CN111405657B - 一种基于csi的到达角与到达时间差单接入点定位方法 - Google Patents

一种基于csi的到达角与到达时间差单接入点定位方法 Download PDF

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CN111405657B CN202010253356.1A CN202010253356A CN111405657B CN 111405657 B CN111405657 B CN 111405657B CN 202010253356 A CN202010253356 A CN 202010253356A CN 111405657 B CN111405657 B CN 111405657B
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Abstract

本发明一种基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，步骤一：将单接入点的多天线分成多组：距离较远的天线组用于获取到达时间差定位信息；距离较近的天线组阵列用于获取到达角定位信息；步骤二：扫描获取单接入点每个天线的多个CSI样本；步骤三：计算待定位目标的单接入点不同天线的直达波到达时间差；步骤四：计算待定位目标的单接入点各个天线阵列的直达波到达角；步骤五：建立基于到达时间差与到达角的目标位置约束方程，根据单接入点各天线坐标解算出目标位置。本发明与现有通信协议兼容，能有效降低单接入点定位系统部署的复杂度和成本；同时利用AOA与TDOA信号的互补优势，可以保证精确和可靠的定位结果。

Description

一种基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法
技术领域
本发明涉及一种单接入点定位方法，具体涉及一种基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，属于室内定位领域。
背景技术
已有Wi-Fi定位法大都需要多个接入点信号，以保证获得足够的位置解算信息。然而Wi-Fi首先是为数据通信服务的，其信号覆盖区域至少有一个可利用的接入点即可，受室内障碍物阻挡影响，往往无法保证多个接入点可供利用。与多接入点定位相比，单接入点定位能显著提高Wi-Fi定位的可用性和信号覆盖范围，是当前Wi-Fi定位的前沿研究热点。
基于信道状态信息(Channel State Information，CSI)的单接入点定位方法原理是：结合CSI天线阵列信号估计到达角(Angle of Arrival,AOA)和到达时间(time ofarrival，TOA)，基于几何原理实现终端定位。然而已有单接入点定位所采用的TOA估计算法受CSI相位误差影响而导致定位精度不够，或者需要采用跳频技术影响Wi-Fi正常通信功能，限制了单接入点定位的大规模应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服单接入点定位方法的不足而提供了一种基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，包括如下步骤：
步骤一：将单接入点的多天线分成多组：距离较远的天线组用于获取到达时间差定位信息；距离较近的天线组阵列用于获取到达角定位信息；
步骤二：扫描获取单接入点每个天线的多个CSI样本；
步骤三：计算待定位目标的单接入点不同天线的直达波到达时间差；
步骤四：计算待定位目标的单接入点各个天线阵列的直达波到达角；
步骤五：建立基于到达时间差与到达角的目标位置约束方程，根据单接入点各天线坐标解算出目标位置。
本发明还包括这样一些特征：
1.所述步骤一中所述距离较远的天线以米级计，所述距离较近的天线以厘米级计；
2.所述步骤三具体包括：
(3.1)提取单接入点某个天线的CSI样本矩阵
Figure BDA0002436311050000011
其中Nsub为子载波个数，对其进行平滑处理，获得Nsub-N2+1个CSI样本构成的矩阵：
Figure BDA0002436311050000021
其中N2为平滑处理后的接收信号维数；
(3.2)计算单天线CSI接收信号协方差矩阵估计值：
Figure BDA0002436311050000022
其中
Figure BDA0002436311050000023
为
Figure BDA0002436311050000027
矩阵的第i列；
(3.3)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure BDA0002436311050000024
其中a(τ)为平滑处理后的导向矢量，EN为
Figure BDA0002436311050000025
的噪声子空间矩阵；
(3.4)搜索谱峰函数f(τ)，获得该天线对应的多径到达时间估计值；
