广覆盖的通信感知计算一体化路由系统、方法、设备及存储介质与流程

本技术涉及通信安防，具体涉及广覆盖的通信感知计算一体化路由系统、方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、传统路由器广泛应用在各种日常生活的场景中，它们本身的分布已经形成一定覆盖范围的网络拓扑结构，然而目前的传统路由器仅仅只是发挥通信功能，其形成的整体的通信网络拓扑结构尚未作为感知模块进行应用。这些传统路由内部的网络处理器芯片能够在通信过程中获取通信信息数据包进行处理，而这些数据包本身是实现感知功能的重要资源，如果能够将这些通信信息数据包充分利用实现感知功能，就能把原本的通信网络拓扑结构进一步提升为广覆盖下的通信感知一体化结构。

2、传统wi-fi路由器在依靠电磁波实现感知与计算功能时受以下四个方面的限制：

3、(1)传统路由器内部的常见网络处理器芯片比如博通、英特尔、思科等，主要用于实时处理和转发通信数据包，不会长时间存储通信数据包，这些数据包通常只会在路由器内部的缓冲区中短暂存储，而感知功能需要分析处理各数据包，需要一定的数据包存储时间。

4、(2)并且路由器的缓冲区大小是有限的，这导致数据包的存储量通常也是有限的，通常只能存储几百到几千个数据包，而感知的准确性需要一定数量的数据包才能够保障。

5、(3)路由器的网络处理器芯片主要负责网络数据包的处理、转发和路由等功能，它们不会直接处理无线信道的参数例如信道状态信息等，也就无法实现对无线信道的感知和控制，无法通过处理数据包来提取对感知功能有帮助的信道信息。

6、(4)在传统路由器内部开发感知功能涉及到通信数据包多维地调用与处理，会分散路由器本身处理通信模块的算力，影响其通信模块的性能。

7、鉴于此，本技术提出了一种广覆盖的通信感知计算一体化路由系统、方法、设备及存储介质，在不影响传统wi-fi路由器正常通信功能的同时，实现向通信感知计算一体化路由系统的升级转化。

技术实现思路

1、为了解决现有的传统路由器仅仅只是发挥通信功能，其形成的整体的通信网络拓扑结构尚未作为感知模块进行应用等问题，本技术提供一种广覆盖的通信感知计算一体化路由系统、方法、设备及存储介质，以解决上述技术缺陷问题。

2、根据本技术的第一方面，提出了一种广覆盖的通信感知计算一体化路由系统的实现方法，包括以下步骤：

3、s1、移动计算单元通过以太网网线与路由器建立网络连接；

4、s2、通过移动计算单元进行数据包的采集和存储，其中数据包包括：数据子载波携带的信道状态信息；

5、s3、移动计算单元对数据子载波进行预处理，去除零频子载波与导频子载波后，获得待用数据子载波；

6、移动计算单元对待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值和/或幅度值进行数据预处理，获得感知数据集，将感知数据集上传至云边端平台；

7、在步骤s3中，移动计算单元对待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值进行数据预处理，获得感知数据集，包括以下子步骤：

8、s311、按编号依次对多个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值进行相位展开；

9、s312、完成相位展开后，再按编号依次对多个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值继续进行线性变换操作；

10、s313、对整个感知周期中全部时间点下的m个数据包分别执行步骤s311和步骤s312的操作，m为大于0的自然数；

11、s314、对m个数据包中待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值进行异常值去除处理后，进行滤波处理，获得感知数据集；

12、在步骤s3中，移动计算单元对待用数据子载波携带的信道状态信息的幅度值进行数据预处理，获得感知数据集，包括以下子步骤：

13、s321、按编号依次对多个待用数据子载波携带的信道状态信息的幅度值进行线性变换操作；

14、s322、对整个感知周期中全部时间点下的m个数据包分别执行步骤s321的操作，m为大于0的自然数；

15、s323、对m个数据包中待用数据子载波携带的信道状态信息的幅度值进行异常值去除处理后，进行滤波处理，获得感知数据集；

16、s4、通过移动计算单元或云边端平台对感知数据集进行分析，最终获得感知判别结果。

17、通过上述技术方案，本发明通过引入移动计算单元，将传统路由器进行无损升级优化，以构建广覆盖下的通信感知计算一体化结构的路由系统。本发明的移动计算单元通过tcp-ip接口与路由器进行通信信息数据包交互，连接方式可采取有线连接或无线连接，并且支持多个移动计算单元与一个传统路由器相连接。由于传统路由在使用过程中一般不移动位置，而移动计算单元本身轻便且支持有线及无线连接，可在与其协作的传统路由器周围构建更灵活且范围更广的通信感知计算一体化路由系统。本发明能够对待用数据子载波在整个感知周期中的全部时间点下的多个csi（channel state information，信道状态信息）相位值与csi幅度值进行总体数据处理。

18、优选的，在步骤s2中，通过移动计算单元进行数据包的采集和存储，包括以下内容：

19、在移动计算单元中安装nexmon系统，并启用数据采集功能；

20、本地计算机通过ssh协议与移动计算单元远程连接；

21、通过本地计算机控制移动计算单元采集数据包并进行存储。

22、通过上述技术方案，使得本发明可以通过网络远程管理移动计算单元，而无需直接连接显示器和键盘到树莓派上，提高了移动计算单元改造路由器的便携性以及数据处理的灵活性。

