基于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無(wú)源定位方法

唐力強(qiáng),羅 冰,張一嘉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引言

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，加上政界、商界、反恐領(lǐng)域、科技領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域利益最大化需求，竊取機(jī)密資料的手法也在日益精密，竊聽(tīng)竊視無(wú)疑是其中重要的組成部分。目前反竊聽(tīng)竊視設(shè)備較多，其中比較常用的設(shè)備大部分為國(guó)外產(chǎn)品，在使用方面存在較多不足，包括發(fā)現(xiàn)可疑信號(hào)能力弱、不具備信號(hào)源定位能力等。因此，深入研究非合作室內(nèi)無(wú)源定位技術(shù)，對(duì)信息安全建設(shè)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 室內(nèi)定位方法概述

室內(nèi)定位方法大致可以按照3種最基本的定位思路進(jìn)行歸類，第一類是通過(guò)測(cè)量信號(hào)距離和角度來(lái)進(jìn)行幾何計(jì)算得到輻射源位置，其中TOA通過(guò)測(cè)量時(shí)差計(jì)算距離差繪制雙曲線方程獲得輻射源位置，信號(hào)傳播模型則通過(guò)電波傳播理論建模，由測(cè)量幅度值映射為距離從而獲得輻射源位置，AOA通過(guò)定向天線或者陣列天線測(cè)量信號(hào)方向，多站交叉獲得輻射源位置[1]；第二類是通過(guò)物理量感知發(fā)現(xiàn)輻射源“靠近”傳感器，用傳感器的位置來(lái)估計(jì)輻射源位置，具有代表性的為最近節(jié)點(diǎn)法；第三類是利用對(duì)已知位置的各種測(cè)量值作為該位置的“指紋”特征，利用輻射源特征與已知位置特征匹配獲得輻射源位置，可利用幅度、信噪比等參數(shù)作為特征進(jìn)行特征匹配，稱為位置指紋法[2]。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)比較

2 基于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無(wú)源定位

在室內(nèi)無(wú)線環(huán)境里，信號(hào)強(qiáng)度、信噪比都是比較容易測(cè)得的電磁特征。LEASE定位系統(tǒng)通過(guò)部署若干信號(hào)發(fā)射器，定期向外發(fā)射固定信號(hào)強(qiáng)度信息。在利用信號(hào)場(chǎng)景的定位技術(shù)中，信號(hào)強(qiáng)度的樣本數(shù)據(jù)集也被稱為位置指紋或者無(wú)線電地圖。本文在對(duì)室內(nèi)信號(hào)傳播建模的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了一種二維位置指紋定位方法，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)未知輻射源實(shí)施非合作的無(wú)源定位，下面將詳細(xì)說(shuō)明理論依據(jù)和定位方法。

2.1 室內(nèi)信號(hào)傳播建模

不同的無(wú)線電波模型適用于不同環(huán)境，這些傳播模型都可以歸結(jié)為[3]：

A=k1+k2logf-k3logh1-k4loghr+10nlogd+x

(1)

式中，A為路徑損耗，k1,k2,k3,k4為傳播模型參數(shù)，f為載波頻率，hl，hr分別為信號(hào)源高度和觀測(cè)臺(tái)天線高度，n為路徑衰減因子，x(dB)為陰影衰落。當(dāng)影響電波傳播環(huán)境固定不變時(shí)，上述參數(shù)在環(huán)境較為單一的情況下均為不變因子，路徑損耗A與距離d呈確定的對(duì)數(shù)關(guān)系。為了驗(yàn)證上述理論在室內(nèi)環(huán)境下的傳播特性，本文對(duì)頻率分別為800 MHz、2.4 GHz以及4 GHz的單音信號(hào)輻射源進(jìn)行了信號(hào)傳播建模實(shí)驗(yàn)，在室內(nèi)的固定位置放置信號(hào)輻射源，在不同的距離測(cè)量偵收到的信號(hào)強(qiáng)度并進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 信號(hào)在室內(nèi)傳播建模實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)輻射源距離接收點(diǎn)在3米以內(nèi)時(shí)，由于距離近時(shí)接收點(diǎn)主要接收輻射源的直達(dá)波，因此距離和幅度關(guān)系接近理論方程，接收信號(hào)幅度和輻射源距離呈理想的對(duì)數(shù)關(guān)系，輸入距離值，即可得到與之對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)輻射源距離接收點(diǎn)大于3米時(shí)，由于多徑效應(yīng)影響，輻射源的反射、衍射和繞射波對(duì)信號(hào)接收影響較大，因此接收信號(hào)幅度和輻射源距離對(duì)數(shù)關(guān)系減弱，甚至無(wú)規(guī)律可循。

