一种使用Wi-Fi物理层信息校准FTM的方法技术

本发明专利技术属于无线定位领域，提出一种使用Wi

【技术实现步骤摘要】
一种使用Wi
‑
Fi物理层信息校准FTM的方法


[0001]本专利技术涉及无线定位领域，尤其涉及一种使用Wi
‑
Fi物理层信息校准FTM的方法。

技术介绍

[0002]室内定位一直是一个活跃的研究领域。目前，室内定位的方式多种多样，包括UWB，Wi
‑
Fi，声音等。在所有这些技术中，使用Wi
‑
Fi基础设施的技术由于在室内环境中的普及而引起了越来越多的关注。
[0003]IEEE 802.11
‑
2016规范了精细时间测量(FTM)协议，这是一种基于信号往返时间(RTT)的方法，用于计算Wi
‑
Fi客户和AP之间的距离。目前，许多移动设备和路由器都支持FTM，如谷歌Pixel系列、三星Note 10+和Compulab WILD路由器。与接收信号强度信息相比，FTM能够在开放空间实现预期的米级测距精度，这决定了FTM的广泛应用，如三维室内定位和车辆跟踪等。
[0004]由于室内环境复杂多变，无线信号会受到多径效应和时间变化的信道特性的影响。当信号通过不同路径到达接收器时，这些路径的不同长度将导致不同的RTT。一般来说，直接路径的信号强度在NLOS中可能会严重降低，从而导致更大的RTT。在这种情况下，无论信号沿着哪条路径到达接收器，都会产生偏差。考虑到LOS条件下，直接信号分量比其他信号分量占优势，这时FTM返回一个更准确的值。在复杂的NLOS环境中，多径信道和接收机信号的叠加会大大影响测距精度。定位系统只要能分辨出直接路径和反射路径，就有很好的精度，准确检测它们需要对信道进行细粒度的多径分解。
[0005]鉴于此，FTM需要被校准以适应环境的变化。已经有很多工作通过不同的方法对FTM进行校准，包括基于深度学习的工作、基于几何学的工作、以及基于传感器辅助的工作。上述工作都需要进行复杂的计算。我们探讨了通过使用多信号分类(MUSIC)处理信道状态信息(CSI)来校准FTM误差的可行性，这是解决多径和计算直接路径TOF的可行方法。无线信号的传播模型可以由CSI从时域和频域的角度进行详细描述。CSI可以反映信道的多径特性，使其适用于高精度的应用，例如，室内定位、无线测距、动作识别、人体跟踪等。提供CSI信息的最突出的现成设备是基于IEEE 802.11n标准Intel 5300网卡。然而，802.11n已经存在了10年之久。较新的标准，如802.11ac和802.11ax可能提供更好的性能。我们使用AX200网卡和Picoscence平台从物理层提取CSI作为细粒度的特征。
[0006]基于现有的技术，需要提出一种基于Wi
‑
Fi物理层信息的误差校准模型，能够自动识别环境特征并估计信号传播路径的长度，并表现出良好的测距以及定位能力。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种使用Wi
‑
Fi物理层信息校准FTM的方法，融合Wi
‑
Fi物理层特征信息提高测距的准确性；采用基于用户流动性的优化方法，以进一步提高在实际环境中的定位鲁棒性。提出的方法能够提高在实际环境中FTM技术测距的准确性和鲁棒性，利用Wi
‑
Fi物理层的信道状态信息建立一种误差校准模型和利用基于欧氏几何的设备移动
策略优化误差，达到FTM可以自动识别环境特征并具有高精度测距及定位的目的。
[0008]本专利技术技术方案如下：
[0009]一种使用Wi
‑
Fi物理层信息校准FTM的方法，包括特征数据的处理和校准算法的实现，步骤如下：
[0010]1)获取收发端设备之间的FTM数据集和CSI信息；利用正态分布拟合空旷环境下测得的FTM数据集，与收发端实际距离相比，支持FTM协议的设备的硬件误差为1.11m～1.13m；利用多信号分类MUSIC算法将CSI信息转换到功率延迟剖面PDP频谱上分析；
[0011]2)通过提取频谱的峰值确定传播路径；首先对路径强度进行离差标准化处理使其路径强度值处于0～1之间，然后设定强度阈值，提取路径强度不小于该强度阈值的路径，得到可靠路径集PATH；从可靠路径集中提取信号传播路径数量K、路径强度P、路径相对强度R和路径的时延特征τ；
[0012]其中，第k条路径的相对强度R
k
计算如下：
[0013]2.1)可靠路径集PATH中提取每条路径k的路径强度P
k
