專利名稱：基于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NLOS定位誤差消除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于自組織(Ad-hoc)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信號非直達傳播(NLOS)定位誤差消 除方法，不僅提高了在NLOS誤差統(tǒng)計模型不確知條件下的蜂窩網(wǎng)定位魯棒性，而且還可以通 過調(diào)整參與定位的中繼手機用戶數(shù)量，來滿足不同手機用戶的定位精度要求。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)無線定位方法，主要通過測量基站與待定位手機用戶之間的信號到達時間 (TOA) /到達時間差(TD0A)，利用基于網(wǎng)絡(luò)的圓周或雙曲線定位方法確定用戶的位置。蜂窩 網(wǎng)無線定位的精度，受通信系統(tǒng)的噪聲和信號非直達(NLOS)傳播兩方面的影響。其中，由 信號NLOS傳播引起的延時誤差通常達到幾百米到上千米，是影響蜂窩網(wǎng)無線定位精度的主要 因素。通信系統(tǒng)噪聲引起的誤差，通?？梢钥醋魇且粋€均值為零的加性高斯隨機變量；而信 號NLOS傳播引起的延時誤差，則沒有非常明確的統(tǒng)計模型來描述。
為了減少信號NLOS傳播所引起的延時誤差，人們提出了許多的方法。 一種方法是對含有 NLOS誤差的測量數(shù)據(jù)進行修正，利用修正后的數(shù)據(jù)對手機用戶進行定位；另一種方法是對含 有NLOS誤差的測量數(shù)據(jù)進行舍棄或加權(quán)處理，然后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)確定手機用戶的位置； 此外，還提出了有約束的優(yōu)化方法和特征數(shù)據(jù)庫方法對手機用戶進行定位。然而，由于發(fā)射 能量的限制，這些方法只能利用三至四個基站所提供的測量數(shù)據(jù)對手機用戶進行定位，有很 大的局限性。特別是多個基站與手機用戶之間存在信號NLOS傳播路徑時，定位精度顯著下降。 與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)相比，Ad-hoc自組織無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于具有空間復用度高，發(fā)射能量低等特 點，已成為未來無線通信領(lǐng)域研究的熱點。將傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，充分 利用基站和中繼手機用戶提供的信號強度(RSS)、信號到達時間(TOA) /到達時間差(TDOA) 等測量數(shù)據(jù)來提高定位精度，正日益引起國內(nèi)外通信研究人員的廣泛關(guān)注。然而，如何將 Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于蜂窩網(wǎng)中的NLOS定位誤差消除，如何解決由此帶來的定位計算量增加 等問題，國內(nèi)外的研究中卻很少涉及。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)定位中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于Ad-hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NLOS 定位誤差消除方法，能夠顯著提高信號非直達傳播(NLOS)傳播條件下的定位精確度。 本發(fā)明提出的基于Ad-hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NLOS定位誤差消除方法，包括以下步驟 (1)利用時間-測量距離曲線判定待定位手機與基站和中繼手機的信號傳播狀態(tài)，具體方 法是
a在每一參與定位的基站端和中繼手機端對測得的時間-測量距離曲線用正交多項式進行 擬合；
b計算擬合曲線相對于時間-測量距離曲線的均方差，并計算均方差與系統(tǒng)噪聲方差的偏
差；
c設(shè)定一個判決門限值，該門限值根據(jù)蜂窩網(wǎng)的外場實際測量得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定， 一般 取值為1，如果步驟b中的偏差與系統(tǒng)噪聲方差的比值超過此門限，則判定基站與待定位手 機之間為非直達傳播，反之則判定為直達傳播；d如果基站與待定位手機之間的信號傳播狀態(tài)為非直達傳播，則選取適當數(shù)量的中繼手
機；
(2)利用中繼手機替代信號傳播狀態(tài)為非直達的基站參與定位，通過中繼手機與待定位 手機之間的到達時間測量值來消除非直達傳播誤差的影響，具體方法為
