本發(fā)明涉及一種基于信道狀態(tài)信息分布的室內(nèi)定位方法。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，室內(nèi)定位引起了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注，提出了各種技術(shù)方案，其中包括Wi-Fi、藍(lán)牙、射頻識(shí)別、FM信號(hào)、聲音信號(hào)、磁場(chǎng)、超寬帶以及光線(xiàn)等。在這些信號(hào)中，即便基于Wi-Fi信號(hào)的定位方法在定位精度上不如基于專(zhuān)有設(shè)備的定位方法(比如：ActiveBAT，Cricket等)，但其由于無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)備的大量部署以及移動(dòng)設(shè)備普及，依舊得到了持續(xù)廣泛的研究。近年來(lái)基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的室內(nèi)定位方法受到越來(lái)越多的關(guān)注?；赪LAN的定位方法所采用的物理測(cè)量值包括RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator,接收信號(hào)強(qiáng)度指示)和CSI(信道狀態(tài)信息)兩種信號(hào)。在已有的工作中，由于RSSI獲取方式簡(jiǎn)單并且具有很好的普適性，其被廣泛用作無(wú)線(xiàn)信號(hào)的物理測(cè)量值。但是RSSI已經(jīng)被研究人員證實(shí)它并不是一個(gè)穩(wěn)定的值，由于多徑效應(yīng)，RSSI是信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)發(fā)射后在空間中經(jīng)由直射、發(fā)射、散射等多條路徑傳播，在信號(hào)接收機(jī)處形成多徑疊加后的平均值，具有時(shí)變性。這樣就有可能出現(xiàn)距離發(fā)射機(jī)較近位置的RSSI小于距離發(fā)射機(jī)較遠(yuǎn)的位置，也就是RSSI會(huì)因信號(hào)多徑傳播引起的小尺度陰影衰落而不再隨傳播距離增加單調(diào)遞減，從而限制測(cè)距精度，定位準(zhǔn)確度將受到較大的不利影響。由于室內(nèi)環(huán)境中的多徑效應(yīng)，RSSI只能粗略的刻畫(huà)不同位置間的區(qū)別，從而限制了定位精度。為了實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的定位效果，需要提取出具有時(shí)間穩(wěn)定性以及能夠消除多徑影響的信息作為無(wú)線(xiàn)信號(hào)的物理測(cè)量值。在目前廣泛使用的IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的傳送和接收采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)。要傳送的數(shù)據(jù)被調(diào)制到多個(gè)不同頻率的子頻帶上后被同時(shí)發(fā)射出去，在經(jīng)過(guò)衰落、散射及反射等信道影響后到達(dá)接收機(jī)，在此過(guò)程中，使用Intel5300NIC無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡可以獲得一個(gè)反映信道質(zhì)量的信息，即是信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation,CSI)。不同于RSSI，CSI是從物理層提取出的更細(xì)粒度的值，包含了諸多介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MediumAccessControl,MAC)層不可見(jiàn)的信道信息。CSI可從一個(gè)數(shù)據(jù)包中同時(shí)測(cè)量多個(gè)子頻帶的頻率響應(yīng)，而非全部子頻帶疊加的總體幅度響應(yīng)，從而更加精細(xì)地刻畫(huà)頻率選擇性信道。它描述的是信號(hào)在每條傳輸路徑上的衰弱特性，記錄了每對(duì)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)之間各個(gè)子頻帶的增益和相位信息。所以，CSI在一定程度上可以刻畫(huà)多徑傳播，從而提供更穩(wěn)定和更細(xì)粒度的位置特征。從2011年后，研究人員利用CSI信息提出了許多基于模型和指紋的定位方法。SpinLoc首先提取用戶(hù)相對(duì)于接入點(diǎn)的直接路徑信號(hào)的信息，通過(guò)用戶(hù)的旋轉(zhuǎn)來(lái)估計(jì)出自身相對(duì)于接入點(diǎn)的方向，然后利用三角定位方法得出用戶(hù)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法定位精度為5米左右。Wu等人提出了基于CSI信息的室內(nèi)傳播模型，當(dāng)用戶(hù)在某位置獲得CSI后，通過(guò)此模型可以算出其到相應(yīng)接入點(diǎn)的距離值，在獲得到多個(gè)接入點(diǎn)的距離值后，通過(guò)三邊定位法估計(jì)出用戶(hù)位置。相比較于基于RSSI的傳播模型，此方法增強(qiáng)了距離估計(jì)的準(zhǔn)確性。CUPID利用CSI估計(jì)出移動(dòng)設(shè)備與AP(AccessPoint)直接路徑的信號(hào)強(qiáng)度和方向，達(dá)到平均定位誤差2.7米的定位效果。Mariakakis等人提出只利用一個(gè)AP估計(jì)用戶(hù)位置的SAIL系統(tǒng)，通過(guò)估計(jì)用戶(hù)和AP之間的傳輸延遲來(lái)計(jì)算二者之間的距離，利用移動(dòng)設(shè)備的傳感器信息來(lái)計(jì)算用戶(hù)的移動(dòng)距離，最后通過(guò)幾何關(guān)系得出用戶(hù)的最終位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SAIL在僅有一個(gè)AP的情況下達(dá)到2.3米的平均定位誤差。