CN112953660B - 一种稳健的信道状态信息csi相位校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种稳健的信道状态信息CSI相位校准方法。本发明用于消除因为传播环境与收发设备引入的相位误差，同时解决当前校准方法在非直达以及多径丰富的无线传播环境下校准性能较差的问题。首先通过多载波无线收发系统获取信道状态信息CSI；再通过CSI数据的实部与虚部数据计算每个信道的原始相位；根据CSI原始相位对信道质量进行鉴别；针对信道质量较高的数据包：整体进行解卷绕，再采用最小二乘的方法进行误差消除；针对信道质量较差的数据包：估计卷绕长度Q，将原始相位数据划分为长度为β·Q的子段，对每一个子段进行解卷绕，再对每一子段采用最小二乘的方法进行误差消除。

Description

一种稳健的信道状态信息CSI相位校准方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种稳健的信道状态信息CSI相位校准方法。
背景技术
近年来，随着移动网络、微电子器件和互联网等技术的飞速发展，利用无线信号对环境进行感知成为了热点。此处的环境指的是无线信道，其中包括收发设备之间的距离以及传播链路之间的障碍物，比如运动或者静止的人以及其它物体等。通过无线感知可以实现环境中的位置信息感知，比如室内定位。还可以实现人体姿态检测、生理参数监测、人机交互等等。因此利用无线信号进行环境感知具有重要的发展前景与商业价值。利用无线信号进行感知早在多年前就已有研究与成果，最典型的是雷达系统，如探测目标的主动式雷达系统，借助无线信号的反射与衍射特性，主动测量雷达与目标之间的距离。由于雷达系统具有较高的部署成本，很难实现此类设备的大规模使用。而借助易携带的设备，比如手机等，也具有无线信号收发与测量功能的设备，也可以实现对环境进行感知。此类设备的广泛应用推动了无线感知领域的发展。
常见的是利用WIFI信号进行无线感知。另外，近年来随着5G技术的发展，利用移动网络进行感知，使得各种低延时人机交互任务的执行成为了可能。在无线通信系统中，由于信道状态信息(Channel State Information,CSI)比接收信号强度(Received SignalStrength,RSS)蕴含更加丰富的环境信息，使得CSI成为无线感知的主要信号源。由于CSI相位相较CSI幅度对环境更为敏感。因此信道环境的细微变化可以通过CSI相位进行测量，但是由于收发硬件设备的影响会引入误差。相位方面的误差包含载波频率偏差(CarrierFrequency Offset，CFO)、采样率偏差(Sampling Frequency Offset，SFO)、包检测时延(Packet Detection Delay，PDD)、锁相环相位偏差(PLL Phase Offset，PPO)等等。在同一包数据中，这些误差对于不同子载波的影响较为固定，主要引入线性误差以及偏差。CSI相位误差校正对正确测量信道状态至关重要。
文献“Kotaru,Manikanta；Joshi,Kiran；Bharadia,Dinesh；Katti,Sachin,”spotFi:Decimeter Level Localization Using WiFi,”Proceedings of the 2015ACMConference on special interest group on data communication,17August 2015,pp.269-282”提出一种使用WIF信号进行室内定位的系统SpotFi，定位精度可达分米级。文献中提出了相关的CSI相位校正方法。方法包括：1)：采集CSI数据，提取CSI原始相位，并对其进行解卷绕；2)建立线性相位误差模型；3)基于最小均方误差的原则对误差曲线进行拟合；4)测量相位减去误差相位，实现误差消除。这种相位误差校正方法在LOS环境以及传播路径数量较少的情况下具有较好的校正性能，但NLOS传播信道以及多径丰富的传播信道更为常见。此时部分子载波相位数据会发生突变，导致解卷绕的过程中产生累积误差，使得校准后的相位方差较大。因此，该类CSI相位校准方法是不稳健的，不足以同时应对不同质量无线信道下的CSI相位校准问题，限制了基于CSI的无线感知场景。
发明内容
本发明是针对现有相位校准方法仅在LOS环境下有较好的校准性能，而在NLOS以及多径丰富的传播场景中，不能消除因为个别子载波数据突变导致解卷绕过程中产生累积误差的问题，研究设计了一种稳健的CSI相位校准方法。本发明在LOS以及NLOS环境下都具有较好的校准性能，能够有效消除在复杂的无线信号传播环境下，因为个别子载波的数据突变引入的累积相位误差。从而提高了CSI相位数据的可用性以及稳健性。
本发明采用的技术方案是，通过对原始相位数据的变化特征进行分析，实现对信道质量的估计。针对信道质量较高的数据，采用整体解卷绕以及线性相位校准的方法实现误差消除。针对信道质量较差的数据，通过分段解卷绕以及分段线性误差消除的方法实现误差消除。
