CN103647611B - 基于快速行进方法的空间特性估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于快速行进方法的空间特性估计方法，信号发射源发射信号，信号接收节点接收信号，信号接收节点对接收信号进行分析，提取信号发射源与信号接收节点之间的真实渡越时间；利用快速行进方法在坐标系内寻找发射源与接收节点之间的最快速行进路径，计算两者之间的模拟渡越时间，同时通过代数重建方法的迭代，将模拟渡越时间向真实渡越时间逼近，获得最快速行进路径上各坐标点的空间特性。本发明利用快速行进方法的思想，不单单是对环境内快速路径的估计与规划，而是充分利用路径估计中获取的相关TOF和速度分布信息，对路径的空间特性进行估计，获得环境模型，提高了对未知环境通信情况的估计的准确性。

Description

基于快速行进方法的空间特性估计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于快速行进方法（FastMarching Method，简称FMM）的空间特性估计方法。

背景技术

随着无线技术、移动通信器件的快速发展，人们对复杂环境中的环境信息的了解有了越来越多的需求，不只是满足于单纯的如指纹技术式的“黑匣子”环境处理方式，而是需要对环境传播信道模型进行具体的估计，环境内定位信息要求具有更加的准确性，对信道冲击响应CIR的提取具有更加的精确性等。由于复杂环境中的建筑物、玻璃墙等结构会产生严重的时延衰落，从而导致多径效应，影响信号的精确收集与分析以及其他工作的展开，所以亟需对于环境内具体物体的分布进行探测，通过对环境特性进行具体估计获得环境参数，从而能够进行后期的定位、提取等应用工作。

现有的快速行进方法FMM一般应用于路径规划、图像分割、计算机视觉等领域，该方法可以对已知图像进行路径和线路提取或纠正，以达到计算出最短行进渡越时间TOF，获取最快速行进路径和线路的目的。FMM是Eikonal方程的一种数值计算方法，具体描述的是闭合曲线在法向速度F（x）下的演化。FMM求解Eikonal方程是水平集（Level Set）的快速解法，实现了闭合曲线的演化，其核心思想为在行进边界外围构造一个激活窄带，窄带内的点到达时间未定，当前行进边界利用逆向格式将当前边界向外行进，就像水波扩散一样，凡是扩散到的点，冻结其波前到达时间，再根据当前的波前构造新的激活带，如此循环，就可得到图像上每点的到达时间。具体FMM行进过程如图1所示：

如图(a)中所示，源点S和目的点D，视源点S为行进带。首先，将与源点S毗邻的四个点作为激活窄带。然后，如图(b)所示，计算窄带中每一个点的TOF，选择在窄带内具有最小TOF增量的点加入行进带，并将该点从窄带中移除。按照该过程循环下去，直到将接目的点D加入行进带为止，结束遍历进程。最后，如图(c)所示，根据计算出的TOF和行进带范围，从目的点D逆向搜索到源点S，获得在FMM思想下计算的最快速行进路径和计算路径上各点的TOF及相关数据。

然而，单纯的路径提取无法对环境内的具体的物体分布进行探测，无法对真实环境信道的进行提取，无法对环境信道模型的空间特性进行估计，进而也不能为后续具体规划与定位工作提供具体的信息。所以，有必要将FMM应用于探测环境内的具体的物体分布，充分利用其探测所得信息来估计空间特性，以便建立真实的环境信道模型，获取环境内容。

发明内容

为了对现有复杂环境进行探测，建立环境模型，进行空间特性的估计，本发明提出了一种将快速行进方法应用于复杂环境下的建模方法。该方法利用了FMM思想，改进了现有FMM单纯对路径的估计，将其应用到环境信道模型的估计上，以有效获知具体的环境参数。

本发明一种基于快速行进方法的空间特性估计方法，包括:

102、信号发射源发射信号，信号接收节点接收信号，信号接收节点对接收信号进行分析，提取信号发射源与信号接收节点之间的真实渡越时间TOF_col；

103、利用快速行进方法在坐标系内寻找发射源与接收节点之间的最快速行进路径，计算两者之间的模拟渡越时间TOF_sim，同时通过代数重建方法的迭代，将模拟渡越时间TOF_sim向真实渡越时间TOF_col逼近，获得最快速行进路径各坐标点的空间特性,即介电常数ε与磁导率μ的乘积值。

优选地，在步骤102之前，还包括步骤101：

在一个圆形或矩形空间上，均匀设置多个信号接收节点，信号发射源设置于圆形或矩形空间的中央，圆形或矩形空间内设置在多个障碍物，以空间的几何图形中心为坐标原点建立二维坐标系。

