用於魯棒且準確的基於RSSI的位置估計的系統和方法與流程
2024-01-29 09:05:15
本發明的實施例涉及確定移動電子設備的位置的領域。
背景技術：
在iot（物聯網）以及許多其他位置相關應用中，要求基礎設施能夠估計一個或若干個無線對象或目標節點的位置。以低成本實現無線環境中的準確位置估計仍是一項巨大的挑戰。本發明要呈現一種用於以低成本實現具有良好準確度的魯棒位置估計的簡單方法。
在典型的位置估計系統中，存在其位置已知的若干個參考節點或網關以及其位置要被估計的一個或若干個目標節點或塵埃（mote）。為了估計目標節點的位置，需要通過由目標節點進行且由參考節點接收的無線電傳輸或者方向相反的無線電傳輸來測量表徵目標節點相對於參考節點的定位信息的一些度量，諸如距離或角度。在本發明中，我們考慮下述情況：其中，目標節點進行無線電傳輸，該無線電傳輸由該目標節點周圍的網關（參考節點）接收。
以下描述對本發明的下述示例進行描述：在這些示例中，在2維平面中確定移動節點的位置。雖然重要，但本申請並不進行限制，並且本發明也包括變形，在這些變形中，移動節點被定位在3維空間中。
技術實現要素：
本發明提出了一種加權質心定位（wcl）算法，其僅基於網關的已知位置和網關處的接收信號強度指示（rssi）的測量結果來進行位置估計。如對於本領域技術人員來說公知的那樣，儘管已經存在與wcl位置算法或接近領域相關的多種學術研究以及專利公開，但具有良好位置準確度的簡單且魯棒的wcl算法的設計仍然是主要的挑戰。這是本發明試圖解決的問題。
附圖說明
圖1以示意性簡化方式圖示了一種定位過程，通過該定位過程，多個網關接收由移動節點發射的定位分組並憑藉求解器來確定其位置，求解器處理每一個網關處的分組的rssi信息。
圖2通過流程圖來表示本發明方法的可能實現。
具體實施方式
位置估計系統一般可以被劃分成兩個類別，即，基於測距的方法和無需測距的方法。典型的基於測距的系統利用toa（到達時間）或tdoa（到達時間差）信息，這要求準確時間戳設備以獲得目標節點與網關之間的距離信息，並且其使用三角測量方法來獲得目標節點的位置。基於rssi的位置算法可以落到基於測距或無需測距的方法中。
對於本領域技術人員而言公知的是，關於距離的無線電信號傳輸（radiosignaltransmissionoverdistance）遵循以下規則：
其中pr是接收信號功率，即，rssi；pt是發射功率；gt是發射機天線增益；gr是接收機天線增益；w是無線電的波長；以及d是從發射機到接收機的距離。b被稱為路徑損耗指數（ple）。對於自由空間傳輸，b=2，而對於具有多徑衰落的更一般傳輸環境，b具有1.6與5之間的值。
可以以更方便的格式將上面的等式重寫如下：
其中p0是參考距離d0處的接收功率。
由於功率通常以db格式表達，因此我們可以有：
。
該等式中的最後一項n是測量誤差，被表示為零均值高斯噪聲。
上面的等式清楚地示出了接收信號功率rssi與從目標節點到網關的距離d之間的關係。
通過校準過程，可以估計針對給定d0的p0以及路徑損耗指數b。然後，可以從所測量的rssi獲得距離d。因此，問題被變換成基於測距的問題。該方法一般是複雜的，這是由於其要求定期校準過程以估計和更新信號傳輸模型中的參數。由於傳輸參數估計中的誤差和rssi測量中的誤差，該方法不一定導致良好性能。
本發明集中於無需測距的wcl方法。具體地，我們提出簡單且有效的權重計算方法以及活動網關選擇策略以實現魯棒且良好準確度位置估計。
魯棒wcl算法
假定存在總共n個網關，其位置是，則wcl算法的一般形式提出了使用集合權重因子、通過網關的位置的加權（矢量）和來計算行動裝置的位置，這可以被表達為：
其中wi是用於的加權因子，x和y是目標節點的所估計的位置。
這裡的關鍵設計問題是確定加權因子wi的方式。用於加權平均的所有接收網關的子集的選擇也是重要的。本發明可以被概括如下：
1.確定「中央網關」，其可以例如是通過選擇具有最大rssi值的網關來實現的。
2.計算鄰近網關之間的平均網關間距。這是通過首先計算從每一個網關到所有其他網關的距離的最小值來實現的。然後，對於距所有網關的所有最小距離，它的中值被用作平均網關間距。
3.從位置計算中排除距「中央網關」太遙遠的那些網關。這是通過將從所有網關到「中央網關」的距離對照閾值進行比較來進行的，該閾值等於平均網關間距乘以縮放因子。如果那些網關的距離大於該閾值，則它們被排除，否則它們被保持。
4.假定總共n個網關被保持，則按降序對對應的rssi進行排序，即：
。
5.在存在來自網關i的多於一個rssi測量結果的情況下，來自該網關的所有rssi值的中值被用作步驟4中的rssi。
6.加權因子是通過下式計算的：
。
7.目標節點的位置的估計是使用在步驟（6）中定義的權重來獲得的。
8.直到步驟7，獲得目標節點的位置的一次性估計。在目標節點進行每特定周期的定期傳輸的情況下，使用跟蹤算法（諸如卡爾曼類型濾波器）來跟蹤目標節點的移動並進一步改進位置準確度。
上面的加權因子計算的主要思想是：對其rssi較大的那些網關給予較重的權重，由於它們很可能更接近於目標節點。可以從產生權重wi的等式中觀察到，權重因子主要由rssi的等級次序而不是絕對值來確定。與步驟4）和5）中定義的過程相結合，這使該算法對由於信道衰落或測量誤差而引起的rssi的變化來說非常魯棒。
加權因子還部分地取決於rssi'i相比於最小rssi的差異，這考慮了rssi的相對值以進一步增強位置準確度。仿真已經演示出該算法在不同多徑/衰落信道條件下的魯棒性及其良好的位置性能。