一種在無線信號強度測距技術中區分無線傳輸多徑的方法

2023-07-07 05:01:21 2

專利名稱：一種在無線信號強度測距技術中區分無線傳輸多徑的方法
技術領域：
本發明涉及ー種利用信號強度測距技術來區分無線傳輸多徑的方法。該方法可以使得在視線(Iine-Of-Sight)路徑的信號可以從多徑信號強度的組合中分離出來，從而提高在動態環境下的定位精度。
背景技術：
基於接收信號強度(RSS)的測距和定位技術在近幾年得到了廣泛的關注。其主要方法是基於接收信號強度的大小來得到相應的距離信息。與其他定位技術相比，基於信號強度的定位技術有很多自己的優勢。它需要很少的硬體支持，而且可以應用在各種不同的無線節點設備上。因為對信號強度的測量非常簡單方便，所以找到距離和信號強度的關係就是其中主要的工作。理論上，這種關係是單調的，正如在路徑衰減模型提出的，能量的損失與距離的平方成一定比例關係。但是這個模型是理想化的狀態，實際中距離和信號強度的關係受許多方面的影響，其中最為大的影響是多徑現象。多徑現象是指傳輸的無線信號到達接收方經過了兩條或者多條路徑，因為實際環境中(尤其是室內環境中)有許多的物品，如樓房，桌子，牆壁，甚至空氣中的懸浮顆粒，都會使無線信號反射或折射。在實際環境中，傳統的接收信號強度實際上是多個路徑信號的一個組合疊加。根據不同路逕到達的信號通常會有不同的相位，因此在接受方會起到加強或者減弱信號的效果。一般來說發射的信號到達接受方得路徑分為兩類，ー類稱為視線距離LOS (Line-Of-Sight)路徑，ー種稱為非視線距離NLOS (Non-LOS)路徑。非視線距離路徑一般是由反射和折射造成的。而現有的基於信號強度的定位技術主要就是基於接收到的信號強度和距離的關係。理論上來說，信號強度和距離是成一定比例關係的，一般隨著距離的増大，信號強度也隨之減小。通過對信號強度的測量可以得到發射信號源和接收信號源之間的距離。例如，如果知道物體和三個已知位置的距離就可以用三角定位確定物體的位置，這種方法叫做三角定位。另ー類方法是採用在不同的位置建立接收信號強度的分布圖，然後利用這個分布圖和接收到的信號強度的匹配關係得到距離，這裡面ー個關鍵的假設就是信號強度的分布在環境中是不會變化的。不過在動態的環境中，這種假設不總是成立的，由於動態環境會產生新的信號傳播路徑，或改變原有的信號傳輸路徑，導致這種信號強度分布圖變化很大，所以定位的精度受環境的影響很大。有的方法利用密集的布置節點獲得高精度的定位效果，但是需要增加額外的成本。另外有些方法用建立的概率模型去反應信號強度，但是接收到的信號的強度的變化不是可以準確的用概率模型來描述的，因為信號在多徑傳輸路徑疊加的效果受環境的影響很大，所以這類方法也有一定的局限性。還有ー些方法在定位中考慮到了頻率的多祥性，利用不同工作頻率下接收信號強度的平均值來進行計算。但是不同頻率下的信號強度值是確定的產生誤差的根本是因為信號在多徑傳輸後疊加的不確定性，所以這個方法不能從根本上解決問題。此外還有的方法利用正交頻分復用(OFDM)技術在信號中抽取出信號在不同路徑傳輸後到達接收方相位信息，但是這種方法需要得到物理層的信息，從而提高了定位的成本。本發明在多徑的實際環境下不需要任何額外的硬體成本即可將視線路徑的信號從多路信號的組合中分離出來，本發明僅僅依靠接收到的信號強度值而不去要額外的硬體或者底層的物理信息。有效的提高了在嚴重的多徑現象下的定位問題。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，在多無線傳播路徑存在的情況下，只利用接收信號強度(RSS)的信息，將視線(LOS)路徑信號從疊加的信號中分離出來，進而提高定位的精度。本發明的基本思想利用頻率多樣性(Frequency Diversity)來解決這個問題。頻 率多祥性是指給定ー個固定的發射信號強度，當工作在不同的頻率上，接收方收到的信號強度會有一定的差異。這種現象也叫選擇性衰減(selective fading)。通常接收信號的強度是由無線電波在多徑傳播後的一個組合，這種特性可以給我們帶來潛在的無線電波相位信息，從而可以利用它分離出視線距離路徑的無線信號。在無線信號的單個傳播路徑中，信號波會隨著距離的增大而變弱。在自由空間中(沒有多徑信號的存在，只有視線路徑的無線信號傳播)，信號的衰減遵循一定的傳播模型，一般是和距離的平方成反比。