基于RBF神经网络的AOA定位算法
第28卷第1期 2008年1月 —————————————~—————~ Computer Applications 计算机应用 Vo1.28 No1 .Jan.2008 文章编号:1001—9081(2008)01—0001—03 基于RBF神经网络的AOA定位算法 。氅 家授时中心,西安710600;2.中国科学院研究生院,北京1000一 t院.1oo西安邮电学院电子与信息工程系西安710061;4.西安交 , ・39;,,西安71oo49) 苎 正奠 模型,提出了基于RBF神经网络的AoA定位算法。应用RBF神经网 传播的影响然后利用最 c乘(Ls,算法进 定 : 提高了系统的定位精度,,t ̄@4L5-LS算法 ’ ……” … 嵫井 绒 、 L 络对 柳 ,,葶键词:中图电波到达角;非视距传播;最小二乘法;神经网络 分类号:TN929.53 文献标志码:A AOA location algorithm based on RBF neural network MA0 Yong—yi ’ 一U Ming—yuan ZHANG Bao-jun (1・National?b Service CenterChinese Ac0( my ofScien . n.s n n 71n nn rL ,,,. D 3‘厶 duate&^。。z,Chinese Academy ofSciencesBering 100039,c-・ ’;e partmen fPost and ec0m眦n 如 ,乙 tun atof Electronic an d Information,Xi'an 螂嘶on4・ fElect n ndI ors ∞ 710o61,c胁№;sc。。onformationEngineering, , ,.…Abstract:Acc0帆Line-Of-Si ind蛔㈨ al  ̄ontlam . Geome cation a1 gorithm based o10 n RBF neural network Was prop0sedly Based s ・B0unced(GBSB)statistical m kulatedby pe .Juu*,ght(NLOS) 1 /111一Angl—OfiAm/1. ̄gte t./一v. . .(A0A)al rhe position w…p ropagation,thent,The RBF neu etwrK was-Ousedtomco rrec tthe e肿m; uI m ∞ ∞acc啪cy —鲫canfly improved and the al。ane e。f this alg0rit—Ls).(hm。一~’ …‘………Key words:Angle Of Arrivl(AOA);Nona.Line.f-OSight(NLOS);Least squares algorithm f I s1.ne ural r1 1 GBSB统计信道模型 美国 , 信委员会(Fcc)于1996年正式将位置信 … 曼 E移动用户进行定位引起…-9。1 璺救业务必备要求提出后,利用移 吾 im e Di( Tference—…..了广泛关注…。电波 of Ar ̄val,TD0A)方法由于对设备改 的信道模型‘ 竺堂 信道模型是一种适用于对各种定位算法进行 其中基于几何结构的单次 画‘ ,呈 妻要移动台(s Mobile Stati。n,MS)与基站(B 。、:: 垦 的时间 步,因而受到广泛的关注 毒 算法。在第三代移动通信系统 chan 算法和最小二乘( j /' ..于宏蜂窝环境,基于几何结构的单次反射椭圆模 !et…ircally Based Single Bounce Ellipticla Model,GBSBEM) 适用于微蜂窝环境。 ! 主要考虑适用于宏蜂窝环境的GBMS为圆心SBCM反射体均 美 竺坌 半径为 R的圆周上(如图1所 ;。, ,维普资讯 http://www.cqvip.com
2 计算机应用 第28卷 3)MS和BS 之间的距离大于R; 为: 独立的N1 s造成的误差与系统的自身测量误差是相互统计 E: 古 一 ” 。 2圭 (yJ一 ): (、 7) 由模型可知,最大时延扩展r 和最大角度扩展0…分 其中:P为训练样本的个数,r为输出单元的个数。则输出单元 别为: 的权值为: r =2R/c;e为光速 (1) ∞ (n+1)=∞ (n)一叩。 (8) =a n( )= 隐层单元的中心为: arc [ i≠丽] ) ㈩ (9) 基函数围绕中心点的宽度为: 2 基于RBF神经网络的AOA测量值的修正 r, (n+1)= (n)一叩, (10) 设 .为MS与BS。之间的AOA测量值,由于存在系统的 测量误差和由NLOS引起的附加角度误差, 可表示为: 3 基于RBF神经网络的AOA定位算法 = ”+ n + ;i=1,2,・一,肘 (3) 3.1基于AOA的Ls定位算法 其中: 。为LOS环境下的AOA的值; n 为系统测量误差, 设MS坐标为( ,Y),参与定位的基站 坐标为( , 服从0均值高斯分布;方差为r,…2;Or 为NLOS引起的附加角 Y ),个数为肘。各基站测量的AOA值为0 ,则有: 度误差。 本文通过RBF神经网络来对NI 0s误差和测量误差进 tan 0。= — (11) .If一 I 行修正,使修正后的AOA值尽量接近真实值。图2给出了用 上面方程为可先转化成以下形式: 于NLOS环境下7个基站提供的AOA测量值修正的RBF神 (tan 0 ) 一Y=(tan 0 ) 一Y ;i=1,2…,肘 (12) 经网络模型:RBF网络由输入层、隐层和输出层组成。 当AOA测量值存在误差时,可以得到误差方程: 其中输入层由7个相关的基站所提供的7个AOA测量 =h— (13) 值组成。