張亞軍，王洪君

(1.昌吉學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，新疆昌吉831100；2.山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100)

0 引言

定位是各種基于位置服務(wù)（location based services，LBS）的最主要的部分．在室外環(huán)境下使用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）能夠相當(dāng)精確的完成定位，但是在室內(nèi)環(huán)境，由于現(xiàn)代建筑材料和結(jié)構(gòu)、GPS信號(hào)的衰減等原因，造成室內(nèi)定位的精確度嚴(yán)重下降，從而引起研究人員對(duì)室內(nèi)定位的研究熱潮．前人已經(jīng)在室內(nèi)定位方面使用射頻技術(shù)（Radio Frequency，RF）進(jìn)行探索研究，如WLAN[1?3]、無線傳感器（Wireless Sensors）[4]和Radio-frequency Identification（RFID）[5,6]．此類技術(shù)大多有一個(gè)共同點(diǎn)——需要攜帶具有無線上網(wǎng)智能手機(jī)或者RFID標(biāo)簽，即主動(dòng)式（或有源）定位．

在一些緊急情況下，主動(dòng)式定位會(huì)受到限制，而被動(dòng)式（或無源）定位（Device-Free Passive Localization，DfP）作為熱門研究，受到研究者的青睞．被動(dòng)式定位是被定位的目標(biāo)在未攜帶任何電子設(shè)備的情況下準(zhǔn)確定位其目標(biāo)位置的一種技術(shù)．如在來訪者不需要攜帶特殊硬件設(shè)備的情況下，進(jìn)入大型展覽館、博物館、大型購物中心、貴重物品倉庫等，相關(guān)部門的管理人員希望能夠預(yù)防盜竊和人員迷路．另外室內(nèi)被動(dòng)式定位技術(shù)亦可應(yīng)用在醫(yī)院和家庭住宅，在不侵犯?jìng)€(gè)人隱私的情況下，幫助醫(yī)護(hù)人員定位其目標(biāo)人員的活動(dòng)情況，在突發(fā)事件時(shí)可及時(shí)提供醫(yī)療幫助[7,8]．同時(shí)，被動(dòng)式定位也可為人質(zhì)營救和邊境監(jiān)測(cè)方面提供幫助，警務(wù)人員可以利用被動(dòng)式定位技術(shù)對(duì)室內(nèi)人質(zhì)周邊的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，便于制定營救方案，而在邊境重點(diǎn)地區(qū)可以部署傳感器，組建傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)人員活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9,10]．

文獻(xiàn)[11]是基于RSSI設(shè)計(jì)分析并部署的Nuzzer系統(tǒng)．該系統(tǒng)使用概率統(tǒng)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)多徑環(huán)境下針對(duì)單目標(biāo)的定位和追蹤功能，定位中值誤差小于2 m，同時(shí)具有統(tǒng)計(jì)人數(shù)的功能．由于RSSI是介質(zhì)訪問控制（MAC）層多種信息的疊加效果，易受室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的影響，RSSI值變化范圍較大，導(dǎo)致定位精度和魯棒性效果不好，而CSI是物理層（PHY）信息，具有較好的細(xì)粒度和魯棒性[12,13]，因此基于CSI技術(shù)的方案逐漸受到重視．文獻(xiàn)[14]則提出基于CSI的被動(dòng)式目標(biāo)統(tǒng)計(jì)方案，討論CSI和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CSI特征和移動(dòng)目標(biāo)數(shù)量之間的一種單調(diào)函數(shù)，在不需要現(xiàn)場(chǎng)勘查的情況下實(shí)現(xiàn)群聚計(jì)算．文獻(xiàn)[15]提出一種非入侵式的監(jiān)測(cè)移動(dòng)和靜止目標(biāo)的DeMan方案，利用CSI的相位和振幅信息監(jiān)測(cè)移動(dòng)目標(biāo)，同時(shí)依據(jù)目標(biāo)的呼吸情況監(jiān)測(cè)靜止目標(biāo)．文獻(xiàn)[16]分析物理層信道狀態(tài)信息并解釋RSSI技術(shù)的缺點(diǎn)，探索正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的子載波的頻率多樣性，提出FILA方案–利用信道狀態(tài)信息（CSI）構(gòu)造傳播模型和指紋定位系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)對(duì)比相應(yīng)的RSSI方案，F(xiàn)ILA具有較高的定位精度．

本文是基于CSI的細(xì)粒度特性，利用無線MIMO系統(tǒng)和指紋定位法，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式目標(biāo)定位，并部署實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證其效果．

1 信道狀態(tài)信息及被動(dòng)式定位

1.1 被動(dòng)式定位（DfP）

不像RFID、GPS等常見的主動(dòng)式感知或定位系統(tǒng)，被定位的目標(biāo)需要攜帶電子設(shè)備主動(dòng)發(fā)送信號(hào)或者信息交換，從而獲取覆蓋范圍內(nèi)的目標(biāo)感知和定位，如手機(jī)地圖、兒童智能定位手表等．被動(dòng)式（感知）定位是指在無線傳感覆蓋范圍內(nèi)，被感知或定位過程中，目標(biāo)不需要攜帶任何電子設(shè)備或者不需要目標(biāo)主動(dòng)參與感知定位等活動(dòng)，從而達(dá)到目標(biāo)被動(dòng)式感知或定位的一種新型技術(shù)．

