CN107390168A - 基于通用软件无线电外设的室内定位系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了基于通用软件无线电外设的室内定位系统、方法和装置。所述方法的一具体实施方式包括：接收室内环境中发射基站发射的信号；对所述信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征；计算所述多维空间谱指纹特征与针对所述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度；从所述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为所述发射基站的定位信息。该实施方式实现了高精度、低成本的室内定位。

Description

基于通用软件无线电外设的室内定位系统、方法和装置

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，具体涉及室内定位技术领域，尤其基于通用软件无线电外设的室内定位系统、方法和装置。

背景技术

目前较为常用的室内定位系统大多采用基于信号强度的位置指纹定位方法，一般分为两个阶段实现：离线训练阶段和在线定位阶段。离线训练阶段主要目的是建立位置指纹数据库，根据待定位的室内环境设计较为合理的参考点，遍历待定位环境内的所有参考点，将每个参考点接收到的信号强度以及位置信息对应存储在位置指纹数据库中。在线定位阶段的主要目的是将实时采集到的信号强度与该室内环境的位置指纹数据库中的指纹进行匹配，找到匹配度最大的指纹所对应的位置信息作为定位结果。然而，在复杂环境中，信号强度容易发生波动导致定位精度较差。

另外，还有基于UWB(Ultra-Wideband，超宽带)的定位系统虽然精度较高，但是成本也较高。

因此，现有的室内定位方法存在定位精度低或者成本较高的问题。

发明内容

本申请的目的在于提出一种改进的基于通用软件无线电外设的室内定位方法和装置，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种基于通用软件无线电外设的室内定位系统，所述系统包括：发射基站，配置用于发射信号，其中，所述发射基站包括通用软件无线电外设和计算机；接收基站，配置用于接收室内环境中所述发射基站发射的信号，对所述信号预处理后提取多维空间谱指纹特征，计算所述多维空间谱指纹特征与针对所述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度，从所述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为所述发射基站的定位信息，其中，所述接收基站包括通用软件无线电外设和计算机。

在一些实施例中，所述接收基站位于所述室内环境中的固定位置。

在一些实施例中，所述发射基站的通用软件无线电外设和所述接收基站的通用软件无线电外设的工作频率相同。

在一些实施例中，当所述接收基站的通用软件无线电外设数量多于一时，所述接收基站的各个通用软件无线电外设在时间上同步，其中一个通用软件无线电外设与所述接收基站的计算机相连接，其他所述接收基站的通用软件无线电外设与该通用软件无线电外设相连接。

在一些实施例中，所述通用软件无线电外设包括一块母版和一块或两块子板。

在一些实施例中，所述发射基站的通用软件无线电外设和所述发射基站的计算机之间通过通用串行总线连接，所述接收基站的通用软件无线电外设和所述接收基站的计算机之间通过通用串行总线连接。

第二方面，本申请提供了一种基于通用软件无线电外设的室内定位方法，所述方法包括：接收室内环境中发射基站发射的信号；对所述信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征；计算所述多维空间谱指纹特征与针对所述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度；从所述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为所述发射基站的定位信息。

在一些实施例中，所述多维空间谱指纹特征包括以下至少一项：主成分分析处理后的特征、协方差处理后的特征和四阶累积量处理后的特征。

第三方面，本申请提供了一种基于通用软件无线电外设的室内定位装置，所述装置包括：接收单元，配置用于接收室内环境中发射基站发射的信号；提取单元，配置用于对所述信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征；计算单元，配置用于计算所述多维空间谱指纹特征与针对所述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度；定位单元，配置用于从所述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为所述发射基站的定位信息。

在一些实施例中，所述多维空间谱指纹特征包括以下至少一项：主成分分析处理后的特征、协方差处理后的特征和四阶累积量处理后的特征。

本申请提供的基于通用软件无线电外设的室内定位系统、方法和装置，通过接收室内环境中基于通用软件无线电外设的发射基站发射的信号，并对该信号进行预处理后提取多维空间谱指纹特征，然后计算上述多维空间谱指纹特征与针对上述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度，最后从上述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为上述发射基站的定位信息，从而实现了高精度、低成本的室内定位。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请可以应用于其中的示例性系统架构图；

