本發(fā)明屬于無線偵聽測距技術(shù)改進領(lǐng)域，尤其涉及一種基于偵聽的測距方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無線技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，基于定位的服務(wù)越來越受到人們的關(guān)注。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在大量領(lǐng)域中提供位置信息，然而在某些復(fù)雜的環(huán)境下衛(wèi)星信號衰減嚴(yán)重影響了定位質(zhì)量，這時就需要無線定位網(wǎng)絡(luò)來彌補這一不足。

在無線定位網(wǎng)絡(luò)中通常包含兩類節(jié)點：位置已知的參考節(jié)點(anchor)和需要確定位置的目標(biāo)節(jié)點(agent)。在典型的基于測距的無線定位技術(shù)中，目標(biāo)節(jié)點通過測量與錨節(jié)點之間的距離來完成自身位置估計。TOA測距方法在無線定位網(wǎng)絡(luò)中最為常見，根據(jù)各節(jié)點的時鐘是否一致可分為同步網(wǎng)絡(luò)和異步網(wǎng)絡(luò)。而在實際的定位工作中很難保證所有節(jié)點的嚴(yán)格同步，因此更加合理的假設(shè)是所有節(jié)點均處于異步狀態(tài)然后采用雙向測距法(round trip measurement，RTM)

無線定位網(wǎng)絡(luò)的定位精度由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和定位方法決定，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是已確定的因素，而常用的提升定位精度的方法是增大定位信號的發(fā)射功率，這一做法的高成本和復(fù)雜度導(dǎo)致其很難在資源受限的情況下實現(xiàn)。通過最近的研究調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)如果調(diào)度策略設(shè)計得當(dāng)，網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點不需要發(fā)送信號就可以進行定位，這就非常適用于資源受限的情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于偵聽的測距方法，旨在解決上述的技術(shù)問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于偵聽的測距方法，所述測距方法包括以下步驟：

A、所有目標(biāo)節(jié)點同時向錨節(jié)點以點對點的方式發(fā)送信號；

B、所有錨節(jié)點回復(fù)信號完成RTM過程；

C、偵聽節(jié)點根據(jù)所偵聽到的目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的交互信息獲取位置信息獲得目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離，其函數(shù)式為：

其中，k表示目標(biāo)節(jié)點，j表示錨節(jié)點，i表示偵聽節(jié)點，t表示時間，c表示光速。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述測距方法還包括以下步驟：

D、根據(jù)發(fā)射頻率和帶寬對所有節(jié)點的聯(lián)合功率和帶寬進行優(yōu)化分配，其函數(shù)式為：其中，min表示最小值，k表示目標(biāo)節(jié)點，N_a表示所有的目標(biāo)節(jié)點，表示目標(biāo)節(jié)點k位置的均方誤差下界。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述步驟C還包括步驟：

C1、將偵聽獲得的定位信息加到整個的EFIM中。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述步驟A中發(fā)送的信號的頻帶均不相同。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述步驟B中錨節(jié)點以頻分復(fù)用方式回復(fù)信號。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于偵聽的測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

信號發(fā)射模塊，用于所有目標(biāo)節(jié)點同時向錨節(jié)點以點對點的方式發(fā)送信號；

信號回復(fù)模塊，用于所有錨節(jié)點回復(fù)信號完成RTM過程；

距離計算模塊，用于偵聽節(jié)點根據(jù)所偵聽到的目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的交互信息獲取位置信息獲得目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離，其函數(shù)式為：

其中，k表示目標(biāo)節(jié)點，j表示錨節(jié)點，i表示偵聽節(jié)點，t表示時間，c表示光速。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：該系統(tǒng)還包括：

資源分配模塊，用于根據(jù)發(fā)射頻率和帶寬對所有節(jié)點的聯(lián)合功率和帶寬進行優(yōu)化分配，其函數(shù)式為：其中，min表示最小值，k表示目標(biāo)節(jié)點，N_a表示所有的目標(biāo)節(jié)點，表示目標(biāo)節(jié)點k位置的均方誤差下界。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述距離計算模塊中還包括：

信息處理單元，用于將偵聽獲得的定位信息加到整個的EFIM中。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述信號發(fā)射模塊中發(fā)送信號的頻帶均不相同。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述信號回復(fù)模塊中錨節(jié)點以頻分復(fù)用方式回復(fù)信號。

本發(fā)明的有益效果是：通過偵聽測距，在信號衰減越來越強時，有效的提高了定位精度，減小了誤差，由于偵聽節(jié)點不需要發(fā)送信號，僅通過聽取周圍節(jié)點的位置信息就可以提升整個系統(tǒng)的定位精度，其非常適用于資源受限的情況。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于偵聽的測距方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的基于偵聽的測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的基于雙向測距脈沖信號的位置估計示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的定位網(wǎng)絡(luò)框架圖一。

