CN102685882A - 一种无线网络中的区域定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线网络中的区域定位方法，属于无线通信技术领域。首先分别接收来自四个已知位置信息的无线基站的接收信号序列；利用四组接收信号序列分别统计四组序列的接收信号能量；将四组序列的接收信号能量通过对数运算转化为分贝值，并类加该分贝值后得到总的接收信号能量分贝值；分别将同x坐标基站的接收信号能量分贝值累加得到两个同x坐标的接收信号能量分贝值和，分别除以总的接收信号能量分贝值，得到两个加权系数；再将无线基站的两个y坐标位置信息分别与对应的加权系数相乘后并累加，得到接收端的y坐标位置信息；分别将同y坐标基站的接收信号能量分贝值累加得到两个同y坐标的接收信号能量分贝值和，分别除以总的接收信号能量分贝值，得到两个新的加权系数；再将无线基站的两个x坐标位置信息分别与对应的新的加权系数相乘后并累加，得到接收端的x坐标位置信息。本发明无线定位方法，降低了信道估计和能量与距离换算的计算量，提高了不同环境和不同质量天线使用环境下的性能，使接收端具有在复杂环境、移动运动中的定位性能。

Description

一种无线网络中的区域定位方法

技术领域

本发明涉及种无线网络中的区域定位方法，尤其涉及无线网络中的位置信息计算方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展，21世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Ad hoc、BlueTooth和UltraWideBand(UWB)，在办公室、家庭、工厂、公园等大众生活的方方面面得到了广泛应用，基于无线网络的定位技术的应用更加具有广阔的发展前景。

除了全球定位系统(GPS)在导航和室外环境的应用定位以外，人们对室内定位、短距离定位等应用不甚了解。然而在室内、地下等场合的定位需求却有其局限性。未来无线定位技术的趋势是室内定位与室外定位相结合，实现无缝的、精确的定位，也将成为物联网新技术的核心应用之一。

基于无线网络的物联网定位技术和方案很多，常用的定位技术包括红外线、超声波、射频信号等，但都不适合室内定位。红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，不能用于室内环境；而射频信号普遍用在室外定位系统中，应用于室内定位存在局限。

近几年来，随着IEEE 802.15.4商业标准的逐渐完善，无线传感器网络(WSN)的相关技术开始被广泛讨论和研究。随着，TI公司提出符合IEEE 802.15.4标准的CC24XX/25XX的芯片，以及WSN用于无线定位技术被广泛研究，该器件能满足低功耗ZigBee/IEEE802.15.4无线传感器网络的应用需要。

目前最常用的定位技术主要有：基于接收信号强度指示RSSI(Received SignalStrength Indicator)技术、时差定位技术、信号到达角度测量(AOA)技术、到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)等。基于接收信号强度指示RSSI(Received SignalStrengthIndicator)技术，相比于集中型定位系统，RSSI功能降低网络流量与通信延迟，在典型应用中可实现3～5m的定位精度和0.25m的分辨率。

这里描述了一种基于RSSI的无线定位方法的构成和定位原理，并实现了无线定位系统的设计，为室内或者封闭环境内提供快速、稳定、高容量的无线定位系统，可用于城市轨道安防定位报警系统、矿井人员和设备定位系统等。

发明内容

本发明的目的是提出一种无线网络中的区域定位方法，接收来自固定位置的四个基站的接收信号，分别统计这些信号的信号强度RSSI，根据接收RSSI强度的大小，分别判断接收端距离各个基站的远近关系，RSSI越大意味着接收端距离对应的基站越近，并且该基站的位置信息将主要决定接收端的位置信息。这种直接利用接收信号RSSI强度关系，直接根据各基站的位置信息计算出接收端位置信息的方法，具有计算量低、准确度高、实时性较强的优点。

本发明提出的无线网络中的区域定位方法，包括以下各步骤：

(1)接收无线网络中基站A1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号序列，采样间隔时间记为T_C，基站A1的位置记为[x₁，y₁]，其中x₁和y₁分别表示基站A1在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(2)无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A1＝[r_A1，1，r_A1，2，...，r_A1，N]，其中N表示一个采样周期长度内的采样信号个数；

