Hệ thống ra đa thụ động sử dụng tín hiệu wifi

1. Kiểm soát mức Sidelobes tần số Doppler cho
Radar bistatic thụ động dựa trên WiFi
Paolo Falcone, Fabiola Colone, Pierfrancesco Lombardo
Khoa Kỹ thuật Thông tin, Điện tử và Viễn thông (DIET)
Tóm tắt—Trong bài báo này, vấn đề kiểm soát búp sóng bên tần số
Doppler được giải quyết có liên quan đến Radar Bistatic Thụ động
(PBR) dựa trên WiFi. Cụ thể, chúng tôi cho thấy rằng Chức năng mơ
hồ của các đường truyền WiFi điển hình thường mang lại mức búp sóng
bên cao, điều này có thể hạn chế mạnh mẽ khả năng phát hiện của
PBR. Các mạng trọng số thông thường được chứng minh là không hiệu
quả đối với các cấu trúc búp bê Doppler như vậy. Do đó, một phương
pháp sáng tạo được giới thiệu để thiết kế các mạng có trọng số hiệu
quả dựa trên giải pháp của một vấn đề tối ưu hóa bị ràng buộc. Phân
tích được thực hiện đối với cả dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực
chứng minh rằng kỹ thuật được đề xuất cho phép cải thiện đáng kể về
Tỷ lệ đỉnh trên các thùy bên, do đó làm cho dạng sóng được xem xét
trở nên hấp dẫn hơn đối với giám sát khu vực cục bộ thụ động.
978-1-4244-8902-2/11/$26,00 ©2011 IEEE 435
Nhằm mục đích phát hiện và bản địa hóa con người hoặc vật thể nhân
tạo được chỉ định trong phạm vi ngắn, việc truyền WiFi (dựa trên Tiêu
chuẩn IEEE 802.11, [2]) đã được xem xét trong [3]-[7] dưới dạng dạng
sóng cơ hội cho PBR.
I. GIỚI THIỆU
Do đó, trong Phần II, chúng tôi chỉ ra rằng các cấu trúc búp sóng
Doppler của tín hiệu WiFi AF là hoàn toàn không thể đoán trước và có
thể dẫn đến sự mơ hồ nghiêm trọng khi quá trình truyền bị ức chế trong
một thời gian dài. Ngoài ra, chúng tôi cho thấy rằng các mạng trọng
số thông thường không thể đối phó với các búp bê Doppler như vậy có
thể ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất phát hiện của PBR thu được.
Cuối cùng, kết luận của chúng tôi được rút ra trong Phần VI.
Cụ thể, trong [3] một phân tích lý thuyết về Chức năng nhập nhằng tín
hiệu WiFi (AF) đã được trình bày cho thấy rằng nó được đặc trưng bởi
các búp sóng bên cao ở cả phạm vi và kích thước Doppler. Các hạn chế
do các búp bê biên ở phạm vi cao đã được giải quyết trong [6]-[7]
trong đó một kỹ thuật hiệu quả đã được trình bày để cải thiện Tỷ lệ
đỉnh trên các búp sóng bên (PSR) trong thứ nguyên phạm vi.
Nhằm khắc phục những hạn chế như vậy, trong Phần III, chúng tôi
giới thiệu một phương pháp sáng tạo để thiết kế các mạng trọng số hiệu
quả dựa trên giải pháp của một vấn đề tối ưu hóa bị ràng buộc. Hiệu
quả của phương pháp đề xuất trước hết được thể hiện qua các tín hiệu
mô phỏng được tạo ra theo Tiêu chuẩn WiFi.
II. DOPPLER SIDELOBES TRONG TÍN HIỆU WIFI AF
Một số tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã được phát triển và các phiên bản
tiếp theo đang được hình thành. Trong số các tiêu chuẩn được triển
khai phổ biến nhất, 802.11a chỉ được chấp nhận trong Miền quy định
của Hoa Kỳ, trong khi 802.11g đại diện cho thế hệ thứ 3 của tiêu chuẩn
sau 802.11 và 802.11b và duy trì khả năng tương thích hoàn toàn với
các tiêu chuẩn cũ hơn. Các tiêu chuẩn này cho phép các tốc độ dữ liệu
khác nhau và hoạt động theo các kế hoạch kênh tần số khác nhau. Hơn
nữa, có một
Radar Bistatic thụ động (PBR) khai thác cơ hội của các đèn chiếu
sáng hiện có để thực hiện phát hiện mục tiêu với một số ưu điểm (chi
phí thấp, giảm ô nhiễm em, v.v.), [1]. Tính khả thi thực tế của PBR
cho các ứng dụng giám sát tầm xa đã được thiết lập tốt. Một số nghiên
cứu đã xem xét việc sử dụng các tín hiệu tương tự khác nhau (đài FM
và HF và truyền hình UHF), cũng như truyền kỹ thuật số (DAB và DVB-T).
