本發(fā)明涉及無設(shè)備感知技術(shù)，尤其涉及一種利用無線電RF(Radio Frequency，射頻)信號檢測人的行走方向的方法，利用人的行走對無線電RF信號產(chǎn)生的擾動(dòng)，通過測量并提取多頻率無線信道變化，計(jì)算得到人的行走方向。

背景技術(shù)：

室內(nèi)人的行走方式是一種重要的情境，感知行走方向能為很多應(yīng)用提供支撐。判斷人的行走方向的現(xiàn)有技術(shù)根據(jù)被感知的人是否需要隨身攜帶某種設(shè)備，大致分為兩類：無設(shè)備感知和基于設(shè)備的感知。

其中，基于設(shè)備的感知允許人攜帶某種傳感器，依據(jù)傳感器的不同，感知行走方向的方法也有多種。2014年，University of Illinois(UIUC)的Nirupam Roy在文獻(xiàn)“I am a Smartphone and I can Tell my UsersWalking Direction”中提出一種利用手機(jī)感知室內(nèi)行走方向的方法WalkCompass。該方法利用手機(jī)上存在的加速度傳感器，可以得出，人在移動(dòng)過程中，空間三個(gè)維度上的加速度數(shù)據(jù)。加速度數(shù)據(jù)投射到水平面上即可知可以水平面上的運(yùn)動(dòng)加速情況。WalkCompass判別行走方向是一個(gè)兩步的過程：1)Nirupam Roy觀察到當(dāng)人行走時(shí)，腳步觸及地面產(chǎn)生一種特殊震動(dòng)，這種震動(dòng)傳遞到整個(gè)身體，并能被放置在身上各種位置的手機(jī)都可以感知到。WalkCompass利用這種震動(dòng)作為參考，向前掃描信號，當(dāng)軀干移動(dòng)占行走主要過程時(shí)提取特定的樣本。信號隨后依據(jù)手機(jī)陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以補(bǔ)償行走時(shí)手機(jī)姿態(tài)的變化的影響。最終，加速度向量投影到垂直于重力的平面上，每幾步進(jìn)行平均，以進(jìn)行相對于手機(jī)的本地行走方向的估計(jì)；2)將基于手機(jī)的本地方向映射到全局地磁坐標(biāo)系統(tǒng)上，這是利用手機(jī)里的地磁傳感器(電子羅盤)完成的。由于手機(jī)磁感應(yīng)羅盤易受環(huán)境中金屬物體的影響，直接利用羅盤數(shù)據(jù)誤差較大。WalkCompass利用行走中多次測量羅盤數(shù)據(jù)，來進(jìn)行三角定位，三角定位的信息可以修正羅盤的數(shù)據(jù)。在行走的一步中，移動(dòng)的距離較短，羅盤在多次測量中會(huì)受到環(huán)境同樣程度的影響。因此，WalkCompass利用基于陀螺儀的盲導(dǎo)航技術(shù)跟蹤移動(dòng)過程中的多次測量的位置信息。

基于設(shè)備判別人的移動(dòng)方向的方法還可通過持續(xù)定位完成，即通過各種方法估計(jì)手機(jī)或可穿戴設(shè)備等在室內(nèi)的位置，利用不同時(shí)間估計(jì)出位置的變化來測量行走方向。方向的測量精度取決于定位的精度和單位時(shí)間可計(jì)算出結(jié)果的數(shù)量。在沒有環(huán)境設(shè)備的輔助下，僅靠手持設(shè)備完成定位，目前主要是通過信息指紋匹配的方法或基于測距/角度的方法來完成。在指紋匹配方法中，待檢測區(qū)域內(nèi)某種信號滿足兩種要求：1)可區(qū)分性。即檢測區(qū)域內(nèi)不同位置的信號不同。2)時(shí)間穩(wěn)定性。即在一定的時(shí)間內(nèi)(例如幾個(gè)月內(nèi))，這種信號的差異性保持不變。算法是利用手機(jī)里已有的針對某種信號的傳感器，對場地預(yù)先進(jìn)行大量采樣，然后經(jīng)過特征抽取和訓(xùn)練后，和位置信息進(jìn)行映射，形成數(shù)據(jù)庫。這是學(xué)習(xí)的過程。使用時(shí)，將采集的信號經(jīng)過同樣處理，和數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行比較，并估計(jì)位置，一般多采用貝葉斯方法。指紋匹配的方法的問題在于需要事先進(jìn)行大量采樣和訓(xùn)練，且每次環(huán)境、設(shè)備放置位置變化后需要重新采樣及訓(xùn)練。

