CN109085563A - 基于软件无线电平台的wlan测距技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件无线电平台的WLAN测距技术。首先，通过GPS时钟(GPS disciplined oscillator，GPSDO)获取高精度的GPS原子时钟作为软件无线电平台的参考时钟源，通过这种方法来消除采样频率偏移带来的相位误差。然后通过将所有的子载波减去第一个用于通信的子载波的相位值来消除载波频率偏移带来的相位误差。接着通过设置提前采样的时间为零来消除包检测时延带来的相位误差。最后通过三次样条插值来消除子载波之间的整周模糊度，并通过已知的距离对设备进行一次校正得到初始的子载波间的相位的差值，而实际测量的距离就可以通过该已知的距离加上实际测得的距离差得到，通过该方法能够得到较高的测距精度。

Description

基于软件无线电平台的WLAN测距技术

技术领域

本发明属于室内定位技术，具体涉及一种软件无线电平台下，通过在接收端获取WLAN信道状态信息，并通过WLAN信道状态信息的相位进行测距的方法。

背景技术

近年来，互联网以及物联网的飞速发展，增大了人们对基于位置服务LBS(Location Based Service)的需求，如在地下停车场快速搜寻停车位，在大型商场寻找电梯口等。而基于卫星定位的全球导航卫星系统GPS(Global Positioning System)无法在室内定位，室内定位技术成为了与人们生产与生活关系最为密切的技术之一。而测距作为室内定位中最为重要的部分之一，它的精度直接决定了定位的精度，提高室内测距的精度对提高室内定位的精度有着重要的作用。传统的测距技术主要基于RSSI或指纹来进行测距，此类方法受环境影响较大，并且需要花费较大的代价来进行建库，因此基于信道状态信息CSI(Channel State Information)的室内测距技术逐渐变为主流的测距技术。

目前主要有以下几种主流的基于CSI室内测距技术，第一种是使用CSI幅值，并建立传播模型来进行测距的方法，该方法相比于RSSI具有更细粒度的信道信息，因此能得到更高精度的距离信息，但是此类方法同样具有受到环境影响较大的缺陷。第二种是基于到达角AoA(Arrival of Angle)的测距技术，该技术需要使用多根天线，使用的是多根天线的相位差来进行角度估计，然后通过建立几何模型进行距离估计，但是该技术需要联合多个站点才能进行测距，在很多只有单节点的系统中无法使用。第三种是最近由MIT提出的通过单个站点的跳频以及双向通信来消除误差，并通过中国剩余定理联合多个方程进行整周模糊度的求解的方法。该方法首先受到误差影响较大，细微的相位误差都会导致相位的无法对齐，从而导致真实相位的结算造成很大的偏差，并且这类使用双向通信的方法还需要在接收端运行程序当收到发送端发送的程序包的时候需要立马返回数据包，这种方式对用户是十分的不友好的。

本发明通过软件无线电平台获取CSI的相位信息，并整合各种相位误差消除方法来得到精确的子载波间的相位误差，并通过子载波间相位差的累积值来求解距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种在软件无线电平台下，使用WLAN信道状态信息的相位来进行测距的方法，它能有效提高单站点的情况下对目标的测距精度。

本发明所述的在软件无线电平台下，使用信道状态信息进行测距方法，包括以下步骤：

步骤一、设计接收机的流图，保证获取的CSI是单次运行得到的数据而不存在之前数据的干扰；

步骤二、设计发射机的流图，使得发射机的信号相关参数与接收机的一致；

步骤三、启动发射机与接收机，获取原始的CSI相位φ_i,k，可以表示为

φ_i,k＝θ_i,k-k·(λ_pdd+λ_sfo)+β_i

其中k为子载波编号，φ_i,k是实际获取的第i个数据包的第k个子载波的相位，θ_i,k是第i个数据包的第k个子载波由信号传播时延造成的相位偏移，λ_pdd是由包检测时延导致的相位偏移，λ_sfo是由采样频率偏移造成的相位偏移，β_i是第i个数据包由载波频率偏移造成的相位偏移；

步骤四、通过使用GPSDO(GPS disciplined oscillator)消除采样频率偏移，GPSDO通过获取GPS使用的高精度原子钟的时钟作为本地的时钟，从而能够解决两台设备间参考时钟不一致的问题。所述步骤四包括以下步骤：

