基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统技术方案

本发明专利技术公开了基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，该系统主要设备有运行CSI信号特征采集程序的无线AP及运行定位算法的定位服务器所构成，所述无线AP模块在具备普通无线AP的基础上能够将无线通信过程中远端无线设备与本AP无线信道间的CSI特征信息进行提取，并通过高速以太网将相关信息发送到定位服务器；定位服务器运行定位算法，将CSI特征信息转化为待定位移动设备的位置信息。本发明专利技术通过提取其通信过程中信道状态信息里，基于各正交频分复用的子载波间信道状态信息的相位变化特征，进行室内条件下的高精度的室内实时定位问题，满足了实际使用要求。

【技术实现步骤摘要】
基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统
本专利技术涉及基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，属于室内导航、物品定位及VR眼镜跟踪

技术介绍
(1)OFDM:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用，一种较为流行的无线通信技术，广泛应用于PC、手机等移动设备的通信过程；(2)信道状态信息：ChannelStateInformation,CSI。一种较信号接收强度RSSI，更加细粒度刻画无线通信过程中，信道响应特征的表示方法。通常包含时域CIR(信道冲击响应)和CFR(信道频率响应)，其中CFR又包含幅频特性和相频特性。定位问题按照定位范围可分为室外定位和室内定位，室外定位系统通常基于卫星实现如GPS系统，北斗定位系统等。室内定位的应用场景在建筑物内，如商场、办公室、家庭内等，在此坏境下传统的室外定位装置如GPS等信号无法穿透，则失去了定位功能。在此情况下，出现了一些解决方法，如基于蓝牙装置进行定位(蓝牙定位系统，申请号：201410335428.1，亚米级蓝牙定位系统，申请号：201520274456.7)等等，基于Zigbee的定位(车位定位方法、系统与Zigbee模块，申请号：201310170194.5，基于ZigBee的井下人员定位方法，申请号：201210220512.X)等等。室内定位方法按照定位原理可以分为①基于信号强度传播衰减模型的②基于信号到达延迟时间的③基于室内信号指纹特征等。(一)基于信号传播模型是指由于无线信号在室内传播要经历衰减过程，一般依据传播距离按照指数特征衰减，通过测量接收信号的强度来反推信号传播距离从而实现定位(基于分类阈值及信号强度权重的室内定位方法，一种基于Wi-Fi信号强度的井下人员定位方法，申请号：201210474698.1，基于射频接收信号强度值的隧道内车辆的动态定位方法，申请号：201210366475.3)等等。此类定位方法的缺陷主要有：(1)信号在室内传播的传播衰减模型由于天线极化以及传播过程中多径、反射以及衍射的影响一般较为复杂，且在各个方向缺乏均匀性，且对于不同的定位区域没有统一的解析表达式；(2)所建立的传播模型十分容易受到室内物体，如家具、窗户等物体移动的影响，需要及时进行校正，否则不能进行定位；(3)接收信号强度RSSI是并不是直接反应接收信号功率的数值，且极易受到天线极化特性和室内环境的影响，即使在静止的室内环境下某位置的RSSI也不能保持为一个常数。因此基于接收信号强度衰减模型进行定位准确度不高。(二)基于信号到达延迟时间(TimeofArrival,TOA)的方法是利用估算无线信号在室内空间中传播所需时间，从而反推发射器到接收器之间距离的方法，通常基于三边定位方法得到被定位物体的空间位置。(基于TOA测距的人员精确定位系统及其定位方法，申请号：201210036395.1，一种超宽带定位的TOA估计方法及电路总成，申请号：201310065362.4)。此类定位方法的主要缺陷有：(1)由于基于传播时间延迟，要求所使用设备间必须有精度极高的时间同步性(2)对设备中的ADC以及DAC的分辨率和精度要求非常高(3)在室内多径情况下很难分辨直接路径，造成定位失效。(三)基于室内信号指纹特征的定位方法。这个方法是通过将不同位置的无线信号信息如RSSI或CSI等采集下来，并按位置进行标注，再根据定位时所采集的信号特征反推出所处位置的方法。(位置指纹定位方法及定位系统，申请号：201210362038.4，室内定位指纹库的指纹信息收集方法及系统，申请号：201210223335.0)。此类方法的主要缺陷有：(1)指纹构建步骤较为繁琐，需要人员在所处区域以地毯式进行信号采集(2)所采集的信号指纹易受天气、温度及背景环境的影响，造成定位失效(3)室内环境中无线信号分布并不连续，造成可以在A点或B点定位准确，但无法定位AB之间的位置。综上所述，(1)GPS定位系统由于卫星信号无法穿透较厚的墙体，使之无法实现室内定位；(2)基于GSM/GPRS的移动基站定位精确度不高，且易受到移动通信运营商制约；(3)基于蓝牙，Zigbee等信号的定位系统需要购置专用设备，且定位方法基于接收信号强度RSSI，精度不高；(4)普通基于WiFi信号定位方法，虽无需专用设备，但通常也是基于接收信号强度RSSI，精度有限；(5)相关基于WiFi通信过程中信道状态信息进行定位的系统，基于的是CSI中的幅度特征，且依赖于估算WiFi信号传播衰减模型，此模型受室内环境影响较大，需要修正，且精度不高。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术存在的不足，提供基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，基于普通WiFi设备通过提取其通信过程中信道状态信息里，基于各正交频分复用的子载波间信道状态信息的相位变化特征，得到由于信号传播距离所引起的延时，从而计算出接收器到各发射天线的距离，进行室内条件下的高精度的室内实时定位问题，满足了实际使用要求。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，该系统主要设备有运行CSI信号特征采集程序的无线AP以及运行定位算法的定位服务器所构成，其中，所述无线AP模块在具备普通无线AP的基础上能够将无线通信过程中远端无线设备与本AP无线信道间的CSI特征信息进行提取，并通过高速以太网将相关信息发送到所述定位服务器；所述定位服务器运行定位算法，将CSI特征信息转化为待定位移动设备的位置信息。作为上述技术方案的改进，所述基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统的使用流程包括：首先在室内环境下部署上述无线AP并安装好天线(所述天线包括天线1、天线2及天线3)，所述天线1、天线2及天线3的位置应不在同一空间直线上，其次，使用激光测量仪测量所述天线在空间中的坐标位置，并输入到定位系统中，作为锚点使用；随后，将无线通信设备(如手机等)连接到该无线AP的SSID，并进行随意的无线WiFi通信，所述无线AP在完成与无线设备通信的基础上会将通信过程中的信道状态信息CSI发送给所述定位服务器，所述定位服务器基于定位算法实时计算出待定位无线移动设备的位置。作为上述技术方案的改进，所述定位算法的处理流程包括：首先所述定位服务器运行后对所接收的包含信道状态信息的数据包进行检测，数据有效后对信道状态信息进行分离，分别得到信道状态信息的幅频特性和相频特性，随后基于所得到的相频特性，基于WiFi通信(802.11n)过程中的MIMO技术特点，其载波的信道特征的相频特性应随频率增大呈现线性下降趋势，可被表示为-2πΔτf；式中：Δτ__为由于距离；载频偏移(Carrierfrequencyoffset,CFO)以及采样频率偏移(Samplingfrequencyoffset,SFO)所引起的，可以表示为Δτ＝d/C+ΔτCFO+ΔτSFO(具体如说明书附图3-1所示)；其中，由于该特性在超出2π后会出现“折返现象”，故对其进行校正，得到相频特性(如说明书附图3-2所示)；然本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，其特征在于：该系统主要设备有运行CSI信号特征采集程序的无线AP以及运行定位算法的定位服务器所构成，其中，所述无线AP模块在具备普通无线AP的基础上能够将无线通信过程中远端无线设备与本AP无线信道间的CSI特征信息进行提取，并通过高速以太网将相关信息发送到所述定位服务器；所述定位服务器运行定位算法，将CSI特征信息转化为待定位移动设备的位置信息。

