基于信道状态信息的参与式感知导航关键技术研究

With a rapid development of wireless communication technologies and location-based services recently, one fundamental research problem is the design of a real-time participatory sensing navigation (PSN) service with high fidelity. In this project, we plan to comprehensively study three key issues of PSN from both theoretical and practical two perspectives. First, we will study the feasibilities of the mobile context sensing based on the crowd-sourcing and the cooperative space construction. We target to propose a theoretical methodology that gets rid of intensive labor force, special equipment and prior context knowledge. Through an on-line learning and a gradual noise removing, we aim at ensuring the navigation to be viable in both theory and practice for the first time. Second, based on the state-of-the-arts of the wireless channel state information (CSI) acquisition and the high-fidelity and the radio map construction techniques, we plan to propose a theory and a solution that can largely battle the path-selective fading, the multi-path effect, and the timing varying nature of the wireless channel. By so doing, we can satisfy the sufficient and necessary conditions of the wireless based navigation, which guarantees that the solution possesses high efficiency in both theory and practice for the first time. Third, based on above two studies, we plan to further study a novel wireless channel estimation strategy and propose a seamless transition scheme between the satellite-based navigation and the networking-based navigation. With such a design, we can avoid a frequent transition caused by false-positive and false-negative adjustments. In addition, we can reduce the costs of the equipment maintenance and the human management and improve the applicability and feasibility of our design in this project.

无线通信技术和基于位置服务近年得到迅猛发展，高精实时的参与式感知导航是其中最主要的基础性问题之一。本项目从基本理论和实现方法两个角度研究参与式感知导航的三个基础科学问题：研究基于众包的参与式移动环境感知和协同空间构造思想的可行性问题，提出能够不依赖人工勘测、特定设备和前置学习的理论方法，通过在线学习和逐级去噪确保该导航思想在理论和实践中首次具备可行性和可扩展性；研究基于信道状态信息实时获取的高精度无线电地图构造方法，提出能够不受路径衰落、多径效应和时变干扰影响的室内导航理论和方法，有效满足无线网络导航的充分和必要条件，确保该方法在理论和实践上首次具备可行性和高效性；在此基础上，研究基于信道状态信息估计的导航策略，提出卫星导航与网络导航环境无缝自适应切换机制，避免导航路径中由于假阳/阴性误判引起的频繁切换，从而降低由不良路径信息引起的人员和移动设备开销，提高导航系统可用性和可扩展性。

近年来，设备无关的室内定位和导航技术受到学术界和工业界广泛关注。在人机交互、健康监护、室内活动探测等领域具有重要的经济价值和社会意义。信道状态信息是隐含于无线通信过程中，刻画环境与通信信号交互的重要信息。与普遍采用的信号接收强度相比，其在粒度和保真度上均存在自然优势。项目利用现有商用网络设备获取信道状态信息，主要围绕以下四个方面展开工作：基于商用移动设备的个体识别，参与式感知的冷启动方法，基于时变稀疏信道的导航地图构造和基于物理空间识别和移动性估计的导航模式自适应。提出基于紧急区域动态性主动预测的振荡免除导航方法—OPEN，该协议通过对无线传感器网络节点通信信号传输拓扑和强度变化感知推测环境变化和导航路径变化，大大降低发生局部性移动震荡的概率。提出基于压缩传感的无线传感器网络动态路由重建方法。该方法把整个网络作为路径表 示空间，在这个空间中用一个路径向量表示任意路由路径，通过压缩感知技术从数据包中的小部分来复原路径向量 (表示路径)。提出基于信道状态信息的被动式行为检测方法，通过 CSI 的幅值信息方差得到 CSI 幅值的分布，进而使用 Earth Mover’s Distance 算法区分代表不同环境特征的特征类型，最后使用 MIMO 多数据流提高检测准确度。提出基于信道状态信息子载波特征差分的人体移动和步态检测方法，通过分析人体行为与 CSI 子载波的相关性发现不同子载波对人体行为存在敏感差异性，进而提出基于离散小波变换的信道状态信息子载波特征差分算法，设计设备无关的人体移动检测。提出并行室内路图生成和行人导航技术，针对信标位置或地图信息作 为先验知识,使得现有大量室内导航协议的可扩展性和可靠性严重下降的问题, 研究使用智能手机上商用传感器完成并行完成室内路图的在线生成和行人导航。提出基于稀疏参与式感知和路网相关性的交通流量估计方法，这一模型在整个路网中所 有路段交通状况的稀疏采样条件下工作。利用这些稀疏采样数据,这一方法可以估计整个城市范围的交通流量状况，从而降低交通流量数据大量交互和传输在交 通拥塞管理中的开销。