CN106443647A - 一种基于侦听的测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无线侦听测距技术改进领域，提供了一种基于侦听的测距方法，所述测距方法包括以下步骤：A、所有目标节点同时向锚节点以点对点的方式发送信号;B、所有锚节点回复信号完成RTM过程；C、侦听节点根据所侦听到的目标节点和锚节点之间的交互信息获取位置信息获得目标节点和锚节点之间的距离。通过侦听测距，在信号衰减越来越强时，有效的提高了定位精度，减小了误差。

Description

一种基于侦听的测距方法及系统

技术领域

本发明属于无线侦听测距技术改进领域，尤其涉及一种基于侦听的测距方法及系统。

背景技术

随着无线技术应用的发展，基于定位的服务越来越受到人们的关注。全球导航卫星系统在大量领域中提供位置信息，然而在某些复杂的环境下卫星信号衰减严重影响了定位质量，这时就需要无线定位网络来弥补这一不足。

在无线定位网络中通常包含两类节点：位置已知的参考节点(anchor)和需要确定位置的目标节点(agent)。在典型的基于测距的无线定位技术中，目标节点通过测量与锚节点之间的距离来完成自身位置估计。TOA测距方法在无线定位网络中最为常见，根据各节点的时钟是否一致可分为同步网络和异步网络。而在实际的定位工作中很难保证所有节点的严格同步，因此更加合理的假设是所有节点均处于异步状态然后采用双向测距法(roundtrip measurement，RTM)

无线定位网络的定位精度由网络技术和定位方法决定，现有的网络技术是已确定的因素，而常用的提升定位精度的方法是增大定位信号的发射功率，这一做法的高成本和复杂度导致其很难在资源受限的情况下实现。通过最近的研究调查，我们发现如果调度策略设计得当，网络中的某些节点不需要发送信号就可以进行定位，这就非常适用于资源受限的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于侦听的测距方法，旨在解决上述的技术问题。

本发明是这样实现的，一种基于侦听的测距方法，所述测距方法包括以下步骤：

A、所有目标节点同时向锚节点以点对点的方式发送信号；

B、所有锚节点回复信号完成RTM过程；

C、侦听节点根据所侦听到的目标节点和锚节点之间的交互信息获取位置信息获得目标节点和锚节点之间的距离，其函数式为：

其中，k表示目标节点，j表示锚节点，i表示侦听节点，t表示时间，c表示光速。

本发明的进一步技术方案是：所述测距方法还包括以下步骤：

D、根据发射频率和带宽对所有节点的联合功率和带宽进行优化分配，其函数式为：其中，min表示最小值，k表示目标节点，N_a表示所有的目标节点，表示目标节点k位置的均方误差下界。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤C还包括步骤：

C1、将侦听获得的定位信息加到整个的EFIM中。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤A中发送的信号的频带均不相同。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤B中锚节点以频分复用方式回复信号。

本发明的另一目的在于提供一种基于侦听的测距系统，该系统包括：

信号发射模块，用于所有目标节点同时向锚节点以点对点的方式发送信号；

信号回复模块，用于所有锚节点回复信号完成RTM过程；

距离计算模块，用于侦听节点根据所侦听到的目标节点和锚节点之间的交互信息获取位置信息获得目标节点和锚节点之间的距离，其函数式为：

其中，k表示目标节点，j表示锚节点，i表示侦听节点，t表示时间，c表示光速。

本发明的进一步技术方案是：该系统还包括：

资源分配模块，用于根据发射频率和带宽对所有节点的联合功率和带宽进行优化分配，其函数式为：其中，min表示最小值，k表示目标节点，N_a表示所有的目标节点，表示目标节点k位置的均方误差下界。

本发明的进一步技术方案是：所述距离计算模块中还包括：

信息处理单元，用于将侦听获得的定位信息加到整个的EFIM中。

本发明的进一步技术方案是：所述信号发射模块中发送信号的频带均不相同。

本发明的进一步技术方案是：所述信号回复模块中锚节点以频分复用方式回复信号。

本发明的有益效果是：通过侦听测距，在信号衰减越来越强时，有效的提高了定位精度，减小了误差，由于侦听节点不需要发送信号，仅通过听取周围节点的位置信息就可以提升整个系统的定位精度，其非常适用于资源受限的情况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于侦听的测距方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的基于侦听的测系统的结构框图。

