CN112118530A - 基于wifi信道状态信息的定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于wifi信道状态信息的定位系统，包括信道状态信息采集平台，用于发射定位侦测报文，以使待定位设备回复响应报文，并提取响应报文中的信道状态信息源数据发送至计算服务器；天线切换器用于控制智能天线矩阵产生不同的天线组合；计算服务器用于接收信道状态信息采集平台发送的信道状态信息源数据；将信道状态信息源数据采用不等间距天线的AOA定位算法计算出入射角度AOA，结合预存的参照数据得出被定位设备的位置信息。本发明可在多个方向上产生AOA角度，间接增加天线的数量，不限制天线的距离精确计算AOA角度。实现多方向精确计算AOA角度，对每个无线信号在基带层进行深度计算，达到了大型天线组的精确计算并不会导致硬件成本的增加。

Description

基于wifi信道状态信息的定位系统及方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种基于wifi信道状态信息的定位系统及方法。
背景技术
移动互联网时代，越来越多的市场应用依靠位置信息来提供服务，比如：室内导航、资产管理、公共安全等方面，但是室外定位的GPS卫星信号无法在室内有效工作，为了能过提供室内定位服务，现在市场上采用了其他一些技术方案，比如:WIFI信号强度(RSSI)、蓝牙、超宽带等。但上述的解决方案都有一个或多个问题，限制了它们被广泛地采用。比如WIFI RSSI技术虽然成本低，普及率高，但定位精度差，受环境影响大，尤其在室内环境下，由于家具、墙壁等障碍物的存在导致RSSI测量值变化幅度很大；蓝牙信号源定位中每个蓝牙信标设备能覆盖的范围有限，且需要在被定位设备上安装专门的软件综合每个蓝牙信标的信号强度得出位置信息，用户有感知且不易部署；超宽带定位可提供准确的定位功能，但要在信号端和被定位设备端同时安装配套的硬件，不适合智能手机这种大众应用。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于wifi信道状态信息的定位系统及方法。
本发明的技术方案概述如下：
一方面，本发明提供一种基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，包括：
信道状态信息采集平台，接入智能天线矩阵和天线切换器，用于发射定位侦测报文，定位侦测报文经所述智能天线矩阵和天线切换器发射至待定位设备，以使待定位设备回复响应报文，并提取所述响应报文中的信道状态信息源数据，发送至计算服务器；
智能天线矩阵和天线切换器，所述天线切换器用于控制所述智能天线矩阵产生不同的天线组合；
计算服务器，与所述信道状态信息采集平台通讯连接，用于接收所述信道状态信息采集平台发送的信道状态信息源数据；将所述信道状态信息源数据采用不等间距天线的AOA定位算法计算出入射角度AOA，结合预存的参照数据得出被定位设备的位置信息。
进一步地，所述不等间距天线的AOA定位算法，包括：
获取第一天线与第二天线之间的距离，其中第一天线与第二天线相邻；
获取电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差；
根据所述电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差和第一天线与第二天线之间的距离，计算出入射角度AOA。
进一步地，所述定位侦测报文为IEEE802.11报文，包括Probe Response管理报文、Probe Response管理报文、Association Request管理报文、NO DATA数据报文、QO SNULL数据报文。
进一步地，所述智能天线矩阵中的任意两个天线之间的距离是不相同的。
进一步地，所述智能天线矩阵可在三维空间中组合使用，三维空间中的每个方向上至少安装2根天线。
进一步地，所述天线切换器包括至少两个四分天线切换单元，每个所述四分天线切换单元可产生四个天线的变化。
进一步地，所述计算服务器为边缘计算平台，所述边缘计算平台基于AI深度学习采用不等间距天线的AOA定位算法根据所述信道状态信息源数据中的相邻两天线的距离和电磁波到达相邻两天线的距离差计算出入射角度AOA。
相应地，本发明还提供一种基于wifi信道状态信息的定位方法，采用如上任一项所述的基于wifi信道状态信息的定位系统进行定位，包括：
