基于信道狀態(tài)信息測(cè)距的輕量級(jí)指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種輕量級(jí)指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法， 可用于移動(dòng)智能設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)智能設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)滲透到人類生產(chǎn)生活的方方面面，室內(nèi)定位受到越 來(lái)越多研究者的關(guān)注，也催生了很多定位技術(shù)。無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的傳播存在多徑效應(yīng)現(xiàn)象， 信號(hào)會(huì)被反射、折射，甚至被障礙物遮擋，該些都會(huì)對(duì)取得高精度定位結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。 然而，很多室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景要求米級(jí)乃至分米級(jí)的定位精度，因而室內(nèi)定位充滿了挑戰(zhàn)。
[0003] 接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI作為一種主流的方案常用于基于測(cè)距的定位和指紋定位 系統(tǒng)。在室內(nèi)環(huán)境中由于多徑效應(yīng)的影響，無(wú)線信號(hào)是通過(guò)多個(gè)路徑到達(dá)接收端的。沿不 同路徑傳播的無(wú)線信號(hào)，其時(shí)延、相位變化和衰減程度均不同，接收機(jī)所接收到的信號(hào)是多 路徑信號(hào)的融合，因此RSSI是沿多條路徑傳播的信號(hào)共同的疊加值。一方面，采用RSSI無(wú) 法獲得沿著視距傳播的信號(hào)的能量值；另一方面，RSSI具有不穩(wěn)定性，即使是在穩(wěn)定的環(huán) 境下，在同一個(gè)位置采集到的RSSI值也會(huì)有較大的波動(dòng)。因此，將RSSI應(yīng)用于基于測(cè)距的 定位方法和基于指紋的定位方法均難W取得較高的定位精度。
[0004] 近年來(lái)，有設(shè)備支持獲取物理層的信道狀態(tài)信息CSI。利用正交頻分復(fù)用OFDM技 術(shù)可W得到表征發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間信道響應(yīng)的CSI。具體而言，CSI是物理層的一種細(xì)粒 度的屬性值，其描述了頻域空間對(duì)應(yīng)每個(gè)子載波的振幅和相位。無(wú)線信號(hào)在發(fā)射機(jī)和接收 機(jī)之間傳播過(guò)程中的衰減情況可W通過(guò)CSI反映出來(lái)。相比RSSI，CSI具有區(qū)分多路徑信 號(hào)的能力，且具有更好的穩(wěn)定性。
[0005]經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，W往基于CSI的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)如下：
[0006] 申請(qǐng)?zhí)枮?01110373217、申請(qǐng)日為2011-11-22的國(guó)內(nèi)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種 基于物理層的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的實(shí)現(xiàn)方法及其裝置，其采用CSI指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)定位。該 方法根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境的傳播路徑損耗模型，并根據(jù)優(yōu)化后的傳播路徑損耗模型 計(jì)算每個(gè)發(fā)送方與接收方的距離，并采用訓(xùn)練方法得到對(duì)應(yīng)不同室內(nèi)場(chǎng)景的環(huán)境系數(shù)和路 徑損耗系數(shù)，最后采用=邊定位法得到目標(biāo)的位置。但事實(shí)上，即使在同一室內(nèi)場(chǎng)景，每次 信號(hào)傳播的遮擋、衰減情況也不同，因而每次信號(hào)傳播對(duì)應(yīng)的路徑損耗系數(shù)應(yīng)該是不同的； 此外，在無(wú)線局域網(wǎng)WLAN環(huán)境下，由于被定位無(wú)線設(shè)備不支持同時(shí)連接多個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)， 因而無(wú)法同時(shí)計(jì)算得到目標(biāo)與多個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)的距離，該方法采用=邊定位達(dá)不到定位實(shí) 時(shí)性，因而并不實(shí)用。
