CN113595711A - 基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法及系统，包括：S1,用户终端设备向无线局域网接入点（Access Point，AP）发送定位的请求帧，AP通过天线阵列接收该请求帧；S2，AP对步骤S1中接收的请求帧进行解包，获得信道状态信息（Channel State Information，CSI），并将CSI发送给服务器；S3，服务器在收到请求帧的CSI之后，持续从AP中获取该定位请求帧后续通信帧的CSI，对所有的CSI进行保存；S4，服务器对所有CSI，通过时延角度参数估计方法，估测出用户位置信息；S5，服务器将步骤S4估测出的用户位置信息由AP反馈给用户，在用户终端设备中显示。本发明基于无线局域网，将通信与定位一体化相结合，实现室内的实时位置显示，为后续室内导航、位置指引等提供有力帮助。

Description

基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法及系统
技术领域
本发明属于无线通信与室内定位技术领域，特别涉及一种利用无线局域网接入点内置的天线阵列进行室内通信与定位一体化定位方法及系统。
背景技术
在上世纪无线电技术的发展历史中，定位系统对于国防和民用都有着非常重要的意义，成为了各国相继投入巨大资源研发的对象。全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元的卫星导航与定位系统。GPS自问世以来，就以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活吸引了众多用户。自此以后，各国相继开始研发本国的定位系统，2007年，联合国将美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略确定为全球四大导航系统。
近年来，随着移动通信的发展，对目标的精准定位在改善用户体验和一些基于位置的服务中扮演者不可或缺的角色。相比于室外空旷，障碍物少的环境，室内的环境更加复杂，所面临的挑战也更多。在室内环境无法直接使用卫星信号定位时，使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位，解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题，最终定位物体当前所处的位置。
室内定位技术有着非常重要的应用价值，越来越多的行业领域开始采用高精度室内定位技术来推动行业管理或服务升级。机场火车站通过室内手机导航帮助乘客快速找到对应的通道或窗口，大型商业中心基于场所内的消费者位置数据开发一系列的互动营销策略，矿产开采或石油化工生产通过高精度人员定位技术来保障生产安全，隧道地铁等施工建设过程中通过对隧道内的作业人员进行定位从而推动工程建设领域的数字化管理变革…从室外到室内，从地上到地下，高精度定位技术的应用价值已是不显自彰。
室内定位技术的算法按照测量物理量的不同，通常分为基于测距与位置指纹的定位算法。测距的定位算法通常基于到达时间(Time of Arrival，ToA)、到达时间差(TimeDifference of Arrival，TDoA)，接收信号强度(Received Signal Strength Indication，RSSI)与到达角(Angle of Arrival，AoA)。
除通讯网络的蜂窝定位技术外，常见的室内无线定位技术还有：蓝牙(BlueTooth)、红外线、超宽带(Ultra-wideband，UWB)、ZigBee、动作捕捉和超声波等，这些定位技术一来对目标物的硬件要求很高，比如需要另配陀螺仪、加速度计及摄像头等外接设备，经济成本较高；二来对于使用环境也有要求，对于外部环境的变化，敏感性欠佳，工作效率较低，例如基于指纹(fingerprint)的定位方法，对环境极其敏感，环境发生变化后需要重新采集指纹信息，费时费力；三来几乎通信与定位由不同的设备完成，结构复杂。而无线局域网不论在可部署性还是通用性上都非常优秀，因而利用无线局域网进行室内通信与定位一体化的方案就变得非常重要了。
发明内容
本发明正是针对现有技术中的问题，提出了一种基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法及系统。包括如下步骤：S1,用户终端设备向无线局域网接入点(AccessPoint，AP)发送定位的请求帧，AP通过天线阵列接收该请求帧；S2，AP对步骤S1中接收的请求帧进行解包，获得信道状态信息(Channel State Information，CSI)，并将CSI发送给服务器；S3，服务器在收到步骤S2中请求帧的CSI之后，持续从AP中获取该定位请求帧后续通信帧的CSI，对所有的CSI进行保存；S4，服务器对步骤S3保存的所有CSI，通过时延角度参数估计方法，估测出用户位置信息；S5，服务器将步骤S4估测出的用户位置信息由AP反馈给用户，在用户终端设备中显示。基于无线局域网，将通信与定位一体化相结合，实现室内的实时位置显示，为后续室内导航、位置指引等提供有力帮助。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法，包括如下步骤：