信道状态信息采集平台发射定位侦测报文，定位侦测报文经所述智能天线矩阵和天线切换器发射至待定位设备，以使待定位设备回复响应报文，并提取所述响应报文中的信道状态信息源数据，发送至计算服务器；
计算服务器，与所述信道状态信息采集平台通讯连接，用于接收所述信道状态信息采集平台发送的信道状态信息源数据；将所述信道状态信息源数据采用不等间距天线的AOA定位算法计算出入射角度AOA，结合预存的参照数据得出被定位设备的位置信息。
进一步地，所述不等间距天线的AOA定位算法，包括：
获取第一天线与第二天线之间的距离，其中第一天线与第二天线相邻；
获取电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差；
根据所述电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差和第一天线与第二天线之间的距离，计算出入射角度AOA。
进一步地，还包括天线切换器根据GPIO命令控制智能天线矩阵产生不同的天线组合。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于wifi信道状态信息的定位系统及方法，可以在多个方向上产生AOA角度，间接增加天线的数量的同时，不必限制天线的距离也能够精确计算AOA角度。
本发明提供的智能天线矩阵，可实现多方向精确计算AOA角度，对每个无线信号在基带层进行深度计算，达到了大型天线组的精确计算。且并不会导致硬件成本的增加，提高了易用性。
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，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中的不等间距的智能天线矩阵的示意图；
图2为本发明中的三维定位的智能天线矩阵的示意图；
图3为本发明中的三个四分天线切换单元组成的天线切换器的示意图；
图4为本发明中的不等间距天线的AOA定位算法的示意图；
图5为本发明一种基于wifi信道状态信息的定位系统的示意图；
图6为本发明一种基于wifi信道状态信息的定位方法的流程图。
附图标记：10、信道状态信息采集平台；12、射频物理层；13、MAC层；14、控制单元；20、智能天线矩阵；21、第一天线；22、第二天线；23、第三天线；30、计算服务器；40、天线切换器；401、GPIO控制；411、UFL接口；421、四分天线切换单元；431、UFL连接天线的接口；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
接下来，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。
边缘计算是在网络边缘执行计算的新型计算模式，是指在数据产生附件或在非云计算中心的路径之间均可。网络边缘终端设备自身可以进行计算、存储、缓存、隐私保护、设备管理，还可以向云计算请求服务。
多重信号分类(MUSIC)算法是Schmidt等人在1979年提出的。这一算法的提出开创了空间谱估计算法研究的新时代，促进了特征结构类算法的兴起和发展，该算法已成为空间谱估计理论体系中的标志性算法。此算法提出之前的有关算法都是针对阵列接收数据协方差矩阵进行直接处理，而MUSIC算法的基本思想则是对任意阵列输出数据的协方差矩阵进行特征分解，从而得到与信号分类相对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性构造空间谱函数，通过谱峰搜索，检测信号的DOA。
实施例1：
如图5示，本发明的一种基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，包括信道状态信息采集平台10、智能天线矩阵20和天线切换器40、计算服务器30。
信道状态信息采集平台10，简称为CSI采集平台，CSI采集平台接入智能天线矩阵20和天线切换器，或者是信道状态信息采集平台10包括天线切换器。
智能天线矩阵20和天线切换器40，天线切换器40用于根据CSI采集平台的GPIO命令控制智能天线矩阵产生不同的天线组合。
参考图1，智能天线矩阵中的任意两个天线之间的距离是不相同的。即图1中第一天线21和第二天线22之间的距离与第二天线22与第三天线23之间的距离不同。且每相邻两天线之间的距离均小于天线收发信号的半波长。
参考图2，智能天线矩阵可在三维空间中组合使用，三维空间中的每个方向(X/Y/Z三个方向)上至少安装2根天线。