Đại học Rome “La Sapienza”, Ý {falcone,
colone, lombardo } @infocom.uniroma1.it
Để hoàn thiện bức tranh, bài viết này tập trung vào việc kiểm soát
PSR trong chiều Doppler. Đầu tiên, chúng tôi nhớ lại rằng truyền WiFi
thuộc loại xung với thời lượng xung khác nhau tùy thuộc vào điều chế
và mã hóa được áp dụng
Hơn nữa, những lợi ích thiết thực của mạng trọng số hình thành
được xác minh thông qua ứng dụng cho các bộ dữ liệu thực thử nghiệm
được thu thập bởi thiết lập được thực hiện tại Phòng DIET. của Đại
học của Rome “La Sapienza” và được mô tả trong Phần IV. Các kết quả
được báo cáo trong Phần V cho các thử nghiệm thử nghiệm khác nhau cho
thấy phương pháp được đề xuất mang lại sự cải thiện PSR đáng kể, do
đó cho phép phát hiện mục tiêu dễ dàng hơn trên nền tĩnh.
lược đồ cũng như trên kích thước khung dữ liệu. Ngoài ra, do cách tiếp
cận Đa truy cập Carrier Sense Multiple Access (CSMA) được khai thác,
sự phân tách tạm thời giữa các xung rất khác nhau và không thể đoán
trước. Do đó, PBR dựa trên WiFi có thể được coi là hoạt động với các
xung năng lượng thay đổi được truyền ở Thời gian lặp lại xung (PRT)
thay đổi ngẫu nhiên.
Machine Translated by Google

2. PRT
[ms]
2tf _
đ
πι
tôi
m
0
1
tôi
-
=
(w)
Bộ lọc A0 phản hồi Doppler
trùng khớp với độ trễ cắt bằng 0 của AF tính bằng eq. (1):
mw
τρ
e,
trong đó M là số xung WiFi trong CIT, ρm(τ) là giá trị tương
quan tự động của tín hiệu WiFi tại độ trễ thời gian τ được
đánh giá qua xung thứ m và w[m] là trọng số thứ m của đã
thông qua mạng điều khiển búp sóng Doppler được lấy mẫu lại
chính xác tại các thời điểm nhất định tm tương ứng với việc
truyền các xung WiFi liên tiếp.
(fd) của tín hiệu WiFi phù hợp
( fA (1)
τ
() [ ]2
Dựa trên tính chất xung của quá trình truyền WiFi và
quan sát thấy rằng thời lượng xung nhỏ hơn đáng kể so với
Thời gian tích hợp nhất quán (CIT) cần thiết để đạt được tỷ
lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ phân giải Doppler mong
muốn cho các ứng dụng được xem xét, AF cho tín hiệu Wi-Fi
có thể xấp xỉ như trong [6]-[7]:
số định dạng được chỉ định cho đơn vị dữ liệu dựa trên Giao
thức hội tụ lớp vật lý (PLCP) tiêu chuẩn của IEEE.
Các tốc độ dữ liệu khác nhau đạt được bằng cách khai thác
các sơ đồ mã hóa và điều chế khác nhau tùy theo đặc điểm kỹ
thuật của lớp vật lý được chấp nhận bởi mỗi tiêu chuẩn. Các
điều chế chính là Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) hoặc Ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) với tốc độ dữ
liệu từ 1 đến 54 Mbps. DSSS là điều chế phổ biến nhất, với
OFDM chiếm ưu thế ở tốc độ dữ liệu cao hơn. Ngoài ra, một
điểm truy cập IEEE 802.11 (AP) truyền định kỳ, ngoài ra với
một khoảng thời gian danh nghĩa, tín hiệu Beacon phát thông
tin kênh và sự hiện diện của nó.
Rõ ràng là các đặc điểm dạng sóng WiFi tổng thể rất phức
tạp và thay đổi mạnh theo thời gian; điều này rõ ràng ảnh
hưởng đến tín hiệu WiFi AF và do đó, hiệu suất của PBR thu
được. Một phân tích chi tiết về các đặc tính AF của tín hiệu
WiFi đã được trình bày trong [3] phân biệt giữa các loại
tín hiệu khác nhau dựa trên các sơ đồ điều chế và mã hóa
khác nhau. Ngoài ra, tính khả thi trong thực tế của PBR dựa
trên tín hiệu được điều chế WiFi DSSS và OFDM đã được chứng
minh sơ bộ trong [6] và [7], tương ứng, trong đó các chiến
lược xử lý thích hợp đã được đề xuất cho điều khiển AF tín
hiệu trong kích thước phạm vi. Để hoàn thiện bức tranh,
phân tích sau đây tập trung vào điều khiển búp sóng bên tần
số Doppler cho PBR dựa trên WiFi.
Quá trình truyền thuộc loại xung, với thời lượng xung thay
đổi và không thể đoán trước tùy thuộc vào định dạng Đơn vị
dữ liệu giao thức PLCP (PPDU) và kích thước khung dữ liệu.
