基于超宽带的室内定位与定向关键技术研究
发布时间：2021-07-24 18:19
随着智能手机、智能穿戴等电子设备的流行,基于位置的服务（location based services,LBS）变得越来越普遍,并逐渐成为新的经济增长点和战略性新兴产业,从而推动了室内外定位技术的发展。据统计,人们大约80%的日常活动在室内进行,因此,室内位置信息的获取在LBS中显得至关重要。随着5G时代的来临,高带宽、低时延的网络服务将为LBS带来更加广阔的发展前景,也将为室内定位产业创造巨大的潜在市场。根据Marketsand Markets调查数据显示,到2022年,室内定位的全球市场规模将达到409.9亿美元。在室外,全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）可以提供高精度的位置信息;但在室内,由于墙体和房顶等建筑构件的遮挡,GNSS信号被严重衰减甚至彻底阻挡,无法提供有效位置估计。近年来,基于无线局域网（wireless local area network,WLAN）、紫蜂（Zig Bee）、蓝牙（bluetooth）、惯性测量单元（inertial measurement unit,IMU）、无线射频识别（radio...
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
现有主要室内定位技术精度与作用范围对比（MautzR,2012）
基于超宽带的室内定位与定向关键技术研究12大通信距离，一个常用的方法是使用多个脉冲共同传输单位信息（1bit），如此以来，UWB系统数据传输速率将会下降（Oppermannetal.,2004）。在室内定位应用中，目前很少需要UWB设备具有较高的数据传输速率，因此为了增加测距范围，大多数商业化UWB室内定位设备均采用了多脉冲联合传输技术，比如TimeDomain公司的PlusON系列产品。图2-2时域（a）和频域（b）内不同脉冲宽带的高斯单叶（高斯脉冲波形函数来自TimeDomain公司）除了具有较高的测距精度，UWB定位系统还具有如下主要优势：系统简单（成本低）、功耗低。基带脉冲信号，不需要载波调制，因此不涉及传统无线通信系统所需要的上变换（帧频提升）、信号放大、下变换（帧频下降）等操作。此外，UWB信号属于非连续信号、信号占空比低，一个脉冲周期内信号接收机仅仅需要监听处理其中的极小部分。有利于抑制多路径影响。UWB信号拥有极大的带宽、频率分布广，有利于抑制多路径影响。此外，极短的脉冲减少了多路径信号对直路径的干扰。以FCC规定的最小带宽500MHz为例，当多路径与直路径信号到达时间之差大于2ns，二者将不会产生重叠现象。带宽越大，对到达时间差的要求低，越有利于减少多路径影响。UWB信号中低频部分能量衰减较慢，在遇到障碍物时可以穿透部分障碍物。因此，UWB信号具有一定的障碍物穿透能力，比如能穿透玻璃、木头、混泥土等。
武汉大学博士学位论文21基于信道冲击响应（channelimpulseresponse，CIR）算法的方法和基于能量探测算法的方法。基于匹配滤波算法的方法对接收到的信号波与模板波做相关处理，通过检测满足条件的第一个波峰来决定TOA。然而，由于UWB信号拥有极大的带宽，无法使用纯数字滤波器实现该方法，基于匹配滤波器的方法通常是通过模拟滤波器来实现。因此，精确探测一个波峰探测的可能性降低，影响了TOA测量精度。CIR算法最初用于窄带通信中获取通道响应。一个常见的CIR算法是CLEAN算法，该算法在CIR反演的同时提供了TOA估计（Vaughanetal.,1999）。图2-6展示了UWB接收机接收到的信号以及通过CLEAN算法反演得到的CIR。然而，所有的CIR估计算法仅仅在高信噪比、多路径影响较弱的情况下表现良好，在环境复杂的室内环境将存在较大的误差。在基于信号能量探测的TOA估计方法中，首先将观测窗口内的信号能量被分割成为多个时间片，然后以帧速率进行采样获得每个时间片内的信号能量，最后通过检测每个时间片的能量是否超过设置阈值决定TOA。基于信号能量探测的方法非常简单，但是由于时间片划分和阈值设定等原因，该方法容易引入误差。图2-6UWB接收波（上）和基于CLEAN算法的CIR（下）（2）时钟误差以TOA为例，UWB系统距离测量可以表达为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]Adaptive filter for a miniature MEMS based attitude and heading reference system[J]. 王玫,王永泉,张炎华. Journal of Harbin Institute of Technology. 2006(05)
博士论文
[1]超宽带无线通信及其定位技术研究[D]. 王秀贞.华东师范大学 2010
硕士论文
[1]超宽带室内定位研究[D]. 邹金平.昆明理工大学 2008
[2]超宽带室内信道模型研究与MATLAB仿真[D]. 张冬梅.华中师范大学 2007
[3]超宽带系统中定位技术的研究[D]. 田静.吉林大学 2007
[4]超宽带无线定位方法研究[D]. 孟宏伟.吉林大学 2007
