基于UWB的无线传感器网络定位算法研究及系统设计

论文摘要

在无线传感器网络中,节点定位是传感器节点最基本的功能之一,只有结合了节点位置信息的监测数据才是具有实际意义的。对于室内环境,由于多径传播效应等信道环境的影响,室内无线传感器网络的定位精度受到很大影响。而UWB通信技术采用纳秒级短脉冲来传输数据,具有功耗低、多径分辨率高、系统成本低等特点,将精确定位与通信功能相结合,使得UWB技术在无线传感器网络中有着巨大的应用潜力。论文首先介绍了无线传感器网络定位的研究背景以及基于UWB定位技术的国内外研究现状。然后介绍了UWB技术的概念、特点、基本原理和典型调制方式,仿真对比了高斯信道下不同调制方式的误码率性能,仿真分析了IEEE802.15.4a室内办公信道模型,研究并仿真了此信道模型下PAM-DS-UWB通信系统的工作过程。接着论文介绍了基于测距技术的无线传感器网络定位算法,仿真分析了基于TOA技术的最小二乘节点定位算法的平均定位误差与测距误差、参考节点数的关系曲线,为提高定位精度提供参考。对于通信距离有限的UWB传感器网络,提出了采用基于动态参考节点的定位算法,仿真结果表明该算法可以有效地对UWB传感器网络节点进行定位。论文最后设计了基于FPGA的UWB无线传感器网络节点,并对部分基带处理模块进行了设计与仿真,包括DDS脉冲发生模块,脉冲同步检测模块和Rake接收模块。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景和意义
• 1.3 UWB定位技术的国内外研究现状
• 1.4 本文的主要内容和结构安排
• 第二章 UWB技术的基本理论及信道建模与仿真
• 2.1 UWB的基本理论
• 2.1.1 UWB技术的概念
• 2.1.2 UWB技术的特点
• 2.1.3 UWB信号的脉冲波形
• 2.2 UWB典型调制方式
• 2.2.1 脉冲幅度调制（PAM）
• 2.2.2 脉冲位置调制（PPM）
• 2.3 信道建模与仿真
• 2.3.1 IEEE 802.15.4a信道模型
• 2.3.2 信道仿真分析
• 2.4 UWB实现方式及仿真
• 2.4.1 PAM-DS-UWB基本原理
• 2.4.2 PAM-DS-UWB系统设计与仿真
• 第三章 无线传感器网络节点定位算法研究
• 3.1 无线传感器网络节点定位基本原理
• 3.1.1 三边测量法
• 3.1.2 极大似然估计法
• 3.1.3 三角测量法
• 3.2 节点测距和测向技术
• 3.2.1 到达时间测量法
• 3.2.2 到达时间差测量法
• 3.2.3 到达角度测量法
• 3.3 UWB节点定位算法研究与仿真
• 第四章 UWB无线传感器网络定位系统设计
• 4.1 UWB无线传感器网络节点设计
• 4.1.1 节点设计特点
• 4.1.2 节点总体结构设计
• 4.2 基于FPGA的UWB收发系统结构设计
• 4.3 基带处理模块设计
• 4.3.1 DDS脉冲发生模块
• 4.3.2 UWB定位系统的脉冲同步检测模块
• 4.3.3 Rake接收机的设计
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献