CN110087310B - 一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，具体为：给定一个无线定位网络；求出每一个目标节点接收信号的信干噪比，构造筛选模型；采用泰勒线性法处理筛选模型，获得信干噪比松弛向量；筛选出能够有效定位的目标节点；确定锚节点发射信号的波形，求出目标节点接收信号等效带宽和定位信息强度；构造最小平方定位误差模型；处理定位误差模型，得到最小定位误差和最优资源分配。本发明通过对锚节点与干扰节点进行联合资源分配，不但能够保证定位网络与定位无关网络的正常运行，而且降低了无线定位网络的定位误差，另外在模型中对接收信号的信干噪比作出约束，使得定位网络具有更强的鲁棒性。

Description

一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及室内定位技术领域，具体涉及一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法。

背景技术

室内无线定位技术是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。常见的室内无线定位技术还有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波定位技术。

定位精度是评价一个无线定位网络性能的核心标准，而影响定位精度的因素有许多，其中包括锚节点的密度和信号发射的功率。无论是增加锚节点的数量，还是增大信号发射功率，都是高成本、高复杂度的做法。因此，在资源受限和低复杂度的要求下，对系统资源优化分配将是提高定位精度的有效途径。

随着研究的深入，室内无线定位网络中分配的资源种类越来越多。但是，它们都忽略了定位网络附近可能存在其他网络，而这些与定位无关的网络往往会给定位带来干扰。这些干扰不仅降低了定位精度，而且会影响目标节点对锚节点信号的识别。

所以，需要一个新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，通过将资源分配问题转化为两个非线性约束问题，然后利用泰勒线性法依次对两个模型进行求解，从而得到无线定位网络的最优资源分配，提高定位精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供了一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，包括步骤如下：

1)给定一个无线定位网络，目标节点的坐标O_i＝[x_i,y_i]^T,i＝1,2,…,N_a，锚节点的坐标A_j＝[x_i,y_i]^T,j＝1,2,…,N_b，干扰节点位置J_k＝[x_i,y_i]^T,k＝1,2,…,N_c；

2)求出每一个目标节点接收信号的信干噪比SINR_i，构造筛选模型；

3)采用泰勒线性法处理筛选模型，获得信干噪比松弛向量ρ；

4)根据松弛阈值条件ε，筛选出能够有效定位的目标节点O_l',l＝0,1,…,N_d且N_d≤N_a；

5)确定锚节点发射信号的波形s(t)，求出目标节点接收信号等效带宽η和定位信息强度λ_ij；

6)求出每一个能够有效定位目标节点的平方定位误差E_l,l＝0,…,N_d，构造最小平方定位误差模型；

7)采用泰勒线性法处理最小平方定位误差模型，得到最小定位误差

和最优资源分配θ_opt。

进一步地，所述步骤2中每一个目标节点接收信号的信干噪比

其中

d_ij是目标节点i与锚节点j之间的距离，d_ik是目标节点i与干扰节点k之间的距离，z_j是锚节点j的发射功率，p_k为干扰节点k的发射功率。构造筛选模型：

subject to z_min≤z_j≤z_max

p_min≤p_k≤p_max

SINR_i≥SINR_thr-ρ_i

0≤ρ_i≤SINR_thr

其中，ρ_i是目标节点i接收信号的信干噪比的松弛量，ρ_i越大表明该目标节点的信干噪比越低。

进一步地，所述步骤3中定义μ＝[Z^T,P^T]^T，松弛向量

泰勒线性法处理筛选模型的具体步骤为：

a)设置迭代次数n＝0，收敛阈值μ_thr，均匀地选取初始点μⁿ；

b)将约束条件中的SINR_i替换为其在μⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

c)在约束变量中引入关于μ的置信区间||μ-μⁿ||₂≤σ；

d)采用非线性规划求解这个最优化问题，得到Δμ；

e)更新迭代次数n＝n+1，μⁿ＝μ^n-1+Δμ；

f)若||Δμ||₂≥||μ_thr||₂，转到b)，否则，结束并输出ρ。

进一步地，所述步骤4中根据松弛阈值条件ε，筛选出能够有效定位的目标节点O_l'的方法为：将松弛向量ρ的每一项依次与ε比较，若ρ_i＜ε，将对应O_i记为能够有效定位，否则记为不可有效定位。遍历ρ后得到能够有效定位的目标节点O_l',l＝0,…,N_d且N_d≤N_a。

