CN109150780B - 一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位*** - Google Patents

一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递。所述设备传输相位误差消除模块用于消除两个通信设备之间存在的相位收发误差。本发明增加了一个设备传输相位误差消除模块用于对设备间传输所引起的相位偏移进行消除，保证了相位测距的可靠性，提高了测量精度。

Description

一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域，特别是一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***。
背景技术
从星图导航到指南针，从GPS到室内定位，人们对于位置服务的需求自古至今。在当今社会的定位技术之中，无线定位技术由于其穿透性高，覆盖范围广，超视距传输，价格低廉等特点，成为了主流定位技术。随着物联网产业的发展，人们对位置的需求越来越高，传统的无线定位精度(2M-10M)已经渐渐的不能满足当前的需求。例如在无人机的定位追踪领域，或者是室内的电子围栏等等，都对定位精度有很高的要求。
于是也出现了一批高精度的无线定位技术，例如UWB技术。但是UWB技术需要额外的部署UWB基站，不仅造价高昂，而且对于普通用户来说该设备仅仅是定位设备，这就会造成空间中的设备冗余或是利用率低等问题。而解决这一个问题的最好办法就是利用当前随处可见的WiFi设备进行无线定位。
正是由于WiFi的普遍性这一特点，近几年WiFi定位的研究和应用已经成为热点。
学术界和市场上涌现出了一批WiFi定位技术，这些技术大多基于RSSI场强信号，或是RSSI指纹信息进行定位。由于WiFi并不是专门的定位设备，其频段受环境的干扰也较强，利用以上的定位技术，一般的定位精度只有5M-10M。
为了解决传统WiFi定位技术精度低的问题，近两年，学术界关注到了802.11n协议中提供的一种CSI信道状态信息，许多IEEE802.11标准使用OFDM调制信号，将其通过多个正交子载波进行传送，每个子载波上传送的信号都有不同的信号强度和相位。
具体来说，可以以CSI的形式输出WiFi带宽范围内的CFR的一个采样：
H＝[H(f1)，H(f2)，…，H(fi)，…，H(fN)]T，i∈[1，30]。
每个CSI刻画了一个子载波的幅度和相位。
哈尔滨工业大学的CN 106950538 A专利就公开了一种基于中国剩余定理的ToF测距方法。该方法求取ToF的步骤如下：
1、通过跳频获取多个频率的CSI信息
2、从CSI中提取出相位信息
3、对信道状态信息中的相位进行消除
4、利用中国剩余定理求解ToF
理论上该方法可行，利用跳频能够求解出ToF时间，然而其步骤3中，对于信道状态信息中的相位进行消除，依然存在问题。
该专利的步骤3利用OFDM的0号子载波来去除子载波之间的频差带来的相位偏移，然而除了这个偏移以外，发射端和接受端的交互过程中依然存在众多误差，例如不同频率的PLL锁相环偏移和天线处理的频偏等等。甚至是由于没有高精度时钟，带来的相位检测不准确。种种因素都导致了该方法无法去除相位误差，以至于使用该架构无法进行最终的ToF测距。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高精度的基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述WiFi模块至CSI提取模块单向信号传递，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述CSI提取模块至设备传输相位误差消除模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块至相位提取和子载波相位误差消除模块单向信号传递，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块至ToF测距模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递。
进一步的，所述设备传输相位误差消除模块用于消除两个通信设备之间存在的相位收发误差。
进一步的，所述相位收发误差包括发射端处理误差、天线传输误差、接受端处理误差。
进一步的，所述移动点端包括WiFi定位模块，所述WiFi定位模块与WiFi模块之间通过天线阵列双向信号传递，所述WiFi定位模块连接有高精度时钟。
进一步的，所述消除两个通信设备之间存在的相位收发误差的方法包括：
定位基站的发送A定位帧，通过MIMO和OFDM方法调制后经由天线阵列发送，此时由于发送端锁相环产生相位偏移
Figure BDA0001763286100000021
