中阊计算我学會通沁第10卷第11期2014年11月 被动式人员检测等移动计算应CFR)刻画多径传播。CFR包括 RSSI与CSI对比 用。理论上，可将RSSI代入无 幅频响应和相频响应。在无限带 线信号传播模型以估算信号传播 宽的条件下，CFR和CIR互为傅 与RSSI相比，CSI在一定 距离，也可把RSSI作为特定地里叶变换。 程度上刻画了多径传播。因此， 点的无线信号特征“指纹”，还 精确测量CIR/CFR通常需CSI可以暂时看作是RSSI的升 能通过RSSI的波动推断是否有要专业信道测量仪器，例如网络 级版本。由于RSSI只反映了多 人或其他障碍物阻挡无线链路。 矢量分析仪。而自2010年以来，径叠加的总幅度，我们可以形 但在室内环境中，RSSI会因信研究人员通过修改固件回，使得象地把RSSI比作一束白光，那 号多径传播引起的小尺度阴影衰在普通W-Fi设备上也能以信道么CSI即可看作以正交频分复 落而不再随传播距离增加单调递状态信息(Channel State Informa-用为棱镜色散出的光谱，每一束 减，从而限制测距精度（图1）。tⅰon,CS的形式获取一个采样单色光（对应正交频分复用中不 多径传播也会导致RSSI幅度波版本的CFR。具体而言，利用兼同的子载波)都呈现了不同频率 动，在典型实验室环境下，一台容IEEE802.11/g/n的无线网卡下多径传播的幅度和相位。由于 静止的接收机在1分钟内接收到即可从每个接收数据包中获取一 CSI作为物理层信息，包含了诸 的RSSI可能出现SdB的波动。组CSI,每组CSI代表一个正交 多介质访问控制(Medium Access 这种多径传播造成的RSSI波动频分复用(Orthogonal Frequency Control,MAC)层不可见的信道 也会导致定位时无线信号指纹错 Division Multiplex,OFDM)子载 信息。一方面，CSI可从一个数 误匹配（图2）。 波的幅度和相位： 据包中同时测量多个子载波的频 制约RSSI稳定性和可靠性 H(k)=IH(k)llej2H(k) 率响应，而非全部子载波叠加的 的根本因素是：RSSI测量的是信 总体幅度响应，从而更加精细地 号多径传播的叠加效果，并不能其中，H(k)表示第k个子载波刻画频率选择性信道。另一方面， 逐一区分多条信号传播路径。为的CSI,IH(k)川和LH(k)分别为 CSI既可测量每个子载波的幅度。 刻画多径传播，无线信道通常用第k个子载波的幅度和相位。因 还可测量每个子载波的相位信 信道冲击响应(Channel Impulse此，一组CSI信息Hk)%=1是以息。CSI将单值的RSSI扩展至 Response,CIR)建模。在线性时子载波频差为频率采样间隔，对 频域，并且附加了相位信息，从 不变的假设下，CIR可表示为： Wi-Fi带宽内的CFR的K个离散频域上为无线感知提供了更为丰 采样值。通过修改固件的方式，富、细粒度的信道状态信息。由 h()=a4e-86(t-t) 普通WM-F设备可以获得30个正于CIR与CFR互为傅里叶变换， 交频分复用子载波上的CFR采CSI使得普通Wi-Fi设备在一定 其中，α，0，x分别为第i条路径样。如果能够使用商用软件无线程度上能够从时域上粗略地区分 的幅度衰减、相位偏移和时间延电设备(software-defined radio), 传播路径，从而为基于视距路径 迟，N为传播路径总数，6()为可以获得更精确的CSI信息，提 的应用提供了更准确的视距能量 狄克拉脉冲函数。式中的每一项取全部56个正交频分复用子载估计值。 从时域上表示了一条传播路径的波上的均匀CFR采样。不同于 从RSSI到CSI,带来的不 幅度、相位和时延。由于多径传上述思路，麻省理工学院研发了仅是信道信息容量的扩充。通过 播在频域上表现为频率选择性衰基于分析Wi-Fi反射信号的感知 利用恰当的信号处理技术，CSI 落，因而也可通过信道频率响技术，但目前还不能在普通商用 对于不同的传播环境可呈现不同 应(Channel Frequency Response,Wi-Ff设备上实现。 的子载波幅度和相位特征：而对 57第 10 卷  第 11 期  2014 年 11 月 57 被动式人员检测等移动计算应 用。