一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位系统，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递。所述设备传输相位误差消除模块用于消除两个通信设备之间存在的相位收发误差。本发明专利技术增加了一个设备传输相位误差消除模块用于对设备间传输所引起的相位偏移进行消除，保证了相位测距的可靠性，提高了测量精度。

A WiFi ToF Ranging and Positioning System Based on Channel State Information

The invention discloses a WiFi ToF ranging and positioning system based on channel state information, which includes a base station and a mobile point end. The base station includes a WiFi module, which is connected with a CSI extraction module. The CSI extraction module is connected with a device transmission phase error cancellation module, and the device transmission phase error elimination module is connected with a phase extraction module and a subcarrier phase error elimination module. The phase extraction and subcarrier phase error elimination module is connected with a ToF ranging module, and the device transmits a bidirectional signal transmission between the phase error elimination module and the WiFi module. The device transmission phase error elimination module is used to eliminate the phase error between two communication devices. The invention adds a device transmission phase error elimination module for eliminating phase offset caused by inter-device transmission, which ensures the reliability of phase ranging and improves the measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统
本专利技术涉及无线定位
，特别是一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统。
技术介绍
从星图导航到指南针，从GPS到室内定位，人们对于位置服务的需求自古至今。在当今社会的定位技术之中，无线定位技术由于其穿透性高，覆盖范围广，超视距传输，价格低廉等特点，成为了主流定位技术。随着物联网产业的发展，人们对位置的需求越来越高，传统的无线定位精度(2M-10M)已经渐渐的不能满足当前的需求。例如在无人机的定位追踪领域，或者是室内的电子围栏等等，都对定位精度有很高的要求。于是也出现了一批高精度的无线定位技术，例如UWB技术。但是UWB技术需要额外的部署UWB基站，不仅造价高昂，而且对于普通用户来说该设备仅仅是定位设备，这就会造成空间中的设备冗余或是利用率低等问题。而解决这一个问题的最好办法就是利用当前随处可见的WiFi设备进行无线定位。正是由于WiFi的普遍性这一特点，近几年WiFi定位的研究和应用已经成为热点。学术界和市场上涌现出了一批WiFi定位技术，这些技术大多基于RSSI场强信号，或是RSSI指纹信息进行定位。由于WiFi并不是专门的定位设备，其频段受环境的干扰也较强，利用以上的定位技术，一般的定位精度只有5M-10M。为了解决传统WiFi定位技术精度低的问题，近两年，学术界关注到了802.11n协议中提供的一种CSI信道状态信息，许多IEEE802.11标准使用OFDM调制信号，将其通过多个正交子载波进行传送，每个子载波上传送的信号都有不同的信号强度和相位。具体来说，可以以CSI的形式输出WiFi带宽范围内的CFR的一个采样：H＝[H(f1)，H(f2)，…，H(fi)，…，H(fN)]T，i∈[1，30]。每个CSI刻画了一个子载波的幅度和相位。哈尔滨工业大学的CN106950538A专利就公开了一种基于中国剩余定理的ToF测距方法。该方法求取ToF的步骤如下：1、通过跳频获取多个频率的CSI信息2、从CSI中提取出相位信息3、对信道状态信息中的相位进行消除4、利用中国剩余定理求解ToF理论上该方法可行，利用跳频能够求解出ToF时间，然而其步骤3中，对于信道状态信息中的相位进行消除，依然存在问题。该专利的步骤3利用OFDM的0号子载波来去除子载波之间的频差带来的相位偏移，然而除了这个偏移以外，发射端和接受端的交互过程中依然存在众多误差，例如不同频率的PLL锁相环偏移和天线处理的频偏等等。甚至是由于没有高精度时钟，带来的相位检测不准确。种种因素都导致了该方法无法去除相位误差，以至于使用该架构无法进行最终的ToF测距。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种高精度的基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述WiFi模块至CSI提取模块单向信号传递，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述CSI提取模块至设备传输相位误差消除模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块至相位提取和子载波相位误差消除模块单向信号传递，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块至ToF测距模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递。进一步的，所述设备传输相位误差消除模块用于消除两个通信设备之间存在的相位收发误差。进一步的，所述相位收发误差包括发射端处理误差、天线传输误差、接受端处理误差。进一步的，所述移动点端包括WiFi定位模块，所述WiFi定位模块与WiFi模块之间通过天线阵列双向信号传递，所述WiFi定位模块连接有高精度时钟。进一步的，所述消除两个通信设备之间存在的相位收发误差的方法包括：定位基站的发送A定位帧，通过MIMO和OFDM方法调制后经由天线阵列发送，此时由于发送端锁相环产生相位偏移调制后的A定位帧在空间中传播，基站天线阵列发送过程中产生微小频偏fA，移动点端天线阵列接受过程中产生微小频偏fB，此过程中产生的相位偏移和信号飞行时间τ有关；调制后的A定位帧被移动点端B捕获，经移动点端芯片处理得到CSIAB，此时产生发送端锁相环频偏此时解析的相位值包含以下误差使用CSI信道模型表示，则有其中CSIrx表示收到的信道CSI数据，H表示未发生偏移的CSI数据，是产生的偏移；高精度时钟确保芯片收到信号的同时发送一帧回去；移动点端WiFi定位模块通过MIMO和OFDM方法调制返回帧，经由天线阵列发送，此时由于移动点端锁相环产生相位偏移调制后的返回帧在空间中传播，移动点端天线发送过程中产生微小频偏fB，基站天线在接受过程中产生微小频偏fA；调制后的返回帧被基站A捕获，经基站芯片处理得到CSIBA，此时产生的PLL频偏在上述的发送过程，移动点端将收到的CSIAB传输给基站，所述移动点端将收到的CSIAB传输给基站的方式包括：在发送返回帧时，将CSIAB作为数据，一同发送；或者在发送返回帧后，单独将CSIAB作为数据发送给基站；或者移动点端将CSIAB作为数据发送给服务器，由服务器发送给基站；使用CSI信道模型表示，则有CFO消除算法，原理是通过CSIAB和CSIBA的计算消除中间产生的误差；根据CSI信道模型，有CSIABCSIBA＝H2能够消除CFO相位偏移。进一步的，所述相位提取和子载波相位误差消除模块用于对OFDM传播模型中的0号子载波的相位进行估计，得到最终相位值。进一步的，所述CSI提取模块用于从WiFi模块中提取出CSI矩阵。进一步的，所述ToF测距模块用于根据相位值进行ToF距离估算。进一步的，所述ToF距离估算先利用跳频采样技术能够获取不同频率ToF值，再利用中国剩余定理进行求解，得到唯一ToF值。进一步的，所述对OFDM传播模型中的0号子载波的相位进行估计，得到最终相位值具体为：基站WiFi模型处理经过CFO消除后的CSI信号，提取OFDM的30个子载波相位值，在OFDM的无线信号传播模型中，各子载波的相位值存在频偏fi，为载波发射频率，τ为飞行时间，关系如下：由于0号子载波无任何频偏，且OFDM子载波编号为-15，-14，...-1，1，...，14，15，因此使用-1和1的相位值对0号子载波的相位值进行估计。相比于现有技术，本专利技术的优点在于：本专利技术增加了一个设备传输相位误差消除模块用于对设备间传输所引起的相位偏移进行消除，保证了相位测距的可靠性，提高了测量精度。附图说明图1为本专利技术的基站结构图。图2为本专利技术的系统原理图。图3为本专利技术设备传输相位误差消除数据流图。具体实施方式下面结合说明书附图和具体的实施例，对本专利技术作详细描述。如图1所示，一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述WiFi模块至CSI提取模块单向信号传递，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述CSI提取模块至设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于信道状态信息的WiFi ToF测距定位系统，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，其特征在于所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述WiFi模块至CSI提取模块单向信号传递，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述CSI提取模块至设备传输相位误差消除模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块至相位提取和子载波相位误差消除模块单向信号传递，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块至ToF测距模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递。

