[论文解读] MFDL: A Multicarrier Fresnel Penetration Model based Device-Free Localization System leveraging Commodity Wi-Fi Cards

Hao Wang, Daqing Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 27被引用 28

一句话总结

本文提出MFDL，一种使用商用Wi-Fi网卡的无设备定位系统，通过创新的多载波菲涅尔穿透模型（FPM）实现厘米级精度。通过建立菲涅尔区与多载波相位差之间的线性关系，并对多径引起的相位偏移进行校准，MFDL在仅使用三个收发器的户外环境中实现45厘米的中位误差，在更大面积的室内环境中实现75厘米的中位误差，显著优于现有最先进方法，且所需接入点数量远少于其他方法。

ABSTRACT

Device-free localization plays an important role in many ubiquitous applications. Among the different technologies proposed, Wi-Fi based technology using commercial devices has attracted much attention due to its low cost, ease of deployment, and high potential for accurate localization. Existing solutions use either fingerprints that require labor-intensive radio-map survey and updates, or models constructed from empirical studies with dense deployment of Wi-Fi transceivers. In this work, we explore the Fresnel Zone Theory in physics and propose a generic Fresnel Penetration Model (FPM), which reveals the linear relationship between specific Fresnel zones and multicarrier Fresnel phase difference, along with the Fresnel phase offset caused by static multipath environments. We validate FPM in both outdoor and complex indoor environments. Furthermore, we design a multicarrier FPM based device-free localization system (MFDL), which overcomes a number of practical challenges, particularly the Fresnel phase difference estimation and phase offset calibration in multipath-rich indoor environments. Extensive experimental results show that compared with the state-of-the-art work (LiFS), our MFDL system achieves better localization accuracy with much fewer number of Wi-Fi transceivers. Specifically, using only three transceivers, the median localization error of MFDL is as low as 45$cm$ in an outdoor environment of 36$m^2$, and 55$cm$ in indoor settings of 25$m^2$. Increasing the number of transceivers to four allows us to achieve 75$cm$ median localization error in a 72$m^2$ indoor area, compared with the 1.1$m$ median localization error achieved by LiFS using 11 transceivers in a 70$m^2$ area.

研究动机与目标

• 解决基于指纹匹配和经验模型的Wi-Fi定位方法的局限性，这些方法需要耗费人力的勘测或密集部署收发器。
• 开发一种基于物理的通用模型，利用菲涅尔区理论将CSI测量值与人体目标位置关联起来。
• 在硬件需求极低的前提下，实现在户外和复杂室内环境中高精度的无设备定位。
• 克服在多径丰富环境中相位差估计与相位偏移校准的实际挑战。

提出的方法

• 提出一种菲涅尔穿透模型（FPM），建立特定菲涅尔区与多载波菲涅尔相位差之间的线性关系。
• 通过校准程序建模静态多径环境引起的菲涅尔相位偏移，以提高精度。
• 采用曲率拟合方法，从子载波上的CSI相位测量中估计菲涅尔相位差。
• 使用0.05秒的时间窗进行时间偏移和周期估计，以在灵敏度与估计稳定性之间取得平衡。
• 在室内环境中应用离线相位偏移校准，以校正环境多径效应。
• 设计MFDL系统，将FPM与CSI处理相结合，实现实时、高精度定位。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于菲涅尔区理论的物理模型能否在多样化环境中准确描述CSI相位差与人体目标位置之间的关系？
• RQ2 在存在噪声和多径干扰的情况下，如何可靠地从CSI测量中估计菲涅尔相位差？
• RQ3 多径引起的相位偏移对定位精度有何影响，以及如何有效校准？
• RQ4 基于模型的方法能否在远少于现有指纹匹配或经验模型方法所需收发器数量的前提下，实现亚米级定位精度？
• RQ5 在动态人体运动场景中，何种滑动窗口大小能最优平衡时间灵敏度与相位估计精度？

主要发现

• 仅使用三个收发器，MFDL在36平方米的户外环境中实现45厘米的中位定位误差，显著优于以往工作。
• 在25平方米的室内环境中，MFDL实现55厘米的中位误差，证明其在复杂多径环境中的鲁棒性。
• 将收发器数量增至四个后，MFDL在72平方米的室内区域中将中位误差降低至75厘米，而LiFS需11个收发器才能在类似空间中实现1.1米的误差。
• 相位偏移校准将室内实验中的中位误差从约73厘米降低至55厘米，证明其有效性。
• 0.05秒的滑动窗口大小提供最佳性能，平衡了对运动的灵敏度与相位差估计的稳定性。
• 用于相位差估计的曲率拟合方法始终优于其他替代方法，在户外评估中实现了最低的中位误差。