在之前研究人員提出的被動(dòng)式定位方案，基于射頻層析成像的RTI方案[17]是研究的重點(diǎn)，但是此類方案的共同點(diǎn)–需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，不僅工作量大，而且收集RSSI時(shí)容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞、耗費(fèi)參數(shù)設(shè)置校準(zhǔn)時(shí)間等，還需盡可能減少室內(nèi)多徑效應(yīng)，因此付出的代價(jià)較大．目前較為流行的是采用普通的商用設(shè)備即可組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約硬件成本，附加成本較低．本文通過獲取細(xì)粒度的CSI，利用室內(nèi)多徑效應(yīng)，提高定位效果．

1.2 信道狀態(tài)信息（CSI）

在此簡要的討論CSI基本原理．無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的通信鏈接的屬性是可以由CSI描述的．CSI不但能夠解釋信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的工作原理，而且解釋散射、衰落及功率的共同效應(yīng)．在窄帶衰退信道中，一個(gè)MIMO系統(tǒng)可以用下式表示：

其中Y=[y1,y2···yi,···yn]接收矩陣，是X=[x1,x2,···xi,···xn]發(fā)送矩陣，代表H信道矩陣，是N高斯白噪聲矩陣．而信道矩陣H（即全部子載波的CSI）可以用公式（2）估計(jì)：

公式（2）說明在MIMO系統(tǒng)中CSI是具有p×q×m維的PHY的細(xì)粒度值，描述從發(fā)送端到接收端基帶的信道增益．其中p和q分別是發(fā)送端和接收端的天線數(shù)目，m代表子載波的數(shù)量．由以上分析可知，信道矩陣H由公式（3）表示：

其中

圖1 系統(tǒng)框架圖

其中Hi和∠Hi分別是第i個(gè)子載波的振幅和相位值．對(duì)于MIMO系統(tǒng)來說，Hi是具有p×q維的，可以由公式（5）表示：

經(jīng)過本次實(shí)驗(yàn)的前期驗(yàn)證對(duì)比工作，發(fā)現(xiàn)編號(hào)為16的子載波定位效果較為明顯，因此采集的CSI都是編號(hào)為i=16的子載波，即Heff=H16，本文p和q的值分別取2和3.

2 指紋定位方法與原理

在本節(jié)介紹指紋定位法，重點(diǎn)是構(gòu)建指紋庫和定位階段兩個(gè)部分．同時(shí)將探索定位和位置估計(jì)的射頻地圖信息．

2.1 構(gòu)建指紋庫

圖1是本方案的定位系統(tǒng)架構(gòu)．在構(gòu)建指紋庫階段，作為指紋方案的基礎(chǔ)，我們需要收集CSI進(jìn)行處理為生成一個(gè)電子地圖位置信息構(gòu)建指紋庫信息．通常情況下，我們認(rèn)為是在2維平面上進(jìn)行定位．因此，一個(gè)2維參考點(diǎn)坐標(biāo)lj=(lx,j,ly,j)，整個(gè)采樣參考點(diǎn)位置見圖2所示．我們收集所有參考點(diǎn)的物理層信息CSI，同時(shí)利用滑動(dòng)窗口技術(shù)，進(jìn)行平滑處理，作為指紋庫訓(xùn)練值存儲(chǔ)起來．整個(gè)參考點(diǎn)的Radiomap將會(huì)在2.2節(jié)詳細(xì)介紹．

圖2 實(shí)驗(yàn)部署及位置參考點(diǎn)

2.2 定位和位置估計(jì)

定位階段主要任務(wù)是把當(dāng)前單目標(biāo)進(jìn)入傳感范圍內(nèi)，獲取目標(biāo)在當(dāng)前位置時(shí)的CSI，進(jìn)入位置指紋庫對(duì)比，依據(jù)定位算法尋找最好的匹配．根據(jù)前人提出的概率模型可以解決室內(nèi)環(huán)境下的定位問題．我們?cè)诖耸褂酶倪M(jìn)的最大似然值法（maximum likelihood，ML），認(rèn)為在固定位置的AP觀察到的Heff作為高斯變量．在實(shí)驗(yàn)過程中，構(gòu)建向量IH=[Heff,1,...,Heff,K]，位置估計(jì)問題等價(jià)于最大化后驗(yàn)概率li．通過貝葉斯定理，

我們改進(jìn)的ML利用空間相關(guān)性來確定P(li)．為了確保當(dāng)前觀察值Hobs和指紋庫的訓(xùn)練值Htra相似性，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來表示，如公式（7）

相關(guān)系數(shù)越高，則估計(jì)的位置越接近真實(shí)位置．先驗(yàn)概率P(li)使用公式（8）計(jì)算：

其中L是在Radio-Map中的真實(shí)位置數(shù)總和．

公式（9）計(jì)算似然值P(IHeff|li)：

而本文中每個(gè)參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度認(rèn)為是高斯變量，則可計(jì)算P(IHeff,k|li)

