基于ANM-SDP的WiFi室内定位算法研究

发布时间：2020-08-14 06:33

【摘要】：随着IEEE 802.11标准的推广,无线网络在室内环境的覆盖率逐年增加,由此带来了新的可探索空间——基于无线局域网(WiFi,Wireless Fidelity)信号的特征提取感知室内空间中的变化,例如室内人员入侵检测、呼吸检测、心率检测等。利用WiFi信号进行室内定位的研究也成为近年来研究的热门。一些基于室内定位的服务也逐渐应运而生,如学校或公司里的签到系统、商场里利用公共WiFi在商铺附近投放广告、仓库里机器人自动仓储管理服务等。本文通过研究移动通信系统中的多输入多输出和正交频分复用技术(MIMOOFDM,Multi-input Multi-output,Orthogonal frequency-division multiplexing)中基于信道状态信息(CSI,Channel State Information)测量实现波束成形的原理深入分析,并基于原子范数最小化(ANM,Atomic Norm Minimization)框架下的半正定规划(SDP,Semidefinite Programing)优化问题对室内环境中多径信道的信息进行估计。利用CSI信息通过ANM-SDP算法获得包含当前环境下多径信道状态信息的拓普利兹矩阵u,并对u矩阵进行范德蒙德分解得到多径飞行时间(ToF,Time of Flight)的估计结果。本文的主要工作是基于ANM-SDP算法提出了单测量向量(SMV,Single Measurement Vector)模型、多重测量向量(MMV,Multiple Measurement Vector)模型和加权原子范数(RAM,Reweighted Atomic Norm Minimization)模型下的半正定规划算法,这三种模型在应对不同需求场景时有各自的性能优缺点,本文将从多维度对比分析三种模型的性能极限和参数限制。首先搭建了MATLAB仿真平台,模拟电磁波在障碍物众多的室内场景中的瑞利衰落信道传输模型,根据预设的信道带宽、多径间隔和首径传播时延等归一化参数获得信道相应观测向量,将此模拟信道传输模型获得的观测向量对三种模型进行仿真实验分析。然后在实际室内环境下布置3个接入点(AP,Access Point)和1个站点(STA,Station)的实验场景,采集真实场景中STA和多AP间的CSI数据,对三种模型的实测性能进行对比分析。本文提出的基于ANM-SDP算法的三种模型的WiFi室内定位技术有效解决了在不同真实场景中不同定位精度的实际需求,有效解决了传统室内定位对硬件设备的高依赖性、定位精度不可控、定位效率低等难题。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN92
【图文】：

帧结构,协议数据单元,子层,服务数据单元

MACPMDPLCPData LinkPhysical图 2-1 IEEE 802.11 数据传输过程MAC 层服务数据单元(MSDU, MAC Service Data Unit)，是最原始的待发数据息，经过封装变成 MAC 层协议数据单元(MPDU，MAC Protocol Data Unit)，MPD传送到物理层的PLCP子层转换成PLCP子层服务数据单元(PSDU,PLCPServiceDaUnit)，PSDU 经过封装变成 PLCP 子层协议数据单元(PPDU,PLCPProtocolDataUnit与其他的 IEEE 802.11 标准一样，存在物理层汇聚协议 PLCP，并且依据此协议定了 PLCP 协议数据单元 PPDU 帧结构如下图 2-2 所示[23]。根据协议，接收机的定同步、载波频偏估计以及信道估计等都是由数据帧前置的两个训练符号来完成的。于 IEEE 802.11ac，已定义为后向兼容 IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11n。

基带处理器,总体架构,接收部分

图 2-3 IEEE 802.11 标准 OFDM 基带处理器接收部分总体架构由此可见，在信道估计模块输出 CSI 数据时不仅包含有信道中的多径信息，还包含有信号处理过程的电路中引入的误差。叠加到 CSI 数据中对原始信道信息造成相位和幅值的误差，下图 2-4 为原始未进行相位矫正的原始 CSI 经过解卷绕后的相位图。

相位图,相位,多处理,有信道

图 2-3 IEEE 802.11 标准 OFDM 基带处理器接收部分总体架构见，在信道估计模块输出 CSI 数据时不仅包含有信道中的多处理过程的电路中引入的误差。叠加到 CSI 数据中对原始信的误差，下图 2-4 为原始未进行相位矫正的原始 CSI 经过解

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