CN112235028A - 一种用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统 - Google Patents

Abstract

一种用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，它主要由天线、天线、天线组成的天线阵列，微控制单元，外置网卡，衰减器，功分器，WiFi接收器，校准/通信开关组成，所述校准/通信开关可切换校准模式和通信模式，其中校准模式由WiFi接收器与外置网卡通过物理链路进行连接，WiFi接收器发送或者接收的WiFi信号基于外置网卡来进行CSI校准，本发明所提出的用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统相比于其他校准方法，解决了天线信号之间的随机pi相位偏移，可实现更高精度的校准；整个校准过程由预装的程序以及相应的硬件部分进行控制，不需要人为干预和昂贵的辅助设备，实现了真正意义上的自动校准。

Description

一种用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统

技术领域

本发明涉及用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，属于无线感知与定位技术领域。

背景技术

移动应用数量的爆发性增长推动了室内无线定位系统技术的发展，基于WiFi阵列信号的室内定位技术由于其普适性、成本低等特点，成为当下的研究热点。无线信号波达角(AoA)是影响定位准确度的重要参数，它是根据阵列信号的之间的相关性来进行计算。信号之间的相关性可以用信道状态信息(CSI)来表示，CSI描述了信道中散射、衰落、功率衰减等多种效应的联合影响。CSI信息通过MUSIC算法可以计算空间中信号的波达角，但由于无线信号收发器时钟不同步性和电路设计的缺陷，常常在无线信号中不能准确获得信道状态信息(CSI)，这也导致不能准确计算空间中信号的波达角信息，进而影响定位效果。

CSI校准工作是高精度定位系统实现的前提，对于阵列信号而言，CSI校准大多都是基于每根天线信号的相对相位信息。来自莱斯大学、伦敦大学、电子科技大学等多所高校的研究学者做了许多有价值的研究，先前的研究提出了许多校准CSI的方法，但是大多数校准方法常常依赖昂贵的、庞大的辅助设备，比如，需要辅助设备具备多个网卡，很明显这对于商用WiFi设备是不适用的。目前大多数校准方法都要求在每次校准前进行人为部署设备，这对于大规模的室内定位无疑造成了巨大的人力和物力成本。由于802.11n采用OFDM技术进行调制，多子载波也为CSI的校准增加了难度，先前的研究工作大多针对于不同天线的相对相位进行校准，忽略了天线之间还存在相差为π的相位偏移，并且天线之间的这种π相位偏移是随机出现，这为精确的校准工作带来了极大的挑战。

因为，我们需要一种高精度的自动校准方法，要想实现高精度的校准，仅仅通过软件的方式是达不到的，由此，我们设计了一种低成本、体积小的电子元件，结合我们所设计的校准算法，来满足大/小规模定位的校准需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，本发明通过硬件和算法的结合，使得整个校准过程不需要人为干预和借助辅助设备，就能实现高精度的自校准，为了实现本发明的目地，本发明设计了一种用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，它主要由一号天线、二号天线、三号天线组成的天线阵列，微控制单元，外置网卡，衰减器，功分器，WiFi接收器，校准/通信开关组成，所述校准/通信开关可切换校准模式和通信模式，其中校准模式由WiFi接收器与外置网卡通过物理链路进行连接，WiFi接收器基于外置网卡进行CSI校准，通信模式由WiFi接收器与天线阵列通过物理链路进行连接，此时WiFi接收器实现接收或者发送网络数据包的功能，所述微控制单元控制控制开关。

作为优选：所述校准模式时，WiFi接收器通过功分器与外置网卡连接，来自外置网卡的信号经过衰减器和功分器分为多路相同信号到达WiFi接收器，WiFi接收器接收到校准信号后，通过校准算法即可实现高精度的校准。校准工作完成后，开关切换为网络通信模式，此时WiFi接收器将连接到由多根天线组成的天线阵列，实现信号的发送和接收。整个校准过程都是在WiFi接收器和微控制单元中的预装程序控制下进行的，不需要人为进行干预。

作为优选：所述校准算法为：

步骤1：使用三天线的WiFi接收器，由外置网卡发送的校准信号到达WiFi接收器后，系统提取对应的CSI信息，以天线校准信号的相位为基础相位，计算一号天线、二号天线、三号天线之间的相对偏移

表示校准信号到达天线(i)处的相位，由于天线之间会存在相差为π的相位偏移，实际针对多个数据包在计算一号天线、二号天线、三号天线之间的相对位移时，会出现四个可能的值，即

也就是说每两根天线之间会存在两个可能的偏移值，并且存在以下关系：

步骤2：根据校准信号，我们可以得到两两天线之间的相对相位偏移。校准硬件通过开关(9)将工作模式从校准模式切换到通信模式后，即可通过以上得到的相位偏移对接收信号的CSI进行校准，很明显，不同天线之间的相位偏移对于每一个CSI数据包是确定的，所以我们接下来要对

