基于信道狀態(tài)信息的室內(nèi)環(huán)境人員檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于CSI的適用于室內(nèi)環(huán)境的全向人員檢測(cè)方法。傳統(tǒng)基于WiFi的室內(nèi)人員檢測(cè)方案主要采用RSSI信息，即接收信號(hào)指示強(qiáng)度。普通的商用AP和WiFi終端都能夠方便地測(cè)量RSSI信息，然而其本身存在著粒度粗和時(shí)間穩(wěn)定性差等缺陷。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明利用信道狀態(tài)信息CSI代替RSSI，利用CSI信息時(shí)間穩(wěn)定性好、對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境干擾抵抗力強(qiáng)、對(duì)鏈路周圍人員存在敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境下搭載基于Intel 5300系列網(wǎng)卡的功控機(jī)，采用指紋匹配的方法，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的全向被動(dòng)式人員感知。通過(guò)使用本發(fā)明提出的方法可提高室內(nèi)環(huán)境下人員檢測(cè)的準(zhǔn)確率，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的全向人員檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】
基于信道狀態(tài)信息的室內(nèi)環(huán)境人員檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明是一種適用于室內(nèi)環(huán)境下的人員檢測(cè)方法，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算資源將遍布人們周圍的環(huán)境，情景感知 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。情景感知獲得傳感器采集的環(huán)境信息W后，對(duì)信息進(jìn)行智能處理并靈活地 為用戶提供服務(wù)。WiFi信號(hào)作為一種廣泛部署的基礎(chǔ)設(shè)施成為當(dāng)前情景感知技術(shù)中的研究 熱點(diǎn)。然而WiFi信號(hào)帶寬較窄，時(shí)間分辨率低，在信號(hào)處理設(shè)備上存在較大差距，因此亟需 設(shè)計(jì)WiFi環(huán)境下的新型感知技術(shù)與方法，實(shí)現(xiàn)基于普通商用WiFi設(shè)備的室內(nèi)環(huán)境的精確環(huán) 境感知。
[0003] WiFi室內(nèi)定位作為情景感知中的典型應(yīng)用，傳統(tǒng)基于WiFi的室內(nèi)定位方法主要采 用RSSI信息，即接收信號(hào)指示強(qiáng)度。普通的商用AP和WiFi終端都能夠方便地測(cè)量RSSI信息， 然而RSSI測(cè)量的是多徑疊加之后的信號(hào)，不能細(xì)粒度地區(qū)分每一條路徑信號(hào)傳播信息，在 復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，由信號(hào)的多徑傳播所引起的小尺度陰影衰落將極大限制RSSI的測(cè)距精 度及穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)室內(nèi)環(huán)境下的定位及感知技術(shù)展開(kāi)深入研究，尋找更為細(xì)粒度 的信號(hào)刻畫(huà)因子，W獲得更為準(zhǔn)確的室內(nèi)定位及感知性能。本發(fā)明的意義在于:設(shè)計(jì)了一種 基于CSI的室內(nèi)全向被動(dòng)式人員感知方法，為基于普通商用WiFi設(shè)備實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的精 確情景感知提供了方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的是提供一種室內(nèi)環(huán)境下高精度的人員檢測(cè)方法，W實(shí)現(xiàn) 普通商用WiFi設(shè)備上的高精度的環(huán)境感知。本方案采用物理層信道狀態(tài)信息(CSI)代替?zhèn)?統(tǒng)的接收信號(hào)指示強(qiáng)度信息(RSSI)，通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境下搭載基于Intel 5300系列網(wǎng)卡的功 控機(jī)，采用指紋匹配的方法，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行信號(hào)匹配，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的全向被動(dòng) 式人員感知。