CN109462886B - 基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法、系统及电子设备 - Google Patents

基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法、系统及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CSI的WiFi单接入点测距定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质。一种基于CSI的Wi‑Fi单接入点测距定位方法，其特征在于，该方法应用于包括发送端和接收端的Wi‑Fi网络，其中，所述发送端包含单个接入点；其中，所述方法包括：发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。本申请不需要旋转接收端的设备即可确定其位置，操作方便，且定位精确度高。

Description

基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法、系统及电子设备
技术领域
本发明涉及测距定位技术领域，具体涉及一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质。
背景技术
在日常生活和工作中，人们大部分时间是在室内活动，对室内位置服务有迫切的需求。当前趋于成熟的室内定位方案有许多，比如红外线、蓝牙、Zigbee、超声波定位等，这些定位技术的共同特点是需要部署专用设备如信号源或标签，不适合大规模推广。近年来，无线通信技术的发展和无线局域网(Wireless LocalArea Network,WLAN)的大范围覆盖为室内定位技术的研究提供了新的途径，基于无线高保真(Wireless Fidelity,Wi-Fi)的室内定位技术成为近年来室内定位的主流。现有很多基于Wi-Fi的室内定位技术需要利用多个接入点(Access Point,AP)的信息协同定位，对于一般的小型企业、小型社交场所和智能家居应用等只有一个AP的室内环境则不适用。现有基于单AP的Wi-Fi室内定位技术主要利用无线信号的信道状态信息(Channel State Information,CSI)进行测距定位或指纹定位。其中，测距定位技术先利用CSI测算目标与参考点的距离，再使用定位算法确定目标位置；该技术要在Wi-Fi2.4GHz和5GHz频段所有35个信道跳频，耗费的时间较长，而且，2.4GHz和5GHz频段频率间隔远，对相关硬件设备的性能要求较高，增加了实现的成本。其次，该技术对CSI的处理过程较为复杂，需要同时利用发送端和接收端的CSI信息来校正相位误差，因此发送端和接收端都需要进行信道估计以实现双向CSI采集，增加了AP信号处理的负担。此外，需要通过最优化算法消除多径后才能使用CSI，在最优化算法中还涉及稀疏参数的选择。第三，基于中国剩余定理的测距算法需要对测量的数据取整后才能使用，这进一步引入了误差，需要采取相应的措施减小误差；指纹定位技术通过建立CSI与位置关系的指纹库实现定位，包括离线训练和在线匹配两个阶段，事先需要对现场进行大量的勘测，环境变化后需要对指纹库进行更新，成本较高。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于CSI的WiFi单接入点测距定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法，该方法应用于包括发送端和接收端的Wi-Fi网络，其中，所述发送端包含单个接入点；其中，所述方法包括：
发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；
根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；
其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。
进一步地，在所述获取定位结果之后，还包括：所述定位结果显示于所述接收端。
进一步地，所述约定的跳频控制协议为：控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频。
进一步地，所述获取定位结果的方法具体为：将所述CSI数据进行预处理，以获取处理后的CSI相位信息；基于所述CSI相位信息获取信号发送端与接收端之间的距离；根据所述距离获取接收端的坐标。
进一步地，所述将所述CSI数据进行预处理，具体为：对所述CSI数据的CSI相位进行校正；将缺失CSI相位的中心载波进行CSI相位拟合；其中，所述CSI数据包括：发射天线序号、接收天线序号、信道编号和子载波编号，以及发送端天线与接收端天线的天线对之间的空间通道的各个信道的各个子载波的CSI的幅度以及CSI的相位。
进一步地，所述基于所述CSI相位信息获取信号发送端与接收端之间的距离，具体为：将各天线对之间的空间通道的各相邻信道两两分组；通过相邻信道中心载波CSI相位差计算距离，当该距离不小于指定阈值时，保留该距离；根据得到的每两个相邻信道的距离值以及保留的距离值的数量，获取各个天线对之间的预测距离。
进一步地，所述基于所述CSI相位信息获取信号发送端与接收端之间的距离还包括：若获取的天线对之间的测距结果的误差超过指定阈值，采用K-means聚类算法对所述误差超过指定阈值的距离值进行处理。
