基于软信息序列检测的超宽带信号到达时间估计方法技术

本发明专利技术提出了一种基于软信息序列检测的超宽带信号到达时间估计方法，实现了基于脉冲超宽带信号的时钟异步通信定位一体化系统设计，包括个时钟同步的锚节点、1个位置未知的目标节点和1个中心节点，锚节点和目标节点位置的集合分别表示为和锚节点接收来自目标节点广播发送的ICL IR

【技术实现步骤摘要】
基于软信息序列检测的超宽带信号到达时间估计方法


[0001]本专利技术涉及通信及定位导航领域，尤其涉及超宽带信号到达时间估计方法和一种基于脉冲超宽带信号的时钟异步通信定位一体化系统。

技术介绍

[0002]在现代通信系统中，可靠的数据传输和高精度定位的服务需求日益旺盛。脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra
‑
Wide Bandwidth,IR
‑
UWB)信号以其高时间分辨率和大带宽等特征优势，在无线通信、感知、探测和定位等领域得到了广泛的应用。同时，为了提高频谱和硬件利用效率，通信定位一体化(Integration of Communication and Localization,ICL)系统的设计成为无线通信系统的研究热点。
[0003]近年来，有大量的研究致力于复杂环境中精确的超宽带TOA估计算法。最常用的是两步TOA估计策略，第一步接收端进行粗略的脉冲捕获，第二步在第一步脉冲捕获的范围内通过各种算法进行更为精确的TOA估计。近年来，无线定位领域提出软信息(Soft Information,SI)的概念，与传统的单一值距离估计相比，软信息测距能够提供更为丰富的脉冲信息，尤其是在复杂的通信环境中表现出良好的测距和定位性能。
[0004]基于超宽带技术的通信和定位系统在商业应用中已经相当成熟。然而，大多数方案通信和定位是分开进行的，通信和定位算法工作在不同的时隙或者频段。另外，高精度的时钟同步在实际系统中也是比较难实现的。目前大多数的研究假设网络时钟同步，这也限制了其在实际系统中的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于软信息序列检测的超宽带信号到达时间估计方法，包括N
b
个时钟同步的锚节点、1个位置未知的目标节点和1个中心节点，锚节点和目标节点位置的集合分别表示为和锚节点接收来自目标节点广播发送的ICL IR
‑
UWB信号，并分别进行数据解调和TOA估计，最后中心节点根据各个锚节点的TOA进行目标位置估计；
[0006]目标节点和锚节点的位置分别表示为p＝[p
x
,p
y
,p
zT
和r
m
＝x
m
,y
m
,z
mT
，从目标节点到第m个锚节点的真实TOA值表示为：
[0007][0008]其中c为电磁波在空气中的传播速度，||
·
||2代表2范数。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，IR
‑
UWB发射信号的形式为：
[0010][0011]其中，T
f
表示脉冲重复间隔，w t表示能量归一化二阶高斯脉冲，N
f
表示总的脉冲个数，δ表示脉冲位置调制长度，q
j
表示系统传输的第j个数据，为0或者1，E
tb
表示传输一个比
特数据的能量，E
tb
＝T
f
P
t
，P
t
表示信号发射功率；
[0012]第m个锚节点处的接收信号形式为：
[0013][0014]其中*代表线性卷积，锚节点和目标节点之间的初始时钟偏移量为Δt，为脉冲信号从目标到第m个锚节点的传输时延，h t是UWB小尺度衰落信道，各参数需满足以下条件：
[0015]δ+t
s
＜T
f
,δ
‑
t
s
＞0
[0016]其中，t
s
表示UWB信道的最大时延扩展。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，第m个锚节点的第j个脉冲的脉冲到达时间为：
[0018][0019]作为本专利技术的进一步改进，定义为一个锚点相邻脉冲的到达时间间隔：
[0020][0021]其中，表示估计误差，那么根据前一个估计数据和可以解调出当前数据：
[0022][0023]同时数据解调函数f可以表示为序列估计问题。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，定义第m个锚节点第j帧数据的伪到达时间为：
[0025][0026]目标节点的位置可以表示为：
[0027][0028]其中，g p＝||β
j
‑
Δt
‑
t
d