通過(guò)使用本發(fā)明提出的方法可解決RSSI粒度粗、時(shí)間穩(wěn)定性差W及不能區(qū)分 多徑信號(hào)傳播信息等缺陷，實(shí)現(xiàn)更為細(xì)粒度及準(zhǔn)確的室內(nèi)人員檢測(cè)方案。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明利用物理層信道狀態(tài)信息(CSI)代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收信號(hào)指示強(qiáng)度信 息(RSSI)，利用CSI信息時(shí)間穩(wěn)定性好、對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境干擾抵抗力強(qiáng)、對(duì)鏈路周圍人員存在敏 感性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境下搭載基于Intel 5300系列網(wǎng)卡的功控機(jī)，采用指紋匹配 的方法，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行信號(hào)匹配，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境下全向被動(dòng)式人員的感知 檢測(cè)。
[0006] 本發(fā)明是一種適用于室內(nèi)環(huán)境下的人員檢測(cè)方案，針對(duì)傳統(tǒng)基于RSSI的室內(nèi)人員 檢測(cè)方案存在粒度粗、時(shí)間穩(wěn)定性差W及不能區(qū)分多條路徑信息等缺陷，該方案利用物理 層信道狀態(tài)信息(CSI)代替RSSI，利用CSI信息時(shí)間穩(wěn)定性好、對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境干擾抵抗力強(qiáng)、對(duì) 鏈路周圍人員存在敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境下搭載基于Intel 5300系列網(wǎng)卡的功 控機(jī)，采用指紋匹配的方法，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行信號(hào)匹配，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的全向被動(dòng) 式人員感知。
[0007]該基于CSI的適用于室內(nèi)環(huán)境下的全向人員檢測(cè)方案，包含在W下具體步驟中： [000引 CSI信號(hào)特征提取及預(yù)處理：
[0009] 步驟1)在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行CSI信號(hào)數(shù)據(jù)采集:驗(yàn)證平臺(tái)包括安裝化until系統(tǒng)、Intel 5300無(wú)線網(wǎng)卡、virtual CSIW及CSI Tool工具的迷你功控機(jī)一臺(tái)、TP-Link路由器、外接天 線若干、液晶顯示屏、筆記本電腦若干。方案中，TP-Link作為信號(hào)發(fā)射源AP，迷你功控機(jī)通 過(guò)5300網(wǎng)卡接收無(wú)線信號(hào)，外接天線作為信號(hào)接收機(jī)MP，每一對(duì)AP、MP組成一條鏈路。利用 virtual CSIW及CSI Tool工具采集傳輸信道狀態(tài)信息并保存到筆記本中；
[0010] 步驟2)利用傅里葉反變換將采集到的頻域信號(hào)CFR轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)CIR;
[0011] 步驟3)對(duì)CIR數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，減少多徑傳播及陰影衰落的影響；
[0012] 步驟4)對(duì)處理后CIR數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，還原成頻域信號(hào)CFR;
[0013] 步驟5)利用獲得的CFR信號(hào)數(shù)據(jù)得到信道狀態(tài)信息的幅度和相位信息；
[0014] 信號(hào)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)建立：
[0015] 步驟6)針對(duì)不同場(chǎng)景，采集CSI信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練，分別選取四個(gè)方向（分別為上下左 右四個(gè)方向，作為全向的簡(jiǎn)單抽象）的參考點(diǎn)進(jìn)行人為干擾情況下信號(hào)特征的測(cè)量并加入 到指紋匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中，加上沒(méi)有人存在情況下的信號(hào)特征，完成指紋匹配數(shù)據(jù)庫(kù)的建立；
[0016] 全向人員檢測(cè)：
[0017] 步驟7)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法進(jìn)行信號(hào)特征的匹配，選擇關(guān)聯(lián)度最 高的數(shù)據(jù)庫(kù)信號(hào)特征作為當(dāng)前測(cè)量場(chǎng)景的信號(hào)特征。
