基于能量检测的60GHz非视距识别与无线指纹定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线定位技术领域，具体是一种基于能量检测的60G化非视距识别与 无线指纹定位方法。
【背景技术】
[0002] 脉冲60G化无线通信技术是一种不用载波，采用数百皮秒或更短时长的不连续脉 冲进行通信的一种无线通信技术。60G化无线通信技术与目前现有的通信系统相比具有频 谱可复用性高，抗干扰能力强，可用频谱宽，允许发射功率大，系统容量大，时间分辨率和多 径分辨率高等优点。近年来对60G化技术广泛关注最主要的原因之一是因为巨大的免授权 频带带宽。与同样使用免授权频带的超宽带技术相比，60G化技术的频带连续，并且对功率 限制更少。由于超宽带系统是共存系统，因此要受到严格的限制和不同的规定约束。60G化 巨大的带宽是即将分配的最大一块免授权频带。巨大的带宽意味着潜在的容量和灵活性， 从而使得60G化技术尤其适合于吉比特无线应用。60GHz频段附近的脉冲无线电通信技术由 于具有更高的时间分辨率，因而在接收端，可更为有效地分离多径信号，从而具有更高的多 径分辨率，可W实现厘米甚至毫米级高精度测距和定位。运在室内机器人精确导航定位和 一些特殊生产行业(不需要人或不能有人参与其中）等需要厘米级别精确定位的领域具有 重要的应用价值。
[0003] 为了实现60G化的无线定位，相关的硬件设备主要有移动待定终端、定位基站及定 位服务器组成。
[0004] ^移动待定位终端是在定位区域内移动的，需要定位的终端，一般是功率低的发 射装置。
[000引 >定位基站是由分布在定位区域内的定位基站，可W接收待定位终端发送的 60GHz信号，并进行偏度S、峭度K和最大旋度C等参数的计算，利用事先设计的指纹数据库， 计算信号的传播时延，最后能够将计算值发送给定位服务器。一般由=个W上的定位基站。
[0006] >定位服务器一般是一台计算机，可W接收来自于定位基站发送的传播时延，并 对其进行数据处理、执行定位算法。
[0007] 目前最常用的定位技术大都是基于测距进行的，运是因为，非基于距离的定位技 术一般定位精度较差，且需要大量的基站(位置已知的终端）的配合。最常用的定位方法可 W分为基于接收信号到达时间估计的T0A(Time of Arrival)和TD0A(Time Difference of Arrival)、基于接收信号强度估计的RSS(Received Signal Shength)和基于到达角度估 计的A0A(Angle of Arrival)。脉冲60GHz信号具有极高的带宽，持续时间达到数百皮秒或 更短，因而具有很强的时间分辨能力。所W为了充分利用脉冲60G化时间分辨能力强的运个 特性，使用T0A、TD0A估计的定位技术是最适合脉冲60G化的。在运两种方法中影响测量误差 的主要因素是传输时延的测量和非视距(NLOS)环境的影响。
[0008] 目前最常用的T0A\TD0A估计方法大体上可W分为相关接收（如匹配滤波检测）与 非相关接收(如能量接收机）。基于匹配滤波的相关检测，被认为是目前已知的用于信号检 测的最佳方式，但是，它需要关于发射信号特性的先验信息（例如，调制格式，脉冲波形，相 位等）。然而在实践中，运样的信息往往是不可能总是被接收机准确预知的，运就导致基于 匹配检测的相关接收机在许多情况下是不可行的。与相关接收不同，基于能量检测接收完 全不需要信号的先验知识，并具有较低的计算和实施的复杂性，对接点的硬件要求低，适合 应用在结构简单的节点中，基于能量接收机的诸多优点，能量检测器已被广泛应用为频谱 感测的认知无线电，脉冲无线电超宽带系统，传感器网络和陆地集群无线电系统。能量接收 机主要包括一个放大器、平方器、积分器、判决器。由于脉冲60G化的频谱处在更高的频段 (60G化左右），所W对匹配滤波检测器在硬件实现上提出更高的要求，在实际应用中，比较 难W实现。因此在本发明中，对信号的检测将会首选复杂度更低，对硬件实现要求更低的能 量检测接收机。能量检测接收机(如图1所示）的TOA估计主要是将积分器的输出与合适的阔 值进行比较，选择最先超过阔值得能量块的值对TOA进行估计。在NLOS识别方面，目前的 化OS识别算法多数是基于信道特性估计和利用相关接收的方式对信号进行处理。如上所 述，在60GHz无线通信领域，相关接收机在硬件实现上存在诸多挑战，无法顺利实现，所W基 于相关接收的化OS识别算法在能量接收机上无法有效的运用，而目前基于能量接收的化OS 识别算法在准确识别NLOS方面无法得到有效的保证。
