CN108957399B - 一种利用lte信号信道状态信息实现运动检测的方法 - Google Patents
一种利用lte信号信道状态信息实现运动检测的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108957399B CN108957399B CN201810732302.6A CN201810732302A CN108957399B CN 108957399 B CN108957399 B CN 108957399B CN 201810732302 A CN201810732302 A CN 201810732302A CN 108957399 B CN108957399 B CN 108957399B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- phase
- channel response
- domain channel
- path
- time domain
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims abstract description 83
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 132
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 46
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims description 24
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 20
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 claims description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 3
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 102100029469 WD repeat and HMG-box DNA-binding protein 1 Human genes 0.000 description 2
- 101710097421 WD repeat and HMG-box DNA-binding protein 1 Proteins 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
- G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
- G01S5/12—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves by co-ordinating position lines of different shape, e.g. hyperbolic, circular, elliptical or radial
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
- G01S13/56—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds for presence detection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
- G01S13/62—Sense-of-movement determination
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B17/00—Monitoring; Testing
- H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
- H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,属于无线通信的技术领域。首先基于3GPP协议标准使用小区参考信号获取频域信道响应,解调转化为时域信道响应,对主径上的时域信道响应进行提取并预处理,消除频偏和随机噪声,得到纯净的时域信道响应。然后通过长平滑窗或低通滤波器过滤得到其静态部分,进而计算动态部分,实现动静信号的分离。利用纯净的时域信道响应的幅度,以及提取的动态信号的幅度和相位对运动状态物体进行检测。最后利用反射路径的相位信息实现运动目标方向和速度的计算,同时实现运动目标定位。本发明实现物体的运动方向,速度和位置的估计,能够对指定区域进行长时间观测,具有广大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无线通信的技术领域,涉及一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法。
背景技术
近年来随着无线通信技术的快速发展,无线射频信号已经从单纯的通信功能延伸为感知环境变化的工具。发射机发出的信号会在无线传播环境内的各种物体上反射,形成多径最后到达接收机,多径信号中携带着无线传播信道中的相关信息。
