基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，屬于無線網(wǎng)絡(luò)中的無線定位技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出利用節(jié)點(diǎn)發(fā)送超寬帶信號(hào)來實(shí)現(xiàn)DFL，對(duì)LOS路徑下的信道沖激響應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，并利用LOS路徑信號(hào)功率的變化來定位。同時(shí)超寬帶節(jié)點(diǎn)具有精確測(cè)距能力，能實(shí)現(xiàn)精確節(jié)點(diǎn)自定位，本發(fā)明利用超寬帶節(jié)點(diǎn)提供的距離測(cè)量使用協(xié)作定位的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自定位，使由目標(biāo)遮擋引起的陰影衰落更顯著，進(jìn)一步提高了成像效果，更適用于LOS功率較低的環(huán)境，能夠在更復(fù)雜的環(huán)境中提高定位精度，大大減少了節(jié)點(diǎn)部署的人力及時(shí)間成本。
【專利說明】
基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種免攜帶設(shè)備定位方法，是一種基于直射路徑陰影衰落估計(jì)的超寬 帶目標(biāo)定位方法，屬于無線網(wǎng)絡(luò)中的無線定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 免攜帶設(shè)備定位(device-free localization，DFL)最近幾年來逐漸發(fā)展成為一 種新興的技術(shù)，它允許目標(biāo)本身不攜帶任何定位裝置。DFL的應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)樵诤芏嗲?況中目標(biāo)不愿意攜帶定位裝置或者目標(biāo)是非合作的。因此DFL在入侵檢測(cè)，災(zāi)難救援，醫(yī)療 衛(wèi)生，以及軍事行動(dòng)中有很多潛在應(yīng)用。傳統(tǒng)的DFL方法使用光學(xué)、紅外的方法，穿透性較差 并且會(huì)有可能會(huì)侵犯隱私。隨著無線通信的普及，基于無線信號(hào)的DFL的研究獲得了非常大 的關(guān)注，無線信號(hào)具有較好的穿透能力，能夠穿透墻壁等遮擋物。
[0003] 無線DFL可以粗略的分為兩類，一類是基于陰影衰落的方法，另一類是基于無線信 號(hào)的其他特性比如信號(hào)反射的方法。本發(fā)明主要涉及基于陰影衰落的DFL方法。從本質(zhì)上 說，基于陰影衰落的DFL利用的是目標(biāo)對(duì)無線鏈路視距（line of sight，L0S)路徑遮擋而造 成信號(hào)的衰減。在傳統(tǒng)的基于陰影衰落的DFL中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是窄帶信號(hào)，并利用鏈路的接 收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength，RSS)的變化來定位目標(biāo)。但在實(shí)際環(huán)境中，由于 環(huán)境中存在著各種反射體，多徑傳播十分嚴(yán)重，基于窄帶信號(hào)RSS的方法受多徑影響較大， 定位精度下降。此外，DFL需要測(cè)量無線節(jié)點(diǎn)的位置，一般都采用手動(dòng)測(cè)量的方法得到節(jié)點(diǎn) 的位置，需要大量人力及時(shí)間成本，不適用于緊急部署的場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決多徑干擾及節(jié)點(diǎn)自定位的問題，本發(fā)明提出利用節(jié)點(diǎn)發(fā)送超寬帶信號(hào)來 實(shí)現(xiàn)DFL的方法。使用超寬帶信號(hào)能帶來兩個(gè)益處:較好的多徑分辨能力和測(cè)距能力。由于 超寬帶信號(hào)的大帶寬能夠分辨多徑信號(hào)，超寬帶節(jié)點(diǎn)測(cè)量得到的信道沖激響應(yīng)的各個(gè)峰值 對(duì)應(yīng)著每個(gè)多徑分量的功率，因此本發(fā)明對(duì)L0S路徑下的信道沖激響應(yīng)(channel impulse reSponSe，CIR)進(jìn)行檢測(cè)，并利用LOS路徑信號(hào)功率的變化來定位。同時(shí)超寬帶節(jié)點(diǎn)具有精 確測(cè)距能力，能實(shí)現(xiàn)精確節(jié)點(diǎn)自定位，本發(fā)明利用超寬帶節(jié)點(diǎn)提供的距離測(cè)量使用協(xié)作定 位的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自定位，大大減少了節(jié)點(diǎn)部署的人力及時(shí)間成本。
[0005] 本發(fā)明所述的基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一:節(jié)點(diǎn)部署
