CN110687503A - 一种基于背向散射的无线定位方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于背向散射的无线定位方法、装置及系统，包括为无线设备1附加背向散射电路标签；无线设备1接收无线设备2发射的信号和背向散射电路标签反弹的信号，并返回信道状态信息；分离信道状态信息得到背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息；计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对与无线设备1运动方向的夹角，定位无线设备2的位置。本发明在不需要接入点配备多天线的情况下，控制背向散射信号发射电路在反弹信号与吸收信号之间切换，实现无线设备之间的准确定位。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于背向散射的无线定位方法、装置及系统。
背景技术
众所周知，随着智能设备的兴起，根据位置信息提供的服务日益普及。在室内环境中，准确的位置信息有许多应用场景，例如，在商场中寻找丢失的孩子，在杂乱的仓库中跟踪货物，以及在紧急医院中重新安置设备等。据统计，全世界每年有近100万失踪儿童，为了帮助父母寻找他们的孩子，例如，在无线接入点的位置未知的购物中心、博物馆等，迫切需要高效准确的点对点定位技术。
可靠的位置信息是提供服务的基础。全球导航卫星系统(GNSS)在室外环境下为定位提供了一个直接的解决方案，使智能设备的大量户外应用成功商业化。然而，全球导航卫星系统信号在室内的环境下无法工作。最新研究进展表明，Wi-Fi室内定位技术已经在室内环境中实现分米级定位，Wi-Fi系统可以提供关于环境的可靠信息，例如收发器之间的信号到达角度(AoA，Angle of Arrival)和信号传播时间(ToF，Time of Flight)。并且，绝大多数智能设备都内嵌了Wi-Fi芯片，因此，可以通过获取Wi-Fi信号在室内环境下提供准确的位置信息。
传统的基于Wi-Fi的室内定位系统主要依赖天线阵列计算信号到达角，或利用大带宽信号计算信号传播时间来实现分米级定位。然而，由于可穿戴设备或手持设备，如智能手表、手机等，仅配备单天线，现有的Wi-Fi定位技术无法实现两个单天线设备之间的定位。
由此可见，现有的定位技术存在需要多个接入点、需要接入点配备多天线、需要实现知道接入点准确的位置信息的技术问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于背向散射的无线定位方法、装置及系统，旨在解决现有的技术存在需要多个接入点、需要接入点配备多天线、需要实现知道接入点准确的位置信息的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于背向散射的无线定位方法，包括以下步骤：
(1)为无线设备1附加背向散射电路标签；
(2)无线设备1接收无线设备2发射的信号和背向散射电路标签反弹的信号，并返回信道状态信息；
(3)无线设备1分离所述信道状态信息得到背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息；
(4)根据背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对与无线设备1运动方向的夹角，定位无线设备2的位置。
优选地，背向散射电路标签用于反弹无线信号，以改变无线信号的多径传播。
优选地，背向散射电路标签具有反弹信号和吸收信号的功能，两种功能之间可切换。
优选地，无线设备1和无线设备2包括任意可以进行Wi-Fi通信的设备。
优选地，当背向散射电路标签反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号和背向散射电路标签反弹的信号的总和；当背向散射电路标签不反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号。
优选地，计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角，包括：
无线设备1利用所述未经所述背向散射电路标签反弹的信道状态信息计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备1与无线设备2直射路径上的多普勒频移；无线设备1利用背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息计算无线设备2与所述背向散射电路标签间的距离、无线设备2与所述背向散射电路标签直射路径上的多普勒频移；无线设备1利用卡尔曼滤波融合所述距离估计和多普勒频移估计，得到无线设备1与无线设备2的最终距离估计和无线设备2与所述背向散射电路标签间的最终距离估计；
