一種適應(yīng)復(fù)雜地下環(huán)境的導(dǎo)航增強(qiáng)型脈沖超寬帶通導(dǎo)一體自組網(wǎng)體制設(shè)計(jì)研究

李建佳 蔚保國 鮑亞川 楊夢(mèng)煥 崔宋祚 田潤(rùn)澤 趙 軍

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050081)

1 引言

隨著對(duì)地下空間的廣泛開發(fā)利用，如地下商業(yè)綜合體、地下交通系統(tǒng)、礦井隧道等，對(duì)其中的無線通信服務(wù)需求日益增長(zhǎng)。而這類復(fù)雜的地下環(huán)境給無線通信帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于多路徑效應(yīng)、阻塞及異質(zhì)材料吸收衰落等，導(dǎo)致無線信號(hào)衰減嚴(yán)重[1]。此外，地下環(huán)境中存在金屬管道、鋼筋等，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)[2]，降低通信質(zhì)量。因此，如何在室內(nèi)地下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度的定位和高效率的通信，是無線通信與導(dǎo)航領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。

近年來，超寬帶(Ultra-WideBand, UWB)廣泛用于室內(nèi)定位領(lǐng)域，但UWB系統(tǒng)在復(fù)雜室內(nèi)地下環(huán)境應(yīng)用中，仍面臨信號(hào)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)，即自主信號(hào)體制設(shè)計(jì)和自組網(wǎng)體制設(shè)計(jì)兩方面。自主信號(hào)體制設(shè)計(jì)是指針對(duì)室內(nèi)地下環(huán)境中的信道特性和應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)一種能夠同時(shí)滿足通信與導(dǎo)航性能要求，并且能夠有效降低復(fù)雜度和功耗的UWB信號(hào)體制。自組網(wǎng)體制設(shè)計(jì)是指針對(duì)室內(nèi)地下環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蛻?yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的自主發(fā)現(xiàn)、連接、協(xié)同和管理，并且能夠提供靈活可靠的通信與導(dǎo)航服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)體制。

目前，國內(nèi)外關(guān)于UWB通導(dǎo)一體信號(hào)體制和自組網(wǎng)體制設(shè)計(jì)的研究上已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。在信號(hào)體制設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[3]對(duì)802.15.4協(xié)議進(jìn)行了分析，并基于MATLAB仿真對(duì)比了低速率脈沖超寬帶(Low Rate Pulse UWB, LRP UWB)的3種工作模式以及高速率脈沖超寬帶(High Rate Pulse UWB,HRP UWB)模式下的通信測(cè)距性能，文獻(xiàn)[4]基于跳時(shí)UWB和直接序列UWB的調(diào)制方法，提出了兩種隨機(jī)數(shù)學(xué)模型用于輔助UWB信號(hào)設(shè)計(jì)和提升干擾性能。文獻(xiàn)[5]提出了一種改進(jìn)的脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation, PPM)的脈沖超寬帶(Impulse-Radio Ultra-WideBand, IR-UWB)信號(hào)調(diào)制方式，并在硬件和美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)對(duì)信號(hào)功率的雙重約束下實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳播距離。

在自組網(wǎng)體制設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[6]提出了一種使用自主超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)對(duì)多人進(jìn)行定位的方法，通過人員對(duì)收發(fā)機(jī)之間測(cè)量信道沖激響應(yīng)實(shí)現(xiàn)無設(shè)備定位；文獻(xiàn)[7] 提出了一種新的算法，在存在障礙物的情況下優(yōu)化指定區(qū)域的UWB基站布局，實(shí)驗(yàn)表明這種方法可提高3%左右的定位均方根誤差；文獻(xiàn)[8]針對(duì)由數(shù)百個(gè)攜帶UWB定位設(shè)備的小型機(jī)器人構(gòu)成的動(dòng)態(tài)密集定位網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了UWB群測(cè)距協(xié)議，該協(xié)議專為動(dòng)態(tài)和密集網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信和群測(cè)距，所有設(shè)備可同時(shí)計(jì)算到所有對(duì)等節(jié)點(diǎn)的距離。然而，現(xiàn)有的信號(hào)和自組網(wǎng)體制研究還存在以下不足：

