一种利用wifi信号的室内标签定位方法
技术领域
1.本发明涉及无线信号定位技术领域，更确切地说，它涉及一种利用wifi信号的室内标签定位方法。
背景技术：2.室内标签定位对于智能家居、零售店或仓库中的许多智能应用至关重要，例如人们通常希望在很多环境(如家庭、酒店或餐厅)中轻松找出诸如钥匙、钱包、工具甚至玩具等个人物品。主流基于rfid的标签定位需要较为密集部署有源或者无源的定位标签，且需要专业的rfid扫描枪才能进行定位。虽然基于基于蓝牙的标签定位解决方案(例如uwb标签等)无需额外部署基础设施，且可以在最近的移动设备运行定位查询，但这类标签由于较为耗电使用寿命很难超过一年。此外，目前室内标签定位场景下的应用,对定位的需求已经不仅仅满足于精度,对可靠性、可用性及成本等方面也有较高的要求。但室内场景的普遍复杂化、定位设施的广泛缺乏及定位需求的多样化,导致传统的室内定位技术难以满足要求。
技术实现要素：3.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种利用wifi信号的室内标签定位方法，包括：
4.s1、移动定位设备从wifi定位标签的后向散射信号中提取所述wifi定位标签的调制代码；
5.s2、移动定位设备对接收到的所有数据包的通道状态信息进行修改并创建测量矩阵；
6.s3、设计超分辨率算法分离wifi定位标签反射信号与多径信号；
7.s4、利用三角定位法计算wifi定位标签相对于移动设备的位置指标。
8.作为优选，s2包括：
9.s201、根据偏移相位响应对每个数据包的通道状态信息进行修改；
10.s202、集合s201修改后的所有数据包通道状态信息创建测量矩阵。
11.作为优选，s3包括：
12.s301、对所有wifi定位标签信号传播路径计算其正交投影；
13.s302、估计wifi定位标签信号的空间谱，选出移动设备和wifi接入点之间的视距传播路径和wifi定位标签的反射传播路径。
14.作为优选，s1中，所述wifi定位标签具有对应的调制代码，所述调制代码由0和1序列组成，所述调制代码表示何时切换产生反向散射信号的阻抗；所述wifi定位标签使用所述调制代码和固定周期定期切换内部阻抗。
15.作为优选，s1中，所述移动定位设备在提取所述调制代码之前，依据与所述wifi定位标签的反射路径对应的转向向量计算所述wifi定位标签的转向向量与序列中每个数据包的通道状态信息的相关性corr
p
：
[0016][0017]
其中，是第p个数据包的通道状态信息，θb表示反射路径到达角度，表示反射路径离开角度；如果corr
p
大于阈值tresc，则调制模式的代码位被确定为1，否则为0；所述阈值tresc等于μ+σ，其中μ和σ分别是所有数据包的平均值和标准差。
[0018]
作为优选，s201中，对于每个接收数据包的通道状态信息，通过去除所有天线的子载波上未展开的相移的线性拟合来消除偏移量；ψ(n,m,k)是从第n个发射天线传输在第m个接收天线接收到的数据包的第k个子载波处的通道状态信息相位，计算最优的线性拟合为：
[0019][0020]
其中，β是所有天线的接收相位响应的共同斜率，α是偏移量，n是发射天线个数，m是接收天线个数，k是子波个数，f
δ
为频率之间的差异；修改后的通道状态信息表示为：
[0021][0022]
作为优选，s202中，所述测量矩阵x表示为：
[0023][0024]
其中，是跨m个接收天线和n个发射天线的第p个数据包的通道状态信息测量值，表示为：
[0025][0026]
其中，是第m个接收天线和第n个发射天线的第p个数据包的通道状态信息测量值；x
m,n
表示为：
[0027][0028]
其中，d和d
′
分别是接收天线和发射天线之间的距离，γi是第i条信号传播路径的衰减因子，l是所有路径的个数，j是虚数单位，x
m,n
是矩阵x的第m行第n列的元素，θi和是第i个路径的到达角度和离开角度，λ是电磁波传播速度。
[0029]
作为优选，s301中，计算wifi定位标签信号传播路径的向量空间正交投影矩阵表示为：
[0030][0031]
其中，ai是传播路径i的单位衰减信号转向向量，a
ih
是ai的共轭转置矩阵。
[0032]
作为优选，s302中，给定l个wifi定位标签信号传播路径，计算信号特征值es＝xxh，其中x是s202建立的信号测量矩阵，xh是x的转置矩阵；采用下式估计wifi定位标签信号空间的空间谱subcorr(e
′s,ai′
)：
[0033][0034][0035]