一种稳健的信道状态信息CSI相位校准方法，该方法用于多载波通信系统，系统中包括无线信号发送设备和接收设备，且一部分接收设备与发送设备之间的无线信道为直达环境，另一部分接收设备与发送设备之间的无线信道为非直达环境；具体包括以下步骤：
S1、采集CSI数据：
假设发送信号的频域表达式为S(fk)，其中k为子载波编号，接收设备在频域进行解调，得到Y(fk)，通过解算得到CSI数据H(fk)∈C，C表示复数集合；设在T时间内，第l台接收设备测量到m包CSI数据，子载波的数量为N，构造CSI数据集Dl：
Figure BDA0002916142780000021
选择一台无线传播链路为直达径的接收设备采集CSI数据，同时选择一台无线传播链路为非直达的接收设备采集CSI数据，获得不同信道质量下的CSI数据集D：
D＝[D1,D2]
其中，D1为直达径的接收设备采集的CSI数据集，D2为非直达的接收设备采集的CSI数据集；
S2、通过以下公式，计算每一包数据的CSI相位∠H(fk)：
Figure BDA0002916142780000031
其中，pk为CSI的实部，qk为CSI的虚部；
接收设备测量到的一包CSI相位表示为：
Figure BDA0002916142780000032
S3、估计信道质量，具体包括：
S31、对每一包CSI相位数据求一阶差分，并取绝对值，获得CSI相位的变化特征：
Figure BDA0002916142780000033
对
Figure BDA0002916142780000034
排序后得到
Figure BDA0002916142780000035
Figure BDA0002916142780000036
按照聚类的方法将
Figure BDA0002916142780000037
划分为三个子集：
Figure BDA0002916142780000038
Figure BDA0002916142780000039
Figure BDA00029161427800000310
Figure BDA0002916142780000041
子集中的差分相位对应原始相位为正常连续载波相位，
Figure BDA0002916142780000042
子集中的差分相位对应原始相位为正常跳变的载波相位，
Figure BDA0002916142780000043
子集中的差分相位对应原始相位为异常跳变的载波相位；
S32、对
Figure BDA0002916142780000044
的维度进行判断，当
Figure BDA0002916142780000045
成立时，λ取值根据实际需求设定，判断信道的质量较好，进入步骤S4，否则，进入步骤S6；
S4、对整包CSI原始相位数据进行解卷绕：
设置阈值π为卷绕门限，对原始相位线性展开，得到
Figure BDA0002916142780000046
Figure BDA0002916142780000047
S5、对解卷绕后的整包CSI相位数据进行校准：
对硬件引入的相位误差建立线性误差消除模型，通过最小二乘的方法求解线性误差的斜率a与截距b：
Figure BDA0002916142780000048
最终得到信道真实相位
Figure BDA0002916142780000049
进入步骤S9；
S6、统计
Figure BDA00029161427800000410
集合元素排序前的下标，选择下标中位数Q做为卷绕长度；
S7、分段解卷绕，具体包括：
S71、对长度为N的载波原始相位序列进行分段，分段长度为
Figure BDA00029161427800000411
β取值根据实际需求设定，分段方式如下：
Figure BDA00029161427800000412
S72、对每一字段按照步骤S71的方法分别解卷绕得到
Figure BDA00029161427800000413
S8、对每一子段分别建立以下的线性相位误差模型：
Figure BDA0002916142780000051
通过最小二乘的方法，对每一子段进行误差校准，最终得到信道真实相位
Figure BDA0002916142780000052
S9、结束校准。
本发明的有益效果在于：本发明提出了信道质量判断的概念，并根据信道质量选择不同的校准方法进行相位校准，克服了传统校准方法的局限性。另外采用分段校准的方法消除解卷绕过程中产生的累积误差，并保留真实的相位波动。从而本发明提出的一种稳健的CSI相位校准方法是一种校准算法自适应、稳健的相位校准算法。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为不同信道质量下的原始相位数据。
图3为技术背景方法和本发明方法在不同信道质量下的相位校准曲线。
图4为技术背景方法和本发明方法在不同信道质量下的相位校准方差累积概率分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步地详细说明。
