一種基于均方差的超寬帶無線定位方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線定位【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于均方差的超寬帶無線定位方法。主要分為四個(gè)步驟:A.采集積分能量塊、計(jì)算得到均方差，并建立均方差、T0A估計(jì)誤差、歸一化門限三個(gè)參數(shù)的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；B.對(duì)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行曲線擬合，建立對(duì)應(yīng)于最小T0A估計(jì)誤差的均方差與歸一化門限的對(duì)應(yīng)關(guān)系F；C.根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)的均方差，利用對(duì)應(yīng)關(guān)系F，計(jì)算得到最佳歸一化門限，根據(jù)此門限得到T0A估計(jì)值；D.根據(jù)T0A估計(jì)值，再利用傳統(tǒng)的UWB定位算法，進(jìn)行基于UWB的無線定位。本發(fā)明首次將均方差用于WB定位，具有定位精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，可用于物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等應(yīng)用中的高精度無線定位。
【專利說明】一種基于均方差的超寬帶無線定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線定位【技術(shù)領(lǐng)域】，可用于物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等應(yīng)用中的高精度無 線定位，具體是一種基于均方差的超寬帶無線定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 超寬頻帶無線通信技術(shù)是一種不用載波，采用小于納秒時(shí)長(zhǎng)的不連續(xù)脈沖進(jìn)行通 信的一種無線通信技術(shù)。由于UWB使用小于納秒時(shí)長(zhǎng)的超短脈沖進(jìn)行通信，其信號(hào)功率被 擴(kuò)散在從〇到數(shù)十GHz的超寬頻帶范圍內(nèi)，這種獨(dú)特的通信機(jī)制使其與目前頻域通信技術(shù) 相比具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射功率低、與其它無線系統(tǒng)可以共存、多徑分辨能力強(qiáng)、抗 干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜度低、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，在精確 測(cè)距和定位、短距離高速通信（100Mbps - lGbps)、雷達(dá)探測(cè)、防偵聽抗干擾保密通信等多個(gè) 軍用和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 目前較常用的定位技術(shù)大都是基于測(cè)距進(jìn)行的，這是因?yàn)椋腔诰嚯x的定位 技術(shù)一般定位精度較差，且需要大量基站（位置已知的終端）的配合。最常用的定位方 法有基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)的TOA(Time of Arrival)和TDOA(Time Difference of Arrival)、基于接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)的RSS(Received Signal Strength)和基于到達(dá)角度估 計(jì)的AOA (Angle of Arrival)。UWB脈沖由于具有極高的帶寬，持續(xù)時(shí)間達(dá)到ns級(jí)，因而 具有很強(qiáng)的時(shí)間分辨能力。所以為了充分利用UWB時(shí)間分辨能力強(qiáng)這個(gè)特性，使用Τ0Α、 TD0A估計(jì)的定位技術(shù)是最適合于UWB的。
[0004] 無線測(cè)距定位可以分為幾何定位算法和指紋定位算法，前者適合用于信道環(huán)境好 的情況下，例如：視距、極少反射等；后者可以用在多徑、非直視等惡劣的信道環(huán)境下。
[0005] 本專利提出使用均方差的算法，可以實(shí)現(xiàn)多徑、非直視等惡劣的信道環(huán)境下的超 寬帶無線定位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于均方差的高精度的信號(hào)指紋超寬帶無線定位方法， 以克服現(xiàn)有信號(hào)指紋超寬帶無線定位精度不高的問題。特別是在惡劣環(huán)境下通過提高Τ0Α 估計(jì)精度從而提1?指紋定位的精度。
[0007] -種基于均方差的超寬帶無線定位方法主要包括以下四個(gè)步驟：
[0008] A.建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)：通過采集積分能量塊的信息，建立均方差Κ、Τ0Α估計(jì) 誤差E、歸一化門限Threshold三個(gè)參數(shù)的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，方法為：對(duì)于給定范圍的信噪 比[ENR min, ENRmax]按照StepENK的步長(zhǎng)，循環(huán)測(cè)試Timesmax次，每次循環(huán)時(shí)均需要根據(jù)從 Thresholds到Thresholds，步長(zhǎng)為StepTtoestold的多個(gè)不同的門限，分別判斷其Τ0Α估計(jì) 誤差，具體包括以下主要步驟：