(3.5)获得天线的多个CSI样本矩阵，重复步骤(1)到(4)，获得多组该天线的多径到达时间估计值，通过对多组估计值的分类，识别并得出直达波到达时间估计值；
(3.6)对各个可用天线重复上述步骤(1)到(5)，获得每个单天线对应的直达波到达时间估计值；
(3.7)计算两两天线之间的直达波到达时间差。
3.所述步骤四具体包括：
(4.1)对于某组可利用的天线阵列，设该天线阵列由Na个天线组成，获取信道状态信息CSI矩阵，如下式所示：
Figure BDA0002436311050000026
式中Na为天线个数，Nsub为子载波个数，csim,n是第m个天线的第n个子载波的CSI值；
(4.2)对CSI矩阵做去相干平滑处理，得到天线阵列的CSI样本矩阵：
Figure BDA0002436311050000031
其中，Nb和N1分别为平滑处理后信号模型所用的天线个数和子载波个数；
(4.3)计算天线阵列CSI样本的接收信号协方差矩阵估计值：
Figure BDA0002436311050000032
其中Yi为Y矩阵的第i列，ColY为Y矩阵的列数；
(4.4)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure BDA0002436311050000033
其中a(τ,θ)为平滑处理后的导向矢量，EYN为
Figure BDA0002436311050000034
的噪声子空间矩阵；
(4.5)搜索谱峰函数f(τ,θ)，获得多径到达时间与到达角联合估计值；
(4.6)获得天线阵列的多个CSI样本矩阵，重复步骤(1)到(5)，获得多组该天线阵列的多径到达时间与到达角联合估计值，通过对多组估计值的分类，识别并得出直达波到达角估计值；
(4.7)对各个可用天线阵列重复上述步骤(1)到(6)，获得每个天线阵列对应的直达波到达角估计值。
4.所述步骤五具体包括：
基于每个到达时间差信号和双基站位置，建立以目标位置为自变量的双曲线方程；
基于每个到达角信号和天线阵列位置，建立以目标位置为自变量的约束方程；
所有关于目标位置的约束方程联立，构成对待定位目标位置的观测方程；
通过解方程组，给出对目标的单接入点定位结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种新的结合到达角与到达时间差(TDOA)的单接入点定位方法。与TOA信号相比，TDOA信号无需复杂相位误差校正或跳频也能获得较高的估计精度，与现有通信协议兼容，不干扰Wi-Fi正常通信功能，能有效降低单接入点定位系统部署的复杂度和成本；同时利用AOA与TDOA信号的互补优势，可以保证精确和可靠的定位结果。
附图说明
图1是单接入点定位方法流程；
图2是到达时间差估计算法流程；
图3是到达角估计算法流程。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明所述的一种单接入点定位方法。具体包括以下步骤：
步骤一、将单接入点的多天线分成多组：距离较远(米级)的天线组用于获取到达时间差定位信息；距离较近(厘米级)的天线组阵列用于获取到达角定位信息；
步骤二、扫描获取单接入点每个天线的多个信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)样本；
步骤三、计算待定位目标的单接入点不同天线的直达波到达时间差；
步骤四、计算待定位目标的单接入点各个天线阵列的直达波到达角；
步骤五、建立基于到达时间差与到达角的目标位置约束方程，根据单接入点各天线坐标解算出目标位置。
所述步骤一中，单接入点定位系统需要预先对多天线资源进行配置，设计天线阵列形式和摆放位置。用于获取到达时间差定位信息的天线距离较远(米级)，用于获取到达角定位信息的天线距离较近(厘米级)。
所述步骤三中，直达波到达时间差值的计算步骤包括：
(1)提取单接入点某个天线的CSI样本矩阵
Figure BDA0002436311050000041
其中Nsub为子载波个数，对其进行平滑处理，获得Nsub-N2+1个CSI样本构成的矩阵：
Figure BDA0002436311050000042
其中N2为平滑处理后的接收信号维数；
(2)计算单天线CSI接收信号协方差矩阵估计值：
Figure BDA0002436311050000043
其中
Figure BDA0002436311050000044
为
Figure BDA0002436311050000045
矩阵的第i列；
(3)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure BDA0002436311050000051
其中a(τ)为平滑处理后的导向矢量，EN为
Figure BDA0002436311050000052
的噪声子空间矩阵；
(4)搜索谱峰函数f(τ)，获得该天线对应的多径到达时间估计值；
(5)获得天线的多个CSI样本矩阵，重复步骤(1)到(4)，获得多组该天线的多径到达时间估计值，通过对多组估计值的分类，识别并得出直达波到达时间估计值；
