利用信道状态信息的室内定位方法-刘逸博-修春娣-朱云龙

ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用2016，52（22）1引言作为普适计算[1]和物联网[2]的一个重要组成部分，定位技术受到了越来越多的关注。虽然全球卫星导航系统[3]（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）能够在室外区域提供良好的位置信息服务。但是，由于信号在室内环境的衰减，它并不能在室内达到同样的结果。因此，作为位置服务的重要组成部分，室内定位[4]技术受到了越来越多的关注。利用WIFI[5-6]信号接收强度（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）进行定位的方法已经得到了广泛的应用。如根据WIFI接收信号强度指纹库进行的定位[7]。同时，也可以通过物理模型[8]的方法进行定位。根据对数距离路径衰减（Log-distancepathloss，LDPL）模型，随着对信号接入点（AccessPoint，AP）距离的增加，接收信号强度值单调递减。这种特性使得接收信号强度可以作为一个有效的特征值用于对目标进行定位。但是，接收信号强度随时间的变化较大，同时也极易受到室内多径环境的影响，这种干扰对最后定位结果的精度将造成较大影响[9]。在现有的信号传输方式中，正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionModel，OFDM）技术取得了广泛的同时进行传输。可以用信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）的值来表示不同子载波的信道状态。利用信道状态信息的室内定位方法刘逸博，修春娣，朱云龙LIUYibo,XIUChundi,ZHUYunlong北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191CollegeofElectronicalandInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,ChinaLIUYibo,XIUChundi,ZHUYunlong.Applicationofchannelstateinformationinindoorpositionsystem.ComputerEngineeringandApplications,2016,52（22）：238-241.Abstract：IndoorpositioningisoneofthekeyproblemsoftheLocationBasedService（LBS）research.WIFIiswidelyusedinindoorpositioningsystemsbecauseofitscheappriceandbroadcoverage.However,theReceivedSignalStrengthIndex（RSSI）ofWIFIisheavilyaffectedbythecomplexindoorenvironmentwhichleadstoalargerangeofspatialandtemporalvariance.Inordertosolvethisproblem,ChannelStateInformation（CSI）isappliedinournovelindoorpositioningsystem.TheCSIinformationcanbeusedtoregressthedistancebetweenthetransmitterandthereceiver.Thedistanceofthereceivertomultipledifferenttransmitterscanbeutilizedtogetthereceiver’scoordinate,whichisthepositioningresult.TheexperimentresultsshowthatthisnewmethodhasahigherpositioningaccuracycomparedwiththeRSSImethod.Keywords：indoorpositioning;ChannelStateInformation（CSI）;distanceestimation;leastsquaremethod摘要：室内定位是基于位置服务研究的关键问题，WIFI作为一种廉价易得的信号源被广泛应用在室内定位系统中。但是室内复杂环境造成同一点处的WIFI接收信号强度随时间变化范围较大，影响了基于WIFI接收信号强度的室内定位系统的性能。为了克服这个问题，提出了基于信道状态信息的室内定位方法。利用信道状态信息有效值非线性回归得出测量点与信号接入点之间的距离。利用测量点与多个不同信号接入点之间的距离回归出最后的定位结果。实验结果表明，相比典型的基于WIFI信号接收强度对数衰减模型的定位方法，方法有效提高了定位结果的准确度。关键词：室内定位；信道状态信息；距离估计；最小二乘法文献标志码：A中图分类号：TN96doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1603-0421基金项目：国家高技术研究发展计划（863）（No.2013AA12A201）。作者简介：刘逸博（1992—），男，硕士研究生，研究方向为无线通信与室内定位，E-mail：[e-mail]；修春娣（1976—），女，博士，讲师，研究领域为无线通信与室内定位；朱云龙（1978—），男，讲师，研究方向为无线通信与室内定位。收稿日期：2016-03-29修回日期：2016-06-17文章编号：1002-8331（2016）22-0238-04CNKI网络优先出版：2016-08-18,，52（22）与接收信号强度相比，信道状态信息从更底层的物理层直接提取不同频率子载波的振幅和相位信息，从而能够更好地区分信号从发射点到达接收点所经历的不同的信道，从而达到更好地定位结果。