[0007] 申請(qǐng)?zhí)枮?01110350390、申請(qǐng)日為2011-11-9的國(guó)內(nèi)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種基 于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)信息的室內(nèi)定位方法，其采用CSI指紋進(jìn)行定位。該方法將處理后的 信道信息作為參考位置點(diǎn)的指紋標(biāo)識(shí)信息，搭建包括各個(gè)參考位置點(diǎn)的指紋信息的無(wú)線電 波地圖，然后獲取移動(dòng)設(shè)備的子載波信道信息并與無(wú)線電波地圖中貶藏的信道信息進(jìn)行比 較，匹配程度最高的信道信息對(duì)應(yīng)的位置即為移動(dòng)設(shè)備所在位置。該方法在進(jìn)行指紋匹配 時(shí)，需要將移動(dòng)設(shè)備的信道信息同無(wú)線電波地圖中貶藏的所有信道信息進(jìn)行匹配，開(kāi)銷大。
【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于信道狀態(tài)信息測(cè)距的 輕量級(jí)指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法，W減小開(kāi)銷的同時(shí)，提高定位精度和實(shí)時(shí)性。
[0009] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是；通過(guò)采用自適應(yīng)的路徑損耗系數(shù)進(jìn)行距離計(jì)算， 并結(jié)合一種新的參考位置點(diǎn)選取方案和指紋方案得到更精確的室內(nèi)定位精度。通過(guò)采用一 種新的參考位置點(diǎn)選取方案，結(jié)合測(cè)距法，將需要進(jìn)行指紋匹配的區(qū)域大大縮小，從而取得 較小的時(shí)間開(kāi)銷。
[0010] 根據(jù)上述思路，本發(fā)明的定位系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)獲取模塊：用于將室內(nèi)場(chǎng)景劃分為 環(huán)狀并W直線距離D為間隔選擇參考位置點(diǎn)，對(duì)每個(gè)參考位置點(diǎn)通過(guò)正交頻分復(fù)用技術(shù)獲 取信道狀態(tài)信息，并將獲取到的信道狀態(tài)信息傳遞給預(yù)處理模塊；
[0011] 預(yù)處理模塊；用于將數(shù)據(jù)獲取模塊獲取得到的信道狀態(tài)信息通過(guò)反向傅里葉變換 轉(zhuǎn)換為信道沖激響應(yīng)，濾除信道沖激響應(yīng)中因相位漂移導(dǎo)致的數(shù)據(jù)噪聲，并根據(jù)當(dāng)前定位 所處的階段對(duì)濾噪后的信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞：若當(dāng)前定位處于指紋地圖構(gòu)建階段， 則將濾噪后的信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)傳遞給指紋地圖構(gòu)建模塊；若當(dāng)前定位處于對(duì)移動(dòng)設(shè)備的 位置計(jì)算階段，則將濾噪后的信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)傳遞給定位模塊；
[0012] 指紋地圖構(gòu)建模塊；根據(jù)預(yù)處理模塊傳遞的信道沖激響應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)獲取模塊中選 擇的每一個(gè)參考位置點(diǎn)生成數(shù)據(jù)指紋信息，構(gòu)建環(huán)狀指紋地圖及指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0013] 定位模塊：根據(jù)預(yù)處理模塊傳遞的信道沖激響應(yīng)，完成對(duì)移動(dòng)設(shè)備的定位并得到 移動(dòng)設(shè)備的位置。
[0014] 根據(jù)上述思路，本發(fā)明的定位方法包括如下步驟：
[0015] (1)將室內(nèi)場(chǎng)景劃分為多個(gè)環(huán)路區(qū)域，并在每個(gè)環(huán)路上的不同位置選擇參考點(diǎn)；
