具有频谱认知能力的被动无线定位方法

摘要

本发明具有频谱感知能力的被动无线定位方法属于无线通信及无线网络技术应用领域，涉及一种具有频谱感知能力的被动无线定位方法。该方法具有频谱特性感知能力，系统实时感知工作环境的频谱特性，对各无线信道进行性能评估，选择性能最好的信道进行定位和无线链路扫描，提高无线定位系统的位置估计精度；该方法利用多条无线链路测量信息估计出目标位置。该方法采用的系统由N个无线扫描节点，频谱感知节点，无线控制节点，通用PC机和目标构成。该方法适用于频谱特性变化较剧烈的环境，可在无需目标携带无线设备的情况下实现对无线网络覆盖区域内运动目标的被动定位跟踪。

权利要求

1.一种具有频谱特性感知能力的被动无线定位方法，其特征在于，被动无线定位方法具有频谱特性感知能力，系统实时感知工作环境的频谱特性，对各无线信道进行性能评估，选择性能最好的信道进行定位和无线链路扫描，提高无线定位系统的位置估计精度；频谱评估算法基于各无线信道的波动特征评估各个无线信道，位置估计算法基于极大似然估计原理，利用多条无线链路测量信息估计出目标位置，被动无线定位方法具体步骤如下：a)由目标(4)向外围成一个矩形区域，在矩形区域的四边均匀放置N个无线扫描节点，并将频谱感知节点(1)、无线控制节点(2)、通用PC机(3)放置在网络覆盖区域附近；

b)无线扫描节点采用宽带全向天线，无线扫描节点之间通过多个无线信道进行无线通信，实现对无线信道链路接收信号强度的测量；

c)无线控制节点采用宽带全向天线，具有与通用PC机及频谱感知节点进行数据传输的USB接口或者串行通信接口；无线控制节点控制各无线扫描节点工作信道，采集各扫描节点对之间的无线信道链路接收信号强度测量信息，同时，将采集的信息发送给通用PC机；

d)通用PC机具有与无线控制节点进行数据传输的USB接口或者串行通信接口，在通用PC机上运行的位置估计算法，根据链路信号强度信息实现对目标位置的估计；

e)频谱感知节点(1)具有宽带频谱扫描能力，宽带全向天线具有多信道并行监测能力；

在频谱感知节点上运行频谱评估算法，该算法以测量得到的各无线信道的信号强度信息为输入，计算各无线信道的噪声波动，从而选择出波动最小的无线信道；假设对某信道进行了T次测量，每次的信号强度为y(t)，该信道的波动计算如下：其中，

频谱评估算法对多个信道进行测量评估后，选择波动最小的信道作为最优信道，并将评估结果发送给无线控制节点；

f)位置估计算法是利用多条无线链路测量信息估计出目标位置，位置估计算法以各无线链路接收信号强度信息作为输入信息，输出估计的目标位置；假设测量到的各无线链路信号强度向量为 无线链路与位置的关系矩阵为W，目标所处的位置向量为PT，则有下述关系成立：求解该矩阵方程即可获得目标的位置向量PT，其各元素中最大元素对应的位置即为目标的位置；

无线控制节点根据频谱感知节点感知的信道特性选择最优的工作信道，命令各无线扫描节点在最优信道下完成对各条无线链路的扫描测量。

2.根据权利要求1所述的一种具有频谱特性感知能力的被动无线定位方法，其特征在于，该被动无线定位方法采用的系统由N个无线扫描节点，频谱感知节点(1)，无线控制节点(2)，通用PC机(3)和目标(4)构成，频谱评估算法和位置估计算法安装在通用PC机(3)中，N个无线扫描节点、无线汇聚节点、通用PC机之间进行无线通信。

说明书

具有频谱认知能力的被动无线定位方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信及无线网络技术应用领域，研究一种具有频谱感知能力的被动无线定位方法。

背景技术

[0002] 为了满足人们不断增长的对“位置”信息的渴求，专家学者提出了多种定位跟踪技术，如超声波、摄像头、蓝牙、压力、红外、无线网络等均可被用来实现定位。近年来，随着无线技术的发展和普及，无线定位跟踪技术以其低成本、高性能、便于工程实施等优点得到越来越多研究者的青睐，已成为当前主流的定位跟踪方法。目前主流的无线定位跟踪方法要求目标携带无线设备实现与各参考节点之间的无线测量，同时，目标参与执行位置估计算法。但是，在很多应用场合，如紧急救援、战场监测等，目标是不配合的，无法要求目标携带无线设备来实现对其自身的定位。