输入向量为: 其中: :[ l, 2, 3, 4, 5, 6, 7]= tan 0. 一1 [AOA1,AOA2,AOA3,AOA4,AOA5,AOA6,AOA7] tan 0 一1 (4) co= tan 0" 一1 r(tan 0I) l 一 1 h: (tan 02) 2 一,2 : 采用LS算法估计MS位置为: 图2用于AOA测量值修正的RBF神经网络模型 :(Go。G )~G h (14) 隐层节点中的作用函数(基函数)对输入信号将在局部 3.2基于RBF神经网络的AOA定位算法 产生响应、当输入信号靠近基函数的中央范围时,隐层节点将 基于AOA的Ls算法在LOS环境下具有较好的定位精 产生较大的输出,因此这种网络具有良好的局部逼近能力。 度,对于NLOS环境中误差较大的AOA测量值,该算法的性 本文选择的基函数是高斯函数: 能将受到较大影响。利用RBF网络对AOA测量数据进行修 R ( ):e 一L Z 正,从而减小AOA测量值中的NLOS误差,然后利用LS算法 o"i 1J ; 1 2一,m(5) 进行定位将有效提高系统的定位精度 定位的具体步骤如 其中: 是输入向量;c 是第i个基函数的中心,与 具有相 下: 同维数的向量; 决定了该基函数围绕中心点的宽度;m是感 1)假定测得 组NLOS环境下的AOA值,建立用于修正 知单元的个数。【【 —c;【I是向量 —c 的范数。R ( )在c 处 NLOS误差的RBF网络并进行训练 以移动台的不含测量误 有一个唯一的最大值,随着l l—c lI的增大,R ( )迅速衰 差和NLOS误差的AOA为目标样本矢量对网络进行训练。 减到零。 2)用训练好的RBF网络对模拟的AOA测量数据进行修 输出层由7个神经元构成,其输出为修正后的AOA值。 正。 输出向量为: 3)利用修正后的AOA值采用基于AOA的Ls算法进行 O=[Yl,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7]= 位置估算。 『n, ,73, . ,715,7'7] (6) RBF网络中要学习的参数有3个,即各RBF的中心和方 4 仿真与分析 差,以及输出单元的权值。上述3个参数都采用监督学习方 4.1仿真条件和仿真步骤 、 法训练。学习规则如下(gt为迭代步数): 本文通过计算机仿真对基于RBF神经网络的AOA定位 假设系统的实际输出为y ,期望输出为 , ,则系统的误差 算法在不同信道环境下的性能进行了分析,并与基于AOA的 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 毛永毅等:基于RBF神经网络的AOA定位算法 3 LS算法在相同条件下的结果进行了分析比较。采用7个小 位性能变化不大。说明神经网络对NLOS修正有效地抑制了 区组成的典型蜂窝结构,它们的位置如图3所示。 定位误差的增长,因而具有更好的稳定性。 ~ i 堡 斟 塞 磊 图3基站与移动台的位置分布 嚣 ÷ 移动台(MS)位置选取:在仿真中假设移动台均匀分布在 图2阴影部分所示的1/12小区内。选取其中1 000个位置进 行仿真分析。除了分析小区半径对定位性能影响之外,在其 他情况下,小区半径均取2 km。除了分析AOA系统测量误差 对定位性能影响之外,在其他情况下,假设AOA系统测量误 小区半径q:m Co) 差为独立同分布的均值为0,标准差为0.05 rad的高斯随机 图4小区半径对定位性能的影响 变量。MS与所有基站之间均为NLOS。 仿真步骤如下: 1)首先产生均匀分布的2 000个MS位置,作为目标数 毒 据。然后根据AOA测量误差模型产生相应的模拟的测量数 ∽ 据。 丕 {{jjj 2)将模拟的测量数据分为两部分,其中一半用于训练神 经网络,另一半用于性能仿真。 椒 霹 匦/ 3)建立和训练RBF网络。以移动台的不含NLOS误差 删 的AOA为目标样本矢量对网络进行训练。 4)模拟的测量数据的仿真,先用训练好的RBF网络对模 拟的AOA测量数据进行修正。利用修正后的AOA值采用 反射圆半径/m LS算法进行位置估算。计算定位的均方根误差RSME、定位 (a1 精度小于125 m的概率。在二维定位估计中计算RSME的方 法为: RMSE= E[( 一 ) +(Y一 ) ] (15) 塞 其中:( ,y)为MS实际位置,( , )为MS估计位置。 藿 4.2仿真结果与分析 罡 ÷ 1)小区半径对定位性能的影响 从图4可以看出,算法随着小区半径的增大,定位的均方 根误差随之增大,定位误差在125 m以内的概率则随之减小, 即定位精度下降、定位的可靠性下降。由于小区半径的增大, Ms与Bs之间的距离会有所增大,所以导致了NLOS误差对 反射圆半径/m (b1 角度误差的影响增大,定位精度下降。 图5反射圆半径对定位性能的影响 2)反射圆半径对定位性能的影响 当在反射圆半径较小时,也就是说在信道环境较好的情 图5表明:随着反射圆半径的增大,LS算法定位误差也 况下,本文算法与LS算法定位性能相差不大,本文算法甚至 随之增大,也就是随着信道环境的逐渐恶化,定位误差 比LS算法定位性能还有所下降,原因在于此时NLOS误差较 小于125 m的概率则也随之下降。说明LS算法不能有效地 小,使用神经网络的所产生的逼近误差比NLOS误差还大所 抑制NLOS的影响。而随着反射圆半径增大,本文算法的定 造成的结果。 (下转第6页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