S1,请求：用户终端设备向无线局域网接入点(Access Point，AP)发送定位的请求帧，AP通过天线阵列接收该请求帧；
S2，解包：AP对步骤S1中接收的请求帧进行解包，利用802.11协议物理层帧结构中的前导码获得信道状态信息(Channel State Information，CSI)，并将CSI发送给服务器；
S3，多CSI信息保存：服务器在收到步骤S2中请求帧的CSI之后，持续从AP中获取该定位请求帧后续通信帧的CSI，对所有的CSI进行保存；
S4，位置估测：服务器对步骤S3保存的所有CSI，通过如多重信号分类(MultipleSignal Classification，MUSIC)算法，旋转不变子空间(Estimating Signal ParametersViarotational Invariance Techniques，ESPRIT)算法等时延角度参数估计方法，估测出用户的时延或者角度信息，随后使用这些信息估计出用户的位置；
S5，反馈：服务器将步骤S4估测出的用户位置信息由AP反馈给用户，在用户终端设备中显示。
作为本发明的一种改进，所述步骤S4中，通过多重信号分类(Multiple SignalClassification，MUSIC)算法或旋转不变子空间(Estimating Signal ParametersViarotational Invariance Techniques，ESPRIT)算法的时延角度参数估计方法估测出直达径的角度和时延，使用CSI估测出用户相对于该AP的角度
Figure BDA0003198531470000031
与时延τ，用户相对于此AP的相对位置信息为
Figure BDA0003198531470000032
其中c为光速；则用户在全局坐标系下的位置信息为(xuser,yuser,zuser)＝(xr,yr,zr)+(xAP,yAP,zAP)，其中(xAP,yAP,zAP)为服务器结合AP自身在全局坐标系下的位置信息。
作为本发明的另一种改进，所述步骤S1中天线阵列是优化之后的稀疏阵列，阵元之间的最小距离大于一个波长。
为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法在多AP的运用，包括如下步骤：
S1,请求：用户终端设备向至少两个无线局域网接入点(Access Point，AP)发送定位的请求帧，每个AP分别通过天线阵列接收该请求帧；
S2，解包：AP对步骤S1中接收的请求帧进行解包，利用802.11协议物理层帧结构中的前导码获得信道状态信息(Channel State Information，CSI)，并将CSI发送给服务器；
S3，多CSI信息保存：服务器在收到步骤S2中请求帧的CSI之后，持续从各AP中获取该定位请求帧后续通信帧的CSI，对所有的CSI进行保存；
S4，位置估测：服务器对步骤S3保存的各AP对应的所有CSI，通过如多重信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法，旋转不变子空间(Estimating SignalParameters Viarotational Invariance Techniques，ESPRIT)算法等时延角度参数估计方法，利用CSI估测出用户相对于每个AP的角度，然后在空间中搜索满足以下条件的点：
Figure BDA0003198531470000041
S5，反馈：服务器将步骤S4估测出的用户位置信息由AP反馈给用户，在用户终端设备中显示。
即本方法可以通过多AP进行定位，也可以通过单AP进行定位。当使用单AP进行定位时，服务器使用时延角度参数估计方法估计直达径的时延与角度，从而估计出用户的位置；当通过多AP进行定位时，服务器可以通过综合用户相对于多个AP的角度信息，从而估计出用户的位置，适用范围更加广泛。
为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：基于无线局域网的室内通信与定位一体化系统，其特征在于，至少包括：
用户终端设备：所述设备用于发送定位请求帧和通信帧，并用于通信与定位后的位置信息显示；
无线局域网接入点：所述无线局域网接入点使用优化过的稀疏阵列，阵元间的最小距离大于一个波长，用于接收用户终端设备的请求帧和通信帧，并对其解包后获得信道状态信息；
服务器：所述服务器与无线局域网接入点通信，对无线局域网接入点获得的信道状态信息保存和处理，结合无线局域网接入点的阵列位置信息，利用信道状态信息与相应的时延角度参数估计方法，估测出用户位置信息，并将该位置信息发送给用户，在用户手机的电子地图中实时显示用户位置。
与现有技术相比，本发明提出了基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法及系统，一方面：只需要在现有的商用接入点(Access Point，AP)上作少量改动，即将AP中的天线阵列变为优化过后的稀疏阵列，基于无线局域网的定位系统就可以用商用AP提供的信息(如CSI等)进行对用户的定位，实现了通信与定位的一体化，简单便捷；另一方面：基于无线局域网的定位系统可以定位任何有无线局域网芯片的目标，并且不需要对目标作其他的硬件上的要求，性价比更高，更符合实际需求；此外，基于无线局域网的定位系统对外部环境的变化不敏感，在复杂多变的室内环境中可以长期地使用。本案中，利用无线局域网接入点内置的优化过后的天线阵列进行室内通信与定位一体化，既能够保证无线MIMO系统的通信容量，同时减小了阵列导向矢量的相关性，可以用于实时位置显示并实现室内导航、路线规划等有效后续行动。
