基于电力线(Power Line)的室内定位方法

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1 基于电力线(Power Line)的室内定位方法
朱明 2013年5月9日

2 几种室内定位方法 红外线，超声波，蓝牙，RFID，UWB,WIFI，ZIGBEE，SLAM(Simulataneous Localizagion and Mapping,自适应室内定位系统，主要用在机器人定位领域)，麦克风阵列，电力线，等等

3 几种定位技术 一，三角测量技术 TOA,基于单程传播时间计算距离 TDOA,移动设备的发射信号到多个接收站的时间差进行定位
AOA，测量移动设备到两个基站的信号到达角度（需要架设定向天线和天线阵列） 二，RSSI测量技术 1，基于传播损耗模型 缺点：信号传播模型的建模比较复杂，因为有反射、散射、多径传播，非视距，阴影效应、等影响，导致误差较大 2，基于RSSI 指纹库 缺点：需要人工采集参考点的数据

4 电力线及其载波通信 室内电力线(Power Line)是非常普遍的，近年来，室内电力线定位是一种新兴的定位方法，它利用电力线的辐射信号进行定位。 电力线载波通信(PLC)是利用高压电力线(>35KV)，中压电力线(>10KV)，低压电力线(380/220V)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的通信方式。该技术把高频信号加载于电流中，用电力线传输，接收信息的调制解调器把高频信号从电流中分离出来，并传到计算机或终端。目前达到的通信速率在4.5~45Mbps之间。

5 电力线定位的研究现状 一，2006年，Patel[1]等人提出室内电力线定位技术。基本原理是，将两个信号发生器同时作用在电力线上，同时发送音频信号，根据两个信号在不同地方产生不同的接收信号强度(RSSI)，建立RSSI 指纹数据库，利用指纹识别技术进行位置判断或估计。 二，2008年，Stunbeck等人验证了[1]，并对该系统进行了改进[2]，该系统将44个不同频率信号加到电力线上，利用接收场强进行定位 [1]S.Patel K.Truong “Powerline positioning: A pratical sub-room-level indoor location system for domestic use. Ubicomp 2006 [2]E.P.Stunbeck, S.N. Patel “Wideband Powerline Postioning for indoor Localization” Ubicomp 2008

6 电力线复用技术 室内电力线的基本功能是传输电流，电力线复用技术可以解决电力线发送和传输和信号的问题。这是比较成熟的技术，可以保证信号的稳定性和可靠性。因为电力线传输的是50HZ强电流，如果在上面加一个接近此频率的信号，必然会被淹没掉。所以，一般会传输较高频率的信号(可能达到几百K HZ)。

7 低压电力线信道特性 1）时变性，随着各种电器的接入、切出使信道特性发生变化。
2）信号衰减特性。电力线由铝或其他导体加工而成，本身阻抗很小。而电力线上并联的负载对信号衰减影响很大。 3）输入阻抗特性。输入阻抗随频率的升高而增大，随时间的变化不太明显，与网络的负载分布有较大的相关性。在设计载波通信信号发送装置时要考虑具体的网络情况，使其具有 自适应增益调整功能，消除输入阻抗变化带来的影响。

8 低压电力线信道模型 多径信号传播模型： j为路径号，其中1为最短路径。g为路径j的权系数（考虑路径中的反射和透射系数）第二项为衰减部分，a0,a1,k为电力线的衰减系数，dj为路径j的长度，第三项为时延部分，其中vp为信号 在电力线上的传播速度，dj/vp表示路径j的时延。 J.R. Nicholson, J.A. Malack “RF impedeane of power lines and line impedance stabilization networks in conducted interference measures” 2007 M.zimmermann “A multi-path signal propagation model for the power line channel for indoor localization

9 电力线上的噪声干扰 非人为噪声： 1）背景噪声，与介质的温度成正比 2）突发噪声，比如闪电，线路故障，电闸操作，等。恶劣天气会增大噪声电压。
1）电器设备产生的噪声 2）调光器、整流器等电源产生的谐波噪声 3）电器开关产生的突发脉冲噪声。其特点是周期短，幅值大，白天干扰较多。这与人们活动有很大关系