图2是根据本申请的基于通用软件无线电外设的室内定位方法的一个实施例的流程图；

图3是根据本申请的基于通用软件无线电外设的室内定位方法的一个应用场景的示意图；

图4是根据本申请的基于通用软件无线电外设的室内定位装置的一个实施例的结构示意图；

图5是适于用来实现本申请实施例的计算机的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了可以应用本申请的基于通用软件无线电外设的室内定位系统的示例性系统架构100。

如图1所示，系统架构100可以包括发射基站和接收基站，其中发射基站用于发射信号，包括计算机101和USRP(Universal SoftwareRadio Peripheral，通用软件无线电外设)102；接收基站用于接收信号，包括USRP 103、USRP 104和计算机105。USRP 102通过有线连接方式连接到计算机101，USRP 103和USRP 104通过有线连接方式连接到计算机105。

在本实施例中，接收基站用于接收室内环境中发射基站发射的信号并对接收到的信号预处理后提取多维空间谱指纹特征，计算多维空间谱指纹特征与针对上述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度，从上述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为发射基站的定位信息。

在本实施例中，计算机101上可以安装有各种客户端应用，例如控制USRP 102的工作频率、信号发射类型等的应用。计算机105上可以安装有各种客户端应用，例如控制USRP 103和USRP 104的工作频率以及信号接收类型的应用、数据处理类应用、机器学习类应用、模式识别类应用等。

在本实施例的一些可选的实现方式中，接收基站位于室内环境中的固定位置，包括离线训练阶段和在线定位阶段。基于此，本实现方式可以实现更高精度的室内定位。

在本实施例的一些可选的实现方式中，发射基站的USRP和接收基站的USRP的工作频率相同，可以通过在计算机101和计算机105的相应应用中设置USRP的工作频率参数来实现。例如，将发射基站的USRP和接收基站的USRP的工作频率都设置为750MHz。

在本实施例的一些可选的实现方式中，当接收基站的USRP数量多于一时，接收基站的各个USRP在时间上同步，其中一个USRP与接收基站的计算机相连接，其他接收基站的USRP与该USRP相连接。这里，为实现多个USRP在时间上同步，需要外接时钟，并修改USRP母板硬件和USRP软件包。

(1)USRP母板的硬件修改：

对于连接到计算机的USRP称为Master USRP(主USRP)，对该Master USRP的母板：焊一个时钟接口到时钟输出接口作为主时钟输出接口。

对于连接到Master USRP的其他USRP称为Slave USRP(从USRP)，对于各个Slave USRP的各个母板进行如下操作：

(a)焊一个时钟接口到时钟输入接口。

(b)将电阻R2030移除，并将电阻R2029移动到电阻R2030的位置。这将禁用板载时钟。

(c)将电容C926移除，并将电容C925移动到电容C926的位置。

(d)移除电容C924。

当进行多个USRP同步工作时，只需要为Master USRP的时钟输入接口连接外接时钟，时钟输出接口引出时钟，然后将该时钟输入到与Master USRP母板连接的Slave USRP的时钟输入接口即可，对于其他Slave USRP，只需要按照同样的方式接入上一个Slave USRP即可。

(2)USRP软件包的修改：将Master USRP和Slaver USRP的时钟频率修改为外接时钟的时钟频率。

在本实施例的一些可选的实现方式中，USRP包括一块母版和一块或两块子板。每块子板设置一根天线，天线用于发射或者接收信号。

在本实施例的一些可选的实现方式中，发射基站的USRP和发射基站的计算机之间通过USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)连接，接收基站的USRP和接收基站的计算机之间通过USB连接。

在本实施例的一些可选的实现方式中，发射基站发射的信号可以是正弦信号。

在本实施例中，计算机101和105可以是具有显示屏和处理器的各种电子设备，包括但不限于膝上型便携计算机和台式计算机等等。

需要说明的是，本申请实施例所提供的基于通用软件无线电外设的室内定位方法一般由计算机105执行，相应地，基于通用软件无线电外设的室内定位装置一般设置于计算机105中。

应该理解，图1中的USRP和计算机的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的USRP和计算机。