SpotFi在A(yíng)P只有三根天線(xiàn)的情況，將CSI通過(guò)高分辨率的算法進(jìn)行處理得到各個(gè)多徑分量的到達(dá)角度，進(jìn)而判斷出用戶(hù)與接入點(diǎn)天線(xiàn)間的直接路徑的到達(dá)角度，最后通過(guò)結(jié)合RSSI和幾何關(guān)系求得用戶(hù)的位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示此方法可以達(dá)到40厘米的平均定位精度。以上這些均為基于模型的方法，而基于模型的定位方法需要知道AP的精確位置，但是由于隱私安全方面的考慮，有些情況下無(wú)法獲取AP的位置。相反，基于指紋的定位方法既不需要距離測(cè)量值也不需要角度測(cè)量值，因此更具有可用性。與上述利用CSI構(gòu)建模型不同，Wu等人利用CSI設(shè)計(jì)位置特征指紋，提出了基于指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)FIFS。指紋設(shè)計(jì)時(shí)將各個(gè)子頻帶的CSI振幅累加以利用頻率多樣性，對(duì)所有天線(xiàn)的CSI取平均以利用空間多樣性，但是這種僅僅利用累加和取平均值得出的特征指紋是一個(gè)粗粒度的值并且可能不能對(duì)不同位置進(jìn)行正確的刻畫(huà)。Sen等人提出利用每個(gè)子頻帶的頻率響應(yīng)作為位置特征指紋，在定位階段采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)得出目標(biāo)位置。這種方法只利用了CSI的頻率多樣性，卻沒(méi)有考慮CSI的空間多樣性。Wang等人提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的指紋定位系統(tǒng)DeepFi。雖然這些系統(tǒng)達(dá)到了較高的定位精度，但是機(jī)器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)都需要大量的計(jì)算和更多的指紋采樣。因此，有必要設(shè)計(jì)一種能夠增強(qiáng)位置特征指紋的時(shí)間穩(wěn)定性和空間差異性的利用信道狀態(tài)信息分布的室內(nèi)定位方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種基于信道狀態(tài)信息分布的室內(nèi)定位方法(D-CSI)，能夠增強(qiáng)位置特征指紋的時(shí)間穩(wěn)定性和空間差異性，從而提高定位精度。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于信道狀態(tài)信息分布的室內(nèi)定位方法，基于N個(gè)AP、一個(gè)移動(dòng)設(shè)備和定位服務(wù)器構(gòu)成的定位系統(tǒng)；其中N為定位區(qū)域內(nèi)能收到的AP的個(gè)數(shù)，每個(gè)AP配置有一根天線(xiàn)，移動(dòng)設(shè)備配置有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡具有M根天線(xiàn)；N個(gè)AP的N根天線(xiàn)與移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的M根天線(xiàn)構(gòu)成N×M個(gè)收發(fā)天線(xiàn)對(duì)；所述室內(nèi)定位方法包括訓(xùn)練階段和定位階段；所述訓(xùn)練階段，收集各個(gè)參考點(diǎn)位置處，N×M個(gè)收發(fā)天線(xiàn)對(duì)之間的CSI振幅分布，得到各個(gè)參考點(diǎn)位置的指紋信息；利用所有參考點(diǎn)的位置以及對(duì)應(yīng)的指紋信息構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；所述定位階段，收集在待定位用戶(hù)所在位置處，N×M個(gè)收發(fā)天線(xiàn)對(duì)之間的CSI振幅分布，得到待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息；定位服務(wù)器計(jì)算待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)參考點(diǎn)位置的指紋信息的相似性，并通過(guò)匹配算法求出待定位用戶(hù)所在位置。所述訓(xùn)練階段具體包括以下步驟：由AP和移動(dòng)設(shè)備之間共有N×M對(duì)收發(fā)天線(xiàn)，每一對(duì)收發(fā)天線(xiàn)可以獲得30個(gè)子載波的CSI，所以對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)包，可以獲得N×M×30個(gè)CSI，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在步驟1)～5)只考慮一對(duì)收發(fā)天線(xiàn)間的CSI，在步驟6)再整合所有天線(xiàn)對(duì)的信息。1)收集某一參考點(diǎn)位置處，移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡第m根天線(xiàn)接收到的第n個(gè)接入點(diǎn)的天線(xiàn)發(fā)送的S個(gè)數(shù)據(jù)包中的信道狀態(tài)信息，記為Ha＝{Hs}，其中Hs＝[Hs,1,Hs,2,Hs,i,…,Hs,30]T，表示第s個(gè)數(shù)據(jù)包中的信道狀態(tài)信息；Hs,i(s＝1,2,…,S；i＝1,2,…,30)表示第i個(gè)子頻帶的CSI，即信道狀態(tài)信息，CSI是一個(gè)復(fù)數(shù)，包括幅度和相位；對(duì)于中心頻率為fc的子頻帶，它的信道狀態(tài)信息H(fc)是一個(gè)復(fù)數(shù)，代表一個(gè)OFDM子頻帶的幅度和相位，表示為2)計(jì)算Ha的振幅Hamp：Hamp=|Ha|=|H1,1||H2,1|...