現(xiàn)有利用地磁信號、無線信號(GSM/WiFi RSSI)等信息的基于指紋的定位技術(shù)，精度大約在房間級，遠(yuǎn)不能達(dá)到估計(jì)室內(nèi)移動(dòng)方向的要求。而利用物理層CSI信息能夠獲得精細(xì)一些的定位。2013年伍楷舜等在文獻(xiàn)“CSI-Based Indoor Localization”中構(gòu)建了精細(xì)室內(nèi)定位FILA(Fine-grained Indoor Localization)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用WiFi CSI信息的基于指紋匹配的定位，在單個(gè)AP的情況下，平均精度約為3米；兩個(gè)AP的情況平均精度約為1.5米。

基于測距的方法工作時(shí)，可以分別測量相對于多個(gè)已知位置的信號源的距離，然后利用幾何方法估計(jì)位置。測距方法利用的信號達(dá)到時(shí)間ToF(TimeofFlight)信息，距離等于ToF乘以信號傳播速度。使用聲波測距需要房間內(nèi)布置專用設(shè)備；利用WiFi等無線信號則可以復(fù)用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。然而，由于無線電以光速傳播，基于無線電的測距需要精確的到達(dá)時(shí)間的測量，而精確的ToF測量需要大的帶寬?，F(xiàn)有WiFi協(xié)議的20MHz帶寬下，能夠分辨的時(shí)間間隔為50納秒，約為15米精度。由于通常的房間尺寸小于15米，在精度約為15米的情況下，該方法無法區(qū)分15米內(nèi)的不同路徑長度，因此無法滿足要求。

基于角度的方法通過測量信號的達(dá)到角度AoA(Angleof Arrival)信息估計(jì)位置。角度的估計(jì)需要天線陣列，即每個(gè)接收端多個(gè)天線。天線數(shù)量越多，角度誤差越小。已有技術(shù)大多基于超級解析度MUSIC算法或是它的某一變種。通過定位信號相對于已知若干個(gè)參考位置的角度，通過幾何方法可以計(jì)算信號源的位置。

2014年熊杰等人在文獻(xiàn)(Phaser:Enabling Phased Array Signal Processing onCommodity WiFi Access Points)中記載了，利用多個(gè)AP的WiFi信號的到達(dá)角度信息進(jìn)行定位，可以達(dá)到約1米的平均精度。但該精度需要每個(gè)AP配備5個(gè)天線下獲得，而通常的WiFi設(shè)備并不配置這么多天線。2015年，熊杰在文獻(xiàn)(ToneTrack:Leveraging Frequency-Agile Radios forTime-Based Indoor Wireless Localization)中構(gòu)建了ToneTrack，該系統(tǒng)使用了跳頻技術(shù)，在多個(gè)相鄰的WiFi頻段快速切換，以提高定位精度。ToneTrack在使用6個(gè)專用WARP硬件模擬的WiFi AP，捆綁使用3個(gè)20MHz頻道下，達(dá)到0.9米的平均定位精度。

2015年ManikantaKotaru等人利用WiFiCSI信息對MUSIC算法進(jìn)行改進(jìn)，從而減少了需要的天線數(shù)量(SpotFi:Decimeter Level Localization Using WiFi)。SpotFi使用了6個(gè)AP，每個(gè)AP裝配3根天線，定位精度約為0.4米，達(dá)到了以往每個(gè)AP需要6根天線的相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。在使用兩個(gè)AP的情況下，SpotFi達(dá)到約1.6米的精度。

Deepak Vasisht等人通過掃描WiFi的所有頻道，將掃描結(jié)果拼接在一起，以提高時(shí)間分辨率以及測距精度(Sub-Nanosecond Time of Flight on CommercialWi-Fi Cards)。該方法僅需要一個(gè)AP，在存在LoS(Lineof Sight)的情況下可以達(dá)到0.58米定位精度，在NLoS(Non Lineof Sight)情況下達(dá)到1.18米定位精度。但該方法需要在AP端和手機(jī)端同步修改驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全頻段掃描，無法直接在商用WiFi軟件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

