CN107015196B - 一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，本发明涉及基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法。本发明的目的是为了解决现有现有指纹图定位系统定位精度低，定位精度取决于近似算法的优劣，指纹图定位需要预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，消耗大量的物力财力以及单节点实现定位误差大的缺点。过程为：一、室内定位系统接收机得到A组信道状态信息；二、获取信道状态信息中的相位信息和幅度信息；三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；四、对幅度信息和消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。本发明用于室内定位领域。

Description

一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法

技术领域

本发明涉及基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法。

背景技术

目前主流的基于WLAN的室内定位系统采用的是指纹定位技术。在指纹定位技术中，接收机通过将接收信号测量结果与预先存储的指纹图进行对比，计算出自身的位置，而指纹图是在系统建立过程中，通过对选定的测量点逐点测量得出的。

指纹定位的基本原理就是在一定区域内选择一些测试点，在这些点处测量某种特征向量，比如RSS、AOT、AOA，从而生成指纹图，然后再在待定位的位置上测量同样的特征向量，然后比较这一向量与指纹图中的向量，找到最相近的向量，则认为待测点在对应的测试点附近。但传统的指纹图定位系统定位精度低，定位精度取决于近似算法的优劣。同时指纹图定位需要预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，消耗大量的物力财力，因此使用指纹图技术的室内定位系统目前仅适用于大型商城等环境，难以在更大的应用场景中使用，大大限制了室内定位系统的推广。为扩展应用场景就有了使用单个AP节点进行室内定位的研究，但是单节点实现定位误差大，例如无法获得AP到达定位点准确的传输距离，也无法获得AP和定位点之间的角度信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有现有指纹图定位系统定位精度低，定位精度取决于近似算法的优劣，指纹图定位需要预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，消耗大量的物力财力以及单节点实现定位误差大的缺点，而提出一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法。

一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法具体过程为：

步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频A次，室内定位系统接收机得到A组信道状态信息，每一组信道状态信息维度为30×1的复数数组，A组信道状态信息维度为30×A的复数数组，A为跳频次数，取值为正整数；

步骤二、获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；

步骤三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；

步骤四、利用功率延迟分布和波达角对步骤二得到的幅度信息和步骤三得到的消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；具体过程为：

功率延迟分布的第j个峰值等效为发射机与接收机第j个天线之间的直射路径的接收功率，定义为P_R,j，满足

P_R，_j＝P₀-10γlog(d_j)

式中，P₀为距离发射机一米处的发射功率，γ为路径损耗系数，d_j为接收机第j个天线和发射机之间的传输距离；

j为天线编号，1≤j≤M，M大于等于3，

接收机的任意两幅天线接收到的功率做差得到直射路径功率差与发射机到两副天线距离比的关系，表示为

P_R,n-P_R,m＝10γlog(d_m/d_n)

P_R,n为发射机与接收机第n个天线之间的直射路径的接收功率，P_R,m为发射机与接收机第m个天线之间的直射路径的接收功率，d_n为接收机第n个天线和发射机之间的传输距离，d_m为接收机第m个天线和发射机之间的传输距离，1≤n≤M，1≤m≤M，n≠m；

在利用步骤三的方式消除误差后，取两副天线峰值最高的子载波对应的相位作为直射路径相位，有

式中，λ为发射机的信号波长，和分别表示n、m号天线的直射路径相位；

将上述两个与距离有关的公式联合求解即得到n、m号天线到发射机的传输距离，同理可以求得剩余天线到发射机的传输距离；

步骤五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。

本发明的有益效果为：

本发明一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法相比于传统的基于指纹技术的定位系统，定位精度不取决于近似算法的优劣，无需预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，节约人力物力，减小定位误差。在简化部署的同时提高了定位精度。

