CN102340868A - 基于无线网络信道状态信息的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，基于正交频分复用技术，收集精细的物理层的各个子载波信道信息并进行预处理。其次，将处理后的信道信息作为参考位置点的指纹标识信息，从而帮助搭建包括各个参考位置点的指纹信息的无线电波地图。最后，我们获取目标节点的子载波信道信息并与无线电波地图中贮藏的信道信息进行比较，最匹配的信道信息对应的位置即为目标节点所在位置。利用精准的无线网络物理层的信道信息作为位置指纹，在典型的室内环境收集位置指纹信息搭建无线电波地图，根据目标节点的信道信息进行高精度、低成本的定位。

Description

基于无线网络信道状态信息的室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种利用物理层精准的信道信息来实现高精度低成本室内定位的方法。该方法利用典型室内环境多径效应, 以信道信息唯一表示一个位置并搭建无线电波地图，从而实现室内定位。本发明属于无线通信领域。

背景技术

随着通信技术和无线网络技术的蓬勃发展，无线局域网络(WLAN)已被广泛部署于公司和家庭。基于无线局域网络，可发展无线室内定位技术, 向用户提供基于定位信息的各种服务，使无线局域网络成为新型信息获取平台。基于无线局域网络的定位技术作为一项室内定位技术，其高密度低成本的特性尤其具备竞争力。基于无线网络基础架构，无需特殊硬件的“位置指纹”（Fingerprinting）无线室内定位技术已经越来越受关注。“位置指纹”技术包括两个关键步骤：首先，根据位置独立的信息搭建无线电波地图；然后，获取目标点的信息与无线电波地图上参考点进行匹配，选取最优点。

目前大多数无线局域网采用IEEE 802.11 a/g/n标准为人们提供无线通讯服务。这些标准基于物理层的正交频分复用技术（OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，其主要思想是：在发送方将一个频道正交分解为更精细的若干个正交子频道，也称为子载波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在各个子载波上进行传输。这使得我们能在接收方同时获取若干个子载波的信道状态信息（CSI, Channel State Information）。

CSI是表示通信链路信道特性的信道状态信息。确切地说，CSI描述和反映了射频信号从发射源到接收端的传播状态，如散射、反射和衰减等。子载波上的信道状态信息能反映出各个不同频率上信号强度的大小。不同于传统的从一个包获取各频率信号强度的平均值，利用CSI能得到更为精细的信号强度指示。

经检索发现，以往基于接收信号强度指示器（RSSI）的无线网络定位技术如下：申请号为200910243840.X 申请日为2009-12-23的国内发明专利申请公开了一种基于指纹定位技术的定位方法及装置,解决现有定位方案的定位速度较慢的问题。该方法是基于无线信号强度进行的定位，从而很容易受到多径效应等环境因素的影响，导致定位精度低。本发明采用更细粒度的信道状态信息从而得到更精确的室内定位精度。

申请号为201010595841.3申请日为2010-12-10的国内发明专利申请公开了一种射频指纹定位方法、系统、无线控制器及定位服务器,方法包括:定位服务器通过AC向AP下发第一定位指示消息,以供AP采集指定设备的RSSI,第一定位指示消息包括指定设备的标识;无线控制器接收AP返回的指定设备的RSSI,并根据预设维数阈值和预设RSSI阈值,对指定设备对应的RSSI进行过滤处理,生成至少包括预设维数阈值个RSSI的指纹特征向量,并将指纹特征向量发送给定位服务器;定位服务器根据指纹特征向量和预先存储的至少包括预设维数阈值个RSSI和位置坐标的基准指纹特征向量,定位指定设备。该发明同样利用粗粒度的信道接收强度进行指纹定位，在实际环境中，很容易受到多径效应的影响，并随着时间变化而变化。本发明利用来自物理层的信道状态信息，并从多个子载波上提取特征向量，从而达到精确室内定位的效果。

