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基于直达路径信号残差和支持向量数据描述的非视距信号识别方法

倪雪 曾海彧 杨文东

倪雪, 曾海彧, 杨文东. 基于直达路径信号残差和支持向量数据描述的非视距信号识别方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(6): 1873-1884. doi: 10.11999/JEIT240960
引用本文: 倪雪, 曾海彧, 杨文东. 基于直达路径信号残差和支持向量数据描述的非视距信号识别方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(6): 1873-1884. doi: 10.11999/JEIT240960
NI Xue, ZENG HaiYu, YANG Wendong. Identification of Non-Line-Of-Sight Signals Based on Direct Path Signal Residual and Support Vector Data Description[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(6): 1873-1884. doi: 10.11999/JEIT240960
Citation: NI Xue, ZENG HaiYu, YANG Wendong. Identification of Non-Line-Of-Sight Signals Based on Direct Path Signal Residual and Support Vector Data Description[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(6): 1873-1884. doi: 10.11999/JEIT240960

基于直达路径信号残差和支持向量数据描述的非视距信号识别方法

doi: 10.11999/JEIT240960 cstr: 32379.14.JEIT240960
基金项目: 国家自然基金(62171461)
详细信息
    作者简介:

    倪雪:女,博士,副教授,研究方向为无线通信技术

    曾海彧:男,学士,助理工程师,研究方向为卫星导航与定位

    杨文东:男,博士,副教授,研究方向为无线通信技术

    通讯作者:

    曾海彧 15605160863@163.com

  • 中图分类号: TN919.72

Identification of Non-Line-Of-Sight Signals Based on Direct Path Signal Residual and Support Vector Data Description

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62171461)
  • 摘要: 非视距(NLOS)误差是限制超宽带定位准度的一个重要因素,快速准确识别出NLOS信号成为提高超宽带定位准度的前提。该文基于信道冲激响应提出了一种新型信号特征参数:直达路径(DP)信号残差,与文献提出的9个典型波形特征参数组合成不同的特征组合用于表征信号,基于此,为了使识别方法兼具样本获取成本低、环境适应能力好的特点,该文以构建在单个环境下采集单类信号数据作为分类模型的训练样本,在识别其它场景NLOS信号中有更好性能的方法为目的,设计了一种带DP信号残差训练的支持向量数据描述(SVDD)的识别方法。为了进一步提高识别准确率,将基于多层神经网络的深度特征提取技术引入SVDD中,设计了一种基于反向扩维的深度支持向量数据描述(DSVDD)的NLOS信号识别方法。实验结果表明:带DP信号残差训练的 DSVDD方法只需在单个场景采集单类信号样本,且在训练集和测试集采集自不同场景时实现了 85%以上的准确率,较只使用典型波形特征训练的SVDD提升了10%以上。
  • 图  1  不同场景下信号特征参数概率密度函数

    图  2  UWB信号传播信道示意图

    图  3  DSVDD示意图

    图  4  预训练网络结构图

    图  5  数据采集场景

    图  7  不同场景下的DP信号残差

    图  8  P440测距信号波形

    图  6  标准DP信号功率函数

    图  9  不同场景下的信号识别准确率对比图

    表  1  用于NLOS信号识别的机器学习算法性能对比

    LSSVM SVDD 胶囊网络算法 加权K-近邻分类
    识别效果 本场景识别准确率高于95%,其它场景识别
    准确率低于75%
    本场景识别准确率高于90%, 其它场景识别
    准确率较LSSVM有所
    提升,但低于80%
    在小样本和样本类别比例不平衡 的训练集中,识别准确率能够接近95%,相对于LSSVM有优势,其它场景的
    识别效果有待验证
    文献[15]在6个不同场景中的识别准确率均为95%左右
    训练样本数量 两类信号样本,本文取500组NLOS和500组
    LOS信号
    单个场景的单类信号样本,本文取500组LOS信号 需要针对不同的场景采集
    两类信号样本
    文献[15]在6个场景中为每个场景采集200组,共1 200组
    代表文献 文献[12] 文献[13] 文献[14] 文献[15]
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    1  带DP信号残差特征训练SVDD的NLOS识别算法

     步骤1 将空旷场景采集到的500组LOS信号的CIR数据包作为训
     练集,以DP信号的TOA为自变量,功率为因变量,使用最小二
     乘算法拟合出一条功率曲线:P(TOA),作为标准DP功率函数
     步骤2 提取训练集信号的$ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\mathrm{rise}}}},\mu ,{\lambda _{{\mathrm{sp}}}},S和\varDelta $特
     征,形成训练集$ {\boldsymbol{X}} \in {\mathbb{R}^{n \times d}} $
     步骤3 使用$ K({{\boldsymbol{x}}_i},{{\boldsymbol{x}}_j}) $核函数将$ {\boldsymbol{X}} \in {\mathbb{R}^{n \times d}} $映射到特征空间训
     练SVDD模型,求出球心c和半径d1
     步骤4 识别未知信号类型时,提取该信号的$ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma $,
     ${t_{{\mathrm{rise}}}}, \mu, {\lambda _{{\mathrm{sp}}}},S和\varDelta $特征
     步骤5 将该信号通过$ K({{\boldsymbol{x}}_i},{{\boldsymbol{x}}_j}) $映射到特征空间,求出与训练
     好的SVDD超球面球心c之间的距离d2
     步骤6 当d2d1,判断为LOS信号;当d2>d1时,判断为
     NLOS信号
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    2  带DP信号残差特征训练DSVDD的NLOS识别算法