因此，基于CSI[10]进行定位得到了日益广泛的研究。与RSSI相似，目前对CSI定位的研究主要分为两类方法。一种是位置指纹法[11-12]。另一种为物理建模法。位置指纹法主要通过采集区域内各个位置的CSI值来构建指纹库，然后通过实时CSI值对目标进行定位。如DeepFi。这种定位方式与物理建模相比能取得更高的精度。但是，在进行定位之前，需要进行大面积的采样，极大地增加了定位的成本。同时，实时定位时的环境和采样指纹数据时的环境可能发生了改变，降低了系统的鲁棒性。而物理建模法不需要大量指纹数据的采集，可以在较低成本下进行定位。同时，与接收信号强度相比，CSI信号值更加稳定，具有较好的细粒度和鲁棒性。用于物理建模[13-14]能更加准确地回归出目标与AP间的距离。本文基于CSI利用物理建模的方法估计目标距离每个AP的距离，然后利用几何关系回归出目标的具体坐标，从而实现对目标定位的同时部署实验并验证其效果。2正交频分复用和信道状态信息2.1正交频分复用（OFDM）对于采用802.11n传输协议的WIFI信号，它使用正交频分复用的调制方式。正交频分复用是一种将数字数据编码到多条不同频率载波上的方法并且在无线通信领域得到了广泛的应用。它将频谱分为许多部分重叠的小部分，每个子载波占用一个小部分的频谱。在发射端，可以将需要高速传输的数据流调制到各个不同的子载波上，变成几个低速的数据流进行并行传输。而在接收端，可以利用正交信号的特性对接收信号进行解调并且恢复原始数据。2.2信道状态信息（CSI）对于使用OFDM传输的信号，可以使用信道状态信息[15]来描述信号发射端和接收端通信链路间的信道状态。它由距离、散射、衰落和功率衰减共同决定。一个信道状态的频域模型可以表示为：Y=HX+N（1）其中，Y表示接收信号向量，X表示发射信号向量，H代表信道矩阵，N表示附加的高斯白噪声向量。所有子载波的信道状态信息可以表示为：CSI=YX（2）相比于RSSI，CSI更好地描述了信号从发送端到接收端的变化。单个子载波的信道状态信息可以表示为：csi=|csi|ejsinÐcsi（3）|csi|和Ðcsi分别表示对应于该子载波的幅度和相位。3定位方法与原理本章介绍通过物理建模的方法得出目标位置。主要分为判断目标AP距离和根据目标距离不同AP的距离得出目标的具体坐标两个阶段。3.1CSI有效值与距离估计在无线通信中，主要有三个因素会对移动接收点的信号强度造成影响。他们分别为信道衰减，多径效应，以及阴影效应。信道衰减表示信号强度随着传输距离的增加会逐渐减少，这是根据CSI值能回归出信号传输距离的主要依据。而多径效应以及阴影效应是最后误差的主要来源。多径效应表示同一个接收点会接收到多次沿着不同路径传来的同一个信号，大大增加了CSI在空间分布的复杂度。阴影效应表示了变化的空间环境对同一点CSI值在不同时间点的影响。在利用CSI回归出目标距离信号发射点距离时，需要减少这两种因素造成的误差。在采用802.11n协议的传输系统中，信号通过多路不同频率的子载波同时传输。同时，不同的子载波具有不同的衰减，而且多路子载波同时发生波动的的概率低于WIFI接收信号强度值发生同样波动的概率。将不同的子载波数据进行融合，能更好地减少随机因子造成的误差，更好地得出信道的真实状态。FILA系统[13]提出了CSI有效值的概念，并且近似地提出了CSI有效值和信号传输距离的关系。CSIeff=1Kfkf0´|AK|KÎ(-1515)（4）d=14πéëêêùûúúæèçöø÷cf0´|CSIeff|2´σ1n（5）其中，f0表示中心频率，fk表示第k个子载波的频率，|Ak|表示CSI第k个子载波的振幅。CSIeff表示CSI有效值，c表示光速，σ表示环境因子，n表示路径衰减指数。在FILA中，采集大量数据并利用机器学习的方法得到σ和n。但这种方法需要大量的数据，而且并不能保证每次回归出最优解。本文则利用最小二乘法达到CSI有效值回归出信号传输距离的目的。对于等式（5）两边取对数可以化为：ln(d)=-2nln(CSIeff)+M（6）其中，M为一个与环境因子和信道衰减指数有关的常量；也可以表示为：ln(d)-ln(d0)=-2n(ln(CSIeff)-ln(CSIeff0))（7）其中，d0，CSIeff0分别表示第0次测量时信号的传输距离和CSI有效值。由最小二乘法，对于等式刘逸博，修春娣，朱云龙：利用信道状态信息的室内定位方法239ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用2016，52（22）XB=Y（8）其最优解为：B=(XTX)-1XTY（9）带入公式（10）和（11）可以得到最后结果。X=éëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúln(CSIeff1)-ln(CSIeff0)ln(CSIeffk)-ln(CSIeff0)ln(CSIeffn)-ln(CSIeff0)（10）B=éëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúln(d1)-ln(d0)ln(dk)-ln(d0)ln(dn)-ln(d0)（11）其中，CSIeffk和dk分别代表第k次测量时信号的CSI有效值和传播距离。3.2位置估计在得出目标距离各AP点的距离后，记(x-xk)2+(y-yk)2=d2k（12）其中，xk和yk表示第k个AP的位置坐标，dk表示测量点距离第k个AP的距离。对于第0个点有(x-x0)2+(y-y0)2=d20（13）将式（12）和（13）做差分得：2x(x0-xk)+2y(y0-yk)=x20+y20-d20-x2k-y2k+d2k（13）将其写为矩阵形式：A=éëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúú2(x0-x1)2(y0-y1)2(x0-xk)2(y0-yk)2(x0-xn)2(y0-yn)（14）B=éëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú