基于UWB的无线室分系统时钟同步关键技术研究与实现

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无线室内分布式网络在室内位置服务、智慧城市等领域得到了广泛应用。无线时钟同步技术是无线网络完成目标定位、数据聚合等任务的支撑性技术。随着网络部署区域更加广阔与任务更加复杂,对无线网络时钟同步性能要求越来越高。目前主流无线时钟同步技术难以在同步精度、拓展性等方面满足日益严苛的需求。针对这个问题,本文提出了基于超宽带通信技术UWB(Ultra-wide Band)的距离感知无线时钟同步算法DAS(Distance Aware Synchronization)。本文主要研究内容和成果有:1.UWB技术是一种采用纳秒级短脉冲调制信息的通信技术,具有功耗低、传输速率快以及时间分辨率高等特点,适合性能要求较高的无线网络。本文基于UWB提出了可以精确感知网络节点之间距离的无线时钟同步算法DAS,DAS算法采用闭环反馈的方式在同步精度与拓展能力两方面取得了较好的平衡。最后本文在算法收敛速度方面进行了算法参数整定,仿真结果表明与近年间的时钟同步算法相比,DAS算法同时具有较好的同步精度和拓展能力。2.在复杂环境中,无线网络节点在通信过程中会出现丢包现象,对无线时钟同步带来不利的影响。本文引入马尔科夫跳变线性系统模型对DAS算法在丢包情况下进行建模,分析了 DAS算法的同步精度与稳定性,计算了 DAS算法最大可承受丢包率。为降低丢包的影响,采用卡尔曼滤波器对丢包进行补偿,提升了 DAS算法在丢包情况下的同步精度与可靠性。3.设计并开发了基于UWB的DAS无线时钟同步算法验证平台,平台采用UWB+ARM架构。本文在单跳以及多跳网络中进行了多组无线时钟同步实验,实验数据表明基于UWB的DAS无线时钟同步算法能够精确补偿距离引起的偏差。在单跳网络中实现了亚纳秒级时钟同步,显著降低了多跳网络中全局同步误差,成功实现了上述性能,能够满足不同的应用需求。
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