(1) 大部分研究只關(guān)注了單一方面的性能指標(biāo)而忽略了其他方面的性能要求，如抗干擾、抗遮擋、抗多徑等，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的信號(hào)體制和網(wǎng)絡(luò)體制難以適應(yīng)復(fù)雜室內(nèi)地下環(huán)境中的多種干擾和變化。

(2) 大部分研究缺乏對(duì)于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型和組網(wǎng)協(xié)議的考慮，對(duì)于復(fù)雜多變的環(huán)境，如地下空間、復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等缺乏相應(yīng)的適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)和組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的信號(hào)體制和網(wǎng)絡(luò)體制難以在復(fù)雜多變的環(huán)境中有效運(yùn)行。

針對(duì)上述不足，本文提出一種適應(yīng)復(fù)雜室內(nèi)地下環(huán)境的導(dǎo)航增強(qiáng)型IR-UWB通導(dǎo)一體自組網(wǎng)體制設(shè)計(jì)研究，主要包括以下兩個(gè)方面：

(1) 在自主信號(hào)體制設(shè)計(jì)方面，在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，去掉了冗余的信息部分，只保留用于同步和測(cè)距定位的同步頭以及必要的信息兩部分，而信號(hào)調(diào)制方式采用跳時(shí)脈沖位置調(diào)制

(Time Hopping Binary Phase Shift Keying, THBPSK)，這樣既能夠保證與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，又能夠提高通信與導(dǎo)航性能，并且降低復(fù)雜度和功耗。

(2) 在自組網(wǎng)體制設(shè)計(jì)方面，提出一種基于雙向測(cè)距的動(dòng)態(tài)重構(gòu)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邪鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為同一等級(jí)，無主從之分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)的雙向測(cè)距結(jié)果確定相對(duì)位置。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于一方面可實(shí)現(xiàn)靈活布站，另一方面可應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的地下或戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

2 導(dǎo)航增強(qiáng)型信號(hào)體制設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)IEEE 802.15.4協(xié)議中UWB標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的分析，為了提高信號(hào)的覆蓋范圍和抗多徑能力，在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到導(dǎo)航增強(qiáng)型超寬帶(High concurrency and coverage Navigation UWB, Hnav-UWB)信號(hào)。具體的改進(jìn)設(shè)計(jì)包括3部分，一是對(duì)于脈沖的形狀進(jìn)行分析和選擇；二是設(shè)計(jì)了導(dǎo)航增強(qiáng)型的超低脈沖重復(fù)頻率和定位專用幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三是基于改進(jìn)的TH-BPSK調(diào)制方式。

2.1 超寬帶脈沖形狀

根據(jù)802.15.4協(xié)議給出的脈沖形狀和頻譜要求[9]，基帶波形p(t) 的限制由基帶波形p(t) 與 參考波形r(t)的歸一化互相關(guān)函數(shù)來確定。歸一化自相關(guān)函數(shù)定義為

表1 不同信道參考波形的寬度及互相關(guān)函數(shù)的主瓣寬度

2.2 導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

2.2.1 導(dǎo)航增強(qiáng)型幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，802.15.4協(xié)議中UWB的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)由前導(dǎo)、幀開始分隔符(Frame Start Delimiter, SFD)、物理層頭(Physical Header,PHR)、數(shù)據(jù)單元(Physical Service Data Unit,PSDU)以及校驗(yàn)字段(Low Energy Information Packet, LEIP)5部分組成，這是由于802.15.4協(xié)議身為通信協(xié)議，在通信性能上考慮的更多，前導(dǎo)部分用于接收時(shí)的信息校驗(yàn)和同步，而分隔符則是保證準(zhǔn)確區(qū)分幀頭部分與數(shù)據(jù)部分，進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)部分的準(zhǔn)確性與完整性，數(shù)據(jù)部分主要包含傳輸信息，而校驗(yàn)字段則作為幀結(jié)構(gòu)中的后驗(yàn)字段確保傳輸幀的正確性。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的UWB物理層幀格式，采用了較為復(fù)雜的通信機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。這種復(fù)雜的幀結(jié)構(gòu)也帶來了一些問題：