23、优选的，移动计算单元对待用数据子载波在一个时间点上携带的信道状态信息的相位值和/或幅度值进行数据预处理；

24、或者移动计算单元对待用数据子载波在整个感知周期中全部时间点下携带的信道状态信息的相位值和/或幅度值进行数据预处理。

25、上述技术方案中，由于移动的实体（实体包括感知的对象、感知的目标，可以是人、物体、动物等）经过本发明的感知区域或有实体在本发明的感知区域中出现，会引起1个或多个时间点上的信道状态信息的变化，因此在数据处理以及后续的分析中，不仅要针对一个时间点上的数据包进行处理，也要对整体感知时间范围上的全部数据进行处理。

26、优选的，在步骤s4中，通过移动计算单元或云边端平台对感知数据集进行分析，最终获得感知判别结果，包括以下子步骤：

27、s41、对m个感知数据集中信道状态信息的相位值或幅度值进行平移分组，m为大于0的自然数；

28、s42、计算各个组内的信道状态信息的相位值或幅度值的标准差；

29、s43、根据标准差确定标准差中位数；

30、s44、将m个感知数据集中信道状态信息的相位值或幅度值按序依次与标准差中位数进行对比，最终获得感知判别结果。

31、上述技术方案中，本发明设计了一种标准差结合中位数进行判别的感知算法。其中，感知判别分析过程是针对整体时间范围采集到的全部感知数据集进行的，持续追踪一整个时间轴上的csi变化。

32、进一步优选的，在步骤s44中，将m个感知数据集中信道状态信息的相位值和/或幅度值按序依次与标准差中位数进行对比，包括以下内容：

33、若任意一个信道状态信息的相位值或幅度值大于标准差中位数的n倍，其中n大于等于1；

34、继续判断信道状态信息的相位值或幅度值后面连续q个的信道状态信息的相位值或幅度值是否全部大于标准差中位数的n倍；

35、若全部大于标准差中位数的n倍，则感知判别结果为感知周期内感知场景出现实体或者实体发生移动；

36、若全部不大于标准差中位数的n倍，则感知判别结果感知周期内感知场景没有出现实体或者没有实体发生移动；

37、若并非全部大于标准差中位数的n倍，则感知判别结果为感知周期内感知场景受到环境干扰。

38、上述技术方案中的感知判断结果分析可在mcu上进行，也可在云边端平台上进行，调用云端的算力。

39、进一步优选的，在步骤s311中，对多个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值进行相位展开的过程包括：

40、响应于确定当前待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值减去前一个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值后得到的差大于π，则将当前待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值减去2π；

41、响应于确定当前待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值减去前一个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值后得到的差小于-π，则将当前待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值加上2π；

42、响应于确定当前待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值减去前一个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值后得到的差的绝对值小于π，则将当前待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值保持不变。

43、上述技术方案中，需要注意的是第一个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值不需要进行相位展开，即该相位值保持不变。

44、第二方面，本技术提供了一种广覆盖的通信感知计算一体化路由系统，该系统包括：移动计算单元、路由器和云边端平台，其中移动计算单元配置于通过以太网网线与路由器建立网络连接；通过移动计算单元进行数据包的采集和存储，其中数据包包括：数据子载波携带的信道状态信息；移动计算单元对数据子载波进行预处理，去除零频子载波与导频子载波后，获得待用数据子载波；

45、移动计算单元对待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值和/或幅度值进行数据预处理，获得感知数据集，将感知数据集上传至云边端平台；

46、移动计算单元对待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值进行数据预处理，获得感知数据集，包括以下子步骤：

47、s311、按编号依次对多个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值进行相位展开；

48、s312、完成相位展开后，再按编号依次对多个待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值继续进行线性变换操作；

49、s313、对整个感知周期中全部时间点下的m个数据包分别执行步骤s311和步骤s312的操作，m为大于0的自然数；

50、s314、对m个数据包中待用数据子载波携带的信道状态信息的相位值进行异常值去除处理后，进行滤波处理，获得感知数据集；

51、移动计算单元对待用数据子载波携带的信道状态信息的幅度值进行数据预处理，获得感知数据集，包括以下子步骤：

52、s321、按编号依次对多个待用数据子载波携带的信道状态信息的幅度值进行线性变换操作；

53、s322、对整个感知周期中全部时间点下的m个数据包分别执行步骤s321的操作，m为大于0的自然数；

54、s323、对m个数据包中待用数据子载波携带的信道状态信息的幅度值进行异常值去除处理后，进行滤波处理，获得感知数据集；

55、通过移动计算单元或云边端平台对感知数据集进行分析，最终获得感知判别结果。

56、第三方面，本技术提供了一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在存储器内的计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现如上述任一项的广覆盖的通信感知计算一体化路由系统的实现方法。

57、第四方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，介质中存储有计算机程序，在计算机程序被处理器执行时，实施如上述任一项的广覆盖的通信感知计算一体化路由系统的实现方法。

58、与现有技术相比，本发明的有益成果在于：

59、（1）本发明通过传统wi-fi路由器的以太网网络接口，接入以树莓派为代表的移动计算单元（mobile computing units, mcu)以实现wi-fi频段电磁波的空间目标状态感知功能，并结合以腾讯云为代表的物联网云端平台，为传统wi-fi路由器提供自适应算力迁移与存储服务，在不影响传统wi-fi路由器正常通信功能的同时，实现向通信感知计算一体化路由系统的升级转化。

60、（2）本发明的物联网云边端平台的搭建，使感知数据集以及感知分析过程结果能够在云端平台上实现，让用户能最便利地接收本发明的感知判别结果。

61、（3）本发明通过本地计算机控制移动计算单元采集通信数据包，采集到的数据包被储存在移动计算单元的存储区中。一旦进行采集过程，本发明即可在与被采集数据包的设备保持通信状态的条件下，与其构建感知链路，形成感知区域，此时被采集的数据包内就包含了感知场景内的各种状态变化信息。