CN104467990B - 一种识别无线信号的视距传播路径的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种识别无线信号的视距传播路径的方法及装置，该方法包括：从接收到的待测无线信号中获取每个天线对应的CSI；根据每个天线对应的CSI分别计算出每个天线与其他天线的相位差的方差；根据公式一计算出每个方差对应的相位差因子，其中，所述公式一为：计算所有相位差因子的中值；判断所述中值是否小于等于预设的相位差因子阈值，如果是，则确定所述无线信号为视距传播，否则，确定所述无线信号为非视距传播。通过该方法及装置，能够在带宽极度受限的无线网络中实现实时识别无线信号的视距传播路径。

Description

一种识别无线信号的视距传播路径的方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种识别无线信号的视距传播路径的方法及装置。

背景技术

无线数据传输协议WiFi技术孕育和滋生了一系列移动和普适计算应用，例如包括室内定位、手势识别、活动检测等，许多已经超出无线数据传输本身。这些应用大多依赖于对无线信号特征的精细分析和建模，而非视距传播会对这些应用造成不良影响。无线信号的非视距传播会造成无线信号质量下降，进而影响通信链路质量，并使得信号传播的理论模型失效。通常，信号经过非视距传播会变得更不稳定，即接收信号强度波动和跳变得更剧烈。非视距传播导致的低信号强度、高丢包率和低传输速率是造成无线上网体验糟糕的一个重要因素。

除了无线通信本身，许多移动应用也深刻依赖于视距传播路径。例如，在基于时间或者能量的距离测量或者角度估计应用中，非视距传播会造成显著的偏差。即便是对基于无线信号指纹的室内定位技术，多径效应造成的接收信号强度波动也会给定位精度带来巨大挑战。其他的一些应用比如能量收集、设备无关的定位等也依赖于视距传播路径的存在。在非视距传播环境下，这些应用的效果与性能将大打折扣。

通过上述描述可见，准确的识别当前WIFI无线信号是视距传播还是非视距传播会在克服非视距传播负面影响中发挥很大作用。例如，如果已知视距/非视距条件，发射机可以调整特定的链路设置比如发射功率、数据传输率等以保证较高的吞吐率和稳定的传输。位置服务则可以调整模型参数或者切换不同的模型以维持高质量服务。

现有技术中，通过以下方法来判断无线信号是视距传播还非视距传播：有的方法是通过分析特定信道参数(例如卡帕因子)所服从的分布来预测视距/非视距条件，这些统计模型大多需要通过专用的信道监听器进行精确的信道测量，或者需要长时间的测量；有的方法是通过超宽带来测量延时或者距离，来判断无线信号是视距传播还非视距传播，这种方法无法应用于WiFi网络，因为WiFi的带宽极度受限(只有20～40MHz)，通过该方法在室内环境下无法分辨多径传播。

发明内容

本发明提供了一种识别无线信号的视距传播路径的方法及装置，能够在带宽极度受限的无线网络中实现实时识别无线信号的视距传播路径。

一方面，本发明提供了一种识别无线信号的视距传播路径的方法，包括：

S1：从接收到的待测无线信号中获取每个天线对应的信道状态信息CSI；

S2：根据每个天线对应的CSI分别计算出每个天线与其他天线的相位差的方差；

S3：根据公式一计算出每个方差对应的相位差因子，其中，所述公式一为：所述为相位差因子，所述n为所述待测无线信号的子载波的总数，所述σ²为所有方差中的任意一个方差，所述|H(f_i)|为σ²所对应的两个天线在第i个子载波上的平均信号强度，i，j，n均为正整数；

S4：计算所有相位差因子的中值；

S5：判断所述中值是否小于等于预设的相位差因子阈值，如果是，则确定所述无线信号为视距传播，否则，确定所述无线信号为非视距传播。

进一步地，在所述S1之后，在所述S2之前还包括：对每个CSI进行滤波。

进一步地，在所述S1之前还包括：

S0：判断用于识别无线信号的视距传播路径的装置的用于表征所述装置移动状态的移动参数是否小于等于预设的移动参数阈值，如果是，则执行步骤S1，否则，执行步骤S0。

进一步地，在所述S0之前还包括：获取所述移动参数。

另一方面，本发明提供了一种识别无线信号的视距传播路径的装置，包括：

获取单元，用于从接收到的待测无线信号中获取每个天线对应的信道状态信息CSI；

方差计算单元，用于根据每个天线对应的CSI分别计算出每个天线与其他天线的相位差的方差；

因子计算单元，用于根据公式一计算出每个方差对应的相位差因子，其中，所述公式一为：所述为相位差因子，所述n为所述待测无线信号的子载波的总数，所述σ²为所有方差中的任意一个方差，所述|H(f_i)|为σ²所对应的两个天线在第i个子载波上的平均信号强度，i，j，n均为正整数；

中值计算单元，用于计算所有相位差因子的中值；

识别单元，用于判断所述中值是否小于等于预设的相位差因子阈值，如果是，则确定所述无线信号为视距传播，否则，确定所述无线信号为非视距传播。

进一步地，该装置还包括：滤波单元，用于对所述获取单元获取的每个CSI进行滤波，将滤波后的每个CSI输出给所述方差计算单元。

进一步地，该装置还包括：

状态判断单元，用于不断判断用于表征所述装置移动状态的移动参数是否小于等于预设的移动参数阈值，如果是，则使能所述获取单元。

进一步地，该装置还包括：移动参数获取单元，用于获取所述移动参数。

进一步地，该装置还包括：惯性传感器，用于输出所述移动参数。

进一步地，所述惯性传感器包括：加速度传感器、陀螺仪。

本发明提供了一种识别无线信号的视距传播路径的方法及装置，通过获取无线信号的CSI，计算天线之间的相位差的方差来识别无线信号的视距传播路径的方法，能够在带宽极度受限的无线网络中实现实时对无线信号是视距传播还非视距传播的判断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种识别无线信号的视距传播路径的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种识别无线信号的视距传播路径的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

物理层的CSI(Channel State Information，信道状态信息)是比传统的MAC(Media Access Control，媒体介入控制层)层接收信号强度指示值(Received Signal Strength Indicator，RSSI)更为细粒度的信道表征量，比RSSI具有更强的无线信号多径传播刻画能力。本发明实施例通过CSI来识别无线信号的视距传播路径。

CSI可以表征为信道频率响应(Channel Frequency Response，CFR)的形式，其中，每个天线对应一条CSI，每一条CSI记录包含一组值，每个值表征OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)的一个子载波上的信道响应，可表示如下：

$H\left(f_k\right)=\left|\right|H\left(f_k\right)\left|\right|e^{j\∠H\left(f_k\right)};$

其中，H(f_k)是中心频率为f_k的子载波的信道响应，||H(f_k)||和∠H(f_k)分别表示H(f_k)的幅度和相位。在实际中，由于相位测量包含噪音和误差，第i个子载波的信道响应的相位信息可以表示为：

$\widehat{{\mathrm{\φ}}_i}={\mathrm{\φ}}_i-2\mathrm{\π}\frac{k_i}{N}\mathrm{\δ}+\mathrm{\β}+Z,$

其中，φ_i表示真实的理想相位，δ是造成上式中间项相位偏移的接收无线信号的装置的时间偏差，β是未知的相位偏移，Z是一部分测量误差。k_i代表第i个子载波的编号(在IEEE 802.11n协议中，编号取值范围为-28到28)，N为子载波的总数。由于上述位置变量的存在，在实际测量中，无法从商用WiFi设备上获取准确的相位信息。因此，本实施例利用现代无线通信系统中越来越普遍的多天线特性，探索多天线的相位差作为判别视距传播路径的相位特征。

具体地，两个天线上的相位差可以表示为：

$\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i={\mathrm{\Δ\φ}}_i-\frac{2\mathrm{\π}{k}_i}{N}\mathrm{\Δ\δ}+\mathrm{\Δ\β},$

其中Δφ_iφ_i,1-φ_i,2表示两根天线上真实的相位差，Δδδ₁-δ₂是相应的时间偏差的差值，而Δββ₁-β₂则是未知的常数相位差。可以证明，在2.4GHz频段中，的取值非常小，在0.01的量级，相对于可以忽略不计。而虽然Δβ的值会因为初始相位的不同而在每一次采样中发生变化，但是我们可以通过将整体相位差平移到零均值上以获得时不变的Δβ。由此我们可以得出，

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i}^2={\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\Δ\φ}}_i}^2,$

即两根天线上的测量相位差的方差近似等于其真实相位差的方差。因此，可以用在普通WiFi设备上测量得到的多天线相位差的方差作为真实相位差的方差，用以识别无线信号的视距传播路径。

CSI体现了无线信号在不同频率子载波上传输的信道响应。特别地，信号在不同频率上传播时所遭受的衰减程度各异，在穿透障碍物(非视距传播)时其衰减程度不同，因此，不同子载波上接收到的信号在幅度和相位上都会表现出差异。体现在判别视距和非视距传播上：无论在视距或者非视距传播条件下，信号强度在不同子载波上各不相同；衰减越大的子载波对应的相位差的方差越大；在接收信号强度相当的情况下，经过视距传播的信号比非视距传播的信号相位差方差小。换言之，不管在视距传播或非视距传播的条件下，弱的信号所表现出来的方差都偏大。而视距传播以及非视距传播的条件下的强信号的相位差的方差都较小。为了进一步区分这种情况，采用一种频率选择的相位差因子来区分。

本发明实施例提供了一种识别无线信号的视距传播路径的方法，参见图1，该方法包括：

S1：从接收到的待测无线信号中获取每个天线对应的CSI；

S2：根据每个天线对应的CSI分别计算出每个天线与其他天线的相位差的方差；

S3：根据公式一计算出每个方差对应的相位差因子，其中，所述公式一为：所述为相位差因子，所述n为所述待测无线信号的子载波的总数，所述σ²为所有方差中的任意一个方差，所述|H(f_i)|为σ²所对应的两个天线在第i个子载波上的平均信号强度，i，j，n均为正整数；

S4：计算所有相位差因子的中值；

S5：判断所述中值是否小于等于预设的相位差因子阈值，如果是，则确定所述无线信号为视距传播，否则，确定所述无线信号为非视距传播。

本实施例提供的一种识别无线信号的视距传播路径的方法，通过获取无线信号的CSI，计算天线之间的相位差的方差来识别无线信号的视距传播路径的方法，能够在带宽极度受限的无线网络中实现实时对无线信号是视距传播还非视距传播的判断。

需要说明的是：发送无线信号的设备可能设有多个天线，每个天线对应一条CSI，通过接收到的无线信号能够获得每个天线对应的CSI。

在步骤S2中，在计算两个天线的相位差的方差时，需要这两个天线对应的CSI。当发送待测无线信号的设备设有多个天线时，需要计算出所有可能的两个天线的组合的相位差的方差。举例来说，发送待测无线信号的设备有3个天线，分别是天线A、天线B、天线C，天线A对应的CSI为CSI 1，天线B对应的CSI为CSI 2，天线C对应的CSI为CSI 3，步骤S2中，需要根据CSI 1和CSI 2计算出天线A和天线B的相位差的方差1，根据CSI 1和CSI 3计算出天线A和天线C的相位差的方差2，根据CSI 2和CSI 3计算出天线B和天线C的相位差的方差3。当发送待测无线信号的设备设有M个天线时，步骤S2中需要计算出个相位差的方差。步骤S2中将全部可能的天线相位差的方差均考虑在内，能够提高识别无线信号的视距传播路径的准确性和鲁棒性。

