本發(fā)明涉及室內(nèi)定位技術(shù)，尤其涉及一種基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法。

背景技術(shù)：

在復(fù)雜的室內(nèi)傳播環(huán)境中，多徑、散射、反射等引起的信號的非直達(dá)傳播是室內(nèi)信道的主要特征。大量研究表明，在復(fù)雜的室內(nèi)傳播環(huán)境中，應(yīng)用典型的參數(shù)化定位算法如TOA、TDOA、AOA、RSSI等定位性能往往不太理想，原因是在嚴(yán)重的多徑散射情況下，上述參數(shù)的估計往往存在較大誤差，這些誤差在一定程度上影響了上述定位方法在室內(nèi)定位時的定位性能。

基于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信號的強度指示，簡稱接收信號強度)的定位算法是已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，由接收節(jié)點根據(jù)收到的信號強度計算出信號的傳播損耗，再利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)換成距離，然后計算出節(jié)點的位置。一般情況下，測得的功率與真實值之間存在誤差(通常是由遮擋物引起的，也稱為遮蔽因子)，這使得簡單地通過模型把測量到的功率換算為電磁波傳播路徑的方法會引入極大誤差而不能使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。

鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法，以至少現(xiàn)有的基于RSSI的定位方法存在的定位不準(zhǔn)確的問題

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法，所述RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法包括：確定三個或更多個錨節(jié)點位置，并獲得所述三個或更多個錨節(jié)點的坐標(biāo)；針對所述三個或更多個錨節(jié)點中的每一個，從未知節(jié)點向該錨節(jié)點發(fā)送多次RSSI請求指令，并在所述未知節(jié)點測得來自該錨節(jié)點的多個接收信號強度值，在測得的所述來自該錨節(jié)點的多個接收信號強度值選擇至少部分接收信號強度值，利用所述至少部分接收信號強度值以及預(yù)設(shè)的參考距離和參考接收信號強度值，根據(jù)RSSI法獲得包含m個方程的欠定方程組來作為該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組，該欠定方程組中的未知量包括該錨節(jié)點與該未知節(jié)點之間的待測距離和m個路徑損耗系數(shù)，其中，所述參考接收信號強度值是在所述未知節(jié)點向與所述未知節(jié)點距離所述參考距離的參考節(jié)點發(fā)送RSSI請求指令時、在所述未知節(jié)點測得的來自該參考節(jié)點的接收信號強度值，m為所述至少部分接收信號強度值中包含的接收信號強度值個數(shù)，且m為大于2的正整數(shù)，利用優(yōu)化算法求解該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組，以獲得該錨節(jié)點與該未知節(jié)點之間的待測距離；利用所述三個或更多個錨節(jié)點各自與未知節(jié)點之間的待測距離以及所述三個或更多個錨節(jié)點的坐標(biāo)，計算所述未知節(jié)點的坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，所述在測得的所述來自該錨節(jié)點的多個接收信號強度值選擇至少部分接收信號強度值的步驟包括：在測得的所述來自該錨節(jié)點的多個接收信號強度值之中，去掉最大值和最小值，以將剩余的接收信號強度值作為所述至少部分接收信號強度值。

進(jìn)一步地，針對所述三個或更多個錨節(jié)點中的每一個，通過如下方式獲得該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組：針對該錨節(jié)點對應(yīng)的所述至少部分接收信號強度值中的每一個，獲得由公式一表示的方程，其中公式一為：其中，j＝1,2,…,m，式中，d₀為參考距離，P₀為參考接收信號強度值，d為該錨節(jié)點與所述未知節(jié)點之間的待測距離，P_j為所述至少部分接收信號強度值中的第j個，n_j為與P_j對應(yīng)的路徑損耗系數(shù)；該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組由公式二表示，其中公式二為：

