發(fā)布時(shí)間：2020-05-23 14:04

【摘要】：隨著無(wú)線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)于位置服務(wù)的需求日益增加。室內(nèi)位置服務(wù)已經(jīng)應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)資產(chǎn)定位、智慧城市建設(shè)、火災(zāi)和地震災(zāi)害區(qū)域應(yīng)急人員的定位等方面。但是由于樓宇的遮擋等原因?qū)е翯PS信號(hào)無(wú)法在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度的定位,因此高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)和定位方案已經(jīng)成為了位置服務(wù)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。無(wú)線局域網(wǎng)的高普及度使得基于無(wú)線局域網(wǎng)的定位技術(shù)易于應(yīng)用普及,因此該種定位技術(shù)一直受研究者的青睞。目前無(wú)線局域網(wǎng)定位技術(shù)主要包含基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI,Received Signal Strength Indicator)特征的指紋定位技術(shù)和基于信道狀態(tài)信息(CSI,Channel State Information)特征的指紋定位技術(shù)�；赗SSI特征的指紋定位技術(shù)具有特征維度較低、特征匹配計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。RSSI值在遠(yuǎn)離發(fā)射源位置時(shí),參考點(diǎn)間區(qū)分度較低;且受室內(nèi)多徑效應(yīng)的影響,在同一參考點(diǎn)處RSSI值波動(dòng)較大。以上兩點(diǎn)原因?qū)е禄赗SSI特征的指紋定位技術(shù)特征匹配準(zhǔn)確性較差,定位精度較低。相比于計(jì)算RSSI均值的確定性方法,基于RSSI概率統(tǒng)計(jì)的定位方法統(tǒng)計(jì)了RSSI分布,具有更高的定位精度和匹配準(zhǔn)確率。CSI包含多個(gè)子載波的幅值、相位信息,能夠更完整地表征信號(hào)狀態(tài)。同時(shí),由于室內(nèi)障礙物較多,各參考點(diǎn)處具有不同的多徑信道特性,參考點(diǎn)間CSI特征區(qū)分度較高。因此,相比基于RSSI,基于CSI特征的指紋定位技術(shù)具有更高定位精度。但是,由于CSI的數(shù)據(jù)維度較高,導(dǎo)致基于CSI特征的指紋定位技術(shù)具有特征匹配計(jì)算復(fù)雜度較高的缺點(diǎn)。本文針對(duì)使用單一信號(hào)定位精度低的問(wèn)題,開(kāi)展了基于RSSI與CSI的定位方法研究,提出了一種RSSI與CSI的融合定位方法。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新和研究工作如下:(1)針對(duì)僅使用CSI特征進(jìn)行定位導(dǎo)致定位精度不高的問(wèn)題,本文提出了一種基于RSSI與CSI的融合定位方法,該方法融合RSSI與CSI以動(dòng)態(tài)確定WKNN算法的K值,通過(guò)RSSI特征匹配結(jié)果輔助CSI進(jìn)行定位,提高了定位精度。在融合方法中,針對(duì)CSI特征指紋算法計(jì)算復(fù)雜度高的問(wèn)題,將融合方法分為兩個(gè)階段:基于RSSI的初定位階段和基于CSI的精確定位階段。在初定位階段使用RSSI特征進(jìn)行特征匹配,篩選出匹配度高的參考點(diǎn)組成約束區(qū)域,縮小精確定位階段用以匹配的CSI指紋庫(kù),降低了計(jì)算復(fù)雜度;在精確定位階段通過(guò)PCA對(duì)CSI進(jìn)行特征提取以降低特征維度,然后使用CSI特征在約束區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精確匹配定位。在保證定位精度的同時(shí)降低了計(jì)算復(fù)雜度。(2)針對(duì)融合定位過(guò)程中,基于概率統(tǒng)計(jì)方法的RSSI特征指紋定位技術(shù)使用單高斯模型擬合RSSI的概率密度函數(shù)導(dǎo)致擬合精度低、特征匹配準(zhǔn)確率低的問(wèn)題,本文提出使用高斯混合模型對(duì)RSSI概率密度函數(shù)進(jìn)行擬合的指紋庫(kù)建立方法,從而提高了對(duì)RSSI概率的擬合精度,提高了特征匹配的準(zhǔn)確率,并用于融合定位中的初定位階段和精確定位中的輔助定位。(3)針對(duì)融合定位過(guò)程中,CSI特征噪聲大、子載波幅值在同一參考點(diǎn)處可能出現(xiàn)分簇現(xiàn)象的問(wèn)題,本文提出了一種基于CSI特征的預(yù)處理方法,在預(yù)處理方法中對(duì)CSI數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理,并針對(duì)傳統(tǒng)小波閾值去噪函數(shù)的缺點(diǎn)提出了新閾值函數(shù),提高了小波去噪的效果,并用于融合定位中的精確定位階段。為驗(yàn)證本文提出定位方法的有效性,在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中搭建了定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,本文提出的基于RSSI和CSI的融合定位方法在初定位階段通過(guò)RSSI進(jìn)行參考點(diǎn)篩選組成約束區(qū)域,約束后的參考點(diǎn)總個(gè)數(shù)分別減少了31.3%和38.4%。本文提出的定位方法在CSI的特征維度分別降低了3 7.8%和36.3%的條件下,定位平均誤差分別為0.93m和1.58m,定位精度相比于FIFS系統(tǒng)分別提高了 19.8%和26.5%,在兩個(gè)場(chǎng)景中定位執(zhí)行時(shí)間平均降低了21.6%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本文提出的定位方法能保證良好的定位精度,并有效地降低了定位執(zhí)行時(shí)間。
【圖文】：

