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摘 要
本文介绍Chronos，一个用单个WiFi接入点将客户端定位精度到几十厘米的定位系统。这样的系统可以将室内定位应用到仅具有单个接入点AP的家庭和小型企业。
Chronos的关键因素是一种新颖的算法，通过商用WiFi网卡能够计算出亚纳秒级别的飞行时间。通过将时间与光速相乘，MIMO接入点计算出其每个天线与客户端之间的距离，从而将其定位。本文在商用WiFi网卡上的实验表明，Chronos的准确性与使用四个或五个接入点的最先进的定位系统相当。
关键词： WiFi；室内定位；飞行时间；MIMO
目 录
第1章 绪 论
近年来，在使用无线信号的室内定位领域取得了显著的进步[48,28]。 即使使用商用WiFi芯片组，定位系统也实现了数十厘米的精确度[30,32,18]。现有针对企业网络的方案中，可通过多个WiFi接入点组合其定位信息并协同工作来定位用户。然而，绝大多数家庭和小型企业都有单个WiFi接入点。这导致了大多数无线网络的研究者已经放弃了高精度的室内定位的有益点。
发展仅使用单个WiFi接入点就可实现实物的定位技术将能够实现一系列重要的应用：
(1) 智能家居：室内定位可以在智能家居领域中发挥至关重要的作用，如利用WiFi可控制家庭设备系统，如NEST的技术越来越受人们的欢迎[37]。准确的定位技术解决了家庭自动化系统中长期存在的问题：可靠的占用率检测[36,6]。通过基于WiFi的定位技术，可以使用其手机或可穿戴设备跟踪每个房间的用户数量，从而适应加热和照明。了解这些使用者的身份可以根据用户的偏好提升个性化加热和照明的水平。
(2) WiFi地理围栏：除了家居方面，室内定位还可以使小型企业使用单一的接入点提供免费的WiFi来吸引客户。但是，网络越来越拥挤，企业主试图限制WiFi连接到自己的客户，鉴于美国32％的用户承认在他们提供的场所之外就已经访问了该开放的WiFi网络[47]。然而，使用密码保护这些网络对连接到这些网络的客户和必须频繁更改密码的业主是极不方便的。使用单个接入点进行室内定位可以为这个问题提供一个自然的解决方案，因为它可以根据客户的位置自动验证客户。
(3) 设备到设备的定位：一般地，使两个WiFi节点彼此定位是不需要额外的基础架构的。设想一下，当和朋友或家人去WiFi不如美国部署好的国家旅行，无需连接到WiFi基础设施，却能够在商场，博物馆或火车站找到对方，这是一件很了不得的事。
本文的目标是设计一个不需要额外的基础架构，仅使单个WiFi节点(例如接入点)能够将另一个接入点定位的系统。此外，本文想要一种能适用于商用WiFi网卡，不需要任何额外的传感器(如摄像机，加速度计等)的设计方案。
当按照以上要求设计方案时，本文先检查过去的定位系统中是否需要多个接入点。 基于射频定位的最直接的方法估计飞行时间(即传播时间)，并将其乘以光速以获得距离[23,16]。然而，过去的基于WiFi定位的方案无法计算绝对的飞行时间。它们仅测量接收机天线上的飞行时间差值。这种时间差使得这些系统能够相对于接收机推断出发射源的方向到达角(AoA)[48]。但是它们不能计算出发射源和接收机之间的距离。因此，过去的工作必须计算出与来自多个接入点的发射源的方向角度，将其定位。事实上，过去的方案通常使用四个或五个接入点来实现几十厘米的精度的定位[30,32,48,50]。即使是最近几个定位使用一个WiFi接入点[35,53]的方案，也要求用户走到多个位置以模拟存在多个接入点的情形，然后，它们综合考虑这些位置的信号测量与加速度计读数，从而推断用户的定位轨迹。
然而，存在非基于WiFi的定位系统可以准确地测量绝对的飞行时间，因此可以使用单个接收器进行定位。这样的系统通常利用特殊的跨越多GHz的超宽带无线电的方案[5,41]。 由于时间分辨率与无线电带宽成反比关系，因此这些设备可以计算出亚纳秒精度测量飞行时间，从而实现分米级的定位。相比之下，使用20MHz或40MHz WiFi无线电直接测量时间的系统存在7到15米的定位误差[30]。
在上述基础的分析上，本文研究了用WiFi无线电模拟宽带多GHz无线电进行定位的可能性。因而，本文设计了一个使用一对WiFi设备相互定位的室内定位系统Chronos。它能运行在商用WiFi网卡上，不需要任何外部传感器(例如加速度计或相机)。Chronos通过修改WiFi网卡模拟出超宽带频率发射机。虽然每个WiFi频带宽度只有几十兆赫兹，但是其频带数量大，可通过组合这些频带形成超带宽。因此，Chronos在多个WiFi频段上发送数据包，并将其信息组合在一起，模拟出超宽带通信的情形。