图3是本发明实施例提供的基于双向测距脉冲信号的位置估计示意图。

图4是本发明实施例提供的定位网络框架图一。

图5是本发明实施例提供的侦听定位的时间流程示意图。

图6是本发明实施例提供的TDOA侦听定位流程示意图。

图7是本发明实施例提供的定位网络框架图二。

图8是本发明实施例提供的TOA侦听定位流程示意图。

图9是本发明实施例提供的引入侦听节点后的定位精度与双向测距的比较示意图。

图10是本发明实施例提供的锚节点具备侦听功能后的定位精度与双向测距的比较示意图。

图11是本发明实施例提供的一个特殊的网络分布图。

图12是本发明实施例提供的特殊情况下的定位结果示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明提供的基于侦听的测距方法的流程图，其详述如下：

在一个2-D定位网络中有N_a个agent节点，N_b个位置已知的anchor节点及一个中央处理器。网络中所有节点(agent和anchor)均时钟异步，agent节点通过与anchor节点双向测距来确定自身的位置，而中央处理器则负责收集整个网络的参数信息，为agent节点的定位提供参考。目标节点和锚节点分别表示为和节点k的位置为p_k＝[x_k，y_k]^T，

首先，我们介绍一下双向测距的大致流程。如图3所示，一次往返双向测距最少需要两个时隙。第一个时隙内，待测节点k在已知时刻t_k1发射信号，节点j接收到这一信号，经过Δt时间后，在第二个时隙内t_j2时刻向节点k回复一个定位信息。从而得到节点k与j之间的距离为：

其中和分别为节点k和j的TOA测量，c是自由空间的光速。因此我们可以得到的测量误差为

其中，λ_kj为从节点k到节点j单向测距的定位信息强度(ranging informationintensity，RII)，定义为方差的倒数。根据定义，基于双向测距的异步网络RII可写为

其中ξ_kj为一个由信道特性决定的正系数，受到路径重叠系数、信号能量等因素的影响。P和β分别表示两节点之间传输信号的功率和等效带宽。

我们采用均方误差下界(squared position error bound，SPEB)来衡量整个网络的定位精度，其由等效费舍尔信息矩阵(equivalent Fisher information matrix，EFIM)推导出，即所谓的CRLB。目标节点k的SPEB定义为

其中为p_k的估计位置。J_e(p_k)为agent k节点通过测量获得的EFIM，表示为

其中q_kj＝[cos(φ_kj)，sin(φ_kj)]^T表示节点k和j之间的角度信息，λ_kj即为上文所提到的RII。SPEB描述了定位精度的最低下限，因此可以作为衡量定位网络的性能优劣的参数。

图4所示，在一个简单的定位网络中存在三个节点，分别为目标节点k、锚节点j以及一个侦听节点i。定位时间流程图如图3所示，目标节点和锚节点之间一共进行了三次往返测距，这些测距信息都可以通过(1)得到。在整个定位过程中，节点i保持沉默，即不会发送信号，但是可以听到节点k和节点j之间的交互信息。基于这一侦听模式，节点i可以收集到所有目标节点的定位信息。从图5中我们可以看到节点共发射了两次信号，这两个信号达到节点i的时间差可表示为

整理可以得到节点k和节点j之间的距离信息

从而我们得出关于侦听的方差

其中

在这里，我们假设整个网络工作在一个集中式的调度框架中，侦听获得的信息会传送给中央服务器，从而使整个系统的性能得到提升。根据定义可以得到节点i通过侦听agent k获得信号的RII为

同理，节点i可以通过侦听anchor j来获得位置信息，即

相应的定位方差为

节点i通过侦听anchor j获得信号的RII为

我们将图5的定位策略拓展到多个节点的情况。此时存在的难点是当多个节点同时发送信号时，侦听节点无法确定收到的信号来自于哪一个节点。为了解决这一问题，我们在定位过程中采用频分复用的方法，不同节点的信号通过事先分配好的不同的频段进行区分。

我们对上述定位流程进行了总结，大致可分为三步。

在第一个时隙，所有的目标节点同时向锚节点以点对点的方式发送信号。发送的信号通过不同的频带来区分

所有的锚节点在第二个时隙内依旧以频分复用的方式回复信号，完成RTM过程。

(3)在第三个和第四个时隙中，侦听节点可以根据所侦听到的目标节点和锚节点之间的交互信息来获取位置信息，完成一次完整的测量过程。将侦听获得的定位信息加到整个EFIM中，就可以提升整个系统的定位精度了。

接下来我们考虑了一种基于TDOA的侦听模式。如图6所示，agent k节点与anchorj节点进行一次RTM，agent k节点利用其与anchor j之间往返测距的时间来估计距离，产生的定位信息可通过(1)式得出。而对于侦听点i，其可以收到agent k节点与anchor j节点的TOA交互信息，我们通过两信号到达侦听点i的时间差来获取侦听信息：