2
w
P tôi
-
)
-
m
2tf
đ
πι
đ
)
( 0
0
tôi
-
=
1
md
Điều này được thể hiện trong phần sau đây với tham chiếu
đến các đường truyền WiFi điển hình được mô phỏng theo Tiêu
chuẩn IEEE 802.11g. Trình giả lập tín hiệu được phát triển
trong MatLab® cho phép các tốc độ dữ liệu và kích thước gói
khác nhau và chiếm các khoảng thời gian im lặng theo cách
tiếp cận CSMA. Trong phần sau đây, chúng tôi xem xét một
đoạn tín hiệu WiFi mô phỏng 0,5 giây bao gồm các xung DSSS
hoặc OFDM liên tiếp với khoảng cách danh nghĩa tối thiểu
bằng 2 ms (PRT tương đương). Điều này sẽ cho phép phạm vi
Doppler không mơ hồ tối đa có thể quan sát được là 500 Hz.
Ở bước sóng Wi-Fi thông thường khoảng 12 cm, giá trị như vậy
tương ứng với vận tốc hai tĩnh khoảng 60 m/s, có thể đủ cho
ứng dụng giám sát tầm ngắn (ví dụ: khi quan tâm đến việc
giám sát các mục tiêu là xe cộ hoặc con người).
Tuy nhiên, khi tín hiệu WiFi bị khai thác, các điều kiện này
không được đáp ứng vì, như đã đề cập trước đây, PBR dựa trên
WiFi hoạt động với PRT thay đổi ngẫu nhiên và năng lượng biến
đổi trên mỗi xung tùy thuộc vào thời lượng của nó. Do đó,
phản ứng Doppler trong eq. (2) thường được đặc trưng bởi các
cấu trúc thùy bên cao có thể hạn chế mạnh mẽ khả năng phát
hiện của PBR thu được.
==
lưu ý rằng eq. (2) mang lại hình dạng 'chân' kỹ thuật số điển
hình cho các xung năng lượng không đổi được truyền tại các khoảng
thời gian cách đều nhau khi áp dụng chức năng giảm dần đồng nhất.
Đường cắt có độ trễ bằng 0 (τ=0) của AF thu được được
báo cáo trong Hình 2 đối với cửa sổ thuôn nhọn đồng nhất
(đường màu xanh) so với kết quả sau khi áp dụng cửa sổ
Hamming thông thường (đường đứt nét màu đỏ). Lưu ý rằng
phản hồi Doppler không trọng số khác xa với hình dạng 'chân'
kỹ thuật số lý thuyết thu được trong [3] cho thấy các búp
sóng bên không phân rã ở mức 6dB/quãng tám. Hơn nữa, sự mơ
hồ mạnh mẽ xuất hiện ở các tần số Doppler lưỡng cực tương
ứng với ±16 m/s, ±20 m/s và ±25 m/s. Tương tự, sau khi áp
dụng mạng trọng số Hamming, PSR thu được thấp hơn nhiều so
với mức 43 dB được đảm bảo trong trường hợp lý thuyết. Trên
thực tế, một mạng trọng số biên độ thông thường, chẳng hạn
như mạng Hamming, được thiết kế để giảm các búp sóng phụ
phát sinh từ sự khởi đầu và cắt đột ngột của cửa sổ thời
gian tín hiệu. Do đó, nó không hiệu quả đối với sự mơ hồ
Doppler nghiêm trọng do thời gian im lặng dài của AP.
Tuy nhiên, PRT thực tế được đo trên chuỗi xung được tạo
ra rất khác nhau. Điều này được thể hiện trong Hình 1 báo
cáo sự phân tách theo thời gian giữa các xung liên tiếp có
trong đoạn 0,5 giây của tín hiệu WiFi mô phỏng. Rõ ràng là
khoảng cách thời gian giữa các xung liên tiếp luôn cao hơn
2 ms và đạt tới 5,5 ms trong trường hợp xấu nhất. Giá trị
trung bình của PRT thu được là 2,56 ms với độ lệch chuẩn
là 0,59 ms.
mw
( ) ( ) ( ) [ ] 0e,0 fAfA (2)
trong đó ρm(0) là năng lượng của xung thứ m.
md
978-1-4244-8902-2/11/$26,00 ©2011 IEEE 436
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
5,5
0,05 0,1
thời gian mô phỏng [s]
3,5
20
4,5
4
2,5
3
5
Hình 1. Khoảng cách tạm thời giữa các xung liên tiếp trong đoạn
tín hiệu mô phỏng 0,5 giây.
Machine Translated by Google

3. Δ
ff ( )
0mw hình thức Δ ff (5)
Hình 3 báo cáo đường cắt có độ trễ bằng 0 của AF thu
được bằng cách sử dụng ODWN (đường cong chấm đen) thu được
cho cùng một tín hiệu mô phỏng được xem xét trong Hình 2.