继续参考图2，其示出了根据本申请的基于通用软件无线电外设的室内定位方法的一个实施例的流程200。所述的基于通用软件无线电外设的室内定位方法，包括以下步骤：

步骤201，接收室内环境中发射基站发射的信号。

在本实施例中，基于通用软件无线电外设的室内定位方法运行于其上的电子设备(例如图1所示的计算机105)控制与上述电子设备连接的USRP通过无线连接方式获取室内环境中发射基站中USRP发射的信号。

步骤202，对信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征。

在本实施例中，上述电子设备可以对步骤201中接收到的信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征。这里，对信号进行预处理的方法可以是各种信号处理的方法，例如，傅里叶变换、带通滤波、离散余弦变换等。

在本实施例的一些可选的实现方式中，多维空间谱指纹特征可以包括以下至少一项：主成分分析处理后的特征、协方差处理后的特征和四阶累积量处理后的特征。

步骤203，计算多维空间谱指纹特征与针对室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度。

在本实施例中，上述电子设备可以计算步骤202中提取的多维空间谱指纹特征与针对室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度。

在本实施例中，匹配指纹库是通过如下步骤得到的：

(1)为室内环境生成至少一个参考点，其中，上述至少一个参考点是位于上述室内环境内的不同位置的点；

(2)记录上述至少一个参考点中每个参考点的位置信息；

(3)将接收基站置于上述室内环境中的固定位置；

(4)对上述至少一个参考点中的每个参考点，将发射基站布置在该参考点处，发射基站发射信号，接收基站接收发射基站发射的信号并对接收到的信号进行预处理后提取多维空间谱指纹特征，得到该参考点的匹配指纹，从而得到室内环境的匹配指纹库。

在本实施例中，计算相似度的方法可以是首先计算距离，例如欧几里得距离(Euclidean Distance)、明可夫斯基距离(MinkowskiDistance)、曼哈顿距离(Manhattan Distance)、切比雪夫距离(ChebyshevDistance)、马哈拉诺比斯距离(Mahalanobis Distance)，然后基于上述距离，相似度与距离相反，距离小的相似度大，距离大的相似度小，这样就可以计算相似度了；还可以是直接计算相似度，例如向量空间余弦相似度(Cosine Similarity)、皮尔森相关系数(Pearson CorrelationCoefficient)、Jaccard相似系数(Jaccard Coefficient)、调整余弦相似度(Adjusted Cosine Similarity)等。

步骤204，从匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为发射基站的定位信息。

在本实施例中，基于步骤203计算的相似度，上述电子设备可以从匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为发射基站的定位信息。

继续参见图3，图3是根据本实施例的基于通用软件无线电外设的室内定位方法的应用场景的一个示意图。在图3的应用场景中，首先将待定位的室内环境格点化后生成如图3中图标301所示的圆形的18参考点1-18；然后，将接收基站置于如图3中图标302所示的三角形处；之后，对18个参考点的每个参考点，将发射基站置于该参考点处发射信号，接收基站接收该信号，并通过该信号为该参考点建立多维空间谱指纹特征，最终形成整个室内环境的匹配指纹库；最后，将发射基站置于如图3中图标303所示的矩形位置处，发射基站发射测试信号，接收基站接收该测试信号，并为该信号提取多维空间谱指纹特征，将上述多维空间谱指纹特征与上述匹配指纹库进行匹配，得出参考点12的位置为发射基站的位置。

本申请的上述实施例提供的方法通过将从发射基站发射的信号提取的多维空间谱指纹特征与匹配指纹库匹配后给出发射基站的定位信息，实现了高精度、低成本的室内定位。

进一步参考图4，作为对上述各图所示方法的实现，本申请提供了一种基于通用软件无线电外设的室内定位装置的一个实施例，该装置实施例与图2所示的方法实施例相对应，该装置具体可以应用于各种电子设备中。

如图4所示，本实施例所述的基于通用软件无线电外设的室内定位装置400包括：接收单元401、提取单元402、计算单元403和定位单元404。其中，接收单元401，配置用于接收室内环境中发射基站发射的信号；提取单元402，配置用于对上述信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征；计算单元403，配置用于计算上述多维空间谱指纹特征与针对上述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度；定位单元404，配置用于从上述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为上述发射基站的定位信息。

