[发明专利]基于能量检测的60GHz毫米波非视距识别与无线指纹定位方法

说明书

技术领域

本发明属于毫米波无线定位技术领域，具体是基于能量检测的60GHz毫米波非视 距识别与无线指纹定位方法。

背景技术

脉冲60GHz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。60GHz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60GHz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，60GHz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。60GHz 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60GHz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，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，可以实现厘米级别甚至毫米级高精度测距和定位。这在室内机器人精确导航定位和 一些特殊生产行业等需要厘米级别精确定位的领域具有重要的应用价值。

为了实现60GHz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。

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。

定位基站是由分布在定位区域内的定位基站，可以接收待定位终端发送的60GHz信号，并进行梯度G、标准差SD和偏度S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及非视距(Non-lineofSight,NLOS)识别状态，最后能够将计算结果发送给定位服务器。一般由三个以上的定位基站。

定位服务器一般是一台计算机，可以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。

目前最常用的定位技术大都是基于测距进行的，这是由于，非基于距离的定位技 术一般定位精度差，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以 分为基于接收信号到达时间估计的TOA(TimeofArrival)和TDOA(TimeDifferenceof Arrival)、基于接收信号强度估计的RSS(ReceivedSignalStrength)和基于到达角度估 计的AOA(AngleofArrival)。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。所以为了充分利用脉冲60GHz时间分辨能力强的这个 特性，使用TOA、TDOA估计的定位技术是最适合脉冲60GHz的。在这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NLOS环境的影响。

目前最常用的TOA/TDOA估计方法大体上可以分为相关接收(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，这样的信息往往是不可能总是被接收机准确预知的，这就导致基于 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60GHz的频谱处在更高的频段 (60GHz左右)，所以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 难以实现。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阈 值进行比较，选择最先超过阈值得能量块的值对TOA进行估计。在NLOS识别方面，目前的 NLOS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，所以基 于相关接收的NLOS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NLOS 识别算法在准确识别NLOS方面无法得到有效的保证。

传统的TOA/TDOA定位算法的基本步骤如下(如图2所示)：