附图说明
图1为本发明基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法的步骤流程图；
图2为本发明室内场景多AP定位的设备位置示意图；
图3为本发明室内场景多AP定位的坐标位置示意图；
图4为本发明室内场景单AP定位的坐标位置示意图；
图5为本发明室内会议室场景单AP定位实验的环境示意图；
图6为本发明室内会议室场景单AP定位实验结果示意图；
图7为本发明室内会议室场景双AP定位实验的环境示意图；
图8为本发明室内会议室场景双AP定位实验结果示意图；
图9为本发明室内走廊场景单AP定位实验的环境示意图；
图10为本发明室内走廊场景单AP定位实验结果示意图；
图11为本发明室内大厅场景双AP定位实验的环境示意图；
图12为本发明室内大厅场景双AP定位实验结果示意图；
图13为本发明室内场景单AP定位信道容量仿真示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，在本具体实施例中，接收端是通信天线阵列为优化过的稀疏阵列的AP，用户为发送802.11ac格式波形的设备，本例中在接收端通过测向天线阵列获得电磁波的到达角与信号的时延，从而得到用户的位置。应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本发明实施例中未详细说明的均为现有技术。
本发明提出了基于无线局域网的室内通信与定位一体化系统，至少包括：用户终端设备：所述设备用于发送定位请求帧和通信帧，并用于通信与定位后的位置信息显示；
无线局域网接入点：所述无线局域网接入点使用优化过的稀疏阵列，阵元间的最小距离大于一个波长，用于接收用户终端设备的请求帧和通信帧，并对其解包后获得信道状态信息；
服务器：所述服务器与无线局域网接入点通信，对无线局域网接入点获得的信道状态信息保存和处理，结合无线局域网接入点的阵列位置信息，利用信道状态信息与相应的时延角度参数估计方法，估测出用户位置信息，并将该位置信息发回至用户终端，在用户终端中实时显示用户位置。
如图1所示的步骤流程图，基于无线局域网的室内通信与定位一体化系统其包括以下几个步骤。
S1.用户向AP节点发送定位请求帧；
S2，AP的通信天线阵列接收该帧之后，AP将该帧解包出的信道状态信息(CSI)发送给服务器；
其中，AP节点的通信天线阵列是优化之后的稀疏阵列，阵元间距一个波长以上，保证了通信容量，同时减小了阵列导向矢量的相关性，实现了通信与定位的一体化,在现有的商用AP中，将天线阵列间距设置为一个波长以上，这样做可以减少阵元间的互耦，以提高信道容量，但是，使用间距为一个波长以上的天线阵列，使用MUSIC算法进行定位时会产生模糊问题，如果希望将定位功能集成进AP，则需要增加一个额外的阵元间距小于半波长的定位天线阵列，这样做增加了一个射频前端，成本上有了很大的提高。本发明恰好解决以上问题，将AP的天线阵列替换成优化过的非均匀阵列，该非均匀阵列最小的阵元间距大于一个波长，减少了阵元间的互耦，保证了信道容量，同时，由于阵列的导向矢量经过了优化，在使用MUSIC算法时不会产生模糊问题；
S3，服务器在收到定位请求帧的CSI之后，持续从AP中获取该定位请求帧后面的通信帧的CSI，保存这些CSI；
S4，服务器利用该CSI与相应的时延角度参数估计方法估计出用户位置；
S5，服务器将用户的位置由AP发送给用户，在用户的手机应用程序中显示实时位置，并进行路径规划与导航。
实施例2
本发明的方法和系统既可以通过多AP进行定位，也可以通过单AP进行定位。如图2所示，当通过多AP进行定位时，服务器可以通过综合用户相对于多个AP的角度信息，从而估计出用户的位置；如图3所示，服务器在使用多AP进行定位时，利用CSI估计出用户相对于每个AP的角度
Figure BDA0003198531470000071
然后在空间中搜索满足以下条件的点：
Figure BDA0003198531470000072
该(xuser,yuser,zuser)为服务器使用多AP进行定位时时估计出的用户的位置。
当使用单AP进行定位时，服务器可以使用时延角度参数估计方法估计直达径的时延与角度，从而估计出用户的位置。如图4所示，服务器在使用单AP定位时，使用CSI估计出用户相对于该AP的角度
Figure BDA0003198531470000081
与时延τ，随后计算出用户相对于此AP的相对位置
Figure BDA0003198531470000082
其中c为光速。服务器结合AP自身在全局坐标系下的位置(xAP,yAP,zAP)，计算出用户在全局坐标系下的位置：
(xuser,yuser,zuser)＝(xr,yr,zr)+(xAP,yAP,zAP)
然后将此位置通过AP发送给用户。用户的设备在应用程序的电子地图中显示自己的实时位置，并根据该位置，对用户的目的地进行路线规划与实时导航。
当使用多AP进行定位时，服务器可以使用时延角度参数估计方法估计直达径的角度，从利用多个AP的角度信息，在空间中估计出用户的位置
实验例1.
