MIMO超宽带精准实时PDOA跟随及协同算法研究

This research studies the Phase Difference of Arrival (PDOA) and PDOA cooperative following protocols for IEEE 802.15.4-2011 based Ultra Wideband (UWB) real time location system. Combined with angle estimation in Multiple Input Multiple Output (MIMO) and analysis of UWB base band, starting from the structure of spatial sparsity, the research respectively analyses the performance of angle estimation algorithm under the condition of array error and off-grid difference. Based on proposed algorithms for UWB MIMO PDOA, the received signal angle is estimated with high resolution, forming a point-to-point coordinated angle following, which will be also extended to a cooperative following protocol to achieve the collaborative function of high precision and low complexity. Detailed research steps including: ①Propose a method for estimating the angle of MIMO antenna based on the frame of signal sparsity, configure MIMO antennas on Tic-Toc pattern like transmitter and receiver respectively, then combine MIMO and PDOA algorithm; ②Propose UWB MIMO PDOA algorithm based on sparse angle estimation; ③Extend coordinated following protocol to a point-to-multi point, propose an ad-hoc cluster head selection method for coordinated motion, which can be extended into UWB MIMO PDOA coordinated following algorithm, to obtain point-to-multi point MIMO PDOA coordinated following protocol.

课题基于IEEE 802.15.4-2011标准，对超宽带的PDOA跟随和协同跟随协议展开研究，课题从超宽带信号的空域稀疏性结构角度出发，结合MIMO角度估计与UWB基带分析，在阵列误差及离格差分的条件下分别分析了角度估计算法的性能，在所提出的UWB MIMO PDOA算法的基础上，对接收信号进行高分辨率角度估计，形成点对点的角度协同随动，再扩展至一点对多点的协同随动协议，以实现高精度、低复杂度的协同功能。包括：①基于稀疏信号框架的MIMO天线的角度估计方法，分别在Tic-Toc发射机和接收机上配置MIMO天线，尝试联合MIMO与PDOA算法；②提出基于稀疏角度估计的UWB MIMO PDOA算法；③将随动协议扩展到一点对多点的协同协议，提出协同运动的Ad-hoc簇头选取方法，扩展至UWB MIMO PDOA协同跟随算法，获得一点对多点MIMO PDOA协同跟随协议。

课题以IEEE 802.15.4-2011标准为基础，对超宽带的PDOA 跟随和协同跟随协议展开研究，目标是结合MIMO角度估计与UWB基带分析，提出了基于角度估计的UWB MIMO PDOA算法及协同跟随算法，优化和提升算法框架的性能。课题从超宽带信号的空域稀疏性结构角度出发，在阵列误差以及离格差分的条件下分别分析了角度估计算法的性能，在所提出算法的基础上对接收信号进行了高分辨率角度估计，形成点对点的角度协同随动，再扩展至一点对多点的协同随动协议，以实现高精度以及低复杂度的协同功能。包括：①基于稀疏信号框架的MIMO天线的角度估计方法，分别在Tic-Toc发射机和接收机上配置MIMO天线，尝试联合MIMO与PDOA算法；②基于①的研究基础上，提出基于稀疏角度估计的UWB MIMO PDOA算法；③将随动协议扩展到一点对多点的协同协议，提出协同运动的Ad-hoc簇头选取方法，扩展至UWB MIMO PDOA协同跟随算法，获得一点对多点MIMO PDOA协同跟随协议。在突破与创新的基础上，形成自主知识产权。项目研究期限历时四年，取得成果的总体情况：共发表论文27篇，其中SCI索引11篇（中科院1区1篇，2区4篇，3区5篇，4区1篇），EI索引14篇，他引次数125次+；出版学术专著1部；获得授权国家发明专利4项；获得软件著作权11项；本人及所带研究生参赛获奖5项；举办国际会议4次，参加国际会议11次，在国际会议作报告6次；获得省部级奖项2项，其中，海南省科技进步一等奖1次，二等奖1次。通过项目科学技术问题的研究，同时重视应用技术推广和产业化示范等工作，并取得了丰富的应用技术成果，形成知识产权技术成果的同时，获得了较好的社会经济效益。