     步骤1 将空旷场景采集到的500组LOS信号作为训练集,以
     DP信号的TOA为自变量,功率为因变量,使用最小二乘算法拟
     合出一条功率曲线P,作为标准DP功率函数
     步骤2 提取训练集信号的$ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},\mu ,{\lambda _{{\text{sp}}}},S 和\varDelta $特
     征,形成训练集$ {\boldsymbol{X}} \in {\mathbb{R}^{n \times d}} $
     步骤3 将$ {\boldsymbol{X}} \in {\mathbb{R}^{n \times d}} $输入预训练网络进行训练,获得初始化的
     球心c和半径d1,利用$ \phi (.;{\boldsymbol{W}}):{\boldsymbol{X}} \to {\boldsymbol{F}} $将$ {\boldsymbol{X}} \in {\mathbb{R}^{n \times d}} $映射到
     $ {\boldsymbol{F}} $特征空间训练DSVDD模型,不断优化神经网络的权重系数
     $ {\boldsymbol{W}} $,球心c和半径d1
     步骤4 识别未知信号类型时,提取该信号的$ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau $,
     $\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},\mu ,{\lambda _{{\text{sp}}}},S $和$\varDelta $特征,形成$ {\boldsymbol{X}} \in {\mathbb{R}^d} $
     步骤5 将$ {\boldsymbol{X}} \in {\mathbb{R}^d} $通过$ \phi (.;{\boldsymbol{W}}):{\boldsymbol{X}} \to {\boldsymbol{F}} $映射到$ {\boldsymbol{F}} $,求出与训
     练好的DSVDD超球面球心C之间的距离d2
     步骤6 当d2d1,判断为LOS信号;当d2>d1时,判断为
     NLOS信号
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    表  2  识别效果对比(%)

    LSSVM SVDD 带DP信号残差训练的SVDD 带DP信号残差训练的DSVDD
    训练集 场景1采集的500组LOS和500组NLOS信号 场景1采集的500组LOS信号
    测试集 场景1采集的信号样本中除开测试集信号,场景2和3所有的信号
    准确率
    场景1 96.42 89.41 93.62 95.84
    场景2 73.45 78.41 82.14 87.34
    场景3 69.75 77.45 80.23 85.43
    精确率
    场景1 95.62 88.23 93.47 95.16
    场景2 72.25 77.11 83.27 88.16
    场景3 70.43 76.22 80.27 84.31
    召回率
    场景1 96.35 89.68 93.52 95.32
    场景2 75.32 80.32 82.22 86.21
    场景3 74.52 78.25 79.28 83.29
    F2-score 场景1 96.20 89.39 93.51 95.29
    场景2 74.69 79.66 82.43 86.59
    场景3 73.66 77.84 79.48 83.49
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    表  3  LSSVM, SVDD、带DP信号残差训练的SVDD的最佳特征组合

    特征组合 LSSVM SVDD 带DP信号残差训练的SVDD
    A $ \ell ,{r_{\max }},{t_{{\text{rise}}}} $ $ {r_{\max }},\tau ,{t_{{\text{rise}}}} $ $ {r_{\max }},\kappa ,\varDelta $
    B $ \ell ,{r_{\max }},\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}} $ $ \ell ,{r_{\max }},\tau ,{t_{{\text{rise}}}} $ $ {r_{\max }},\tau ,{t_{{\text{rise}}}},\varDelta $
    C $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma $ $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,{t_{{\text{rise}}}} $ $ {r_{\max }},\kappa ,\tau ,{t_{{\text{rise}}}},\varDelta $
    D $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}} $ $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}} $ $ {r_{\max }},\kappa ,\tau ,{t_{{\text{rise}}}},\varsigma ,\varDelta $
    E $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},\mu $ $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},\mu $ $ {r_{\max }},\kappa ,\tau ,{t_{{\text{rise}}}},\varsigma ,\mu ,\varDelta $
    F $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},{\lambda _{{\text{sp}}}},S $ $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},{\lambda _{{\text{sp}}}},S $ $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},\varsigma ,S,\varDelta $
    G $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},\mu ,{\lambda _{{\text{sp}}}},S $ $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},\mu ,{\lambda _{{\text{sp}}}},S $ $ \ell ,{r_{\max }},\kappa ,\tau ,\varsigma ,{t_{{\text{rise}}}},{\lambda _{{\text{sp}}}},S,\varDelta $
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-28
  • 修回日期:  2025-05-06
  • 网络出版日期:  2025-05-21
  • 刊出日期:  2025-06-30

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