优选地，所述103具体包括：

103-1、假设行进中坐标系内每个坐标点上的速度值v(x，y)=1，其代表电磁场的二维均匀传播速度；

103-2、选取发射点为行进路径原点，接收节点为行进路径终点，从原点出发，根据坐标系上每个点假设的速度值分布，选取行进路径上相邻格子中具有最小TOF的格子作为行进路径，依次选择，直至走至终点，即可获得一条行进路径，并获得路径上各点的速度值；；

103-3、通过Eikonal方程利用获得的速度值计算模拟渡越时间TOF_sim；

103-4、计算模拟渡越时间TOF_sim与真实渡越时间TOF_col差值ΔTOF_i，ΔTOF_i=TOF_col-TOF_sim，i表示第i个信号接收节点；

103-5、判定ΔTOF_i是否达到阈值要求即ΔTOF_i≤th1，若是，则将最终速度值输出，进入步骤103-6；若否，则利用进行代数重建方法的迭代计算，并返回103-3；其中Δd代表坐标点到点之间的距离,L是提取的从信号发射源到信号接收节点i的行进路径的长度，th1取值范围一般取为0.1－0.5ns；

103－6、根据获得坐标点（x,y）的介电常数ε与磁导率μ的乘积值，该值用于表征坐标点（x,y）的空间特性。

优选地，在步骤103之后，包括104：对信号发射源与信号接收节点之间的非最快速行进路径坐标点空间特性的估计，包括根据最快速行进路径各坐标点速度值获取非最快速行进路径上坐标点速度值，将获得速度值代入获得非行进路径上各坐标点的介电常数与磁导率的乘积值，即获得非行进路径上空间特性的估计。

优选地，在所述根据将最终速度值代入，获得空间环境上各坐标点的介电常数与磁导率的乘积值之前，包括对该坐标点速度值进行修正的操作，即首先在设置速度初始值v(x，y)=1的同时，设置K(x,y)初始值为0，当坐标点的v(x，y)每更新一次，该点的K(x,y)值就更新为1，最后，在各接收点更新结束后，对各点的K(x,y)进行叠加，通过v(x,y)=v(x,y)/K(x,y)获得更准确的速度值。

本发明利用快速行进方法的思想，不单单是对环境内快速路径的估计与规划，而是充分利用路径估计中获取的相关TOF和速度分布信息，对路径空间特性进行估计，获得环境模型。与现有技术对环境信道的"黑匣子"式的处理方法相比，本发明可对没有先验知识的室内环境进行空间特性估计，提高了未知通信环境的通信准确性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明，其中：

图1为现有技术快速行进方法的行进过程示意图；

图2为基于快速行进方法的空间特性估计方法第一优选实施例流程示意图；

图3为基于快速行进方法的空间特性估计方法优选实施例获得最快速行进路径各坐标点的空间特性流程示意图；

图4为基于快速行进方法的空间特性估计方法第二优选实施例流程示意图；

图5为基于快速行进方法的空间特性估计方法第二优选实施例模型建立结构示意图；

图6为基于快速行进方法的空间特性估计方法第三优选实施例流程示意图。

具体实施方式

为了对现有复杂环境进行探测，建立环境模型，本发明提出了一种将快速行进方法应用于复杂环境下的空间特性估计方法。该方法利用FMM思想，改进了现有FMM对路径的单纯估计，将其思想应用在环境信道模型的估计上，通过空间特性的估计来有效地获知具体的环境参数。

以下将结合附图，通过详细说明一个优选的二维平面环境估计的具体实施例，对本发明进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不能用于限制本发明的保护范围。

本发明对真实环境信道模型的估计实现过程包括：利用快速行进方法FMM计算收发节点之间的路径数据，包括路径长度，传播速度及TOF等，对比计算所得TOF和提取的TOF，通过不断逼近来获得较为真实的传播速度分布图，完成环境模型的建立，即估计出环境模型空间内所有坐标点上的空间特性εμ（介电常数ε与磁导率μ的乘积值），如图2所示，包括：

302、信号发射源发射信号，信号接收节点接收信号，信号接收节点对接收信号进行分析，提取信号发射源与信号接收节点之间的真实渡越时间TOF_col。

真实渡越时间TOF_col的准则适具体信号要求而定，目前较优的是利用小波变换和赤池信息量准则（Akaike Information Criteria，AIC）来提取，参见《Animproved automatic time-of-flight picker for medical ultrasound tomography》，Ultrasonics49(2009)61–72，不再详述。

