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Project · Ambient IoT

Ambient IoT 广域指纹定位

基于表征学习与生成式模型的 Ambient IoT 智能定位方法

窄带观测又低维又稀疏。多基站 CSI 先编成可分的场面特征,条件扩散补未采样点,匹配时真实指纹优先。

职责:无线通信实习生 / 算法

时间:2025.02 — 2026.07

专利:一种物联场面特征增强的网络定位方法及系统(已受理)

平台:LTE 基站 · USRP / RTK · PyQt;仿真 SIONNA RT(慕尼黑)

20.7 m
Hybrid 中位误差

K=3,hold-out 3000;潜向量 WKNN 为 26.3 m

55.2 m
Hybrid P90

同设置下潜向量 WKNN 为 76.9 m,原始 F0 为 105.4 m

SIONNA RT
慕尼黑城市场景

街道采样 UE,按 A-IOT 3GPP 加噪

已受理
发明专利

国家自然科学基金支持

定位方法对比:融合曲线贴左上角

横轴是误差,纵轴是累计比例。紫色 Hybrid 把潜向量、原始特征和学习空域拼起来再精排,中位 20.7 m、P90 55.2 m。AOA 多站 Bartlett 中位 342.2 m,直接回归坐标也不如匹配。

CDF:K=3,hold-out 3000
CDF:K=3,hold-out 3000

误差分布与慕尼黑射线追踪场面

箱线是同一套 K=3 的误差分布。右侧是 SIONNA RT 慕尼黑俯视,红点是基站。街道采 UE,射线追踪后再按 A-IOT 协议加噪,用来建原始指纹库。

箱线:关键方法误差(隐去离群点)
箱线:关键方法误差(隐去离群点)
SIONNA RT:慕尼黑场景与基站
SIONNA RT:慕尼黑场景与基站

01

项目背景

场景与任务

窄带物联网和 Ambient-IoT 要管海量低功耗终端。终端加 GNSS 贵、费电,也不方便网络侧集中管。定位走网络侧被动:基站解析上行,终端不上报坐标。

工作阶段

2025.02—05 实习做链路:LTE 基站联调、指纹采数、PyQt 演示。后面把场面特征增强写成方法,用 SIONNA 在慕尼黑城市场景评估,专利已受理。组会 2026.07.02。

为什么难

  • 窄带、单子载波,可观测维度低。幅度跟着功率漂,相位有硬件偏移,单一指纹分不开位置。
  • 多基站、天线、时间、频点各带各的信息。简单拼接或平均会丢掉空间结构,还容易过拟合。
  • 参考点采不起,指纹库空间稀疏。插值和乱加噪声画不出多径和遮挡,生成结果对不上物理场面。
  • 几何法(TDOA / 角度)在低带宽下分辨率不够;小区 ID / RSSI 太粗。指纹更合适,但低维加稀疏会把匹配打穿。

02

系统架构

系统四层:多基站把上行收成 CSI 张量;特征层做幅相稳定化和分维编码;生成层用条件扩散补未采样点;推理层真实指纹优先,不够再并生成库。

数据采集、特征建模、指纹生成增强与定位推理四层
四层只交换统一特征。先编码,冻住再扩散,最后只做匹配。

编码器按维处理:时频用注意力压波动,天线用卷积加注意力保阵列结构,基站用跨站注意力融合。对比学习让空间近的点特征也近。扩散冻住编码器再训。匹配不再另训定位头。

CSI 张量到潜向量,再经条件扩散与分层 WKNN 出位置
上排学可分特征,下排补稀疏场面。真实库够用就不碰生成指纹。

终端只发上行。多基站做信号分集,核心网存指纹、训模型,在线匹配后把位置送出去。仿真用 SIONNA RT 慕尼黑城市场景,按 A-IOT 3GPP 加噪,Hold-out WKNN 评估。

终端、多基站、核心网与定位输出
网络侧被动定位。坐标不出终端,由核心网匹配给出。

03

核心系统设计

01

多基站 CSI 张量:把场面收成一块

问题:单站、单维指纹不稳定。公共相位、发射功率一变,同一地点对不上。

改动:B 个基站协同收上行,张量是基站 × 时间 × 频点 × 天线。先相对参考天线归一化,幅度按天线相对化,相位拆成 sin / cos,再除 Frobenius 范数。指纹里同时记下各站坐标。

效果:特征对功率和公共相位不那么敏感,多站、多天线、跳频被放进同一块张量里。

02

分维编码 + 对比学习:空间近则特征近

问题:时频主要是统计冗余,天线和基站才带空间结构。一视同仁地压,判别信息会丢。

改动:局部 3 维幅相先映到高维。时频用注意力加权聚合;天线走一维卷积再自注意力;基站拼上位置编码后做跨站注意力。预训练用空间距离划正负样本,对比损失加邻域一致。

效果:仿真里 SupCon 好于 triplet / MoCo / 1D-CNN / 坐标回归;正样本半径 15 m 最好。编码方案取 raw F0 + flat MLP + soft SupCon。

03

条件扩散:用环境先验补未采样点

问题:参考点采不起,库是稀的。不看基站几何和遮挡就生成,对不上多径场面。

改动:在潜空间学 z | 位置、基站距离、环境占用图。位置和站距用特征调制管全局传播,占用图用注意力管局部遮挡。生成点取条件期望,不拿单次随机采样。

效果:未采样区域能补上与传播约束一致的虚拟指纹,库在空间上更连续。

04

分层匹配:真实指纹优先

问题:生成指纹能补洞,但不该和实测库混成一锅,差的生成点会把结果拉偏。

改动:在线观测走同一套编码得到 z*。先在真实库里 WKNN;最近邻小于阈值就只信真实点。不够再并进生成库做加权。默认 K=3,粗召回 N=30。

效果:SIONNA 慕尼黑、hold-out 3000 点:Hybrid(潜向量 + 原始 + 学习空域)中位 20.7 m、P90 55.2 m,好于潜空间 WKNN、原始 F0、空域扁平特征和 AOA。

04

个人职责

主责

实习主责 PyQt 演示平台:Socket 解析、地图、CDF、多进程采数。参与频谱仪 / RTK / USRP 联动和指纹库版本,LTE RRU / BBU 联调,并在 BBU DSP 上解析 RSRP。后续完成场面特征增强四步、SIONNA 评估和专利交底。

合作

组内对齐 3GPP A-IOT 信道和仿真协议。导航栈、机械臂不在本页。