基于無設(shè)備感知的行走方向判斷是利用人對信號的影響來檢測的，通常使用無線信號。人在室內(nèi)行走時(shí)不需要攜帶任何設(shè)備。最常用的檢測方法是利用多普勒原理。多普勒雷達(dá)就是典型的例子。但是雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)價(jià)格昂貴、難以小型化，用于室內(nèi)移動(dòng)檢測并不實(shí)際。利用軟件無線電來實(shí)施檢測是另一類實(shí)現(xiàn)方法，優(yōu)點(diǎn)在于可以精確同步發(fā)送、接收端的信號，但存在的問題是精確的時(shí)鐘同步和采樣成本高昂，且需要用電纜連接發(fā)送和接收端，以提供統(tǒng)一的時(shí)鐘。這種高精度的時(shí)鐘同步難以在低成本的兩個(gè)單獨(dú)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的無線電射頻芯片中實(shí)現(xiàn)。目前已有的利用無線電射頻RF信號進(jìn)行無設(shè)備被動(dòng)定位和感知的工作較少，2013年伍楷舜等人構(gòu)建了Pilot系統(tǒng)(Pilot:Passive Device-free Indoor LocalizationUsing Channel State Information)，Pilot是第一個(gè)利用了WiFi物理層CSI信息進(jìn)行無設(shè)備感知和定位的工作，但僅能粗糙區(qū)分室內(nèi)間隔3～4米的定位參考點(diǎn)。

綜上所述，目前基于設(shè)備的感知技術(shù)在理想情況下可達(dá)到約1米的定位精度，需要人攜帶設(shè)備，且設(shè)備需和基礎(chǔ)設(shè)施配合以運(yùn)行感知軟件。而已有利用WiFi信號的無設(shè)備感知的定位技術(shù)的檢測誤差大于采用基于設(shè)備的感知定位方法的檢測誤差，達(dá)到3-4米，現(xiàn)有無設(shè)備感知方法的定位精度過于粗糙，誤差太大，難以直接用于估計(jì)行走方向。目前尚未出現(xiàn)能夠直接利用已有的商用WiFi芯片實(shí)現(xiàn)測量行走方向的技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種新的無設(shè)備感知方法，利用無線電RF信號檢測人的行走方向的方法，利用人的行走對無線電RF信號產(chǎn)生的擾動(dòng)，通過測量并提取多頻率無線信道變化，計(jì)算得到人的行走方向。本發(fā)明方便易用，以實(shí)時(shí)連續(xù)檢測，且檢測精度高。

本發(fā)明的原理是：人的移動(dòng)會(huì)對無線電波造成影響。這種影響表現(xiàn)在人的身體會(huì)反射無線電波，反射的電波和原先從Tx-Rx(發(fā)送-接收)發(fā)出的信號疊加在一起，形成新的信號強(qiáng)度。當(dāng)人在室內(nèi)移動(dòng)時(shí)，身體反射的無線電信號經(jīng)過的路徑長度不斷發(fā)生變化，而LoS的路徑長度并不發(fā)生變化。于是，來自兩條路徑的無線電波會(huì)發(fā)生疊加，疊加的效果取決于來自兩條路徑的無線電信號的相位關(guān)系。如果兩個(gè)路徑相位相同(或相近)，來自人的反射信號會(huì)增強(qiáng)來自LoS的信號；如果兩個(gè)路徑相位相反，來自人的反射信號會(huì)削弱來自LoS的信號。這種現(xiàn)象可以由菲涅爾區(qū)模型來描述。菲涅爾區(qū)模型是以Tx和Rx為兩個(gè)焦點(diǎn)的同心橢圓簇，其中最里層橢圓上的點(diǎn)距離一對焦點(diǎn)的距離和比LoS長度多半個(gè)波長，橢圓間沒有交點(diǎn)，以后外層橢圓上的點(diǎn)距離兩個(gè)焦點(diǎn)的距離和比相鄰內(nèi)層橢圓剛好多半個(gè)波長。在菲涅耳區(qū)的不同橢圓上，信號形成波峰和波谷，交替出現(xiàn)。由此，人在室內(nèi)連續(xù)移動(dòng)會(huì)穿越菲涅爾區(qū)，造成信號強(qiáng)弱的反復(fù)變化，產(chǎn)生類似正弦波樣的變化。疊加的效果取決于使用的無線電波長以及人距離一對Tx-Rx的距離。無線信號的強(qiáng)度可以使用接收端RSSI(Received Signal StrengthIndicator)來進(jìn)行刻畫。

