發(fā)布時間：2018-02-11 11:03

  本文關(guān)鍵詞： Wi-Fi成像 二維掃描 射頻定位 信號到達角 壓縮波束形成　出處：《鄭州大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：Wi-Fi(Wireless Fidelity)信號通常使用2.4 GHz或5 GHz兩個射頻頻段,帶寬通常為20 MHz或40 MHz。與傳統(tǒng)光學成像、紅外成像、太赫茲成像等成像方法相比較,Wi-Fi信號在非視距或不可見等惡劣成像條件下成像具有巨大優(yōu)勢。尤其是對于墻壁等障礙物,Wi-Fi信號在穿透性和傳輸距離方面都強于紅外、毫米波和太赫茲波。因此基于Wi-Fi信號的成像技術(shù)在室內(nèi)穿墻成像定位、城市反恐和室內(nèi)人員監(jiān)測及抗震救災(zāi)等領(lǐng)域具有美好的應(yīng)用前景;另一方面,Wi-Fi信號也可用于室內(nèi)定位或Wi-Fi熱點附近區(qū)域定位。雖然全球定位系統(tǒng)GPS、北斗和格洛納斯能夠提供實時定位導航服務(wù),但是對于地下室或大型建筑物內(nèi)這些導航信號難以覆蓋或提供更為精確的定位信息,因此基于Wi-Fi信號的定位技術(shù),可以彌補它們在室內(nèi)環(huán)境下定位的不足。Wi-Fi定位可為大型商場、學校、車站或停車場等公共場所提供更為便捷、精確和低成本的定位服務(wù)。另外,基于該Wi-Fi定位技術(shù)也可實現(xiàn)大型倉儲貨物定位、家中老人小孩的安全監(jiān)測、刑偵案件破獲以及生命體搜救等。在Wi-Fi成像方面,本文基于合成孔徑雷達(SAR)成像技術(shù),使用線性調(diào)頻信號即chirp信號,采用距離-多普勒算法,利用MATLAB進行了Wi-Fi信號SAR成像仿真。由于Wi-Fi信號頻率相對較低,其相應(yīng)的SAR成像精度不高,難以滿足室內(nèi)傳感和定位的要求。因此針對Wi-Fi信號的特點提出天線陣列成像和二維掃描成像的方法,利用定向天線通過二維機械掃描成像方式,獲取成像目標的各像素點的反射信號值,最后重構(gòu)出目標圖像。該研究結(jié)果表明:主動式Wi-Fi信號成像技術(shù)可以實現(xiàn)物體的低分辨率成像。對于金屬物體的目標物,在像素點采集數(shù)目較低的情況下,依然可識別出金屬目標物及其相應(yīng)的大致輪廓。最后本文對該實驗所存在的問題及成像的局限性進行了討論。在Wi-Fi定位方面,本文介紹對比了目前常用的幾種定位方法:基于到達方向監(jiān)測的信號到達角(AOA)定位、基于信號到達時間的(TOA)定位和基于信號傳播時間差的(TDOA)定位,以及用于距離估計的接收信號強度基(RSSI)定位方法。由于它們本身定位原理的限制,以及定位性能仍存在不足。如CBF算法對噪聲魯棒性強,但其分辨率低,MUSIC和MVDR算法依賴于頻譜矩陣特征值,所以當出現(xiàn)采樣數(shù)量少,頻譜矩陣軼不足以及信號子空間少時,定位性能會大大降低。為解決定位性能問題,提高定位精度,本文提出了一種基于壓縮傳感(CS)波束成形算法應(yīng)用于射頻無線定位研究。本文分別通過軟件仿真和實驗驗證分析了該定位算法的性能。根據(jù)仿真結(jié)果討論了各算法定位的效果,通過改變采樣次數(shù)和陣元數(shù)目計算定位的誤差率,分析算法的性能。上述研究表明:壓縮傳感波束形成算法在較小的采樣次數(shù)下,仍能夠較高精度的定位目標方位。另外,在多目標方向定位中,CS算法有更強的指向性,定位性能穩(wěn)定。在實驗方面,通過對定位系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)分析,探究實驗所用信號頻率、均勻線陣陣元間距和非均勻線陣對定位結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明:當天線陣列采用半波布陣時,信號的頻率對定位結(jié)果影響不大,而天線陣列的陣元間距對實驗的穩(wěn)定性有較大影響,在均勻線陣非半波布陣下和非均勻線陣定位效果皆不理想。基于AOA定位的壓縮傳感波束形成算法,結(jié)合壓縮傳感理論,突破了傳統(tǒng)定位算法的局限性,對室內(nèi)定位設(shè)計有著重要的指導意義。
[Abstract]:Wi-Fi (Wireless Fidelity) signal usually use 2.4 GHz or 5 GHz two radio frequency band, bandwidth is 20 MHz or 40 MHz. with traditional optical imaging, infrared imaging, compared to terahertz imaging and imaging method, Wi-Fi signal has a huge advantage in the non line of sight or not visible and poor imaging conditions especially for wall imaging. Other obstacles, Wi-Fi signal in the penetration and transmission distance are strong in infrared, millimeter wave and terahertz wave. Therefore based on Wi-Fi signal imaging technology in indoor positioning through wall imaging, has a good application prospect of the city on terror and indoor personnel monitoring and earthquake relief and other fields; on the other hand, the Wi-Fi signal can also be used indoor positioning or Wi-Fi hotspot area near the location. Although the GPS global positioning system, Beidou and GLONASS can provide real-time positioning and navigation services, but for the basement or large buildings in the Some navigation signal can not cover or provide more accurate location information, so based on the positioning technology of Wi-Fi signal, can make up for their lack of.Wi-Fi positioning positioning in indoor environment for the large shopping malls, schools, bus station or parking lot and other public places to provide more convenient, accurate positioning and low cost services. In addition, the Wi-Fi technology can realize the large-scale storage of goods based on the location of the elderly child safety monitoring, criminal investigation and case cracked life rescue. In Wi-Fi imaging, this paper based on synthetic aperture radar (SAR) imaging