CN110049551A - 基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，包括：1)WiFi信号的发送终端和接收终端均采用有天线阵列结构的商用无线WiFi设备，获取WiFi信号传播过程中的信道状态参数；2)根据天线阵列结构与WiFi信号传播方向关系，建立基于信道状态参数的WiFi阵列信号传输数学模型；3)对传输数学模型特征值分解，用最小描述长度准则和特征值大小关系分析WiFi信号多径传播数量；4)根据分析结果，确定信号特征向量子空间与噪声特征向量子空间，根据特征向量子空间正交关系，计算阵列空间谱函数，得出WiFi信号发射、接收角度，并利用它们确定WiFi信号终端相对方位。该方法能准确定位WiFi设备相对方位，开销小、探测距离远、保护用户隐私、与其他无线信号共存、无干扰。

Description

基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法

技术领域

本发明涉及无线设备定位领域，尤其涉及一种基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法。

背景技术

近年来，针对WiFi信号传播路径分析主要有以下方案：

(1)伦敦大学学院Jon Gjengset等研究人员在MobiCom`14发表题为“Phaser:Enabling Phased Array Signal Processing on Commodity WiFi Access Points”著作文章。该项研究成果同样使用商用WiFi发送、接收设备对物理层信号传播路径进行分析。为扩展用于分析的天线个数，信号接收端需使用两台3天线接收设备，且为效正接收信号相位信息，设备须共用1根天线，用以消除相关误差。但该项研究的方案中，对商用设备进行了物理改造，接收端使用两个设备进行天线共享。

(2)伦敦大学学院Jie Xiong等研究人员在NSDI`13上发表题为“ArrayTrack:AFine-Grained Indoor Location System”著作文章。该项研究成果在硬件上使用扩展天线阵列MIMO技术，在软件上结合使用MUSIC和AoA算法对无线信号传播路径进行了分析，取得到了较好的分析结果。但该项研究的方案中，须使用特定无线设备，所需天线个数多达16根；而商用无线设备天线个数多数为3根左右，所以该技术无法在商用设备上进行普及。

(3)斯坦福大学Manikanta Kotaru等研究人员在SIGCOMM`15上发表题为“SpotFi:Decimeter Level Localization Using WiFi”著作文章。该项研究成果使用商用WiFi设备对无线信号传播路径进行分析；使用线性规划的方法对设备因工艺问题产生的误差进行了效正。但该项研究的方案中，由于使用天线个数的限制，不适用于在多径比较多的复杂空间环境上进行信号传播路径分析，且只能分析出接收方信号角度。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，能解决现有方法无法准确跟踪定位发送或接收WiFi信号的终端相对方位的问题。

为实现本发明的目的，技术方案基本步骤如下：

本发明实施方式提供一种基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，包括：

步骤1)WiFi信号的发送终端和接收终端均采用具有天线阵列结构的商用无线WiFi设备，获取所述WiFi信号传播过程中的信道状态参数；

步骤2)根据发送终端和接收终端的天线阵列结构与所述WiFi信号传播方向的关系，建立基于所述信道状态参数的WiFi阵列信号传输数学模型；

步骤3)对所述WiFi阵列信号传输数学模型中的阵列信号的协方差矩阵进行特征值分解，利用最小描述长度准则和特征值大小关系分析WiFi信号多径传播数量；

步骤4)根据分析WiFi信号多径传播数量得出的结果，确定信号特征向量子空间与噪声特征向量子空间，根据特征向量子空间正交关系，计算阵列空间谱函数，得出所述WiFi信号发射角度和接收角度，根据所述信号发射角度和接收角度定位得出所述WiFi信号的发送终端和接收终端的相对方位。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，其有益效果为：

通过获取WiFi信号传播过程中的信道状态参数，结合天线阵列结构与WiFi信号传播方向的关系，建立WiFi阵列信号传输数学模型，进而通过解WiFi阵列信号传输数学模型分析WiFi信号的传播路径，得出多径传播数量、发送信号传播角度、接收信号传播角度，通过发送信号传播角度、接收信号传播角度确认出发送、接收设备的相对方位。该方法至少包括以下优点：

(1)无须对设施的硬件进行改造，升级改造网卡的驱动程序，通过信号分析确定传播路径，相对于专业定位设备，无须多余的硬件开销。

(2)通信设备工作在2.4G或5G指定WiFi信道上，与室内手机信号、蓝牙信号、Zigee信号等互不干扰，具有较强抗干扰性。

(3)相对于基于计算机视觉定位设备保护了用户的隐私；相对于蓝牙、Zigee信号定位设备，探测距离更远；相对于声信号、光信号定位设备，抗干扰性更强；相对于雷达定位设备，造价成本更加低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的基于商用无线WiFi设备信号追踪方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的系统构成示意图；

图3为本发明实施例提供的信号发送端的天线阵列示意图；

图4为本发明实施例提供的信号接收端的天线阵列示意图；

图5为本发明实施例提供的信号多径评估结果示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本实施例采用的硬件装置：本发明实施例的信号追踪方法是基于商用WiFi通信设备进行的。实际应用中，在不改变商用WiFi设备硬件结构的基础上，升级运行在设备上的驱动程序，用以获取信号传播过程中的信道状态参数。可减少WiFi设备制造商重新设计、投片、验证等开销。如图2所示，硬件装置主要包括：(1)两台工业控制计算机，分别配置3根2.4G、5G双频天线。(2)工业控制计算机分别置换商用Intel WiFi Link 5300网卡，负责WiFi信号收发。(3)一台商用笔记本计算机，负责在线接收工业控制计算机转发的信道状态信息，从而对WiFi信号的传播路径分析。硬件设置中，工业控制计算机、商用笔记本计算机、双频天线不受型号限制；配置网卡须为Intel WiFi Link 5300，网卡型号限制了天线数量。如后续拥有更多天线个数的其他型号商用无线网卡驱动得到升级，本发明硬件装置可以升级网卡。以支持更大天线阵列，达到更高精度分析结果。

本实施例采用的技术手段以及处理算法：综合采用了MIMO技术、MDL准则、AoA技术以及MUSIC算法等技术手段，对商用WiFi设备的信号进行追踪，如图1所示。具体步骤如下：

步骤1)WiFi信号的发送终端和接收终端均采用具有天线阵列结构的商用无线WiFi设备，获取WiFi信号传播过程中的信道状态参数；

步骤2)根据发送终端和接收终端的天线阵列结构与信号传播方向的关系，构造WiFi阵列信号传输数学模型，如下述式(1)所示：

上式(1)中，H为接收端阵列信号，由接收到的信道状态参数(CSI)组成；

上式(1)中，A为含有信号发射角度θ和接收角度Φ的方向矩阵，d为阵列天线间距离，λ为波长，k为指定路径；

上式(1)中，F为由各方向信号幅度β构成的增益矩阵。

步骤3)对WiFi阵列信号传输数学模型中的阵列信号的协方差矩阵进行特征值分解，利用最小描述长度准则和特征值大小关系，对WiFi信号多径传播数量进行分析；其中，最小描述长度准则为：

上式(2)中，函数L为指定协方差矩阵特征值的几何平均值与算数平均值的比值，γ为协方差矩阵特征值、k为路径数，N和M表示阵列信号矩阵行数和列数。

步骤4)根据分析WiFi信号多径传播数量得出的结果，确定信号特征向量子空间与噪声特征向量子空间，根据特征向量子空间正交关系，计算阵列空间谱函数，如下式(3)所示，从而得到信号发射、接收角度，根据所述信号发射角度和接收角度定位得出WiFi信号的发送终端与接收终端的相对方位；其中，式(3)为：

上式(3)中，α为在指定k路径信号发射角度θ、接收角度Φ方向的相位信息，U_N为噪声特征向量，运算符H表示矩阵转置。

本实施例信号追踪效果如图5所示，包括多径传播数量、发送信号传播角度(AoD)、接收信号传播角度(AoA)，从而刻画了WiFi信号的传播路径，从而反应了发送、接收设备的相对方位。该方法能在不改变设备硬件结构的基础上，通过特定设备驱动程序获取信道状态信息，利用评估算法对信道状态信息进行处理、分析，从而得出信号传输的多径数目、发送方向、接收方向，从而便于分析确定WiFi信号的发送终端和接收终端的相对方位。

实施例：

布设硬件环境：如图2所示，选取两个工业控制计算机(型号占美J1900)配有IntelWiFi Link 5300网卡，分别作为WiFi信号的发送端和接收端，分别放置在室内WiFi信号有效作用距离的两处，配置信道建立WiFi数据连接。发送端、接收端选取3根2.4G、5G双频天线建立天线阵列，如图3、图4所示。天线间距离通常为载波频率半波长距离。选取笔记本计算机作为运行信号多径传输分析算法的计算平台，与WiFi接收端通过有线以太网网线相连接。

布设软件环境：工业控制计算机软件配置环境一致，操作系统为Unbuntu12.04，安装Linux 802.11n CSI Tool工具，用以收集无线WiFi信号信道状态信息。笔记本计算机配置windows系统、Matlab数据分析软件。

数据传输流程：工业控制计算机通过无线网卡发送业务数据，无线信号经过直射路径、反射路径等多径传输至另一工业控制计算机接收端。接收端通过特定无线网卡驱动程序解析业务传输数据至应用程序，同时评估信道状态，解析出CSI参数；利用实时传输程序，通过以太网网线将CSI参数实时传输至信号多径传输分析的笔记本计算机。

多径信号分析处理流程：首先，多径传输分析计算平台利用解析程序提取信道状态参数，按上述式(1)的数学模型组织阵列信号矩阵H。其次，计算阵列信号协方差矩阵，之后对阵列协方差矩阵进行特征值分解，并按特征值大小进行排序；第三，按上述式(2)基于MDL准则评估模型以及特征值大小关系评估信号多径数量，划分信号特征值和噪声特征值，并计算噪声特征值对应的特征向量；第四，根据噪声特征向量以及含有信号发射、接收角度的方向向量α，按上述式(3)计算空间谱函数。最后，分析得出如图5所示的WiFi信号多径传输数量、各路径信号发射角度和接收角度，刻画WiFi信号的传播路径。

本发明的方法在不改变商用设备硬件结构基础上，综合使用MIMO技术、MDL准则、AoA技术和MUSIC算法等技术手段刻画WiFi信号多径传输路径，分析出多径信号的数目、信号传输的发送方向、接收方向，进而能准确确定连接WiFi终端设备的室内外物理相对方位。具有成本开销小、探测距离远、保护用户隐私、与其他无线信号共存相互无干扰等优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，其特征在于，包括：

步骤1)WiFi信号的发送终端和接收终端均采用具有天线阵列结构的商用无线WiFi设备，获取所述WiFi信号传播过程中的信道状态参数；

步骤2)根据发送终端和接收终端的天线阵列结构与所述WiFi信号传播方向的关系，建立基于所述信道状态参数的WiFi阵列信号传输数学模型；

步骤3)对所述WiFi阵列信号传输数学模型中的阵列信号的协方差矩阵进行特征值分解，利用最小描述长度准则和特征值大小关系分析WiFi信号多径传播数量；

步骤4)根据分析WiFi信号多径传播数量得出的结果，确定信号特征向量子空间与噪声特征向量子空间，根据特征向量子空间正交关系，计算阵列空间谱函数，得出所述WiFi信号发射角度和接收角度，根据所述信号发射角度和接收角度定位得出所述WiFi信号的发送终端和接收终端的相对方位。

2.根据权利要求1所述的基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，其特征在于，所述方法的步骤2中，建立基于所述信道状态参数的WiFi阵列信号传输数学模型为：

上式(1)中，H为接收端阵列信号，由接收到的信道状态参数组成；A为含有信号发射角度θ和接收角度Φ的方向矩阵，d为阵列天线间距离，λ为波长，k为指定路径；F为由各方向信号幅度β构成的增益矩阵。

3.根据权利要求1或2所述的基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，其特征在于，所述方法的步骤3中，利用最小描述长度准则和特征值大小关系分析WiFi信号多径传播数量的最小描述长度准则为：

上式(2)中，函数L为指定协方差矩阵特征值的几何平均值与算数平均值的比值，γ为协方差矩阵特征值、k为路径数，N和M分别为阵列信号矩阵行数和列数。

4.根据权利要求1或2所述的基于商用无线WiFi设备的信号追踪方法，其特征在于，所述方法的步骤4中，根据对WiFi信号多径传播数量的分析结果，确定信号特征向量子空间与噪声特征向量子空间，根据特征向量子空间正交关系，计算阵列空间谱函数为：

上式(3)中，α为在指定k路径信号发射角度θ、接收角度Φ方向的相位信息，U_N为噪声特征向量，运算符H表示矩阵转置。