CN107343315B - 基于无线局域网络多频点联合测量的定位***及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于无线局域网络多频点联合测量的定位***及方法，包括：联合估计单元、用户设备和多个无线接入点，其中：各无线接入点通过改变天线角度在多个频点上接收用户设备发射出的信号并进行处理，通过时偏补偿和信号重构估算出信号的到达角和传播时间，估算出用户设备相对本无线接入点的位置，并将相对位置信息回传至联合估计单元；联合估计单元结合预存信息，估算出用户设备精确的地理位置，并及时更新用户的地理位置；本发明在不额外增加无线接入点部署开销的前提下，通过多个无线接入点多个频点的联合测量，解决传统定位方法无法准确定位的问题，并为后续无线局域网的基于用户位置的其他应用奠定良好的基础。

Description

基于无线局域网络多频点联合测量的定位***及方法
技术领域
本发明涉及的是一种无线局域网络定位领域的技术，具体是一种基于无线局域网络多频点联合测量的定位***及方法，可以用于蜂窝网、物联网、车联网、智能电网和智能家居网络等等有众多室内外用户定位需求的宽带多频、多天线网络的场合。
背景技术
随着移动互联网的蓬勃发展，无线局域网(Wireless Fidelity,WiFi)的应用越来越广泛，从原始的电脑连接互联网发展到提供包括手机、平板电脑、智能家电等一系列计算机设备在内的相互连接和互联网数据访问功能，接入点(Access Point,AP)的数量也呈现爆发式增长。从标准上来看，无线局域网物理层通信从原来的IEEE 802.11a/b/g演进到现在的802.11n/ac等在内的新版本，无论是传输的速度、同时支持用户的数量还是抗干扰的能力都有很大程度的提高。
除了用于无线传输，无线局域网还出现了利用接入点位置进行的室内外用户定位应用，为后续基于用户位置信息的应用提供便利。但在目前基于无线局域网的定位应用中，仍然存在大量的问题，特别是如何提高用户定位精度。这一方面是由于无线局域网接入点(以下简称无线接入点)发射信号往往需要经过复杂的室内外环境反射和散射，传播路径较为复杂，另一方面也是因为目前的无线局域网干扰环境复杂，也影响了用户传播信道的实际测量结果。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于无线局域网络多频点联合测量的定位***及方法，通过对于不同接收天线接收到的信号进行相关的处理分析和联合估计，实现对用户位置的精确估计，对用户设备的地理位置测量，部署成本低、无需硬件更新。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于无线局域网络多频点联合测量的定位***，包括：联合估计单元、用户设备和多个无线接入点，其中：各无线接入点通过改变天线角度在多个频点上接收用户设备发射出的信号并进行处理，估算出用户设备相对本无线接入点的位置，并将相对位置信息回传至联合估计单元；联合估计单元结合预存信息，估算出用户设备精确的地理位置，并及时更新用户的地理位置。
所述的预存信息包括：无线接入点的天线角度信息和地理位置信息。
所述的信号包括导频信号或其他参考信号，且已为无线接入点预知。
所述的处理包括：根据接收到的信号计算出用户设备与无线接入点之间传输信道的实时状态信息，从而估算出无线接入点与用户之间的时偏，并加以消除。
所述的无线接入点设有用户到达角和传播时间估计单元，可以在多频点上进行估计，包括：依次相连的用户信号接收模块、用户时偏估计模块、用户时偏补偿模块、用户信号重构模块和到达角和传播时间估计模块，其中：用户信号接收模块接收用户发射的信号后由用户时偏估计模块估计接收信号的时偏量，并通过用户时偏补偿模块进行时偏消除，消除后的信息通过用户信号重构模块进行重构后传送至到达角和传播时间估计模块进行到达角和传播时间估计。
所述的联合估计单元可布置于某个无线接入点或远端服务器上。
所述的联合估计单元设有多接入点用户到达角和传播时间的联合信息处理模块，包括：相连的多频点信号到达角和传播时间接收模块、多频点到达角和传播时间联合估计和决策模块两个子模块。