进一步地，所述采用K-means聚类算法对所述误差超过指定阈值的距离值进行处理，具体为：将各天线对之间的预测距离作为同一个簇的数据对象，采用K-means聚类算法确定其聚类中心；计算各天线对之间的预测距离与聚类中心的距离；将所述各天线对之间的预测距离与聚类中心的距离中大于指定阈值的距离作为离群点，将聚类中心值赋值给该离群点，以得到修正后的估算距离值。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位系统，包括发送端和接收端，具体为：所述发送端，用于接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；所述发送端或者接收端的其中任一端用于发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；其中，用于接收CSI数据并据此获取定位结果的一端设置有测距定位计算模块，用于根据所述CSI数据进行分析计算获取定位结果；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线；其中，所述跳频控制协议为：控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频。
进一步地，所述发送端包括：定位服务器和与其通过高速数据传输线连接的接入点；所述接收端包括：终端用户APP及与其连接的终端Wi-Fi模块；具体为：所述终端用户APP，用于向所述定位服务器发出定位申请；所述定位服务器，用于接收所述终端用户APP发出的定位申请，以及用于与所述终端用户APP约定双方跳频时间；所述定位服务器，还用于通知所述接入点跳频启动时间；所述终端用户APP还用于通知终端Wi-Fi模块跳频启动时间；所述接入点和所述终端Wi-Fi模块，用于启动跳频控制协议；其中，当所述测距定位计算模块设置于所述定位服务器时，所述终端Wi-Fi模块还用于发送导频信号，所述接入点还用于接收CSI数据以及将所述CSI数据发送给所述定位服务器；所述定位服务器还用于根据所述CSI数据获取定位结果并将其发送给所述终端用户APP；其中，当所述测距定位计算模块设置于所述终端用户APP时，所述接入点还用于发送导频信号，所述终端Wi-Fi模块还用于接收CSI数据以及将其发送给所述终端用户APP；所述终端用户APP还用于根据所述CSI数据获取定位结果并将其显示。
根据本发明的又一方面，提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如上述的测距定位方法对应的操作。
根据本发明的再一方面，提供了一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如上述的测距定位方法对应的操作。
根据本发明提供的方案，应用于包括发送端和接收端的Wi-Fi网络，其中，所述发送端包含单个接入点；发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。所述约定的跳频控制协议为：控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频。本申请无需旋转接收端的终端设备就能确定其位置，且定位精度高。且本申请减少跳频信道数，只在2.4GHz频段跳频，缩短跳频耗费的时间；只在发送端或接收端进行信道估计和CSI采集，采用CSI相位校正后无需再进行多径分离，减小CSI数据处理的复杂度，加快数据处理速度；采用新的测距算法，避开由于算法取整需要引入的误差。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例提供的一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的发送端和接收端之间形成4×4MIMO共16个空间信道的示意图；
图3示出了根据本发明实施例提供的一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法的流程示意图；
图4示出了根据本发明实施例提供的2.4GHz频段信道间顺序跳频示意图；
图5示出了根据本发明实施例提供的CSI数据采集示意图；
图6示出了本发明实施例提供的天线对之间距离异常值处理示意图；
图7示出了本发明实施例提供的天线阵列示意图；
图8示出了本发明实施例提供的试验场景平面示意图；
图9示出了本发明实施例提供的测量点(接收端)的实际坐标与估计坐标示意图；
图10示出了根据本发明实施例提供的一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位系统的结构示意图；
图11示出了根据本发明实施例提供的一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位系统的结构示意图；
图12示出了根据本发明实施例的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
图1示出了根据本发明实施例一提供的一种基于CSI的WiFi单接入点测距定位方法的流程示意图。该方法应用于包括发送端和接收端的Wi-Fi网络，其中，所述发送端包含单个接入点；如图1所示，所述方法包括：
S101，发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。
