OFDM通信网络中的无线定位技术的研究

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高速、宽带和个性化服务是现代移动通信系统所追求的目标,正交频分复用(OFDM)技术因其具有频谱利用率高和抗频率选择性衰落的特点,已成为下一代宽带无线通信网络核心技术的首选方案,而个性化服务的一个有效手段是基于移动用户的位置信息,可用于紧急救助、智能交通管理、网络规划与资源管理等领域。因此,随着下一代宽带无线通信技术的发展,围绕OFDM的测距技术和无线定位技术的研究越来越引起学术和工业界的关注。本文正是以此为背景,着重研究了适用于OFDM无线通信网络的无线定位技术以及定位信息的应用问题,主要完成了以下几个方面的工作:(1)提出了基于多载波传输的无线定位协议。在协议设计上,本文首先考虑了目前常用的各种定位方法(包括基于时间估计、接收信号强度和到达角度等定位方法)的特点,并对基于时间估计的多载波信号测距性能进行了分析计算。在此基础上,本文给出了基于时间估计的定位方法和多载波信号子载波间相互正交特性的无线定位协议。该协议由基于移动台的、基于网络辅助的和基于网络的三种解决方案组成,都可以用于移动台的定位,既可以提供导航服务也可以满足跟踪的要求。最后,从效率、带宽利用率和信号处理复杂度三个方面分析了该协议的性能。由于该定位协议充分的利用了多载波信号的自身特性,所以可以提供更优的定位精度、高的效率且具有带宽选择灵活性的特点。(2)理论分析了基于多载波传输的无线定位协议下的各种定位方法的定位精度。首先,针对每种解决方案的特点,给出了可选用的基于时间估计的定位方法,包括往返时延(RTD)定位方法、到达时间(TOA)定位方法、到达时间差(TDOA)定位方法、RTD-TOA定位方法和RTD-到达时间和(TSOA)定位方法。其次,推导了这些定位方法的定位估计的克拉美劳下界,给出了封闭解形式。在此基础上,对这些定位方法进行了性能比较。理论分析和计算结果均表明,在平均意义上,TSOA定位方法与TDOA定位方法具有相同的定位性能;此外,对于基于时间估计的定位方法,RTD信息的引入可以在一定程度上改善这些方法的定位性能。本文给出的理论分析和计算结果不仅具有理论意义,而且对实际应用中如何选用各种定位算法也有实际意义。(3)提出了一种基于椭圆公式的最佳线性无偏估计(BLUE)定位算法。首先,为了实现移动台的定位,本文采用BLUE来实现文中给出的定位协议下的各种基于时间估计的定位方法。理论分析和仿真结果表明,在距离测量噪声为高斯白噪声的条件下,基于时间估计的BLUE定位算法的性能可渐进的达到定位估计的克拉美劳下界。其次,针对基于TSOA的定位技术,本文从椭圆公式出发,给出了一种基于椭圆公式的BLUE定位算法,从另外一个角度实现了基于TSOA的BLUE定位算法,而不是采用将其表示成两个TOA值相加的方法。仿真结果表明该方法可获得与基于TSOA的BLUE定位算法基本一致的定位性能。最后,将基于二步最小二乘和近似最大似然的定位算法推广到TSOA定位估计中也进行了简单的讨论,给出了具体的实现形式。(4)提出了一种基于位置信息的干扰消除方法。本文从分析Alamouti-OFDM协同通信系统中由中继节点引入的时延误差对系统性能的影响出发,利用已知的中继节点位置信息,来消除当循环前缀长度不足时由时延误差引起的符号间干扰。首先根据中继节点的位置信息计算得到时延误差估计值,通过合理的选择中继节点发送信号的时刻,使得由中继节点引入的时延误差小于循环前缀的长度。本文方法实现简单,同时还可以解决在选择参与协同通信的中继节点时产生的模糊性问题。
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