基于超宽带的无线传感器网络定位算法研究

1、摘 要本科生毕业论文（设计）中文题目：基于超宽带的无线传感器网络定位算法研究 英文题目：Research of Wireless Sensor Network Location Algorithm Based on UWB 学生姓名 班级 19 学号 学院 通 信 工 程 专业 通 信 工 程 指导老师 王 雪 职称 讲 师 摘 要近些年以来，无线传感器网络得到了业界广泛的关注，因而在其发展的道路上势头正猛。无线传感器网络在很多方面得到了非常广泛的应用，例如医疗救援、军事作战指挥、环境变化检测、生态系统监测、目标位置确定以及追踪等。我们知道，无线传感器网络的关键技术就是网络中未知节点的位置确定。因此，我们可以利用脉冲超宽带技术（IR-UWB，Impules Radio Ultra Wideband）来对某一个未知的节点进行高精度的物理层定位；与此同时，我们还可以对该节点的时间矢量进行分辨，进而得到该节点在二维坐标轴中的具体坐标。凭借超宽带技术的诸多优点，超宽带能够被广泛地应用到无线传感器网络的物理层的定位研究中。由于长时间的宣传导致，对于定位技术的作用，人们的认知仅仅限于交通导航等方面

2、，对于该技术在室内领域的运用，诸如室内某一物体的位置的确定，对于两个目标之间距离的测量等等的运用方式都还无所知晓。通过理想环境与复杂环境的网络定位联合协作，来实现信号准确的定位是未来无线定位技术的发展趋势。但是，信号的无缝连接以及准确的定位在现有的技术下是不能够完全独立的实现。在一般情况下超宽带技术不容易受到环境干扰，并且在功率消耗方面比传统技术更具有优势，最重要的是超宽带技术在多径干扰的情况下相比于传统技术提供了更加精准的定位。因此，相比于众多传统的网络定位技术，基于超宽带的无线传感器网络定位成为了未来无线定位技术研究的风向标。从理论上可以知道，超宽带信号具备着厘米级精度的测距能力，利用这样一种精确的测距技术，能够实现节点之间的相对定位，这也就说明，脉冲超宽带技术能够充分的满足无线传感器网（WSN ，Wireless Sensor Network) 的网络定位的各种需求。本文简要介绍了超宽带技术与无线传感器网络，分析和总结超宽带技术在无线传感器网络定位算法中的作用，在传统的无线传感器网络定位算法的基础上，提出了TOA算法与三边测量法的联合定位的想法。关键词 无线传感器网 超宽带 节点

3、定位 测距ABSTRACTABSTRACTIn recent years, wireless sensor network is developing very quickly, in medical and military aspects, environment detection, target tracking, ecology research aspects and so on each domain has been very widely used. As we know, the key technology of wireless sensor network node localization is. Moreover, due to the pulse UWB technology (IR-UWB, Impules Radio Ultra Wideband) has the strong ability of time-resolved, nodes can be used for high precision positioning, therefore,

4、ultra-wideband technology can be widely applied to the physical layer of wireless sensor network localization. In addition to the Positioning System in the outdoor environment of node localization of applications, people on indoor Positioning, short distance applications such as dont know. Can be predicted that the future trend of wireless location technology is combined by the orientation of indoor and outdoor, in order to realize the seamless, accurate positioning. However, our existing networ

5、k technology also cant fully meet the stringent requirements, and because of uwb technology has high safety, low power consumption, resistance to multipath effect is good, can provide the advantages of accurate positioning, low system complexity and so on, based on many of ultra-wideband technology network positioning technology in the wireless location technology, becoming one of the highlights in agro-scientific research in the wireless location technology in the future. Ultra-wideband signal

6、can theoretically that the cm-level precision ranging ability, take advantage of such a precise distance measurement technology, can realize relative positioning between nodes, this also means that, pulse uwb technology can fully meet the Wireless Sensor Network (WSN, Wireless Sensor Network) Network positioning of the various requirements. This paper introduces the ultra-wideband technology and wireless sensor networks , analyze and summarize the ultra-wideband technology in the wireless sensor