参考图3，天线切换器40包括至少两个四分天线切换单元421，每个四分天线切换单元421可产生四个天线的变化。图3中天线切换器40包括三个四分天线切换单元421，每个四分天线切换单元421可产生四个天线的变化。401是GPIO控制。通过至少两个通用输入口可以产生至少三个的GPIO命令，每个4分的射频切换器421可以产生4个天线变化。411是UFL接口，连接射频链。431是UFL连接天线的接口。
现有技术中的天线组通过增加天线数量，来使得角度计算更加精准，但是增加天线会增大接收设备的物理尺寸和制造成本，而且需要确保各天线距离高度一致。而本发明所提供的智能天线矩阵通过天线切换器控制智能天线矩阵产生不同的天线组合，间接地增加了天线组合的数量，增加了定位的数据量，使得定位更加准确，但并不会增加其他设备的成本。
信道状态信息采集平台10用于发射定位侦测报文，定位侦测报文经所述智能天线矩阵和天线切换器发射至待定位设备，以使待定位设备回复响应报文，并提取所述响应报文中的信道状态信息源数据，发送至计算服务器30。
具体地，定位侦测报文为IEEE802.11报文，包括Probe Response管理报文(探测请求管理报文)、Probe Response管理报文(探测响应管理报文)、Association Request管理报文(关联请求管理报文)、NO DATA数据报文、QO SNULL数据报文。
其中，Probe Response管理报文(探测请求管理报文)，信道状态信息采集平台10将会利用Probe Request帧，扫描所在区域内目前有哪些802.11网络。Probe Response管理报文(探测响应管理报文)，如果Probe Request帧所探测的网络与之相容，该网络就会以Probe Response帧应答。Association Request管理报文(关联请求管理报文)，当CSI采集平台试图关联接入点时，接入点会回复一个关联响应帧或重新关联响应帧。
具体地，参见图5，具体地，信道状态信息采集平台10包括控制单元14，射频物理层12，MAC层13，即数据链路层，还可以包括天线切换器40，可理解为天线切换器40既可以是信道状态信息采集平台10的一部分，也可以是接入信道状态信息采集平台10的外部设备。天线切换器40连接智能天线矩阵20，智能天线矩阵20中包括若干个发射和接收信号的天线，天线切换器40用于根据CSI采集平台的GPIO命令控制智能天线矩阵20产生不同的天线组合。
定位之前，先通过控制单元14发出的GPIO命令给天线切换器40，天线切换器40会控制智能天线矩阵20产生不同的天线组合。控制单元14通过MAC层13发射定位侦测报文，该定位侦测报文通过MAC层13到射频物理层12变成无线信号，后经智能天线矩阵20发送给待定位设备。待定位设备回复的响应报文被智能天线矩阵20接收后，根据天线切换器40的GPIO的控制，只有一个天线矩阵子集会处理信号，并由射频物理层12提取响应报文中的数据生成信道状态信息CSI，CSI信息被控制单元14收集，然后发送至计算服务器30。
计算服务器30，与信道状态信息采集平台通讯连接。用于接收所述信道状态信息采集平台发送的信道状态信息源数据；将所述信道状态信息源数据采用不等间距天线的AOA定位算法计算出入射角度AOA，基于AI深度学习将获得的大量的入射角度AOA结合预存的参照数据得出被定位设备的位置信息。
优选地，计算服务器为边缘计算平台，所述边缘计算平台采用不等间距天线的AOA定位算法根据所述信道状态信息源数据中的相邻两天线的距离和电磁波到达相邻两天线的距离差计算出入射角度AOA。
具体地，参考图4，不等间距天线的AOA定位算法，为基于深度学习的M-MUSIC算法的不等间距天线的AOA定位算法，包括：
获取第一天线21与第二天线22之间的距离d1，其中第一天线21与第二天线22相邻；
获取电磁波到达第二天线22和电磁波到达第一天线21的距离差；
根据所述电磁波到达第二天线22和电磁波到达第一天线21的距离差和第一天线21与第二天线22之间的距离d1，计算出入射角度AOA。
其中，M-MUSIC算法是一种高分辨率算法，用于空间侧向和谱估计等方面，能改善非相关信号源在低信噪比情况下的角分辨率性能，还能对相关信号源进行处理，性能优异。
到达角度或入射角度AOA是基于信号到达角度的定位算法是一种典型的基于测距的定位算法，通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。基于信号到达角度(AOA)的定位算法是一种常见的无线传感器网络节点自定位算法，算法通信开销低，定位精度较高。
通过截获无线通信信号，从而评估出该信号的到达方向，这个到达方向一般我们称之为到达角度(AOA)。特殊设计的天线组可以通过无线信号波的相位差来获取信号的角度，天线越多，角度计算就越精确。但是增加天线也会增大接收设备的物理尺寸和制造成本，而且需要确保各天线距离高度一致。另外，无线信号在实际场景中，会遇到周围障碍物反射，由此而衍生出多路径波现象，多径会产生多个AoA角度。而本发明通过天线切换器控制智能天线矩阵产生不同的天线组合，间接地增加了天线组合的数量，还不必强制天线间距离一致，但不会增加其他设备的成本。可实现多方向精确计算AOA角度，对每个无线信号在基带层进行深度计算，达到了大型天线组的精确计算。且并不会导致硬件成本的增加，提高了易用性。
本发明还提供一种基于wifi信道状态信息的定位方法，采用如上基于wifi信道状态信息的定位系统进行定位，包括：
S10、天线切换器根据GPIO命令控制智能天线矩阵产生不同的天线组合。
其中，GPIO命令为信道状态信息采集平台中的控制单元14发出的。
S20、信道状态信息采集平台发射定位侦测报文，定位侦测报文经所述智能天线矩阵和天线切换器发射至待定位设备，以使待定位设备回复响应报文，并提取所述响应报文中的信道状态信息源数据，发送至计算服务器。
具体地，S20包括：
S21、信道状态信息采集平台10确定待定位设备的MAC地址。
其中，待定位设备为待定位手机或APP，信道状态信息采集平台10接收远程下发的定位配置，确定待定位设备的下发的MAC地址。
S21、侦听并解析WIFI通信报文,获取报文中的MAC地址，与下发的MAC地址进行比对。
具体地，信道状态信息采集平台10侦听周围环境的WIFI通信报文，解析报文，提取该报文的MAC地址，与下发的定位MAC地址进行比对。
S22、比对成功后，信道状态信息采集平台发射定位侦测报文，以使待定位设备回复响应报文。
其中，定位侦测报文为IEEE802.11报文，包括Probe Response管理报文(探测请求管理报文)、Probe Response管理报文(探测响应管理报文)、Association Request管理报文(关联请求管理报文)、NO DATA数据报文、QO SNULL数据报文。
更具体，S22包括信道状态信息采集平台中的控制单元14通过MAC层13发射定位侦测报文，该定位侦测报文通过MAC层13到射频物理层12变成无线信号，后经智能天线矩阵20发送给待定位设备，以使待定位设备回复响应报文。
S23、信道状态信息采集平台10接收到待定位设备回复的响应报文，提取响应报文中的信道状态信息源数据，发送至计算服务器。
具体地，S23包括待定位设备回复的响应报文被智能天线矩阵20接收后，根据天线切换器40的GPIO的控制，只有一个天线矩阵子集会处理信号，并由射频物理层12提取响应报文中的数据生成信道状态信息CSI，CSI信息被控制单元14收集，然后发送至计算服务器30。
S30、计算服务器接收信道状态信息采集平台10发送的信道状态信息源数据；将信道状态信息源数据采用不等间距天线的AOA定位算法计算出入射角度AOA，结合预存的参照数据得出被定位设备的位置信息。
不等间距天线的AOA定位算法，包括：
获取第一天线与第二天线之间的距离，其中第一天线与第二天线相邻；
获取电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差；
根据所述电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差和第一天线与第二天线之间的距离，计算出入射角度AOA。
本发明提供一种基于wifi信道状态信息的定位系统及方法，通过天线切换器控制智能天线矩阵产生不同的天线组合，可以在多个方向上产生AOA角度，且在增加天线的数量的同时，不必限制天线的距离也能够精确计算AOA角度，不会增加其他设备的成本。
本发明提供的智能天线矩阵，可实现多方向精确计算AOA角度，对每个无线信号在基带层进行深度计算，达到了大型天线组的精确计算。且并不会导致硬件成本的增加，提高了易用性。
此外，装置实施例中的系统与方法实施例基于同样地发明构思。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括存储器和处理器，该存储器中存储有至少一条指令和至少一段程序，该至少一条指令和至少一段程序由该处理器加载并执行以实现上述方法实施例提供的基于wifi信道状态信息的定位方法。
