一種基于AHP的數(shù)據(jù)融合無(wú)線定位算法*

張晨晨，毛永毅，張曉佳（.西安郵電大學(xué)　通信與信息工程學(xué)院，陜西　西安　7006；.西安郵電大學(xué)　電子工程學(xué)院，陜西　西安　7006）

一種基于AHP的數(shù)據(jù)融合無(wú)線定位算法*

張晨晨1，毛永毅2，張曉佳2
（1.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安710061；2.西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安710061）

針對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)，在非視距傳播環(huán)境下提出了一種基于層次分析法的混合定位算法以提高定位的魯棒性。利用AOA、TDOA、PDOA得到相應(yīng)測(cè)量值，利用得到的測(cè)量值分別估算出移動(dòng)臺(tái)的位置；再針對(duì)三種算法各自特點(diǎn)利用層次分析法構(gòu)造對(duì)比矩陣，計(jì)算出權(quán)重向量；最后根據(jù)層次分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到移動(dòng)臺(tái)最后的估計(jì)位置。仿真結(jié)果表明，該基于層次分析法數(shù)據(jù)融合的移動(dòng)臺(tái)定位算法準(zhǔn)確，提高了定位魯棒性。

層次分析法；魯棒性；NLOS；權(quán)重矩陣；數(shù)據(jù)融合

0　引言

隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)向4G的邁進(jìn)，無(wú)線定位在車輛的追蹤、定位與導(dǎo)航、博物館導(dǎo)覽、緊急救援、導(dǎo)彈跟蹤等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，算法魯棒性成為一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

常采用的定位方法有到達(dá)時(shí)間差（TOA）［1］定位、時(shí)間差（TDOA）定位［2］、到達(dá)角度（AOA）［3］定位、功率差（PDOA）定位［4］及混合定位［5］。但這些算法定位波動(dòng)較大，魯棒性不理想。

因此，本文提出將層次分析法與數(shù)據(jù)融合相結(jié)合，在達(dá)到一定定位精度條件下進(jìn)一步提高定位魯棒性。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家SAATY T L教授提出［6］，被廣泛用于解決各領(lǐng)域的復(fù)雜決策問(wèn)題［7］。本文利用基于層次分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合來(lái)提高算法的魯棒性，并進(jìn)行了仿真分析。

1　層次分析法

1.1層次分析法概述

美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家SAATY T L提出了層次分析法，對(duì)方案的因素進(jìn)行分層，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行層次化、結(jié)構(gòu)化的分析并給出決策方案。層次分析法有很好的適用性，決策的方法比較簡(jiǎn)潔。作為規(guī)劃、決策和評(píng)價(jià)工具，AHP在績(jī)效評(píng)估、方案選擇等各領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。

1.2層次分析法步驟

（1）構(gòu)造判斷矩陣

層次分析法最重要的步驟就是構(gòu)造判斷矩陣或者權(quán)重矩陣，構(gòu)造的方法一般是根據(jù)因素之間重要性程度進(jìn)行比對(duì)，用比對(duì)結(jié)果來(lái)表示出兩個(gè)方案的相應(yīng)重要性程度等級(jí)。在決策人心中各元素重要性不一樣，一般采用問(wèn)卷調(diào)查法、專家意見(jiàn)詢問(wèn)法、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘法等。引用1～9［8］及其倒數(shù)作為標(biāo)度，得出判斷矩陣A=（ai）n×n。判斷矩陣標(biāo)度定義如表1所示。

標(biāo)度1 3 5 7 9 2，4，6，8倒數(shù)含義表示兩個(gè)因素相比，具有相同的重要性表示兩個(gè)因素相比，前者比后者稍重要表示兩個(gè)因素相比，前者比后者明顯重要表示兩個(gè)因素相比，前者比后者強(qiáng)烈重要表示兩個(gè)因素相比，前者比后者極端重要表示上述相鄰判斷的中間值若因素i與因素j的重要性之比為aij，則因素基于因素i與因素j重要性之比為aij的倒數(shù)

（2）計(jì)算權(quán)重向量

對(duì)于構(gòu)造出的判斷矩陣，可以求出最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，然后規(guī)范化作為權(quán)值。根據(jù)判斷矩陣中有用信息，采用不同的方法都可以得出其各個(gè)決策所占的權(quán)重。常用的算法有：算數(shù)平均法、特征向量法、最小二乘法、幾何平均法。權(quán)重值可以為決策科學(xué)提供科學(xué)依據(jù)。

（3）一致性檢驗(yàn)

構(gòu)成的判斷矩陣中的數(shù)值是由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較、問(wèn)卷調(diào)查、數(shù)據(jù)挖掘等方法得出的。一般情況下判斷矩陣的階數(shù)大于2時(shí)［9］，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行接受一致性的檢驗(yàn)是保證誤差在可承受范圍中的一個(gè)非常重要方法，所以進(jìn)行一致性檢驗(yàn)成為層次分析法的一個(gè)必不可少的步驟。

取一致性指標(biāo)（CI）與隨機(jī)一致性指標(biāo)值（RI）之比，并稱作一致性比率（CR），即

如果CR＜0.1，就認(rèn)為該判斷矩陣通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如圖2所示。