采用定制的两套软件无线电设备分别模拟发送端(AP)和接收端(移动终端)，每套软件无线电设备均配有4根天线，设AP为发送端，移动终端为接收端，发送端的4根天线分别编号为TX1、TX2、TX3和TX4，接收端的4根天线分别编号为RX1、RX2、RX3和RX4。如图2所示，发送端和接收端之间形成4×4MIMO共16个空间信道：TXi-RXj，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4。由此，克服了现有技术很多基于Wi-Fi的室内定位技术需要利用多个接入点(Access Point,AP)的信息协同定位，对于一般的小型企业、小型社交场所和智能家居应用等只有一个AP的室内环境则不适用的缺陷。以及克服了现有技术中需要用户手持接收终端设备旋转才能确定其位置，操作不便的缺陷。
S102，根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；
具体的，由设置于所述发送端或者接收端的测距定位计算模块对所述CSI数据进行处理并据此获取定位结果。例如，当所述测距定位计算模块设置于接收端时，由发送端发送导频信号，则接收端接收CSI数据并据此获取定位结果，由设置于接收端的测距定位计算模块进一步地根据所述CSI数据获取定位结果。反之当测距定位计算模块设置于发送端时，则接收端发送导频信号，由发送端接收CSI数据，并由设置于其上的测距定位计算模块进一步地根据所述CSI数据获取定位结果。
根据本实施例提供的方案，发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。克服了现有技术很多基于Wi-Fi的室内定位技术需要利用多个接入点(Access Point,AP)的信息协同定位，对于一般的小型企业、小型社交场所和智能家居应用等只有一个AP的室内环境则不适用的缺陷。以及克服了现有技术中需要用户接收端(手持接收终端设备)旋转才能确定其位置，操作不便的缺陷。
实施例二
图3示出了根据本发明实施例二提供的一种基于CSI的WiFi单接入点测距定位方法的流程示意图。该方法应用于包括发送端和接收端的Wi-Fi网络，如图3所示，该方法包括以下步骤：
S301，发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。其中，所述约定的跳频控制协议为：控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频。
采用定制的两套软件无线电设备分别模拟发送端(AP)和接收端(移动终端)，每套软件无线电设备均配有4根天线，设AP为发送端，移动终端为接收端，发送端的4根天线分别编号为TX1、TX2、TX3和TX4，接收端的4根天线分别编号为RX1、RX2、RX3和RX4。如图2所示，发送端和接收端之间形成4×4MIMO共16个空间信道：TXi-RXj，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4。由此，克服了现有技术很多基于Wi-Fi的室内定位技术需要利用多个接入点(Access Point,AP)的信息协同定位，对于一般的小型企业、小型社交场所和智能家居应用等只有一个AP的室内环境则不适用的缺陷。以及克服了现有技术中需要用户手持接收终端设备旋转才能确定其位置，操作不便的缺陷。
如图4所示，为2.4GHz频段信道间顺序跳频图案。我国2.4GHz频段共有13个可用信道，信道分配表如表1所示，相邻信道中心载波之间的间隔为5MHz，跳频时间间隔即信道切换时间为T＝0.003s＝3ms。各信道均采用IEEE802.11n高吞吐量混合(HT-MIXED)工作模式：信道带宽为20MHz；采样率为40MHz，信道64个子载波正交频分复用，其中编号为-28,…,-1,1,…,28共56个子载波携带数据，编号为0的子载波为中心载波，中心载波不携带数据；调制编码策略(Modulation and Coding Scheme,MCS)编号24～31，即MCS24～MCS31。如下表1所示，为中国2.4GHz频段信道分配表。
信道编号i 载波频率(GHz) 载波波长(m)
1 2.412 0.1244
2 2.417 0.1241
3 2.422 0.1239
4 2.427 0.1236
5 2.432 0.1234
6 2.437 0.1231
7 2.442 0.1229
8 2.447 0.1226
9 2.452 0.1223
10 2.457 0.1221
11 2.462 0.1219
12 2.467 0.1216
13 2.472 0.1214
表1
S302，根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据后并据此获取定位结果。
具体地，当发送端发送导频信号，则接收端接收CSI数据并据此获取定位结果，此种情况下是测距定位计算模块设置于接收端时，由该测距定位计算模块进一步地根据所述CSI数据获取定位结果。反之当测距定位计算模块设置于发送端时，则接收端发送导频信号，由发送端接收CSI数据，并由设置于其上的测距定位计算模块进一步地根据所述CSI数据获取定位结果。
具体地，上述的CSI数据为共16个天线对(TXi-RXj，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4)、每个天线对13个信道、每个信道56个携带数据的子载波(频率为fl,l＝-28,…,-1,1,…,28)的CSI数据。
如图5所示，总共得到：16个空间通道×13个信道/空间通道×56个子载波/信道/空间流＝11648个CSI数据，其矩阵结构如表2所示，表中每个CSI数据是一个复数值
Figure BDA0001805056100000091
i，j，k，l分别为发射天线序号、接收天线序号、信道编号和子载波编号，|Hi,j(fk,l)|表示CSI的幅度，∠Hi,j(fk,l)表示CSI的相位。