针对步骤S3，继续以上述具有天线A、天线B、天线C的发送待测无线信号的设备为例，在步骤S2中计算出方差1、方差2、方差3后，需要分别根据这三个方差计算相位差因子。当σ²取值方差1时，计算出相位差因子1，当σ²取值方差2时，计算出相位差因子2，当σ²取值方差3时，计算出相位差因子3。

步骤S4和步骤S5可以通过以下公式来表示：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_0:\mathrm{med}\left({\mathrm{\ρ}}_{i,j}\right){\≤\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{th},}1\≤i,j\≤m,i\≠j)\\ H_1:\mathrm{med}\left({\mathrm{\ρ}}_{i,j}\right){>\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{th}},1\≤i,j\≤m,i\≠j)\end{array}\right.$

其中，_i,j表示第i个天线和第j个天线对应的相位差因子，即根据第i个天线和第j个天线对应的相位差的方差计算出的相位差因子，m为发送待测无线信号的设备的天线的总数，ρ_th为相位差因子阈值，i，j，m均为正整数；H₀和H₁表示二元假设检验，H₀用于表示视距传播条件，H₁用于表示非视距传播条件；当H₀成立时，确定所述无线信号为视距传播，当H₁成立时，确定所述无线信号为非视距传播。

通过本实施例提出的相位差因子来识别无线信号的视距传播路径，通常只需要几百个CSI，甚至在10个CSI的条件下也可以实现判定。如果考虑普通WiFi设备连接到一个无线热点时数据包率可以达到每秒1000个，而对于未连接的无线热点，每秒可以接收10个数据包，可以认为本实施例提供的方法对于连接的无线热点实现了毫秒级别的实时判别，而对于未连接的无线热点则实现了秒级判别。

对测量得的CSI观测值进行滤波(本发明采用Hampel检验器)，滤除偶尔出现的CSI异常值。

在一种可能的实现方式中，为了使用于计算结果更加准确，需要滤除CSI中偶尔出现的异常值。在所述S1之后，在所述S2之前还包括：对每个CSI进行滤波。可以采用Hampel检验器来对每个CSI进行滤波。

在一种可能的实现方式中，为了保证识别结果的准确性，需要在用于识别无线信号的视距传播路径的装置处于可用状态时获取CSI，该可用状态可以移动参数来判断，需要尽量在该装置移动较慢时获取CSI。在所述S1之前还包括：

S0：判断用于识别无线信号的视距传播路径的装置的用于表征所述装置移动状态的移动参数是否小于等于预设的移动参数阈值，如果是，则执行步骤S1，否则，执行步骤S0。

在所述S0之前还包括：获取所述移动参数。

图2示出了本发明实施例提供的一种识别无线信号的视距传播路径的装置，包括：

获取单元201，用于从接收到的待测无线信号中获取每个天线对应的CSI；

方差计算单元202，用于根据每个天线对应的CSI分别计算出每个天线与其他天线的相位差的方差；

因子计算单元203，用于根据公式一计算出每个方差对应的相位差因子，其中，所述公式一为：所述为相位差因子，所述n为所述待测无线信号的子载波的总数，所述σ²为所有方差中的任意一个方差，所述|H(f_i)|为σ²所对应的两个天线在第i个子载波上的平均信号强度，i，j，n均为正整数；

中值计算单元204，用于计算所有相位差因子的中值；

识别单元205，用于判断所述中值是否小于等于预设的相位差因子阈值，如果是，则确定所述无线信号为视距传播，否则，确定所述无线信号为非视距传播。

在一种可能的实现方式中，为了使用于计算结果更加准确，需要滤除CSI中偶尔出现的异常值。所述装置还包括：滤波单元，用于对所述获取单元获取的每个CSI进行滤波，将滤波后的每个CSI输出给所述方差计算单元。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

状态判断单元，用于不断判断用于表征所述装置移动状态的移动参数是否小于等于预设的移动参数阈值，如果是，则使能所述获取单元。通过状态判断单元来不断判断装置的当前状态是否满足要求，当满足要求时，通知状态判断单元运行。