2.2 位置指紋室內(nèi)非合作無(wú)源定位

位置指紋定位方法主要分為六個(gè)步驟，分別為：布點(diǎn)、構(gòu)建位置指紋庫(kù)、掃描全頻段內(nèi)的信號(hào)位置指紋、基于位置指紋的定位算法、基于傳播模型的三維空間定位算法[5]。

1)布點(diǎn)：根據(jù)室內(nèi)信號(hào)傳播建模的結(jié)論，按3～6米間隔布置節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)房間大小在室內(nèi)布置4/8/16/32個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，如要對(duì)信號(hào)進(jìn)行3維立體定位，也可在墻面上布置傳感節(jié)點(diǎn)，形成立方體的分布。

2)構(gòu)建位置指紋庫(kù)：傳感節(jié)點(diǎn)定期向外發(fā)射不同頻段的信標(biāo)，其他傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收該信標(biāo)，記錄本節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)的能量值和信噪比值，作為當(dāng)前頻段的位置指紋傳輸至服務(wù)器的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中。例如，位置6的傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)射信標(biāo)時(shí)，位置1～5和7～16號(hào)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)，測(cè)量信標(biāo)能量和信噪比，并以發(fā)射信號(hào)的能量和信噪比值歸一化后記錄至數(shù)據(jù)庫(kù)中。記錄格式如表2所示，其中V=[1,Vf2,Vf3…Vfn]代表信號(hào)能量值，S=[Sf1,1,Sf3…Sfn]代表信號(hào)信噪比值，第一個(gè)下標(biāo)表示標(biāo)定信號(hào)頻率序號(hào)，第二個(gè)下標(biāo)表示信標(biāo)接收傳感節(jié)點(diǎn)的位置序號(hào)。在位置指紋建庫(kù)的基礎(chǔ)上，還可以利用信號(hào)室內(nèi)傳播模型，采用內(nèi)插的方法增加位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的密度。

表2 位置指紋數(shù)據(jù)表示

3)掃描信號(hào)位置指紋：室內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)在不同的位置掃描測(cè)量相應(yīng)頻段內(nèi)信號(hào)的頻率f、幅度V和信噪比S，記為v=[vf1,vf2,vf3,…,vfn]和s=[sf1,sf2,sf3,…,sfn]，其中f為信號(hào)頻率。建立信號(hào)位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)后，通過(guò)軟件算法可快速、精確和低成本地獲得相應(yīng)頻段內(nèi)任意信號(hào)頻率、幅度和信噪比。

4)基于位置指紋的定位算法：匹配位置指紋包含兩部分內(nèi)容，頻率選擇和節(jié)點(diǎn)匹配。通過(guò)信號(hào)頻率f在位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找最接近的頻段的標(biāo)定數(shù)據(jù)，例如，當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率為1 727 MHz時(shí)，可選擇1 700 MHz標(biāo)定的位置指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。信號(hào)的幅度測(cè)量值為v=[vf1,vf2,vf3,…,vfn]和信噪比測(cè)量值為s=[sf1,sf2,sf3,…,sfn]，其中最簡(jiǎn)單直接的最近鄰法進(jìn)行匹配定位，通過(guò)計(jì)算最短歐幾里得距離，求取各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度和信噪比的方差Δvs1…Δvsi…Δvsn，如式(2)所示。

(2)

其中:v和s向量為測(cè)量值，V和S為標(biāo)定值，α為幅度和信噪比權(quán)重，可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景控制幅度方差和信噪比方差對(duì)Δvsi的影響度，取所有方差的最小值Δvsmin，其所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置即為信號(hào)的匹配位置。也可以根據(jù)實(shí)際情況選擇其他定位算法，例如樸素貝葉斯法等。

5)基于傳播模型的三維空間定位算法：普通的室內(nèi)環(huán)境是一個(gè)三維空間，在完成基于位置指紋定位算法后，可獲得二維平面空間的位置，但無(wú)法獲取輻射源在室內(nèi)的高度，如圖2所示。在本文3.1室內(nèi)信號(hào)傳播建模章節(jié)中得到的結(jié)論，當(dāng)輻射源距離傳感節(jié)點(diǎn)在3～4米以內(nèi)時(shí)可通過(guò)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)反推獲得輻射源距離。一般普通房間的單層層高為3米左右，恰好滿足此結(jié)論的應(yīng)用條件，因此可以基于傳播模型通過(guò)最近兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)幅度反推輻射源距離進(jìn)行交叉定位。

