一种应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法技术

本发明专利技术提出一种应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，涉及移动目标同步定位的技术领域，在当前联合同步定位方法中，无法消除目标在接收信号时受到的多普勒效应的影响，对实时移动目标同步定位精度差的问题，首先建立包含未知移动目标节点和锚节点的移动目标同步定位模型，锚节点设有发射器，未知移动目标节点设有接收器，然后利用发射器和接收器的收发信号波形去进行同步定位，并通过信号传输模型对发射器和接收器之间传输的信息进行信号处理，进一步，对未知移动目标节点联合同步、定位、侧向、测速及传输信道增益估计，消除了多普勒效应对移动目标的时钟同步以及位置估计的影响，有效提高了移动目标同步定位精度。有效提高了移动目标同步定位精度。有效提高了移动目标同步定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法


[0001]本专利技术涉及移动目标同步定位的
，特别涉及一种应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法。

技术介绍

[0002]同步和定位是无线传感器网络的主要组成部分，同步技术研究是从协议设计的角度来开展，定位技术研究是从信号处理的角度来开展，在传统的无线传感器网络研究中，同步和定位技术一直被分开来研究，而忽略了同步和定位之间的关系，实际上，同步和定位之间是具有紧密的关系。
[0003]目前，随着科学技术的发展，同步定位技术得到了广泛应用，大多数的联合同步定位都是利用已知的收发时间戳来进行目标定位，如Dalin Zhu等人提出宽带毫米波系统中的定向帧定时同步，在利用收发时间戳对车辆进行同步定位时，由于受到时间帧最小间隔的影响，导致车辆的时钟校准后，车辆的时钟误差仍存在钟飘，而且在实际应用中信号的收发时间戳为一个未知量，它是利用收发信号波形估计得到，该估计方式本身存在误差，无法精准实现对目标同步定位。现有技术中公开了一种联合同步定位方法，该方法通过目标节点不同时间的联合同步定位的估计值去计算目标节点运动速度和方向。一方面，计算得到的运动速度为平均速度而非实时速度，得到的运动方向也非实时位移方向，即在面对非匀速直线运动时，目标节点的运动速度和方向的计算精度差，导致同步定位精度差；另一方面，实时运动的目标节点在接收信号时存在多普勒效应，多普勒效应是指波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，目标节点运动易引起载波频偏，从而影响移动目标的时钟同步以及位置的估计。

