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1、(10)申请公布号 CN 102883360 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 3 3 6 0 A *CN102883360A* (21)申请号 201210424560.0 (22)申请日 2012.10.30 H04W 24/08(2009.01) (71)申请人无锡儒安科技有限公司 地址 214135 江苏省无锡市无锡新区太科园 大学科技园清源路立业楼A区501室 (72)发明人周子慕 杨铮 刘云浩 (74)专利代理机构北京品源专利代理有限公司 11332 代理人马晓亚 (54) 发明名称 一种室内无线全向被动用户检测的方法及系 统 (57) 摘要。
2、 本发明提供了一种室内无线全向被动用户检 测的方法和系统，所述方法包括：从室内无线局 域网物理层信息中提取待测位置指纹（LF）；计算 所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相 似度；根据所述相似度判断被监测区域内有无用 户或者进一步判断用户所处位置的情况。本发明 通过从物理层提取信息，利用信道响应的统计直 方图作为信号特征，提高了区分度和鲁棒性，实现 了全向的用户检测。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 2 页 1/2页 2 1.一种室内无线全向被动用户检测方法，。
3、其特征在于，所述方法包括： 从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹（LF）； 计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度； 根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从室内无线局域网物理层信息中提 取待测位置指纹，包括： 将由于用户距离接收机的远近和方位不同，而引起的无线信号传播路径的变化，转换 成信道频率响应（CFR）的统计直方图，利用所述统计直方图作为所述位置指纹。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将多个子载波上的信道频率响应的幅度 直方图作为从室内无线局域网物理层提取的位置指纹。 4.根。
4、据权利要求3所述的方法，其特征在于，每个直方图分量通过计算一个预先设定 的时间窗口的信道频率响应幅度而得到。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先测定好的位置指纹包括预先建 立的位置指纹数据库或者无用户时的位置指纹。 6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预先建立的位置指纹数据库是： 用户和接收机具有不同的距离和方位角以及被监测区域内没有用户时，所述接收机检 测到信道频率响应的特征，把所述信道频率响应的特征作为位置指纹，建立的数据库。 7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算待测位置指纹与预先测定好的 位置指纹的相似度，包括： 对于两个相比较的信道频率响应幅度直。
5、方图向量，计算所述向量所对应K个子载波之 间的信道频率响应幅度直方图的陆地移动距离； 将所有K个陆地移动距离累加求和作为两个位置指纹之间的相似度； 其中，K为大于1的整数。 8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算两个直方图之间的陆地移动距 离，包括： 根据待比较的两个直方图的位置和权重，计算两个直方图之间的陆地移动距离。 9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述相似度判断被监测区域内有无 用户或者进一步判断用户所处位置的情况，包括： 当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度大于设定的阈值时，判定当前被 监测区域内没有用户； 当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相。
6、似度小于设定的阈值时，判定当前被 监测区域内有用户； 或者： 判定所述数据库中与待测位置指纹相似度最高的位置指纹对应的位置为用户当前的 位置； 或待测位置指纹与所述位置指纹数据库中没有用户时的位置指纹相似度最高时，判定 当前被监测区域内没有用户。 10.一种室内无线全向被动用户检测系统，其特征在于，所述系统包括： 发射机和接收机，所述发射机和所述接收机通过无线局域网相互通讯； 权 利 要 求 书CN 102883360 A 2/2页 3 所述发射机用于发射无线信号； 所述接收机用于接收所述发射机发射的无线信号，从所述信号中提取待测位置指纹； 计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度；。