[0007] K個(gè)超寬帶測(cè)量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域周圍，這K個(gè)節(jié)點(diǎn)位于同一水平面上， 假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為1 1=(11，71)\1 = 1，2，...，1(;每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收無線信 號(hào)，共構(gòu)成n = K(K_l)條鏈路;另外還存在一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收測(cè)量節(jié)點(diǎn)測(cè)得的信道沖 激響應(yīng)CIR數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)給PC做后續(xù)處理;各測(cè)量節(jié)點(diǎn)所發(fā)送和接收的無線信號(hào)均為窄 脈沖信號(hào)；
[0008] 步驟二:測(cè)量監(jiān)測(cè)區(qū)域沒有目標(biāo)時(shí)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間鏈路的信道沖激響 應(yīng)CIR，記為丨，i - 1:，2,…，U - 1，2,…，瓦，f，并提取los路徑彳目號(hào)功率和LOS路徑 信號(hào)T0A，包括如下步驟：
[0009] 步驟2.1:監(jiān)測(cè)區(qū)域保持空曠，測(cè)量任意兩節(jié)點(diǎn)之間所構(gòu)成的鏈路的CIR，記為 c(j .yi= / = 1,2,...,/^; / ^ / ；
[0010] 步驟2.2:從每條鏈路的多徑信號(hào)功率中提取出LOS路徑信號(hào)功率：
[0011]采用邊沿檢測(cè)方法，認(rèn)為第一個(gè)超過給定閾值的CIR峰值對(duì)應(yīng)L0S路徑信號(hào)，即
[0012] c^j} = argminj^ > Pthreshold,Pn e
[0013] 其中Pthreshdld為設(shè)定的閾值，一般根據(jù)虛警和漏檢之間的折衷來確定;P(i,j)是CIR 測(cè)量值$,;)中峰值的集合，n為集合中峰值元素的序號(hào)Y為L(zhǎng)OS路徑CIR峰值在集合 P(U)中的序號(hào)，那么無目標(biāo)遮擋時(shí)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的L0S路徑信號(hào)的功率為
[0014] 步驟2.3:得到L0S路徑的CIR峰值后，將L0S路徑峰值到達(dá)的時(shí)間判定為信號(hào)的到 達(dá)時(shí)間T0A;計(jì)算收發(fā)節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離di, j;
[0015]步驟三:根據(jù)步驟二計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)間距離進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自定位，包括如下步驟：
[0016] 步驟3.1:由每對(duì)節(jié)點(diǎn)的距離得到如下距離平方矩陣，大小為KXK; 0 ^1.2 ('!.； ^\.K d 1A 〇 Cl2.：i ^2.K
[0017] d:, 0 dlK 4.2 <3 ??? 0 -
[0018] 構(gòu)造下面的矩陣： ，Ek是K階單位矩陣，Ik是兀素值都為1的K X 1大小的列向 量。
[0021] B的特征值分解為
[0022] B = VAVt；
[0023]其中A idiagGi，、，. . . .，AK)為B的特征值構(gòu)成的對(duì)角矩陣，特征值按降序排列， V=(vi,V2,--，vk)t為相應(yīng)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成的矩陣；
[0024] 步驟3.2:將K個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的整體的質(zhì)心設(shè)為原點(diǎn)，即X, = |〇.()f ;.X為所有 節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)構(gòu)成的矩陣，即X = [x丨，x〖，…令V2=(vi,V2)，A2 = diag(A1,A2)，那么節(jié)點(diǎn) 位置估計(jì)為
[0025] ；
[0026] 即交為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣X的估計(jì)，是大小為K*2的矩陣，角標(biāo)1/2表示開根號(hào)；
[0027] 步驟四：對(duì)每對(duì)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路，得到由于障礙物遮擋引起的LOS路徑功率變化 值c:
[0028] 在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)測(cè)量有遮擋時(shí)的鏈路ClR值c(i, j)，并按照步驟2.2方法提取出 此時(shí)L0S路徑CIR峰值〇結(jié)合步驟二中對(duì)無遮擋環(huán)境的測(cè)量，無目標(biāo)遮擋時(shí)節(jié)點(diǎn)i和j之間 鏈路的L0S路徑CIR峰值為41，則由于目標(biāo)遮擋引起的節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路L0S路徑的功率變 化為：
[0029] Ar(: = 101g<.) - 101g〇
[0030] 步驟五:使用基于壓縮感知的免攜帶設(shè)備定位方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像：
