一种利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法技术

本发明专利技术公布了一种利用无线电RF信号检测人的行走方向的方法，分别在已知的固定位置放置一个信号发送设备Tx和两个信号接收设备Rx1、Rx2；Rx1、Rx2分别与Tx的连线尽可能垂直，Tx‑Rx1和Tx‑Rx2设备对之间没有阻挡；信号采用OFDM调制，通过测量信道状态信息获取信号强度变化的信息；通过测量无线电RF信号提取多频率无线信道变化，计算得到人的行走方向。本发明专利技术技术方案不受基于设备的感知方法中人必须携带传感设备才能检测行走方向的限制，可以利用已有的无线信道CSI数值，无需在无线收发设备上进行硬件改动，节约成本；还可以实时连续运行，具有方便实用、检测误差较小、精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无设备感知技术，尤其涉及一种利用无线电RF(Radio Frequency，射频)信号检测人的行走方向的方法，利用人的行走对无线电RF信号产生的扰动，通过测量并提取多频率无线信道变化，计算得到人的行走方向。
技术介绍
室内人的行走方式是一种重要的情境，感知行走方向能为很多应用提供支撑。判断人的行走方向的现有技术根据被感知的人是否需要随身携带某种设备，大致分为两类：无设备感知和基于设备的感知。其中，基于设备的感知允许人携带某种传感器，依据传感器的不同，感知行走方向的方法也有多种。2014年，University of Illinois(UIUC)的Nirupam Roy在文献“I am a Smartphone and I can Tell my UsersWalking Direction”中提出一种利用手机感知室内行走方向的方法WalkCompass。该方法利用手机上存在的加速度传感器，可以得出，人在移动过程中，空间三个维度上的加速度数据。加速度数据投射到水平面上即可知可以水平面上的运动加速情况。WalkCompass判别行走方向是一个两步的过程：1)Nirupam Roy观察到当人行走时，脚步触及地面产生一种特殊震动，这种震动传递到整个身体，并能被放置在身上各种位置的手机都可以感知到。WalkCompass利用这种震动作为参考，向前扫描信号，当躯干移动占行走主要过程时提取特定的样本。信号随后依据手机陀螺仪的数据进行修正，以补偿行走时手机姿态的变化的影响。最终，加速度向量投影到垂直于重力的平面上，每几步进行平均，以进行相对于手机的本地行走方向的估计；2)将基于手机的本地方向映射到全局地磁坐标系统上，这是利用手机里的地磁传感器(电子罗盘)完成的。由于手机磁感应罗盘易受环境中金属物体的影响，直接利用罗盘数据误差较大。WalkCompass利用行走中多次测量罗盘数据，来进行三角定位，三角定位的信息可以修正罗盘的数据。在行走的一步中，移动的距离较短，罗盘在多次测量中会受到环境同样程度的影响。因此，WalkCompass利用基于陀螺仪的盲导航技术跟踪移动过程中的多次测量的位置信息。基于设备判别人的移动方向的方法还可通过持续定位完成，即通过各种方法估计手机或可穿戴设备等在室内的位置，利用不同时间估计出位置的变化来测量行走方向。方向的测量精度取决于定位的精度和单位时间可计算出结果的数量。在没有环境设备的辅助下，仅靠手持设备完成定位，目前主要是通过信息指纹匹配的方法或基于测距/角度的方法来完成。在指纹匹配方法中，待检测区域内某种信号满足两种要求：1)可区分性。即检测区域内不同位置的信号不同。2)时间稳定性。即在一定的时间内(例如几个月内)，这种信号的差异性保持不变。算法是利用手机里已有的针对某种信号的传感器，对场地预先进行大量采样，然后经过特征抽取和训练后，和位置信息进行映射，形成数据库。这是学习的过程。使用时，将采集的信号经过同样处理，和数据库中的记录进行比较，并估计位置，一般多采用贝叶斯方法。指纹匹配的方法的问题在于需要事先进行大量采样和训练，且每次环境、设备放置位置变化后需要重新采样及训练。现有利用地磁信号、无线信号(GSM/WiFi RSSI)等信息的基于指纹的定位技术，精度大约在房间级，远不能达到估计室内移动方向的要求。而利用物理层CSI信息能够获得精细一些的定位。2013年伍楷舜等在文献“CSI-Based Indoor Localization”中构建了精细室内定位FILA(Fine-grained Indoor Localization)系统，该系统使用WiFi CSI信息的基于指纹匹配的定位，在单个AP的情况下，平均精度约为3米；两个AP的情况平均精度约为1.5米。基于测距的方法工作时，可以分别测量相对于多个已知位置的信号源的距离，然后利用几何方法估计位置。