本發(fā)明利用OFDM調(diào)制的無線信號，感知進(jìn)入房間的人的行走方向。具體通過室內(nèi)固定位置的無線電信號發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備，利用接收設(shè)備上采集的信道狀態(tài)信息進(jìn)行計(jì)算并估計(jì)人的行走方向，以克服人必須攜帶有傳感設(shè)備這一約束。OFDM調(diào)制的無線電信號含有多個(gè)頻率的子通道，子通道間頻率差通常間隔相等。而當(dāng)人移動(dòng)時(shí)，不同子通道中不同波長的無線電信號強(qiáng)度的變化趨勢并不同步。通過測量不同子通道中信號強(qiáng)度波動(dòng)的先后關(guān)系，可以判斷出人相對于一對Tx-Rx的移動(dòng)關(guān)系?？坍婳FDM中各個(gè)子通道的信號強(qiáng)度是通過測量信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)來完成的。CSI信息描述了在每個(gè)OFDM子通道，無線信號從發(fā)送端到達(dá)接收端時(shí)，強(qiáng)度的衰減情況以及相位的變化情況。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種利用無線電RF信號檢測人的行走方向的處理方法，分別在已知的固定位置放置一個(gè)信號發(fā)送設(shè)備Tx(例如：WiFi無線路由器或無線接入點(diǎn)AP)、兩個(gè)信號接收設(shè)備Rx(例如：PC個(gè)人電腦、智能電視等)，兩個(gè)Rx分別與Tx的連線盡可能垂直，信號采用OFDM調(diào)制，且能夠通過測量信道狀態(tài)信息(CSI信息)獲取信號強(qiáng)度變化的信息，進(jìn)入室內(nèi)的人不需要攜帶任何設(shè)備。本發(fā)明要求Tx-Rx間沒有阻擋，存在較強(qiáng)的LoS(Lineof Sight)路徑；

利用無線電RF信號檢測人的行走方向的處理方法包括如下步驟：

1)數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

a)Tx發(fā)射無線電信號，在兩個(gè)Rx端采集CSI信息。完整的CSI信息包括OFDM子通道的傳輸特性信息(單個(gè)復(fù)數(shù)描述)、采集時(shí)的發(fā)送天線編號以及接收天線編號、采集時(shí)刻的時(shí)間戳。Tx發(fā)送信號不要求均勻等間隔，可隨著無線數(shù)據(jù)通信的正常發(fā)送；

b)將采集到的CSI信號時(shí)間序列取絕對值后平方，以將復(fù)數(shù)值變?yōu)閷?shí)數(shù)；

c)對采集到的含有時(shí)間戳的非均勻CSI信號時(shí)間序列插值，形成均勻CSI信號時(shí)間序列

d)對CSI信號時(shí)間序列應(yīng)用濾波，以去除噪音及高頻波動(dòng)；

2)特征提取

a)對整體時(shí)間序列切分為窗口；

b)對每個(gè)窗口，比較OFDM不同子載波間的延時(shí)；

c)根據(jù)子載波間延時(shí)的關(guān)系，確定人相對于每對Tx-Rx是否發(fā)生了移動(dòng)，識別移動(dòng)屬于靠近關(guān)系或遠(yuǎn)離關(guān)系；

d)對每個(gè)窗口，估計(jì)波動(dòng)周期數(shù)量，作為移動(dòng)距離；

具體地，對均勻信道狀態(tài)信息時(shí)間序列整體切分為時(shí)間窗口；對每個(gè)時(shí)間窗口，通過計(jì)算比較OFDM不同子載波間的延時(shí)，檢測一段時(shí)間內(nèi)延時(shí)的分布，分別作為人相對于Tx-Rx1設(shè)備對或Tx-Rx2設(shè)備對中單對設(shè)備相應(yīng)的移動(dòng)方向，由此識別人相對于Tx-Rx1設(shè)備對或Tx-Rx2設(shè)備對是否發(fā)生了距離改變的移動(dòng)；并估計(jì)對應(yīng)的每個(gè)時(shí)間窗口的波動(dòng)周期數(shù)量，作為相對于該對設(shè)備的移動(dòng)距離；所述發(fā)生了距離改變的移動(dòng)是指人相對于某對設(shè)備對發(fā)生了移動(dòng)，且人距離該對設(shè)備的Tx加上人距離Rx的路徑長度之和發(fā)生了變化；此時(shí)，一對設(shè)備上相應(yīng)時(shí)間窗口內(nèi)的子載波間的延時(shí)分布的符號值之和大于所設(shè)置的閾值；

