CN115087095B - 一种基于csi的加权knn的可见光室内定位方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及室内定位技术领域，公开了一种基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法，其包括:驱动LED光源发送带有LED光源的光强信息和位置信息的光信号；接收器接收LED光源发送的信号并进行转换，得到基带信号；对基带信号进行去循环前缀、快速傅里叶变换、估计出信道频域响应和快速傅里叶逆变换，得到信道脉冲响应向量；对信道路径数进行估计；对每一条信道路径的接收功率占总接收功率的比例进行估计；对视距路径的接收功率进行计算并计算视距路径的距离值；利用最小二乘法得到接收器的多个估计坐标，并进行加权平均，以得到接收器的最终的位置坐标。解决了现有的可见光室内定位方法存在定位精度较低的缺陷。
Description
技术领域
本申请涉及室内定位技术领域，尤其是涉及一种基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法。
背景技术
可见光通信(visible light communication，VLC)是一种利用波长在380nm到790nm范围内的可见光强弱变化传递信息的技术。该技术在提供照明功能的同时，可用于信息的传输。相比于传统无线通信技术，VLC技术具有安全性高、绿色无辐射、频谱资源丰富且无需授权和抗电磁干扰等方面的优势。VLC可以为室内定位提供实用的解决方案。现有的RSS算法根据多个可见光信号到达接收端的信号强度来确定接收端的位置。由于室内多径效应的影响，使用总的接收功率来进行定位的方法无法获得精确而稳定的定位性能。
针对上述相关技术，现有的可见光室内定位方法存在定位精度较低的缺陷。
发明内容
为了解决现有的可见光室内定位方法存在定位精度较低的缺陷，本申请提供了一种基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法。
本申请是通过以下技术方案得以实现的：一种基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法，包括：
驱动LED光源发送带有所述LED光源的光强信息和位置信息的光信号；
接收器接收所述LED光源发送的信号并进行光电信号转换和模数信号转换，得到基带信号；
对所述基带信号进行去循环前缀、快速傅里叶变换、使用LS信道估计算法估计出信道频域响应和对所述信道频域响应进行快速傅里叶逆变换，得到信道脉冲响应向量；
基于所述信道脉冲响应向量对信道路径数进行估计；
基于所述信道路径数对每一条所述信道路径的接收功率占总接收功率的比例进行估计；
基于每一条所述信道路径的接收功率占总接收功率的比例对所述LED光源和所述接收器之间的视距路径的接收功率进行计算，基于所述视距路径的接收功率计算所述视距路径的距离值；
基于所述视距路径的距离值和所述LED光源的位置信息利用最小二乘法得到所述接收器的多个估计坐标，并对各所述估计坐标进行加权平均，以得到所述接收器的最终的位置坐标。
通过采用上述技术方案，产生用于调制LED光源光强的驱动信号驱动LED光源发送带有LED光源的光强信息和位置信息的光信号，接收器接收LED光源发送的光信号并进行光电信号转换和模数信号转换，把信道状态信息(Channel State Information，CSI)引入到三边测量的定位方法中，信道状态信息CSI包括CIR向量及每条信道路径的接收功率占总的接收功率的比例，对转换后的信号进行处理得到CIR向量，使用CIR向量对视距(Line ofSight，LOS)径的功率占总接收功率的比例进行估计，减少反射路径接收功率对定位误差的影响，以减少反射路径对距离测量值的干扰，提高对LOS径的距离计算的精度。最后基于LOS径的距离值和LED光源的位置利用最小二乘法得到接收器的多个估计坐标，对所有估计坐标结果做权重求和，进一步增加对接收器坐标估计的精确度，以得到最终估计的接收器的坐标。将CSI引入定位方法，并和加权KNN结合，可以有效处理有大量反射路径的复杂室内定位场景，可以提供更精确的定位精度。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述驱动LED光源发送带有所述LED光源的光强信息和位置信息的光信号包括以下步骤：
使用DCO-OFDM系统将频域导频序列调制到子载波上；
对调制到子载波上的所述频域导频序列经快速傅里叶逆变换和加循环前缀操作后得到时域信号；
