CN107819547B - 一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，包括以下步骤：首先设计声波信号的帧结构；然后设置信标节点优选码率集合，根据已知的信标节点位置信息推导码元时长，并在优选码率集合中选择最优码率对信标节点进行设置；根据优选码率集合预设移动节点的可用码率，移动节点在定位过程中根据STFT谱估计出码元时长，并自适应地在优选码率集合中选择最接近的码率，实现码率判决。该方法有效解决了声波室内定位中声波信号帧码率调整这一关键技术问题，确保解码可靠性的同时达到提高码速率的设计目标，进而缩短定位周期、提高定位性能。

Description

一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，更具体地，涉及一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法。

背景技术

随着移动互联网的发展和智能移动终端的普及，基于位置的服务得到广泛关注，其应用已经极大改变了人们的生活，定位技术有着巨大的需求和广阔的前景，在室外，GPS定位技术得到广泛应用，但在室内GPS信号衰减过大，难以实现有效的定位。但是，在大型购物中心、会展馆、图书馆、博物馆、医院、机场、大型停车场、地下采矿业区等室内场所，对室内定位技术存在着迫切需求。室内定位技术可以实现人、物的定位与追踪，也可以实现各种基于位置的服务，研究意义和市场价值非常大，因此吸引了国内外众多研究者投身于这一领域，室内定位技术已成为研究热点。

目前已经提出多种室内定位技术，有基于WiFi、射频标签(RFID)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)、超声波、计算机视觉等技术，但由于技术复杂性、成本等方面的制约，这些技术并没有得到大规模应用。利用声波进行室内定位可充分利用室内场所的音频设备和广泛应用的智能手机等移动终端自带的麦克风和处理器等资源，此外，声波属于机械波，其传播速度比电磁波慢得多，因此利用声波进行室内定位对系统同步的要求低，这也降低了系统成本。可见，声波室内定位是一种低成本、推广性好的定位方法。

声波室内定位技术中，声波信号帧的码率调整是一个关键的技术问题，涉及能否根据定位环境的不同调整码元长度，以提高码率并降低误码，进而缩短定位周期和提高定位性能。本发明提供一种用于声波室内定位的信号帧码率调整方法，解决了声波室内定位中的这一关键技术问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，解决声波室内定位中声波信号帧的码率调整这一关键技术问题。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，包括以下步骤：

S1：设计声波信号的帧结构；

S2：设置信标节点优选码率集合，根据已知的信标节点位置信息推导码元时长，并在优选码率集合中选择最优码率对信标节点进行设置；

S3：根据优选码率集合预设移动节点的可用码率，移动节点根据STFT谱估计出码元时长，并在优选码率集合中自适应地选择最接近的码率，实现码率判决。

声波的频率范围是20～20kHz，考虑到室内环境下声波信号可能对人耳听觉产生干扰，应优选人耳听觉不敏感的频段，即小于但接近于20kHz频段的声波信号。

本发明选择二进制频移键控2FSK作为声波信号的调制方式。

一个码元包括信号部分和置空部分两部分，该结构可保证信息传输的稳定性、可靠性和信号解码的成功率，其中，信号部分持续时长为T_Sig，置空部分持续时长为T_Null。

一个完整的信号帧由一个起始帧、一个数据帧和一个结束帧组成。起始帧用于移动节点判决信标节点信号的到达、进行同步捕捉和测量各信标信号的到达时间信息。数据帧用于发送各信标节点的坐标信息。结束帧用于指示移动节点信号帧的结束。

步骤S2中对信标节点进行设置包括信标节点优选码率针对不同定位空间设置，由各信标位置信息计算出最大到达时间差或最长到达时间，推导码元结构中的信号部分的最小时长和置空时长，并在优选码率序列中选择最优码率。优选的是，大空间采用低码率(码元时长大)、小空间采用高码率(码元时长短)。

移动节点已知定位系统的优选码率集合，在进行起始帧同步时，移动节点根据STFT谱估计出码元时长，并在优选码率集合中选择最接近的码率，实现码率判决。移动节点完成起始帧同步后，获得了各信标信号的到达时间信息。由于时序上的顺序关系，实际上也实现了数据帧、结束帧的同步，可以基于起始帧的同步结果直接找到数据帧、结束帧的信号起始点，并利用时间信息识别数据帧、结束帧码元的信号部分，实现高效精确定位码元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)基于起始帧的同步结果直接找到数据帧、结束帧的信号起始点，并利用时间信息识别数据帧、结束帧码元的信号部分，实现高效精确定位码元。