(3)同样，接收与无线网络中基站A1布设在同一y轴坐标上的无线网络中基站A2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A2＝[r_A2，1，r_A2，2，...，r_A2，N]，基站A2的位置记为[x₂，y₁]，其中x₂和y₁分别表示基站A2在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(4)接收与无线网络中基站A1布设在同一x轴坐标上的无线网络中基站B1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B1＝[r_B1，1，r_B1，2，...，r_B1，N]，基站B1的位置记为[x₁，y₂]，其中x₁和y₂分别表示基站B1在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(5)同样的方法，接收与无线网络中基站B1布设在同一y轴坐标上的无线网络中基站B2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B2＝[r_B2，1，r_B2，2，...，r_B2，N]，基站B2的位置记为[x₂，y₂]，其中x₂和y₂分别表示基站B2在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(6)分别对上述4组接收信号序列中的所有接收信号的幅度的平方值相加，得到3个接收信号序列的序列能量平均值，分别记为

$P_{A2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{A2,i}\right|}^2}{N},$ $P_{B2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{B2,i}\right|}^2}{N};$

(7)对上述4个接收信号序列的序列能量平均值进行取对数操作，得到4个序列能量平均值的分贝值，分别记为W_A1＝10×log₁₀P_A1、W_B1＝10×log₁₀P_B1、W_A2＝10×log₁₀P_A2、W_B2＝10×log₁₀P_B2；

(8)对上述4个序列能量平均制的分贝值求和，得到无线网络中的接收端的信号能量分贝值总和，记为W＝W_A1+W_A2+W_B1+W_B2；

(9)分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_A2、W_B1和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在y轴上的2个信号能量分贝值之和，分别记为W_A＝W_A1+W_A2、W_B＝W_B1+W_B2；

(10)将上述2个信号能量分贝值之和W_A和W_B分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个加权系数，分别记为

(11)利用上述2个加权系数α_A和α_B，分别对4个基站的在水平面上y轴上的坐标位置值y₁和y₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的y轴上的坐标位置值y_r，其中y_r＝α_A·y_A+α_B·y_B；

(12)分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_B1、W_A2和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在x轴上的2个信号能量分贝值之和，分别记为W_AB1＝W_A1+W_B1、W_AB2＝W_A2+W_B2；

(13)将上述x轴上的2个信号能量分贝值之和W_AB1和W_AB2分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个加权系数，分别记为

(14)利用上述2个新的加权系数α₁和α₂，分别对4个基站的在水平面上x轴上的坐标位置值x₁和x₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的x轴上的坐标位置值x_r，其中x_r＝α₁·x_A+α₂·x_B；

(15)上述的坐标值[x_r，y_r]就是无线网络中接收端的水平位置估计值。

本发明提出的无线网络中的区域定位方法，具有以下优点：

(1)本发明方法利用以接收信号能量强弱为依据，从而确定加权系数的方法，降低了传统定位算法利用接收信号能量计算绝对距离时的计算误差对算法性能的影响，有效提高定位的准确度；

(2)本发明方法的接收能量平均方法抵消了天线方向性对接收信号能量的影响，提高了定位结果的准确性；

(3)本发明方法无须利用接收信号能量计算绝对距离后，再由绝对距离计算位置信息，而是直接对位置坐标进行加权平均得到位置估计结果，大大降低了计算复杂度和计算量；

(4)本发明方法无须对无线信道的衰落情况进行估计，减少了信道估计带来的估计误差，也减少了估计信道需要的计算量，从而有效地提高了估计精度和降低了计算复杂度。

附图说明

图1是本发明提出的区域无线定位系统结构框图。

具体实施方式

本发明提出的无线网络中的区域定位方法，其结构框图如图1所示，需要定位的移动接收端收无线网络中基站A1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号序列，采样间隔时间记为T_C，基站A1的位置记为[x₁，y₁]，其中x₁和y₁分别表示基站A1在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A1＝[r_A1，1，r_A1，2，...，r_A1，N]，其中N表示一个采样周期长度内的采样信号个数；同样，接收与无线网络中基站A1布设在同一y轴坐标上的无线网络中基站A2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A2＝[r_A2，1，r_A2，2，...，r_A2，N]，基站A2的位置记为[x₂，y₁]，其中x₂和y₁分别表示基站A2在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；接收与无线网络中基站A1布设在同一x轴坐标上的无线网络中基站B1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B1＝[r_B1，1，r_B1，2，...，r_B1，N]，基站B1的位置记为[x₁，y₂]，其中x₁和y₂分别表示基站B1在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；接收与无线网络中基站B1布设在同一y轴坐标上的无线网络中基站B2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B2＝[r_B2，1，r_B2，2，...，r_B2，N]，基站B2的位置记为[x₂，y₂]，其中x₂和y₂分别表示基站B2在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；分别对上述4组接收信号序列中的所有接收信号的幅度的平方值相加，得到3个接收信号序列的序列能量平均值，分别记为