a根據(jù)信號傳播狀態(tài)為非直達傳播(NL0S)的基站數(shù)目，確定參與定位的中繼手機的數(shù)
b選取相應數(shù)量的中繼手機，并通過中繼手機各自的定位基站，利用傳統(tǒng)的圓周定位方 法或雙曲線定位方法計算其位置；
C測量中繼手機與待定位手機之間的信號到達時間，并將到達時間轉(zhuǎn)換為距離；
d利用信號傳播狀態(tài)為直達傳播的基站端的距離測量值和中繼手機端的距離測量值，通 過數(shù)據(jù)融合的定位算法得到待定位手機的最小二乘法位置估計。
步驟(2) a中所述的參與定位的中繼手機是指與定位基站和待定位手機用戶之間均存在 信號直達傳播路徑且能與待定位手機進行了 Ad-hoc單跳通信的手機。
本發(fā)明能有效地消除因NLOS傳播引起的延時誤差，可以廣泛應用于蜂窩網(wǎng)手機用戶的定 位服務。與國內(nèi)外同類研究相比，該方法對NLOS誤差的統(tǒng)計模型依賴度較低，且定位的精度 明顯提高。同時可以很容易地將部分裝有GPS定位系統(tǒng)的手機作為中繼手機，充分利用精確 度較高的GPS手機用戶位置信息，進一步提高NL0S傳播條件下的定位精確度。本發(fā)明不僅計 算量穩(wěn)定，而且魯棒性較好。


圖1是本發(fā)明定位方法的原理示意圖。 圖2是本發(fā)明定位方法的流程圖。
圖3是僅有一個基站的距離測量值存在NL0S誤差時，利用本發(fā)明獲得的定位誤差曲線圖。 圖4是兩個基站的距離測量值存在NL0S誤差時，利用本發(fā)明獲得的定位誤差曲線圖。 圖5是三個基站的距離測量值均存在NL0S誤差時，利用本發(fā)明獲得的定位誤差曲線圖。 圖6是利用本發(fā)明中的方法與利用測量距離修正的方法進行定位時的誤差對比圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明提出的基于Ad-hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NLOS定位誤差消除方法是如果 判定基站1與待定位手機之間的信號傳播狀態(tài)為NLOS,基站2和基站3與待定位手機之間的 信號傳播狀態(tài)為L0S，則選取中繼手機1和中繼手機2，首先利用中繼手機1和2各自的定位 基站，通過基于網(wǎng)絡(luò)的T0A/TD0A定位算法確定中繼手機1和2的位置坐標，然后在中繼手機 1和2端得到待定位手機信號的到達時間測量值，并以此替代基站1端測得的含有NL0S誤差 的到達時間測量值，最后結(jié)合基站2和3端得到的待定位手機信號到達時間測量值，通過基 于數(shù)據(jù)融合的定位算法得到待定位手機的最小二乘位置估計。
同理，如果基站2或基站3與待定位手機之間也存在著信號NL0S傳播路徑，則我們也可 以采用同樣的方法替代基站2或3端含有NLOS誤差的到達時間測量值，并通過基于數(shù)據(jù)融合 的定位算法估計待定位手機的位置。
圖2給出了本發(fā)明的流程圖，具體實施步驟如下
1.監(jiān)測待定位手機與其定位基站之間的信號傳播狀態(tài)。具體方法是在每個定位基站端測量待定位手機的信號到達時間序列，并將到達時間序列
轉(zhuǎn)換為測量距離序列"C)，J-GJ，…，M — 1，然后利用正交多項式 '=。對測量距離序列
擬合，其中，M是采樣點個數(shù)；N是擬合的階數(shù)。根據(jù)測量噪聲誤差模型確定誤差的方差"
同時計算測量距離序列與擬合序列之間的均方差
<formula>formula see original document page 5</formula>，并設(shè)定一個判決
門限值。如果 CTm 大于這個門限值，則判定基站與待定位手機之間的信號傳播狀態(tài)為
NL0S，反之則判定為直達(LOS);
2.如果所有參與定位的基站與待定位手機之間的信號傳播狀態(tài)均為L0S，則利用公式
X = A—"Y求得待定位手機的位置。 其中，
<formula>formula see original document page 5</formula>
= l'2'3為參與定位基站的位置坐標，^"1'2'3為基站與待定位手機之間的測量距離。
3. 如果參與定位的某一基站與待定位手機之間的信號傳播狀態(tài)為NL0S，則根據(jù)選取一定 數(shù)量的中繼手機(與定位基站和待定位手機用戶之間均存在直達傳播路徑且能與待定位手機 進行了 Ad-hoc單跳通信的手機)，然后利用基于網(wǎng)絡(luò)的T0A/TD0A定位算法通過各自的定位基 站計算中繼手機的位置坐標；
4. 測量中繼手機與待定位手機之間的信號到達時間序列并轉(zhuǎn)換為到達距離序列。
5. 如果參與定位的其中兩個或全部基站與待定位手機之間的信號傳播路徑為NL0S，則 重復步驟3和4。
6. 利用信號傳播狀態(tài)為LOS的定位基站端、中繼手機端的距離測量序列，通過基于數(shù)據(jù)
融合的定位算法計算得待定位手機的最小二乘位置估計X = Ar'ATY ， 其中，