步骤四(一)、为两台软件无线电设备添加GPSDO模块，配置参考时钟为内置的GPSDO时钟，并为GPSDO模块连接好天线，确认能够正确使用GPSDO时钟；

步骤四(二)、设置发送机和接收机流图中的时钟源为GPSDO，并设置同步方式为PC同步；

步骤四(三)、执行流图并调节收发机的增益，使得接收机接收信号的星座图能够聚集成一个较小的点，以防止信号特征不理想对相位造成影响；

步骤四(四)、由于本振源一致，因此可以保证采样频率偏移的影响可以忽略，可以得到消除采样频率偏移后的相位

步骤五、消除载波频率偏移对接收信号初相的影响。由于载波频率一般高达2GHz到5GHz之间，要产生收发两端完全一致的载波频率比较困难，因此需要把第一个用于通信的子载波的相位值归一化到零以保证多个数据包之间的初始相位偏移一致，从而消除由载波频率偏移带来的初始相位偏移影响。所述步骤五包括以下步骤：

步骤五(一)、获取第一个通信子载波消除采样频率偏移后的相位

步骤五(二)、将所有子载波的相位减去第一个通信子载波的相位使得所有数据包的子载波的初始相位为零，得到消除采样频率偏移β_i后的相位为：

步骤六、消除包检测时延带来的线性相位误差。包检测时延包括检测到包能量值达到一定阈值带来的时延，以及防止符号间干扰而进行提前采样带来的时延。通过设置提前采样的时间为零来使得包检测时延带来的相位误差λ_pdd为零，这样就能得到

步骤七、求得子载波相位误差的累积值与相对距离差的关系：

步骤七(一)、通过步骤六可以得到消除各种误差后的子载波的相位值但是由于整周模糊度的存在会导致其在2π范围内模糊，这里使用三次样条插值得到在子载波间未模糊的相位可以得到第一个用于通信的子载波的相位为零；

步骤七(二)、对于20M带宽的信号，其用于通信的子载波总共有52个，因此最后一个用于通信的子载波的相位

步骤七(三)、假设第i个数据包的传播时延c为光速，d为传播距离，其相位为θ_i,1＝2π·f_c1·τ，f_c1为第一个用于通信的子载波的频点，而θ_i,1＝2π·f_c52·τ，f_c52为最后一个用于通信的子载波的频点。因此可以得到第i个数据包最后一个通信子载波与第一个通信子载波的相位差Δθ_i＝2π·(f_c52-f_c1)·τ。对于IEEE 802.11n协议，其相邻子载波间的间隔为0.3125MHz，可以计算得到同时

步骤八、先使用一段较短的长度d⁽⁰⁾对软件无线电进行相位校正得到初始的子载波间相位差

步骤九、测量实际距离d⁽¹⁾对应的消除误差后的子载波间相位差为

步骤十、通过将步骤九与步骤八得到的两个子载波间的相位差相减得到其中Δd＝d⁽¹⁾-d⁽⁰⁾，通过计算Δθ⁽²⁾的累积值就可以计算得到Δd，然后加上之前校正时用的距离d⁽⁰⁾，就能够得到实际距离d⁽¹⁾＝d⁽⁰⁾+Δd。

有益效果

本发明首先通过GPSDO获取高精度的GPS原子时钟作为N210母板的各个芯片的时钟源，通过这种方法来消除采样频率偏移带来的相位误差。然后通过将所有的子载波减去第一个用于通信的子载波的相位值来消除载波频率偏移带来的相位误差。接着通过设置提前采样的时间为零来消除包检测时延带来的相位误差。最后通过三次样条插值来消除子载波之间的整周模糊度，并通过已知的距离对设备进行一次校正得到初始的子载波间的相位的差值，而实际测量的距离就可以通过该已知的距离加上实际测得的距离差得到。