[0016] (2)利用正交頻分復(fù)用技術(shù)在各個(gè)參考位置點(diǎn)連續(xù)采集M組信道狀態(tài)信息，并對(duì) 該信道狀態(tài)信息依次進(jìn)行反向傅里葉變換得到M組信道沖激響應(yīng)，并對(duì)每組信道沖激響應(yīng) 進(jìn)行濾噪處理，得到每個(gè)參考位置點(diǎn)的M組信道沖激響應(yīng)的有效信號(hào)數(shù)據(jù)起始點(diǎn)標(biāo)號(hào)kp;
[0017] 做對(duì)M組信道沖激響應(yīng)的第kp，kp+1，kp+2,kp+3,kp+4和kp巧分量的幅度分別求 平均值，共得到6個(gè)幅度平均值，并將該6個(gè)幅度平均值表示為直方圖作為指紋信息，W完 成室內(nèi)場(chǎng)景環(huán)狀指紋地圖及指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建；
[0018] (4)獲取發(fā)射機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間的距離d:
[0019] 4a)利用正交頻分復(fù)用技術(shù)獲取移動(dòng)設(shè)備的信道狀態(tài)信息CSId，并對(duì)該信道狀態(tài) 信息依次進(jìn)行反向傅里葉變換得到移動(dòng)設(shè)備的信道沖激響應(yīng)CIRd，再對(duì)移動(dòng)設(shè)備的信道沖 激響應(yīng)CIRd進(jìn)行濾噪處理，得到移動(dòng)設(shè)備信道沖激響應(yīng)CIRd的有效信號(hào)數(shù)據(jù)起始點(diǎn)標(biāo)號(hào) kd；
[0020] 4b)根據(jù)移動(dòng)設(shè)備信道沖激響應(yīng)CIRd的有效信號(hào)數(shù)據(jù)起始點(diǎn)標(biāo)號(hào)kd計(jì)算感興趣 能量值Eui，利用線性擬合方法獲取移動(dòng)設(shè)備處的自適應(yīng)路徑損耗系數(shù)A;
[0021] 4c)將4b)得到的參數(shù)代入如下優(yōu)化后的室內(nèi)環(huán)境傳播路徑損耗模型，計(jì)算得到 發(fā)射機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間的距離d:
[002引Ecsi=E0-10 ?A?log(d)
[002引其中，E。為距離發(fā)射機(jī)Im處測(cè)量得到的感興趣能量值；
[0024] 妨對(duì)移動(dòng)設(shè)備信道沖激響應(yīng)CIRd的第k d，kd+1，kd+2, kd+3, kd+4和kd巧分量的幅 度分別求平均值，共得到6個(gè)幅度平均值，并將該6個(gè)幅度平均值表示為直方圖作為移動(dòng)設(shè) 備處的指紋信息Pd;
[0025] (6)將移動(dòng)設(shè)備處的指紋與環(huán)狀指紋地圖中半徑最接近d的環(huán)路或鄰近環(huán)路上的 指紋進(jìn)行己氏系數(shù)計(jì)算，根據(jù)己氏系數(shù)得到移動(dòng)設(shè)備所在的位置。
[0026] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0027] 1.本發(fā)明由于將室內(nèi)場(chǎng)景劃分為多個(gè)環(huán)路區(qū)域，并在每個(gè)環(huán)路上的不同位置選擇 參考點(diǎn)；并在優(yōu)化后的室內(nèi)環(huán)境傳播路徑損耗模型中，根據(jù)移動(dòng)設(shè)備處的信道沖激響應(yīng)計(jì) 算自適應(yīng)的路徑損耗系數(shù)，因此可W得到較準(zhǔn)確的發(fā)射機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間的距離d;
[002引 2.本發(fā)明由于在構(gòu)建參考位置點(diǎn)和移動(dòng)設(shè)備處的指紋時(shí)，通過(guò)對(duì)濾噪后的信道沖 激響應(yīng)進(jìn)行平均值計(jì)算得到指紋，使得該指紋具有穩(wěn)定性好、位置區(qū)分性好的特點(diǎn)；
[0029] 3.本發(fā)明由于在計(jì)算出發(fā)射機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間的距離d時(shí)，將移動(dòng)設(shè)備所處的位 置范圍縮小到環(huán)路地圖中半徑最接近d的環(huán)路及鄰近環(huán)路上，通過(guò)計(jì)算移動(dòng)設(shè)備處的指紋 與環(huán)路地圖中半徑最接近d的環(huán)路及鄰近環(huán)路上指紋的己氏系數(shù)