CN111736138A - 基于ofdm信号和三频载波相位测距的室内测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，用于提高在较复杂的室内环境中的测距精度，实现步骤为：1)构建基于OFDM信号的室内测距系统；2)初始化每个固定节点向移动节点发送的OFDM信号参数；3)获取每个固定节点向移动节点发送的测距子载波；4)计算测距子载波经过信道的周期数；5)计算每个固定节点与移动节点间的距离。本发明采用OFDM信号中的三个子载波作为测距子载波，利用三频载波相位测距的方法得到固定节点与移动节点之间的距离，在极小的影响通信容量的同时，减少测距子载波之间的相位干扰，提高了测距精度。用于较复杂的室内环境中，适于室内场所中人员定位等场景。

Description

基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种室内测距方法，具体涉及一种基于OFDM信号和三频载波相位测距的复杂环境下的室内测距方法，可适用于室内定位场景中。

背景技术

随着通信技术的发展，基于位置的服务已经成为了一个新兴的移动互联网产业，并具有良好的发展前景。因此，快速并且准确地获得移动终端的位置信息的需求变得日益迫切，人类70％以上的时间是在室内度过的，因此室内活动对准确地获得移动终端的位置的需求更为迫切。在GNSS无法提供室内定位服务的情况下，如何获取准确的室内位置信息成为研究热点。工业界和学术界都在寻求高精度、高可靠性的室内定位技术，以期在电磁环境和复杂地理环境的室内环境中获得准确的位置信息。

室内位置信息的获得主要通过基于测距的室内测距技术和使用匹配指纹的非测距技术实现。室内测距技术是在室内环境下通过测量信号发射端和接收端之间信号相位等信息计算得到发射端和接收端距离的一种技术。室内测距技术主要有连续波信号强度测距、脉冲测距、调频测距和相位测距等，测距精度是衡量室内测距技术好坏的一个指标，相位测距相比于其他室内测距技术，相位测距的测距精度更高，是一种典型的室内测距技术，相位测距是通过测量接收信号的相位并与发射信号的相位进行比较或计算实现测距的技术。用于室内测距的信号如OFDM信号，在进行室内测距时，采用的是相位测距技术。

在测控技术的不断发展的情况下，对测距系统的要求越来越高。不但要求测距系统要具有高的测距精度和大的不模糊测距范围，而且要求测距系统具有抗信道衰落、抗干扰和多址的能力。多载波调制技术是近年来在无线通信领域研究的热点，OFDM是多载波调制技术中应用最为广泛的一种，它具有高的频带利用率、强的抗多径衰落和窄带干扰能力。OFDM信号的时域相关处理与伪随机码的相关处理类似，而在频域上获得各个测距子载波的相位信息，因而可以利用OFDM信号的时频二维特点，在时域上采用与伪随机码类似的相关法进行测距，获得大的不模糊测距范围，在频域上利用各个测距子载波进行多频相位测距，获得高精度的测距精度。利用OFDM信号这些优点进行室内测距，能够克服GNSS卫星信号的一些缺点，提高室内测距的精度，但是现有的OFDM测距方法中，需要利用OFDM信号的全部子载波进行测距，子载波之间的相互干扰会降低测距精度。基于GNSS卫星信号的三频载波相位测距方法中三个子载波的频率是已知的，如何选择OFDM信号的子载波作为测距子载波的问题是一个迫切需要解决的问题，合理选择测距子载波的频率及个数，可以避免多个测距子载波进行测距的方法可能存在的载频间干扰，提高测距的精度。

例如申请公布号为CN103166895A，名称为“一种基于OFDM信号的测距方法”的专利申请，公开了一种基于OFDM信号的测距方法，该方法预先设定了基站和移动节点之间传输的OFDM信号的带宽，子载波数量以及每个子载波上所要传输的数据，然后计算每个子载波在时域和频域上的传播时间，最后由光速与传播时间计算出节点与基站的距离。这种方法将所有的子载波用于测距，浪费了大量可用于通信的子载波资源，多个子载波测距时会产生相互干扰，导致不能获得多频测距时各个测距子载波的准确相位，在有多个测距子载波进行测距时，测距精度会降低。

三频载波相位测距技术主要应用于GNSS测距领域，其利用三频载波相位观测量间误差的相关性，将多个观测值进行线性组合形成组合观测值，达到弱化各个观测值误差的作用，进而提高测距精度。但是，三频载波相位测距技术适用于室外遮挡物较少的情况，由于室内测距的环境复杂、干扰源多、直达波路径缺失、多径传播、环境易变等特点，GNSS卫星信号穿透建筑物的损耗太大，测距精度大大降低，不能满足需要高测距精度的室内环境。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有方法的不足，提出了一种基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，用于提高在较复杂的室内环境中的测距精度。

为实现上述目的，本发明采取的方案包括如下步骤：

(1)构建基于OFDM信号的室内测距系统：

构建包括移动节点R和q个固定节点S的基于OFDM信号的室内测距系统，S＝{S₁,…,S_i,…,S_q}，R上配置有接收OFDM信号的天线，每个S_i上配置有发射OFDM信号的天线，S_i表示第i个固定节点，其中q≥2；

(2)初始化每个固定节点S_i向移动节点R发送的OFDM信号参数：

初始化每个固定节点S_i向移动节点R所发送的OFDM信号的带宽为B，中心频率为f_c，OFDM信号包含的子载波的数量为N，N≥4；

(3)获取每个固定节点S_i向移动节点R发送的测距子载波：

根据每个固定节点S_i向移动节点R发送的OFDM信号参数，选取N个子载波中三个频率为f＝{f₁,f_j,f₃}子载波作为测距子载波a_i＝{a_i(1),a_i(j),a_i(3)}，a_i上传输的数据为c_i＝{c_i(1),c_i(j),c_i(3)}：

f_j＝f₂＝f_c

其中，

表示向下取整，a_i(j)表示S_i发送的第j个频率为f_j的测距子载波，c_i(j)表示a_i(j)上的传输数据；

(4)计算测距子载波a_i经过信道的周期数：

设R接收S_i所发送的第j个测距子载波a_i(j)经过信道衰减后的测距子载波为R_i(j)，并根据a_i(j)和R_i(j)计算测距子载波a_i(j)在信道传输过程中所经历的周期数T_i(j)，则a_i对应的周期数集合为T_i＝{T_i(1),T_i(j),T_i(3)}，其中T_i(j)为整数；

(5)计算每个固定节点S_i与移动节点R间的距离D_i：

(5a)读取测距子载波a_i(j)的数据帧格式文件中a_i(j)的相位信息，得到测距子载波a_i的相位信息集合

其中

表示S_i发送a_i(j)时的相位信息；

(5b)读取移动节点R接收到的测距子载波R_i(j)的数据帧格式文件中R_i(j)的相位信息，得到R_i(j)三个经过信道衰减后的测距子载波的相位信息集合

其中，

表示移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的测距子载波R_i(j)的相位信息；

(5c)计算

与

的相位差

并根据

和周期数T_i(j)计算a_i(j)对应的S_i与R的距离集合D_i＝{D_i(1),D_i(j),D_i(3)}，其中D_i(j)表示a_i(j)对应的S_i与R的之间的距离；

(5d)设距离差阈值为ΔD_min，并判断|D_i(1)-D_i(j)|≤ΔD_min且|D_i(1)-D_i(3)|≤ΔD_min且|D_i(j)-D_i(3)|≤ΔD_min是否成立，若是，计算D_i(1)、D_i(j)和D_i(3)的平均值D_i，得到每个固定节点S_i到移动节点R的距离集合D＝{D₁,…,D_i,…D_q}，否则，执行步骤(5e)；