值導(dǎo)致定位精度低的問(wèn)題，提高了定位精度；并針對(duì)ＣＳＩ特征指紋算法計(jì)算復(fù)雜逡逑度高的問(wèn)題，將定位方法分為基于ＲＳＳＩ的初定位階段和基于ＣＳＩ的精確定位階逡逑段。逡逑在初定位階段，通過(guò)ｗｉｎ的ｒｓｓｉ作為特征，利用高斯混合模型替代傳統(tǒng)的逡逑單高斯模型來(lái)估計(jì)參考點(diǎn)從接入點(diǎn)處接收到的ＲＳＳＩ的概率密度，從而在計(jì)算所逡逑有參考點(diǎn)的匹配概率并根據(jù)設(shè)定的閾值獲得概率最大的Ｎ個(gè)點(diǎn)組成初定位階段逡逑的約束區(qū)域，縮小精確定位階段用以匹配的ＣＳＩ指紋庫(kù)，降低了計(jì)算復(fù)雜度。逡逑在精確定位階段，利用信道狀態(tài)信息作為定位特征。首先對(duì)ＣＳＩ信號(hào)進(jìn)行預(yù)逡逑處理。本文針對(duì)ＣＳＩ原始信號(hào)噪聲大、子載波幅值在同一參考點(diǎn)處可能出現(xiàn)分簇逡逑的異常現(xiàn)象的問(wèn)題，提出了一種ＣＳＩ數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，在預(yù)處理方法中對(duì)ＣＳＩ逡逑數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理以提高匹配精度，并針對(duì)傳統(tǒng)小波閾值去噪函數(shù)的缺陷提出了逡逑新閾值函數(shù)，提高了小波去噪的效果。由于ＣＳＩ特征的維度較高，在ＡＰ和參考逡逑點(diǎn)較多的情況下，需要耗費(fèi)很多的資源進(jìn)行計(jì)算。因此，本文提出使用ＰＣＡ對(duì)逡逑ＣＳＩ幅值特征進(jìn)行降維的方案，去除數(shù)據(jù)的冗余度，減小特征維度，節(jié)省計(jì)算時(shí)逡逑間成本和計(jì)算資源成本。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、對(duì)比分析，，驗(yàn)證定位方法的可行逡逑性、高精度性。圖１－１表示文章各部分工作與創(chuàng)新點(diǎn)之間的關(guān)系。逡逑

況下才能完成高精度的定位。接收端獲取無(wú)線信號(hào)在介質(zhì)中從發(fā)射端到接收端的逡逑傳輸時(shí)間，稱為到達(dá)時(shí)間。根據(jù)到達(dá)時(shí)間和無(wú)線信號(hào)的傳輸速度，從而計(jì)算出發(fā)逡逑射端到接收端的傳輸距離。ＴＯＡ定位原理如圖２－１所示：逡逑膝）逡逑圖２－１邋ＴＯＡ定位技術(shù)原理圖（理想情況）逡逑若要實(shí)現(xiàn)同一平面的定位解算，接收端（圖２－１中的終端）必須同時(shí)接收到逡逑三個(gè)或三個(gè)以上的發(fā)射端（圖２－１中的基站）的信號(hào)，并且保證接收端與發(fā)射端逡逑之間的同步和發(fā)射端與發(fā)射端之間實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。逡逑此時(shí)假設(shè)在視距情況下，發(fā)射端的位置固定且己知，己知第ｉ個(gè)發(fā)射端的位逡逑置坐標(biāo)為第ｉ個(gè)發(fā)射端到接收端的傳輸時(shí)間為ＴＧ４，信號(hào)的傳播速度逡逑為ｃ，假設(shè)ｃ為光速。因此，得到發(fā)射端和接收端之間信號(hào)傳輸距離為逡逑＝ｒ0４ｘｃ邐（２－Ｄ逡逑由如上己知條件，可以根據(jù)式（２－２）聯(lián)立的方程組求解得到接收端的位置坐逡逑標(biāo)（ｘ，ｙ，ｚ）．邐邐逡逑？ＪＣｘ—ｘ
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN925.93

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