其中Heff,k和σeff,k分別是對(duì)應(yīng)Heff,k的期望和方差．

依據(jù)以上公式，可計(jì)算未知位置的估計(jì)值：

3 實(shí)驗(yàn)部署和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

本部分重點(diǎn)討論實(shí)驗(yàn)部署及其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析．

3.1 實(shí)驗(yàn)部署

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景：在室內(nèi)環(huán)境選擇上，我們選擇常見的休息大廳．整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域呈矩形，面積約34.56 m2．在本次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置一對(duì)AP-DP，詳細(xì)見圖2，休息大廳被劃分為數(shù)十個(gè)正方形區(qū)域，我們選擇其中的24個(gè)位置作為參考點(diǎn)，每個(gè)小區(qū)域?yàn)檫呴L為1.2m面積為1.44m2的方格．

數(shù)據(jù)收集和處理：實(shí)驗(yàn)使用TP-LINK TL-WR842N無線路由器作為無線AP（Access Point）通過射頻鏈接向DP（Device Point）發(fā)送信息，而DP端是裝備有商業(yè)802.11n 5300 NIC的電腦．一對(duì)AP-DP有兩個(gè)發(fā)送天線和三個(gè)接收天線．本實(shí)驗(yàn)中，AP和DP安放在距離地面0.95m高的方凳上面，我們使用一對(duì)AP（2個(gè)）和DP（3個(gè)）全部的天線，從而達(dá)到提高定位精度的目標(biāo)．同時(shí)，將對(duì)收集的數(shù)據(jù)使用滑動(dòng)窗口技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理（窗口長度為20），降低定位誤差．

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所采集的24個(gè)參考點(diǎn)坐標(biāo)用*號(hào)表示，根據(jù)指紋定位法估計(jì)的位置用·表示，單向箭頭由估計(jì)位置指向?qū)嶋H位置，見圖3．注意：此段分析的估計(jì)位置是根據(jù)6條鏈接的情況下所得出的結(jié)果．依據(jù)圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，在圖2對(duì)角線附近的位置估計(jì)比較準(zhǔn)確，分析其原因：主要在對(duì)角線附近由于目標(biāo)是“穿過”直射鏈路，對(duì)CSI的影響較為明顯．而在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，圖2左側(cè)是靠近展覽板和墻壁，對(duì)信號(hào)具有較強(qiáng)的反射和散射作用（即多徑效應(yīng)），對(duì)比實(shí)際位置第一列的估計(jì)位置（自左向右），該6個(gè)估計(jì)位置和真實(shí)位置的誤差較小，由此可見，本文的方法在多徑環(huán)境下，亦能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位．

均值誤差計(jì)算我們采用歐氏距離：

圖3 位置圖

其中N是采樣點(diǎn)數(shù)目，(x,y)表示采樣點(diǎn)坐標(biāo)，(xn,yn)代表對(duì)應(yīng)的估計(jì)位置坐標(biāo)．

根據(jù)我們改進(jìn)的方法計(jì)算估計(jì)位置，討論鏈接數(shù)和均值誤差的影響．對(duì)比文獻(xiàn)[18]中的所提出的Horus方案，本文的方法具有優(yōu)勢(shì)．尤其是體現(xiàn)在鏈接數(shù)目增加的情況下，我們方案優(yōu)勢(shì)明顯，如圖4所示：鏈接數(shù)目在1-3之間時(shí)對(duì)比Hours方案，本文方案均值誤差降低約10%-15%之間，而在4-6條鏈路時(shí)，均值誤差降低20%以上，最優(yōu)均值誤差值為1.18m．

圖4 鏈接數(shù)對(duì)均值誤差影響

圖5 定位距離誤差的累計(jì)分布

根據(jù)定位誤差分析，使用6條鏈路估計(jì)定位，繪制定位誤差累計(jì)分布圖（cumulative distribution function，CDF）．在圖5中，整體上可知本文方案CDF高于Horus方案：在距離誤差為1.2m時(shí)，本文方案和Horus方案的CDF分別為0.66和0.41；而在距離誤差在1.8m時(shí)，本文方案和Horus方案的CDF分別為0.9和0.8．

4 總結(jié)

雖然室內(nèi)被動(dòng)式定位逐漸成為研究熱點(diǎn)，但是實(shí)際研究過程中遇到的室內(nèi)情況較為復(fù)雜．本文提出一種基于無線MIMO系統(tǒng)的被動(dòng)式室內(nèi)定位方法，同時(shí)改進(jìn)最大似然值法，進(jìn)行位置估計(jì)．經(jīng)過實(shí)際場(chǎng)景及其實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比，本文的方法具有較低的定位誤差，且在多徑效應(yīng)下，定位誤差進(jìn)一步的降低，提高室內(nèi)定位的準(zhǔn)確性．在后續(xù)研究過程中，將在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，開展室內(nèi)被動(dòng)式目標(biāo)追蹤技術(shù)研究．