10 信号发射单元 信号发生器产生频率为200KHZ~25MHZ的正统、方波、三角波等信号，然后该信号输入信号发射器中，最后由其产生的信号输入室内电网中。

11 信号接收单元 宽带天线和高频信号接收装置将室内电磁信号转换成电压信号，再通过信号处理装置把接收到的电压信号放大并转换为满足数据采集卡输入范围的模拟信号，然后由数据采集卡将接收到的模拟信号转换为数字信号，并输入计算显示单元，由其完成各种运算，最后显示得到的各种数据。

12 基本工作过程 工作过程 将信号发射器连接到插座上，各自发送不同频率的音频信号到楼宇的其他部分，调节信号强度使其有足够大的功率，使衰减的信号可以到达楼宇的任何一个房间。便携式检测器检测周围的信号，记下位置及指纹，指纹数据由给定位置的电力线密度决定。然后分析这些指纹数据，使其与位置相匹配。目前的研究仅限于提取音频信号的振幅大小进行定位，可以得到较好的效果。 接收器的RSSI主要有下面几个影响因素 1）接收器与电力线间的距离 2）本区域中电力线的密度 3）发射器与接收器位置间的电力线长度

13 一个房间检测到的信号强度

14 两个房间的RSSI指纹数据 在楼宇中，在不同地点放两个发射模块。上面两图分别表示两个房间的RSSI指纹数据，每个格子代表1米，红色和绿色的高度分别表示两种信号强度的大小。可以看出，左边房间中红色代表的数据强度高于绿色，而右边房间则相反。

15 定位算法 电力线馈出的信号具有低的时间变化率，但有较高的空间变化率（除非模块被移动，或电力系统改变），因此可以用指纹识别（fingerprint)的定位方法。 定位算法一般有两个步骤： 1）预测哪一个房间或区域 2）预测此房间或区域中的子空间 主要用到聚类方法，比如最近邻算法，K均值算法 S.Arya,D.M.Mount “An optimal algorithm for approximate nearest neighbor searching fixed dimensions”

16 精度分析 上图显示了不同数量的发射模块，得出的精度信息，可以看出在两个或三个模块的时候，精度已经较高，模块数量增多时，精度基本保持不变。

17 电力线定位方法与GSM，WIFI的对比 PowerLine GSM WIFI 精度 3M 90% 1M 67% 20M 90%
PowerLine GSM WIFI 精度 3M 90% 1M 67% 20M 90% 2-M 50% 6M 90% 2-3M 50% 设备需求 两个信号发射模块，一个接收器 GSM蜂窝网覆盖 3-4个WIFI AP 费用 20$ 每个标签50$ 每个发射模块 25$ 每个标签 50$ 每个AP 频率范围 10KHZ-500KHZ 900M,1800MHZ 2.4GHZ 更新速率 >20HZ 标签功率 -50mA -200mA -100mA

18 电力线室内定位的特点及展望 优势： 1）充分利用了电力线这一普遍的资源 2）需要添加很少的设备，仅为两个发射模块和一个接收器
3）可以到达子房间级的定位，指纹间距为1m的情况下，可以达到3m内可以达到90%以上的定位精度。 4）不需要对家庭的设备进行改变 5）时间稳定性好，空间变化率大，此方面优于基于WIFI的RSSI 指纹数据测量 劣势： 1）目前主要采用指纹数据识别的方法，需要较多的人工测量。同时此方法与电力线的密度密切相关，在密度较高的情况下有较好的效果，而在密度较低的情况下，效果则不太理想。 2）多径信号传播模型，不够精确，误差较大，需待改进。 3）仅利用了音频信号的自相关函数在0处的取值（幅度平方之和）进行定位，而没有利用其他信息，比如，时延、相位等信息。

19 结束 谢谢大家