(5e)计算移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的相位观测值，得到相位观测值集合

并对三个相位观测值

和

进行线性合并，得到相位观测值集合φ＝{φ₁,…,φ_i,…,φ_q}，其中，

表示移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的相位观测值，φ_i表示S_i对应的相位观测值；

(5f)计算φ对应的波长观测值，得到波长观测值集合λ＝{λ₁,…,λ_i,…,λ_q}，并根据φ和λ，计算每个固定节点S_i到移动节点R的距离集合D＝{D₁,…,D_i,…D_q}，其中，λ_i表示S_i对应的波长观测值，D_i表示S_i与R之间的距离。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明采用OFDM信号中的三个子载波作为测距子载波，利用三频载波相位测距的方法得到与三个测距子载波对应的线性合并系数，并根据线性合并系数得到测距固定节点S_i对应的波长观测值λ_i、S_i对应的相位观测值φ_i、φ_i的相位模糊性N_i和φ_i的相位噪声ε_i，最后计算得到S_i与R之间的距离D_i。OFDM信号克服了GNSS卫星信号在室内容易受到干扰和信号衰减严重的缺点，并根据测距系统的克拉美罗下界选择OFDM信号中的三个子载波作为测距子载波，在极小的影响通信容量的同时，减少测距子载波之间的相位干扰，降低R观测值的模糊性导致多个波长的测距误差，提高在比较复杂的室内环境中的测距精度。

2.本发明采用OFDM信号中的三个子载波作为测距子载波，节约了子载波资源，还减少了子载波相位的测量量，同时减少了测距所用的时间，提高了测距效率。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中测距子载波的数据帧格式文件图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)构建基于OFDM信号的室内测距系统：

构建包括移动节点R和q个固定节点S的基于OFDM信号的室内测距系统，S＝{S₁,…,S_i,…,S_q}，R上配置有接收OFDM信号的天线，每个S_i上配置有发射OFDM信号的天线，S_i表示第i个固定节点，其中q≥2。由于提取测距子载波相位等信息需要用到CSITool工具箱，该工具箱只能适配Intel 5300网卡，将外接天线的Intel 5300网卡安装在笔记本电脑上获取OFDM信号相位信息，因此本实施例中移动节点R和固定节点S均为配有外接天线的Intel 5300网卡的笔记本电脑，q＝4。

步骤2)初始化每个固定节点S_i向移动节点R发送的OFDM信号参数：

初始化每个固定节点S_i向移动节点R所发送的OFDM信号的带宽为B，中心频率为f_c，OFDM信号包含的子载波的数量为N，N≥4。本实施例中，设定OFDM信号的带宽B＝480MHz，中心频率f_c＝5GHz，OFDM信号包含的子载波的数量为N＝121。

步骤3)获取每个固定节点S_i向移动节点R发送的测距子载波：

根据每个固定节点S_i向移动节点R发送的OFDM信号参数，选取N个子载波中三个频率为f＝{f₁,f_j,f₃}子载波作为测距子载波a_i＝{a_i(1),a_i(j),a_i(3)}，a_i上传输的数据为c_i＝{c_i(1),c_i(j),c_i(3)}：

f_j＝f₂＝f_c

其中，

表示向下取整，a_i(j)表示S_i发送的第j个频率为f_j的测距子载波，c_i(j)表示a_i(j)上的传输数据。测距子载波a_i(j)的表达式为：

其中，exp(·)表示指数函数，传输数据c_i(j)的取值为QPSK星座上的值，三个测距子载波的频率是根据费雪信息F来选择的，其计算公式为：

其中ω_c＝2πf_c，

N₀是OFDM信号的噪声功率谱密度，E_T是最大传输总能量，本实施例中N₀＝1，E_T＝1，由F的计算公式可知F∝f_c，根据克拉美罗下界的定义，最大化三个测距子载波的频率间距可以提高测距精度，因此本实施例中三个测距子载波的频率为f₁＝4.76GHz，f_j＝f₂＝f_c＝5GHz，f₃＝5.24GHz。基于GNSS卫星信号的三频载波相位测距的方法使用三个固定频率的载波进行测距，本发明OFDM信号测距子载波的选择方法是根据费雪信息来选择的，这样能够将测距误差最接近于该测距系统的克拉美罗下界。

步骤4)计算测距子载波a_i经过信道的周期数：

设R接收S_i所发送的第j个测距子载波a_i(j)经过信道衰减后的测距子载波为R_i(j)，并根据a_i(j)和R_i(j)计算测距子载波a_i(j)在信道传输过程中所经历的周期数T_i(j)，则a_i对应的周期数集合为T_i＝{T_i(1),T_i(j),T_i(3)}，其中T_i(j)为整数。T_i(j)的计算公式为：

步骤5)计算每个固定节点S_i与移动节点R间的距离D_i：

(5a)读取测距子载波a_i(j)的数据帧格式文件中a_i(j)的相位信息，得到测距子载波a_i的相位信息集合

其中

表示S_i发送a_i(j)时的相位信息。测距子载波的数据帧格式文件图如图2所示：数据帧格式文件包括2个字节的帧头，其中帧头包括1个字节的设备ID，其表示是哪个固定节点传来的信号；1个字节的检验帧，包含有信号被发送和接收时的相位信息，用于检验数据；发射天线的经纬高分别各8个字节，共计24个字节；子载波ID一个字节，用来表示哪个测距子载波的信号。本实施例中，

(5b)读取移动节点R接收到的测距子载波R_i(j)的数据帧格式文件中R_i(j)的相位信息，得到R_i(j)三个经过信道衰减后的测距子载波的相位信息集合

其中，

表示移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的测距子载波R_i(j)的相位信息。

(5c)计算

与

的相位差

并根据

和周期数T_i(j)计算a_i(j)对应的S_i与R的距离集合D_i＝{D_i(1),D_i(j),D_i(3)}，其中D_i(j)表示a_i(j)对应的S_i与R的之间的距离。D_i(j)的计算公式为：

其中，

是频率为f_j的测距子载波a_i(j)的波长，本实施例中，

(5d)设距离差阈值为ΔD_min，并判断|D_i(1)-D_i(j)|≤ΔD_min且|D_i(1)-D_i(3)|≤ΔD_min且|D_i(j)-D_i(3)|≤ΔD_min是否成立，若是，计算D_i(1)、D_i(j)和D_i(3)的平均值D_i，得到每个固定节点S_i到移动节点R的距离集合D＝{D₁,…,D_i,…D_q}，否则，执行步骤(5e)。D_i的计算公式为：

本实施例中，ΔD_min＝0.05m。

(5e)计算移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的相位观测值，得到相位观测值集合

并对三个相位观测值

和

进行线性合并，得到相位观测值集合φ＝{φ₁,…,φ_i,…,φ_q}，其中，

表示移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的相位观测值，φ_i表示S_i对应的相位观测值。相位观测值φ_i的计算公式分别为：

N_i＝xN_i(1)+yN_i(2)+zN_i(3)

ε_i＝xε_i(1)+yε_i(2)+zε_i(3)

其中，ρ_i表示S_i到移动节点R的几何距离的真值，ε_i(j)表示

的相位噪声，N_i(j)表示

的相位模糊性，N_i表示φ_i的相位模糊性，ε_i表示φ_i的相位噪声，x,y,z为线性合并系数，线性合并系数的选择与测距子载波a_i(j)的频率f_j有关，线性合并系数计算公式如下：

其中t为任意非零常数，本实施例中，ρ₁＝ρ₂＝ρ₃＝ρ₄＝2m，N_i＝0.05π，ε₁＝ε₂＝ε₃＝0.05π，

x＝0.476，y＝0.500，z＝0.524。

(5f)计算φ对应的波长观测值，得到波长观测值集合λ＝{λ₁,…,λ_i,…,λ_q}，并根据φ和λ，计算每个固定节点S_i到移动节点R的距离集合D＝{D₁,…,D_i,…D_q}，其中，λ_i表示S_i对应的波长观测值，D_i表示S_i与R之间的距离。λ_i和D_i的计算公式分别为：