其中Δt为已知的处理时间，乘上光速c后即为距离信息：

侦听定位误差为

节点i通过侦听agent k节点与anchor j节点的TOA交互信息获得信号RII：

值得注意的是，在这里表示了agent k节点与anchor j节点发送信号到达侦听点i的距离差值，而非二者之间的实际距离，为了涵盖所有的位置信息，我们将拓展为一个向量的形式

从(17)可以看出，中包含了agent k节点与anchorj节点双向测距的部分以及节点i侦听部分，其协方差矩阵定义为

矩阵中各元素分别为

从公式中我们可以看出当仅存在双向测距时，C_kj转变为一个标量值。目标节点k的EFIM定义为

其中∑为一个方块对角矩阵。我们可以计算出(22)式中除了

其他元素均为零。

接下来我们考虑了另一种基于TOA的侦听模式。如图7所示，我们依旧考虑侦听信号到达侦听节点的时间差。在这里，我们假设所有的anchor节点都具备侦听功能，这样系统中就不需要增加额外的节点开销就可以提升定位精度。时间流程图如图8所示。

从流程图中得出，侦听信号到达anchor i的时间差可表示为

其中，d_ji是两个参考节点之间的距离，是事先已知的，因此我们整理可得目标节点k和侦听节点i之间的距离为

从(28)式可以看出，anchor i可以通过侦听周围节点的双向测距信息来获得与目标节点之间的距离。

在确定了侦听调度策略后，我们接下来的工作就是基于这一调度框架进行资源优化分配。由于RII是由发射功率和带宽决定，我们将全局SPEB作为目标函数，通过优化所有节点的联合功率和带宽分配(joint power and bandwidth allocation，JPBA)来令其最小。

首先假设在定位网络中存在一个独立的侦听节点，系统进行一次测量(共四个时隙)。我们将资源优化分配问题进行公式化求解，其中目标函数为系统中所有agent节点的SPEB之和。

目标函数(13)中的由双向测距和侦听获得的定位信息共同构成。

式(14)限制了每个节点的峰值功率。(15)和(16)分别表示agent和anchor的总功率上限。为防止相互干扰，我们规定了在每个时隙内各节点所使用的频带不允许有重叠，即为式(17)和(18)。

除了在定位网络中引入一个独立侦听节点这一方案，我们还可以考虑目标节点或锚节点具备侦听功能的情况。以anchor节点具备侦听功能为例，此时资源分配问题如下所示

s.t.(14)-(18)

目标函数(20)中的由双向测距和侦听获得的定位信息共同构成。

公式中的i表示具备侦听功能的anchor节点。由于实际的收发器是半双工的，因此anchor节点需要使用不同的频带来收发信号，即式(21)所示。

在这一类侦听策略下，我们依旧是将全局SPEB作为目标函数，将功率、带宽等作为限制条件，具体公式如下所示

其中表示第一个时隙内agent k节点向anchor j节点发送信号的功率，而则表示第二个时隙内anchor j节点向agent k节点回复信号的功率，带宽参数同理。从公式中我们可以看出，TDOA侦听的限制条件与之前的策略十分相似，不同之处在于该方案只需要一次RTM即可完成一次测量，时延相较于之前的侦听策略会大大降低，提升了系统实时性。相对应的可以看出，该定位策略的定位精度计算公式会比较复杂。

为了证明引入侦听机制后定位网络性能提升，我们对不同的侦听策略进行了仿真，并与传统的纯双向测距结果进行了比较。在仿真过程中，所有目标节点和锚节点的功率被归一化，即P_anchor＝P_agent＝1。每个时隙的带宽上限B₀＝1。在一个10×10的方形区域中存在N_a个agent节点和N_b＝³个anchor节点。信道参数ξ_kj＝10⁴。

首先我们在原定位网络中引入一个侦听节点，与纯双向测距的定位结果比较如图9所示。从仿真结果可以看出，引入侦听节点后的定位精度要明显高于纯双向测距的情况，且随着待测节点数的增加这一差距将逐渐变大，这与我们之前的预想一致。

接下来，我们假设定位网络中所有的anchor节点都具备了侦听功能，以此来代替之前的侦听节点。从仿真图10可以看出，该策略的定位结果同样要明显优于纯双向测距的情况。然而值得注意的是由于总带宽是固定的，anchor节点需要对用于双向测距和侦听的带宽量做一个权衡，当anchor位置分布不佳时可能就不再分配带宽用于侦听，网络就会还原成传统的双向测距定位系统。

