水下传感器网络的目标辐射源定位方案与使用多重线性啁啾信号

文摘

由于多径、多普勒和其他影响,节点位置信号有很高的概率获得碰撞的水声传感器网络(UW-ASNs),因此,它会导致信号丢失,访问块;因此,它限制了网络的性能。在本文中,我们以多重线性啁啾(多层陶瓷)信号为位置信号来改善防撞能力。为了提高多层陶瓷的探测效率,我们提出一种快速有效的检测方法称为混合改变rate-fractional傅里叶变换(MCR-FrFT)。该方法将多层陶瓷的结合率转换成对称三角形率,然后把多用户信号的基础上,通过使用FrFT改变利率。理论推导和仿真结果表明,该方法可以检测位置信号,估计到达时差(辐射源脉冲),减少多址干扰,提高定位的性能。

1。介绍

在过去的几年中,我们可以观察一个越来越感兴趣水声传感器网络(UW-ASNs)。一个重要的原因是UW-ASNs提高海洋勘探能力,满足多种水下应用的需要,包括海洋数据采集,为自然灾害预警系统,生态应用,军事水下监测,辅助导航和工业应用。然而,传感器的位置需要确定,因为感觉到数据只能解释有意义时引用的位置传感器。由于电磁波的吸收,著名的全球定位系统(GPS)接收器,这可能是用于地面系统准确地估计传感器节点的地理位置,水下(不能正常工作1]。因此,定位为UW-ASNs以来的主要研究课题之一UW-ASNs开始画的注意网络社区在2000年代早期2]。

传感器self-localization是基本和关键UW-ASNs自组织的要求。它可以通过利用低音速在水里准确地确定节间距离(3]。定位水下设备也被传统的海洋系统的重要组成部分,它已经建立了两种技术:短基线(SBL) [4]或长基线(LBL) [5]。到达时差(辐射源脉冲)方法通常用于LBL系统。TDoA-based本地化,移民的测量时间的不同信号,收到一条参考节点,是翻译的不同区间估计与参考节点和产生双曲线的未知节点的位置(目标节点)。一个独特的目标节点的位置估计可以通过三个这样的双曲线相交。然而,这种技术要求参考节点传输并发附近的时候,因为水流(目标节点的运动)。

传统LBL组成的系统是专为小型部署几个参考节点(这里称为灯塔),其声传输可以收到所有潜水器内部的部署。LBL部署提供了足够的定位精度。这是因为来自少数信标信号可以将发生在一个短的时间窗口。因为所有目标节点通信范围内的信标,这些信号同时到达附近并发乘以每个目标节点。因此,目标辐射源是合适的。然而,随着空间范围和系统规模的扩大,位置信号数量的增加。因此,为了避免位置信号的碰撞也迫切,在短的时间窗口。

2。相关的工作

Acoustic-based定位进行了研究,因为它在水下传感器网络定位中的应用。在[6],TDoA-based沉默为UW-ASNs称为UPS的定位算法。在[7],稀疏的三维水下传感器网络的定位问题,研究了基于目标辐射源。在[8],为多个辐射源脉冲声混响环境中的来源,提出了和辐射源的模棱两可估计引起的多径传播和多个源是解决利用两个辐射源脉冲约束:光栅条件和零循环和条件。然而,这些引用不考虑在目标位置信号的碰撞传感器。

在[9),一个不同的系统,从多个参考节点必须足够滞后时间时代提出了避免碰撞,但它需要大量的时间来定位目标传感器。在[10],作者引入了一个方法,设计定位信号基于码分多址(CDMA)和调制模式问;但中描述(11水下信道的物理层,问调制不适合水下通道因为高衰减。更重要的是,足够的位置信号传输滞后,这是一样的(9]。在[8),以避免碰撞和满足传统LBL系统信号并发性要求的同时,目标辐射源位置方案的正交频分复用(OFDM)提出了;这优于方案与传统的目标辐射源位置估计。不幸的是,OFDM系统对多普勒非常敏感,这是水下通道的主要人物之一。在[11,12时变multichirp率调制),多个访问系统被用来避免碰撞地面通信。线性调频信号是广泛应用于水声通信(13,因为它是健壮的信道噪声和抗多径衰落14和多普勒灵敏度较低13]。

