研究筆記: 基于單接入點/單基站W(wǎng)iFi CSI的分米級定位(Chronos2016)

Q: 論文前面的解線性同余方程組得中國余數(shù)定理Inverse-NDFT是什么關系默色?作者為什么在后面實際的系統(tǒng)中沒有提到中國余數(shù)定理沸久,而只提到Inverse-NDFTMulitipath Profiles ?

A:

文獻:

Decimeter-Level Localization with a Single WiFi Access Point

1.Chronos2016的貢獻(contribution)

(1)首次實現(xiàn)在商用WiFi設備下,無任何其他傳感器輔助的條件下田藐,單WiFi接入點的分米級定位
(2)首次實現(xiàn)單WiFi接入點條件下以次納秒級精度測量ToF的算法

指標 LOS (Median Error) NLOS(Median Error)
ToF誤差 0.47 ns 0.69 ns
測距誤差 14.1 cm 20.7 cm
定位誤差 65 cm 98 cm
image.png
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也就是說,WiFi分米級的定位在之前已經(jīng)有一些成果
(1) 使用定制WiFi硬件的(如增加天線,增加有線同步)
(2) 使用多個商用WiFi接入點的
(3) 使用慣性傳感器輔助的(需要人走動模擬多AP的場景)

2. 關鍵思想(key insights)

A. 用多個不同頻率范圍的信道發(fā)送數(shù)據(jù)卖氨,把這些信道合并為一個非連續(xù)的虛擬的寬帶信道(達1GHz以上),使的時間測量分辨力在次納秒級负懦,距離誤差在30cm以內筒捺。
image.png

美國的可用信道

  • 2.4G頻段,信道1~11總可用帶寬60MHz;
  • 5G頻段纸厉,信道36~64總可用帶寬160MHz;
  • 5G頻段系吭,信道100~140總可用帶寬220MHz;
  • 5G頻段,信道149~165總可用帶寬100MHz;

Avaliable Bandwidth
![](http://latex.codecogs.com/gif.latex?
B = 60 + 160 + 220 + 100 = 620MHz
)
Raw Time Resolution
![](http://latex.codecogs.com/gif.latex?
RTR = \frac{1}{2B} = 0.81 ns
)
Raw Ranging Resolution
![](http://latex.codecogs.com/gif.latex?
RRR = RTR*c= 24.30 cm
)

B. 傳統(tǒng)方法并不能測量得到絕對的ToF颗品,只能得到ToF相對于中心頻率載波周期的余數(shù)(截斷ToF)肯尺,Chronos利用多個頻段測量的截斷ToF恢復其整周數(shù)。
image.png

這個思想來源以下兩個事實:
(1) 時間分辨能力與帶寬成正比躯枢,帶寬越寬時間分辨越精細则吟。所以超寬帶信號可達到分米級甚至厘米級測距和定位。
(2) WiFi在2.4G和5.8G有很多可用的信道锄蹂,總的可用帶寬很大氓仲。

3. 主要挑戰(zhàn)(main challenges)

解決由“xx機制”引起的“xx現(xiàn)象”對“xx造成的問題”
(1)消除隨機分組檢測時延對ToF測量引起的偏差(random packet dectection delay)
a. 分組檢測的時延(會引起CSI測量值相位偏移)在每個分組都不一樣,具有隨機性
b. 分組檢測的時延(在幾百納秒量級)在數(shù)量級上比ToF(室內一般幾納秒~幾十納秒量級)大一個階得糜。
思考:
** 分組檢測的隨機時延是如何引起的敬扛?**
檢測到分組到是通過能量積分實現(xiàn)的,能量積分達到閾值可以聲明檢測到分組到來朝抖,由于能量積分什么時候可以達到閾值完全跟當時環(huán)境下接收信噪比有關啥箭,在檢測之前無法預測。所以包檢測時延是完全隨機的治宣。
為什么分組檢測時延在幾百納秒量級急侥?
這個與短訓練序列的時長有關系。

image.png

(2)消除載波頻率同步誤差和解決跨頻段通信引起的隨機初相偏移對CSI測量值拼接產(chǎn)生影響的問題(random initial phase offsets)
在跨越不同信道通信時侮邀,PLL會引起隨機初始相位偏移坏怪,使得CSI測量值(反映MIMO-OFDM信道頻率響應)的拼接(合成虛擬寬帶信道頻率響應)變得困難。Chronos必須在這個假設前提下恢復ToF豌拙。

(3)對抗由于室內環(huán)境下引起的多徑傳播對直射徑(LOS)ToF測量造成的困難
a. 多徑傳播引起時延擴展
b. 需將LOS路徑分離出來

總結: 第二個挑戰(zhàn)是chronos自個需要面對的挑戰(zhàn)陕悬,第一、第三個挑戰(zhàn)也是其他基于WiFi CSI定位需要面對的挑戰(zhàn)按傅。從數(shù)據(jù)處理的流程來看捉超,需要先去除分組檢測時延胧卤,然后去除不同頻段的隨機初相,最后分離出直射徑拼岳。

4. 實現(xiàn)細節(jié)(implementation)

a. 用三次樣條插值實現(xiàn)0號子載波相位測量枝誊,消除分組檢測時延**

(僅考慮包檢測不考慮中心頻率偏差和隨機初相偏移,不考慮多徑)

image.png

注:上圖只是示意惜纸,實際實現(xiàn)的時候是采用三次樣條插值叶撒。

**Q: **為什么要求0號子載波的相位測量值?
**A: ** 0號子載波沒有經(jīng)歷分組檢測延時耐版,因此0號子載波的相位值只經(jīng)歷了ToF引起的旋轉祠够。然而0號子載波并沒有調制數(shù)據(jù)符號,也就是說CSI并不包含0號子載波的測量粪牲,無法直接得到0號子載波的相位測量古瓤。但是可以利用0號子載波左右的子載波測量值進行插值得到0號子載波的相位測量值。

**Q: **為什么說0號子載波沒有經(jīng)歷分組檢測延時腺阳?
**A: ** 觀測相位值 = 真實相移 + 2*pi*(子載波頻率-中心頻率)*分組檢測時延 mod 2*pi , 編號為0的子載波頻率與中心頻率相等落君,所以理論上0號子載波的相位觀測值與包檢測時延無關(這里不考慮頻率同步誤差)

**Q: ** Intel 5300測量的30子載波編號和對應的頻率分別是多少?
**A: ** For a 20 MHz-wide channel, these correspond to about half the OFDM subcarriers, and for a 40 MHz-wide channel, this is about one in every 4 subcarriers. Which subcarriers were measured is defined by the IEEE 802.11n-2009 standard (in Table 7-25f on page 50).

image.png
b. 定制跳頻協(xié)議以及通過雙向確認機制亭引,實現(xiàn)多頻段CSI雙向測量绎速,消除接收機中心頻率偏差以及隨機初相誤差

(經(jīng)過a處理之后,考慮中心頻率偏差以及隨機初相誤差焙蚓,不考慮多徑)


image.png
c. 基于非均勻離散傅里葉變換纹冤,計算多徑功率時延譜,分離出直射徑ToF

(經(jīng)過b處理之后主届,考慮多徑)


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5. 局限性與未來可能的研究點(future consideration)

**更多討論: **

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