对上述4个接收信号序列的序列能量平均值进行取对数操作，得到4个序列能量平均值的分贝值，分别记为W_A1＝10×log₁₀P_A1、W_B1＝10×log₁₀P_B1、W_A2＝10×log₁₀P_A2、W_B2＝10×log₁₀P_B2；对上述4个序列能量平均制的分贝值求和，得到无线网络中的接收端的信号能量分贝值总和，记为W＝W_A1+W_A2+W_B1+W_B2；分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_A2、W_B1和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在y轴上的2个信号能量分贝值之和，分别记为W_A＝W_A1+W_A2、W_B＝W_B1+W_B2；将上述2个信号能量分贝值之和W_A和W_B分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个加权系数，分别记为

利用上述2个加权系数α_A和α_B，分别对4个基站的在水平面上y轴上的坐标位置值y₁和y₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的y轴上的坐标位置值y_r，其中y_r＝α_A·y_A+α_B·y_B；分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_B1、W_A2和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在x轴上的2个信号能量分贝值之和，分别记为W_AB1＝W_A1+W_B1、W_AB2＝W_A2+W_B2；将上述x轴上的2个信号能量分贝值之和W_AB1和W_AB2分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个新的加权系数，分别记为

利用上述2个新的加权系数α₁和α₂，分别对4个基站的在水平面上x轴上的坐标位置值x₁和x₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的x轴上的坐标位置值x_r，其中x_r＝α₁·x_A+α₂·x_B；上述的坐标值[x_r，y_r]就是无线网络中接收端的水平位置估计值。

下面结合附图和实施例详细介绍本发明的方法。

本发明提出的无线网络中的区域定位方法如图1所示，无线定位系统首先需要在确定位置安装无线基站，为后续的定位提供参考位置信息和用于定位的无线信号。

本定位算法需要无线定位系统中布设有4个无线基站，每个基站安放的位置都是已知的，并且按照水平面上x轴和y轴来标注每个基站的位置，以本实例为说明，布设有4个无线基站，分别是基站A1、基站A2、基站B1和基站B2，因为基站A1和基站A2、基站B1和基站B2本别在同一y轴坐标上，基站A1和基站B1、基站A2和基站B2本别在同一x轴坐标上，因此基站A1、基站A2、基站B1和基站B2在水平面坐标上分别对应的位置坐标信息为[x₁，y₁]、[x₂，y₁]、[x₁，y₂]和[x₂，y₂]。

接收无线网络中基站A1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号序列，采样间隔时间记为T_C，基站A1的位置记为[x₁，y₁]，其中x₁和y₁分别表示基站A1在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

无线网络中的接收端从接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A1＝[r_A1，1，r_A1，2，...，r_A1，N]，其中N表示一个采样周期长度内的采样信号个数；同样，接收无线网络中基站A2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A2＝[r_A2，1，r_A2，2，...，r_A2，N]；接收与无线网络中基站B1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B1＝[r_B1，1，r_B1，2，...，r_B1，N]；接收无线网络中基站B2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B2＝[r_B2，1，r_B2，2，...，r_B2，N]。

分别对上述4组接收信号序列中的所有接收信号的幅度的平方值相加，得到3个接收信号序列的序列能量平均值，分别记为：

$P_{A1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{A1,i}\right|}^2}{N},$

$P_{B1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{B1,i}\right|}^2}{N},$

$P_{A2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{A2,i}\right|}^2}{N},$

和 $P_{B2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{B2,i}\right|}^2}{N}.$

对上述4个接收信号序列的序列能量平均值进行取对数操作，得到4个序列能量平均值的分贝值，分别记为：

W_A1＝10×log₁₀P_A1、

W_B1＝10×log₁₀P_B1、

W_A2＝10×log₁₀P_A2、

和W_B2＝10×log₁₀P_B2。

对上述4个序列能量平均制的分贝值求和，得到无线网络中的接收端的信号能量分贝值总和：

W＝W_A1+W_A2+W_B1+W_B2。

分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_A2、W_B1和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在y轴上的2个信号能量分贝值之和，分别记为：

W_A＝W_A1+W_A2、

W_B＝W_B1+W_B2。

将上述2个信号能量分贝值之和W_A和W_B分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个加权系数，分别记为：