Kết quả thu được với cửa sổ Hamming thông thường (được sử
dụng làm cửa sổ tham chiếu, với δr =1,5) cũng được báo cáo
để so sánh (đường nét đứt màu đỏ). Đúng như mong đợi, hình
dạng AF trong thùy Doppler chính giống hệt nhau trong hai
trường hợp. Ngược lại, mạng trọng số được đề xuất cho phép
giảm mạnh độ mơ hồ Doppler nghiêm trọng ở vận tốc hai tĩnh
±16 m/s, ±20 m/s và ±25 m/s mang lại mức búp sóng biên khá
phẳng với PSR tốt hơn 30 dB. Lưu ý rằng, do các khoảng thời
gian im lặng dài có trong dữ liệu được xem xét (xem Hình
1), PSR thu được không quá cao; tuy nhiên, nó cao hơn đáng
kể (khoảng 10 dB) so với mức thu được với cửa sổ Hamming
thông thường.
Hệ thống nhận sử dụng một giai đoạn chuyển đổi xuống kết
hợp đầy đủ duy nhất cho hai kênh, để di chuyển
thuật toán lập trình tuyến tính (ví dụ CVX cho MatLab [8]).
(4)
Hiệu quả của ODWN được đề xuất đã được chứng minh dựa
trên các tập dữ liệu thực được thu thập bởi thiết lập thử
nghiệm được phác thảo trong Hình 4. Với mục đích phân tích
của chúng tôi, một AP không dây di động (D-Link DAP 1160)
đã được kết nối với ăng-ten truyền (TX) trong khi bộ ghép
hướng được sử dụng để thu thập tín hiệu đã truyền trong
kênh nhận chuyên dụng (kênh tham chiếu). Kênh thứ hai của
hệ thống thu kênh đôi được kết nối trực tiếp với ăng-ten
thu (RX) riêng được sử dụng để thu tín hiệu giám sát. Các
ăng-ten được đặc trưng bởi độ rộng chùm tia khoảng 15° và
tỷ lệ trước sau lớn hơn 30 dB.
• Đáp ứng Doppler trong phạm vi Doppler còn lại (khu vực
thùy bên) phải càng thấp càng tốt:
Vấn đề tối ưu hóa được giải quyết bằng cách sử dụng nổi tiếng
( ) [ ] Δ
fffAmw
2tf
e md _
vì
ODWN
bạn
thứ
r
tôi
r
m
tôi
5.0
thuế TNDN
• Đáp ứng Doppler trong khoảng Δfr bị hạn chế để phù hợp
với đáp ứng Doppler sẽ thu được sau khi áp dụng cửa sổ
giảm dần tham chiếu đối với năng lượng không đổi, các
xung truyền cách đều nhau:
5.0
+ (3)
δ δ
= :
thuế TNDN
đặt Δfu là vùng Doppler hữu ích mong muốn (ví dụ: vùng
được đưa ra bởi sự mơ hồ dự kiến về mặt lý thuyết). Các
trọng số wODWN[m] của mạng trọng số Doppler được tối ưu hóa
(ODWN) được tính toán bằng cách giải một bài toán tối ưu
hóa có ràng buộc dựa trên hai phát biểu chính:
Chức
năng
nhập
nhằng
[dBr]
Chức
năng
nhập
nhằng
[dBr]
-
πι
2
wr
ODWN
2
thứ ba
m
)
(
0
m =
1
0 theo
tf
0e
Kỹ thuật được đề xuất để thiết kế mạng trọng số hiệu quả khai
thác hình dạng thực tế của phản hồi Doppler trong eq. (2) có thể
được đánh giá trực tiếp dựa trên kiến thức về thời lượng tạm thời
và sự phân tách của các xung liên tiếp trong CIT. Do đó, tập hợp
các trọng số cửa sổ giảm dần được tối ưu hóa nhằm kiểm soát đáp
ứng Doppler ít nhất trong phạm vi tần số Doppler hữu ích.
Cụ thể, phương pháp được đề xuất bắt đầu từ việc lựa chọn mạng
thông thường wr[m] được sử dụng làm tham chiếu trong bài toán tối
ưu hóa có ràng buộc. Đặt Δfr là khoảng tần số Doppler chứa thùy
chính của đáp ứng Doppler ở đó bao gồm cả sự suy giảm độ phân giải
δr do ứng dụng của cửa sổ giảm dần tham chiếu:
Cấu trúc sidelobes như vậy có thể chịu trách nhiệm về các hiệu
ứng che phủ hoặc giảm phạm vi động hữu ích đối với các mục tiêu
yếu, do đó hạn chế khả năng phát hiện PBR dựa trên WiFi. Một chiến
lược thích hợp để chống lại hiệu ứng này được trình bày trong phần
tiếp theo.
-10
-20
-ba mươi
-15
-5
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Vận tốc lưỡng tĩnh [m/s]
15 20 25
ODWN
-40
0
-25
hamming
-35
-40
-35
không côn
-15
-20
0
0
-10
-25 -20 -15 -10 -5
-5
15 20 25
hamming
-25
5 10
-ba mươi
Vận tốc lưỡng tĩnh [m/s]
978-1-4244-8902-2/11/$26,00 ©2011 IEEE 437
πι
- 1
0
-
=
Hình 3. Cắt độ trễ bằng 0 của tín hiệu mô phỏng AF.