3)方向估計(jì)：將Tx的發(fā)射天線位置記成坐標(biāo)原點(diǎn)，構(gòu)建笛卡爾坐標(biāo)系；將兩個(gè)Rx的接收天線位置記成兩個(gè)相對于原點(diǎn)位置的坐標(biāo)軸；

a)如果人相對于兩對Tx-Rx設(shè)備均發(fā)生了距離改變的移動(dòng)(發(fā)生了距離改變的移動(dòng)是指人相對于一對Tx-Rx設(shè)備發(fā)生了移動(dòng)之后分別與Tx以及Rx設(shè)備的距離之和發(fā)生明顯改變，表現(xiàn)為菲涅爾區(qū)模型上，有明顯從外層/內(nèi)層橢圓向內(nèi)層/外層橢圓的移動(dòng)，即為明顯的靠近或遠(yuǎn)離關(guān)系)，則利用幾何方法計(jì)算移動(dòng)方向；此情形下，方向的計(jì)算方法如下：將一段時(shí)間內(nèi)，人相對于每對Tx-Rx的移動(dòng)方向及距離投影到相應(yīng)坐標(biāo)軸上，移動(dòng)方向的遠(yuǎn)離/靠近關(guān)系投射為相對于相應(yīng)坐標(biāo)軸的正負(fù)，移動(dòng)距離為該段時(shí)間內(nèi)CSI波形的波動(dòng)周期次數(shù)(由2d)得到)。投射到兩個(gè)坐標(biāo)軸后，合成的向量的方向即為人在室內(nèi)移動(dòng)的方向；

b)如果人相對于兩對Tx-Rx設(shè)備有且僅有一對Tx-Rx上發(fā)生了距離改變的移動(dòng)(為明顯的靠近/遠(yuǎn)離關(guān)系)，另一對Tx-Rx上靠近/遠(yuǎn)離關(guān)系不明顯，則利用經(jīng)驗(yàn)方法估計(jì)移動(dòng)方向。

此情形下，步驟2的c)步的檢測結(jié)果在兩對Tx-Rx中其中至少一對表現(xiàn)的不明顯(人相對于該對收發(fā)設(shè)備發(fā)生了移動(dòng)之后分別與該對收發(fā)設(shè)備的距離之和近似相等，沒有發(fā)生明顯改變，即該移動(dòng)不是發(fā)生了距離改變的移動(dòng)。表現(xiàn)在菲涅爾模型上，相當(dāng)于在同一層橢圓上移動(dòng))，則經(jīng)驗(yàn)估計(jì)方法為：投射到兩個(gè)坐標(biāo)軸的向量為延時(shí)的分布值，投射到兩個(gè)坐標(biāo)軸后，合成的向量的方向即為人在室內(nèi)移動(dòng)的方向。

c)如果兩對Tx-Rx上靠近/遠(yuǎn)離關(guān)系均不明顯，則判斷為人沒有發(fā)生移動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供一種新的無設(shè)備感知方法，利用無線電RF信號檢測人的行走方向的方法，利用人的行走對無線電RF信號產(chǎn)生的擾動(dòng)，通過測量并提取多頻率無線信道變化，計(jì)算得到人的行走方向。

本發(fā)明利用發(fā)送或接收設(shè)備上采集的信道狀態(tài)信息進(jìn)行計(jì)算從而估計(jì)人的行走方向，不受基于設(shè)備的感知方法中人必須攜帶傳感設(shè)備才能檢測行走方向的限制，可以利用已有的無線信道CSI數(shù)值，無需在無線收發(fā)設(shè)備上進(jìn)行硬件改動(dòng)，節(jié)約成本；同時(shí)檢測誤差較小，檢測誤差達(dá)到了相當(dāng)于基于設(shè)備的集成了加速度計(jì)、陀螺儀等多種傳感器的WalkCompass方法的方向檢測精度。本方法可以實(shí)時(shí)連續(xù)運(yùn)行，不需要事先采集環(huán)境信號指紋。人在室內(nèi)行走一至兩步即可感知并計(jì)算移動(dòng)方向，本發(fā)明技術(shù)方案優(yōu)于現(xiàn)有方法，具有實(shí)用性高、精度較高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例中的無線電設(shè)備放置示意圖；

其中，虛線表示檢測區(qū)域；TX為無線電發(fā)射設(shè)備；RX1、RX2分別為無線電接收設(shè)備1和無線電接收設(shè)備2。

圖2本發(fā)明實(shí)施例中利用無線電RF信號檢測人的行走方向的方法的計(jì)算流程框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明提供一種利用無線電RF信號檢測人的行走方向的方法，利用人的行走對無線電RF信號產(chǎn)生的擾動(dòng)，通過測量并提取多頻率無線信道變化，計(jì)算得到人的行走方向。