理论上，可将 RSSI 代入无 线信号传播模型以估算信号传播 距离，也可把 RSSI 作为特定地 点的无线信号特征“指纹”，还 能通过 RSSI 的波动推断是否有 人或其他障碍物阻挡无线链路。 但在室内环境中，RSSI 会因信 号多径传播引起的小尺度阴影衰 落而不再随传播距离增加单调递 减，从而限制测距精度（图 1）。 多径传播也会导致 RSSI 幅度波 动，在典型实验室环境下，一台 静止的接收机在 1 分钟内接收到 的 RSSI 可能出现 5dB 的波动 [1] 。 这种多径传播造成的 RSSI 波动 也会导致定位时无线信号指纹错 误匹配（图 2）。 制约 RSSI 稳定性和可靠性 的根本因素是 ：RSSI 测量的是信 号多径传播的叠加效果，并不能 逐一区分多条信号传播路径。为 刻画多径传播，无线信道通常用 信道冲击响应 (Channel Impulse Response, CIR) 建模。在线性时 不变的假设下，CIR 可表示为 ： h τ 其中， 分别为第 i 条路径 的幅度衰减、相位偏移和时间延 迟，N 为传播路径总数， 为 狄克拉脉冲函数。式中的每一项 从时域上表示了一条传播路径的 幅度、相位和时延。由于多径传 播在频域上表现为频率选择性衰 落，因而也可通过信道频率响 应 (Channel Frequency Response, CFR) 刻画多径传播。CFR 包括 幅频响应和相频响应。在无限带 宽的条件下，CFR 和 CIR 互为傅 里叶变换。 精确测量 CIR/CFR 通常需 要专业信道测量仪器，例如网络 矢量分析仪。而自 2010 年以来， 研究人员通过修改固件 [2] ，使得 在普通 Wi-Fi 设备上也能以信道 状态信息 (Channel State Informa￾tion, CSI) 的形式获取一个采样 版本的 CFR。具体而言，利用兼 容 IEEE 802.11a/g/n 的无线网卡 即可从每个接收数据包中获取一 组 CSI，每组 CSI 代表一个正交 频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM) 子载 波的幅度和相位 ： H k |H k 其中，H(k) 表示第 k 个子载波 的 CSI，||H k | 和 分别为 第 k 个子载波的幅度和相位。因 此，一组 CSI 信息 k 是以 子载波频差为频率采样间隔，对 Wi-Fi 带宽内的 CFR 的 K 个离散 采样值。通过修改固件的方式 [2] ， 普通 Wi-Fi 设备可以获得 30 个正 交频分复用子载波上的 CFR 采 样。如果能够使用商用软件无线 电设备 (software-defined radio)， 可以获得更精确的 CSI 信息，提 取全部 56 个正交频分复用子载 波上的均匀 CFR 采样。不同于 上述思路，麻省理工学院研发了 基于分析 Wi-Fi 反射信号的感知 技术，但目前还不能在普通商用 Wi-Fi 设备上实现。 RSSI与CSI对比 与 RSSI 相比，CSI 在一定 程度上刻画了多径传播。因此， CSI 可以暂时看作是 RSSI 的升 级版本。由于 RSSI 只反映了多 径叠加的总幅度，我们可以形 象地把 RSSI 比作一束白光，那 么 CSI 即可看作以正交频分复 用为棱镜色散出的光谱，每一束 单色光（对应正交频分复用中不 同的子载波）都呈现了不同频率 下多径传播的幅度和相位。由于 CSI 作为物理层信息，包含了诸 多介质访问控制 (Medium Access Control, MAC) 层不可见的信道 信息。一方面，CSI 可从一个数 据包中同时测量多个子载波的频 率响应，而非全部子载波叠加的 总体幅度响应，从而更加精细地 刻画频率选择性信道。另一方面， CSI 既可测量每个子载波的幅度， 还可测量每个子载波的相位信 息。CSI 将单值的 RSSI 扩展至 频域，并且附加了相位信息，从 频域上为无线感知提供了更为丰 富、细粒度的信道状态信息。由 于 CIR 与 CFR 互为傅里叶变换， CSI 使得普通 Wi-Fi 设备在一定 程度上能够从时域上粗略地区分 传播路径，从而为基于视距路径 的应用提供了更准确的视距能量 估计值。 从 RSSI 到 CSI，带来的不 仅是信道信息容量的扩充。通过 利用恰当的信号处理技术，CSI 对于不同的传播环境可呈现不同 的子载波幅度和相位特征 ；而对