富士通开发出基于多径特征指纹与粒子滤波的室内异步无线定位技术

富士通研究开发中心有限公司开发了在异步无线通信系统中利用多径特征指纹及粒子滤波实现室内定位追踪技术。该技术通过充分利用信号的多径传播特性来提高室内定位精度，利用两步定位（或称粗细定位）方法实现异步无线系统中的定位功能，采用地图匹配辅助的粒子滤波技术实现动态的1米级精度的定位追踪性能。该技术可低成本的快速实现各类室内定位应用。

有关该技术的详细内容于9月21日在加拿大蒙特利尔举行的“2016 IEEE 84TH Vehicular Technology Conference: VTC2016-Fall”会议上进行了说明。

开发背景

基于位置的服务（Location Based Service, LBS）市场需求逐年剧增，而定位技术是LBS系统的关键部分。在室内区域，定位技术可广泛用于商场、博物馆、展览馆、停车场、医院、仓储等领域，以提供精准的商业广告投放、室内导航、物品管理等服务以及辅助基于虚拟现实的室内游戏开发之中。高精度的室内定位技术有利于增强LBS的服务质量，为人们提供更好的数字化生活服务。

课题

全球定位系统（Global Positioning System, GPS）在室内定位应用中失效，而传统的基于TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference of Arrival）的室内无线定位方法的定位精度受信号的非视距（None-line-of-sight, NLOS）传播、多径传播及阴影效应的影响而降低。同时，传统方法要求系统中收发机之间、发射机之间精准的同步功能，使得定位系统更加复杂化。

开发的技术

富士通研究开发中心利用软件无线电（Software Defined Radio, SDR）平台实现室内定位系统的原型机开发，如图1所示。在室内GPS失效时，发射机可发射GPS或WiFi等无线网络参考信号，接收机接收信号后提取多径特征（Multipath Profile, MP）及接收信号强度（Received Signal Strength, RSS），然后由终端进行位置估计，从而实现室内定位。

图1: 室内定位系统

本定位追踪系统具有以下关键技术：

1. 两步指纹定位技术

所谓指纹定位，是指在离线阶段在预定区域内的参考点处采集信号特征集作为当前参考点处的指纹，并存储于数据库中；在在线定位阶段，通过实时的指纹信息与数据库中的指纹进行匹配，查找最佳匹配的参考点来进行位置估算。

为实现异步无线系统的定位估算，首先通过RSS指纹定位获取终端所在的粗区域，如图2所示粉红区域，然后通过匹配在线测量的多径特征指纹与该粗区域内参考点处的指纹来获取最佳匹配的参考点位置以估计终端的精确位置。多径特征指纹匹配首先需要采用最大相关准则来对齐两个多径特征，去噪后通过向量余弦的方法计算两个对齐的多径特征的相似度，如图3所示。相似度最大的参考点将被选择以估计终端的精确位置。

图2: 两步指纹定位 多径特征对齐与去噪

图3: 多径特征对齐与去噪

2. 基于地图匹配辅助的粒子滤波技术

粒子滤波技术主要由粒子状态预测、粒子权重更新、粒子重采样三部分组成。图4是所述粒子滤波模型。粒子的状态预测基于一种鲁棒性运动模型，即粒子状态转移模型中的步长与航向两个参数是服从均匀分布的；粒子权重的更新引用了新的地图匹配模型来增强性能，即系统先通过上一时刻的位置估计找出最近的一条路径，然后根据各粒子与该路径中心的距离来更新粒子的权重。

图4: 粒子滤波模型

效果

通过本技术，实现了异步无线定位技术，降低了定位系统的复杂度；充分利用多径传播特性使定位精度提高了38.9%；在地图匹配辅助下的粒子滤波技术实现了1米级的定位追踪性能。同时，该方案可适用于现有的WiFi、LTE等无线网络定位技术之中。

今后

目前，该粒子滤波技术适用于中低速运动状态的定位追踪场景。未来，富士通研究开发中心将对采用融合惯性传感器以获取快速运动模式下的高精度定位追踪性能，并积极推进所研技术在实际LBS中的商业化应用。