[0031 ]步驟5.1:根據(jù)步驟三中節(jié)點(diǎn)自定位測(cè)量的每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的距離di,j和估計(jì)的各節(jié) 點(diǎn)位置±計(jì)算權(quán)重矩陣:方法如下：
[0032] 本發(fā)明中使用無線層析成像(radio tomography imaging，RTI)的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 定位。在RTI中，監(jiān)測(cè)區(qū)域被均勻劃分為方形網(wǎng)格，令A(yù) xm為信號(hào)在穿過監(jiān)測(cè)區(qū)域中第m個(gè)網(wǎng) 格的衰減，共有M個(gè)網(wǎng)格，以權(quán)重表示第m個(gè)網(wǎng)格的信號(hào)衰減對(duì)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的信 號(hào)衰減的貢獻(xiàn)，為節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的噪聲，那么節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的信號(hào)衰減可以 集合形式表示為： M
[0033]
[0034]采用橢圓模型計(jì)算權(quán)重，如下 \hdl\A\) + dln J2)<d{..,+r
[0035] w^iJ} = {lj} V ； (!'J) V ； {i'j)
[0036] 其中#和^，丨（2)分別為第m網(wǎng)格到收發(fā)節(jié)點(diǎn)的距離，其中#;)⑴表示到接收 節(jié)點(diǎn)，表示到發(fā)送節(jié)點(diǎn)，為收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離；y為可調(diào)參數(shù)，控制橢圓區(qū)域 的大小，取值一般為信號(hào)波長(zhǎng)的一半;將所有鏈路得到的權(quán)重％匕寫為矩陣形式WERlxN，并 稱其為權(quán)重矩陣；
[0037]步驟5.2:利用壓縮感知正則化方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位：
[0038] 考慮所有q條鏈路，L0S路徑功率變化量的矩陣形式為
[0039] A r=ff A x+n；
[0040] 其中A r e Rnxl是觀測(cè)向量，是由n條鏈路的LOS路徑信號(hào)功率變化A/ff組成，We R nXM是步驟5.1獲得的權(quán)重矩陣，neRnX1是噪聲向量，其元素為n (1』； AXGRMX1是待估計(jì)的向 量，即監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分的M個(gè)網(wǎng)格上的信號(hào)衰減值?？紤]到A x中元素A F非負(fù)，基于$范數(shù)壓 縮感知重建的正則化目標(biāo)函數(shù)可寫為： M minllAr - WAxll" + //V Axm [0041 ] a* 11 11 ^ ; s.t. Ax'" > O.m = i,2,...,/V/
[0042]其中y為正則化參數(shù)；目標(biāo)中心位置的估計(jì)為衰減功率最大的網(wǎng)格 =ai'gmax 在監(jiān)測(cè)區(qū)域的坐標(biāo)。 m
[OO43]作為優(yōu)選，步驟一所述窄脈沖信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為ns級(jí)或亞ns級(jí)。
[0044]作為優(yōu)選，步驟5.2中，通過凸優(yōu)化理論求解正則化目標(biāo)函數(shù)。
[0045]作為優(yōu)選，步驟2.1中，對(duì)任意兩節(jié)點(diǎn)之間所構(gòu)成的鏈路依次進(jìn)行雙向測(cè)距，這個(gè) 過程由各節(jié)點(diǎn)按預(yù)定的通信協(xié)議自動(dòng)完成;進(jìn)一步地，雙向測(cè)距按照TDMA協(xié)議完成。
[0046]作為優(yōu)選，步驟2.3中，通過對(duì)稱雙邊雙路測(cè)距的方法計(jì)算收發(fā)節(jié)點(diǎn)i和j之間的距 尚 di, j。
[0047]作為優(yōu)選，步驟1所述超寬帶節(jié)點(diǎn)均為基于IEEE802.15.4a協(xié)議的超寬帶節(jié)點(diǎn)，它 能夠提供鏈路的CIR測(cè)量。進(jìn)一步地，步驟1所述超寬帶節(jié)點(diǎn)工作的中心頻率為6.489GHz，帶 寬為499MHz并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝配全向天線。
[0048] 作為優(yōu)選，所述障礙物是靜止站立的人；
[0049] 作為優(yōu)選，障礙物采用圓柱體模型。
[0050] 對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明有益效果在于，和原有基于窄帶RSS信號(hào)的DFL方法相比因 為使用了超寬帶信號(hào)，有比較好的多徑分辨能力。并且在此基礎(chǔ)上采用了 L0S路徑功率提取 的方法，更適用于L0S功率較低的環(huán)境，能夠在更復(fù)雜的環(huán)境中提高定位精度。信號(hào)中心頻 率由窄帶信號(hào)的2.4GHz提高至6.489GHz，使由目標(biāo)遮擋引起的陰影衰落更顯著，進(jìn)一步提 高了成像效果。此外超寬帶信號(hào)能夠提供精確的距離測(cè)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自定位，與基于窄帶 RSS信號(hào)的DFL方法的節(jié)點(diǎn)部署相比節(jié)省了大量工作。