2)根据各信标位置信息推导码元时长并选择最优码率对信标节点进行设置，达到确保解码可靠性的同时提高码速率的设计目标，进而缩短定位周期、提高定位性能。

附图说明

图1为本发明的定位系统框架图；

图2为本发明的系统定位示意图；

图3为声波信号的码元结构图；

图4为声波信号的信号帧结构图；

图5为叠加的信标起始帧示意图；

图6为信标节点硬件结构框图；

图7为精确定位码元示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，本发明的定位系统框架图主要包括信标节点和移动节点。信标节点是固定坐标系的参考点，本实施例采用TDOA定位算法，在三维空间定位至少需要4个信标，本实施例将4个信标安装于室内定位的环境中。移动节点是待定位的移动目标，本实施例中是可进行实时计算的移动平台。

图2是本发明的系统定位示意图，图中的节点m₁、m₂、m₃、m₄是系统的信标节点，对应坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)。节点s是待定位的移动节点，其坐标为(x,y,z)。定位的基本过程是：多个信标节点在系统同步信号控制下同时发射声波信号，移动节点接收到各信标发出的信号后进行同步、解调和解码，得出各信标信号到达时间信息和各信标的坐标信息，然后基于到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)算法在三维空间中确定移动节点s的坐标，基于TDOA类定位算法至少需要4个信标节点。

本实施例的调制方式选择二进制数字频移键控2FSK，并取f₁＝17kHz、f₂＝19kHz两个频率的声波信号作为2FSK调制信号，二进制码1映射为f₁＝17kHz，二进制码0映射为f₂＝19kHz。

信息码元结构如图3所示，其中，信号部分持续时长为T_Sig，置空部分持续时长为T_Null。一个完整的信号帧由一个起始帧、一个数据帧和一个结束帧组成，如图4所示，起始帧用于移动节点判决信标节点信号的到达、进行同步捕捉和测量各信标信号的到达时间信息。数据帧用于发送各信标节点的坐标信息。结束帧用于指示移动节点信号帧的结束。

本实施例对4个信标节点分别进行二进制编码，作为信标标识号(ID)。信标1为(10 0 0)，信标2为(0 1 0 0)，信标3为(0 0 1 0)，信标4为(0 0 0 1)，图2示出了本实施例中信标节点与信标标识号对应关系。各信标同时发送起始帧，在时间上叠加的结果如图5所示。将设计好的信标ID作为每个信标起始帧的数据信息，采用2FSK调制方式，将码1映射为频率为f₁的调制信号、码0映射为频率为f₂的调制信号。当各信标同时发送起始帧时，在时间上叠加的结果如图5所示。可见，这样的信标ID设计使得每个码元判决窗内仅有一个频率为f₁的调制信号，频率f₁即是用于识别信标的有效频率成分，记为f_δ，这样对起始帧的判决转变为对有效频率f_δ的判决，通过对起始帧叠加信号的每个码元频率成分的分析，移动节点可以判定对应的信标。

数据帧用于编码各信标节点的坐标信息。由于各信标同时发送数据帧，接收端接收到的是错位叠加在一起的数据报文，因此，本发明中，数据帧采用码分多址(CDMA)方式进行室内无线信道复用，先对信标的坐标信息进行二进制编码，再对编码信息用PN码进行扩频编码，经2FSK调制后发送。接收端对数据帧信息进行解调、解扩，分离出各个信标的信息。本实施例中，对信标节点的坐标信息进行3位二进制编码，如信标1的三维坐标是(0，6，3),则其编码为(000，110，011)，为了验证解码结果的准确性，在数据帧后附加奇偶校验码。

结束帧用于指示移动节点信号帧的结束。所有信标节点的结束帧相同，本实施例中，结束帧由全0码元组成，码元个数等于起始帧码元个数，4个信标的结束帧编码为(0 0 00)。

