CN113939014A

CN113939014A - 基于信道状态信息的无线室内定位方法和定位装置及相关设备

Info

Publication number: CN113939014A
Application number: CN202111125471.1A
Authority: CN
Inventors: 路兆铭; 凌思达; 赵靖博; 温向明; 郭凌超
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2041-09-24
Also published as: CN113939014B

Abstract

本申请提供一种基于信道状态信息的无线室内定位方法和定位装置及相关设备，通过布置至少三根的天线围成的区域确定定位区域，至少三根的天线通过同轴线与通信节点连接，使不同天线的达到时间的偏置是统一的，达到降低测量误差的技术效果，通信节点、天线和移动设备的普及度较高，且无需安装其它设备，降低使用成本。在定位区域内的移动设备通过天线与通信节点进行通信时，通信节点通过信道状态信息提取设备提取各个天线的信道状态信息，根据信道状态信息计算得到到达时间和信道冲激响应频谱，并根据信道冲激响应频谱计算置信度，根据到达时间和置信度，通过到达时间差定位算法计算得到移动设备的位置，定位过程有效且高效。

Description

基于信道状态信息的无线室内定位方法和定位装置及相关设备

技术领域

本申请涉及室内定位技术领域，尤其涉及一种基于信道状态信息的无线室内定位方法和定位装置及相关设备。

背景技术

近年来，商用Wi-Fi设备开始支持物理层的信道状态信息的获取，这为基于Wi-Fi的室内定位技术开辟了新的空间，因而被广泛关注研究。

然而，现有的基于信道状态信息进行室内定位的一些方法，通常需要专用的设备，或者需要密集部署AP(接入点)来协同定位，亦或对移动端设备也有特定的协议要求或装置要求。有些方法后续还需要对所得信道状态信息进行复杂的处理(如滤波，线性变换等)以消除CFO(carrier frequency offset，载波频率偏移)和SFO(sampling frequencyoffset，采样频率偏差)对原始相位信息带来的影响。这些问题在一定程度上导致了定位方法的复杂程度和建设成本的提升。

由此可见，在控制成本的前提下，如何有效且高效的实现基于信道状态信息的无线室内定位是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提出了一种能够解决或者部分解决上述技术问题的基于信道状态信息的无线室内定位方法和定位装置及相关设备。

基于上述目的，本申请的第一方面提供了一种基于信道状态信息的无线室内定位方法，包括：

确定分布式天线系统以及所述分布式天线系统对应的定位区域；其中，所述分布式天线系统包括通信节点和与所述通信节点连接的至少三根天线；

响应于在所述定位区域内的移动设备通过所述天线接与所述通信节点进行通信，确定信道状态信息；

根据所述信道状态信息计算得到到达时间和信道冲激响应频谱，并根据所述信道冲激响应频谱计算置信度；

根据所述到达时间和所述置信度，通过到达时间差定位算法计算得到所述移动设备的位置。

本申请的第二方面提供了一种基于信道状态信息的无线室内定位装置，包括：

到达时间提取模块，被配置成：响应于在所述定位区域内的移动设备通过所述天线接与所述通信节点进行通信，确定信道状态信息；

到达时间处理模块，被配置成：根据所述信道状态信息计算得到到达时间，并根据信道冲激响应频谱计算置信度。

本申请的第三方面提供了一种相关设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现第一方面所述的方法。

从上面可以看出，本申请提供的基于信道状态信息的无线室内定位方法和定位装置及相关设备，通过布置至少三根的天线围成的区域确定定位区域，至少三根的天线通过同轴线与通信节点连接，使各天线在时间上保持同步，进而使各天线测得的到达时间的偏置是统一的，达到降低测量误差的技术效果，分布式天线系统中的通信节点和天线普及度较高，可同时满足通信和定位的需求，移动设备端无需复杂的设备，仅用单天线手机即可完成定位，且无需安装其它辅助设备，降低使用成本。在定位区域内的移动设备通过天线与通信节点进行通信时，通信节点通过信道状态信息提取设备提取各个天线的信道状态信息，根据信道状态信息计算得到到达时间，并根据信道冲激响应频谱计算置信度，根据到达时间和置信度，通过到达时间差定位算法计算得到移动设备的位置，既通过单个通信节点完成定位，定位过程有效且高效。到达时间差定位算法中通过定义局部信噪比，使到达时间差定位算法适合室内环境的定位，其定位精度能在面积为一百平米的区域内达到亚米级。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于信道状态信息的无线室内定位方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的基于信道状态信息的无线室内定位方法的分布式天线系统示意图；

图3为本申请实施例提供的基于信道状态信息的无线室内定位方法的信道冲激响应频谱示意图；

图4为本申请实施例提供的基于信道状态信息的无线室内定位装置框图；

图5为本申请实施例提供的相关设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

相关技术中基于信道状态信息进行定位的方法往往需要通过预先的目标测试来构建指纹库，然后利用在线阶段测得的数据与指纹库进行匹配，最终完成定位。采取这种方式的优点是测试人员无需携带移动设备即可完成定位，且抗干扰能力较强，定位精度较高。然而，构建指纹库需要耗费大量人力物力，而且更换新的定位场景后就要对其重新进行构建。此外，信道状态信息所记载的原始相位信息存在误差，主要是接收机和发射机的中心频率往往不能精确同步(频偏)，接收机在下变频时，往往会产生载波频率偏移(carrierfrequency offset，CFO)和采样频率偏差(sampling frequency offset，SFO)，从信道状态信息中提取出来的原始相位信息是不能直接拿来用的，所以还需要对信道状态信息进行复杂的处理，例如滤波或变换。

本实施例提供的基于信道状态信息的无线室内定位方法过利用简易的分布式天线系统，有效地提取该系统所覆盖区域内的信道状态信息，无需对信道状态信息进行复杂的处理，只需要对信道状态信息进行快速傅里叶逆变换以估计各分布式天线的到达时间，最后通过一种基于TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)的定位算法，计算出移动设备的位置，使用成本低，定位有效且高效。

在一些实施例中，如图1所示，基于信道状态信息的无线室内定位方法包括：

步骤100，确定分布式天线系统以及分布式天线系统对应的定位区域。

在该步骤中，分布式天线系统包括通信节点和与通信节点连接的至少三根天线，分布式天线系统确定的定位区域为至少三根天线的位置所围成的二维区域的内部和/或外部。

可选地，通信节点的选择有多种，例如：路由器、AP、LTE、5G等使用MIMO-OFDM的设备，由于路由器的普及度较高，选择路由器作为通信节点为较为优质的选择。

需要说明的是，本实施例将以路由器作为通信节点，四根天线确定的二维定位区域为例进行说明。

在一些实施例中，如图2所示，为了适应普适性的室内二维定位环境，本实施例选定一块10m×10m的室内空地作为定位区域。通常二维定位需要三根或三根以上天线，为了保证定位的精度，选取四根天线，通过同轴线与一个路由器相连接，作为定位时的锚点，定位测试点为该区域的四个端点，以及每隔两米设置一个测试点，共36个测试点。根据克拉美罗界的有关理论推导，四根天线的位置分别设置为(1,1)，(1,9)，(9,9)，(9,1)。四根天线构成一块8m×8m的区域，并由此构成了一个分布式天线系统。

可选地，移动设备包括且不限于具有基于MIMO-OFDM无线通信功能的手机、平板或电脑等，且无需额外的协议或安装天线阵列。

可选地，四根天线采用同轴线与路由器的接入点连接，保证了各天线在时间上的同步，达到降低测量误差的技术效果。且天线与路由器的接入点的连接方式并不局限于通过同轴线，如果有需求，还可以通过光载无线通信(RADIO-OVER-FIBER，ROF)的方式进行连接。

步骤200，响应于在定位区域内的移动设备通过天线接与路由器进行通信，确定信道状态信息。

在该步骤中，位于任一测试点的移动设备发送数据包，每个包里有200组数据，四根天线接收到数据，即移动设备和路由器网卡之间存在通信，路由器在接收Wi-Fi数据帧的时候可以通过信道状态信息工具对信道状态信息进行提取。

可选地，移动设备和路由器之间进行通信的方式并不局限于此，还可以利用LTE信号、5G信号等来进行通信，进而利用路由器网卡通过特定的CSI_TOOL提取各天线上的信道状态信息。

步骤300，根据信道状态信息计算得到到达时间和信道冲激响应频谱，并根据信道冲激响应频谱计算置信度。

在该步骤中，由于移动设备和天线之间的中心频率往往不能精确同步，往往会产生载波频率偏移(carrier frequency offset，CFO)和采样频率偏差(sampling frequencyoffset，SFO)，所以得到的到达时间的估计都附加了一个偏置，到达时间实际上是不准确的。但是由于各天线链接同一块路由器的网卡，不同天线上的到达时间的估计的偏置相同，所以天线之间的到达时间差是准确的，适合通过到达时间差算法进行定位。

步骤400，根据到达时间和置信度，通过到达时间差定位算法计算得到移动设备的位置。

在该步骤中，由于移动设备和路由器的距离较近，导致测距误差较大，而且当移动设备位于分布式天线系统定位区域几何中心附近时，Chan算法精度存在较大偏差。此外，由于负值的存在，Chan算法常出现一些异常结果，因此Chan算法不再适合基于信道状态信息的室内定位。本实施例通过达时间差定位算法，利用测得的置信度数据构建权重矩阵，最终利用加权最小二乘法不断迭代优化并确定移动设备所在位置。

需要说明的是，基于上述室内二维定位的实施例内容，可以扩展到定位场景维度为一维或三维的情况。其区别在于，进行一维定位至少需要两根天线，有效定位区域为天线所连直线区域附近；进行三维定位则至少需要四根天线，有效定位区域为几根天线所围成的几何空间内。

在一些实施例中，如图3所示，根据信道状态信息计算处理得到到达时间，具体包括：对信道状态信息进行快速傅里叶逆变换处理，得到信道冲激响应频谱；根据信道冲击响应频谱，先利用阈值搜索的方式确定信道冲击响应频谱的阈值，再利用峰值搜索的方式搜索靠近阈值最近的主峰，根据主峰对应信道冲激响应频谱的横坐标值得到到达时间。

其中，对信道状态信息进行快速傅里叶逆变换处理，得到信道冲激响应频谱后，首先利用公式τ，

估计粗略的到达时间τ，以确定初始的搜索范围，公式中，τ是粗略估计的到达时间，threshold是设定的阈值，Sat是满足的意思，

为整个时间段内的能量，1/Δf为整个收发数据的时间，

为0-τ时间段内的能量。

其中，阈值和峰值搜索的公式可以用argmax函数来表示，搜索的方式是，首先确定阈值，然后最靠近阈值的第一个峰就为搜索到的主峰，主峰对应的横坐标值为移动设备于次波形对应的天线的距离。

其中，四条波形分别代表四根天线各自的信道冲击响应，四条竖线分别代表四根天线各自信道冲激响应的阈值，信道冲击响应频谱的纵坐标表示信号强度，横坐标表示移动设备到各天线的距离，单位是厘米。

需要说明的是，横坐标的初始表示变量是到达时间，但是由于测试距离较短，到达时间数值的量级较小，以到达时间为横坐标不方便构图，根据ToA＝u/x计算得到移动设备与天线的距离u，其中，ToA为到达时间，x为光速。将到达时间转化为距离后，其横坐标的数值的量级提高，构图更加清晰。

其中，对信道状态信息进行快速傅里叶逆变换处理后得到信道冲激响应是为了获得信号到各天线的到达时间，以图3中最高波峰排第二的波形为例，采用阈值和峰值搜索的方式找到频谱最大值(波峰位置的三角形)，对应的横坐标大概为3800，这表示计算出来移动设备距离此波形对应的天线有38米(由于到达时间的偏置，可能偏大)。