[0003] 被动无线定位跟踪的思路最早由Wilson和Patwari提出，作者：J.Wilson and N.Patwari,在论文“Radio tomographic imaging with wireless networks”，IEEE Transactions on Mobile Computing,2010，NO.5，P621-P632。他们提出一种借助于无线扫描节点在某一固定无线信道下进行无线扫描从而实现位置估计的方法，但是，该方法只有在频谱特性较稳定的条件下才能实现位置估计。然而，真实无线网络的频谱特性是复杂的、动态时变的，信道的特性是不稳定的，如果仅采用单一信道，定位性能势必降低，该系统很难在频谱特性较复杂的条件下实现定位。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种具有频谱特性感知能力的被动无线定位方法，借助具有无线信道的信号统计特性的变化感知无线信道特性，选择性能较好的无线信道进行无线扫描，从而实现对无线网络覆盖范围内移动目标的定位跟踪。具有频谱特性感知能力的被动无线定位方法从本质上有效抑制了频域干扰对被动无线定位系统的影响。提高被动无线定位技术在复杂频谱环境下的性能，使被动无线定位跟踪系统具有频谱自适应性，有效抑制频域干扰对定位系统的影响。

[0005] 本发明的技术方案是一种具有频谱认知能力的被动无线定位方法，其特征在于，被动无线定位方法具有频谱特性感知能力，系统实时感知工作环境的频谱特性，对各无线信道进行性能评估，选择性能最好的信道进行定位和无线链路扫描，从而提高无线定位系统的位置估计精度；频谱评估算法基于各无线信道的波动特征评估各个无线信道，位置估计算法基于极大似然估计原理，利用多条无线链路测量信息估计出目标位置，被动无线定位方法具体步骤如下：

[0006] a)由目标(4)向外围成一个矩形区域，在矩形区域的四边均匀放置N个无线扫描节点，并将频谱感知节点1、无线控制节点2、通用PC机3放置在网络覆盖区域附近；

[0007] b)无线扫描节点采用宽带全向天线，无线扫描节点之间通过多个无线信道进行无线通信，实现对无线信道链路接收信号强度的测量；

[0008] c)无线控制节点采用宽带全向天线，具有与通用PC机及频谱感知节点进行数据传输的USB接口或者串行通信接口；无线控制节点控制各无线扫描节点工作信道，采集各扫描节点对之间的无线信道链路接收信号强度测量信息，同时，将采集的信息发送给通用PC机；

[0009] d)通用PC机具有与无线控制节点进行数据传输的USB接口或者串行通信接口，在通用PC机上运行的位置估计算法，根据链路信号强度信息实现对目标位置的估计；

[0010] e)频谱感知节点1具有宽带频谱扫描能力，宽带全向天线具有多信道并行监测能力；在频谱感知节点上运行频谱评估算法，该算法以测量得到的各无线信道的信号强度信息为输入，计算各无线信道的噪声波动，从而选择出波动最小的无线信道；假设对某信道进行了T次测量，每次的信号强度为y(t)，该信道的波动计算如下：

[0011]

[0012] 其中，

[0013] 频谱评估算法对多个信道进行测量评估后，选择波动最小的信道作为最优信道，并将评估结果发送给无线控制节点；

[0014] f)位置估计算法是利用多条无线链路测量信息估计出目标位置，位置估计算法以各无线链路接收信号强度信息作为输入信息，输出估计的目标位置；假设测量到的各无线链路信号强度向量为 无线链路与位置的关系矩阵为W，目标所处的位置向量为PT，则有下述关系成立：

[0015]

[0016] 求解该矩阵方程即可获得目标的位置向量PT，其各元素中最大元素对应的位置即为目标的位置。

[0017] 被动无线定位方法采用的系统由频谱感知节点、无线扫描节点、无线控制节点、通用PC机、频谱评估算法和位置估计算法组成；频谱评估算法和位置估计算法安装在通用PC机中，频谱感知节点、无线扫描节点、无线控制节点和通用PC机之间进行无线通信。

[0018] 频谱感知节点实时进行频谱评估，监测多条无线信道的信道质量，对各无线信道的性能进行分析，将评估出来的最优信道告知无线控制节点；无线控制节点根据频谱感知节点感知的信道特性选择最优的工作信道，命令各无线扫描节点在最优信道下完成对各条无线链路的扫描测量；同时，无线控制节点采集各无线链路信号强度信息，并将采集到的信息发送至PC机；PC机上的位置估计算法根据链路强度信息对目标位置进行估计。

[0019] 该被动无线定位方法采用的系统由N个无线扫描节点，频谱感知节点1，无线控制节点2，通用PC机3和目标4构成。

[0020] 本发明的有益效果在于：1)可以动态感知附近的频谱特性，选择较好的工作信道，在频谱干扰较为严重的恶劣电磁环境下实现对目标的被动无线定位。2)可在目标不携带任何无线设备的条件下实现对其位置的估计。3)系统由多个低成本无线节点组成，便于安装布置，可通过调整无线扫描节点的个数适用于不同尺寸的场景。

附图说明

[0021] 图1为本发明的系统结构框图，图中：N1，N2....N8为第1，第2…第8无线扫描节点，1为频谱感知节点，2为无线控制节点，3为通用PC机，4为目标。