【附圖說明】
[0051] 圖1:基于直射路徑陰影衰落估計(jì)的超寬帶節(jié)點(diǎn)定位方法的結(jié)構(gòu)框圖；
[0052]圖2:實(shí)驗(yàn)中超寬帶節(jié)點(diǎn)的布置示意圖；
[0053]圖3:實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景會(huì)議室環(huán)境下節(jié)點(diǎn)分布及測(cè)試點(diǎn)設(shè)置示意圖；
[0054]圖4:節(jié)點(diǎn)自定位結(jié)果示意圖；
[0055]圖5:DFL定位效果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明，同時(shí)也敘述了本發(fā)明技術(shù)方案 解決的技術(shù)問題及有益效果。本發(fā)明提出了一種基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方 法，本方法的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，具體包括如下實(shí)施步驟：
[0057]步驟一:節(jié)點(diǎn)部署
[0058] K個(gè)超寬帶測(cè)量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域周圍，如圖2所示，這K個(gè)節(jié)點(diǎn)位于同一 水平面上，假設(shè)第1個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為11=(11，7〇1'，1 = 1，2，...，1(;每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接 收無線信號(hào)，因此網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是全連通的，可以構(gòu)成n = K(K_l)條鏈路；另外還存在一個(gè) 基站節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收測(cè)量節(jié)點(diǎn)測(cè)得的信道沖激響應(yīng)CIR數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)給PC做后續(xù)處理； [0059]在本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)發(fā)送窄脈沖信號(hào)，持續(xù)時(shí)間非常短，通常為ns級(jí)和亞ns級(jí)，因此信 號(hào)的帶寬非常大；
[0060] 需要說明的是，在本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)中用的是DecaWave公司開發(fā)的基于 IEEE802.15.4a協(xié)議的超寬帶節(jié)點(diǎn)，它能夠提供鏈路的CIR測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)中，超寬帶節(jié)點(diǎn)的工 作中心頻率為6.489GHz，帶寬為499MHz，節(jié)點(diǎn)裝配的是全向天線。實(shí)驗(yàn)中共使用10個(gè)超寬帶 節(jié)點(diǎn)，其中9個(gè)作為測(cè)量節(jié)點(diǎn)，1個(gè)作為基站節(jié)點(diǎn)。測(cè)量節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成鏈路的CIR測(cè)量并將測(cè) 量數(shù)據(jù)發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)?；竟?jié)點(diǎn)和本地PC通過USB連接并將數(shù)據(jù)發(fā)給PC做后續(xù)處理。測(cè)量 節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域外圍并放在在支架上與地面的距離約為0.8m。為了與自定位算法作對(duì) 比，我們事先測(cè)量所有節(jié)點(diǎn)的位置；
[0061] 步驟二:測(cè)量監(jiān)測(cè)區(qū)域沒有目標(biāo)時(shí)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間鏈路的信道沖激響 應(yīng)CIR，記為[u，/ =丨，厶…，/C./ =丨，2….，尺:"并提取l0s路徑信號(hào)功率和L0S路徑 信號(hào)T0A，包括如下步驟：
[0062] 步驟2.1:監(jiān)測(cè)區(qū)域保持空曠，測(cè)量任意兩節(jié)點(diǎn)之間所構(gòu)成的鏈路的CIR，記為 丐勺)，，? = 1，2:"，.，農(nóng);/ = 1，2,…，農(nóng)M 為了保證準(zhǔn)確度，可以采用雙向測(cè)量取平均的方 法；
[0063] 步驟2.2:從每條鏈路的多徑信號(hào)功率中提取出L0S路徑信號(hào)功率：
