基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，屬于無線網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)探測與跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】。利用聚類找到由陰影衰落鏈路構(gòu)成的交點(diǎn)集合，集合的中心作為初始時(shí)刻目標(biāo)位置的估計(jì)，通過Kalman濾波利用目標(biāo)運(yùn)動模型和上個(gè)時(shí)刻的定位結(jié)果得到當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)位置的估計(jì)從而刪除距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)的干擾鏈路，最后通過陰影衰落鏈路進(jìn)行RTI成像，在RTI基礎(chǔ)上利用Kalman更新得到目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻位置?；谶\(yùn)動預(yù)測排除非陰影衰落鏈路的影響，有效地消除虛假目標(biāo)，且更準(zhǔn)確突出由于目標(biāo)存在引起的衰減效應(yīng)，從而使多徑環(huán)境下目標(biāo)定位更精確，提高了成像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)動態(tài)跟蹤。
【專利說明】基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像増強(qiáng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種無線層析成像系統(tǒng)定位方法，尤其是一種基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾 鏈路的無線層析成像系統(tǒng)更精確測量定位模型，屬于無線網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)探測與跟蹤技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線層析成像（RTI)是一種利用無線節(jié)點(diǎn)來定位跟跟蹤目標(biāo)的技術(shù)，它根據(jù)監(jiān)測 區(qū)域中目標(biāo)遮擋造成的鏈路衰減來對監(jiān)測區(qū)域成像，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位跟蹤。無線層析成 像技術(shù)不需要目標(biāo)攜帶任何裝置，并且它只需要無線節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度化S巧值，現(xiàn)在 大多數(shù)無線設(shè)備都可W提供。因此該技術(shù)可W很方便的擴(kuò)展到現(xiàn)在已有的網(wǎng)絡(luò)中而不需要 添加任何硬件。該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，如；室內(nèi)監(jiān)控、火災(zāi)救援等。
[0003] 目前無線層析成像技術(shù)的室內(nèi)應(yīng)用還不是很成熟，誤差較大，室內(nèi)環(huán)境下改善無 線層析成像性能的一些技術(shù)都沒考慮到鏈路干擾的問題，在室內(nèi)環(huán)境下，并非是所有的鏈 路衰減都是由視距（LO巧路徑被遮擋引起，也就是說并不是所有的衰減鏈路都是陰影衰落 鏈路。事實(shí)上，功率較大的多徑被遮擋或是由多徑造成的快衰落都可W引起鏈路衰減，如果 直接利用該些鏈路來成像，將會使成像質(zhì)量和定位精度產(chǎn)生很大誤差。
[0004] 當(dāng)目標(biāo)在監(jiān)測區(qū)域里運(yùn)動時(shí)，對于某兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)之間的鏈路而言，目標(biāo)對該鏈 路的影響可W分為兩種情況；LOS路徑被遮擋和LOS路徑未被遮擋的情況，如圖1和圖2所 示。圖1和圖2中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間存在著4條傳輸路徑，其中一條為LOS路徑，另 外3條為反射路徑。該里只是為了便于分析，實(shí)際上室內(nèi)多徑的數(shù)目遠(yuǎn)大于4條。我們知 道本例中3條路徑的傳播路徑是固定不變的，在不同的時(shí)刻該些路徑的信號有可能會被目 標(biāo)遮擋，但是該些信號的傳播路徑是不變的，即每條路徑在不同時(shí)刻的唯一區(qū)別為是否被 目標(biāo)遮擋。如圖1中，LOS路徑被遮擋即直射路徑（LOS路徑）受到遮擋。如圖2中，LOS路 徑未被遮擋，第3條路徑受到遮擋，而第2條路徑在兩種情況即圖1和圖2中完全一樣。第 4條路徑是由于目標(biāo)的反射和散射產(chǎn)生，其傳播路徑跟目標(biāo)的位置有關(guān)，因此該條路徑是時(shí) 變的。
