專(zhuān)利名稱(chēng)：一種室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)及普適計(jì)算領(lǐng)域，尤其涉及一種利用無(wú)線局域網(wǎng)的物理層信息作為位置指紋的室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的普及與應(yīng)用推動(dòng)了普適計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算和人本計(jì)算的三重融合。在越來(lái)越多的環(huán)境中，需要設(shè)備能夠?qū)χ車(chē)脩?hù)的位置情況進(jìn)行檢測(cè)，如涉密區(qū)域監(jiān)控，災(zāi)難應(yīng)急響應(yīng)等。另外，這種被動(dòng)的用戶(hù)檢測(cè)方式也有助于提供不同質(zhì)量的基于用戶(hù)位置的服務(wù)。例如，電梯門(mén)的關(guān)閉等。而還有很多場(chǎng)所，如博物館展覽，則需要全向的用戶(hù)檢測(cè)范圍。利用雷達(dá)或超寬帶系統(tǒng)基于反射的檢測(cè)技術(shù)，可近似的實(shí)現(xiàn)全向檢測(cè)，但由于依 賴(lài)于專(zhuān)用的設(shè)備，阻礙了這些技術(shù)的推廣和應(yīng)用。而利用普遍部署的無(wú)線局域網(wǎng)，可在無(wú)需額外硬件支持的情況下實(shí)現(xiàn)被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)。主要的原理是將人體的移動(dòng)對(duì)室內(nèi)空間中無(wú)線信號(hào)傳播的影響關(guān)聯(lián)起來(lái)，通過(guò)檢測(cè)接收端的某種信號(hào)特征判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域是否有用戶(hù)進(jìn)入。目前的這種檢測(cè)方法主要采用了MAC層信息中的接收信號(hào)強(qiáng)度(ReceivedSignalStrength Indicator,RSSI)的波動(dòng)作為判別是否有用戶(hù)接近接收機(jī)的信號(hào)特征。然而,這些工作均未實(shí)現(xiàn)全向覆蓋范圍，并且，不能在各個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)相同的用戶(hù)檢測(cè)效果，所以不適用于全向用戶(hù)檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)的方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)適用于在各個(gè)方向上得到相同的用戶(hù)檢測(cè)效果的檢測(cè)機(jī)制，所述技術(shù)方案如下一種室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)方法，包括從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層信息中提取待測(cè)位置指紋(LF)；計(jì)算所述待測(cè)位置指紋與預(yù)先測(cè)定好的位置指紋的相似度；根據(jù)所述相似度判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有無(wú)用戶(hù)或者進(jìn)一步判斷用戶(hù)所處位置的情況。進(jìn)一步的，所述從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層信息中提取待測(cè)位置指紋，包括將由于用戶(hù)距離接收機(jī)的遠(yuǎn)近和方位不同，而引起的無(wú)線信號(hào)傳播路徑的變化，轉(zhuǎn)換成信道頻率響應(yīng)(CFR)的統(tǒng)計(jì)直方圖，利用所述統(tǒng)計(jì)直方圖作為所述位置指紋。進(jìn)一步的，將多個(gè)子載波上的信道頻率響應(yīng)的幅度直方圖作為從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層提取的位置指紋。進(jìn)一步的，每個(gè)直方圖分量通過(guò)計(jì)算一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間窗口的信道頻率響應(yīng)幅度而得到。進(jìn)一步的，所述預(yù)先測(cè)定好的位置指紋包括預(yù)先建立的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)或者無(wú)用戶(hù)時(shí)的位置指紋。進(jìn)一步的，所述預(yù)先建立的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)是用戶(hù)和接收機(jī)具有不同的距離和方位角以及被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)時(shí)，所述接收機(jī)檢測(cè)到信道頻率響應(yīng)的特征，把所述信道頻率響應(yīng)的特征作為位置指紋，建立的數(shù)據(jù)庫(kù)。進(jìn)一步的，所述計(jì)算待測(cè)位置指紋與預(yù)先測(cè)定好的位置指紋的相似度，包括對(duì)于兩個(gè)相比較的信道頻率響應(yīng)幅度直方圖向量，計(jì)算所述向量所對(duì)應(yīng)K個(gè)子載波之間的信道頻率響應(yīng)幅度直方圖的陸地移動(dòng)距離；將所有K個(gè)陸地移動(dòng)距離累加求和作為兩個(gè)位置指紋之間的相似度；