所述的无线接入点的到达角和传播时间估算模块通过回传网络与多频点信号到达角和传播时间接收子模块相连。
所述的回传网络可以为无线连接，也可以为通过有线介质进行物理上的连接(包括承载在物理连接之上的相关通信协议)。
本发明涉及一种基于上述***的定位方法，各个无线接入点在多个频点上接收用户设备发出的信号，并通过时偏补偿和信号重构估算出信号的到达角和传播时间，从而估算出用户相对本无线接入点的位置，并将估算位置信息发送到联合估计单元，联合估计单元结合预存信息估算出用户设备的精确地理位置，并及时进行地理位置更新。
技术效果
与现有技术相比，本发明解决了在复杂的室内环境下如何通过多频点多无线接入点的信号接收精确地定位用户的位置的问题，实现了多频点信号的测量和信道估计、多频点信号的联合估计，以确定无线接入点与用户之间的几何关系，以及通过多个无线接入点与用户之间的几何关系，确定用户的具***置和进一步实现用户地理位置的跟踪；实现精确的无线局域网络用户定位测量、支持用户位置的及时跟踪、支持大规模无线局域网络的用户定位测量、网络负担可控，具备进一步实现用户分簇定位的能力。
附图说明
图1为定位***示意图；
图2为实施例1布局示意图；
图3为实施例1定位方法流程图；
图4为联合估计方法示意图；
图中a为权重估计示意图；b为位置信息估计示意图；
图5为实施例2布局示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本实施例包括：联合估计单元、用户设备和三个无线接入点1、2、3，其中：三个无线接入点通过改变天线角度在两个频点上接收用户设备发射出的信号并处理，即对用户设备的传输信道进行观察，估算出用户设备相对本无线接入点的位置，并将相对位置信息回传至联合估计单元；联合估计单元结合预存信息，估算出用户设备精确的地理位置，并及时更新用户的地理位置。
所述的天线可为单个接收天线或多个接收天线。
所述的预存信息包括：无线接入点的天线角度信息和地理位置信息。
所述的处理包括：根据接收到的信号计算出用户设备与无线接入点之间传输信道的实时状态信息，从而估算出无线接入点与用户之间的时偏，并加以消除。
所述的无线接入点均设有用户到达角和传播时间估计单元，可以在多频点上进行估计，包括：依次相连的用户信号接收模块、用户时偏估计模块、用户时偏补偿模块、用户信号重构模块和到达角和传播时间估计模块，其中：用户信号接收模块接收用户发射的信号后由用户时偏估计模块估计接收信号的时偏量，并通过用户时偏补偿模块进行时偏消除，消除后的信息通过用户信号重构模块进行重构后传送至到达角和传播时间估计模块进行到达角和传播时间估计。
所述的联合估计单元可布置于某个无线接入点或远端服务器上。
所述的联合估计单元设有多接入点用户到达角和传播时间的联合信息处理模块，包括：相连的多频点信号到达角和传播时间接收模块、多频点到达角和传播时间联合估计和决策模块两个子模块。
所述的无线接入点的信号到达角和传播时间估算模块通过回传网络与多频点信号到达角和传播时间接收子模块相连。
所述的回传网络可以为无线连接，也可以为通过有线介质进行物理上的连接(包括承载在物理连接之上的相关通信协议)，确保无线接入点与联合估计单元之间能够进行可靠的通信。
所述的三个无线接入点均有常用的2.4GHz和5GHz两个频点可供接入。为描述方便，假设两个频点分别有一条直射路径和一条反射路径。
如图3所示，本实施例涉及基于上述***的定位方法，包括以下步骤：
步骤1、用户设备进行信号S发射，用于测量用户设备和无线接入点之间传输的信道的实时状态。
所述的信号S包括导频信号或其他参考信号，用于测量信道质量，且已为无线接入点预知，使无线接入点可以根据该已预知的信号计算出无线接入点与用户之间信道的实时状态。
对于每一个无线接入点和每一个频点(如无线接入点1，频点1)，将首先接收用户发射的导频或者其他参考信号S，估计出用户设备和无线接入点之间传输信道的实时状态信息H。在实际***中，用户的导频或者其他参考信号S通常与数据传输信号同时发射，因此基本不会引入额外的通信开销。
步骤2、各无线接入点调整天线角度，通过用户信号接收模块对信号进行接收，并根据信号估计出用户设备与无线接入点之间的传输信道的实时状态信息H。