调制后的A定位帧在空间中传播，基站天线阵列发送过程中产生微小频偏fA，移动点端天线阵列接受过程中产生微小频偏fB，此过程中产生的相位偏移和信号飞行时间τ有关；
调制后的A定位帧被移动点端B捕获，经移动点端芯片处理得到CSIAB，此时产生发送端锁相环频偏
Figure BDA0001763286100000031
此时解析的相位值包含以下误差
Figure BDA0001763286100000032
使用CSI信道模型表示，则有
Figure BDA0001763286100000033
其中CSIrx表示收到的信道CSI数据，H表示未发生偏移的CSI数据，
Figure BDA0001763286100000034
是
Figure BDA0001763286100000035
产生的偏移；
高精度时钟确保芯片收到信号的同时发送一帧回去；
移动点端WiFi定位模块通过MIMO和OFDM方法调制返回帧，经由天线阵列发送，此时由于移动点端锁相环产生相位偏移
Figure BDA0001763286100000036
调制后的返回帧在空间中传播，移动点端天线发送过程中产生微小频偏fB，基站天线在接受过程中产生微小频偏fA；
调制后的返回帧被基站A捕获，经基站芯片处理得到CSIBA，此时产生的PLL频偏
Figure BDA0001763286100000037
在上述的发送过程，移动点端将收到的CSIAB传输给基站，所述移动点端将收到的CSIAB传输给基站的方式包括：在发送返回帧时，将CSIAB作为数据，一同发送；或者在发送返回帧后，单独将CSIAB作为数据发送给基站；或者移动点端将CSIAB作为数据发送给服务器，由服务器发送给基站；
使用CSI信道模型表示，则有
Figure BDA0001763286100000038
CFO消除算法，原理是通过CSIAB和CSIBA的计算消除中间产生的误差；
根据CSI信道模型，有CSIABCSIBA＝H2能够消除CFO相位偏移。
进一步的，所述相位提取和子载波相位误差消除模块用于对OFDM传播模型中的0号子载波的相位进行估计，得到最终相位值。
进一步的，所述CSI提取模块用于从WiFi模块中提取出CSI矩阵。
进一步的，所述ToF测距模块用于根据相位值进行ToF距离估算。
进一步的，所述ToF距离估算先利用跳频采样技术能够获取不同频率ToF值，再利用中国剩余定理进行求解，得到唯一ToF值。
进一步的，所述对OFDM传播模型中的0号子载波的相位进行估计，得到最终相位值具体为：
基站WiFi模型处理经过CFO消除后的CSI信号，提取OFDM的30个子载波相位值，在OFDM的无线信号传播模型中，各子载波的相位值
Figure BDA0001763286100000041
存在频偏fi，
Figure BDA0001763286100000042
为载波发射频率，τ为飞行时间，关系如下：
Figure BDA0001763286100000043
由于0号子载波无任何频偏，且OFDM子载波编号为-15，-14，...-1，1，...，14，15，因此使用-1和1的相位值对0号子载波的相位值进行估计。
相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明增加了一个设备传输相位误差消除模块用于对设备间传输所引起的相位偏移进行消除，保证了相位测距的可靠性，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的基站结构图。
图2为本发明的***原理图。
图3为本发明设备传输相位误差消除数据流图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
如图1所示，一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述WiFi模块至CSI提取模块单向信号传递，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述CSI提取模块至设备传输相位误差消除模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块至相位提取和子载波相位误差消除模块单向信号传递，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块至ToF测距模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递。
CSI提取模块，功能是从WiFi芯片中提取出CSI矩阵，作为输入提供给相位提取模块。
设备传输相位误差消除模块，功能是消除两个通信设备之间存在的相位收发误差，误差包括发射端处理误差、天线传输误差、接受端处理误差。需要使用双向相位偏移消除算法，该算法见附图3说明，对载波进行误差消除操作，使得提取的CSI矩阵是较为精确的。