其中，K為大于I的整數(shù)。進(jìn)一步的，所述計(jì)算兩個(gè)直方圖之間的陸地移動(dòng)距離，包括根據(jù)待比較的兩個(gè)直方圖的位置和權(quán)重，計(jì)算兩個(gè)直方圖之間的陸地移動(dòng)距離。進(jìn)一步的，根據(jù)所述相似度判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有無(wú)用戶(hù)或者進(jìn)一步判斷用戶(hù)所處位置的情況，包括當(dāng)待測(cè)位置指紋與所述無(wú)用戶(hù)時(shí)的位置指紋的相似度大于設(shè)定的閾值時(shí)，判定當(dāng)前被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)；當(dāng)待測(cè)位置指紋與所述無(wú)用戶(hù)時(shí)的位置指紋的相似度小于設(shè)定的閾值時(shí)，判定當(dāng)前被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有用戶(hù)；或者判定所述數(shù)據(jù)庫(kù)中與待測(cè)位置指紋相似度最高的位置指紋對(duì)應(yīng)的位置為用戶(hù)當(dāng)前的位置；或待測(cè)位置指紋與所述位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有用戶(hù)時(shí)的位置指紋相似度最高時(shí)，判定當(dāng)前被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)。一種室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)系統(tǒng)，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)相互通訊； 所述發(fā)射機(jī)用于發(fā)射無(wú)線信號(hào)；所述接收機(jī)用于接收所述發(fā)射機(jī)發(fā)射的無(wú)線信號(hào)，從所述信號(hào)中提取待測(cè)位置指紋；計(jì)算所述待測(cè)位置指紋與預(yù)先測(cè)定好的位置指紋的相似度；根據(jù)所述相似度判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有無(wú)用戶(hù)或者進(jìn)一步判斷用戶(hù)所處位置的情況。本發(fā)明提供的實(shí)施例，通過(guò)從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層提取信息，利用信道響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)直方圖作為信號(hào)特征，提高了區(qū)分度和魯棒性，實(shí)現(xiàn)了全向的用戶(hù)檢測(cè)。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例提供的室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)方法流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于閾值檢測(cè)的室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)方法流程圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實(shí)施例，僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。實(shí)施例I圖I是本發(fā)明實(shí)施例提供的室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)方法流程圖。該方法包括步驟101 :從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層信息中提取待測(cè)位置指紋LF特征；步驟101具體包括在監(jiān)控階段，接收機(jī)不斷接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)，并提取信號(hào)特征，這個(gè)信號(hào)特征能夠表征用戶(hù)在監(jiān)控區(qū)域不同的相對(duì)位置，把這個(gè)信號(hào)特征作為待測(cè)位置指紋信息，在下面的步驟中進(jìn)行分析。
具體來(lái)說(shuō)，將用戶(hù)作為影響無(wú)線信道的一個(gè)變量，把由于用戶(hù)距離接收機(jī)的遠(yuǎn)近和方位不同而引起的無(wú)線信號(hào)傳播路徑的變化，轉(zhuǎn)換成信道頻率響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)直方圖，利用統(tǒng)計(jì)直方圖作為位置指紋。其中，信道頻率響應(yīng)包括幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。在典型室內(nèi)環(huán)境中，人體的移動(dòng)對(duì)室內(nèi)空間無(wú)線信號(hào)的傳播產(chǎn)生一定的影響，發(fā)射信號(hào)經(jīng)由多條傳播路徑到達(dá)接收端，每條路徑對(duì)發(fā)射信號(hào)都有不同的延時(shí)、衰減和相移影響，通過(guò)檢測(cè)得到接收端某種信號(hào)的特征，用這些特征來(lái)表征被監(jiān)測(cè)區(qū)域用戶(hù)位置的情況，我們把這些特征稱(chēng)為位置指紋(Location Fingerprint, LF)特征。本發(fā)明提供的實(shí)施例采用的方法能夠區(qū)分多徑信號(hào)，從而能提取更為精細(xì)的信號(hào)特征。區(qū)分多徑信號(hào)可以從時(shí)域和頻域兩方面考慮①?gòu)臅r(shí)域角度分辨多徑將無(wú)線信道描述為一個(gè)時(shí)域線性濾波器，稱(chēng)為信道沖激響應(yīng)(Channel ImpulseResponse, CIR),用函數(shù) h( τ )來(lái)表示。Μ、τ)=Σ3· exP('j0i)5(T-Ti)
