[發明專利]一種基于能量檢測的高精度脈沖60GHz無線指紋定位方法

有效

• 申請號: 201610070113.8
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105759242B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 梁曉林;張浩;呂婷婷;劉興;王增鋒
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01S5/06
• 分類號: G01S5/06;G01S5/02;G01S5/00
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司37201
• 代理人: 張中南,邱岳

技術領域

本發明屬于無線定位技術領域，具體是一種基于能量檢測的高精度脈沖60GHz無線指紋定位方法。

背景技術

脈沖60GHz無線通信技術是一種不用載波，采用數百皮秒或更短時長的不連續脈沖進行通信的一種無線通信技術。60GHz無線通信技術與目前現有的通信系統相比具有頻譜可復用性高，抗干擾能力強，可用頻譜寬，允許發射功率大，系統容量大，時間分辨率和多徑分辨率高等優點。近年來對60GHz技術廣泛關注最主要的原因之一是因為巨大的免授權頻帶帶寬。與同樣使用免授權頻帶的超寬帶技術相比，60GHz技術的頻帶連續，并且對功率限制更少。由于超寬帶系統是共存系統，因此要受到嚴格的限制和不同的規定約束。60GHz巨大的帶寬是即將分配的最大一塊免授權頻帶。巨大的帶寬意味著潛在的容量和靈活性，從而使得60GHz技術尤其適合于吉比特無線應用。60GHz頻段附近的脈沖無線電通信技術由于具有更高的時間分辨率，因而在接收端，可更為有效地分離多徑信號，從而具有更高的多徑分辨率，可以實現厘米甚至毫米級高精度測距和定位。這在室內機器人精確導航定位和一些特殊生產行業(不需要人或不能有人參與其中)等需要厘米級別精確定位的領域具有重要的應用價值。

為了實現60GHz的無線定位，相關的硬件設備主要有移動待定終端、定位基站及定位服務器組成。

移動待定位終端是在定位區域內移動的，需要定位的終端，一般是功率低的發射裝置。

定位基站是由分布在定位區域內的定位基站，可以接收待定位終端發送的60GHz信號，并進行偏度S，峭度K，最大斜率MS和標準差SD等參數的計算，利用事先設計的指紋數據庫，計算信號的傳播時延，最后能夠將計算值發送給定位服務器。一般由三個以上的定位基站。

定位服務器一般是一臺計算機，可以接收來自于定位基站發送的傳播時延，并對其進行數據處理、執行定位算法。

目前最常用的定位技術大都是基于測距進行的，這是由于，非基于距離的定位技術一般定位精度差，且需要大量的基站(位置已知的終端)的配合。最常用的定位方法可以分為基于接收信號到達時間估計的TOA(Time of Arrival)和TDOA(Time Difference of Arrival)、基于接收信號強度估計的RSS(Received Signal Strength)和基于到達角度估計的AOA(Angle of Arrival)。脈沖60GHz信號具有極高的帶寬，持續時間達到數百皮秒或更短，因而具有很強的時間分辨能力。所以為了充分利用脈沖60GHz時間分辨能力強的這個特性，使用TOA、TDOA估計的定位技術是最適合脈沖60GHz的。在這兩種方法中影響測量誤差的主要因素就是傳輸時延的測量。

目前最常用的TOA/TDOA估計方法大體上可以分為相關接收(如匹配濾波檢測)與非相關接收(如能量接收機)?；谄ヅ錇V波的相關檢測，被認為是目前已知的用于信號檢測的最佳方式，但是，它需要關于發射信號特性的先驗信息(例如，調制格式，脈沖波形，相位等)。然而在實踐中，這樣的信息往往是不可能總是被接收機準確預知的，這就導致基于匹配檢測的相關接收機在許多情況下是不可行的。與相關接收不同，基于能量檢測接收完全不需要信號的先驗知識，并具有較低的計算和實施的復雜性，對接點的硬件要求低，適合應用在結構簡單的節點中，基于能量接收機的諸多優點，能量檢測器已被廣泛應用為頻譜感測的認知無線電(檢測授權用戶的存在)，脈沖無線電超寬帶(UWB)系統(借用從授權的用戶的空閑信道)，傳感器網絡和陸地集群無線電(TETRA)系統。能量接收機主要包括一個放大器、平方器、積分器、判決器。由于脈沖60GHz的頻譜處在更高的頻段(60GHz左右)，所以對匹配濾波檢測器在硬件實現上提出更高的要求，在實際應用中，比較難以實現。因此在本發明中，對信號的檢測將會首選復雜度更低，對硬件實現要求更低的能量檢測接收機。能量檢測接收機(如圖1所示)的TOA估計主要是將積分器的輸出與合適的閾值進行比較，選擇最先超過閾值得能量塊的值對TOA進行估計。

傳統的TOA/TDOA定位算法的基本步驟如下(如圖2所示)：

(1)、對整個定位系統進行初始化：主要包括各個基站和定位服務器的軟、硬件安裝；

(2)、待定位終端發射60GHz脈沖序列；

(3)、定位基站接收信號并計算信號的傳播時延；

(4)、定位基站將傳播時延計算結果發送給定位服務器；

(5)、定位服務器接收各個基站的傳播時延；

(6)、定位服務器計算各個基站的測距結果；