進(jìn)一步地，所述利用優(yōu)化算法求解該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組以獲得該錨節(jié)點與該未知節(jié)點之間的待測距離的步驟包括：構(gòu)建其中，d_j為所述欠定方程組中第j個方程中的d，將2＜n_j＜4作為約束條件，j＝1,2,…,m，按照如下優(yōu)化算法求解約束最優(yōu)化問題B1、設(shè)定迭代截止條件ε，使得當(dāng)時結(jié)束迭代；B2、給定一組初始可行的n_j，使其滿足約束條件2<n_j<4；B3、從n₁開始按照序號從小到大的順序，分別對m個路徑損耗系數(shù)中的每一個進(jìn)行迭代計算；其中，針對m個路徑損耗系數(shù)中的n_k，其中k∈{1,2,...,m}，從n_k＝2開始，利用所述公式二對n_k進(jìn)行迭代計算，步長為0.0005，并當(dāng)?shù)絥_k＝4時結(jié)束對n_k的迭代計算；在迭代計算的過程中，每一次迭代計算后判斷當(dāng)前結(jié)果是否滿足若當(dāng)前結(jié)果滿足則結(jié)束迭代計算，將當(dāng)前結(jié)果作為最優(yōu)解；否則，繼續(xù)迭代直到滿足為止。

目前，現(xiàn)有技術(shù)大多采用設(shè)定一個固定的路徑損耗n值，然后求解距離d，顯然路徑損耗與環(huán)境等諸多因素有關(guān)，設(shè)定固定值顯然會增加測量誤差。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明基于RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法無需事先設(shè)定路徑損耗n值，通過優(yōu)化算法，直接獲得最優(yōu)的測量距離d，提高了測量精度。

此外，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法則能夠利用多次測量來自錨節(jié)點的發(fā)射功率來減小由于固定方向遮擋而產(chǎn)生的定位偏差，從而能夠提高定位精度。

通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點將更加明顯。

附圖說明

本發(fā)明可以通過參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標(biāo)記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細(xì)說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分，而且用來進(jìn)一步舉例說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例和解釋本發(fā)明的原理和優(yōu)點。在附圖中：

圖1是示意性地示出本發(fā)明的基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法的一個處理示例的流程圖；

圖2是示出具有臨時障礙物的一個室內(nèi)定位環(huán)境的示意圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的元件僅僅是為了簡單和清楚起見而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對于其他元件放大了，以便有助于提高對本發(fā)明實施例的理解。

具體實施方式

在下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的示范性實施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡明起見，在說明書中并未描述實際實施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開發(fā)任何這種實際實施例的過程中必須做出很多特定于實施方式的決定，以便實現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費時的，但對得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。

在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。

本發(fā)明的實施例提供了一種基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法。

圖1是本發(fā)明的基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法的一個處理示例的流程圖。

如圖1所示，在該示例中，上述基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法開始之后，首先執(zhí)行步驟S110。

在步驟S110中，確定三個或更多個錨節(jié)點位置，并獲得上述三個或更多個錨節(jié)點的坐標(biāo)。例如，可以確定3個或5個錨節(jié)點，在該3個或5個錨節(jié)點上分別設(shè)置發(fā)射/接收設(shè)備(即天線)，并在未知節(jié)點(即待定位的位置)上設(shè)置發(fā)射/接收設(shè)備，以在未知節(jié)點與各個錨節(jié)點之間發(fā)射/接收信號。

然后，針對上述三個或更多個錨節(jié)點中的每一個錨節(jié)點，執(zhí)行如圖1所示的步驟S120-S140。

在步驟S120中，從上述未知節(jié)點向該錨節(jié)點發(fā)送多次RSSI請求指令。這樣，未知節(jié)點每次發(fā)送完一個RSSI請求指令，該錨節(jié)點收到該RSSI請求指令后，響應(yīng)于該RSSI請求指令而向上述未知節(jié)點發(fā)射信號(如通過發(fā)射天線)，未知節(jié)點接收到從該錨節(jié)點發(fā)射的信號，并測量該信號對應(yīng)的RSSI值。如此，可以在未知節(jié)點測得來自該錨節(jié)點的多個RSSI值。其中，每一個RSSI值例如是通過多次測量所取的平均值。

然后，在步驟S130中，在步驟S120中測得的上述來自該錨節(jié)點的多個RSSI值中選擇至少部分RSSI值。例如，可以從“在未知節(jié)點測得的來自該錨節(jié)點的多個RSSI值”之中去除最大值和最小值，將“在未知節(jié)點測得的來自該錨節(jié)點的多個RSSI值”去除了最大值和最小值后剩余的那些RSSI值作為上述“至少部分RSSI值”。