；
[0014]2.2)得到每条路径k的相对强度R
k
：
[0015][0016]3)设置FTM在新的请求之前的延迟时间为500ms～1000ms，获取至少20s的样本数据平均值建立路径的相对强度R
k
与FTM的校准公式，得到直接路径D1的距离：
[0017][0018]其中，D
k
是每条信号传播路径的距离，k＝1对应的是直接路径；
[0019]直接路径和反射路径的时间差对应于实际的时间差：
[0020]D
k
＝D1+(τ
k
‑
τ1)c，
[0021]其中，τ
k
是每条信号传播路径的时延，τ1对应的是直接路径的时延，c为光速；
[0022]4)考虑到在实际场景中，行人携带设备往往是实时移动的，因此获取两个不同时刻下的上述结果，具体为值和直接路径距离D1，利用欧氏平面几何优化FTM的结果；优化方案包括对FTM的值的筛选和对直接路径距离的优化，具体过程如下：
[0023]4.1)给定一个固定的AP，利用用户的随机移动性，收集在不同时刻下的两个位置A和B各自的FTM和CSI值，并通过每条路径的相对强度R
k
与FTM的校准公式得到各自位置下用户到AP的直接路径距离D1(A)、D1(B)；增加三角形三边约束过滤掉与位移不一致的估计距离；
[0024]4.2)访问手机的惯性测量单元IMU，如加速度计和陀螺仪计算A和B两个位置之间的直线估计距离D
imu
，距离D
imu
不超过5m；
[0025]4.3)当用户从位置A移动到位置B时，AP端的运动角度被记为Δθ，通过三角形的性质，计算角度值：
[0026][0027]其中，D
ftm
(A)和D
ftm
(B)是在A和B位置下测量的FTM值；
[0028]4.4)假设小范围的偏移对受多径影响的D
imu
和D
fsi
产生类似的影响，每米单位上的误差为：
[0029][0030]其中，D
fsi
是最终校准后的FTM值；上述计算得到由于D1的值在NLOS和多径中比地面真实值高，选取D
fsi
较小值作为输出；
[0031]其中，由A、B两个位置下得到的直接路径距离D1(A)、D本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用Wi
‑
Fi物理层信息校准FTM的方法，其特征在于，使用Wi
‑
Fi物理层信息校准FTM的方法包括特征数据的处理和校准算法的实现，步骤如下：1)获取收发端设备之间的FTM数据集和CSI信息；利用正态分布拟合空旷环境下测得的FTM数据集，与收发端实际距离相比，支持FTM协议的设备的硬件误差为1.11m～1.13m；利用多信号分类MUSIC算法将CSI信息转换到功率延迟剖面PDP频谱上分析；2)通过提取频谱的峰值确定传播路径；首先对路径强度进行离差标准化处理使其路径强度值处于0～1之间，然后设定强度阈值，提取路径强度不小于该强度阈值的路径，得到可靠路径集PATH；从可靠路径集中提取信号传播路径数量K、路径强度P、路径相对强度R和路径的时延特征τ；其中，第k条路径的相对强度R
k
计算如下：2.1)可靠路径集PATH中提取每条路径k的路径强度P
k
；2.2)得到每条路径k的相对强度R
k
：3)设置FTM在新的请求之前的延迟时间为500ms～1000ms，获取至少20s的样本数据平均值建立路径的相对强度R
k
与FTM的校准公式，得到直接路径D1的距离：其中，D
k
是每条信号传播路径的距离，k＝1对应的是直接路径；直接路径和反射路径的时间差对应于实际的时间差：D
k
＝D1+(τ
k
‑
τ1)c，其中，τ
k
是每条信号传播路径的时延，τ1对应的是直接路径的时延，c为光速；4)获取两个不同时刻下的上述结果，具体为值和直接路径距离D1，利用欧氏平面几何优化FTM的结果；优化方案包括对FTM的值的筛选和对直接路径距离的优化，具体过程如下：4.1)给定一个固定的AP，利用用户的随机移动性，收集在不同时刻下的两个位置A和B各自的FTM和CSI值，并通过每条路径的相对强度R
k
与FTM的校准公式得到各自位置下用户到AP的直接路径距离D1(A)、D1(B)；增加三角形三边约束过滤掉...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢炳先，张洋，王雷，覃振权，朱明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：