||，Δt＝IΔt，Δt＝IΔt，由于β
j
存在估计误差，因此采用数值算法解算上述方程。
[0029]作为本专利技术的进一步改进，所述数值算法包括线性最小二乘或者最大似然算法。
[0030]作为本专利技术的进一步改进，采用基于脉冲识别的匹配滤波算法进行TOA估计，一个脉冲重复间隔内的信号和噪声离散化为r n和z n，将发射信号作为本地模板信号，为了简化表达式，省略m和j：
[0031][0032]匹配滤波的判决变量为：
[0033][0034]其中，N
s
为一个脉冲重复间隔内的采样点数；则r
MF
的期望和方差为别为：
[0035][0036][0037]其中，表示噪声的方差；通过匹配滤波的判决变量建立假设检验模型：
[0038]H0:
[0039]H1:H0和H1分别代表一个脉冲内只有噪声和由一个脉冲信号的情况；
[0040]μ0＝0,
[0041][0042]则脉冲虚警概率(False Alarm Probability,FAP)表示为:
[0043][0044]其中，Q
·
代表标准正态分布的右尾函数Q函数；根据恒虚警检测准则，得到脉冲检测的阈值：
[0045][0046]作为本专利技术的进一步改进，通过预设的FAP可以计算脉冲检测阈值，将一个PRI内的脉冲检测方案分为以下几种情况：
[0047]第1种情况：如果只存在一个判决量r
MF
＞γ，认为当前PRI内只存在一个脉冲；
[0048]第2种情况：如果一个PRI内存在两个及以上判决变量r
MF
大于门限值γ，则根据各个采样点出脉冲的幅值从大到小进行排序；从第二大值脉冲开始判断，如果存在一个脉冲与最大值脉冲之间的间隔大于信道相干时间，认为当前PRI内存在两个信号脉冲，否则认为只有一个信号脉冲，即幅度最大值脉冲；
[0049]第3种情况：如果没有判决变量超过阈值，则认为当前PRI没有信号脉冲。
[0050]作为本专利技术的进一步改进，定义基于接收脉冲幅度的软信息如下：
[0051][0052]当r
MF
＞γ时，越大，代表当前脉冲越可靠；当r
MF
＜γ时，越大，代表当前脉冲越不可靠；
[0053]定义为基于相邻脉冲间隔的软信息，服从高斯分布，定义为：
[0054][0055]假设发送数据
‘0’
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于软信息序列检测的超宽带信号到达时间估计方法，其特征在于：包括N
b
个时钟同步的锚节点、1个位置未知的目标节点和1个中心节点，锚节点和目标节点位置的集合分别表示为和锚节点接收来自目标节点广播发送的ICL IR
‑
UWB信号，并分别进行数据解调和TOA估计，最后中心节点根据各个锚节点的TOA进行目标位置估计；目标节点和锚节点的位置分别表示为p＝[p
x
,p
y
,p
z
]
T
和r
m
＝x
m
,y
m
,z
mT
，从目标节点到第m个锚节点的真实TOA值表示为：其中c为电磁波在空气中的传播速度，||
·
||2代表2范数。2.根据权利要求1所述的超宽带信号到达时间估计方法，其特征在于：IR
‑
UWB发射信号的形式为：其中，T
f
表示脉冲重复间隔，wt表示能量归一化二阶高斯脉冲，N
f
表示总的脉冲个数，δ表示脉冲位置调制长度，q
j
表示系统传输的第j个数据，为0或者1，E
tb
表示传输一个比特数据的能量，E
tb
＝T
f
P
t
，P
t
表示信号发射功率；第m个锚节点处的接收信号形式为：其中*代表线性卷积，锚节点和目标节点之间的初始时钟偏移量为Δt，为脉冲信号从目标到第m个锚节点的传输时延，ht是UWB小尺度衰落信道，各参数需满足以下条件：δ+t
s
＜T
f
,δ
‑
t
s
＞0其中，t
s
表示UWB信道的最大时延扩展。3.根据权利要求2所述的超宽带信号到达时间估计方法，其特征在于：第m个锚节点的第j个脉冲的脉冲到达时间为：4.根据权利要求3所述的超宽带信号到达时间估计方法，其特征在于：定义为一个锚点相邻脉冲的到达时间间隔：其中，其中，表示估计误差，那么根据前一个估计数据和可以解调出当前数据：同时数据解调函数f
·
可以表示为序列估计问题。5.根据权利要求4所述的超宽带信号到达时间估计方法，其特征在于：定义第m个锚节点第j帧数据的伪到达时间为：
目标节点的位置可以表示为：其中，gp＝||β
j
‑
Δt
‑
t
d
||，Δt＝IΔt，Δt＝IΔt...

【专利技术属性】
技术研发人员：张霆廷，刘凡，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：