如图1所示，为本发明实施例的流程示意图，实验环境为室外停车场，4台无线接收设备位于边长分别为73m，48m，43m，37m的不规则四边形的顶点处，位于同一平面。1台无线信号发送设备位于该四边形区域内。环境中车位全部停满车辆。一部分接收设备与发送设备之间的无线信道为直达环境，传播链路没有障碍物。另一部分接收设备与发送设备之间的无线信道为非直达环境，传播链路间有车辆遮挡。无线通信设备的调制解调方式为OFDM，子载波的数量为408个，子载波间隔为240KHz。具体包括：
1.采集CSI数据
1-1.搭建好无线信号收发环境，发送设备固定在一个位置按照1Hz的频率发送固定的信道估计序列，频域表达式为S(fk)，其中k为子载波编号。接收设备在频域进行解调，得到Y(fk)。通过解算得到CSI数据H(fk)∈C，C表示复数集合。设在T时间内，第l台接收设备测量到m包CSI数据，子载波的数量为N，构造CSI数据集Dl：
Figure BDA0002916142780000061
1-2.选择一台无线传播链路为直达径的接收设备采集CSI数据，同时选择一台无线传播链路为非直达的接收设备采集CSI数据，获得不同信道质量下的CSI数据集D：
D＝[D1,D2] (2)
2.计算CSI相位
通过以下式子，计算每一包数据的CSI相位∠H(fk)，其值域为(-π,π)：
Figure BDA0002916142780000062
接收设备测量到的一包CSI相位可以表示为：
Figure BDA0002916142780000063
3.信道质量估计：
3-1.对每一包CSI相位数据求一阶差分，并取绝对值，获得CSI相位的变化特征：
Figure BDA0002916142780000064
正常情况，当相邻子载波的相位数据相差2π时，相位数据就会发生卷绕，导致原始相位数据呈现为“锯齿波”的形状。在直达环境中由于相位误差主要由接收设备硬件导致，主要引入线性相位误差，卷绕周期较为固定。直达环境下的CSI原始相位如图2所示。在非直达环境中由于障碍物以及多径的影响会导致部分子载波的相位数据发生突变，如图3所示。所以不同传播环境下，原始相位的一阶差分具有不同的特性。对
Figure BDA0002916142780000065
排序后得到
Figure BDA0002916142780000066
Figure BDA0002916142780000067
按照聚类的方法将
Figure BDA0002916142780000071
划分为三个子集：
Figure BDA0002916142780000072
Figure BDA0002916142780000073
子集中的差分相位对应原始相位为正常连续载波相位，
Figure BDA0002916142780000074
子集中的差分相位对应原始相位为正常跳变(卷绕)的载波相位。
Figure BDA0002916142780000075
子集中的差分相位对应原始相位为异常跳变的载波相位。
3-2.对
Figure BDA0002916142780000076
的维度进行判断，当
Figure BDA0002916142780000077
成立时，当前无线信道的质量较好，转至步骤4。否则，转至步骤6。此处λ参数在本实验中设置为6。
4.对整包CSI原始相位数据进行解卷绕
设置阈值π为卷绕门限，对原始相位线性展开，得到
Figure BDA0002916142780000078
Figure BDA0002916142780000079
从上式也可以看出当原始相位数据中第k个子载波出现异常跳变，就会导致θ产生累积误差，进而影响到后面的所有子载波相位。
5对解卷绕后的整包CSI相位数据进行校准
对硬件引入的相位误差建立线性误差消除模型，通过最小二乘的方法求解线性误差的斜率a与截距b。
Figure BDA00029161427800000710
最终得到信道真实相位
Figure BDA00029161427800000711
进入步骤9。
6.卷绕长度估计
统计
Figure BDA00029161427800000712
集合元素排序前的下标，选择下标中位数Q做为卷绕长度。
7.分段解卷绕
7.1对长度为N的载波原始相位序列进行分段，分段长度为
Figure BDA0002916142780000081
其中β在本实验中取值为2，分段方式如下:
Figure BDA0002916142780000082
7.2对每一子段按照式(8)分别解卷绕得到
Figure BDA0002916142780000083
8.对每一子段进行线性相位误差校准
对每一字段分别建立以下的线性相位误差模型：
Figure BDA0002916142780000084
通过最小二乘的方法，对每一子段进行误差校准，最终得到信道真实相位
Figure BDA0002916142780000085
9结束校准。