在FriiS模型中，接受的信號強度可以表達成發射的信號強度、天線的增益、波長、以及距離的函數。因此對於視線(LOS)的傳播路徑，我們採用Friis模型來描述，然而對於無線電波在非視線(NLOS)路徑上的傳播會由於折射，反射等造成部分能量的損失。我們用反射(折射)相關係數(r)來衡量這種損失。根據這些物理性質，給定一對節點和靜態的周圍環境，附近頻率信號的傳播路徑是不太可能發生很大的變化，因為折射和反射主要是由於信號的波長決定的，但是當臨近的工作頻率差別不大的時候，相應的波長也不會有太大的變化。比如Telosb節點，它最高工作在2. 4835G赫茲的頻段。2. 4G赫茲對應的波長是0. 125米，2. 4835G赫茲對應的是
0.1208米，只有4. 7毫米的差別。所以已經存在的路徑消失或者新路徑的產生可能性是非常小的。所以我們可以通過衡量不同頻率下的信號強度值來分析其中隱含的不同頻率下的相位差。因此，我們可以將問題轉化為曲線擬合的非線性優化問題，並可以證明該曲線擬合問題有可信穩定的解，只要其中的參數(發射的信號強度和天線的增益)可以得到ー個準確的值。我們採用三種方法確定這個未知的常量的值，他們分別是(I)直接查看硬體數據表(2)利用暗室進行訓練測試，因為暗室的物理特性本身使得信號在接收端只有視線距離的信號，而非視線距離的信號將不被反射，於是我們可以根據已知的距離計算出該常數的值(3)在真實情況中在線的訓練，根據已知相對距離的節點通過求解非線性最優化問題，這樣就可以得到視線距離的長度。另ー個重要的參數是如何確定傳輸模型函數中路徑的個數。雖然包括所有非視線傳播路徑的個數是很多的，但是實際中可以假設只有有限多的路徑而不犧牲太多的精準度。首先，當非視線信號經過三次或以上反射可以忽略不計，因為每次反射會損失50%左右的能量，也就是說在傳播過程中會消耗掉87. 5%的能量。注意到視線路徑總是ー對傳輸節點中最短的一條，因此它的能量在路徑中得消耗是最小的。再次，我們忽略那些傳輸距離過長的路徑，大概超過視線路徑3倍的那些。因為在傳輸模型中，信號能量會隨著與距離的平方成反比關係衰減。假設一條非視線路徑的長度是視線路徑的兩倍那麼信號的強度只有其的四分之一，再考慮反射能量的消耗得到的能量不會超過原來的八分之一。和傳統的基於信號強度的定位方法相比較，該定位技術具有以下優勢(1)該系統在動態環境下也很穩定，比如在有移動的人或者物體的情況下也能保持很好的定位準確性。(2)不需要太多的人工參與，硬體相關的參數只需要一次在線的計算。(3)最少只需要3個節點作為參考節點就可以做到精準的定位。


下面結合附圖和實施例對本發明進ー步說明。 圖I為多徑現象的示意圖。圖2為區分多徑的流程圖。圖3為暗室環境。
具體實施例方式如果改變了信號的頻率，路徑的相位也會有相應的改變。信號波的向量可用J = 辦來表示，丨是信號波的振幅，沒是信號波的相位。對應於某固定頻率的波長、和傳輸路徑的長度ゴ，其到達接受方的相位可用如下計算公式，
0(A) = - XIm
A U」
對於視線路徑信號，其到達接受方的信號強度能量依據Friis模型為
PiOtOrA A \P\= A ,；2 =C-~PI
(4方け す
巧是發射功率，G和ら是信號發射方和接受方的天線增益。因為對於ー對固定的無線
RGCr
信號發射和接受方，巧，G和ら是固定值的，因此我們可以用常量C=來表示。而對於其他反射路徑信號，其到達接受方的信號強度能量為
_
I p I=T-C--d2
r是反射(折射)相關係數，是用來衡量無線信號因為反射(折射)造成的能量損失。如圖I所示，假定在信號波從信號發射方到信號接收方有2條傳輸路徑，一條是視線路徑も一條是反射路徑ん信號接收方是這2條信號的ー個疊加，當採用工作頻率X1時，如果這2條信號的相位差為0，那麼接受方收到的信號強度
f(4)H,Pi2 + Pb HaI+IaI，因為其矢量方向一致，可以等同於2個標量的疊加。而當採用工作頻率X2時，如果這2條信號的相位差不為O (例如相差I. 6 Ji-Ji=O. 6 Ji),那麼接受方收到的信號強度I ,就是ー個完全矢量的疊加。那麼根據以上分析，當改變發射信號的頻率時，相位信息會有所不同，因此多路徑信號疊加的效果會不同，如果我們採用多個發射信號的頻率，就會有多個信號疊加的結果。假設包括視線路徑在內一共有/ 條傳播路徑，對於每個頻率對應的信號波長接收端我們可以通過正交分解得到如下的信號強度組合的表達式
