CN105068067B - 一种室内toa测距值模拟生成方法及装置 - Google Patents

一种室内toa测距值模拟生成方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种室内TOA测距值模拟生成方法及装置，有助于提高测试效率和节约测试时间。所述方法包括：获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。所述装置包括：射线追踪单元：用于获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；测距值生成单元：用于对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。本发明适用于定位技术领域。

Description

一种室内TOA测距值模拟生成方法及装置
技术领域
本发明涉及定位技术领域，特别是指一种室内TOA测距值模拟生成方法及装置。
背景技术
近年来，随着社会的不断发展，精确的位置信息在日常生产、生活中的作用变得更加重要。在室内环境下，全球定位装置(GPS，Global Positioning System)等卫星定位无法工作，不能满足室内对于位置信息的精度要求，因此室内定位一般采用基站作为定位的节点，构建拓扑网络。但在室内环境中，多径效应是产生测距误差的主要原因，多径效应主要来源于地面、墙壁、家具、门窗的反射等，导致生成的测距值具有很大的偏差，为了减小该偏差，需要通过相应的定位算法对生成的测距值进行处理，这一处理过程中，定位算法依赖于该特定室内环境的测距值，因此必须要提供大量的测距值。
现有技术中，获取这些测距值的方法是进行大量实际测试，通常是针对特定的室内环境首先选取典型的几个位置设计测试流程，再按设计的测试流程来逐步收集该室内环境下基站在不同位置的测距值。这种实际测试方法只能收集该室内环境的数据，如果换成其它的室内环境则需要重新设计新的测试流程重新测试，导致测试的灵活性低，现有的实际测试还具有如下问题：在实际测试过程中需要专门的测试人员设计测试流程，测试周期长，大批量测试数据处理可能会出现数据丢失、重复等问题，导致测试效率低下、浪费人力资源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种室内TOA测距值模拟生成方法及装置，以解决现有技术所存在的实际测试效率低下、灵活性低、测试周期长、浪费人力资源的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种室内TOA测距值模拟生成方法，包括：
获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；
对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
优选地，所述射线追踪图包括：信号的每条传输路径和每条传输路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度数组信息；
所述室内环境信息包括：所述室内环境中对信号传输有影响的环境参数，所述环境参数包括：室内环境地图、室内环境的反射折射系数、发射天线的发射角度间隔、发射天线的中心发射功率、接收天线能收到的信号的最低强度阈值、发射节点和接收节点在室内环境地图中的位置；
所述发射节点包括：发射天线，接收节点包括：接收天线，当在同一室内环境中进行批量模拟测试时，重新设置所述发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置。
优选地，所述对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值包括：
根据信号的每条路径和每条路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度信息数成信道模型图，所述信道模型图用于表示接收天线接收到的不同路径的信号强度在时域上的分布；
将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图；
对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
优选地，所述将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图包括：
当所述信道模型图存在视距路径信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加瑞利分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图；
当所述信道模型图不存在直视路径的信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加莱斯分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图。
优选地，所述对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值包括：
提取所述脉冲包络图中最大信号强度对应的到达时间；
将所述到达时间与电磁波在空气中的传输速度作乘积得到发射节点和接收节点之间的测距值。
本发明实施例还提供一种室内TOA测距值模拟生成装置，包括：
射线追踪单元：用于获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；
测距值生成单元：用于对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
优选地，所述射线追踪图包括：信号的每条传输路径和每条传输路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度数组信息；
所述室内环境信息包括：所述室内环境中对信号传输有影响的环境参数，所述环境参数包括：室内环境地图、室内环境的反射折射系数、发射天线的发射角度间隔、发射天线的中心发射功率、接收天线能收到的信号的最低强度阈值、发射节点和接收节点在室内环境地图中的位置；
所述发射节点包括：发射天线，接收节点包括：接收天线，当在同一室内环境中进行批量模拟测试时，重新设置所述发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置。
优选地，所述测距值生成单元包括：
信道模型生成模块：用于根据信号的每条路径和每条路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度信息数成信道模型图，所述信道模型图用于表示接收天线接收到的不同路径的信号强度在时域上的分布；
脉冲包络生成模块：用于将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图；
测距值生成模块：用于对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
