室内环境下无线定位关键技术研究

发布时间：2017-04-11 18:02

  本文关键词：室内环境下无线定位关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,由于计算机技术和无线通信技术的发展,情境感知服务正在由梦想变成现实,而服务对象的位置信息是最重要的环境参数之一。传统的全球定位系统(Globle Positioning System,GPS)以及蜂窝网络定位技术,能够为室外用户提供较为精准的定位及导航服务。但是在室内环境中,由于家具、人员以及墙壁等障碍物的影响,使无线信号发生能量衰减、传播速度以及方向变化,导致传统的室外无线定位技术在室内环境中会产生比较大的误差。由此,室内无线定位技术成为近年的研究热点,多种室内定位系统相继研制成功,在商业、公共服务以及军事领域得到了广泛的应用。影响室内无线定位精度的因素主要有两个:一是信号的非视距传播,二是信号的多径传播。为了解决以上两个问题,本文对室内信道建模、位置参数感知以及定位算法三项室内定位的关键技术开展研究,提出了相应的解决方案,通过算法比较和仿真实验,证明了所提方案的有效性。论文主要工作和创新点如下:1.将非视距和多径信息加以利用,根据室内布局图,通过建立虚拟基站,提出了基于波达时间(Time of Arrival,TOA)和波达方向(Directon of Arrival,DOA)的室内无线信号传输的几何模型。该模型考虑了直射、透射、反射和绕射等传输方式,将非视距条件下的定位问题转化为视距条件下的定位问题。该模型不仅可以处理单重散射问题,也可以处理多重散射,以适应复杂的非视距环境。此外,提出了TOA、DOA联合两步最小二乘算法,根据虚拟路径的TOA和DOA值,估计出未知目标的位置。仿真结果表明,该方法在不同程度的非视距条件下,均达到了较高的定位精度,特别是处理多重散射的能力要好于已有的几何学方法。2.由于DOA估计需要阵列天线,系统硬件结构较为复杂,计算复杂度较高。针对信号在基站与移动终端之间传播最多经历一次反射或绕射的场合,提出了基于虚拟基站的TOA室内无线信号传输模型。由于该模型仅需要进行TOA测量,减少了DOA参数,与已有的相关几何模型相比,在可接受的定位误差范围内,系统硬件结构以及计算复杂度更为简单。仿真结果表明,该方法在经历一次反射或绕射的非视距环境中,达到了比较高的定位精度。3.对以上两种基于虚拟基站的信号模型进行性能分析,推导出了采用虚拟基站方法的克拉美罗下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)以及几何精度因子(Geometric Dilution of Precision,GDOP)。4.针对在快拍数有限的条件下,对宽带线性调频(chirp)多径信号进行高精度、高分辨率的DOA估计问题,提出了FrFT-IAA算法。该算法利用分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FrFT),将适用于窄带信号DOA估计的自适应迭代算法(Iterative Adaptive approach,IAA)扩展至宽带chirp信号的DOA估计,并引入能量重心谱校正方法对估计结果进行校正。仿真结果表明,在快拍数很少的条件下,该方法的DOA估计的精度及分辨率均达到了较高的水平。
【关键词】：室内定位 非视距传输 多径传输 线性调频信号 波达方向估计
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 室内定位系统研究现状12-16
• 1.3 研究意义16
• 1.4 研究内容与创新点16-17
• 1.5 文章结构安排17-19
• 第二章 室内定位理论研究现状19-42
• 2.1 室内定位问题概述19-22
• 2.2 室内定位的信道模型研究22-27
• 2.2.1 基于RSS的信道模型22-23
• 2.2.2 基于TOA的信道模型23-24
• 2.2.3 基于TDOA的信道模型24
• 2.2.4 基于DOA的信道模型24-25
• 2.2.5 分布式模型25-26
• 2.2.6 位置指纹模型26
• 2.2.7 Ray-tracing模型26-27
• 2.2.8 多径的持续模型27
• 2.2.9 人体的影响27
• 2.3 定位算法研究27-34
• 2.3.1 TOA定位算法27-29
• 2.3.2 TDOA定位算法29-32
• 2.3.3 DOA定位算法32-33
• 2.3.4 混合定位算法33
• 2.3.5 位置指纹模型的定位算法33-34
• 2.3.6 减小非视距误差的算法34
• 2.4 位置参数估计34-41
• 2.4.1 TOA估计方法34-36
• 2.4.2 DOA估计方法36-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第三章 基于虚拟基站的TOA、DOA室内信道模型及定位算法42-58
• 3.1 引言42
• 3.2 虚拟基站的建立42-49
• 3.2.1 基本原理43-45
• 3.2.2 复杂环境下虚拟基站的建立45-49
• 3.3 可能的移动终端位置的筛选49-50
• 3.4 位置估计算法50-53
• 3.5 仿真实验53-57
• 3.6 本章小结57-58
• 第四章 基于虚拟基站的TOA室内信道模型58-66
• 4.1 引言58
• 4.2 虚拟基站的建立58-61
• 4.2.1 直射路径和透射路径59
• 4.2.2 反射路径59-60
• 4.2.3 绕射路径60-61
• 4.3 位置估计61-62
• 4.4 仿真实验62-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第五章 虚拟基站方法的性能分析66-78
• 5.1 引言66
• 5.2 定义66-70
• 5.2.1 CRLB66-69
• 5.2.2 GDOP69-70
• 5.3 基于TOA建立虚拟基站方法的CRLB和GDOP70-72
• 5.4 基于TOA和DOA建立虚拟基站方法的CRLB和GDOP72-75
• 5.5 仿真实验75-77
• 5.6 本章小结77-78
• 第六章 室内环境下宽带chirp多径信号的短快拍DOA估计78-95
• 6.1 引言78-79
• 6.2 问题描述79-80
• 6.3 空间重采样算法80-81
• 6.4 FrFT概述81-84
• 6.5 IAA的改进算法84-86
• 6.5.1 能量重心谱校正方法84-85
• 6.5.2 能量重心谱校正仿真实验85-86
• 6.6 FrFT-IAA算法86-92
• 6.7 FrFT-IAA算法仿真实验92-94
• 6.8 本章小结94-95
• 第七章 总结与展望95-97
• 7.1 全文总结95-96
• 7.2 研究展望96-97
• 参考文献97-113
• 发表论文和参加科研情况说明113-115
• 致谢115-116

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