[0009] 1)UWB信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)送和接收：按照當(dāng)前設(shè)定的ENR完成信號(hào)的發(fā)送和接收，整 個(gè)建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的過程需要執(zhí)行Times maxX (ENRmax-ENRmin)/St印ENK次；
[0010] 2)計(jì)算每個(gè)能量塊的大?。褐饕ㄒ粋€(gè)低噪聲放大器（LNA)、平方器（(.）2)、積 分器和判決器；接收信號(hào)r經(jīng)過低通濾波放大器后，信號(hào)再通過平方器，然后進(jìn)行積分，積 分步長(zhǎng)為T b ;積分器的第η個(gè)輸出Z[n]即為第η個(gè)能量塊的能量大小；
[0011] 3)統(tǒng)計(jì)所有能量塊的均方差Κ ;
[0012] 4)找出第一個(gè)超過Threshold的能量塊對(duì)應(yīng)的中間時(shí)刻，即為Τ0Α估計(jì)時(shí)間；
[0013] 5)計(jì)算Τ0Α估計(jì)誤差E ;
[0014] 6)將均方差K、歸一化門限Threshold和Τ0Α估計(jì)誤差E三個(gè)參數(shù)保存到指紋數(shù) 據(jù)庫(kù)中；
[0015] B.曲線擬合：對(duì)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行曲線擬合，建立對(duì)應(yīng)于最小Τ0Α估計(jì)誤差EK_min的 不同均方差K與歸一化門限Thresh 〇ldK_min的對(duì)應(yīng)關(guān)系F，即Thresh〇ld K_min = F(Kmin)，具體 包括以下主要步驟：
[0016] 1)統(tǒng)計(jì)所有相同均方差K在不同閾值Threshold下的誤差的平均值Εκ ;
[0017] 2)統(tǒng)計(jì)不同K的誤差最小值EK_min所對(duì)應(yīng)的閾值Thresh 〇ldK_min ;
[0018] 3)將K和閾值Thresh〇ldK_min進(jìn)行曲線擬合，得到二者對(duì)應(yīng)關(guān)系F ;
[0019] C.T0A估計(jì)：在第i次定位時(shí)，根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)的均方差I(lǐng)，利用對(duì)應(yīng)關(guān)系 F〇g，計(jì)算得到最佳歸一化門限Thresholdi，根據(jù)此門限再搜索能量塊，并定位到第一個(gè)超 過門限的能量塊所對(duì)應(yīng)的中間時(shí)刻，該時(shí)刻即為Τ0Α估計(jì)值1\，當(dāng)在進(jìn)行第i次定位時(shí)具體 包括以下主要步驟：
[0020] 1)接收UWB信號(hào)；
[0021] 2)計(jì)算每個(gè)能量塊的大小；
[0022] 3)統(tǒng)計(jì)所有能量塊的均方差& ;
[0023] 4)將&代入擬合的曲線F中得到門限值Threshold ;
[0024] 5)根據(jù)門限值Thresholdi找出第一個(gè)超過Thresholdi的能量塊對(duì)應(yīng)的中間時(shí)刻， 即為Τ0Α估計(jì)時(shí)間凡；
[0025] D. UWB無線定位：根據(jù)Τ0Α估計(jì)值1\，再利用傳統(tǒng)的UWB定位算法，進(jìn)行基于UWB的 無線定位。
[0026] 本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0027] 1.顯者提1?了 Τ0Α估計(jì)的精度，從而可以提1?基于UWB定位系統(tǒng)的定位精度。
[0028] 2.無論在低信噪比環(huán)境下還是高信噪比環(huán)境下，Τ0Α估計(jì)精度均優(yōu)于常用的其他 的方法，從而可以提高基于UWB定位系統(tǒng)的定位穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的總體流程圖。
[0030] 圖2是建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的流程圖。
[0031] 圖3是基于能量檢測(cè)接收的原理圖。
[0032] 圖4是曲線擬合的流程圖。
[0033] 圖5是Τ0Α估計(jì)的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0035] 圖1是本發(fā)明的基于均方差的超寬帶無線定位方法的總體流程圖，本定位方法分 為四個(gè)階段，具體包括：
[0036] A.建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)：通過采集積分能量塊的信息，建立均方差Κ、Τ0Α估計(jì)誤差E、 歸一化門限Threshold三個(gè)參數(shù)的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0037] B.曲線擬合：對(duì)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行曲線擬合，建立對(duì)應(yīng)于最小Τ0Α估計(jì)誤差EK_min的 均方差K與歸一化門限Thresh 〇ldK_min的對(duì)應(yīng)關(guān)系F，即Thresh〇ld K_min = F(Kmin);
[0038] C.T0A估計(jì)：在第i次定位時(shí)，根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)的均方差I(lǐng)，利用對(duì)應(yīng)關(guān)系 F〇g，計(jì)算得到最佳歸一化門限Thresholdi，根據(jù)此門限再搜索能量塊，并定位到第一個(gè)超 過門限的能量塊所對(duì)應(yīng)的中間時(shí)刻，該時(shí)刻即為Τ0Α估計(jì)值凡；
[0039] D. UWB無線定位：根據(jù)Τ0Α估計(jì)值1\，再利用傳統(tǒng)的UWB定位算法，進(jìn)行基于UWB的 無線定位。