IV. THIẾT LẬP THỬ NGHIỆM
Hình 2. Cắt độ trễ bằng 0 của tín hiệu mô phỏng AF.
III. THIẾT KẾ MẠNG TRỌNG LƯỢNG ĐỂ GIẢM GIÁ BÊN DOPPLER
[ ]
( )
md _
r
,
=
=
2
tôi
P
f
P
Machine Translated by Google

4. Trong phần này, kết quả của các thí nghiệm đã thực hiện
được báo cáo về cả khả năng kiểm soát phản hồi Doppler và khả
năng phát hiện mục tiêu. Do cấu hình gần như đơn tĩnh được áp
dụng cho ăng ten phát và thu, độ trễ đo được và tần số Doppler
đã được chuyển đổi thành phạm vi và vận tốc đơn tĩnh tương
đương.
Sau khi giải quyết vấn đề tối ưu hóa được đề xuất trong
Phần III, các trọng số được tính toán của ODWN có thể được áp
dụng trong eq. (2) do đó thu được đường cong chấm đen được
báo cáo trong cùng Hình 7. PSR thu được vẫn khác xa so với 43
dB lý thuyết có thể thu được với cửa sổ Hamming tham chiếu.
Tuy nhiên, độ mơ hồ rõ ràng ở ±8 m/s đã giảm mạnh và cải thiện
đáng kể PSR là 12 dB so với cửa sổ Hamming tiêu chuẩn.
Trong Thí nghiệm A, được mô tả trong Hình 5a, có một mục
tiêu duy nhất (một chiếc ô tô) đang di chuyển về phía trước
trong khu vực đỗ xe với vận tốc xấp xỉ 8 m/s. Thí nghiệm B
(Hình 5b) khác nhau về vị trí và hướng lái của ăng-ten mang
lại một kịch bản nhiễu loạn khác (phản xạ đa đường). Dự kiến
sẽ có phản hồi mạnh mẽ từ tòa nhà ở phần trên của hiện trường,
hàng rào kim loại và các bức tường phân định khu vực đỗ xe
(khoảng cách tương ứng được báo cáo trong mỗi hình).
Điều này được thể hiện trong Hình 6a-b báo cáo sự phân
tách theo thời gian của các xung được truyền có trong 0,5
giây của dữ liệu thu được cho Thí nghiệm A và Thí nghiệm B,
tương ứng. Như rõ ràng, trong cả hai trường hợp, PRT thực tế
được đo trên chuỗi các xung liên tiếp rất khác nhau. Cụ thể,
khoảng cách thời gian giữa các xung liên tiếp thường cao hơn
1 ms (khoảng lặp lại Beacon danh nghĩa) và đạt 13 ms đối với
Thử nghiệm A và 7 ms đối với Thử nghiệm B trong các trường
hợp xấu nhất.
Các thử nghiệm khác nhau được thực hiện trong môi trường
ngoài trời (khu vực đỗ xe ở Cisterna di Latina, Ý, xem Hình
5) sử dụng các mục tiêu khác nhau. Đối với các thử nghiệm
phát hiện mục tiêu được xem xét sau đây, một cấu hình gần như
đơn tĩnh đã được áp dụng cho hai ăng-ten được gắn chồng lên
nhau. AP không dây được định cấu hình để truyền trong kênh 7
của băng tần WiFi (tần số trung tâm là 2,442 GHz). Nó được
thiết lập để chuyển vùng cho các thiết bị được kết nối phát
ra tín hiệu Beacon thông thường khai thác điều chế DSSS ở các
khoảng thời gian 1 ms.
Đối với Thí nghiệm A, giá trị trung bình của PRT thu được
là 2,31 ms với độ lệch chuẩn là 1,77 ms. Đối với Thí nghiệm
B, giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của PRT thu được lần
lượt là 1,62 ms và 0,98 ms.
Đường đứt nét màu đỏ trong Hình 7, biểu thị phản hồi
Doppler sau khi áp dụng cửa sổ Hamming thông thường. PRT thay
đổi ngẫu nhiên được báo cáo trong Hình 6a tạo ra sự mơ hồ
mạnh mẽ tương ứng với vận tốc đơn tĩnh khoảng ±8 m/s với PSR
là 12 dB.
tần số trung tâm của kênh WiFi đã chọn thành tần số trung
gian là 15 MHz. Sau khi lọc và khuếch đại đầy đủ, tín hiệu
được lấy mẫu với tần số lấy mẫu bằng 55 MHz bằng cách sử dụng
bộ chuyển đổi A/D kênh đôi chất lượng cao với dải động rộng
(có thể lựa chọn phần mềm), được điều khiển bởi bộ tạo dao
động điều chỉnh và ổn định bên ngoài. Dữ liệu IF thu được
được lưu trữ và xử lý ngoại tuyến bằng các bộ lọc kỹ thuật
số để tự động phát hiện các xung được truyền và trích xuất
đường bao phức hợp tín hiệu đã điều chế (chuyển đổi xuống kỹ
thuật số – DDC).