无线设备1利用无线设备1与无线设备2直射路径上的多普勒频移计算无线设备2相对于无线设备1在直射路径上的移动速度分量；无线设备1通过比较无线设备1与无线设备2的最终距离估计和无线设备2与所述背向散射电路标签的最终距离估计，结合背向散射电路标签和无线设备1之间的距离，得到无线设备2相对于无线设备1的运动速度；比较所述速度分量和所述运动速度得到无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角。
优选地，无线设备1在接收信号时，无线设备1运动，或者无线设备2运动，或者无线设备1和无线设备2同时运动。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于背向散射的无线定位装置，利用基于背向散射的无线定位装置实现无线设备2相对无线设备1的定位，无线定位装置包括背向散射信号控制器和背向散射信号发射电路；
背向散射信号控制器用于控制背向散射电路标签反弹信号或吸收信号，控制背向散射电路标签反弹或吸收信号的时间间隔与顺序，控制反射出去的信号的中心频率、幅值与相位，控制反弹出去的信号波形；
背向散射信号发射电路用于将背向散射信号控制器输出的控制信号转换为相应的电路参数，实现对信号的反弹、吸收或改变。
按照本发明的又一方面，提供了一种基于背向散射的无线定位系统，包括：
信号接收模块，用于为无线设备1附加背向散射电路标签，无线设备1接收无线设备2发射的信号和背向散射电路标签反弹的信号，并返回信道状态信息；
背向散射信号分离模块，用于无线设备1分离所述信道状态信息得到背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经所述背向散射电路标签反弹的信道状态信息；
参数估计模块，用于根据所述背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角；
定位模块，用于结合所述无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角定位无线设备2的位置。
优选地，当所述背向散射电路标签反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号和所述背向散射电路标签反弹的信号的总和；当所述背向散射电路标签不反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供了一种基于背向散射的无线定位装置，包含了背向散射信号控制器和背向散射信号发射电路，利用背向散射信号控制器控制背向散射信号发射电路在反弹信号与吸收信号之间切换，从而改变信号的多径传播特征，在不需要接入点配备多天线的情况下实现无线设备1相对无线设备2的夹角估计，最终实现定位；
(2)本发明提供了一种基于背向散射的无线定位系统，包含信号接收模块、背向散射信号分离模块、参数估计模块和定位模块，该系统利用背向散射电路标签反弹的信号和直接由发射端发送的信号实现无线设备间的定位，不需要事先部署基础设施，即便在未知环境中，即接入点数量、准确位置等信息未知时，也能实现无线设备之间的准确定位；
(3)本发明提供了一种基于背向散射的无线定位方法，设计所述背向散射电路标签附加在无线设备1周围，所述背向散射电路标签用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播，实现无线设备之间的定位。相比现有的技术，本发明方法无需使用昂贵的天线阵列或者巨大的通信带宽，并且无需对现有的无线设备进行任何硬件修改，所述方法适用于所有可以进行Wi-Fi通信的无线设备，即使无线设备上只配备单天线。
附图说明
图1(a)是本发明实例提供的分离信道状态信息的流程图；
图1(b)是本发明实施例提供的融合ToF和DFS估计距离的示意图；
图1(c)是本发明实例提供的估计设备运动方向和信号直射路径方向夹角的示意图；
图1(d)是本发明实例提供的结合距离估计和夹角估计定位的示意图；
图2是本发明实施例提供的从设备收到的原始信号中分离背向散射信号的流程图；
图3是本发明实施例提供的根据ToF估计的原始距离与融合ToF信息和DFS信息的距离估计的对比图；
图4是本发明实施例提供的发射端与接收端间直射路径信号与发射端相对于接收端运动方向的夹角估计原理示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。
在未知的环境中，即环境中的AP位置、天线数等信息未知时，无线设备1仅需利用一个功耗低、体积小、价格便宜的背向散射电路标签来定位无线设备2。比如，在商场或者博物馆中，父母可以利用身上佩戴的设备定位走失的孩子身上的无线设备。
基于此场景，我们设计体积小，功耗低、价格便宜的背向散射电路标签，其中背向散射电路标签包含背向散射信号控制器和背向散射信号发射电路；将背向散射电路标签附加在无线设备1周围，无线设备1可以是任意可以进行Wi-Fi通信的设备，如手机、手表等；背向散射电路标签用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播特征，最终帮助无线设备1定位无线设备2。
