CN109782223A - 一种基于信号指纹匹配的室内定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于信号指纹匹配的室内定位方法及装置，包括机器人、无线信号发射设备、用户、定位服务器、路由器、定位AP和通信AP，所述的基于信号指纹匹配的室内定位方法其特征在于，该方法包括以下步骤：室内电子地图指纹采集；用户位置信息指纹采集；采用相位准则及采用幅度准则计算最优定位信息。一种基于信号指纹匹配的室内定位装置，还包括室内地图生成设备、定位AP带有位置指纹参数提取及计算模块，定位服务器还包括位置指纹参数处理及存储模块。本发明设计了一种基于信道状态信息的鲁棒定位参数，使得信号参数的变化对指纹匹配没有影响。

Description

一种基于信号指纹匹配的室内定位方法及装置

技术领域

本发明涉及室内定位技术，特别是一种利用Wi-Fi设备进行精确 定位的技术。

背景技术

位置信息，是移动互联网的基本要素，是物联网中重要的感知信 息，和人们的生产生活密切相关。室外定位和基于位置的服务已经发 展成熟，基于卫星导航和地图的位置服务被广泛应用，并成为各种移 动设备使用最多的应用之一。而人类80％以上的时间是在室内环境中 活动，如果能够解决室内定位问题，就能实现室内和室外的无缝衔接， 是导航领域的重大突破。

近十五年来，各种各样的室内定位技术层出不穷，包括谷歌、微 软、苹果、博通等在内的一些科技巨头，以及世界著名的大学都在研 究室内定位技术，其未来主要的应用领域包括：室内精准导航、大数 据分析、个性化营销、社交网络等。随着智能手机的普及，以及移动 互联网的发展，室内定位市场必将蓬勃发展、需求不断攀升，其商业 化也将带来一波创新高潮。

室内定位技术主要有：红外线、超声波、射频识别、蓝牙、超宽 带、以及无线局域网(WLAN，即Wi-Fi，基于IEEE 802.11协议)等。 与Wi-Fi相比，其它室内定位系统均需要部署专用的硬件设备，导致 成本高昂；Wi-Fi技术自诞生以来，拥有庞大的客户群体且已经广泛部署。截止到2017年末，Wi-Fi设备累计出货量接近200亿台。Wi-Fi 不仅可以连接笔记本和智能手机等上网设备，还可以连接电视、音响、 灯具等家用电器，甚至将渗透进入智能联网汽车等领域。未来，Wi-Fi 将是物联网和5G网络的重要支撑技术。人们除了通过Wi-Fi设备进 行信息传输外，还可以利用Wi-Fi设备进行精确定位。尤其是室内， 卫星导航等技术由于信号遮挡，导航接收机接收到的信号受到衰落和 散射，无法正确解析当前位置，导致位置信息无法获得。因此，利用 广泛部署的Wi-Fi设备接续定位功能具有重要的现实意义。目前基于 Wi-Fi的室内定位精度为3米左右，还没有实现高精度的定位。因此， 研究基于Wi-Fi的室内定位技术具有广阔的前景和重要的意义。

本专利基于信道状态信息(CSI)，因此需要描述信道状态信息的 获取。信道状态信息的英文全称Channel State Information：信号 从发射端到接收端之间的信道对发射信号进行的幅度衰减、相位偏移、 多径叠加等综合效应称为信道状态信息。

Wi-Fi系统的物理层汇聚协议数据单元(PPDU)通常是通过正交 频分复用(OFDM)波形传输，假设OFDM波形的子载波数量为N，载 波频率为f_c，q指第q个子载波，j为虚数单位，传输信号可以表示 为