技术实现思路

[0004]为解决在当前联合同步定位方法中，无法消除目标在接收信号时受到的多普勒效应的影响，对实时移动目标同步定位精度差的问题，本专利技术提出一种应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，消除了多普勒效应对移动目标的时钟同步以及位置估计的影响，有效提高了移动目标同步定位精度。
[0005]为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，包括以下步骤：
[0007]S1.建立移动目标同步定位模型，所述移动目标同步定位模型包括待定位的未知移动目标节点和多个用于发射信号的锚节点，每一个锚节点均设有发射器，未知移动目标节点设有接收器，发射器和接收器上均设有天线；
[0008]S2.未知移动目标节点向其中一个锚节点发出定位请求；
[0009]S3.接收到定位请求的锚节点利用发射器向未知移动目标节点发送第一频域信号和包含锚节点的位置、发射器的天线方向及锚节点本地时钟参数的数据参数；
[0010]S4.构建信号传输模型，信号传输模型利用第一频域信号和数据参数中的锚节点
的位置、发射器的天线方向及锚节点本地时钟参数，将传输至未知移动目标节点的第一频域信号转化为第二频域信号；
[0011]S5.将未知移动目标节点接收器的位置、接收器的天线方向、未知移动目标节点的运动速度、未知移动目标节点的运动方向、未知目标节点本地时钟参数、发射器与接收器之间的传输信道增益记为待估计参数，计算待估计参数初始的估计值和初始的误差值；
[0012]S6.利用第一频域信号和第二频域信号依次对待估计参数初始的估计值和初始的误差值进行更新，直至更新过程收敛，得到待估计参数的联合估计值；
[0013]S7.将待估计参数的联合估计值设为未知移动目标节点的同步定位结果。
[0014]在本技术方案中，首先建立包含未知移动目标节点和锚节点的移动目标同步定位模型，锚节点设有发射器，未知移动目标节点设有接收器，利用发射器和接收器的收发信号波形去进行同步定位，避免了利用收发时间戳进行同步定位，保证同步定位的精准度，锚节点接收到未知移动目标节点的定位请求后，发送用于同步定位的信息，通过信号传输模型对这些信息处理，再传输至未知移动目标节点，防止多普勒效应引起的载波频偏；进一步，将未知移动目标节点接收器的位置、接收器的天线方向、未知移动目标节点的运动速度、未知移动目标节点的运动方向、未知目标节点本地时钟参数及发射器与接收器之间的传输信道增益设为待估计参数，再对待估计参数的值进行联合估计计算，得到待估计参数的联合估计值，实现了对未知移动目标节点联合同步、定位、侧向、测速及传输信道增益估计，消除了多普勒效应对移动目标的时钟同步以及位置估计的影响，有效提高了移动目标同步定位精度。
[0015]优选地，锚节点数量为M个，发射器的天线数量为N
BS
根，每一根天线均按朝向排列，接收器的天线数量为N
MS
根，每一根天线均按排列，接收器的天线间距和发射器的天线间距均为d
a
。
[0016]优选地，在步骤S3中，设第一频域信号为x[m,n]，第一频域信号x[m,n]的具体表达式为：
[0017][0018]其中，M
t
表示采样数，m表示第m个发射器发送的信号，m＝1,
…
,M，n表示第n个子载波，n＝1,
…
,N；
[0019]锚节点位置的具体表达式为：
[0020][0021]其中，q
m
表示第m个锚节点位置；
[0022]锚节点本地时钟参数包括第m个发射器时钟的偏态α
BS
和第m个发射器时钟的偏置θ
BS
，第m个发射器时钟的本地时间t
BS
的计算表达式为：
[0023]t
BS
＝α
BS
t+θ
BS
[0024]其中，t为标准时间。
[0025]优选地，在将传输至未知移动目标节点的第一频域信号转化为第二频域信号的过程中，利用均匀随机生成的方式设未知移动目标节点的接收器的位置为程中，利用均匀随机生成的方式设未知移动目标节点的接收器的位置为接收器的天线方向为b
MS
、未知移动目标节点的接收器时钟的偏态为α
MS
、未知移动目标节点的接收器时钟的的偏置θ
MS
及发射器与接收器间的传输信道增益为h，未知移动目标节点的
接收器的本地时间t
MS
的计算表达式为：
[0026]t
MS
＝α
MS
t+θ
MS
[0027]其中，α
MS
和θ
MS
组成未知移动目标节点的本地时钟参数；第m个锚节点的发射器于具体本地时间R
m
发送信息，未知移动目标节点的接收器于具体本地时间T
m
接收到该信息，信息的传输速度为c，设第二频域信号为y[m,n]，第二频域信号y[m,n]的具体表达式为：
[0028][0029]在发射器发送信号至接收器时，考虑信号的观测误差ε[m,n]为：
[0030][0031]其中，ε
l