[0040] 如圖2所示，在上述步驟A中需要對(duì)于給定范圍的信噪比[ENRmin，ENR max]按 照StepENK的步長(zhǎng)，循環(huán)測(cè)試Timesmax次，每次循環(huán)時(shí)均需要根據(jù)從Thresholds到 Thresholds，步長(zhǎng)為SkpTh,esh()ld的多個(gè)不同的門限，分別判斷其Τ0Α估計(jì)誤差，具體包括以 下主要步驟：
[0041] 1)UWB信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)送和接收：按照當(dāng)前設(shè)定的ENR完成信號(hào)的發(fā)送和接收，整 個(gè)建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的過程需要執(zhí)行Times maxX (ENRmax-ENRmin)/St印ENK次；
[0042] 2)計(jì)算每個(gè)能量塊的大?。航邮盏讲襟E1)發(fā)送的信號(hào)后，按照積分步長(zhǎng)Tb計(jì)算每 個(gè)能量塊的大?。挥脠D3所示的原理圖，主要包括一個(gè)低噪聲放大器（LNA)、平方器（(.） 2)、 積分器和判決器；接收信號(hào)r經(jīng)過低通濾波放大器后，信號(hào)再通過平方器，然后進(jìn)行積分， 積分步長(zhǎng)為Tb ;積分器的第η個(gè)輸出Ζ [η]可以表示為：
[0043]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于均方差的超寬帶無線定位方法其特征在于： A. 建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)：通過采集積分能量塊的信息，建立均方差K、TOA估計(jì)誤差E、歸一 化門限Threshold三個(gè)參數(shù)的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，方法為：對(duì)于給定范圍的信噪比[ENR min，ENRmax] 按照StepENK的步長(zhǎng)，循環(huán)測(cè)試Times max次，每次循環(huán)時(shí)均需要根據(jù)從Thresholds到 Thresholds，步長(zhǎng)為SkpTh,esh()ld的多個(gè)不同的門限，分別判斷其T0A估計(jì)誤差，具體包括以 下主要步驟： 1. UWB信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)送和接收：按照當(dāng)前設(shè)定的ENR完成信號(hào)的發(fā)送和接收，整個(gè)建 立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的過程需要執(zhí)行Times MXX (ENR^-ENU/St印ENK次； 2) 計(jì)算每個(gè)能量塊的大?。褐饕ㄒ粋€(gè)低噪聲放大器（LNA)、平方器（(.）2)、積分器 和判決器；接收信號(hào)r經(jīng)過低通濾波放大器后，信號(hào)再通過平方器，然后進(jìn)行積分，積分步 長(zhǎng)為T b ;積分器的第η個(gè)輸出Z[n]即為第η個(gè)能量塊的能量大??； 3) 統(tǒng)計(jì)所有能量塊的均方差Κ; 4) 找出第一個(gè)超過Threshold的能量塊對(duì)應(yīng)的中間時(shí)刻，即為Τ0Α估計(jì)時(shí)間； 5) 計(jì)算T0A估計(jì)誤差E ; 6) 將均方差K、歸一化門限Threshold和T0A估計(jì)誤差E三個(gè)參數(shù)保存到指紋數(shù)據(jù)庫(kù) 中； B. 曲線擬合：對(duì)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行曲線擬合，建立對(duì)應(yīng)于最小T0A估計(jì)誤差EK_min的不同 均方差K與歸一化門限Thresh 〇ldK_min的對(duì)應(yīng)關(guān)系F，即Thresh〇ld K_min = F(Kmin)，具體包括 以下主要步驟： 1) 統(tǒng)計(jì)所有相同均方差K在不同閾值Threshold下的誤差的平均值Εκ ; 2) 統(tǒng)計(jì)不同K的誤差最小值EK_min所對(duì)應(yīng)的閾值Thresh〇ld K_min ; 3) 將K和閾值Thresh〇ldK_min進(jìn)行曲線擬合，得到二者對(duì)應(yīng)關(guān)系F ; C. T0A估計(jì)：在第i次定位時(shí)，根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)的均方差I(lǐng)，利用對(duì)應(yīng)關(guān)系F〇g， 計(jì)算得到最佳歸一化門限Thresholdi，根據(jù)此門限再搜索能量塊，并定位到第一個(gè)超過門 限的能量塊所對(duì)應(yīng)的中間時(shí)刻，該時(shí)刻即為T0A估計(jì)值1\，當(dāng)在進(jìn)行第i次定位時(shí)具體包括 以下主要步驟： 1) 接收UWB信號(hào)； 2) 計(jì)算每個(gè)能量塊的大??； 3) 統(tǒng)計(jì)所有能量塊的均方差& ; 4) 將&代入擬合的曲線F中得到門限值Threshold ; 5) 根據(jù)門限值Thresholdi找出第一個(gè)超過Thresholdi的能量塊對(duì)應(yīng)的中間時(shí)刻，即 為T0A估計(jì)時(shí)間凡； D. UWB無線定位：根據(jù)TOA估計(jì)值1\，再利用傳統(tǒng)的UWB定位算法，進(jìn)行基于UWB的無 線定位。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK104219762SQ201410525528
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】崔學(xué)榮, 李娟 , 張 浩, 李忠偉, 吳春雷, 劉建航 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東), 北京中斗科技股份有限公司