(1) 幀頭中有多余的控制字段和頭信息，增加了信號(hào)處理的難度。

(2) 高數(shù)據(jù)率導(dǎo)致幀長(zhǎng)度過長(zhǎng)，時(shí)間分辨率下降，影響定位精度。

(3) 復(fù)雜的調(diào)制編碼方式消耗了更多的功耗和實(shí)現(xiàn)成本。

為了解決這些問題，本文提出一種導(dǎo)航增強(qiáng)的UWB信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，在保持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，提高測(cè)距定位的性能，其特點(diǎn)是：

(1) 簡(jiǎn)化了由前導(dǎo)和SFD組成的同步頭(Synchronization HeadeR, SHR)，只保留用于時(shí)鐘同步的序列，并在同步后完成測(cè)距。

(2) 刪除了PHR頭，直接使用默認(rèn)或自適應(yīng)的數(shù)據(jù)速率模式。

(3) 縮短了數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度，只傳輸必要的測(cè)距定位控制命令數(shù)據(jù)。

(4) 去除了可選的后驗(yàn)序列LEIP字段。

(5) 去除向前糾錯(cuò)(Forward Error Correction,FEC)功能，保留循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check, CRC)檢驗(yàn)。

(6) 簡(jiǎn)化了時(shí)間戳和自動(dòng)增益字段。

(7) 不進(jìn)行信道編碼(即1 bit對(duì)應(yīng)1符號(hào))。

(8) 數(shù)據(jù)部分增加了導(dǎo)航增強(qiáng)字段，該字段包含了發(fā)送方和接收方的位置信息和時(shí)間戳，以及用于校準(zhǔn)時(shí)鐘偏差和信道衰落的參數(shù)，可以利用多種測(cè)距算法進(jìn)行精確的距離估計(jì)。

通過這種優(yōu)化設(shè)計(jì)，幀結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，幀長(zhǎng)度變短，時(shí)間分辨率提高。在滿足定位需求的前提下，減少通信功能是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航性能增強(qiáng)的有效方法。同時(shí)，不進(jìn)行信道編碼也降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和功耗。導(dǎo)航增強(qiáng)的幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

其中PSDU的子幀1和子幀2結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

子幀2參數(shù)說明如表2所示。

表2 子幀2各參數(shù)說明表

2.2.2 調(diào)制方式

IR-UWB、系統(tǒng)采用的多址方式為跳時(shí)多址(Time Hopping, TH)、調(diào)制方式為BPSK結(jié)合的TH-BPSK調(diào)制，第n個(gè)用戶的第i bit的發(fā)射信號(hào)可以表示為[10]

其中，p(t)是能量歸一化的脈沖波形，采用8階巴特沃斯波形；Ns是每比特中含有的幀的個(gè)數(shù)；Tf是每幀的持續(xù)時(shí)間(脈沖重復(fù)周期)；是第n個(gè)用戶的第i個(gè)比特的跳時(shí)碼，Tc是跳時(shí)脈沖的寬度；d(n,i)∈{-1,1}，是第n個(gè)用戶的第i個(gè)比特的極性。圖6給出了BPSK調(diào)制示意圖。