303、利用FMM在坐标系内寻找发射源与接收节点之间的一条最快速行进路径，计算两者之间的模拟渡越时间TOF_sim，同时通过代数重建方法的迭代，将模拟渡越时间TOF_sim向真实渡越时间TOF_col逼近，获得最快速行进路径各坐标点的空间特性εμ，如图3所示，具体包括：

303-1、假设行进中坐标系内每个坐标点上的速度值v(x，y)=1，其代表电磁场的二维均匀传播速度。

303-2、选取信号发射点为行进路径原点，信号接收节点为行进路径终点。从原点出发，根据坐标系上每个点假设的速度值分布，选取行进路径上相邻格子中具有最小TOF的格子作为行进路径，依次选择，直至走至终点，即可获得一条行进路径，并获得路径上各点的速度值，各个接收节点依次进行，坐标变化过程如图1所示。

303-3、利用Eikonal方程利用获得的速度值计算模拟渡越时间TOF_sim。

303-4、计算模拟渡越时间TOF_sim与真实渡越时间TOF_col差值ΔTOF_i，ΔTOF_i=TOF_col-TOF_sim，i表示第i个信号接收节点。

303-5、判定ΔTOF_i是否达到阈值要求即ΔTOF_i≤th1，若是，则将最终速度值输出，进入步骤303-6；若否，则利用进行代数重建方法的迭代计算，并返回103-3；其中Δd代表坐标点到点之间的距离,L是提取的从信号发射源到信号接收节点i的行进路径的长度，th1取值范围一般取为0.1－0.5ns。

通过对多个接收节点传播路径的分布估计，从而达到对整个空间特性的估计。优选地，对于有多个接收点分步估计的空间环境，对于环境内各坐标点速度值的更新提供以下方式：

在对于多个接收节点依次更新完成后，需要分别叠加各条路径上更新的坐标点的速度值，以完成全部环境的更新。由于某些坐标点可能存在于多条路径上，其更新次数可能为多次，为了提高这些坐标点速度值取值的准确性，对该坐标点速度值进行修正：在设置速度初始值v(x，y)=1的同时，设置K(x,y)初始值为0，之后；坐标点的v(x，y)每更新一次，该点的K(x,y)值就更新为1（对坐标点(x,y)的更新次数K(x,y)进行记录）；最后，在各接收点更新结束后，对各点的K(x,y)进行叠加，此时K(x,y)即为各坐标点的更新次数，通过v(x,y)=v(x,y)/K(x,y)即可获得更准确的速度值。

303-6、根据将最终速度值代入，获得坐标点（x,y）的介电常数与磁导率的乘积值，该值用于表征坐标点（x,y）的空间特性。

经过以上基于快速行进方法的空间特性估计方法：通过计算信号源点与接收节点之间最快速传播路径，来获得传播路径上的速度分布以及渡越时间TOF（信号从信号发射源到信号接收节点的传播时间），从而对路径上相应坐标点的空间特性εμ（介电常数ε与磁导率的乘积μ）进行估计，即可获得最快速行进路径上所有坐标点的空间特性，从而确定模型空间内最快速行进路径上的真实环境模型。

优选地，在302之前，还包括进行环境模型的搭建的步骤301，如图4所示，环境模型的搭建有多种方式，优选地，作为一种可实施方式，本发明提供以下搭建方式：

例如图5所示，在一个圆形或矩形空间上，均匀设置多个信号接收节点，信号发射源设置于圆形或矩形空间中央，圆形或矩形空间内设置在多个障碍物，以空间的几何图形中心为坐标原点建立二维坐标系。

上面通过信号发射源与信号接收节点之间传播路径上的环境点的估计，基本能够实现最快速行进路径上空间环境特征的估计，该最快速行进路径上空间环境特征的估计基本上可以表征整个空间特征，但是，为进一步提升空间特征估计的准确性，对非最快速行进路径上的坐标点再进一步估计，充分体现整个空间的真实环境特性分布。

优选地，为实现更大更宽面积的估计，如图6所示，在步骤303之后，还包括：

304、对信号发射源与信号接收节点之间的非最快速行进路径上的坐标点空间特性的估计。

作为一种可实现方式，包括：

选取v(x±1,y±1)=v(x,y)，即将与最快速行进路径各坐标点的位置距离为1的坐标点，视作与与最快速行进路径各坐标点的速度值相同；

优选地，非最快速行进路径上的坐标点的速度值迭代更新结束后，由于传播路径区域的边缘位置可能被重复更新迭代多次，造成速度的累加，所以同303-5的处理方式，对该坐标点速度值进行修正：在设置速度初始值v(x，y)=1的同时，设置K(x,y)初始值为0；之后，坐标点的v(x，y)每更新一次，该点的K(x,y)值就更新为1；最后，在各接收点更新结束后，对各点的K(x,y)进行叠加，此时K(x,y)代表该点的更新次数，通过v(x,y)=v(x,y)/K(x,y)即可获得更准确的速度值。

