基于超宽带Wi-Fi阵列的跨频段超分辨率感知关键技术研究

Wireless Sensing based on COTS Wi-Fi devices has long being suffering from low resolution, various of errors and non-contiguous spectrum. For these problems, It is the key solution to build a wideband sensing array using COTS devices. Focusing on this topic, we perform research on three sub directions. On UWB direction, we achieved wideband carrier frequency sweeping on COTS hardware, then we propose a ultra-wideband spectrum splicing method based on two phase error cancelation methods. To further enlarge the bandwidth, we propose an auto-regresisve progress based spectrum prediction method. On phase syncing direction, we proposed a self-calibration method to eliminate the phase error on same card; and also propose a method to cancel the intra-card phase error using reference signal. Based on the above system, we propose a virtual array method to performance accurate and efficient wave estimation, and also propose a Hankel-transformation based solution to improve robustness. Further, to tackle problem that the super-resolution methods are not able to work on non-contiguous spectrum, we propose a two-staged method, first we extrapolate the bandwidth and use a weighted approach to achieve the cross-band super-resolution measurement.

Wi-Fi射频感知研究长期受制于时空分辨率低、多种相位误差以及频带不连续等问题，构建超宽带多天线阵列是其根本解决方案。围绕基于超宽带Wi-Fi阵列的精确感知这个目标，课题组分别从超宽带频谱构建、天线阵列同步及基于超宽带阵列的感知方面进行研究。在超宽带方面，课题组在前期研究中实现了商用网卡的载波大范围扫频功能，在此基础上课题组提出基于两种一致性约束的相位误差消除方法，实现超宽带频谱构建，并提出基于自回归过程估计的带外频谱推测方法进一步扩大带宽。在天线阵列同步方面，课题组提出基于天线阵列自矫正的同网卡相位误差消除方法，进一步提出基于天线共享的跨网卡误差消除方法。在精确感知方面，课题组提出基于虚拟阵列法的精确来波估计方法，并针对欠采样问题，提出基于Hankel变换的鲁棒测量；针对频带不连续问题，课题组提出使用频谱推测法构建连续大带宽，并使用基于置信度加权的超分辨率法实现跨频段超分辨率精确感知。

Wi-Fi感知是利用已经高密度部署的Wi-Fi信号，实现对环境中的人及设备进行精确感知、定位或探测其他特征的技术。本项目在过去3年中按照预期研究领域与方向，扎实深入地实现了多项项目预期研究目标，紧密围绕Wi-Fi感知研究的基础理论、系统软件以及Wi-Fi感知相关的底层信号分析以三方面展开工作，并在这三个方面取得突出的研究进展与成果。在基础理论方面，依托本项目支持首次提出了基带滤波器对Wi-Fi感知及CSI信号的影响，修复了过去十年Wi-Fi感知中长久存在的模型失准问题；从理论模型上给出CSI信号的完整成分模型、 误差分析及误差的消除方法。在系统平台方面，本项目开发PicoScenes Wi-Fi综合感知测量平台，实现了多个本领域的世界第一及唯一，其亮点包括： 首个且唯一的Wi-Fi 6E CSI测量平台、首个且唯一的全被动CSI测量平台、首个且唯一的基于软件无线电的CSI测量平台、首个且唯一支持异构多前端并发CSI测量及包注入的平台、并且也是首个且唯一支持插件开发的综合测量平台。PicoScenes系统在Linux平台使用C++语言开发，系统规模约20万行代码。根据代码版本管理系统统计，累计提交修改超过200万行代码。在信号模型方面，课题组提出了将连续多信道拼接起来，实现超宽带测量的关键技术，为非连续频谱超宽带Wi-Fi感知提供了基础。最后，在对本研究领域的整体推动方面，依托本项目研发的PicoScenes平台为Wi-Fi感知研究领域提供了强有力的新工具，突破了以往研究在软硬件平台及底层支持等多方面的制约，为下一个10年的Wi-Fi感知研究提供了关键的平台与技术支持。基于以上三个方面的研究成果，我们认为，本项目的支持使课题组在Wi-Fi感知领域的研究取得巨大的进展，将让Wi-Fi感知研究更进一步的实用化，并最终迈向真实的超大规模部署。