进行区分。将天线的接收信号减去天线之间的固有偏移，得到初始的测量值X，

一号天线接收信号的初始测量值，

二号天线接收信号的初始测量值。

步骤3：使用MUSIC算法对以上不同天线的初始测量值组合计算波达角，即对一号天线和三号天线的接收信号进行波达角的计算，对二号天线和三号天线的接收信号进行波达角的计算,

空间谱

波峰所对应的角度即信号的波达角。

天线之间接收信号的波达角和天线固定相位的组合可以表示为

利用最小二乘法，找到集合E中的欧式距离最小的两个元素，

符合以上要求的

便是一号天线和二号天线处的信号相位校准补偿值。

本发明所提出的用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统相比于其他校准方法，解决了天线之间信号的随机π相位偏移，可实现更高精度的校准；整个校准过程由预装的程序进行控制，不需要人为干预和昂贵的辅助设备，实现了真正意义上的自动校准；此外，使用的校准硬件制作成本低，易大规模部署使用，更适用于当下大规模物联网技术的需求。

附图说明

图1为本发明硬件框架图；

图2为本发明校准算法流程图。

图3为本发明系统流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1-3所示，一种用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，它主要由一号天线1、二号天线2、三号天线3组成的天线阵列10，微控制单元4，外置网卡5，衰减器6，功分器7，WiFi接收器8，校准/通信开关9组成，所述校准/通信开关(9)可切换校准模式和通信模式，其中校准模式由WiFi接收器(8)与外置网卡5通过物理链路进行连接，WiFi接收器8基于外置网卡进行CSI校准，通信模式由WiFi接收器8与天线阵列10通过物理链路进行连接，此时WiFi接收器实现接受网络数据包的功能，所述微控制单元4控制控制开关9。

所述的用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，所述校准模式时，WiFi接收器8通过功分器7与外置网卡5连接，来自外置网卡5的信号经过衰减器6和功分器7分为多路相同信号到达WiFi接收器8，WiFi接收器8接收到校准信号后，通过校准算法即可实现高精度的校准。校准工作完成后，开关9切换为网络通信模式，此时WiFi接收器8将连接到由一号天线1、二号天线2、三号天线3组成的天线阵列10，实现信号的发送和接收。整个校准过程都是在WiFi接收器8和微控制单元4中的预装程序控制下进行的，不需要人为进行干预。

所述的用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，所述校准算法为：

步骤1：使用一号天线1、二号天线2、三号天线3组成的WiFi接收器8，由外置网卡发送的校准信号到达WiFi接收器8后，系统提取对应的CSI信息，以三号天线3校准信号的相位为基础相位，计算一号天线1、二号天线2和三号天线3之间的相对偏移

表示校准信号到达天线(i)处的相位，由于天线之间会存在相差为π的相位偏移，实际针对多个数据包在计算一号天线1，三号天线3和二号天线2，三号天线3之间的相对位移时，会出现四个可能的值，即

也就是说每两根天线之间会存在两个可能的偏移值，并且存在以下关系：

步骤2：根据校准信号，我们可以得到两两天线之间的相对相位偏移。校准硬件通过开关9将工作模式从校准模式切换到通信模式后，即可通过以上得到的相位偏移对接收信号的CSI进行校准，很明显，不同天线之间的相位偏移对于每一个CSI数据包是确定的，所以我们接下来要对

进行区分。将天线的接收信号减去天线之间的固有偏移，得到初始的测量值X，

一号天线1接收信号的初始测量值，

二号天线2接收信号的初始测量值。

步骤3：使用MUSIC算法对以上不同天线的初始测量值组合计算波达角，即对一号天线1和三号天线3的接收信号进行波达角的计算，对二号天线2和三号天线3的接收信号进行波达角的计算,

空间谱

波峰所对应的角度即信号的波达角。

天线之间接收信号的波达角和天线固定相位的组合可以表示为

利用最小二乘法，找到集合E中的欧式距离最小的两个元素，

符合以上要求的

便是一号天线1和二号天线2处的信号相位校准补偿值。

实施方式举例

(1)校准模式初始化

当处于校准模式时，外置网卡5会向WiFi接收器8发送校准信号，WiFi接收器8接收到校准信号后，系统提取校准信号的CSI数据，计算天线之间的固有偏移：

表示校准信号到达天线i处的相位，

表示一号天线1和三号天线3之间的固有偏移，

表示二号天线2和三号天线3之间的固有偏移，由于天线之间会存在相差为π的相位偏移，所以实际上，一号天线1和三号天线3之间的固有偏移，二号天线2和三号天线3之间的固有偏移将分别有两个值，即