本发明在如图5所示的会议室内对单AP定位进行了实验验证，接收端是通信天线阵列为优化过的稀疏阵列的AP，在图中用黑色X形表示，高度为0.75m，用户为发送802.11ac格式波形的USRP软件无线电，在图中用圆圈表示，本例中在接收端通过测向天线阵列获得电磁波的到达角与信号的时延，从而估计出用户的位置，同时，为了进行对比，本发明还将AP的阵列替换成阵元间距为半波长的均匀阵列进行实验。图6为实验的结果，由图可以看出，稀疏阵列的定位误差中位数为0.45m，90％定位误差为0.77m，而均匀阵列的定位误差中位数为0.55m，90％定位误差为3.85m，由此可见稀疏阵列的定位精度高于均匀阵列。
实验例2.
本发明在如图7所示的会议室内对多AP定位进行了实验验证，接收端是两个通信天线阵列为优化过的稀疏阵列的AP，在图中用黑色X形表示，用户为发送802.11ac格式波形的设备，在图中用圆圈表示，本例中在接收端通过两个测向天线阵列获得电磁波的到达角，将两条射线的公垂线的中点定为用户的位置。同时，为了进行对比，本发明还将AP的阵列替换成阵元间距为半波长的均匀阵列进行实验。图8为实验的结果，由图可以看出，在双AP的条件下，稀疏阵列的定位误差中位数为0.27m，90％定位误差为0.43m，而均匀阵列的定位误差中位数为1.17m，90％定位误差为3.86m，由此可见稀疏阵列的定位精度高于均匀阵列。
实验例3.
本发明在如图9所示的走廊场景对单AP定位进行了实验验证，接收端是通信天线阵列为优化过的稀疏阵列的AP，在图中用黑色X形表示，高度为2.75m，用户为发送802.11ac格式波形的USRP软件无线电，在图中用圆圈表示，本例中在接收端通过测向天线阵列获得电磁波的到达角与信号的时延，从而估计出用户的位置。图10为实验的结果，由图可以看出，稀疏阵列的定位误差中位数为0.6m，实现了较好的定位性能。
实验例4.
