CN107015198B - 一种基于天线非规则布设的室内定位方法 - Google Patents

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CN107015198B CN201710315308.9A CN201710315308A CN107015198B CN 107015198 B CN107015198 B CN 107015198B CN 201710315308 A CN201710315308 A CN 201710315308A CN 107015198 B CN107015198 B CN 107015198B
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Abstract

本发明属于室内定位技术领域，公开了一种基于天线非规则布设的室内定位方法，在一个AP处获取多个AoA值；利用MUSIC和空间平滑算法，借助于子载波上的信道状态信息，进行AoA和ToA的联合估计，选取ToA最小的AoA为目标AoA；联合从所有AP测量得到的所有的AoA对目标位置进行预测。本发明在现有的Wi‑Fi平台上加以简单修改就能达到对目标进行一个精确的定位；采用非规则天线布设，在一个AP处获取了多个AoA值，消除了由普通阵列天线对称性引起的AoA测量误差；同时，提高了对外界干扰的抵抗能力，提高了系统定位的稳定性；降低了对周围AP数目的要求，当AP数目大于等于2时就能在二维以及三维空间中获得一个精确的目标定位。

Description

一种基于天线非规则布设的室内定位方法
技术领域
本发明属于室内定位技术领域，尤其涉及一种基于天线非规则布设的室内定位方法。
背景技术
随着智能设备的大量普及，基于位置信息的服务获得了越来越多的关注，使得室内定位技术无论是在商业价值还是社会价值上都有着极大的发展空间。在室外环境下，全球导航卫星系统已经能够连续可靠的为用户提供地理位置信息。然而在室内环境下，由于墙体等障碍物对卫星信号的阻挡，使得全球导航卫星系统不能为室内的用户提供一个稳定精确的位置信息服务。同时由于复杂的室内环境，比如信号传播会受到墙壁，天花板，桌子等障碍物的阻挡，引起信号的反射，折射，衍射形象，发射信号会经过不同的传播路径到达接收端，造成多径传播形象以及由于障碍区引起的非视距传播，使得室内定位技术具有非常大的挑战。由于WLAN在室内的大量布设，基于Wi-Fi的室内定位方案获得了广泛的应用。目前传统的基于Wi-Fi的室内定位技术分为两大类：基于指纹库的方法和基于测量的方法。基于指纹库的方法主要包括两个步骤：离线指纹库建立阶段以及在线指纹匹配阶段；最具代表性的指纹信息包括接收信号强度RSS(Received Signal Strength)，磁场信息，信道状态信息CSI(Channel State Information)等等。以RSS为例，在指纹库建立阶段，首先确定系统覆盖范围内所有的测量参考点，在每个指定的参考点测量来自周围若干个接入点(AP)的RSS值并加以记录，每个参考节点对应一组相应的RSS值，代表一个指纹信息。记录并保存所有参考点的RSS值形成一个指纹库。在线匹配阶段，将待测点测量得到的RSS值与指纹库中的数据进行匹配，根据匹配结果，寻找出当前节点所处的位置。基于测量的方法主要是通过测量目标和参考节点之间的距离或者方位角，利用三边定位或三角定位的方法来测量目标的位置。主要的测量参数包括到达角(Angle of Arrival，AoA)，到达时间(Time ofArrival，ToA)以及RSS。传统的上述方法存在以下缺点：(1)指纹库方法在离线指纹库建立阶段需要消耗大量的时间以及人力物力。由于RSS是一个时变的测量值，而且会随着周围环境的改变而改变。一旦周围的环境发生变化，需要额外花费大量的精力重新建立指纹库。(2)基于测量的方法的前提是目标和接入点(Access Point，AP)之间处于直视环境下，而且该方法对于其中的参数测量存在着缺陷。由于现有Wi-Fi协议中不具备时间同步，当前基于ToA的测量大都需要额外的设备或是相当复杂的操作。由于RSS的时变性，借用信道模型根据RSS来对距离进行测量会产生较大的误差。AoA测量通常对AP侧的天线有较高的要求，在测量过程中大多采用方向天线，或者是对天线数目有要求的阵列天线，而这些天线配置在目前大部分商用设备中是不存在的。