一些不同的方法被用来估计线性调频信号的参数。在[12],时滞混频的方法(降息)不同啁啾率的线性调频信号转换成MFSK信号提出了,但它不是适合结合线性调频信号,因为啁啾率的变化。在[11,12),匹配滤波器接收机的检测技术(相关法)所提到的,但它是困难的,也需要调幅是不适合水下通道。分数傅里叶变换(FrFT)提供了最佳的定位性能在一定FrFT域,这是有用的多组分的检测和估计线性调频(lem)信号15)和基于FrFT也提出了一些改进算法,如EEMD-FrFT [16]和STFT [17];他们克服一些缺点如高计算成本结合线性调频信号。在这篇文章中,一个名为混合的方法改变rate-FrFT (MCR-FrFT)提出处理的缺点。

本文目标辐射源位置方案使用多重线性啁啾调制信号(称为多层陶瓷信号)提出了UW-ASNs。剩下的纸是组织如下:在部分3描述的系统模型和位置信号。节4,我们分析系统目标辐射源的水下环境的评估。节5,我们提出我们的仿真结果被动定位方案多重线性啁啾信号。部分6本文总结道。

3所示。系统模型

的系统架构方案如图1。白色的节点参考节点的位置是已知的,而黑结点是需要找到目标节点。箭头表示的通信链接。系统设计工作只有单向传输参考节点。参考节点和目标节点彼此完全同步和目标节点的通信范围内至少有四个参考节点(3 d网络)或三个参考节点(2 d网络)。由于通信范围和参考节点之间的距离都是几百米的规模、位置信号得到高可能性同时到达。因此,避免碰撞节点定位是一个关键问题。我们介绍了选择位置信号和信号的处理下面。

3.1。位置Signal-Multilinear唧唧喳喳(多层陶瓷)信号

由于多层陶瓷和水下通道的匹配,选择多层陶瓷作为位置信号和时频特征的位置signals-MLC如图所示2,在那里位置信号的持续时间。节点是用,第一个用积极的斜坡和第二节点节点与负面斜坡相结合。每个信号是由两个部分,两个不同的斜坡。的信号节点表示为

下标和显示上半年和下半年的持续时间,分别。和 当, 当,在哪里是载波频率,是节点数,,信号的振幅,在UW-ASNs节点的总数。是th节点的斜率在上半年的持续时间和信号的斜率是节点在下半年信号持续时间。一般结合唧唧喳喳的斜坡信号可以表示为

如图2,每个位置信号具有相同的带宽和持续时间;因此,系统产生相等的时间带宽积对所有节点。平等的使UW-ASNs中的节点有平等的地位,这是很重要的移动节点。

3.2。检测框图和原理

定位信号检测问题可以描述为2的决定哪一个米可能的信号传输,接收到的信号的间隔时间。参数估计的方法,提出了在报纸上被称为MCR-FrFT,其框图如图所示3(一个)。接收到的信号分为两个分支。每个分支都有自己的本地信号和分别对支行和下的分支。

3.2.1之上。混合变化率(MCR)

MCR的目的是改变唧唧喳喳的多层陶瓷信号到一套新的利率。它包括两个部分,乘法器和低通滤波器。MCR的框图如图3 (b): 在哪里的脉冲响应函数低通滤波器(LPF)。假设节点接收到的信号和,我们得到接收信号(7)用(2)- (4)(1)。水声信道噪声。MCR后,高频条款已过滤掉和接收到的信号就会(8),。

接收信号的频率和时间关系后乘数如图4。从图中,th位置信号,由两个不同的积极的斜坡,变成两个分支的新的多重线性啁啾信号。了分支唧唧喳喳的积极和消极的关系,而分支由另一个啁啾率。然而,接收到的信号只有分支被过滤后在MCR的滤波器:

3.2.2。分数傅里叶变换(FrFT)

FrFT是一个广义傅里叶变换形式,它可以被看作是傅里叶变换阶,不需要是一个整数;因此它可以改变一个函数的任何时间和频率之间的中间领域(18]。对信号FrFT具有以下形式: 内核和变换 在哪里是改变顺序,旋转的角度,。当,FrFT将退化到傅里叶变换,当,FrFT只是原始信号。