在本实施例中，基于通用软件无线电外设的室内定位装置400的接收单元401可以控制USRP通过无线连接方式获取室内环境中发射基站中USRP发射的信号。

在本实施例中，上述提取单元402可以对接收单元401中接收到的信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征。这里，对信号进行预处理的方法可以是各种信号处理的方法，例如，傅里叶变换、带通滤波、离散余弦变换等。

在本实施例的一些可选的实现方式中，多维空间谱指纹特征可以包括以下至少一项：主成分分析处理后的特征、协方差处理后的特征和四阶累积量处理后的特征。

在本实施例中，上述计算单元403可以计算提取单元402中提取的多维空间谱指纹特征与针对室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度。

在本实施例中，计算相似度的方法可以是首先计算距离，例如欧几里得距离、明可夫斯基距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离、马哈拉诺比斯距离，然后基于上述距离，相似度与距离相反，距离小的相似度大，距离大的相似度小，这样就可以计算相似度了；还可以是直接计算相似度，例如向量空间余弦相似度、皮尔森相关系数、Jaccard相似系数、调整余弦相似度等。

在本实施例中，基于计算单元403计算的相似度，上述定位单元404可以从匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为发射基站的定位信息。

下面参考图5，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机的计算机系统500的结构示意图。

如图5所示，计算机系统500包括中央处理单元(CPU)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器(RAM)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还存储有系统500操作所需的各种程序和数据。CPU 501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。

以下部件连接至I/O接口505：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分509。通信部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至I/O接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)501执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括接收单元、提取单元、计算单元和定位单元。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定，例如，接收单元还可以被描述为“接收室内环境中发射基站发射的信号的单元”。

作为另一方面，本申请还提供了一种非易失性计算机存储介质，该非易失性计算机存储介质可以是上述实施例中所述装置中所包含的非易失性计算机存储介质；也可以是单独存在，未装配入终端中的非易失性计算机存储介质。上述非易失性计算机存储介质存储有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个设备执行时，使得上述设备：接收室内环境中发射基站发射的信号；对上述信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征；计算上述多维空间谱指纹特征与针对上述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度；从上述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为上述发射基站的定位信息。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种基于通用软件无线电外设的室内定位系统，其特征在于，所述系统包括：

发射基站，配置用于发射信号，其中，所述发射基站包括通用软件无线电外设和计算机；

接收基站，配置用于接收室内环境中所述发射基站发射的信号，对所述信号预处理后提取多维空间谱指纹特征，计算所述多维空间谱指纹特征与针对所述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度，从所述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为所述发射基站的定位信息，其中，所述接收基站包括通用软件无线电外设和计算机。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收基站位于所述室内环境中的固定位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射基站的通用软件无线电外设和所述接收基站的通用软件无线电外设的工作频率相同。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述接收基站的通用软件无线电外设数量多于一时，所述接收基站的各个通用软件无线电外设在时间上同步，其中一个通用软件无线电外设与所述接收基站的计算机相连接，其他所述接收基站的通用软件无线电外设与该通用软件无线电外设相连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通用软件无线电外设包括一块母版和一块或两块子板。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射基站的通用软件无线电外设和所述发射基站的计算机之间通过通用串行总线连接，所述接收基站的通用软件无线电外设和所述接收基站的计算机之间通过通用串行总线连接。

7.一种基于通用软件无线电外设的室内定位方法，其特征在于，所述方法包括：

接收室内环境中发射基站发射的信号；

对所述信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征；

计算所述多维空间谱指纹特征与针对所述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度；

从所述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为所述发射基站的定位信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多维空间谱指纹特征包括以下至少一项：主成分分析处理后的特征、协方差处理后的特征和四阶累积量处理后的特征。

9.一种基于通用软件无线电外设的室内定位装置，其特征在于，所述装置包括：

接收单元，配置用于接收室内环境中发射基站发射的信号；

提取单元，配置用于对所述信号进行预处理并提取多维空间谱指纹特征；

计算单元，配置用于计算所述多维空间谱指纹特征与针对所述室内环境预先训练的匹配指纹库中各个指纹的多维空间谱指纹特征的相似度；

定位单元，配置用于从所述匹配指纹库的各个指纹中选择相似度最大的指纹，获取该指纹的位置信息作为所述发射基站的定位信息。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述多维空间谱指纹特征包括以下至少一项：主成分分析处理后的特征、协方差处理后的特征和四阶累积量处理后的特征。