圖5是本發(fā)明實施例提供的偵聽定位的時間流程示意圖。

圖6是本發(fā)明實施例提供的TDOA偵聽定位流程示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例提供的定位網(wǎng)絡(luò)框架圖二。

圖8是本發(fā)明實施例提供的TOA偵聽定位流程示意圖。

圖9是本發(fā)明實施例提供的引入偵聽節(jié)點后的定位精度與雙向測距的比較示意圖。

圖10是本發(fā)明實施例提供的錨節(jié)點具備偵聽功能后的定位精度與雙向測距的比較示意圖。

圖11是本發(fā)明實施例提供的一個特殊的網(wǎng)絡(luò)分布圖。

圖12是本發(fā)明實施例提供的特殊情況下的定位結(jié)果示意圖。

具體實施方式

圖1示出了本發(fā)明提供的基于偵聽的測距方法的流程圖，其詳述如下：

在一個2-D定位網(wǎng)絡(luò)中有N_a個agent節(jié)點，N_b個位置已知的anchor節(jié)點及一個中央處理器。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(agent和anchor)均時鐘異步，agent節(jié)點通過與anchor節(jié)點雙向測距來確定自身的位置，而中央處理器則負(fù)責(zé)收集整個網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)信息，為agent節(jié)點的定位提供參考。目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點分別表示為和節(jié)點k的位置為p_k＝[x_k，y_k]^T，

首先，我們介紹一下雙向測距的大致流程。如圖3所示，一次往返雙向測距最少需要兩個時隙。第一個時隙內(nèi)，待測節(jié)點k在已知時刻t_k1發(fā)射信號，節(jié)點j接收到這一信號，經(jīng)過Δt時間后，在第二個時隙內(nèi)t_j2時刻向節(jié)點k回復(fù)一個定位信息。從而得到節(jié)點k與j之間的距離為：

其中和分別為節(jié)點k和j的TOA測量，c是自由空間的光速。因此我們可以得到的測量誤差為

其中，λ_kj為從節(jié)點k到節(jié)點j單向測距的定位信息強度(ranging information intensity，RII)，定義為方差的倒數(shù)。根據(jù)定義，基于雙向測距的異步網(wǎng)絡(luò)RII可寫為

其中ξ_kj為一個由信道特性決定的正系數(shù)，受到路徑重疊系數(shù)、信號能量等因素的影響。P和β分別表示兩節(jié)點之間傳輸信號的功率和等效帶寬。

我們采用均方誤差下界(squared position error bound，SPEB)來衡量整個網(wǎng)絡(luò)的定位精度，其由等效費舍爾信息矩陣(equivalent Fisher information matrix，EFIM)推導(dǎo)出，即所謂的CRLB。目標(biāo)節(jié)點k的SPEB定義為

其中為p_k的估計位置。J_e(p_k)為agent k節(jié)點通過測量獲得的EFIM，表示為

其中q_kj＝[cos(φ_kj)，sin(φ_kj)]^T表示節(jié)點k和j之間的角度信息，λ_kj即為上文所提到的RII。SPEB描述了定位精度的最低下限，因此可以作為衡量定位網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣的參數(shù)。

圖4所示，在一個簡單的定位網(wǎng)絡(luò)中存在三個節(jié)點，分別為目標(biāo)節(jié)點k、錨節(jié)點j以及一個偵聽節(jié)點i。定位時間流程圖如圖3所示，目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間一共進行了三次往返測距，這些測距信息都可以通過(1)得到。在整個定位過程中，節(jié)點i保持沉默，即不會發(fā)送信號，但是可以聽到節(jié)點k和節(jié)點j之間的交互信息?；谶@一偵聽模式，節(jié)點i可以收集到所有目標(biāo)節(jié)點的定位信息。從圖5中我們可以看到節(jié)點共發(fā)射了兩次信號，這兩個信號達(dá)到節(jié)點i的時間差可表示為

整理可以得到節(jié)點k和節(jié)點j之間的距離信息

從而我們得出關(guān)于偵聽的方差

其中

在這里，我們假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)工作在一個集中式的調(diào)度框架中，偵聽獲得的信息會傳送給中央服務(wù)器，從而使整個系統(tǒng)的性能得到提升。根據(jù)定義可以得到節(jié)點i通過偵聽agent k獲得信號的RII為

同理，節(jié)點i可以通過偵聽anchor j來獲得位置信息，即

相應(yīng)的定位方差為

節(jié)點i通過偵聽anchor j獲得信號的RII為

我們將圖5的定位策略拓展到多個節(jié)點的情況。此時存在的難點是當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送信號時，偵聽節(jié)點無法確定收到的信號來自于哪一個節(jié)點。為了解決這一問題，我們在定位過程中采用頻分復(fù)用的方法，不同節(jié)點的信號通過事先分配好的不同的頻段進行區(qū)分。

