专利名称：一种基于物理层的无线网络室内定位的实现方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于物理层的无线网络室内定位的实现方法及其装置。
背景技术：
随着通信技术和无线网络的快速发展，人们对无线室内定位的需求与日俱增。为了向用户提供基于定位信息的各种服务，室内定位作为定位技术研究的一个热点，越来越受到人们的关注。无线局域网络(Wireless Local Area Networks,WLAN)是一种广泛部署的新型信息获取平台，作为在实现室内定位的一项技术，其高密度低成本的特性尤其具备竞争力。然而，由于室内环境的复杂性，室内定位技术面临重大挑战。如何消除这种影响， 从而提高无线局域网室内的定位性能成为问题。现行大多数无线室内定位技术是依据开放环境下的射频信号传播损耗模型中接收信号强度与距离的关系进行目标点的位置计算。作为通用的无线电接收机技术指标，接收信号的强度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)值是一个对接收端射频信号强度的测量值，指示接收端天线的功率大小。RSSI值越大代表信号越强，反之则信号越弱。在从理论上讲，射频信号从发射源到接收端沿着单独的一条直线视距路径传播，并随着距离增加，接收端信号强度会相应减弱。然而在现实复杂的室内环境中，发射源和接收端之间往往存在各种障碍物(天花板、地板和墙壁等)，使得信号沿不同的非直线(或者反射)的路径进行传播，这就是通常所说的多径效应。在这种效应下，沿各种相异的反射路径传播的射频信号在接收端相互重叠或抵消，使得接收信号强度不再满足信号传播损耗模型。换言之，由接收信号强度依据射频信号传播模型计算发射源与接收端之间距离的方法会产生定位不准的影响。因此，利用接收信号的强度指示值(RSSI值)去计算信号强度并不可靠。现有基于接收信号强度指示(RSSI)值的无线网络定位技术如下RADAR是第一个提出应用无线局域网络的接受信号强度指示(RSSI)值的室内定位系统。它部署了一个标准的802. 11网络适配器来测量在多个基站的无线电信号强度，采用KNN算法处理离线阶段接入点的信号强度测量的实验数据。此外，它兼顾墙壁衰减因子(WAF)和地面衰减因子 (FAF)构建一个信号传播模型，RADAR精度为3米；Horus应用概率算法来确定目标位置，并具有高精度(0. 6米)。另一种是设计了在线定期测量RSSI值以减缓多径衰落及物理环境变化的不良影响的室内定位系统。该系统对环境波动具备良好适应性，并保持定位误差在 3米以内。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于物理层的无线网络室内定位的实现方法及其装置，可以有效地减少室内环境多径的影响，提高定位的精度及降低成本。
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为了解决上述问题，本发明提出了一种基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，所述方法包括基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息；根据所述多个子载波的信道状态信息计算信号强度；根据所述信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型；根据优化后的传播路径损耗模型计算每个发送方与接收方的距离；根据所述信号强度和所述距离对所述目标节点进行定位。优选地，所述根据所述多个子载波的信道状态信息计算信号强度的步骤包括通过OFDM的快速傅立叶逆变换对所述信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息；根据所述优化后的子载波信道状态信息计算信号强度。优选地，所述通过OFDM的快速傅立叶逆变换对所述信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息的步骤包括将频域上的多个子载波的信道状态信息进行快速傅立叶逆变换以获得时域上的信道响应；对从时域区分的多径信号进行滤波处理并获得所述多径信号的直线视距；根据所述信道响应和所述多径信号的直线视距获得优化后的子载波信道状态信肩、ο优选地，所述根据所述信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型的步骤包括获取所述优化后的子载波信道状态信息与距离之间的对应关系；根据所述对应关系对室内环境的传播路径损耗模型进行优化。优选地，所述根据所述信号强度和所述距离对所述目标节点进行定位的步骤为 根据所述信号强度和所述距离通过三点定位方法对所述目标节点进行定位。优选地，所述多个子载波的信道状态信息的数量为30个。优选地，所述根据所述多个子载波的信道状态信息计算信号强度的方式是通过所述多个子载波的信道状态信息的频率多样性计算信号强度。