基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法技术

一种基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法，采用普通的两天线WLAN接入点，在接收端利用接收到的CSI信息，对发射端到接收端的飞行时间（Time of flight，TOF）和到达角进行联合估计。本发明专利技术充分考虑了室内复杂的多径环境对角度估计造成的影响，估计角度的平均误差在5度以内，能够满足室内多径信号下的直射径角度估计需求。

【技术实现步骤摘要】
基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法
本专利技术涉及信号处理技术，无线定位
，具体涉及基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法，适用于室内环境的定位系统。
技术介绍
在移动通信领域，人们对基于位置的服务(LocationBasedServices，LBS)的需求正在不断增长，而随着无线局域网络(WirelessLocalAreaNetworks，WLAN)的普及，基于WLAN的室内定位系统正是迎合了这种需求的一个新兴的研究热点。在室内环境下获取来波的AOA(angleofarrival，即波达角)信息可以为室内定位系统提供关键的定位参数，从而实现室内环境下的高精度定位。同时，和目前基于RSSI的定位技术相比，基于AOA的定位技术不需要进行位置指纹库构建，节省了大量的人力成本。同时，基于AOA的定位技术是一种被动定位技术可以轻松的实现基站的网络侧定位，不需要用户安装任何多余软件。因此，如何准确的估计来波方向的到达角是解决室内定位问题的关键。传统的AOA估计算法如MUSIC算法，ESPRIT算法主要采用专用的多天线阵列设备，利用的信号子空间和噪声子空间的正交性实现角度估计。但是传统的角度估计算法也存在明显的缺陷，必须采用专用的大规模阵列天线才能准确的估计出AOA信息，这就为AOA估计在室内的应用推广设置了障碍。目前，移动通信系统中大多采用智能天线技术，因此服务基站将能提供较准确的电波到达角信息，并提供基于网络侧定位的位置服务。例如，目前基于LTE网络的AOA定位系统，该系统利用MIMO的预编码机制来实现AOA的获取。在室内应用中，目前已有Ubicarse系统，在WLAN环境下，采用SAR(SyntheticApertureRadar)的设计思路，通过旋转接收端天线模拟大天线阵列实现角度估计。另外，目前的另外一款系统ArrayPhaser系统通过级联WLAN接入点，实现多天线阵列构造的系统的设计。除此之外，DirectionFinding系统利用WLAN双天线，采用干涉仪测向的原理实现到达角测量。虽然上述系统能够准确的进行到达估计，但是上述系统都存在不同程度的缺陷。Ubicarse系统的实现需要对接收设备天线进行改进；ArrayPhaser系统需要对WLAN接入点设备做较大的改造，同时在级联设计中必须充分考虑到不同设备存在的同步误差，这也后期系统的维护提出了较大的挑战。DirectionFinding系统通过两天线进行角度估计，不能有效的估计出环境中存在的多径信号，同时估计出的角度分辨率较差。上述存在的这些问题都会给AOA定位系统在室内定位领域中的推广带来局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法，它估计角度的平均误差在5度左右，能远远满足室内多径信号的角度估计的需求。本专利技术所述的基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法，包括以下步骤：步骤1、配置无线局域网；步骤2、在发射端采用多个子载波对原始数据进行正交调制；步骤3、估计每个子载波的信道状态信息：在接收端接收到OFDM的CSI信道信息矩阵CSImatrix：其中，csii,j为第i根天线上第j个子载波的信道信息值；步骤4、采用空间平滑算法对接收到的CSI信道矩阵进行去相关处理；步骤5、利用去相关后的CSI信息对信号到达阵列天线的飞行时间TOF和到达角度估计算法进行联合估计，得到波达方向的估计值。所述步骤3中，估计每个子载波的信道状态信息，采用最小二乘(LS)技术进行信道估计；最小二乘技术是假设K个子载波是正交的，即没有ISI(InterSymbolInterference即码间串扰)，接收到的训练信号为Y[k'],k'＝0,1,2,…,K-1对信道H的估计为将代价函数最小化：令代价函数关于的偏导数等于0，得到LS信道估计的解为：令表示中的元素，k'＝0,1,2,…,K-1，由无ISI的假设条件下可知X为对角矩阵，因此每个子载波上的LS信号估计能表示为：所述步骤5中，去相关后的CSI信息对信号到达阵列天线的飞行时间TOF和到达角度估计算法进行联合估计时构造包含AOA和TOF信息的二维方向矩阵：其中是M*1的方向向量，其中M表示利用空间平滑算法对去相关操作后虚拟阵列天线的个数，θk是第k条路径的到达角，τk是第k条路径的飞行时间，最后建立了利用OFDM多载波信息对TOF和AOA进行联合估计的系统；AOA估计方法是利用MUSIC算法完成到达角度的估计；MUSIC算法是根据N个接收信号矢量得到协方差矩阵的估计值；其中，R为协方差矩阵，然后对其进行特征值分解R＝UΣUH，按照特征值U的大小顺序，把与信号个数K相等的最大特征值对应的特征向量看作信号子空间，把剩下的(M-K)个特征值对应特征向量看作噪声子空间，则再使角度遍历360度，按照来计算谱函数PMUSIC，其中为通过寻求峰值来得到波达方向的估计值θ和时间估计值τ，表示方向向量的共轭转置向量。本专利技术具有以下优点：基于现有WiFi设备进行AOA的估计，本专利技术利用接收到的OFDM正交子载波的信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)矩阵对多径信号到达阵列天线的飞行时间(TimeofFlight，TOF)和AOA进行联合估计，相比于传统的WLAN测角技术，本专利技术无需更改任何的收发设备，能够达到相同的测角精度，估计角度的平均误差在5度左右，能够远远满足室内多径信号的角度估计的需求，具有较高的推广价值。附图说明图1本专利技术的原理框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。如图1所示，系统整体原理框图。(1)在WLAN发射网卡上产生原始数据，经过OFDM基带调制后通过射频发出。(2)在WLAN接收网卡上接收经过多径信道的射频信号，然后进行下变频得到基带信号。(3)获取基带信号后，首先对基带信号进行解调，获取接收信号的CSI信息。(4)利用获取到的CSI信息构建观测方程，利用TOF与AOA联合估计算法估计AOA信息。本专利技术所述的基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法，包括以下步骤：步骤1、配置无线局域网：中心频点，带宽，阵列天线个数(2个)，天线间距，正交调制子载波个数，子载波频率间距，信噪比等。步骤2、采用多个子载波对原始数据进行正交调制。步骤3、估计每个子载波的信道状态信息：假设所有子载波是正交的，即没有ISI，可以将K个子载波的训练符号表示成矩阵形式：其中，X[k']表示第k'个子载波上的导频信号，满足Var{X[k']}＝σ2,k＝0,1,2,…K-1。因为假设所有的子载波都是正交的，所以X是一个对角矩阵。给定k个载波的信道增益[H[0]H[1]…H[k'-1]]T，接收到的k'个训练信号[Y[0]Y[1]…Y[k'-1]]T能够表示为：其中，H为信道向量，H＝[H[0],H[1],…,H[k'-1]]T；Z为噪声向量Z＝[Z[0],Z[1],…,Z[k'-1]]T，Y为接收的训练信号向量，Y＝[Y[0]Y[1]…Y[k'-1]]T，满足E{Z[k']}＝0，为了得到信道估计LS信道估计法需要最小化下面的代价函数令代价函数关于的偏导数等于0，即：然后可以得到由此得到LS信道估计的解为：令表示中的元素，k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、配置无线局域网；步骤2、在发射端采用多个子载波对原始数据进行正交调制；步骤3、估计每个子载波的信道状态信息：在接收端接收到OFDM的CSI信道信息矩阵CSImatrix：