7、 network localization algorithm role in the traditional wireless sensor network localization algorithm based on the proposed algorithm and trilateral TOA measurement method the idea of co-locating .Keywords Wireless sensor network Ultra-wideband Node positioning Ranging目 录目 录第1章 绪论- 1 -1.1 基于超宽带的无线传感器网络概述- 1 -1.2 基于超宽带的无线传感器网络定位技术- 7 -第2章 基于超宽带的无线传感器网络定位技术研究- 10 -2.1 基于超宽带的无线传感器网络的定位概述- 10 -2.2 定位技术分类模型- 10 -2.3 本章小结- 16 -第3章 基于超宽带的测距算法和联合估计方法- 17 -3.1 基于超宽带的测距算法概述- 17 -3.2 联合估计算法的概述- 18 -3.3 本章

8、小结- 24 -第4章 全文总结与展望- 25 -4.1 主要工作与总结- 25 -4.2 展望- 25 -参 考 文 献- 27 -致 谢- 28 -第1章 绪论第1章 绪论1.1 基于超宽带的无线传感器网络概述1.1.1 脉冲超宽带技术脉冲超宽带同时也被人们称为超宽带脉冲无线电，脉冲超宽带是一种通过发送亚纳秒量级的窄脉冲以实现极高速率的数据传输的通信技术。UWB-IR通信系统通过改变突发式脉冲的极性、幅值、位置以携带比特信息束，因此，脉冲超宽带的信号带宽非常的宽。UWB-IR通信系统所使用脉冲信号的宽度可以达到纳秒级甚至亚纳秒量级，也就是说，脉冲超宽带的信号带宽可以达到GHz的数量级。脉冲超宽带技术具备着以下的优势：极高的数据传输速率和相当大的用户容量；设备的体积较小以及其传输功耗低；穿透障碍物的能力非常的强；定位精确准度较高以及能够与现有的窄带通信系统实现频谱的共享。然而，要实现UWB-IR系统的无线通信仍然面临着诸多的挑战。面临的这些挑战中，要在多径的信道环境下，实现低复杂度的同时必须保证信号同步的高精确度以及多径信道的估计，这些出现的问题就显得尤为突出。相比于一些传统的无线通

9、信技术，超宽带技术存在着许多不同点，这些不同点导致在一些常见的环境条件下，超宽带技术体现出了传统无线通信技术不拥有的优势。最重要的一点，超宽带技术使用的信号形式不同于传统无线通信所使用的载波，因而，在很多方面，超宽带技术凭借其特殊的信号方式体现出了巨大的优势。打个比方，传统的无线通信技术所使用的信号方式即载波就像是利用水管进行浇灌，它是通过抖动水管而产生上下波动的水流，而超宽带技术是在短时间内发射非正弦波窄脉冲来进行信号传输的，这一特点就像是利用旋转的喷射器不断喷射出短促的水流。通过这个形象的比方可以看出，两种无线通信技术拥有迥然不同的信号发射方式。利用发射信号短且密集这种特点，在无线局域网和个人域网方面，超宽带技术为其信号接收提供了一种低发射能量消耗、超宽的信号带宽以及技术操作简单的应用方法。在信号传播过程中，超宽带信号在信道衰落方面不易受到干扰而导致信号能量衰落，并且超宽带信号的功率频谱与普通的噪声相似，能隐藏在其他信号或噪声中而不被发现，因此超宽带信号具备非常好的抗干扰能力和隐蔽性。超宽带系统的结构组成比较简单，并且它的定位精度可以达到惊人的厘米级。这些优点都很好的解决了传统无线技术多年以来难以解决的问题。在应用领域方面，由于超宽带技术发送的信息是由大量短并且传输速度非常快的能量脉冲构成，这些能量脉冲具备着精确计时的特点，每一个脉冲的大小达到了毫微秒级，这样短并且计时精确的能量脉冲可以覆盖很大的区域。在室内环境或者是干扰较强的复杂环境下，利用超宽带技术的特点，可以很好的进行信号的发射与接受，尤其是在军事作战方面，超宽带技术很好的克服了传统无线通信技术精度差、隐蔽性差、系统复杂以及抗多径能力差的难题。超宽带系统在从时域方面就与传统的通信系统有着很大的不同。传统的通信系统是通过发

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