|HS,1||H1,2||H2,2|...|HS,2|............|H1,30||H2,30|...|HS,30|;]]>3)針對(duì)Hamp每一行都找出一對(duì)最大值和最小值，即找出每個(gè)子頻帶CSI振幅的最大值和最小值；并對(duì)最大值和最小值分別進(jìn)行向上取值和向下取整，得到Hmax,i和Hmin,i；由于CSI振幅的值可能不是整數(shù)，對(duì)找出的最大值和最小值采取取整的操作，Hmax,i為比第i個(gè)子頻帶CSI振幅的最大值大的第一個(gè)整數(shù)，Hmin,i為比第i個(gè)子頻帶振幅的最小值小的第一個(gè)整數(shù)；得到30個(gè)子頻帶的CSI振幅范圍為：[Hamp_min,Hamp_max]=Hmin,1Hmax,1Hmin,2Hmax,2......Hmin,30Hmax,30;]]>4)對(duì)各個(gè)子頻帶的CSI振幅進(jìn)行區(qū)間劃分；將所有子頻帶CSI振幅的區(qū)間劃分結(jié)果記為R＝{rij}，rij表示第i(i＝1,2,…,30)個(gè)子頻帶的第j(j＝1,2,…,mi)個(gè)區(qū)間，取值為：rij＝(Hmin,i+(j-1)·Δ,Hmin,i+j·Δ)其中，Δ表示區(qū)間長(zhǎng)度；mi表示第i個(gè)子頻帶的區(qū)間個(gè)數(shù)；由于各個(gè)子頻帶CSI振幅的最大值和最小值不一定相同，所以針對(duì)各個(gè)子頻帶CSI振幅進(jìn)行區(qū)間劃分得到的區(qū)間個(gè)數(shù)也不相同；5)根據(jù)步驟2)、3)和4)，獲得移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡第m根天線(xiàn)與第n個(gè)接入點(diǎn)之間的CSI振幅分布hpn,m＝hp，如下所示：hp=p1,1p1,2...p1,m1p2,1p2,2...p2,m2............p30,1p30,2...p30,m30]]>其中，hp的每一行表示一個(gè)子頻帶的CSI振幅分布，其中pi,j表示第i個(gè)子頻帶中CSI振幅值落入第j個(gè)區(qū)間的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)占數(shù)據(jù)包總個(gè)數(shù)S的比例；hp每一行和其余行之間均是相互獨(dú)立的CSI振幅分布；6)根據(jù)步驟1)～5)，計(jì)算移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡每一根天線(xiàn)與每一個(gè)接入點(diǎn)之間的CSI振幅分布，從而得到該參考點(diǎn)位置的指紋信息Hp，如下所示：Hp=hp1,1hp1,2...hp1,Mhp2,1hp2,2...hp2,M............hpN,1hpN,2...hpN,M]]>其中，N，M分別表示接入點(diǎn)的個(gè)數(shù)和移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡上天線(xiàn)的根數(shù)。7)重復(fù)步驟1)～6)，得到不同參考點(diǎn)位置的指紋信息；利用所有參考點(diǎn)的位置以及對(duì)應(yīng)的指紋信息構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；所述定位階段包括以下步驟：在待定位用戶(hù)所在位置處，待定位用戶(hù)攜帶的移動(dòng)設(shè)備收集信道狀態(tài)信息，并發(fā)送到定位服務(wù)器；定位服務(wù)器根據(jù)上述步驟2)～6)，計(jì)算得到待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息；定位服務(wù)器計(jì)算待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)參考點(diǎn)位置的指紋信息的相似性，并通過(guò)匹配算法求出待定位用戶(hù)所在位置。所述定位階段，計(jì)算得到待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息后，通過(guò)以下步驟，得到待定位用戶(hù)所在位置：ⅰ)定位服務(wù)器基于待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)參考點(diǎn)位置的指紋信息之間的對(duì)稱(chēng)KL距離(Kullback-LeiblerDivergence)計(jì)算它們之間的相似性：設(shè)待定位用戶(hù)所在位置(x,y)處的指紋信息為Hpt＝Hp|{x,y}，指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中第l個(gè)參考點(diǎn)位置(xl,yl)的指紋信息為Hpl＝Hp|{xl,yl}，則它們之間的對(duì)稱(chēng)KL距離為：D(Hpt,Hpl)=Σn=1NΣm=1MD(Hpn,m|{x,y},Hpn,m|{xl,yl})]]>其中，pi(Hpn,m|{xl,yl}表示第l個(gè)參考點(diǎn)位置(xl,yl)的指紋信息中子矩陣Hpn,m中第i行元素集合，也就是在(xl,yl)處，Hpn,m第i個(gè)子頻帶的CSI振幅分布；pi(Hpn,m|{x,y})表示待定位用戶(hù)所在位置(x,y)的指紋信息中子矩陣Hpn,m中第i行元素集合，也就是在(x,y)處，Hpn,m第i個(gè)子頻帶的CSI振幅分布；D(pi(Hpn,m|{x,y}),pi(Hpn,m|{xl,yl}))=Σj=1mipi,j(Hpn,m|{x,y})log(pi,j(Hpn,m|{x,y})pi,j(Hpn,m|{xl,yl}))+Σj=1mipi,j(Hpn,m|{xl,yl})log(pi,j(Hpn,m|{xl,yl})pi,j(Hpn,m|{x,y}))]]>其中，pi,j(Hpn,m|{xl,yl}表示pi(Hpn,m|{xl,yl}第j列的元素，pi,j(Hpn,m|{x,y})表示pi(Hpn,m|{x,y})第j個(gè)元素，由步驟5)可得；若某元素為零，為了避免對(duì)數(shù)求值時(shí)有零值，對(duì)每個(gè)為零的元素加上一個(gè)非常小的常數(shù)ε，10-6≤ε≤10-2(比如取10-6)；給定一個(gè)隨機(jī)變量X，對(duì)于兩個(gè)概率分布A(X)和B(X)，他們之間的KL距離可以表示為：KL(A,B)=Σx∈XA(x)log(A(x)B(x)).]]