D_i＝(N_i+φ_i+ε_i)λ_i

其中，φ_i表示S_i对应的相位观测值，N_i表示φ_i的相位模糊性，ε_i表示φ_i的相位噪声，x,y,z为线性合并系数，本实施例中，N_i∈[-0.1π，0.1π]，ε₁＝ε₂＝ε₃＝0.01π，x＝0.476，y＝0.500，z＝0.524。

下面结合实验数据，对本发明的技术效果作进一步的说明：

1、实验条件：

实验环境为30m²的室内区域。硬件设备为：五台安装有外接天线的intel5300网卡的华硕笔记本电脑，其中一台用于接收OFDM信号的笔记本电脑安装有4根天线，另外四台用于发送OFDM信号的电脑安装有1根天线。软件平台为：Ubuntu 14.04操作系统和CSITool工具箱模块。

2、实验内容及结果分析：

(1)将本发明和现有技术一种基于OFDM信号的测距方法进行测距误差对比实验，其结果如表1所示。

表1

信噪比(dB)	5	10	15	20
					本发明方法	0.27042	0.19594	0.15133	0.10177
现有方法	0.51036	0.38630	0.30862	0.23338

测距误差计算公式为：

ΔD_i＝|D_i-ρ_i|,i＝1,2,3,4

其中，ΔD_i表示本发明得到的测距值与真实距离的误差，D_i表示S_i与R之间的利用本发明方法测得的距离，ρ_i表示S_i到R的几何距离的真值。本对比实验中，ρ₁＝ρ₂＝ρ₃＝ρ₄＝2m。

结合表1所给的测距误差数据可以看出，本发明在OFDM信号信噪比相同的情况下测距误差小于现有技术方法的测距误差。

综上所述，本发明克服了GNSS卫星信号在室内容易受到干扰和信号衰减严重的缺点，通过使用OFDM信号中的三个特定的频率的子载波进行测距，减少了测距子载波的使用数量，与现有技术将所有的子载波用于测距的方法相比，三频载波相位测距方法减少了多个子载波测距时产生的相互干扰，能够获得比较准确的测距子载波的相位，提高在比较复杂的室内环境中的测距精度，同时减少了测距所用的测距子载波数量，提高了测距的效率。

Claims (6)

1.一种基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建基于OFDM信号的室内测距系统：

构建包括移动节点R和q个固定节点S的基于OFDM信号的室内测距系统，S＝{S₁,…,S_i,…,S_q}，R上配置有接收OFDM信号的天线，每个S_i上配置有发射OFDM信号的天线，S_i表示第i个固定节点，其中q≥2；

(2)初始化每个固定节点S_i向移动节点R发送的OFDM信号参数：

初始化每个固定节点S_i向移动节点R所发送的OFDM信号的带宽为B，中心频率为f_c，OFDM信号包含的子载波的数量为N，N≥4；

(3)获取每个固定节点S_i向移动节点R发送的测距子载波：

根据每个固定节点S_i向移动节点R发送的OFDM信号参数，选取N个子载波中三个频率为f＝{f₁,f_j,f₃}子载波作为测距子载波a_i＝{a_i(1),a_i(j),a_i(3)}，a_i上传输的数据为c_i＝{c_i(1),c_i(j),c_i(3)}：

f_j＝f₂＝f_c

其中，

表示向下取整，a_i(j)表示S_i发送的第j个频率为f_j的测距子载波，c_i(j)表示a_i(j)上的传输数据；

(4)计算测距子载波a_i经过信道的周期数：

设R接收S_i所发送的第j个测距子载波a_i(j)经过信道衰减后的测距子载波为R_i(j)，并根据a_i(j)和R_i(j)计算测距子载波a_i(j)在信道传输过程中所经历的周期数T_i(j)，则a_i对应的周期数集合为T_i＝{T_i(1),T_i(j),T_i(3)}，其中T_i(j)为整数；

