CN109004960A - 一种基于双向交互的设备间csi测量相位误差消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法，提出了双向交互方法，配合高精度时钟，使得能够获得双向的同一时刻的误差CSI值，通过计算相反的两个CSI值，来抵消CSI中带有的双向设备误差。本发明通误差消除的计算量小，方法简单。消除的误差是实际应用中影响最大的误差，是实现ToF测距的关键误差。

Description

一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法

技术领域

本发明涉及相位测距技术领域，特别是一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法。

背景技术

CSI信道状态信息由于能够刻画完整的无线信号传输模型，逐渐成为了高精度WiFi识别和感知的重要技术。尤其是通过CSI提取出的相位信号，能够更加精确的描述无线信号的传输变化。

然而，在现实环境下，相位信号受到众多的干扰，例如WiFi模块的时钟误差会导致接受信号时存在相位时延误差，WiFi信号调制模块和天线等信号发送装置会带有硬件的误差偏移等等。由于实际环境下存在这些误差，会导致CSI提取出的相位值几乎是一个随机值，不能够被用于精准感知的场景。

现如今，也有一批相位误差消除算法，例如基于MUSIC算法的误差消除方法。然而这些算法仅仅适用于角度估算的领域。并不适用于直接的ToF测量领域。因此，我们针对直接的ToF测量技术，提出了一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种提高利用相位差测距的相关ToF测量技术的精确度的基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法，步骤包括：

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

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f_A，移动点端天线阵列接受过程中产生微小频偏f_B，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C5I_AB，此时产生发送端锁相环频偏此时解析的相位值包含以下误差

使用CSI信道模型表示，则有其中CSI_rx表示收到的信道CSI数据，H表示未发生偏移的CSI数据，是产生的偏移；

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，此时由于移动点端端锁相环产生相位偏移

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f_B，基站天线在接受过程中产生微小频偏f_A；

调制后的返回帧被基站A捕获，经基站芯片处理得到CSI_BA，此时产生的PLL频偏在上述的发送过程，移动点端将收到的CSI_AB传输给基站，

使用CSI信道模型表示，则有

CFO消除算法，原理是通过CSI_AB和CSI_BA的计算消除中间产生的误差；

根据CSI信道模型，有CSI_ABCSI_BA＝H²能够消除CFO相位偏移。

进一步的，所述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CSI_AB由WiFi模块传给移动点端B的CSI提取模块。

进一步的，所述移动点端B的CSI提取模块提取到的CSI_AB的数据传输过程为：

移动点端B的CSI提取模块将提取到的CSI_AB传输给设备传输相位消除模块；

移动点端需要将收到的CSI_AB传输给基站；

设备传输相位消除模块从基站A的WiFi模块取得CSI_AB数据。

进一步的，所述移动点端将收到的CSI_AB传输给基站的方式包括：在发送返回帧时，将CSI_AB作为数据，一同发送；或者在发送返回帧后，单独将CSI_AB作为数据发送给基站；或者移动点端将CSI_AB作为数据发送给服务器，由服务器发送给基站。

相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明通过两次交互可以消除收发端的硬件相位误差。误差消除的计算量小，方法简单。消除的误差是实际应用中影响最大的误差，是实现ToF测距的关键误差。

附图说明

图1为一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位系统的基站结构图。

图2为一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位系统的系统原理图。

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测距定位系统，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，各子载波的相位值存在频偏f_i，(为载波发射频率，τ为飞行时间)，关系如下：

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和频率飞行时间τ的关系如下：

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，定位系统结束。

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

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f_A，移动点端天线接受过程中产生微小频偏f_B，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CSI_AB，此时产生PLL频偏此时解析的相位值包含以下误差使用CSI信道模型表示，则有其中CSI_rx表示收到的信道CSI数据，H表示未发生偏移的CSI数据，是产生的偏移。

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CSI_AB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

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f_B，基站天线在接受过程中产生微小频偏f_A

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

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CSI_BA，使用CSI信道模型表示，则有

步骤10：基站A的CSI提取模块将CSI_BA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CSI_AB，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CSI_AB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CSI_AB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CSI_AB作为数据，一同发送；2.在发送返回帧后，单独将CSI_AB作为数据发送给基站；3.移动点端将CSI_AB作为数据发送给服务器，经由服务器发送给基站。)，将CSI_AB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CSI_AB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CSI_AB和CSI_BA的计算消除中间产生的误差。

根据CSI信道模型，有CSI_ABCSI_BA＝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 (4)

1.一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法，其特征在于步骤包括：

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

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f_A，移动点端天线阵列接受过程中产生微小频偏f_B，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CSI_AB，此时产生发送端锁相环频偏此时解析的相位值包含以下误差

使用CSI信道模型表示，则有其中CSI_rx表示收到的信道CSI数据，H表示未发生偏移的CSI数据，是产生的偏移；

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，此时由于移动点端端锁相环产生相位偏移

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f_B，基站天线在接受过程中产生微小频偏f_A；

调制后的返回帧被基站A捕获，经基站芯片处理得到CSI_BA，此时产生的PLL频偏

在上述的发送过程，移动点端将收到的CSI_AB传输给基站，

使用CSI信道模型表示，则有

CFO消除算法，原理是通过CSI_AB和CSI_BA的计算消除中间产生的误差；

根据CSI信道模型，有CSI_ABCSI_BA＝H²能够消除CFO相位偏移。

2.根据权利要求1所述的一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法，其特征在于所述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CSI_AB由WiFi模块传给移动点端B的CSI提取模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法，其特征在于所述移动点端B的CSI提取模块提取到的CSI_AB的数据传输过程为：

移动点端B的CSI提取模块将提取到的CSI_AB传输给设备传输相位消除模块；

移动点端需要将收到的CSI_AB传输给基站；

设备传输相位消除模块从基站A的WiFi模块取得CSI_AB数据。

4.根据权利要求2所述的一种基于双向交互的设备间CSI测量相位误差消除方法，其特征在于所述移动点端将收到的CSI_AB传输给基站的方式包括：在发送返回帧时，将CSI_AB作为数据，一同发送；或者在发送返回帧后，单独将CSI_AB作为数据发送给基站；或者移动点端将CSI_AB作为数据发送给服务器，由服务器发送给基站。