<formula>formula see original document page 5</formula>
"，乂)，/ = 2'3為參與定位基站的位置坐標，。"=2'3為基站與待定位手機之間的測量距離； (x'，^)，z、4'5，…為參與定位的中繼手機的位置坐標，巧"、4'5'…為參與定位的中繼手機與待定 位手機之間的測量距離。圖3給出了僅有一個基站的距離測量值存在NLOS誤差時，利用本發(fā)明定位誤差消除方法 獲得的定位誤差曲線圖。從圖中可以看出，選用8臺中繼手機參與定位時，定位精度能夠達 到穩(wěn)定。
圖4給出了兩個基站的距離測量值存在NL0S誤差時，利用本發(fā)明定位誤差消除方法獲得 的定位誤差曲線圖。從圖中可以看出，選用20臺中繼手機參與定位時，定位精度能夠達到穩(wěn) 定。
圖5給出了三個基站的距離測量值均存在NL0S誤差時，利用本發(fā)明定位誤差消除方法獲 得的定位誤差曲線圖。從圖中可以看出，選用25臺中繼手機參與定位時，定位精度能夠達到 穩(wěn)定。
從圖3、圖4和圖5中可以看出，選擇一定數(shù)量的中繼手機參與定位，在不同的測量噪 聲條件下，均能夠達到較高的定位精度要求。表明本發(fā)明的方法不僅計算量穩(wěn)定，而且定位 方法的魯棒性較好。
圖6給出了其他相關(guān)文獻中利用測量距離修正值定位的誤差曲線圖。從圖中可以看出， 與之相比，利用本發(fā)明中的方法可以達到其測量噪聲較低時的定位精度。
權(quán)利要求
1.一種基于Ad-hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NLOS定位誤差消除方法，包括以下步驟(1)利用時間-測量距離曲線判定待定位手機與基站和中繼手機的信號傳播狀態(tài)，具體方法是a在每一參與定位的基站端和中繼手機端對測得的時間-測量距離曲線用正交多項式進行擬合；b計算擬合曲線相對于時間-測量距離曲線的均方差，并計算均方差與系統(tǒng)噪聲方差的偏差；c設(shè)定一個判決門限值，該門限值根據(jù)蜂窩網(wǎng)的外場實際測量得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定，取值為1，如果步驟b中的偏差與系統(tǒng)噪聲方差的比值超過此門限，則判定基站與待定位手機之間為非直達傳播，反之則判定為直達傳播；d如果基站與待定位手機之間的信號傳播狀態(tài)為非直達傳播，則選取適當數(shù)量的中繼手機；(2)利用中繼手機替代信號傳播狀態(tài)為非直達的基站參與定位，通過中繼手機與待定位手機之間的到達時間測量值來消除非直達傳播誤差的影響，具體方法為a根據(jù)信號傳播狀態(tài)為非直達傳播的基站數(shù)目，確定參與定位的中繼手機的數(shù)量；b選取相應數(shù)量的中繼手機，并通過中繼手機各自的定位基站，利用傳統(tǒng)的圓周定位方法或雙曲線定位方法計算其位置；c測量中繼手機與待定位手機之間的信號到達時間，并將到達時間轉(zhuǎn)換為距離；d利用信號傳播狀態(tài)為直達傳播的基站端的距離測量值和中繼手機端的距離測量值，通過數(shù)據(jù)融合的定位算法得到待定位手機的最小二乘法位置估計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Ad-hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NL0S定位誤差消除方法，其特征在于 步驟(2) a中所述的參與定位的中繼手機是指與定位基站和待定位手機用戶之間均存在信號 直達傳播路徑且能與待定位手機進行了 Ad-hoc單跳通信的手機。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于Ad-hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NLOS定位誤差消除方法，首先在基站端測量待定位手機用戶的信號到達時間序列，然后將到達時間序列轉(zhuǎn)換為到達距離序列，并對到達距離序列進行擬合，求得擬合序列相對于到達距離序列的均方差，與系統(tǒng)噪聲方差進行比較，判定基站與待定位手機之間的信號傳播狀態(tài)。如果判定傳播狀態(tài)為NLOS，則選擇一定數(shù)目的中繼手機并測量得到中繼手機與待定位手機之間的到達時間序列，替代定位基站端測得的含有NLOS誤差的到達時間序列進行定位。通過基于數(shù)據(jù)融合的定位算法得到待定位手機用戶位置的最小二乘解。本發(fā)明能有效地消除因NLOS傳播引起的延時誤差，對NLOS誤差的統(tǒng)計模型依賴度較低且定位精度高。
文檔編號H04Q7/38GK101282577SQ20081001499
公開日2008年10月8日 申請日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者琚 劉, 孫建德, 林 薛, 陳素梅 申請人:山東大學