测距方法利用的信号达到时间ToF(TimeofFlight)信息，距离等于ToF乘以信号传播速度。使用声波测距需要房间内布置专用设备；利用WiFi等无线信号则可以复用现有网络设施。然而，由于无线电以光速传播，基于无线电的测距需要精确的到达时间的测量，而精确的ToF测量需要大的带宽。现有WiFi协议的20MHz带宽下，能够分辨的时间间隔为50纳秒，约为15米精度。由于通常的房间尺寸小于15米，在精度约为15米的情况下，该方法无法区分15米内的不同路径长度，因此无法满足要求。基于角度的方法通过测量信号的达到角度AoA(Angleof Arrival)信息估计位置。角度的估计需要天线阵列，即每个接收端多个天线。天线数量越多，角度误差越小。已有技术大多基于超级解析度MUSIC算法或是它的某一变种。通过定位信号相对于已知若干个参考位置的角度，通过几何方法可以计算信号源的位置。2014年熊杰等人在文献(Phaser:Enabling Phased Array Signal Processing onCommodity WiFi Access Points)中记载了，利用多个AP的WiFi信号的到达角度信息进行定位，可以达到约1米的平均精度。但该精度需要每个AP配备5个天线下获得，而通常的WiFi设备并不配置这么多天线。2015年，熊杰在文献(ToneTrack:Leveraging Frequency-Agile Radios forTime-Based Indoor Wireless Localization)中构建了ToneTrack，该系统使用了跳频技术，在多个相邻的WiFi频段快速切换，以提高定位精度。ToneTrack在使用6个专用WARP硬件模拟的WiFi AP，捆绑使用3个20MHz频道下，达到0.9米的平均定位精度。2015年ManikantaKotaru等人利用WiFiCSI信息对MUSIC算法进行改进，从而减少了需要的天线数量(SpotFi:Decimeter Level Localization Using WiFi)。SpotFi使用了6个AP，每个AP装配3根天线，定位精度约为0.4米，达到了以往每个AP需要6根天线的相当的结果。在使用两个AP的情况下，SpotFi达到约1.6米的精度。Deepak Vasisht等人通过扫描WiFi的所有频道，将扫描结果拼接在一起，以提高时间分辨率以及测距精度(Sub-Nanosecond Time of Flight on CommercialWi-Fi Cards)。该方法仅需要一个AP，在存在LoS(Lineof Sight)的情况下可以达到0.58米定位精度，在NLoS(Non Lineof Sight)情况下达到1.18米定位精度。但该方法需要在AP端和手机端同步修改驱动，实现全频段扫描，无法直接在商用WiFi软件基础上实现。基于无设备感知的行走方向判断是利用人对信号的影响来检测的，通常使用无线信号。人在室内行走时不需要携带任何设备。最常用的检测方法是利用多普勒原理。多普勒雷达就是典型的例子。但是雷达的实现价格昂贵、难以小型化，用于室内移动检测并不实际。利用软件无线电来实施检测是另一类实现方法，优点在于可以精确同步发送、接收端的信号，但存在的问题是精确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法，其特征是，分别在已知的固定位置放置一个信号发送设备Tx和两个信号接收设备Rx1、Rx2；Rx1、Rx2分别与Tx的连线尽可能垂直，Tx‑Rx1设备对和Tx‑Rx2设备对之间没有阻挡；信号采用OFDM调制，通过测量信道状态信息提取多频率OFDM子通道无线信道变化的信息，计算得到人的行走方向；包括如下步骤：1)数据采集获取与预处理：Tx发射无线电信号，随着时间不断采集信道状态信息，形成时间序列，经预处理得到均匀信道状态信息时间序列；2)进行特征提取，包括：对所述均匀信道状态信息时间序列整体切分为时间窗口；对每个时间窗口，通过计算比较OFDM不同子载波间的延时，检测一段时间内延时的分布，分别作为人相对于Tx‑Rx1设备对或Tx‑Rx2设备对中单对设备相应的移动方向，由此识别人相对于某设备对是否发生了距离改变的移动；估计对应的每个时间窗口的波动周期数量，作为人相对于该对设备的移动距离；3)进行方向估计，得到人的移动方向，即人的行走方向；包括两种情况：a)当人相对于Tx‑Rx1和Tx‑Rx2两对设备的关系均为发生了距离改变的移动时，利用几何方法计算得到人的移动方向；b)当人相对于其中一对设备发生了距离改变的移动，而人相对于另一对设备发生的移动不是距离改变的移动时，利用经验方法估计得到人的移动方向。...