本发明采用两种不同传播环境下的CSI数据验证本发明方法的优越性。第一组数据的采集环境：无线电传播环境为直达环境，传播链路无障碍物，多径较少。第二组数据的采集环境：无线电传播环境为非直达环境，传播链路由障碍物遮挡，多径较丰富。多径的数量通过CIR的极大值进行估计。在不同环境下分别采集200包数据，用本发明方法以及背景技术中的方法分别对相位数据进行校准。最后统计不同子载波的校准相位方差，以及方差的累计概率分布。在第一组数据下，本发明方法达到了对于80％的子载波，校准方差小于等于0.0046；技术背景方法达到了对于80％的子载波，校准方差小于等于0.0045。在第二组数据下，本发明方法达到了对于80％的子载波，校准方差小于等于0.2166；技术背景方法达到了对于80％的子载波，校准方差小于等于0.6398；通过图4可以得出，在信道链路质量较好的环境以及信道链路质量较差的环境下，本方法都可以达到较好的校准性能。因此实验证明，本发明是一种环境自适应以及稳健的相位校准方法。

Claims (1)

1.一种稳健的信道状态信息CSI相位校准方法，该方法用于多载波通信系统，系统中包括无线信号发送设备和接收设备，且一部分接收设备与发送设备之间的无线信道为直达环境，另一部分接收设备与发送设备之间的无线信道为非直达环境；其特征在于，CSI相位校准方法包括以下步骤：
S1、采集CSI数据：
假设发送信号的频域表达式为S(fk)，其中k为子载波编号，接收设备在频域进行解调，得到Y(fk)，通过解算得到CSI数据H(fk)∈C，C表示复数集合；设在T时间内，第l台接收设备测量到m包CSI数据，子载波的数量为N，构造CSI数据集Dl：
Figure FDA0002916142770000011
选择一台无线传播链路为直达径的接收设备采集CSI数据，同时选择一台无线传播链路为非直达的接收设备采集CSI数据，获得不同信道质量下的CSI数据集D：
D＝[D1,D2]
其中，D1为直达径的接收设备采集的CSI数据集，D2为非直达的接收设备采集的CSI数据集；
S2、通过以下公式，计算每一包数据的CSI相位∠H(fk)：
Figure FDA0002916142770000012
其中，pk为CSI的实部，qk为CSI的虚部；
接收设备测量到的一包CSI相位表示为：
Figure FDA0002916142770000021
S3、估计信道质量，具体包括：
S31、对每一包CSI相位数据求一阶差分，并取绝对值，获得CSI相位的变化特征：
Figure FDA0002916142770000022
对
Figure FDA0002916142770000023
排序后得到
Figure FDA0002916142770000024
Figure FDA0002916142770000025
按照聚类的方法将
Figure FDA0002916142770000026
划分为三个子集：
Figure FDA0002916142770000027
Figure FDA0002916142770000028
Figure FDA0002916142770000029
Figure FDA00029161427700000210
子集中的差分相位对应原始相位为正常连续载波相位，
Figure FDA00029161427700000211
子集中的差分相位对应原始相位为正常跳变的载波相位，
Figure FDA00029161427700000212
子集中的差分相位对应原始相位为异常跳变的载波相位；
S32、对
Figure FDA00029161427700000213
的维度进行判断，当
Figure FDA00029161427700000214
成立时，λ取值根据实际需求设定，判断信道的质量较好，进入步骤S4，否则，进入步骤S6；
S4、对整包CSI原始相位数据进行解卷绕：
设置阈值π为卷绕门限，对原始相位线性展开，得到
Figure FDA00029161427700000215
Figure FDA00029161427700000216
S5、对解卷绕后的整包CSI相位数据进行校准：
对硬件引入的相位误差建立线性误差消除模型，通过最小二乘的方法求解线性误差的斜率a与截距b：
Figure FDA00029161427700000217
最终得到信道真实相位
Figure FDA0002916142770000031
进入步骤S9；
S6、统计
Figure FDA0002916142770000032
集合元素排序前的下标，选择下标中位数Q做为卷绕长度；
S7、分段解卷绕，具体包括：
S71、对长度为N的载波原始相位序列进行分段，分段长度为
Figure FDA0002916142770000033
β取值根据实际需求设定，分段方式如下：
Figure FDA0002916142770000034
S72、对每一子 段按照步骤S71的方法分别解卷绕得到
Figure FDA0002916142770000035
S8、对每一子段分别建立以下的线性相位误差模型：
Figure FDA0002916142770000036
通过最小二乘的方法，对每一子段进行误差校准，最终得到信道真实相位
Figure FDA0002916142770000037
S9、结束校准。
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