6 节点数(PⅣ)的变化情况。 计算机应用 第28卷 的网络架构能够适应网格资源的复杂性与异构性,可扩展性 好;在上述模型的基础上设计了成员加入协议和资源发现算 法,该算法通过跳数限定、缓存列表等策略减少了网络负载、 由图4反映的试验结果可知,随着PN的增加,RMN随之 增加。PN的取值范围在5~500时,,rI1L取值对RMN的影响较 大;PN的取值超过500时,,rI1L取值对RMN的影响较小。由此 可得,PN的取值较大时(PN.>500),通过跳数限定(即减少 ,rI1L取值),可减少网络上传递的查询和响应消息数量,缩短 查询时间,提高网格环境下资源发现的效率。 提高了资源发现效率。通过模拟实验对该算法进行了验证。 参考文献: [1] IAMNITCHI A,FOSTER I.On fully decentralized resource discov— cry in d environments[C】//Proceedings of 2th International Workshop on Grid Computing.London:Springer—Verlag,2001:51 —62. [2] CHEEMA A,MUHAMMAD M,GUPTA I.Peer-to—peer discovery 籁 烤 导 嬉 君 of computational resources for d applications[C]//Proceedings of 6th IEEE/ACM International Workshop on Grid Computing.Lon— don:Springer-Verlag,2005:179—185. [3] YANG B,GARCIA—MOLINA H.Designing a super-peer network 【C】//Proceedings of 19th International Conference on Data Engi— neering.Bangalore:IEEE Computer Society Press.2003:49—6O. 徊 [4] IAMNITCHI A,IAN FOSTER I,WEGLARZ J,et a1.A peer-to— peer approach to resource lcatoion in d envionmentrs[M].Bos- PO内的节点数 图4查询结果平均数量比较 ton:Kluwer Publishing,2003. [5] BUYYA R,MURSHEDM.GridSim:A toolkit for the modeling and simulation of distirbuted resource management and scheduling for 4 结语 本文建立了一种层次结构的网格模型,采用该模型构建 (上接第3页) 3)AOA测量误差对定位性能的影响 grid computing[J].Concurrency and Computation:Practice and Experience,2002,14(3):1 175—1220. 性能均明显优于LS算法。说明本文算法对系统的测量误差 也有一定的抑制能力。 5 结语 本文提出了基于RBF神经网络的AOA定位算法。该算 法利用神 网络较快的学习特性和逼近任意非线性映射的能 力来消除 NLOS的影响,使其适用于复杂的多径环境。仿真 结果表明该算法对NLOS误差具有很强的抑制能力。通过神 经网络对NLOS误差的修正,在NLOS信道环境下,该算法具 有较高的定位精度和可靠性,定位性能优于基于AOA的LS 算法。 AOA测量误 ̄/rad (a) 参考文献: [1] REED J,RAPPAPORT T.An overview of the challenges and pro— gress in meeting the E-911 requirement for location service[J]. IEEE Communication Magazine,1998,36(4):30—37. [2] FOY W H.Position lcatoion solutions by Taylor-series estimation [J].IEEE Transaction On Aerospace and Electonirc System,1976, AES一12(2):187—193. [31 熊瑾煜,王巍,朱中梁.基于泰勒级数展开的蜂窝TDOA定位算 法[J].通信学报,2004,25(4):144—150. [4] CHAN Y T,HO K C.A simple and efficient estimator ofr hyperbolic lcatoion[J].IEEE Transaction on Sinagl Processing,1994,421 (8):1905—1915. AOA测量误 ̄/rad (b) [5] 范平志,邓平,刘林.蜂窝网无线定位技术[M].北京:电子工业 出版社,2002. 图6 AOA测量误差对定位性能的影响 图6表明随着AOA测量误差的增加,两种算法的定位误 差均有一定程度的增加,两种算法定位误差小于125 m的概 [6] 田孝华,廖桂生,赵修斌.非视距传播环境下对移动用户定位的 AOA方法[J].西安电子科技大学学报,2003,30(6):775—779. [7] ERTEL R,CARDIERI P,SOWERBY K W,et a1.Overview of spa— tila channel models for antenna array communication systems[J]. IEEE Personal Communications,1998,5(1):10—2O. 率均有一定程度的下降。也就是说此时定位性能随之下降。 从定位效果上看,在各种测量误差的情况下,本文算法的定位
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