对所述时域信号进行裁剪；
剪裁后的所述时域信号经过数模转换及叠加直流偏置后，产生用于调制所述LED光源光强的驱动信号；
使用所述驱动信号驱动所述LED光源发送带有所述LED光源的光强信息和位置信息的光信号。
通过采用上述技术方案，在满足OFDM系统要求的Hemnitian symmrtry的基础上，将频域导频序列调制到子载波上，经过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast FourierTransform，IFFT)和加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)后得到时域信号，对时域信号进行剪裁，可以保证LED光源的工作在线性范围内，再通过数模转换及叠加直流偏置，可以产生用于调制LED光源的驱动信号，进而驱动LED光源发送可被接收器接收的带有定位信息、训练符号和导频的光信号。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述对所述基带信号进行去循环前缀、快速傅里叶变换、使用LS信道估计算法估计出信道频域响应和对所述信道频域响应进行快速傅里叶逆变，换得到信道脉冲响应向量后还进行以下步骤：
对所述信道脉冲响应向量中的负值赋值为0，得到修正后的所述信道脉冲响应向量
通过采用上述技术方案，由于估计的CIR受噪声影响，导致一些路径增益为负，对CIR向量中的负值赋值为0对CIR向量进行修正，可以使其符合实际。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于所述信道脉冲响应向量对信道路径数进行估计，包括以下步骤：
计算所述信道脉冲响应向量的均值El和方差Dl；
根据所述均值El和所述方差Dl，以所述方差Dl和所述均值El的比值计算评估信道路径数量的参数V(l)；
计算所述V(l)的最大值，得到估计的所述信道路径数K。
通过采用上述技术方案，对信道路径数进行估计，可用于后续对每一条信道路径的接收功率在总接收功率的占比进行计算。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述对每一条所述信道路径的接收功率占总接收功率的比例进行估计的方法为：
在估计出所述信道路径数后，对所述信道脉冲响应向量的K条所述信道路径的接收功率占总接收功率的比例，计算公式为：
其中为修正后的所述信道脉冲响应向量。
通过采用上述技术方案，计算每一条信道路径的接收功率占总接收功率的比例，用于后续对LOS径的接收功率占总接受功率的比例的计算。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于每一条所述信道路径的接收功率占总接收功率的比例对所述LED光源和所述接收器之间的视距路径的接收功率进行计算，基于所述视距路径的接收功率计算所述视距路径的距离值包括以下步骤：
将第一条所述信道路径的接收功率记为所述视距路径的接收功率，所述视距路径的接收功率可以计算为：
其中表示所述视距路径的归一化幅度，/>为所述总接收功率；
基于所述视距路径的接收功率计算所述LED光源到所述接收器的距离表示为：
其中，m表示朗伯阶数，APD为所述接收器的检测面积，ψ为所述接收器的入射角度，g(ψ)为聚光器增益，Ts(ψ)为光学滤波器增益，H为所述接收器和所述LED光源之间的垂直距离，Pt为所述LED光源的发射功率；
基于所述均值El、所述方差Dl和所述评估信道路径数量的参数V(l)，计算n个所述视距路径的距离值，表示为：
通过采用上述技术方案，基于每条信道路径的接收功率占总接收功率的比例以计算LOS径的接收功率，再基于LOS径的接收功率和距离公式计算LED光源到接收器的距离，即为LOS径的距离值，基于接收功率计算的LOS径的距离值，比基于总接受强度计算的LOS径的距离值精确度更高。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于所述视距路径的距离值利用最小二乘法得到所述接收器的多个估计坐标，并对各所述估计坐标进行加权平均，以得到最终的位置坐标包括以下步骤：
计算所述接收器和第i个所述LED光源之间的水平距离，表示为：
其中，对于1≤i≤n；
根据所述水平距离，计算所述接收器的水平坐标(x，y)和发射器的水平坐标(xi,yi)的关系，表示为:
将上述表达式中的第i个式子分别和其他式子相减，得到：
利用最小二乘法可以计算得到第i个估计坐标，记为