1.根据信标节点调整码元时长，设计方法如下：

a.确定室内定位环境中信标的布局和信标间的距离；

b.对于TDOA算法，由于三角形的两边之差小于第三边，因此，移动节点到信标节点的最大距离差ΔL_max等于信标间的最大距离；对于TOA算法，可由信标的空间几何关系，得出移动节点与信标的最大距离L_max；

c.设声波速度为c，则TDOA算法中的信号到达最大时间差为

对于TOA算法，可得出移动节点与信标的最大传播时间为

c.确保最大时间差Δt_max或最大传播时间t_max不得超过一个码元时长的α倍，0<α<1，由此求出码元的持续时长。

因此，码元中信号部分时长的确定公式为

实验发现：当α≤0.5时，即最大时间差Δt_max或最大时间t_max小于等于一个码元信号时长T_Sig的

时，对应的各信标信号最大错位小于半个码元信号时长，而重叠部分至少半个码元信号时长，可确保采集窗口有足够能量用于分辨信号的频率成分，从而提高对信号的捕捉成功率。因此本发明的设计方案取α≤0.5，继续减小α值则判决信号的可靠性增加，但同时降低了码速率。

置空部分的设计是为了解决了余振和信号到达时间差两方面的问题，设余振效应的时长为T_Vib，信标信号最大到达时间差为Δt_max，则置空时长T_Null的设计准则为：

T_Null≥T_Vib+Δt_max

通过实验测试不同置空时长、不同收发距离下对叠加信号的捕捉成功率，经实验验证，当置空时长T_Null大于等于码元信号持续时长T_Sig时，可获得较好的捕捉成功率，当T_Null大于等于2倍码元信号持续时长T_Sig时，可获得很好的捕捉成功率，因此本发明的设计方案为：

T_Null≥2T_Sig。

本发明提供的调整码率方法为：

(1)定位系统设置优选码率集合{T₁,T₂,…T_n}，分别对应不同的定位空间范围，大空间采用低码率(码元时长大)、小空间采用高码率(码元时长短)；

(2)由于室内定位环境中信标的布局和信标间的距离已知，由信标之间的最大距离推导出各信标到达信号的最大时间差Δt_max或最大传播时间t_max，并取α≤0.5，按本发明给出的公式求得时长

和T_Null，在优选码元时长集合{T₁,T₂,…T_n}中选择数值接近但又大于所求得值的码元时长。

(3)设置信标码率。

其中优选码元时长集合为{100ms,120ms,150ms}，对应的优选码元信号部分时长集合为{30ms,40ms,50ms}，具体为：

1)码元时长100ms：信号部分时长T_Sig＝30ms，置空时长T_Null＝70ms；

2)码元时长120ms：信号部分时长T_Sig＝40ms，置空时长T_Null＝80ms；

3)码元时长150ms：信号部分时长T_Sig＝50ms，置空时长T_Null＝100ms；

本实施例采用TDOA算法，针对如下不同应用环境调整码率。

A.小定位空间

本实施例中，小空间的节点m₁的坐标为(0，3，3)，m₂的坐标为(0，0，3)，m₃的坐标为(3，0，3)，m₄的坐标为(3，3，3)，坐标单位是米。

经实验验证，移动端采集和解析出各信标到达信号的最大时间差Δt_max＝11ms，按本发明给出的公式求得初始码元信号部分时长

在优选码元信号部分时长集合{30ms,40ms,50ms}中选择数值接近

但又大于

的码率作为码元信号部分时长，结果为T_Sig＝30ms，并按T_Null≥2T_Sig，取T_Null＝70ms。一个码元时长为T_Sig+T_Null＝30+70＝100ms，提高了码率、缩短了定位周期，并确保了解码可靠性。

B.中定位空间

本实施例中，中空间的节点m₁的坐标为(0，5，3)，m₂的坐标为(0，0，3)，m₃的坐标为(5，0，3)，m₄的坐标为(5，5，3)，坐标单位是米。

经实验验证，移动端采集和解析出各信标到达信号的最大时间差Δt_max＝16ms，按本发明给出的公式求得初始码元信号部分时长

在优选码元信号部分时长集合{30ms,40ms,50ms}中选择数值接近

但又大于

的码率作为码元信号部分时长，结果为T_Sig＝40ms，并按T_Null≥2T_Sig，取T_Null＝80ms。一个码元时长为T_Sig+T_Null＝40+80＝120ms，码率有所降低、同时确保了解码可靠性，提高了定位性能。