(6)对各个可用天线重复上述步骤(1)到(5)，获得每个单天线对应的直达波到达时间估计值；
(7)计算两两天线之间的直达波到达时间差。
所述步骤三的到达时间差信号估计，由于用于到达角估计的天线阵列的各个天线距离非常近，其直达波到达时间估计值通常相同或相近。因此，把用于到达角估计的天线阵列看做一个天线，其直达波到达时间是该天线阵列每个单天线的直达波到达时间估计的均值。该均值用于计算与其它天线两两到达时间差。
所述步骤四中，直达波到达角估计的计算步骤包括：
(1)对于某组可利用的天线阵列，设该天线阵列由Na个天线组成，获取信道状态信息CSI矩阵，如下式所示：
Figure BDA0002436311050000053
式中Na为天线个数，Nsub为子载波个数，csim,n是第m个天线的第n个子载波的CSI值；
(2)对CSI矩阵做去相干平滑处理，得到天线阵列的CSI样本矩阵：
Figure BDA0002436311050000054
其中，Nb和N1分别为平滑处理后信号模型所用的天线个数和子载波个数；
(3)计算天线阵列CSI样本的接收信号协方差矩阵估计值：
Figure BDA0002436311050000055
其中Yi为Y矩阵的第i列，ColY为Y矩阵的列数；
(4)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure BDA0002436311050000061
其中a(τ,θ)为平滑处理后的导向矢量，EYN为
Figure BDA0002436311050000062
的噪声子空间矩阵；
(5)搜索谱峰函数f(τ,θ)，获得多径到达时间与到达角联合估计值；
(6)获得天线阵列的多个CSI样本矩阵，重复步骤(1)到(5)，获得多组该天线阵列的多径到达时间与到达角联合估计值，通过对多组估计值的分类，识别并得出直达波到达角估计值；
(7)对各个可用天线阵列重复上述步骤(1)到(6)，获得每个天线阵列对应的直达波到达时间估计值。
所述步骤五中，基于每个到达时间差信号和双基站位置，建立以目标位置为自变量的双曲线方程；基于每个到达角信号和天线阵列位置，建立以目标位置为自变量的约束方程。所有关于目标位置的约束方程联立，构成对待定位目标位置的观测方程。通过解方程组，给出对目标的单接入点定位结果。
如图1所示，本发明公开的一种基于信道状态信息的到达角与到达时间差单接入点定位方法，主要包括如下步骤：
步骤一、将单接入点的多天线分成多组：部分天线距离较远(米级)，构成到达时间差定位基线，用于获取到达时间差定位信息；部分天线距离与无线信号波长相当(厘米级)，构成到达角估计天线阵列。
步骤二、扫描获取单接入点每个天线的多个信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)样本。
步骤三、计算待定位目标的单接入点不同天线的直达波到达时间差。如图2所示，具体包括：
(1)提取单接入点某个天线的CSI样本矩阵
Figure BDA0002436311050000063
其中Nsub为子载波个数，对其进行平滑处理，获得Nsub-N2+1个CSI样本构成的矩阵：
Figure BDA0002436311050000064
其中N2为平滑处理后的接收信号维数；
(2)计算单天线CSI接收信号协方差矩阵估计值：
Figure BDA0002436311050000071
其中
Figure BDA0002436311050000072
为
Figure BDA0002436311050000073
矩阵的第i列；
(3)计算协方差矩阵
Figure BDA0002436311050000074
的噪声子空间矩阵：即对
Figure BDA0002436311050000075
进行特征分解，取最小的Nk个特征值对应的特征向量，构造噪声特征向量矩阵EN(维度为N2×Nk)；
(4)设某个路径无线信号的到达时间为τ，接入点相邻子载波的频率间隔为fδ，则该路径信号在相邻子载波间引入的相移可表示为
Figure BDA0002436311050000076
通过相邻子载波相移构造导向矢量
Figure BDA0002436311050000077
(5)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure BDA0002436311050000078
其中a(τ)为平滑处理后的导向矢量，EN为
Figure BDA0002436311050000079
的噪声特征向量矩阵；
(4)搜索谱峰函数f(τ)，获得该天线对应的多径到达时间估计值；
(5)获得天线的多个CSI样本矩阵，对每个样本矩阵重复步骤(1)到(6)，获得多组该天线的多径到达时间估计值，组数由CSI数据样本数决定。
(6)通过聚类分析将多组到达时间估计样本分成若干簇，每一簇根据点数、方差和期望值大小进行识别并得出直达波到达时间估计值，具体参考发明专利CN 107347210A的直达波识别方法；
(9)对各个可用天线重复上述步骤(1)到(8)，获得每个单天线对应的直达波到达时间估计值；