例如，对于普通的接收信号y＝Hs+w(w为噪声)，无线接入点可以根据已知的导频或者其他参考信号s，估计出相应的信道实时状态信息H(如：H＝y/s等方法)。
由于噪声的存在，估计出的信道实时状态信息H可能与真实值有一定差距，但并不影响本实施例的定位思想。
步骤3、各无线接入点进行时偏量估计和时偏补偿，得到消除时偏后的信道状态信息H'。
由于用户设备和各个无线接入点的采样频率无法做到完全一致，因此，对于不同的无线接入点以及不同的频点上接收到的信号会存在一定的时偏。该时偏对于不同的无线接入点和不同的频点都会有所不同，需要将其消除。
所述的时偏量估计的方法包括最小绝对误差法、最小二乘法等传统的信号估计方法。
所述的最小绝对误差法具体包括以下步骤：
S1：求出信道状态信息H对应的相位矩阵P。
S2：根据相位矩阵P，求解满足
Figure GDA0001399802350000041
的最小时偏T。其中的P(i,j)表示信道状态信息在第i根天线、第j个子载波上的相位信息，fc为子载波的带宽，I和J分别代表最大的天线数和子载波数。
S3：根据时偏信息，对原始信道状态信息H采用相位补偿进行时偏消除，得到消除时偏后的信道状态信息H'：
Figure GDA0001399802350000042
步骤4、各无线接入点对消除时偏后得到的频点1的信道状态信息H'进行信号重构。
所述的信号重构是指：对消除时偏后得到的信道状态信息H'按照子信道和天线序号的维度分别进行扩展，使扩展后的信道状态信息
Figure GDA0001399802350000043
满足维度至少大于本无线接入点与用户之间独立信道的数量，并找出对应扩展后的信道状态信息
Figure GDA0001399802350000044
列向量的特征向量a(θ,τ)。
所述的特征向量是关于到达角θ和传播时间τ的函数，针对4天线、10个子载波的信道状态信息H'
Figure GDA0001399802350000051
在独立信道数量大于5的情况下进行信号重构：
Figure GDA0001399802350000052
生成的特征向量
Figure GDA0001399802350000053
其中：
Figure GDA0001399802350000054
是传播时延引起的相位偏移；Φ＝e-j2πDsin(θ)f/c是达到角引起的相位偏移，D为邻近接收天线之间的距离，f为发射信号的频率。
步骤5、各无线接入点根据信号重构后的信道状态信息
Figure GDA0001399802350000055
和特征向量a(θ,τ)，对用户设备的信号到达角θ和传播时间τ进行初步估计。
所述的初步估计是指：采用正交子空间法或最大似然法等传统的多维信号估计方法估计出各采样点的到达角θ和传播时间τ样本，并根据样本的紧密程度进行分簇操作，以样本簇为单位，分解出无线接入点和用户设备之间各条独立信道最可能的到达角θ和传播时间τ。
由于传播路径可能有多条，对应同一个信道状态信息
Figure GDA0001399802350000061
可能会得到多个估计出到达角θ和传播时间τ的值。实际***中，频点1的信道状态信息
Figure GDA0001399802350000062
将会随着数据传输时间的持续，获得多个采样结果，因此，会据此产生多个到达角θ和传播时间τ的样本。
所述的正交子空间法具体包括以下步骤：
S1：求出正定矩阵
Figure GDA0001399802350000063
的值。
S2：对正定矩阵X进行特征值分解，找出满足特征值小于阈值时，该特征值所对应的特征向量y。
S3：将所有得到的特征向量组合成正交子空间矩阵Y。
S4：根据特征向量a(θ,τ)和正交子空间矩阵Y，找出M(θ,τ)取得极值时，对应的θ和τ的值，其中：
Figure GDA0001399802350000064
步骤6、各无线接入点将估算出的结果通过回传网络，即连接无线接入点与联合估计单元之间的连接网络回传至联合估计单元。
所述的回传是指：无线接入点1根据预设的权重函数，对频点1的各条独立信道分别计算出权重值，并选出权重值最大的路径作为直射路径，获取频点1直射路径的到达角θ'和传播时间τ'进行传递，从而在回传过程中将不同的无线接入点传回的信息设置不同的权重。
所述的无线接入点2和无线接入点3采用同样步骤将各自直射路径的到达角θ'和传播时间τ'传递给联合估计单元。
所述的权重函数可以是关于样本数量、样本传播时间、样本到达角和传播时间的随机程度(如方差、标准差)、样本持续时间等变量的加权求和函数。
步骤7、联合估计单元对用户设备的地理位置进行联合估计。
如图4所示，所述的联合估计是指：联合估计单元针对每个无线接入点1、2、3选择基准的到达角θ'和传播时间τ'(选择的标准可以是各个频点中传播时间最短的直射路径)，计算出其他频点直射路径的权重；再结合各个无线接入点上各个频点路径的权重、预存的无线接入点的天线角度信息、各个无线接入点的地理位置信息，计算出用户设备的位置信息，具体为：
Figure GDA0001399802350000065
其中：各个变量的具体定义是：m为无线接入点的序号，n为频点的序号，xm和ym即为第m个无线接入点的坐标位置。类似的
Figure GDA0001399802350000066
和
Figure GDA0001399802350000067
分别为用户设备在第n个频点上，通过无线传播到达第m个无线接入点的传播时延和到达角，
Figure GDA0001399802350000071
为对应该传播路径的权重。
所述的基准的到达角θ'和传播时间τ'可以为：无线接入点1的基准频点为频点1，无线接入点2的基准频点为频点2，无线接入点3的基准频点为频点1。联合估计单元将无线接入点1频点1、无线接入点2频点2和无线接入点3频点1的直射路径确定为基准，并计算出无线接入点1频点2、无线接入点2频点1和无线接入点3频点2的直射路径的权重，具体为：
当频点1的直射路径为基准，即
Figure GDA0001399802350000072
那么对于频点n的直射路径，其参考的到达角应为
Figure GDA0001399802350000073
则频点n的直射路径所对应的权重为：
Figure GDA0001399802350000074
其中：β用于统一角度和传播时间的量纲，并用于平衡角度误差和传播时延误差对位置估计带来的影响，在实际***中可以通过设备测试进行校准。
步骤8、联合估计单元进行用户位置更新和发布，即联合估计单元将计算出的用户位置信息存储在关于用户地理位置信息的映射表中，并传递给相关的无线接入点和用户设备，确保相关用户的地理位置信息能够根据请求发送给用户或者其他需求者。
所述的映射表包括了用户设备的媒体接入控制的地址或互联网协议地址等唯一可以确定用户的信息、用户所属无线接入点的信息以及关于用户地理位置的信息。
实施例2
如图5所示，本实施例包括无线接入点1、2两个无线接入点，每个无线接入点均有常用的2.4GHz、5GHz和60GHz三个频点可供接入。为描述方便，假设三个频点分别有一条直射路径和一条反射路径。
所述的基准的到达角θ'和传播时间τ'可以为：无线接入点1的基准频点为频点1，无线接入点2的基准频点为频点2。联合估计单元将无线接入点1频点1和无线接入点2频点2的直射路径确定为基准，并计算出无线接入点1频点2、3，无线接入点2频点1、3的直射路径的权重。
本实施例通过多个无线接入点在多个频点对用户设备进行到达角和传播时间的进行多方位的估计，能够更加精确地确定用户到无线接入点之间的直射路径，从而解决了现有技术可能由于反射、散射或者信号干扰而带来的直射路径估算不准确的问题。另外，由于对于每个无线接入点采用了多频点测量，不仅增加了针对直射路径的额外观察点，也为联合计算单元对用户位置的联合估计提供了权重参考，从而为多个无线接入点的精确联合测量提供了重要信息。
本实施例主要通过用户发射的导频或者其他参考信号来测量信息，因此，在实际部署的过程中，该定位***可以在用户进行数据传输的同时分析出用户的位置，而不需要额外的参考信号或者通信流程。这就使得定位***能够及时估计用户设备位置的变化情况，实现用户位置的及时跟踪。
对于大规模的无线局域网络，本实施例可以根据不同无线接入点检测出的用户信号进行用户位置的估计，未接收到用户信号的无线接入点只需要在计算用户位置时不加考虑即可，而不需要额外变更位置估计的算法。因此，该定位方法具有良好的适应性，可以适合不同规模的网络架构，特别是大规模无线局域网络的用户定位测量。
