基于超宽带的无线传感器网络定位算法研究.docx

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基于超宽带的无线传感器网络定位算法研究

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：

ResearchofWirelessSensorNetworkLocationAlgorithmBasedonUWB

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，ImpulesRadioUltraWideband）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，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，WirelessSensorNetwork）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定位测距

ABSTRACT

Inrecentyears,wirelesssensornetworkisdevelopingveryquickly,inmedicalandmilitaryaspects,environmentdetection,targettracking,ecologyresearchaspectsandsooneachdomainhasbeenverywidelyused.Asweknow,thekeytechnologyofwirelesssensornetworknodelocalizationis.Moreover,duetothepulseUWBtechnology（IR-UWB,ImpulesRadioUltraWideband）hasthestrongabilityoftime-resolved,nodescanbeusedforhighprecisionpositioning,therefore,ultra-widebandtechnologycanbewidelyappliedtothephysicallayerofwirelesssensornetworklocalization.

InadditiontothePositioningSystemintheoutdoorenvironmentofnodelocalizationofapplications,peopleonindoorPositioning,shortdistanceapplicationssuchasdon'tknow.Canbepredictedthatthefuturetrendofwirelesslocationtechnologyiscombinedbytheorientationofindoorandoutdoor,inordertorealizetheseamless,accuratepositioning.However,ourexistingnetworktechnologyalsocan'tfullymeetthestringentrequirements,andbecauseofuwbtechnologyhashighsafety,lowpowerconsumption,resistancetomultipatheffectisgood,canprovidetheadvantagesofaccuratepositioning,lowsystemcomplexityandsoon,basedonmanyofultra-widebandtechnologynetworkpositioningtechnologyinthewirelesslocationtechnology,becomingoneofthehighlightsinagro-scientificresearchinthewirelesslocationtechnologyinthefuture.Ultra-widebandsignalcantheoreticallythatthecm-levelprecisionrangingability,takeadvantageofsuchaprecisedistancemeasurementtechnology,canrealizerelativepositioningbetweennodes,thisalsomeansthat,pulseuwbtechnologycanfullymeettheWirelessSensorNetwork（WSN,WirelessSensorNetwork）Networkpositioningofthevariousrequirements.

Thispaperintroducestheultra-widebandtechnologyandwirelesssensornetworks,analyzeandsummarizetheultra-widebandtechnologyinthewirelesssensornetworklocalizationalgorithmroleinthetraditionalwirelesssensornetworklocalizationalgorithmbasedontheproposedalgorithmandtrilateralTOAmeasurementmethodtheideaofco-locating.

KeywordsWirelesssensornetworkUltra-widebandNodepositioningRanging

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

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射载波信号进行通信的，而超宽带系统则是利用信号起落点的时域脉冲直接进行信号的传输的。

超宽带信号的传输调制过程在非常宽的频带上进行，调制过程中信号持续的时间决定了其所占带宽的频率范围。

超宽带系统在局域网进行运用时，其传输功率在一定程度上会受到限制，它在局域网的有效传输距离在十米左右，因而，在个人应用方面，超宽带技术的应用也比较普遍。

传统的窄带宽带与超宽带所定位的带宽是不同的。

传统意义上，窄带是指相对带宽（信号带宽与中心频率之比）小于1%，宽带是指相对带宽在1%到25%之间的。

而超宽带的带宽大于25%并且其中心频率大于500HZ。

超宽带技术的基本原理是发送和接受严格受控的高斯短周期能量脉冲，因为短时的单周期脉冲的特点，信号的带宽比较宽，这样在信号的接受时，利用一级前端交叉相关器就可以将能量脉冲直接转化成基带形式的信号，这种信号转换方式不需要传统通信技术中必须要使用中频级转换信号，在设备的复杂性上，超宽带系统就显得简单得多。