>KL距離不是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的測(cè)量值，也就是說(shuō)A(X)到B(X)的KL距離與B(X)到A(X)距離不同。本發(fā)明定義了一個(gè)對(duì)稱(chēng)的KL距離來(lái)表示兩個(gè)概率分布的KL距離，如下所示：D(A,B)＝KL(A,B)+KL(B,A)本發(fā)明利用此值來(lái)測(cè)量分布之間差異性的大小。通過(guò)上述計(jì)算，得到待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)參考點(diǎn)位置的指紋信息之間的對(duì)稱(chēng)KL距離；ⅱ)利用KNN算法求出移動(dòng)用戶(hù)的位置坐標(biāo)；找出與待定位用戶(hù)所在位置的指紋信息的KL距離值最小的k個(gè)參考點(diǎn)位置；也就是，argmin{k}[D(Hpt,Hp1),D(Hpt,Hp2),...,D(Hpt,HpL)]]]>其中L為參考點(diǎn)位置的個(gè)數(shù)；ⅲ)對(duì)上述k個(gè)參考點(diǎn)位置的坐標(biāo)取平均，得到待定位用戶(hù)所在位置。優(yōu)選k＝3。所述移動(dòng)設(shè)備配置有Intel5300無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，Intel5300無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡具有三根天線(xiàn)。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明采用所有子頻帶以及所有天線(xiàn)對(duì)的CSI振幅分布作為位置指紋特征的定位方法D-CSI，相較于FIFS，本發(fā)明充分利用了不同子頻帶間的頻率多樣性和不同天線(xiàn)間的多樣性，提出的指紋特征包含更豐富的CSI信息，可以更加穩(wěn)定的區(qū)分不同位置間的差異，從而提高定位精度。在兩個(gè)典型室內(nèi)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比較于已有的基于CSI的指紋定位方法，本發(fā)明所提出的方法定位精度分別提高了22％和29％。附圖說(shuō)明圖160個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI振幅曲線(xiàn)；圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)分別為位置1(1.8，3)、位置2(3，3)和位置3(7.8，3)處接收的60個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI振幅曲線(xiàn)；圖2兩個(gè)位置對(duì)之間振幅分布距離的曲線(xiàn)；圖3方法流程；圖4位置1處不同子頻帶的CSI振幅分布；圖4(a)和圖4(b)分別為位置1處子頻帶1和10的CSI振幅分布；圖5位置2處不同子頻帶的CSI振幅分布；圖5(a)和圖6(b)分別為位置1處子頻帶1和10的CSI振幅分布；圖6實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景；圖6(a)和圖6(b)分別為實(shí)驗(yàn)室和會(huì)議室；圖7各實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下的不同定位方法的定位誤差對(duì)比；圖8兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，F(xiàn)IFS和D-CSI在不同AP個(gè)數(shù)下的平均定位誤差；圖8(a)和圖8(b)分別為會(huì)議室和實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，F(xiàn)IFS和D-CSI在不同AP個(gè)數(shù)下的平均定位誤差圖9會(huì)議室場(chǎng)景下，不同AP個(gè)數(shù)下兩種方法的定位誤差累積分布函數(shù)；圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)和圖9(d)分別為1、2、3和4個(gè)AP時(shí)兩種方法定位誤差的累積分布函數(shù)；圖10實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下，不同AP個(gè)數(shù)下兩種方法的定位誤差累積分布函數(shù)；圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)和圖10(d)分別為1、2、3和4個(gè)AP時(shí)兩種方法定位誤差的累積分布函數(shù)；圖11兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，F(xiàn)IFS和D-CSI不同天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)的平均定位誤差；圖11(a)和圖11(b)分別為會(huì)議室和實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，F(xiàn)IFS和D-CSI不同天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)的平均定位誤差；圖12會(huì)議室場(chǎng)景中，不同收發(fā)天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)下的定位誤差累積分布函數(shù)；圖12(a)、圖12(b)和圖12(c)分別為收發(fā)天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)為1、2和3下的定位誤差累積分布函數(shù)；圖13實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，不同天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)下的定位誤差累積分布函數(shù)；圖13(a)、圖13(b)和圖13(c)分別為收發(fā)天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)為1、2和3下的定位誤差累積分布函數(shù)；圖14兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，D-CSI在不同區(qū)間長(zhǎng)度下的平均定位誤差；圖14(a)和圖14(b)分別為實(shí)驗(yàn)室和會(huì)議室場(chǎng)景中，D-CSI在不同區(qū)間長(zhǎng)度下的平均定位誤差；圖15兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，D-CSI定位誤差的累積分布函數(shù)；圖15(a)和圖15(b)分別為實(shí)驗(yàn)室和會(huì)議室場(chǎng)景中，D-CSI定位誤差的累積分布函數(shù)；具體實(shí)施方式：本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括訓(xùn)練階段和定位階段兩部分。在訓(xùn)練階段，使用配有Intel5300網(wǎng)卡的移動(dòng)設(shè)備在所有參考點(diǎn)位置收集CSI值，然后對(duì)每對(duì)收發(fā)天線(xiàn)獲得的CSI進(jìn)行處理得到CSI的振幅信息。不同于FIFS，本發(fā)明將每對(duì)天線(xiàn)獲得的CSI振幅進(jìn)行處理得到每個(gè)子頻帶的振幅分布，作為相應(yīng)參考點(diǎn)的特征指紋，所有參考點(diǎn)的位置以及對(duì)應(yīng)的指紋信息共同構(gòu)建成指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。在定位階段，待定位用戶(hù)手持移動(dòng)設(shè)備首先收集CSI，然后CSI被發(fā)送到定位服務(wù)器進(jìn)行與訓(xùn)練階段同樣的處理，獲得位置指紋信息。之后，使用對(duì)稱(chēng)KL距離分別計(jì)算此位置的CSI分布與每個(gè)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中參考點(diǎn)CSI分布的相似性，最后通過(guò)匹配算法求出待定位用戶(hù)的位置。一般來(lái)說(shuō)，有許多匹配算法用于基于指紋的定位系統(tǒng)中，其中確定性方法包括最近鄰算法(NearestNeighbor,NN)以及其改進(jìn)算法KNN和加權(quán)KNN。最大似然估計(jì)、核估計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)以及極限學(xué)習(xí)機(jī)也都被用來(lái)求待定位用戶(hù)的位置。本發(fā)明使用KNN來(lái)計(jì)算移動(dòng)用戶(hù)的位置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種較為簡(jiǎn)單的算法能夠取得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。本發(fā)明沒(méi)有選擇其它匹配算法主要有以下兩個(gè)方面的考慮，一是其它方法需要較大的計(jì)算量，二是它們需要更多的采樣個(gè)數(shù)。首先說(shuō)明本系統(tǒng)的構(gòu)成及如何采集CSI，本系統(tǒng)包括一些AP和一個(gè)移動(dòng)設(shè)備。每個(gè)AP配有一根天線(xiàn)，移動(dòng)設(shè)備配有Intel5300無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，共有三根天線(xiàn)，所以在A(yíng)P和移動(dòng)設(shè)備之間共有三對(duì)收發(fā)天線(xiàn)對(duì)，也即是三個(gè)數(shù)據(jù)流。每個(gè)數(shù)據(jù)流都可以獲得30個(gè)子頻帶的CSI，所以對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)包可以獲得3*30＝90個(gè)CSI。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，先只考慮一對(duì)收發(fā)天線(xiàn)間的CSI信息，因?yàn)槊繉?duì)收發(fā)天線(xiàn)獲得CSI振幅分布的過(guò)程是相同的，最后再整合所有天線(xiàn)對(duì)的信息。在每個(gè)參考點(diǎn)，共收集S個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI，那么共有S*30個(gè)CSI，下面以此收集到的原始數(shù)據(jù)講述如何生成特征指紋。1)收集某一參考點(diǎn)位置處，移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡第m根天線(xiàn)接收到的第n個(gè)接入點(diǎn)的天線(xiàn)發(fā)送的S個(gè)數(shù)據(jù)包中的信道狀態(tài)信息，記為Ha＝{Hs}，其中Hs＝[Hs,1,Hs,2,Hs,i,…,Hs,30]T，表示第s個(gè)數(shù)據(jù)包中的信道狀態(tài)信息；Hs,i(s＝1,2,…,S；i＝1,2,…,30)表示第i個(gè)子頻帶的CSI，即信道狀態(tài)信息，CSI是一個(gè)復(fù)數(shù)，包括幅度和相位；2)計(jì)算Ha的振幅Hamp：Hamp=|Ha|=|H1,1||H2,1|...