吳習芊

（中南民族大學 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074）

基于WiFi的室內(nèi)定位技術(shù)主要有兩個分支：（1）有源定位，運動者需攜帶某些無線傳感器設備來幫助系統(tǒng)獲取信息。（2）無源定位，無需攜帶任何設備，分析人體對無線傳輸?shù)挠绊憗磉M行定位，主要依賴于構(gòu)建指紋庫對室內(nèi)人物進行定位[1]；隨著研究的深入，也有了利用大量布置WiFi設備，得到到達角度（AoA）信息用于定位的系統(tǒng)[2]。

本文提出一種基于商用無線傳感器網(wǎng)絡，提取運動目標多參數(shù)進行軌跡跟蹤方法，以減小開銷，增加普遍適用性，并通過建立多參數(shù)聯(lián)合定位模型來提高定位精度。

1 基本原理

從802.11a協(xié)議開始，基于OFDM調(diào)制技術(shù)的WiFi技術(shù)慢慢成為室內(nèi)無線局域網(wǎng)的主流。

OF DM是一種多載波調(diào)制技術(shù)（Mu lt i-C a r r ie r Modulationm，MCM），一個OFDM信號包含多個相近的子載波，與采用一個高速率的子載波的調(diào)制技術(shù)不同，OFDM通過同時傳輸多個相互平行的子載波來提高數(shù)據(jù)傳輸速度，每個子載波仍然通過傳統(tǒng)的低符率調(diào)制技術(shù)（如QPSK，QAM等），在相同帶寬的情況下，通過多個子載波同時調(diào)制傳輸能夠達到甚至超過單一子載波調(diào)制時的傳輸速度，提高了頻譜利用率。

根據(jù)802.11n協(xié)議，在20 MHz或40 MHz的帶寬上，利用64或128個子載波傳輸數(shù)據(jù)，每個子載波的帶寬為312.5 kHz。20 MHz時，64個子載波中有52個子載波攜帶數(shù)據(jù)，40 MHz時，128個子載波紅中有108個子載波攜帶信息。

接收端收到的信號y(t)是由OFDM調(diào)制后發(fā)送出的信號x(t)與傳輸過程中的信道沖擊響應h(t)（Channel Impulse Response，CIR）卷積得到，如式（1）所示：

由傅里葉變換后可得到頻域表達式：

2 系統(tǒng)綜述

系統(tǒng)首先會對接收到的CSI數(shù)據(jù)進行的插值、天線選擇等基本處理，用于得到真實的CSI信息。其次，在得到真實的CSI信息后，對其進行相位處理，去除掉靜態(tài)路徑的相位信息和噪聲信息，得到用于進行多參數(shù)估計的信息。最后，通過多參數(shù)提取算法提取出用于定位的參數(shù)，并利用參數(shù)結(jié)合定位模型對目標位置進行定位。

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于只需部署少量的、現(xiàn)有的商用WiFi設備，對獲得的原始CSI信息進行處理，成功分離出由移動目標反射的動態(tài)路徑信號用于參數(shù)提取，并構(gòu)建了能夠同時利用提取的多參數(shù)對目標進行定位的模型。

3 目標反射信號提取

目標在環(huán)境中移動時，墻壁或者基礎物品的存在使CSI應分為靜態(tài)部分和動態(tài)部分，不僅如此，接收到的CSI信號還會因為環(huán)境噪聲、同步等問題產(chǎn)生的相位漂移，所以，接收到的帶噪CSI為：

其中，Hs(m)為靜態(tài)路徑部分，Hm(m)為動態(tài)路徑部分；δti和δf分別為發(fā)送端與接收端之間的時間漂移和載波頻率漂移，εsl為接收端的初始相位；Δti,Δfi,Δsk分別為與參考信號之間的時間差、頻率差和傳感器空間位置差異。

采用矩陣共軛相乘的方式處理CSI，將各個接收天線接收到的CSI互相進行共軛相乘，以去除隨機相位偏移：

其中，m0=(i,j,k0)。H1m(m)*H2s*(m0)是包含需要的目標反射路徑。

為了去除不要的反射信號，將天線接收到的信號減去一個常數(shù)α，以去除部分靜態(tài)信號，而將天線二加上常數(shù)β，則：

共軛相乘矩陣M(m)將只含由目標反射的動態(tài)路徑信號和沿視距線傳輸?shù)撵o態(tài)路徑信號H1m(m)×H2S(m0）用于估計多普勒頻移（DFS），AoA和飛行時間（ToF）。

4 定位模型

在得到多維參數(shù)后，可以基于幾何關(guān)系建立一個方程組：

其中，（xr,yr）為接收端位置，c為光速， ?AoA為AoA。解方程即可得到目標位置（x,y）。

5 實驗結(jié)果評估

5.1 實驗環(huán)境

發(fā)送端使用市面上常見的商用路由器，將發(fā)送頻段定為5.825 GHz。接收端使用兩臺裝有Intel5300網(wǎng)卡的臺式電腦，每臺電腦連接3根接收天線。測試環(huán)境為5 m×4 m的區(qū)域。

5.2 實驗結(jié)果

系統(tǒng)位置誤差為0.7 m。作為對比，選取了ArrayTrack和構(gòu)建完備指紋庫兩種算法。ArrayTrack部署了大量天線才能獲得AoA信息進行定位；構(gòu)建完備指紋庫通過構(gòu)建完備矩陣指紋庫來定位，定位精度受到指紋庫影響。本文所用算法只利用了一發(fā)兩收系統(tǒng)，獲得了DFS，AoA和ToF一起定位，定位模型也能更充分地利用多維參數(shù)，所以有更好的表現(xiàn)。定位誤差如圖1所示。

圖1 定位誤差

6 結(jié)語

本文提出了一種基于商用WiFi路由器和無線網(wǎng)卡的系統(tǒng)，對信號進行處理，可以分離出經(jīng)由人體反射回的無線信號并處理，得到多普勒頻移、信號飛行時間、到達角度等參數(shù)，對目標進行定位跟蹤，定位精度達到了0.7 m。未來將繼續(xù)完善模型，提高定位精度，并考慮解決多目標識別等問題。