Bên cạnh AP được khai thác như một thiết bị truyền cơ hội,
các kết nối không dây khác đang hoạt động trong khu vực đỗ xe
được xem xét cung cấp truy cập internet vào tòa nhà ở phần
trên của Hình 5. Vì những lý do này, việc truyền đèn hiệu đôi
khi bị AP hợp tác tự động chặn để ngăn ngừa xung đột trên
phương tiện được chia sẻ.
A. Kết quả của Thí nghiệm A
978-1-4244-8902-2/11/$26,00 ©2011 IEEE 438
Hình 4. Thiết lập thử nghiệm.
(a) (b)
(b)
Hình 6. Khoảng cách tạm thời giữa các xung liên tiếp trong đoạn tín hiệu thực
0,5 giây: (a) Thí nghiệm A, (b) Thí nghiệm B.
(Một)
V. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Hình 5. Khu vực thử nghiệm ở Cisterna di Latina (Ý); phác thảo của: (a) Thí nghiệm
A, (b) Thí nghiệm B.
tường
hàng rào kim loại
Anten TX/RX
tường
hàng rào kim loại
Anten TX/RX
Tích hợp (Chậm) Thời gian [s]
6
10
0 0 0,05 0,1 0,15 0,2
số 8
12
4
2
14
0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
144 tấn
70 tấn
105 tấn
135 tấn 126 tấn
6
10
0 2 2,05 2,1
Tích hợp (Chậm) Thời gian [s]
4
2
2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5
12
số 8
14
Anten TX
A/D
NI-5122
matlab
RF NẾU
NI-5600
Ăng-ten RX
Bộ ghép nối 20dB
Điểm truy cập D-Link
Thời
gian
lặp
lại
xung
[ms]
Thời
gian
lặp
lại
xung
[ms]
THAM KHẢO CH
KHẢO SÁT CH
Machine Translated by Google

5. Trong cả hai trường hợp, các bộ lọc kiểm soát búp sóng dải được
đề xuất trong [6] đã được áp dụng để cải thiện PSR theo chiều dải.
Hơn nữa, mỗi bản đồ đã được chuẩn hóa thành mức công suất nhiễu
nhiệt danh nghĩa sao cho giá trị tại mỗi vị trí bản đồ biểu thị tỷ
lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) ước tính.
Phát hiện mục tiêu trong hệ thống PBR chủ yếu dựa trên đánh giá
đầu ra Bộ lọc phù hợp 2D mang lại bản đồ Phạm vi-Vận tốc điển hình.
Hình 8a-b báo cáo các bản đồ phạm vi vận tốc cho thử nghiệm được xem
xét thu được với cửa sổ Hamming thông thường và ODWN do phương pháp
thiết kế được đề xuất tương ứng. Hình 9 báo cáo phản ứng Doppler thu được cho Thí nghiệm B. Khi
khai thác cửa sổ Hamming thông thường, hiện tượng mơ hồ Doppler
mạnh xuất hiện ở ±2 m/s, ±6 m/s và ±7 m/s (đường cong nét đứt màu
đỏ). Cũng trong trường hợp này, ứng dụng của ODWN cho phép cải thiện
đáng kể về mặt kiểm soát phản hồi Doppler. Cụ thể, giờ đây thu được
PSR tốt hơn 25 dB (đường cong chấm đen trong Hình 9) phải được so
sánh với 15 dB thu được với cửa sổ Hamming tiêu chuẩn.
Sự mơ hồ Doppler không được loại bỏ được quan sát thấy trong
phần cắt độ trễ bằng 0 của AF (xem Hình 7) tạo ra các đỉnh riêng
biệt trong bản đồ vận tốc phạm vi có trọng số Hamming (được đánh
dấu bằng các hình bầu dục màu trắng trong Hình 8a) tương ứng với sự
mơ hồ của các lần trả về lộn xộn (115 m và 145 m / ±8 m/s) hoặc độ
mơ hồ của mục tiêu (30 m, -17 m/s). Các đỉnh bị cô lập như vậy có
thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất phát hiện PBR dựa trên
WiFi bằng cách gây ra cảnh báo sai hoặc che giấu các mục tiêu yếu.
B. Kết quả của Thí nghiệm B
Vì rõ ràng là các cực đại mạnh xuất hiện ở vận tốc bằng 0 tương
ứng với tín hiệu trực tiếp từ máy phát mà các thùy bên của ăng ten
giám sát nhận được (cực đại ở phạm vi 0) và với tiếng vang từ hàng
rào kim loại (cực đại ở 145 m). Hơn nữa, một đỉnh bổ sung cũng có
thể nhìn thấy ở vị trí vận tốc trong phạm vi (30 m, -8 m/s) tương
ứng với mục tiêu (ô tô đang di chuyển trong khu vực đỗ xe).
Khi mạng trọng số được đề xuất được áp dụng (xem Hình 8b), tất
cả các đỉnh tương ứng với độ mơ hồ Doppler được giảm mạnh dẫn đến
cải thiện đáng kể về dải động hữu ích.