Figure BDA0001805056100000092
表2 CSI数据矩阵结构
其中，根据所述CSI数据获取定位结果的方法具体为：
S3021，将所述CSI数据进行预处理，以获取处理后的CSI相位信息；
CSI数据处理指的是对16个空间通道、每个空间通道13个信道、每个信道56个子载波的CSI相位的处理。下面以发射天线TXi与接收天线RXj之间的空间通道第k个信道的56个子载波CSI相位∠Hi,j(fk,l),l＝-28,…,-1,1,…,28的处理为例进行说明。
首先对∠Hi,j(fk,l)解卷绕得到
Figure BDA0001805056100000093
然后对
Figure BDA0001805056100000094
进行相位校正得到
Figure BDA0001805056100000095
最后由
Figure BDA0001805056100000096
拟合出中心载波的CSI相位
Figure BDA0001805056100000097
具体为：
S3021.1、对所述CSI数据的子载波的CSI相位进行校正。
在实际测量中，由于包含噪声和测量误差，因此编号为l(l＝-28,…,-1,1,…,28)的子载波的CSI相位可以表示为：
Figure BDA0001805056100000101
式中，
Figure BDA0001805056100000102
表示第l个子载波的真实相位，δ表示时间偏差，β表示未知的相位偏移，Z表示测量误差，N表示子载波的总数，这里，N＝56。
为了减小随机噪声，需要对真实相位进行线性变换，进行变换的关键是通过对整个频带的相位观察来消除δ和β的影响。β的消除方法是对于每次的信道响应进行以下计算：
Figure BDA0001805056100000103
式中，b表示接收信号相位的均值。
当测量误差Z很小的时候，相位可以表示为：
Figure BDA0001805056100000104
S3021.2、将缺失CSI相位的中心载波进行CSI相位拟合。
由于每个信道的中心载波不携带数据，所以其CSI相位是缺失的，需要由其他子载波的CSI相位拟合出中心载波的CSI相位。将校正后的56个子载波的CSI相位
Figure BDA0001805056100000105
作为原始数据，采用三次样条插值函数拟合出中心载波的CSI相位
Figure BDA0001805056100000106
三次样条插值拟合的曲线严格经过采样数据点，且在分段点处曲率与切矢量变化连续，其一阶、二阶导数连续，拟合出来的曲线非常光滑。经过拟合的中心载波的CSI相位消除了δ的影响。经过上述处理，最终得到各天线对之间各信道中心载波CSI相位数据如表3所示。
Figure BDA0001805056100000107
表3处理后的CSI相位数据矩阵结构
S3022，基于所述CSI相位信息获取信号发送端与接收端之间的距离。
具体地，本申请的该测距方法的原理为：
S3022.1、CSI相位与待测距离的关系
设发射天线到接收天线之间的距离为d，载波频率为f的无线信号从发射天线传输到接收天线所需时间为τ秒，相位的累积变化量为Δθ，则
Δθ＝2+fτ (4)
设信号在空气中传播的速度为光速c，信号传输距离为
d＝cτ (5)
由公式(4)、(5)得
Figure BDA0001805056100000111
设通过CSI数据解析出的相位为φ，φ并不是真实的相位累积变化量Δθ，φ的值位于0到2π之间，是去除了2π的整数倍的实测相位，φ与Δθ的关系为：
φ＝mod(Δθ,2π)＝mod(2πfτ,2π) (7)
或
Δθ＝2πn+σ (8)
式(8)中，
Figure BDA0001805056100000112
表示CSI相位的整周模糊度，
Figure BDA0001805056100000114
表示取整数部分，λ为无线信号的波长。
将(8)代入(6)得
Figure BDA0001805056100000113
S3022.2、基于相邻信道中心载波CSI相位差的测距方法及条件
以发射天线TXi与接收天线RXj之间的距离测算为例进行说明。设TXi与RXj之间的距离为di,j，Wi-Fi 2.4GHz频段两个相邻信道k1,k2(1≤k1,k2≤13,k1≠k2)的中心载波频率分别为
Figure BDA0001805056100000121
中心载波的CSI相位分别为
Figure BDA0001805056100000122
Figure BDA0001805056100000123
由(10)可知，di,j可以表示为：
Figure BDA0001805056100000124
Figure BDA0001805056100000125
式中，
Figure BDA0001805056100000126
联立(11)和(12)可得，
Figure BDA0001805056100000127
当n1＝n2时，两个相邻Wi-Fi信道中心载波信号CSI相位变化的模糊度相同，距离di,j可直接利用相邻信道中心载波CSI相位差计算，测算结果为
Figure BDA0001805056100000128
当n1≠n2时，两个相邻Wi-Fi信道中心载波信号CSI相位变化的模糊度不相同，设f1<f2,则n1<n2，此时距离di,j的测算存在模糊度，不能直接利用(14)计算。但是实际上，距离di,j不同时，Wi-Fi 2.4GHz频段相邻信道中心载波信号CSI相位变化的整周模糊度的变化具有一定的规律性。表4、表5以1厘米为间隔，分别给出了距离di,j从3米变化到3.10米、从5.20米变化到5.30米时，Wi-Fi2.4GHz频段13个信道中心载波信号CSI相位的整周模糊度n1～n13的关系。