其中，es是信号特征值，ai是传播路径i的单位衰减信号转向向量；并利用下式估计信号传播路径i的到达角度θi、离开角度和飞行时间τi：
[0036][0037]
将最短飞行时间的信号传播路径作为移动设备和wifi接入点之间的视距传播路径，并对该路径多个数据包的到达角度和离开角度进行聚类，选择概率密度最高的聚类簇作为后向散射路径。
[0038]
作为优选，s4中，根据s302得到的移动定位设备和wifi定位标签之间的后向散射路径的到达角度θ2和离开角度以及移动定位设备和wifi接入点视距传播路径的到达角度θ1和离开角度利用下式计算wifi定位标签相对于移动定位设备的位置：
[0039][0040][0041]
其中，x和y是坐标系中的横纵坐标值，a是传播路径长度；在监控区域有多个wifi接入点的情况下，通过解决以下优化问题得到wifi定位标签位置坐标
[0042][0043]
其中，argmin表示使得后面式子取得最小值时的变量值，q为wifi接入点的数量，(xi,yi)为选择第i个wifi接入点估计的定位标签坐标。
[0044]
本发明的有益效果是：本发明充分利用定位场景下丰富的智能手机感知和计算资源,不依赖额外的基础设施和技术维护人员,使定位系统在满足标签定位精度的同时提高可靠性、可用性和降低成本。
附图说明
[0045]
图1为本技术提供的一种利用wifi信号的室内标签定位方法的流程图；
[0046]
图2为本技术提供的对每个数据包的通道状态信息进行预处理的流程图；
[0047]
图3为本技术提供的对每个路径进行迭代的流程图；
[0048]
图4为本技术提供的三角定位法示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0050]
实施例1：
[0051]
一种利用wifi信号的室内标签定位方法，如图1所示，包括：
[0052]
s1、移动定位设备从wifi定位标签的后向散射信号中提取wifi定位标签的调制代码；
[0053]
s2、移动定位设备对接收到的所有数据包的通道状态信息进行修改并创建测量矩阵；
[0054]
s3、设计超分辨率算法分离wifi定位标签反射信号与多径信号；
[0055]
s4、利用三角定位法计算wifi定位标签相对于移动设备的位置指标。
[0056]
如图2所示，s2包括：
[0057]
s201、根据偏移相位响应对每个数据包的通道状态信息进行修改；
[0058]
s202、集合s201修改后的所有数据包通道状态信息创建测量矩阵。
[0059]
如图3所示，s3包括：
[0060]
s301、对所有wifi定位标签信号传播路径计算其正交投影；
[0061]
s302、估计wifi定位标签信号的空间谱，选出移动设备和wifi接入点之间的视距传播路径和wifi定位标签的反射传播路径。
[0062]
s1中，wifi定位标签具有对应的调制代码，调制代码由0和1序列组成，该调制代码表示何时切换产生反向散射信号的阻抗；wifi定位标签使用调制代码和固定周期定期切换内部阻抗，移动定位设备通过解码接收到的反向散射信号来识别每个标签。
[0063]
s1中，本技术通过解码接收到的后向散射信号的调制代码来识别每个定位标签。移动定位设备在提取调制代码之前，依据与wifi定位标签的反射路径对应的转向向量计算wifi定位标签的转向向量与序列中每个数据包的通道状态信息的相关性corr
p
：
[0064][0065]
其中，是第p个数据包的通道状态信息，θb表示反射路径到达角度，表示反射路径离开角度；如果corr
p
大于阈值tresc，则调制模式的代码位被确定为1，否则为0；阈值tresc等于μ+σ，其中μ和σ分别是所有数据包的平均值和标准差。
[0066]
s201中，由于跨数据包的采样时间偏移和包检测延迟，接收器上的测量信道经历了随机相位偏移。为此，对于每个接收数据包的通道状态信息，通过去除所有天线的子载波上未展开的相移的线性拟合来消除偏移量；ψ(n,m,k)是从第n个发射天线传输在第m个接收天线接收到的数据包的第k个子载波处的通道状态信息相位，计算最优的线性拟合为：
[0067][0068]
其中，β是所有天线的接收相位响应的共同斜率，α是偏移量，n是发射天线个数，m是接收天线个数，k是子波个数，f
δ
为频率之间的差异；修改后的通道状态信息表示为：
[0069]
[0070]
s202中，测量矩阵x表示为：
[0071][0072]
其中，是跨m个接收天线和n个发射天线的第p个数据包的通道状态信息测量值，表示为：
[0073][0074]