如图3所示，在置信度60％的情况下，本发明直射路径测距误差不超过1m，CUPID的系统测距误差为2m，得出本发明单节点实现定位误差小，测距精度大幅提高；

在图4中给出本发明方法利用三边定位技术在功率延迟分布结合波达角测距方法下的定位误差，与现有中国剩余定理定位方法在同样使用三边定位技术的情况下进行了比对。

利用本发明方法在视距路径下置信度50％时定位误差为0.8米，本发明在非视距路径下置信度50％时定位误差为1.25米；

利用现有技术在视距路径下置信度50％时定位误差为1.1米，利用现有技术在视距路径下置信度50％时定位误差为1.8米；

可得出本发明方法与现有技术相比定位误差小，定位精度高。

附图说明

图1为本发明定位系统测试环境示意图，AP为室内定位系统接收机；

图2为本发明插值相位消除法的消除效果图；

图3为本发明与现有技术CUPID的测距误差的累积分布函数图；

CUPID是Avoiding Multipath to Revive Inbuilding WiFi Localization论文里提到的一种技术，作者是Souvik Sen,Jeongkeun Lee,Kyu-Han Kim,Paul Congdon；

图4为本发明与基于中国剩余定理和多天线三边定位的单节点室内定位方法的定位误差对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法具体过程为：

对于支持IEEE 802.11n协议的无线设备，当接收机收到数据包后会对数据包进行一定的处理并产生一些数据信息存储在数据当中，包括接收信号强度，信道噪声，还有信道状态信息。

以往的室内定位系统常用接收信号强度RSS进行定位，但信号强度信息极易收到多径效应的影响，且每一个数据包仅能携带一个信号强度。对此，本发明采用信道状态信息作为数据源来分析待定位点的位置。

介绍定位方法前先介绍信道状态信息和相位误差组成。

接收机得到的信道状态信息也称作信道频率响应，如下所示，H(f_k)即为中心频率为f_k的信道频率响应，表征信道的幅度衰落，θ_k是对应的相位信息，表征信道的相位衰落。

由于IEEE 802.11n协议的设备支持OFDM技术，传播的无线信号均携带若干个子载波，而每个子载波均有其对应的信道频率响应，即每收到一个数据包就可以得到若干个反映信道状态的数据。

通过逆离散傅里叶变换可以从频域信息得到时域信息，表示如下：

时域信息也称作信道冲激响应，同样是一组复数信息，包含幅度与相位的信息，幅度信息与功率相关，因此有功率延迟分布的概念，定义为

p(τ)＝E[h(t,τ)²]

步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频A次，室内定位系统接收机得到A组信道状态信息，每一组信道状态信息维度为30×1的复数数组，A组信道状态信息维度为30×A的复数数组，A为跳频次数，取值为正整数；

步骤二、获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；

步骤三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；

步骤四、利用功率延迟分布和波达角对步骤二得到的幅度信息和步骤三得到的消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；具体过程为：

功率延迟分布的第j个峰值等效为发射机与接收机第j个天线之间的直射路径的接收功率，定义为P_R,j，满足

P_R，j＝P₀-10γlog(d_j)

式中，P₀为距离发射机一米处的发射功率(因为发射机发射的功率随着距离会有一个衰落)，γ为路径损耗系数，d_j为接收机第j个天线和发射机之间的传输距离；

接收机上配备有M幅天线，第j个天线收到一组信道状态信息，信道状态信息通过逆离散傅里叶变换得到功率延迟分布，功率延迟分布的第一个峰值为P_Rj；

j为天线编号，1≤j≤M，M大于等于3，比如为1、2、3。

接收机的任意两幅天线接收到的功率做差得到直射路径功率差与发射机到两副天线距离比的关系，以编号为1，2的天线为例，表示为

P_R,n-P_R,m＝10γlog(d_m/d_n)

P_R,n为发射机与接收机第n个天线之间的直射路径的接收功率，P_R,m为发射机与接收机第m个天线之间的直射路径的接收功率，d_n为接收机第n个天线和发射机之间的传输距离，d_m为接收机第m个天线和发射机之间的传输距离，1≤n≤M，1≤m≤M，n≠m；

P_R,1-PR_,2＝10γlog(d₂/d₁)

在利用步骤三的方式消除误差后，取两副天线峰值最高的子载波对应的相位(信道状态信息包含幅度和相位信息，且是一一对应的，相位误差消除后，取幅度信息中幅度最大值对应的相位)作为直射路径相位，有