简单的线性调频脉冲信号与噪声组件具有以下形式: 在哪里和是白噪声。的FrFT是

在(12线性调频脉冲信号),是一个脉冲函数只有在适当的分数傅里叶域中。线性调频信号的振幅能量聚合将通过一个适当的表现出明显的峰值顺序FrFT,噪音,不能出现在能量聚集在任何分数傅里叶域中,均匀分布在整个时频平面上。

图4表明,啁啾率的变化从两个不同的山坡上,这两种不同的需求值来完成其参数估计,一套新的唧唧喳喳利率新两个斜坡与绝对值相同,但是使用MCR一个积极的和消极的。在这种情况下,只有一个值需要完成参数估计,也就是说,一个FrFT的一个分支,而两个FrFT方案所需的FrFT (MCR)。自FrFT成本比MCR计算模块,我们MCR-FrFT节省计算系统。在实际应用中,离散分数傅里叶变换(DFrFT)通常是使用。

4所示。目标辐射源估计

有两个步骤MCR-FrFT在接收端。在第一步中,MCR生效唧唧喳喳的位置信号转换成一组新的啁啾率。然后,FrFT估计参数。认为有两个参数:啁啾率,代表参考节点和初始频率,可以用于处理延迟的估计。

4.1。避碰

本文的优点之一是,避免碰撞。把三个参考节点的一个例子,

根据(4)和(8),有不同的啁啾率包括在MCR的结果不同组:

从(14),我们可以看到信号多层陶瓷的性能主要取决于不同的位置信号之间的cross-coherence甚至通过MCR。理想情况下,应该与零cross-coherence正交信号取消了多址干扰。

集,在那里是信号能量在整个时间和信号的互相关吗采用以下形式:

用相应的值在(13)和忽视集成在更高的频率,我们得到 取;然后(16)可以改变 在哪里是时间带宽产品和。我们可以看到有一个振荡性质的函数,,由于菲涅耳函数形式的(17)。通常情况下,较小的互相关显示一个更好的系统性能。

规范化的样本值可以表示为 在哪里之间的cross-coherenceth和th位置信号和矩阵对角线上的数字1代表位置信号本身。图5表明cross-coherence是一个振荡函数的时间带宽积或多层陶瓷的总数信号啁啾率之间的差异,当其他两个参数是设置固定的。图5(一个)表明减少振荡,增加的时候和。图5 (b)表明增加振荡,增加的时候和。图5 (c)表明减少振荡,增加的时候和。我们可以选择装配参数根据(17在实践中)。

4.2。水下通道的结果

水声信道的脉冲响应影响通道的几何形状及其反射特性,确定重要的传播路径的数量,他们的相对优势,和延迟。严格地说,有无限多的回声信号,但是那些经历了多次反射和失去了大部分的能量可以被丢弃,只留下一个有限数量的重要路径。此时,通道脉冲响应可以表示为 在哪里传播路径的总数,对应的直接路径,的振幅在接收端th传播路径,的传播延迟传播路径。

假设信号传播,然后接收到的信号可以表示为 考虑到多普勒,让;然后接收信号可以表示为

用相应的值(21),忽略了第三个分支,使用MCR 在哪里

从上面的方程,我们可以看到复合线性调频信号的频率变化由于多普勒,但啁啾率对不同节点的设置不变。因为我们根据不同的位置检测到信号啁啾率,这是唯一的决定th固定系统,多层陶瓷信号不会受到多径水声信道的性质的影响。

4.3。定位过程

目标节点接收信号并确定相应的参考节点位置与时间和位置,位置信号传播的时间和地点。在此系统中,位置在同一时间收到信号之间的区别和是一个常数;换句话说,对应的距离之间的区别和是一个常数。当然,和是常数。基于双曲线的性质,目标节点局部由三条曲线的交点,如图6。

在图6,声速在水下通道在吗。双曲线是由节点和,而和是由和分别。

对于这个系统,尺度参数和时间间隔的长度和分别在哪里是样本数量。当是最佳的订单,然后有两种不同的能量积累高峰(假定坐标和)对称得到了。 在哪里结合线性调频信号的频率有两种截然相反的斜坡吗和或。假设的时差第一位置信号和其他位置信号到达接收机后来的位置信号的中心频率是改变来短的时间窗口内的能量积累峰值位置改变来。