其中，是传输的调制信号，P_s是发射的信号功率，Δf_c是频 偏，是相偏，T和G分别是符号时长与循环前缀时长。传输信号 的等效复信号为：

假设多径信道由M条路径组成，是t时刻多径信道的信道冲击响 应函数，可以表示为：

其中，α_k和τ_k分别是第k条路径的衰落系数和时延，δ(t)是冲击函数， 接收端等效复信号可以表示为

其中，是接收端噪声，*是卷积操作。经过下变频和低通滤波， 信号可以表示为

其中，LPF[·]表示低通滤波。假设发射端信号在t＝0时刻发射， 则信号在t＝t₀时刻到达接收端。图1展示了Wi-Fi信号在VHT(高吞 吐量模式)模式下传输时物理层汇聚协议数据单元(PPDU)的信号 格式，如图1所示，信道状态信息通过L-LTF(L-LTF：Legacy LongTraining Field传统长训练字段)的T₁和T₂部分进行估计，GI2＝1.6us， GI＝0.8us。计算表达式为

其中，是第i个子载波的信道状态信息估计值表达式，d_i是第i个子 载波的已知符号，Δt是符号同步定时误差。

通过对信号进行指纹采集及指纹匹配计算出待定位设备的位置。 指纹指：发射的同一类型信号在室内不同位置的信号特征参数。其独 立性体现在不同位置信号特征参数差异性，稳定性体现在当发射信号 功率不同、频偏不同、同步定时误差不同、相偏不同等条件下，同一 位置信号特征参数不变。在指纹采集阶段，第i个子载波的信道状态 信息值为在指纹匹配阶段，第i个子载波的信道状态信息值为 现有技术方案的匹配准则是

在指纹采集阶段，获得不同位置的在指纹匹配阶段，将 测量的某一位置的与不同位置的作欧式距离度量，将欧式 距离最小值对应的所对应的位置输出，作为待定位设备的位置。

上述技术方案没有考虑信号参数对信道状态信息的影响，假设 P_s是发射的信号功率，Δf_c是频偏，Δt是符号同步定时误差，是相 偏，在同一位置，即使不考虑噪声对信道状态信息的影响，由于信号 参数的不同，指纹采集阶段的与指纹匹配阶段的并不相等。 因此，现有技术方案对信号参数缺乏鲁棒性。

发明内容

本发明设计一种基于信道状态信息的鲁棒定位参数，使得信号参 数的变化对指纹匹配没有影响。在同一位置，假设指纹采集阶段和指 纹匹配阶段的信号功率不同、频偏不同、同步定时误差不同、相偏不 同，但是经过鲁棒设计的基于信道状态信息的参数，即指纹采集阶段 和指纹匹配阶段的定位参数相同(不考虑噪声的影响)。

本发明内容如下：

一种基于信道状态信息的室内定位方法及装置，包括机器人、无 线信号发射设备、用户、定位服务器、定位AP和通信AP，所述的基 于信道状态信息的室内定位方法其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、室内电子地图指纹采集；

S2、用户位置信息指纹采集；

S3、计算最优位置信息。

其中S1室内电子地图指纹采集，包括以下步骤：

S1-1根据精度要求对室内进行网格划分制作室内电子地图，采用 纵横交叉的方式，将地面划分成一个个正方形的网格；

S1-2机器人手持无线信号发射设备按照室内电子地图划分的网 格在不同的位置，使用指定的频段发射训练波形到定位AP，定位AP 接收后提取室内电子地图指纹参数并发送到定位服务器；

某一位置(x,y)(x和y分别是横坐标和纵坐标)第i个子载波与第l 个子载波的信道状态信息分别为和此位置的室内电子 地图指纹参数为：

其中S2用户位置信息指纹采集，包括以下步骤：

S2-1用户向通信AP发起定位申请；

S2-2通信AP将用户所使用的协议和MAC地址发送给定位服务器；

S2-3定位服务器根据通信AP所属的位置预估用户的位置，查询 附近的定位AP空闲的频点并决定参与定位的AP和工作频点；

S2-4定位服务器通知参与定位的AP在指定的频点上以指定的 带宽等待用户发射训练序列；

S2-5定位服务器通知通信AP确定用户以其使用的协议在某一频 点发射训练序列；

S2-6通信AP通知用户同意定位申请并准备开始发射训练序列；

S2-7定位AP接收到用户所发射的训练序列并进行信道估计，某 一位置(u,v)(u和v分别是横坐标和纵坐标)第i个子载波与第l个子 载波的信道状态信息分别为和此用户位置指纹参数为：

