CN110582058A - 基于负幂次求和测距模型的无线定位方法 - Google Patents

基于负幂次求和测距模型的无线定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于负幂次求和测距模型的无线定位方法，包括：在定位准备阶段，针对每个锚节点，待定位节点在N个已知的参考位置处向锚节点发送ping命令，根据返回的信号计算出信道状态信息（CSI）的幅度值，并测量待定位节点到锚节点的距离。根据N个幅度值和对应的距离值，待定位节点可拟合出一个负幂次求和形式的测距模型。用上述同样的方法，可以获得其他锚节点的测距模型，至此，定位准备阶段结束。在正式定位阶段，当待定位节点移动到某个位置时，待定位节点首先向每个锚节点发送ping命令，根据返回的信号计算出CSI幅度和测距模型可计算出待定位节点与每个锚节点之间的距离。根据多边定位方法，可计算出待定位节点所在的位置。

Description

基于负幂次求和测距模型的无线定位方法
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域，特别涉及一种基于负幂次求和测距模型的无线定位方法。
背景技术
随着物联网和移动设备的不断发展，人们对更高的定位精确度提出了迫切的要求。室外能够提供高精度位置服务的全球定位***(Global Positioning System，GPS)，因卫星信号受到墙壁遮挡，并不适用于室内定位，因此研究适用于室内的定位技术具有重要的意义。具有便捷、经济和易部署等特点的WIFI室内定位技术在众多室内定位技术中脱颖而出，成为当今的研究热点。目前现有的基于无线局域网进行定位的技术通常使用接收信号强度(Received Signal Strength Indication，RSSI)作为定位的指示器。在实际的室内环境中，通常会有很多噪声，比如各种电器件、多径效应，并且在同一个室内，因为不同障碍物的遮挡，会导致同一个房间内不同位置的RSSI的变化会很大。RSSI为多个信号路径的聚合信号强度，受多径效应的影响，RSSI包含了大量噪声，使得定位精度不够准确。
然而在IEEE802.11n标准中，支持信道状态信息(Channel State Information,CSI)的反馈机制，通过修改无线网卡驱动，可以获得正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM)子载波中30个子载波的CSI。CSI描述了信号从发射端到接收端的衰减因子，包括反射、散射、路径衰落等。与传统的基于接收信号强度定位相比，在OFDM***的多个子载波上采样的CSI提供了无线信道的物理层更细粒度的分布和更高的多径传播分辨率。研究表明，相比于基于RSSI的定位，基于CSI的定位具有更高的准确性。因此探索基于CSI的室内定位技术具有重要的现实意义。
基于CSI的定位方案主要分为测角方案和测距方案。测角方案的定位精度主要与接收端天线数量有关，尽管目前最新的路由设备具有4个或者更多天线，但是大多无线路由器只配备2个甚至1个天线。此外，测角方案在非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)环境中具有更差的定位精度。与之相反，测距方案不受天线数量的影响并且适用于视距(Line-of-Sight,LOS)和非视距环境。目前基于CSI幅度的测距方案主要使用的是传统CSI测距模型，为了能够降低随机因子带来的误差并且更加准确的反应信道状态，该模型融合了不同的子载波数据，并对得到的CSI值作出了改进。传统CSI测距模型表示形式如式1所示：
其中，d表示待定位节点到锚节点的距离值，c表示光速，f0为子载波所处信道的中心频率，CSIeff为CSI幅度值，n为路径衰减指数，σ为环境因子，表示的2次方，表示的次方。
在仿真和实验中，基于CSI测距模型的定位方案却有较低的定位精度。实际上，如果可以获得完美的测距模型，那么既不应该有距离估计误差，也不应该有定位误差。然而，定位误差仍然存在，这因为简单的测距模型无法表示复杂的室内无线信道。因此有必要以更全面的方式分析室内无线信道，并相应地重新设计测距模型，通过重新设计的测距模型也可以提高定位精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于负幂次求和测距模型的无线定位方法，以提高定位坐标的精度，包括：
S1、在定位准备阶段，针对每个锚节点Ai，待定位节点在每个已知的参考位置处向锚节点发送ping命令，根据返回的信号测出与该锚节点之间的信道状态信息(CSI)，计算出CSI的幅度值。因此在每个参考位置，待定位节点可以记录两个数据，分别是它与锚节点之间的CSI的幅度值、以及它与锚节点之间的距离值；
S2、参考位置的数量用N表示，那么针对每个锚节点，待定位节点能够获得N个CSI幅度值、以及N个与其一一对应的距离值；
S3、根据这N个幅度值和对应的N个距离值，待定位节点可以拟合出一个负幂次求和形式的测距模型，模型的表达式是其中CSIeff表示CSI幅度值，表示CSI幅度值的平方，j表示变量的序号，d表示待定位节点到锚节点的距离值，n表示路径衰减指数(可以通过拟合得到)，dn+j表示d的n+j次方，βj、β7是模型中需要拟合的参数，该模型只针对锚节点Ai；
S4、用上述S1到S3同样的方法，可以获得针对其他锚节点的测距模型，至此，定位准备阶段结束；
S5、在正式定位阶段，当待定位节点移动到某个位置时，为估算出该位置，待定位节点首先向每个锚节点发送ping命令，根据返回的信号测出与每个锚节点之间的CSI，计算出CSI幅度，然后根据S4中获得的测距模型，计算出待定位节点与每个锚节点之间的距离；
S6、如果锚节点的数量用M表示，通过上一步，待定位节点能获得M个距离值，然后根据多边定位方法，以每个锚节点为圆心，以待定位节点到锚节点的距离值为半径作圆，根据M个圆的交点情况可计算出待定位节点所在的位置。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了根据本发明实施方式的方法流程示意图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当本发明称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