Hình 10a báo cáo bản đồ vận tốc phạm vi 2D tương ứng thu được
với cửa sổ Hamming thông thường để điều khiển búp sóng bên Doppler.
Các đỉnh mạnh có thể nhìn thấy rõ ràng ở vận tốc bằng không do sự
quay lại từ cảnh đứng yên; các đóng góp bổ sung có thể được xác
định trong hình học này đối với Thí nghiệm A. Cái mạnh nhất, xuất
hiện ở phạm vi 0, một lần nữa là do tín hiệu trực tiếp từ máy phát.
Các đỉnh nhiễu loạn mạnh khác có thể nhìn thấy trên bản đồ ở phạm
vi từ 100 đến 150 tấn, tương ứng với các phản xạ trên hàng rào kim
loại và các bức tường phân định ranh giới
-5
-25
-15 0
-20
5
-5 15
-ba mươi
-35
10
Vận tốc [m/s]
-40
0
ODWN
-15
-10
hamming
-10
-20
0
-5
-15
0
-ba mươi
5
-25
Vận tốc [m/s]
ODWN
-40
hamming
-35
10 15
-10
-10
-5
-15
0
-5
10
70
ba mươi
35
80 100 120 140
5
40 60
55
40
0
-10
20
60
45
15
65
50
160
Phạm vi [m]
25
-15
Vận
tốc
[m/
s]
Chức
năng
nhập
nhằng
[dBr]
Vận
tốc
[m/
s]
Chức
năng
nhập
nhằng
[dBr]
439
978-1-4244-8902-2/11/$26,00 ©2011 IEEE
Hình 9. Phản hồi Doppler cho Thí nghiệm B.
(b)
Hình 8. Bản đồ phạm vi vận tốc với điều khiển búp sóng bên Doppler bằng cách sử dụng: (a)
Cửa sổ Hamming; (b) ODWN được đề xuất.
Hình 7. Phản hồi Doppler cho Thí nghiệm A.
(Một)
20
Phạm vi [m]
-10
35
60 80 100 120 140 160
15
70
55
0
ba mươi
60
65
-15
45
0
-5
25
10
40
40
50
5
Machine Translated by Google

6. -10
0
70
40 60
45
-15
0
50
-5
25
15
160
Phạm vi [m]
80 100
35
55
60
5
ba mươi
20
40
65
120 140
10
Khu vực đậu xe. Cuối cùng, có thể quan sát thấy một đỉnh khác ở
khoảng 70 m, đó là do tiếng vang từ tòa nhà, được thu thập bởi
các thùy bên của ăng-ten giám sát.
Sau khi áp dụng ODWN, bản đồ phạm vi vận tốc xuất hiện như
trong Hình 10b. Tất cả sự mơ hồ Doppler không mong muốn đã được
giảm mạnh để có thể dễ dàng xác định mục tiêu dựa trên nền.
Trên thực tế, đỉnh bị cô lập còn lại rõ ràng tương ứng với mục
tiêu đang di chuyển trong khu vực đỗ xe.
VI. KẾT LUẬN
Công việc này được thực hiện dưới sự hỗ trợ một phần của Dự
án ATOM (Phát hiện và theo dõi các vật liệu nguy hiểm tại sân
bay bằng các mảng cảm biến thụ động và chủ động), do Liên minh
Châu Âu tài trợ, chương trình khung thứ 7, Chủ đề #7 Giao thông
vận tải (bao gồm cả Hàng không), Thỏa thuận tài trợ số .:234014.
Các tác giả xin chân thành cảm ơn National Instruments đã
hỗ trợ về thiết bị và kỹ thuật.
Như rõ ràng, tiếng vang từ mục tiêu và tiếng vang từ các bộ
tán xạ cố định, cùng với sự mơ hồ mạnh mẽ tương ứng trong phản
ứng Doppler, tạo ra nhiều đỉnh không mong muốn bị cô lập trong
bản đồ (được đánh dấu bằng các hình bầu dục màu trắng) rõ ràng
có thể tăng lên tốc độ báo động sai của hệ thống hoặc gây ra
hiệu ứng che lấp đối với các mục tiêu yếu.
Ngay cả trong trường hợp này, việc áp dụng các kỹ thuật được đề
xuất vẫn mang lại lợi thế đáng kể bằng cách chống lại hiệu ứng
che lấp của lợi tức mục tiêu mạnh so với mục tiêu yếu hơn.
Kỹ thuật được đề xuất trong bài báo này, kết hợp với những
kỹ thuật đã được các tác giả trình bày trước đây trong [6]-[7]
để chống lại các búp sóng biên trong phạm vi, tạo ra một chiến
lược hoàn chỉnh để có được điều khiển AF tín hiệu WiFi hiệu
quả. Kết quả thử nghiệm cho thấy đây có thể là một lợi thế đáng
kể trong các ứng dụng thực tế vì nó cho phép cải thiện đáng kể
dải động hữu ích, do đó làm tăng khả năng phát hiện PBR.