进一步地，所述步骤5中目标节点接收信号等效带宽

其中s(f)是锚节点发射信号s(t)的傅里叶变换。信息强度

其中ξ_ij是与信号传播信道相关的因子。

进一步地，所述步骤6中能够有效定位目标节点的平方定位误差为

其中

为目标节点i与锚节点m之间的夹角。构造最小平方定位误差模型为：

subject to z_min≤z_j≤z_max

f_min≤f_j≤f_max

b_min≤b_j≤b_max

p_min≤p_k≤p_max

SINR_i≥SINR_thr-ε

其中，b_j和f_j分别是锚节点j发射信号的带宽和载频。

进一步地，所述步骤7中定义

θ＝[Z^T,F^T,B^T,P^T]^T。采用泰勒线性法处理最小平方定位误差模型的具体步骤为：

A)设置迭代次数n＝0，收敛阈值θ_thr，均匀地选取初始点θⁿ；

B)将约束条件中的SINR_i替换为其在θⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

C)将目标函数中的E_l替换为其在θⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

D)在约束变量中引入关于θ的置信区间||θ-θⁿ||₂≤σ'；

E)采用非线性规划求解这个最优化问题，得到Δθ；

F)更新迭代次数n＝n+1，θⁿ＝θ^n-1+Δθ；

G)若||Δθ||₂≥||θ_thr||₂，转到步骤B，否则，结束并输出最小定位误差

和最优资源分配θ_opt＝θⁿ。

本发明方法可应用于干扰环境下的目标定位，通过对目标节点接收信号的分析，将资源分配问题建模成两个非线性约束问题，然后利用凸优化理论中的泰勒线性法推导出具体迭代步骤，得到最优资源分配。

本发明在无线定位网络资源分配中，通过对目标节点进行预筛选，对干扰网络的资源分配，对接收信号信干噪比的约束，提高了定位系统的资源利用率，并且在提高定位精度的同时保证了定位系统的鲁棒性。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明对待定位的目标节点进行预筛选，抛弃了无效目标节点，提高了定位系统资源利用率。

2、本发明引入了对干扰网络的资源分配，更加逼近实际室内环境，提高了定位系统的定位精度。

3、本发明通过增加对接收信号信干噪比的约束，避免了由于信干噪比过低导致目标节点无法识别锚节点所发射的信号，增强了定位系统的鲁棒性。

4、本发明采用泰勒线性法对模型进行求解，能够有效降低定位误差，同时降低资源分配过程中的计算量，达到较好的定位效果。

附图说明

图1为干扰环境下无线定位示意图；

图2为不同资源分配方法的定位效果对比图，其中衡量指标采用的是平方定位误差(SPEB)；

图3为本发明的整体的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例1：

如图1和图3所示，本发明提供一种无线定位网络资源分配的方法，包括如下步骤：

1)给定一个无线定位网络，目标节点的坐标O_i＝[x_i,y_i]^T,i＝1,2,…,N_a，锚节点的坐标A_j＝[x_i,y_i]^T,j＝1,2,…,N_b，干扰节点位置J_k＝[x_i,y_i]^T,k＝1,2,…,N_c。