【技术特征摘要】
1.一种利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法，其特征是，分别在已知的固定位置放置一个信号发送设备Tx和两个信号接收设备Rx1、Rx2；Rx1、Rx2分别与Tx的连线尽可能垂直，Tx-Rx1设备对和Tx-Rx2设备对之间没有阻挡；信号采用OFDM调制，通过测量信道状态信息提取多频率OFDM子通道无线信道变化的信息，计算得到人的行走方向；包括如下步骤：1)数据采集获取与预处理：Tx发射无线电信号，随着时间不断采集信道状态信息，形成时间序列，经预处理得到均匀信道状态信息时间序列；2)进行特征提取，包括：对所述均匀信道状态信息时间序列整体切分为时间窗口；对每个时间窗口，通过计算比较OFDM不同子载波间的延时，检测一段时间内延时的分布，分别作为人相对于Tx-Rx1设备对或Tx-Rx2设备对中单对设备相应的移动方向，由此识别人相对于某设备对是否发生了距离改变的移动；估计对应的每个时间窗口的波动周期数量，作为人相对于该对设备的移动距离；3)进行方向估计，得到人的移动方向，即人的行走方向；包括两种情况：a)当人相对于Tx-Rx1和Tx-Rx2两对设备的关系均为发生了距离改变的移动时，利用几何方法计算得到人的移动方向；b)当人相对于其中一对设备发生了距离改变的移动，而人相对于另一对设备发生的移动不是距离改变的移动时，利用经验方法估计得到人的移动方向。2.如权利要求1所述利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法，其特征是，步骤1)所述Tx发射无线电信号为随着无线数据通信正常发送无线电信号；所述信道状态信息包括OFDM子通道的传输特性信息、采集时的发送天线编号、接收天线编号和采集时刻的时间戳。3.如权利要求1所述利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法，其特征是，步骤1)数据采集获取信道状态信息跟随通讯的过程同步完成；具体是在无线设备发送端集中采集，或者是在两个无线设备接收端分别采集；将采集到的信息集中在一起进行预处理。4.如权利要求3所述利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法，其特征是，所述信道状态信息采样率至少达到300Hz。5.如权利要求3所述利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法，其特征是，当信道状态信息是在两个无线设备接收端Rx分别采集时，需对齐两个无线设备接收端信道状态信息的时间序列，所述对齐包括如下步骤：a)采集到的信道状态信息数值包含网卡形成的时间戳，将每个接收端的信道状态信息时间序列的时间戳前后相减，形成相对时间戳；所述相对时间戳表示每次信道状态信息测量的时间间隔，以晶振计数的数量表示；b)将所述相对时间戳乘以网卡晶振频率，得到相对时间的时间戳；c)将两个接收端产生的相对时间戳通过最大公共子序列匹配算法，找出公共子序列在两个相对时间戳的起始位置；d)将起始位置数值相减得到差，再根据起始位置的差对齐两个接收端的信道状态信息时间序列。6.如权利要求1所述利用无线电射频信号检测人的行走方向的方法，其特征是，步骤1)所述信道状态信息的预处理包括：将采集到的信道状态信息时间序列取绝对值后平方；对信道状...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大庆，吴丹，王皓，王亚沙，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11