我们为了证明侦听机制的优势所在，假设了一种特殊的情况，如图11所示。定位网络中分布着三个锚节点、一个目标节点以及一个侦听节点，目标节点与两个距离较近的anchor节点之间存在阴影遮挡，导致传输信号有50％的可能性存在衰减，衰减量从0dB增至20dB。定位结果如图12所示。

从仿真结果我们可以看出，当阴影遮挡不严重时，agent的位置主要是由两个邻近的anchor节点进行双向测距得到的，引入侦听节点的性能提升并不明显。然而随着信号衰减越来越严重，含有侦听节点的定位网络性能就明显优于纯双向测距的网络。这说明，RTM在定位过程中起主要作用，但当直接路径的信号受到严重遮挡时侦听是弥补双向测距不足的一种有效手段。

图2示出了本发明的另一目的在于提供一种基于侦听的测距系统，该系统包括：

信号发射模块，用于所有目标节点同时向锚节点以点对点的方式发送信号；

信号回复模块，用于所有锚节点回复信号完成RTM过程；

距离计算模块，用于侦听节点根据所侦听到的目标节点和锚节点之间的交互信息获取位置信息获得目标节点和锚节点之间的距离，其函数式为：

其中，k表示目标节点，j表示锚节点，i表示侦听节点，t表示时间，c表示光速。

本发明的进一步技术方案是：该系统还包括：

资源分配模块，用于根据发射频率和带宽对所有节点的联合功率和带宽进行优化分配，其函数式为：其中，min表示最小值，k表示目标节点，N_a表示所有的目标节点，表示目标节点k位置的均方误差下界。

本发明的进一步技术方案是：所述距离计算模块中还包括：

信息处理单元，用于将侦听获得的定位信息加到整个的EFIM中。

本发明的进一步技术方案是：所述信号发射模块中发送信号的频带均不相同。

本发明的进一步技术方案是：所述信号回复模块中锚节点以频分复用方式回复信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于侦听的测距方法，其特征在于，所述测距方法包括以下步骤：

A、所有目标节点同时向锚节点以点对点的方式发送信号；

B、所有锚节点回复信号完成RTM过程；

C、侦听节点根据所侦听到的目标节点和锚节点之间的交互信息获取位置信息获得目标节点和锚节点之间的距离，其函数式为：

$d_{kj}^{^}=\frac{c(t_{i2}^{^}-t_{i1}^{^})-2\mathrm{\Δ}t}{2};$

其中，k表示目标节点，j表示锚节点，i表示侦听节点，t表示时间，c表示光速。

2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述测距方法还包括以下步骤：

D、根据发射频率和带宽对所有节点的联合功率和带宽进行优化分配，其函数式为：其中，min表示最小值，k表示目标节点，N_a表示全部的目标节点，表示目标节点k的均方误差下界。

3.根据权利要求2所述的测距方法，其特征在于，所述步骤C还包括步骤：

C1、将侦听获得的定位信息加到整个的EFIM中。

4.根据权利要求3所述的测距方法，其特征在于，所述步骤A中发送的信号的频带均不相同。

5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，所述步骤B中锚节点以频分复用方式回复信号。

6.一种基于侦听的测距系统，其特征在于，该系统包括：

信号发射模块，用于所有目标节点同时向锚节点以点对点的方式发送信号；

信号回复模块，用于所有锚节点回复信号完成RTM过程；

距离计算模块，用于侦听节点根据所侦听到的目标节点和锚节点之间的交互信息获取位置信息获得目标节点和锚节点之间的距离，其函数式为：

其中，k表示目标节点，j表示锚节点，i表示侦听节点，t表示时间，c表示光速。

7.根据权利要求6所述的测距系统，其特征在于，该系统还包括：

资源分配模块，用于根据发射频率和带宽对所有节点的联合功率和带宽进行优化分配，其函数式为：其中，min表示最小值，k表示目标节点，N_a表示全部的目标节点，表示目标节点k的均方误差下界。

8.根据权利要求7所述的测距系统，其特征在于，所述距离计算模块中还包括：

信息处理单元，用于将侦听获得的定位信息加到整个的EFIM中。

9.根据权利要求8所述的测距系统，其特征在于，所述信号发射模块中发送信号的频带均不相同。

10.根据权利要求9所述的测距系统，其特征在于，所述信号回复模块中锚节点以频分复用方式回复信号。