跳時(shí)序列的一種常用方法是利用m序列的優(yōu)良相關(guān)性，但m序列的地址數(shù)目有限，不利于保密性，因此限制了其應(yīng)用范圍。Gold碼[10]是由兩個(gè)長(zhǎng)度相同，碼速相同的m序列優(yōu)選對(duì)異或得到的，通過改變兩個(gè)m序列的相對(duì)移位可以產(chǎn)生不同的Gold序列。采用Gold序列生成改進(jìn)的跳時(shí)序列，假設(shè)一個(gè)n級(jí)的Gold序列，它是由兩個(gè)n級(jí)的m序列異或得到的，則Gold序列的周期與m序列的周期相同，為L(zhǎng)=2n-1 。假設(shè)一個(gè)正整數(shù)l，一個(gè)脈沖重復(fù)間隔內(nèi)有Nh=2l個(gè)時(shí)隙作為跳時(shí)碼的空間。一個(gè)用戶的跳時(shí)碼是通過用連續(xù)不重疊的lbit間隔對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)bit的 Gold序列進(jìn)行十進(jìn)制化得到的。因此，跳時(shí)碼的周期為Np=?L/l」，而Gold序列剩下的Np=?L/l」比特舍棄不用。取n=6，選擇兩個(gè)m序列對(duì)應(yīng)的本原多項(xiàng)式為f(x) =x6+x+1和f(x)=x6+x5+x2+x+1 ，任意選取 (2n-1)個(gè)6位二進(jìn)制初始狀態(tài)對(duì)，生成 (2n-1)個(gè)Gold序列。對(duì)每個(gè)Gold序列按照6 bit間隔進(jìn)行十進(jìn)制化可以得到(2n-1) 個(gè)跳時(shí)碼，則系統(tǒng)最大容量為 (2n-1)個(gè)用戶。當(dāng)存在M個(gè)用戶時(shí)，設(shè)置一組M個(gè)互不相等的跳時(shí)長(zhǎng)度分配給各個(gè)用戶，假設(shè)其最大值為Nh，且Nh>M，每個(gè)用戶的不同數(shù)據(jù)幀的跳時(shí)長(zhǎng)度相同。圖6給出了TH-BPSK調(diào)制方式下改進(jìn)的跳時(shí)序列示意。

2.2.3 符號(hào)結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEEE 802.15.4z協(xié)議對(duì)于LRP UWB的描述，LRP UWB的PRF為1 MHz。這就意味著LRP UWB每1 μs傳輸1個(gè)脈沖。FCC規(guī)定了UWB最大平均功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)，即在給定帶寬條件下1 ms內(nèi)平均的輻射功率存在上限。其上限值PSD=–41.3 dBm/MHz[11]。所以對(duì)于LRP UWB和HRP UWB而言，它們的最大傳輸能量是相同的，以500 MHz帶寬的UWB信號(hào)為例，1 ms內(nèi)其最大平均功率為

設(shè)脈寬為1 ns，根據(jù)最大平均功率可以得到HRP UWB每個(gè)脈沖能量為

同理可以得到LRP UWB的每個(gè)脈沖能量為

在最極端的情況下，假設(shè)1 ms只發(fā)射1個(gè)強(qiáng)功率脈沖，則此脈沖命名為超低速率脈沖超寬帶(Ultra Low Repetition Frequency Ultra-Wide-Band, ULRP UWB)，計(jì)算得到其能量為

除了最大平均功率譜密度的限制，F(xiàn)CC對(duì)于UWB單個(gè)脈沖能量上限也有相關(guān)規(guī)定，超寬帶發(fā)射機(jī)在50 MHz帶寬內(nèi)最大功率密度不得超過0 dBm，最大全帶寬峰值功率與全帶寬(Resolution Band Wide, RBW)的關(guān)系為PowerULRP=20 lg(RBW/50) dBm[11]，由此可計(jì)算出500 MHz帶寬下單脈沖的最大峰值功率為20 dBm，進(jìn)而可計(jì)算出在1 ms傳輸20 dBm峰值的脈沖可傳輸370個(gè)， PRF為0.37 MHz。

經(jīng)過以上計(jì)算可以得到，在相同最大傳輸能量條件下， LRP,ULRP二者的UWB脈沖的各項(xiàng)參數(shù)如表3所示，可以看出單位時(shí)間內(nèi)ULRP UWB信號(hào)的脈沖能量雖然相比LRP UWB有所提高，但傳輸脈沖數(shù)量有所犧牲，對(duì)于通信傳輸比特速率有所影響，理論上傳輸比特速率降為L(zhǎng)RP UWB的1/2.7，但由于幀長(zhǎng)度的同步降低，對(duì)幀傳輸速率影響較小。