针对现有技术存在的问题以及在实际程序测试中得到的结果，本发明提供一种基于负幂次求和测距模型的无线定位方法，方法主要分为两个阶段，第一个定位准备阶段是在线下建立测距模型，第二个正式定位阶段为线上定位。
1)在定位准备阶段，在每个锚节点附近选取若干参考位置并测量每个参考位置到锚节点的直接路径距离。针对每个锚节点Ai，待定位节点放置在每个参考位置处向锚节点发送ping命令。锚节点接收若干个数据包(一般情况下持续接收一分钟左右已经具有参考意义)并获取信道状态信息(CSI)计算CSI幅度值。在每个参考位置，待定位节点可以记录两个数据，分别是它与锚节点之间的CSI的幅度值、以及它与锚节点之间的距离值；
2)参考位置的数量用N表示，那么针对每个锚节点，待定位节点能够获得N个CSI幅度值、以及N个与其一一对应的距离值；
3)根据这N个幅度值和对应的N个距离值，待定位节点可以拟合出一个负幂次求和形式的测距模型，模型的表达式是其中CSIeff表示CSI幅度值，表示CSI幅度值的平方，j表示变量的序号，d表示待定位节点到锚节点的距离值，n表示路径衰减指数(可以通过拟合得到)，dn+j表示d的n+j次方，βj、β7是模型中需要拟合的参数，该模型只针对锚节点Ai；
4)用上述1)到3)同样的方法，可以获得针对其他锚节点的测距模型，至此，定位准备阶段结束；
5)在正式定位阶段，当待定位节点移动到某个位置时，为估算出该位置，待定位节点首先向每个锚节点发送ping命令，根据返回的信号测出与每个锚节点之间的CSI。用上述1)同样的方法计算出CSI幅度，然后根据4)中获得的测距模型，计算出待定位节点与每个锚节点之间的距离；
6)如果锚节点的数量用M表示，通过上一步，待定位节点能获得到M个锚节点的距离值，然后根据多边定位方法，以每个锚节点为圆心，以待定位节点到锚节点的距离值为半径作圆，根据M个圆的交点情况可计算出待定位节点所在的位置。理想情况下，M个圆相交于一点，该点即为待定位节点所在位置，而实际中由于测量误差的存在使得三个圆的交叠为一个区域。在交叠区域内，根据锚节点的相对位置可计算每个锚节点的坐标向量，待定位节点所在位置可用下式计算：
其中P0为待定位节点的坐标向量，arg是变元(即自变量argument)的英文缩写，min表示使后面这个式子达到最小值，argmin就是使后面这个式子达到最小值时的变量的取值，i表示锚节点的序号，Pi为第i个锚节点的坐标向量，(Pi-P0)T表示向量(Pi-P0)的转置，ri表示5)中计算的待定位节点距第i个锚节点的距离，ri 2表示ri的2次方。
实验结果分析如表1所示，其中实验场景为走廊。可以发现，本发明比基于传统CSI测距模型的定位方案定位误差缩小了近30％，而且在不同距离下定位误差均有较明显的提高。本发明有效地提高了定位精度。
表1本发明与基于传统CSI测距模型定位方案的定位误差分析
本技术领域技术人员可以理解，本发明可以涉及用于执行本申请中所述操作中的一项或多项操作的设备。所述设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备，所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、CD-ROM、和磁光盘)、随即存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存、磁性卡片或光线卡片。可读介质包括用于以由设备(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机构。例如，可读介质包括随即存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存装置、以电的、光的、声的或其他的形式传播的信号(例如载波、红外信号、数字信号)等。
本技术领域技术人员可以理解，可以用计算机程序指令来实现这些结构图和/或框图和/或流图中的每个框以及这些结构图和/或框图和/或流图中的框的组合。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专业计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来生成机器，从而通过计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来执行的指令创建了用于实现结构图和/或框图和/或流图的框或多个框中指定的方法。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于负幂次求和测距模型的无线定位方法，其特征在于包括以下步骤
S1、在定位准备阶段，针对每个锚节点Ai，待定位节点在每个已知的参考位置处向锚节点发送ping命令，根据返回的信号测出与该锚节点之间的信道状态信息(CSI)，计算出CSI的幅度值，因此在每个参考位置，待定位节点可以记录两个数据，分别是它与锚节点之间的CSI的幅度值、以及它与锚节点之间的距离值；
S2、参考位置的数量用N表示，那么针对每个锚节点，待定位节点能够获得N个CSI幅度值、以及N个与CSI幅度值一一对应的距离值；
S3、根据这N个幅度值和对应的N个距离值，待定位节点可以拟合出一个负幂次求和形式的测距模型，模型的表达式是其中CSIeff表示CSI幅度值，表示CSI幅度值的平方，j表示变量的序号，d表示待定位节点到锚节点的距离值，n表示路径衰减指数(可以通过拟合得到)，dn+j表示d的n+j次方，βj、β7是模型中需要拟合的参数，该模型只针对锚节点Ai；
S4、用上述S1到S3同样的方法，可以获得针对其他锚节点的测距模型，至此，定位准备阶段结束；
S5、在正式定位阶段，当待定位节点移动到某个位置时，为估算出该位置，待定位节点首先向每个锚节点发送ping命令，根据返回的信号测出与每个锚节点之间的CSI，计算出CSI幅度，然后根据S4中获得的测距模型，计算出待定位节点与每个锚节点之间的距离；
S6、如果锚节点的数量用M表示，通过上一步，待定位节点能获得M个距离值，然后根据多边定位方法，可计算出待定位节点所在的位置。
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