[m,n]独立同分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立移动目标同步定位模型，所述移动目标同步定位模型包括待定位的未知移动目标节点和多个用于发射信号的锚节点，每一个锚节点均设有发射器，未知移动目标节点设有接收器，发射器和接收器上均设有天线；S2.未知移动目标节点向其中一个锚节点发出定位请求；S3.接收到定位请求的锚节点利用发射器向未知移动目标节点发送第一频域信号和包含锚节点的位置、发射器的天线方向及锚节点本地时钟参数的数据参数；S4.构建信号传输模型，信号传输模型利用第一频域信号和数据参数中的锚节点的位置、发射器的天线方向及锚节点本地时钟参数，将传输至未知移动目标节点的第一频域信号转化为第二频域信号；S5.将未知移动目标节点接收器的位置、接收器的天线方向、未知移动目标节点的运动速度、未知移动目标节点的运动方向、未知目标节点本地时钟参数、发射器与接收器之间的传输信道增益记为待估计参数，计算待估计参数初始的估计值和初始的误差值；S6.利用第一频域信号和第二频域信号依次对待估计参数初始的估计值和初始的误差值进行更新，直至更新过程收敛，得到待估计参数的联合估计值；S7.将待估计参数的联合估计值设为未知移动目标节点的同步定位结果。2.根据权利要求1所述的应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，其特征在于，锚节点数量为M个，发射器的天线数量为N
BS
根，每一根天线均按朝向排列，接收器的天线数量为N
MS
根，每一根天线均按排列，接收器的天线间距和发射器的天线间距均为d
a
。3.根据权利要求2所述的应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，其特征在于，在步骤S3中，设第一频域信号为x[m,n]，第一频域信号x[m,n]的具体表达式为：其中，M
t
表示采样数，m表示第m个发射器发送的信号，m＝1,
…
,M，n表示第n个子载波，n＝1,
…
,N；锚节点位置的具体表达式为：其中，q
m
表示第m个锚节点位置；锚节点本地时钟参数包括第m个发射器时钟的偏态α
BS
和第m个发射器时钟的偏置θ
BS
，第m个发射器时钟的本地时间t
BS
的计算表达式为：t
BS
＝α
BS
t+θ
BS
其中，t为标准时间。4.根据权利要求3所述的应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，其特征在于，在将传输至未知移动目标节点的第一频域信号转化为第二频域信号的过程中，利用均匀随机生成的方式设未知移动目标节点的接收器的位置为机生成的方式设未知移动目标节点的接收器的位置为接收器的天线方向为b
MS
、未知移动目标节点的接收器时钟的偏态为α
MS
、未知移动目标节点的接收器时钟的的偏置θ
MS
及发射器与接收器间的传输信道增益为h，未知移动目标节点的接收器的本地时
间t
MS
的计算表达式为：t
MS
＝α
MS
t+θ
MS
其中，α
MS
和θ
MS
组成未知移动目标节点的本地时钟参数；第m个锚节点的发射器于具体本地时间R
m
发送信息，未知移动目标节点的接收器于具体本地时间T
m
接收到该信息，信息的传输速度为c，设第二频域信号为y[m，n]，第二频域信号y[m，n]的具体表达式为：在发射器发送信号至接收器时，考虑信号的观测误差ε[m，n]为：其中，ε
l
[m，n]独立同分布于0均值方差为N0的高斯分布，l＝1，...，N
M
。5.根据权利要求4所述的应对多普勒效应的移动通信网络时钟同步方法，其特征在于，在步骤S4中，所述信号传输模型y的具体表达式为：y＝G(ζ)h+ε其中其中其中其中其中其中，v表示未知移动目标节点的运动速度，u表示未知移动目标节点的运动方向，表示y[m，n]按n大小排列顺序串成的向量，表示ε[m，n]按n大小排列顺序串成的向量，表示g[m，n]按n大小排列顺序串成的向量，g[m，n]的计算表达式为：g[m，n]＝H[m，n]F[m，n]x[m，n]其中，表示波束形成矩阵，H[m，n]满足以下关系：表示波束形成矩阵，H[m，n]满足以下关系：表示a
R
[m，n]的共轭转置，a
R
[m，n]的具体表达式为：a
T
[m，n]的具体表达式为：其中，a
R
[i，m，n]表示发射角增益，i表示接收器第i个天线接收到的信号，i＝1，...，N
M
，a
T
[k，m，n]表示到达角增益，k表示发射器第k根天线发射的信号，k＝1，...，N
B
，a
S
[m，n]表示传输距离造成的损耗，a
D
[m，n]表示多普勒频移造成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：危俊达，周炳朋，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：