【技术特征摘要】
1.基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，其特征在于：该系统主要设备有运行CSI信号特征采集程序的无线AP以及运行定位算法的定位服务器所构成，其中，所述无线AP模块在具备普通无线AP的基础上能够将无线通信过程中远端无线设备与本AP无线信道间的CSI特征信息进行提取，并通过高速以太网将相关信息发送到所述定位服务器；所述定位服务器运行定位算法，将CSI特征信息转化为待定位移动设备的位置信息。2.根据权利要求1所述基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，其特征在于：所述基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统的使用流程包括：首先在室内环境下部署上述无线AP并安装好天线(所述天线包括天线1、天线2及天线3)，所述天线1、天线2及天线3的位置应不在同一空间直线上，其次，使用激光测量仪测量所述天线在空间中的坐标位置，并输入到定位系统中，作为锚点使用；随后，将无线通信设备(如手机等)连接到该无线AP的SSID，并进行随意的无线WiFi通信，所述无线AP在完成与无线设备通信的基础上会将通信过程中的信道状态信息CSI发送给所述定位服务器，所述定位服务器基于定位算法实时计算出待定位无线移动设备的位置。3.根据权利要求1所述基于OFDM信道状态信息相位变化特征的高精度室内WiFi定位系统，其特征在于：所述定位算法的处理流程包括：首先所述定位服务器运行后对所接收的包含信道状态信息的数据包进行检测，数据有效后对信道状态信息进行分离，分别得到信道状态信息的幅频特性和相频特性，随后基于所得到的相频特性，基于WiFi通信(802.11n)过程中...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵亮，陈桂林，赵生慧，杨斌，
申请(专利权)人：滁州学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34