7、根据所述相似度判断被监测区 域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况。 权 利 要 求 书CN 102883360 A 1/7页 4 一种室内无线全向被动用户检测的方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及移动及普适计算领域，尤其涉及一种利用无线局域网的物理层信息作 为位置指纹的室内无线全向被动用户检测的方法及系统。 背景技术 0002 无线网络设备的普及与应用推动了普适计算、移动计算和人本计算的三重融合。 在越来越多的环境中，需要设备能够对周围用户的位置情况进行检测，如涉密区域监控，灾 难应急响应等。另外，这种被动的用户检测方式也有助于提供不同质量的基于用户位置的 服务。例如，电梯门的关。
8、闭等。而还有很多场所，如博物馆展览，则需要全向的用户检测范 围。 0003 利用雷达或超宽带系统基于反射的检测技术，可近似的实现全向检测，但由于依 赖于专用的设备，阻碍了这些技术的推广和应用。而利用普遍部署的无线局域网，可在无需 额外硬件支持的情况下实现被动用户检测。主要的原理是将人体的移动对室内空间中无线 信号传播的影响关联起来，通过检测接收端的某种信号特征判断被监测区域是否有用户进 入。 0004 目前的这种检测方法主要采用了MAC层信息中的接收信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）的波动作为判别是否有用户接近接收机的信号特征。然而，这 。
9、些工作均未实现全向覆盖范围，并且，不能在各个方向上实现相同的用户检测效果，所以不 适用于全向用户检测。 发明内容 0005 本发明提供了一种室内无线全向被动用户检测的方法及系统，实现了室内适用于 在各个方向上得到相同的用户检测效果的检测机制，所述技术方案如下： 0006 一种室内无线全向被动用户检测方法，包括： 0007 从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹（LF）； 0008 计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度； 0009 根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情 况。 0010 进一步的，所述从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹，。
10、包括： 0011 将由于用户距离接收机的远近和方位不同，而引起的无线信号传播路径的变化， 转换成信道频率响应（CFR）的统计直方图，利用所述统计直方图作为所述位置指纹。 0012 进一步的，将多个子载波上的信道频率响应的幅度直方图作为从室内无线局域网 物理层提取的位置指纹。 0013 进一步的，每个直方图分量通过计算一个预先设定的时间窗口的信道频率响应幅 度而得到。 0014 进一步的，所述预先测定好的位置指纹包括预先建立的位置指纹数据库或者无用 说 明 书CN 102883360 A 2/7页 5 户时的位置指纹。 0015 进一步的，所述预先建立的位置指纹数据库是： 0016 用户和接收机。
11、具有不同的距离和方位角以及被监测区域内没有用户时，所述接收 机检测到信道频率响应的特征，把所述信道频率响应的特征作为位置指纹，建立的数据库。 0017 进一步的，所述计算待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度，包括： 0018 对于两个相比较的信道频率响应幅度直方图向量，计算所述向量所对应K个子载 波之间的信道频率响应幅度直方图的陆地移动距离； 0019 将所有K个陆地移动距离累加求和作为两个位置指纹之间的相似度； 0020 其中，K为大于1的整数。 0021 进一步的，所述计算两个直方图之间的陆地移动距离，包括： 0022 根据待比较的两个直方图的位置和权重，计算两个直方图之间的陆地移动。
12、距离。 0023 进一步的，根据所述相似度判断被监测区域内有无用户或者进一步判断用户所处 位置的情况，包括： 0024 当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度大于设定的阈值时，判定当 前被监测区域内没有用户； 0025 当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度小于设定的阈值时，判定当 前被监测区域内有用户； 0026 或者： 0027 判定所述数据库中与待测位置指纹相似度最高的位置指纹对应的位置为用户当 前的位置； 0028 或待测位置指纹与所述位置指纹数据库中没有用户时的位置指纹相似度最高时， 判定当前被监测区域内没有用户。 0029 一种室内无线全向被动用户检测系统，包括： 。