与传统的通信系统相比，超宽带系统的工作原理是完全不同的，因而，超宽带系统具备了传统通信系统无法比拟的技术特点：

（1）系统结构简单：

传统的无线通信技术利用载波来进行通信，我们知道，载波是连续的电波，它的频率和功率不是一直不变的，传统的无线通信技术就是利用载波状态变化来进行信号的传输。

超宽带系统利用的纳秒级的能量脉冲决定了其发射器不需要传统发射器必须具备的上变频，也不需要功率放大器来放大信号，因此，超宽带系统的信号发射器成本很低。

而在超宽带系统的接受器中不需要对信号进行中频处理，省去了传统通信系统中必须要有的中频处理器。

（2）数据传输的速率高：

由于超宽带技术拥有比较宽的带宽，信号在传输过程中，不需要占用其他的频率资源，通过共享其非常宽的频率宽带实现了数据的高速传输。

在民用方面，由于信号传输的有效范围本来就很小，超宽带技术可以使信号的传输速度达到500Mbit/s，这样的传输速度可以使超宽带技术在民用的互联和互通上得到很好的利用。

而在军事方面，高速率的信号传播能在军事指挥上实现远距离高效率的信息交换。

（3）消耗的功率较低：

超宽带系统利用间断的短促能量脉冲发射信号，能量脉冲一般在0.20ns～1.5ns之间，因而信号的占空因数比较低，系统的耗电量也因此做到很低。

在民用方面的超宽带系统的耗电量是移动电话的百分之一左右，是普通蓝牙设备的耗电量的百分之二十左右。

在军用方面，利用超宽带技术的军用电台所需要的功率是普通电台的一半。

因此，超宽带系统能增加电池寿命以及减少电磁辐射，这一点是传统无线设备无法做到的。

（4）较强的安全性能：

UWB的信号能量处在一个很宽的频带范围，它的信号能量散布很广，因而UWB信号的功率谱密度与白噪声信号的功率谱密度很接近，能够隐藏于噪声信号中而不被一般的信号接收机轻易捕捉到。

如果对UWB信号脉冲的参数进行随机化伪装后，其脉冲能量的隐蔽性会变得更好。

（5）在多径下的时间分辨能力强：

传统的通信系统发射的信号大多为连续信号，它的持续时间远远大于多径传播时间，由于多径传播效应，传统的通信系统的信号传输质量和信号传输速率难以保证。

而超宽带系统发射的信号是短促的单周期能量脉冲，脉冲的占空比较低，在多径下的时间是可以分离的，通过分离出的多径矢量，很好的节约了发射信号的能量，避免了无线电信号的衰落过大。

实验表明，超宽带信号的多径衰落最多只有5dB，是传统无线电信号多径衰落的一半甚至低至六分之一。

（6）定位精度高：

短促的单周期脉冲有很高的穿透能力，能够穿透墙壁等其他障碍物，常规的无线电信号很难做到这一点。

正是因为超宽带无线电的高穿透能力，使得在室内环境下超宽带信号的定位精度很高，它的定位精度可以达到厘米级，像其他传统的无线技术由于容易受到环境的影响，其信号的能量逐渐变小，导致测量的误差偏大。

