定位方法和定位设备与流程

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种室内定位方法和定位设备。

背景技术：

无线定位技术是无线通信领域的研究热点。其中，WIFI(wireless fidelity，无线连接)定位技术是无线定位技术中的一个重要分支，在许多重要场合得到广泛的应用，比如医院、博物馆、商场等。

现有的WIFI室内定位算法主要有利用接收信号强度RSSI(received signal strength indication，接收的信号强度指示)和电磁波传播时间TOA(time of arrival)两种方法来定位。

对于利用接收信号强度RSSI进行定位，其原理是利用AP(access point，接入点)或基站定期发送的WIFI信标信号中包含的接收信号强度的信息，根据其衰减程度，从而计算出电磁波的传播距离。但是由于无线信号在大气环境中传播时，接收信号强度不只随着传播距离的增加而衰减，还会受到墙壁等介质阻挡而衰减，因此有时测量仍会有误差。

对于利用电磁波传播时间TOA进行定位，其原理是通过测量信号传输时间得到发送方和接收方之间的距离。在室内应用中，严重的多径和非视距现象造成测距误差较大，因此需要能够准确估计测距误差大小，然后通过距离修正、权值设置等方法来提高定位精度。而测距误差大小主要取决于传输信道的状态，但是在实际的定位过程中，传输信道状态无法获知，使得测距误差难于估计准确，因此最终测量结果仍有较大误差。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种定位方法和定位设备，用于解决现有WIFI室内定位方法定位不准确的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供了一种定位方法，该方法包括：

定位设备的第i个接收天线接收由发射设备发送的N个信道上的子载波，其中，所述定位设备具有M个接收天线，M≥3，0<i≤M，M、N、i为正整数；

所述定位设备对所述N个信道上的子载波进行物理层的信道估计，得到所述第i个接收天线对应的所述N个信道的信道状态；

所述定位设备根据所述第i个接收天线对应的所述N个信道的信道状态得到所述第i个接收天线对应的所述N个信道的残余时间；

所述定位设备根据所述第i个接收天线对应的所述N个信道的残余时间来计算所述第i个接收天线与所述发射设备之间的距离；

所述定位设备根据所述M个接收天线与所述发射设备之间的距离对所述发射设备进行定位。

第二方面，提供了一种定位设备，包括：

接收单元，用于通过第i个接收天线接收由发射设备发送的N个信道上的子载波，其中，所述定位设备具有M个接收天线，M≥3，0<i≤M，M、N、i为正整数；

估计单元，用于对所述N个信道上的子载波进行物理层的信道估计，得到所述第i个接收天线对应的所述N个信道的信道状态；

获取单元，用于根据所述第i个接收天线对应的所述N个信道的信道状态得到所述第i个接收天线对应的所述N个信道的残余时间；

计算单元，用于根据所述第i个接收天线对应的所述N个信道的残余时间来计算所述第i个接收天线与所述发射设备之间的距离；

定位单元，用于根据所述M个接收天线与所述发射设备之间的距离对所述发射设备进行定位。

本发明的实施例提供的定位方法和定位设备，通过多天线的定位设备的每个接收天线均接收发射设备发送的N个信道的子载波，然后对每个信道的子载波进行信道估计得到每个信道的子载波的信道状态，通过每个信道的信道状态计算每个信道的残余时间，通过每个信道的残余时间计算该接收天线与发射设备之间的距离，不需要用信号强度来进行定位，解决了现有WIFI室内定位方法定位不准确的问题。本发明实施例实现了用一个定位设备和发射设备即可实现定位，算法可以直接用于现有的设备，无需对现有设备进行改动，同时保证了方案的灵活性和算法的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，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为本发明的实施例提供的定位系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种定位方法的流程示意图；

图3为本发明的实施例提供的获取残余时间的流程示意图；

图4为本发明的实施例提供的根据残余时间计算距离的流程示意图；

图5为本发明的实施例提供的采用智能算法计算全局最优解的流程示意图；

图6为本发明的实施例提供的一种定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1中所示，本发明实施例提供了一种定位系统，包括：发射设备11和定位设备12，发射设备11用于发射WIFI信号，定位设备12用于接收WIFI信号，并根据WIFI信号进行定位。其中，当定位设备12为终端时，发射设备为AP；当定位设备12为AP时，发射设备为终端。

本发明实施例提供的定位方法和定位设备，通过多天线的定位设备的每个接收天线均接收发射设备发送的N个信道的子载波，然后对每个信道的子载波进行信道估计得到每个信道的子载波的信道状态，通过每个信道的信道状态计算每个信道的残余时间，通过每个信道的残余时间计算该接收天线与发射设备之间的距离，不需要用信号强度来进行定位，解决了现有WIFI室内定位方法定位不准确的问题。

