无线传感器网络中脉冲同步技术研究

脉冲技术由于频谱共享能力和较大的通信容量潜力，成为无线传感器网络(WSN)短距离低速通信的优选物理层方案，但由于对低功耗、低复杂度和高精度同步检测的要求，同步技术成为脉冲通信的关键和难点。本研究旨在通过两种有别于传统脉冲同步的方法来解决传感器网络节点对功耗和精度的苛刻要求。第一种同步方案利用了极窄脉冲发射速率高的特点，实现一种WSN基节点主动同步的方式，这种主动同步方式最大的优点在于接收机端不再需要复杂的时钟调整电路，传感器节点在接收态只消耗极低的功率，且仍可获得精确的同步性能；第二种脉冲同步是基于模拟锁相环技术，这种方法的优势在于不需要高速的 AD 转换、精确延迟单元和复杂的信号处理算法就可获得接近最优的性能。这两种脉冲同步技术具备可行性和较强的应用前景，且同步性能的分析模型，捕获算法的优化，抗多径展宽和干扰，以及跟踪实现等方面尚缺乏成熟的理论和方法，为深入研究提供了较大理论和实践空间。

脉冲通信是近年来无线传感网络（WSN）物理层新技术研究领域之一，在极低功耗通信、精确测距和定位、分布式时钟同步和探测感知等方面具有很大的应用潜力。但脉冲信号也存在多径干扰，且要求高稳定和精确的同步采样。本课题主要研究脉冲通信中同步技术相关的问题，内容包括脉冲接收机精确同步、WSN中的极低功耗主动脉冲同步技术、低复杂度和高精度脉冲测距技术、WSN时钟同步中的脉冲耦合技术等方向，取得了预期的成果。. (1)课题针对接收机脉冲信号同步问题，采用非线性鉴相锁相环技术，克服了多径干扰、基频分量弱等问题，获得同时具备同步跟踪能力的高稳定度和精度的同步时钟，且方案复杂度低、易于集成，性能远高于当前常用的数字化和信号处理进行同步估计算法。该研究不仅在理论上，而且完成了电路实验和系统实验，成果发表在国际期刊ETRI Journal上，被SCI检索。(2)主动同步技术是针对大批量极低功耗节点通信设计的一种低复杂度物理层通信同步方案，使标签接收机无需同步电路，由锚节点主动完成同步功能。课题完成了其同步收敛特性分析，以及快速捕获和低功耗反馈算法，提出了单步、两步同步和斜升相关等多种处理算法，其中斜升相关算法同时具备了同步跟踪的能力。成果发表在Eurasip Journal on Wireless Communications and Networking杂志上，被SCI检索。(3)课题提出了一种本地负斜率锯齿波与多径脉冲相关首达信号（TOA）估计方法，目的是解决多径传播、高采样率和门限判决带来的高成本和高算法复杂度问题。研究分析了算法在非视距（NLOS）环境下的无偏性，利用脉冲多径传播特性，尤其在NLOS环境下获得了优异的性能。算法理论和实验成果发表在通信学报上。(4)课题提出了一种非对称延迟脉冲锁相环结构，用以对多径脉冲信号TOA估计，通过对非对称环路增益的控制，使锁定相位靠近首达脉冲。(5)脉冲耦合同步是实现WSN节点时钟高精度同步的物理层技术，课题提出了一种新型分布式脉冲耦合锁相环结构，实现了节点间载波和相位的全同步，采用信号处理和图论证明了其在强连接拓扑环境下的收敛能力，成果被EI检索。. 除此之外，课题对部分通信前沿领域也开展了探索性的研究，包括基于定位信息、博弈理论的传感网 MAC层算法；采用基扩展模型（BEM）的信道估计；以及Chirp时频脉冲通信等方面，取得了很好的成果。