（7）成本较低：

在实际应用上，UWB技术比其他传统技术更容易实现，这是因为UWB系统构成简单、所需要的设备成本低、技术依靠全数字化。

UWB只需要产生短促的脉冲信号，然后对信号进行简单的调制就可以了，这些都可以以电路的方式集中到较小的集成设备上来实现，例如晶体芯片。

因此UWB系统的设备成本很低廉。

鉴于以上介绍的诸多优点，相比于一些传统的无线通信技术，超宽带技术拥有比较好的发展前景。

在互联网逐渐渗透到人们生活的时代，物联网等短距离通信应用的兴起，导致无线通信技术的更新换代。

超宽带技术而生，解决了许多传统技术在物联网应用方面难以解决的难题，为物联网的推广提供了更高的平台，同时也为该技术的广泛运用提供了一个良好的契机。

由于超宽带技术的穿透能力强的特点，在雷达探测、监控系统、成像系统等方面，主要就是超宽带技术作为主导技术而被运用。

例如，在反恐、灾情救援、资源探测上，利用UWB穿墙成像技术能够更快更好的进行目标追踪以及定位。

在精确度要求比较高的情况下，例如汽车的防碰撞雷达，超宽带技术因其分辨力强分辨率高的特点，能够在精确测量领域得到很好的运用。

现在我们所称的超宽带技术最早出现在二十世纪六十年代。

1970年后，在通过美国的一些研究机构的深入研究后，超宽带技术得到了较为快速的发展。

当时UWB技术主要是运用在雷达探测系统中。

到了80年代末，美国国防部正式将该技术称为“超宽带”，而这一术语的提出，标志着超宽带技术开始正式迈入实用阶段。

美国于2002年正式将室内通信的超宽带信号带宽范围规定为3.1GHZ-10.6GHZ，这标志着超宽带技术取代传统无线技术正式开始使用于民用的无线电通信。

紧跟着美国在超宽带技术方面的研究步伐，欧盟、日本和新加坡等国家也开始进入民用超宽带技术领域，这些国家在确定了本国的超宽带信号频谱标准与规划后，开始了超宽带技术多方面发展及研究。

在超宽带技术研究方面，中国的起步较晚，但是在2006年之后，国内的超宽带技术研究日新月异，在超宽带技术应用到军事民用等方面得到了突飞猛进的进展。

2008年12月12日，中国发布了自己的超宽带频谱规划，为之后的超宽带技术研究指明了方向。

目前，在中国政府的支持下，众多企业、研究机构和高校开始联合进行对超宽带技术进行标准化正规化的工作。

目前，UWB技术的潜力还没有被完全发掘，除了利用其关键技术之外，它还拥有着人们所未发现的研究方向，相信在不久的将来，UWB技术能够更好更广的运用到人们的日常生活中。

1.1.2无线传感器网络概述

进入20世纪，人们对计算机技术开始了更加深入的研究，传感器技术开始进入人们的生活之中，无线通信技术开始得到普及，微电子技术在其他技术的支持下也得到了快速的发展，在这一系列的技术发展的背景下，无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）技术开始进入人们的视野。

21世纪，人们提出了嵌入式计算机技术，与此同时，分布式信息处理方式的提出加速了现代网络技术的发展，这些技术的提出都推动无线传感器网络技术开始应用于工业、农业以及商业等方面。

无线传感器是由多个传感器组合而成的有线或无线的网状结构，这些传感器以Adhoc形式结合在一起，通过收集无线传感器网络中感知对象的信息数据，进行数据的处理分析进而发送给观察者。

无线传感器网络的信息获取方式是全新的，它的信息处理方式也是传统技术不具备的。

无线传感器网络的主要组成有传感器、微电子系统和无线网络，通过下图，我们可以初略的了解无线传感器网络的体系结构和工作原理。

图1无线传感器网络的系统结构

在监控区域，部署多个传感器节点，这些传感器节点相互协作对监控区域内的各种信息进行感知采集以及处理，之后将这些信息数据发送到基站，从而帮助人们掌握信息世界的细微变化。

无线传感器网络中的传感器节点一般具备体积较小、价格低廉、能进行数据的采集分析处理的特点，因此对于一些人员不能到达的区域，无线传感器节点的特点能得到充分的利用。

在民用方面，恶劣环境中的监控利用无线传感器网络就能很好的实现，例如人员不能到达的火灾现场、地震现场等，通过散布传感器节点来接受灾情现场的信息保证了救援人员对现场情况的充分了解。

在军事领域，无线传感器网络可以运用的地方更多，如敌对区域的监测、生化攻击或者核攻击下的区域监测。

从上文可以看出，在一些人员不能到达的区域，无线传感器技术能发挥巨大的作用，它不仅节约了人力资源，并且能更客观全面的提供物理世界的各种信息，该技术在物理世界与信息世界起到了非常好的沟通作用。

