华为园区网络WLAN CSI感知技术白皮书

华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书目录1概述....................................................................................................................1.1产生背景............................................................................................................................................................................31.2CSI感知技术原理..............................................................................................................................................................31.2.1感知理论模型.................................................................................................................................................................31.2.2感知算法应用.................................................................................................................................................................61.2.3感知技术演进.................................................................................................................................................................72实现原理..........................................................................................................................2.1总体方案............................................................................................................................................................................92.1.1WAC+FITAP场景.......................................................................................................................................................102.1.2云AP场景.....................................................................................................................................................................122.2CSI感知检测实现............................................................................................................................................................122.2.1感知射频选取...............................................................................................................................................................132.2.2感知检测过程...............................................................................................................................................................132.2.3感知识别算法...............................................................................................................................................................142.3注意事项..........................................................................................................................................................................153典型应用场景.....................................................................................................................163.1会议室智慧照明与节能场景.........................................................................................................................................163.1.1场景介绍.......................................................................................................................................................................163.1.2方案架构.......................................................................................................................................................................173.1.3网规部署.......................................................................................................................................................................183.1.4部署调优.......................................................................................................................................................................183.1.5注意事项.......................................................................................................................................................................183.2室内开放区节能场景.....................................................................................................................................................18版权所有©华为技术有限公司i版权所有©华为技术有限公司ii华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书目录3.2.1场景介绍 3.2.2方案架构 3.2.3网规部署 3.2.4注意事项 3.3入侵检测场景 3.3.1场景介绍 3.3.2方案架构 3.3.3网规部署 3.3.4注意事项 23 23版权所有©华为技术有限公司3华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书1概述CSI感知作为WLAN通感一体技术的一种先驱创新，其产生的背景与无线通信技术的演进和应用场景的多样化需求密切相关。随着无线局域网（WLAN）技术的快速发展，尤其是Wi-Fi7技术的普及和性能提升，人们对无线网络的性能要求不仅限于数据传输速率的提升，还逐渐扩展到对环境感知能力的需求。CSI（ChannelStateInformation，信道状态信息）感知技术正是在这一背景下应运而生。CSI感知的核心在于利用无线信号的传播特性，通过分析信道状态信息来获取环境中的物体运动、位置变化等信息。这种技术的产生得益于以下几个方面：首先，Wi-Fi通信系统不断朝着更高频段、更大天线阵列和小型化发展，因此在硬件架构、信道特点和信号处理方面与无线感知系统日益趋同，为感知技术的实现提供了硬件基础；其次，随着人工智能和信号处理算法的快速发展，从CSI数据中提取有用信息的精度和效率显著提升；最后，智慧节能、智能交通、智能安防等场景对实时感知和通信的需求日益增长，而传统的感知技术（如雷达、摄像头等）往往需要额外的设备和部署成本，因此通过通信设备本身实现感知功能成为一种高效且经济的解决方案。