论文阅读 ORION Orientation Estimation Using Commodity Wi-Fi

这篇论文主要介绍ORION系统。这个系统实现了对MIMO终端的方位角定位，使用的设备是商用MIMO WiFI AP。测量的误差在毫米级别。论文作者为M.Naoufal.Mahfoudi，Universit´e Cˆote d’Azur, inria Sophia Antipolis, France。

在介绍这篇论文之前，先介绍两个概念：AOA和AOD。AOA(angle of arrival)意思是信号到达角，是硬件设备感知发射结点信号的到达方向；AOD(angle of departure)意思是信号发射角，是硬件设备发射无线信号的方向。如下图所示。

通过一些方法计算出AOA和AOD之后，我们可以通过2-D MUSIC算法来计算他们的联合评估，从而计算出终端的方位角。

如图所示，波峰代表着AOA和AOD的测量值。

然而，无线信号在空间中的传输受很多因素影响，再加上硬件设计带来的误差，导致我们接受的信道状态信息(CSI)有很严重的相位偏移。所以在计算AOA和AOD之前，我们要修正这些误差。

AOA测量

会对AOA测量带来误差的主要有RF精振相移，载波频偏(CFO)，采样频偏(SFO)。

(1)RF精振相移

在讲RF精振相移之前，先了解RF chain的概念。

一个RF chain包含一套数字信号调制的完整过程。在MIMO中，一个RF chain对应一个天线，这样可以做很多针对MIMO的调节。OFDM将信道切割出多个子载波传输，在一根天线上进行，802.11n引入MIMO-OFDM,在多个天线上使用OFDM调制。

RF精振相移是由于天线在不同时刻启动导致的。每个RF chain都会在测量的CSI上添加一个不同的常量值。然而在下一次重启前，这些相位偏移都是一个常量。所以在一次会话中，我们只需要校正一次。

先以一个已知的角度发射一个参考信号，根据这个信号可以算出第i个RF chain与第一个RF chain之间的相对相位，记为。对每个RF chain补偿即可去除RF精振相移

(2)CFO和SFO

CFO是由于发射端精振和接收端精振不同步导致的。由于发射端天线由同一个时钟控制，接收端天线也由同一个时钟控制，所以CFO在每一条RF chain上都相等。

SFO是由于接收端和发射端用不同的周期对信号进行采样导致的。

我们仅关注不同RF chain上的相位误差，所以CFO和SFO不会对AOD和AOA的测量带来影响。

AOD测量

AOD的测量基于一个天线上接收到的不同信号之间的相位误差。如果从不同发射天线发射短暂延迟的信号，通过计算一个天线上接受到的信号之间的相位差，我们就可以计算出发射天线的AOD。然而由于发射天线之间没有精准同步，这种方法是很难执行的。

MIMO允许多个天线同时发送和接收多个无线信号；空间复用技术可以将要传送的数据分成几个数据流，然后在不同的天线上同时发射。基于上面两种技术，我们可以得到测量AOD的方法。

如图所示，由于MIMO和空间复用技术，第一根天线和第二根天线会同时发射信号，由于天线之间的距离，接收天线接收到的两个信号之间会有相位差，通过计算相位差，我们就可以得到第一根天线和第二根天线的AOD。

空间复用技术一般和循环延迟分集(CSD)技术一起使用。CSD可以延迟天线上信号的发送，来避免波束成型。这个延迟会在每个信号间造成一个相位差。在计算AOD的时候需要消除这个相位差。

总结

通过上面两部分，我们消除了对方位角测量会有影响的相位误差，测量出了AOA和AOD，对测量出来的AOA和AOD使用2-D Music 算法可以画出伪谱图，如上面第二张图所示，波峰所对应的AOA和AOD就是发射机和接收机的AOA和AOD。