[0005] 假設(shè)LOS路徑的信號為第2,3條反射路徑并非由目標(biāo)產(chǎn)生，假設(shè)該兩條路 徑的信號為，丫 P表示第P條路徑是否被遮擋，如果丫 p= 1則表示第P條 路徑?jīng)]有被目標(biāo)遮擋，反之丫 p=0則表示第P條路徑被目標(biāo)遮擋。第4條路徑信號由目 標(biāo)的反射或者散射產(chǎn)生，因該條路徑是時(shí)變的，假設(shè)該類路徑信號為。該里Ap和 0p(p = 1,2,3……）表示第P條路徑接收信號的幅度和相位，那么鏈路1在離散時(shí)刻t = 1，2,....時(shí)的接收信號強(qiáng)度RSS值為：
[0006]

【權(quán)利要求】
1.基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其特征在于，包含如下 步驟： 步驟一：當(dāng)目標(biāo)位于監(jiān)測區(qū)域時(shí)，測量各鏈路接收信號強(qiáng)度即RSS值的變化： 步驟1. 1 :配置節(jié)點(diǎn) 監(jiān)測區(qū)域位于x〇y坐標(biāo)平面，〇為坐標(biāo)原點(diǎn)；將n個(gè)無線節(jié)點(diǎn)等距離部署在監(jiān)測區(qū)域 周圍，所有節(jié)點(diǎn)都被放置在同一個(gè)x〇y坐標(biāo)平面上即所有節(jié)點(diǎn)放置的高度相同，且每個(gè)節(jié) 點(diǎn)被分配一個(gè)唯一的ID號作為標(biāo)識，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)已知，為（aq，f3q)，q= 1，2，...，n， 其中q為節(jié)點(diǎn)編號；這些無線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成L=n(n-l)/2條無線鏈路； 每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)定的協(xié)議和時(shí)序發(fā)送信號，并且接收及測量其它節(jié)點(diǎn)所發(fā)的無線 信號的RSS值，S卩：在t時(shí)刻，編號為q的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并測量接收信號 強(qiáng)度；在下個(gè)時(shí)刻，編號為q+1的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并測量接收信號強(qiáng)度； 步驟1. 2 :測量第1條鏈路在t時(shí)刻的RSS變化量Ari，t: 首先測量監(jiān)測區(qū)域沒有目標(biāo)時(shí)，每條鏈路的RSS值為ri，其中1是該鏈路的編號；然后 測量目標(biāo)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)時(shí)每條鏈路在離散時(shí)刻t= 1，2,....的RSS值ri，t，從而得到第1 條鏈路在t時(shí)刻的RSS值的變化量為：
Ar1;t為負(fù)值表示出現(xiàn)衰減； 步驟二：對步驟一獲得的每條鏈路在t時(shí)刻的RSS值的變化量Ari，t進(jìn)行處理，得到當(dāng) 前時(shí)刻的衰落鏈路集lt; 步驟2. 1 :在當(dāng)前時(shí)刻t，每條鏈路接收到的RSS變化量首先經(jīng)過滑動平均濾波 器以消除快變的噪聲，2?+1為滑動濾波器窗長； Aru為鏈路1在t-? <i<t+?時(shí)刻的RSS值的變化量，那么濾波之后鏈路1在t時(shí)刻的RSS變化量為：
步驟2. 2 :設(shè)定一個(gè)閾值，去掉衰減不明顯的鏈路；S卩，如果離散時(shí)刻t= 1，2,....時(shí) 鏈路1滿足下面的公式就稱該時(shí)刻鏈路1是衰減鏈路：
其中，是衰減閾值，則t時(shí)刻衰落鏈路集為：