实施例1、

本发明实施例提供了一种定位方法，应用于上述定位系统，参照图2中所示，该方法包括S101-S105：

S101、定位设备的第i个接收天线接收由发射设备发送的N个信道上的子载波，其中，定位设备具有M个接收天线，M≥3，0<i≤M，M、N、i为正整数。

WIFI的信道频率包括2.4G和5G，示例性的，以WIFI的2.4G为例，共有如表1所示的13个信道，即N＝13。

表1

定位设备为具有M个接收天线的多天线设备，定位设备的每个天线均接收上述N个信道上的子载波。

S102、定位设备对N个信道上的子载波进行物理层的信道估计，得到第i个接收天线对应的N个信道的信道状态。

对于每个接收天线所接收到的N个信道，定位设备的接收机的数字处理单元会根据802.11系列协议的前导和导频对每个信道的信道状态进行估计，求出信道参数H。H一般表示为幅度和相位的变化关系，表达式为：

H＝ae^-j2πfτ

其中，a代表信号幅度，f代表子载波的频率，τ代表电磁波传播的时间，e代表自然对数，j代表虚数。

具体的，对于N个信道中的第k个信道，上述公式可以表示为：

其中，H_k,i为定位设备的第i个接收天线对应的N个信道中第k个信道的信道状态，a_k为第k个信道的子载波的幅度，f_k为第k个信道的子载波的频率，τ_k,i为第i个接收天线接收的第k个信道的子载波的传输时间，0<k≤N，k为正整数。

S103、定位设备根据第i个接收天线对应的N个信道的信道状态得到第i个接收天线对应的N个信道的残余时间。

具体的，参照图3中所示，步骤S103包括步骤S1031-S1032：

S1031、定位设备根据第i个接收天线对应的N个信道中第k个信道的信道状态H_k,i，得到第k个信道的残余相位

由于正弦函数的周期性，信道状态H中的相位部分-2πfτ也是按照2π周期性变化的。

S1032、定位设备根据第i个接收天线对应的第k个信道的残余相位△h_k,i得到第i个接收天线对应的第k个信道的残余时间为

由于1/f等于电磁波的周期，所以单个信道的传输时间τ对该信道的载波周期取余即得到该信道的残余时间。

S104、定位设备根据第i个接收天线对应的N个信道的残余时间来计算第i个接收天线与发射设备之间的距离。

具体的，参照图4中所示，步骤S104包括步骤S1041-S1042：

S1041、定位设备计算(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的全局最优解，使N个信道的值最接近，其中，L_k,i为第i个接收天线对应的第k个信道的子载波波长的倍数并且为正整数，为根据第k个信道计算得到的第i个接收天线与发射设备之间的距离，c为光速。

对于第i个接收天线所接收的第k个信道来说，为该信道的子载波的波长，即表示在L_k,i倍个子载波波长加上该信道的残余时间对应距离后得到的该信道子载波的传输距离，这样N个信道中每个信道都会对应一个传输距离，而实际上这些传输距离应该是相等的，这样就需要找到向量(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的最优解，以满足N个信道的值最接近。

S1042、根据(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的全局最优解得到第i个接收天线与发射设备之间的距离为

对于第i个接收天线，得到向量(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的最优解后，取N个信道的传输距离的平均值作为最终的距离。

优选的，可以采用智能算法通过第i个接收天线对应的N个信道的残余时间计算第i个接收天线与发射设备之间的距离，智能算法可以包括：模拟退火、遗传算法、禁忌搜索、神经网络等多种算法，从不同的角度和策略实现了改进，用于求解全局最优解。

示例性的，当所采用的智能算法为遗传算法时，参照图5中所示，步骤S1041包括步骤S10411-S10417：

S10411、初始化N个正整数作为N维初始解向量(l_1,i,…,l_k,i,…,l_N,i)，其中，l_k,i表示第k个信道的初始解。

S10412、设置评价函数为的方差小于预定阈值。

S10413、根据评价函数求解得到可行解向量。

S10414、从可行解中按照选择规则选出两组解向量作为两组交配对象。

S10415、对两组交配对象使用交叉规则，得出两组交配结果。

S10416、对两组交配结果进行变异运算得到新生儿向量。

S10417、对新生儿向量根据评价函数重新求解，直到迭代次数达到预定次数后即得到向量(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的全局最优解。