相位提取和子载波相位误差消除模块，功能是从CSI中提取精确相位值。由于CSI存储的是OFDM的若干个子载波的信息，所以能够直接提取出的是每一帧的各子载波的相位值。实际传播中，由于子载波存在频率差异，因此该模块需要提供一种方法来消除相位测量误差，OFDM传播模型中，0号子载波的相位值无任何偏移，因此对0号子载波的相位进行估计，得到最终相位值。
ToF测距模块，功能是根据相位值进行ToF距离估算，利用现有的技术，例如跳频采样技术能够获取不同频率tof值，特定频率下，这些值和求解的相位值呈现周期性关系，再利用中国剩余定理进行求解，得到唯一ToF值。
如图2所示，在一次定位过程中，左侧设备作为基站，右侧设备作为移动点端。
步骤1：基站芯片指定频率，通过跳频协议，发送请求。
移动点端收到请求，跳频。
步骤2：移动点端收到请求后，高精度时钟立马反馈给芯片，芯片将收到的CSI1作为数据发送给基站。
基站收到移动点端发送的CSI2，以及解析出来的CSI1。作为双向确认机制的输入，来进行设备间的相位偏移消除，算法实现细节见图3的算法说明。
步骤3：基站芯片处理经过CFO消除后的CSI信号，提取OFDM的30个子载波相位值，在OFDM的无线信号传播模型中，各子载波的相位值
Figure BDA0001763286100000051
存在频偏fi，(
Figure BDA0001763286100000052
为载波发射频率，τ为飞行时间)，关系如下：
Figure BDA0001763286100000061
由于0号子载波无任何频偏，且OFDM子载波编号为-15，-14，...-1，1，...，14，15，因此使用-1和1的相位值对0号子载波的相位值进行估计。
步骤4：根据无线信号传播模型，相位值φ和频率
Figure BDA0001763286100000062
、飞行时间τ的关系如下：
Figure BDA0001763286100000063
因此使用已求得的多个频率的相位值作为中国剩余定理的输入，得到飞行时间τ的解。
步骤5：如果步骤4能求得唯一解，则输出ToF，定位***结束。
否则，继续收集其他频率的相位值，重复以上过程。
CSI提取模块：802.11n协议中提供的CSI信息包含了无线信道的全部信息，通过CSI Tools能够从WiFi模块中提取出每一帧的CSI矩阵。协议利用OFDM技术+MIMO技术传输，解析CSI能够获取30个子载波的幅度，相位，RSSI信息等。
然而802.11n提供的CSI信息在实际传输过程中包含了子载波频偏和设备间传输引起的相位偏移，因此，在提取出CSI信息后，需要消除CSI信息中的相位偏移。
设备传输相位误差消除模块，如上文所述，对于设备间传播引起的偏移，可以利用高精度时钟+双向确认机制的方法进行设备间相位偏移消除。算法过程如图3所示，该模块在移动点端，需要将已收到的CSI信息发送给基站的WiFi模块；该模块在基站从步骤2中获取CSI信息，并且从WiFi模块中直接获取移动点端接受到的CSI信息，通过两个CSI的运算进行双向的误差消除。此为双向确认机制，需要和WiFi模块直接进行交互。
相位提取和子载波相位误差消除模块，经过设备传输相位误差的消除，已获得了只剩下SFO的CSI数据，CSI能够提取出30个子载波的相位值，根据OFDM信道传输模型，0号子载波本身不存在SFO，因此可以用来进行消除。
对于消除偏移后的相位值p，我们可以通过公式计算出和飞行时间t、载波频率f之间的周期性关系。
ToF测距模块收集不同频率下的相位值，对于不同的频率，根据步骤5有不同的周期性飞行时间。采用中国剩余定理求解飞行时间。
如图3所示，一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法。
用于解决在无线信号在传播过程中由设备随时间随机变化引起的相位偏移。
步骤1：设备传输相位消除模块开始进行相位偏移消除，向WiFi模块发起请求。
步骤2：定位基站A的WiFi模块收到步骤1请求后，发送定位帧，通过MIMO和OFDM方法调制后经由天线阵列发送。此时由于发送端锁相环(PLL)产生相位偏移
Figure BDA0001763286100000071
步骤3：调制后的A定位帧在空间中传播，基站天线发送过程中产生微小频偏fA，移动点端天线接受过程中产生微小频偏fB，此过程中产生的相位偏移和信号飞行时间τ有关
步骤4：调制后的A定位帧被移动点端B捕获，经移动点端芯片处理得到CSIAB，此时产生PLL频偏
Figure BDA0001763286100000072
此时解析的相位值包含以下误差
Figure BDA0001763286100000073
使用CSI信道模型表示，则有
Figure BDA0001763286100000074
其中CSIrx表示收到的信道CSI数据，H表示未发生偏移的CSI数据，
Figure BDA0001763286100000075
是
Figure BDA0001763286100000076
产生的偏移。