[0018] 至此，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下全向人員的檢測(cè)與感知。
[0019] W上步驟中所設(shè)及的一些關(guān)鍵操作定義如下：
[0020] 信號(hào)預(yù)處理思想：
[0021] 由于室內(nèi)環(huán)境下信號(hào)的傳播存在多徑效應(yīng)及陰影衰落的現(xiàn)象并且受環(huán)境的影響 比較嚴(yán)重，所W在利用采集的CSI信號(hào)進(jìn)行人員檢測(cè)前需要對(duì)CSI信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，W減輕 多徑效應(yīng)及陰影衰落的影響。
[0022] 本發(fā)明采用的信號(hào)預(yù)處理具體步驟如下：
[0023] 步驟1)利用IFFT傅里葉變換將采集到的頻域信號(hào)CFR轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)CIR;
[0024] 步驟2)將CIR信號(hào)分成有限個(gè)波帶，每個(gè)波帶的長(zhǎng)度為實(shí)驗(yàn)設(shè)備可利用的帶寬，此 時(shí)由于帶寬限制的存在，時(shí)域情況下很難完整獲得所有采集的信號(hào)；
[0025] 步驟3)僅保留幅度最大到達(dá)信號(hào)所在的波帶而濾除其他波帶信號(hào)，即認(rèn)為攜帶最 大能量的信號(hào)及其周圍的信號(hào)包含最多L0S路徑信息；
[00%]步驟4)對(duì)處理過(guò)后的CIR數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行FFT傅里葉變換，還原成頻域信號(hào)CFR;
[0027] 指紋匹配算法：
[0028] 我們引入灰色關(guān)聯(lián)度分析法作為實(shí)際人員檢測(cè)過(guò)程中的指紋匹配算法?；疑P(guān)聯(lián) 度分析法是灰色系統(tǒng)分析方法中的一種，是一種因素比較分析法。其主要原理是通過(guò)對(duì)灰 色系統(tǒng)內(nèi)有限數(shù)據(jù)系列的分析找到跟目標(biāo)值關(guān)聯(lián)度最大的因素，進(jìn)而分析各因素之間的關(guān) 聯(lián)程度。其主要的判別依據(jù)是數(shù)據(jù)系列曲線的相似程度，曲線的總體趨勢(shì)越接近，則說(shuō)明兩 者之間的關(guān)聯(lián)度越高。因此灰色關(guān)聯(lián)度分析為一個(gè)系統(tǒng)的變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量標(biāo) 準(zhǔn)，非常適合動(dòng)態(tài)分析。
[0029] 灰色關(guān)聯(lián)分析基本步驟如下：
[0030] 設(shè)目標(biāo)序列為X〇=(x〇(l) ,x〇(2)，…，xo(n))，比較序列為Xi=(xi(l)，xi(2)，…，xi (η))，i = {1,2,3,，其中η為序列長(zhǎng)度，m為比較序列個(gè)數(shù)。
[0031] 對(duì)于 ξ￡(0，1)，令
'則 Χο 與 Xi的灰色關(guān)聯(lián)度可表示為
，具體操作步驟如下：
[0032] (1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。當(dāng)數(shù)據(jù)量綱不一致的時(shí)候需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使得數(shù)據(jù)無(wú)量 綱化。我們采用初值處理法：
[0033]
[0034] (2)求差序列。
[0035]
[0036] (3)求兩級(jí)最大差和最小差。記最大差為M，最小差為m，則：
[0040] 其中，ξ是分辨系數(shù)，其反映了灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的顯著性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般取 0.5〇
[0041] (5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度。
[0042] 為了方便比較，對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行均值處理，使得關(guān)聯(lián)系數(shù)反映的信息集中表現(xiàn)出 來(lái)。則關(guān)聯(lián)度可表示為：
[0043]
[0044] (6)關(guān)聯(lián)度排序。
[0045] 關(guān)聯(lián)度γ的值越接近1表示兩個(gè)數(shù)據(jù)序列的關(guān)聯(lián)度越高。將灰色關(guān)聯(lián)度按大小排 列顯示各個(gè)比較序列跟目標(biāo)序列的關(guān)聯(lián)度。