该装置，还包括：移动参数获取单元，用于获取所述移动参数。

该装置，还包括：惯性传感器，用于输出所述移动参数。

其中，惯性传感器可以是加速度传感器或陀螺仪。

在一种优选的情况下，在获取CSI的时间窗内，识别无线信号的视距传播路径的装置和发送待测无线信号的设备位置不发生改变。在实际情况中，发送待测无线信号的设备位置通常固定不动，识别无线信号的视距传播路径的装置通常随着用户的移动而发生位置变化。因此，获取识别无线信号的视距传播路径的装置的移动状态即可。由于本实施例提供的方法和装置可以达到毫秒级别的判定，因此，满足要求的状态仅需要毫秒长度即可，满足要求的状态较易达到，处理结果的准确性较高。

本实施例中的发送待测无线信号的设备可以是无线路由器等，识别无线信号的视距传播路径的装置可以是笔记本终端、手机终端等。

上述设备内的各单元、子单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本实施例提供的一种识别无线信号的视距传播路径的方法及装置，通过获取待测无线信号的CSI的相位特征，特别是任意两个天线的相位差，计算天线相位差的波动程度，以实现视距传播和非视距传播的辨别，并且，利用正交频分多路复用技术中的频率多样性提高视距传播路径判别的精度和稳定性。本实施例提供的方法及装置可以应用于普通商用WiFi设备，不依赖于专业的测量工具，同时只需要少量的测量数据，可以实现毫秒级别的视距传播和非视距传播的识别，并且适用于移动场景。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种识别无线信号的视距传播路径的方法，其特征在于，包括：

S1：从接收到的待测无线信号中获取每个天线对应的信道状态信息CSI；

S2：根据每个天线对应的CSI分别计算出每个天线与其他天线的相位差的方差；

S3：根据公式一计算出每个方差对应的相位差因子，其中，所述公式一为：所述ρ为相位差因子，所述n为所述待测无线信号的子载波的总数，所述σ²为所有方差中的任意一个方差，所述|H(f_i)|为σ²所对应的两个天线在第i个子载波上的平均信号强度，i，j，n均为正整数；

S4：计算所有相位差因子的中值；

S5：判断所述中值是否小于等于预设的相位差因子阈值，如果是，则确定所述无线信号为视距传播，否则，确定所述无线信号为非视距传播。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述S1之后，在所述S2之前还包括：对每个CSI进行滤波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述S1之前还包括：

S0：判断用于识别无线信号的视距传播路径的装置的用于表征所述装置移动状态的移动参数是否小于等于预设的移动参数阈值，如果是，则执行步骤S1，否则，执行步骤S0。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述S0之前还包括：获取所述移动参数。

5.一种识别无线信号的视距传播路径的装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于从接收到的待测无线信号中获取每个天线对应的信道状态信息CSI；

方差计算单元，用于根据每个天线对应的CSI分别计算出每个天线与其他天线的相位差的方差；

因子计算单元，用于根据公式一计算出每个方差对应的相位差因子，其中，所述公式一为：所述ρ为相位差因子，所述n为所述待测无线信号的子载波的总数，所述σ²为所有方差中的任意一个方差，所述|H(f_i)|为σ²所对应的两个天线在第i个子载波上的平均信号强度，i，j，n均为正整数；

中值计算单元，用于计算所有相位差因子的中值；

识别单元，用于判断所述中值是否小于等于预设的相位差因子阈值，如果是，则确定所述无线信号为视距传播，否则，确定所述无线信号为非视距传播。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：滤波单元，用于对所述获取单元获取的每个CSI进行滤波，将滤波后的每个CSI输出给所述方差计算单元。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

状态判断单元，用于不断判断用于表征所述装置移动状态的移动参数是否小于等于预设的移动参数阈值，如果是，则使能所述获取单元。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：移动参数获取单元，用于获取所述移动参数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：惯性传感器，用于输出所述移动参数。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述惯性传感器包括：加速度传感器、陀螺仪。