NLOS/LOS传输环境下无线通信网络的高性能定位理论方法研究

The position-based service has been considered as an important topic in the internet of things, where one of the key issues is the accurate position estimates in diverse indoor/outdoor environments of wireless networks. However, the accuracy of wireless localization is significantly affected by the non-line-of-sight (NLOS) propagation in real-world applications. In order to tackle this problem, this project will carry out the investigation in three aspects. First, by exploiting the residual-difference idea, the theory and method to detect the line-of-sight (LOS) anchor node (AN) will be proposed to take account of the hybrid NLOS/LOS wireless environment, where the detector will be studied in terms of soft decisions or hard decisions. And then, the high-performance position tracking scheme of the mobile node, as well as the reliability-assisted residual weighting algorithm, will be incorporated into hybrid NLOS/LOS wireless environments after the LOS-AN detecting process. Second, the localization theory and method insensitive to the NLOS error is studied in hybrid NLOS/LOS wireless environments by assuming the linear least-squares (LS) structure, where it is an extension of the rational-fraction-transform based localization, and the latter also plays an important role in this project. Finally, the optimization theory will be involved into the NLOS error cancellation to yield a precise position estimation, in which there are two kinds of methods, i.e., the range-scaled quadratic programming method as well as the nonlinear optimizing method with the cost represented by the residual-difference. In summary, our study will benefit the wireless localization theory and technology, and facilitate the application of wireless localization in the internet of things.

基于位置的增强服务是物联网应用重要内容，亦为我国导航/位置服务相关规划重要组成部分，其中无线网络室内外高效定位是关键之一。然而实际应用中无线定位易受非视距 (NLOS) 传输影响以致性能恶化。因此本课题针对NLOS/LOS传输环境中的高性能定位问题展开研究，考虑网络中有固定节点(AN)。具体包括： 1、NLOS/LOS传输环境下LOS-AN检测理论方法与算法，包含硬判决和软判决两部分，以及移动节点位置跟踪算法和可靠度辅助残差加权定位算法；2、对NLOS误差不敏感的线性结构定位理论方法与算法，首先研究有理分式变换定位算法，再将它拓展到线性结构类方法的范畴；3、运用最优化理论的定位理论方法与算法，重点研究测距加权二次规划类定位算法以及残差代价函数下的非线性优化定位算法。研究成果有望解决无线定位的NLOS误差问题，实现LOS/NLOS传输环境中定位理论方法的突破，为相关物联网研究应用提供参考。

陆地无线定位越来越受到重视，主要是一些基于位置服务(LBS)的发展。通过位置，可以延伸出巨大的市场。但现实是脱离了卫星定位，在非空旷区域无线定位精度很差，主要是受到NLOS误差的干扰。那么在卫星定位信号不好的地方，以及在被动的安全应用里，怎么解决NLOS误差对于定位性能的影响，就是极具科学意义和实用价值的技术。因此针对NLOS/LOS传输环境下的无线电定位以及相关应用问题，课题组在以下几个方面开展了深入研究，包括：DDM假设下的线性结构有理变换定位理论方法；有效残差筛选、NLOS检测器与位置跟踪理论方法；运用最优化原理的定位理论方法以及其他定位方法；与定位有关的参数估计方法与波形设计；安全领域应用、信息安全与高效频谱接入方法。课题执行期内共发表论文32篇，执行期内申请/授权发明专利9项，完成了任务书的定量指标。取得主要研究成果包括：（1）完善了NLOS误差的DDM模型，运用有理变换和线性系统理论，推导了TPOA和TROA的最小二乘定位方法；（2）基于新的几何类型残差和速度残差提出了高效的残差定义、NLOS检测以及门限混合确定方法，以及将他们用于定位跟踪算法和残差加权定位算法；（3）基于Caley-menger矩阵行列式和层次分析法(AHP)提出了一种NLOS误差的软度量方法，有效提高了对测距中包含的NLOS强度的预测精度，并用于测距修正以及残差加权的权值改进。（4）提出了最优化方法里面代价函数替换、代价函数拉格朗日融合以及约束条件改进等技术手段，研究了微信的定位攻击手段。（5）提出了高精度的速度估计方法，为速度残差应用提供了基础。（6）研究了时变信道下的互易性，提出了基于统计特征的物理层安全算法。研究了基于伪随机噪声载波调制的信息隐藏传输方法。研究了基于用户体验的频谱定价方案。