表3 脈沖類型及對(duì)應(yīng)各項(xiàng)參數(shù)

由于上述計(jì)算使用的PRF過于極端，在加強(qiáng)定位的同時(shí)不能完全舍棄通信，結(jié)合導(dǎo)航增強(qiáng)型短幀設(shè)計(jì)，在保證幀傳輸速率與LRP相同的情況下對(duì)PRF進(jìn)行降低，經(jīng)過計(jì)算可以得到ULRP的PRF為0.62 MHz，綜上所述，Hnav-UWB采用BPSK調(diào)制方式，通過符號(hào)周期內(nèi)脈沖的極性來攜帶信息，1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)1個(gè)符號(hào)。圖7給出了不同符號(hào){+1,–1}對(duì)應(yīng)的脈沖和射頻信號(hào)示意圖，脈沖寬度Tp=1/499.2 MHz≈2.003 2 ns，符號(hào)周期Tsym=878Tp=1.7576 μs。圖7 使用的是信道3，載波頻率為4.492 8 GHz，此時(shí)1個(gè)Tp時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)于9個(gè)完整的載波周期。

3 動(dòng)態(tài)重構(gòu)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型設(shè)計(jì)

組網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式采用集中式和分布式結(jié)合的混合形式，如圖8所示。任意兩目標(biāo)間通過雙向測(cè)距測(cè)得距離信息，故不管收發(fā)雙方同步還是異步均可準(zhǔn)確測(cè)量距離。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邪鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為同一等級(jí)的Node，無主從之分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)的雙向測(cè)距結(jié)果確定相對(duì)位置后自建地圖，之后可根據(jù)自身位置與已知地圖將每個(gè)節(jié)點(diǎn)與實(shí)際場(chǎng)景位置一一對(duì)應(yīng)，靈活組網(wǎng)設(shè)計(jì)可以在任意環(huán)境，如地下空間和復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)中可以靈活改變組網(wǎng)結(jié)構(gòu)并且快速匹配地圖；而動(dòng)態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，攜帶定位節(jié)點(diǎn)的某一隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)可將自己的基站申請(qǐng)為主站觀察所有點(diǎn)的位置以及控制其他站，在發(fā)生意外失去主站后任何其他基站都可以代替成為主站，一方面保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，另一方面在復(fù)雜環(huán)境中可以靈活地改變基站布局適應(yīng)環(huán)境。

在所有節(jié)點(diǎn)完成兩兩測(cè)距后，已選定某Node為中心節(jié)點(diǎn)，設(shè)定其為坐標(biāo)原點(diǎn)，以其為中心自建坐標(biāo)系可以顯示其他所有節(jié)點(diǎn)位置。故可以根據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行地圖匹配，此外在中心節(jié)點(diǎn)失效的情況下，任意節(jié)點(diǎn)都可成為新的中心節(jié)點(diǎn)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 動(dòng)態(tài)重構(gòu)組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)重構(gòu)組網(wǎng)協(xié)議算法的流程圖如圖10所示，主要步驟如下：

圖1 實(shí)例波形與參考波形及互相關(guān)函數(shù)幅值

圖2 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)UWB幀結(jié)構(gòu)

圖3 導(dǎo)航增強(qiáng)型幀結(jié)構(gòu)

圖4 子幀1結(jié)構(gòu)

圖5 子幀2結(jié)構(gòu)

圖6 改進(jìn)的TH-BPSK調(diào)制

圖7 Hnav-UWB信號(hào)的符號(hào)結(jié)構(gòu)

圖8 可重構(gòu)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖9 雙向測(cè)距信號(hào)傳播時(shí)延

圖10 動(dòng)態(tài)重構(gòu)組網(wǎng)協(xié)議流程

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化階段：所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，主站節(jié)點(diǎn)(隊(duì)長(zhǎng)節(jié)點(diǎn))定期發(fā)送bacon幀，節(jié)點(diǎn)接收到后記錄主站地址并回復(fù)ack幀，主站接收到ack后記錄該節(jié)點(diǎn)地址，重復(fù)該過程直到網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)加入。