Figure BDA0001805056100000129
Figure BDA0001805056100000131
表4 Wi-Fi 2.4GHz频段13个信道中心载波信号CSI相位的整周模糊度(3米-3.10米)
Figure BDA0001805056100000132
表5 Wi-Fi 2.4GHz频段13个信道中心载波信号CSI相位的整周模糊度(5.20米-5.30米)
从表中可以看出，根据ni(i＝1,2,…,13)取值的不同情况可以将其划分为1-3个子集，从5.22米时ni(i＝1,2,…,13)开始出现3种取值，相邻信道中心载波CSI相位的整周模糊度只有两种情况：ni＝ni+1，ni≠ni+1且ni+1-ni＝1。因此，可以从信道1开始，将信道中心载波的CSI相位两两分组，并分别用(14)式计算距离。在无噪声和测量误差的理想情况下，大部分分组的两个信道的整周模糊度都相等，因此用(14)式计算出来的距离为实际距离，取各组计算距离的平均值作为距离估计值。整周模糊度位于两个不同的集合内的分组只有1～2组，用这1～2组数据计算出来的距离与实际距离的误差为：
Figure BDA0001805056100000133
由于2.4GHz频段相邻信道中心载波之间的频率间隔
Figure BDA0001805056100000134
(见表1)，相邻信道CSI相位变化的整周模糊度差值ni+1-ni＝1，因此Δdi,j＝60米，计算出来的距离与实际距离误差较大，可以作为奇异值排除。
在实际情况下，由于外界噪声、硬件设备本身的偏差的影响，并非所有位于同一子载波集合中的子载波的CSI相位都能用，需要对可以用来测距的子载波进行选择。
S3022.3、具体的测距方案如下：
(1)发射天线TXi和接收天线RXj之间的距离测算方法
设13个信道中心载波CSI相位值构成的向量为
Figure BDA0001805056100000141
对φi,j取反得到，
Figure BDA0001805056100000142
对-φi,j求差分得到，
Figure BDA0001805056100000143
保留Δ(-φi,j)中取值为正的元素的序号，设序号集合为{m1,m2,…,mq}，q为Δ(-φi,j)中取值为正的元素的个数，q≤12。选取载波频率对
Figure BDA0001805056100000144
对应的相邻信道中心载波CSI相位，按照公式(14)所述方法分别计算距离
Figure BDA0001805056100000145
Figure BDA0001805056100000146
若
Figure BDA0001805056100000147
则将其丢弃，设最终剩下的距离数为r，r≤q，则距离测算结果为
Figure BDA0001805056100000148
按照上述方法，求出16对天线之间的距离di,j(i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4)。
(2)距离异常值的处理
由测距基本原理可知，距离估算结果存在一定误差，为了定位的准确性，需要对误差大的距离做处理。例如，采用K-means聚类算法对所述误差超过指定阈值的距离值进行处理。包括：将各对天线之间的估算距离作为同一个簇的数据对象，采用K-means聚类算法确定其聚类中心；计算各对天线之间的估算距离与聚类中心的距离；将所述各对天线之间的估算距离与聚类中心的距离中大于指定阈值的距离作为离群点，将聚类中心值赋值给该离群点，以得到修正后的估算距离值。
具体地，采用K-means聚类算法的思想对距离异常值进行处理的方法如下：
i)将16对天线之间的估算距离D＝{d1,1,d1,2,d1,3,d1,4,d2,1,d2,2,d2,3,d2,4,d3,1,d3,2,d3,3,d3,4,d4,1,d4,2,d4,3,d4,4}作为同一个簇的数据对象，采用K-means聚类算法确定其聚类中心C，C实际上是16对天线之间距离的均值。
ii)计算各对天线间的距离与聚类中心C的距离Li,j(i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4)，
Figure BDA0001805056100000151
iii)将Li,j>0.5m的距离看作离群点，将聚类中心值C赋值给该离群点，达到减小误差的目的。这样就得到一组新的估算距离值。
例如，图6中的16个点表示16对天线之间的距离，C是16个点的聚类中心，点d9和点d12距离C的距离分别为L9和L12，且L9>0.5m，L12>0.5m。图中其余14个点距离C均小于0.5m，故将C赋值给d9和d12，即d9＝d12＝C。
S3023，根据所述距离获取接收端(接收端天线)的坐标。具体为：
定位问题可以描述如下：已知发送端天线TXi的位置，设其坐标为
Figure BDA0001805056100000152
已知接收端天线RXi和RXj之间的距离，用
Figure BDA0001805056100000153
表示，如图7所示，已知发送端天线TXi和接收端天线RXj之间的测算距离di,j,i,j＝1,2,3,4，求接收端天线RXj的位置坐标(xi,yj),j＝1,2,3,4。
设li,j,i,j＝1,2,3,4表示发送端天线TXi和接收端天线RXj之间的真实距离，li,j可以表示为：
Figure BDA0001805056100000161
则存在一个常数minε＞0ε，使得16个真实距离li,j(i,j＝1,2,3,4)与估算距离di,j(i,j＝1,2,3,4)的误差的平方和最小，即