本发明设计所述背向散射电路标签附加在无线设备1周围，所述背向散射电路标签用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播；本发明实施例有四个步骤，包括：
(1)如图1(a)所示，无线设备2发射无线信号，无线设备1在运动的同时，接收无线设备2发射的信号和背向散射电路标签反弹的信号，并返回信道状态信息；无线设备1分离背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息；
(2)如图1(b)所示，无线设备1利用MUSIC算法计算与无线设备2间的ToF，无线设备1利用短时傅里叶变换计算无线设备1与无线设备2直射路径上的多普勒频移(DFS，DopplerFrequency Shift)、无线设备2与背向散射电路标签直射路径上的DFS，然后通过融合ToF和DFS得到最终的距离估计；
(3)如图1(c)所示，无线设备1通过比较无线设备2离无线设备1的距离和无线设备2离背向散射节点的距离估计运动速度，从而估计无线设备2相对与无线设备1运动方向的角度；
(4)如图1(d)所示，无线设备1结合角度和距离计算无线设备2的位置。
具体的，无线设备2发射无线信号，无线设备1接收信号，当所述背向散射电路标签反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号和背向散射电路标签反弹的信号的总和；当背向散射电路标签不反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号；无线设备1根据接收到的信号计算信道状态信息。
如图2所示，无线设备2首先需要分离背向散射电路标签反弹的信号。本发明利用OFDM信号具有多个子载波的特点和能量包络检测方法，通过累加每个子载波上CSI的幅值，检测背向散射反弹的信号：
其中，hi是第i个子载波的CSI，N是子载波的数量。
为了分离背向散射电路标签反弹的信号，我们首先基于现有的中心频率偏移(CFO)校准方法，选取任意子载波上的相位作为参考相位，移除CSI中由于CFO造成的相位偏移。
其次，分别选取相干时间内背向散射电路标签反弹时的信道状态信息H1和背向散射电路标签不反弹时的信道状态信息H2，利用MUSIC算法分别计算H1和H2的多径谱P1(t)和P2(t)，然后计算两个多径谱的互相关函数：
其中，T是多径谱的长度，Δ是求相关的步长。
通过求取相关峰对应的时间偏移消除H1和H2中由于接受端和发射端之间时钟不同步引起的相位偏移，得到不包含相位误差的真实信道状态信息
和
最后通过计算两个信道状态信息的差值分离出背向散射反弹的信号对应的信道状态信息。
我们得到了背向散射反弹的信号对应的信道状态信息Htag和没有背向散射信号时的信道状态信息
首先利用MUSIC算法计算发射端与接收端之间直射路径的ToFtx-rx和发射端与背向散射电路标签之间直射路径的ToFtx-tag。
其次，利用短时傅里叶变换(STFT)计算接收端和发射端之间直射路径上信号的多普勒频移ftx-rx和发射端到背向散射电路标签的直射路径上信号的多普勒频移ftx-tag。
最后，利用卡尔曼滤波(Kalman Filter)分别融合ToFtx-rx与ftx-rx和ToFtx-tag与ftx-tag，得到发射端与接收端之间和发射端与背向散射电路标签之间准确的距离估计。
如图3所示，本发明提出的距离估计方法得到的距离估计结果比创痛方法的距离估计结果精度更高。
我们得到发射端到接收端之间的距离估计d1(t)和发射端到背向散射电路标签之间的距离估计d2(t)。如图4所示，当发射端、接收端或者接收端和发射端同时移动时，我们首先通过利用点对点定位的特点和物理运动模型，将接收端和发射端的运动转换成接收端的运动。其次，如图1(c)所示，当用户B(即接收端)运动时，用户B身上佩戴的所有设备包括背向散射电路标签被认为是相对静止的。运动滞后的背向散射电路标签会运动到之前某一时刻接收端的位置，即d1(t)＝d2(t+Δt)，然后结合背向散射电路标签距离接收端在运动方向上的分量，可以计算用户B的运动速度V。再次，利用求得的多普勒频移ftx-rx，求出用户B在接收端和发射端直射路径上的速度分量：
其中f是信号的中心频率，c是光在空气中的传播速度。
最后通过比较V和Vr，计算用户A相对与用户B的运动方向的角度：
结合用户A相对用户B的角度估计和距离估计，计算这一时刻发射机相对与接收机的位置。
通过本发明，不需要昂贵的多天线整理或者预先部署的无线基础设施，并且即便在完全位置的环境中，也能实现点对点定位。
本领域的技术人员容易理解，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 (10)
1.一种基于背向散射的无线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)为无线设备1附加背向散射电路标签；
(2)所述无线设备1接收无线设备2发射的信号和所述背向散射电路标签反弹的信号，并返回信道状态信息；
(3)所述无线设备1分离所述信道状态信息得到背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息；
(4)根据所述背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对与无线设备1运动方向的夹角，定位无线设备2的位置。
2.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述背向散射电路标签用于反弹无线信号，以改变无线信号的多径传播。
3.根据权利要求2所述的无线定位方法，其特征在于，所述背向散射电路标签具有反弹信号和吸收信号的功能，两种功能之间可切换。
4.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述无线设备1和无线设备2包括任意可以进行Wi-Fi通信的设备。
5.根据权利要求4所述的无线定位方法，其特征在于，当所述背向散射电路标签反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号和所述背向散射电路标签反弹的信号的总和；当所述背向散射电路标签不反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号。
6.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角，包括：
无线设备1利用所述未经所述背向散射电路标签反弹的信道状态信息计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备1与无线设备2直射路径上的多普勒频移；无线设备1利用所述背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息计算无线设备2与所述背向散射电路标签间的距离、无线设备2与所述背向散射电路标签直射路径上的多普勒频移；无线设备1利用卡尔曼滤波融合所述距离估计和多普勒频移估计，得到无线设备1与无线设备2的最终距离估计和无线设备2与所述背向散射电路标签间的最终距离估计；
无线设备1利用无线设备1与无线设备2直射路径上的多普勒频移计算无线设备2相对于无线设备1在直射路径上的移动速度分量；无线设备1通过比较无线设备1与无线设备2的最终距离估计和无线设备2与所述背向散射电路标签的最终距离估计，结合所述背向散射电路标签和无线设备1之间的距离，得到无线设备2相对于无线设备1的运动速度；比较所述速度分量和所述运动速度得到无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角。
7.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述无线设备1在接收信号时，无线设备1运动，或者无线设备2运动，或者无线设备1和无线设备2同时运动。
8.一种基于背向散射的无线定位装置，其特征在于，利用基于背向散射的无线定位装置实现无线设备2相对无线设备1的定位，所述无线定位装置包括背向散射信号控制器和背向散射信号发射电路；
所述背向散射信号控制器用于控制背向散射电路标签反弹信号或吸收信号；
所述背向散射信号发射电路用于将所述背向散射信号控制器输出的控制信号转换为相应的电路参数，实现对信号的反弹、吸收或改变。
9.一种基于背向散射的无线定位系统，其特征在于，包括：
信号接收模块，用于为无线设备1附加背向散射电路标签，所述无线设备1接收无线设备2发射的信号和所述背向散射电路标签反弹的信号，并返回信道状态信息；
背向散射信号分离模块，用于无线设备1分离所述信道状态信息得到背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经所述背向散射电路标签反弹的信道状态信息；
参数估计模块，用于根据所述背向散射电路标签反弹路径对应的信道状态信息和未经背向散射电路标签反弹的信道状态信息计算无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角；
定位模块，用于结合所述无线设备1与无线设备2间的距离、无线设备2相对于无线设备1运动方向的夹角定位无线设备2的位置。
10.根据权利要求9所述的无线定位系统，其特征在于，当所述背向散射电路标签反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号和所述背向散射电路标签反弹的信号的总和；当所述背向散射电路标签不反弹信号时，无线设备1接收到的信号为无线设备2的信号。
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