本發(fā)明在實(shí)施時(shí)，需要在房間內(nèi)放置一個(gè)已知固定位置的信號發(fā)送設(shè)備Tx(例如：WiFi無線路由器或無線接入點(diǎn)AP)、兩個(gè)已知固定位置的信號接收設(shè)備Rx(例如：PC個(gè)人電腦、智能電視等)，且兩個(gè)Rx設(shè)備分別與Tx的連線盡可能垂直，信號采用OFDM調(diào)制技術(shù)，且能夠通過測量CSI信息獲取信號強(qiáng)度變化的信息。進(jìn)入室內(nèi)的人不需要攜帶任何設(shè)備。本發(fā)明要求Tx-Rx間沒有阻擋，存在較強(qiáng)的LoS路徑。圖1本發(fā)明實(shí)施例中的無線電設(shè)備放置示意圖；本實(shí)施例中的無線電設(shè)備包括一臺(tái)無線電發(fā)射設(shè)備TX和兩臺(tái)無線電發(fā)射設(shè)備RX1、RX2。其中，虛線表示檢測區(qū)域。圖2本發(fā)明實(shí)施例中利用無線電RF信號檢測人的行走方向的方法的計(jì)算流程框圖。本發(fā)明的具體實(shí)施方式如下：

1)獲取信道狀態(tài)信息CSI；

a)CSI信息既可以在兩個(gè)無線設(shè)備接收端分別采集，也可以在無線設(shè)備發(fā)送端集中采集。每一對Tx-Rx設(shè)備間產(chǎn)生一組CSI時(shí)間序列，兩組Tx-Rx一共產(chǎn)生兩組CSI時(shí)間序列。

b)采集到的信息集中在一起進(jìn)行處理。如果CSI信息在兩個(gè)接收端采集，則需要通過網(wǎng)絡(luò)匯集到同一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步處理；如果CSI信息在發(fā)送端采集，則可以直接在發(fā)送節(jié)點(diǎn)處理。

c)CSI信息的采集是跟隨通訊的過程同步完成的。一般在每次通訊傳輸前，測量一次CSI數(shù)值。

d)OFDM編碼的不同子通道會(huì)產(chǎn)生各自CSI測量值，即：每一次CSI測量包括不同頻率的OFDM子通道的CSI數(shù)值。

e)CSI隨著時(shí)間不斷采樣，形成時(shí)間序列。

f)對每個(gè)CSI數(shù)值取絕對值，然后平方。取絕對值的目的是對復(fù)數(shù)取模長。

g)要想準(zhǔn)確判斷室內(nèi)人的行走方向，CSI采樣率應(yīng)至少達(dá)到300Hz；

2)對齊兩個(gè)接收端CSI的時(shí)間序列

a)采集到的CSI數(shù)值會(huì)包含網(wǎng)卡形成的時(shí)間戳，時(shí)間戳里不含絕對時(shí)間，僅僅含有內(nèi)部晶振產(chǎn)生的計(jì)數(shù)器，因此不同接收端產(chǎn)生的時(shí)間戳絕對值并不相同。此步需要將每個(gè)接收端的CSI時(shí)間序列的時(shí)間戳前后相減，形成相對時(shí)間戳。即：相減后，時(shí)間戳表示每次CSI測量的時(shí)間間隔，以晶振計(jì)數(shù)的數(shù)量表示。

b)將相對時(shí)間戳乘以網(wǎng)卡晶振頻率，即得到相對時(shí)間的時(shí)間戳；

c)將兩個(gè)接收端產(chǎn)生的相對時(shí)間戳進(jìn)行最大公共子序列匹配算法，找出公共子序列在兩個(gè)相對時(shí)間戳的起始位置；

d)將起始位置數(shù)值相減得到差，根據(jù)起始位置的差對齊兩個(gè)接收端的CSI時(shí)間序列；

3)對CSI波形進(jìn)行插值

a)把2b步產(chǎn)生的相對時(shí)間的時(shí)間戳進(jìn)行累加，得到從0開始記時(shí)的CSI時(shí)間序列。即：2b的相對時(shí)間的時(shí)間戳表示相鄰兩次CSI測量的時(shí)間間隔，累加后，表示從0開始的時(shí)刻值；

b)利用Spline樣條插值方法對CSI時(shí)間戳進(jìn)行插值，以得到時(shí)間間隔均勻的CSI時(shí)間序列；

4)對CSI波形進(jìn)行降噪

a)使用Savitzky-Golay平滑方法對CSI時(shí)間序列波形進(jìn)行降噪，Savitzky-Golay降噪的參數(shù)選擇為：選擇3次多項(xiàng)式，窗口大小為包含1次CSI波動(dòng)周期為好；

b)對兩個(gè)CSI時(shí)間序列分別應(yīng)用若干次Savitzky-Golay平滑處理，以得到較平滑曲線。

5)計(jì)算子載波間的延時(shí)