本实施例可以通过用户与无线接入点进行数据通信时，发射的导频或者其他参考信号来测量用户与无线接入点之间的信道和位置，不需要额外的无线网络通信负担。而无线接入点和联合估计单元之间的通信也仅仅是用户不同频点上直射路径的到达角和传播时间，因而网络的实际负担可控。同时，由于联合估计单元可以收集不同用户到达不同无线接入点的到达角和传播时间信息，可以根据相关信息进行用户分簇从而进一步提供用户分簇定位的能力。
本实施例所使用的方法仅需要在无线接入点和联合估计单元分别增加软件实现的用户到达角和传播时间估计模块和多接入点用户到达角和传播时间的联合信息处理模块，而不需要在用户设备端增加任何的硬件或者软件更新，因而具有较低的部署成本和很好的用户设备兼容性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种基于无线局域网络多频点联合测量的定位***，其特征在于，包括：联合估计单元、用户设备和多个无线接入点，其中：各无线接入点通过改变天线角度在多个频点上接收用户设备发射出的信号并进行处理，估算出用户设备相对本无线接入点的位置，并将相对位置信息回传至联合估计单元；联合估计单元结合预存信息，估算出用户设备精确的地理位置，并及时更新用户的地理位置；
所述的预存信息包括：无线接入点的天线角度信息和地理位置信息；
所述的信号包括导频信号或其他参考信号，且已为无线接入点预知；
所述的处理包括：根据接收到的信号计算出用户设备与无线接入点之间传输信道的实时状态信息，从而估算出无线接入点与用户之间的时偏，并加以消除，具体为：
对于普通的接收信号y＝Hs+w，其中w为噪声，无线接入点根据已知的参考信号s，估计出相应的信道实时状态信息H；
所述的估算是指：各无线接入点进行时偏量估计和时偏补偿，得到消除时偏后的信道状态信息H'，其中时偏量估计的方法包括最小绝对误差法、最小二乘法；
所述的最小绝对误差法具体包括以下步骤：
①求出信道状态信息H对应的相位矩阵P；
②根据相位矩阵P，求解满足
Figure FDA0002304261560000011
的最小时偏T；其中的P(i,j)表示信道状态信息在第i根天线、第j个子载波上的相位信息，fc为子载波的带宽，I和J分别代表最大的天线数和子载波数；
③根据时偏信息，对原始信道状态信息H采用相位补偿进行时偏消除，得到消除时偏后的信道状态信息H'：
Figure FDA0002304261560000012
所述的消除是指：各无线接入点对消除时偏后得到的频点1的信道状态信息H'进行信号重构，具体为：对消除时偏后得到的信道状态信息H'按照子信道和天线序号的维度分别进行扩展，使扩展后的信道状态信息
Figure FDA0002304261560000013
满足维度至少大于本无线接入点与用户之间独立信道的数量，并找出对应扩展后的信道状态信息
Figure FDA0002304261560000014
列向量的特征向量a(θ,τ)；
所述的特征向量是关于到达角θ和传播时间τ的函数，针对4天线、10个子载波的信道状态信息H'
Figure FDA0002304261560000021
在独立信道数量大于5的情况下进行信号重构：
Figure FDA0002304261560000022
生成的特征向量
Figure FDA0002304261560000023
其中：
Figure FDA0002304261560000024
是传播时延引起的相位偏移；Φ＝e-j2πDsin(θ)f/c是达到角引起的相位偏移，D为邻近接收天线之间的距离，f为发射信号的频率；
所述的估算出用户设备相对本无线接入点的位置是指：各无线接入点根据信号重构后的信道状态信息
Figure FDA0002304261560000025
和特征向量a(θ,τ)，对用户设备的信号到达角θ和传播时间τ进行初步估计，具体为：采用正交子空间法或最大似然法等传统的多维信号估计方法估计出各采样点的到达角θ和传播时间τ样本，并根据样本的紧密程度进行分簇操作，以样本簇为单位，分解出无线接入点和用户设备之间各条独立信道最可能的到达角θ和传播时间τ；