然而，使用在不同频带上发送的数据包并分组来模拟宽带无线电是具有难度的。为了组合这些数据包，Chronos需要克服三个困难：
(1) 解决相位偏移：为了模拟宽带无线电，Chronos需要捕获在不同的时间点上针对在不同的WiFi频带中传输的多个分组的信道状态信息(CSI)。然而，随着硬件复位到每个新频率(即PLL锁定)，WiFi频带之间的跳跃的这种行为引入随机的初始相位偏移。 即使需要清除这些随机相位偏移，Chronos也必须恢复飞行时间来执行定位功能。
(2) 消除分组检测延迟：测量任何时间分组的间隔必然引起检测延迟。不同的数据包存在了不同的随机检测延迟。 更糟糕的是，该分组检测延迟通常比飞行时间高出几个数量级。对于室内WiFi环境，飞行时间通常只有几纳秒，而分组检测延迟跨越数百纳秒[38]。 Chronos必须从这种检测延迟中提取出飞行时间。
(3) 消除多径效应：在室内环境中，信号不会只存在单次飞行时间，而是多个飞行时间。 这是因为室内环境中的射频信号在墙壁和家具等反射，并沿着多条路径到达接收机。导致接收机接收到多个信号，每个信号对应着不同的飞行时间。为了准确定位，Chronos必须从所有路径中寻求出直接路径，并得到其飞行时间。
本文的主体阐述了Chronos如何解决这些难点，即计算直接路径的绝对的飞行时间，并使用单个接入点完成定位功能。
以下是本文的结果总结：本文实现了Chronos定位系统，并评估了其在配备英特尔5300 WiFi网卡的设备上的定位性能。本文的结果如下：
(1) Chronos计算出绝对的飞行时间的视距下的误差中位数为0.47 ns，非视距时为0.69 ns。分别相对应为14.1厘米和20.7厘米的定位误差。
(2) Chronos使WiFi设备(例如，AP)能够将另一个设备定位，视线下，中位数误差为65厘米，非视距下为98厘米。
为了演示Chronos的功能，本文将其用于三个应用方案：
(1) 智能家居：Chronos可以使用单一的接入点判断有加热和照明的智能家居里的不同房间的居民数量。在有4名用户的两居室公寓进行实验，结果表明，Chronos能反映不同房间里的居民数，准确率为94.3％。
(2) WiFi地理围栏：Chronos可以由具有单一接入点的小型企业使用，并能限制与其设施内的连接WiFi的客户。在咖啡馆测试的实验结果表明，Chronos达到了97％的准确度。
(3) 个人无人机：Chronos使一对用户设备相互定位的能力能够提升个人机器人的导航系统如娱乐无人机的性能。Chronos通过跟踪其所有者的手持设备，使个人无人机能够与用户保持安全距离。本文使用AscTec Quadrotor的实验结果表明，它能够保持相对于用户设备所需的距离，平均误差为4.2厘米。
本文贡献：据本文所知，Chronos是第一个允许使用商用WiFi网卡，在没有任何第三方支持如其他多WiFi节点还是外部传感器(例如加速度计)的情况下，定位精度在数十厘米精度的定位系统。Chronos还贡献了第一种以商用WiFi网卡测量亚纳秒精度的绝对飞行时间的算法。
第2章 概 述
本章简要概述了本文其余部分的内容组织。Chronos无需第三方支持就可以通过计算一对设备之间的信号传播时间来定位它们。第3章描述了通过拼接在多个WiFi频段的信息来计算飞行时间的方法。其次是描述Chronos所面临以下的难点以及解决方案：
(1) 消除数据包检测延迟：因为数据包的时间延迟与发射机和接收机之间的距离无关，Chronos可从检测数据包的时间延迟中提取信号的飞行时间(见第4章)。
(2) 消除多径效应：Chronos将从全路径中区分出无线信号的直接路径(见第5章)。
(3) 解决相位偏移：Chronos将消除随WiFi接收机在频带之间跳变而引入的多相位偏移量(见第6章)。
第3章 飞行时间的测量
在本章中，本文将介绍Chronos如何在没有第三方支持的情况下，测量一对WiFi设备之间的信号的有效飞行时间。为了简要描述问题的关键，本章的其余部分假设信号是沿着单个路径从发射机传播到接收机的，并且没有检测延迟或相位偏移。本文讨论源于第4章分组检测延迟、第5章多径效应和第6章相位偏移对应部分所描述的难点。
Chronos的方法是基于以下发现：理论上，如果本文的接收机具有非常宽的带宽，则可以以细粒度分辨率容易地从单个接收设备测量飞行时间(由于时间和带宽是相反的)。不幸的是，目前的WiFi设备没有这么宽的带宽。但是还有一个可能性：WiFi设备是可以跨越2.4 GHz和5 GHz的多个离散频段。总计起来，这些频带的频带和几乎达到了1
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