a)采用滑動(dòng)窗口將CSI時(shí)間序列分片，窗口大小設(shè)置為0.1秒；

b)窗口內(nèi)，多個(gè)OFDM子通道的CSI波形進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的方法為：計(jì)算每個(gè)OFDM子通道CSI時(shí)間序列在該窗口內(nèi)的平均值，將該OFDM子通道內(nèi)的CSI序列減去該平均值，使得CSI波形變成圍繞0做上下波動(dòng)；

c)計(jì)算不同子載波間的信號互相關(guān)，取互相關(guān)達(dá)到最大值處的偏移量，作為兩個(gè)子載波間的延時(shí)；

6)估計(jì)一段時(shí)間內(nèi)相對移動(dòng)距離

a)采用滑動(dòng)時(shí)間窗口將CSI時(shí)間序列分片，窗口大小設(shè)置為0.5秒，窗口間重疊50％；

b)對每個(gè)窗口利用快速傅里葉變換FFT，求出該時(shí)間窗口內(nèi)CSI的波動(dòng)周期數(shù)量；

c)對各個(gè)OFDM子載波應(yīng)用b步算法，得到窗口內(nèi)各子載波的波動(dòng)周期數(shù)量，取子載波的波動(dòng)周期數(shù)量的平均值作為移動(dòng)距離的估計(jì)；該移動(dòng)距離并不和空間上的距離對應(yīng)，僅用于計(jì)算角度；

d)一段時(shí)間內(nèi)累積的移動(dòng)距離為各個(gè)子窗口計(jì)算的移動(dòng)距離之和，去除窗口重疊的部分；

7)檢測一段時(shí)間內(nèi)延時(shí)的分布，獲得人相對于一對Tx-Rx設(shè)備的移動(dòng)方向；

a)采用滑動(dòng)窗口將5)步子載波延時(shí)計(jì)算的結(jié)果分片，窗口大小設(shè)置為1秒；

b)窗口內(nèi)，將5)步計(jì)算的延時(shí)值取符號函數(shù)sgn，即：對正數(shù)，結(jié)果為1，對負(fù)數(shù)，結(jié)果為-1，對0，結(jié)果為0；

c)將1秒窗口內(nèi)的所有延時(shí)值，取符號后相加，得到延時(shí)值的分布；

d)設(shè)置閾值為1秒窗口內(nèi)有效延時(shí)值的數(shù)量的1/4；

e)當(dāng)步驟7c得到的延時(shí)值的分布大于步驟7d所設(shè)置的閾值時(shí)，人相對于這對Tx-Rx設(shè)備連線中點(diǎn)的移動(dòng)方向?yàn)檎?，此時(shí)人遠(yuǎn)離Tx-Rx設(shè)備；當(dāng)步驟7c得到的延時(shí)值的分布小于步驟7d所設(shè)置的閾值的負(fù)值時(shí)，方向?yàn)樨?fù)，此時(shí)人靠近Tx-Rx設(shè)備；當(dāng)步驟7c得到的延時(shí)值的分布介于正負(fù)閾值之間時(shí)，移動(dòng)方向不明顯，方向?yàn)?，可認(rèn)為人沒有移動(dòng)或沿Tx-Rx連線平行的角度移動(dòng)；

8)估計(jì)人的移動(dòng)方向

a)將Tx的發(fā)射天線位置記成坐標(biāo)原點(diǎn)，構(gòu)建笛卡爾坐標(biāo)系；

b)將兩個(gè)Rx的接收天線位置記成兩個(gè)相對于原點(diǎn)位置的坐標(biāo)軸；

c)若步驟7e中的檢測結(jié)果在兩對Tx-Rx上都表現(xiàn)的明顯，即：7e步的方向延時(shí)值分布的絕對值大于閾值。則方向的計(jì)算方法如下：將人相對于每對Tx-Rx的移動(dòng)方向及距離投影到相應(yīng)坐標(biāo)軸上，移動(dòng)方向的靠近/遠(yuǎn)離關(guān)系即為方向的負(fù)/正，映射為相對于每個(gè)坐標(biāo)軸的正負(fù)7e，移動(dòng)距離為一段時(shí)間內(nèi)CSI波形的波動(dòng)次數(shù)6d。投射到兩個(gè)坐標(biāo)軸后，合成的向量的方向即為人在室內(nèi)移動(dòng)的方向；

d)若步驟7的e)步的檢測結(jié)果在兩對Tx-Rx中其中至少一對表現(xiàn)的不明顯，即7e)步方向?yàn)?，則經(jīng)驗(yàn)估計(jì)方法為：將7c)步兩對Tx-Rx上計(jì)算的延時(shí)值分布直接投射到兩個(gè)相應(yīng)坐標(biāo)軸上。投射到兩個(gè)坐標(biāo)軸后，合成的向量的方向即為人在室內(nèi)移動(dòng)的方向。