S2-8定位AP将用户位置指纹参数发送给定位服务器；

其中S3计算最优位置信息，包括以下步骤：

S3-1定位服务器遍历可能的位置，将存储的室内电子地图位置 指纹参数与接收到的用户位置指纹参数进行匹配计算，输出最优匹配 值对应的用户位置；

假设通信协议所传输的非零子载波的范围是-P～-Q和Q～P，一 共2(P-Q+1)个子载波。如果参与定位的AP的数量为L个，第k个定位 AP采集到的室内位置指纹参数和用户位置指纹参数分别为

最优的准则采用幅度准则，计算方法为

其中，是定位服务器输出的最优位置；其中，指求 解使得函数f(x,y)最小的自变量x和自变量y的值，|·|取绝对值；

S3-2定位服务器将估计出的用户位置以及MAC地址发送给通信 AP；

S3-3通信AP按照MAC地址将用户位置发送给用户；

S3-4用户根据接收到的信息将自己所处的位置显示在室内电子地 图上。

其中S3计算最优位置信息采用相位准则，则计算方法为

假设通信协议所传输的非零子载波的范围是-P～-Q和Q～P，一共2(P-Q+1)个子载波。如果参与定位的AP的数量为L个，第k个定位 AP采集到的室内位置指纹参数和用户位置指纹参数分别为

最优的准则采用相位准则，计算方法为：

其中，指求解使得函数f(x,y)最小的自变量x和自变量y 的值，arg[]取相位主值。同样的，是定位服务器输出的基于相 位准则的最优位置；

一种基于信道状态信息的室内定位装置，包括机器人、无线信号 发射设备、用户、定位服务器、定位AP和通信AP，各设备之间通过 Wi-Fi进行信息传输，其特征在于，该装置还包括室内地图生成模块、 定位AP带有位置指纹参数提取及计算模块，定位服务器还包括位置 指纹参数处理及存储模块。

附图说明

图1汇聚协议数据单元(PPDU)的信号格式；

图2一种基于信道状态信息的室内定位装置的结构示意图；

图3一种基于信道状态信息的室内定位方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图2和附图3对本发明进行具体阐述。图2为一种基 于信道状态信息的室内定位装置的结构示意图；图3为一种基于信道 状态信息的室内定位方法的流程示意图。