(5)计算每个固定节点S_i与移动节点R间的距离D_i：

(5a)读取测距子载波a_i(j)的数据帧格式文件中a_i(j)的相位信息，得到测距子载波a_i的相位信息集合

其中

表示S_i发送a_i(j)时的相位信息；

(5b)读取移动节点R接收到的测距子载波R_i(j)的数据帧格式文件中R_i(j)的相位信息，得到R_i(j)三个经过信道衰减后的测距子载波的相位信息集合

其中，

表示移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的测距子载波R_i(j)的相位信息；

(5c)计算

与

的相位差

并根据

和周期数T_i(j)计算a_i(j)对应的S_i与R的距离集合D_i＝{D_i(1),D_i(j),D_i(3)}，其中D_i(j)表示a_i(j)对应的S_i与R的之间的距离；

(5d)设距离差阈值为ΔD_min，并判断|D_i(1)-D_i(j)|≤ΔD_min且|D_i(1)-D_i(3)|≤ΔD_min且|D_i(j)-D_i(3)|≤ΔD_min是否成立，若是，计算D_i(1)、D_i(j)和D_i(3)的平均值D_i，得到每个固定节点S_i到移动节点R的距离集合D＝{D₁,…,D_i,…D_q}，否则，执行步骤(5e)；

(5e)计算移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的相位观测值，得到相位观测值集合

并对三个相位观测值

和

进行线性合并，得到相位观测值集合φ＝{φ₁,…,φ_i,…,φ_q}，其中，

表示移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的相位观测值，φ_i表示S_i对应的相位观测值；

(5f)计算φ对应的波长观测值，得到波长观测值集合λ＝{λ₁,…,λ_i,…,λ_q}，并根据φ和λ，计算每个固定节点S_i到移动节点R的距离集合D＝{D₁,…,D_i,…D_q}，其中，λ_i表示S_i对应的波长观测值，D_i表示S_i与R之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，其特征在于，步骤(3)中所述的S_i发送的第j个频率为f_j的测距子载波a_i(j)，其表达式为：

其中，exp(·)表示指数函数。

3.根据权利要求1所述的基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，其特征在于，步骤(4)中所述的计算测距子载波a_i(j)在信道传输过程中所经历的周期数T_i(j)，计算公式为：

4.根据权利要求1所述的基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，其特征在于，步骤(5c)中所述的a_i(j)对应的S_i与R的之间的距离D_i(j)，计算公式为：

其中，

是频率为f_j的测距子载波a_i(j)的波长。

5.根据权利要求1所述的基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，其特征在于，步骤(5e)中所述的移动节点R接收S_i发送的a_i(j)的相位观测值

以及S_i对应的相位观测值φ_i，计算公式分别为：

N_i＝xN_i(1)+yN_i(2)+zN_i(3)

ε_i＝xε_i(1)+yε_i(2)+zε_i(3)

其中，ρ_i表示S_i到移动节点R的几何距离的真值，ε_i(j)表示

的相位噪声，N_i(j)表示

的相位模糊性，N_i表示φ_i的相位模糊性，ε_i表示φ_i的相位噪声，x,y,z为线性合并系数。

6.根据权利要求1所述的基于OFDM信号和三频载波相位测距的室内测距方法，其特征在于，步骤(5f)中所述的S_i对应的波长观测值λ_i，以及S_i与R之间的距离D_i，计算公式分别为：

D_i＝(N_i+φ_i+ε_i)λ_i

其中，φ_i表示S_i对应的相位观测值，N_i表示φ_i的相位模糊性，ε_i表示φ_i的相位噪声，x,y,z为线性合并系数。

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