重复所述将上述表达式中的第i个式子分别和其他式子相减，以得到n个所述估计坐标，记为：
将n个所述估计坐标进行加权平均得到最终的位置估计坐标(x,y)：
其中w′为权重值。
通过采用上述技术方案，基于全部LOS的距离值，通过n个数量的LED光源和接收器之间的高度和水平距离，通过最小二乘法得到n个接收器的位置估计坐标，通过对n个估计坐标的加权平均，得到最终的位置估计坐标，提高对接收器坐标定位的准确度。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述权重值w′的计算方式包括：
其中为n个所述视距路径的距离值，W为非归一化的权值向量。
通过采用上述技术方案，以各LOS径的距离值作为权重比，将权重值代入最终的位置估计坐标，可以得到接收器的最终坐标，定位精度高。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述权重值w′的计算方式包括：
其中n为所述LED光源的数量，W为非归一化的权值向量。
通过采用上述技术方案，使每个估计坐标的权重值相等，计算简单。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1、将信道状态信息CSI引入到三边测量的定位方法中，以减少反射路径对距离测量值的干扰，通过对LOS径的接收功率占总接收功率的比例进行估计，以提供LOS径的估计的精确度，提高对接收器定位的精确度；
2、基于n条LOS径的距离值，通过最小二乘法计算n个估计坐标，以估计的LOS径的距离值作为所有估计坐标的权重值，进一步提高对接收器最终估计坐标的精确度，是本可见光室内定位方法能够有效处理有大量反射路径的复杂室内定位场景。
附图说明
图1为本申请一个示例性实施例提供的基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法的流程示意图。
图2为本申请一个示例性实施例提供的几种可见光定位方法的平均定位误差比较结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。
实施例一
本申请实施例公开一种基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法。参照图1，基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法包括以下步骤：
步骤S1：驱动LED光源发送带有LED光源的光强信息和位置信息的光信号；
包括以下步骤：
使用DCO-OFDM系统将频域导频序列调制到子载波上；
对调制到子载波上的频域导频序列经IFFT操作和加CP操作后得到时域信号；
对时域信号进行裁剪；
剪裁后的时域信号经过数模转换及叠加直流偏置后，产生用于调制LED光源光强的驱动信号；
使用驱动信号驱动LED光源发送带有LED光源的光强信息和位置信息的光信号。
在满足OFDM系统要求的Hemnitian symmrtry的基础上，将频域导频序列调制到子载波上，经过IFFT和加CP后得到时域信号，对时域信号进行剪裁，可以保证LED光源的工作在线性范围内，再通过数模转换及叠加直流偏置，可以产生用于调制LED光源的驱动信号，进而驱动LED光源发送带有LED光源的光强信息和位置信息的可被接收器接收的信号。
步骤S2：接收器接收LED光源发送的光信号并进行光电信号转换和模数信号转换，得到基带信号；
步骤S3：对转换得到的基带信号进行去循环前缀、快速傅里叶变换、使用LS信道估计算法估计出信道频域响应和述信道频域响应进行快速傅里叶逆变换，得到信道脉冲响应向量；
包括以下步骤：
对基带信号经过去CP和FFT后得到频域导频符号
基于频域导频符号使用LS信道估计算法估计出信道频域响应(ChannelFrequency Response,CFR)，表示为
对信道频域响应进行IFFT操作得到信道脉冲响应(Channel Impulse Response,CIR),表示为
对所述信道脉冲响应向量中的负值赋值为0，得到修正后的所述信道脉冲响应向量
可以通过接收器接收的LED光源所发出的光信号进行数据处理后估算出CIR向量，并提高对CIR向量估算的准确性，由于估计的CIR受噪声影响，导致一些路径增益为负，对CIR向量中的负值赋值为0对CIR向量进行修正，可以使其符合实际。
步骤S4：基于CIR向量对信道路径数进行估计；
包括以下步骤：
设是来自LED光源的第a个CIR向量中的第i个元素；
计算CIR向量的均值El和方差Dl，计算公式为：