|HS,1||H1,2||H2,2|...|HS,2|............|H1,30||H2,30|...|HS,30|;]]>3)針對(duì)Hamp每一行都找出一對(duì)最大值和最小值，即找出每個(gè)子頻帶CSI振幅的最大值和最小值；并對(duì)最大值和最小值分別進(jìn)行向上取值和向下取整，得到Hmax,i和Hmin,i；得到30個(gè)子頻帶的CSI振幅范圍為：[Hamp_min,Hamp_max]=Hmin,1Hmax,1Hmin,2Hmax,2......Hmin,30Hmax,30;]]>4)對(duì)各個(gè)子頻帶的CSI振幅進(jìn)行區(qū)間劃分；將所有子頻帶CSI振幅的區(qū)間劃分結(jié)果記為R＝{rij}，rij表示第i(i＝1,2,…,30)個(gè)子頻帶的第j(j＝1,2,…,mi)個(gè)區(qū)間，取值為：rij＝(Hmin,i+(j-1)·Δ,Hmin,i+j·Δ)其中，Δ表示區(qū)間長(zhǎng)度；mi表示第i個(gè)子頻帶的區(qū)間個(gè)數(shù)；5)根據(jù)步驟2)、3)和4)，獲得移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡第m根天線(xiàn)與第n個(gè)接入點(diǎn)之間的CSI振幅分布hpn,m＝hp，如下所示：hp=p1,1p1,2...p1,m1p2,1p2,2...p2,m2............p30,1p30,2...p30,m30]]>其中，hp的每一行表示一個(gè)子頻帶的CSI振幅分布，其中pi,j表示第i個(gè)子頻帶中CSI振幅值落入第j個(gè)區(qū)間的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)占數(shù)據(jù)包總個(gè)數(shù)S的比例；6)根據(jù)步驟1)～5)，計(jì)算移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡每一根天線(xiàn)與每一個(gè)接入點(diǎn)之間的CSI振幅分布，從而得到該參考點(diǎn)位置的指紋信息Hp，如下所示：Hp=hp1,1hp1,2...hp1,Mhp2,1hp2,2...hp2,M............hpN,1hpN,2...hpN,M]]>其中，N，M分別表示接入點(diǎn)的個(gè)數(shù)和移動(dòng)設(shè)備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡上天線(xiàn)的根數(shù)?；谥讣y的定位方法最主要的是設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的位置特征指標(biāo)，所以如何對(duì)CSI進(jìn)行處理得出一個(gè)能有效標(biāo)識(shí)位置特征的指標(biāo)是定位方法是否成功的關(guān)鍵步驟。CSI包含有振幅和相位信息，正如現(xiàn)有文獻(xiàn)中指出的那樣，即使在一個(gè)完全靜態(tài)的環(huán)境中，CSI的相位信息也會(huì)有比較大的變化，相反，CSI的振幅信息在同一個(gè)位置所表現(xiàn)出的變化量要小的多。所以，本發(fā)明忽略了CSI的相位信息，只采用振幅信息來(lái)設(shè)計(jì)位置特征指紋。雖然已有許多室內(nèi)定位方法都采用了CSI，但是他們?cè)O(shè)計(jì)的位置指紋只是簡(jiǎn)單的講所有子頻帶的振幅信息進(jìn)行累加，這種處理方式可能忽略了這樣一個(gè)事實(shí)，多個(gè)子頻帶和多對(duì)天線(xiàn)獲取到的CSI包含了頻率多樣性和空間多樣性的性質(zhì)，而這些信息可以被用來(lái)設(shè)計(jì)出精度更高的定位算法。在通過(guò)Intel5300無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡獲得的CSI中，對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)包，不同收發(fā)天線(xiàn)對(duì)的CSI振幅響應(yīng)都不盡相同，如圖1(a)所示，每個(gè)顏色代表了一對(duì)收發(fā)天線(xiàn)。在已有文獻(xiàn)中，對(duì)三對(duì)收發(fā)天線(xiàn)上獲得的60個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI取平均，得出一組60個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI，這個(gè)過(guò)程降低了利用空間多樣性這一性質(zhì)的有效性。相反，本發(fā)明是利用了不同收發(fā)天線(xiàn)間的差異性來(lái)增強(qiáng)定位的準(zhǔn)確度。另一方面，針對(duì)一對(duì)收發(fā)天線(xiàn)得到的CSI，每個(gè)子頻帶的振幅響應(yīng)也是很不相同的。如圖1所示，30個(gè)子頻帶表現(xiàn)出了不一樣的值。FIFS所采用的方法是將這些子頻帶的振幅響應(yīng)求和，這樣的方式勢(shì)必會(huì)丟失頻率多樣性的特性。相反，本發(fā)明利用30個(gè)子頻帶的振幅值，得到每個(gè)子頻帶的CSI振幅的分布信息，設(shè)計(jì)成位置特征指紋，這樣就利用了CSI頻率多樣性的性質(zhì)，所以可以獲得更好的定位性能。首先通過(guò)獲得的CSI對(duì)上述討論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在圖6(a)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中選擇的三個(gè)位置的CSI，在每個(gè)位置處接收60個(gè)數(shù)據(jù)包，每接收一個(gè)數(shù)據(jù)包，每對(duì)收發(fā)天線(xiàn)都可以獲得30個(gè)子頻帶的CSI，因?yàn)镮nter5300無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡共有三根天線(xiàn)，所以每個(gè)位置共可得到180根曲線(xiàn)，如圖1(a)、1(b)和1(c)所示。