CN113099382B - 一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，使用相位计算的方法，进行单无线路由器下的距离计算。相对于传统的距离计算方法，本发明的主要计算数据为电磁波的相位信息，相对于幅度信息而言，相位信息在传播过程中更不易发生变形，同时也不用考虑设备增益的影响。本发明提供了简化的距离计算方法，通过对信道状态信息多次获取和计算，实现误差间的相互抵消，使得代码实现更加容易，能作为可执行程序运行于各种设备上。

Description

一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法

技术领域

本发明属于无线通信以及地理定位领域，具体涉及一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法。

背景技术

IEEE协议中的802.11n协议，提出了正交频分复用的技术，能够使无线设备可以解析出所有子载波信道的状态值，从而可以用数学方法，计算出电磁波的各种传播参数。而其中，就包含了用于计算设备之间距离的飞行时间参数。

目前无线定位技术中，如一种估计直接路径到达角的方法(CN202010332308.1)，一般做法是使用天线阵列获取CSI，然后使用改进型超分辨率MUSIC算法构建空间谱函数，然后对角度和距离划分刻度进行二维搜索。这种算法，使用的是幅度信息。与相位值相比，幅度值更容易受到干扰影响。噪声干扰，自身反射干扰，设备自动增益带来的干扰，都需要进行滤除。这使得这种计算方法，每次天线阵列取得信息后，都需要大量的计算才能得出最终结果。而且在多次取得最终结果后，还需要再次进行距离的判决。使用现有的这种距离计算方法，需要设备自身带有等距天线整列。因而限制了这种方法的推广。

发明内容

本发明针对上述背景技术中存在的问题，提出一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，以在环境干扰大的情况或空间复杂的情况下，都能实现效果较好的相位距离计算。

一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，包括如下步骤：

步骤1，对于连接至无线路由器的无线设备，读取信道状态信息和子载波的状态信息，将各个子载波的状态信息转换为复指数形式，然后以子载波状态信息中的子载波编号值为横坐标，相位值为纵坐标，绘制相位-频率关系点图；

步骤2，对相位-频率关系点图进行平滑处理：对于每一个子载波的相位，与前一个进行比较。如果差值大于3π/2，则将此载波的相位进行2kπ的相位调整，使得最终的相位差值在3π/2之内。然后选择关系点图中基波附近的子载波并进行线性函数的拟合，记录下拟合函数的斜率值，即得到相邻载波的平均相位差值；

步骤3，重复步骤2的操作，获得多个平均相位差值；统计这些值的分布情况，绘制其值分布的柱形统计图；之后用高斯函数进行拟合，选择拟合中心值，作为计算距离所使用的无补偿原始相位差值；

步骤4，根据实际收发设备两端的距离，计算理论的相位差值，比较本步骤计算得到的相位差值与原始相位差值进行相减，记录下偏差值；在之后续数值测量中，步骤3中计算出用于计算距离的相位差值后，将此相位差值与记录下的偏差值相加，得到最终的实际相位差值，用实际相位差值计算距离，得到的实际距离。

进一步地，步骤1中，使用无线路由器中的CSI-tools工具，获取信道状态信息。

进一步地，步骤1中，对于复指数形式下的各个子载波相位值，如相位值存在2π跳变则对该相位值进行2kπ的补偿。

进一步地，步骤1中，将获取到的子载波数据，以子载波编号作为x轴坐标值，以该子载波的相位值为y轴坐标值。在坐标系中，绘制出相应的点，得到关系点图。

进一步地，步骤2包括如下步骤：

步骤2-1，选择位于相位-频率关系点图的所有点中，子载波编号值最靠近中位数的点，即x轴坐标值最靠近中位数的点；由于信道状态信息的子载波编号值固定为偶数，所以最靠近中位数的点有两个；

步骤2-2，对相位-频率关系点图中的所有点，找出满足x轴坐标值大于步骤2-1中两个点中较小的点的x轴坐标值的所有点，将其x轴坐标值增加一个单位，即将满足这个条件的点左移一个单位；

步骤2-3，在步骤2-3移动过后的点图中增加一个点，该点的x轴坐标值是，在步骤2-1中最靠近中位数的两点中x轴坐标值较大的点的x轴坐标值；将步骤2-2中的所有点，进行三次样条插值法的计算；将获得的x轴坐标值代入计算得出的结果中，所得结果为步骤2-3中的点的y轴坐标值；

步骤2-4，以步骤2-3做出的增加点的x坐标值为中心，选择x轴坐标值在这个点的x轴坐标值附近的其他点，使得选择的点数占总数的50％，将这些点进行线性拟合；

步骤2-5，将线性拟合出来的函数，表示成y＝k*x+b的形式，其中y为y轴值，表示相位；x为x轴值，表示子载波编号；K是斜率，表示在相同的传输时间下不同频率的电磁波之间的相位差，b为等效的电磁波发射初始相位。

