CN116667972B - 一种用于感知的WiFi帧结构及WiFi探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于感知的WiFi帧结构及WiFi探测方法，属于WiFi感知技术领域。WiFi帧结构的尾部具有用于感知的自定义帧序列，或WiFi帧结构尾部的PE填充段里填充有用于感知的自定义帧序列。自定义帧序列的信息包括用于感知的功率、频偏和信道时频特性。本发明将自定义帧序列添加到已有WiFi帧的尾部，不会影响正常WiFi的解调；接收机只需正常处理WiFi信号后，再根据自定义帧序列提取更精准的信道信息；自定义帧序列能提升信道信息提取的精度，对频偏、功率、信道时频信息的测量更精准，提升感知估计性能。
Description
技术领域
本发明涉及WiFi感知技术领域，具体是一种用于感知的WiFi帧结构及WiFi探测方法。
背景技术
WiFi感知是指借助WiFi信号，探测周围的环境/人员的活动状态，进行动作识别/心跳检测等，可用于安防/健康检测，是目前学术界和工业界的热门探索方向。如图7至图12所示，WiFi帧结构从最早的11b，到最新的WiFi7，经历了从直接序列扩频(DSSS)到正交频分复用(OFDM)的变化。早期的11b采用直接序列扩频，后来11g/n/ac/ax/be均采用OFDM帧结构。
DSSS帧结构中：
1.Preamble用于同步和初级的信道均衡；
2.Header用于控制信息指示；
3.PSDU是实际的载荷；
OFDM帧结构大同小异，版本越高帧结构越复杂，但都遵从基本原则：
1.L-STF用于AGC锁定和初级同步；
2.L-LTF用于精同步和信道估计；
3.L-SIG以及Legacy部分(x-SIG)用于控制信息传递；
4.HT-LTF/VHT-LTF/HE-LTF/EHT-LTF用于信道估计和均衡系数计算；
5.HE/EHT帧结构为了解决最后一个符号的译码时延，引入了填充(PE: PacketExtension)；即填入一些无用信息占住信道，保证最后一个符号译码不超时。
现有WiFi的感知通常采用OFDM帧，因为带宽更大，且有丰富的信道信息(CSI)上报，通常方法为：
1.基于L-STF或HT/VHT/HE/EHT-STF测量功率；
2.基于L-LTF或者HT/VHT/HE/EHT-LTF测量信道信息(CSI)，频差；
3.基于测量的功率/CSI/频差，分析这些测量随时间的扰动情况，感知环境的状态。例如人体不同的姿态，测量的波动不一样，反过来推测人体的状态。
需要感知做的更精准，数据源测量的精确度很关键。由于WiFi帧结构主要为通信设计，在做感知方面存在一定的缺陷。主要问题有：
1.接收机频差估计不够准确；以160M带宽为例，SNR=20dB时，采用L-LTF估计的残留频差抖动在100Hz左右，不影响OFDM解调；但是人体移动造成的多普勒频移为10~200Hz，淹没在接收机本身的频率残差抖动中，造成目标本身的多普勒频移与误差混叠，降低了感知的精度；
2.原始WiFi帧结构在低信噪比条件下，CSI估计精度不足；因为WiFi的帧结构主要为了信号解调，低信噪比条件下，CSI估计仅需要满足后续Data部分的解调即可；但CSI用于感知时，CSI精度越高，探测距离越远，灵敏度越高。因此很有必要提升CSI的估计精度。
发明内容
为解决上述现有技术的不足，本发明提供一种用于感知的WiFi帧结构及WiFi探测方法。
本发明采用如下技术方案：一种用于感知的WiFi帧结构，WiFi帧结构的尾部具有用于感知的自定义帧序列，或WiFi帧结构尾部的PE填充段里填充有用于感知的自定义帧序列。
优选的：所述自定义帧序列的信息包括用于感知的功率、频偏和信道时频特性。
优选的：所述自定义帧序列包括x-LTF或常见用于雷达测量的脉冲信号Chirp信号。
优选的：使用所述WiFi帧结构的收发双方，通过高层信令或者SIG中的Reserved字段指示所述WiFi帧结构尾部的自定义帧序列存在。
WiFi帧结构的尾部具有用于感知的自定义帧序列时，
对于HT帧结构，自定义帧序列为1个或多个HT-LTF字段，或者雷达脉冲信号；
对于VHT帧结构，自定义帧序列为1个或多个VHT-LTF字段，或者雷达脉冲信号；
对于HE/EHT帧结构，自定义帧序列为1个或多个HE-LTF字段，或者雷达脉冲信号。
WiFi帧结构尾部的PE填充段里填充有用于感知的自定义帧序列时，
对于PE字段长度为4us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-1x+0.8usGI；
对于PE字段长度为8us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-2x+1.6usGI，或者2个HE/EHT-LTF-1x+0.8us GI；
对于PE字段长度为16us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-4x+3.2usGI，或者”HE-LTF-1x+0.8GI”和”HE-LTF-2x+1.6usGI”的组合；
对于PE字段长度为20us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-1x+0.8usGI、HE/EHT-LTF-2x+1.6us GI和HE/EHT-LTF-4x+3.2us GI的组合。
一种WiFi探测方法，包括如下步骤：
步骤S1、感知控制器通知主接入点AP1和从接入点AP2启动WiFi感知；
步骤S2、从接入点AP2作为移动终端STA关联到主接入点AP1上；
步骤S3、主接入点AP1通过高层信令，通知从接入点AP2向主接入点AP1发送WiFi帧；
步骤S4、主接入点AP1根据接收的WiFi帧，从WiFi帧的自定义帧序列中提取测量信息，并将测量信息上报给感知控制器，感知控制器根据测量信息做出被测目标的行为分析。
还包括一种WiFi探测方法，包括如下步骤：
步骤S1、感知控制器通知接入点AP启动WiFi感知；
步骤S2、移动终端STA接入接入点AP；
步骤S3、接入点AP通过高层信令通知移动终端STA启动WiFi感知；
步骤S4、移动终端STA向主接入点AP发送WiFi帧；
步骤S5、接入点AP根据接收的WiFi帧，从WiFi帧的自定义帧序列中提取测量信息，并将测量信息上报给感知控制器，感知控制器根据测量信息做出被测目标的行为分析。
本发明的有益效果在于：将自定义帧序列添加到已有WiFi帧的尾部，不会影响正常WiFi的解调；接收机只需正常处理WiFi信号后，再根据自定义帧序列提取更精准的信道信息；自定义帧序列能提升信道信息提取的精度，对频偏、功率、信道时频信息的测量更精准，提升感知估计性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一中本发明频偏估计效果示意图。
图2为实施例一中本发明Chirp序列频率随时间变化的示意图。
图3为实施例二中本发明被动探测示意图。
图4为实施例二中本发明被动探测工作流程图。
图5为实施例二中本发明主动探测示意图。
图6为实施例二中本发明主动探测工作流程图。
图7为DSSS帧结构。
图8为11g帧结构。
图9为11n帧结构。
图10为11ac帧结构。
图11为11ax帧结构（SU）。
图12为11be帧结构。
图13为实施例三中本发明探测工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种用于感知的WiFi帧结构，WiFi帧结构的尾部添加具有用于感知的自定义帧序列，或WiFi帧结构尾部的PE填充段里填充有用于感知的自定义帧序列。自定义帧序列的信息包括用于感知的功率、频偏和信道时频特性。具体的，自定义帧序列包括x-LTF或Chirp信号，x-LTF表示HT-LTF或VHT-LTF或HE-LTF或EHT-LT。在具体使用时，收发双方，通过高层信令或者SIG中的Reserved字段指示WiFi帧结构尾部的自定义帧序列存在。SIG是指signalfield，是WiFi帧结构前面的控制字段，携带有解调参数(编码方式/调制阶数等),接收机先解析SIG字段，获得后续的解调参数。
第一种情况，针对本身带有PE字段的HE/EHT帧，将PE字段填充为标准协议，接收端提取PE用于估算更精确的PE信息。具体的：
HE/EHT帧结构的PE字段长度4us/8us/12us/16us/20us，可以添加的PE信息为，
对于PE字段长度为4us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-1x+0.8usGI；
对于PE字段长度为8us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-2x+1.6usGI，或者2个HE/EHT-LTF-1x+0.8us GI；
对于PE字段长度为12us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为3个HE/EHT-LTF-1x+0.8us GI， 或者1个HE/EHT-LTF-1x+0.8us GI + 1个HE/EHT-LTF-2x+1.6us GI的组合；对于PE字段长度为16us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-4x+3.2us GI，或者”HE-LTF-1x+0.8GI”和”HE-LTF-2x+1.6usGI”的组合；
对于PE字段长度为20us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-1x+0.8usGI、HE/EHT-LTF-2x+1.6us GI和HE/EHT-LTF-4x+3.2us GI的组合。
第二种情况，在标准WiFi帧结构的尾部添加具有用于感知的自定义帧序列，具体的：
对于HT帧结构，自定义帧序列为1个或多个HT-LTF字段，或者雷达脉冲信号；
对于VHT帧结构，自定义帧序列为1个或多个VHT-LTF字段，或者雷达脉冲信号；
对于HE/EHT帧结构，自定义帧序列为1个或多个HE-LTF字段，或者雷达脉冲信号。
本实施例中的雷达脉冲信号为现有技术，包括但不限于方波、升余弦波，相位编码脉冲，频率步进，线性调频(Chirp)或非线性调频。
本发明添加的自定义帧序列会提升信道信息提取的精度；
结合图1所示，是以频偏(CFO)估计为例，在白噪条件下，160M带宽，不同长度的训练序列的CFO估计结果：
1.当训练序列长度为8us，即标准WiFi标准协议的L-LTF字段的长度；在信噪比SNR为20dB时，频偏估计残差是100+Hz；此时被测目标的多普勒频移(10-200Hz)已完全被淹没在频差中；
2.当把训练序列长度加长到128us，在同样20dB的信噪比条件下，频偏估计平均残差在2Hz左右，对频偏的测量更精准；
类似的，对于功率、信道时频信息，自定义帧序列也会相应提升估计性能。