此外，频谱资源的紧张也推动了通信与感知功能的协同发展。通过将通信与感知功能集成在同一频段内，CSI感知技术能够更高效地利用频谱资源，减少对额外频段的需求，从而为未来的智能社会提供了重要的技术支撑。1.2CSI感知技术原理1.2.1感知理论模型传统意义的WLAN是一种无线通信技术，也就是通过调制电磁波来承载业务数据，实现收发两端设备的信息交互。根据无线信号传播特性，发送天线辐射的电磁波信号，一方面可以通过直射路径到达接华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书1概述版权所有©华为技术有限公司4收天线，另一方面也可以经过周围环境的反射达到接收天线（如墙体、人体、家具等）。最终，达到接收天线的电磁波信号是直射径信号和众多反射径信号的叠加，这也称为为无线信号传播的多径效应。无线信号传播的多径效应图WLAN感知基于电磁波的传播特性，通过探测环境动态变化对无线信号的影响，赋予了WLAN设备对周围环境的感知能力。以对人的活动感知为例，日常行为的肢体活动将引起电磁波传播路径的改变。通过分析接收信号的动态变化，我们可以完成诸如人员存在、行为的识别，甚至可以实现对呼吸、心跳这种微弱波动的测量。从形态上看，WLAN感知又分为双站感知和单站感知。双站感知是指共有两个设备参与感知，分别用于WLAN信号发送和信号接收；单站感知则只使用同一个设备同时完成WLAN信号的收发。双站和单站感知示意图我们可以通过无线信号传播的数学模型，进一步阐述WLAN感知背后的机理。以最简单的只有一条直射径和一条动态反射径的场景为例（上图场景所示）。假设直射径幅值为A0，传播时延为d0；动态径华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书1概述版权所有©华为技术有限公司5幅值为A1，传播时延为d1(t)，由于反射物体（人体）的移动，传播时延d1(t)在动态变化。t时刻，在频点f的信道响应可以表示为：H(f,t)=Aoej2nfda+A1ej2nfdi(t)我们可以用复平面中的矢量表示H(f,t)随d1(t)变化趋势。如下图所示，H(f,t)为静态径和动态径在复数域相加的结果。最终合成的信道响应幅值|H(f,t)|与两者相位差相关。如果两者相位差为(-π/2,π/2)时，静态径与动态径叠加后幅值增强；若两者相差为(π/2,3π/2)时，则两者幅值减弱。这样，信道响应幅值在动态环境下随d1(t)呈现周期性相长相消的的关系。无线信号传播模型我们可以进一步分析动态反射物具体多大的位移可以引起|H(f,t)|峰值到谷值（或谷值到峰值）的变化。从信道传播理论模型可知，动态径、静态径的相位差可以表示为：其中L1(t)为动态径所经过波程，L0为静态径波程。不难发现，当动态径波程发生半个波长的变化，就可以引起|H(f,t)|峰值到谷值（或谷值到峰值的变化）的改变。具体的，我们以WLAN5GHz频段36信道为例，其中心频点为5.18GHz，波长约为5.7cm，这就意味着动态径的波程变化了2.85cm即可引起引起CSI的显著变化。上述现象也可以用菲涅尔区解释，菲涅尔区定义为以收发设备为圆心的一簇椭圆，第n层的菲涅尔区边界满足如下等式，Qn为第n层椭圆上的点，T、R分别表示发射机与接收机。第n-1层椭圆到第n层椭圆之间的区域称为第n菲涅尔区。相邻菲涅尔区边界发射天线到接收天线的波程差为半波长。考虑到无线信号在经过反射时，相位额外旋转，因此在偶数菲涅尔区边界产生最大的信号减弱，在奇数菲涅尔区边界产生最大的信号增强。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书1概述版权所有©华为技术有限公司6菲涅尔区示意图在WLAN感知场景，反射物在覆盖区域内运动时，根据其实时位置的差异，接收机可以观测到信号的起伏。换而言之，我们可以感知到载波波长量级的微小波动（厘米级这为我们WLAN高精度感知奠定了基础。基于CSI的WLAN感知虽然具备理论可行性，但是实际应用中也面临众多困难。首先，WLAN感知大部分场景依赖对动态反射径的感知，其信号强度十分微弱，如何提取如此微小的变化是十分挑战的。另外，实际WLAN接收机获取的CSI是包含大量非理想因素的（同步、通道的影响等只有消除这些非理想因素的扰动，才能够从CSI中获取真正动态环境信息。1.2.2感知算法应用基于感知理论模型，华为CSI感知技术创新的采用单AP感知，通过天线和算法芯片的联合设计，最大限度的减少了发射机与接收机的非理想因素和强自干扰影响，达成了自发自收的感知全双工。单AP通过自发自收实现类似9声呐9能力，感知环境中小至厘米级的运动，识别是否有人，无需其他设备配合。单AP感知方案示意图华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书1概述版权所有©华为技术有限公司7同时，针对具有周期性的动作，感知算法可以直接用传统数字信号处理算法进行提取。例如，人体在睡眠时，只有呼吸产生的胸腔规则性起伏，此时，提取CSI的规律性变化，便可以估计出呼吸的频率，从而通过呼吸识别出是否有人。