其中，是第m个接收天线和第n个发射天线的第p个数据包的通道状态信息测量值；x
m,n
表示为：
[0075][0076]
其中，d和d
′
分别是接收天线和发射天线之间的距离，γi是第i条信号传播路径的衰减因子，l是所有路径的个数，j是虚数单位，x
m,n
是矩阵x的第m行第n列的元素，θi和是第i个路径的到达角度和离开角度，λ是电磁波传播速度。
[0077]
s301中，由于wifi定位标签的反射信号比wifi视距传播路径甚至环境中的静态反射器信号弱得多，强多径信号可能会遮蔽较弱的路径使得而降低超分辨率算法的分辨率。本技术采用迭代的方式应用空间谱估计算法分离出wifi定位标签的信号子空间和噪声子空间，利用信号方向向量与噪声子空间的正交性来构成空间扫描谱，进行全域搜索谱峰，从而实现信号的参数估计。计算wifi定位标签信号传播路径的向量空间正交投影矩阵表示为：
[0078][0079]
其中，ai是传播路径i的单位衰减信号转向向量，a
ih
是ai的共轭转置矩阵。
[0080]
s302中，鉴于调制后的反向散射信号与其他多径信号具有高度相关性，利用wifi定位标签调制的信号子空间进行信号空间方谱估计。利用携带wifi定位标签调制的信号子空间。给定l个wifi定位标签信号传播路径，计算信号特征值es＝xxh，其中x是s202建立的信号测量矩阵，xh是x的转置矩阵；采用下式估计wifi定位标签信号空间的空间谱subcorr(es′
,ai′
)：
[0081][0082][0083]
其中，es是信号特征值，ai是传播路径i的单位衰减信号转向向量；并利用下式估计信号传播路径i的到达角度θi、离开角度和飞行时间τi：
[0084][0085]
将最短飞行时间的信号传播路径作为移动设备和wifi接入点之间的视距传播路径，并对该路径多个数据包的到达角度和离开角度进行聚类，选择概率密度最高的聚类簇作为后向散射路径。
[0086]
如图4所示，s4中，本技术在wifi接入点、移动设备和定位标签之间建立三角形，通过获取后向散射路径和视线路径的到达角度和离开角度信息来限制该三角形的几何形状，利用三角定位实现标签定位。将飞行时间值最短的路径的路径作为移动设备和wifi接入点之间的视距传播路径，因为它在到达接收器之前不经过任何反射。
[0087]
示例地，根据s302得到的移动定位设备和wifi定位标签之间的后向散射路径的到达角度θ2和离开角度以及移动定位设备和wifi接入点视距传播路径的到达角度θ1和离开角度利用下式计算wifi定位标签相对于移动定位设备的位置：
[0088][0089][0090]
其中，x和y是坐标系中的横纵坐标值，a是传播路径长度；在监控区域有多个wifi接入点的情况下，通过解决以下优化问题得到wifi定位标签位置坐标
[0091][0092]
其中，argmin表示使得后面式子取得最小值时的变量值，q为wifi接入点的数量，(xi,yi)为选择第i个wifi接入点估计的定位标签坐标。
技术特征：1.一种利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，包括：s1、移动定位设备从wifi定位标签的后向散射信号中提取所述wifi定位标签的调制代码；s2、移动定位设备对接收到的所有数据包的通道状态信息进行修改并创建测量矩阵；s3、设计超分辨率算法分离wifi定位标签反射信号与多径信号；s4、利用三角定位法计算wifi定位标签相对于移动设备的位置指标。2.根据权利要求1所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s2包括：s201、根据偏移相位响应对每个数据包的通道状态信息进行修改；s202、集合s201修改后的所有数据包通道状态信息创建测量矩阵。3.根据权利要求2所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s3包括：s301、对所有wifi定位标签信号传播路径计算其正交投影；s302、估计wifi定位标签信号的空间谱，选出移动设备和wifi接入点之间的视距传播路径和wifi定位标签的反射传播路径。4.根据权利要求1所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s1中，所述wifi定位标签具有对应的调制代码，所述调制代码由0和1序列组成，所述调制代码表示何时切换产生反向散射信号的阻抗；所述wifi定位标签使用所述调制代码和固定周期定期切换内部阻抗。5.根据权利要求4所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s1中，所述移动定位设备在提取所述调制代码之前，依据与所述wifi定位标签的反射路径对应的转向向量计算所述wifi定位标签的转向向量与序列中每个数据包的通道状态信息的相关性corr