然后，根据将最终速度值代入，获得空间非传播路径环境上各坐标点的介电常数与磁导率的乘积值，即每点上的介电常数与磁导率的乘积值都被较精确的估计出来，优化的获得了空间真实环境模型。

优选地，作为另一种可实现方式，为了更精确的估计非传播路径上的坐标点的速度值，实现环境内分布更均匀的估计，还包括：

取v(x±a,y±a)=v(x,y)，a是与最快速行进路径各坐标点的位置距离，该距离值依据最快速行进路径上的点距发射锚节点位置的距离长度而确定：

$\left\{\begin{array}{cc}a=1,& x,y\∈[\mathrm{0,0.5}*L]\\ a=2,& x,y\∈(0.5*L,0.75*L]\\ a=3,& x,y\∈(0.75*L,L]\end{array}\right.$

其中，L是提取的从信号发射源到信号接收节点i的行进路径的长度，*表示乘法运算。

优选地，非最快速行进路径上的坐标点的速度值迭代更新结束后，由于传播路径区域的边缘位置可能被重复更新迭代多次，造成速度的累加，所以同303-5的处理方式，对该坐标点速度值进行修正：在设置速度初始值v(x，y)=1的同时，设置K(x,y)初始值为0；之后，坐标点的v(x，y)每更新一次，该点的K(x,y)值就更新为1；最后，在各接收点更新结束后，对各点的K(x,y)进行叠加，此时K(x,y)代表该点的更新次数，通过v(x,y)=v(x,y)/K(x,y)即可获得更准确的速度值。

然后、根据将最终速度值代入，获得空间非传播路径环境上各坐标点的介电常数与磁导率的乘积值，即每点上的介电常数与磁导率的乘积值都被较精确的估计出来，优化的获得了空间真实环境模型。

优选地，作为另一种可实现方式，为了更精确的估计非传播路径上的坐标点的速度值，实现环境内扩散分布下更均匀的估计，还包括：

取v(x±a,y±a)=v(x,y)，其中，a是与最快速行进路径各坐标点的位置距离，该距离值依据最快速行进路径上的点距发射锚节点位置的距离长度L_n以及相邻接收节点与发射节点之间所成角度θ而确定,其中a=L_n*tanθ，N为接收节点的总个数。

优选地，非最快速行进路径上的坐标点的速度值迭代更新结束后，由于传播路径区域的边缘位置可能被重复更新迭代多次，造成速度的累加，所以同303-5优选例的处理方式，对该坐标点速度值进行修正：在设置速度初始值v(x，y)=1的同时，设置K(x,y)初始值为0；之后，坐标点的v(x，y)每更新一次，该点的K(x,y)值就更新为1；最后，在各接收点更新结束后，对各点的K(x,y)进行叠加，此时K(x,y)代表该点的更新次数，通过v(x,y)=v(x,y)/K(x,y)即可获得更准确的速度值。

然后、根据将最终速度值代入，获得空间非传播路径环境上各坐标点的介电常数与磁导率的乘积值，即每点上的介电常数与磁导率的乘积值都被较精确的估计出来，优化的获得了空间真实环境模型。

通过以上实施方式都可实现更大更宽空间环境的估计，对信号发射源与信号接收节点之间的非最快速行进路径上的坐标点空间特性进行估计，使得对整个空间的特性进行完整的估计。

本发明利用快速行进方法的思想，不单单是对环境内快速路径的估计与规划，而是充分利用路径估计中获取的相关TOF和速度分布信息，对路径空间特性进行估计，获得环境模型，与现有技术对环境信道的"黑匣子"式的处理方法相比，本发明可对没有先验知识的室内环境进行空间特性估计，提高了未知通信环境的估计的准确性。

所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于快速行进方法的空间特性估计方法，其特征在于，包括:

102、信号发射源发射信号，信号接收节点接收信号，信号接收节点对接收信号进行分析，提取信号发射源与信号接收节点之间的真实渡越时间TOF_col；

103、利用快速行进方法在坐标系内寻找信号发射源与信号接收节点之间的最快速行进路径，计算两者之间的模拟渡越时间TOF_sim，同时通过代数重建方法的迭代，将模拟渡越时间TOF_sim向真实渡越时间TOF_col逼近，获得最快速行进路径各坐标点的空间特性，即介电常数ε与磁导率μ的乘积值；具体包括：