因此，基于对人员是否存在的检测能力，结合单AP融合Wi-Fi业务覆盖，无需额外的设备和部署成本等优势，华为CSI感知技术可以应用在会议室智慧照明/节能（人来“灯”亮，人走“灯”灭）、室内开放区节能（提供有人无人数据，辅助应用系统综合判定）等场景。1.2.3感知技术演进展望未来，WLAN感知还可结合测距、CSI估计多普勒频移方式测速、AOA（AngleOfArrival）/AOD（AngleOfDeparture）测角等技术结果，在获取到物理空间的动态变化信息后，针对不同的场景来对人体或物体的姿态特征进行分析，在不影响通信的基础上实现不同精度的感知应用，如定位和追踪、活动识别、特征检测、成像等。l定位和追踪：基于测角和测速能力，结合AI能力带来的运动轨迹推断，能够实现对空间内活动物体进行实时定位和追踪，识别精度一般要求不高（分辨率2~5米）。l活动识别：识别目标从整个人体细化到了部分肢体姿态（手指，手臂等对单人体需要实现多点识别，同样可以结合AI能力来提高性能，识别精度提高到亚米级。l体征检测：针对人体生理特征相关的微动进行识别（胸腔起伏，心跳等识别精度需要做到厘米级以上。l成像：对应医学上的生理检测成像，输出的结果要能够辅助医生进行精准治疗，还需要通过相关资质审查，是现有场景下对WLAN感知精度要求最高的应用。相对于传统的红外、毫米波传感器，WLAN通感一体不需要重新布线、多系统合一，大大降低了成本，降低了运维难度。感知算法展望：在将来的应用中，可以运用信号处理算法提取出单点的距离和角度信息，从而确定单点的位置。当综合多点信息后，便可以生成物体的点云信息。当同一场景存在多个AP时，每个AP都可以生成其方向上的点云，综合所有点云信息之后，就可以实现点云融合环境重构。如上图所示，为模拟的一个六基站成像点云的融合结果，从图中可以看出，融合后的成像结果可以较为完整的反应目标的轮廓。活动识别与体征检测感知算法展望：实际情况中存在很多非周期性的动作，其难以通过传统数据处理算法分析。不过，特定的动作引起的CSI变化一般具有近似的特征，因此，在后续算法演进时，可以通过AI机器学习的方法，针对CSI的变化特征进行提取及识别，以对不同的动作进行映射。例如，信号会随环境中阻挡物数量的不同而发生不同程度的波动，同样CSI数据曲线也会随人数多少呈现不同程度的分散，如果检测到环境中没有人出现，CSI数据曲线将保持稳定和平稳的状态，如果有更多的人踏入监测区域，曲线将出现明显的波动。因此，如果针对CSI的波动进行特征提取，再利用深度神经网络将波华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书1概述版权所有©华为技术有限公司8动特征与人数进行映射，便可以精确识别空间中的人数。此外，包括人体的摔倒检测，手势识别等，将来也都可以利用类似的原理实现。定位和追踪感知算法展望：在开阔场景中，通过提取移动目标的角度信息及距离信息，可以对其进行精确定位并进行位置追踪。在复杂场景中，也可以对感知区域进行划分，利用无线信号在不同环境上的空间差异性，将空间中特定位置上的无线信号特征作为该位置的指纹，建立位置-指纹关系数据库，从而通过指纹匹配的方式实现对用户位置的估计。其未来实现方式可以使用CSI信息特征实现，如在布置好AP后，划分好区域并对不同区域进行CSI信息采样，并记录好像位置信息，然后对采集好的CSI信息进行离线训练，提取特征。因此当用户移动到不同的位置时，根据CSI的特征做位置映射，便可以输出位置信息。版权所有©华为技术有限公司9华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书2实现原理2.1总体方案总体方案架构图华为CSI感知是AP自身的能力，园区组网基线中存在的WAC+FITAP和云AP场景均支持，但是从整体解决方案上，北向对接三方应用系统的接口由CampusInsight提供，因此必须配套CampusInsight使用。同时，CSI功能受CampusInsightAP节能License控制，入侵检测的配置及告警功能也由CampusInsight提供。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书2实现原理版权所有©华为技术有限公司102.1.1WAC+FITAP场景WAC+FITAP组网示意图方案说明：1)通过WAC配置AP开启CSI功能开关，开启Telemetry上报CSI数据至CampusInsight。2)基于场景和部署环境，通过WAC按需调整AP的感知距离灵敏度和动作感知灵敏度等级配置。3)配置下发AP，AP选取合适的射频（选取逻辑参考2.2.1章节开启周期CSI检测。4)射频毫秒级周期发送CSI测量校准帧，采用自发自收方式采集空口信道状态H矩阵信息。5)每秒算法执行周期到，汇聚前一秒或者多秒数据，执行运动、微动、呼吸人员存在检测算法识别。6)每秒识别结果实时通过Telemetry通道，上报CampusInsight。7)CampusInsight在接收到Telemetry上报消息时，判断识别结果如果存在有人至无人、无人至有人变化，则主动实时推送至三方应用系统，同时支持例行周期1分钟上报或查询响应。注：CSI感知北向采用RESTful接口，接口信息参考如下，具体请参考iMasterNCE-CampusInsightV100R024C10开发指南。