步骤5：高精度时钟确保芯片收到信号的同时发送一帧回去，同时将收到的信号CSIAB由WiFi模块传给移动点端B的CSI提取模块。
步骤6：移动点端芯片通过MIMO和OFDM方调制返回帧，经由天线阵列发送。此时由于移动点端锁相环(PLL)产生相位偏移
Figure BDA0001763286100000077
步骤7：调制后的返回帧在空间中传播，移动点端天线发送过程中产生微小频偏fB，基站天线在接受过程中产生微小频偏fA
步骤8：调制后的返回信号被基站A的WiFi模块捕获，WiFi模块将数据交由CSI提取模块解析，此时基站A的WiFi模块处理后产生PLL频偏
Figure BDA0001763286100000081
步骤9：CSI提取模块解析出移动点端B到基站A的应答帧信道状态信息CSIBA，使用CSI信道模型表示，则有
Figure BDA0001763286100000082
步骤10：基站A的CSI提取模块将CSIBA传给设备传输相位消除模块。
其中，特别说明的是，在上述流程中，步骤5将从基站A发送到移动点端B的信号传输给了移动点端B的CSI提取模块。之后的流程与上述流程相互独立。移动点端B的CSI提取模块提取到的CSIAB，数据传输过程如下：
步骤a：移动点端B的CSI提取模块将提取到的CSIAB传输给设备传输相位消除模块。
步骤b：设备传输相位消除模块根据具体策略(如权利要求书中所述，在上述的发送过程，移动点端需要将收到的CSIAB传输给基站，可以采用且不限于以下几种方式：1.在发送返回帧时，将CSIAB作为数据，一同发送；2.在发送返回帧后，单独将CSIAB作为数据发送给基站；3.移动点端将CSIAB作为数据发送给服务器，经由服务器发送给基站。)，将CSIAB作为数据，进行传输，图3中经由WiFi模块发送给定位服务器，或者直接发送给基站A。
步骤c：设备传输相位消除模块从基站A的WiFi模块取得CSIAB数据。
步骤10&步骤c都完成之后，设备传输相位消除模块进行相位消除，原理是通过CSIAB和CSIBA的计算消除中间产生的误差。
根据CSI信道模型，有CSIABCSIBA＝H2。能够消除CFO相位偏移。
特别注意，在步骤5中，由于PLL和CFO随时间随机变化，因此取决于高精度时钟的精准度，也考虑到发送的时延，因此，依然会有少量偏移误差。

Claims (5)

1.一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，其特征在于所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述WiFi模块至CSI提取模块单向信号传递，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述CSI提取模块至设备传输相位误差消除模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块至相位提取和子载波相位误差消除模块单向信号传递，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块至ToF测距模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块用于消除两个通信设备之间存在的相位收发误差，所述相位收发误差包括发射端处理误差、天线传输误差、接受端处理误差，所述移动点端包括WiFi定位模块，所述WiFi定位模块与WiFi模块之间通过天线阵列双向信号传递，所述WiFi定位模块连接有高精度时钟，所述CSI提取模块用于从WiFi模块中提取出CSI矩阵，所述ToF测距模块用于根据相位值进行ToF距离估算。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，其特征在于所述消除两个通信设备之间存在的相位收发误差的方法包括：
定位基站的发送A定位帧，通过MIMO和OFDM方法调制后经由天线阵列发送，此时由于发送端锁相环产生相位偏移
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
调制后的A定位帧在空间中传播，基站天线阵列发送过程中产生微小频偏
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，移动点端天线阵列接受过程中产生微小频偏
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，此过程中产生的相位偏移和信号飞行时间
Figure DEST_PATH_IMAGE004
有关；
调制后的A定位帧被移动点端B捕获，经移动点端芯片处理得到
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，此时产生发送端锁相环频偏
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，此时解析的相位值包含以下误差（