根据(24),我们得到

所以时差可以表示为 在哪里和理论价值,而和测量值。对于每个位置信号,是一个常数;所以,根据理论值和测量值对权力积累峰值的位置,可以从时差(26)。所以目标辐射源的距离差异的真正价值或

5。实验结果

5.1。MATLAB仿真

MATLAB仿真工具是用来评估MCR-FrFT的性能。我们设置典型UW-ASNs参数设置如下:节点的总数,;的带宽,;信号持续时间,;和采样频率,。添加高斯白噪声和信号噪声比(信噪比)设置为0分贝。水下多路径的数量是4,延迟,振幅,分别。使用离散FrFT和秩序在接收端是由为节点。

我们采取单一位置信号和多区域信号(三个位置信号)为例。为简单起见,我们只考虑上半年系统中(这是6)。FrFT结果如表所示1和2。

节点是指位置信号;节点1是第一位置信号。是部分权力。在表2是th,th,位置信号。是1还是2是3或4,而是5或6。表中的数值FrFT的最大价值按照不同的顺序在桌子的左边。从表1和2,我们可以看到,如果我们设定一个合适的检测阈值(决定条件等的所有最大的平均值订单FrFT),我们可以区分位置信号(s)的有效接收信号。

5.2。仿真与实际水下信道脉冲响应

我们得到了水下多路径通道脉冲响应,如图7在中国厦门,从婺源湾。以阈值为所有的最大的平均值订单FrFT反应,不同数量的位置信号的结果可以列在下表中3(0的值意味着这个位置节点不选择)。应该注意的是,我们采用64 kHz,因此变得不同值如表1。

表1,2,3表明,位置信号,多层陶瓷信号,在避免碰撞。

5.3。目标辐射源估计

另一方面,尽管所有的节点都是同步的,不同的位置信号的时间收到目标节点在短时间窗口是不被认为是相同的。估计短时间窗口内的目标辐射源是有用的提高定位的准确性。不同位置的辐射源信号在短时间窗口可以被我们估计MCR-FrFT。模拟结果如图8。

假设短时间窗口信号持续时间是一样的。从图8,当真正的时滞值大于,估计的结果是不可靠的,因为更大的错误。比较数据8(一个)和8 (b),更大的,更好的估计结果的时间差异。例如,当,估计范围,但当,估计范围的变化。总之,图8表明我们的多层陶瓷信号可以成功只要时间延迟估计是小于与某些持续时间T。

5.4。比较基于OFDM的定位方案

基于OFDM的目标辐射源位置方案被用于无线城市网络(的人),得到高性能19]。传感器节点的位置在水下信道环境中,多层陶瓷方案和OFDM方案进行了比较。

首先,我们比较多层陶瓷方案和OFDM方案如图9。应该注意的是,每个用户的网络占据了一个副载波OFDM;因此,这种类型的多个可以称为OFDMA的访问。结果表明,多层陶瓷计划总是优于OFDM方案相同的位置总数相同的误码率与信噪比的信号。

然后,类似于(19),累积分布函数(CDF)成功定位在信噪比= 0分贝,5 dB, 10 dB, 20 dB在本地化方面错误(与单位)如图10。研究结果表明,我们的多层陶瓷方案优于OFDM方案在低信噪比和等于OFDM在更高的信噪比。这导致的低能量需求传感器。是一个很好的特点的水下声学传感器网络(UW-ASNs),由于移动传感器通常是由电池提供动力。

6。结论

在本文中,我们提出了一个目标辐射源位置UW-ASNs方案。关键的想法是,我们把多层陶瓷作为位置信号,避免碰撞和MCR-FrFT提出了一种新的检测方法。复杂的匹配滤波器相比,FrFT检测简单而高效。由于FrFT的时频分析能力,我们可以估计辐射源,因此在UW-ASNs定位传感器节点。检测图和理论推导。实验结果表明,多层陶瓷在辐射源脉冲信号可以避免碰撞位置信号方案。MCR-FrFT也相应的检测方法可以估计不同位置之间的辐射源信号在很短的时间内窗和定位节点。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61571377和61571377)。