Figure BDA0001805056100000162
式中，各接收端天线的位置坐标之间满足如下约束条件：
Figure BDA0001805056100000163
即任意两个接收天线之间的欧氏距离等于其实际距离。
上述问题可以转化为求解约束二次最优化问题，如公式(25)所示，
Figure BDA0001805056100000164
求解该优化问题可求出接收端天线RXj的位置坐标(xi,·j),j＝1,2,3,4。
通过求解下述约束公式获取最优解以获取接收端的坐标。
S303，所述定位结果显示于所述接收端。
具体的，当定位结果为在接收端计算完成的，则直接在所述接收端(移动终端)显示。若定位结果在发送端计算完成的，则由发送端将该计算结果发送至所述接收端，在所述接收端显示。
本技术方案采用的是基于4×4MIMO(MIMO技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量)，即发送端和接收端均为4根天线，但是同样可用于其他天线数目的情况，只要发送端和接收端不少于3根天线就可以采用本发明所述单AP定位方法，测距方法不变，只是定位算法中发射天线到接收天线之间的实际距离和估算距离数目、接收天线之间的距离数目发生了变化。此外，本技术方案也可以用于多AP Wi-Fi室内定位，接收端可以采用单天线，测距方法不变，定位方法可以采用其他定位方法如三边定位法等。
综上，根据本发明提供的方案，应用于包括发送端和接收端的Wi-Fi网络，其中，所述发送端包含单个接入点；发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。所述约定的跳频控制协议为：控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频。本申请无需旋转接收端的终端设备就能确定其位置，且定位精度高。且本申请减少跳频信道数，只在2.4GHz频段跳频，缩短跳频耗费的时间；只在发送端或接收端进行信道估计和CSI采集，采用CSI相位校正后无需再进行多径分离，减小CSI数据处理的复杂度，加快数据处理速度；采用新的测距算法，避开由于算法取整需要引入的误差。
实施例三
基于实施例一和实施例二，为了更清楚地说明本申请的技术方案，本申请还提供了如下实验。
实验设备包括定制的软件无线电设备和笔记本电脑，为方便测量将其放置在移动小车上，发送设备和接收设备通过时钟分配器连接，并通过路由器与笔记本电脑相连。笔记本电脑安装有MATALB软件，用于实时采集CSI数据、CSI数据处理、运行测距和定位算法。软件无线电设备主要功能参数如下：1)支持4x4天线收发。2)支持2.4GHz标准WiFi信道。3)采用IEEE802.11n工作模式：20MHz带宽，64子载波，MCS24～MCS31，HT-MIXED模式，采样率40MHz。4)3ms内完成信道切换和信道估计。5)支持反复进行16个空间信道(4x4MIMO)13个频点信道估计。实验地点的真实环境中实验室长5m，宽9m，摆放有桌椅、电脑、文件柜等物品。实验地点的平面图如图8所示，无线电设备的发送装置放于图中左下角，在其中均匀选择10个点作为实验测量点(图中黑色圆点)。实验过程中软件无线电设备的收发天线分别置于高1m的两台实验车上，将接收天线的实验车分别拖动到上述10个实验测量点采集数据。
(1)测距结果
在选取的10个点上每个点测量5次数据，将5组数据取平均，然后使用距离估算算法计算距离。实际距离与估算距离的对比如表6所示，表6给出了实际距离、测算距离及测距误差的具体数值。
Figure BDA0001805056100000181
表6实际距离、测算距离及测距误差
由表6可知，本申请的大部分的测量点的测距误差较小，其中最小的为0.09，因此本申请的测量较精确。
(2)定位结果
实验中相邻发送天线之间的距离为0.15m，接收天线之间的距离为0.15m。以发送天线的第一根天线作为坐标原点，10个测量点接收天线的实际坐标
Figure BDA0001805056100000191
和定位坐标
Figure BDA0001805056100000192
如表7所示，接收天线坐标误差绝对值
Figure BDA0001805056100000193
和定位误差
Figure BDA0001805056100000194
如表8所示，其中，
Figure BDA0001805056100000195
Figure BDA0001805056100000196
单位均为m。10个测量点4个接收天线的目标位置与实际位置对比图如图9所示，图中星号表示测量点的实际坐标，三角形表示测量点的估计坐标。结果显示大部分的测量点的估计坐标误差较小。因此，本申请的定位较精确。
Figure BDA0001805056100000197
表7测量点实际坐标与定位坐标
Figure BDA0001805056100000198
Figure BDA0001805056100000201
表8测量点坐标误差绝对值及定位误差
统计10个点的定位误差可知，大部分的测量点的估计坐标误差较小，最小误差为0.30m。因此，本申请的定位较准确。
根据本发明提供的方案，应用于包括发送端和接收端的Wi-Fi网络，其中，所述发送端包含单个接入点；发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线。所述约定的跳频控制协议为：控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频。本申请无需旋转接收端的终端设备就能确定其位置，且定位精度高。且本申请减少跳频信道数，只在2.4GHz频段跳频，缩短跳频耗费的时间；只在发送端或接收端进行信道估计和CSI采集，采用CSI相位校正后无需再进行多径分离，减小CSI数据处理的复杂度，加快数据处理速度；采用新的测距算法，避开由于算法取整需要引入的误差。
