专利名称：一种基于差分接收信号强度信息的无线成像被动定位方法
技术领域：
本发明属于无线通信及无线网络技术应用领域，涉及一种基于差分接收信号强度信息的无线成像被动定位方法，该方法可在无需目标携带无线设备的情况下实现对无线网络覆盖区域内运动目标的被动定位跟踪。
背景技术：
随着无线通信技术与普适计算技术的发展，WLAN、无线传感器网络、GSM网络、3G通信网络等无线网络已经覆盖到我们生活的每个角落。由于电波的固有特性，当有目标对某条无线链路造成遮蔽时，该条链路的无线信号特征信息势必会发生变化。基于此，当有多条无线链路同时存在时，借助各无线链路的信号特征信息，可以实现对无线网络覆盖范围内目标的定位跟踪。
基于无线成像实现被动无线定位跟踪的思路最早由Wilson和Patwari提出。“作者J. Wilson and N. Patwari,论文名Radio tomographic imaging with wirelessnetworks,期刊IEEE Transactions on Mobile Computing,年份2010,第 5 期，第 621页至632页”。他们提出一种借助于无线扫描节点在某一固定频率和功率下进行无线扫描，测量各条链路的接收信号强度，进而基于当前时刻条链路的接收信号强度与初始时刻条链路的接收信号强度的变化信息实现位置估计的方法。虽然接收信号强度较容易获取，但是，接收信号强度为敏感信号，容易受到诸如温度、湿度、天线方向、风等外界环境因素的影响，使得基于接收信号强度信息的无线成像被动定位技术在复杂环境下无法获得较好的效果。为了改善基于接收信号强度信息的无线成像被动定位技术在复杂环境下的性能，Zhao提出一种信号预处理措施，“作者Y. Zhao and N. Patwari,论文名Noisereduction for variance-based device-free localization and tracking, 会议Proc. 8th IEEE Communication Society Conference on Sensor, Mesh and Ad HocCommunication And Networking,年份2011,第179页至187页”,他们提出利用子空间分解的方法来消除由于风的吹动等环境参数的影响，有效地提高了系统在复杂环境下的性倉泛。但是，电波传播环境是复杂的，初始时刻的电波传播参数信息与当前时刻的电波传播参数信息相比有可能发生较大的变化，造成即使没有目标出现的情况下当前时刻条链路的接收信号强度与初始时刻条链路的接收信号强度的变化信息依然十分显著，从而造成后续位置估计算法发生误判，造成较大的位置估计误差。与上述方法相比，基于差分接收信号强度信息的无线成像被动定位方法从本质上克服了基于接收信号强度信息方法的不足。差分接收信号强度信息反映了当前时刻链路变化的瞬态信息，反映了连续两个时刻的接收信号强度信息的差异，由于是连续时刻的信息，所以电波参数及环境参数变化可以忽略不计，因此，差分接收信号强度信息克服了基于接收信号强度信息方法易受各种参数影响的不足。同时，该方法无需知道初始时刻的任何信息，使得基于差分接收信号强度信息的无线成像被动定位方法更加普适，可以快速部署使用。上述优点决定了基于差分接收信号强度信息的无线成像被动定位方法在复杂时变环境下可以获得比传统的基于接收信号强度信息的无线成像被动定位方法更稳健的性能。
发明内容
本发明的目的是提高复杂时变环境下无线成像被动定位跟踪技术的性能，通过将差分接收信号强度信息作为链路测量信息，在复杂时变环境下实现对目标位置的被动估计。其特征为通过测量无线网络中各无线节点对之间连续两个时刻的接收信号强度信息，将两个时刻的接收信号强度信息的差分信号作为特征信息，进而基于差分接收信号强度信息实现对网络覆盖范围内移动 目标的定位跟踪。本发明的技术方案该系统主要由无线扫描节点、无线控制节点、通用PC机组成，在通用PC机上完成位置估计。无线扫描节点负责实现各节点对之间的无线链路接收信号强度信息的测量；无线扫描节点可通过无线通信的方式实现任意两节点之间无线链路接收信号强度信息的测量，具有全向天线。