基于CSI的室内轨迹跟踪技术研究

作     者：李宪军 

作者单位：中南民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江小平

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：信道状态信息(CSI) 室内轨迹跟踪定位 多参数估计 环境参数 

摘      要：基于信道状态信息（Channel State Information,CSI）的室内轨迹跟踪技术近几年来备受关注,在很多方面应用广泛,例如智能家居、安全监控和行为分析等。然而,大多数研究者使用学习训练的方法对轨迹进行分类识别,并不支持实时的轨迹跟踪,对环境的适应能力也很差。本文搭建了一发一收的室内轨迹跟踪系统,仅利用现有商用Wi Fi设备实现了实时的轨迹跟踪。更详细地说,就是采用一台路由器作为发射端,一台装有CSI-TOOL的台式电脑作为接收端,仅需使用商用Wi Fi设备,用户也无需携带任何设备,主要利用采集到的CSI数据建立统一的基于CSI的多参数估计模型,随后通过联合估计算法计算来自模型中的多维参数,包括到达角度（Angle of Arrival,Ao A）、飞行时间（Time of Flight,To F）、多普勒频移（Doppler Frequency Shift,DFS）等,这些多维参数信息可以用来转化为相应的位置信息。此外,本文利用静态路径中包含的环境动态参数来修正定位参数的方法,达到了更为精准的轨迹跟踪效果。实验表明,本文所搭建的轨迹跟踪系统其定位精度可以达到0.65m,证实了该系统能精确有效地实现室内轨迹的跟踪定位。本文的主要工作内容和贡献如下:（1）由于室内环境复杂、商用Wi Fi设备容易受到室内温度等多方面影响,采集到CSI数据并不能直接应用于室内轨迹的计算中。为了解决这一问题,本文对采集到的CSI数据先后进行了幅值和相位的处理。具体来说,对CSI的幅值信息处理包括:分别利用汉佩尔（Hampel）滤波器和巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器去除CSI中的异常值和噪声值;对CSI的相位信息处理包括:通过分析引起相位噪声的原因,并对比了线性相位矫正与共轭乘法相位矫正这两种算法的场景适应性,选用了更适用于矫正连续CSI数据的共轭乘法对采集到的CSI数据进行相位矫正。处理后的CSI信息中噪声部分与轨迹部分分离更干净,为后续基于CSI的研究与应用提供了坚实的基础。（2）本文搭建了一个完整的轨迹跟踪体系,仅使用一发一收的商用Wi Fi设备,利用基于CSI的多参数估计模型得到多维参数信息包括Ao A、To F、DFS等,再进一步转化为相应的位置信息。相比其他需要提前学习训练来进行分类从而实现轨迹跟踪的系统,例如指纹识别系统,实现了实时的轨迹跟踪。并达到了0.65m的定位精度,为Wi Fi室内定位的商用化奠定了理论基础。（3）本文采用从轨迹数据中分离出环境动态信息来修正定位参数的方法,并通过实验数据以及结果的对比,保证了该方法与其他方法相比更具有实时性,实验处理更为简便,对环境变化的适应能力也更强。例如,实验配置一台电脑,环境数据需要提前采集;实验配置两台电脑,有一台电脑专门用来采集环境数据;实验配置一台电脑,利用静态路径中包含的环境参数的均值（对于同一环境来说是恒定值）来修正定位信息等。（4）本文通过对比现有的轨迹跟踪系统,确保了本方案所采用的轨迹跟踪系统的精确性。其次,在保证精确性的同时,又对本方案的环境适应性进行了一定的实验验证,保证了在不同实验人员、不同行走速度、不同发包率下系统的稳健性。