這樣，利用上述至少部分RSSI值以及預(yù)設(shè)的參考距離和參考RSSI值，根據(jù)RSSI法，可以獲得包含m個方程的欠定方程組，并將該方程組作為該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組。其中，m為所述至少部分RSSI值中包含的RSSI值個數(shù)，且m為大于2的正整數(shù)。

該欠定方程組中，未知量包括該錨節(jié)點與上述未知節(jié)點之間的待測距離d和m個路徑損耗系數(shù)n_j，其中，j＝1,2,…,m，用P_j表示上述至少部分RSSI值(包含m個RSSI值)中的第j個RSSI值，則n_j表示第j個路徑損耗系數(shù)(對應(yīng)于P_j)。

根據(jù)一種實現(xiàn)方式，針對該錨節(jié)點對應(yīng)的上述至少部分RSSI值中的每一個，可獲得如公式一所示的方程：

公式一：

d₀為參考距離(例如d₀＝1米)，P₀為參考RSSI值(即參考接收信號強度值)，d為該錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的待測距離，P_j為上述至少部分RSSI值中的第j個，n_j為與P_j對應(yīng)的路徑損耗系數(shù)。

其中，參考RSSI值是在上述未知節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)送RSSI請求指令后，在該未知節(jié)點測得的來自該參考節(jié)點的RSSI值。參考節(jié)點與上述未知節(jié)點之間的距離為上述參考距離d₀。

也即，該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組如公式二所示。

公式二：

其中，公式二所示的為一個欠定方程組。

然后，在步驟S140中，利用優(yōu)化算法求解該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組，以獲得該錨節(jié)點與上述未知節(jié)點之間的待測距離d。

由此，通過對每個錨節(jié)點分別執(zhí)行步驟S120-S140，可以獲得上述三個或更多個錨節(jié)點各自的欠定方程組。如，當(dāng)步驟S110中確定的錨節(jié)點個數(shù)為3時，則通過對每個錨節(jié)點執(zhí)行步驟S120-S140，可獲得3個欠定方程組；而當(dāng)步驟S110中確定的錨節(jié)點個數(shù)為5時，則通過對每個錨節(jié)點執(zhí)行步驟S120-S140，可獲得5個欠定方程組；等等。

然后，在步驟S150中，利用上述三個或更多個錨節(jié)點各自與未知節(jié)點之間的待測距離以及上述三個或更多個錨節(jié)點的坐標(biāo)，來計算上述未知節(jié)點的坐標(biāo)。

其中，在步驟S140中，例如可以采用下面描述的過程來實現(xiàn)“利用優(yōu)化算法求解該錨節(jié)點對應(yīng)的欠定方程組”的處理。

可以將公式二的方程組化為求解如下約束最優(yōu)化問題其中約束條件為線性約束，A為約束系數(shù)矩陣，b為約束向量?；舅悸肥菑目尚悬c出發(fā)，沿著目標(biāo)函數(shù)值減小的方向搜索求出新的可行點，如此迭代下去。這里，可行點是滿足約束條件的點。

公式二所示的方程組的實質(zhì)是尋找一組n(n₁,，n₂,，…n_m)，使得公式二的方程組中的每個方程求解得到的d值相等。

因此，可以構(gòu)建這里，

即如果每個方程計算得到d值相同，即則說明此時的d值為最優(yōu)解，這里路徑損耗系數(shù)n_j一般取2到4，因此將2＜n_j＜4(j＝1,2,…,m)作為約束條件，這一欠定方程組可歸結(jié)為在上述約束條件下的最優(yōu)化問題，即：

其中，d_j為公式二的方程組中第j個方程中的d；而為d₁至d_m的平均值。

然后，按照如下優(yōu)化方法來計算：

B1、設(shè)定迭代截止條件ε，使得當(dāng)時結(jié)束所有迭代計算，說明找到了合適的一組路徑損耗系數(shù)；

B2、給定一組初始可行的n_j，使其滿足約束條件2<n_j<4；

B3、從n₁開始按照序號從小到大的順序，分別對m個路徑損耗系數(shù)中的每一個進(jìn)行迭代計算；其中，針對m個路徑損耗系數(shù)中的n_k，其中k∈{1,2,...,m}，從n_k＝2開始，利用所述公式二對n_k進(jìn)行迭代計算，步長為0.0005，并當(dāng)?shù)絥_k＝4時結(jié)束對n_k的迭代計算；