(2)自組網(wǎng)階段：節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行雙向測(cè)距獲取距離信息，同時(shí)交換自己已知的節(jié)點(diǎn)地址列表。根據(jù)測(cè)距距離結(jié)果，節(jié)點(diǎn)可以定位出自身位置，并構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。主站節(jié)點(diǎn)匯總所有節(jié)點(diǎn)地址和位置信息，構(gòu)建出完整的網(wǎng)絡(luò)地圖。

(3)主站失效處理：如果主站節(jié)點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點(diǎn)繼續(xù)維護(hù)拓?fù)潢P(guān)系。當(dāng)新的主站節(jié)點(diǎn)被選出后，它將重新收集節(jié)點(diǎn)信息重建網(wǎng)絡(luò)地圖。

(4)新節(jié)點(diǎn)加入處理：新節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽并回復(fù)主站的beacon加入網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行定位和拓?fù)錁?gòu)建。

(5)節(jié)點(diǎn)失效處理：如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，通過拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)并重復(fù)步驟(2)來重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建與匹配算法步驟為，第1步，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)測(cè)距確定自己在網(wǎng)絡(luò)中的相對(duì)位置。這一步通過多維尺度變換(MultiDimensional Scaling, MDS)算法[12]來實(shí)現(xiàn)，MDS算法可以將距離矩陣轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)矩陣。算法首先構(gòu)建距離矩陣D然后進(jìn)行雙中心化處理得到內(nèi)積矩陣B，對(duì)B特征分解得到特征向量矩陣V和特征值矩陣Λ，取前k個(gè)最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，構(gòu)成降維后的坐標(biāo)矩陣X，算法公式為

為了提高定位的精度和魯棒性，采用分布式協(xié)作定位(Distributed Cooperative Localization,DCL)算法來利用節(jié)點(diǎn)間的信息交換提高精度。DCL算法原理公式為[13]

第3步，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身位置與已知地圖將每個(gè)節(jié)點(diǎn)與實(shí)際場(chǎng)景位置一一對(duì)應(yīng)。這一步通過最小二乘法來尋找地圖上與節(jié)點(diǎn)位置最匹配的點(diǎn)。

3.3 多徑多用戶模型

多徑多用戶信道中，信號(hào)受到的干擾類型有噪聲干擾，多用戶干擾，同一用戶符號(hào)間干擾，符號(hào)內(nèi)脈沖與自身多徑的干擾，當(dāng)用戶傳輸速率較低時(shí)，符號(hào)內(nèi)的脈沖多徑干擾是制約系統(tǒng)性能的主要因素。為了更準(zhǔn)確地描述多徑多用戶信道模型，為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，建立了多徑多用戶信道模型并進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并分析了多徑多用戶信道下的不同信號(hào)調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)通信性能的影響。

多徑信道的模型為[14]

其中，n(t)代表白噪聲，τ(n)代表第n個(gè)用戶信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻較起始時(shí)刻的延時(shí)，假設(shè)τ(1)＝0。NI代表干擾到接收幀脈沖的幀數(shù)，NI=「τmax/Tf?=「τmaxRbNs?，Rb為傳輸比特率,τmax為最大的多徑時(shí)延，「·?表示向上取整。

在仿真過程中，若Z>0，則當(dāng)然數(shù)據(jù)判斷為0；若Z<0，則當(dāng)然數(shù)據(jù)判斷為1。判決輸出主要分為5個(gè)部分，包括有用信號(hào)部分Zu、白噪聲部分Zn、同一用戶符號(hào)內(nèi)多徑干擾部分Zmpi、同一用戶符號(hào)間多徑干擾部分ZISI和多用戶干擾部分Zmui。其中，有用信號(hào)部分的能量Eb為[10]

其中，fp(y)為多徑時(shí)延分布的概率密度函數(shù)。

同一用戶的符號(hào)間干擾的分析與符號(hào)內(nèi)干擾相類似，其能量可以表述為

其中，Ltotal為多徑信道中簇的總數(shù)；fc(x)為徑內(nèi)簇分布的概率密度函數(shù)。

不同用戶之間的多用戶干擾能量σm2ui為[15]