【技术特征摘要】
1.一种基于双天线的WLAN接入点AOA的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、配置无线局域网；步骤2、在发射端采用多个子载波对原始数据进行正交调制；步骤3、估计每个子载波的信道状态信息：在接收端接收到OFDM的CSI信道信息矩阵CSImatrix：其中，csii,j为第i根天线上第j个子载波的信道信息值；步骤4、采用空间平滑算法对接收到的CSI信道矩阵进行去相关处理；步骤5、利用去相关后的CSI信息对信号到达阵列天线的飞行时间TOF和到达角度估计算法进行联合估计，得到波达方向的估计值；其中，所述步骤5中，去相关后的CSI信息对信号到达阵列天线的飞行时间TOF和到达角度估计算法进行联合估计时，构造包含AOA和TOF信息的二维方向矩阵：其中是M*1的方向向量，其中M表示利用空间平滑算法对去相关操作后虚拟阵列天线的个数，θk是第k条路径的到达角，τk是第k条路径的飞行时间，最后建立了利用OFDM多载波信息对TOF和AOA进行联合估计的系统；AOA估计方法是利用MUSIC算法完成到达角度的估计；MUSIC算法是根据N个接收信号矢量x(n)得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：田增山，张振源，吴自鹏，周牧，廉颖慧，李泽，金悦，林天瑜，王嘉诚，张千坤，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50