根據(jù)2.1節(jié)中傳播模型公式(1)，假設(shè)兩個(gè)不同位置的接收天線都能夠收到同一信號(hào)源發(fā)射的信號(hào)，且兩傳輸路徑有相同的傳播模型參數(shù)，設(shè)兩個(gè)接收天線到輻射源的路徑損耗分別為A1，A2，則兩路徑接收信號(hào)損耗差值為:

(3)

式中，d1，d2為信號(hào)源到接收天線1，2的距離，定義X′=X1-X2，則:

(4)

式中，反映陰影衰落的隨機(jī)變量X″=X′/10n是零均值的高斯隨機(jī)分布。假設(shè)信號(hào)源位置坐標(biāo)為(x,y)，兩個(gè)接收天線位置坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，則由式(4)可以得到:

(5)

對(duì)式(4)整理得:

(6)

式中，D12為兩接收天線之間的距離。于是兩個(gè)位置的接收天線之間的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)差就可以確定一個(gè)方程，求解所有的方程構(gòu)成的方程組，就可以得到輻射源的位置在高度平面上的距離，結(jié)合平面位置即可得到室內(nèi)空間的三維坐標(biāo)。

綜上所述，通過(guò)基于位置指紋的定位算法確定輻射源室內(nèi)平面位置，通過(guò)基于傳播模型定位方法確定輻射源室內(nèi)的高度，兩種方法的結(jié)合可獲得輻射源室內(nèi)三維空間位置。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組成

3.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由傳感節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和信息處理機(jī)三部分組成，其布置如圖2所示。

1)傳感節(jié)點(diǎn):以Xilinx公司推出的SoC Zynq-7045作為主芯片，搭載2片ADI公司的AD9361射頻芯片，支持80 MHz～6 GHz的4收4發(fā)，若接4個(gè)天線則可支持4個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，使用鋰電池供電。天線按照70 MHz～3 GHz和3～6 GHz兩段設(shè)計(jì)，兩根天線分別接兩路收發(fā)。

2)無(wú)線AP:采用802.11 ad無(wú)線通信協(xié)議，支持60 GHz的高速傳輸，既可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信又與偵測(cè)頻段相隔離，不影響傳感節(jié)點(diǎn)的信號(hào)檢測(cè)。

3)信息處理機(jī):采用高性能工作站連接無(wú)線AP，接收來(lái)自各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的信號(hào)和數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件進(jìn)行頻譜輻射源數(shù)據(jù)建庫(kù)、信號(hào)識(shí)別處理、室內(nèi)外判斷、室內(nèi)定位等算法處理。也可采用高性能筆記本電腦，通過(guò)軟件處理完成上述算法計(jì)算。

圖2 室內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)布置圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息處理機(jī)和傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自的任務(wù)分工對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，第一部分為信號(hào)識(shí)別算法，識(shí)別是否是商用信號(hào)，并對(duì)wifi、3 G、4 G等類型進(jìn)行識(shí)別和分類，若非商用信號(hào)則識(shí)別其信號(hào)特征，包括調(diào)制樣式、帶寬、頻率等，并存儲(chǔ)記錄。第二部分算法為室內(nèi)外定位算法，將獲得的所有傳感節(jié)點(diǎn)幅度值與標(biāo)定完的輻射地圖進(jìn)行匹配，結(jié)合信號(hào)類型識(shí)別結(jié)果，綜合判斷信號(hào)是否在室內(nèi)。第三部分算法為室內(nèi)定位算法，當(dāng)判定信號(hào)在室內(nèi)時(shí)，通過(guò)輻射源指紋識(shí)別算法，匹配計(jì)算輻射源位置，設(shè)備告警并給出室內(nèi)大致位置。

首先根據(jù)房間大小在室內(nèi)布置若干個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)；然后傳感節(jié)點(diǎn)切換至建庫(kù)模式，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)自動(dòng)發(fā)射各個(gè)頻段的信號(hào)，其他節(jié)點(diǎn)接收該信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定值通過(guò)無(wú)線AP傳輸至信息處理機(jī)，信息處理機(jī)建立數(shù)據(jù)庫(kù)并繪制輻射地圖，可設(shè)置間隔一定時(shí)間執(zhí)行一次；所有傳感節(jié)點(diǎn)切換至檢測(cè)模式進(jìn)行全頻段掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑輻射源信號(hào)，所有傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)輻射源信號(hào)特征值進(jìn)行測(cè)量，并將其傳輸至信息處理機(jī)進(jìn)行識(shí)別與定位。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

4.1 基于傳播模型的GSM信號(hào)室內(nèi)外判別實(shí)驗(yàn)