[5]超宽带室内信道模型的研究[D]. 李波.山东大学 2006
[6]基于UWB脉冲信号的定位机制研究[D]. 徐友军.北京邮电大学 2006
[7]超宽带（UWB）室内信道建模研究[D]. 刘江庭.哈尔滨工程大学 2006
[8]UWB室内信道模型研究[D]. 严立杰.哈尔滨工程大学 2006
[9]超宽带测距定位技术研究[D]. 朱林.四川大学 2005
[10]典型室内环境中超宽带信号传播特性及UWB-IR系统性能研究[D]. 徐慧阳.江苏大学 2005
本文编号：3301173
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
现有主要室内定位技术精度与作用范围对比（MautzR,2012）
基于超宽带的室内定位与定向关键技术研究12大通信距离，一个常用的方法是使用多个脉冲共同传输单位信息（1bit），如此以来，UWB系统数据传输速率将会下降（Oppermannetal.,2004）。在室内定位应用中，目前很少需要UWB设备具有较高的数据传输速率，因此为了增加测距范围，大多数商业化UWB室内定位设备均采用了多脉冲联合传输技术，比如TimeDomain公司的PlusON系列产品。图2-2时域（a）和频域（b）内不同脉冲宽带的高斯单叶（高斯脉冲波形函数来自TimeDomain公司）除了具有较高的测距精度，UWB定位系统还具有如下主要优势：系统简单（成本低）、功耗低。基带脉冲信号，不需要载波调制，因此不涉及传统无线通信系统所需要的上变换（帧频提升）、信号放大、下变换（帧频下降）等操作。此外，UWB信号属于非连续信号、信号占空比低，一个脉冲周期内信号接收机仅仅需要监听处理其中的极小部分。有利于抑制多路径影响。UWB信号拥有极大的带宽、频率分布广，有利于抑制多路径影响。此外，极短的脉冲减少了多路径信号对直路径的干扰。以FCC规定的最小带宽500MHz为例，当多路径与直路径信号到达时间之差大于2ns，二者将不会产生重叠现象。带宽越大，对到达时间差的要求低，越有利于减少多路径影响。UWB信号中低频部分能量衰减较慢，在遇到障碍物时可以穿透部分障碍物。因此，UWB信号具有一定的障碍物穿透能力，比如能穿透玻璃、木头、混泥土等。
武汉大学博士学位论文21基于信道冲击响应（channelimpulseresponse，CIR）算法的方法和基于能量探测算法的方法。基于匹配滤波算法的方法对接收到的信号波与模板波做相关处理，通过检测满足条件的第一个波峰来决定TOA。然而，由于UWB信号拥有极大的带宽，无法使用纯数字滤波器实现该方法，基于匹配滤波器的方法通常是通过模拟滤波器来实现。因此，精确探测一个波峰探测的可能性降低，影响了TOA测量精度。CIR算法最初用于窄带通信中获取通道响应。一个常见的CIR算法是CLEAN算法，该算法在CIR反演的同时提供了TOA估计（Vaughanetal.,1999）。图2-6展示了UWB接收机接收到的信号以及通过CLEAN算法反演得到的CIR。然而，所有的CIR估计算法仅仅在高信噪比、多路径影响较弱的情况下表现良好，在环境复杂的室内环境将存在较大的误差。在基于信号能量探测的TOA估计方法中，首先将观测窗口内的信号能量被分割成为多个时间片，然后以帧速率进行采样获得每个时间片内的信号能量，最后通过检测每个时间片的能量是否超过设置阈值决定TOA。基于信号能量探测的方法非常简单，但是由于时间片划分和阈值设定等原因，该方法容易引入误差。图2-6UWB接收波（上）和基于CLEAN算法的CIR（下）（2）时钟误差以TOA为例，UWB系统距离测量可以表达为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]Adaptive filter for a miniature MEMS based attitude and heading reference system[J]. 王玫,王永泉,张炎华. Journal of Harbin Institute of Technology. 2006(05)
博士论文
[1]超宽带无线通信及其定位技术研究[D]. 王秀贞.华东师范大学 2010
硕士论文
[1]超宽带室内定位研究[D]. 邹金平.昆明理工大学 2008
[2]超宽带室内信道模型研究与MATLAB仿真[D]. 张冬梅.华中师范大学 2007
[3]超宽带系统中定位技术的研究[D]. 田静.吉林大学 2007
[4]超宽带无线定位方法研究[D]. 孟宏伟.吉林大学 2007
[5]超宽带室内信道模型的研究[D]. 李波.山东大学 2006
[6]基于UWB脉冲信号的定位机制研究[D]. 徐友军.北京邮电大学 2006
[7]超宽带（UWB）室内信道建模研究[D]. 刘江庭.哈尔滨工程大学 2006
[8]UWB室内信道模型研究[D]. 严立杰.哈尔滨工程大学 2006
[9]超宽带测距定位技术研究[D]. 朱林.四川大学 2005
[10]典型室内环境中超宽带信号传播特性及UWB-IR系统性能研究[D]. 徐慧阳.江苏大学 2005
本文编号：3301173
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