其中Np为CIR向量的长度，N1为CIR向量的数量。
根据均值El和方差Dl，计算评估信道路径数量的参数V(l)，计算公式为：
V(l)＝Dl/El
计算V(l)的最大值，得到估计的信道路径数K，计算公式为：
K＝{V(K)＝max(V)}。
对信道路径数进行估计，可用于后续对每一条信道路径的接收功率在总接收功率的占比进行计算。
步骤S5：基于信道路径数对每一条信道路径的接收功率占总接收功率的比例进行估计；
在估计出信道路径数后，对CIR向量的K条路径的增益进行归一化处理，以估计每一条信道路径的接收功率占总接收功率的比例，计算公式为：
步骤S6：基于每一条信道路径的接收功率占总接收功率的比例对LED光源和接收器之间的视距路径的接收功率进行计算，基于视距路径的接收功率计算视距路径的距离值；
包括以下步骤：
将第一条信道路径的接收功率记为LOS径的接收功率，LOS径的接收功率可以计算为：
其中表示LOS路径的归一化幅度，/>为总接收功率；
基于LOS径的接收功率计算LED光源到接收器的距离表示为：
其中，m表示朗伯阶数，APD为接收器的检测面积，ψ为接收器的入射角度，，g(ψ)为聚光器增益，Ts(ψ)为光学滤波器增益，H为接收器和LED光源之间的垂直距离，Pt为LED光源的发射功率；
基于均值El、方差Dl和评估信道路径数量的参数V(l)，计算n个LOS径的距离值，表示为：
基于每条信道路径的接收功率占总接收功率的比例以计算LOS径的接收功率，再基于LOS径的接收功率和距离公式计算LED光源到接收器的距离，即为LOS径的距离值，基于接收功率计算的LOS径的距离值，比基于总接受强度计算的LOS径的距离值精确度更高。
步骤S7：基于LOS径的距离值和LED光源的位置信息利用最小二乘法得到接收器的多个估计坐标，并对各估计坐标进行加权平均，以得到最终的位置坐标；
包括以下步骤：
计算接收器和第i个LED光源之间的水平距离，表示为：
其中，对于1≤i≤n；
根据水平距离，计算接收器的水平坐标(x，y)和发射器的水平坐标(xi,yi)的关系，表示为:
将上述表达式中的第i个式子分别和其他式子相减，得到：
将上面的方程表示成矩阵的形式为:
AX＝B
其中
X＝[x y]T
利用最小二乘法可以估计接收器坐标为具体如下式：
计算得到第i个估计坐标，记为
重复将上述表达式中的第i个式子分别和其他式子相减，以得到n个估计坐标，记为：
将n个估计坐标进行加权平均得到最终的位置估计坐标(x,y)：
其中w′为权重值，权重值w′的计算方式为：
其中为n个所述视距路径的距离值W为非归一化的权值向量。
基于全部LOS的距离值，通过n个数量的LED光源和接收器之间的高度和水平距离，通过最小二乘法得到n个接收器的位置估计坐标，通过对n个估计坐标的加权平均，得到最终的位置估计坐标，提高对接收器坐标定位的准确度。以各LOS径的距离值作为权重比，将权重值代入最终的位置估计坐标，可以得到接收器的最终坐标，定位精度高。
同时，本实施例中，使用Matlab对基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法的定位精度进行了仿真模拟，Matlab仿真参数：1)4个LED光源的坐标分别为(1,1)，(1,3)，(2,2)，(3,1)；2)仿真场景的尺寸为4m×4m×3m；3)导频序列大小N为32；4)使用的权值分别为
参照图2，对不同方法的平均定位误差的累计分布函数(CumulativeDistribution Function，CDF)曲线进行了对比，其中，使用RSS的定位方法记为4LED RSSI；使用了加权KNN的RSS定位方法记为4LED RSSI W-KNN；使用CSI的定位方法记为4LED CSI；使用了CSI的加权KNN的定位方法记为4LED CSI W-KNN。
在CDF等于0.99的情况下，四种定位方法的定位精度分别为86cm，91cm，7cm，5cm。其中,与4LED RSSI定位算法相比使用4LED CSI W-KNN定位算法平均定位误差降低了79cm，相当于提升了94％；与4LED RSSI W-KNN的定位算法相比4LED CSI W-KNN定位算法平均定位误差降低了86cm,相当于提升了94.5％；与4LED CSI定位算法相比使用4LED CSI W-KNN定位算法平均定位误差降低了2cm，相当于提升了28％。可以看出基于CSI的加权KNN算法在定位误差要远优于其他算法。此外，使用4LED RSSI W-KNN定位方法定位误差大于使用4LEDRSSI定位方法。这说明在有反射路径干扰的情况下，使用总的接收功率计算的距离值误差很大，这种情况下，使用W-KNN方法并不能提升定位精度，反而会降低性能。另外一方面，只有将CSI信息和W-KNN方法结合起来才能显著提升定位精度，可以有效处理有大量反射路径的复杂室内定位场景，提供更精确的定位精度。