需要说明的是，四根天线的主峰位置在图3里很接近的原因是，选择(5，5)作为测试点，测试点离四根天线距离都一样。

在一些实施例中，根据信道冲激响应频谱计算置信度，具体包括：

根据公式S＝P/N确定天线的信噪比，其中，N＝P-P_i，P为主峰频带内的功率，P_i为理想的功率，N为噪声功率，S为信噪比；根据公式

对信噪比进行归一化处理，即

其中，confidence_i为第i根天线的置信度，n为天线数，S_i为第i根天线的信噪比。

其中，通过定义信噪比来获取置信度，可以缓解噪声信号对所测到达时间得影响，提高定位结果得精准度。

在一些实施例中，根据到达时间和置信度，通过到达时间差定位算法计算得到移动设备的位置，具体包括：

根据置信度确定到达时间的协方差矩阵：

利用公式∑_TDoA＝T★∑_ToA★T^T计算得出到达时间差的协方差矩阵，将到达时间差的协方差矩阵逆变换得到权重矩阵W＝∑_TDoA ^-1，其中，TDoA为到达时间差，T为将到达时间向到达时间差的线性变换矩阵。通过R＝(实测TDoA-计算位置的TDoA)2得到目标函数R，根据S＝RT★W★R得到加权后的最终目标函数S，当最终目标函数的值最小时，计算位置既为真实位置的最佳估计。

其中，达时间差定位算法采用加权最小二乘法，当加权后的目标函数S为最小时，计算位置与真实位置差别最小，计算位置既为真实位置的最佳估计。

如图4所示，基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种基于信道状态信息的无线室内定位装置，包括：

到达时间提取模块01，被配置成：响应于在定位区域内的移动设备通过天线接与通信节点进行通信，确定信道状态信息。

到达时间处理模块02，被配置成：根据信道状态信息计算得到到达时间和信道冲激响应频谱，并根据信道冲激响应频谱计算置信度。

定位模块03，被配置成：根据到达时间和置信度，通过到达时间差定位算法计算得到移动设备的位置。

分布式天线系统04，设有通信节点和至少三根天线，至少三根的天线与通信节点连接，构成定位锚点。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施公开时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的基于信道状态信息的无线室内定位方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

如图5所示，本实施例所提供的一种更为具体的相关设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的相关设备用于实现前述任一实施例中相应的基于信道状态信息的无线室内定位方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于信道状态信息的无线室内定位方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于信道状态信息的无线室内定位方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于信道状态信息的无线室内定位方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述信道状态信息计算处理得到到达时间，具体包括：

对所述信道状态信息进行快速傅里叶逆变换处理，得到信道冲激响应频谱；

根据所述信道冲击响应频谱，先利用阈值搜索的方式确定所述信道冲击响应频谱的阈值，再利用峰值搜索的方式搜索靠近所述阈值最近的主峰，根据所述主峰对应所述信道冲激响应频谱的横坐标值得到到达时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述信道冲激响应频谱计算置信度，具体包括：

根据公式S＝P/N确定所述天线的信噪比，其中，N＝P-P_i，P为主峰频带内的功率，P_i为理想的功率，N为噪声功率，S为信噪比；

根据公式

对所述信噪比进行归一化处理，即

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据到所述达时间和所述置信度，通过到达时间差定位算法计算得到所述移动设备的位置，具体包括：

根据所述置信度确定到达时间的协方差矩阵：

利用公式

计算得出到达时间差的协方差矩阵，将所述到达时间差的协方差矩阵逆变换得到权重矩阵W＝Σ^-1 _TDoA，其中，TDoA为到达时间差，T为将所述到达时间向所述到达时间差转换的线性变换矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据到所述达时间和所述置信度，通过到达时间差定位算法计算得到所述移动设备的位置，还包括：

通过R＝(实测TDoA-计算位置的TDoA)²得到目标函数R，根据

得到加权后的最终目标函数S，当最终目标函数的值最小时，计算位置既为真实位置的最佳估计。

6.一种基于信道状态信息的无线室内定位装置，其特征在于，包括：

到达时间处理模块，被配置成：根据所述信道状态信息计算得到到达时间和信道冲激响应频谱，并根据所述信道冲激响应频谱计算置信度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

定位模块，被配置成：根据所述到达时间和所述置信度，通过到达时间差定位算法计算得到所述移动设备的位置。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

分布式天线系统，设有通信节点和至少三根天线，至少三根的所述天线与所述通信节点连接，构成定位锚点。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述定位区域为至少三根的所述天线围成的平面区域的内部和/或外部。

10.一种相关设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任意一项所述的方法。