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书2实现原理版权所有©华为技术有限公司11------------------------------01---备注：APTelemetry上报CampusInsight信息与主动推送接口参数一致，仅包含时间戳、APMAC、有无人员Status。8)三方应用系统基于推送的有无人员信息，按照既定策略，基于无人到有人变化、或持续长时间无人等，执行开关照明设备等操作。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书2实现原理版权所有©华为技术有限公司122.1.2云AP场景云AP组网示意图方案说明：1)通过NCE-Campus配置AP开启CSI功能开关，开启Telemetry上报CSI数据至CampusInsight。2)基于场景和部署环境，通过NCE-Campus按需调整AP的感知距离灵敏度和动作感知灵敏度等级配置。3)配置下发AP，AP选取合适的射频，开启周期CSI检测。4)后续步骤与逻辑与WAC+FITAP场景。2.2CSI感知检测实现CSI感知的检测与算法识别，均由AP完成，且是单AP独立通过自发自收完成，不依赖与周边AP协同，其关键过程步骤如下。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书2实现原理版权所有©华为技术有限公司132.2.1感知射频选取考虑用户操作的便捷性，CSI感知功能的开关是基于AP粒度的，因此开关下发后，AP会基于当前已开启Wi-Fi业务的射频列表，按照检测能力的大小（4天线>2天线射频择优选择射频开启CSI感知周期检测。当存在多个检测能力相同的射频可选时，按照5G>6G>2G的顺序优先选择射频。2.2.2感知检测过程开启CSI感知检测的射频，以每秒33个CSI测量校准帧的频率，采用自发自收方式采集空口信道状态H矩阵信息。CSI测量校准帧采用标准的CTS-to-self帧格式（接收地址等于自身的标准CTS帧格式，长度14字节与普通802.11帧一样，通过CSMA/CA机制参与空口竞争发送，但不支持空口重传。CSI检测一发多收示意图4天线射频开启CSI感知检测时，采用1发3收（1天线发3天线收）方式，2天线射频则采用1发1收（1天线发1天线收）方式。由于CSI测量校准帧同样需要抢占Wi-Fi空口信道资源，因此在高干扰等场景也存在发送失败等可能，不过由于其空口竞争参数优先级较高，以及算法依赖的数据量留有一定冗余量，因此偶发的测量失败几乎不影响算法的检测。同时，由于测量帧包长较小，因此综合考虑CSI测量帧的AIFS帧间隔、空口平均退避时长、包长数据发送等耗时，其空口开销占用评估小于0.5%（单AP因此对于Wi-Fi业务的影响几乎可以忽略。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书2实现原理版权所有©华为技术有限公司142.2.3感知识别算法考虑CSI感知算法依赖的数据量及计算量较大，为防止影响射频芯片上Wi-Fi业务的调度，CSI感知识别算法部署在CPU侧用户态业务进程中。CSI感知信道状态信息数据由射频芯片完成周期采集，并实时写入DDR（DoubleDataRate）内存的CyclicBuffer（循环缓冲区再由算法侧周期读取进行算法识别，示意图如下。CSI感知算法部署示意图CSI感知识别算法，在无人时，为达成端到端3秒快速检测有人的时延规格，会自动调整检测周期500毫秒，获取采集数据，执行运动或微动检测。在有人时，则自动调整检测周期为1秒，获取采集数据，执行运动或微动检测。同时，对于呼吸检测，算法需要累积10秒数据，再做呼吸频谱识别。算法主体逻辑如下：检测算法逻辑示意图华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书2实现原理版权所有©华为技术有限公司15上图感知算法在消除WLAN发射机与接收机的非理想因素和强自干扰影响时，会通过对多根天线接收数据进行比对提取发送端相同的波动信号后并进行剔除，以提升检测精度。因此相对4天线射频用3根天线接收，2天线射频只能使用1根天线进行接收，感知能力减弱。2.3注意事项如前面章节所述，当前的CSI感知技术主要是采集的空口信道状态信息的变化，因此是人还是物的运动从简单的信道状态信息的变化中是无法区分的。但对于人体特征的识别当前主要依赖呼吸，且由于呼吸动作非常微弱，因此非常易受障碍物或体态等影响呼吸信号的反射，因此检测范围相对较小，由此进一步导致了在很多场景难以区分人还是物的运动。此外，由于部分微动物体，可能存在类“呼吸”周期干扰，也存在难以区分的问题。综上，总结CSI感知存在如下相关通用约束：1)CSI功能依赖射频开启Wi-Fi业务，如果开启AP节能或射频关闭时，AP的CSI功能不可用。2)检测区域内存在风扇、扫地机器人、风吹含金属配件的窗帘（反射系数高）等持续运动的物品时，会被误判为人体的运动、微动或呼吸。3)检测区域内如果存在障碍物，会影响CSI的感知距离，具体参见网规指导感知路损评估表。如果障碍物对于Wi-Fi信号的穿透损耗较大，如水泥墙、实木门、实木桌等，且完全遮挡时，会造成无法感知检测。