并且，利用无线传感器网络技术能够解决线路老化、布线复杂、易受损坏等其他的技术无法解决的问题。

无线传感器网络的特点可以总结为：

传感器网络选取的节点数量较大，导致其容易失去效应，但是它具有自我适应性；传感器的节点体积较小，但是它的计算能力是有限的；通信的范围半径较小，传感器空间传输容量在无线通信过程中显得非常重要；电源的能量是无线传感器网络的寿命的关键点之一；传输中的数据管理与数据处理是无线传感器网络的核心技术。

鉴于无线传感器网络的诸多优点，无线传感器被应用到各个领域。

一般的，无线传感器网络的应用可以体现在以下几个方面：

（1）军事指挥。

无线传感器网络节点部署快速，可以直接通过飞机将传感器节点以空投的方式散布至监控区域。

无线传感器网络的隐蔽性强，不易被敌方发现，其高容错性也为军事指挥中信息的交换提供了便利。

（2）农业或环境监测。

无线传感器网络可以通过对温度、湿度、大气变化、土壤成分等信息的监测，实现对农作物生长的实时监控。

利用无线传感器网络也可以对河水水位增长情况进行监控，从而避免洪水灾害的爆发。

（3）医疗监护。

无线网络正在逐步运用到室内环境中，因此无线传感器网络在医疗护理方面能起到很大的作用。

这些作用主要体现在远程信息获取，病人的生理状况的实时采集能保证对其健康的监控做到最好。

（4）家居智能化。

通过无线传感器网络可以将住房中的各种电子设备联系在一起，利用无线传感器节点收集室内信息并传送给各个设备，各个设备相互协作、自动运行，为居住着提供智能化的家居环境。

另一方面，将室内的无线传感器与网络连接，可以对家居设备进行远程的操作。

（5）交通管理。

将传感器节点部署在交通路口，可以对实时的路面交通情况进行监测。

也可以将传感器节点部署在车辆上，传感器节点采集车辆信息就可以对车辆的各个部件的情况进行分析，从而避免车辆功能性障碍的出现。

1.1.3基于超宽带的无线传感器网络技术

超宽带脉冲无线电技术和无线传感器网络是近期出现的两个新兴的热点研究课题，两者可以形成天然的结合，从而具备着一些传统无线传感器网络无法比拟的优势。

两者结合的优势主要体现在以下几点：

（1）信号传输速度快。

利用超宽带无线传感器网络技术，信号在短暂传输过程中，其传输的速度可以达到数百兆每秒。

（2）系统构成简单。

由于系统的构成中不需要变频器，这在某种程度上减少了系统的构成成分，因此信号的发射与接受的设备成本显得比较低廉。

（3）系统兼容性较好。

由于超宽带宽频谱的特点，在信道的容量上，其具备很大的优势。

由于系统发射信号的功率频谱很低，这样就很好的兼容了窄带无线通信系统。

（4）系统隐蔽性高。

由于传统的信号接收机的局限性，UWB传输的信号的频谱比一般信号低，能够很好的隐藏在其他信号或者噪声之中，不容易被其接受。

（5）较低的功率消耗。

UWB发射信号时，其信号扩频处理能力越来越强，导致了信号发射或者传输所消耗的功率较低。

（6）在复杂的多径条件下受到的影响较小。

UWB信号脉冲的占空比率比传统信号低，在多径条件下，它的分辨力就显得比较强，因此，其可以分辨的多径数目比较高。

（7）节点定位能力强。

分辨信号的能力是与信号的带宽息息相关的，我们知道，UWB信号的带宽比较窄，因此，系统在网络中的距离定位分辨能力可以达到厘米级，在定位或者信号捕获方面，具有传统技术不能达到的高点。

基于无线超宽带技术的无线传感器网络具备的优势是一些传统无线传感器网络无法企及的，特别是在代价、设备大小、兼容性、网络定位、信号安全性、空间含量等方面具有着明显的优势，因而具备着广阔的应用前景。

基于无线超宽带技术的无线传感器网络将会成为下一代无线传感器网络的发展方向。

我们相信超宽带无线电传感器网络的研究和开发应用，终将会成为必然的发展方向。

1.2基于超宽带的无线传感器网络定位技术

1.2.1研究的背景及意义

在科技高速发展的21世