(10)计算两两天线之间的直达波到达时间差。
步骤四、计算待定位目标的单接入点各个天线阵列的直达波到达角。如图3所示，具体包括：
(1)对于某组可利用的天线阵列，设该天线阵列由Na个天线组成，获取信道状态信息CSI矩阵，如下式所示：
Figure BDA00024363110500000710
式中Na为天线个数，Nsub为子载波个数，csim,n是第m个天线的第n个子载波的CSI值；
(2)对CSI矩阵做去相干平滑处理，得到天线阵列的CSI样本矩阵：
Figure BDA0002436311050000081
其中，Nb和N1分别为平滑处理后信号模型所用的天线个数和子载波个数，Y矩阵的行数RowY＝N1×Nb，Y矩阵的列数ColY＝(Nsub-N1+1)×(Na-Nb+1)；
(3)计算天线阵列CSI样本的接收信号协方差矩阵估计值：
Figure BDA0002436311050000082
其中Yi为Y矩阵的第i列；
(4)计算协方差矩阵
Figure BDA0002436311050000083
的噪声子空间：即对
Figure BDA0002436311050000084
进行特征分解，取最小的NYk个特征值对应的特征向量，构造噪声特征向量矩阵EYN(维度为RowY×NYk)；
(5)设天线阵列是间隔为da的线性阵列，构造空间谱估计算法的导向矢量
Figure BDA0002436311050000085
其中
Figure BDA0002436311050000086
θ为入射角与线性阵列法线夹角，f为无线信号频率，C为电磁波理想传播速度，
Figure BDA0002436311050000087
(6)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure BDA0002436311050000088
(7)搜索谱峰函数f(τ,θ)，得到对应的多径到达时间和到达角联合参数估计值；
(8)获得天线阵列的多个CSI样本矩阵，对每个样本矩阵重复步骤(1)到(7)，获得多组该天线阵列的多径到达时间和到达角联合估计值，组数由CSI数据样本数决定；
(9)通过聚类分析将多组到达时间和到达角联合估计值样本分成若干簇，每一簇根据点数、方差和期望值大小进行识别并得出直达波到达角估计值，具体参考发明专利CN107347210A的直达波识别方法；
(10)对各个可用天线阵列重复上述步骤(1)到(9)，获得每个天线阵列对应的直达波到达角估计值。
步骤五、建立基于到达时间差与到达角的目标位置约束方程，根据单接入点各天线坐标解算出目标位置。具体包括如下步骤：
(1)设单接入点能提供m1个到达时间差估计信号，对应的距离差为{Δτ1,Δτ2,…,Δτm1}，m2对到达角估计信号{θ1,…,θm2}，待定位目标位置向量表示为L＝[lx,ly]T∈R2，而M个天线位置已知：sm＝[sx,m,sy,m]T,m＝1,2,…,M；
(2)构建到达时间差与到达角的定位观测方程：
Figure BDA0002436311050000091
其中
Figure BDA0002436311050000092
是观测矢量，κ＝[Δτ1,…,Δτm1,θ1,…,θm2]T是对应实际矢量。该观测方程组κ中元素满足如下等式关系：
Figure BDA0002436311050000093
其中Δτm是终端位置到单接入点第m对天线之间的实际距离差，
Figure BDA0002436311050000094
和
Figure BDA0002436311050000095
分别为第m对天线1、天线2与终端位置实际距离，arctan(·)为考虑角度象限的反正切函数，ε是观测信号误差矢量。
(3)然后在某个初始值处泰勒展开，忽略2阶及以上误差项，对非线性方程进行线性化，得出方程组：
HL＝b+e
其中e＝D(L)ε为误差矩阵，D(L)系数矩阵可由泰勒展开过程推导得出。目标位置最终由加权最小二乘解得出：
LWLS＝(HTWH)-1HTWb
其中
Figure BDA0002436311050000096
为加权矩阵，
Figure BDA0002436311050000097
为观测噪声ε的协方差矩阵。加权矩阵W的计算需要用到目标位置，而在估计过程目标位置是未知的。实际估计过程中，先令
Figure BDA0002436311050000098
得到目标位置的粗估计或者根据其它方法给出目标位置的初始估计结果，而后将得到的目标位置估计代入式中更新W，从而进一步得到更加准确的目标位置估计。
综上所述：本发明提出一种基于信道状态信息的到达角与到达时间差单接入点定位方法，属于室内定位领域。具体涉及结合到达角与到达时间差信号的单接入点定位方法的实现。实现步骤如下：将单接入点的多天线分成两组，分别用于获取到达时间差定位信息和到达角定位信息；扫描获取单接入点每个天线的多个信道状态信息样本；计算待定位目标的单接入点不同天线的直达波到达时间差；计算待定位目标的单接入点各个天线阵列的直达波到达角；建立基于到达时间差与到达角的目标位置约束方程，根据单接入点各天线坐标解算出目标位置。本发明针对现有单接入点定位方法的不足，提出无需复杂相位校正或跳频技术的单接入点定位方法，在保证定位精度的同时，有效降低单接入点定位系统的部署复杂度和成本。