假設(shè)所有可能的多徑都會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成影響，而實(shí)際中可能并不會(huì)所有的符號(hào)間干擾都干擾到期望脈沖，因此這里給出的是超寬帶系統(tǒng)性能的上界。此時(shí)計(jì)算得到的系統(tǒng)誤碼率Prb為

4 仿真分析

在過去的工作中，已經(jīng)搭建了IR-UWB仿真系統(tǒng)，為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)在已有仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)[3]，形成了含8階巴特沃斯脈沖波形生成模塊、數(shù)據(jù)幀生成模塊、TH-BPSK調(diào)制模塊、噪聲生成模塊、信道生成模塊、相干檢測(cè)接收模塊和雙向測(cè)距定位幾個(gè)模塊組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。

表4 系統(tǒng)主要參數(shù)

為了驗(yàn)證簡(jiǎn)化幀結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)接收解調(diào)是否有影響，將HNav-UWB信號(hào)和采用802.15.4協(xié)議中LRP UWB長(zhǎng)程模式信號(hào)(以下LRP信號(hào)默認(rèn)此模式)在多徑環(huán)境下的接收概率進(jìn)行了仿真對(duì)比。圖11給出了HNav-UWB與LRP UWB在不同載波頻偏(Carrier Frequency Offset, CFO)下的接收概率隨接收電平的變化情況。仿真結(jié)果表明，在CFO = 0的情況下，信號(hào)接收靈敏度(99%成功接收)由–100 dB提升到–107 dB。當(dāng)CFO = 1.0×10–5時(shí)，信號(hào)接收靈敏度由–99 dB提升到–101 dB，相當(dāng)于覆蓋范圍從100 m提升至150 m。這表明簡(jiǎn)化幀結(jié)構(gòu)對(duì)通信接收性能并無負(fù)面影響。

圖11 不同接收信號(hào)電平下HNav-UWB與LRP UWB接收概率對(duì)比

為了進(jìn)一步對(duì)比兩種信號(hào)的通信，基于仿真系統(tǒng)分別采用LRP信號(hào)(根據(jù)文獻(xiàn)[3]長(zhǎng)程模式是測(cè)距定位能力最佳)和Hnav-UWB信號(hào)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，由于新信號(hào)設(shè)計(jì)中采用了改進(jìn)TH序列和全新信號(hào)體制設(shè)計(jì)兩個(gè)變量，故對(duì)比試驗(yàn)為TH-BPSK調(diào)制的LRP、改進(jìn)的TH序列的TH-BPSK調(diào)制的LRP和改進(jìn)的TH序列的TH-BPSK調(diào)制的Hnav-UWB信號(hào)，在多用戶數(shù)量為10的條件下、其他條件均相同，LRP信號(hào)、采用新TH序列的LRP信號(hào)和采用新TH序列的Hnav-UWB信號(hào)的通信誤碼率隨信噪比變化曲線如圖12所示，由于改進(jìn)的TH序列相比于一般跳時(shí)序列多用戶能力更強(qiáng)，故其誤碼率優(yōu)于采用一般跳時(shí)序列的LRP信號(hào)，而Hnav-UWB信號(hào)在同發(fā)射功率下單脈沖功率更高、幀結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)約、傳輸效率更高故其通信誤碼性能相比于其他兩項(xiàng)有明顯的提升。

圖12 不同信噪比下幾種信號(hào)誤碼率

為了對(duì)比兩種信號(hào)的定位能力，仿真條件不變的情況下，LRP信號(hào)、采用新TH序列的LRP信號(hào)和采用新TH序列的Hnav-UWB信號(hào)的用戶平均定位誤差隨信噪比變化曲線如圖13所示，取所有用戶定位誤差的均值作為平均定位誤差，由于改進(jìn)的TH序列相比于一般跳時(shí)序列多用戶能力更強(qiáng)，故其在信噪比低于24 dB時(shí)其平均定位精度高于THBPSK調(diào)制的LRP信號(hào)，而Hnav-UWB信號(hào)由于脈沖能量高，其等效信噪比更高故其最早達(dá)到定位精度上限。