C.大定位空间

本实施例中，大空间的节点m₁的坐标为(0，7，3)，m₂的坐标为(0，0，3)，m₃的坐标为(7，0，3)，m₄的坐标为(7，7，3)，坐标单位是米。

经实验验证，移动端采集和解析出各信标到达信号的最大时间差Δt_max＝21ms，按本发明给出的公式求得初始码元信号部分时长

在优选码元信号部分时长集合{30ms,40ms,50ms}中选择数值接近

但又大于

的码率作为码元信号部分时长，结果为T_Sig＝50ms，并按T_Null≥2T_Sig，取T_Null＝100ms。一个码元时长为T_Sig+T_Null＝50+100＝150ms，降低了码率、同时确保了解码可靠性，提高了定位性能。

本实施例中，通过硬件方法对信标节点设置码率，图6为信标节点硬件结构框图，信标节点主要由微控制器(MCU)、电源模块、射频模块、串口模块以及扬声器模块组成。微控制器MCU是信标的控制核心，一般采用单片机芯片，电源模块为信标节点供电，射频模块能收发RF信号以便接收系统指令和传递数据，串口模块用于程序下载及调试，扬声器用于发射特定频率的声波信号。在信标模块中设置拨码开关，通过拨码开关可以改变2个MCU引脚的电平值，MCU读取这2个电平值组合来判断设置为哪种码率，2个MCU引脚的电平值有4种组合，可以满足本实施例的要求，即可以手动调整各个信标节点发射声波信号的码率。

2.移动节点自适应调整码率并精确定位码元

移动节点已知定位系统的优选码率集合{100ms,120ms,150ms}，在进行起始帧同步时，移动节点根据STFT谱估计出码元的时长，并由估计码元时长在码率集合{100ms,120ms,150ms}中选择最接近的码率，即判决出码率(码元时长)。

本实施例中，移动节点完成起始帧同步后，通过对起始帧的同步捕捉，得到对应的判决窗口滑动步数，将步数转化为时间，获得各信标信号的到达时间信息。

实现了起始帧同步后，由于时序上的顺序关系，实际上也实现了数据帧和结束帧的同步，可以基于起始帧的同步结果直接找到数据帧、结束帧的信号起始点，并利用已解析的时间差信息识别数据帧、结束帧码元的信号重叠部分，进行码元的高效精确定位。

设定位空间属于中定位空间，经起始帧同步已经获得4个信标的到达时间信息，设到达信号最大时间差为Δt_max为16ms，已知码元时长为120ms，其中信号部分的持续时长为T_Sig＝40ms，置空部分时长T_Null＝80ms。

如图7所示，以数据帧为例，进行数据帧码元判决时，将判决窗口时长设置为各信标码元中信号部分的重叠时长，即T_Sig-Δt_max＝40-16＝24ms。判决窗口每次滑动长度为T_Sig+T_Null＝120ms，按此滑动步长可以跳过置空部分进入下一码元的信号部分重叠区域，对下一码元进行判决。可见，上述码元定位方法中，只需判决信号每个独立码元叠加长度内的码元信息，以时长24ms作为判决窗口大小，判决窗口每次滑动120ms进行判决，实现了数据帧的高效精确定位，便于进行下一步的解调。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，用于采用数字机制的声波信号进行周期性发射，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设计声波信号的帧结构；

S2：设置信标节点优选码率集合，根据已知的信标节点位置信息推导码元时长，并在优选码率集合中选择最优码率对信标节点进行设置，其中，信标节点优选码率针对不同定位空间设置，由各信标位置信息计算出最大到达时间差或最长到达时间，推导码元结构中的信号部分的最小时长和置空时长，并在优选码率序列中选择最优码率；

S3：根据优选码率集合预设移动节点的可用码率，移动节点根据STFT谱估计出码元时长，并在优选码率集合中自适应地选择最接近的码率，实现码率判决。

2.根据权利要求1所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，其特征在于，步骤S1所述声波信号的帧结构包括起始帧、数据帧和结束帧。

3.根据权利要求2所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，其特征在于，所述声波信号为频率范围20～20kHz的声波信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法，其特征在于，步骤S2所述码元包括信号部分和置空部分。

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