Claims (5)

1.一种基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：将单接入点的多天线分成多组：用于获取到达时间差定位信息的天线组，所述天线组中天线之间的距离为米级，用于获取到达角定位信息的天线组阵列，所述天线组阵列中天线之间的距离与无线信号波长的数量级相当；
步骤二：扫描获取单接入点每个天线的多个CSI样本；
步骤三：计算待定位目标的单接入点不同天线的直达波到达时间差；
步骤四：计算待定位目标的单接入点各个天线阵列的直达波到达角；
步骤五：建立基于到达时间差与到达角的目标位置约束方程，根据单接入点各天线坐标解算出目标位置。
2.根据权利要求1所述的基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，其特征是，所述步骤一中所述距离较远的天线以米级计，所述距离较近的天线以厘米级计。
3.根据权利要求1所述的基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，其特征是，所述步骤三具体包括：
(3.1)提取单接入点某个天线的CSI样本矩阵
Figure FDA0002782309970000011
其中Nsub为子载波个数，对其进行平滑处理，获得Nsub-N2+1个CSI样本构成的矩阵：
Figure FDA0002782309970000012
其中N2为平滑处理后的接收信号维数；
(3.2)计算单天线CSI接收信号协方差矩阵估计值：
Figure FDA0002782309970000013
其中
Figure FDA0002782309970000014
为
Figure FDA0002782309970000015
矩阵的第i列；
(3.3)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure FDA0002782309970000016
其中a(τ)为平滑处理后的导向矢量，EN为
Figure FDA0002782309970000017
的噪声子空间矩阵，τ为天线对应的多径到达时间；
(3.4)搜索谱峰函数f(τ)，获得该天线对应的多径到达时间估计值；
(3.5)获得天线的多个CSI样本矩阵，重复步骤(1)到(4)，获得多组该天线的多径到达时间估计值，通过对多组估计值的分类，识别并得出直达波到达时间估计值；
(3.6)对各个可用天线重复上述步骤(1)到(5)，获得每个单天线对应的直达波到达时间估计值；
(3.7)计算两两天线之间的直达波到达时间差。
4.根据权利要求1所述的基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，其特征是，所述步骤四具体包括：
(4.1)对于某组可利用的天线阵列，设该天线阵列由Na个天线组成，获取信道状态信息CSI矩阵，如下式所示：
Figure FDA0002782309970000021
式中Na为天线个数，Nsub为子载波个数，csim,n是第m个天线的第n个子载波的CSI值；
(4.2)对CSI矩阵做去相干平滑处理，得到天线阵列的CSI样本矩阵：
Figure FDA0002782309970000022
其中，Nb和N1分别为平滑处理后信号模型所用的天线个数和子载波个数；
(4.3)计算天线阵列CSI样本的接收信号协方差矩阵估计值：
Figure FDA0002782309970000023
其中Yi为Y矩阵的第i列，ColY为Y矩阵的列数；
(4.4)根据空间谱估计算法，构造谱峰函数：
Figure FDA0002782309970000024
其中a(τ,θ)为平滑处理后的导向矢量，EYN为
Figure FDA0002782309970000025
的噪声子空间矩阵，τ为天线阵列的多径到达时间，θ为天线阵列的多径到达角度；
(4.5)搜索谱峰函数f(τ,θ)，获得多径到达时间与到达角联合估计值；
(4.6)获得天线阵列的多个CSI样本矩阵，重复步骤(1)到(5)，获得多组该天线阵列的多径到达时间与到达角联合估计值，通过对多组估计值的分类，识别并得出直达波到达角估计值；
(4.7)对各个可用天线阵列重复上述步骤(1)到(6)，获得每个天线阵列对应的直达波到达角估计值。
5.根据权利要求1所述的基于CSI的到达角与到达时间差单接入点定位方法，其特征是，所述步骤五具体包括：
基于每个到达时间差信号和天线对位置，建立以目标位置为自变量的双曲线方程；
基于每个到达角信号和天线阵列位置，建立以目标位置为自变量的约束方程；
所有关于目标位置的约束方程联立，构成对待定位目标位置的观测方程；
通过解方程组，给出对目标的单接入点定位结果。
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