一种基于mimo-ofdm信道状态信息的室内测距及定位方法
【技术领域】
[OOOU本发明设及计算机通信室内测距及定位领域，尤其设及一种基于MIM0-0抑M信道 状态信息的室内测距及定位方法。
【背景技术】
[0002] 目前在室内定位研究中，定位技术主要分为3类；（1)基于专用设备的定位技术；
[2] 基于WiFi信号测距的定位技术；（3)基于WiFi信号指纹的定位技术。
[0003] 在基于专用设备的定位技术中，一般采用红外、超声波、甚高频全方位测距（VHF OmnidirectionalRanging)、超宽带、射频识别（RFID)等不同的技术或设备来实现室内定 位，该些系统的公共特点是；精度高（大都可W达到厘米级别的定位精度），但都依赖部署 专用的硬件设施（不仅需要预编在定位区域中部署，可能还需要用户佩戴定位终端），因此 部署成本昂贵，只能应用在有限范围内。
[0004] 在基于WiFi信号测距的定位中，WWiFi为代表的WLAN是目前世界上部署最广泛 的室内无线网络基础设施，随着WiFi的广泛普及，WiFi定位技术已经成长为目前室内定位 的绝对主流。
[0005]普通的AP和WiFi终端能够方便的测量RSS，但是不能轻易获得信号到达时间、角 度等更精细的特性。因此在室内定位中，受设备和成本限制，通常都采用基于接收信号强度 (RS巧的测距，典型的模型有自由空间路径衰减模型、对数-距离路径衰减模型和对数-正 态阴影模型等。
[0006]基于测距模型的室内定位放大的原理非常简单。通过测量接收机接收到的RSS，根 据无线信号传播模型计算接收机与参考AP之间的距离，W该些距离为约束，利用S边定位 技术实现对目标接收机的位置估计。由于室内环境复杂多变，无线信号传播特性动态变化， 因此使用任何无线信号传播模型计算距离之前，都需要先根据环境确定特定的模型参数。 从而产生了较多的方法利用不同AP之间的RSS关系来实现自动、动态的模型参数估计，例 如使用截断奇异值分解技术来构建信号-距离关系图，或者使用复杂的射线跟踪法来构建 无线地图并采用模拟退火算法来估计模型参数等方法等。而该些方法有一些共同点：它们 或依赖已知AP的位置，或需要修改AP协议找，或需要部署额外的参考节点。
[0007] 在基于WiFi信号指纹的定位中，其基本原理是利用无线信号在不同位置上的空 间差异性，将空间中特定位置上的无线信号特征作为该位置的指纹，建立位置-指纹关系 数据库，从而通过指纹匹配的方式实现对用户位置的估计。传统的指纹定位方法包含2个 阶段；训练阶段和服务阶段。在训练阶段，专业人±对定位区域进行位置采样，并在每一个 采样位置上收集无线信号特征，存入位置-指纹数据库。在服务阶段，即实际运行阶段，用 户发送器所在位置上的无线信号指纹到定位服务器，服务器将该查询指纹与数据库进行匹 配，将最相似的指纹锁对应的位置作为用户的位置估计，返回给用户。
[000引传统的基于指纹定位的方法，是将每一个位置上的无线指纹建模为一个高斯分 布，并通过最大似然估计的方法进行指纹匹配。具体地，给定由不同AP信号强度组成的无 线指纹，按照RSS从高到低的顺序，选择信号强度最强的AP对应的候选位置集合，然后考虑 信号强度次之的AP对应的候选位置与之前候选位置的交集，该个过程持续进行，直到某一 个位置的概率显著大于其他候选位置，即判定该处为用户当前位置。
[0009] 但是RSS作为指纹的一大问题是定位精度有限，其原因主要来自2个方面：
[0010] (1)室内环境对无线信号传播造成的多径、衰减等干扰，W及室内环境变化导致 RSS的时变性。
[ocm] (2)RSS是发射信号在接收端能量的体现，在空间上的区分能力有限，通常都在Im 社。
[0012] 该就导致了同一位置上的无线指纹随着时间会发生变化，而相邻位置上的无线信 号指纹则很可能被互相混淆。于是有科研人员提出采用机器学习、声音定位等方法来克服 RSS指纹在位置上的二义性，保证RSS指纹定位的精度。
[0013] 近年来，科研人员提出采用更为底层的物理层信息来取代RSS进行室内定位，其 中最为典型有效的是利用普通WiFi网卡即可获取的信道冲击响应（CIR)。CIR表征了无 线信号的传播路径特征，具有更强的空间敏感性和时间稳定性，因此更适合作为室内定位 的指纹。研究发现，利用CIR进行室内定位，定位精度可W达到ImW下，而通常情况下基于 RSS的定位精度在ImW上。
[0014] 还有一类是基于天线阵到达角度（AoA)的测距定位方法。随着WiFi设备的普及， 采用MIM0技术的WiFi设备也日益增多。但是基于MIM0A0A的测距定位方法实现复杂度 较高，不易推广。
【发明内容】
[0015] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，通过有效获取MIM0-0FDM待测 用户（接收端）的信道状态信息（CSI)设计测距方法，并结合经典的=边定位方法，形成一 套完整的基于MIM0-0FDM的室内测距及定位方法。
[0016] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于MIM0-0抑M信道状态信息的 室内测距及定位方法，其关键在于，包括：
[0017]S1，从待测用户端获取MIM0-0FDM信道状态信息，对MIM0-0FDM信道状态信息进行 信号处理分析；
[0018] S2,通过获取错点AP到待测用户端的路径，对错点AP到待测用户端进行测距计 算，利用已知坐标位置的错点AP进行最优位置参数选定；
[0019] S3,对于错点AP到待测用户端测距完成之后，对待测用户端进行定位处理。
[0020] 所述的基于MIM0-0抑M信道状态信息的室内测距及定位方法，优选的，所述S1中 获取MIM0-0FDM信道状态信息包括；
[002US1-1，在接收MIM0-0FDM信道状态信息进行DFT处理之后，第k个子载波的第q根 接收天线的频域符号Rq(k)表示为，
[0022]
【主权项】
1. 一种基于MMO-OFDM信道状态信息的室内测距及定位方法，其特征在于，包括： S1，从待测用户端获取MIM0-0FDM信道状态信息，对MIM0-0FDM信道状态信息进行信号 处理分析； 52, 通过获取锚点AP到待测用户端的路径，对锚点AP到待测用户端进行测距计算，利 用已知坐标位置的锚点AP进行最优位置参数选定； 53, 对于锚点AP到待测用户端测距完成之后，对待测用户端进行定位处理。
2. 根据权利要求1所述的基于MM0-0FDM信道状态信息的室内测距及定位方法，其特 征在于，所述S1中获取MIM0-0FDM信道状态信息包括： S1-1，在接收MM0-0FDM信道状态信息进行离散傅里叶变换DFT处理之后，第k个子载 波的第q根接收天线的频域符号Rq(k)表示为，
其中，W"(k)是噪声的DFT频谱，//,M⑷表示时变频率选择性信道hp，q(l，n)的DFT，
其中，〃广'⑷就是第P根发射天线第q根接收天线在子载波为k时的CSI。
3. 根据权利要求1所述的基于MM0-0FDM信道状态信息的室内测距及定位方法，其特 征在于，所述S1中对MIM0-0FDM信道状态信息进行信号处理分析包括： S1-2,获得锚点AP到待测用户端之间选择视距L0S路径，具体的方法为：将所有路径的 〃广⑷取其幅度，幅值最大的为L0S对应的路径，其中，p为发射射端的第p根天线，q为接 收端的第a根天线，k为第k个子栽波，d、a、k放为正整数；
对于发射端有NT、接收端有NK根天线、子载波数为N的MIM0-0FDM系统而言，接收端的 第q根天线接收到第P根发射天线之间L0S路径的CSI为
其中，//品(幻是子载波k的CSI，0k表示其相位； 锚点AP和用户终端的多天线阵列为线性阵列，天线之间的间隔为A/2,其中，A为无 线电波的波长，不同的发射天线通过L0S路径达到同一根接收天线的距离、同一根发射天 线到达不同的接收天线之间的L0S距离，均有一些差异，采用加权平均归一化的方法求出 CSI； 加权平均归一化CSI，
其中，CSInm^归一化CSI，N为载波数目，f。为中心频率，II〃以WII为第k个子载波的CSI幅度。
4. 根据权利要求1所述的基于MM0-0FDM信道状态信息的室内测距及定位方法，其特 征在于，所述S2包括： 单个锚点AP到待测用户端的距离表达为：
其中，c表示光速，n为衰减因子，〇为环境因子，包含了其余所有硬件相关因素，参数 11和〇对不同室内场景进行预先设定。
5. 根据权利要求4所述的基于MMO-OFDM信道状态信息的室内测距及定位方法，其特 征在于，所述n为衰减因子，〇为环境因子的预设方法包括： 利用室内3个已知坐标位置的锚点AP进行最优参数选定，方法如下： 定义DpiGR= {1，2, 3}，Di表示3个已知AP之间的真实距离； 步骤1、选取2个距离DJPD2;将01和02带入公式
的等式左 边，分别建立联合方程组，CSI当做已知量，联立方程，求解得到11和〇的值； 步骤2、将步骤1得到的2个参数11和〇带入公式
-，并对API 和AP3之间的距离进行估计，得到估计值，并与实际API和AP3的距离D3做差，得到 观/； =|马-為| ;以上过程完成第一次参数验证，其中API为第一锚点和AP3为第三锚点； 步骤3、选取真实距离DJPD3带入公3f%作为距离验证对 象，重复步骤1和2得到却/; =| 〇2 -仏| ;
步骤4、选取真实距离％和D3带入公式，将D#为距离验证对 象，重复步骤1和2得到t/狀=|q4 | ;
步骤5、通过对比3次迭代得到的diff值大小，确定最小的diff对应训练步骤得到的 参数11和〇即为该室内区域最优的衰减因子和环境因子。
6. 根据权利要求1所述的基于MMO-OFDM信道状态信息的室内测距及定位方法，其特 征在于，所述S3中对待测用户端进行定位处理的方法包括： 三个锚点是非线性的，即不在一条直线上，三边定位方法如下： 已知3个销点位置坐标&yj，（x2,y2)，（x3,y3)，已知未知点（Xd,yj到三点距离屯，d2，d3， 以dpdjP屯为半径作3个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即待未知点的位置计算 公式
【专利摘要】本发明提出一种基于MIMO-OFDM信道状态信息的室内测距及定位方法。该方法充分利用目前基于OFDM的商用WiFi网卡，通过在待测位置用户端获取信道状态信息CSI，并结合收发端都是多天线的MIMO系统，提出一种基于MIMO-OFDM的自由空间路径损耗模型，计算室内锚点WiFi接入点AP到被测位置用户之间的视距LOS距离，最后通过经典的三边定位方法得到所测用户的位置。该发明基于目前使用最为广泛的多天线WiFi AP及主流的基于OFDM的无线网卡，可以实现快速、简单、高效的室内测距及定位。
【IPC分类】H04W64-00, H04B7-06, G01S5-02
【公开号】CN104812061
【申请号】CN201510130489
【发明人】赵立, 廖勇
【申请人】成都希盟泰克科技发展有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年3月24日