并且存在以下关系：

在校准模式初始化过程中，系统计算出WiFi接收器8天线之间的固有相位偏移。

(2)工作模式初始化以及预处理

WiFi接收器8完成了校准信号的接收和计算后，开关9将切换至通信模式，此时WiFi接收器8与天线阵列10连接，WiFi接收器8在网络中担任接收端角色。WiFi接收器8采用的是三天线阵列，使用Intel 5300网卡，所以从天线信号提取的CSI是3*30矩阵：

对接收端CSI校准之前，需要对CSI进行预处理，即解卷绕操作，恢复信号相位的线性特征。每当连续相位角之间的跳跃大于或等于π弧度时，系统会通过增加±2π的整数倍来平移相位角，直到跳跃小于π。

(3)算法处理

预处理后的CSI值减去减去天线之间的固有偏移，得到初始的测量值X，

表示一号天线1接收信号的初始测量值，

表示二号天线2接收信号的初始测量值。

使用MUSIC算法对以上不同天线的初始测量值组合计算波达角，即对一号天线1和三号天线3的接收信号进行波达角的计算，对二号天线2和三号天线3的接收信号进行波达角的计算,

空间谱

波峰所对应的角度即信号的波达角。

天线之间接收信号的波达角和天线固定相位的组合可以表示为

利用最小二乘法，找到集合E中的欧式距离最小的两个元素，

符合以上要求的

便是一号天线1和二号天线2处的信号相位校准补偿值。将接收信号的CSI与

进行相位补偿后，即可得到校准后的CSI数据。

Claims (3)

1.一种用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，它主要由一号天线(1)、二号天线(2)、三号天线(3)组成的天线阵列(10)，微控制单元(4)，外置网卡(5)，衰减器(6)，功分器(7)，WiFi接收器(8)，校准/通信开关(9)组成，其特征在于所述校准/通信开关(9)可切换校准模式和通信模式，其中校准模式由WiFi接收器(8)与外置网卡(5)通过物理链路进行连接，WiFi接收器(8)发送或者接收的WiFi信号基于外置网卡来进行CSI校准，通信模式由WiFi接收器(8)与天线阵列(10)通过物理链路进行连接，此时WiFi接收器实现接收或者发送网络数据包的功能，所述微控制单元(4)控制控制开关(9)。

2.根据权利要求1所述的用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，其特征在于所述校准模式时，WiFi接收器(8)通过功分器(7)与外置网卡(5)连接，来自外置网卡(5)的信号经过衰减器(6)和功分器(7)分为多路相同信号到达WiFi接收器(8)，WiFi接收器(8)接收到校准信号后，通过校准算法即可实现高精度的校准。校准工作完成后，开关(9)切换为网络通信模式，此时WiFi接收器(8)将连接到由一号天线(1)、二号天线(2)、三号天线(3)组成的天线阵列(10)，实现信号的发送和接收。整个校准过程都是在WiFi接收器(8)和微控制单元(4)中的预装程序控制下进行的，不需要人为进行干预。

3.根据权利要求1所述的用于商用WiFi信号的CSI自动精确校准系统，其特征在于所述校准算法为：

步骤1：使用一号天线(1)、二号天线(2)、三号天线(3)组成的WiFi接收器(8)，由外置网卡发送的校准信号到达WiFi接收器(8)后，系统提取对应的CSI信息，以三号天线(3)校准信号的相位为基础相位，计算一号天线(1)、二号天线(2)、三号天线(3)之间的相对偏移

表示校准信号到达天线(i)处的相位，由于天线之间会存在相差为π的相位偏移，实际针对多个数据包在计算一号天线(1)，二号天线(2)，三号天线(3)之间的相对位移时，会出现四个可能的值，即

也就是说每两根天线之间会存在两个可能的偏移值，并且存在以下关系：

步骤2：根据校准信号，我们可以得到两两天线之间的相对相位偏移。校准硬件通过开关(9)将工作模式从校准模式切换到通信模式后，即可通过以上得到的相位偏移对接收信号的CSI进行校准，很明显，不同天线之间的相位偏移对于每一个CSI数据包是确定的，所以我们接下来要对

进行区分。将天线的接收信号减去天线之间的固有偏移，得到初始的测量值X，

一号天线接收信号的初始测量值，

二号天线接收信号的初始测量值。

步骤3：使用MUSIC算法对以上不同天线的初始测量值组合计算波达角，即对一号天线(1)和三号天线(3)的接收信号进行波达角的计算，对二号天线(2)和三号天线(3)的接收信号进行波达角的计算,

空间谱

波峰所对应的角度即信号的波达角。

天线之间接收信号的波达角和天线固定相位的组合可以表示为

利用最小二乘法，找到集合E中的欧式距离最小的两个元素，

符合以上要求的

便是一号天线(1)和二号天线(2)处的信号相位校准补偿值。

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