圖13 不同信噪比下多用戶平均定位誤差

固定信噪比，多徑數(shù)設(shè)為5，單用戶情況，其他條件不變。以兩節(jié)點(diǎn)測(cè)距距離作為衡量覆蓋范圍的標(biāo)準(zhǔn)，由于只有單用戶故只比較改進(jìn)TH序列下的LRP信號(hào)和Hnav-UWB信號(hào)，二者測(cè)距精度隨覆蓋范圍變化關(guān)系如圖14所示，可以看到導(dǎo)航增強(qiáng)型信號(hào)的覆蓋范圍可達(dá)LRP的3倍以上。

圖14 定位精度隨覆蓋范圍變化

保持單用戶，多徑數(shù)量增加到10，定位網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型固定，只比較改進(jìn)TH序列下的LRP信號(hào)和Hnav-UWB信號(hào)，二者測(cè)距精度隨覆蓋范圍變化關(guān)系如圖15所示，可以看到相同信噪比下Hnav-UWB精度更高，信噪比增加后更快收斂向定位精度上限。

圖15 復(fù)雜多徑平均定位誤差與信噪比關(guān)系

由2.2.4節(jié)對(duì)單位時(shí)間傳輸脈沖數(shù)量的通信速率計(jì)算以及仿真分析可以看到，雖然Hnav-UWB信號(hào)犧牲了部分通信比特的傳輸速率，但在通信的接收靈敏度、誤碼率以及定位性能上均有較大提升，故Hnav-UWB信號(hào)作為導(dǎo)航增強(qiáng)型信號(hào)體制設(shè)計(jì)，在面向?qū)Ш蕉ㄎ环较虻膽?yīng)用中是利大于弊的。

最后，給根據(jù)3.2節(jié)的設(shè)計(jì)在IR-UWB收發(fā)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加組網(wǎng)模塊，搭建動(dòng)態(tài)重構(gòu)組網(wǎng)協(xié)議仿真系統(tǒng)，采用改進(jìn)的TH-BPSK調(diào)制的Hnav-UWB信號(hào)，同時(shí)定義一個(gè)200 m×150 m的場(chǎng)景，其中組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為5，首先隨機(jī)生成原始點(diǎn)位置坐標(biāo)，然后根據(jù)組網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)距，測(cè)得所有節(jié)點(diǎn)兩兩之間的距離后，僅將距離矩陣輸入到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建與匹配算法模塊中，然后完成自建地圖和原始地圖匹配，其中設(shè)點(diǎn)1的原始地圖位置已知，其他節(jié)點(diǎn)未知。定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算位置和真實(shí)位置的距離誤差均控制在20 cm內(nèi)即為匹配成功。仿真結(jié)果如圖16所示，可以看到自建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮負(fù)湟恢拢趦H一致1個(gè)原始坐標(biāo)的情況下也可以成功匹配其他節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過1 000次重復(fù)試驗(yàn)，匹配成功率達(dá)95%。

圖16 5節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架

5 結(jié)論

本文為增強(qiáng)UWB信號(hào)的導(dǎo)航定位能力，在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的基礎(chǔ)上改進(jìn)提出了Hnav-UWB，它通過優(yōu)化通信信息的冗余度簡(jiǎn)化幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低脈沖發(fā)送頻率增加單個(gè)脈沖的能量，采用改進(jìn)的THBPSK調(diào)制方式提高了信號(hào)的多用戶和抗多徑能力。另外，為了提高環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，本文設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)重構(gòu)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。并基于自建的IR-UWB仿真系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果顯示在相同條件下Hnav-UWB信號(hào)的誤碼率比對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)降低10倍，定位精度提升3倍。經(jīng)過1 000次重復(fù)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建與匹配地圖仿真實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)重構(gòu)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)匹配準(zhǔn)確率可達(dá)95%。