进一步地，步骤3中，包括如下分步骤：

步骤3-1，重复进行步骤2的操作，记录下拟合的函数公式中k参数的值，然后取获取的参数k值中的最大值和最小值，把最大值和最小值之差划分为20个区间，统计k的值落在各个区间的个数。

步骤3-2，绘制一个条状统计图，统计图的横向坐标为k的分布区间，纵向坐标为该区间上参数k的出现次数，分布区间为步骤3-1划分的20个区间；

步骤3-3，计算条状统计图中，有多少个极大值区间；极大值区间的要求是，该区间中的k参数的分布个数值比相邻区间多；

步骤3-4，对条状统计图进行高斯函数拟合，根据步骤3-3得到的极大值区间，每有一个极大值区间，就要多一重拟合；

步骤3-5，选择拟合得到的高斯函数中，均方差σ值最小的函数，将其中心值μ作为本次测距需要的相位差值。

进一步地，步骤4中，测量实际两台设备之间的实际距离，按照如下的换算公式，转换成相位/子载波单位的值；

其中，P表示相邻子载波的理论相位差值，即相位/子载波的值；d表示设备之间的距离；c为光速；Δf为相邻子载波频率差，数值固定为312.5kHz；

计算换算后的理论相位差值与步骤3所得原始相位差值的偏差值，将此偏差值作为线性误差补偿值；再次测距时，重复步骤1到步骤3，然后将计算得出的值，加上线性误差补偿值，就为本次测距的实际线性值，将该值按照上述相位和距离的换算公式计算，得出实际距离。

本发明达到的有益效果为：使用相位的距离计算的方法，进行单无线路由器下的距离计算。相对于现有方法，本发明的主要计算数据为电磁波的相位信息，相对于幅度信息而言，相位信息在传播过程中更不易发生变形，同时也不用考虑设备增益的影响。本发明提供了简化的测距算法，通过对信道状态信息多次获取和计算，实现误差间的相互抵消，使得代码实现更加容易，能作为可执行程序运行于各种设备上。

附图说明

图1为本发明实施例中所述的距离计算方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例中经过相位补偿后的CSI相位值。

图3为本发明实施例中测试500次后的数据分布。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

步骤1，启动无线路由器，使用支持802.11n协议的无线设备，连接至路由器上。使用无线路由器中的工具，获取信道状态信息。读取各个子载波的状态信息。使用欧拉公式，将信道状态信息，从复数形式，转换成复指数新式。获取复指数形式下的各个子载波相位值。对有着由于2π跳变的相邻子载波，进行2kπ的相位补偿，如图2所示。将获取到的子载波数据，以子载波编号作为x轴坐标值，以该子载波的相位值为y轴坐标值。在坐标系中，绘制出相应的点，得到相位-频率关系点图。

步骤2，选择位于坐标系的这些点中，子载波编号值最靠近中位数的点，即x轴坐标值最靠近中位数的点。由于信道状态信息的子载波编号值固定为偶数，所以最靠近中位数的点，一定有两个。将位于相位-频率关系点图中的所有点中，满足“x轴坐标值，大于选出的两个点中，较小的点的x轴坐标值”的所有点，其x轴坐标值增加一个单位。即满足这个条件的点，左移一个单位。在移动过后的点图中，增加一个点。该增加点的x轴坐标，是在选出两个点中x轴值较大的那个点的x轴坐标。将移动后的所有点，进行三次样条插值法的计算。将增加点的x坐标值代入计算得出的结果中，所得结果就是该增加点的y轴坐标值。以增加点的x坐标值为中心，选择x轴坐标值在这个点的x轴坐标值附近的其他点。将这些点，进行线性拟合。将线性拟合出来的函数，表示成y＝k*x+b的形式。其中y为y轴值，表示相位。x为x轴值，表示子载波编号。k是斜率，表示在相同的传输时间下不同频率的电磁波之间的相位差，b为等效的电磁波发射初始相位。

步骤3，重复进行上述操作，进行至少500次拟合，记录下这些拟合的函数公式中k参数的值。如图3所示，取获得的参数k值中的最大值和最小值。把最大值和最小值之差，划分为20个区间。统计k的值落在各个区间的个数。绘制一个条状统计图，统计图的横向坐标为k的分布区间，纵向坐标为该区间上参数k的出现次数，分布区间为上述划分的20个区间。计算条状统计图中，有多少个极大值区间。极大值区间要求是，该区间中的k参数的分布个数值要比相邻区间的要多。对条状统计图，进行高斯函数拟合，每有一个极大值区间，就要在多一重拟合。例如，如果有三个极大值区间，那么拟合函数就是三个高斯函数相加。选择拟合出来的这些高斯函数中，σ值最小的函数，将其中心值μ作为本次测距的需要值。

步骤4，测量实际两台设备之间的实际距离，按照换算公式，转换成相位/子载波单位的值。计算其与上段得到的测距需要值的所得值差值。将此差值作为线性误差补偿值。再次测距时，重复步骤1到步骤3，然后将计算得出的值，减去的线性误差补偿值，就为本次测距的实际线性值。将该值，按照换算公式计算，得出实际距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，其特征在于：所述方法中包括如下步骤：