相应地，本发明实施例还提供一种基于物理层的无线网络室内定位的实现装置， 所述装置包括获取模块，用于基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息；信号强度计算模块，用于根据所述获取模块所获取的多个子载波的信道状态信息计算信号强度；优化模块，用于根据所述信号强度计算模块所计算的信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型；距离计算模块，用于根据所述优化模块所优化后的传播路径损耗模型计算每个发送方与接收方的距离；定位模块，用于根据所述信号强度计算模块所计算的信号强度和所述距离计算模块所计算的距离对所述目标节点进行定位。优选地，所述信号强度计算模块还用于通过OFDM的快速傅立叶逆变换对所述信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息；并根据所述优化后的子载波信道状态信息计算信号强度。优选地，所述定位模块用于根据所述信号强度和所述距离通过三点定位方法对所述目标节点进行定位。在本发明实施例中，在室内环境多径效应普遍存在的情况下，在无线局域网中利用精准的信道状态信息对信号强度进行计算进而进行室内定位，利用信道状态信息的频率多样性减少多径衰减，减少典型室内环境多径效应和频率选择性衰减的影响，可以更精确地计算目标节点位置信息，提高定位精度。
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它的附图。图1是本发明实施例的子载波信道状态信息传输示意图；图2是本发明的定位实现过程的示意图；图3是本发明实施例的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法的流程示意图；图4是本发明实施例的子载波信道状态信息的多样性的示意图；图5是本发明实施例中的消除时域多径效应示意图；图6是本发明实施例的智能网关的结构组成示意图； 图7是本发明实施例的收集子载波信道状态信息的示意图8是本发明实施例的基于物理层的无线网络室内定位的实现装置的结构组成示意图。
具体实施例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作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。下面对本发明实施例的实现原理进行详细介绍。目前大多数无线局域网采用 IEEE 802. lla/g/n标准以提供无线通讯服务。这些标准是基于物理层的正交频分复用技术 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的，其主要思想是在发送方将一个频道正交分解为更精细的若干个正交子频道，也称为子载波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在各个子载波上进行传输。这使得能在接收方同时获取若干个子载波的信道状态信息(Channel State ^formation，CSI)，如图1所示。CSI是表示通信链路信道特性的信道状态信息。CSI描述和反映了射频信号从发射源到接收端的传播状态， 如散射、反射和衰减等。子载波上的信道状态信息能反映出各个不同频率上信号强度的大小。不同于传统的从一个包获取各频率信号强度的平均值，在本发明实施例中，能够获取到更为精细的信号强度指示。本发明的具体实现原理主要是首先，从无线网络物理层详细分析造成接收信号强度指示(RSSI)值不准的原因，包括在复杂室内环境下信号的反射衰减和多径效应，从而进一步寻求更精准的信道信息以重新评测信号强度；其次，基于物理层的更精细的信道状态信息计算信号强度，改进室内环境的传播路径损耗模型，并根据模型计算距离。本发明的定位实现过程可参见图2。图3是本发明实施例的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括S301，基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息；S302，根据多个子载波的信道状态信息计算信号强度；S303，根据信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型；S304，根据优化后的传播路径损耗模型计算每个发送方与接收方的距离；S305，根据信号强度和距离对目标节点进行定位。进一步地，S302包括通过OFDM的快速傅立叶逆变换对信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息；根据优化后的子载波信道状态信息计算信号强度。具体实施中，通过OFDM的快速傅立叶逆变换对信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息的步骤包括将频域上的多个子载波的信道状态信息进行快速傅立叶逆变换以获得时域上的信道响应；对从时域区分的多径信号进行滤波处理并获得多径信号的直线视距；根据信道响应和多径信号的直线视距获得优化后的子载波信道状态信息。图4示出了本发明实施例的子载波信道状态信息的多样性的示意图，图4描述子载波信道信息的多样性，各个子载波信道状态信息的幅值不同，反映为图中不同子载波的接收功率不同，可以利用频率多样性减少小规模衰减(Small-scale fading)。具体实施中， 可以通过对各个子载波的幅值予以频率作为权值，计算加权平均值的平方，即获取接收功率。下面结合图4对该方法的S302进一步说明。在OFDM系统数据包的传输过程中，信号经过解调会直接输出到解码器中进行下一步处理。