如圖所示，對(duì)于某個(gè)特定的子頻帶，不同收發(fā)天線(xiàn)對(duì)所得到的CSI振幅都呈現(xiàn)出了顯著的變化，從而說(shuō)明CSI振幅具有空間多樣性。如果考慮某對(duì)特定收發(fā)天線(xiàn)，30個(gè)子頻帶的CSI振幅也都有很大變化，這也驗(yàn)證了CSI振幅具有頻率多樣性的特性。對(duì)于位置1(1.8，3)，位置2(3，3)和位置3(7.8，3)，將采集到的CSI數(shù)據(jù)應(yīng)用于FIFS中，分別得到他們的位置特征指紋分別為11726、8825.8和11841，根據(jù)位置特征指紋的大小可以看出，位置1應(yīng)該更靠近位置3而不是位置2，顯然這與他們真實(shí)的物理位置關(guān)系并不相符。本發(fā)明不直接使用所有子頻帶振幅的和作為特征指紋，而是采用每個(gè)子頻帶振幅的分布作為特征指紋，然后通過(guò)計(jì)算分布之間的距離來(lái)判定位置間的遠(yuǎn)近。圖2說(shuō)明了位置1和位置2、位置1和位置3所獲得的CSI振幅分布距離的曲線(xiàn)，可以看到，位置1和位置3之間的分布距離要大于位置1和位置2的分布之間的距離，這和他們物理位置相距較遠(yuǎn)是一致的，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)設(shè)置是匹配的。接下來(lái)驗(yàn)證CSI振幅分布具有時(shí)間穩(wěn)定性以及空間差異性。圖4和圖5分別表示兩個(gè)相距三米的位置處的CSI振幅分布，其中每個(gè)圖都是包括兩個(gè)子頻帶：子頻帶1和子頻帶10，每個(gè)位置均采集了60個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI，通過(guò)4.2節(jié)得到相應(yīng)的振幅分布。在兩個(gè)圖中，我們都可以看到在不同時(shí)間點(diǎn)每個(gè)子頻帶的分布都沒(méi)有什么變化，這說(shuō)明D-CSI具有時(shí)間穩(wěn)定性。另一方面，如圖4和5所示，D-CSI在不同位置表現(xiàn)出的差異性也相當(dāng)明顯。對(duì)不同子頻帶的CSI振幅分布也互不相同，從兩個(gè)圖中都可以看出，在兩個(gè)子頻帶下位置1和位置2的曲線(xiàn)都有明顯差異。在本文實(shí)驗(yàn)中，使用的AP型號(hào)為T(mén)P-LinkTL-WR742N無(wú)線(xiàn)路由器，移動(dòng)設(shè)備為配有Intel5300無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的DellE6410筆記本，采用已有文獻(xiàn)中的方法對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了微調(diào)，以此獲得CSI。本文共在兩個(gè)典型的室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集來(lái)評(píng)估兩種定位方法的性能，分別是實(shí)驗(yàn)室和會(huì)議室，參考點(diǎn)均勻地分布在這兩個(gè)室內(nèi)環(huán)境，具體場(chǎng)景介紹及采集如下所述。1)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的平面圖如圖6(a)所示，4個(gè)AP分別部署在4個(gè)角上。在訓(xùn)練階段，相鄰參考點(diǎn)之間的距離為1.2m，共收集42個(gè)位置的CSI。在非參考點(diǎn)位置，隨機(jī)選取40個(gè)點(diǎn)作為待測(cè)位置。在每個(gè)位置處均采集60個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI。2)會(huì)議室第二個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景部署在中南大學(xué)計(jì)算機(jī)樓的一個(gè)會(huì)議室，如圖6(b)所示，同樣4個(gè)AP部署在房間的4個(gè)角上，此環(huán)境中，相鄰參考點(diǎn)的間距為1m，共收集49個(gè)位置的CSI。在非參考點(diǎn)位置，隨機(jī)選取15個(gè)位置作為待測(cè)位置。在每個(gè)位置也都采集了60個(gè)數(shù)據(jù)包的CSI。圖7給出了兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下各定位方法的平均定位誤差，從圖中可以看出，在會(huì)議室場(chǎng)景中，D-CSI的平均定位誤差是1米，比FIFS的平均定位誤差降低了0.4米，也就是提高了29％的性能。另外，在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，由于多徑現(xiàn)象更加復(fù)雜，本文提出的方法平均定位誤差1.48米，也還是比FIFS的平均定位誤差降低了22％。圖8給出了兩種方法的定位誤差隨AP數(shù)目變化的直方圖，從圖中可以看出，不管采用了幾個(gè)AP，本文提出的D-CSI的平均誤差都低于FIFS。同時(shí)，隨著AP數(shù)目的增加，兩種方法的定位性能都在提高，AP數(shù)目越多，定位誤差越小，兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下都有相似的趨勢(shì)。圖9和圖10分別表示在兩個(gè)場(chǎng)景下，兩種方法定位誤差隨AP數(shù)目變化的累積分布函數(shù)。如圖9所示，在會(huì)議室場(chǎng)景中，當(dāng)AP數(shù)目為1、2、3和4時(shí)，F(xiàn)IFS中超過(guò)80％的點(diǎn)的定位誤差分別落入2.6米、2.5米、2.3米和2.2米。相反，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，本文提出的D-CSI的定位誤差分別在2米、1.9米、1.75米和1.5米內(nèi)。