[论文解读] Through-Wall Tracking Using Variance-Based Radio Tomography Networks

Joey Wilson, Neal Patwari|ArXiv.org|Sep 29, 2009

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 17被引用 40

一句话总结

本文提出了一种基于方差的无线电断层成像（VRTI）方法，这是一种低成本、无需设备的实时穿墙运动追踪技术，利用无线网络中的信号强度方差实现。通过将接收信号强度（RSS）方差建模为移动目标位置的函数，并应用卡尔曼滤波器追踪运动，该系统在34个节点组成的网络下，于780平方英尺的区域内实现了约1.5英尺的平均误差。

ABSTRACT

This paper presents a new method for imaging, localizing, and tracking motion behind walls in real-time. The method takes advantage of the motion-induced variance of received signal strength measurements made in a wireless peer-to-peer network. Using a multipath channel model, we show that the signal strength on a wireless link is largely dependent on the power contained in multipath components that travel through space containing moving objects. A statistical model relating variance to spatial locations of movement is presented and used as a framework for the estimation of a motion image. From the motion image, the Kalman filter is applied to recursively track the coordinates of a moving target. Experimental results for a 34-node through-wall imaging and tracking system over a 780 square foot area are presented.

研究动机与目标

• 实现无需标签或预先设置的实时、无设备人员或物体定位与追踪。
• 解决现有穿墙成像系统存在的成本高昂、需预先部署基础设施或依赖主动标签等问题。
• 开发一种可扩展、低成本的解决方案，适用于紧急响应场景中对快速部署和被动检测至关重要的需求。
• 通过使用方差而非均值变化来估计空间运动图像，改进现有基于RSS的运动检测方法。
• 利用基于方差的运动图像，通过卡尔曼滤波实现节点自主自定位和实时追踪。

提出的方法

• 该方法将无线链路间接收信号强度（RSS）的方差建模为移动目标位置的函数，采用多径信道模型。
• 建立统计框架，将RSS方差与运动空间位置相关联，从而实现从多跳链路测量中估计运动图像。
• 基于信号传播路径的椭球近似，采用方差加权模型生成运动图像。
• 应用卡尔曼滤波器，递归估计并追踪目标在二维平面上的坐标位置。
• 系统使用部署在建筑物周围的34个节点无线网络，实时采集RSS测量值并估计运动状态。
• 通过GPS或建筑数据库信息实现节点自定位，支持无需人工校准的快速部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 无线网络中的RSS方差能否可靠用于估计墙后移动目标的空间位置？
• RQ2 在真实世界的穿墙场景中，能否从多跳RSS测量中可靠重建基于方差的运动图像？
• RQ3 使用基于方差的运动图像进行追踪时，卡尔曼滤波在多大程度上提升了目标追踪性能？
• RQ4 在真实室内环境中，无设备、低成本的VRTI系统可实现的定位精度如何？
• RQ5 在节点密度有限且存在环境噪声的实际部署条件下，VRTI方法的可扩展性和鲁棒性如何？

主要发现

• 在780平方英尺的区域内，系统对20个预设位置中移动人员的定位平均误差为1.46英尺。
• 对于静止状态下的运动（原地运动），系统平均误差约为1.5英尺，表明在检测局部运动方面具有高精度。
• 系统仅通过RSS方差测量即成功实现了对移动目标的实时追踪，无需在目标上附加任何电子标签。
• 与原始运动图像数据相比，卡尔曼滤波显著提高了追踪稳定性并减少了坐标估计抖动。
• 该方法在34个节点的无线网络真实部署中表现出可行性，对多径效应和环境噪声具有鲁棒性。
• 低成本硬件和最低限度的基础设施需求表明，该系统在应急响应和军事行动中具有强大的部署潜力。