使用差分直接序列扩频进行传感器网络节点间测距与同步

论文总字数：31298字

摘 要

水声信道是一个具有时变，空变，频变等属性的复杂信道，因此导致许多无线信道中的通信方法在水声信道中失效。而扩频通信由于抗干扰，精度高等优点，在水声信道中有不错的表现。因此本文选用扩频系统来进行传感器节点间的测距和同步。

本文首先介绍了水声信道的特点和复杂性，以及声波在水声信道中传播的损失，阴影特性，多途衰落等特性。同时介绍了能够描述这些特性的建模方法，并用BELLHOP实现了N径信道模型。接下简述了测距的基本思路，比较了单向通信测距和双向通信测距的优缺点。针对单向通信测距无法消除相对z时间差这一缺陷，引入并介绍了双向通信测距的原理和方法。

为了实现扩频测距系统，本文先对直接序列扩频技术的原理，框图和流程进行了分析，然后针对直接序列扩频需要接收端对载波进行捕捉，跟踪从而达到严格同步这一特点进行了改进。差分直接序列扩频使得接收端可以跳过捕捉跟踪载波这一水声通信中的难点，简化了接收端的复杂度。此外，本文还介绍了扩频中需要用到的伪随机序列，特别是M序列的生成原理和过程，并简述了它的一些特性，尤其是它具有优良的自相关性，也有不错的互相关性。

本文还实现了对上述测距系统的建模和仿真，并通过解超定方程进一步估算出节点的实际位置。通过测试多种不同空间分布的节点阵列，得出该测距系统具有良好的精确度和稳定性。

关键词

水声信道建模，差分直接序列扩频，M序列

USING DIFFERENTIAL DIRECT SEQUENCE SPREAD SPECTRUM TO RANGE AND SYNCHRONIZE SENSOR NETWORK NODES

Abstract

Underwater acoustic channel is a time-varying, frequency-varying and space-varying complex channel , which result in many radio channel communication method fails in underwater acoustic channels. Meanwhile, the spread spectrum communication System have a good performance in underwater acoustic channels due to it’s anti-interference ability and high precision.So this paper choose spread spectrum communication to range and synchron ize sensor nodes.

This paper describes the underwater acoustic channel’s characteristics and complexity , as well as transmission loss, shadow features ,multi-path fading and other characteristics. Also it introduce the modeling approach which can describe these features and realized N-path channel model with BELLHOP. Then outlines the basic ideas about ranging and compare the advantages and disadvantages between one-way communication and two-way communication distance ranging. It can not be eliminated for one-way. Because of one-way communication can not eliminate the relative time difference,so this paper introduce two-way communication distance ranging and describe it’s usage.

In order to achieve the spread spectrum ranging system, first this paper analyse the direct sequence spread spectrum (DSSS) technique’s principles , block diagrams and flow , and the need of the receiving end that have to capture, track the carrier to achieve tight synchronization make me to improve it . Differential direct sequence spread spectrum can skip the capture and track which are difficulty problems in acoustic communication, simplifying the complexity of the receiver. Additionally, this article describes the pseudo-random sequence which spread spectrum system need to use, and introduce the principles and procedures to generate M sequences, and outlined some of its features, especially its excellent autocorrelation and cross correlation properties.

This article also realize the modeling and simulation of above described ranging systems, additionaly estimate the actual position of the nodes by solving overdetermined. By testing multiple nodes array of different spatial distributions, it can be obtained that the ranging system has good accuracy and stability.

Keywords

Underwater acoustic modeling, M sequence ,Differential direct sequence spread spect

目 录

摘要 I

关键词 I

Abstract III

Keywords III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 本文研究内容 1

第二章 信道模型简介 3

2.1 水声信道的特点 3

2.2 信道模型的种类 5

第三章 测距和同步原理 11

3.1 单向通信测距 11

3.2 双向通信测距 11

第四章 直接序列扩频技术 15

4.1 直接序列扩频技术的基本原理 15

4.2 DS/DBPSK调制 17

4.3 M序列的生成 20

第五章 测距系统的仿真 27

5.1 发射端的仿真 27

5.2 接收端的仿真 29

第六章 节点间位置和相对时间差的计算 43

6.1 节点间位置的计算 43

6.2 节点间相对时间差的估算 44

第七章 其他阵型节点 49

7.1双列阵型 49

7.2丁字阵型 50

7.3十字阵型 51

第八章 总结 53

8.1本文总结 53

8.2展望 53

致谢 55

参考文献 57

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

水下传感器网络是构成水下环境立体监测系统的重要部分，它包含了大量的传感器节点，各节点分布在事先指定好的海域，与其他节点一起协同执行连续的监测任务。而在这些传感器节点之间的通信中，节点间的测距又是非常重要的一部分。

只有获得了节点间的距离，才能够计算出节点的位置，进而观察节点是否在正常位置，或者观察节点的偏移距离，从而进行进一步行动。此外，由于各节点的时间系统往往会存在一定的时间差，因此对其相对时间差的估计也非常重要。只有得到了相对时间差之后才能实现节点之间的时间系统同步，从而进行有效通信。

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