Cần lưu ý rằng, bằng cách sử dụng mạng lưới điều khiển búp
sóng biên Doppler hiệu quả kết hợp với các chiến lược thích hợp
để kiểm soát dải búp sóng phụ ([6]-[7]), việc loại bỏ các đóng
góp nhiễu (thường được thực hiện trong hệ thống PBR) là không
thực sự cần thiết . Rõ ràng, tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng
của kịch bản nhiễu, việc loại bỏ hoàn toàn các phản hồi ở vận
tốc bằng 0 có thể thu được bằng cách sử dụng bộ lọc triệt tiêu
thích ứng phù hợp dọc theo đường được đề xuất trong [9], tuy
nhiên, bộ lọc này yêu cầu tải tính toán bổ sung.
Trong bài báo này, đáp ứng tần số Doppler cho PBR dựa trên
WiFi với PRT thay đổi ngẫu nhiên đã được phân tích cho thấy
rằng nó có thể gây ra sự mơ hồ Doppler nghiêm trọng.
Nhằm mục đích khai thác tín hiệu WiFi dưới dạng dạng sóng
cơ hội cho mục đích PBR, một phương pháp sáng tạo đã được trình
bày để tổng hợp mạng trọng số hiệu quả có khả năng giảm sự mơ
hồ Doppler như vậy. Hiệu suất của phương pháp đề xuất đã được
phân tích với tham chiếu đến cả dữ liệu mô phỏng và dữ liệu
thực. Mạng được tối ưu hóa thu được với phương pháp đề xuất đã
được chứng minh là cho phép cải thiện đáng kể (thường cao hơn
10 dB) về PSR so với mạng cân thông thường.
-15
15 ba mươi
Phạm vi [m]
70
50
60
-10
45
0
65
25
-5
40
40 60 80
5
55
20
35
160
0
10
100 120 140
,
,
Vận
tốc
[m/
s]
Vận
tốc
[m/
s]
[1] P. Howland, D. Maksimiuk, và G. Reitsma, “Radar hai tĩnh dựa trên đài FM,”
Kỷ yếu IEE về Radar, Sonar và Điều hướng, tập. 152, Số 3, tr. 107–115,
tháng 6 năm 2005.
Hình 10. Bản đồ phạm vi vận tốc với điều khiển búp bê Doppler sử dụng:
(a) Cửa sổ Hamming; (b) mạng trọng số được đề xuất
(b)
NHÌN NHẬN
47
[6] P. Falcone, F. Colone, P. Lombardo, T. Bucciarelli, “Bộ lọc giảm biên độ
biên cho Radar bistatic thụ động dựa trên WiFi”, EURAD 2009, Rome, Ý, 30
tháng 9-2 tháng 10 năm 2009.
[8] M. Grant và S. Boyd. CVX: Phần mềm Matlab để lập trình lồi có kỷ luật (trang
web và phần mềm). http://cvxr.com/cvx, tháng 12 năm 2009.
[9] F. Colone, DW O'Hagan, P. Lombardo, CJ Baker "Thuật toán xử lý nhiều tầng để
loại bỏ nhiễu và phát hiện mục tiêu trong Radar Bistatic thụ động", IEEE
Trans. trên Hàng không vũ trụ và Hệ thống điện tử, Tập. 45, Số 2, tháng
4/2009, pp. 698-721.
[3] F. Colone, K. Woodbridge, H. Guo, D. Mason và CJ Baker, “Phân tích chức năng
mơ hồ của việc truyền mạng LAN không dây cho radar thụ động”, IEEE Trans.
trên Hàng không vũ trụ và Hệ thống điện tử, Tập.
[2] Thông số kỹ thuật Điều khiển truy cập phương tiện (MAC) và Lớp vật lý (PHY)
của mạng LAN không dây, IEEE Std. 802.11, 2007.
Hội nghị 2008
(Một)
26-30 tháng 5 năm 2008, Rome (Ý).
[4] H. Guo, S. Coetzee, D. Mason, K. Woodbridge và C. Baker, “Phát hiện radar
thụ động bằng mạng không dây”, trong Proc. của Int. Conf. trên Radar
Systems, Edinburgh (Anh), 2007, pp. 1-4.
Số 1, tháng 1 năm 2011, pp. 240-264.
[7] P. Falcone, F. Colone, C. Bongioanni, P. Lombardo, “Kết quả thử nghiệm đối
với Radar Bistatic thụ động dựa trên WiFi OFDM”, Hội nghị Radar IEEE 2010,
Washington DC, Hoa Kỳ, 10-14 tháng 5 năm 2010.
NGƯỜI GIỚI THIỆU
[5] H. Guo, K. Woodbridge và C. Baker, “Đánh giá khả năng truyền đèn hiệu WiFi
cho radar thụ động dựa trên không dây”, trong Proc. của Radar IEEE
978-1-4244-8902-2/11/$26,00 ©2011 IEEE 440
Machine Translated by Google