本发明的主要工作流程如下：

首先根据需求生成室内电子地图；

机器人手持无线信号发射器使用指定的频段发射训练波形并将 室内地图中的位置信息发送到定位AP；

定位AP的位置指纹参数提取及计算模块接收后提取室内电子地 图位置指纹参数并发送到定位服务器；

用户向通信AP发起定位申请；

通信AP将用户所使用的协议和MAC地址发送给定位服务器；

定位服务器根据通信AP所属的位置预估用户的位置，查询附近的 定位AP空闲的频点并决定参与定位的AP和工作频点；

定位服务器通知参与定位的AP在指定的频点上以指定的带宽等 待用户发射训练序列；

定位服务器通知通信AP确定用户以其使用的协议在某一频点发 射训练序列；

通信AP通知用户同意定位申请并准备开始发射训练序列；

定位AP接收到用户所发射的训练序列并进行信道估计，输出用 户位置指纹参数；

定位AP将用户位置指纹参数发送给定位服务器；

定位服务器遍历可能的位置，将存储的室内电子地图位置指纹参 数与接收到的用户位置指纹参数进行匹配计算，输出最优匹配值对应 的用户位置；

定位服务器将估计出的用户位置以及MAC地址发送给通信AP；

通信AP按照MAC地址将用户位置发送给用户；

用户根据接收到的信息将自己所处的位置显示在室内电子地图上；

定位AP接收到用户所发射的下一帧训练序列并进行信道估计，计 算出测量值；

定位AP重复用户位置指纹的采集及传输直至定位服务器计算出 最优匹配值对应的用户位置；

用户向通信AP发出终止定位申请；

通信AP将用户终止定位的申请送给服务器；

服务器通知参与定位的AP释放资源；

服务器将同意终止定位的回复及对应的MAC地址发送给通信AP；

通信AP按照MAC地址将终止定位的回复发送给用户；

用户退出定位程序并关闭电子地图。

需要进一步说明的是网格划分采用纵横交叉的方式，将地面划分 成一个个正方形的网格。根据需求确定精度，假如定位精度要求为米 级，则网格精度为分米级。例如：定位精度要求1米以内，则网格精 度为2分米，即网格正方形的边长为2分米。同时网格划分还需要考 虑指纹库采集和运维的负担。在满足定位精度的前提下，应尽可能的 降低网格精度，达到降低指纹库数据量及提高指纹匹配效率的目的。

无线信号发射设备终端通常指手机，PAD等可以发射Wi-Fi信号 的手持设备。指定频段指按照中国工业和信息化部要求，Wi-Fi信号 发射频段在2.4G和5.8G，具体频点和带宽要求参考工业和信息化部 相关政策法规文件。

定位AP接收到用户所发射的训练序列并进行信道估计，某一位 置(u,v)(u和v分别是横坐标和纵坐标)第i个子载波与第l个子载波 的信道状态信息分别为和此用户位置指纹参数为

进行室内地图位置信息指纹采集时第i个子载波与第l个子载波 的信道状态信息分别为和进行用户位置信息指纹采集时 第i个子载波与第l个子载波的信道状态信息分别为和若 采用的室内地图位置信息指纹参数和用户位置信息指纹参数分别为

最优的准则采用幅度准则，计算方法为

其中，是定位服务器输出的最优位置；其中，指求

解使得函数f(x,y)最小的自变量x和自变量y的值，|·|取绝对值； 最优的准则采用相位准则，计算方法为：

其中，指求解使得函数f(x,y)最小的自变量x和自变 量y的值，arg[]取相位主值。同样的，是定位服务器输出的基于 相位准则的最优位置；

幅度匹配方案为

相位匹配方案为

其中，arg[]取相位主值，c是某一常数。

根据相关的数学推导，其中T是单个OFDM符号 的时长，Δt₁是指纹采集阶段的符号定时误差，Δt₂是指纹匹配阶段的 符号定时误差。由于每次进行指纹匹配时Δt₂不同，因此c值也不同。 但对于某次指纹匹配，c值是固定的，即为某一常数。

指纹采集阶段和指纹匹配阶段的信号功率不同、频偏不同、同步 定时误差不同、相偏不同，若采用式(7)的匹配方案，在不考虑噪 声的前提下，即使在同一位置，式(7)并不等于0；若在指纹采集 阶段和指纹匹配阶段分别采用式(13a)和式(13b)的表达式作为定位参数，采用式(14)或者式(15)作为匹配方案，则在不考虑噪声 的前提下，在同一位置，式(11)(采用式(14)的匹配方案)和式 (12)(采用式(15)的匹配方案)都等于0。因此，现有技术方案 对信号参数具有鲁棒性。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创 造，凡在本发明创造的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和 改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于信号指纹匹配的室内定位方法及装置，包括机器人、无线信号发射设备、用户、定位服务器、路由器、定位AP和通信AP，所述的基于信道状态信息的室内定位方法其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、室内电子地图指纹采集；

S2、用户位置信息指纹采集；

S3、计算最优定位信息。

2.根据权利要求1所述的基于信道状态信息的室内定位方法，其特征在于，其中步骤S1室内电子地图指纹采集，包括以下步骤：

S1-1根据精度要求对室内进行网格划分制作室内电子地图，采用纵横交叉的方式，将地面划分成一个个正方形的网格；

S1-2机器人手持无线信号发射设备按照室内电子地图划分的网格在不同的位置，使用指定的频段发射训练波形到定位AP，定位AP接收后提取室内电子地图位置指纹参数并发送到定位服务器；

