[发明专利]一种基于低成本天线扩展的高精度室内定位系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于低成本天线扩展的高精度室内定位系统及方法，该系统包括具有N个接口的计算机，计算机上安装有信道采集工具，每个接口对应一条无线链路，每一条无线链路通过一射频开关连接有若干根接收天线，每一条无线链路以时分复用方式通过射频开关为接收天线提供服务。该系统的工作步骤：在离线阶段，采集包含多根接收天线的CSI，并对CSI的相位完成配准，再利用神经网路对处理后的CSI数据进行训练；在线测试阶段，获取到CSI并处理后，通过训练的网络返回角度估计和位置预测结果。本发明在不增加无线链路的基础上，利用更多天线提供的空间多样性和多路复用增益，即更多的CSI指纹特征，实现更好的方向估计效果和更高的定位精度。

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，尤其是涉及一种基于低成本天线扩展的高精度室内定位系统。

背景技术

当今世界科技发展日新月异，社会诸多行业和领域在追求科技的便捷的时候，基于位置信息的服务也作为一种新的生活需求越来越受到人们的广泛关注与研究。目前的室外定位发展的较为顺利，人类已经可依赖全球卫星导航系统(GNSS)在室外达到亚米级精度的定位，这足以完全解决室外的绝大部分定位需求。但是卫星信号不能穿越建筑物，且室内环境复杂多变还存在多径效应，所以研究室内定位技术十分有必要。另外，人类在室内的时间远远超过在室外的时间，因此人们对室内的定位信息具有更加急迫的需求，比如我们在找不到电梯的时候、想要快速寻找到车位的时候、在超市寻找我们需要的商品的位置的时候，都只能依赖室内定位技术。与卫星信号容易受到阻塞影响的传统室外定位的全球卫星导航系统不同，室内定位往往依赖于新部署的基础设施，如红外设备、射频识别(RFID)接收器和标签、WiFi和蓝牙系统、声音或超声波收集系统，甚至采用多种技术实现融合定位。在室内环境复杂的情况下，高定位精度仍有望提供令人满意的室内定位服务。

随着WiFi系统在室内环境的大规模部署，目前已被广泛应用于高精度定位，常见的基于WiFi的室内定位技术一般有三角定位法和位置指纹法等。三角定位法不需要耗费大量人力和物力去构建离线指纹库，但是由于位置指纹法的定位精度更高，所以一般都是采用位置指纹法，并且选取信道状态信息(CSI)作为指纹特征，这主要是因为CSI包含更多的信道特征，有利于提高定位精度。

为了提供更好的室内定位精度，最直接的方法是收集更多的观测样本，比如信号的频域扩展、时域扩展、空域扩展等。但是基于WiFi信号频域和时域的扩展去提高定位精度的方案，一般成本太高并且不易实现。随着MIMO技术的提出，空域扩展即天线扩展为室内定位提高精度提供了新的思路，然而，由于以下原因，通过空间域扩展来提高定位精度并不简单：首先，现有的空间域方案依赖于通过测量飞行时间(ToF)和到达角(AoA)计算几何位置，相应的分辨率不能随可用无线链路的数量线性缩放；其次，使用昂贵的组件部署更多的无线链路，包括低噪声放大器、模数转换器或数模拟转换器，成本高昂；最后，处理复杂度随无线链路数呈指数级增长。由于以上原因使得室内定位依靠大规模天线阵列提高精度存在着一些技术难点。

但是，更多的天线意味着更多的空间多样性和多路复用增益，这使得低成本的高精度室内定位方案成为可能一般来说，天线元件(印刷或外部天线)本身通常很便宜，昂贵且复杂的是无线链路的一些射频元件，包括低噪声放大器、下行转换器、模数转换器(ADC)或数模转换器(DAC)。因此，如何实现低成本的室内定位已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例为克服上述技术缺陷，提供一种基于低成本天线扩展的高精度室内定位系统及方法。

第一方面，本发明实施例提供一种基于低成本天线扩展的高精度室内定位系统，包括该系统包括具有N个接口的计算机，计算机上安装有信道采集工具，每个接口对应一条无线链路，每一条无线链路通过一射频开关连接有若干根接收天线，每一条无线链路以时分复用方式通过射频开关为接收天线提供服务；还包括一用来控制每根天线使用时长的外部微控制器。

优选的是，所述计算机上具有三个接口，三条无线链路分别各通过一单极四掷射频开关连接有四根接收天线。