基于蓝牙和5G信号的D2D协同定位技术研究

发布时间：2020-06-11 22:17

【摘要】：近年来,随着科学与技术的发展,位置服务(Location-Based Service,LBS)在人们的生活中扮演着越来越重要的角色,并由于其广阔的应用前景受到了国内外的广泛关注。尽管全球定位系统(Global Positioning System,GPS)已经在近年来成为室外定位的最佳解决方案,然而在室内环境中,由于定位环境的动态性和复杂性,精确可靠地进行室内定位仍然是一个很大的难题。作为面向5G的关键候选技术,设备到设备通信(Device to Device,D2D)对于室内定位可以增加定位目标的视距(Line of Sight,LOS)信号的几率,对于解决非视距(Non Line of Sight,NLOS)问题、提高定位精度等方面有广泛的应用前景,故受到了广泛关注。本文为解决非视距与视距混合环境下室内定位精度不足的问题,提出了一种基于测距信号与行人航迹推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)的概率位置选择算法(Probabilistic Position Selection Algorithm,PPSA);为解决极端环境中移动终端接收定位信号数量不足难以定位的问题,利用面向5G移动通信系统中D2D技术,研究了多终端下的协同定位技术以及其协同节点优选方案,并提出了一种应用于无线网络的基于区域最优化与节点优选的和积算法(Area Optimization And Node Selection Based Sum-product Algorithm over a Wireless Network,AN-SPAWN)。具体工作如下:首先,本文针对复杂室内环境中现有室内定位方案精度不足的情况,提出了一种基于测距信号和PDR的概率位置选择算法。为解决定位过程中存在的非视距因素,提出了一种基于测距信号与PDR的非视距识别方案来分析信号的信道传输状态。实验结果表明,本文提出的算法在视距与非视距混合场景中比传统定位方法具有更高的定位精度,并且对非视距误差具有更好的抵抗能力。在本文所构建的实验环境下,PPSA较传统的三边与PDR混合算法(Trilateration+PDR)、最大似然估计与PDR混合算法(MLE+PDR),其平均定位精度分别提高了49.62%与60.45%。然后,针对定位节点稀疏网络中定位终端接收不到足够定位信号等极端场景下,在前文提出的概率位置选择算法的基础上结合无线网络下的和积算法(Sum-product Algorithm Over A Wireless Network,SPAWN)提出一种基于蓝牙和5G信号的协同定位方案。为降低该协同定位算法的复杂度,滤除对定位贡献度不大的协同节点并构建最优协作集群,提出来一种基于克拉美罗下界与非视距识别的协同节点优选方案。实验与仿真结果表明,本文提出的协同定位算法较传统协同定位算法在定位精度、抗非视距误差以及算法复杂度等方面上得到了提升。在本文构建的协同定位仿真环境中,本文所提出的AN-SPAWN协同定位算法较H-SPAWN与SPAWN,在非视距概率为0的情况下,其平均协同定位精度分别提高了38.87%和46.73%。
【图文】：

该技术对于提高定位性能主要有以下两点好处：首先，大量的附加连接外的信号观测量，可以利用这些额外观测量来确定移动终端之间的伪距通信功能的实现本质上就是相互接收周围终端的信号。Ｄ２Ｄ通信的信号，特别是同步和信道估计单元，也可以用于进行信号传播时延估计。Ｄ２今天的移动蜂窝系统提供了网状网络结构，而不是星形结构。对于一个络，假设此时终端数量为Ｎ，Ｄ２Ｄ连接的数量为Ｎ（Ｎ－１）。因此，当处知的移动终端数量线性增长时，Ｄ２Ｄ连接数量将平方式增长，Ｄ２Ｄ链于诸如低信噪比、非视距、严重多径以及坏几何等不利传播条件下的链够的观测冗余量，甚至可以估计诸如非视距偏差项的额外未知因素。其次端间额外的Ｄ２Ｄ通信连接可以用来在协同定位时直接交换定位信息，用物理层的信息交换可用来加速局部决策。此外，诸如移动终端间的位（包括位置估计的不确定性）或者邻居节点自身的移动信息等高层信息也进行信息交换，这些信息对于提高移动终端位置估计过程的收敛时间具义。逡逑

因此，移动终端之间无法相互直接观察其发射信号（在时分双工（Ｔｉｍｅ逡逑Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｄｕｐｌｅｘ，邋ＴＤＤ）传输中，上行链路和下行链路共用一个频段，相互信号观逡逑测是内在可能的）。如图１－２，邋Ｄ２Ｄ作为５Ｇ中一项大规模使用的技术，将在室逡逑内定位领域发挥巨大的作用。协同定位可以提高终端在复杂室内环境下视距定位逡逑节点不足时的定位精度和可靠性，，在节点稀疏和功率有限网络中较非协同定位具逡逑有性能优势。协同定位算法是针对于网状网络结构所提出的一种用以估计传感器逡逑位置的定位算法。协同定位要求在移动终端之间可以直接地进行信号的传输与接逡逑收。这种直接的信号交换在一方面能够确定终端间的距离，在另一方面可以用于逡逑直接进行协同定位算法相关信息的交换。因此，可以使用基于Ｄ２Ｄ的协同定位逡逑算法来增加观测量从而达到提高视距节点数量的要求ｔ２９］。逡逑１逡逑ｊ逡逑ＢＳｉ逡逑、、、、Ｊ｜邋ＭＴ２逡逑ＭＴｉ逦＼逦ＢＳ３逡逑Ｔ邋＾邋Ｑ卜，逡逑！！逡逑ｊ邋Ｉ逡逑ｊ邋ＢＳ２逡逑／、如Ａ逡逑图１－２协同定位示意图逡逑４逡逑
【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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本文编号：2708551