13、0030 发射机和接收机，所述发射机和所述接收机通过无线局域网相互通讯； 0031 所述发射机用于发射无线信号； 0032 所述接收机用于接收所述发射机发射的无线信号，从所述信号中提取待测位置指 纹；计算所述待测位置指纹与预先测定好的位置指纹的相似度；根据所述相似度判断被监 测区域内有无用户或者进一步判断用户所处位置的情况。 0033 本发明提供的实施例，通过从室内无线局域网物理层提取信息，利用信道响应的 统计直方图作为信号特征，提高了区分度和鲁棒性，实现了全向的用户检测。 附图说明 0034 图1是本发明实施例提供的室内无线全向被动用户检测方法流程图。 0035 图2是本发明实施例提供的基于。
14、阈值检测的室内无线全向被动用户检测方法流 程图。 0036 图3是本发明实施例提供的室内无线全向被动用户检测系统结构示意图。 具体实施方式 0037 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描 说 明 书CN 102883360 A 3/7页 6 述的具体实施例，仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。 0038 实施例1 0039 图1是本发明实施例提供的室内无线全向被动用户检测方法流程图。该方法包 括： 0040 步骤101：从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹LF特征； 0041 步骤101具体包括： 0042 在监控阶段，接收机不断接收发射机发射的信。
15、号，并提取信号特征，这个信号特征 能够表征用户在监控区域不同的相对位置，把这个信号特征作为待测位置指纹信息，在下 面的步骤中进行分析。 0043 具体来说，将用户作为影响无线信道的一个变量，把由于用户距离接收机的远近 和方位不同而引起的无线信号传播路径的变化，转换成信道频率响应的统计直方图，利用 统计直方图作为位置指纹。其中，信道频率响应包括幅度响应和相位响应。 0044 在典型室内环境中，人体的移动对室内空间无线信号的传播产生一定的影响，发 射信号经由多条传播路径到达接收端，每条路径对发射信号都有不同的延时、衰减和相移 影响，通过检测得到接收端某种信号的特征，用这些特征来表征被监测区域用户位。
16、置的情 况，我们把这些特征称为位置指纹（Location Fingerprint，LF）特征。 0045 本发明提供的实施例采用的方法能够区分多径信号，从而能提取更为精细的信号 特征。区分多径信号可以从时域和频域两方面考虑： 0046 从时域角度分辨多径： 0047 将无线信道描述为一个时域线性滤波器，称为信道冲激响应（Channel Impulse Response，CIR），用函数h()来表示。 0048 0049 其中a i 表示第i条多径分量的幅度衰减； i 表示第i条多径分量的相位偏移； i 表示第i条多径分量的时间延迟；N表示多径总数；()表示冲激函数。 0050 从频域角度分辨多。
17、径： 0051 将无线信道描述为信道频率响应（Channel Frequency Response，CFR），用函数 H(f)来表示： 0052 H(f)=H(f 1 ),H(f 2 ),.,H(f K ) 0053 其中每个H(f k )为一个复数，表示频点f处的幅度和相位。因此，信道频率响应包 括幅频响应和相频响应两部分。CFR的频率选择性衰落现象，体现了受影响的多径分量的变 化。 0054 由于信道响应通过区分多径效应精细刻画了无线信号的传播路径，因而这种物理 层信息对全向被动用户检测带来很大的性能提升空间。 0055 我们把采用信道频率响应CFR的幅频响应来表征传播路径的变化，作为本发。
18、明实 施例的优选方式。主要出于以下几个方面考虑： 0056 对环境动态性的抗干扰性：实验证明，用户在不同位置时，CFR之间的空间互相 关性较低，从而使得CFR具有较高的空间区分度。而不同时间用户处于同一相对位置时测 得的CFR之间具有较高的相关性。所以CFR的结构具有较好的时间一致性，能够抵抗远处 说 明 书CN 102883360 A 4/7页 7 环境变化的干扰。 0057 信号特征对用户靠近的敏感性：从人体影响无线信道发生变化的敏感性角度来 说，CFR的波动范围是整个频域。人体运动时通常只改变一部分传播路径，在频域上可等效 为覆盖整个频率范围的常值信号。 0058 CFR包括幅频响应和相。
19、频响应，实验表明，采用相频响应要减轻相位噪声，需仔 细校准相位信息；并且部分子载波的相位在一定时间内呈近似均匀分布，从而降低了与位 置相关的区分度。同时，均匀分布的相位还导致难以对CFR应用传统的聚类方法提取特征。 因此，采用幅频响应更容易实现。 0059 由于CFR的幅度分布较为分散，利用传统的聚类方法需要较大数据量，且需要较 为精细的划分粒度，因此，本发明的实施例将CFR的幅度分布的统计直方图信息作为检测 信号的位置指纹，即将K个子载波上的CFR的幅度直方图作为提取的物理层特征： 0060 hist(|H(f)|)=hist(|H(f 1 )|),hist(|H(f 2 )|)，.,his。
