CN111273215B - 信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法，属于室内定位技术领域。实现步骤如下：对CSI测向算法进行建模；利用单天线数据计算直达波飞行时间ToF；成对天线间CSI数据平滑处理增加接收阵列孔径；利用直达波飞行时间ToF和直达波入射角度先验信息进行成对天线间幅相误差计算；根据离线数据建立不同来波方向情况下幅相误差表格，在线过程中对照表格动态选取Γ值，进行通道幅相误差校正和迭代测向。本发明解决了商用Wi‑Fi网卡复杂的通道间幅相误差校正问题，保证了Wi‑Fi网卡CSI测向的精度，有效降低基于商用Wi‑Fi网卡的室内定位系统部署使用的复杂度和成本，应用前景广阔，而且操作简单、不需要专用设备、能有效适应室内多径环境。

Description

信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体涉及信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法。

背景技术

传统利用无线信号强度的室内定位算法，由于室内环境的多径效应等因素影响，往往难以获得所需的定位精度。当前利用信道状态信息(Channel State Information,CSI)测向的室内定位方法被认为是提高定位精度的一种有效途径。CSI是信道状态不同子载波情况下的细粒度描述，可以更好地反应信道的多径状态。然而，普通商用Wi-Fi网卡的CSI测向精度受限于多天线接收通道不一致性的幅相误差问题。目前，传统的通道不一致性误差的校正方法无法解决室内多径效应问题，校正精度受限；而使用矢量网络分析仪等专用设备进行有线校正或者直接采用专门设计的高精度网卡，操作复杂或硬件成本高，难以大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提出操作简单、能有效适应室内环境的基于信道信息的通道不一致性误差校正测向方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法，包括以下步骤：

步骤一：CSI信息获取:

在普通Wi-Fi网卡上获得信道状态信息CSI矩阵如下式所示：

式中，N_ant为天线个数，N_sub为子载波个数，csi_m,n是第m个天线的第n个子载波的CSI值。

步骤二：接收信号建模:

根据阵列信号处理相关知识，假设有M个阵元接收N个入射信号，则CSI接收信号可表示为:

X(t)＝AS(t)+N(t) (2)

式中，X(t)为阵列输出CSI信号，维度为M×1，A为阵列流型矩阵，维度为M×N，S(t)为入射信号复包络，维度为N*1,N(t)为阵列的加性高斯白噪声，维度为M×1。

步骤三：直达波飞行时间ToF的计算:

根据802.11协议中Wi-Fi子载波的定义，ToF在子载波间引入可测量的相移。这里将在两个相邻子载波之间引入的复指数相移作为ToF的函数

式中，f_δ为两个子载波频率间隔，τ_k为第k个入射信号直达波飞行时间。

由于同一天线各子载波间不存在通道幅相误差，所以可以使用同一天线的所有子载波进行空间谱估计计算ToF，则信号模型的阵列流型矩阵为：

A＝[a(τ₁),a(τ₂),...,a(τ_N)] (4)

ToF为τ_k的入射信号导向矢量为：

阵列接收CSI数据的协方差矩阵Rxx可以用统计平均表示为：

R_xx＝E[X(t)X^Η(t)]＝AR_SSA^Η+σ²I＝E_S+E_N (6)

式中，E_S为信号子空间，E_N为噪声子空间。

由空间谱估计理论知识得阵列流型矩阵A的列向量张成的空间与信号子空间E_S相同，与噪声子空间E_N正交，如下式所示：

span(A)⊥span(E_N) (7)

因此可以根据两子空间的正交特性，使用多重信号分类算法(multiple signalclassification algorithm,MUSIC)对各路径的ToF值进行计算，MUSIC谱峰如下所示:

由于接收CSI信号包含多条路径，使用MUSIC算法将求出多条路径的飞行时间。选定ToF值最小的路径作为直达波信号的飞行时间。

根据阵列信号处理相关知识，空间谱估计算法可识别路径数少于接收天线个数。而室内信号传播通常包含多条路径，使得接收信号中的信源数大于接收天线个数。所以这里引入各子载波间相移构造虚拟子阵列，进行空间平滑处理以增加可解析的信源个数。

