无线感知论文阅读笔记（一）——Wi-Fi雷达：从RSSI到CSI-2014.11

关键词

RSSI、CSI、无线感知

文章概要

介绍了一种利用普通无线设备实现环境感知的技术。通过分析无线信道状态信息，实现了被动式人员检测，包括识别人的位置、姿势、动作以及其他环境特征，可以应用于室内定位、安全监控、针对老人和小孩的家庭医疗监护、新型人机交互方式等。

背景

无线电信号感知环境的原理

在室内环境下，信号发射机产生的无线电波经由直射、反射、散射等多条路径传播，在信号接收机处形成多径叠加信号。多径叠加信号受其传播物理空间的影响，携带反映环境特征的信息。这里所说的环境是信号传播的物理空间，既包括人的因素（是否有人以及人的位置、特征、姿势、动作等），也包括其他外物的因素。

被动式人员检测

“被动式”在这里指的是被检测人员不需要携带任何电子设备，用以区别传统无线定位系统通过定位人所携带的电子设备来定位人员，这种方式也被称作设备无关的 (device-free) 或者非侵入式的(non-invasive)。

WIFI感知的优缺点

  • 优点：成本低，易用性、普适性。
  • 缺点：相对 于专用雷达信号甚至超宽带信号，Wi-Fi 信号带宽较窄，时间分辨率低，在信号处理设备上也存在较大差距。

从RSSI到CSI

RSSI:Received Signal Strength Indicator,表示接收信号强度指示。

RSSI的用处

  1. 用接收信号强度推断接收机与发射机的距离或表征接收机的位置特点是传统无线感知采用的重要方法之一。
  2. 由于 RSSI 的强弱在一定程度上反映了信道质量的好坏，众多无线通信技术如 RFID, FM,GSM, Wi-Fi, ZigBee 等均可在终端设备上获取 RSSI 信息，以根据当前信道质量调整通信策略。
  3. 在无线感知领域，RSSI 的普适性使其广泛应用于室内无线定位、被动式人员检测等移动计算应用。理论上，可将 RSSI 代入无线信号传播模型以估算信号传播距离，也可把 RSSI 作为特定地点的无线信号特征“指纹”，还能通过 RSSI 的波动推断是否有人或其他障碍物阻挡无线链路。

RSSI的局限性

在室内环境中：

  1. RSSI 会因信号多径传播引起的小尺度阴影衰落而不再随传播距离增加单调递减，从而限制测距精度。

    阴影衰落：

    1. 由发射机和接收机之间的障碍物造成，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号功率，严重时会阻断信号。

    2. 引起障碍物尺度距离（室外为10m~100m，室内更小）上的功率变化。

  2. 多径传播也会导致 RSSI 幅度波动，在典型实验室环境下，一台静止的接收机在 1 分钟内接收到的 RSSI 可能出现 5dB 的波动。这种多径传播造成的 RSSI 波动也会导致定位时无线信号指纹错误匹配。

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  3. 制约 RSSI 稳定性和可靠性的根本因素是 ：RSSI 测量的是信号多径传播的叠加效果，并不能逐一区分多条信号传播路径。

克服局限性的方法

  1. 为刻画多径传播，无线信道通常用信道冲击响应 (Channel Impulse Response, CIR) 建模。在线性时不变的假设下，CIR 可表示为

    \[\mathrm{h}(\tau)=\sum_{i=1}^{N} a_{i} e^{-j \theta_{i}}\delta\left(\tau-\tau_{i}\right) \]

    其中，\(\alpha_i,\theta_i,\tau_i\)分别为第 i 条路径的幅度衰减、相位偏移和时间延迟，N 为传播路径总数， 为狄克拉脉冲函数。式中的每一项从时域上表示了一条传播路径的幅度、相位和时延。

  2. 由于多径传播在频域上表现为频率选择性衰落，因而也可通过信道频率响应 (Channel Frequency Response, CFR) 刻画多径传播。CFR 包括幅频响应和相频响应。在无限带宽的条件下，CFR 和 CIR 互为傅里叶变换。

  3. 自 2010 年以来，研究人员通过修改固件 [2]，使得在普通 Wi-Fi 设备上也能以信道状态信息 (Channel State Informa-tion, CSI) 的形式获取一个采样版本的 CFR。具体而言，利用兼容 IEEE 802.11a/g/n 的无线网卡即可从每个接收数据包中获取一组 CSI，每组 CSI 代表一个正交频分复用 (Orthogonal FrequencyDivision Multiplex, OFDM) 子载波的幅度和相位。

