基于超格點DOA的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究.pdf

1、近年來，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等概念帶入人們的日常生活。無處不在的無線終端使得人們對其所提供的定位服務(wù)的需求量大量增加。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)作為一種新興的無線技術(shù)也以其低成本、低功耗和靈活的結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢受到工業(yè)和科研領(lǐng)域的高度關(guān)注，在智能樓宇、醫(yī)療看護、規(guī)模農(nóng)業(yè)和倉庫管理等室內(nèi)定位服務(wù)應(yīng)用中具有巨大的潛力。目前，多種定位算法能有效地實現(xiàn)了室內(nèi)WSN定位，但是主要集中于單節(jié)點主動式定位的研究上，并且精度不高。本文將圍繞室內(nèi)被動式

2、多目標定位展開討論。波達角（DOA)估計算法是一種基于陣列信號處理的高精度定位算法，其在室內(nèi)定位中的應(yīng)用還剛剛起步，缺少成熟的理論理解和量化分析。近年來，突破了奈奎斯特采樣率約束的信號處理理論“壓縮感知（CS)”降低了DOA估計對陣列尺寸的要求，能夠獲得更高的DOA估計精度和更小的DOA分辨率，促使了其在室內(nèi)定位技術(shù)中的應(yīng)用研究。
　　當然，已有的基于CS的DOA估計算法中也面臨著一些問題與挑戰(zhàn)。其中最受關(guān)注的便是格點失配問題，它

3、是由于空間離散劃分過程中不可避免的量化誤差現(xiàn)象造成的，導(dǎo)致了估計精度的受限。除此之外，在本文中還著重討論了應(yīng)用于室內(nèi)WSN定位中面臨的三個關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)，分別為:
　　在室內(nèi)定位應(yīng)用中相干信源使得DOA估計出現(xiàn)了混疊模糊現(xiàn)象，造成算法的穩(wěn)定性下降；
　　在實際場景中存在多陣列共同對若干信源進行定位的現(xiàn)象，不同陣列對同一個信源同時進行DOA估計存在冗余的重復(fù)計算，造成了硬件成本的提尚；
　　室內(nèi)WSN中的數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)

4、包丟失現(xiàn)象造成估計錯誤的上升，需要通過對傳感器進行硬件和算法改進應(yīng)對，從而增加功耗。
　　本文針對以上幾點展開相關(guān)工作：
　　將應(yīng)對格點失配問題的超分辨理論應(yīng)用于DOA估計算法中提出了超格點(OG)DOA估計算法，用連續(xù)域原子基和原子范數(shù)優(yōu)化來克服了空間域離散化過程中劃分的格點造成的量化誤差，從而實現(xiàn)更髙的DOA估計精度。針對相干信源的D O A估計，提出了一種高精度解相干融合OG-DOA算法。對于相干信源的協(xié)方差矩陣的“緊

5、縮”信號子空間結(jié)構(gòu)進行深入地分析，構(gòu)造了包含完整信源位置信息的信號矢量，建立了連續(xù)空間域下的原子基和空間稀疏模型。將原先離散空域中的&范數(shù)最小化問題轉(zhuǎn)化為總方差范數(shù)最小化問題，利用半定規(guī)劃最優(yōu)化算法進行求解。
　　對于實際場景中的多陣列的DOA估計問題提出了聯(lián)合DOA估計方法，利用所有陣列的接收信號進行同步計算獲取DOA信息。我們分別討論了空間上的分布式稀疏陣列和時間上的時隙陣列兩種情況。在分布式稀疏陣列問題中，對于陣列待估計的共

6、有信源和特有信源建立了聯(lián)合空間稀疏模型。對于每個稀疏陣列構(gòu)建一個虛擬均勻線性陣列（ULA)，將真實的觀測信號視為了虛擬ULA觀測信號的壓縮感知測量值。于是，可以使用多聯(lián)原子范數(shù)進行描述，將DOA估計目標問題轉(zhuǎn)化為多聯(lián)原子范數(shù)的最小化問題，通過半定規(guī)劃算法進行求解。同樣，在陣列對多目標定位場景中提出了一種動態(tài)策略，希望使用多個時隙中的隨機傳感器的采樣值來完成DOA估計，建立了時隙陣列模型，轉(zhuǎn)化為原子范數(shù)的最小化問題來解算。
　　對于

7、室內(nèi)WSN中的數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性問題也進行了細致地研究，著重討論了鏈路質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議造成的影響。設(shè)計了一種面向場景的WSN仿真及優(yōu)化平臺實現(xiàn)了對各類WSN應(yīng)用場景的性能評估。針對現(xiàn)有的提高可靠性的若干方法對傳感器節(jié)點（SN)的功耗約束，提出了一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮筇幚矸椒ǎ瑢?shù)據(jù)包的丟失視作為壓縮感知中的隨機測量過程，通過4范數(shù)和h范數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化方法恢復(fù)原始信號。該方法同時還具有一定的噪聲抑制能力。算法可以僅在WSN中硬件和能源資源豐富的匯聚

8、中心實現(xiàn)，能耗受限的SN上不會承擔(dān)系統(tǒng)性能提升帶來的代價，從某種意義上來說等效于降低SN的功耗。
　　結(jié)合三種針對不同問題提出的應(yīng)對方法提出了一種室內(nèi)分布式定位技術(shù)。利用多個SN組成網(wǎng)絡(luò)陣列，進行DOA估計。利用分布式乘法器交替方向法（ADMM)在網(wǎng)絡(luò)基站節(jié)點上進行目標位置的求解。
　　通過了仿真測試，對比了多種現(xiàn)有方法進行性能評估。分別從估計誤差、估計成功概率、最小分辨率等指標論證了文中提出的各種方法的有效性，為室內(nèi)定位系