2)求取每一个目标节点接收信号的信干噪比

其中

d_ij是目标节点i与锚节点j之间的距离，d_ik是目标节点i与干扰节点k之间的距离，z_j是锚节点j的发射功率，p_k为干扰节点k的发射功率，构造筛选模型：

subject to z_min≤z_j≤z_max

p_min≤p_k≤p_max

SINR_i≥SINR_thr-ρ_i

0≤ρ_i≤SINR_thr

其中，ρ_i是目标节点i接收信号的信干噪比的松弛量，ρ_i越大表明该目标节点的信干噪比越低。

3)采用泰勒线性法处理筛选模型，获得信干噪比松弛向量ρ。定义μ＝[Z^T,P^T]^T，松弛向量

泰勒线性法处理筛选模型，其具体步骤为：

a)设置迭代次数n＝0，收敛阈值μ_thr，均匀地选取初始点μⁿ；

b)将约束条件中的SINR_i替换为其在μⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

c)在约束变量中引入关于μ的置信区间||μ-μⁿ||₂≤σ；

d)采用非线性规划求解这个最优化问题，得到Δμ；

e)更新迭代次数n＝n+1，μⁿ＝μ^n-1+Δμ；

f)若||Δμ||₂≥||μ_thr||₂，转到步骤b，否则，结束并输出ρ；

4)根据松弛阈值条件ε，筛选出能够有效定位的目标节点O_l'的方法为：将松弛向量ρ的每一项依次与ε比较，若ρ_i＜ε，将对应O_i记为能够有效定位，否则记为不可有效定位，遍历ρ后得到能够有效定位的目标节点O_l',l＝0,…,N_d且N_d≤N_a。

5)确定锚节点发射信号的波形s(t)，求出目标节点接收信号等效带宽η和定位信息强度λ_ij。这里假设锚节点发射信号的波形s(t)为sinc波形，其满足

且∫|s(f)|²df＝1，其中s(f)是锚节点发射信号s(t)的傅里叶变换，目标节点接收信号等效带宽

信息强度

其中ξ_ij是与信号传播信道相关的因子，在室内环境中，本实施例选取ξ_ij＝10⁴。

6)求出每一个能够有效定位目标节点的平方定位误差为

其中

为目标节点i与锚节点m之间的夹角，构造最小平方定位误差模型为：

subject to z_min≤z_j≤z_max

f_min≤f_j≤f_max

b_min≤b_j≤b_max

p_min≤p_k≤p_max

SINR_i≥SINR_thr-ε

其中，b_j和f_j分别是锚节点j发射信号的带宽和载频。

7)采用泰勒线性法处理最小平方定位误差模型，得到最小定位误差

和最优资源分配θ_opt，其具体为：

定义

θ＝[Z^T,F^T,B^T,P^T]^T，采用泰勒线性法处理最小平方定位误差模型的具体步骤为：

A)设置迭代次数n＝0，收敛阈值θ_thr，均匀地选取初始点θⁿ；

B)将约束条件中的SINR_i替换为其在θⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

C)将目标函数中的E_l替换为其在θⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

D)在约束变量中引入关于θ的置信区间||θ-θⁿ||₂≤σ'；

E)采用非线性规划求解这个最优化问题，得到Δθ；

F)更新迭代次数n＝n+1，θⁿ＝θ^n-1+Δθ；

G)若||Δθ||₂≥||θ_thr||₂，转到步骤B，否则，结束并输出最小定位误差

和最优资源分配θ_opt＝θⁿ。

实施例2：

在[0,10]x[0,10]的方形区域中，随机生成了1～10个目标节点。如图2所示，横坐标N_a表示目标节点数目，纵坐标Total SPEB表示这N_a个目标节点的定位误差和。分别利用JPSA、JPBA、和本文的RA方法对定位系统进行资源分配，很显然本文的RA方法的定位误差和最小，定位效果最佳。

Claims (6)

1.一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)给定一个无线定位网络，目标节点的坐标O_i＝[x_i,y_i]^T,i＝1,2,…,N_a，锚节点的坐标A_j＝[x_j,y_j]^T,j＝1,2,…,N_b，干扰节点位置J_k＝[x_k,y_k]^T,k＝1,2,…,N_c；