附图说明

图1为本发明中接收机的信号处理框图。

图2为传播距离分为10厘米和60厘米时消除其它误差后的子载波的相位图。

具体实施方案

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：

使用如图1所示的接收机信号处理框图设计流图进行测试，具体包含以下步骤：

步骤一、按照图1所示的信号处理流程设计接收机的流图，保证获取的CSI是单次运行得到的数据而不存在之前数据的干扰；

步骤二、按照标准的IEEE 802.11n协议发射机信号处理流程设计发射机的流图，使得发射机的信号相关参数与接收机的一致；

步骤三、启动发射机与接收机，获取原始的CSI相位φ_i,k，可以表示为

φ_i,k＝θ_i,k-k(λ_pdd+λ_sfo)+β_i

其中k为子载波编号，φ_i,k是实际获取的第i个数据包的第k个子载波的相位，θ_i,k是第i个数据包的第k个子载波由信号传播时延造成的相位偏移，λ_pdd是由包检测时延导致的相位偏移，λ_sfo是由采样频率偏移造成的相位偏移，β_i是第i个数据包由载波频率偏移造成的相位偏移；

步骤四、通过使用GPSDO(GPS disciplined oscillator)消除采样频率偏移，GPSDO通过获取GPS使用的高精度原子钟的时钟作为本地的时钟，从而能够解决两台设备间参考时钟不一致的问题。所述步骤四包括以下步骤：

步骤四(一)、为两台软件无线电设备添加GPSDO模块，配置参考时钟为内置的GPSDO时钟，并为GPSDO模块连接好天线，确认能够正确使用GPSDO时钟；

步骤四(二)、设置发送机和接收机流图中的时钟源为GPSDO，并设置同步方式为PC同步；

步骤四(三)、执行流图并调节收发机的增益，使得接收机接收信号的星座图能够聚集成一个较小的点，以防止信号特征不理想对相位造成影响；

步骤四(四)、由于本振源一致，因此可以保证采样频率偏移的影响可以忽略，可以得到消除采样频率偏移后的相位

步骤五、消除载波频率偏移对接收信号初相的影响。由于载波频率一般高达2GHz到5GHz之间，要产生收发两端完全一致的载波频率比较困难，因此需要把第一个用于通信的子载波的相位值归一化到零以保证多个数据包之间的初始相位偏移一致，从而消除由载波频率偏移带来的初始相位偏移影响。所述步骤五包括以下步骤：

步骤五(一)、获取第一个通信子载波消除采样频率偏移后的相位

步骤五(二)、将所有子载波的相位减去第一个通信子载波的相位使得所有数据包的子载波的初始相位为零，得到消除采样频率偏移β_i后的相位为：

步骤六、消除包检测时延带来的线性相位误差。包检测时延包括检测到包能量值达到一定阈值带来的时延，以及防止符号间干扰而进行提前采样带来的时延。通过设置提前采样的时间为零来使得包检测时延带来的相位误差λ_pdd为零，这样就能得到对于指定距离的相位关系参考图2；

步骤七、求得子载波相位误差的累积值与相对距离差的关系：

步骤七(一)、通过步骤六可以得到消除各种误差后的子载波的相位值但是由于整周模糊度的存在会导致其在2π范围内模糊，这里使用三次样条插值得到在子载波间未模糊的相位可以得到第一个用于通信的子载波的相位为零；

步骤七(二)、对于20M带宽的信号，其用于通信的子载波总共有52个，因此最后一个用于通信的子载波的相位

步骤七(三)、假设第i个数据包的传播时延c为光速，d为传播距离，其相位为θ_i,1＝2πf_c1τ，f_c1为第一个用于通信的子载波的频点，而θ_i,1＝2πf_c52τ，f_c52为最后一个用于通信的子载波的频点。因此可以得到第i个数据包最后一个通信子载波与第一个通信子载波的相位差Δθ_i＝2π·(f_c52-f_c1)·τ。对于IEEE 802.11n协议，其相邻子载波间的间隔为0.3125MHz，可以计算得到同时

步骤八、先使用一段较短的长度d(⁰)对软件无线电进行相位校正得到初始的子载波间相位差

步骤九、测量实际距离d(¹)对应的消除误差后的子载波间相位差为

步骤十、通过将步骤九与步骤八得到的两个子载波间的相位差相减得到其中Δd＝d⁽¹⁾-d⁽⁰⁾，通过计算Δθ⁽²⁾的累积值就可以计算得到Δd，然后加上之前校正时用的距离d⁽⁰⁾，就能够得到实际距离d⁽¹⁾＝d⁽⁰⁾+Δd。

Claims (4)

1.一种基于软件无线电平台的WLAN测距技术，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一、设计接收机的流图，保证获取的CSI是单次运行得到的数据而不存在之前数据的干扰；