[0064] 考慮到L0S路徑信號(hào)的到達(dá)時(shí)間最短，但是在復(fù)雜環(huán)境下，L0S路徑信號(hào)可能受到 環(huán)境中其他障礙物的遮擋，這就意味著第一條到達(dá)的路徑不一定為功率最強(qiáng)的路徑。因此 本發(fā)明采用邊沿檢測(cè)方法(在沒有利用接受信號(hào)相位信息的情況下，邊沿檢測(cè)方法是唯一 的篩選L0S路徑的方案。），認(rèn)為第一個(gè)超過給定閾值的CIR峰值對(duì)應(yīng)L0S路徑信號(hào)，即
[0065] 4〇7) = ar§m"in{^ > Ptkresk〇ld?Pn ^ P(ij)}
[0066] 其中Pthshdid為設(shè)定的閾值，一般根據(jù)虛警和漏檢之間的折衷來確定;P(i,j)是CIR 測(cè)量值％J中峰值的集合，n為集合Pud中峰值元素的序號(hào)，0為L(zhǎng)OS路徑CIR峰值在集合 PU』中的序號(hào)，那么無目標(biāo)遮擋時(shí)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的L0S路徑信號(hào)的功率為
[0067] 步驟2.3:得到LOS路徑的CIR峰值后，將LOS路徑峰值到達(dá)的時(shí)間判定為信號(hào)的到 達(dá)時(shí)間T0A;通過對(duì)稱雙邊雙路測(cè)距的方法計(jì)算收發(fā)節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離對(duì)稱雙邊雙 路測(cè)距的方法詳見〃IEEE Standard 802.15.4a-2007〃，P125;
[0068] 需要說明的是，本發(fā)明在一個(gè)典型的室內(nèi)會(huì)議室環(huán)境下進(jìn)行了目標(biāo)定位的實(shí)驗(yàn)， 除了四周墻壁之外，室內(nèi)有很多物體包括桌子、椅子、柜子等物體，這些東西都可以反射無 線信號(hào)，產(chǎn)生新的多徑信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布如圖3所示（圖中UWB節(jié)點(diǎn)1~9)，整個(gè) 監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積為4.8m*2.4m，我們?cè)诒O(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)選擇了 17個(gè)測(cè)試位置，如圖中的叉號(hào)所示 (記為L(zhǎng)1~L17);
[0069]步驟三:根據(jù)步驟二計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)間距離進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自定位，包括如下步驟：
[0070]步驟3.1:由每對(duì)節(jié)點(diǎn)的距離得到如下距離平方矩陣，大小為KXK; Q d12 d13 dlK 4,1 〇 <3…心
[0071] D：= dl， d;2 0 ??? d;K dKA 4,2 4,3 〇 -
[0072]構(gòu)造下面的矩陣：
[0074]其中
EK是K階單位矩陣，1K是元素值都為1的KX1大小的列向 量。
[0075] B的特征值分解為
[0076] B = VAVt；
[0077]其中A idiagGi，、，. . . .，AK)為B的特征值構(gòu)成的對(duì)角矩陣，特征值按降序排列， V=(vi,V2,--，vk)t為相應(yīng)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成的矩陣；
[0078] 步驟3.2:將K個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的整體的質(zhì)心設(shè)為原點(diǎn)，即 為所有 節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)構(gòu)成的矩陣，即]''，令V2=(vi，V2)，A2 = diag(A1，A2)，那么節(jié)點(diǎn) 位置估計(jì)為
[0079] X = Y,Af;
[0080] 即X為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣X的估計(jì)，是大小為K*2的矩陣，角標(biāo)1/2表示開根號(hào)；
[0081] 步驟四：對(duì)每對(duì)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路，得到由于障礙物遮擋引起的L0S路徑功率變化 值
[0082] 在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，障礙物在每個(gè)測(cè)試位置上保持不動(dòng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的測(cè)試點(diǎn)位置如 圖3所示，節(jié)點(diǎn)測(cè)量有遮擋時(shí)的鏈路CIR值cu』，并按照步驟2.2方法提取出此時(shí)11)3路徑(：11? 峰值4^，結(jié)合步驟二中對(duì)無遮擋環(huán)境的測(cè)量，無目標(biāo)遮擋時(shí)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的L0S路徑 CIR峰值為<1，則由于目標(biāo)遮擋引起的節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路L0S路徑的功率變化為：
[0083] Ar{； J = lOlgc^.) -lOlgcJ^ ,
[0084] 步驟五:使用基于壓縮感知的免攜帶設(shè)備定位方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像：
[0085]步驟5.1:根據(jù)步驟三中節(jié)點(diǎn)自定位測(cè)量的每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的距離di,j和估計(jì)的各節(jié) 點(diǎn)位置X計(jì)算權(quán)重矩陣:方法如下：
[0086] 本發(fā)明中使用無線層析成像(radio tomography imaging，RTI)的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 定位。在RTI中，監(jiān)測(cè)區(qū)域被均勻劃分為方形網(wǎng)格，令A(yù) xm為信號(hào)在穿過監(jiān)測(cè)區(qū)域中第m個(gè)網(wǎng) 格的衰減，共有M個(gè)網(wǎng)格，以權(quán)重表示第m個(gè)網(wǎng)格的信號(hào)衰減對(duì)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的信 號(hào)衰減的貢獻(xiàn)，n (1』為節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的噪聲，那么節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的信號(hào)衰減可以 集合形式表示為：
[0087 ] C =乞)Axm + )
[0088]因?yàn)樾盘?hào)主要沿LOS路徑傳播，因此離LOS路徑近的網(wǎng)格權(quán)重大于LOS路徑遠(yuǎn)的網(wǎng) 格權(quán)重，本發(fā)明中用橢圓模型計(jì)算權(quán)重，如下
[_] ' = j1，仏.)W+%/)⑶ < 4./)+f {UJ) 0
[0090]其中⑴和<;)⑶分別為第m網(wǎng)格到收發(fā)節(jié)點(diǎn)的距離，其中⑴表示到接收 節(jié)點(diǎn)，乂1^2)表示到發(fā)送節(jié)點(diǎn)，d(u)為收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離；y為可調(diào)參數(shù)，取值一般為信 號(hào)波長(zhǎng)的一半，y控制橢圓區(qū)域的大小。將所有鏈路得到的權(quán)重寫為矩陣形式WERnXM，并稱 其為權(quán)重矩陣;權(quán)重矩陣W是n XM的矩陣，每一行代表一條鏈路的權(quán)重，比如第n行的M個(gè)元 素表示第n條鏈路下全部M個(gè)像素點(diǎn)的權(quán)重。
[0091 ]步驟5.2:利用壓縮感知正則化方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位：
[0092] 考慮所有q條鏈路，L0S路徑功率變化量的矩陣形式為
[0093] A r=ff A x+n；
[0094] 其中A reRnxl是觀測(cè)向量，是由n條鏈路的LOS路徑信號(hào)功率變化AC組成，ffeR nXM是步驟5.1獲得的權(quán)重矩陣，neRnX1是噪聲向量，11=[1 11，112，113~，如]7其中元素是11條鏈 路各自的nu,化A xGRMxl是待估計(jì)的向量，即監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分的M個(gè)網(wǎng)格上的信號(hào)衰減值?？?慮到A X中元素非負(fù)，基于&范數(shù)壓縮感知重建的正則化目標(biāo)函數(shù)可寫為： M minllAr-WAxll"+/iV Axm
[0095] a, 'I 丨丨 ^ ; s.t, > 0,/? =
[0096]其中y為正則化參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)可通過凸優(yōu)化理論用現(xiàn)有的方法有效地求解，目標(biāo) 中心位置的估計(jì)為衰減功率最大的網(wǎng)格在監(jiān)測(cè)區(qū)域的坐標(biāo)。 m
[0097] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于直射路徑陰影衰落估計(jì)的超寬帶目標(biāo)定位方法的在實(shí)驗(yàn)中的 定位誤差是0.21m。實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)自定位的結(jié)果如圖4所示，基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的DFL定位 效果的示意圖如圖5所示。相比于傳統(tǒng)基于窄帶信號(hào)RSS的DFL方法，定位精度有了很大的提 高，并且實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的自定位，大大減少了節(jié)點(diǎn)部署的工作量。
