CN111965597A - 一种组合阵列测向装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合阵列测向装置、系统和方法，属于信号处理领域。本发明在不增加额外的射频链路的情况下，凭借射频开关、控制器等非专用硬件以快速切换射频通道的方式实现了对网卡外接天线阵列的扩展，在常规三通道的WiFi网卡上扩展出M元(M＞3)的天线阵列，轮流切换所有天线的时间可控制在信道相干时间内。通过从网卡中获取WiFi信号中的信道状态信息(CSI)，并根据特定阵型应用相应的空间谱估计算法，以达到对目标进行精确测向的目的。同时，配合采用保持参考天线连通的天线切换策略，解决了不同测量天线组合存在CSI相位差异的问题，保证了组合CSI测量值的有效性，进而提高了测向精度。

Description

一种组合阵列测向装置、系统和方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，更具体地，涉及一种组合阵列测向装置、系统和方法。
背景技术
基于位置的服务(LBS)已逐渐深入人们的日常生活。但对于卫星定位无法有效工作的室内环境，目前还未形成一套标准的定位技术方案，导致LBS在室内无法进一步开展。智能终端和WiFi网络等技术的普及，极大地扩充了室内定位技术的发展方向。WiFi信号广泛存在于室内空间，包括家庭、商场和交通枢纽等各种场景，是一种较为理想的定位源。
由于多天线阵列能较为准确地估计信号方位角，近些年来在基于WiFi信号的室内定位或跟踪方案中也屡见不鲜。目前已有方案尝试在特殊硬件平台上构建大型天线阵列，并采用阵列信号处理技术，如MUSIC算法和空间平滑技术来进行角度估计。但在基于普通商用WiFi网卡的测向方案中，由于一般只能外接三根天线，使得测向精度受到了限制。有方案尝试级联多张网卡以扩展天线阵列，其本质是增加射频链路从而连接更多天线，但是不同网卡之间需要通过共用一条射频链路来进行时钟同步，造成了射频链路的浪费。且由于计算机平台的限制，并不能扩展任意数目的网卡，从而限制了外接天线的数目。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种组合阵列测向装置、系统和方法，旨在解决现有基于WiFi网卡的测向方案受限于外接天线数量而精度不高的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种组合阵列测向装置，包括配有WiFi网卡的访问接入点、射频开关、天线阵列和控制器，所述天线阵列包括若干天线；
所述WiFi网卡的接口通道经所述射频开关与所述天线阵列连接，所述射频开关与所述控制器的GPIO口相连，所述控制器的以太网接口与所述访问接入点连接；
所述控制器与所述访问接入点进行通信以获取天线选通信号，并通过所述GPIO口来控制所述射频开关的选通状态，每个射频开关每次选通一根天线连接到对应的WiFi网卡接口通道，从而进行天线切换。
进一步地，所述天线阵列是均匀十字形天线阵列或圆形阵列。
进一步地，所述控制器为单片机。
本发明的另一方面还提供了一种组合阵列测向系统，包括信号发送端和信号接收端，其中所述信号接收端包括上述组合阵列测向装置。
本发明的又一方面还提供了基于上述组合阵列测向系统的测向方法，包括以下步骤：
根据预设的顺序依次切换天线并采集天线的CSI，确保每次切换前后的天线组合中存在一根共同的天线作为参考天线，在信道相干时间内使得所有天线至少被选通一次，从而构成一轮完整测量；
利用每次切换前后的参考天线上的CSI相位变化量Δe，对不同天线组合中测量的其它天线进行相位修正；
将每轮完整测量中所有天线上的CSI修正值根据阵型进行组合，并将组合后所得的CSI矩阵应用到与所述阵型相应的空间谱估计算法中进行目标测向。
进一步地，所述CSI修正值为
Figure BDA0002601572340000021
其中，Hi，m为由第i个天线组合中m号天线对应的CSI测量值，φi，m表示相应的CSI相位，Δei为表示每一轮切换中第i个天线组合相对第1个天线组合的相位差。
进一步地，所述空间谱估计算法为MUSIC算法或最大似然估计法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，凭借射频开关、控制器等非专用硬件以快速切换射频通道的方式实现了对网卡外接天线阵列的扩展，轮流切换所有天线的时间可控制在信道相干时间内。同时，配合采用保持参考天线连通的天线切换策略，解决了不同测量天线组合存在CSI相位差异的问题，保证了组合CSI测量值的有效性，进而大大提高了测向精度。
附图说明
图1是组合阵列测向装置示意图；
图2(a)是切换天线组合前后测量相位偏移示意图，图2(b)是参考1号天线补偿不同测量组合的相位偏移示意图；
图3是由9根天线组成的均匀十字形阵列示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例一方面提供了一种组合阵列测向装置，包括配有WiFi网卡的访问接入点、射频开关、天线阵列和控制器，所述天线阵列包括若干天线；
所述WiFi网卡的接口通道经所述射频开关与所述天线阵列连接，所述射频开关与所述控制器的GPIO口相连，所述控制器的以太网接口与所述访问接入点连接；
所述控制器与所述访问接入点进行通信以获取天线选通信号，并通过所述GPIO口来控制所述射频开关的选通状态，每个射频开关每次选通一根天线连接到对应的WiFi网卡接口通道，从而进行天线切换。
进一步地，所述天线阵列是均匀十字形天线阵列或圆形阵列。
进一步地，所述控制器为单片机。
本发明的另一方面还提供了一种组合阵列测向系统，包括信号发送端和信号接收端，其中所述信号接收端包括上述组合阵列测向装置。
本发明的又一方面还提供了基于上述组合阵列测向系统的测向方法，包括以下步骤：
根据预设的顺序依次切换天线并采集天线的CSI，确保每次切换前后的天线组合中存在一根共同的天线作为参考天线，在信道相干时间内使得所有天线至少被选通一次，从而构成一轮完整测量；
利用每次切换前后的参考天线上的CSI相位变化量Δe，对不同天线组合中测量的其它天线进行相位修正；
将每轮完整测量中所有天线上的CSI修正值根据阵型进行组合，并将组合后所得的CSI矩阵应用到与所述阵型相应的空间谱估计算法中进行目标测向。
进一步地，所述CSI修正值为
Figure BDA0002601572340000041
其中，Hi，m为由第i个天线组合中m号天线对应的CSI测量值，φi，m表示相应的CSI相位，Δei为表示每一轮切换中第i个天线组合相对第1个天线组合的相位差。
进一步地，所述空间谱估计算法为MUSIC算法或最大似然估计法。
下面对以上实施例的原理进行介绍。本发明实施例提出了一种基于商用WiFi网卡的组合阵列测向方法，在不增加额外的射频链路的情况下，在常规三通道的WiFi网卡上扩展出M元(M＞3)的天线阵列，通过从网卡中获取WiFi信号中的信道状态信息(CSI)，并根据特定阵型应用相应的空间谱估计算法，以达到对目标进行精确测向的目的。
(A)基于WiFi网卡的多天线组合阵列的硬件连接方式：图1为组合阵列测向装置示意图。AP(Access Point，访问接入点)配有三射频接口的WiFi网卡，射频开关作为连接网卡与外接天线的桥梁，使得无线网卡的每一条射频链路与天线之间构成一对多的关系，单片机通过以太网与AP进行通信以知晓选通的天线组合，通过GPIO口来控制射频开关的选通，从而进行天线切换。
如图1所示，利用三个射频开关将商用WiFi网卡上的接口分别与M根天线关联起来(按需选择不同接口数的射频开关)，并通过GPIO(通用输入输出)口将射频开关与单片机相连，用网线连接AP与单片机通信模块的以太网接口。
本实施例中虽然选用单片机作为控制器，但是本领域技术人员知晓，控制器还可以是DSP等其他类型，具体采用何种控制器本发明实施例不做唯一性限定。
(B)采集CSI时控制天线切换的策略：AP通过TCP/IP通信指示单片机每次测量控制每一个射频开关选通一路信号，每次选通的三根天线记为一个测量天线组合，根据预设的组合顺序依次切换测量天线，确保每次切换前后的天线组合中有一根共同的天线(参考天线)，在信道相干时间内完成一轮完整切换，使得所有天线至少被选通一次。
(C)对不同天线组合中的CSI测量相位进行修正：由于WiFi网卡内部硬件测量误差问题，使得每次切换前后的两个不同天线组合测量的CSI相位存在差异Δe(如图2(a)所示)。因此通过参考天线上的测量相位变化来补偿测量天线组合之间的相位差异(如图2(b)所示)，修正相位后的CSI可以用式(1)表示：
Figure BDA0002601572340000061
其中，Hi，m表示由第i(i＝1，...，N)个天线组合中m号天线对应的CSI测量值(维度为1×K，K为子载波数)，φi，m表示相应的CSI相位，Δei＝φi，1-φ1，1(为了简化说明，默认1号天线作为参考天线)表示每一轮切换中第i个天线组合相对第1个天线组合的相位差。
例如，由于网卡内部测量误差的影响，CSI测量相位与真实相位存在未知大小的偏移(如图2(a)所示)，第一次测量的相位偏移为e1(1-3号天线)，第二次测量的相位偏移为e2(4-6号天线)；
为了知晓每次变换天线组合前后测量相位偏移的变化量Δe，于是让1号天线(参考天线)始终连通。如图2(b)所示，第一次测量使用1、2、3号天线，第二次测量使用1、4、5号天线，1号天线上的相位变化即为Δe，其它天线据此可以消除在两次测量中引入的额外的相位偏移，从而保持在不同天线组合下的测量相位一致性。
(D)将每轮完整测量中所有天线上的CSI修正值
Figure BDA0002601572340000062
根据阵型特点进行组合，并将组合后的CSI矩阵应用于相应的空间谱估计算法中实现目标测向。例如，当阵型为十字阵型时，采用MUSIC算法；当阵型为圆形阵列时，采用最大似然估计法等，在此不再赘述。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
硬件配置与实验设置：使用两台配备了Intel WiFi Link 5300网卡并装有CSITool(Linux环境)的计算机作为信号收发端，发射端外接一根天线，在monitor模式下使用5.8GHz频段40MHz带宽的WiFi信道，每秒传输1000个包。接收端使用STM32单片机和W5500通信模块，通过3个SPT4射频开关外接由9根天线组合而成的均匀十字形天线阵列。如图3所示，将天线分别标记为1-9，它们与射频开关(A、B、C)及其接口(RF1-RF4)对应的连接关系如表1所示：
表1天线与各射频开关及其接口的连接关系
RF1 RF2 RF3 RF4
A 1 \ \ \
B 2 4 6 8
C 3 5 7 9
步骤1、控制天线切换并采集CSI：设定一轮完整测量中的天线组合变换次序为123→145→167→189，以此顺序循环切换天线组合。AP通过UDP(用户数据报协议)通信指示单片机每一次测量采用的天线组合，从而控制射频开关选通天线直至完成CSI的采集。
步骤2、对CSI测量相位进行修正：根据接收包与天线组合的对应关系，将上述4种天线组合在每一轮完整测量中的数据归在一起进行处理。以一轮测量为例，每种测量组合得到的CSI矩阵对应如下：
Figure BDA0002601572340000071
Figure BDA0002601572340000072
其中Hm＝[csim，1csim，2…Csim，30].以CSI1中H1的CSI相位为参考，计算后续测量的CSI2、CSI3、CSI4中H1的CSI相位变化值Δei，并依据式(1)来修正4-9号天线上的CSI测量值，得到
Figure BDA0002601572340000073
步骤3、基于十字阵型来组合CSI矩阵并应用MUSIC算法完成目标方向的检测：图3所示是由9根天线组成的均匀十字形阵列，相邻天线的间距为半波长，将中心天线作为参考天线。以1、2、3号阵元所连直线为x轴，1、4、5号天线所连直线为y轴，各轴上均匀线性阵列的接收信号记为
Figure BDA0002601572340000074
Figure BDA0002601572340000075
整个阵列的接收信号表示为
Figure BDA0002601572340000076
其中，Ax和Ay分别为各自的导向矩阵，Nx和Ny为各自的噪声，S为目标信号。设θn和
Figure BDA0002601572340000081
分别为第n(n＝1，2，...N)个信源的方位角和俯仰角，则
Figure BDA0002601572340000082
Figure BDA0002601572340000083
Figure BDA0002601572340000084
和
Figure BDA0002601572340000085
分别为两个轴向上的导向矢量
Figure BDA0002601572340000086
Figure BDA0002601572340000087
计算阵列协方差矩阵R并进行特征分解：
Figure BDA0002601572340000088
其中，Us和UN是信号子空间和噪声子空间，Λ表示特征值对角阵，由噪声子空间和导向矢量的正交性
Figure BDA0002601572340000089
计算空间谱：
Figure BDA00026015723400000810
通过谱峰搜索得到目标信号到达角。
本实施例在大小为4m×6m的办公室中收发端天线相距3m(无遮挡)且置于同一水平面的情况下测得一组方向角结果如下表所示：
Figure BDA00026015723400000811
可见其最大误差为±5°。
根据本发明所述方法构建的基于WiFi网卡的九天线均匀十字形组合阵列原型，测向精度比基于常规三天线均匀线性阵列的测向精度提高了3倍以上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种组合阵列测向装置，其特征在于，包括配有WiFi网卡的访问接入点、射频开关、天线阵列和控制器，所述天线阵列包括若干天线；
所述WiFi网卡的接口通道经所述射频开关与所述天线阵列连接，所述射频开关与所述控制器的GPIO口相连，所述控制器的以太网接口与所述访问接入点连接；
所述控制器与所述访问接入点进行通信以获取天线选通信号，并通过所述GPIO口来控制所述射频开关的选通状态，每个射频开关每次选通一根天线连接到对应的WiFi网卡接口通道，从而进行天线切换。
2.如权利要求1所述的组合阵列测向装置，其特征在于，所述天线阵列是均匀十字形天线阵列或圆形阵列。
3.如权利要求1所述的组合阵列测向装置，其特征在于，所述控制器为单片机。
4.一种组合阵列测向系统，其特征在于，包括信号发送端和信号接收端，其中所述信号接收端包括如权利要求1-3任一项所述的组合阵列测向装置。
5.基于权利要求4所述组合阵列测向系统的测向方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预设的顺序依次切换天线并采集天线的CSI，确保每次切换前后的天线组合中存在一根共同的天线作为参考天线，在信道相干时间内使得所有天线至少被选通一次，从而构成一轮完整测量；
利用每次切换前后的参考天线上的CSI相位变化量Δe，对不同天线组合中测量的其它天线进行相位修正；
将每轮完整测量中所有天线上的CSI修正值根据阵型进行组合，并将组合后所得的CSI矩阵应用到与所述阵型相应的空间谱估计算法中进行目标测向。
6.如权利要求5所述的测向方法，其特征在于，所述CSI修正值为
Figure FDA0002601572330000021
其中，Hi，m为由第i个天线组合中m号天线对应的CSI测量值，φi，m表示相应的CSI相位，Δei为表示每一轮切换中第i个天线组合相对第1个天线组合的相位差。
7.如权利要求5所述的测向方法，其特征在于，所述空间谱估计算法为MUSIC算法或最大似然估计法。
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