版权所有©华为技术有限公司16华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书3典型应用场景3典型应用场景3.1会议室智慧照明与节能场景3.1.1场景介绍面对温室效应、气候变暖对社会发展带来的影响，经济发展与环境保护一直是人们的关注焦点。自我国2020年提出“碳达峰、碳中和”双碳国家战略以来，“数字经济”和“双碳”目标已成为“十四五”发展的主旋律。当前，我国正采取更加有力的政策和措施，助力实现“双碳”目标。绿色节能，降碳减排也成为了智慧园区建设中的关键目标。作为办公场所，园区中的电力设备以及网络设备使用具有潮汐特性，因此如果能够根据人员流动情况实时调节设备，能够带来巨大的节能收益，比如灯光自动调节亮度，空调自动调节温度等。然而从信息安全的角度出发，直接基于摄像监控系统对园区人流进行统计并不现实，WLAN感知则能够在保证信息安全的同时对物理空间内的人体活动情况进行统计分析，尤其是在Wi-Fi通信已经能够在大多数园区内实现全覆盖的情况下，WLAN通感一体已经成为了实现智慧园节能降碳最具潜力切入口。同时，随着智慧园区的不断发张，会议室中的智能化设备也越来越多，比如智慧屏，空调，照明，窗帘杆等等，然后这些设备通常需要一些基于物理传感器下发指令才能做到与物理空间的正式互动，这大大增加了会议室的建设成本，而WLAN通感一体化能够消除这个问题，基于AP设备感知特性能够在有人进入会议室的同时自动驱动设备上电。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书3典型应用场景版权所有©华为技术有限公司173.1.2方案架构方案架构图在上述人员感知应用场景中，三方应用系统在对接开发时，参考注意事项，应满足：华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书3典型应用场景版权所有©华为技术有限公司18>有人->无人的检测应用场景，需要应用系统判断持续10分钟以上检测为无人（推荐15分钟再联动关灯等节能处理；>无人->有人的检测应用场景，为达成3秒内快速唤醒设施的更优体验，需要应用系统及时响应CampusInsight推送结果并联动设施处理，时延应控制小于500毫秒。3.1.3网规部署请参考：企业WLAN场景化设计（CSI感知）。3.1.4部署调优AP部署在墙体为玻璃、薄木板或石膏板等Wi-Fi信号易穿透的房间内时，信号会延伸到会议室外，信号容易受到路过的人的影响导致误判，AP应至少距离玻璃墙体3米部署，避免感知范围扩散到会议室外部，并通过CloudCampusAPP调整感知距离灵敏度减少误判。CloudCampusAPP工具调整方案，同样请参考：企业WLAN场景化设计（CSI感知）。3.1.5注意事项1)会议室场景考虑可能存在风吹窗帘、玻璃墙外扰动等类“呼吸”周期干扰场景，建议关闭呼吸检测，防止持续误判为人体呼吸。2)会议室节能无人到有人检测时延3s（网络设备2.3s时延，预留网络传输时延0.2秒，其他上层应用开“灯”处理0.5秒，为保证开“灯”效果，应保证网络传输或应用处理时延满足要求有人到无人CSI检测时，由于人在静止或者微动时存在误检为无人，因此建议应用系统节能判断需要持续10min以上检测为无人，再联动关灯等节能处理。备注：有人到无人感知时延规格1分钟（设备45秒，包含AP与CI关闭呼吸检测时有人到无人感知时延5秒（设备3.5秒，包含AP2.5秒与CI1秒）。3.2室内开放区节能场景3.2.1场景介绍与会议室场景一样，室内开放区中的电力设备以及网络设备使用具有潮汐特性，因此如果能够根据人员流动情况实时调节设备，能够带来巨大的节能收益，比如灯光自动调节亮度，空调自动调节温度等，以达成能效调优、节能降耗。但与会议室场景不同的是，室内开发区没有明显的边界与区域划分，简单的基于单AP的CSI感知结果无法直接联动应用到区域设备上下等电场景。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书3典型应用场景版权所有©华为技术有限公司193.2.2方案架构方案架构图在室内开放区场景中，区域的节能不能仅关注AP的检测结果，三方应用系统应联动判断区域内多个AP的检测结果，判断持续10分钟以上检测为无人（推荐15分钟）时，再应用到节能判决中，具体可参考注意事项中的建议应用策略。同时对于人员密度的统计依赖Wi-Fi终端统计数据，与CSI感知方案无关。华为园区网络WLANCSI感知技术白皮书3典型应用场景版权所有©华为技术有限公司203.2.3网规部署请参考：企业WLAN场景化设计（CSI感知）。3.2.4注意事项1)室内开放区节能场景AP部署时，建议选用4T4R款型，AP部署站间距应小于12米，保证检测覆盖全部区域。大于12米部署时，检测范围会存在空洞。2)室内开放区节能场景，应用系统应联动判断区域内多个AP的检测结果，辅助应用系统结合具体环境、区域划分等做综合节能判定，不支持精确的开关“灯”控制。建议应用策略：>强烈推荐：CSI感知提供有人无人数据统计结果，应用系统基于统计结果，确定固定的节能策略，例如晚上10点到第二天6点关空调。>酌情使用：CSI感知提供区域关灯的实时数据依据，应用系统应该增加“持续无人”状态的长周期判断，周期不小于30分钟。酌情使用：应用系统如果要做区域开灯的联动，应联动区域内所有AP，只要有一个显示“有人”，则全部开灯。区域开关灯应有人工控制的按钮，不能强依赖CSI