2)求出每一个目标节点接收信号的信干噪比SINR_i，构造筛选模型；

3)采用泰勒线性法处理筛选模型，获得信干噪比松弛向量ρ；

4)根据松弛阈值条件ε，筛选出能够有效定位的目标节点O′_l,l＝0,1,…,N_d，且N_d≤N_a；

5)确定锚节点发射信号的波形s(t)，求出目标节点接收信号等效带宽η和定位信息强度λ_ij；

6)求出每一个能够有效定位目标节点的平方定位误差E_l,l＝0,…,N_d，构造最小平方定位误差模型；

7)采用泰勒线性法处理最小平方定位误差模型，得到最小定位误差

和最优资源分配θ_opt；

所述步骤2中每一个目标节点接收信号的信干噪比

其中

d_ij是目标节点i与锚节点j之间的距离，d_ik是目标节点i与干扰节点k之间的距离，z_j是锚节点j的发射功率，p_k为干扰节点k的发射功率，构造筛选模型：

subject to z_min≤z_j≤z_max

p_min≤p_k≤p_max

SINR_i≥SINR_thr-ρ_i

0≤ρ_i≤SINR_thr

其中，ρ_i是目标节点i接收信号的信干噪比的松弛量，ρ_i越大表明该目标节点的信干噪比越低。

2.根据权利要求1所述的一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，其特征在于：所述步骤3中定义μ＝[Z^T,P^T]^T，松弛向量

泰勒线性法处理筛选模型的具体步骤为：

a)设置迭代次数n＝0，收敛阈值μ_thr，均匀地选取初始点μⁿ；

b)将约束条件中的SINR_i替换为其在μⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下：

c)在约束变量中引入关于μ的置信区间||μ-μⁿ||₂≤σ；

d)采用非线性规划求解这个最优化问题，得到Δμ；

e)更新迭代次数n＝n+1，μⁿ＝μ^n-1+Δμ；

f)若||Δμ||₂≥||μ_thr||₂，转到步骤b，否则，结束并输出ρ。

3.根据权利要求1所述的一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，其特征在于：所述步骤4中根据松弛阈值条件ε，筛选出能够有效定位的目标节点O′_l的方法为：将松弛向量ρ的每一项依次与ε比较，若ρ_i＜ε，将对应O_i记为能够有效定位，否则记为不可有效定位，遍历ρ后得到能够有效定位的目标节点O′_l,l＝0,…,N_d且N_d≤N_a。

4.根据权利要求1所述的一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，其特征在于：所述步骤5中目标节点接收信号等效带宽

其中，s(f)是锚节点发射信号s(t)的傅里叶变换，信息强度

其中ξ_ij是与信号传播信道相关的因子，z_j是锚节点j的发射功率，d_ij是目标节点i与锚节点j之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，其特征在于：所述步骤6中能够有效定位目标节点的平方定位误差为

其中

为目标节点i与锚节点m之间的夹角，构造最小平方定位误差模型为：

subject to z_min≤z_j≤z_max

f_min≤f_j≤f_max

b_min≤b_j≤b_max

p_min≤p_k≤p_max

SINR_i≥SINR_thr-ε

其中，b_j和f_j分别是锚节点j发射信号的带宽和载频，

z_j是锚节点j的发射功率，p_k为干扰节点k的发射功率。

6.根据权利要求5所述的一种干扰环境下无线定位网络资源分配方法，其特征在于：所述步骤7中定义

θ＝[Z^T,F^T,B^T,P^T]^T，其中

采用泰勒线性法处理最小平方定位误差模型的具体步骤为：

A)设置迭代次数n＝0，收敛阈值θ_thr，均匀地选取初始点θⁿ；

B)将约束条件中的SINR_i替换为其在θⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

C)将目标函数中的E_l替换为其在θⁿ处的一阶泰勒展开，其具体如下:

D)在约束变量中引入关于θ的置信区间||θ-θⁿ||₂≤σ'；

E)采用非线性规划求解这个最优化问题，得到Δθ；

F)更新迭代次数n＝n+1，θⁿ＝θ^n-1+Δθ；

G)若||Δθ||₂≥||θ_thr||₂，转到步骤B，否则，结束并输出最小定位误差

和最优资源分配θ_opt＝θⁿ。

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