所述的正交子空间法具体包括以下步骤：
S1：求出正定矩阵
Figure FDA0002304261560000026
的值；
S2：对正定矩阵X进行特征值分解，找出满足特征值小于阈值时，该特征值所对应的特征向量y；
S3：将所有得到的特征向量组合成正交子空间矩阵Y；
S4：根据特征向量a(θ,τ)和正交子空间矩阵Y，找出M(θ,τ)取得极值时，对应的θ和τ的值，其中：
Figure FDA0002304261560000031
所述的估算出用户设备精确的地理位置是指：联合估计单元对用户设备的地理位置进行联合估计，具体是指：联合估计单元针对每个无线接入点1、2、3选择基准的到达角θ'和传播时间τ'(选择的标准是各个频点中传播时间最短的直射路径)，计算出其他频点直射路径的权重；再结合各个无线接入点上各个频点路径的权重、预存的无线接入点的天线角度信息、各个无线接入点的地理位置信息，计算出用户设备的位置信息，具体为：
Figure FDA0002304261560000032
其中：各个变量的具体定义是：m为无线接入点的序号，n为频点的序号，xm和ym即为第m个无线接入点的坐标位置；类似的
Figure FDA0002304261560000033
和
Figure FDA0002304261560000034
分别为用户设备在第n个频点上，通过无线传播到达第m个无线接入点的传播时延和到达角，
Figure FDA0002304261560000035
为对应的传播路径的权重；
所述的基准的到达角θ'和传播时间τ'为：无线接入点1的基准频点为频点1，无线接入点2的基准频点为频点2，无线接入点3的基准频点为频点1；联合估计单元将无线接入点1频点1、无线接入点2频点2和无线接入点3频点1的直射路径确定为基准，并计算出无线接入点1频点2、无线接入点2频点1和无线接入点3频点2的直射路径的权重，具体为：
当频点1的直射路径为基准，即
Figure FDA0002304261560000036
那么对于频点n的直射路径，其参考的到达角应为
Figure FDA0002304261560000037
则频点n的直射路径所对应的权重为：
Figure FDA0002304261560000038
其中：β用于统一角度和传播时间的量纲，并用于平衡角度误差和传播时延误差对位置估计带来的影响，在实际***中通过设备测试进行校准。
2.根据权利要求1所述的定位***，其特征是，所述的无线接入点设有用户到达角和传播时间估计单元，在多频点上进行估计，包括：依次相连的用户信号接收模块、用户时偏估计模块、用户时偏补偿模块、用户信号重构模块和到达角和传播时间估计模块，其中：用户信号接收模块接收用户发射的信号后由用户时偏估计模块估计接收信号的时偏量，并通过用户时偏补偿模块进行时偏消除，消除后的信息通过用户信号重构模块进行重构后传送至到达角和传播时间估计模块进行到达角和传播时间估计。
3.根据权利要求1所述的定位***，其特征是，所述的联合估计单元可布置于某个无线接入点或远端服务器上。
4.根据权利要求3所述的定位***，其特征是，所述的联合估计单元设有多接入点用户到达角和传播时间的联合信息处理模块，包括：相连的多频点信号到达角和传播时间接收模块、多频点到达角和传播时间联合估计和决策模块两个子模块。
5.根据权利要求4所述的定位***，其特征是，所述的无线接入点的到达角和传播时间估算模块通过回传网络与多频点信号到达角和传播时间接收子模块相连。
6.根据权利要求5所述的定位***，其特征是，所述的回传网络为无线连接，也为通过有线介质进行物理上的连接。
7.一种基于上述任一权利要求所述***的定位方法，其特征在于，各个无线接入点在多个频点上接收用户设备发出的信号，并通过时偏补偿和信号重构估算出信号的到达角和传播时间，从而估算出用户相对本无线接入点的位置，并将估算位置信息发送到联合估计单元，联合估计单元结合预存信息估算出用户设备的精确地理位置，并及时进行地理位置更新。
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