步骤1，对于连接至无线路由器的无线设备，读取信道状态信息和子载波的状态信息，将各个子载波的状态信息转换为复指数形式，然后以子载波状态信息中的子载波编号值为横坐标，相位值为纵坐标，绘制相位-频率关系点图；

步骤2，对相位-频率关系点图进行平滑处理：对于每一个子载波的相位，与前一个进行比较；如果差值大于3π/2，则将此载波的相位进行2kπ的相位调整，使得最终的相位差值在3π/2之内；然后选择关系点图中基波附近的子载波并进行线性函数的拟合，记录下拟合函数的斜率值，即得到相邻载波的平均相位差值；

步骤3，重复步骤2的操作，获得多个平均相位差值；统计这些值的分布情况，绘制其值分布的柱形统计图；之后用高斯函数进行拟合，选择拟合中心值，作为计算距离所使用的无补偿原始相位差值；

步骤4，根据实际收发设备两端的距离，计算理论的相位差值，比较本步骤计算得到的相位差值与原始相位差值进行相减，记录下偏差值；在后续数值测量中，步骤3中计算出用于计算距离的相位差值后，将此相位差值与记录下的偏差值相加，得到最终的实际相位差值，用实际相位差值计算距离，得到的实际距离；

步骤4中，测量实际两台设备之间的实际距离，按照如下的换算公式，转换成相位/子载波单位的值；

其中，P表示相邻子载波的理论相位差值，即相位/子载波的值；d表示设备之间的距离；c为光速；Δf为相邻子载波频率差，数值固定为312.5kHz；

计算换算后的理论相位差值与步骤3所得原始相位差值的偏差值，将此偏差值作为线性误差补偿值；再次测距时，重复步骤1到步骤3，然后将计算得出的值，加上线性误差补偿值，就为本次测距的实际线性值，将该值按照上述相位和距离的换算公式计算，得出实际距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，其特征在于：步骤1中，使用无线路由器中的CSI-tools工具，获取信道状态信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，其特征在于：步骤1中，对于复指数形式下的各个子载波相位值，如相位值存在2π跳变则对该相位值进行2kπ的补偿。

4.根据权利要求1所述的一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，其特征在于：步骤1中，将获取到的子载波数据，以子载波编号作为x轴坐标值，以该子载波的相位值为y轴坐标值；在坐标系中，绘制出相应的点，得到关系点图。

5.根据权利要求1所述的一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，其特征在于：步骤2包括如下步骤：

步骤2-1，选择位于相位-频率关系点图的所有点中，子载波编号值最靠近中位数的点，即x轴坐标值最靠近中位数的点；由于信道状态信息的子载波编号值固定为偶数，所以最靠近中位数的点有两个；

步骤2-2，对相位-频率关系点图中的所有点，找出满足x轴坐标值大于步骤2-1中两个点中较小的点的x轴坐标值的所有点，将其x轴坐标值增加一个单位，即将满足这个条件的点左移一个单位；

步骤2-3，在步骤2-3移动过后的点图中增加一个点，该点的x轴坐标值是，在步骤2-1中最靠近中位数的两点中x轴坐标值较大的点的x轴坐标值；将步骤2-2中的所有点，进行三次样条插值法的计算；将获得的x轴坐标值代入计算得出的结果中，所得结果为步骤2-3中的点的y轴坐标值；

步骤2-4，以步骤2-3做出的增加点的x坐标值为中心，选择x轴坐标值在这个点的x轴坐标值附近的其他点，使得选择的点数占总数的50％，将这些点进行线性拟合；

步骤2-5，将线性拟合出来的函数，表示成y＝K*x+b的形式，其中y为y轴值，表示相位；x为x轴值，表示子载波编号；K是斜率，表示在相同的传输时间下不同频率的电磁波之间的相位差，b为等效的电磁波发射初始相位。

6.根据权利要求5所述的一种基于信道状态信息的相位的距离计算方法，其特征在于：步骤3中，包括如下分步骤：

步骤3-1，重复进行步骤2的操作，记录下拟合的函数公式中K参数的值，然后取获取的参数K值中的最大值和最小值，把最大值和最小值之差划分为20个区间，统计K的值落在各个区间的个数；

步骤3-2，绘制一个条状统计图，统计图的横向坐标为K的分布区间，纵向坐标为该区间上参数K的出现次数，分布区间为步骤3-1划分的20个区间；

步骤3-3，计算条状统计图中，有多少个极大值区间；极大值区间的要求是，该区间中的K参数的分布个数值比相邻区间多；

步骤3-4，对条状统计图进行高斯函数拟合，根据步骤3-3得到的极大值区间，每有一个极大值区间，就要多一重拟合；

步骤3-5，选择拟合得到的高斯函数中，均方差σ值最小的函数，将其中心值μ作为本次测距需要的相位差值。

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