式中，λ为发射机的信号波长，和分别表示n、m号天线的直射路径相位；

将上述两个与距离有关的公式联合求解即得到n、m号天线到发射机的传输距离，同理可以求得剩余天线到发射机的传输距离；

步骤五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；具体过程为：

通过工具包CSITOOLS从室内定位系统接收机的数据包中求解信道状态信息，信道状态信息为信道频率响应，信道频率响应公式为：

式中，H(f_k)为频率为f_k的信道频率响应，||H(f_k)||为信道的幅度衰落，θ_k是频率f_k对应的真实信道状态信息的相位信息，j为虚数，j²＝-1；

信道频率响应是一组维度为30×A的复数数组，取值为正整数；求解复数的角度信息，得到室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k；

室内定位系统接收机的数据包包括信道状态信息、接收信号强度、噪声功率等；复数信息包括相位信息和幅度信息。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；具体过程为：

室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k和载波频率f_k对应的真实信道状态信息的相位信息θ_k之间的关系表示为

φ_k＝θ_k-2πK_kf_kδ+β+Z

式中，K_k表示子载波的维度，本例中为-28,-26,...,-2,-1,1,3,5,...,27,28；1≤k≤N，N为wifi设备可采集到的子载波个数，下标k为从1到30的序号，β为室内定位系统接收机等效相位偏差，δ为接收机的采样频率偏差和接收到的数据包检测时延偏差(接收机检测数据包需要一定的时间)，f_k为载波频率；Z为信道随机噪声产生的相位误差；

目前的子载波维度是不对称的，假设一组对称的子载波维度为

将室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k数据按照对称子载波进行插值得到插值相位信息将未插值的相位信息φ_k和插值的相位信息分别求和后做差得到相位误差temp为

N的取值为30-114；

通过相位误差temp的公式得：

式中，是可知，例如为13，从而求得室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k和载波频率f_k对应的真实信道状态信息的相位信息θ_k偏差中与子载波维度有关的误差分量-2πf_kδ；

得到消除误差的相位为

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述N的取值为30-114。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置；具体过程为：

支持802.11n协议的设备均配置了三幅以上的天线，根据步骤四得到室内定位系统接收机和发射机之间的真实传输距离，设发射机坐标为(x,y)是未知的，三副室内定位系统接收机的天线的坐标是已知的，即(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，则通过下式得到未知的发射机坐标(x,y)，从而实现了基于单节点的对客户位置的室内定位

坐标为以地面任一点为原点，平面延伸的距离为横纵坐标，横纵轴垂直；

发射机坐标即为客户位置；

式中d₁为第一副室内定位系统接收机的天线到发射机的距离，d₂为第二副室内定位系统接收机的天线到发射机的距离，d₃为第三副室内定位系统接收机的天线到发射机的距离，b为第一副与第二幅室内定位系统接收机的天线横坐标差值。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法具体是按照以下步骤制备的：

为了验证算法性能，在图1的环境中进行了测试，

在测试时，针对视距环境，测试系统分别在距离AP直线距离1m，1.5m，2m，2.5m，3m的环境下进行数据传输。在每个距离上测试十次；测试结束后在路径中加入遮挡物模逆非视距环境重复上述测试，并对最终得到的数据进行了仿真。

通过插值的方式消除相位的结果如图2所示，没有通过插值的方式消除相位的结果分布离散，通过插值的方式消除相位的结果分布集中，定位更精准；

如图3所示，在置信度60％的情况下，本发明直射路径测距误差不超过1m，CUPID的系统测距误差为2m，得出本发明单节点实现定位误差小，测距精度大幅提高；

在图4中给出本发明方法利用三边定位技术在功率延迟分布结合波达角测距方法下的定位误差，与现有中国剩余定理定位方法在同样使用三边定位技术的情况下进行了比对。

利用本发明方法在视距路径下置信度50％时定位误差为0.8米，本发明在非视距路径下置信度50％时定位误差为1.25米；

利用现有技术在视距路径下置信度50％时定位误差为1.1米，利用现有技术在视距路径下置信度50％时定位误差为1.8米；

可得出本发明方法与现有技术相比定位误差小，定位精度高。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于该方法具体过程为：