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置和电子设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，包括：
信道状态信息采集平台，接入智能天线矩阵和天线切换器，用于发射定位侦测报文，定位侦测报文经所述智能天线矩阵和天线切换器发射至待定位设备，以使待定位设备回复响应报文，并提取所述响应报文中的信道状态信息源数据，发送至计算服务器；
智能天线矩阵和天线切换器，所述天线切换器用于控制所述智能天线矩阵产生不同的天线组合；
计算服务器，与所述信道状态信息采集平台通讯连接，用于接收所述信道状态信息采集平台发送的信道状态信息源数据；将所述信道状态信息源数据采用不等间距天线的AOA定位算法计算出入射角度AOA，结合预存的参照数据得出被定位设备的位置信息。
2.如权利要求1所述的基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，所述不等间距天线的AOA定位算法，包括：
获取第一天线与第二天线之间的距离，其中第一天线与第二天线相邻；
获取电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差；
根据所述电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差和第一天线与第二天线之间的距离，计算出入射角度AOA。
3.如权利要求1所述的基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，所述定位侦测报文为IEEE802.11报文，包括Probe Response管理报文、Probe Response管理报文、Association Request管理报文、NO DATA数据报文、QO SNULL数据报文。
4.如权利要求1所述的基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，所述智能天线矩阵中的任意两个天线之间的距离是不相同的。
5.如权利要求1所述的基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，所述智能天线矩阵可在三维空间中组合使用，三维空间中的每个方向上至少安装2根天线。
6.如权利要求1所述的基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，
所述天线切换器包括至少两个四分天线切换单元，每个所述四分天线切换单元可产生四个天线的变化。
7.如权利要求1所述的基于wifi信道状态信息的定位系统，其特征在于，
所述计算服务器为边缘计算平台，所述边缘计算平台基于AI深度学习采用不等间距天线的AOA定位算法根据所述信道状态信息源数据中的相邻两天线的距离和电磁波到达相邻两天线的距离差计算出入射角度AOA。
8.一种基于wifi信道状态信息的定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的基于wifi信道状态信息的定位系统进行定位，包括：
信道状态信息采集平台发射定位侦测报文，定位侦测报文经所述智能天线矩阵和天线切换器发射至待定位设备，以使待定位设备回复响应报文，并提取所述响应报文中的信道状态信息源数据，发送至计算服务器；
计算服务器，与所述信道状态信息采集平台通讯连接，用于接收所述信道状态信息采集平台发送的信道状态信息源数据；将所述信道状态信息源数据采用不等间距天线的AOA定位算法计算出入射角度AOA，结合预存的参照数据得出被定位设备的位置信息。
9.如权利要求8所述的基于wifi信道状态信息的定位方法，其特征在于，所述不等间距天线的AOA定位算法，包括：
获取第一天线与第二天线之间的距离，其中第一天线与第二天线相邻；
获取电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差；
根据所述电磁波到达第二天线和电磁波到达第一天线的距离差和第一天线与第二天线之间的距离，计算出入射角度AOA。
10.如权利要求8所述的基于wifi信道状态信息的定位方法，其特征在于，还包括天线切换器根据GPIO命令控制智能天线矩阵产生不同的天线组合。
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