专利名称：一种室内无线全向被动用户检测的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动及普适计算领域，尤其涉及一种利用无线局域网的物理层信息作为位置指纹的室内无线全向被动用户检测的方法及系统。
背景技术：
无线网络设备的普及与应用推动了普适计算、移动计算和人本计算的三重融合。在越来越多的环境中，需要设备能够对周围用户的位置情况进行检测，如涉密区域监控，灾难应急响应等。另外，这种被动的用户检测方式也有助于提供不同质量的基于用户位置的服务。例如，电梯门的关闭等。而还有很多场所，如博物馆展览，则需要全向的用户检测范围。利用雷达或超宽带系统基于反射的检测技术，可近似的实现全向检测，但由于依 赖于专用的设备，阻碍了这些技术的推广和应用。而利用普遍部署的无线局域网，可在无需额外硬件支持的情况下实现被动用户检测。主要的原理是将人体的移动对室内空间中无线信号传播的影响关联起来，通过检测接收端的某种信号特征判断被监测区域是否有用户进入。目前的这种检测方法主要采用了MAC层信息中的接收信号强度(ReceivedSignalStrength Indicator,RSSI)的波动作为判别是否有用户接近接收机的信号特征。然而,这些工作均未实现全向覆盖范围，并且，不能在各个方向上实现相同的用户检测效果，所以不适用于全向用户检测。
发明内容
本发明提供了一种室内无线全向被动用户检测的方法及系统，实现了室内适用于在各个方向上得到相同的用户检测效果的检测机制，所述技术方案如下一种室内无线全向被动用户检测方法，包括从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹(LF)；计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度；根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况。进一步的，所述从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹，包括将由于用户距离接收机的远近和方位不同，而引起的无线信号传播路径的变化，转换成信道频率响应(CFR)的统计直方图，利用所述统计直方图作为所述位置指纹。进一步的，将多个子载波上的信道频率响应的幅度直方图作为从室内无线局域网物理层提取的位置指纹。进一步的，每个直方图分量通过计算一个预先设定的时间窗口的信道频率响应幅度而得到。进一步的，所述预先测定好的位置指纹包括预先建立的位置指纹数据库或者无用户时的位置指纹。进一步的，所述预先建立的位置指纹数据库是用户和接收机具有不同的距离和方位角以及被监测区域内没有用户时，所述接收机检测到信道频率响应的特征，把所述信道频率响应的特征作为位置指纹，建立的数据库。进一步的，所述计算待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度，包括对于两个相比较的信道频率响应幅度直方图向量，计算所述向量所对应K个子载波之间的信道频率响应幅度直方图的陆地移动距离；将所有K个陆地移动距离累加求和作为两个位置指纹之间的相似度；
其中，K为大于I的整数。进一步的，所述计算两个直方图之间的陆地移动距离，包括根据待比较的两个直方图的位置和权重，计算两个直方图之间的陆地移动距离。进一步的，根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况，包括当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度大于设定的阈值时，判定当前被监测区域内没有用户；当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度小于设定的阈值时，判定当前被监测区域内有用户；或者判定所述数据库中与待测位置指纹相似度最高的位置指纹对应的位置为用户当前的位置；或待测位置指纹与所述位置指纹数据库中没有用户时的位置指纹相似度最高时，判定当前被监测区域内没有用户。一种室内无线全向被动用户检测系统，包括发射机和接收机，所述发射机和所述接收机通过无线局域网相互通讯； 所述发射机用于发射无线信号；所述接收机用于接收所述发射机发射的无线信号，从所述信号中提取待测位置指纹；计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度；根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况。本发明提供的实施例，通过从室内无线局域网物理层提取信息，利用信道响应的统计直方图作为信号特征，提高了区分度和鲁棒性，实现了全向的用户检测。