在迭代計算的過程中，每一次迭代計算后判斷當(dāng)前結(jié)果是否滿足若當(dāng)前結(jié)果滿足則結(jié)束所有迭代計算，將當(dāng)前結(jié)果作為最優(yōu)解；否則，繼續(xù)迭代直到滿足為止。

例如，針對步驟B3可以按照如下方式執(zhí)行：

①從n_j＝2開始，根據(jù)公式二進(jìn)行迭代計算，步長為0.0005；

②先對n₁從2到4進(jìn)行逐步迭代，n₁的迭代結(jié)束后，再對n₂從2到4逐步迭代，以此類推；

其中，每迭代計算1次后，判斷結(jié)果是否滿足條件如果當(dāng)前結(jié)果滿足則將當(dāng)前的m個路徑損耗系數(shù)的值(即n₁、n₂、…、n_m)作為最優(yōu)解(此時不再進(jìn)行任何迭代計算了)；否則，繼續(xù)迭代直到滿足以上條件為止。

這里，“每迭代計算1次后”是指每變化一次步長完成一次迭代后。

下面描述基于本發(fā)明的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法的一個優(yōu)選實施例。

首先，建立錨節(jié)點坐標(biāo)庫，并對多個錨節(jié)點編號。

然后，未知節(jié)點不斷向每個錨節(jié)點發(fā)出RSSI請求指令；未知節(jié)點收到指令后，收集RSSI值，根據(jù)設(shè)定采集RSSI值次數(shù)，求平均，然后將多次RSSI值和對應(yīng)的錨節(jié)點坐標(biāo)同時采集，通過串口(或無線)方式上傳至計算機，例如采集10次RSSI值，則去掉一個最大值和一個最小值，減小測量誤差。最終8個作為測量值，列出8個方程組，然后利用梯度優(yōu)化算法，求解最終的d。

距離d測量準(zhǔn)確后，這樣，每個錨節(jié)點對應(yīng)一個d，則再結(jié)合三站定位原理，就可以實現(xiàn)定位。

目前，現(xiàn)有技術(shù)大多采用設(shè)定一個固定的路徑損耗n值，然后求解距離d，顯然路徑損耗與環(huán)境等諸多因素有關(guān)，設(shè)定固定值顯然會增加測量誤差。而本發(fā)明則無需事先設(shè)定路徑損耗n值，通過優(yōu)化算法，直接獲得最優(yōu)的測量距離d，提高了測量精度。

此外，現(xiàn)有技術(shù)中，在例如圖2的環(huán)境中，A、B、C和D為4個路由器，其位置分別已知；E為待測點。當(dāng)在在待測點E和路由器B之間設(shè)置一個臨時障礙物，則E點接收的來自B的信號將減弱，且其信號強度可能等于在沒有障礙物情況下E′點的信號強度，由此會給定位帶來誤差。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的基于優(yōu)化算法的RSSI室內(nèi)多徑散射定位方法則能夠利用多次測量來自錨節(jié)點的發(fā)射功率來減小由于固定方向遮擋而產(chǎn)生的定位偏差，從而能夠提高定位精度。

在一個實例中，采用實驗室內(nèi)承重立柱作為遮擋物，70*70cm，地面由60*60cm地板塊鋪設(shè)，接收端為手機(作為未知節(jié)點)，下載了一個wifi信號測量APP——WiFi分析儀，多次測量來自wifi的信號強度，來研究在無遮擋和有遮擋情況下，信號強度衰減的規(guī)律差別。此外，當(dāng)指紋地圖中有臨時遮擋物(如人走動經(jīng)過)出現(xiàn)情況下，利用多次測量待測點信號，基于提出的優(yōu)化算法解決由于遮擋物在某一方向路由器發(fā)射信號誤差的方法。實驗結(jié)果如表1-表3所示。

表1

表2

表3

盡管根據(jù)有限數(shù)量的實施例描述了本發(fā)明，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發(fā)明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對于本發(fā)明的范圍，對本發(fā)明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。