technology, the use of linear FM signal chirp signal, using the range Doppler algorithm, the Wi-Fi signal SAR imaging simulation by MATLAB. The Wi-Fi signal frequency is relatively low, the corresponding SAR imaging accuracy is not high, it is difficult to meet the requirements of indoor sensing and positioning. Therefore the needle of Wi-Fi signal The characteristics of proposed antenna array imaging and two-dimensional scanning imaging, using directional antennas by two-dimensional mechanical scanning imaging, the reflected signal of each pixel to obtain target value, finally reconstruct the target image. The results of this study showed that low resolution imaging active Wi-Fi signal imaging technology can achieve the target for metal objects. The object in the collection number of pixels is low, still can identify the metal target and its corresponding outline. The limitations of the existing problems and finally the imaging experiments are discussed. In the Wi-Fi position, this paper compared several common positioning methods: signal arrival direction based on the monitoring of the angle of arrival (AOA) location, time of arrival (TOA) based on the location and signal propagation time difference based on the (TDOA) position, and then used for distance estimation The received signal strength (RSSI) based localization method. Because of their own positioning principle, and the positioning performance is still insufficient. As to the noise robustness of CBF algorithm, but its resolution is low, MUSIC and MVDR algorithm depends on the spectrum of eigenvalues of a matrix, so when the sampling number is small, the spectrum matrix and signal sub Yi small space, performance will be greatly reduced. In order to solve performance problems, improve the positioning accuracy, this paper puts forward a kind of based on compressed sensing (CS) in a radio frequency wireless positioning algorithm. The application of beamforming by software simulation and experimental verification and analysis of the performance of the localization algorithm. According to the simulation results discussed the effect of localization algorithm, positioning error calculation by changing the sampling frequency and the number of array elements, performance analysis of the algorithm. The research shows that the compressed sensing beamforming algorithm in small sample Times, still can locate the target range and higher precision. In addition, in the positioning of multi targets direction, directivity has stronger CS algorithm, positioning and stable performance. In the experiment, through the analysis of the system parameters on the positioning system, explore the signal frequency used in the experiment, the uniform linear array element spacing and non uniform linear array to locate the effect. The results show that when the half wave antenna array array, the signal frequency has little influence on the positioning results, and has a great influence on the stability of the array element spacing of the antenna array in the experiment in uniform linear array non half wave arrays and non uniform linear array positioning effect are not ideal. AOA the positioning of the compressed sensing beamforming algorithm based on the combination of the compressed sensing theory, break through the limitations of traditional algorithms, has an important guiding significance for the design of indoor positioning.

【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN92;TN957.52

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本文編號：1502906