通过修改系统内核，利用低成本的商用无线网卡获取解调后的各个子载波的信道状态信息，从而计算对应的信号强度。针对载波信号状态信息的频率多样性，在OFDM的快速傅立叶逆变换(IFFT)处理中结合相应的滤波方法以得到更有效的子载波信道状态信息(Effective CSI)。具体过程如下(1)通过将频域上若干个子载波的信道状态信息(信道响应)进行反傅立叶变换，从而得到时域上的信道响应；( 由于802. 11的信道宽度较宽，因而能够从时域区分出部分多径信号，通过滤波处理，能够减少多径效应的影响，从而提高定位的精度。本发明实施例中的消除时域多径效应示意图如图5所示。在典型室内环境中，由于多径效应的普遍存在，接收信号往往是直线视距与多径反射的组合。理论上，当带宽比相干带宽大时，这些反射可以被消除从而得到直线视距。802. Iln的带宽满足这一限定要求，因而能达到消除多径影响的效果。具体实施中，S303进一步包括
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获取优化后的子载波信道状态信息与距离之间的对应关系；根据对应关系对室内环境的传播路径损耗模型进行优化。将优化处理后的信道状态信息作为输入，根据设计的算法对不同环境下的环境系数和路径损耗系数进行训练过程，进一步获取优化后的信道状态信息与距离之间的对应关系，从而完善室内环境下的信号传播路径损耗模型。由于环境系数和路径损耗系数在特定环境下保持一致，针对不同室内环境只需要进行一次训练过程，并利用不同的距离进行反复的多次验证，以保证改进后模型的正确性。另外，对环境系数和路径损耗系数的训练过程在线完成，预期的训练时间会限制在一个可接受的时间片。因此，需要针对不同环境分别搭建实验平台，设计算法对路径损耗参数不断的进行测量和处理，并对信号传播模型进行实时修正。具体实施中，S305为根据信号强度和距离通过三点定位方法对目标节点进行定位。基于有效的信道状态信息与距离的关系和修正后的无线信号传播模型设计全新的无线局域网室内定位系统。该定位系统由两部分组成多个无线接入点组成的发送方和待定位目标节点组成的接收方。在发送方，无线接入点将位置信息从网络层通过传输信号的方式发送给目标节点。无线接入点的广泛存在性可以方便快捷地得到多个无线网络接入点的位置信息。在接收方，可以从物理层获取子载波的信道状态信息，根据改进后的信号传播路径损耗模型分别计算各个发送方到接收方的距离，并采用简单有效的三点定位法对目标节点进行定位。如图6所示，图6中假设三个发送方的坐标分别为A(xl，yl)、B(x2， y2)、C(x3，y3)，待定位的接收方0坐标为0(x，y)，已知该点到三个发送方坐标点的距离分别为dl、d2、d3，则可用三边测量法算出0点的坐标，即得到接收方的位置信息。在具体实施中，接收方可以配备802. Iln无线网卡，能同时获取30个子载波的信道状态信息。在本发明实施例中，在室内环境多径效应普遍存在的情况下，在无线局域网中利用精准的信道状态信息对信号强度进行计算进而进行室内定位，利用信道状态信息的频率多样性减少多径衰减，减少典型室内环境多径效应和频率选择性衰减的影响，可以更精确地计算目标节点位置信息，提高定位精度。另外，图7示出了本发明实施例的收集子载波信道状态信息的示意图，如图7所示，依赖无线网卡这一硬件，修改操作系统的网卡驱动，可以收集信道状态信息，并通过API 将信道状态信息提供给用户。图8是本发明实施例的基于物理层的无线网络室内定位的实现装置的结构组成示意图，如图8所示，该装置包括获取模块80，用于基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息；信号强度计算模块81，用于根据获取模块80所获取的多个子载波的信道状态信息计算信号强度；优化模块82，用于根据信号强度计算模块81所计算的信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型；距离计算模块83，用于根据优化模块82所优化后的传播路径损耗模型计算每个发送方与接收方的距离；定位模块84，用于根据信号强度计算模块81所计算的信号强度和距离计算模块 83所计算的距离对目标节点进行定位。进一步地，信号强度计算模块81还用于通过OFDM的快速傅立叶逆变换对信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息；并根据优化后的子载波信道状态信息计算信号强度。进一步地，定位模块84用于根据信号强度和距离通过三点定位方法对目标节点进行定位。本发明装置实施例中的基于物理层的无线网络室内定位的实现装置的各模块功能的实现过程及原理可参见本发明的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法的实施例中的相应过程描述，这里不再赘述。在本发明装置实施例中，在室内环境多径效应普遍存在的情况下，在无线局域网中利用精准的信道状态信息对信号强度进行计算进而进行室内定位，利用信道状态信息的频率多样性减少多径衰减，减少典型室内环境多径效应和频率选择性衰减的影响，可以更精确地计算目标节点位置信息，提高定位精度。本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。另外，以上对本发明实施例所提供的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法及其装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，其特征在于，所述方法包括 基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息； 根据所述多个子载波的信道状态信息计算信号强度；根据所述信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型； 根据优化后的传播路径损耗模型计算每个发送方与接收方的距离； 根据所述信号强度和所述距离对所述目标节点进行定位。
