室内复杂环境下无线定位关键技术研究

In the complicated indoor environment, the wireless signals get attenuated, slow down and get dispersed because of the influence of furniture, persons, walls and other obstacles, which cause the NLOS (Non Line of Sight) and the multipath problems. So the traditional outdoor localization techniques will cause large errors when used in indoor environment. The key techniques of wireless indoor localization in the complicated indoor environment are studied in this project. On the basis of previous study on context awareness position information, The Ray-tracing model proposed by our research group for indoor wireless based on the virtual stations will be improved to realize cooperative localization by TOA (time of arrival), DOA (direction of arrival) and RSS (received signal strength) in order to deal with the NLOS and multipath problems and improve the indoor localization accuracy in the situations where the multiple scattering exist. The localization errors will be analyzed and the CRB (Cramer-Rao bound) will be deduced. The estimation methods of the location parameters in the complicated indoor environment, where the amount of snapshots is limited, will be also studied. The sparse spectral estimation methods will be utilized to estimate the TOA and DOA of wideband chirp signals. The fast algorithm of it will be also studied. This project will improve the accuracy of the indoor localization systems in the conditions where the multiple scattering paths exist and the amount of snapshots is limited, and make contributions to the development of the context-aware service.

在室内复杂环境中，由于家具、人员以及墙壁等障碍物的影响，使无线信号的能量衰减、传播速度及方向发生变化，产生非视距传播及多径传播问题，导致传统的室外无线定位技术在室内环境中会产生比较大的误差。本课题旨在研究室内复杂环境下，无线定位的关键技术。在前期关于情景感知位置信息的研究基础上，针对多径及非视距问题，完善课题组提出的基于虚拟基站的室内无线信号Ray-tracing模型，实现TOA、DOA和RSS的协同定位，以提高在复杂室内环境特别是存在信号多重散射的条件下无线定位的精度，并对定位误差进行分析，推导克拉美罗界；在室内复杂环境中，针对快拍数受限的条件下位置参数的获取方法进行研究，利用稀疏谱估计理论，实现宽带Chirp信号的短快拍TOA、DOA联合估计并研究其快速算法。本课题将提高室内定位系统在信号存在多重散射以及快拍数受限等复杂环境下的定位精度，为情景感知服务的发展做出贡献。

随着无线通讯技术的飞速发展，人们对室内定位的需求在急速上升，目前室内无线定位技术正广泛应用于商场导购、智慧仓储以及紧急救援等服务中。而在室内复杂环境下，由于家具、人员以及墙壁等障碍物的影响，使得无线信号的能量衰减，其传播速度及方向会发生改变，从而产生非视距传播及多径传播等问题，造成较大的定位误差。本课题组旨在研究室内复杂环境下的无线定位关键技术，主要研究内容包括：室内快拍数受限的条件下，宽带Chirp信号的位置参数估计算法研究；稀疏谱估计方法的快速算法研究；内复杂环境下无线信号Ray-tracing模型及定位算法研究，并取得了重要成果。. 传统的定位方法利用信号从移动端到基站的波达时间、波达时间差、波达角度等单一参数定位，相比单参数定位，多参数的联合定位不仅可以更好的利用优势互补，来提高定位精度，并且可以适用于更为复杂和广泛的室内环境。因此，课题组提出了基于虚拟基站方法的TOA、DOA室内无线信号Ray-tracing模型，实现TOA、DOA和RSS的协同定位，提高了室内多径及非视距环境下无线定位的精度；基于超宽带(Ultra-Wide Band, UWB)技术实现了多参数联合定位算法，针对定位目标的不同，提出了基于RSS协助的Ray-tracing室内定位算法、基于IMU辅助的TDOA室内定位算法、联合TOA和AOA参数的TCW-Taylor级数展开算法等，这些算法分别适用于不同的定位目标和环境中。在室内复杂环境中，针对快拍数受限条件下的位置参数获取方法展开了研究，基于稀疏谱估计理论，实现了Chirp信号的短快拍TOA、DOA估计，分析研究了近场信号、远场信号、窄带信号、宽带信号以及不同阵列形式的特点，提出了适用于不同信号、不同阵列形式的短快拍参数估计算法，完善补充了快拍数受限条件下的位置参数获取方法。. 在项目支持下，课题组共发表论文18篇，其中SCI检索3篇、EI检索7篇、中文核心8篇；申请发明专利3项，其中一项已经授权；培养硕士研究生4人，其中3人已经毕业，博士研究生1人在读。