20、t(|H(f K )|) 0061 每个直方图分量hist(|H(f k )|)可以通过计算一个预先设定的时间窗口内的 CFR幅度而得到。 0062 因此，采用CFR的幅频响应来表征传播路径的变化具有传统的RSSI所不具有的巨 大优势，所以我们可以通过CFR的幅频响应方法来实现技术方案。 0063 步骤102：计算所述待测位置指纹与预先建立的位置指纹数据库中位置指纹的相 似度； 0064 本实施例中预先建立的位置指纹数据库表示的是：用户和接收机具有不同的距离 和方位角以及被监测区域内没有用户时，所述接收机检测到信道频率响应的特征，把所述 信道频率响应的特征作为位置指纹，建立的数据库。 0065。
21、 步骤102具体包括步骤10211022： 0066 为比较两个CFR幅度直方图向量的相似度，首先要定义两个直方图分量之间的相 似度，本发明实施例采用了陆地移动距离（EMD，Earth Movers Distance）来定义两个直方 图分量之间的相似度。EMD是一种衡量直方图或概率分布之间的测度。 0067 步骤1021：对于两个相比较的信道频率响应幅度直方图向量，计算所述向量所对 应K个子载波之间的信道频率响应幅度直方图的陆地移动距离；其中，K为大于1的整数； 0068 具体的，计算两个直方图之间的陆地移动距离，包括： 0069 把待比较的两个直方图看作两组特征； 0070 将区间的位置作为。
22、特征的位置，将相应区间内的计数作为对应的权重； 0071 根据所述特征的位置和权重，计算两个直方图之间的陆地移动距离。 0072 具体的，对两组大小分别为m和n的特征和其中u i 和v j 分别代表了每组特征中的第i和第j个元素的位置，而p i 和q j 分别代表了其相应的 权重，则这两组特征的EMD距离定义如下： 0073 0074 且满足： 说 明 书CN 102883360 A 5/7页 8 0075 0076 直方图可看作一组特殊的特征，因此在计算两个直方图之间的EMD距离时，将区 间的位置作为特征的位置，将相应区间内的计数作为对应的权重即可按照上述公式计算两 个直方图之间的EMD距离。
23、。 0077 单独计算每个子载波上CFR幅度直方图的EMD距离是为了计算统计意义上大尺度 时间范围内每个子载波特征的相似度，且保留小尺度范畴上CFR的频域结构，从而既在一 定程度上消除了随机扰动的影响，又获得了较高的空间区分度。 0078 步骤1022：将所有K个陆地移动距离累加求和作为两个位置指纹之间的相似度。 0079 本发明的实施例首先计算对应子载波之间的CFR幅度直方图的EMD距离，然后将 所有K个EMD距离累加求和作为两个位置指纹之间的相似度。 0080 因为，正交频分复用技术的（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）子载波频。
24、率间隔超过了典型的室内相干带宽，因而其衰减相互独立，而人体 对每一条时域传播路径的影响对应为整个频率范围内的变化，使得每个子载波受到的影响 在计算信号受到的总体影响时所占权重相同。因此，将每个子载波对应的EMD距离直接求 和，作为两个位置指纹之间的相似度。 0081 步骤103：根据所述相似度判断被监测区域内用户所处位置的情况； 0082 步骤103具体包括： 0083 判定数据库中与待测位置指纹相似度最高的位置指纹对应的位置为用户当前的 位置； 0084 或待测位置指纹与位置指纹数据库中没有用户时的位置指纹相似度最高时，判定 当前被监测区域内没有用户。 0085 为了提高判断的正确率，可将一。
25、系列滑动窗口内CFR位置指纹与数据库中预先标 定的位置指纹进行匹配，当这些滑动窗口中大部分CFR位置指纹均与数据库中有用户时的 位置指纹更为相似时，判定当前这一系列滑动窗口对应的中间时刻有用户进入被监测区 域。由于位置指纹识别的方法预先标定了被监测区域内各方向的CFR特征，而无论用户与 接收机处于何种相对方位，其CFR特征与没有用户时的特征相比，都更接近数据库中有用 户处于该方位时的位置指纹，因此，位置指纹识别的方法利用了各个方向上的CFR特征，只 要数据库中采集了预先标定的各个方向上的CFR特征，就能够较大程度上避免由于发射 机-接收机链路结构导致的有向检测范围。 0086 本实施例提供的这。
26、种方法，不仅可以检测被监测区域中是否有用户，还可判断用 户与接收机的相对方向，提高了区分度和鲁棒性，很好的实现了全向的用户检测。 0087 实施例2 0088 图2是本发明实施例提供的基于阈值检测的室内无线全向被动用户检测方法流 程图。 0089 本发明的实施例2提供了一种基于阈值检测的室内无线全向被动用户检测方法。 如图2所示，该方法的基本步骤，包括： 0090 步骤201：从室内无线局域网物理层信息中提取待测位置指纹（LF）； 0091 在执行此步骤时，只需提取监控区内没有用户是的位置指纹。这样，在判定被监测 说 明 书CN 102883360 A 6/7页 9 区域内是否有用户时，仅需将。