步驟三：獲得t時(shí)刻衰落鏈路集1沖所有衰減鏈路的交點(diǎn)（uk，vk)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)構(gòu)成 的集合，即交點(diǎn)集合Pt; 步驟四：在初始時(shí)刻t= 1時(shí)獲得目標(biāo)的初始位置(名，5\); 步驟4. 1 :用聚類算法將步驟三中獲得的t時(shí)刻的衰減鏈路的交點(diǎn)集合Pt按照聚類特 性分組，以找到具有明顯聚集的類； 假設(shè)K是t時(shí)刻交點(diǎn)集合聚類的個(gè)數(shù)，Op是t時(shí)刻聚類j中交點(diǎn)的集合，| 表 示聚類j中點(diǎn)的數(shù)目；找到t時(shí)刻下每個(gè)聚類的中心位置使下面的目標(biāo)函數(shù)最 小化：
這里（cx，j，Cy，j)是t時(shí)刻下聚類j即交點(diǎn)集合〇 的中心位置坐標(biāo)； 步驟4. 2 :t時(shí)刻初始化K= 1并假設(shè)聚類j為該時(shí)刻包含交點(diǎn)最多的聚類，檢測該類
閾值；如果滿足則迭代終止，否則K值加1，返回步驟4. 1找到使公式（11)所示目標(biāo)函數(shù)最 小化的（Cx，」，Cy，p;最終獲得t時(shí)刻下聚類的個(gè)數(shù)K; 步驟4. 3 :選擇一個(gè)聚類作為陰影衰落鏈路交點(diǎn)的集合；一般陰影衰落鏈路交點(diǎn)集合 中交點(diǎn)的數(shù)目最大，因此這些L0S路徑被遮擋的鏈路的交點(diǎn)的集合和初始位置可以由下式 給出：
聚集特性的類，（天，兌）是目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻位置的坐標(biāo)估計(jì)；當(dāng)t= 1時(shí)為初始時(shí)刻，可以獲得 初始時(shí)刻目標(biāo)位置為(名，夕1); 步驟五：基于Kalman濾波預(yù)測在離散時(shí)刻t時(shí)目標(biāo)的位置 t多2時(shí)，根據(jù)前一時(shí)刻即t-1時(shí)刻的目標(biāo)位置來估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻即t時(shí)刻目標(biāo)的位置， 當(dāng)t= 1時(shí)為初始時(shí)刻，初始時(shí)刻的目標(biāo)位置為步驟4. 3獲得的(七允）；假設(shè)目標(biāo)在監(jiān)測區(qū) 域內(nèi)為勻速運(yùn)動，那么目標(biāo)的運(yùn)動方程為
根據(jù)目標(biāo)的勻速運(yùn)動模型，可知：
XtS4維的狀態(tài)變量，包括目標(biāo)坐標(biāo)和速度；T是對目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)的采樣時(shí)間間隔，木 和幺分別是目標(biāo)在t時(shí)刻在監(jiān)測區(qū)域xoy平面的x方向速度和y方向速度，（xt，yt)是目標(biāo) 在t時(shí)刻在監(jiān)測區(qū)域xoy平面內(nèi)的位置坐標(biāo)；假設(shè)xoy平面的x方向和y方向上的噪聲et
=[ex，t，ey，t]T是高斯分布，噪聲的協(xié)方差矩陣是 其取值根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動 狀態(tài)確定； 接下來通過Kalman濾波得到目標(biāo)在t時(shí)刻的位置坐標(biāo)估計(jì)值：假設(shè)t時(shí)刻得到的目標(biāo) 位置觀測量即目標(biāo)的二維坐標(biāo)為Yt，其中t= 1時(shí)刻目標(biāo)位置從目標(biāo)初始位置估計(jì)得到即 步驟4. 3獲得的(名，丸），t彡2時(shí)刻目標(biāo)位置觀測量Yt從無線層析成像的成像結(jié)果中獲 得，Yt和Xt的關(guān)系是：
其中假設(shè)^是均值為零、協(xié)方差矩陣為R=c^I的服從高斯分布的觀測誤差，<是測 量誤差的方差；觀測矩陣H為：
那么根據(jù)下式Kalman濾波理論得到目標(biāo)在t時(shí)刻的位置估計(jì)為
其中Pt|w是t-1時(shí)刻最小均方誤差矩陣對t時(shí)刻最小均方誤差矩陣的預(yù)測，被稱為 最小預(yù)測均方誤差矩陣，t_l時(shí)刻最小均方誤差矩陣；K1是t時(shí)刻Kalman增益； 是t-1時(shí)刻對t時(shí)刻目標(biāo)狀態(tài)變量的預(yù)測；&_1|M:是目標(biāo)在t-1時(shí)刻的狀態(tài)變量， (天1,-1，為狀態(tài)變量夂im的前兩個(gè)元素； 步驟六：根據(jù)得到的目標(biāo)位置估計(jì)，戈m)刪除衰減鏈路集it中的非陰影衰落鏈 路，得到陰影衰落鏈路子集lt;方法如下： 若點(diǎn)（Uk，vk)elt是陰影衰落鏈路的交點(diǎn)，那么目標(biāo)和該交點(diǎn)之間的距離必須滿足：