本发明在如图11所示的大厅场景对多AP定位进行了实验验证，接收端是两个通信天线阵列为优化过的稀疏阵列的AP，接收端高度为4m，在图中用黑色X形表示，用户为发送802.11ac格式波形的设备，在图中用圆圈表示，本例中在接收端通过两个测向天线阵列获得电磁波的到达角，将两条射线的公垂线的中点定为用户的位置。图12为实验的结果，由图可以看出，在双AP的条件下，稀疏阵列的定位误差中位数为0.44m，由此可见稀疏阵列在双AP的条件下实现了良好的定位性能。
最后，如图13所示，本发明进行了信道容量的仿真对比，通过wireless insite仿真工具在室内生成100个点的信道信息，随后将这些信道信息导入matlab中生成接收信号，再由这些接收信号的CSI求出信道容量。由图7可见，稀疏阵列的信道容量比间距为半波长的均匀阵更大，因为稀疏阵列的阵元间的互耦比半波长均匀阵更小，信噪比也更高。并且，稀疏阵列的信道容量比间距为一倍波长的均匀阵没有太大的恶化，可见稀疏阵列在保证了信道容量的前提下，实现了通信与定位的一体化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1,请求：用户终端设备向无线局域网接入点(Access Point，AP)发送定位的请求帧，AP通过天线阵列接收该请求帧；
S2，解包：AP对步骤S1中接收的请求帧进行解包，利用802.11协议物理层帧结构中的前导码获得信道状态信息(Channel State Information，CSI)，并将CSI发送给服务器；
S3，多CSI信息保存：服务器在收到步骤S2中请求帧的CSI之后，持续从AP中获取该定位请求帧后续通信帧的CSI，对所有的CSI进行保存；
S4，位置估测：服务器对步骤S3保存的所有CSI，通过时延角度参数估计方法，估测出用户的时延或者角度信息，随后使用这些信息估计出用户的位置；
S5，反馈：服务器将步骤S4估测出的用户位置信息由AP反馈给用户，在用户终端设备中显示。
2.如权利要求1所述的基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法，其特征在于步骤S4中，通过多重信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法或旋转不变子空间(Estimating Signal Parameters Viarotational Invariance Techniques，ESPRIT)算法的时延角度参数估计方法估测出直达径的角度和时延，使用CSI估测出用户相对于该AP的角度
Figure FDA0003198531460000011
与时延τ，用户相对于此AP的相对位置信息为
Figure FDA0003198531460000012
其中c为光速；则用户在全局坐标系下的位置信息为(xuser,yuser,zuser)＝(xr,yr,zr)+(xAP,yAP,zAP)，其中(xAP,yAP,zAP)为服务器结合AP自身在全局坐标系下的位置信息。
3.如权利要求1或2所述的基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法，其特征在于所述步骤S1中天线阵列是优化之后的稀疏阵列，阵元之间的最小距离大于一个波长。
4.如权利要求1所述的基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法在多AP的运用，其特征在于包括如下步骤：
S1,请求：用户终端设备向至少两个无线局域网接入点(Access Point，AP)发送定位的请求帧，每个AP分别通过天线阵列接收该请求帧；
S2，解包：AP对步骤S1中接收的请求帧进行解包，利用802.11协议物理层帧结构中的前导码获得信道状态信息(Channel State Information，CSI)，并将CSI发送给服务器；
S3，多CSI信息保存：服务器在收到步骤S2中请求帧的CSI之后，持续从各AP中获取该定位请求帧后续通信帧的CSI，对所有的CSI进行保存；
S4，位置估测：服务器对步骤S3保存的各AP对应的所有CSI，通过如多重信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法，旋转不变子空间(Estimation ofSignal Parameters via Rotational Invariant Techniques，ESPRIT)算法等时延角度参数估计方法，利用CSI估测出用户相对于每个AP的角度
Figure FDA0003198531460000021
然后在空间中搜索满足以下条件的点：
Figure FDA0003198531460000022
该坐标位置(xuser,yuser,zuser)即为服务器使用多AP进行定位时估测出的用户位置信息；
S5，反馈：服务器将步骤S4估测出的用户位置信息由AP反馈给用户，在用户终端设备中显示。
5.如权利要求3所述基于无线局域网的室内通信与定位一体化方法在多接入点的运用，其特征在于所述步骤S1中天线阵列是优化之后的稀疏阵列，阵元之间的最小距离大于一个波长。
6.基于无线局域网的室内通信与定位一体化系统，其特征在于，至少包括：
用户终端设备：所述设备用于发送定位请求帧和通信帧，并用于通信与定位后的位置信息显示；
无线局域网接入点：所述无线局域网接入点使用优化过的稀疏阵列，阵元间的最小距离大于一个波长，用于接收用户终端设备的请求帧和通信帧，并对其解包后获得信道状态信息；
服务器：所述服务器与无线局域网接入点通信，对无线局域网接入点获得的信道状态信息保存和处理，结合无线局域网接入点的阵列位置信息，利用信道状态信息与相应的时延角度参数估计方法，估测出用户位置信息，并将该位置信息发回至用户终端，在用户终端中实时显示用户位置。
7.如权利要求6所述的基于无线局域网的室内通信与定位一体化系统，其特征在于，所述无线局域网接入点内置天线阵列，该天线阵列是优化之后的稀疏阵列，该阵列可同时用于定位与通信。
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