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1、 西安电子科技大学硕士学位论文基于无线传感器网络的无源定位技术研究及实现姓名：刘海波申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：李赞201201 塑壅摘要随着无线通信的迅猛发展，频谱资源日益短缺，因此，网络要求具有发现并摧毁非法电台以提高频谱的利用率的能力。无线传感器网络作为一种新兴的网络，以其自组织、鲁棒性、隐蔽性强等优点得到了广泛的应用。该网络能够通过协作目标跟踪对目标源的位置进行估计，定位结果精度非常高。因此本文针对无线传感器网络中的定位技术进行了深入研究。进行优缺点比较，选取广义相关魑W钪盏腡算法，并在工程上对其进行改进，提高了时延估计精度；其次，本文对节点自定位技术进行了研究，通
2、基础；最后，本文简要地介绍了几种经典的时间到达差技术，分析其优缺环境下，对其性能做了详尽地仿真分析，并在非视距环境下，对该算法进行改进，提高了定位精度。同时，本文在兰莆蟛钗猍，粒珿接收机自定位误差为，縨，秒脉冲蟛钗猍，】邶的情况下，对算法进行仿真，结果表明在三种误差同时存在的情况下，算法能够获得较好的定位结果。本文所提的基于定位技术的算法易于实现，性能良好，满足课题的各项指标要求，现已广泛应用于无线传感器网络中。 甌 甌緐 畉 一甈 第一章绪论弟第一一早章三百绪可论匕动通信网络”，是最近几年来在无线自组网的基础上提出的一种新型分布式信息获取网络。它是把大量的具有通信能力与计算能力的微型传感器网
3、络节点，通过人工散置、空投、火炮投射等几种方法布设在预定监测区域，构成监测网络系统，能监测、感知和采集各种环境信息【俊涵盖了传感器技术、嵌入式技术、网络技术、无线通信技术、分布式信息协同处理技术等多种技术，在应用中可以满在军事通信、工农业、城市管理、生物医疗、环境监控、公共安全和反恐、危险及有害环境的远程控制等方面都有非常重要的科研价值和实用价值。所以，国际民用领域都具有广范的应用前景。军事领域。的电磁频谱监测系统可以实时的提供战场频谱信息，为战场上无线通信系统、雷达通信系统等电子设备的应用给予频谱信息的支撑。第二，能够对反恐行动、境外军事行动等一些特殊的军事行动给予支持【。图所示的区域，频谱
4、环境非常复杂，若要在这些区域进行可靠且稳定的军事通信，就必须在这些区域快速部署频谱监测网络，实时地对该区域电子环境变化进行监 基于无线传感器网络的无源定位技术研究及实现图反恐、境外军事活动示意图图国家无线电频谱资源管理示意图而对运营商的网络规划提供相应技术支持。电磁频谱监测系统来提供帮助。如图所示，在这些紧急救援工作中，特定区域 第一章绪论图重大灾害救援抢险示意图用，必将会给人们的日常生活及工作带来深远的影响。在无线频谱监测与管理的时间延迟估计一般通过相关的算法决定，算法性能的优劣决定了估计出的时延差的精度度，从而影响了最终的目标源定位的准确性，因此，本文将会对时延 基于无线传感器网络的无源定
5、位技术研究及实现估计技术进行详细的分析。因此各节点自组成了一个分布式网络，以协作的方式感知、采集和处理无线电频谱信息。计是主要考虑的问题，因此，定位算法必须能够很好地与其适应。能量高效：由于能量有限，因此，需要尽可能地减少算法的复杂性，减少网络节点间的通信开销，从而尽量延长传感器网络的生存周期。分布式计算：由于需要最大限度地节约能量，因此要求在定位技术中只能采 第一章绪论无线传感器网络定位技术包括时延差估计技术、节点自定位技术和目标源定位技术，第一个是对接收到目标源信号的时延差进行估算，第二个是对传感器节点自身的定位，第三个是传感器节点对网内监测目标的定位。由于单个节点不能到一个管理中心。但是
6、，由于数据量太大，节点的能量将很快会消耗殆尽。目前，已有一些专门针对减少传送数据量的研究，如在本地对数据压缩、传送查询消息或者传送一些描述性数据从而代替实际的数据等。传送查询消息的方法就是网络外部的某个节点向网络节点发送查询消息，网络处理中心在完成消息处理之后给外部节点返回应答。通过设计消息处理算法，可以达到很好的效果。源的情况下纳芷凇南住】提出了一种基于跟踪的目标源定位算法，该及空间上都是连续的。也就是说，只要目标源进入到该区域，就已经处于某个传感器节点的监测范围中了；若目标源离开该节点监测的范围，就会立即进入到其相邻节点的监测范围中，直到目标源离开传感器网络覆盖的区域为止。该算法利用目标源
