[论文解读] Multichannel RSS-based Device-Free Localization with Wireless Sensor Network

Zhenghuan Wang, Heng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2014

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 20被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于多通道接收信号强度（RSS）的无设备定位（DFL）方法，采用鲁棒加权最小二乘法（RWLS）算法，以提升多径丰富的室内环境中的定位精度。通过利用多个信道间RSS的变化来检测被阻断的链路，并应用空间滤波消除误报，该方法将定位误差的均方根误差（RMSE）降低至0.19m，显著优于单通道和标准WLS方法。

ABSTRACT

RSS-based device-free localization (DFL) is a very promising technique which allows localizing the target without attaching any electronic tags in wireless environments. In cluttered indoor environments, the performance of DFL degrades due to multipath interference. In this paper, we propose a multichannel obstructed link detection method based on the RSS variation on difference channels. Multichannel detection is proved to be very effective in multipath environments compared to the single channel detection. We also propose a new localization method termed as robust weighted least square (RWLS) method. RWLS first use spatial property to eliminate the interference links and then employ WLS method to localize the target. Since the spatial detection relies on the unknown position of the target. A coarse position estimation of target is also presented. RWLS is robust to interference links and has low computation complexity. Results from real experiments verify the effectiveness of the proposed method.

研究动机与目标

• 为解决多径干扰导致的接收信号强度（RSS）-based无设备定位（DFL）在杂乱室内环境中性能下降的问题。
• 通过利用多个无线信道间的RSS变化而非依赖单信道测量，提升被阻断链路检测的准确性。
• 开发一种低复杂度、鲁棒的定位方法，以减轻由多径和检测噪声引起的非阻断链路误报导致的误差。
• 在无需目标标签或复杂模型的前提下，实现在真实室内环境中高精度的定位。

提出的方法

• 提出一种多通道被阻断链路检测方法，利用多个频段信道间RSS的方差来估计视 Line-of-Sight（LOS）路径衰减，从而在多径环境中提升检测的鲁棒性。
• 引入一种基于简化无线电断层扫描成像方法的粗略位置估计方法，无需正则化，用于指导空间滤波。
• 采用基于空间特性的滤波方法：仅当目标位于链路附近（0.5m以内）时，才将链路视为被阻断，从而减少非阻断链路引起的误报。
• 应用鲁棒加权最小二乘法（RWLS）算法，首先通过空间滤波去除干扰链路，再利用RSS测量进行定位。
• 采用基于阈值的空间检测方法，设定4dB的RSS变化阈值，以平衡误报率与漏检率。
• 通过实证表明，8至14个信道即可实现接近最优的性能，超过14个信道后性能增益逐渐减小。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单信道方法相比，多信道RSS变化是否能显著提升在多径丰富的室内环境中被阻断链路检测的准确性？
• RQ2 基于目标与链路之间距离的空间滤波在减少被阻断链路误报检测方面效果如何？
• RQ3 粗略位置估计对后续空间滤波与定位精度的影响是什么？
• RQ4 信道数量对检测与定位性能（包括误报率与漏检率）有何影响？
• RQ5 在存在干扰链路的情况下，所提出的RWLS方法相较于标准WLS方法，能否显著降低定位误差？

主要发现

• 与单信道检测相比，基于多信道RSS的被阻断链路检测方法显著降低了误报率与漏检率，尤其在多径环境中表现更优。
• 采用0.5m距离阈值的空间滤波将误报率从6%降低至2%（在4dB检测阈值下），显著提升了检测的可靠性。
• 粗略位置估计方法提供了可靠的初始估计，使空间滤波能够有效抑制非阻断链路的干扰。
• RWLS方法的定位误差RMSE为0.19m，相比标准WLS方法（RMSE为0.71m）实现了73%的性能提升。
• 当信道数达到8个或以上时，定位精度趋于稳定；当信道数达到14个或以上时，定位结果中的异常值完全消失，表明在更高信道数下具有更强的鲁棒性。