${\mathrm{\α}}_A=\frac{W_A}{W}$ 和 ${\mathrm{\α}}_B=\frac{W_B}{W}.$

利用上述2个加权系数α_A和α_B，分别对4个基站的在水平面上y轴上的坐标位置值y₁和y₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的y轴上的坐标位置值y_r，即为：

y_r＝α_A·y_A+α_B·y_B。

再分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_B1、W_A2和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在x轴上的2个信号能量分贝值之和，即：

W_AB1＝W_A1+W_B1、

W_AB2＝W_A2+W_B2。

将上述x轴上的2个信号能量分贝值之和W_AB1和W_AB2分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个加权系数，即：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{W_{\mathrm{AB}1}}{W},$ ${\mathrm{\α}}_2=\frac{W_{\mathrm{AB}2}}{W}.$

利用上述2个新的加权系数α₁和α₂，分别对4个基站的在水平面上x轴上的坐标位置值x₁和x₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的x轴上的坐标位置值x_r，即：

x_r＝α₁·x_A+α₂·x_B。

上述计算得到的接收端的x轴上的坐标位置值x_r和y轴上的坐标位置值y_r的坐标值，得到的坐标[x_r，y_r]就是无线网络中接收端的水平位置估计值。

Claims (1)

1.一种无线网络中的区域定位方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)接收无线网络中基站A1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号序列，采样间隔时间记为T_C，基站A1的位置记为[x₁，y₁]，其中x₁和y₁分别表示基站A1在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(2)无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A1＝[r_A1，1，r_A1，2，...，r_A1，N]，其中N表示一个采样周期长度内的采样信号个数；

(3)同样，接收与无线网络中基站A1布设在同一y轴坐标上的无线网络中基站A2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_A2＝[r_A2，1，r_A2，2，...，r_A2，N]，基站A2的位置记为[x₂，y₁]，其中x₂和y₁分别表示基站A2在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(4)接收与无线网络中基站A1布设在同一x轴坐标上的无线网络中基站B1发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B1＝[r_B1，1，r_B1，2，...，r_B1，N]，基站B1的位置记为[x₁，y₂]，其中x₁和y₂分别表示基站B1在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(5)同样的方法，接收与无线网络中基站B1布设在同一y轴坐标上的无线网络中基站B2发送的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为采样间隔时间进行采样得到采样接收信号序列，无线网络中的接收端从上述接收信号中的起始接收时刻开始，读取一个采样周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r_B2＝[r_B2，1，r_B2，2，...，r_B2，N]，基站B2的位置记为[x₂，y₂]，其中x₂和y₂分别表示基站B2在水平面上x轴和y轴上的坐标位置值；

(6)分别对上述4组接收信号序列中的所有接收信号的幅度的平方值相加，得到3个接收信号序列的序列能量平均值，分别记为

$P_{A2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{A2,i}\right|}^2}{N},$ $P_{B2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{B2,i}\right|}^2}{N};$

(7)对上述4个接收信号序列的序列能量平均值进行取对数操作，得到4个序列能量平均值的分贝值，分别记为W_A1＝10×log₁₀P_A1、W_B1＝10×log₁₀P_B1、W_A2＝10×log₁₀P_A2、W_B2＝10×log₁₀P_B2；

(8)对上述4个序列能量平均制的分贝值求和，得到无线网络中的接收端的信号能量分贝值总和，记为W＝W_A1+W_A2+W_B1+W_B2；

(9)分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_A2、W_B1和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在y轴上的2个信号能量分贝值之和，分别记为W_A＝W_A1+W_A2、W_B＝W_B1+W_B2；

(10)将上述2个信号能量分贝值之和W_A和W_B分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个加权系数，分别记为

(11)利用上述2个加权系数α_A和α_B，分别对4个基站的在水平面上y轴上的坐标位置值y₁和y₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的y轴上的坐标位置值y_r，其中y_r＝α_A·y_A+α_B·y_B；

(12)分别对上述4个序列能量平均值的分贝值W_A1和W_B1、W_A2和W_B2两两求和，得到无线网络中的接收端在x轴上的2个信号能量分贝值之和，分别记为W_AB1＝W_A1+W_B1、W_AB2＝W_A2+W_B2；

(13)将上述x轴上的2个信号能量分贝值之和W_AB1和W_AB2分别除以信号能量分贝值总和W，得到2个加权系数，分别记为

(14)利用上述2个新的加权系数α₁和α₂，分别对4个基站的在水平面上x轴上的坐标位置值x₁和x₂进行加权平均，得到无线网络中的接收端的x轴上的坐标位置值x_r，其中x_r＝α₁·x_A+α₂·x_B；

(15)上述的坐标值[x_r，y_r]就是无线网络中接收端的水平位置估计值。

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