如圖10所示，在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，當(dāng)AP數(shù)目為3個(gè)或4個(gè)時(shí)，本文的D-CSI能夠達(dá)到所有測(cè)試點(diǎn)的定位誤差小于2.5米，而FIFS只有72％和80％的測(cè)試點(diǎn)達(dá)到這一定位效果，當(dāng)AP數(shù)目為1和2時(shí)也有同樣的性能表現(xiàn)，D-CSI分別有80％和87％的測(cè)試點(diǎn)的定位誤差小于2.5米，但是對(duì)于FIFS，只有60％和75％的測(cè)試點(diǎn)達(dá)到同樣的定位精度。相對(duì)于FIFS，本文方法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是D-CSI能夠?qū)崿F(xiàn)更為精確的定位，也就是說(shuō)較多的測(cè)試點(diǎn)的定位誤差小于1米。如圖9(d)所示，當(dāng)AP數(shù)目為4時(shí)，D-CSI有超過(guò)68％的測(cè)試點(diǎn)的定位誤差小于1米，然后FIFS只有33％的測(cè)試點(diǎn)。值得注意的是兩種方法在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中的定位效果都不如會(huì)議室場(chǎng)景，這是由于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播更為復(fù)雜造成的。圖11顯示了在兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，定位誤差隨著收發(fā)天線(xiàn)對(duì)的個(gè)數(shù)變化的情況。從圖中可以看出，D-CSI的定位精度高于FIFS，并且當(dāng)只使用一對(duì)天線(xiàn)時(shí)，定位誤差最高。具體的說(shuō)，如圖11(a)所示，在天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)為1、2和3的情況下，F(xiàn)IFS的平均定位誤差為1.9米、1.6米和1.4米，分別比D-CSI高出了0.1米、0.1米和0.4米。在圖11(b)中，也可以看出D-CSI比FIFS的平均定位誤差降低了0.12米、0.22米和0.44米?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)的增加，兩種方法的定位準(zhǔn)確性都在提高。圖12和圖13分別表示在兩個(gè)場(chǎng)景下，兩種方法定位誤差隨天線(xiàn)對(duì)數(shù)目變化的累積分布函數(shù)。如圖12所示，當(dāng)天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)分別為1、2和3時(shí)，D-CSI超過(guò)一半的測(cè)試點(diǎn)的誤差分別在小于1.75米、1.35米和0.7米，然而，F(xiàn)IFS在同樣的天線(xiàn)對(duì)個(gè)數(shù)和測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)情形下的定位誤差分別落入2.1米、1.5米和1.25米的區(qū)間內(nèi)。如圖13所示，在實(shí)驗(yàn)室較為復(fù)雜的環(huán)境中，當(dāng)天線(xiàn)對(duì)為3個(gè)時(shí)，50％的測(cè)試點(diǎn)定位誤差小于1.4米，比天線(xiàn)對(duì)為1和2時(shí)定位精度明顯提高。但是FIFS由于沒(méi)使用CSI振幅分布而使用較為粗糙的求和作為特征指紋，其定位性能較D-CSI低了許多。圖14給出了在兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，D-CSI平均定位誤差隨著區(qū)間長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)?？梢钥吹疆?dāng)區(qū)間長(zhǎng)度為0.5到1之間時(shí)，定位誤差可以達(dá)到最小值，過(guò)大或者過(guò)小的區(qū)間長(zhǎng)度都將使得等我性能變差。原因如下，區(qū)間長(zhǎng)度過(guò)大可能會(huì)失去一些分布特征，比如在極端情況下，區(qū)間長(zhǎng)度為子頻帶CSI振幅的最大值和最小值的差，此時(shí)只有一個(gè)分布信息，這樣D-CSI就和FIFS這些使用CSI振幅累積值的方法類(lèi)似了。另外，當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，CSI振幅分布將會(huì)有許多產(chǎn)生不確定性，使得同一位置的振幅分布都有可能不一樣，這樣也會(huì)增大定位誤差。圖15給出了兩種場(chǎng)景下，D-CSI的定位誤差在不同區(qū)間長(zhǎng)度情況下的累積分布函數(shù)。如圖15(a)所示，在區(qū)間長(zhǎng)度為0.5時(shí)，超過(guò)80％的測(cè)試點(diǎn)的定位誤差小于1.5米，但當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度為0.1和2時(shí)，同樣多的測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)情況下，定位無(wú)誤差的范圍分別擴(kuò)大到了1.85米和2米。在圖15(b)中也有相同的趨勢(shì)。這些結(jié)果表明，在實(shí)際部署過(guò)程中，區(qū)間長(zhǎng)度的設(shè)定不易太大和太小，根據(jù)我們?cè)趦蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的結(jié)果，當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度設(shè)定在0.5左右時(shí)，D-CSI可以達(dá)到較好的定位性能。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3