CN105554877A - 基于电力线通信的室内信标定位方法和*** - Google Patents

Abstract

一种基于电力线通信的室内信标定位方法和***，包括电力线网络，以及接入电力线网络的定位信标和定位服务器。定位服务器管理各节点的位置信息和控制整个定位***。定位信标在部署过程中向定位服务器获取自己的位置信息，并对外广播自己的位置信息。用户通过接收定位信标发送的位置信息获知自己所处位置。本发明利用现有的电力线基础设施实现了室内的精确定位，整个***实现简单，造价低廉。通过实现室内的精确定位，各种基于定位的应用才能更好的为大家服务，同时也会带来更多更便利的服务。

Description

基于电力线通信的室内信标定位方法和***

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于电力线通信的室内信标定位方法和***。

背景技术

众所周知，全球定位***(GPS)在各行各业中发挥着重要作用，然而，全球定位***(GPS)的明显不足就是无法覆盖室内定位或定位精度较差，无法满足现行各种应用的需求。随着基于精确定位的各种应用服务的推广，全覆盖，高精确度的定位***成为人们亟待解决的问题。超宽带定位、WiFi定位等室内定位***成为人们研究的热点，然而，上述室内定位***需要重新布线和部署信标，施工较困难。

电力线通信(PowerLineCommunication,PLC)是指以电力配电线为介质，利用电力线网络进行通信。与供电共用一根电力线进行数据传输，从而可以将现有的电力线基础设施利用起来，而不需要铺设新的通信网络。电力线通信技术正在经历快速发展的阶段。若能够利用电力线通信技术和定位技术，构建室内定位信标网络，则有望成为解决室内定位全覆盖和高精度定位的可行方案。

发明内容

本发明所要解决的是现有定位***无法覆盖室内或需要重新布线等问题，提供一种基于电力线通信的室内信标定位方法和***。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于电力线通信的室内信标定位方法，包括如下步骤：

步骤1、电力线网络的仿真；将定位服务器接入电力线网络中，并根据电力线网络的拓扑结构，通过仿真得到电力线网络的各个节点与定位服务器之间的理论信道参数，并将该节点的理论信道参数与该节点的实际所处的位置信息进行一一配对后存入定位服务器中；

步骤2、定位信标的部署；

步骤2.1、在定位区域的电力线网络中，为了保证覆盖面积和关键地点的全覆盖，首先要选出一定数量的节点作为预选节点；

步骤2.2、将预选节点与定位服务器之间的理论信道参数进行两两比较，当两个预选节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值小于预设阈值时，则替换其中一个预选节点，直至每两个预选节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值均大于等于预设阈值，此时将这些满足要求的预选节点确定为部署节点；

步骤2.3、在电力线网络的部署节点上接入定位信标；

步骤3、定位初始化；

步骤3.1、各个定位信标向定位服务器发出位置请求信息，定位服务器收到各个定位信标发出的位置请求信息后，分别测量各个定位信标与定位服务器之间的实际信道参数；

步骤3.2、将各个定位信标与定位服务器之间的实际信道参数与理论信道参数进行匹配，并将与实际信道参数的差值最小并且小于判决门限σ_d的理论信道参数所对应的节点的位置信息发送给该定位信标；

步骤3.3、定位信标接收到定位服务器返回的位置信息后，停止发送位置请求信息，同时对外持续广播自己的位置信息；

步骤4、定位实现；当用户进入到定位区域，通过接收最近的定位信标所广播的位置信息，即可获知用户当前所处的位置。

步骤1中，节点与定位服务器之间的信道参数为信道冲击响应。

步骤2.2中，通过欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦来衡量两个预选节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值。

步骤3.2中，通过欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦来衡量节点与定位服务器之间的实际信道参数与该节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值。

步骤3.3还进一步包括，当定位信标未接收到定位服务器返回的位置信息，则持续向定位服务器发出位置请求信息，直至接收到定位服务器返回的位置信息。

基于上述方法而设计的基于电力线通信的室内信标定位***，包括电力线网络，还进一步包括定位信标和定位服务器；

定位信标：定位信标直接和电力线网络相连；定位信标向定位服务器发出位置请求信息，定位服务器将最优匹配的节点的位置信息发送给该定位信标，定位信标对外广播其收到的位置信息；

定位服务器：定位服务器与电力线网络相连，并处于中枢地位，控制整个定位***；根据室内的电力线网络的拓扑结构进行仿真，得到各个节点与定位服务器之间的理论信道参数，并将各个节点的实际所处的位置信息与得到的该节点与定位服务器之间的理论信道参数进行配对，并存储于定位服务器中；定位服务器根据各个定位信标发出的位置请求信息测量定位服务器与各个定位信标之间的实际信道参数，并将与实际信道参数的差值最小并且小于判决门限σ_d的理论信道参数所对应的节点的位置信息发送给该定位信标。

与现有技术相比，本发明提出的基于电力线通信(PLC)的室内定位方法和***实现了室内的精确定位，同时利用现有的电力线基础设施，整个***实现简单，造价低廉。通过实现室内的精确定位，各种基于定位的应用才能更好的为大家服务，同时也会带来更多更便利的服务。

附图说明

图1为一种基于电力线通信的室内信标定位***的示意图。

图2为一种基于电力线通信的信标定位方法流程图。

具体实施方式

一种基于电力线通信的室内信标定位***，如图1所述，由定位信标、定位服务器和电力线网络组成。

定位信标：定位信标直接和电力线网络相连，整个室内定位***刚开始工作时，定位信标向定位服务器发出位置请求信息，当定位服务器匹配成功，且该定位信标收到自己的位置信息后，停止发出位置请求信息，同时通过自己的无线发射端发送自己的位置信息供用户使用，否则，一直发出位置请求信息，直到接收到自己的位置信息才停止向定位服务器发送位置请求信息。

定位服务器：定位服务器和电力线网络相连，并处于中枢地位，控制整个定位***。首先，根据室内的电力线网络的拓扑结构进行仿真，得到各个节点与定位服务器之间的信道参数。将各个节点的实际位置信息与得到的该节点与定位服务器之间的信道参数进行配对，并存储于定位服务器中。在整个室内定位***的初始化阶段，定位服务器根据各个定位信标发出的位置请求信息测量定位服务器与各个定位信标之间信道参数，根据欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦准则和判决门限σ_d对测量得到的信道参数与定位服务器中已存的电力线网络中的各个节点与定位服务器之间的信道参数进行匹配，并把匹配成功对应的位置信息发送给对应的定位信标。

电力线网络：整个过程中原有的电力线基础设施保持不变，在保证正常供电的情况下，同时实现室内的定位。

定位信标的部署：在室内电力线网络上部署定位信标时，要根据室内电力线网络拓扑结构得到的仿真结果，确保不同定位信标与定位服务器之间的信道参数要有显著的差别，以避免不同定位信标之间的干扰。可通过欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦，来衡量各个定位信标与定位服务器之间的信道参数之间的差别。预设一个距离门限σ_d，确保各个定位信标与定位服务器之间的信道参数之间的距离大于距离门限σ_d，以避免不同定位信标之间的干扰，提高定位信标部署的准确度。

一种基于电力线通信的信标定位方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1、电力线通信(PLC)网络仿真。

步骤1.1、首先要得到室内的电力线网络的拓扑结构，以及电力线的分支数m、每段电力线的长度l_i,i＝1,2,...,m以及各个节点的负载阻抗z_i,i＝1,2,...,m等参数。

步骤1.2、根据步骤1.1得到的参数，通过仿真得到电力线网络中各个节点与定位服务器之间的信道参数(信道冲击响应、信号的衰减和信号的延时等)的估计值，这里我们以信道的冲击响应h_i,i＝1,2,...,m的估计值为例进行详细的说明，其中h_i＝(β_i1,β_i2,...,β_in)。