(3)以上两种方法都对AP数目有较大的要求：指纹库方法为了增加指纹的特征，通常会布设尽可能多的AP数；基于测量的方法无论采用三边定位或是三角定位法，只有当AP数目大于等于3时才获得比较好的精度。当周围可用的AP数量较少(≤2)时，以上两种方法的定位精度会变得很低。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统的定位方法在离线指纹库建立阶段需要消耗大量的时间以及人力物力；对AP侧的天线有较高的要求；当周围可用的AP数量较少(≤2)时，定位精度很低。如何从实际出发，寻找一种简单易布设，对周围AP数目要求少的定位技术成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于天线非规则布设的室内定位方法。
本发明是这样实现的，一种基于天线非规则布设的室内定位方法，所述基于天线非规则布设的室内定位方法从一个AP处获取了多个AoA；联合从所有AP测量得到的所有的AoA对目标位置进行预测；
利用经典的MUSIC算法，计算接收信号矩阵X的相关矩阵RX＝XX*，X*代表X的共轭转置，进行AoA和ToA的联合估计：
Figure BDA0001288251830000031
其中，EN表示由RX进行特征值分解得到的噪声子空间，a(θ,τ)表示矩阵X的导向矢量：
Figure BDA0001288251830000032
其中，ψτ＝exp(-j2πfδτ)，
Figure BDA0001288251830000033
fδ是相邻两个子载波之间的频率间隔，θ为信号的到达角，τ为信号的传播时间，d＝λ/2为相邻两根天线之间的间隔，λ为信号的波长；
在估计的多组AoA和ToA中，选取ToA值最小的AoA为目标AoA，记为θm,m+1，表示目标的入射信号与天线Am,Am+1之间的夹角。
进一步，所述基于天线非规则布设的室内定位方法进一步包括以下步骤：
步骤一，计算AP侧每组天线对之间的相位补偿差值；
步骤二，获取每个AP的信道状态信息，提取相位，对相位进行补偿和去线性化处理之后重构信道状态信息；
步骤三，构造相邻两根天线上的信号接收矩阵。
进一步，所述计算每组天线对之间的相位补偿差值具体包括：
(1)在每个AP侧，选取相邻的两条天线链路Am,Am+1，在对应于两根天线的垂直平分线上布设N个测试点a1,a2,...,aN-1,aN，在AP测获取每个测试点上获取的信道状态信息CSI；
(2)根据收到的CSI，抽取并展开每根天线上的相位信息，
Figure BDA0001288251830000034
表示在第n个测试点收到的关于第m根天线上第k个子载波上的相位信息；
(3)计算第k个子载波在第m根天线和(m+1)根天线之间的相位补偿差值：
Figure BDA0001288251830000035
(4)重复(1)～(3)，计算每对天线之间的相位补偿值
Figure BDA0001288251830000041
m＝1,2,...,M-1,k＝1,2,...,K，M为AP侧的天线数目，K为系统可检测的子载波的数目；
(5)重复(1)～(4)，检测所有AP侧天线上的相位补偿值。
进一步，所述在每个AP侧获取AoA具体包括：
(a)当AP收到目标发送的信号，AP侧的无线网卡会输出对应的CSI，选取两根相邻的天线Am，Am+1，抽取对应的幅度信息H和相位信息
Figure BDA0001288251830000042
其中，
Figure BDA0001288251830000043
(b)利用系统预处理过程中得到的相位差值补偿第(M+1)根天线上第k个子载波的相位，更新
Figure BDA0001288251830000044
(c)对补偿后的相位
Figure BDA0001288251830000045
去线性化处理，其中fδ是相邻两个子载波之间的频率间隔：
Figure BDA0001288251830000046
Figure BDA0001288251830000047
(d)根据提取的CSI幅度H和去线性化之后的相位信息
Figure BDA0001288251830000048
重构CSI接收矩阵：
Figure BDA0001288251830000049
其中，
Figure BDA00012882518300000410