优选地，所述脉冲包络生成模块包括：
第一脉冲包络生成子模块：用于当所述信道模型图存在视距路径信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加瑞利分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图；
第二脉冲包络生成子模块：用于当所述信道模型图不存在直视路径的信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加莱斯分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图。
优选地，所述测距值生成模块包括：
时间提取子模块：用于提取所述脉冲包络图中最大信号强度对应的到达时间；
测距值生成子模块：用于将所述到达时间与电磁波在空气中的传输速度作乘积得到发射节点和接收节点之间的测距值。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过获取室内环境信息，并对获取的所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图，再对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。这样，通过模拟真实的室内环境下的信号的传输，利用射线追踪方法，并基于时间到达(Time of arrival，TOA)测距原理，能够精确地模拟生成该室内环境下发射节点和接收节点之间的测距值，在短时间内能够获得批量可靠的模拟测距值，测试效率高、测试时间短、测试结果准确可靠，同时无需测试人员设计测试流程能够节约人力资源，且适用于不同的室内环境下的发射节点和接收节点之间的测距值计算，灵活性强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的室内TOA测距值模拟生成方法的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的射线追踪图；
图3为本发明实施例提供的信道模型图；
图4为本发明实施例提供的脉冲包络图；
图5为本发明实施例提供的室内TOA测距值模拟生成装置的结构示意图；
图6为图5中102的详细结构示意图；
图7为本发明实施例提供的室内TOA测距值模拟生成装置的详细结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的实际测试效率低下、灵活性低、测试周期长、浪费人力资源的问题，提供一种室内TOA测距值模拟生成方法及装置。
实施例一
参看图1所示，本发明实施例提供的一种室内TOA测距值模拟生成方法，包括：
S1：获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；
S2：对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
本发明实施例所述的室内TOA测距值模拟生成方法，通过获取室内环境信息，并对获取的所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图，再对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。这样，通过模拟真实的室内环境下的信号的传输，利用射线追踪方法，并基于时间到达(Time of arrival，TOA)测距原理，能够精确地模拟生成该室内环境下发射节点和接收节点之间的测距值，在短时间内能够获得批量可靠的模拟测距值，测试效率高、测试时间短、测试结果准确可靠，同时无需测试人员设计测试流程能够节约人力资源，且适用于不同的室内环境下的发射节点和接收节点之间的测距值计算，灵活性强。
本发明实施例，S1和S2能够实现单次测距值的计算，当需要大量的模拟测距值时，需重复执行S1和S2。
在前述室内TOA测距值模拟生成方法的具体实施方式中，可选地，所述射线追踪图包括：信号的每条传输路径和每条传输路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度数组信息；
所述室内环境信息包括：所述室内环境中对信号传输有影响的环境参数，所述环境参数包括：室内环境地图、室内环境的反射折射系数、发射天线的发射角度间隔、发射天线的中心发射功率、接收天线能收到的信号的最低强度阈值、发射节点和接收节点在室内环境地图中的位置；
所述发射节点包括：发射天线，接收节点包括：接收天线，当在同一室内环境中进行批量模拟测试时，重新设置所述发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置。
本发明实施例中，获取该室内环境下对信号传输存在明显影响的环境参数，例如，所述环境参数包括：合适比例的室内环境地图map，所述室内环境的反射系数α1、折射系数α2，发射天线向周围发射的信号的发射角度间隔△θ，发射天线的中心发射功率Rcenter，根据实际使用的接收天线设置的该接收天线能收到的信号的最低强度阈值Rmin，节点位置(所述节点位置包括：发射节点在室内环境地图中的位置PosTx和接收节点在室内环境地图中的位置PosRx)；在同一室内环境中，当需要大量的模拟测距值时，需进行批量模拟测试，可以只需更改发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置信息，其他环境参数保持不变，从而减少操作的复杂性。
本发明实施例中，例如，所述室内环境的反射折射系数可以包括：墙壁门窗等的反射折射系数；发射天线的发射角度间隔需根据实际需求合理设置，发射角度间隔小可以更接近发射天线发射的实际情况，但模拟速度相对要慢，发射角度间隔大可以快速得到更多模拟测试数据，但误差大，因此，需根据实际需求合理设置发射天线的发射角度间隔；发射天线的中心发射功率由实际使用的发射天线的规格确定。
本发明实施例中，获取到该室内环境下对信号传输存在明显影响的环境参数后，对获取到的环境参数进行处理，输出射线追踪图，参看图2所示，所述射线追踪图中包含信号的每条路径和各个路径的信号到达接收天线的时间数组array<Ti>和信号强度数组array<Ri>信息，到达接收天线的时间由路径传输距离数组array<S[i]>和电磁波在空气中的传播速度的比值确定，上述过程可以由以下函数表示。
Function[array<Ti>,array<Ri>]＝RayTracing(map,Rmin,PosTx,PosRx,α1,α2,△θ,Rcenter)
其中，Ti＝Si/Vsignal，Vsignal为电磁波在空气中的传播速度，i表示第i个路径的信号。
在前述室内TOA测距值模拟生成方法的具体实施方式中，可选地，所述对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值包括：
根据信号的每条路径和每条路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度信息数成信道模型图，所述信道模型图用于表示接收天线接收到的不同路径的信号强度在时域上的分布；