我們對上述定位流程進行了總結(jié)，大致可分為三步。

在第一個時隙，所有的目標(biāo)節(jié)點同時向錨節(jié)點以點對點的方式發(fā)送信號。發(fā)送的信號通過不同的頻帶來區(qū)分

所有的錨節(jié)點在第二個時隙內(nèi)依舊以頻分復(fù)用的方式回復(fù)信號，完成RTM過程。

(3)在第三個和第四個時隙中，偵聽節(jié)點可以根據(jù)所偵聽到的目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的交互信息來獲取位置信息，完成一次完整的測量過程。將偵聽獲得的定位信息加到整個EFIM中，就可以提升整個系統(tǒng)的定位精度了。

接下來我們考慮了一種基于TDOA的偵聽模式。如圖6所示，agent k節(jié)點與anchor j節(jié)點進行一次RTM，agent k節(jié)點利用其與anchor j之間往返測距的時間來估計距離，產(chǎn)生的定位信息可通過(1)式得出。而對于偵聽點i，其可以收到agent k節(jié)點與anchor j節(jié)點的TOA交互信息，我們通過兩信號到達(dá)偵聽點i的時間差來獲取偵聽信息：

其中Δt為已知的處理時間，乘上光速c后即為距離信息：

偵聽定位誤差為

節(jié)點i通過偵聽agent k節(jié)點與anchor j節(jié)點的TOA交互信息獲得信號RII：

值得注意的是，在這里表示了agent k節(jié)點與anchor j節(jié)點發(fā)送信號到達(dá)偵聽點i的距離差值，而非二者之間的實際距離，為了涵蓋所有的位置信息，我們將拓展為一個向量的形式

從(17)可以看出，中包含了agent k節(jié)點與anchorj節(jié)點雙向測距的部分以及節(jié)點i偵聽部分，其協(xié)方差矩陣定義為

矩陣中各元素分別為

從公式中我們可以看出當(dāng)僅存在雙向測距時，C_kj轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€標(biāo)量值。目標(biāo)節(jié)點k的EFIM定義為

其中∑為一個方塊對角矩陣。我們可以計算出(22)式中除了

其他元素均為零。

接下來我們考慮了另一種基于TOA的偵聽模式。如圖7所示，我們依舊考慮偵聽信號到達(dá)偵聽節(jié)點的時間差。在這里，我們假設(shè)所有的anchor節(jié)點都具備偵聽功能，這樣系統(tǒng)中就不需要增加額外的節(jié)點開銷就可以提升定位精度。時間流程圖如圖8所示。

從流程圖中得出，偵聽信號到達(dá)anchor i的時間差可表示為

其中，d_ji是兩個參考節(jié)點之間的距離，是事先已知的，因此我們整理可得目標(biāo)節(jié)點k和偵聽節(jié)點i之間的距離為

從(28)式可以看出，anchor i可以通過偵聽周圍節(jié)點的雙向測距信息來獲得與目標(biāo)節(jié)點之間的距離。

在確定了偵聽調(diào)度策略后，我們接下來的工作就是基于這一調(diào)度框架進行資源優(yōu)化分配。由于RII是由發(fā)射功率和帶寬決定，我們將全局SPEB作為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化所有節(jié)點的聯(lián)合功率和帶寬分配(joint power and bandwidth allocation，JPBA)來令其最小。

首先假設(shè)在定位網(wǎng)絡(luò)中存在一個獨立的偵聽節(jié)點，系統(tǒng)進行一次測量(共四個時隙)。我們將資源優(yōu)化分配問題進行公式化求解，其中目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)中所有agent節(jié)點的SPEB之和。

目標(biāo)函數(shù)(13)中的由雙向測距和偵聽獲得的定位信息共同構(gòu)成。

式(14)限制了每個節(jié)點的峰值功率。(15)和(16)分別表示agent和anchor的總功率上限。為防止相互干擾，我們規(guī)定了在每個時隙內(nèi)各節(jié)點所使用的頻帶不允許有重疊，即為式(17)和(18)。

除了在定位網(wǎng)絡(luò)中引入一個獨立偵聽節(jié)點這一方案，我們還可以考慮目標(biāo)節(jié)點或錨節(jié)點具備偵聽功能的情況。以anchor節(jié)點具備偵聽功能為例，此時資源分配問題如下所示

s.t.(14)-(18)

目標(biāo)函數(shù)(20)中的由雙向測距和偵聽獲得的定位信息共同構(gòu)成。

公式中的i表示具備偵聽功能的anchor節(jié)點。由于實際的收發(fā)器是半雙工的，因此anchor節(jié)點需要使用不同的頻帶來收發(fā)信號，即式(21)所示。