[0046] 有益效果:本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于CSI的室內(nèi)環(huán)境下的全向人員檢測(cè)方案，對(duì)應(yīng)方 案有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0047] 1.簡(jiǎn)便性
[004引方案采用物理層信息CSI作為室內(nèi)環(huán)境下人員檢測(cè)評(píng)價(jià)因子，CSI能夠從普通商用 WiFi設(shè)備上提取出來(lái)，加上WiFi基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛部署，運(yùn)使得獲得CSI信息變得簡(jiǎn)單可行。
[0049] 2.適應(yīng)性
[0050] 方案采用CSI代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RSSI，克服了 RSSI粒度粗和時(shí)間穩(wěn)定性差的缺陷，CSI能 夠獲得更為細(xì)粒度的信息并且能夠區(qū)分多條路徑，能適用于更多的室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景。
[0化1] 3.功能性
[0052]方案進(jìn)一步考慮檢測(cè)范圍的方向性，利用指紋匹配方法實(shí)現(xiàn)全向人員存在性檢 ，相比較于傳統(tǒng)的只能實(shí)現(xiàn)單向人員檢測(cè)，功能更為強(qiáng)大。
[0化3] 4.可優(yōu)化性
[0054] 本方案僅僅考慮了CSI信號(hào)的幅度信息，通過(guò)考慮CSI信號(hào)的相位信息、角度信息 等能夠獲得更為優(yōu)越的人員檢測(cè)性能，同時(shí)可W用于實(shí)現(xiàn)人員定位、手勢(shì)識(shí)別等精確度更 高的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0055] 圖1是室內(nèi)環(huán)境下無(wú)線信號(hào)多徑傳播示意圖；
[0056] 圖2是基于CSI的室內(nèi)全向人員檢測(cè)方案流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 本發(fā)明是一種適用于室內(nèi)環(huán)境下的人員檢測(cè)方案，針對(duì)傳統(tǒng)基于RSSI的室內(nèi)人員 檢測(cè)方案存在粒度粗、時(shí)間穩(wěn)定性差W及不能區(qū)分多條路徑信息等缺陷，該方案利用物理 層信道狀態(tài)信息(CSI)代替RSSI，利用CSI信息時(shí)間穩(wěn)定性好、對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境干擾抵抗力強(qiáng)、對(duì) 鏈路周圍人員存在敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境下搭載基于Intel 5300系列網(wǎng)卡的功 控機(jī)，采用指紋匹配的方法，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行信號(hào)匹配，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的全向被動(dòng) 式人員感知。
[0058] 該基于CSI的適用于室內(nèi)環(huán)境下的全向人員檢測(cè)方案，包含在W下具體步驟中： [0化9] CSI信號(hào)特征提取及預(yù)處理：
[0060] 步驟1)在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行CSI信號(hào)數(shù)據(jù)采集:平臺(tái)包括安裝有化until系統(tǒng)、Intel 5300無(wú)線網(wǎng)卡、virtual CSIW及CSI Tool工具的迷你功控機(jī)一臺(tái)、TP-Link路由器、外接天 線若干、液晶顯示屏、筆記本電腦若干。在實(shí)驗(yàn)中，TP-Link作為信號(hào)發(fā)射源AP，迷你功控機(jī) 通過(guò)5300網(wǎng)卡接收無(wú)線信號(hào)，外接天線作為信號(hào)接收機(jī)MP，每一對(duì)AP、MP組成一條鏈路。利 用vbtual CSIW及CSI Tool工具采集傳輸信道狀態(tài)信息并保存到筆記本中；
[0061] 步驟2)利用IFFT傅里葉變換將采集到的頻域信號(hào)CFR轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)CIR;
[0062] 步驟3)對(duì)CIR數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，減少多徑傳播及陰影衰落的影響；
[0063] 步驟4)對(duì)處理過(guò)后的CIR數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行FFT傅里葉變換，還原成頻域信號(hào)CFR;
[0064] 步驟5)利用獲得的CFR信號(hào)數(shù)據(jù)得到信道狀態(tài)信息的幅度和相位信息；
[0(?日]信號(hào)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)建立：