103-1、假设行进中坐标系内每个坐标点上的速度值v(x，y)＝1，其代表电磁场的二维均匀传播速度；

103-2、选取信号发射源为行进路径原点，信号接收节点为行进路径终点，从原点出发，根据坐标系上每个点假设的速度值分布，选取行进路径上相邻格子中具有最小渡越时间TOF的格子作为行进路径，依次选择，直至走至终点，即可获得一条行进路径，并获得路径上各点的速度值；

103-3、通过Eikonal方程利用所述速度值计算模拟渡越时间TOF_sim；

103-4、计算模拟渡越时间TOF_sim与真实渡越时间TOF_col差值ΔTOF_i，ΔTOF_i＝TOF_col-TOF_sim，i表示信号接收节点序号；

103-5、判定ΔTOF_i是否达到阈值要求即ΔTOF_i≤th1，若是，则将最终速度值输出，进入步骤103-6；若否，则利用进行代数重建方法的迭代计算，并返回103-3；其中Δd代表坐标点到点之间的距离,L是提取的从信号发射源到信号接收节点i的行进路径的长度，th1取值范围一般取为0.1－0.5ns；

103－6、根据获得坐标点(x,y)的介电常数ε与磁导率μ的乘积值，该值用于表征坐标点(x,y)的空间特性。

2.根据权利要求1所述基于快速行进方法的空间特性估计方法，其特征在于，在步骤102之前，还包括步骤101：

在一个圆形或矩形空间上，均匀设置多个信号接收节点，信号发射源设置于圆形或矩形空间的中央，圆形或矩形空间内设置在多个障碍物，以空间的几何图形中心为坐标原点建立二维坐标系。

3.根据权利要求1所述基于快速行进方法的空间特性估计方法，其特征在于，包括104、对信号发射源与信号接收节点之间的非最快速行进路径坐标点空间特性的估计，包括根据最快速行进路径各坐标点速度值获取非最快速行进路径上坐标点速度值，将获得速度值代入获得非行进路径上各坐标点的介电常数ε与磁导率μ的乘积值，即获得非行进路径上空间特性的估计。

4.根据权利要求3所述基于快速行进方法的空间特性估计方法，其特征在于，所述根据最快速行进路径各坐标点速度值获取非最快速行进路径上坐标点速度值为：选取v(x±1,y±1)＝v(x,y)，即将与最快速行进路径各坐标点的位置距离为1的坐标点，视作与最快速行进路径各坐标点的速度值相同。

5.根据权利要求3所述基于快速行进方法的空间特性估计方法，其特征在于，所述根据最快速行进路径各坐标点速度值获取非最快速行进路径上坐标点速度值为：取v(x±a,y±a)＝v(x,y)，a是与最快速行进路径各坐标点的位置距离，该距离值依据最快速行进路径上的点距信号发射源位置的距离长度而确定：

$\left\{\begin{array}{cc}a=1,& x,y\∈[\mathrm{0,0.5}*L]\\ a=2,& x,y\∈(0.5*L,0.75*L]\\ a=3,& x,y\∈(0.75*L,L]\end{array}\right.$

其中，L是提取的从信号发射源到信号接收节点i的行进路径的长度。

6.根据权利要求3所述基于快速行进方法的空间特性估计方法，其特征在于，所述根据最快速行进路径各坐标点速度值获取非最快速行进路径上坐标点速度值为：取v(x±a,y±a)＝v(x,y)，其中，其中，a是与最快速行进路径各坐标点的位置距离，该距离值依据最快速行进路径上的点距信号发射源位置的距离长度L_n以及相邻信号接收节点与信号发射源之间所成角度θ而确定,a＝L_n*tanθ，N为接收节点的总个数。

7.根据权利要求1或3所述基于快速行进方法的空间特性估计方法，其特征在于，在根据将最终速度值代入，获得空间环境上各坐标点的介电常数与磁导率的乘积值之前，包括对该坐标点速度值进行修正的操作，即首先在设置速度初始值v(x，y)＝1的同时，设置K(x,y)初始值为0，当坐标点的v(x，y)每更新一次，该点的K(x,y)值就更新为1，最后，在各信号接收节点更新结束后，对各点的K(x,y)进行叠加，通过v(x,y)＝v(x,y)/K(x,y)获得更准确的速度值。