图I是本发明实施例提供的室内无线全向被动用户检测方法流程图。图2是本发明实施例提供的基于阈值检测的室内无线全向被动用户检测方法流程图。图3是本发明实施例提供的室内无线全向被动用户检测系统结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例，仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。实施例I图I是本发明实施例提供的室内无线全向被动用户检测方法流程图。该方法包括步骤101 :从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹LF特征；步骤101具体包括在监控阶段，接收机不断接收发射机发射的信号，并提取信号特征，这个信号特征能够表征用户在监控区域不同的相对位置，把这个信号特征作为待测位置指纹信息，在下面的步骤中进行分析。
具体来说，将用户作为影响无线信道的一个变量，把由于用户距离接收机的远近和方位不同而引起的无线信号传播路径的变化，转换成信道频率响应的统计直方图，利用统计直方图作为位置指纹。其中，信道频率响应包括幅度响应和相位响应。在典型室内环境中，人体的移动对室内空间无线信号的传播产生一定的影响，发射信号经由多条传播路径到达接收端，每条路径对发射信号都有不同的延时、衰减和相移影响，通过检测得到接收端某种信号的特征，用这些特征来表征被监测区域用户位置的情况，我们把这些特征称为位置指纹(Location Fingerprint, LF)特征。本发明提供的实施例采用的方法能够区分多径信号，从而能提取更为精细的信号特征。区分多径信号可以从时域和频域两方面考虑①从时域角度分辨多径将无线信道描述为一个时域线性滤波器，称为信道冲激响应(Channel ImpulseResponse, CIR),用函数 h( τ )来表示。Μ、τ)=Σ3· exP('j0i)5(T-Ti)
i=l其中％表示第i条多径分量的幅度衰减；Θ i表示第i条多径分量的相位偏移；τ i表示第i条多径分量的时间延迟；N表示多径总数；δ ( τ )表示冲激函数。②从频域角度分辨多径将无线信道描述为信道频率响应(Channel Frequency Response, CFR),用函数H(f)来表示H =其中每个H(fk)为一个复数,表示频点f处的幅度和相位。因此,信道频率响应包括幅频响应和相频响应两部分。CFR的频率选择性衰落现象，体现了受影响的多径分量的变化。由于信道响应通过区分多径效应精细刻画了无线信号的传播路径，因而这种物理层信息对全向被动用户检测带来很大的性能提升空间。我们把采用信道频率响应CFR的幅频响应来表征传播路径的变化，作为本发明实施例的优选方式。主要出于以下几个方面考虑⑴对环境动态性的抗干扰性实验证明，用户在不同位置时，CFR之间的空间互相关性较低，从而使得CFR具有较高的空间区分度。而不同时间用户处于同一相对位置时测得的CFR之间具有较高的相关性。所以CFR的结构具有较好的时间一致性，能够抵抗远处环境变化的干扰。⑵信号特征对用户靠近的敏感性从人体影响无线信道发生变化的敏感性角度来说，CFR的波动范围是整个频域。人体运动时通常只改变一部分传播路径，在频域上可等效为覆盖整个频率范围的常值信号。(3) CFR包括幅频响应和相频响应，实验表明，采用相频响应要减轻相位噪声，需仔细校准相位信息；并且部分子载波的相位在一定时间内呈近似均匀分布，从而降低了与位置相关的区分度。同时，均匀分布的相位还导致难以对CFR应用传统的聚类方法提取特征。因此，采用幅频响应更容易实现。由于CFR的幅度分布较为分散，利用传统的聚类方法需要较大数据量，且需要较为精细的划分粒度，因此，本发明的实施例将CFR的幅度分布的统计直方图信息作为检测信号的位置指纹，即将K个子载波上的CFR的幅度直方图作为提取的物理层特征hist (I H(f) I |) = [hist(| |Η( \) | |)，hist(| H (f2) , . . . , hist(| H (fK) |)]·每个直方图分量hist(| |H(fk) I I)可以通过计算一个预先设定的时间窗口内的CFR幅度而得到。因此，采用CFR的幅频响应来表征传播路径的变化具有传统的RSSI所不具有的巨大优势，所以我们可以通过CFR的幅频响应方法来实现技术方案。步骤102 :计算所述待测位置指纹与预先建立的位置指纹数据库中位置指纹的相似度；本实施例中预先建立的位置指纹数据库表示的是用户和接收机具有不同的距离和方位角以及被监测区域内没有用户时，所述接收机检测到信道频率响应的特征，把所述信道频率响应的特征作为位置指纹，建立的数据库。步骤102具体包括步骤1021 1022 为比较两个CFR幅度直方图向量的相似度，首先要定义两个直方图分量之间的相似度，本发明实施例采用了陆地移动距离(EMD，Earth Mover’s Distance)来定义两个直方图分量之间的相似度。EMD是一种衡量直方图或概率分布之间的测度。步骤1021 :对于两个相比较的信道频率响应幅度直方图向量,计算所述向量所对应K个子载波之间的信道频率响应幅度直方图的陆地移动距离；其中，K为大于I的整数；具体的，计算两个直方图之间的陆地移动距离，包括把待比较的两个直方图看作两组特征；将区间的位置作为特征的位置，将相应区间内的计数作为对应的权重；根据所述特征的位置和权重，计算两个直方图之间的陆地移动距离。具体的，对两组大小分别为m和η的特征P=((P15U1))=^PQ=，其中Ui