由于多天线空间平滑处理之后的CSI数据中幅相误差与AoA、ToF耦合在一起，无法直接对幅相误差进行求解。所以，本发明提出一种能避免参数耦合的成对天线CSI数据平滑处理的通道幅相误差计算方法。

步骤四：成对天线间CSI数据平滑处理

利用子载波间的相位关系构造虚拟子阵列以增加可利用天线数量，记一个天线平滑之后阵元个数为L，1＜L＜N_sub。选取天线1与天线i作为成对天线进行空间平滑处理，成对天线平滑之后虚拟子阵列阵元个数为2L，2L大于接收信号中的信源数。平滑后成对天线CSI矩阵如下所示：

式中，上部分为参考天线1平滑后的矩阵，下部分为待计算幅相误差参数天线i平滑后的矩阵。平滑后对于直达波入射角度AoA和飞行时间ToF为(θ_k,τ_k)的入射信号，可以得到如公式(10)所示的一个幅相误差参数与AoA和ToF解耦合的CSI导向矢量矩阵。

式中，

为入射CSI信号在天线间波程差引入的附加相移，其中d是天线间距、c是光速、f是发射信号的频率，

为天线i相对于天线1的通道幅相误差。

步骤五：成对天线间幅相误差计算

对照式(2)-(6)，增加波达方向参数AoA将信号模型增加到二维，N个入射信号阵列流型为:

式(6)重写为

R_xx＝E[X(t)X^Η(t)]＝AR_SSA^Η+σ²I＝U_S+U_N (12)

式中，U_S为信号子空间，U_N为噪声子空间。根据信号子空间与噪声子空间的正交关系，构造目标优化函数如下所示：

对于这个目标函数，其中θ₀为已知直达波的入射角度AoA，τ₀为使用式(8)计算得到的直达波飞行时间ToF，这里可以通过谱峰搜索的方法来进行Γ值的求解。但是谱峰搜索算法复杂度较高，不能满足定位系统实时性要求，这里给出一种计算复杂度低的解析方法进行幅相误差的计算。利用矩阵等式

Γa_s(θ₀,τ₀)＝diag[a_s(θ₀,τ₀)]vec(Γ)＝a_s(θ₀,τ₀)δ (14)

式中，a_s(θ₀,τ₀)表示入射角度AoA和飞行时间ToF为(θ₀,τ₀)的直达波信号的导向矢量，diag[a_s(θ₀,τ₀)]表示以导向矢量a_s(θ₀,τ₀)为迹的对角矩阵。根据CSI矩阵平滑的关系和上述阵列误差模型，可以得到

Γa′_s(θ,τ)＝diag[a′_s(θ,τ)]vec(Γ)＝a′_s(θ,τ)δ (15)

式中，

为平滑之后的CSI矩阵的导向矢量,δ＝vec(Γ)＝[l^T,Γ_il^T]^T。CSI′表示的是两个天线平滑之后的CSI矩阵,尺寸为2L×(N_sub-L+1。取平滑之后的CSI矩阵的第1列数据，这时幅相误差矢量为

为了表达方便利用下式进行简化

式(13)的目标函数变为

对目标函数进行分块求解可以得到，

令Γ_i＝R+jI(其中j为虚数单位)，展开上式得到

令Γ₁₂＝R+jI,上式变为二元函数求极值问题

f(R,I)＝l^TQ₁₁l+(R-jI)l^TQ₂₁l+(R+jI)l^TQ₁₂l+(R²+I²)l^TQ₂₂l (20)

目标函数在极值点处对未知参数偏导为0，可求解得出：

式中，R和I分别的为天线i对于天线1的通道幅相误差实部和虚部。

遍历所有天线对，重复式(14)-(21)的成对天线幅相误差计算过程，可得所有天线对于参考天线的幅相误差。

步骤六：在线迭代测向

对离线数据进行分析，发现幅相误差Γ随直达波方向变化而变化。这里可以根据离线数据建立不同直达波方向情况下的幅相误差表格。在线过程中对照表格选取Γ值，对在线数据进行通道幅相误差校正和迭代测向。迭代步骤：

(1)选定初始Γ值(对应某个角度，例如0°)，对在线数据进行通道幅相误差校正及测向，得到粗估计的AoA；

(2)基于前一次通道幅相误差校正的测向结果，查表得到测向结果对应的通道幅相误差值Γ，结合直达波飞行时间τ，利用公式(13)测向；

(3)迭代执行步骤(2)直到满足预设条件要求(测向结果变化小于预设值)退出迭代，结果即为经过通道幅相误差校正的最终测向结果。

本发明的有益效果在于：

首先在普通商用Wi-Fi网卡上获得若干个预设角度入射信号的CSI矩阵，通过预设角度入射信号的CSI矩阵构造空间谱估计模型计算得出直达波飞行时间(Time of Flight,ToF)；然后将ToF和直达波入射角度(Angle of Arrive,AoA)作为先验信息，基于子空间正交原理计算得到通道幅相误差；最后根据离线过程计算得到的通道幅相误差值，对在线接收CSI数据进行通道幅相误差校正并最终利用校正后的CSI进行测向。本发明解决了商用Wi-Fi网卡复杂的通道间幅相误差校正问题，保证了Wi-Fi网卡CSI测向的精度，有效降低基于商用Wi-Fi网卡的室内定位系统部署使用的复杂度和成本，应用前景广阔。操作简单、不需要专用设备、能有效适应室内多径环境。

附图说明

图1为离线数据通道相位不一致性与直达波方向关系图；

图2为实测数据平均测向结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法，包括以下步骤：

步骤一、信道状态信息获取；

步骤二、接收信号模型建立，根据阵列信号处理相关知识，将接收信号建模为X(t)＝AS(t)+N(t)；

步骤三、直达波飞行时间ToF的计算，使用CSI数据同一天线的各子载波间的相位差计算出直达波飞行时间ToF；

步骤四、成对天线间CSI数据进行平滑处理增加天线孔径；

步骤五、通道间幅相误差计算；

步骤六、在线迭代测向，依据离线过程不同来波方向下幅相误差值，我们对在线数据迭代测向。

所述的直达波飞行时间ToF的计算具体为：

ToF在子载波间引入可测量的相移，相邻子载波之间的相移函数可表示为

可以得到阵列流型为A＝[a(τ₁),a(τ₂),...,a(τ_N)]，其中导向矢量为

使用空间谱理论对CSI数据进行ToF值的求解。

所述的成对天线间CSI数据进行平滑处理以增加天线孔径具体为：

选取两个天线进行空间平滑处理可以避免通道幅相误差值Γ与AoA、ToF的耦合，进行成对天线间通道幅相误差Γ的独立求解，同时增加接收天线孔径，设一个天线平滑之后阵元个数为L，则成对天线平滑之后CSI矩阵的快拍数为N_sub-L+1，天线1对于天线i平滑结果如下所示：

所述的通道间幅相误差计算具体为：

根据信号子空间与噪声子空间的正交关系构造目标优化函数，

其中，θ₀为已知直达波的入射角度AoA，τ₀为计算得到的直达波飞行时间ToF，基于信号子空间与噪声子空间的正交原理，可以利用谱峰搜索或解析法对目标函数解得到两个通道幅相误差参数Γ，遍历所有天线就可以得出接收阵列对于参考天线的幅相误差，使用已知角度入射信号计算得到的通道幅相误差值建立不同来波方向对应的通道幅相误差表。

选取内嵌Intel 5300Wi-Fi无线网卡的电脑采集无线路由器的CSI数据，对无线路由器进行测向。该网卡具有3个接收天线，将天线设置为间隔Wi-Fi信号波长一半的均匀线阵。无线路由器的Wi-Fi信号频率选择5GHz，带宽40MHz。室内环境选取7*10m的普通办公室，实施方式，具体为以下步骤：

直达波飞行时间ToF的计算:

根据式(2)-(8)单天线数据计算直达波飞行时间的方法，选用一个CSI数据包单个天线的30个子载波作为一个快拍，即一次采样。在室内选取[-45°，-30°，-20°，-10°，0°，10°，20°，30°，45°]等角度采集直达波路径CSI数据，使用MUSIC算法进行ToF的估计，得到直达波路径的ToF值，将此值作为先验信息进行下一步的通道幅相误差校正。

成对天线之间通道幅相误差计算：

成对天线CSI数据平滑处理

本实例中单个天线经平滑之后虚拟阵元个数L为7，成对天线平滑之后CSI矩阵维度为14×24，平滑之后CSI矩阵如下式所示

使用平滑之后的CSI矩阵来进行ToF的估计和通道幅相误差校正。

成对天线间通道幅相误差计算

将估计得到的ToF值和已知的直达波入射信号AoA作为先验信息，使用上述式(14)-(21)的方法进行通道幅相误差校正，建立不同直达波方向情况下通道幅相误差表格。

在线迭代测向：

在线过程，对照离线数据的通道幅相误差表格动态选取Γ值，来进行迭代测向。迭代步骤如下：

(1)选定表格中直达波入射信号角度为0°的Γ值，对在线数据进行通道幅相误差校正，通过MUSIC算法得到粗估计的AoA；

(2)基于前一次通道幅相误差校正的测向结果，再对照Γ和AoA的关系表中选择对应的Γ值，结合直达波飞行时间τ，利用公式(13)测向；

(3)迭代执行步骤(2)直到满足预设条件要求(测向结果变化小于1°)退出迭代，结果即为经过通道幅相误差校正测向的最终结果。

测向结果：

本实例选用[-45°，-30°，-20°，-10°，0°，10°，20°，30°，45°]的实测CSI数据，应用本发明对实测数据进行通道幅相误差校正并迭代测向，进行256包CSI数据的平均测向结果如图2所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、信道状态信息获取；

步骤二、接收信号模型建立，根据阵列信号处理相关知识，将接收信号建模为X(t)＝AS(t)+N(t)；X(t)为阵列输出CSI信号，A为阵列流型矩阵，S(t)为入射信号复包络，N(t)为阵列的加性高斯白噪声；

步骤三、直达波飞行时间ToF的计算，使用CSI数据同一天线的各子载波间的相位差计算出直达波飞行时间ToF；

步骤四、成对天线间CSI数据进行平滑处理增加天线孔径；

步骤五、通道间幅相误差计算；

步骤六、在线迭代测向，依据离线过程不同来波方向下幅相误差值，对在线数据迭代测向；

所述的直达波飞行时间ToF的计算具体为：

ToF在子载波间引入可测量的相移，相邻子载波之间的相移函数可表示为

得到阵列流型矩阵为A＝[a(τ₁),a(τ₂),...,a(τ_N)]，其中导向矢量为

使用空间谱理论对CSI数据进行ToF值的求解，f_δ为两个子载波频率间隔，τ_k为第k个入射信号直达波飞行时间，N_sub为子载波个数；

所述的成对天线间CSI数据进行平滑处理以增加天线孔径具体为：

选取两个天线进行空间平滑处理避免通道幅相误差Γ与AoA、ToF的耦合，进行成对天线间通道幅相误差Γ的独立求解，同时增加接收天线孔径，设一个天线平滑之后阵元个数为L，则成对天线平滑之后CSI矩阵的快拍数为N_sub-L+1，天线1对于天线i平滑结果如下所示：

2.根据权利要求1所述的信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法，其特征在于，所述的通道间幅相误差计算具体为：

根据信号子空间与噪声子空间的正交关系构造目标优化函数，

其中，U_N为噪声子空间，a_s(θ₀,τ₀)表示入射角度AoA和飞行时间ToF为(θ₀,τ₀)的直达波信号的导向矢量，θ₀为已知直达波的入射角度AoA，τ₀为计算得到的直达波飞行时间ToF，基于信号子空间与噪声子空间的正交原理，利用谱峰搜索或解析法对目标函数解得到两个通道幅相误差Γ，遍历所有天线就得出接收阵列对于参考天线的幅相误差，使用已知角度入射信号计算得到的通道幅相误差值建立不同来波方向对应的通道幅相误差表。

3.根据权利要求2所述的信道状态信息的通道不一致性误差校正测向方法，其特征在于，所述的迭代测向具体为：

在线过程中对建立的表格动态选取Γ值，来进行迭代测向，迭代步骤：

(1)选定初始Γ值，对在线数据进行通道幅相误差校及测向，得到粗估计的AoA；

(2)基于前一次通道幅相误差校正的测向结果，查表得到测向结果对应的通道幅相误差Γ，结合直达波飞行时间τ，使用MUSIC算法测向；

(3)迭代执行步骤(2)直到满足预设条件要求退出迭代，结果即为通道幅相误差校正的最终测向结果。

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