结合图2所示，WiFi帧尾部添加的自定义帧序列可以是一个或多个Chirp序列。Chirp捷变频序列，与传统的雷达脉冲兼容，可以借助传统的雷达处理方式。本实施例对添加的Chirp序列的图样不做限制，包括升频、降频、或者其他自定义的图样。例如图2所示，给出一种初始频率不为0的升频Chirp示例，其他Chirp图样仍在本发明的保护范围。
实施例二
结合图3和图4所示，在上述实施例一的基础上，一种被动的WiFi探测方法，包括如下步骤：
被动探测工作场景如图3，包含2个以上AP，被测目标不需要和AP建立关联；至少包含1个感知控制器。感知控制器能与AP采用物理线路相连，也可以位于其中的一个AP物理实体上；
步骤S1、感知控制器通知主接入点AP1和从接入点AP2启动WiFi感知；
步骤S2、从接入点AP2作为移动终端STA关联到主接入点AP1上；
步骤S3、主接入点AP1通过高层信令，通知从接入点AP2向主接入点AP1发送WiFi帧；
步骤S4、主接入点AP1根据接收的WiFi帧，从WiFi帧的自定义帧序列中提取测量信息，并将测量信息上报给感知控制器，感知控制器根据测量信息做出被测目标的行为分析。
结合图5和图6所示，在上述实施例一的基础上，一种主动的WiFi探测方法，包括如下步骤：
主动探测工作场景如图5。此时被测目标持有WiFi终端，可以接入到AP，通过探测信道的变化，判断被测目标的状态。感知控制器通过物理线路与AP相连，或者与AP位于同一物理载体；
步骤S1、感知控制器通知接入点AP启动WiFi感知；
步骤S2、移动终端STA接入接入点AP；
步骤S3、接入点AP通过高层信令通知移动终端STA启动WiFi感知；
步骤S4、移动终端STA向主接入点AP发送WiFi帧；
步骤S5、接入点AP根据接收的WiFi帧，从WiFi帧的自定义帧序列中提取测量信息，并将测量信息上报给感知控制器，感知控制器根据测量信息做出被测目标的行为分析。
实施例三
结合图13所示，在工程实现时，可以在传统WiFi收发机基础上，增加感知处理机和协调器。
在发射方向：协调器控制在WiFi信号发送完成后，时域上紧跟着感知专用字段；
在接收方向：协调器控制WiFi正常信号接收完成后，让感知处理机处理感知专用字段，提取更好的感知信息。
感知处理机可以是现有的雷达收发机。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.一种用于感知的WiFi帧的生成方法，其特征在于：WiFi帧结构尾部的PE填充段里填充有用于感知的自定义帧序列；
使用所述WiFi帧结构的收发双方，通过SIG中的Reserved字段指示所述WiFi帧结构尾部的自定义帧序列存在。
2.根据权利要求1所述的一种用于感知的WiFi帧的生成方法，其特征在于：所述自定义帧序列的信息包括用于感知的功率、频偏和信道时频特性。
3.根据权利要求1所述的一种用于感知的WiFi帧的生成方法，其特征在于：所述自定义帧序列包括x-LTF或用于雷达测量的Chirp信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于感知的WiFi帧的生成方法，其特征在于：WiFi帧结构尾部的PE填充段里填充有用于感知的自定义帧序列时，
对于PE字段长度为4us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-1x+0.8us GI；
对于PE字段长度为8us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-2x+1.6us GI，或者2个HE/EHT-LTF-1x+0.8us GI；
对于PE字段长度为16us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-4x+3.2us GI，或者”HE-LTF-1x+0.8GI”和”HE-LTF-2x+1.6usGI”的组合；
对于PE字段长度为20us的HE/EHT帧结构，自定义帧序列为HE/EHT-LTF-1x+0.8us GI、HE/EHT-LTF-2x+1.6us GI和HE/EHT-LTF-4x+3.2us GI的组合。
5.一种WiFi探测方法，采用权利要求1至4中任一一种用于感知的WiFi帧的生成方法生成的WiFi帧，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、感知控制器通知主接入点AP1和从接入点AP2启动WiFi感知；
步骤S2、从接入点AP2作为移动终端STA关联到主接入点AP1上；
步骤S3、主接入点AP1通过高层信令，通知从接入点AP2向主接入点AP1发送WiFi帧；
步骤S4、主接入点AP1根据接收的WiFi帧，从WiFi帧的自定义帧序列中提取测量信息，并将测量信息上报给感知控制器，感知控制器根据测量信息做出被测目标的行为分析。
6.一种WiFi探测方法，采用权利要求1至4中任一一种用于感知的WiFi帧结构，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、感知控制器通知接入点AP启动WiFi感知；
步骤S2、移动终端STA接入接入点AP；
步骤S3、接入点AP通过高层信令通知移动终端STA启动WiFi感知；
步骤S4、移动终端STA向主接入点AP发送WiFi帧；
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