步骤2、信道参数与节点位置配对。

步骤2.1、将各个节点的实际位置与步骤1.2中得到的该节点与定位服务器之间的信道参数的估计值(h_i＝(β_i1,β_i2,...,β_in))进行一一配对。

步骤2.2、将配对好的数据作为一个整体存入定位服务器中，供信标部署阶段和定位***初始化阶段使用和查询。

步骤3、部署定位信标。

步骤3.1、在定位***部署的区域内，为了保证覆盖面积和关键地点的全覆盖，首先要预选一些节点。

步骤3.2、为了避免不同定位信标之间的干扰，要确保各个定位信标与定位服务器之间的信道参数有显著的差别。可通过欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦，来衡量各个定位信标与定位服务器之间的信道参数之间的差别。

(1)欧氏距离。欧氏距离是最易于理解的一种距离计算方法，源自欧氏空间中两点间的距离公式。两个n维向量h₁(β₁₁,β₁₂,...,β_1n)与h₂(β₂₁,β₂₂,...,β_2n)间的欧氏距离：

$d_{12}=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{\β}}_{1k}-{\mathrm{\β}}_{2k})}^2}---\left(1\right)$

(2)曼哈顿距离。两个n维向量h₁＝(β₁₁,β₁₂,...,β_1n)与h₂(β₂₁,β₂₂,...,β_2n)间的曼哈顿距离

$d_{12}=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}|{\mathrm{\β}}_{1k}-{\mathrm{\β}}_{2k}|---\left(2\right)$

(3)切比雪夫距离。两个n维向量h₁＝(β₁₁,β₁₂,...,β_1n)与h₂(β₂₁,β₂₂,...,β_2n)间的切比雪夫距离

$d_{12}=\underset{k}{\max }\left(\right|{\mathrm{\β}}_{1k}-{\mathrm{\β}}_{2k}\left|\right)---\left(3\right)$

(4)夹角余弦。对于两个n维向量h₁＝(β₁₁,β₁₂,...,β_1n)与h₂(β₂₁,β₂₂,...,β_2n)，用夹角余弦表示它们之间的相似度为

$cos\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{\mathrm{\β}}_{1k}{\mathrm{\β}}_{2k}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n-{{\mathrm{\β}}_{1k}}^2}\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n-{{\mathrm{\β}}_{2k}}^2}}---\left(4\right)$

在本发明中，h₁＝(β₁₁,β₁₂,...,β_1n)和h₂(β₂₁,β₂₂,...,β_2n)分别代表电力线网络中不同节点与定位服务器之间的信道参数。

步骤3.3、根据步骤1.2中得到的各个节点与定位服务器之间的信道参数的估计值，得到预选节点与定位服务器之间的信道参数。

步骤3.4、预设一个距离门限σ_d。通过欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦，来衡量各个预选节点与定位服务器之间的信道参数之间的差别。

步骤3.5、当不同预选节点与定位服务器之间的信道参数之间的差别小于σ_d时，替换其中一个预选节点，跳转到步骤3.3，直到各个预选节点与定位服务器之间的信道参数之间的距离大于距离门限σ_d，以避免不同定位信标之间的干扰，提高定位信标部署的准确度。

步骤3.6、在选好的满足要求的预选节点上部署定位信标。

步骤4、定位***初始化。

步骤4.1、基于电力线通信(PLC)的室内信标定位***开始工作时，首先，各个定位信标发出位置请求信息，定位服务器收到各个定位信标发出的位置请求信息后，分别测量定位服务器与各个定位信标之间的信道参数。

步骤4.2、在判决门限为σ_d的门限下，将测量得到的各个定位信标与定位服务器之间的信道参数与定位服务器中已存的各个节点与定位服务器之间的信道参数根据欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦等准则进行匹配。