7、的运动轨迹进行跟踪，首先找到一个曾监测到目标源的节点，随后利用相邻节点间的本地消息追踪监测目标的运动轨迹。理论仿真结果表明，该算法可以有效地减少目标定位中传送的消息数量，并且节省了网络带宽，降低了传感器节点能源的消耗，进而提高了资源受限条件下的氖涤眯浴南住】提出的基 位系统，在网关节点上采用最大似然法计算目标源位置。该文献引用三种测量误差估计模型进行分析，给出了目标定位精度和传送数据量之间的关系，而且通过理论仿真得到了高定位精度不一定需要传送大规模数据量的结论。但是，在节点 基于无线传感器网络的无源定位技术研究及实现课题来源该区域的电磁频谱，并且对干扰源进行确认和摧毁，这是保证我方通信正常进行
8、本文研究工作和内容安排 第一章绪论通过邮栈邮誈卫星信号，并对数据进行解析获取传感器节点的经纬度信息。第五章是全文所做工作的总结，并指出了进一步需要研究的问题。 基于无线传感器网络的无源定位技术研究及实现 第二章时间延迟估计第二章时间延迟估计技术际信号处理领域的十分热门的研究课题，具有极其重要的研究意义和使用价值。界一克拉美罗下限。专门出版了一期关于时延估计理论的专刊，该专刊汇集了当时多篇有重要价值的研究论文，其内容涉及到广义相关拊醇坝性碩、时变允视、理论研究和性能分析等诸多问题。该内容还包括等人研究的腂等人第一次提出的自适应脑砗头椒琓等人第一次提出的一种避免 基于无线传感器网络的无源定位技术研
9、究及实现研究人员除了对现有几种方法进行继续扩展和深入研究之外，又提出了基于相位谑北浼胺瞧轿鹊幕肪诚拢俳扑愀丛佣刃樟菜俣瓤斓淖允视赥的理论研究和实际开始应用现代数字信号的处理技术，并且研究离时间延迟指的是不同接收机接收到的同一信号源发送的带噪信号由于传输的传播速度涂梢酝舛奔洳畛龅玫搅恕湫偷腡模型如图所示： 第二章时间延迟估计图图中，唬琲渲校珻为光速。技术。有源际跻渤莆V鞫疶技术，是由发射机、传感器阵列、接收机组成的。发射机利用发送的声波或电磁波去搜索目标源，当找到目标源之后，一部分信号被反射到接收系统，依靠信号被发送时刻与接收时刻的时间差，确立目标源子。无源际跻渤莆1欢疶技术，它不主动发送声波或
10、者电磁波去搜寻目标，而是通过接收目标源发送的电磁波或非合作目标源的反射信号，依据不同接 基于无线传感器网络的无源定位技术研究及实现式校瑂悄勘暝捶偷男藕牛珼是接收机之间的时间延迟差，口是衰是对应的离散时间：屯端羔 以，一在式中，疋表示信号的自相关函数，和氏龟分别为瑂蛌，蛌的互相关函数。假定，蛌三者之间互不相关，因此：口如籇根据自相关函数的性质取籇比芍5眆时，可达到最大基本相关法估计调制信号之间的时间延迟，噪声为高斯白噪声，信噪比分别 第二章时间延迟估计目标源信号时间时间图目标源信号时间时间采用基本相关法对时间延迟进行估计的优点是简单快速。但是，有以下几个显 基于无线传感器网络的无源定位技术研究及
11、实现而易见的缺点：一，该方法假设噪声和信号，噪声和噪声之间都互不相关，这在一般情况不能满足：二，该方法在信噪比较低的情况下，估计出的时间延迟误差较大；三，该方法采用的相关函数，是一种用平稳遍历代替无穷平均或数学上严格的统计平均，这在实际情况中，严格的统计平均或无穷平均都是无法做到的，所以只能采用有限的时间平均来代替无穷平均或统计平均，也就是说利用相关函吼荟五则引毛和疋对扈：跋毂仁夏员猓的影响小，这样就可以忽略如和口民悖銲峰检皿 第二章时间延迟估计氏北】式中，胛渴歉道镆赌姹浠环牛琿儿可以写为：式中，符号幸表示复共轭运算。相关函数为：式中：屹】功率谱和一个复指数相乘来表示，因为在时间域的相乘运算转
12、换到频率域就变为卷积运算：扩展。自相关函数的一个性质是狣，实际的相关运算不论是否扩有一个延迟，这会导致严重的后果；如果信号有多个延迟时，实际的互相关函数如下： 基于无线传感器网络的无源定位技术研究及实现由于选择的加权函数不同，n梢苑治猂权法，平滑连贯转换表常用广义相关加权函数名称广义相关加权函数礗瓯三臝 第二章时间延迟估计。一一一州俐州州州蒴禡帅忡脚呐岫山岍一一一。一。一州州帅州軭柑，疘帅一一一一图四种加权方法时延估计图从图可以看出，在低信噪比的情况下，四种加权方法都能有效的估计出时延，而且锐化效果非常明显。允视法容易实现、快速收敛等，因此，得到了普遍的研究和应用。该方法能够自适应地调整滤波器的加权系数，在两路输入信号的均方差最小来的基础上求解时间延迟。图是噪声自适应抵消系统的原理框图，在该图中，基本输入信号是源信号驮肷藕舗之和，参考输入信号包含两个相关的噪声啊