步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频A次，室内定位系统接收机得到A组信道状态信息，每一组信道状态信息维度为30×1的复数数组，A组信道状态信息维度为30×A的复数数组，A为跳频次数，取值为正整数；

步骤二、获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；

步骤三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；

步骤四、利用功率延迟分布和波达角对步骤二得到的幅度信息和步骤三得到的消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；具体过程为：

功率延迟分布的第j个峰值等效为发射机与接收机第j个天线之间的直射路径的接收功率，定义为P_R,j，满足

P_R，_j＝P₀-10γlog(d_j)

式中，P₀为距离发射机一米处的发射功率，γ为路径损耗系数，d_j为接收机第j个天线和发射机之间的传输距离；

j为天线编号，1≤j≤M，M大于等于3，

接收机的任意两幅天线接收到的功率做差得到直射路径功率差与发射机到两副天线距离比的关系，表示为

P_R,n-P_R,m＝10γlog(d_m/d_n)

P_R,n为发射机与接收机第n个天线之间的直射路径的接收功率，P_R,m为发射机与接收机第m个天线之间的直射路径的接收功率，d_n为接收机第n个天线和发射机之间的传输距离，d_m为接收机第m个天线和发射机之间的传输距离，1≤n≤M，1≤m≤M，n≠m；

在利用步骤三的方式消除误差后，取两副天线峰值最高的子载波对应的相位作为直射路径相位，有

式中，λ为发射机的信号波长，和分别表示n、m号天线的直射路径相位；

将上述两个与距离有关的公式联合求解即得到n、m号天线到发射机的传输距离，同理可以求得剩余天线到发射机的传输距离；

步骤五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。

2.根据权利要求1所述一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于：所述步骤二中获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；具体过程为：

通过工具包CSITOOLS从室内定位系统接收机的数据包中求解信道状态信息，信道状态信息为信道频率响应，信道频率响应公式为：

式中，H(f_k)为载波频率为f_k的信道频率响应，||H(f_k)||为信道的幅度衰落，θ_k是载波频率f_k对应的真实信道状态信息的相位信息，j为虚数，j²＝-1；

信道频率响应是一组维度为30×A的复数数组；求解复数的角度信息，得到室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k；

室内定位系统接收机的数据包包括信道状态信息、接收信号强度、噪声功率；复数信息包括相位信息和幅度信息。

3.根据权利要求2所述一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于：所述步骤三中采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；具体过程为：

室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k和载波频率f_k对应的真实信道状态信息的相位信息θ_k之间的关系表示为

φ_k＝θ_k-2πK_kf_kδ+β+Z

式中，K_k表示子载波的维度；1≤k≤N，N为wifi设备可采集到的子载波个数，β为室内定位系统接收机等效相位偏差，δ为接收机的采样频率偏差和接收到的数据包检测时延偏差，f_k为载波频率；Z为信道随机噪声产生的相位误差；

将室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k数据按照对称子载波进行插值得到插值相位信息将未插值的相位信息φ_k和插值的相位信息分别求和后做差得到相位误差temp为

通过相位误差temp的公式得：

式中，是可知，从而求得室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φ_k和载波频率f_k对应的真实信道状态信息的相位信息θ_k偏差中与子载波维度有关的误差分量-2πf_kδ；

得到消除误差的相位为

4.根据权利要求3所述一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于：所述N的取值为30-114。

5.根据权利要求4所述一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于：所述步骤五中将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置；具体过程为：

支持802.11n协议的设备均配置了三幅以上的天线，根据步骤四得到室内定位系统接收机和发射机之间的真实传输距离，设发射机坐标为(x,y)是未知的，三副室内定位系统接收机的天线的坐标是已知的，即(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，则通过下式得到未知的发射机坐标(x,y)，从而实现了基于单节点的对客户位置的室内定位

坐标为以地面任一点为原点，平面延伸的距离为横纵坐标，横纵轴垂直；

发射机坐标即为客户位置；

式中d₁为第一副室内定位系统接收机的天线到发射机的距离，d₂为第二副室内定位系统接收机的天线到发射机的距离，d₃为第三副室内定位系统接收机的天线到发射机的距离，b为第一副与第二幅室内定位系统接收机的天线横坐标差值。