具体实施方式

[0022] 下面结合技术方案和附图具体详细阐述本发明的实施，但本发明并不局限于具体实施例。为了实现在目标不携带任何无线设备的条件下对其进行跟踪，本发明公开了一种具有频谱感知能力的被动无线定位方法。随着无线通信技术与普适计算技术的发展，无线传感器网络、电信网络、无线局域网等无线网络已经覆盖到我们生活的每个角落。由于电波的固有特性，当有目标对某条无线链路造成遮蔽时，该条链路的接收信号强度信息势必会发生变化。基于此，当有多条无线链路同时存在时，借助各无线链路的接收信号强度信息，可以在目标不携带任何无线设备的条件下实现对无线网络覆盖范围内目标的定位跟踪。

[0023] 本发明的一种具有频谱感知能力的被动无线定位方法，系统可以实时感知工作环境的频谱特性，对各无线信道进行性能评估，选择性能最好的信道进行无线链路扫描，从而提高无线定位系统的位置估计精度。

[0024] 实施例：在附图1中，采用8个无线扫描节点，即第1、第2…第8无线扫描节点N1、N2....N8负责构成多条无线链路，实现对网络覆盖区域的无线扫描；1为频谱感知节点，可以实时感知各无线信道的特性，图中连接任意两个频谱感知节点的线代表无线链路。2为无线控制节点，负责协调整个系统的工作信道，采集各无线链路的信号。3为通用PC机，位置估计算法在通用PC机上运行。4为目标，其位置未知，需要系统来估计。系统的频谱感知节点1，第1、第2…第8无线扫描节点N1、N2....N8，无线控制节点2均基于德州仪器公司的CC2530芯片设计，均可工作在16个无线信道，发射功率100mW，配置全向天线，工作频段2.4GHz。第1、第2…第8无线扫描节点N1、N2....N8放置在12m×12m矩形区域的四边，每边间隔6m放置一个无线扫描节点。频谱感知节点1、无线控制节点2、通用PC机3放置在网络覆盖区域附近，保证距离最远的无线扫描节点100m以内。通用PC机，主频1GHz以上，内存256M以上。

[0025] 在附图1中，频谱感知节点1周期性的轮流监测信道2.405GHz、2.410GHz、2.415GHz、2.420GHz、2.425GHz、2.430GHz、2.435GHz、2.440GHz、2.445GHz、2.450GHz、
2.455GHz、2.460GHz、2.465GHz、2.470GHz、2.475GHz、2.480GHz共16个无线信道的信道质量。

[0026] 利用频谱评估算法对各无线信道进行评估，估计出最优的无线信道F1，并将结果告知无线控制节点2。无线控制节点2命令第1、第2…第8无线扫描节点N1、N2....N8在信道F1下进行无线扫描。同时，无线控制节点2侦听各无线链路的无线信号强度信息，并将各链路的接收信号强度信息送至通用PC机3。基于极大似然估计算法的位置估计算法以链路测量信息作为输入，估计出目标的位置，并将估计的目标4的位置输出至通用PC机3屏幕。当频谱感知节点1感知到的最优信道发生变化时，将告知无线控制节点2，进而命令第1、第2…第8无线扫描节点N1、N2....N8在新的无线信道下进行无线扫描。频谱感知节点实时获取各无线信道的测量数据，频谱评估算法根据测量数据估计出最优的无线信道；无线控制节点根据频谱感知节点估计的最优信道动态切换无线扫描节点的工作信道，同时，采集由各无线扫描节点构成的无线链路的信号强度信息，送至PC机；PC机上的位置估计算法以各无线链路的信号强度信息为输入，估算出目标的位置，从而实现定位过程。

[0027] 频谱感知节点1具有宽带频谱扫描能力，宽带全向天线具有多信道并行监测能力；在频谱感知节点上运行频谱评估算法，该算法以测量得到的各无线信道的信号强度信息为输入，计算各无线信道的噪声波动，从而选择出波动最小的无线信道；假设对某信道进行了T次测量，每次的信号强度为y(t)，该信道的波动计算如下：

[0028]

[0029] 其中，

[0030] 频谱评估算法对多个信道进行测量评估后，选择波动最小的信道作为最优信道，并将评估结果发送给无线控制节点；

[0031] 位置估计算法是利用多条无线链路测量信息估计出目标位置，位置估计算法以各无线链路接收信号强度信息作为输入信息，输出估计的目标位置；假设测量到的各无线链路信号强度向量为 无线链路与位置的关系矩阵为W，目标所处的位置向量为PT，则有下述关系成立：

[0032]

[0033] 求解该矩阵方程即可获得目标的位置向量PT，其各元素中最大元素对应的位置即为目标的位置。

[0034] 测试表明，当有较强的频域干扰存在时，具有频谱感知能力的被动无线定位算法平均位置估计误差为0.9m，而仅采用单一信道的被动无线定位算法平均位置估计误差为1.6m。

[0035] 该方法适用于频谱特性变化较剧烈的环境，可在无需目标携带无线设备的情况下实现对无线网络覆盖区域内运动目标的被动定位跟踪。