表2　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

2　TDOA/AOA/PDOA融合算法

為了使三組測(cè)量值得到充分利用，分別用時(shí)間差算法（TDOA）、角度算法（AOA）［10］和功率差算法（PDOA）［11］估算出移動(dòng)臺(tái)MS的位置。根據(jù)層次分析法分別算出它們所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)三種算法進(jìn)行融合，得出移動(dòng)臺(tái)最終位置坐標(biāo)。TDOA、PDOA和AOA都是經(jīng)典算法，這里不再贅述。

在本文的層次分析法中指標(biāo)體系分為兩層，融合定位算法為總目標(biāo)A，第二層包括時(shí)間差定位算法B1，頻率差定位算法B2，角度定位算法B3。矩陣bij表示相對(duì)于A、Bi和Bj的相對(duì)重要性。判斷矩陣A-B表示相對(duì)于總目標(biāo)來(lái)說(shuō)，各準(zhǔn)則之間相對(duì)重要性的比較。

本文判斷矩陣采用不完全的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘法，根據(jù)筆者不完全閱讀無(wú)線定位文章進(jìn)行隨機(jī)采樣，根據(jù)表1判斷矩陣標(biāo)度定義和采樣原理得出權(quán)重矩陣如表3所示［12-13］。

表3　權(quán)重矩陣

3　仿真與分析

本文的仿真是在標(biāo)準(zhǔn)蜂窩網(wǎng)中進(jìn)行的，信道模型采用幾何機(jī)構(gòu)的單次反射模型，COST231NLOS傳輸模型采用七基站的蜂窩網(wǎng)，BS1為服務(wù)基站，假設(shè)蜂窩網(wǎng)半徑為3 000m，采用蒙特卡羅方法隨機(jī)給點(diǎn)，模擬實(shí)際中移動(dòng)臺(tái)位置坐標(biāo)，得到仿真結(jié)果如下。

圖1為在不同小區(qū)服務(wù)半徑下本文算法與其他三種算法單獨(dú)定位的仿真比較結(jié)果。由圖可見(jiàn)，隨著小區(qū)半徑從1000m增大到5 000m，定位算法的性能均有所下降，這是由于半徑的增加，BS和MS之間的距離有所增大，導(dǎo)致NLOS誤差增加，因此定位精度也會(huì)有所下降。由圖1可以看出，本文基于AHP的數(shù)據(jù)融合算法有較好的定位準(zhǔn)確性，誤差波動(dòng)范圍比其他三種算法都小，收斂速度快，有很好的魯棒性。

圖1　不同小區(qū)半徑下定位算法比較

圖2為不同測(cè)量誤差下各定位算法的仿真結(jié)果。由圖看出，隨著誤差的增加，本文定位算法的均方根誤差最小，并且變化幅度不大，相對(duì)平穩(wěn)，魯棒性好，收斂速度快，便于以后進(jìn)行跟蹤；而其他三種定位算法單獨(dú)定位的均方根誤差較大，隨測(cè)量誤差的增加變化較大。這說(shuō)明本文算法在一定程度上抑制了誤差量的增長(zhǎng)，提高了算法的魯棒性，對(duì)曲線有很好的平滑作用。

圖2　不同測(cè)量誤差下定位算法的比較

4　結(jié)論

本文將層次分析法應(yīng)用于無(wú)線定位算法中，該算法結(jié)合了TDOA、PDOA、AOA定位等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)三種定位算法比較得出權(quán)重矩陣進(jìn)而得出權(quán)重系數(shù)，對(duì)于三種算法NLOS誤差有一定修正作用，且對(duì)定位魯棒性有很好的改善。仿真結(jié)果表明，本文算法在定位達(dá)到一定精度的基礎(chǔ)上提高了算法魯棒性，性能穩(wěn)定、收斂速度快，與其他算法相比有較高的穩(wěn)定性精度，證明了該算法的有效性和可行性。

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A fusion location algorithm optimization based on AHP

Zhang Chenchen1，Mao Yongyi2，Zhang Xiaojia2
（1.Department of Communication and Information Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an710061，China；2.Department of Electronic Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an710061，China）

This paper proposed a fusion location algorithm based on AHP for cellular networks under NLOS propagation environment to improve the robustness.First of all，use AOA，TDOA and PDOA measurements to eliminate position of the mobile station.For each of the three algorithms，compare the characteristics of structure matrix to calculate the weight vector.Use AHP data fusion to get the final estimate of the position of the mobile station.Simulation results show that the mobile station positioning algorithm based on AHP accurate data fusion in general can meet the accuracy requirements and improve the robustness.

AHP；robustness；non-line-of-sight（NLOS）；weight matrix；data fusion

TN929.53

A

1674-7720（2015）12-0051-03

2015-01-27）

張晨晨（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線移動(dòng)臺(tái)定位。

毛永毅（1969-），男，博士，教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：通信信號(hào)處理、移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)。

張曉佳（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線定位研究。

陜西省自然科學(xué)基金資助（ 2009JM8015 ） ；陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目（ 2010JK815 ）