[0098] 以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何 熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換和替換，都應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一:節(jié)點(diǎn)部署 K個(gè)超寬帶測(cè)量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域周圍，這K個(gè)節(jié)點(diǎn)位于同一水平面上，假設(shè) 第1個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為11=(11，7〇1'，1 = 1，2，...，1(;每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收無線信號(hào)，共 構(gòu)成η=κ(κ-ι)條鏈路;另外還存在一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收測(cè)量節(jié)點(diǎn)測(cè)得的信道沖激響應(yīng) CIR數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)給PC做后續(xù)處理;各測(cè)量節(jié)點(diǎn)所發(fā)送和接收的無線信號(hào)均為窄脈沖信 號(hào)； 步驟二：測(cè)量監(jiān)測(cè)區(qū)域沒有目標(biāo)時(shí)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間鏈路的信道沖激響應(yīng) CIR，記為^^，i = l，2,. . .，K; j = l，2,. . .，K; j乒i，并提取LOS路徑信號(hào)功率^^和!!^路徑 信號(hào)TOA，包括如下步驟： 步驟2.1:監(jiān)測(cè)區(qū)域保持空曠，測(cè)量任意兩節(jié)點(diǎn)之間所構(gòu)成的鏈路的CIR，記為^,#1 = l，2，...，K;j = l，2，...，K;j^i; 步驟2.2:從每條鏈路的多徑信號(hào)功率中提取出LOS路徑信號(hào)功率： 采用邊沿檢測(cè)方法，認(rèn)為第一個(gè)超過給定閾值的CIR峰值對(duì)應(yīng)L0S路徑信號(hào)，即其中Pthreshdld為設(shè)定的閾值，一般根據(jù)虛警和漏檢之間的折衷來確定;P(i,j)是CIR測(cè)量 值%&?丨中峰值的集合，η為集合P(i,j)中峰值元素的序號(hào)，f為L(zhǎng)0S路徑CIR峰值在集合P(i,j) 中的序號(hào)，那么無目標(biāo)遮擋時(shí)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的LOS路徑信號(hào)的功率為 步驟2.3:得到LOS路徑的CIR峰值后，將LOS路徑峰值到達(dá)的時(shí)間判定為信號(hào)的到達(dá)時(shí) 間T0A;計(jì)算收發(fā)節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離di, j; 步驟三:根據(jù)步驟二計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)間距離進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自定位，包括如下步驟： 步驟3.1:由每對(duì)節(jié)點(diǎn)的距離得到如下距離平方矩陣，大小為KXK:構(gòu)造下面的矩陣：其牛，Εκ是K階單位矩陣，1K是元素值都為1的K X 1大小的列向量； B的特征值分解為 B = VAVT； 其中Λ ----,λκ)為B的特征值構(gòu)成的對(duì)角矩陣，特征值按降序排列，V = (V1，V2,....，VK)TS相應(yīng)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成的矩陣； 步驟3.2:將K個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的整體的質(zhì)心設(shè)為原點(diǎn)，S;X為所有節(jié)點(diǎn) 的坐標(biāo)構(gòu)成的矩陣，即_x = [x.f ,_χ【，Γ ?令V2 = (VI，V2)，Λ 2 = diag(λχ，λ2)，那么節(jié)點(diǎn)位置 估計(jì)為即±為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣X的估計(jì)，是大小為Κ*2的矩陣，角標(biāo)1/2表示開根號(hào)； 步驟四：對(duì)每對(duì)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路，得到由于障礙物遮擋引起的LOS路徑功率變化值 在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)測(cè)量有遮擋時(shí)的鏈路CIR值c(i, j)，并按照步驟2.2方法提取出此時(shí) LOS路徑CIR峰值cfy，結(jié)合步驟二中對(duì)無遮擋環(huán)境的測(cè)量，無目標(biāo)遮擋時(shí)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路 的LOS路徑CIR峰值為:，則由于目標(biāo)遮擋引起的節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路LOS路徑的功率變化 為：步驟五:使用基于壓縮感知的免攜帶設(shè)備定位方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像： 