27、待测CFR位置指纹与没有用户时的位置指纹对比即可，因为 附近的人体的存在对接收信号的影响往往远大于远处环境对接收信号的影响。 0092 步骤202：计算所述待测位置指纹与无用户时的位置指纹的相似度。 0093 在执行此步骤时，对于检测有无用户，首先要设定一个待测位置指纹与无用户时 位置指纹的相似度阈值： 0094 0095 其中为一个预先设定的常量，s k 是被监测区域内没有用户时测得的CFR位置指 纹，s out 表示被选作表示当前没有用户时的CFR位置指纹。 0096 上式的意义表示，在被监测区域内没有用户时，接收机测得一组K个CFR位置指 纹，计算这K个位置指纹之间的EMD距离，其中与其。
28、余位置指纹距离之和最小的一个CFR位 置指纹最能代表这K个位置指纹的特征，因此可将这个CFR位置指纹作为被监测区域内没 有用户时的位置指纹标准。把其他K-1个CFR位置指纹与这个标准的CFR特征之间的EMD 距离的最大偏差，乘以1+，得到一个CFR位置指纹的阈值，把这个CFR位置指纹作为判 定被监测区域内有无用户进入的标准。其中常量可根据不同的环境条件通过少量训练 获得。 0097 步骤203：根据相似度判断被监测区域内有无用户； 0098 在执行此步骤时，对于检测有无用户，只需要把待测CFR位置指纹与步骤102中 设定的阈值相比较，当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似度大于设定的阈值。
29、 时，判定当前被监测区域内没有用户。当待测位置指纹与所述无用户时的位置指纹的相似 度小于设定的阈值时，判定当前被监测区域内有用户。以上实施例2中与实施例1相同的 部分不做赘述。 0099 本实施例提供的这种基于阈值的检测方法仅需很少的预先训练即可正常更新，该 阈值更新过程可很方便地在被监测区域应该是没有用户的情况下进行，如博物馆内部署的 上述被动用户监测设备的阈值更新过程，可以在博物馆闭馆时间段内进行。 0100 实施例3 0101 图3是本发明实施例3提供的室内无线全向被动用户检测系统结构示意图。如图 3所示，其中图中包括发射机301和接收机303，还有用户302。 0102 本发明的实施例。
30、3提供了一种室内无线全向被动用户检测的系统，该系统包括： 0103 发射机301和接收机303，发射机和301接收机303通过无线局域网相互通讯；本 实施例采用的是室内环境中部署的无线局域网，可采用802.11n、802.11a/g等采用了OFDM 技术的无线局域网协议。 0104 发射机301用于发射无线信号；本实施例优选采用的发射机301为室内已经部署 的无线局域网接入点（Access Point，AP）。 0105 接收机303用于接收发射机301发射的无线信号，从该信号中提取待测位置指纹； 计算待测位置指纹与位置指纹数据库中位置指纹的相似度；根据相似度判断被监测区域内 有无用户302以。
31、及用302户所处位置的情况。 0106 本实施例优选采用的接收机303为安装了Intel 5300无线网卡的商用笔记 本电脑。接收机301从发射机301发送的数据包中提取信道状态信息（Channel State Information，CSI）。每个CSI代表了一个OFDM子信道的实部和虚部。利用Intel5300无 说 明 书CN 102883360 A 7/7页 10 线网卡读取30个子载波上的CSI信息，并将其转换为30个CFR分量。接收机303每次记 录一段时间内的CFR信息，并统计CFR幅度的直方图作为CFR位置指纹。 0107 本实施例提供的室内无线全向被动用户检测系统与方法实施例。
32、属于同一构思，其 具体实现过程详见方法实施例这里不再赘述。 0108 本实施例提供的这种系统，提高了区分度和鲁棒性，很好的实现了全向的用户检 测。 0109 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件 来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读 存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。 0110 以上仅是针对本发明的优选实施例及其技术原理所做的说明，而并非对本发明的 技术内容所进行的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的技术范围内， 所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。 说 明 书CN 102883360 A 10 1/2页 11 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102883360 A 11 2/2页 12 图3 说 明 书 附 图CN 102883360 A 12 。