基于仿射傳播聚類的losnlos環(huán)境識別算法

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1、基于仿射傳播聚類的LOS/NLOS環(huán)境識別算法魏思菁周孕孕中海電信有限公司寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)膣摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展和日益增長的位罝服務(wù)需求，室內(nèi)定位技術(shù)經(jīng)成為了當(dāng)下最熱門的定位研究領(lǐng)域之一。在室內(nèi)定位中比較常用的算法括信號到達(dá)時間(TimeofArrival,TOA)、信號到達(dá)吋間差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)、信號到達(dá)角(AngleofArrival,AOA)等。這些定位技術(shù)都依賴于客戶端與Wi-Fi接入點(diǎn)(AccessPoint,AP)處于可視環(huán)境(Line

2、ofSight,LOS),當(dāng)客戶端與AP處于非可視環(huán)境(NonLineofSight,NLOS)時，會造成定位精度嚴(yán)重下降。基于此，木文在傳統(tǒng)的多信號分笑算法(MultipleSignalClassification,MUSIC)的基礎(chǔ)上結(jié)合OFDM信號的子載波特性,提出一種基于仿射傳播聚類的LOS/NLOS環(huán)境識別算法用于提高基于A0A的室內(nèi)定位的精度。該算法分為兩步，先對無線信號的A0A和T0A進(jìn)行估計，其次利用聚類算法對信號的AOA和TOA信息進(jìn)行聚類，利用聚類的結(jié)果判斷當(dāng)前環(huán)境屬于LOS環(huán)境還是NL

3、OS環(huán)境。仿真結(jié)果表明，木文提出的算法具有良好的識別性能。關(guān)鍵詞：信號到達(dá)角;信號到達(dá)時間;可視環(huán)境;非可視環(huán)境;子載波;收稿日期：2017-05-30Received：2017—05-301引言當(dāng)代社會，伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航、定位等信息在人們的信息要求屮扮演著越來越重要的角色。而無線局域網(wǎng)(WLAN)的興起為室內(nèi)定位指出了一條新道路。目前在室內(nèi)定位領(lǐng)域的研宄中，通常采用A0A信息進(jìn)行定位［1-3］，但是室內(nèi)環(huán)境下存在大量的NLOS環(huán)境，使得聯(lián)合多個AP的A0A定位方法無法正確的佔(zhàn)計出直射路徑的信號到

4、達(dá)角，從而引起定位精度嚴(yán)重下降，因此研宄LOS/NLOS環(huán)境識別技術(shù)對AOA定位精度的提高有著重要的意義。NLOS環(huán)境下的AOA定位需要解決兩個關(guān)鍵問題:NLOS環(huán)境識別以及NLOS影響消除?，F(xiàn)有的NLOS環(huán)境識別算法主要基于信號特征Ilf、位置殘差_［6-7］、先驗(yàn)概率［8-9］以及混合定位方法等?；谛盘柼卣鞯腘LOS環(huán)境識別算法需要進(jìn)行人量的數(shù)據(jù)采集，記澩某點(diǎn)信號的特征，通過構(gòu)建一個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行LOS/NLOS識別;基于位置殘差的算法需耍AP的數(shù)量較多，在室內(nèi)環(huán)境中是無法滿足的;基于先驗(yàn)概率的算法需要事

5、先知道LOS發(fā)生概率以及NLOS發(fā)生概率，同時需要采集大量的數(shù)據(jù);混合定位方法通過聯(lián)合TOA、AOA、信號強(qiáng)度等信息在一定程度上可以解決NLOS環(huán)境下定位的問題，但是系統(tǒng)復(fù)雜度較高。本文針對上述LOS/NLOS環(huán)境識別算法存在的問題提出了一種新的LOS/NLOS環(huán)境識別算法，該算法在傳統(tǒng)的MUSIC算法的基礎(chǔ)上結(jié)合OFDM信號的子載波特性，對信號的AOA和TOA進(jìn)行估計，同時利用聚類算法對信號的AOA和TOA信息進(jìn)行聚類，給每個類分配一個權(quán)值，統(tǒng)計最大權(quán)值來判斷當(dāng)前環(huán)境屬于LOS環(huán)境還是NLOS環(huán)境。2正交

6、頻分復(fù)用和信道頻率響應(yīng)2.1正交頻分復(fù)用(OFDM)對于采用802.lln傳輸協(xié)議的Wi-Ei信號，它使用正交頻分復(fù)用調(diào)制［11］方式。正交頻分復(fù)用是一種將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼到多條不同頻率載波上的方法并且在無線通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它在頻域內(nèi)將信道劃分成許多正交的子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，使得各子載波并行傳輸。在發(fā)射端，可以將需要高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制到各個不同的子載波上，變成幾個低速的數(shù)據(jù)流進(jìn)行并行傳輸。而在接收端，可以利用正交信號的特性對接收信號進(jìn)行解調(diào)并恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。2.2信道頻率響應(yīng)(C

7、FR)對于使用OFDM調(diào)制方式的信號，可以使用信道頻率響應(yīng)信息［12］來描述信號發(fā)射端和接收端通信鏈路間的信道狀態(tài)，包括多徑，衰減和時延。一個信道狀態(tài)的頻域模型可以通過式(1)表示：其屮Y(e)和X(e)分別代表接收信號與發(fā)送信號的傅里葉變換，11(e)代表頻域上的信道函數(shù)，n表示信道中存在的高斯白噪聲。在信號發(fā)射端，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，利用IFFT算法實(shí)現(xiàn)正交子載波調(diào)制后，添加循環(huán)前綴，通過射頻發(fā)射。在接收端，接收機(jī)首先對射頻信號進(jìn)行下變頻，去除循環(huán)前綴，利用FFT算法進(jìn)行正交子載波的解調(diào)，然后根據(jù)接收

8、到的前導(dǎo)信號(Pilot)進(jìn)行信道估計，獲得的值即為每個子載波的CFR測量值，如圖1所示。圖1OFDM系統(tǒng)框圖下載原圖3AOA/TOA聯(lián)合估計由于WLAN無線局域網(wǎng)采用的是OFDM的調(diào)制技術(shù)，對于這樣的多載波調(diào)制系統(tǒng)，每個子載波都有對應(yīng)的CFR信息。通常情況下，信道對單個信號的傳播會帶來3種影響，分別是信號的幅度袞減，信號的傳播時延和造成信號的多徑傳播，根據(jù)上述信息可以建立以下的時變的信道模型mzui:其中，h(