【摘 要】
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随着无线通信技术的高速发展,通信设备广泛覆盖,人们对于高速率通信与实时准确定位的需求日益增大。将定位功能与通信功能进行融合,实现随时随地的数据传输与精确定位服务成为迫切需求,因此,通信与定位一体化成为学术界的研究热点之一。基于无线自组网的通信与定位一体化系统可在基础设施受限环境下快速组网,提供通信与位置服务,同时结合跳频技术优良的抗干扰能力、以及抗截获性能和灵活组网能力,可有效提升系统性能。因此,
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随着无线通信技术的高速发展,通信设备广泛覆盖,人们对于高速率通信与实时准确定位的需求日益增大。将定位功能与通信功能进行融合,实现随时随地的数据传输与精确定位服务成为迫切需求,因此,通信与定位一体化成为学术界的研究热点之一。基于无线自组网的通信与定位一体化系统可在基础设施受限环境下快速组网,提供通信与位置服务,同时结合跳频技术优良的抗干扰能力、以及抗截获性能和灵活组网能力,可有效提升系统性能。因此,本文基于无线自组网构建跳频多址接入(Frequency Hopping Multiple Access,FHMA)通信与定位一体化系统,研究节点选择算法和资源分配技术。主要研究内容和贡献如下:首先,研究了影响FHMA通信与定位一体化系统性能的跳频序列设计,以及系统定位通信性能准则。跳频序列的性能将直接决定FHMA系统的性能,因而提高FHMA系统性能的一个有效方法为优化跳频序列设计,即使用正交性好的序列来抑制用户间的相互干扰。在跳频调度帧的业务服务阶段,利用时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)技术分时实现定位和通信服务。在定位阶段,基于多锚节点进行目标节点的测距定位,通过费歇尔信息矩阵(Fisher Information Matrix,FIM)和克拉美罗下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)推导出FHMA系统下定位误差的评价指标——平方定位误差界(Squared Position Error Bound,SPEB),进而可得到TDMA-FHMA系统下的SPEB;在通信阶段,由单条通信链路的信噪比推导出FHMA系统下的用户通信速率,进行扩展后,以TDMA-FHMA系统下的多用户速率作为通信阶段的性能指标。其次,提出了 一种基于加权几何精度因子(Weighted Geometric Dilution of Precision,WGDOP)贡献值的节点选择算法。对定位网内目标节点的定位误差进行分析可以得知,目标节点的定位误差同时受资源分配和定位网拓扑结构的影响。从锚节点的几何分布出发,分析了节点定位误差、几何精度因子和网络拓扑之间的关系。在多锚节点网络中优选锚节点组合进行目标节点定位,将最小化精度因子作为优选目标,以定位链路上的信噪比作为加权值,根据测距方向矩阵和链路信噪比,设计了基于WGDOP贡献值的节点选择算法,优选锚节点组合,并仿真验证了算法的有效性。最后,对TDMA-FHMA通信与定位一体化系统下的功率和时间资源分配进行研究。联合定位与通信性能,在跳频调度帧的业务服务阶段,建立了功率和时间资源分配问题,分析优化问题特征后,引入广义Benders分解(Generalized Benders Decomposition,GBD)算法,将原优化问题分解为子问题和主问题两个优化问题,再结合功率最优分配策略交替迭代求解,得到系统最优资源配置。在固定时间分配下建立最大化定位性能优化问题,通过优化算法先后求解通信网以及定位网的功率分配,即可得最优功率分配。仿真验证了算法的收敛性和最优功率最优时间分配策略的优良性能。
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