无线控制节点无线控制节点负责协调网络工作流程，并将采集到的接收信号强度信息进行差分处理并发送至PC机；可与无线扫描节点进行无线通信，具有全向天线，具有与PC进行数据传输的USB接口或者UART接口。实现接收信号强度信息的差分计算，假设时刻tl的接收信号强度信息为R1，时刻t2的接收信号强度信息为R2，则差分接收信号强度信息为Rd = R2-R1。通用PC机常规PC机，主频IGHz以上，内存256M以上，具有与无线控制节点进行数据传输的USB接口或者UART接口。在通用PC机上进行位置估计根据差分接收信号强度信息对目标位置进行估计。以各无线链路的差分接收信号强度信息作为输入信息，输出估计的目标位置。本发明的有益效果在于可以基于无线链路差分接收信号强度信息，在复杂时变环境条件下实现目标位置的被动估计。
图I为本发明的系统结构框图。图中1无线扫描节点；2无线控制节点；3通用PC机；4位置估计算法。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图详细阐述本发明，但本发明并不局限于具体实施例。实施例基于CC2530的无线扫描节点I在频率2. 450GHz进行无线扫描，发射功率为3dBm，8个无线扫描节点I在上述频率及功率下进行无线链路扫描；8个无线扫描节点I放置在8mX8m矩形区域的四边，每边间隔4m放置一个无线扫描节点1，且区域内放置较多的障碍物。基于CC2530的无线控制节点2侦听各链路的无线信号信息，共可以侦听到28条链路的信息，假设时刻I侦听到的接收信号强度向量为R1，时刻2侦听到的接收信号强度向量为R2，无线控制节点2计算差分接收信号强度信息Rd=R2-Rl，并将该差分接收信号强度信息送至通用PC机3 ;基于粒子滤波的位置估计以差分接收信号强度信息作为输入，基于随机游动模型进行粒子位置预测，基于上述差分接收信号强度信息以及指数模型进行粒子权 值的计算，最后，将加权粒子作为目标位置的概率密度分布，将粒子加权质心作为目标的估计位置输出至通用PC机3屏幕。测试表明，采用差分接收信号强度信息后的平均位置估计误差为O. 9m，而基于I天前测试的接收信号强度信息作为参考信息，I天后在同样的场景下基于接收信号强度信息的无线成像定位方法的平均位置估计误差为I. 25m。
权利要求
1.一种基于差分接收信号强度信息的无线成像被动定位方法，系统主要由无线扫描节点、无线控制节点、通用PC机组成，在通用PC机上完成位置估计； 其特征在于 无线扫描节点负责实现各节点对之间的无线链路接收信号强度信息的测量；无线扫描节点可通过无线通信的方式实现任意两节点之间无线链路接收信号强度信息的测量，具有全向天线； 无线控制节点可与无线扫描节点进行无线通信，具有全向天线，具有与PC进行数据传输的USB接口或者UART接口 ；实现接收信号强度信息的差分计算，假设时刻tl的接收信号强度信息为R1，时刻t2的接收信号强度信息为R2，则差分接收信号强度信息为Rd =R2-R1 ； 通用PC机常规PC机，主频IGHz以上，内存256M以上，具有与无线控制节点进行数据传输的USB接口或者UART接口 ； 在通用PC机上进行位置估计根据差分接收信号强度信息对目标位置进行估计；以各无线链路的差分接收信号强度信息作为输入信息，输出估计的目标位置。
全文摘要
本发明公开了一种基于差分接收信号强度信息的无线成像被动定位方法，通过测量无线网络中各无线节点对之间连续两个时刻的接收信号强度信息，将两个时刻的接收信号强度信息的差分信号作为特征信息，进而基于差分接收信号强度信息实现对网络覆盖范围内移动目标的定位跟踪。系统由无线扫描节点、无线控制节点、通用PC机、位置估计算法组成。无线扫描节点负责实现各节点对之间的无线链路接收信号强度信息的测量；无线控制节点负责协调网络工作流程，并将采集到的接收信号强度信息进行差分处理并发送至PC机；PC机上的位置估计算法根据差分接收信号强度信息对目标位置进行估计。本发明可在复杂时变环境下实现无需目标携带任何无线设备的被动无线定位跟踪。
文档编号H04B17/00GK102811103SQ20121023988
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者王洁, 高庆华, 王洪玉, 吴立飞, 孙立奎 申请人:大连理工大学