实施例四
基于实施例一二中的测距定位方法，本申请还提供了一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位系统的结构示意图。
如图10所示，该系统包括：发送端1010和接收端1020，其中，所述发送端1010包括：定位服务器1013和与其通过高速数据传输线连接的接入点1012，以及设置于所述定位服务器的测距定位计算模块1011；所述接收端1020包括：终端用户APP1021及与其连接的终端Wi-Fi模块1022；具体地：
所述终端用户APP1021，用于向所述定位服务器1013发出定位申请；
所述定位服务器1013，用于接收所述终端用户APP1021发出的定位申请，以及用于与所述终端用户APP1021约定双方跳频时间；
所述定位服务器1013，还用于通知所述接入点1012跳频启动时间；所述终端用户APP1021还用于通知终端Wi-Fi模块1022跳频启动时间；
所述接入点1012和所述终端Wi-Fi模块1020，用于启动跳频控制协议；
所述终端Wi-Fi模块1022，还用于发送导频信号，
所述接入点1012，还用于接收CSI数据以及将所述CSI数据发送给所述定位服务器1013；所述定位服务器1013还用于通过设置于其上的测距定位计算模块1011根据所述CSI数据获取定位结果并将其发送给所述终端用户APP1021，并在所述终端用户APP1021显示。
如图11所示，该系统包括：发送端1110和接收端1120，其中，所述发送端1110包括：定位服务器1111和与其通过高速数据传输线连接的接入点1112；所述接收端1120包括：终端用户APP1121及与其连接的终端Wi-Fi模块1122，以及设置于所述用户APP的测距定位计算模块1123；具体地：
所述终端用户APP1121，用于向所述定位服务器1111发出定位申请；
所述定位服务器1111，用于接收所述终端用户APP1121发出的定位申请，以及用于与所述终端用户APP1121约定双方跳频时间；
所述定位服务器1111，还用于通知所述接入点1112跳频启动时间；所述终端用户APP1121还用于通知终端Wi-Fi模块1122跳频启动时间；
所述接入点1112和所述终端Wi-Fi模块1120，用于启动跳频控制协议；
所述接入点1112还用于发送导频信号；
所述终端Wi-Fi模块1122，还用于接收CSI数据以及将所述CSI数据发送给所述终端用户APP1121；所述终端用户APP1121还用于通过设置于其上的测距定位计算模块1123根据所述CSI数据获取定位结果，所述终端用户APP1121还用于显示所述定位结果。
其中，所述测距定位计算模块1123的的测距定位计算处理方法如实施例一二中的所示，此处不再赘述。
综上，根据本发明提供的方案，本申请无需旋转接收端的终端设备就能确定其位置，且定位精度高。且本申请减少跳频信道数，只在2.4GHz频段跳频，缩短跳频耗费的时间；只在发送端或接收端进行信道估计和CSI采集，采用CSI相位校正后无需再进行多径分离，减小CSI数据处理的复杂度，加快数据处理速度；采用新的测距算法，避开由于算法取整需要引入的误差。
实施例四
本申请实施例四提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有至少一可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的临床试验数据核查方法。
实施例五
图12示出了根据本发明实施例五的一种电子设备的结构示意图，本发明具体实施例并不对电子设备的具体实现做限定。
如图12所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1202、通信接口(Communications Interface)1204、存储器(memory)1206、以及通信总线1208。
其中：
处理器1202、通信接口1204、以及存储器1206通过通信总线1208完成相互间的通信。
通信接口1204，用于与其它设备比如客户端或其它服务器等的网元通信。
处理器1202，用于执行程序1210，具体可以执行上述临床试验数据核查方法实施例中的相关步骤。
具体地，程序1210可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。
处理器1202可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。电子设备包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个ASIC。
存储器1206，用于存放程序1210。存储器1206可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
程序1210具体可以用于使得处理器1202执行实施例一至实施例二中的方法。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的临床试验数据核查设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位方法，其特征在于，该方法应用于包括发送端和接收端的Wi-Fi网络，其中，所述发送端包含单个接入点；其中，所述方法包括：
发送端接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；
根据所述跳频控制协议及跳频时间，发送端或者接收端的其中任一端发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；
其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线；
所述获取定位结果的方法具体为：
将所述CSI数据进行预处理，以获取处理后的CSI相位信息；
基于所述CSI相位信息获取发送端与接收端之间的距离；
根据所述距离获取接收端的坐标；
所述将所述CSI数据进行预处理，具体为：
对所述CSI数据的CSI相位进行校正；
将缺失CSI相位的中心载波进行CSI相位拟合；
其中，所述CSI数据包括：发射天线序号、接收天线序号、信道编号和子载波编号，以及发送端天线与接收端天线的天线对之间的空间通道的各个信道的各个子载波的CSI的幅度以及CSI的相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取定位结果之后，还包括：所述定位结果显示于所述接收端。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在，所述约定的跳频控制协议为：
控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频。
4.根据权利要求1所述的测距定位方法，其特征在于，所述基于所述CSI相位信息获取信号发送端与接收端之间的距离，具体为：
将各天线对之间的空间通道的各个信道两两分组；
通过相邻信道中心载波CSI相位差计算距离，且当该距离不小于指定阈值时，保留该距离；
根据得到的每两个相邻信道的距离值以及保留的距离值的数量，获取各个天线对之间的预测距离。
5.根据权利要求4所述的测距定位方法，其特征在于，所述基于所述CSI相位信息获取信号发送端与接收端之间的距离还包括：
若获取的天线对之间的测距结果的误差超过指定阈值，采用K-means聚类算法对所述误差超过指定阈值的距离值进行处理。
6.根据权利要求5所述的测距定位方法，其特征在于，所述采用K-means聚类算法对所述误差超过指定阈值的距离值进行处理，具体为：
将各天线对之间的预测距离作为同一个簇的数据对象，采用K-means聚类算法确定其聚类中心；
计算各天线对之间的预测距离与聚类中心的距离；
将所述各天线对之间的预测距离与聚类中心的距离中大于指定阈值的距离作为离群点，将聚类中心值赋值给该离群点，以得到修正后的估算距离值。
7.一种基于CSI的Wi-Fi单接入点测距定位系统，其特征在于，包括发送端和接收端，具体为：
所述发送端，用于接收所述接收端发送的定位申请，并与所述接收端约定双方跳频控制协议及跳频时间；
所述发送端或者接收端的其中任一端用于发送导频信号，另一端接收CSI数据并据此获取定位结果；
其中，用于接收CSI数据并据此获取定位结果的一端设置有测距定位计算模块，用于根据所述CSI数据进行分析计算获取定位结果；
其中，所述发送端和接收端至少分别具有3根天线；
其中，所述跳频控制协议为：控制发送端和接收端在2.4GHz频段的13个信道跳频；
所述获取定位结果的方法具体为：
将所述CSI数据进行预处理，以获取处理后的CSI相位信息；
基于所述CSI相位信息获取发送端与接收端之间的距离；
根据所述距离获取接收端的坐标；
所述将所述CSI数据进行预处理，具体为：
对所述CSI数据的CSI相位进行校正；
将缺失CSI相位的中心载波进行CSI相位拟合；
其中，所述CSI数据包括：发射天线序号、接收天线序号、信道编号和子载波编号，以及发送端天线与接收端天线的天线对之间的空间通道的各个信道的各个子载波的CSI的幅度以及CSI的相位。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述发送端包括：定位服务器和与其通过高速数据传输线连接的接入点；所述接收端包括：终端用户APP及与其连接的终端Wi-Fi模块；具体为：
所述终端用户APP，用于向所述定位服务器发出定位申请；
所述定位服务器，用于接收所述终端用户APP发出的定位申请，以及用于与所述终端用户APP约定双方跳频时间；
所述定位服务器，还用于通知所述接入点跳频启动时间；所述终端用户APP还用于通知终端Wi-Fi模块跳频启动时间；
所述接入点和所述终端Wi-Fi模块，用于启动跳频控制协议；
其中，当所述测距定位计算模块设置于所述定位服务器时，所述终端Wi-Fi模块还用于发送导频信号，所述接入点还用于接收CSI数据以及将所述CSI数据发送给所述定位服务器；所述定位服务器还用于根据所述CSI数据获取定位结果并将其发送给所述终端用户APP；
其中，当所述测距定位计算模块设置于所述终端用户APP时，所述接入点还用于发送导频信号，所述终端Wi-Fi模块还用于接收CSI数据以及将其发送给所述终端用户APP；所述终端用户APP还用于根据所述CSI数据获取定位结果并将其显示。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；
所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如权利要求1-6中任一项所述的测距定位方法对应的操作。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如权利要求1-6中任一项所述的测距定位方法对应的操作。
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