(e)利用超分辨率算法和空间平滑技术构建两根天线上的接收信号矩阵X，其中csim,k表示第m根天线上第k个子载波的CSI：
Figure BDA00012882518300000411
(f)计算X的相关矩阵RX＝XX*，X*代表X的共轭转置，进行AoA和ToA的联合估计：
Figure BDA0001288251830000051
其中，EN表示由RX进行特征值分解得到的噪声子空间，a(θ,τ)表示矩阵X的导向矢量：
Figure BDA0001288251830000052
其中，ψτ＝exp(-j2πfδτ)，
Figure BDA0001288251830000053
τ为信号的传播时间，d＝λ/2为相邻两根天线之间的间隔，λ为信号的波长；
(g)在(f)估计的多组AoA和ToA中，选取ToA值最小的AoA为目标AoA，记为θm,m+1，表示目标的入射信号与天线Am,Am+1之间的夹角；
(h)重复(a)～(g)，得到第r个AP点上的M-1个AoA值
Figure BDA0001288251830000054
进一步，联合多个AP进行共同定位具体包括：
假设周围存在R个AP，总共得到R×(M-1)个AoA，利用AoA值，对目标在二维空间中进行定位：
Figure BDA0001288251830000055
或者在三维空间中进行定位：
Figure BDA0001288251830000056
其中，
Figure BDA0001288251830000057
为在第r个AP处测量到的AoA值，
Figure BDA0001288251830000058
其中，
Figure BDA0001288251830000059
为当目标处于点(x,y)或(x,y,z)时相对于第r个AP的AoA理论值。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于天线非规则布设的室内定位方法的智能终端。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于天线非规则布设的室内定位方法的Wi-Fi平台
本发明的优点及积极效果为：本发明简单易布设，不需要复杂的操作，不需要额外的设备，在现有的Wi-Fi平台上加以简单修改就能达到对目标进行一个精确的定位；采用非规则天线布设，在一个AP处获取了多个AoA值，消除了由普通阵列天线对称性引起的AoA测量误差；同时，提高了对外界干扰的抵抗能力，提高了系统定位的稳定性；降低了对周围AP数目的要求，当AP数目大于等于2时就能在二维以及三维空间中获得一个精确的目标定位。
本发明的定位精度高于天性线性布设方法，本发明定位中值误差为1.15m，天性线性布设方法的中值误差为1.4m；本发明采用的天线非规则布设方法获得了更多数量的AoA，增加了对外界干扰的抵抗能力；同时，由于在单个AP上获取了多个AoA，消除了由天性线性布设方法所带来的线性对称性。
使用本发明的方法，在两根天线上利用CSI进行AoA估计，中值误差为9°，利用三根线性布设天线的CSI进行AoA估计的中值误差为6.5°；在消除了线性阵列对称性的同时，增加了对外界干扰的抵抗能力，提升了最后的定位精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于天线非规则布设的室内定位方法流程图。
图2是本发明实施例提供的应用场景示意图。
图3是本发明实施例提供的AP侧天线的非规则摆放示意图。
图4是本发明实施例提供的基于天线非规则布设的室内定位方法实现流程图。
图5是本发明实施例提供的初始化过程中测试点的摆放位置示意图。
图6是本发明实施例提供的实验环境示意图。
图7是本发明实施例提供的实验环境下二维空间下系统的定位精度示意图。
图8是本发明实施例提供的实验环境下三维空间下系统的定位精度示意图。
图9是本发明实施例提供的实验环境下AoA的测量精度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于天线非规则布设的室内定位方法包括以下步骤：
S101：计算AP侧每组天线对之间的相位补偿差值；
S102：获取每个AP的信道状态信息，提取相位，对相位进行补偿和去线性化处理之后重构信道状态信息；
S103：构造相邻两根天线上的信号接收矩阵；
S104：利用超分辨算法和空间平滑技术在MUSIC的基础上联合估计AoA和ToA；
S105：选取ToA最小的AoA为目标AoA；
S106：联合从所有AP测量得到的所有的AoA对目标位置进行预测。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明的应用场景为在多个AP的协作下，借助AoA共同对目标进行定位。图中，AP1,AP2,AP3,AP4代表周围AP的数目，User代表着待定目标。如图3所示，在每个AP侧布设非规则的天线阵列，使得任意两根天线构成的方向不在统一同一平行线上。假设每个AP可搭载的天线数为M根，至多可从每个AP侧获得M-1个AoA值。最后，联合从所有AP处获得的所有AoA值对目标进行定位。
如图4所示，本发明实施例提供的基于天线非规则布设的室内定位方法的具体实现步骤如下：
步骤1：系统预处理：计算每组天线对之间的相位补偿差值；
(1a)如图5所示，在每个AP侧，选取相邻的两条天线链路Am,Am+1，在对应于两根天线的垂直平分线上布设N个测试点a1,a2,…,aN-1,aN，在AP测获取每个测试点上获取的信道状态信息(CSI)；
(1b)根据收到的CSI，抽取并展开每根天线上的相位信息。
Figure BDA0001288251830000081
表示在第n个测试点收到的关于第m根天线上第k个子载波上的相位信息；
(1c)计算第k个子载波在第m根天线和(m+1)根天线之间的相位补偿差值：
Figure BDA0001288251830000082
(1d)重复(1a)～(1c)，计算每对天线之间的相位补偿值
Figure BDA0001288251830000083
m＝1,2,...,M-1,k＝1,2,...,K，M为AP侧的天线数目，K为系统可检测的子载波的数目；
(1e)重复(1a)～(1d)，检测所有AP侧天线上的相位补偿值。
步骤2：系统正式工作，在每个AP侧获取AoA。
(2a)当AP收到目标发送的信号，AP侧的无线网卡会输出对应的CSI，选取两根相邻的天线Am,Am+1，抽取对应的幅度信息H和相位信息
Figure BDA0001288251830000084
其中，
Figure BDA0001288251830000085
(2b)利用系统预处理过程中得到的相位差值补偿第(M+1)根天线上第k个子载波的相位，更新
Figure BDA0001288251830000086
(2c)对补偿后的相位
Figure BDA0001288251830000087
去线性化处理，其中fδ是相邻两个子载波之间的频率间隔：
Figure BDA0001288251830000088
Figure BDA0001288251830000089
(2d)根据提取的CSI幅度H和去线性化之后的相位信息
Figure BDA00012882518300000810
重构CSI接收矩阵：
Figure BDA00012882518300000811
其中，
Figure BDA00012882518300000812
(2e)利用超分辨率算法和空间平滑技术构建两根天线上的接收信号矩阵X，其中csim,k表示第m根天线上第k个子载波的CSI：
Figure BDA0001288251830000091
(2f)利用经典的MUSIC算法，计算X的相关矩阵RX＝XX*，X*代表X的共轭转置，进行AoA和ToA的联合估计：
Figure BDA0001288251830000092
其中，EN表示由RX进行特征值分解得到的噪声子空间，a(θ,τ)表示矩阵X的导向矢量：
Figure BDA0001288251830000093
其中，ψτ＝exp(-j2πfδτ)，
Figure BDA0001288251830000094
τ为信号的传播时间，d＝λ/2为相邻两根天线之间的间隔，λ为信号的波长；
(2g)在(2f)估计的多组AoA和ToA中，选取ToA值最小的AoA为目标AoA，记为θm,m+1，表示目标的入射信号与天线Am,Am+1之间的夹角；
(2h)重复(2a)～(2g)，得到第r个AP点上的M-1个AoA值
Figure BDA0001288251830000095
步骤3：联合多个AP进行共同定位；
假设周围存在R个具有直射路径的AP，总共可以得到R×(M-1)个AoA。利用这些AoA值，对目标在二维空间中进行定位：
Figure BDA0001288251830000096
或者在三维空间中进行定位：
Figure BDA0001288251830000101
其中，
Figure BDA0001288251830000102
为在第r个AP处测量到的AoA值，
Figure BDA0001288251830000103
其中，
Figure BDA0001288251830000104
为当目标处于点(x,y)或(x,y,z)时相对于第r个AP的AoA理论值。目标函数可采用最小二乘法来求解。
下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。
1、实验条件：
如图6所示，在实验场景中，在标记为“1”和“2”位置放置两个笔记本作为AP，小圆点是目标待测点的位置，以1m为间隔均匀分布。每个AP装备一片Intel5300无线网卡，5300工作在监听模式，在收到目标发送的信号时能够输出CSI。AP的工作频率设置在5.32GHz，每个AP侧布设三根非规则排列的天线，每两根天线之间的距离为半个波长。另外一台笔记本搭载单根天线，作为待定位的目标。
2、实验结果与分析：
实验1：用本发明方法，天线线性布设定位方法在同一个场景下对目标进行二维空间上的定位，结果如图7所示。
从图7可见，本发明的方法定位精度高于天性线性布设方法。本发明定位中值误差为1.15m，天性线性布设方法的中值误差为1.4m；本发明采用的天线非规则布设方法获得了更多数量的AoA，增加了对外界干扰的抵抗能力；同时，由于在单个AP上获取了多个AoA，消除了由天性线性布设方法所带来的线性对称性。
实验2：用本发明的方法，在同一个场景下对目标进行二维和三维空间上的定位，结果如图8所示。
从图8可见，本发明在二维空间上的中值误差为1.15m，在三维空间上的中值误差为1.4m。在三维空间下的定位精度略低于二维空间下的精度，这是因为在三维空间下定位需要估计一个额外的未知数。
实验3：用本发明的方法，三根天线线性布设下的方法对AoA测量精度进行评估，结果如图9所示。
从图9可见，使用本发明的方法，也就是在两根天线上利用CSI进行AoA估计，中值误差为9°，利用三根线性布设天线的CSI进行AoA估计的中值误差为6.5°。因为使用了更少的CSI，本发明的方法对于单个AoA的测量误差要高一些。但是本发明方法牺牲单个AoA的测量精度来换取AoA的数量，在消除了线性阵列对称性的同时，增加了对外界干扰的抵抗能力，提升了最后的定位精度。
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 (7)

1.一种基于天线非规则布设的室内定位方法，其特征在于，所述基于天线非规则布设的室内定位方法从一个AP处获取了多个AoA；联合从所有AP测量得到的所有的AoA对目标位置进行预测；
利用MUSIC算法，计算信号接收矩阵X的相关矩阵RX＝XX*，X*代表信号接收矩阵X的共轭转置，进行AoA和ToA的联合估计：
Figure FDA0002318623970000011
其中，EN表示由RX进行特征值分解得到的噪声子空间，a(θ,τ)表示信号接收矩阵X的导向矢量：
Figure FDA0002318623970000012
其中，ψτ＝exp(-j2πfδτ)，
Figure FDA0002318623970000013
fδ是相邻两个子载波之间的频率间隔，θ为信号的到达角，τ为信号的传播时间，d＝λ/2为相邻两根天线之间的间隔，λ为信号的波长；
在估计的多组AoA和ToA中，选取ToA值最小的AoA为目标AoA，记为θm,m+1，表示目标的入射信号与天线Am,Am+1之间的夹角。
2.如权利要求1所述的基于天线非规则布设的室内定位方法，其特征在于，所述基于天线非规则布设的室内定位方法进一步包括以下步骤：
步骤一，计算AP侧每组天线对之间的相位补偿差值；
步骤二，获取每个AP的信道状态信息，提取相位，对相位进行补偿和去线性化处理之后重构信道状态信息；
步骤三，构造相邻两根天线上的信号接收矩阵。
3.如权利要求2所述的基于天线非规则布设的室内定位方法，其特征在于，所述计算每组天线对之间的相位补偿差值具体包括：
(1)在每个AP侧，选取相邻的两条天线链路Am,Am+1，在对应于两根天线的垂直平分线上布设N个测试点a1,a2,...,aN-1,aN，在AP侧获取每个测试点上获取的信道状态信息CSI；