n —
J3Cx,七.》=
i=i
=(S (.4.2C2 ろ-1))2
+ E cT^t/dr2 GOS這裡未知參數是(c，r2,…，rがCil,，式)，r 1=1，因為對於視線路徑來說沒有折射(反射)損耗，因此不是未知數。其他的反射係數r其值是小於等於I的。我們可以根據這個公式，把分離視線路徑信號的問題轉換成求解非線性曲線擬合的問題。假設我們有 個工作頻率，J' [I, ],對於每ー個工作頻率我們都有ー個信號接收強度的值ろ，我們的目的就是使實際測量的接收到的信號強度與模型得到的信號強度之間的誤差ハ最小。我們將這個問題定義成如下ー個非線性優化問題
given r(r)^2" ->9i3y = 1...^ mmxeR2xf (x) ^-J^rj(X)2
其中Fj{j — I,...m)是個體擬合誤差，P(x, a j)是在之如定義的
模型函數。我們只要解決這個問題，那麼視線路徑的距離和在視線路徑上的接收信號強度也就可以確定。我們可以證明，只要《>=2/7，並且常量c有準確的值，該優化問題可以有穩定的解。我們採取三種不同的方式得到常量c的值。第一種方法我們可以直接查閱硬體的相關數據，常數ご是由發送方的信號強度/^，天線增益G以及接收方的天線增益ら。發送的信號強度可以從能量等級轉化成dBm単位adBm^l.Z6mv\這種方法雖然簡單方便，但是由於不同硬體的差異，該值不會非常準確。第二種方法是利用在暗室裡面訓練得到的數值。暗室主要是用來研究信號是如何傳播的，如圖3所示在它內壁的四周都是ー些吸收無線電波的材料使他們失去反射的功能，所以暗室是ー個理想的可以使用Friis自由空間模型的地方。在暗室中視線距離的長度是已知的，於是在模型中只剩下ー個未知數。對於給定的ー對發射接收方我們可以通過設定確定的發射能量強度，通過衡量接收到的信號強度來確定常量c的值。
第三種方法是通過訓練得到常數C的值。在最開始信號發送方和接收方會放在給定的位置，因此他們之間的距離ゴ是已知的。對於給定的視線距離我們可以利用解非線性最優值的方法得到常數C的值。在隨後的實驗中我們將這個值帶入到方程中進行計算。
整個的方法流程如圖2所示，分為計算模型中的未知數，信號收集，數據分析三個部分。我們首先計算在模型中的未知數，然後將得到的結果代入方程，並在信號收集階段通過改變發射信號的頻率得到相位信息(例如我們實驗採用的Telosb節點共有16個可調信道)，最後在數據分析的階段通過非線性曲線擬合的方法得到視線路徑的距離和信號在該路徑傳播到達接受方的信號強度。接下來，我們採用最簡單的三角定位方法就能夠很好的對目標物體進行定位。另ー個重要的參數是傳播路徑的條數/7，它決定了方程的最基本的樣式。這個參數是完全受制於環境的影響。在實際中，我通過實驗發現當假設路徑的個數等於4的時候不會犧牲太多的定位精準性。首先那些多於三次或以上的反射次數的非視線距離路徑可以完全忽略。因為對於一般的材料來說反射係數r大概是在0.5左右，或者更小，這主要是由材料的反射特性決定。也就是說每一次反射會損失大約50%的無線信號能量，大於三次反射的會損失87.5%的能量。所以我們忽略這些非視線路徑以降低曲線擬合問題的複雜性。其次，我們忽略那些有著非常長度的路徑，也就是大於視線路徑兩倍的那些。從無線信號傳播模型中我們可以看出，信號的能量與距離的平方成反比。於是加上反射係數的影響，無線信號的能量在這樣的路徑長度上只會有12. 5%的能量剰餘。我們為此做了驗證性實驗，對於ー對給定的節點，我們測試了 32組不同距離的數據從Im到Sm每隔0. 25m做一次測量。我們假設存在多徑的個數從2到5，分別代入方程進行計算。我們發現，多徑的個數為5的定位精度雖然最好，但是當多徑的條數大於4的時候對定位精度的提高是有限的。因為實際中我們並不知道多徑的確切條數，所以我們只有假設並進行分析。但是假設的多徑條數也不是越多越好，因為這會造成該非線性優化問題沒有穩定和置信解。所以在實驗中我們都將假設多徑的條數為4。
權利要求