将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图；
对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
本发明实施例中，所述射线追踪图表示的是信号的离散信息，需要将该离散信息转换成在时域上的信道模型图。具体为：根据射线追踪图中的时间数组array<Ti>和信号强度数组array<Ri>信息，画出时域图，并将对应的Ti与Ri标注在该时域图上，生成信道模型图，参看图3所示，所述信道模型图包含的主要信息是接收天线接收到的不同路径的信号强度在时域上的分布。并将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图，接着，对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成该室内环境下的发射节点和接收节点之间的测距值。
在前述室内TOA测距值模拟生成方法的具体实施方式中，可选地，所述将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图包括：
当所述信道模型图存在视距路径信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加瑞利分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图；
当所述信道模型图不存在直视路径的信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加莱斯分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图。
本发明实施例中，信道模型图中的信号在时域分布图上表现为脉冲，不能直接用于计算测距值，需在信道模型图的基础上给脉冲叠加衰落分布，首先判断该信道模型图中是否含有视距路径信号，如果存在视距路径信号，所述视距路径信号是通信中通信节点可以直达的路径信号，那么在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加瑞利分布衰落模型，否则叠加莱斯分布衰落模型，其中，瑞利分布衰落模型的公式为：
莱斯分布衰落模型的公式为：
式中，z表示窄带高斯随机信号的包络，A是主信号幅度的峰值，σ2是多径信号分量的功率，R即为正弦(余弦)信号加窄带高斯随机信号的包络，I0是修正的0阶第一类贝塞尔函数。叠加瑞利分布衰落模型或莱斯分布衰落模型后，生成信号时域上的脉冲包络图，参看图4所示。
在前述室内TOA测距值模拟生成方法的具体实施方式中，可选地，所述对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值包括：
提取所述脉冲包络图中最大信号强度对应的到达时间；
将所述到达时间与电磁波在空气中的传输速度作乘积得到发射节点和接收节点之间的测距值。
本发明实施例中，提取脉冲包络图中的最大信号强度对应的到达时间Tarrive，根据该到达时间Tarrive和电磁波在空气中的传输速度Vsignal的乘积得到发射节点和接收节点之间的测距值S'(S'＝Tarrive*Vsignal)，从而模拟真实的室内环境下发射节点和接收节点之间的测距值，在整个模拟过程中，无需测试人员设计测试流程，从而能够节约人力资源，且适用于不同的室内环境下的发射节点和接收节点之间的测距值计算，灵活性强，当需要大量的模拟测试数据时，能够在短时间内获得批量可靠的模拟测距值，测试效率高且测试时间短。
实施例二
本发明还提供一种室内TOA测距值模拟生成装置的具体实施方式，由于本发明提供的室内TOA测距值模拟生成装置与前述室内TOA测距值模拟生成方法的具体实施方式相对应，该室内TOA测距值模拟生成装置可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述室内TOA测距值模拟生成方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的室内TOA测距值模拟生成装置的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。
参看图5所示，本发明实施例还提供一种室内TOA测距值模拟生成装置，包括：
射线追踪单元101：用于获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；
测距值生成单元102：用于对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
本发明实施例所述的室内TOA测距值模拟生成装置，通过射线追踪单元获取室内环境信息，并对获取的所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图，再通过测距值生成单元对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。这样，通过模拟真实的室内环境下的信号的传输，利用射线追踪方法，并基于时间到达(Time ofarrival，TOA)测距原理，能够精确地模拟生成该室内环境下发射节点和接收节点之间的测距值，在短时间内能够获得批量可靠的模拟测距值，测试效率高、测试时间短、测试结果准确可靠，同时无需测试人员设计测试流程能够节约人力资源，且适用于不同的室内环境下的发射节点和接收节点之间的测距值计算，灵活性强。
在前述室内TOA测距值模拟生成装置的具体实施方式中，可选地，所述射线追踪图包括：信号的每条传输路径和每条传输路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度数组信息；
所述室内环境信息包括：所述室内环境中对信号传输有影响的环境参数，所述环境参数包括：室内环境地图、室内环境的反射折射系数、发射天线的发射角度间隔、发射天线的中心发射功率、接收天线能收到的信号的最低强度阈值、发射节点和接收节点在室内环境地图中的位置；
所述发射节点包括：发射天线，接收节点包括：接收天线，当在同一室内环境中进行批量模拟测试时，重新设置所述发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置。
所述位置设置还包括：
当在同一室内环境中进行批量模拟测试时，重新设置所述发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置。
在前述室内TOA测距值模拟生成装置的具体实施方式中，可选地，参看图6所示，所述测距值生成单元102包括：
信道模型生成模块1021：用于根据信号的每条路径和每条路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度信息数成信道模型图，所述信道模型图用于表示接收天线接收到的不同路径的信号强度在时域上的分布；
脉冲包络生成模块1022：用于将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图；
测距值生成模块1023：用于对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
在前述室内TOA测距值模拟生成装置的具体实施方式中，可选地，所述脉冲包络生成模块包括：
第一脉冲包络生成子模块：用于当所述信道模型图存在视距路径信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加瑞利分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图；
第二脉冲包络生成子模块：用于当所述信道模型图不存在直视路径的信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加莱斯分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图。
在前述室内TOA测距值模拟生成装置的具体实施方式中，可选地，所述测距值生成模块包括：
时间提取子模块：用于提取所述脉冲包络图中最大信号强度对应的到达时间；
测距值生成子模块：用于将所述到达时间与电磁波在空气中的传输速度作乘积得到发射节点和接收节点之间的测距值。
本发明实施例中，参看图7所示，首先，将室内环境信息输入至射线追踪单元101，再通过所述射线追踪单元101对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图，接着通过测距值生成单元102的信道模型生成模块1021将所述射线追踪图转换成信道模型图，再通过测距值生成单元102的脉冲包络生成模块1022将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图，接着，还需通过测距值生成单元102的测距值生成模块1023对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值，最后，输出所述测距值。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种室内TOA测距值模拟生成方法，其特征在于，包括：
获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；
对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值；
其中，所述射线追踪图包括：信号的每条传输路径和每条传输路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度数组信息；
所述室内环境信息包括：所述室内环境中对信号传输有影响的环境参数，所述环境参数包括：室内环境地图、室内环境的反射折射系数、发射天线的发射角度间隔、发射天线的中心发射功率、接收天线能收到的信号的最低强度阈值、发射节点和接收节点在室内环境地图中的位置；
所述发射节点包括：发射天线，接收节点包括：接收天线，当在同一室内环境中进行批量模拟测试时，重新设置所述发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置；
其中，所述对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值包括：
根据信号的每条路径和每条路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度信息生成信道模型图，所述信道模型图用于表示接收天线接收到的不同路径的信号强度在时域上的分布；
将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图；
对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图包括：
当所述信道模型图存在视距路径信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加瑞利分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图；
当所述信道模型图不存在直视路径的信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加莱斯分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值包括：
提取所述脉冲包络图中最大信号强度对应的到达时间；
将所述到达时间与电磁波在空气中的传输速度作乘积得到发射节点和接收节点之间的测距值。
4.一种室内TOA测距值模拟生成装置，其特征在于，包括：
射线追踪单元：用于获取室内环境信息，并对所述室内环境信息进行处理输出射线追踪图；
测距值生成单元：用于对输出的所述射线追踪图进行转换，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值；
其中，所述射线追踪图包括：信号的每条传输路径和每条传输路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度数组信息；
所述室内环境信息包括：所述室内环境中对信号传输有影响的环境参数，所述环境参数包括：室内环境地图、室内环境的反射折射系数、发射天线的发射角度间隔、发射天线的中心发射功率、接收天线能收到的信号的最低强度阈值、发射节点和接收节点在室内环境地图中的位置；
所述发射节点包括：发射天线，接收节点包括：接收天线，当在同一室内环境中进行批量模拟测试时，重新设置所述发射节点和/或接收节点在室内环境地图中的位置；
其中，所述测距值生成单元包括：
信道模型生成模块：用于根据信号的每条路径和每条路径的信号到达接收天线的时间数组和信号强度信息生成信道模型图，所述信道模型图用于表示接收天线接收到的不同路径的信号强度在时域上的分布；
脉冲包络生成模块：用于将所述信道模型图转换成时域上的脉冲包络图；
测距值生成模块：用于对所述脉冲包络图进行处理，模拟生成发射节点和接收节点之间的测距值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述脉冲包络生成模块包括：
第一脉冲包络生成子模块：用于当所述信道模型图存在视距路径信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加瑞利分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图；
第二脉冲包络生成子模块：用于当所述信道模型图不存在直视路径的信号时，则在信道模型图中的每个信号脉冲上叠加莱斯分布衰落模型，生成时域上的脉冲包络图。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述测距值生成模块包括：
时间提取子模块：用于提取所述脉冲包络图中最大信号强度对应的到达时间；
测距值生成子模块：用于将所述到达时间与电磁波在空气中的传输速度作乘积得到发射节点和接收节点之间的测距值。
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