室内某一位置(x,y)(x和y分别是横坐标和纵坐标)第i个子载波与第l个子载波的信道状态信息分别为和此位置的室内电子地图指纹参数为：

是第i个子载波的信道状态信息估计值表达式，定义为公式(6)，推导过程如下：

Wi-Fi系统的物理层汇聚协议数据单元(PPDU)通常是通过正交频分复用(OFDM)波形传输，假设OFDM波形的子载波数量为N，发射端信号在t时刻发射，在t+t₀时刻到达接收端；传输信号的等效复信号为：

其中，是传输的调制信号，P_s是发射的信号功率，载波频率为f_c，是相偏，T是符号时长，q指第q个子载波，j为虚数单位，Δf_c是频偏；

多径信道由M条路径组成，是t时刻多径信道的信道冲击响应函数，表示为：

其中，α_k和τ_k分别是第k条路径的衰落系数和时延，δ(t)是冲击函数，接收端等效复信号可以表示为：

其中，是接收端噪声，*是卷积操作；经过下变频和低通滤波，接收端信号可以表示为：

其中，LPF[·]表示低通滤波；推导出

其中，是第i个子载波的信道状态信息估计值表达式，d_i是第i个子载波的已知符号，Δt是符号同步定时误差。

3.根据权利要求1所述的基于信号指纹匹配的室内定位方法，其特征在于，其中步骤S2用户位置信息指纹采集，包括以下步骤：

S2-1用户向通信AP发起定位申请；

S2-2通信AP将用户所使用的协议和MAC地址发送给定位服务器；

S2-3定位服务器根据通信AP所属的位置预估用户的位置，查询附近的定位AP空闲的频点并决定参与定位的AP和工作频点；

S2-4定位服务器通知参与定位的AP在指定的频点上以指定的带宽等待用户发射训练序列；

S2-5定位服务器通知通信AP确定用户以其使用的协议在某一频点发射训练序列；

S2-6通信AP通知用户同意定位申请并准备开始发射训练序列；

S2-7定位AP接收到用户所发射的训练序列并进行信道估计，某一位置(u,v)(u和v分别是横坐标和纵坐标)第i个子载波与第l个子载波的信道状态信息分别为和此用户位置指纹参数为：

S2-8定位AP将用户位置指纹参数发送给定位服务器。

4.根据权利要求1所述的基于信号指纹匹配的室内定位方法，其特征在于，其中步骤S3计算最优定位信息，包括以下步骤：

S3-1定位服务器遍历可能的位置，将存储的室内电子地图位置指纹参数与接收到的用户位置指纹参数进行匹配计算，输出最优匹配值对应的用户位置；

假设通信协议所传输的非零子载波的范围是-P～-Q和Q～P，一共2(P-Q+1)个子载波。如果参与定位的AP的数量为L个，第k个定位AP采集到的室内位置指纹参数和用户位置指纹参数分别为：

最优的准则采用幅度准则，计算方法为

其中，是定位服务器输出的最优位置；其中，指求解使得函数f(x,y)最小的自变量x和自变量y的值，|·|取绝对值；

S3-2定位服务器将估计出的用户位置以及MAC地址发送给通信AP；

S3-3通信AP按照MAC地址将用户位置发送给用户；

S3-4用户根据接收到的信息将自己所处的位置显示在室内电子地图上。

5.根据权利要求3所述的基于信道状态信息的室内定位方法，其特征在于，其中S3计算最优定位信息采用相位准则，则计算方法为

假设通信协议所传输的非零子载波的范围是-P～-Q和Q～P，一共2(P-Q+1)个子载波。如果参与定位的AP的数量为L个，第k个定位AP采集到的室内位置指纹参数和用户位置指纹参数分别为：

最优的准则采用相位准则，计算方法为：

其中，指求解使得函数f(x,y)最小的自变量x和自变量y的值，arg[]取相位主值同样的，是定位服务器输出的基于相位准则的最优位置。

6.一种基于信号指纹匹配的室内定位装置，包括机器人、无线信号发射设备、用户、定位服务器、路由器、定位AP和通信AP，其特征在于，该装置还包括室内地图生成设备、定位AP带有位置指纹参数提取及计算模块，定位服务器还包括位置指纹参数处理及存储模块。