究

5．3．1 基于时间延迟近似求解法

5．3．2 模型计算与分析

5．4 三维室内穿墙模拟研究

5．4．1 三维室内模拟研究

5．4．2 室内误差分析

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果