其中bid是上一步中根據(jù)t-l時(shí)刻的目標(biāo)位置得到t時(shí)刻目標(biāo)位置坐標(biāo)的估計(jì) 值，Rth為距離閾值，其取值大于步驟4. 2中的距離閾值R;如果交點(diǎn)不滿足公式（18)這個(gè)條 件，則判定這個(gè)交點(diǎn)不是陰影衰落鏈路的交點(diǎn)，從而在衰減鏈路的交點(diǎn)集合中去掉該交點(diǎn)， 即得到衰減鏈路中滿足公式（18)的交點(diǎn)集合，這些交點(diǎn)所在的衰減鏈路構(gòu)成t時(shí)刻陰影衰 落鏈路集合11; 步驟七：根據(jù)上述步驟所得的陰影衰落鏈路集合得到目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻的位置觀測量； 方法如下： 監(jiān)測區(qū)域的xoy平面被分割成網(wǎng)格，Au是網(wǎng)格的邊長，隊(duì)和N。分別是每行和每列包 含的網(wǎng)格個(gè)數(shù)，無線層析成像的權(quán)重矩陣
，其中d= 1，2,....，隊(duì)XN。表 示網(wǎng)格號，|lt|表示t時(shí)刻陰影衰落鏈路集合中陰影衰落鏈路的數(shù)目；
將孓中的元素按列堆棧排列成隊(duì)XN。的二維矩陣即可成像；圖像中最亮點(diǎn)被視為目標(biāo)的位 置值，則由下面公式給出成像結(jié)果從而獲得的目標(biāo)位置為：
Yt是步驟五中所述的目標(biāo)的位置觀測量即目標(biāo)的二維坐標(biāo)，用來更新Kalman濾波 器的目標(biāo)位置觀測量；符號L」:表示對數(shù)據(jù)向下取整，D表示衰減最大的網(wǎng)格的序號， 1 ^D^NrNc； 步驟八：獲得目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻位置更新： 根據(jù)下面的Kalman濾波理論得到目標(biāo)在t時(shí)刻的位置更新：
其中PtIt為t時(shí)刻最小均方誤差矩陣，東|;是t時(shí)刻的狀態(tài)變量；&的前兩個(gè)元素 (七，九,）即為t時(shí)刻目標(biāo)位置的更新值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，所述的n個(gè)無線節(jié)點(diǎn)均支持IEEE802. 15. 4協(xié)議。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，步驟1. 1中，各節(jié)點(diǎn)按照令牌環(huán)的方式按序依次發(fā)送和接收信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，步驟2. 1中，滑動濾波器窗長的取值范圍為3?7。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，步驟2. 2中，的取值范圍為-ldB?-3dB。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，步驟三中，獲得任意兩條鏈路的交點(diǎn)坐標(biāo)的方法如下： 在t時(shí)刻，假設(shè)屬于集合lt的一條鏈路的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為（ai，和（cip0P， 屬于^的另一條鏈路的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為（am，和（an，f3n)，那么這兩條鏈路的交 點(diǎn)坐標(biāo)（uk,vk)滿足：
其中[r1表示求矩陣的逆矩陣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，步驟4. 1中，聚類算法采用K-means。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，步驟4. 1中，預(yù)設(shè)的距離閾值R取值為目標(biāo)輪廓的半徑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于運(yùn)動預(yù)測刪除干擾鏈路的室內(nèi)無線層析成像增強(qiáng)方法，其 特征在于，步驟七中利用橢圓權(quán)重模型得到無線層析成像的權(quán)重矩陣。
【文檔編號】H04W24/08GK104486833SQ201410680747
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】王正歡, 劉珩, 倪亞萍, 許勝新, 辛怡, 安建平, 卜祥元 申請人:北京理工大學(xué)