1.ー種在無線信號強度測距技術中區分無線傳輸多徑的方法，其特徵是在室內信號傳輸會產生多徑效果的環境下，利用頻率多樣性帶來的潛在的無線電波相位信息分離出視線距離路徑的無線信號，通過直接查看硬體數據表、或在沒有多徑現象的暗室環境中獲得或通過訓練得到不同硬體的常數，利用曲線擬合的非線性優化得出傳輸的視線路徑(Line-Of-Sight)信號，使視線路徑信號可以直接運用到定位當中，不需要額外的硬體成本，即可大幅度提高用無線信號強度測距技術在動態的多徑環境中定位的精準性。
2.根據權利要求I所述的基於無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是利用頻率的多祥性，將無線信號在不同的頻率上進行傳輸，藉此得到不同的無線接收信號強度。
3.根據權利要求I所述的在無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是利用頻率的多祥性，將無線信號在不同的頻率上進行傳輸，藉此得到不同的無線接收信號強度，從而在多無線傳播路徑存在的情況下，只利用接收信號強度(RSS)的信息，將視線(LOS)路徑信號從疊加的信號中分離出來。
4.根據權利要求2所述的在無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是對於視線(LOS)的傳播路徑，我們採用Friis模型來描述，然而對於無線電波在非視線(NLOS)路徑上的傳播會由於折射，反射等造成部分能量的損失，我們用反射(折射)相關係數(r )來衡量這種損失。
5.根據權利要求I所述的在無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是只要發射的信號強度和發射接收方的天線增益可以得到ー個準確的值，曲線擬合的非線性優化問題有可信穩定的解。
6.根據權利要求4所述的在無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是可以採用直接查看硬體數據表獲得不同硬體的常數。
7.根據權利要求5所述的在無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是利用暗室中幾乎沒有多徑現象的特性，在暗室中通過已知的路徑長度和接收信號強度，得出不同硬體的常數。
8.根據權利要求5所述的在無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是利用在線訓練的方法得到硬體常數。
9.根據權利要求3所述的基於無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是每條無線傳輸路徑用自由空間傳輸模型進行描述並加上反射(折射係數)，並將每條路徑的傳輸信號正交分解成正弦和餘弦信號。
10. 根據權利要求2所述的基於無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是通過曲線擬合的非線性優化方法得出傳輸的視線路徑(Line-Of-Sight)信號。
11.根據權利要求2所述的基於無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是利用頻率的多樣性不需要額外的硬體成本。
12.根據權利要求I所述的在無線信號強度測距技術中區分多徑的方法，其特徵是所以我們可以通過衡量不同頻率下的信號強度值來分析其中隱含的不同頻率下的相位差。
全文摘要
本發明涉及一種在無線信號強度測距技術中區分無線傳輸多徑的方法。本發明利用了頻率的多樣可調性，既不同的頻率下在接收方得到的信號強度會有不同，來分析不同路徑中信號傳遞的相位信息。具體方法是將每一條路徑用自由空間傳輸模型(Friis)描述，並用曲線擬合的非線性優化方法求解出視線距離路徑(Line-Of-Sight)的信號，將該信號從接收方的多徑信號中分離出來。使視線路徑信號可以直接運用到定位當中，不需要額外的硬體成本，即可大幅度提高用無線信號強度測距技術在動態的多徑環境中定位的精準性。
文檔編號H04W64/00GK102647785SQ201210079760
公開日2012年8月22日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者倪明選, 劉雲淮, 張滇, 郭小楠, 高民 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院