2.如权利要求1所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，其特征在于，所述根据所述多个子载波的信道状态信息计算信号强度的步骤包括通过OFDM的快速傅立叶逆变换对所述信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息；根据所述优化后的子载波信道状态信息计算信号强度。
3.如权利要求2所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，其特征在于，所述通过OFDM的快速傅立叶逆变换对所述信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息的步骤包括将频域上的多个子载波的信道状态信息进行快速傅立叶逆变换以获得时域上的信道响应；对从时域区分的多径信号进行滤波处理并获得所述多径信号的直线视距； 根据所述信道响应和所述多径信号的直线视距获得优化后的子载波信道状态信息。
4.如权利要求3所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，其特征在于，所述根据所述信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型的步骤包括获取所述优化后的子载波信道状态信息与距离之间的对应关系； 根据所述对应关系对室内环境的传播路径损耗模型进行优化。
5.如权利要求1所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，其特征在于，所述根据所述信号强度和所述距离对所述目标节点进行定位的步骤为根据所述信号强度和所述距离通过三点定位方法对所述目标节点进行定位。
6.如权利要求1所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，其特征在于，所述多个子载波的信道状态信息的数量为30个。
7.如权利要求1或2所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现方法，其特征在于， 所述根据所述多个子载波的信道状态信息计算信号强度的方式是通过所述多个子载波的信道状态信息的频率多样性计算信号强度。
8.一种基于物理层的无线网络室内定位的实现装置，其特征在于，所述装置包括获取模块，用于基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息；信号强度计算模块，用于根据所述获取模块所获取的多个子载波的信道状态信息计算信号强度；优化模块，用于根据所述信号强度计算模块所计算的信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型；距离计算模块，用于根据所述优化模块所优化后的传播路径损耗模型计算每个发送方与接收方的距离；定位模块，用于根据所述信号强度计算模块所计算的信号强度和所述距离计算模块所计算的距离对所述目标节点进行定位。
9.如权利要求8所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现装置，其特征在于，所述信号强度计算模块还用于通过OFDM的快速傅立叶逆变换对所述信道状态信息进行优化并获得优化后的子载波信道状态信息；并根据所述优化后的子载波信道状态信息计算信号强度。
10.如权利要求8所述的基于物理层的无线网络室内定位的实现装置，其特征在于，所述定位模块用于根据所述信号强度和所述距离通过三点定位方法对所述目标节点进行定位。
全文摘要
本发明实施例公开了一种基于物理层的无线网络室内定位的实现方法及其装置，其中，该方法包括基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息；根据多个子载波的信道状态信息计算信号强度；根据信号强度优化室内环境的传播路径损耗模型；根据优化后的传播路径损耗模型计算每个发送方与接收方的距离；根据信号强度和距离对目标节点进行定位。在本发明实施例中，在室内环境多径效应普遍存在的情况下，在无线局域网中利用精准的信道状态信息对信号强度进行计算进而进行室内定位，利用信道状态信息的频率多样性减少多径衰减，减少室内环境多径效应和频率选择性衰减的影响，可以更精确地计算目标节点位置信息，提高定位精度。
文档编号H04W64/00GK102421189SQ20111037321
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者伍楷舜, 倪明选, 罗笑南, 肖江, 陈弟虎 申请人:中山大学