p
：其中，是第p个数据包的通道状态信息，θ
b
表示反射路径到达角度，表示反射路径离开角度；如果corr
p
大于阈值tres
c
，则调制模式的代码位被确定为1，否则为0；所述阈值tres
c
等于μ+σ，其中μ和σ分别是所有数据包的平均值和标准差。6.根据权利要求2所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s201中，对于每个接收数据包的通道状态信息，通过去除所有天线的子载波上未展开的相移的线性拟合来消除偏移量；ψ(n,m,k)是从第n个发射天线传输在第m个接收天线接收到的数据包的第k个子载波处的通道状态信息相位，计算最优的线性拟合为：其中，β是所有天线的接收相位响应的共同斜率，α是偏移量，n是发射天线个数，m是接收天线个数，k是子波个数，f
δ
为频率之间的差异；修改后的通道状态信息表示为：7.根据权利要求6所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s202中，所述测量矩阵x表示为：
其中，是跨m个接收天线和n个发射天线的第p个数据包的通道状态信息测量值，表示为：其中，是第m个接收天线和第n个发射天线的第p个数据包的通道状态信息测量值；x
m,n
表示为：其中，d和d
′
分别是接收天线和发射天线之间的距离，γ
i
是第i条信号传播路径的衰减因子，l是所有路径的个数，j是虚数单位，x
m,n
是矩阵x的第m行第n列的元素，θ
i
和是第i个路径的到达角度和离开角度，λ是电磁波传播速度。8.根据权利要求3所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s301中，计算wifi定位标签信号传播路径的向量空间正交投影矩阵表示为：其中，a
i
是传播路径i的单位衰减信号转向向量，a
ih
是a
i
的共轭转置矩阵。9.根据权利要求3所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s302中，给定l个wifi定位标签信号传播路径，计算信号特征值e
s
＝xx
h
，其中x是s202建立的信号测量矩阵，x
h
是x的转置矩阵；采用下式估计wifi定位标签信号空间的空间谱subcorr(e
′
s
,a
i
′
)：)：其中，e
s
是信号特征值，a
i
是传播路径i的单位衰减信号转向向量；并利用下式估计信号传播路径i的到达角度θ
i
、离开角度和飞行时间τ
i
：将最短飞行时间的信号传播路径作为移动设备和wifi接入点之间的视距传播路径，并对该路径多个数据包的到达角度和离开角度进行聚类，选择概率密度最高的聚类簇作为后向散射路径。10.根据权利要求9所述的利用wifi信号的室内标签定位方法，其特征在于，s4中，根据s302得到的移动定位设备和wifi定位标签之间的后向散射路径的到达角度θ2和离开角度以及移动定位设备和wifi接入点视距传播路径的到达角度θ1和离开角度利用下式计算wifi定位标签相对于移动定位设备的位置：计算wifi定位标签相对于移动定位设备的位置：
其中，x和y是坐标系中的横纵坐标值，a是传播路径长度；在监控区域有多个wifi接入点的情况下，通过解决以下优化问题得到wifi定位标签位置坐标点的情况下，通过解决以下优化问题得到wifi定位标签位置坐标其中，argmin表示使得后面式子取得最小值时的变量值，q为wifi接入点的数量，(x
i
,y
i
)为选择第i个wifi接入点估计的定位标签坐标。
技术总结本发明涉及一种利用WiFi信号的室内标签定位方法，包括：从WiFi定位标签的后向散射信号中提取调制代码；对通道状态信息进行修改并创建测量矩阵；设计超分辨率算法分离WiFi定位标签反射信号与多径信号；利用三角定位法计算WiFi定位标签相对于移动设备的位置指标。本发明的有益效果是：本发明充分利用定位场景下丰富的智能手机感知和计算资源,不依赖额外的基础设施和技术维护人员,使定位系统在满足标签定位精度的同时提高可靠性、可用性和降低成本。本。本。
技术研发人员：陈垣毅
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/7/5