(2)根据收到的CSI，抽取并展开每根天线上的相位信息，
Figure FDA00023186239700000213
表示在第n个测试点收到的关于第m根天线上第k个子载波上的相位信息；
(3)计算第k个子载波在第m根天线和(m+1)根天线之间的相位补偿差值：
Figure FDA0002318623970000021
(4)重复(1)～(3)，计算每对天线之间的相位补偿值
Figure FDA0002318623970000022
M为AP侧的天线数目，K为系统可检测的子载波的数目；
(5)重复(1)～(4)，检测所有AP侧天线上的相位补偿值。
4.如权利要求2所述的基于天线非规则布设的室内定位方法，其特征在于，在每个AP侧获取AoA具体包括：
(a)当AP收到目标发送的信号，AP侧的无线网卡会输出对应的CSI，选取两根相邻的天线Am,Am+1，抽取对应的幅度信息H和相位信息
Figure FDA0002318623970000023
其中，
Figure FDA0002318623970000024
(b)利用系统预处理过程中得到的相位差值补偿第(m+1)根天线上第k个子载波的相位，更新
Figure FDA0002318623970000025
每对天线之间的相位补偿值
Figure FDA0002318623970000026
K为系统可检测的子载波的数目；M为AP侧的天线数目；
(c)对补偿后的相位
Figure FDA0002318623970000027
去线性化处理后得到相位信息
Figure FDA0002318623970000028
其中fδ是相邻两个子载波之间的频率间隔：
Figure FDA0002318623970000029
(d)根据提取的CSI幅度H和去线性化之后的相位信息
Figure FDA00023186239700000210
重构CSI接收矩阵：
Figure FDA00023186239700000211
其中，
Figure FDA00023186239700000212
(e)利用超分辨率算法和空间平滑技术构建两根天线上的信号接收矩阵X，其中csim,k表示第m根天线上第k个子载波的CSI：
Figure FDA0002318623970000031
(f)计算信号接收矩阵X的相关矩阵RX＝XX*，X*代表信号接收矩阵X的共轭转置，进行AoA和ToA的联合估计：
Figure FDA0002318623970000032
其中，EN表示由RX进行特征值分解得到的噪声子空间，a(θ,τ)表示信号接收矩阵X的导向矢量：
Figure FDA0002318623970000033
其中，ψτ＝exp(-j2πfδτ)，
Figure FDA0002318623970000034
τ为信号的传播时间，d＝λ/2为相邻两根天线之间的间隔，λ为信号的波长；
(g)在(f)估计的多组AoA和ToA中，选取ToA值最小的AoA为目标AoA，记为θm,m+1，表示目标的入射信号与天线Am,Am+1之间的夹角；
(h)重复(a)～(g)，得到第r个AP点上的M-1个AoA值
Figure FDA0002318623970000035
5.如权利要求2所述的基于天线非规则布设的室内定位方法，其特征在于，联合多个AP进行共同定位具体包括：
在每个AP上非规则布设M根天线，使得任意相邻两根天线之间不在同一平行线上；假设周围存在R个AP，总共可以得到R×(M-1)个AoA，利用AoA值，对目标在二维空间中进行定位：
Figure FDA0002318623970000036
或者在三维空间中进行定位：
Figure FDA0002318623970000041
其中，
Figure FDA0002318623970000042
为在第r个AP处测量到的AoA值，
Figure FDA0002318623970000043
其中，
Figure FDA0002318623970000044
为当目标处于点(x,y)或(x,y,z)时相对于第r个AP的AoA理论值。
6.一种应用权利要求1～5任意一项所述基于天线非规则布设的室内定位方法的智能终端。
7.一种应用权利要求1～5任意一项所述基于天线非规则布设的室内定位方法的Wi-Fi平台。
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