步骤二、设计发射机的流图，使得发射机的信号相关参数与接收机的一致；

步骤三、启动发射机与接收机，获取原始的CSI相位φ_i,k，可以表示为

φ_i,k＝θ_i,k-k·(λ_pdd+λ_sfo)+β_i

其中k为子载波编号，φ_i,k是实际获取的第i个数据包的第k个子载波的相位，θ_i,k是第i个数据包的第k个子载波由信号传播时延造成的相位偏移，λ_pdd是由包检测时延导致的相位偏移，λ_sfo是由采样频率偏移造成的相位偏移，β_i是第i个数据包由载波频率偏移造成的相位偏移；

步骤四、通过使用GPSDO消除采样频率偏移，GPSDO通过获取GPS使用的高精度原子钟的时钟作为本地的时钟，从而能够解决两台设备间参考时钟不一致的问题，得到消除采样频率偏移后的相位

步骤五、除载波频率偏移对接收信号初相的影响，由于载波频率一般高达2GHz到5GHz之间，要产生收发两端完全一致的载波频率比较困难，因此需要把第一个用于通信的子载波的相位值归一化到零以保证多个数据包之间的初始相位偏移一致，从而消除由载波频率偏移带来的初始相位偏移影响，得到不受载波频率偏移的相位为

步骤六、消除包检测时延带来的线性相位误差，在通用软件无线电平台中，可以通过设置提前采样的时间为零来使得包检测时延带来的相位误差λ_pdd为零，这样就能得到

步骤七、求得子载波相位误差的累积值与相对距离差的关系，先使用三次样条插值得到在子载波间未模糊的相位再计算得到第i个数据包最后一个通信子载波与第一个通信子载波的相位差c为光速，d为传播距离，同时可以得到

步骤八、先使用一段较短的长度d⁽⁰⁾对软件无线电进行相位校正得到初始的子载波间相位差

步骤九、测量实际距离d⁽¹⁾对应的消除误差后的子载波间相位差为

步骤十、通过将步骤九与步骤八得到的两个子载波间的相位差相减得到其中Δd＝d⁽¹⁾-d⁽⁰⁾，通过Δθ⁽²⁾就可以计算得到Δd，然后加上之前校正时用的距离d⁽⁰⁾，就能够得到实际距离d⁽¹⁾＝d⁽⁰⁾+Δd。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电平台的WLAN测距技术，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：

步骤四(一)、为两台软件无线电设备添加GPSDO模块，配置参考时钟为内置的GPSDO时钟，并为GPSDO模块连接好天线，确认能够正确使用GPSDO时钟；

步骤四(二)、设置发送机和接收机流图中的时钟源为GPSDO，并设置同步方式为PC同步；

步骤四(三)、执行流图并调节收发机的增益，使得接收机接收信号的星座图能够聚集成一个较小的点，以防止信号特征不理想对相位造成影响；

步骤四(四)、由于本振源一致，因此可以保证采样频率偏移的影响可以忽略，可以得到消除采样频率偏移后的相位

3.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电平台的WLAN测距技术，其特征在于，所述步骤五包括以下步骤：

步骤五(一)、获取第一个通信子载波的相位，并得到消除采样频率偏移后的子载波的相位

步骤五(二)、将所有子载波的相位减去第一个通信子载波的相位使得所有数据包的子载波的初始相位为零，得到消除采样频率偏移β_i后的相位为：

4.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电平台的WLAN测距技术，其特征在于，所述步骤七包括以下步骤：

步骤七(一)、通过步骤六可以得到消除各种误差后的子载波的相位值但是由于整周模糊度的存在会导致其在2π范围内模糊，这里使用三次样条插值得到在子载波间未模糊的相位可以得到第一个用于通信的子载波的相位为零；

步骤七(二)、对于20M带宽的信号，其用于通信的子载波总共有52个，因此最后一个用于通信的子载波的相位

步骤七(三)、假设第i个数据包的传播时延c为光速，d为传播距离，其相位为θ_i,1＝2π·f_c1·τ，f_c1为第一个用于通信的子载波的频点，而θ_i,1＝2π·f_c52·τ，f_c52为最后一个用于通信的子载波的频点。因此可以得到第i个数据包最后一个通信子载波与第一个通信子载波的相位差Δθ_i＝2π·(f_c52-f_c1)·τ，对于IEEE 802.11n协议，其相邻子载波间的间隔为0.3125MHz，可以计算得到