i=l其中％表示第i條多徑分量的幅度衰減；Θ i表示第i條多徑分量的相位偏移；τ i表示第i條多徑分量的時(shí)間延遲；N表示多徑總數(shù)；δ ( τ )表示沖激函數(shù)。②從頻域角度分辨多徑將無(wú)線信道描述為信道頻率響應(yīng)(Channel Frequency Response, CFR),用函數(shù)H(f)來(lái)表示H =其中每個(gè)H(fk)為一個(gè)復(fù)數(shù),表示頻點(diǎn)f處的幅度和相位。因此,信道頻率響應(yīng)包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)兩部分。CFR的頻率選擇性衰落現(xiàn)象，體現(xiàn)了受影響的多徑分量的變化。由于信道響應(yīng)通過(guò)區(qū)分多徑效應(yīng)精細(xì)刻畫(huà)了無(wú)線信號(hào)的傳播路徑，因而這種物理層信息對(duì)全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)帶來(lái)很大的性能提升空間。我們把采用信道頻率響應(yīng)CFR的幅頻響應(yīng)來(lái)表征傳播路徑的變化，作為本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)選方式。主要出于以下幾個(gè)方面考慮⑴對(duì)環(huán)境動(dòng)態(tài)性的抗干擾性實(shí)驗(yàn)證明，用戶(hù)在不同位置時(shí)，CFR之間的空間互相關(guān)性較低，從而使得CFR具有較高的空間區(qū)分度。而不同時(shí)間用戶(hù)處于同一相對(duì)位置時(shí)測(cè)得的CFR之間具有較高的相關(guān)性。所以CFR的結(jié)構(gòu)具有較好的時(shí)間一致性，能夠抵抗遠(yuǎn)處環(huán)境變化的干擾。⑵信號(hào)特征對(duì)用戶(hù)靠近的敏感性從人體影響無(wú)線信道發(fā)生變化的敏感性角度來(lái)說(shuō)，CFR的波動(dòng)范圍是整個(gè)頻域。人體運(yùn)動(dòng)時(shí)通常只改變一部分傳播路徑，在頻域上可等效為覆蓋整個(gè)頻率范圍的常值信號(hào)。(3) CFR包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明，采用相頻響應(yīng)要減輕相位噪聲，需仔細(xì)校準(zhǔn)相位信息；并且部分子載波的相位在一定時(shí)間內(nèi)呈近似均勻分布，從而降低了與位置相關(guān)的區(qū)分度。同時(shí)，均勻分布的相位還導(dǎo)致難以對(duì)CFR應(yīng)用傳統(tǒng)的聚類(lèi)方法提取特征。因此，采用幅頻響應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)。由于CFR的幅度分布較為分散，利用傳統(tǒng)的聚類(lèi)方法需要較大數(shù)據(jù)量，且需要較為精細(xì)的劃分粒度，因此，本發(fā)明的實(shí)施例將CFR的幅度分布的統(tǒng)計(jì)直方圖信息作為檢測(cè)信號(hào)的位置指紋，即將K個(gè)子載波上的CFR的幅度直方圖作為提取的物理層特征hist (I H(f) I |) = [hist(| |Η( \) | |)，hist(| H (f2) , . . . , hist(| H (fK) |)]·每個(gè)直方圖分量hist(| |H(fk) I I)可以通過(guò)計(jì)算一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間窗口內(nèi)的CFR幅度而得到。因此，采用CFR的幅頻響應(yīng)來(lái)表征傳播路徑的變化具有傳統(tǒng)的RSSI所不具有的巨大優(yōu)勢(shì)，所以我們可以通過(guò)CFR的幅頻響應(yīng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案。步驟102 :計(jì)算所述待測(cè)位置指紋與預(yù)先建立的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中位置指紋的相似度；本實(shí)施例中預(yù)先建立的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)表示的是用戶(hù)和接收機(jī)具有不同的距離和方位角以及被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)時(shí)，所述接收機(jī)檢測(cè)到信道頻率響應(yīng)的特征，把所述信道頻率響應(yīng)的特征作為位置指紋，建立的數(shù)據(jù)庫(kù)。步驟102具體包括步驟1021 1022 為比較兩個(gè)CFR幅度直方圖向量的相似度，首先要定義兩個(gè)直方圖分量之間的相似度，本發(fā)明實(shí)施例采用了陸地移動(dòng)距離(EMD，Earth Mover’s Distance)來(lái)定義兩個(gè)直方圖分量之間的相似度。EMD是一種衡量直方圖或概率分布之間的測(cè)度。步驟1021 :對(duì)于兩個(gè)相比較的信道頻率響應(yīng)幅度直方圖向量,計(jì)算所述向量所對(duì)應(yīng)K個(gè)子載波之間的信道頻率響應(yīng)幅度直方圖的陸地移動(dòng)距離；其中，K為大于I的整數(shù)；具體的，計(jì)算兩個(gè)直方圖之間的陸地移動(dòng)距離，包括把待比較的兩個(gè)直方圖看作兩組特征；將區(qū)間的位置作為特征的位置，將相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的計(jì)數(shù)作為對(duì)應(yīng)的權(quán)重；根據(jù)所述特征的位置和權(quán)重，計(jì)算兩個(gè)直方圖之間的陸地移動(dòng)距離。具體的，對(duì)兩組大小分別為m和η的特征P=((P15U1))=^PQ=，其中Ui
和Vj分別代表了每組特征中的第i和第j個(gè)元素的位置，而Pi和q]分別代表了其相應(yīng)的權(quán)重，則這兩組特征的EMD距離定義如下
權(quán)利要求
1.一種室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)方法，其特征在于，所述方法包括 從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層信息中提取待測(cè)位置指紋(LF); 計(jì)算所述待測(cè)位置指紋與預(yù)先測(cè)定好的位置指紋的相似度； 根據(jù)所述相似度判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有無(wú)用戶(hù)或者進(jìn)一步判斷用戶(hù)所處位置的情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層信息中提取待測(cè)位置指紋，包括 將由于用戶(hù)距離接收機(jī)的遠(yuǎn)近和方位不同，而引起的無(wú)線信號(hào)傳播路徑的變化，轉(zhuǎn)換成信道頻率響應(yīng)(CFR)的統(tǒng)計(jì)直方圖，利用所述統(tǒng)計(jì)直方圖作為所述位置指紋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將多個(gè)子載波上的信道頻率響應(yīng)的幅度直方圖作為從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層提取的位置指紋。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，每個(gè)直方圖分量通過(guò)計(jì)算一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間窗口的信道頻率響應(yīng)幅度而得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述預(yù)先測(cè)定好的位置指紋包括預(yù)先建立的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)或者無(wú)用戶(hù)時(shí)的位置指紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)先建立的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)是 用戶(hù)和接收機(jī)具有不同的距離和方位角以及被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)時(shí)，所述接收機(jī)檢測(cè)到信道頻率響應(yīng)的特征，把所述信道頻率響應(yīng)的特征作為位置指紋，建立的數(shù)據(jù)庫(kù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算待測(cè)位置指紋與預(yù)先測(cè)定好的位置指紋的相似度，包括 對(duì)于兩個(gè)相比較的信道頻率響應(yīng)幅度直方圖向量，計(jì)算所述向量所對(duì)應(yīng)K個(gè)子載波之間的信道頻率響應(yīng)幅度直方圖的陸地移動(dòng)距離； 將所有K個(gè)陸地移動(dòng)距離累加求和作為兩個(gè)位置指紋之間的相似度； 其中，K為大于I的整數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算兩個(gè)直方圖之間的陸地移動(dòng)距離，包括 根據(jù)待比較的兩個(gè)直方圖的位置和權(quán)重，計(jì)算兩個(gè)直方圖之間的陸地移動(dòng)距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述相似度判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有無(wú)用戶(hù)或者進(jìn)一步判斷用戶(hù)所處位置的情況，包括 當(dāng)待測(cè)位置指紋與所述無(wú)用戶(hù)時(shí)的位置指紋的相似度大于設(shè)定的閾值時(shí)，判定當(dāng)前被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)； 當(dāng)待測(cè)位置指紋與所述無(wú)用戶(hù)時(shí)的位置指紋的相似度小于設(shè)定的閾值時(shí)，判定當(dāng)前被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有用戶(hù)； 或者 判定所述數(shù)據(jù)庫(kù)中與待測(cè)位置指紋相似度最高的位置指紋對(duì)應(yīng)的位置為用戶(hù)當(dāng)前的位置； 或待測(cè)位置指紋與所述位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有用戶(hù)時(shí)的位置指紋相似度最高時(shí)，判定當(dāng)前被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)。
10.一種室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)相互通訊；所述發(fā)射機(jī)用于發(fā)射無(wú)線信號(hào)； 所述接收機(jī)用于接收所述發(fā)射機(jī)發(fā)射的無(wú)線信號(hào)，從所述信號(hào)中提取待測(cè)位置指紋；計(jì)算所述待測(cè)位置指紋與預(yù)先測(cè)定好的位置 指紋的相似度；根據(jù)所述相似度判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有無(wú)用戶(hù)或者進(jìn)一步判 斷用戶(hù)所處位置的情況。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種室內(nèi)無(wú)線全向被動(dòng)用戶(hù)檢測(cè)的方法和系統(tǒng)，所述方法包括從室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)物理層信息中提取待測(cè)位置指紋(LF)；計(jì)算所述待測(cè)位置指紋與預(yù)先測(cè)定好的位置指紋的相似度；根據(jù)所述相似度判斷被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有無(wú)用戶(hù)或者進(jìn)一步判斷用戶(hù)所處位置的情況。本發(fā)明通過(guò)從物理層提取信息，利用信道響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)直方圖作為信號(hào)特征，提高了區(qū)分度和魯棒性，實(shí)現(xiàn)了全向的用戶(hù)檢測(cè)。
文檔編號(hào)H04W24/08GK102883360SQ201210424560
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者周子慕, 楊錚, 劉云浩 申請(qǐng)人:無(wú)錫儒安科技有限公司