步骤4.3、若定位服务器中已存的信道参数同时有多个与测量得到的定位信标与定位服务器之间的信道参数匹配成功，则选取距离最小的为最优匹配。

步骤4.4、在匹配成功后，定位服务器将已存的匹配成功的信道参数对应的位置信息发送给相匹配的定位信标。

步骤4.5、当定位信标接收到定位服务器发送的位置信息后，停止发送位置请求信息，同时通过无线端持续发送自己的位置信息。

步骤4.6、当由于噪声等的干扰，定位服务器匹配不成功，定位信标无法接收到位置信息时，定位信标持续发送位置请求信息，定位服务器重新测量定位信标与定位服务器之间的信道参数。跳转到步骤4.2，直到定位服务器匹配成功，定位信标收到自己的位置信息才停止发送位置请求信息。

步骤5、定位***工作。

步骤5.1、当用户进入有基于电力线通信(PLC)的室内信标定位***的区域，需要知道自己的位置时，打开自己的客户端，就能快速、准确的获知自己的位置信息。

Claims (6)

1.基于电力线通信的室内信标定位方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1、电力线网络的仿真；将定位服务器接入电力线网络中，并根据电力线网络的拓扑结构，通过仿真得到电力线网络的各个节点与定位服务器之间的理论信道参数，并将该节点的理论信道参数与该节点的实际所处的位置信息进行一一配对后存入定位服务器中；

步骤2、定位信标的部署；

步骤2.1、在定位区域的电力线网络中选出一定数量的节点作为预选节点；

步骤2.2、将预选节点与定位服务器之间的理论信道参数进行两两比较，当两个预选节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值小于预设阈值时，则替换其中一个预选节点，直至每两个预选节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值均大于等于预设阈值，此时将这些满足要求的预选节点确定为部署节点；

步骤2.3、在电力线网络的部署节点上接入定位信标；

步骤3、定位初始化；

步骤3.1、各个定位信标向定位服务器发出位置请求信息，定位服务器收到各个定位信标发出的位置请求信息后，分别测量各个定位信标与定位服务器之间的实际信道参数；

步骤3.2、将各个定位信标与定位服务器之间的实际信道参数与理论信道参数进行匹配，并将与实际信道参数的差值最小并且小于设定的判决门限σ_d的理论信道参数所对应的节点的位置信息发送给该定位信标；

步骤3.3、定位信标接收到定位服务器返回的位置信息后，停止发送位置请求信息，同时对外持续广播自己的位置信息；

步骤4、定位实现；当用户进入到定位区域，通过接收最近的定位信标所广播的位置信息，即可获知用户当前所处的位置。

2.根据权利要求1所述的基于电力线通信的室内信标定位方法，其特征是，步骤1中，节点与定位服务器之间的信道参数为信道冲击响应。

3.根据权利要求1或2所述的基于电力线通信的室内信标定位方法，其特征是，步骤2.2中，通过欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦来衡量两个预选节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值。

4.根据权利要求1或2所述的基于电力线通信的室内信标定位方法，其特征是，步骤3.2中，通过欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离或夹角余弦来衡量节点与定位服务器之间的实际信道参数与该节点与定位服务器之间的理论信道参数之间的差值。

5.根据权利要求1所述的基于电力线通信的室内信标定位方法，其特征是，步骤3.3还进一步包括，当定位信标未接收到定位服务器返回的位置信息，则持续向定位服务器发出位置请求信息，直至接收到定位服务器返回的位置信息。

6.基于权利要求1所述方法而设计的基于电力线通信的室内信标定位***，包括电力线网络，其特征是，还进一步包括定位信标和定位服务器；

定位信标：定位信标直接和电力线网络相连；定位信标向定位服务器发出位置请求信息，定位服务器将最优匹配的节点的位置信息发送给该定位信标，定位信标对外广播其收到的位置信息；

定位服务器：定位服务器与电力线网络相连，并处于中枢地位，控制整个定位***；根据室内的电力线网络的拓扑结构进行仿真，得到各个节点与定位服务器之间的理论信道参数，并将各个节点的实际所处的位置信息与得到的该节点与定位服务器之间的理论信道参数进行配对，并存储于定位服务器中；定位服务器根据各个定位信标发出的位置请求信息测量定位服务器与各个定位信标之间的实际信道参数，并将与实际信道参数的差值最小并且小于判决门限σ_d的理论信道参数所对应的节点的位置信息发送给该定位信标。