然而，如上所述现行大多数无线室内位置指纹定位是依据接收端射频信号强度的测量值（RSSI），作为通用的无线电接收机技术指标。RSSI是一个对接收端射频信号强度的测量值，指示接收端天线的功率大小。RSSI值越大代表信号越强，反之则信号越弱。然而，我们发现简单利用RSSI去计算信号强度并不可靠，其原因包括两方面：首先，RSSI在同一位置随时间变化波动很大；其次，RSSI是一个粗粒度的接收信号强度指示值。由于RSSI缺乏能够利用多径效应的频率信息，对于不同的位置RSSI可能相同。这就造成基于RSSI的无线室内位置指纹定位存在一定缺陷。

在传统的基于无线电波地图的无线局域网室内定位中，目标节点的位置指纹都是基于接收信号强度指示器（RSSI）进行计算。然而，RSSI是基于一个包的粗粒度信号强度指示，并极易受到室内多径的影响而随时间波动很大导致不能得到准确的信号强度。

本发明旨在通过获取并处理各子载波的信道状态信息（CSI）来提供唯一的位置指纹，以优化无线局域网的室内定位问题，提高定位精度。本发明提出了一种全新的利用更精准的信道信息作为位置指纹并搭建无线电波地图进行室内定位的研究方法，能够有效利用室内环境多径的影响，提高定位的精度并降低成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在室内环境多径效应普遍存在的情况下，利用无线局域网的链路信道提取精确的信道状态信息唯一标识位置指纹，并收集参考点的位置指纹搭建无线电波地图，设计相似度算法，获取与目标点最大匹配的位置指纹，提高定位精度。

为实现上述目的所采用的技术方案是，首先接收方配备一块无线网卡，能同时获取多个子载波的信道状态信息，并对其幅值进行平方加和处理。然后根据处理后的信道状态信息作为参考点的位置指纹，我们贮存于无线电波地图，最终设计训练算法和相似度算法，找出与目标点信道状态信息最匹配的参考位置进行定位。

首先，我们从无线网络物理层详细分析造成接收信号强度指示（RSSI）不准的原因，包括在复杂室内环境下信号的反射衰减和多径效应，从而进一步寻求更精准的信道信息以重新评测信号强度。

然后，我们基于物理层的更精细的信道状态信息计算信号强度，作为全新的位置指纹标识。

在OFDM系统数据包的传输过程中，信号经过解调会直接输出到解码器中进行下一步处理。我们通过修改系统内核，利用低成本的商用无线网卡获取解调后的各个子载波的信道状态信息，从而计算对应的信号强度。针对载波信号状态信息的频率多样性，我们在OFDM的反快速傅立叶变换（IFFT）处理中设计相应滤波方法以得到更有效的子载波信道状态信息（Effective CSI）。具体过程为：1）通过将频域上若干个子载波的信道状态信息（信道响应）进行反傅立叶变换，从而得到时域上的信道响应；2）由于不同子载波对应的信道状态信息的幅值和频率均不一样，我们能因此获取更精细的信道状态信息，并利用其作为位置指纹唯一标识参考点位置。

接着我们进一步提取各个子载波的幅值信息进行处理，得到各个子载波的功率，从而将处理后的信道状态信息作为参考点的位置指纹，对不同环境下的分别搭建无线电波地图。由于环境系数在特定环境下保持一致，我们针对不同室内环境只需要进行一次无线电波地图的搭建，其前提是环境没有太大变化。并利用对于同一参考点进行多次反复的多次验证，以保证位置指纹的正确性。我们拟定无线电波地图的搭建过程离线完成，预期时间会限制在一个可接受的时间片。因此，我们需要针对不同环境分别搭建实验无线电波地图，对于不同参考点的信道状态信息进行测量和处理，并对无线电波地图进行实时修正。

最后，我们基于有效的无线电波地图和匹配位置指纹的最大相似度算法设计无线局域网室内定位系统。该定位系统由两部分组成：根据信道状态信息搭建多个参考点的无线电波地图的训练阶段和将目标点信道状态信息与无线电波地图进行最大匹配以进行定位的定位阶段。在训练阶段，无线接入点将其位置坐标从网络层通过传输信号的方式发送给目标节点。无线接入点的广泛存在性让我们能方便快捷的得到多个无线网络接入点的位置信息。我们利用无线网卡从物理层获取子载波的信道状态信息值，根据其幅值进行处理以得到参考点的位置指纹信息，并贮存于无线电波地图；在定位阶段，我们设计相似度算法，寻找与目标节点位置指纹最匹配的参考点位置进行定位。

本发明利用更精准的信道状态信息进行室内定位达到的有益效果如下：

通过修改网卡驱动，获取比信号强度指示更精确的基带的各个子载波的信道状态信息，无需增加任何额外硬件设备，降低定位成本；

在室内普遍存在的多径效应下，利用信道状态信息的频率多样性，作为位置指纹唯一标识位置点，利用设计简单有效的训练方法，建立信道状态信息作为位置指纹的无线电波地图，设计相似度算法，寻找对应目标点的最匹配的信道状态信息的参考位置点，从而提高定位精度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。

图1为本发明实例定位系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，该基于物理层精细信道状态信息的室内指纹定位系统,由两个阶段组成：第一个阶段离线搭建无线射频信号地图和第二个阶段根据相似度算法，定位目标节点。

系统具体实现如下：第一阶段，我们利用无线接入点作为发送端，传输无线射频信号给配备iwl5300网卡的接收端。我们通过在Linux平台修改网卡驱动，在接收端获取并测量无线射频信道状态信息，同时利用其频率特性进行处理，作为多个参考点的位置指纹，贮存并建立无线射频地图。这一过程通过离线测量训练完成。

第二阶段，我们开始收集目标点的信道状态信息，并设计计算最大相关性的相似度算法，寻找与目标点信道状态信息最匹配的参考点，最终完成目标点的定位任务。

由于此系统构建于广泛应用的无线网基础设施，系统不会引入额外的硬件开销，提供了低成本的优良特性。

Claims (9)

1.一种基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：基于无线局域网物理层的正交频分复用平台，利用无线局域网的链路信道，通过在反快速傅立叶变换（IFFT）处理中设计相应滤波方法得到有效的子载波信道状态信息，从而提取精确的信道状态，利用其频率多样性和多径效应的影响作为位置指纹唯一标识位置，并收集参考点的位置指纹搭建无线电波地图，设计训练算法和相似度算法，获取与目标点最大匹配的位置指纹，提高定位精度。

2.根据权利要求1所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：基于正交频分复用平台，利用室内环境多径效应，在接收方同时获取可作唯一标识的，若干个子载波的信道状态信息。

3.根据权利要求2所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：同时获取多个子载波的信道状态信息，并对其幅值进行平方加和处理，以获取接收功率，然后根据处理后的信道状态信息作为参考点的位置指纹。

4.根据权利要求1所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：在OFDM系统数据包的传输过程中，信号经过解调会直接输出到解码器中，获取解调后的各个子载波的信道状态信息，从而计算对应的信号强度。

5.根据权利要求1所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：通过将频域上若干个子载波的信道状态信息进行反傅立叶变换，从而得到时域上的信道响应；由于不同子载波对应的信道状态信息的幅值和频率均不一样，因此可获取精细的信道状态信息，并利用其作为位置指纹唯一标识参考点位置。

6.根据权利要求1所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：提取各个子载波的幅值信息进行处理，得到各个子载波的功率，从而将处理后的信道状态信息作为参考点的位置指纹，对不同环境下的分别搭建无线电波地图。

7.根据权利要求6所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：无线电波地图的搭建过程离线完成。

8.根据权利要求1所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：通过设计训练算法，将无线接入点位置坐标从网络层通过传输信号的方式发送给目标节点，根据其幅值进行处理以得到参考点的位置指纹信息，并贮存于无线电波地图，从而搭建不同环境下的具有多个参考点的无线电波地图。

9.根据权利要求1所述的基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，其特征是：通过设计相似度算法，获取与目标点信道状态信息最匹配的参考点位置信息，以对目标点进行定位。

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