下面通過實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

由于室內(nèi)WiFi設(shè)備的普及，以下實(shí)施例我們利用WiFi信號來檢測人的行走方向。利用配置在5G頻段搭載全向天線的支持802.11n協(xié)議的WiFi路由器作為信號發(fā)射端Tx，利用兩個(gè)搭載全向天線、安裝了Intel5300無線網(wǎng)卡的MiniPC作為信號接收端。802.11n及以后的協(xié)議支持OFDM調(diào)制。利用Linux CSItools可采集CSI數(shù)據(jù)，采集到的CSI包含30個(gè)子載波的信息。利用本發(fā)明提供方法檢測人的行走方向的具體流程如下：

1)將路由器上的發(fā)射天線垂直地面放置，其位置標(biāo)記為坐標(biāo)原點(diǎn)Tx，放在房間一角；

2)將兩個(gè)MiniPC的發(fā)射天線垂直地面放置，其位置標(biāo)記為接收Rx1及Rx2，放在房間另兩角。Tx和Rx1的連線定義為x軸，Tx和Rx2的連線定義為y軸，建立坐標(biāo)系；

3)在Rx1及Rx2上連續(xù)采集CSI數(shù)據(jù)，并通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送到一臺(tái)PC集中處理；

4)在WiFi路由器端產(chǎn)生適量的數(shù)據(jù)通訊，以達(dá)到大約300Hz的CSI采樣率；

5)進(jìn)行CSI數(shù)據(jù)預(yù)處理，即：對采集到的CSI時(shí)間序列插值，然后進(jìn)行S-G濾波。插值時(shí)，使用spline樣條插值法，以達(dá)到300Hz及以上的均勻采樣。Savitzky-Golay濾波采用3次多項(xiàng)式，窗口大小設(shè)為大約一個(gè)CSI波動(dòng)周期。大約為采樣率除以40后取整，然后確保窗口大小為奇數(shù)(S-G濾波算法要求)。

6)分窗口計(jì)算子載波間的延時(shí)。窗口設(shè)置為0.1秒，以重疊50％的方式滑動(dòng)。延時(shí)的計(jì)算方法是計(jì)算兩個(gè)不同子載波間的互相關(guān)。取互相關(guān)最大值處的位移為延時(shí)值。

7)計(jì)算延時(shí)值的分布。分布的統(tǒng)計(jì)需要稍長一些的窗口，例如：取1秒的窗口，則按照0.1秒窗口計(jì)算，重疊50％的延時(shí)值共有20個(gè)。取符號后累加，則累加值的取值范圍在[-20,20]之間。閾值設(shè)置為20/4＝5。

8)判斷方向。延時(shí)的分布在20與5之間，判斷為正方向；延時(shí)的分布在-5與-20之間，判斷為負(fù)方向；延時(shí)的分布在-5與5之間，方向信息不明確。

9)判斷移動(dòng)距離，即統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)CSI的波動(dòng)次數(shù)。例如，選擇1秒的時(shí)間窗口，CSI的波動(dòng)次數(shù)通過快速傅里葉變換FFT方法估計(jì)。將1秒的CSI時(shí)間序列經(jīng)過FFT變換后，形成新的序列，序列中的最大值的位置號即為估計(jì)出的波動(dòng)次數(shù)。

10)合成二維平面的方向。若兩對Tx-Rx上方向信息都明確，則二維方向的向量可以投影到每對Tx-Rx上，即：投影到x軸和y軸上。投影的值為第9步波動(dòng)次數(shù)乘以第8步的正負(fù)值。例如：投影到x軸的方向?yàn)樨?fù)，且波動(dòng)次數(shù)為3次；投影到y(tǒng)軸的方向?yàn)檎?，且波?dòng)次數(shù)為4，則可用向量(-3，4)表示移動(dòng)的方向。

11)若兩次Tx-Rx方向中，有一對的方向信息不明確，則二維方向的向量利用經(jīng)驗(yàn)方法估計(jì)，即x/y軸的投影分別采用第7步的累加值代替。

12)通過取arctan函數(shù)計(jì)算，由x/y軸表示的向量的角度即為行走的實(shí)際方向。例如：若移動(dòng)的向量為(-3，4)，則移動(dòng)的角度為-53.13度。

需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。