S105、定位设备根据M个接收天线与发射设备之间的距离对发射设备进行定位。

具体的，定位设备可以按照三边测量算法根据M个接收天线与发射设备之间的距离对发射设备进行定位。示例性的，以M＝3为例，假设已知3个接收天线A、B和C的位置分别为A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)，接收天线A测量的待定位点的距离为d1，接收天线B测量的待定位点的距离为d2，接收天线C测量的待定位点的距离为d3，则分别以(x1,y1)为圆心以d1为半径作圆，以(x2,y2)为圆心以d2为半径作圆，以(x3,y3)为圆心以d3为半径作圆，这三个圆的交点即为待定位点位置(x0,y0)。

本发明实施例提供的定位方法，通过多天线的定位设备的每个接收天线均接收发射设备发送的N个信道的子载波，然后对每个信道的子载波进行信道估计得到每个信道的子载波的信道状态，通过每个信道的信道状态计算每个信道的残余时间，通过每个信道的残余时间计算该接收天线与发射设备之间的距离，不需要用信号强度来进行定位，解决了现有WIFI室内定位方法定位不准确的问题。本发明实施例实现了用一个定位设备和发射设备即可实现定位，算法可以直接用于现有的设备，无需对现有设备进行改动，同时保证了方案的灵活性和算法的可靠性。

实施例2、

本发明实施例提供了一种定位设备，应用于上述定位方法，作为图1中所示的定位设备12，参照图6中所示，该设备包括：

接收单元1201，用于通过第i个接收天线接收由发射设备发送的N个信道上的子载波，其中，定位设备具有M个接收天线，M≥3，0<i≤M，M、N、i为正整数；

估计单元1202，用于对接收单元1201所接收的N个信道上的子载波进行物理层的信道估计，得到第i个接收天线对应的N个信道的信道状态；

获取单元1203，用于根据估计单元1202估计的第i个接收天线对应的N个信道的信道状态得到第i个接收天线对应的N个信道的残余时间；

计算单元1204，用于根据获取单元1203所获取的第i个接收天线对应的N个信道的残余时间来计算第i个接收天线与发射设备之间的距离；

定位单元1205，用于根据计算单元1204所得到的M个接收天线与发射设备之间的距离对发射设备进行定位。

在一种可能的设计中，获取单元1203具体用于：

根据第i个接收天线对应的N个信道中第k个信道的信道状态H_k,i，得到第k个信道的残余相位其中，a_k为第k个信道的子载波的幅度，f_k为第k个信道的子载波的频率，τ_k,i为第i个接收天线接收的第k个信道的子载波的传输时间，0<k≤N，k为正整数；

根据第i个接收天线对应的第k个信道的残余相位△h_k,i得到第i个接收天线对应的第k个信道的残余时间

在一种可能的设计中，计算单元1204具体用于：

计算(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的全局最优解，使N个信道的值最接近，其中，L_k,i为第i个接收天线对应的第k个信道的子载波波长的倍数并且为正整数，为根据第k个信道计算得到的第i个接收天线与发射设备之间的距离，c为光速；

根据(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的全局最优解得到第i个接收天线与发射设备之间的距离为

在一种可能的设计中，计算单元1204具体用于：

初始化N个正整数作为N维初始解向量(l_1,i,…,l_k,i,…,l_N,i)，其中，l_k,i表示第k个信道的初始解；

设置评价函数为的方差小于预定阈值；

根据评价函数求解得到可行解向量；

从可行解中按照选择规则选出两组解向量作为两组交配对象；

对两组交配对象使用交叉规则，得出两组交配结果；

对两组交配结果进行变异运算得到新生儿向量；

对新生儿向量根据评价函数重新求解，直到迭代次数达到预定次数后即得到向量(L_1,i,…,L_k,i,…,L_N,i)的全局最优解。

在一种可能的设计中，定位单元1205具体用于：

按照三边测量算法根据M个接收天线与发射设备之间的距离对发射设备进行定位。

由于本发明实施例中的定位设备可以应用于上述定位方法，因此，其所能获得的技术效果也可参考上述方法实施例，本发明实施例在此不再赘述。

需要说明的是，估计单元、获取单元、计算单元和定位单元可以为单独设立的处理器，也可以集成在控制器的某一个处理器中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于控制器的存储器中，由控制器的某一个处理器调用并执行以上估计单元、获取单元、计算单元和定位单元的功能。这里所述的处理器可以是一个中央处理器(英文全称：central processing unit，英文简称：CPU)，或者是特定集成电路(英文全称：application specific integrated circuit，英文简称：ASIC)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称:read-only memory，英文简称：ROM)、随机存取存储器(英文全称：random access memory，英文简称：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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。