实施例一的实施原理为：产生用于调制LED光源光强的驱动信号并通过LED光源进行发送，接收器接收LED光源发送的光信号并进行光-电信号转换和电-数信号转换，把信道状态信息CSI引入到三边测量的定位方法中，信道状态信息CSI包括CIR向量及每条信道路径的接收功率占总的接收功率的比例，对转换后的信号进行处理得到CIR向量，使用CIR向量对LOS径的功率进行估计，以减少反射路径对距离测量值的干扰，以提高对LOS径的距离计算的精度。最后得到一组有关LED光源和接收器距离的方程组时，对每个方程和其他方程进行循环相减使用最小二乘法得到的n个估计坐标，对所有估计坐标结果做权重求和，进一步增加对接收器坐标估计的精确度，以得到最终估计的接收器的坐标。将CSI引入定位方法，并和加权KNN结合，可以有效处理有大量反射路径的复杂室内定位场景，可以提供更精确的定位精度。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于权重值w′的计算方式不同，具体的权重值w′的计算方式为：
其中n为LED光源的数量，W为非归一化的权值向量。
通过采用上述技术方案，使每个估计坐标的权重值相等，计算简单。
实施例二的实施原理与实施例一的实施原理的区别为：在对n个估计坐标进行加权平均时，使每个估计坐标的权重值相等，均为方便计算得到最终坐标。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于CSI的加权KNN的可见光室内定位方法，其特征在于，包括：
使用DCO-OFDM系统将频域导频序列调制到子载波上；
对调制到子载波上的所述频域导频序列经快速傅里叶逆变换和加循环前缀操作后得到时域信号；
对所述时域信号进行裁剪；
剪裁后的所述时域信号经过数模转换及叠加直流偏置后，产生用于调制LED光源光强的驱动信号；
使用所述驱动信号驱动所述LED光源发送带有所述LED光源的光强信息和位置信息的光信号；
接收器接收所述光信号并进行光电信号转换和模数信号转换，得到基带信号；
对所述基带信号进行去循环前缀、快速傅里叶变换、使用LS信道估计算法估计出信道频域响应和对所述信道频域响应进行快速傅里叶逆变换，得到信道脉冲响应向量；
对所述信道脉冲响应向量中的负值赋值为0，得到修正后的所述信道脉冲响应向量
计算所述信道脉冲响应向量的均值El和方差Dl；
根据所述均值El和所述方差Dl，以所述方差Dl和所述均值El的比值计算评估信道路径数量的参数V(l)；
计算所述V(l)的最大值，得到估计的所述信道路径数K；
在估计出所述信道路径数后，估计所述信道脉冲响应向量的K条所述信道路径的接收功率占总接收功率的比例，计算公式为：
其中为修正后的所述信道脉冲响应向量；
将第一条所述信道路径的接收功率记为视距路径的接收功率，所述视距路径的接收功率可以计算为：
其中表示所述视距路径的归一化幅度，/>为所述总接收功率；
基于所述视距路径的接收功率计算所述LED光源到所述接收器的距离表示为：
其中，m表示朗伯阶数，APD为所述接收器的检测面积，ψ为所述接收器的入射角度，g(ψ)为聚光器增益，Ts(ψ)为光学滤波器增益，H为所述接收器和所述LED光源之间的垂直距离，Pt为所述LED光源的发射功率；
基于所述均值EI、所述方差DI和所述评估信道路径数量的参数V(l)，计算n个所述视距路径的距离值，表示为：
计算所述接收器和第i个所述LED光源之间的水平距离，表示为：
其中，对于1≤i≤n；
根据所述水平距离，计算所述接收器的水平坐标(x，y)和发射器的水平坐标(xi,yi)的关系，表示为:
将上述表达式中的第i个式子分别和其他式子相减，得到：
利用最小二乘法可以计算得到第i个估计坐标，记为
重复所述将上述表达式中的第i个式子分别和其他式子相减，以得到n个所述估计坐标，记为：
将n个所述估计坐标进行加权平均得到最终的位置估计坐标(x,y)：
其中w′为权重值，并对各所述估计坐标进行加权平均，以得到所述接收器的最终的位置坐标,所述权重值W′的计算方式包括：
其中为n个所述视距路径的距离值，W为非归一化的权值向量；
或，所述权重值W′的计算方式包括：
其中n为所述LED光源的数量，W为非归一化的权值向量。
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