步驟5.1:根據(jù)步驟三中節(jié)點(diǎn)自定位測(cè)量的每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的距離di, j和估計(jì)的各節(jié)點(diǎn)位 置念計(jì)算權(quán)重矩陣:方法如下： 本發(fā)明中使用無線層析成像的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，監(jiān)測(cè)區(qū)域被均勻劃分為方形網(wǎng)格， 令A(yù) xm為信號(hào)在穿過監(jiān)測(cè)區(qū)域中第m個(gè)網(wǎng)格的衰減，共有Μ個(gè)網(wǎng)格，以權(quán)重表示第m個(gè)網(wǎng) 格的信號(hào)衰減對(duì)節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的信號(hào)衰減的貢獻(xiàn)，為節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的噪聲， 那么節(jié)點(diǎn)i和j之間鏈路的信號(hào)衰減可以集合形式表示為：采用橢圓模型計(jì)算權(quán)重，如下其中f別為第m網(wǎng)格到收發(fā)節(jié)點(diǎn)的距離，其中%/?⑴表示到接收 節(jié)點(diǎn)，^表示到發(fā)送節(jié)點(diǎn)，d(1d為收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離；γ為可調(diào)參數(shù)，控制橢圓區(qū)域 的大小，取值一般為信號(hào)波長(zhǎng)的一半;將所有鏈路得到的權(quán)重寫為矩陣形式WeRnXM， 并稱其為權(quán)重矩陣； 步驟5.2:利用壓縮感知正則化方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位： 考慮所有η條鏈路，los路徑功率變化量的矩陣形式為 Δ r=ff Λ χ+η； 其中Δref1是觀測(cè)向量，是由η條鏈路的LOS路徑信號(hào)功率變化組成，Wer XM 是步驟5.1獲得的權(quán)重矩陣，11￡1?11><1是噪聲向量，其中元素11=[111，112，113-，111 1]1'是11條鏈路 各自的噪聲n(1』；A xeRMxl是待估計(jì)的向量，即監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分的Μ個(gè)網(wǎng)格上的信號(hào)衰減值； 考慮到Δ X中元素Δ xm非負(fù)，基于&范數(shù)壓縮感知重建的正則化目標(biāo)函數(shù)可寫為：s. t. Δ xm^：〇 ,m= 1,2,. . . ,Μ 其中μ為正則化參數(shù)；目標(biāo)中心位置的估計(jì)為衰減功率最大的網(wǎng)杉 在監(jiān)測(cè)區(qū)域的坐標(biāo)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，步驟 一所述窄脈沖信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為ns級(jí)或亞ns級(jí)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，步驟 一所述測(cè)量節(jié)點(diǎn)是基于IEEE802.15.4a協(xié)議的超寬帶節(jié)點(diǎn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，超寬 帶節(jié)點(diǎn)的工作中心頻率為6.489GHz，帶寬為499MHz，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝配全向天線。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，步驟 5.2中，通過凸優(yōu)化理論求解正則化目標(biāo)函數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，步驟 2.1中，對(duì)任意兩節(jié)點(diǎn)之間所構(gòu)成的鏈路依次進(jìn)行雙向測(cè)距，這個(gè)過程由各節(jié)點(diǎn)按預(yù)定的通 信協(xié)議自動(dòng)完成。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，雙向 測(cè)距按照TDMA協(xié)議完成。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，步驟 2.3中，通過對(duì)稱雙邊雙路測(cè)距的方法計(jì)算收發(fā)節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離du。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超寬帶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的免攜帶設(shè)備定位方法，其特征在于，所述 障礙物采用圓柱體模型。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK105960017SQ201610470845
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】許勝新, 劉珩, 王正歡, 陳思思, 安建平, 卜祥元, 辛怡
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)