Figure DEST_PATH_IMAGE007
）；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为基站天线阵列发送过程中产生的相位偏移，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为移动点端天线阵列接收过程中产生的相位偏移；
使用CSI信道模型表示，则有
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 333996DEST_PATH_IMAGE005
表示收到的信道CSI数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示未发生偏移的CSI数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
是（
Figure 657661DEST_PATH_IMAGE007
）产生的偏移；
高精度时钟确保芯片收到信号的同时发送返回信号；
移动点端WiFi定位模块通过MIMO和OFDM方法调制返回帧，经由天线阵列发送，此时由于移动点端锁相环产生相位偏移
Figure 234136DEST_PATH_IMAGE006
；
调制后的返回帧在空间中传播，移动点端天线发送过程中产生微小频偏
Figure 675350DEST_PATH_IMAGE003
，基站天线在接受过程中产生微小频偏
Figure 552040DEST_PATH_IMAGE002
；
调制后的返回帧被基站A捕获，经基站芯片处理得到
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，此时产生的PLL频偏
Figure 718710DEST_PATH_IMAGE001
；
在上述的发送过程，移动点端将收到的
Figure 782481DEST_PATH_IMAGE005
传输给基站，所述移动点端将收到的
Figure 284176DEST_PATH_IMAGE005
传输给基站的方式包括：在发送返回帧时，将
Figure 749793DEST_PATH_IMAGE005
作为数据，一同发送；或者在发送返回帧后，单独将
Figure 290627DEST_PATH_IMAGE005
作为数据发送给基站；或者移动点端将
Figure 107273DEST_PATH_IMAGE005
作为数据发送给服务器，由服务器发送给基站；
使用CSI信道模型表示，则有
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
CFO消除算法，原理是通过
Figure 687028DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 7151DEST_PATH_IMAGE013
的计算消除中间产生的误差；
根据CSI信道模型，有
Figure DEST_PATH_IMAGE015
能够消除CFO相位偏移。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，其特征在于所述相位提取和子载波相位误差消除模块用于对OFDM传播模型中的0号子载波的相位进行估计，得到最终相位值。
4.根据权利要求1所述的一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，其特征在于所述ToF距离估算先利用跳频采样技术能够获取不同频率ToF值，再利用中国剩余定理进行求解，得到唯一ToF值。
5.根据权利要求3所述的一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位***，其特征在于所述对OFDM传播模型中的0号子载波的相位进行估计，得到最终相位值具体为：
基站WiFi模型处理经过CFO消除后的CSI信号，提取OFDM的30个子载波相位值，在OFDM的无线信号传播模型中，各子载波的相位值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
存在频偏
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为载波发射频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为飞行时间，关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
由于0号子载波无任何频偏，且OFDM子载波编号为-15,-14,…-1,1,…,14,15，因此使用-1和1的相位值对0号子载波的相位值进行估计。
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