无线通信信号作为一种相干辐射源,在电磁波传播的任意方向和任意路径上其都具有明确的幅度和相位。在空间的任一平面,二维波前就是一张全息图,它编码了电波传播过程中经过的所有物体的三维信息。目标物体对电磁波的反射、散射和衍射等行为都会影响发射机到接收机之间的传播信道。接收机通过分析传播信道的变化可以发现运动的目标,通过分析信道变化的规律可以进行动作识别。
传统上运动检测是雷达系统的主要功能,但是雷达系统一般需要专用的频谱资源和独特的信号格式,同时其还需要专用的设备来发射和接受信号。近年来,基于外辐射源的目标检测、运动识别等研究逐渐获得了人们的关注。研究人员使用较多的外辐射源是Wi-Fi信号,但是Wi-Fi信号一般只覆盖在商场、酒店、家庭等室内热点区域,同时其信号传输在时间上是不连续的,无法实现长时间大范围观测。相比而言,移动通信信号是一种无缝覆盖、连续发射、永不停歇的辐射源。利用其进行运动检测的优点包括:
1)、使用外辐射源,信号无时不在、无处不在;不需要频率规划,不需要大功率高成本的信号发射装置。
2)、通信信号具有确定的帧格式,可以进行时频同步,对目标进行长时间观测和相干累积。
3)、移动终端可同时观测到多个基站的信号,每个基站有独立的小区编号,可同时使用多路传播信道的信息。
4)、移动终端具有强大的运算能力,目标探测可以与无线通信共享射频链路和部分信号处理模块。
LTE作为典型的移动通信信号,具有上述的所有优点。基于LTE信号的运动检测方法能够克服传统雷达系统以及基于Wi-Fi信号进行运动检测的缺陷,具有很大的应用价值。
发明内容
本发明针对基于Wi-Fi的检测方法覆盖范围较小且无法实现连续观测;基于雷达的检测方法则需要配置专用的资源才能够工作的问题,提出了一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,实现了LTE信号状态信息的提取,利用信道状态信息来感知信道环境的变化,能在移动终端上实现入侵检测、手势控制和目标跟踪等应用。
具体步骤如下:
步骤一、在小基站或室内环境下,基于3GPP协议标准使用小区参考信号获取频域信道响应,解调转化为时域信道响应,并对主径上的时域信道响应进行提取;
频域信道响应由下式表示:
时域信道响应由下式表示:
h(t)=hs+hd(t)+z(t)
其中,hs为时域信道响应中的静止部分;hd(t)为时域信道响应中受人体运动影响的动态部分,z(t)为时域信道响应下方差为σz 2的噪声。当小区参考信号(CRS)占据N个子载波时,有如下换算关系,σz 2=σn 2/N。
步骤二、对提取的主径上的时域信道响应进行数据预处理,依次消除频偏和随机噪声,得到纯净的时域信道响应;
消除频偏具体步骤如下:
首先,通过平滑或锁相环估计出频偏信息;
1)、平滑:提取一段连续时间内的主径上的时域信道响应的相位,并通过平滑窗获取频偏误差的估计。
2)、锁相环:利用锁相环跟踪主径上的时域信道响应的相位重构出频偏信息,得到估计值。
然后,利用频偏信息估计值对主径上的时域信道响应进行频偏补偿,消除频偏。
具体公式如下:
针对频偏补偿后的时域信道响应,采用如下两种方法消除随机噪声,具体为:
1)、通过平滑窗过滤频偏补偿后的时域信道响应,经过平滑后随机噪声被抑制。
2)、利用小波去噪方法抑制噪声:首先通过小波变换分解频偏补偿后的时域信道响应,然后将小波系数低于阈值的分量视为噪声并去除,最后重构出去噪后的信号。
步骤三、针对纯净的时域信道响应,通过长平滑窗或低通滤波器过滤得到其静态部分,进而计算动态部分,实现动静信号的分离。
纯净的时域信道响应的动态部分为主径信号减去静态信号的结果;
动静信号的分离公式如下:
提取时域信道响应静态部分的方式有以下两种方法:
1)、对纯净的时域信道响应进行长平滑获得静态部分的估计值;
长平滑窗长的设计考虑实际运动的速度和时间。
2)、通过低通滤波器过滤纯净的时域信道响应从而获得静态部分的估计值。
低通滤波器考虑运动物体的运动速度。
步骤四、利用纯净的时域信道响应的幅度,以及提取的动态信号的幅度和相位对运动状态物体进行检测。
基于幅度的实现方式,包括基于纯净的时域信道响应的幅度,和提取的动态信号的幅度;具体如下:
时域信道响应的动态部分对应着受人体运动影响的反射路径。
如下式:
其中,t0为给定观测时刻,T表示观测窗口;v1是基于反射路径的幅度波动方差的决策统计量,当其大于阈值ρ1时,环境中存在运动的物体。
如下式:
其中,v2是基于纯净的时域信道响应的幅度波动方差的决策统计量,当其大于阈值ρ2时,环境中存在运动的物体。
基于相位的实现方式,是基于提取的动态信号的相位,具体如下:
综合考虑反射路径相位变化的斜率和噪声干扰来进行物体运动状态的检测。
首先,对反射路径相位进行处理得到去噪后的反射路径相位;
然后,分别计算观测窗内相位斜率的大小,及反射路径去噪后的相位和去噪前相位的均方根误差。
最后,通过将上述两个统计量相除,获得决策统计量并进行运动状态的判断。
由下式表示:
其中,p(t)为反射路径去噪前的原始相位;sp(t)为反射路径去噪后的相位。kphase为相位斜率的统计量;RMSEphase为相位均方根误差统计量。v3是基于反射路径相位的决策统计量,当其大于阈值ρ3时,环境中存在运动的物体。
上述三个阈值ρ通过恒虚警概率准则来确定,过程如下:
当信道处于静止状态时,估计误差仅包含高斯噪声;假设hs(t0)=hs,v的累计概率分布(CDF)曲线通过数值运算获得;给定虚警概率pFA,检测阈值ρ由下式决定:
其中,Pr表示概率;检测阈值ρ为由T,pFA和|hs|/σz决定的常数。
步骤五、在确定检测到运动目标后,利用反射路径的相位信息实现运动方向和速度的计算。
首先,当确定检测到运动物体后,物体的运动方向与反射路径的相位有如下关系:当反射路径的相位增加时,物体相对于收发机在向内靠近;当反射路径的相位降低时,物体在向外远离。因此利用反射路径的相位变化的趋势即斜率正负判断物体运动的方向。
同时,物体运动的速度会影响反射路径相位变化的快慢,因此利用相位变化的斜率判断运动目标的速度。
综上,物体的运动方向和速度由下式表示,
d=sign[kphase]∈{1,-1}
其中,d表示物体的运动方向;d为1表示物体向内靠近,-1为向外远离。υ表示物体的运动速度,λ表示载波波长。
然后,若运动目标距离收发机较远时,动态路径不存在主径的时域信道响应上,此时遍历各个时延格上的幅度变化,使用上述同样的方法识别距离更远的运动目标。
步骤六、在确定检测到运动目标后,利用重新变换的频域信道响应的相位信息实现运动目标定位。
相位包括静态路径中的直射路径相位和反射路径的相位,然后利用两者计算出直射路径和反射路径的传播距离,再进行定位。
具体步骤如下:
步骤601、在观测时刻t0下,将实现动静信号分离的纯净的时域信道响应中的静态路径和反射路径变换到频域上,重构频域信道响应;
公式如下:
步骤602、分别计算反射路径和直射路径的相位,并将接收的基带数字信号进行替换;
反射路径和直射路径的相位公式如下:
替换公式如下:
其中,Δf为小区参考信号(CRS)的频率间隔;k表示第k个小区参考信号。
步骤603、通过最小二乘法分别对直射路径相位φLOS和反射路径相位φd线性拟合,得到斜率kL和kd;
步骤604、利用斜率kL和kd分别计算直射路径和反射路径的传播路程dL(t0)和dd(t0);
得到公式:
步骤605、根据传播路程dL(t0)和dd(t0),得到此时运动目标存在的位置;
位置为:以发射机和接收机的位置为焦点,以dd(t0)-dL(t0)+dTR为长轴的椭圆曲线上,其中dTR为发射机和接收机之间的距离。
步骤606、使用三对收发机进行运动目标的检测,分别求出运动目标相对于每对收发机各自直射路径和反射路径的距离并绘制出对应的椭圆曲线,通过椭圆曲线的交点得到运动目标的具体位置。
本发明的优点在于:
1)、一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其能够基于信道状态幅度信息实现物体运动状态的实时检测,并能够基于信道状态相位信息实现物体的运动方向,速度和位置的估计;
2)、一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其与现有无线通信系统共享射频链路和部分信号处理模块,其利用LTE信号时频同步的帧格式,能够对指定区域进行长时间观测;
3)、一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其不需要额外的频率规划,不需要大功率高成本的信号发射装置。
附图说明
图1是本发明一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法流程图;
图2是本发明利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的应用场景;
图3是本发明使用平滑窗和锁相环方法估计频偏信息的实例结果图;
图4是本发明算法确定阈值及虚警漏警概率的示意图;
图5是本发明实测实验中由于物体运动引起的信道变化曲线;
图6是本发明运动目标定位的示意图;
图7是本发明运动检测装置的模块示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于无线射频信号,利用移动通信LTE信号作为外辐射源,实现运动检测的方法,主要包括以下步骤:首先,实现LTE信号信道状态信息的解调,并将其转化为时域信道响应;然后,对时域信道响应进行预处理进行降噪和频偏补偿;其次,通过平滑或低通滤波器过滤原始信道状态信息得到静态信号,并实现动静信号的分离。最后,利用幅度或相位相关的信息作为决策统计量来进行运动状态的检测:包括探测区域内是否有运动目标、目标的运动方向和速度;同时,在确定检测到运动目标后,通过利用动态信号的相位信息实现目标定位。本发明利用LTE信号无缝覆盖、连续发射和永不停歇的特点,实现了时间和空间上连续的同时利用幅度和相位信息的运动状态检测方法。
如图1所示,具体步骤如下:
步骤一、在小基站或室内环境下,基于3GPP协议标准使用小区参考信号(CRS)获取频域信道响应,解调转化为时域信道响应,并对主径上的时域信道响应进行提取;
典型应用场景如图2所示,发射机Tx与接收机Rx之间存在一条直射路径、一条由墙体引发的静态发射径、以及一条由运动目标引发的动态发射径。直射路径距离为dLOS,运动目标到发射机和接收机的距离分别为dT和dR。无线电波遇到运动目标发生反射时的入射角为θi,反射角为θr。运动目标从A点经B点到达C点这一过程中,其到发射机和接收机的距离之和dT+dR、以及其到收发机连接线的距离dH都会发生相应变化。在室内等一般的应用场景下,受人体运动影响的反射路径叠加在主径的时域信道响应上,因此对时域信道响应进行提取时主要提取主径上的时域信道响应,后续所指的时域信道响应皆表示主径上的时域信道响应。
频域信道响应由下式表示:
在小基站和室内环境下,多径时延一般均小于1us。因此将频域信道响应转化为时域信道响应以获得更好的SNR并改善信道估计的性能。对于典型的20MHz的带宽配置,在时域上可区分的多径时延为50ns,其对应的传播距离为15m,因此动态路径极有可能和主径信号叠加在一起。若考虑动态路径存在于主径上,可省略中的τ得到时域信道响应,由下式表示:
h(t)=hs+hd(t)+z(t)
其中,hs为时域信道响应中的静止部分;hd(t)为时域信道响应中受人体运动影响的动态部分,z(t)为时域信道响应下方差为σz 2的噪声。当小区参考信号(CRS)占据N个子载波时,有如下换算关系,σz 2=σn 2/N。
步骤二、对提取的主径上的时域信道响应进行数据预处理,依次消除频偏和随机噪声,得到纯净的时域信道响应;
获得时域信道响应后,实际的信道状态信息由于噪声影响会存在误差;同时由于采样偏差等因素,实际得到的时域信道响应会含有残余频偏;因此必须在后续运动检测步骤之前,通过一定的数据预处理来抑制噪声和消除频偏干扰。
频偏误差带来的相位波动相对于运动造成的相位波动相对较慢,利用这一特性在保留运动造成的相位波动的同时消除频偏误差带来的干扰。首先通过两种可能的实现方式得到频偏信息的估计值,然后利用估计值对原始信号进行频偏补偿,消除频偏具体步骤如下:
首先,通过平滑或锁相环估计出频偏信息;
1)、平滑:提取一段连续时间内的主径上的时域信道响应的相位,并通过长度为100-200的平滑窗获取频偏误差的估计。
2)、锁相环:利用锁相环跟踪主径上的时域信道响应的相位重构出频偏信息,得到估计值。
使用平滑窗和锁相环方法估计频偏信息的结果,如图3所示。其中横坐标为跟踪时间,纵坐标为随时间变化的原始相位波动以及两种方法估计出的相位波动。可见两种方法均能很好地估计出频偏引起的相位波动,也即是估计出了频偏信息。
然后,利用频偏信息估计值对主径上的时域信道响应进行频偏补偿,消除频偏。
具体公式如下:
针对频偏补偿后的时域信道响应,采用如下两种方法消除随机噪声,具体为:
1)、通过平滑窗过滤频偏补偿后的时域信道响应,经过平滑后随机噪声被抑制。
2)、利用小波去噪方法抑制噪声:首先通过小波变换分解频偏补偿后的时域信道响应,然后将小波系数低于阈值的分量视为噪声并去除,最后重构出去噪后的信号。
步骤三、针对纯净的时域信道响应,通过长平滑窗或低通滤波器过滤得到其静态部分,进而计算动态部分,实现动静信号的分离。
首先从纯净的时域信道响应的主径信号中提取出静态信号,然后将主径信号与静态信号相减即可得到动态部分,进而将动态信号从叠加的主径信号中提取出来。
动静信号的分离公式如下:
提取时域信道响应静态部分的方式有以下两种方法:
1)、对纯净的时域信道响应进行长平滑获得静态部分的估计值;
长平滑窗长的设计考虑实际运动的速度和时间,在此给定的推荐值为100-300之间。
2)、通过低通滤波器过滤纯净的时域信道响应从而获得静态部分的估计值。
低通滤波器考虑运动物体的运动速度。
如行人和手势运动的速度较慢,往往是每秒数个波长长度;在此推荐使用截止频率在5-10Hz之间的Kaiser窗,滤波器长度的推荐值为100-300之间。上述两种实现方法中,第二种实现方法可以看做是第一种实现方法的推广,是更通用的实现方法,但同时也需要考虑更多的设计参数。
步骤四、利用纯净的时域信道响应的幅度,以及提取的动态信号的幅度和相位对运动状态物体进行检测。
本发明利用幅度或相位相关的决策统计量来进行运动状态的检测,共提出三种可能的实现方式,基于幅度的实现方式,包括基于纯净的时域信道响应的幅度,和提取的动态信号的幅度;
具体如下:
时域信道响应的动态部分对应着受人体运动影响的反射路径。
如下式:
其中,t0为给定观测时刻,T表示观测窗口;v1是基于反射路径的幅度波动方差的决策统计量,当其大于阈值ρ1时,环境中存在运动的物体。
如下式:
其中,v2是基于叠加径幅度波动方差的决策统计量,当其大于阈值ρ2时,环境中存在运动的物体。
上述两种方法均是基于幅度的实现方式,利用叠加径或反射路径的幅度波动方差作为决策统计量进行运动状态的判别。基于相位的实现方式,是基于提取的动态信号的相位,具体如下:
主要思路是综合考虑反射路径相位变化的斜率和噪声干扰来进行物体运动状态的检测。
首先,对反射路径相位进行处理得到去噪后的反射路径相位;
然后,分别计算观测窗内相位斜率的大小,及反射路径去噪后的相位和去噪前相位的均方根误差。
最后,通过将上述两个统计量相除,获得决策统计量并进行运动状态的判断。
由下式表示:
其中,p(t)为反射路径去噪前的原始相位;sp(t)为反射路径去噪后的相位。kphase为相位斜率的统计量;RMSEphase为相位均方根误差统计量。v3是基于反射路径相位的决策统计量,当其大于阈值ρ3时,环境中存在运动的物体。
上述三个阈值门限ρ通过恒虚警概率准则和静止状态下的决策统计量的累计概率分布曲线来确定,同时结合运动状态下决策统计量的累计概率分布曲线计算漏警概率,使用漏警概率来度量性能,过程如下:
当信道处于静止状态时,估计误差仅包含高斯噪声;假设hs(t0)=hs,v的累计概率分布(CDF)曲线通过数值运算获得;给定虚警概率pFA,检测阈值ρ由下式决定:
其中,Pr表示概率;检测阈值ρ为由T,pFA和|hs|/σz决定的常数。
如图4所示,首先获得静止状态下的CDF曲线,并通过恒虚警概率(10%)确定阈值,然后获得运动状态下的CDF曲线,并由阈值可以计算出实际的漏警概率。
步骤五、在确定检测到运动目标后,利用反射路径的相位变化计算检测物体运动的方向和速度。
首先,当确定检测到运动物体后,利用反射路径相位斜率的正负和大小进行运动方向和速度的计算。物体的运动方向与反射路径的相位有如下关系:当反射路径的相位增加时,物体相对于收发机在向内靠近;当反射路径的相位降低时,物体在向外远离。因此利用反射路径的相位变化的趋势即斜率正负判断物体运动的方向。
同时,物体运动的速度会影响反射路径相位变化的快慢,因此利用相位变化的斜率判断运动目标的速度。
综上,物体的运动方向和速度由下式表示,
d=sign[kphase]∈{1,-1}
其中,d表示物体的运动方向;d为1表示物体向内靠近,-1为向外远离。υ表示物体的运动速度,λ表示载波波长。
如图5所示,展示了某次实测实验中由于物体运动引起的信道变化曲线,通过本发明提出的方法可以计算得出此时运动目标的方向和运动速度。从相位变化曲线可以看出,前半段物体在向内靠近,后半段物体在向外远离;靠近和远离的速度均为1m/s左右。
然后,若运动目标距离收发机较远时,动态路径不存在主径的时域信道响应上,此时遍历各个时延格上的幅度变化,使用上述同样的方法识别距离更远的运动目标。
运动目标在时域信道响应和频率信道状态响应上都会造成规律类似的幅度和相位波动。因此,本发明前面叙述的方法同样适用于在频域信道状态响应上对运动目标的识别。LTE信号的频域信道响应是在间隔90kHz的若干小区参考信号上进行信道响应的估计,且该估计值会随着时间和信道变化,所以将前文所述的方法应用到其中任意一个小区参考信号的信道响应上进行运动目标的识别。
步骤六、在确定检测到运动目标后,利用重新变换的频域信道响应的相位信息实现运动目标定位。
相位包括静态路径中的直射路径相位和反射路径的相位,然后利用两者计算出直射路径和反射路径的传播距离,以此计算出运动目标位置的候选位置,结合多对收发机的位置信息并计算交点得到运动目标的确切位置。关键步骤为求得直射路径和反射路径的传播距离。
具体步骤如下:
步骤601、在观测时刻t0下,将实现动静信号分离的纯净的时域信道响应中的静态路径和反射路径变换到频域上,重构频域信道响应;
公式如下:
步骤602、分别计算反射路径和直射路径的相位,并将接收的基带数字信号进行替换;
反射路径和直射路径的相位公式如下:
替换公式如下:
其中,Δf为小区参考信号(CRS)的频率间隔;k表示第k个小区参考信号。
步骤603、通过最小二乘法分别对直射路径相位φLOS和反射路径相位φd线性拟合,得到斜率kL和kd;
理想情况下在频域信道响应上相位与频率呈线性关系;由于实际接收的信号中存在噪声和多径效应,相位和频域并不服从严格的线性关系,此时通过最小二乘法进行线性拟合获得时延信息。
通过最小二乘法分别对直射路径相位φLOS和反射路径相位φd线性拟合得到斜率kL和kd。
步骤604、利用斜率kL和kd分别计算直射路径和反射路径的传播路程dL(t0)和dd(t0);
得到公式:
步骤605、根据传播路程dL(t0)和dd(t0),得到此时运动目标存在的位置;
此时运动目标可能存在的位置为:以发射机和接收机的位置为焦点,以dd(t0)-dL(t0)+dTR为长轴的椭圆曲线上,其中dTR为发射机和接收机之间的距离。
步骤606、使用三对收发机进行运动目标的检测,分别求出运动目标相对于每对收发机各自直射路径和反射路径的距离并绘制出对应的椭圆曲线,通过椭圆曲线的交点得到运动目标的具体位置。
如图6所示,展示了运动目标的定位过程。LTE接收模块接收来自三个LTE基站的直射信号以及来自入侵目标的反射信号,入侵目标会反射来自各个LTE基站的信号。LTE接收模块与每个LTE基站构成一对收发机,估计出入侵目标所在的一个椭圆。三个椭圆的交点即是入侵目标的位置。
本发明抽象制作了一种运动检测装置,如图7所示,能够利用LTE信号信道状态信息实现运动检测,分为信道状态信息采集模块,数据预处理模块,算法模块1和算法模块2。信道状态信息采集模块接收LTE信号,并使用小区参考信号(CRS)获取频域信道响应和时域信道响应。数据预处理模块对信道状态信息进行预处理消除噪声和频偏,并从信道状态信息中提取出静态信号和动态信号。随后算法模块1利用其中的幅度或相位相关的信息来进行运动状态的检测。当确定检测到运动目标后,算法模块2计算出运动物体的速度,方向及位置。
Claims (7)
1.一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤一、在小区基站或室内环境下,基于3GPP协议标准使用小区参考信号CRS获取频域信道响应,解调转化为时域信道响应,并对主径上的时域信道响应进行提取;
频域信道响应的估计值由下式表示:
时域信道响应由下式表示:
h(t)=hs+hd(t)+z(t)
其中,hs为时域信道响应中的静止部分;hd(t)为时域信道响应中受人体运动影响的动态部分,z(t)为时域信道响应下方差为σz 2的噪声;
当小区参考信号CRS占据N个子载波时,有如下换算关系,σz 2=σn 2/N;
步骤二、对提取的主径上的时域信道响应进行数据预处理,依次消除频偏和随机噪声,得到无噪声的时域信道响应;
步骤三、针对无噪声的时域信道响应,通过长平滑窗或低通滤波器过滤得到其静态部分,进而计算动态部分,实现动静信号的分离;
无噪声的时域信道响应的动态部分为主径信号减去静态信号的结果;
动静信号的分离公式如下:
步骤四、利用无噪声的时域信道响应的幅度,以及提取的动态部分的幅度和相位对运动状态物体进行检测;
基于幅度的实现方式,包括基于无噪声的时域信道响应的幅度,和提取的动态部分的幅度的实现方式;
具体如下:
时域信道响应的动态部分对应着受人体运动影响的反射路径;
如下式:
其中,t0为给定观测时刻,T表示观测窗口;v1是基于反射路径的幅度波动方差的决策统计量,当其大于阈值ρ1时,环境中存在运动的物体;
如下式:
其中,v2是基于无噪声的时域信道响应的幅度波动方差的决策统计量,当其大于阈值ρ2时,环境中存在运动的物体;
基于提取的动态部分的相位的实现方式具体如下:
综合反射路径相位斜率和噪声干扰来进行物体运动状态的检测;
首先,对反射路径相位进行处理得到去噪后的反射路径相位;
然后,分别计算观测窗内相位斜率的大小,及反射路径去噪后的相位和去噪前相位的均方根误差;
最后,通过将上述相位斜率的统计量和相位均方根误差的统计量相除,获得决策统计量并进行运动状态的判断;
由下式表示:
其中,p(t)为反射路径去噪前的原始相位;sp(t)为反射路径去噪后的相位;kphase为相位斜率的统计量;RMSEphase为相位均方根误差统计量;v3是基于反射路径相位的决策统计量,当其大于阈值ρ3时,环境中存在运动的物体;
步骤五、在确定检测到运动目标后,利用反射路径的相位信息实现运动方向和速度的计算;
步骤六、在确定检测到运动目标后,利用重新变换的频域信道响应的相位信息实现运动目标定位;
相位包括静态路径中的直射路径相位和反射路径的相位,然后利用两者计算出直射路径和反射路径的传播距离,再进行定位。
3.如权利要求1所述的一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其特征在于,步骤二中所述的消除随机噪声具体为:
1)、通过平滑窗过滤频偏补偿后的时域信道响应,经过平滑后随机噪声被抑制;
2)、利用小波去噪方法抑制噪声:首先通过小波变换分解频偏补偿后的时域信道响应,然后将小波系数低于所选阈值的分量视为噪声并去除,最后重构出去噪后的信号。
4.如权利要求1所述的一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其特征在于,步骤三中所述的提取时域信道响应静态部分的方式有以下两种方法:
1)、对无噪声的时域信道响应进行长平滑获得静态部分的估计值;
长平滑窗长的设计基于实际运动的速度和时间;
2)、通过低通滤波器过滤无噪声的时域信道响应从而获得静态部分的估计值;
低通滤波器的设计基于运动物体的运动速度。
6.如权利要求1所述的一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其特征在于,所述的步骤五具体为:
首先,当确定检测到运动物体后,物体的运动方向与反射路径的相位有如下关系:当反射路径的相位增加时,物体相对于接收机和发射机在向内靠近;当反射路径的相位降低时,物体在向外远离;因此利用反射路径的相位变化的趋势判断物体运动的方向;
同时,物体运动的速度会影响反射路径相位变化的快慢,因此利用相位变化的快慢判断运动目标的速度;
综上,物体的运动方向和速度由下式表示,
d=sign[kphase]∈{1,-1}
其中,d表示物体的运动方向;d为1表示物体向内靠近,-1为向外远离;υ表示物体的运动速度,λ表示载波波长;
然后,若运动目标距离接收机和发射机较远时,主径上的时域信道响应不包括动态部分,此时遍历各个时延的幅度变化,使用上述物体的运动方向和速度的表达式识别距离更远的运动目标。
7.如权利要求1所述的一种利用LTE信号信道状态信息实现运动检测的方法,其特征在于,所述的步骤六具体步骤如下:
步骤601、在观测时刻t0下,将实现动静信号分离的无噪声的时域信道响应中的静态路径中的直射路径相位和反射路径相位变换到频域上,重构频域信道响应;
公式如下:
步骤602、分别计算反射路径和直射路径的相位,并将接收的基带数字信号进行替换;
反射路径和直射路径的相位公式如下:
替换公式如下:
其中,Δf为小区参考信号CRS的频率间隔;k表示第k个小区参考信号CRS;
步骤604、利用相位斜率kL和kd分别计算直射路径和反射路径的传播路程dL(t0)和dd(t0);
得到公式:
步骤605、根据传播路程dL(t0)和dd(t0),得到此时运动目标存在的位置;
位置为:以发射机和接收机的位置为焦点,以dd(t0)-dL(t0)+dTR为长轴的椭圆曲线上,其中dTR为发射机和接收机之间的距离;
步骤606、使用三对接收机和发射机进行运动目标的检测,分别求出运动目标相对于每对接收机和发射机各自直射路径和反射路径的距离并绘制出对应的椭圆曲线,通过椭圆曲线的交点得到运动目标的具体位置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810732302.6A CN108957399B (zh) | 2018-07-05 | 2018-07-05 | 一种利用lte信号信道状态信息实现运动检测的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810732302.6A CN108957399B (zh) | 2018-07-05 | 2018-07-05 | 一种利用lte信号信道状态信息实现运动检测的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108957399A CN108957399A (zh) | 2018-12-07 |
CN108957399B true CN108957399B (zh) | 2021-04-16 |
Family
ID=64484396
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810732302.6A Active CN108957399B (zh) | 2018-07-05 | 2018-07-05 | 一种利用lte信号信道状态信息实现运动检测的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108957399B (zh) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109474890A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-15 | 重庆邮电大学 | 一种基于WiFi多普勒频移的室内目标被动跟踪方法 |
CN109597058B (zh) * | 2018-12-21 | 2021-06-22 | 上海科勒电子科技有限公司 | 感应水龙头的微波测量方法、电子设备及存储介质 |
CN109617591B (zh) * | 2019-01-21 | 2021-11-23 | 重庆邮电大学 | 一种基于WiFi的链路级运动目标跟踪方法 |
IT201900001675A1 (it) * | 2019-02-05 | 2020-08-05 | Vittorio Rampa | Sistema e metodo per la rilevazione di uno o più target all'interno di un'area di monitoraggio |
CN110738130A (zh) * | 2019-09-21 | 2020-01-31 | 天津大学 | 基于Wi-Fi的路径独立的步态识别方法 |
CN111601253B (zh) * | 2020-03-31 | 2021-08-10 | 西安电子科技大学 | 无源被动智能跟踪定位方法、系统、存储介质、跟踪定位终端 |
US11754663B2 (en) * | 2020-06-11 | 2023-09-12 | Qualcomm Incorporated | Additional feedback for location detection of device-free objects using wireless communication signals |
US11070399B1 (en) * | 2020-11-30 | 2021-07-20 | Cognitive Systems Corp. | Filtering channel responses for motion detection |
CN113432256A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-09-24 | Tcl空调器(中山)有限公司 | 安防监控方法、空调器安防监控方法、云服务器及空调器 |
CN113883665A (zh) * | 2021-09-13 | 2022-01-04 | Tcl空调器(中山)有限公司 | 空调器显示屏控制方法、装置、空调器及可读存储介质 |
CN117572401B (zh) * | 2023-11-24 | 2024-07-23 | 北京理工大学 | 一种基于测量子孔径多普勒相位差的无源定位方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103370958A (zh) * | 2011-02-14 | 2013-10-23 | 株式会社Ntt都科摩 | 微基站、用户终端以及无线通信方法 |
CN103874174A (zh) * | 2012-12-18 | 2014-06-18 | 展讯通信(上海)有限公司 | 一种通过检测传感器来控制移动终端的方法 |
US8773966B1 (en) * | 2010-05-07 | 2014-07-08 | Marvell International Ltd. | Signal power measurement and automatic gain control in orthogonal frequency division multiple access systems |
CN104507110A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-04-08 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | Lte-fdd的prach精确检测算法 |
WO2016170005A1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-10-27 | Resmed Sensor Technologies Limited | Detection and identification of a human from characteristic signals |
-
2018
- 2018-07-05 CN CN201810732302.6A patent/CN108957399B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8773966B1 (en) * | 2010-05-07 | 2014-07-08 | Marvell International Ltd. | Signal power measurement and automatic gain control in orthogonal frequency division multiple access systems |
CN103370958A (zh) * | 2011-02-14 | 2013-10-23 | 株式会社Ntt都科摩 | 微基站、用户终端以及无线通信方法 |
CN103874174A (zh) * | 2012-12-18 | 2014-06-18 | 展讯通信(上海)有限公司 | 一种通过检测传感器来控制移动终端的方法 |
CN104507110A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-04-08 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | Lte-fdd的prach精确检测算法 |
WO2016170005A1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-10-27 | Resmed Sensor Technologies Limited | Detection and identification of a human from characteristic signals |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108957399A (zh) | 2018-12-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108957399B (zh) | 一种利用lte信号信道状态信息实现运动检测的方法 | |
Tong et al. | Combating packet collisions using non-stationary signal scaling in LPWANs | |
Xu et al. | Pyramid: Real-time lora collision decoding with peak tracking | |
CN106488557B (zh) | 基于WiFi信号的LDCC-PDF分级时延估计方法 | |
KR102162284B1 (ko) | 클라우드 데이터 처리 gnss 재밍 감시 방법 및 시스템 | |
US11460541B2 (en) | Method and system for detection of a target by a passive radar system exploiting multichannel-per-carrier illuminator sources | |
JP2016515212A (ja) | 到達時間算出を向上させる方法およびシステム | |
AU2013258868A1 (en) | Wireless positioning | |
Liu et al. | Integrated sensing and communication based outdoor multi-target detection, tracking, and localization in practical 5G Networks | |
CN112019999A (zh) | 一种轨道交通无线网络的干扰检测与定位方法 | |
CN108535686B (zh) | 一种截断宽带线性调频信号的时差定位方法 | |
CN114584227B (zh) | 自动化突发信号检测方法 | |
De Sanctis et al. | LTE signals for device-free crowd density estimation through CSI secant set and SVD | |
Li et al. | Integrating Passive Bistatic Sensing into mmWave B5G/6G Networks: Design and Experiment Measurement | |
Qian et al. | Research on resource allocation algorithm for D2D communications underlaying LTE-A networks | |
Silva et al. | Towards non-line-of-sight ranging error mitigation in industrial wireless sensor networks | |
CN102869091B (zh) | 一种确定定位参考信号到达时间的方法及装置 | |
Kim et al. | HFM design for timing synchronization in underwater communications systems | |
Choi et al. | Multi-output convolutional neural network based distance and velocity estimation technique for orthogonal frequency division multiplexing radar systems | |
CN107219498B (zh) | 基于mml-pmht的多基站单频网无源协同定位方法 | |
CN113203985B (zh) | 一种短波同频信号直接定位方法 | |
WO2013136774A1 (ja) | 信号検出装置及び信号検出方法 | |
Li et al. | DME interference suppression algorithm based on signal separation estimation theory for civil aviation system | |
Hong et al. | Channel capacity analysis of indoor environments for location-aware communications | |
Filippini et al. | OFDM based WiFi Passive Sensing: a reference-free non-coherent approach |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |