[论文解读] dRTI: Directional Radio Tomographic Imaging

Bo Wei, Ambuj Varshney+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2014

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 29被引用 5

一句话总结

本文提出dRTI，一种使用电子切换定向（ESD）天线的定向无线电断层成像系统，以提升室内环境中定位精度。通过聚焦无线电能量并减少多径衰落，dRTI在视 Line-of-sight 和非视 Line-of-sight 情况下均显著优于全向RTI，且通过智能选择天线方向，有效降低了通信开销。

ABSTRACT

Radio tomographic imaging (RTI) enables device free localisation of people and objects in many challenging environments and situations. Its basic principle is to detect the changes in the statistics of some radio quality measurements in order to infer the presence of people and objects in the radio path. However, the localisation accuracy of RTI suffers from complicated radio propagation behaviours such as multipath fading and shadowing. In order to improve RTI localisation accuracy, we propose to use inexpensive and energy efficient electronically switched directional (ESD) antennas to improve the quality of radio link behaviour observations, and therefore, the localisation accuracy of RTI. We implement a directional RTI (dRTI) system to understand how directional antennas can be used to improve RTI localisation accuracy. We also study the impact of the choice of antenna directions on the localisation accuracy of dRTI and propose methods to effectively choose informative antenna directions to improve localisation accuracy while reducing overhead. We evaluate the performance of dRTI in diverse indoor environments and show that dRTI significantly outperforms the existing RTI localisation methods based on omni-directional antennas.

研究动机与目标

• 提升在存在多径衰落和遮挡的复杂室内环境中，无线电断层成像（RTI）的定位精度。
• 研究在RTI系统中使用电子切换定向（ESD）天线进行无设备定位的可行性与性能。
• 通过仅选择信息量丰富的天线方向对，降低dRTI中的通信与能量开销。
• 在多种室内环境中评估dRTI性能，并与全向及多通道RTI系统进行对比。

提出的方法

• 系统在发射端和接收端采用ESD天线，动态切换多个定向波束，提升无线电链路质量测量的空间分辨率。
• 将无线电链路质量变化（均值与方差）建模为障碍物存在的指示器，并利用这些指标通过断层成像重建估计物体位置。
• 提出三种方法选择最优定向天线对：基于信号强度、空间分集和链路质量变化，以最小化冗余测量。
• 系统仅使用单个射频信道，保持与传统RTI的兼容性，同时增强对障碍物的敏感度。
• 实施空室校准阶段，以标定基线链路质量，从而检测由人体存在引起的链路质量变化。
• dRTI框架将定向波束选择与RTI重建相结合，提升定位精度，同时降低能量与通信开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 与全向天线相比，定向天线是否能在室内环境中显著提升RTI的定位精度？
• RQ2 定向天线对的选择如何影响dRTI中无线电链路观测质量与定位性能？
• RQ3 哪些策略能有效降低dRTI中的通信与能量开销，同时保持高定位精度？
• RQ4 在视 Line-of-sight 和非视 Line-of-sight 情况下，dRTI相较于全向和多通道RTI的性能优势有多大？

主要发现

• dRTI通过在障碍物存在时产生更尖锐、更明显的无线电链路质量统计变化（均值与方差），显著提升了相对于全向RTI的定位精度。
• 定向天线降低了多径衰落与遮挡的影响，从而提高了对人体障碍物检测的可靠性。
• 所提出的用于选择信息丰富天线方向对的方法，有效降低了系统开销，同时保持或提升了定位性能。
• 在视 Line-of-sight 和非视 Line-of-sight 环境中，dRTI在定位精度与鲁棒性方面均优于现有RTI方法，包括多通道RTI。
• 使用ESD天线可实现高分辨率定位，且能耗极低，使dRTI适用于资源受限的无线传感器网络。
• 系统在多种室内环境中（包括穿墙跟踪）展现出可行性与实用性，无需设备标签或长时间训练周期。