[0009] 传统的T0A\TD0A定位算法的基本步骤如下(如图2所示）：
[0010] 今（1)、对整个定位系统进行初始化:主要包括各个基站和定位服务器的软、硬件 安装；
[0011] 々（2)、待定位终端发射60細Z脉冲序列；
[0012] 夺(3)、定位基站接收信号并计算信号的传播时延；
[0013] 々（4)、定位基站将传播时延计算结果发送给定位服务器；
[0014] 冷（5)、定位服务器接收各个基站的传播时延；
[0015] 今（6)、定位服务器计算各个基站的测距结果；
[0016] 々(7)、定位服务器应用T0A\TD0A基于距离的定位算法对待定位终端进行定位。
[0017] 鉴于相关接收与非相关接收之间的巨大差别，特别是复杂度低，低采样速率能量 接收机可W广泛应用于众多的环境中，所W在(3)中将会采用简单实用对硬件要求低的能 量接收机来计算传播时延和化OS识别，传播时延的估计结果和化OS识别结果将会传输给定 位服务器，在定位服务器端综合利用运两方面的信息来对待定位终端进行定位。在能量接 收方面，目前常用的估计传播时延的方法可W分为两种。
[0018] 最大能量法:选择最大的能量块所在的位置来估计T0A，通常是选择能量块的中央 作为TOA的估计值。然而，最大能量块在的位置经常并非直达信号所在的位置，特别是在 NLOS环境下。平均而言直达经所在的能量块经常在最大能量块之前。
[0019] 口限法：即基于口限的TOA估计算法，接收信号的能量块与合适的口限进行比较， 第一个超过该口限的能量块对应的时刻即为TOA估计值。然而，要直接确定一个口限值是比 较困难的，所W经常采用的是归一化的口限。有了归一化的口限后，在接收端根据最大和最 小能量块就可W根据公式a = an〇：?(max(z[n])-min(z[n]))+min(z[n])计算出最终的口限 值。所W，问题就变为如何根据信号的指纹特征来设定合适的归一化口限，在口限法中最简 单的是固定归一化口限法，其中归一化口限是一个固定的值，然在在实际应用中，不同环境 下归一化口限始终是变化的，所W无法满足大范围内的应用。其次便是基于峭度K的归一化 口限法，尽管此算法复杂度降低，但是运些算法与本发明中提出的基于梯度，标准差和偏度 的联合TOA指纹估计算法相比，无论在精度上还是在稳定性方面特别是多径、非视距环境下 有很大的差距。并且在发明中我们所提出的基于能量检测的化OS识别算法无论在精度上还 是在稳定性上与其他基于能量检测的化OS识别算法都得到改善。特别的，NLOS正确识别率 在某些情况下达到基于信道特性估计算法的识别率。
【发明内容】
[0020] 针对现有的技术缺陷，本发明提出了基于能量检测的60G化非视距识别与无线指 纹定位方法，W克服现有技术的不足。
[0021] 基于能量检测的60G化非视距识别与无线指纹定位方法，包括W下步骤：
[0022] (1)、建立定位系统，所设及的定位系统包括多个能够接收待定位终端发出的信号 的多个定位基站，W及接收定位基站发出的定位信息的定位服务器，并对整个定位系统进 行初始化:包括设定各个定位基站的采样频率与积分周期T;
[002引（2)、待定位终端发射60細Z脉冲序列信号；
[0024] (3)、定位基站接收上述信号并计算信号的传播时延与NLOS识别；
[0025] (4)、定位基站将传播时延计算结果与NLOS识别结果发送给定位服务器；
[0026] (5)、定位服务器接收各个基站的传播时延与NLOS识别结果；
[0027] (6)、定位服务器计算各个基站的测距结果；
[0028] (7)、定位服务器应用T0A\TD0A基于距离的定位算法对待定位终端进行定位；
[0029] 其特征在于所述的步骤(3)是定位基站接收上述信号，对该信号进行积分运算得 到积分能量块，进而得到联合参数值，再根据联合参数值计算最优口限值，选取最先超过此 口限值的能量块的中屯、所对应的时刻为信号的传播时延;包括如下A-CS个步骤：
[0030] A.定位基站对步骤(2)的信号进行积分运算得到积分能量块，计算该能量块的偏 度S、峭度K和最大旋度C，并对上述各个变量进行归一化，由归一化之后的各个变量进而得 到联合参数J，求得建立联合参数平均值J2P