[发明专利]基于贝叶斯压缩感知的室内无线终端定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种贝叶斯压缩感知技术和室内无线终端定位方法。

背景技术

随着无线通信技术的日趋成熟和快速发展，基于位置的无线定位服务显得越来越重要。由于用户对信息的及时性和就地性的需求越来越强烈，特别是在军事、医疗等出现紧急情况时更需要较为准确的位置信息。因此，各种定位服务系统如雨后春笋般快速发展起来。目前的无线定位服务系统主要有全球定位系统(GPS)和蜂窝无线定位两种。GPS利用多卫星信号的方位和距离，实现室外无遮挡环境下全球位置的定位，但对于室内环境和高楼密布的城市，GPS系统因为卫星信号被阻隔，其定位精度明显下降，且如果要给每个用户增加GPS功能，则由于过于昂贵而不切实际。蜂窝无线定位是利用移动通讯基站的定向信号接入信息，利用多基站对终端的定向信号的识别、蜂窝覆盖的区分、覆盖区域的交叉叠加等手段，实现对无线终端的定位。但是该种定位技术受限于定向信号较大的覆盖角度，因此难以达到较高的精度。这两种定位技术都无法满足室内用户的定位需求，于是人们又开始研究室内无线定位系统，用以弥补定位精度不足的问题。

对于室内环境，无线局域网以其高速通信、设备简单、部署方便的特点，得到广泛的应用。各种运用在室内的无线定位技术纷纷出现，例如：

(1)光跟踪技术：该技术要求所跟踪目标和探测器之间线性可视，这就局限了应用范围，并且配备要求比较复杂。

(2)超声波定位技术：超声波定位系统由若干个应答器和一个主测距器组成，当同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。但是这类系统需要大量的底层硬件设施投资，成本太高，无法大面积推广。

(3)蓝牙技术：该技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点的话音和数据业务。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，就可以获得用户的位置信息，实现蓝牙技术定位的目的。采用该技术作室内短距离定位，其优点是容易发现设备，且信号传输不受视距的影响，缺点是目前蓝牙设备比较昂贵。

(4)基于信号强度的无线局域网定位技术：相比以上技术，它不需要添加额外的硬件设备，充分利用了现有的无线网络设备，将定位系统的应用范围扩大到了楼群和室内，降低了定位成本，因此成为室内定位技术的研究热点。现有的基于信号强度的室内定位算法，首先要假设无线信号强度与距离符合一定的无线信号传播损耗模型，通过建立传播损耗模型，根据信号强度估算移动节点与信标节点间的距离，通过代入相应的数学模型得出移动节点的估计位置。无线信号传播损耗模型的建立对定位精度有直接影响。信号强度的非线性时变特性同时，无线电波的多径传播和衰落也对无线信号的传播质量造成有很大的影响。这些都造成了基于信号强度定位方式的不准确。并且由于定位过程都是在无线终端进行，而无线终端通常都是电池供电，处理速度不高，因此定位会造成耗电很快，需要寻求更准确更节能的定位方式。

压缩感知(Compressed Sensing)，也称为压缩采样，是近几年来的一项新兴信号处理技术，其核心思想是将数据采样和压缩合并进行，首先采集信号的非自适应线性投影(测量值)，然后根据相应的重构算法由测量值复原信号。压缩感知有两个方面的基本要求：信号的稀疏性，观测基(观测矩阵)与变换基(变换矩阵)的非相关性。对于自然界的任何信号，均存在一个特定的表示空间，使得该信号在此空间具有稀疏性。经相关理论证明，随机矩阵，即元素为随机数的矩阵，与固定的变换基具有很好的非相关性。

压缩感知的数学原理为：设长度为N的矢量信号X在正交变换基Ψ上的变换系数是稀疏的，即：原始信息X为一维N×1向量，X∈R^N，存在一个N×N变换矩阵Ψ，X＝ΨP，其中P亦为一维N×1向量，使得P具有稀疏性。信号的稀疏性是指若向量中非零项的个数为K，K＜N，则称该向量是K-稀疏。

用与变换基Ψ不相关的观测矩阵Φ对原始信息进行线性变换，观测矩阵Φ为一个M×N的矩阵，Φ∈R^M×N(M＜＜N)，并得到观测信号集合Y，即

Y＝ΦX，

Y=ΦX=ΦΨP=Φ~P,]]>