和Vj分别代表了每组特征中的第i和第j个元素的位置，而Pi和q]分别代表了其相应的权重，则这两组特征的EMD距离定义如下
权利要求
1.一种室内无线全向被动用户检测方法，其特征在于，所述方法包括 从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹(LF); 计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度； 根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹，包括 将由于用户距离接收机的远近和方位不同，而引起的无线信号传播路径的变化，转换成信道频率响应(CFR)的统计直方图，利用所述统计直方图作为所述位置指纹。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将多个子载波上的信道频率响应的幅度直方图作为从室内无线局域网物理层提取的位置指纹。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每个直方图分量通过计算一个预先设定的时间窗口的信道频率响应幅度而得到。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述预先测定好的位置指纹包括预先建立的位置指纹数据库或者无用户时的位置指纹。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预先建立的位置指纹数据库是 用户和接收机具有不同的距离和方位角以及被监测区域内没有用户时，所述接收机检测到信道频率响应的特征，把所述信道频率响应的特征作为位置指纹，建立的数据库。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述计算待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度，包括 对于两个相比较的信道频率响应幅度直方图向量，计算所述向量所对应K个子载波之间的信道频率响应幅度直方图的陆地移动距离； 将所有K个陆地移动距离累加求和作为两个位置指纹之间的相似度； 其中，K为大于I的整数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算两个直方图之间的陆地移动距离，包括 根据待比较的两个直方图的位置和权重，计算两个直方图之间的陆地移动距离。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况，包括 当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度大于设定的阈值时，判定当前被监测区域内没有用户； 当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度小于设定的阈值时，判定当前被监测区域内有用户； 或者 判定所述数据库中与待测位置指纹相似度最高的位置指纹对应的位置为用户当前的位置； 或待测位置指纹与所述位置指纹数据库中没有用户时的位置指纹相似度最高时，判定当前被监测区域内没有用户。
10.一种室内无线全向被动用户检测系统，其特征在于，所述系统包括 发射机和接收机，所述发射机和所述接收机通过无线局域网相互通讯；所述发射机用于发射无线信号； 所述接收机用于接收所述发射机发射的无线信号，从所述信号中提取待测位置指纹；计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置 指纹的相似度；根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判 断用户所处位置的情况。
全文摘要
本发明提供了一种室内无线全向被动用户检测的方法和系统，所述方法包括从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹(LF)；计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度；根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况。本发明通过从物理层提取信息，利用信道响应的统计直方图作为信号特征，提高了区分度和鲁棒性，实现了全向的用户检测。
文档编号H04W24/08GK102883360SQ201210424560
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者周子慕, 杨铮, 刘云浩 申请人:无锡儒安科技有限公司