【技术特征摘要】
1.一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统，包括基站和移动点端，所述基站包括WiFi模块，其特征在于所述WiFi模块连接有CSI提取模块，所述WiFi模块至CSI提取模块单向信号传递，所述CSI提取模块连接有设备传输相位误差消除模块，所述CSI提取模块至设备传输相位误差消除模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块连接有相位提取和子载波相位误差消除模块，所述设备传输相位误差消除模块至相位提取和子载波相位误差消除模块单向信号传递，所述相位提取和子载波相位误差消除模块连接有ToF测距模块，所述相位提取和子载波相位误差消除模块至ToF测距模块单向信号传递，所述设备传输相位误差消除模块与WiFi模块双向信号传递。2.根据权利要求1所述的一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统，其特征在于所述设备传输相位误差消除模块用于消除两个通信设备之间存在的相位收发误差。3.根据权利要求2所述的一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统，其特征在于所述相位收发误差包括发射端处理误差、天线传输误差、接受端处理误差。4.根据权利要求2所述的一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统，其特征在于所述移动点端包括WiFi定位模块，所述WiFi定位模块与WiFi模块之间通过天线阵列双向信号传递，所述WiFi定位模块连接有高精度时钟。5.根据权利要求4所述的一种基于信道状态信息的WiFiToF测距定位系统，其特征在于所述消除两个通信设备之间存在的相位收发误差的方法包括：定位基站的发送A定位帧，通过MIMO和OFDM方法调制后经由天线阵列发送，此时由于发送端锁相环产生相位偏移调制后的A定位帧在空间中传播，基站天线阵列发送过程中产生微小频偏fA，移动点端天线阵列接受过程中产生微小频偏fB，此过程中产生的相位偏移和信号飞行时间τ有关；调制后的A定位帧被移动点端B捕获，经移动点端芯片处理得到CSIAB，此时产生发送端锁相环频偏此时解析的相位值包含以下误差使用CSI信道模型表示，则有其中CSIrx表示收到的信道CSI数据，H表示未发生偏移的CSI数据，是产生的偏移；高精度时钟确保芯片收到信号的同时发送一帧回去；移动点端WiFi定位模块通过MIMO和OFDM方法调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵力斌，
申请(专利权)人：南京荣飞科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32