    子载波及解码：

    1. 子载波：在[0,2π]的时长内，采用最易懂的幅度调制方式传送信号：sin(t)传送信号a，因此发送a·sin(t)，sin(2t)传送信号b，因此发送b·sin(2t)。其中，sin(t)和sin(2t)的用处是用来承载信号，是收发端预先规定好的信息，在本文中一律称为子载波；调制在子载波上的幅度信号a和b，才是需要发送的信息。因此在信道中传送的信号为a·sin(t)+b·sin(2t)。在接收端，分别对接收到的信号作关于sin(t)和sin(2t)的积分检测，就可以得到a和b了。

    2. 解码方式：

      1. 接收信号乘sin(t)，积分解码出a信号。【如前文所述，传送b信号的sin(2t)项，在积分后为0】
      2. 接收信号乘sin(2t)，积分解码出b信号。【如前文所述，传送a信号的sin(t)项，在积分后为0】

  4. 通过修改固件的方式 ，普通 Wi-Fi 设备可以获得 30 个正交频分复用子载波上的 CFR 采样。如果能够使用商用软件无线电设备 (software-defined radio)，可以获得更精确的 CSI 信息，提取全部 56 个正交频分复用子载波上的均匀 CFR 采样。

RSSI与CSI对比

  1. 与 RSSI 相比，CSI 在一定程度上刻画了多径传播。因此，CSI 可以暂时看作是 RSSI 的升级版本。

  2. CSI 可从一个数据包中同时测量多个子载波的频率响应，而非全部子载波叠加的总体幅度响应，从而更加精细地刻画频率选择性信道。

  3. CSI 既可测量每个子载波的幅度，还可测量每个子载波的相位信息。CSI 将单值的 RSSI 扩展至频域，并且附加了相位信息，从频域上为无线感知提供了更为丰富、细粒度的信道状态信息。

  4. 由于 CIR 与 CFR 互为傅里叶变换，CSI 使得普通 Wi-Fi 设备在一定程度上能够从时域上粗略地区分传播路径，从而为基于视距路径的应用提供了更准确的视距能量估计值。

    视距通信：

    通常来说，我们将无线通信系统的传播条件分成视距(LOS)和非视距(NLOS)两种环境，在视距条件下，无线信号无遮挡地在发送端与接收端之间进行直线传播，这要求在第一菲涅尔区内不存在对无线电波造成遮挡的物体，如果不满足这一条件，信号强度就会产生明显下降，而这种利用以视距传播的无线电波进行信息传输的通信就是视距通信。

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  6. 与专用仪器相比，由于 CSI 对无线信道的测量精度受限于 Wi-Fi 协议的工作带宽，利用当前的 IEEE 802.11n 协议还无法逐一区分每条传播路径。

CSI应用

  1. 定位：根据特定位置的信号特征指纹。

  2. 测距：根据信号传播模型计算出移动终端与Wi-Fi 接入点之间的距离，再通过三边定位方法确定位置。

  3. 被动式人员检测：利用单发射机 - 接收机链路。

    具体应用——入侵者检测：利用 CSI 提供的频率分集(frequency diversity) 和多天线提供的空间分集 (spatial diversity)，在不同的多径传播环境下选择高敏度的子载波组合以及来自非视距路径方向的信号，提升被动式人员检测的灵敏度并扩大检测范围。

  4. 实现人体动作、手势、呼吸等微小运动以及日常活动进行识别。

    具体应用——唇语识别：要求更加细粒度的感知。

  5. 无线通信：发射机与接收机之间信号视距传播路径是否存在，对

    通信质量有着明显的影响。若视距路径存在，则可以采取提高码率等措施来相应地提高效率，反之则可以降低码率以增加可靠性。

    1. 判断视距路径是否存在：基于 CSI 提取时域和频域信号的统计特征，结合接收机的移动性，利用视距和非视距路径的稳定性差异判断视距路径是否存在。
    2. 实现更准确地估计信道质量以实时调整传输速率。
    3. 利用 CSI 将传输信息按重要性映射至不同质量的子载波上根据细粒度的信道状态调整前向纠错编解码策略以提供不同等级的纠错能力。
    4. 通信加密：CSI 反映了发射机与接收机之间信道的固有物理特征。根据信道互异性，该特征是发射机与接收机所共有的信息，是第三方不能直接获得或监听的。因此，CSI 可以作为通信双方密钥生成和协商的共有基础信息。
posted @ 2022-03-21 13:42  六十里  阅读(3666)  评论(1)  编辑  收藏  举报