基于LTE信号的灾后环境下的信道建模与定位算法研究

发布时间：2020-05-28 07:23

【摘要】：自然灾害时刻影响着人们的生命安全,如何在灾后搜救工作中快速完成伤员定位更是重中之重。基于移动信号的定位技术因其基础设施完善、可快速布设基站的特性在灾后搜救领域有着不错的发展前景。手机随身携带率和LTE手机使用率逐年升高,LTE相比GSM和CDMA有着更大的带宽同时使用了MIMO技术提高了时延估计的精度,使用OFDM技术提升了抗多径和符号间干扰的能力,因此LTE信号已可作为一种灾后搜救资源。针对灾后环境下LTE信号的信道建模与定位技术的研究较少,而灾后环境下LTE频段的信道模型需要实地测量,定位精度受到灾后非视距环境的影响严重等问题,对LTE频段的信道进行了建模与实地测量,取得的研究成果如下:1)对灾后环境的信道建模进行了研究,提出了一种普适的信道衰落模型。对大尺度衰落模型与小尺度衰落中的多径信道冲激响应模型进行了建模,使用基于空间平滑的ESPRIT算法估计了信道参数并进行了参数拟合,得出了标准化多径时延符合指数分布,其幅值符合高斯分布的结论。得到了基于空间平滑的ESPRIT算法相比于AR模型法和ESPRIT参数估计方法在模型阶数和归一化均方根误差方面评价更高的结论。基于两种实际灾后环境建立了针对LTE信号频段的多径冲激响应模型,可以模拟灾后场景下的信道模型。另外获得的三种参数的概率分布可以用于非视距识别,降低非视距对测量值的影响,对位置精确解算有着重要的作用。2)提出了一种TDOA精确估计算法,减弱了非视距造成的影响,经过仿真验证了其性能。提出了一种基于非视距误差识别和抑制的定位算法,该方法先使用基于峰度、平均超量时延和均方根时延扩展参数的似然比率测试法进行非视距识别,之后进行了 TDOA精确估计以抑制非视距误差,再将TDOA测量值带入EFIR滤波算法中求解位置,相比其他算法以牺牲计算时间为代价得到了更好的定位精度。本文基于LTE信号频段对灾后层叠和混乱倒塌环境进行了信道建模,大尺度衰落模型的误差在2dB以内,小尺度多径冲激响应模型的评价指标平均超量时延、均方根时延扩展和峰度等参数与实际测得参数的误差在9%以内,可用于模拟两种倒塌情况下的信道。使用两种倒塌环境的数据对提出的算法进行了仿真,相比非视距识别、抑制后使用EKF算法和进行非视距识别后使用加权最小二乘算法以N倍计算时间为代价降低了非视距误差的影响,定位误差在两种灾后场景中降低了约20%-3 0%。
【图文】：

衰落特性,无线信道

图２－１无线信道的衰落特性逡逑大尺度衰落特性逡逑度衰落特性主要有两部分组成：路径损耗和阴影效应。逡逑损耗是由电磁波在信道中传播所引发的损耗，随着发射端与接接收端收到信号的强度渐渐减少。根据这种特性，已知发射信号输的距离，就可以根据路径损耗模型求得接收信号的强度；若收信号的信号强度，就可以估计出信号传输的距离。这是路径损空间传播是最根本的信号传播方式，它是指在发射端与接收端任何的障碍物对传播进行阻挡，除了因距离本身产生的衰减没有传播造成影响。目前关于自由空间传播损耗模型的研究已有很传输方程表示如下：逡逑Ｐｒ＝ＰｔＧ，Ｇｒ｛ｒ＾－ｆ４；ｚｒ逡逑

序列,生成序列,映射图,信号

并且只在为该信号发送的下行子帧的资源块中进行发送，是一种用于定逡逑位的参考信号。具体对ＰＲＳ信号进行的设置参照引用普通循环前缀、单天逡逑线端口情况下的ＰＲＳ映射为图２－２。逡逑￣Ｉ￣Ｉ＂＂＂￣＂＂＂＂￣￣逡逑｜逦榦逡逑单—逦１３逦ｉｉ＂逡逑物逦１逦逡逑理邋逦逦逦逦逡逑爰逦｜邋ＲＳ逦１６；逡逑送逦Ｒ＊３逦Ｍ逡逑ＩＳ逦ｉｌ逡逑退逦逦逦逡逑端逦逦ｉｉ逦逡逑ｐ逦Ｒｅ｜逦Ｍ逡逑Ｍ逡逑１＝０邋１＝６邋１＝０逦１＝６逡逑Ａ逦ＫＡ逦＼逡逑（逦ｒａｂｉｅｓ逦＞：逦苛；？逡逑＼逦／邋＼逦Ｖ逡逑天线端口邋６逡逑图２－２定位参考信号映射图逡逑ＰＲＳ信号的生成序列定义为：逡逑ｒｉ．ｎｓ邋＝逦（１邋￣邋２邋ｘ邋ｃ（２ｏｔ））邋＋邋ｊ逦（１邋—邋２邋ｘ邋ｃ（２ｗ邋＋１）），”７邋＝邋０，１邋…，—１逦（２－１９）逡逑其中ｎｓ作为无线帧中的时隙数，１是时隙中的ＯＦＤＭ符号数。ｃ（ｉ）作为伪随逡逑机序列开始于Ｃｉｎｉｔ，其表达式如下所示：逡逑ｃｉｎｉｔ邋＝邋２１０邋ｘ邋（７邋ｘ邋（＾邋＋１）邋＋邋／邋＋１）邋ｘ邋（２邋ｘ邋Ｎ＾１邋＋１）邋＋邋２邋ｘ邋Ｎ＾！邋＋邋ＮＣＰ逦（２－２０）逡逑只要通过主同步信号（Ｐｒｉｍａｒｙ邋Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ邋Ｓｉｇｎａｌ，ＰＳＳ）与辅同步信号逡逑（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ邋Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ邋Ｓｉｇｎａｌ，，ＳＳＳ）得到物理小区邋ＩＤ％＂即可构造邋ｃ（ｉ）起始逡逑序列ｃｉｎｉｔ
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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