在這一類偵聽策略下，我們依舊是將全局SPEB作為目標(biāo)函數(shù)，將功率、帶寬等作為限制條件，具體公式如下所示

其中表示第一個時隙內(nèi)agent k節(jié)點向anchor j節(jié)點發(fā)送信號的功率，而則表示第二個時隙內(nèi)anchor j節(jié)點向agent k節(jié)點回復(fù)信號的功率，帶寬參數(shù)同理。從公式中我們可以看出，TDOA偵聽的限制條件與之前的策略十分相似，不同之處在于該方案只需要一次RTM即可完成一次測量，時延相較于之前的偵聽策略會大大降低，提升了系統(tǒng)實時性。相對應(yīng)的可以看出，該定位策略的定位精度計算公式會比較復(fù)雜。

為了證明引入偵聽機制后定位網(wǎng)絡(luò)性能提升，我們對不同的偵聽策略進行了仿真，并與傳統(tǒng)的純雙向測距結(jié)果進行了比較。在仿真過程中，所有目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點的功率被歸一化，即P_anchor＝P_agent＝1。每個時隙的帶寬上限B₀＝1。在一個10×10的方形區(qū)域中存在N_a個agent節(jié)點和N_b＝³個anchor節(jié)點。信道參數(shù)ξ_kj＝10⁴。

首先我們在原定位網(wǎng)絡(luò)中引入一個偵聽節(jié)點，與純雙向測距的定位結(jié)果比較如圖9所示。從仿真結(jié)果可以看出，引入偵聽節(jié)點后的定位精度要明顯高于純雙向測距的情況，且隨著待測節(jié)點數(shù)的增加這一差距將逐漸變大，這與我們之前的預(yù)想一致。

接下來，我們假設(shè)定位網(wǎng)絡(luò)中所有的anchor節(jié)點都具備了偵聽功能，以此來代替之前的偵聽節(jié)點。從仿真圖10可以看出，該策略的定位結(jié)果同樣要明顯優(yōu)于純雙向測距的情況。然而值得注意的是由于總帶寬是固定的，anchor節(jié)點需要對用于雙向測距和偵聽的帶寬量做一個權(quán)衡，當(dāng)anchor位置分布不佳時可能就不再分配帶寬用于偵聽，網(wǎng)絡(luò)就會還原成傳統(tǒng)的雙向測距定位系統(tǒng)。

我們?yōu)榱俗C明偵聽機制的優(yōu)勢所在，假設(shè)了一種特殊的情況，如圖11所示。定位網(wǎng)絡(luò)中分布著三個錨節(jié)點、一個目標(biāo)節(jié)點以及一個偵聽節(jié)點，目標(biāo)節(jié)點與兩個距離較近的anchor節(jié)點之間存在陰影遮擋，導(dǎo)致傳輸信號有50％的可能性存在衰減，衰減量從0dB增至20dB。定位結(jié)果如圖12所示。

從仿真結(jié)果我們可以看出，當(dāng)陰影遮擋不嚴(yán)重時，agent的位置主要是由兩個鄰近的anchor節(jié)點進行雙向測距得到的，引入偵聽節(jié)點的性能提升并不明顯。然而隨著信號衰減越來越嚴(yán)重，含有偵聽節(jié)點的定位網(wǎng)絡(luò)性能就明顯優(yōu)于純雙向測距的網(wǎng)絡(luò)。這說明，RTM在定位過程中起主要作用，但當(dāng)直接路徑的信號受到嚴(yán)重遮擋時偵聽是彌補雙向測距不足的一種有效手段。

圖2示出了本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于偵聽的測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

信號發(fā)射模塊，用于所有目標(biāo)節(jié)點同時向錨節(jié)點以點對點的方式發(fā)送信號；

信號回復(fù)模塊，用于所有錨節(jié)點回復(fù)信號完成RTM過程；

距離計算模塊，用于偵聽節(jié)點根據(jù)所偵聽到的目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的交互信息獲取位置信息獲得目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離，其函數(shù)式為：

其中，k表示目標(biāo)節(jié)點，j表示錨節(jié)點，i表示偵聽節(jié)點，t表示時間，c表示光速。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：該系統(tǒng)還包括：

資源分配模塊，用于根據(jù)發(fā)射頻率和帶寬對所有節(jié)點的聯(lián)合功率和帶寬進行優(yōu)化分配，其函數(shù)式為：其中，min表示最小值，k表示目標(biāo)節(jié)點，N_a表示所有的目標(biāo)節(jié)點，表示目標(biāo)節(jié)點k位置的均方誤差下界。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述距離計算模塊中還包括：

信息處理單元，用于將偵聽獲得的定位信息加到整個的EFIM中。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述信號發(fā)射模塊中發(fā)送信號的頻帶均不相同。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述信號回復(fù)模塊中錨節(jié)點以頻分復(fù)用方式回復(fù)信號。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。