[0066] 步驟6)針對(duì)不同場(chǎng)景，采集CSI信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練，分別選取四個(gè)方向（分別為上下左 右四個(gè)方向，作為全向的簡(jiǎn)單抽象）的參考點(diǎn)進(jìn)行人為干擾情況下信號(hào)特征的測(cè)量并加入 到指紋匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中，加上沒(méi)有人存在情況下的信號(hào)特征，完成指紋匹配數(shù)據(jù)庫(kù)的建立；
[0067] 全向人員檢測(cè)：
[0068] 步驟7)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法進(jìn)行信號(hào)特征的匹配，選擇關(guān)聯(lián)度最 高的數(shù)據(jù)庫(kù)信號(hào)特征作為當(dāng)前測(cè)量場(chǎng)景的信號(hào)特征。
[0069] 至此，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境下全向人員的感知與檢測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于信道狀態(tài)信息的室內(nèi)環(huán)境下人員檢測(cè)方法，其特征在于該方法包含以下的 具體步驟： 一. 信道狀態(tài)信息CSI信號(hào)特征提取及預(yù)處理： 步驟1)在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行CSI信號(hào)數(shù)據(jù)采集:平臺(tái)包括安裝有Ubuntu系統(tǒng)、Intel 5300無(wú) 線網(wǎng)卡、virtual CSI以及CSI Tool工具的迷你功控機(jī)一臺(tái)、TP-Link路由器、外接天線若 干、液晶顯示屏、筆記本電腦若干;在實(shí)驗(yàn)中，TP-Link作為信號(hào)發(fā)射源AP，迷你功控機(jī)通過(guò) 5300網(wǎng)卡接收無(wú)線信號(hào)，外接天線作為信號(hào)接收機(jī)MP，每一對(duì)AP、MP組成一條鏈路;利用虛 擬狀態(tài)信息Virtual CSI以及信道狀態(tài)信息工具CSI Tool采集傳輸信道狀態(tài)信息并保存到 筆記本中； 步驟2)利用IFFT傅里葉變換將采集到的頻域信號(hào)CFR轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)CIR; 步驟3)對(duì)CIR數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，減少多徑傳播及陰影衰落的影響； 步驟4)對(duì)處理過(guò)后的CIR數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行FFT傅里葉變換，還原成頻域信號(hào)CFR; 步驟5)利用獲得的CFR信號(hào)數(shù)據(jù)得到信道狀態(tài)信息的幅度和相位信息； 二. 信號(hào)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)建立： 步驟6)針對(duì)不同場(chǎng)景，采集CSI信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練，分別選取上、下、左、右四個(gè)方向作為全 向的簡(jiǎn)單抽象的參考點(diǎn)，進(jìn)行人為干擾情況下信號(hào)特征的測(cè)量并加入到指紋匹配數(shù)據(jù)庫(kù) 中，加上沒(méi)有人存在情況下的信號(hào)特征，完成指紋匹配數(shù)據(jù)庫(kù)的建立； 三. 全向人員檢測(cè)： 步驟7)利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法進(jìn)行信號(hào)特征的匹配，根據(jù)公式= 幻 η卜1 計(jì)算關(guān)聯(lián)度，選擇關(guān)聯(lián)度最大值所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信號(hào)特征作為當(dāng)前測(cè)量場(chǎng)景的信號(hào)特征， 其中乂〇、&分別代表目標(biāo)序列和比較序列，η代表序列長(zhǎng)度，yQl(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù)； 至此，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境下全向人員的感知和檢測(cè)。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK105873212SQ201610323973
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】肖甫, 謝曉輝, 朱海, 陳靜, 孫力娟, 王汝傳, 郭劍
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)