1)試驗(yàn)概述：按圖3布置天線陣，被測(cè)手機(jī)分別在房間的天線陣內(nèi)的4個(gè)區(qū)域和房間外進(jìn)行通話，通話時(shí)采集記錄4個(gè)天線的信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析對(duì)GSM手機(jī)進(jìn)行室內(nèi)外的判斷。

圖3 測(cè)試區(qū)域

2)試驗(yàn)步驟：

a)將設(shè)備按照試驗(yàn)框圖進(jìn)行連接；

b)通道一致性校正；

c)天線放置于辦公室4角；

d)將手機(jī)分別放置在采樣點(diǎn)，開(kāi)機(jī)打電話產(chǎn)生信號(hào)；

e)將1 727 MHz射頻變頻至70 MHz頻率20 MHz帶寬的中頻信號(hào)

f)采集設(shè)備分別記錄4個(gè)天線的信號(hào)原始數(shù)據(jù)；

g)信號(hào)處理算法進(jìn)行幅度計(jì)算。

3)數(shù)據(jù)分析：室外實(shí)驗(yàn)時(shí)，衰減30 dB后已檢測(cè)不到信號(hào)，在未衰減30 dB情況下，可測(cè)到手機(jī)信號(hào)值如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)室外值

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，表中為最小值歸一化后的幅度比值。

表4 實(shí)測(cè)室內(nèi)各個(gè)區(qū)域值

4)結(jié)果分析：在一定衰減值下，室外信號(hào)無(wú)法被定向天線偵測(cè)到，信號(hào)幅度高低可作為室內(nèi)外信號(hào)的判據(jù)之一。當(dāng)降低衰減值時(shí)，各個(gè)天線可接收室外信號(hào)，歸一化后接近于1(如表4所示)，因此接近于1的幅度比值也可作為判據(jù)之一。在1、2、3、44個(gè)區(qū)域均可根據(jù)幅度比值進(jìn)行匹配，并給出大致區(qū)域。采用非標(biāo)定的比幅方法，不但可區(qū)別室內(nèi)外信號(hào)，還可對(duì)室內(nèi)信號(hào)進(jìn)行粗定位，雖精度不高，但是穩(wěn)定可靠。

圖4 幅度歸一化直方圖

綜上所述，要判斷是否在室內(nèi)外，可通過(guò)設(shè)定信號(hào)幅度絕對(duì)閾值和幅度相對(duì)閾值進(jìn)行判斷和篩選。

4.2 基于位置指紋的Wifi信號(hào)定位實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)使用了12個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)、1個(gè)無(wú)線AP和1臺(tái)信息處理機(jī)。在長(zhǎng)方形房間內(nèi)每隔5米布置一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)(如圖2所示)，對(duì)2.4 GHz信號(hào)進(jìn)行建庫(kù)和定位。首先由各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)射頻率為2.4 GHz幅度為-10 dbm的單音信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定和建庫(kù)，其中建庫(kù)數(shù)據(jù)如表3所示，數(shù)據(jù)表格中橫軸S1-S12為不同位置傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)射標(biāo)定信號(hào)，縱軸為在不同位置傳感節(jié)點(diǎn)的去直流分量后的接收幅度值。

從表中可以看到不同位置的輻射源，在12個(gè)點(diǎn)的接收幅度值均有較大差別，利用信號(hào)強(qiáng)度均方差可較清晰的區(qū)分相鄰輻射源的特征。通過(guò)對(duì)表中的建庫(kù)幅度值采用最近鄰法進(jìn)行匹配定位，實(shí)際測(cè)試結(jié)果均能較好地獲得2.4 GHz頻段內(nèi)的各種輻射源的位置，定位精度可達(dá)到3米。在此基礎(chǔ)上還可利用近距離傳播模型進(jìn)行插值建模，在插值的基礎(chǔ)上增加位置指紋模型庫(kù)的密度，可進(jìn)一步提高定位精度。

5 結(jié)論

本文在通過(guò)分析各種室內(nèi)定位算法的基礎(chǔ)上，提出了基于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無(wú)源定位方法，該方法通過(guò)位置指紋定位平面位置，通過(guò)傳播模型定位高度，兩者結(jié)合可獲

表5 2.4 GHz信號(hào)建庫(kù)數(shù)據(jù)表

得室內(nèi)三維位置，在基于建庫(kù)數(shù)據(jù)插值和信號(hào)信噪比建庫(kù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信噪比和幅度多重位置指紋建庫(kù)與匹配算法研究，通過(guò)數(shù)據(jù)插值進(jìn)一步提高了定位精度。結(jié)合該算法模型，提出了系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)，并基于該系統(tǒng)完成了實(shí)際定位試驗(yàn)，在傳感節(jié)點(diǎn)間隔5米的情況下，定位精度可達(dá)到3米。

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