智能物联网-课件 第4章-智能无线感知

×第四章智能无线感知Intelligentwirelesssensing智能物联网导论课程组西北工业大学计算机学院目录4.1.无线感知基础原理4.2.基于Wi-Fi的智能感知技术4.3.基于RFID的智能感知技术4.4.总结与展望4.5.习题4.1概述目标：以无线感知（WirelessSensing）为代表的新型智能感知技术成为应对公共安全、灾难应急等重大挑战的有效方式。优势：普适程度高、感知范围广、感知成本低不侵扰用户、不泄露隐私等特点和优势是实现泛在感知与普适计算的理想形式4.1无线感知基础原理三个鲜明特点：无传感器：感知系统无须部署专门的传感器无线：感知系统无须部署线路无接触：无须用户佩戴任何设备基本原理：环境中传播的无线信号，会由于感知目标（人或物）的存在而产生反射、衍射、散射等现象，使得接收设备所接收信号（即回波信号）的振幅、相位等特征发生变化。无线感知这一概念源于2006年提出的“非传感器感知”4.1.1无线感知信号无线感知的信号主要包括Wi-Fi、RFID、毫米波、超声波等。以Wi-Fi信号为例，需要使用有效的指标对Wi-Fi信号的变化进行刻画主要包括：接收信号强度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator,RSSI）信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）(a)Wi-FiRSSI信号(a)Wi-FiCSI信号4.1.1无线感知信号接收信号强度：RSSI是对信号发送器和接收器之间无线信号强度的度量，通常为接收信号和初始“标准值”的比率，以分贝（dB）为单位。一方面，RSSI是对无线信号的能量分布与衰减情况的表征，其强弱在一定程度上反映了信道质量。另一方面，RSSI的变化也在一定程度上反映了周围环境的变化情况。正是由于Wi-FiRSSI随着环境中人员、物体等影响而变化，通过分析其变化模式与目标位置、行为等之间的关联关系，便可实现无线感知，因而被广泛用于室内定位、人员检测等领域。缺陷：室内环境中，RSSI会由于信号多径传播导致的小尺度阴影衰落而不再随传播距离增加而单调递减多径传播还会引发RSSI振幅波动，导致RSSI作为信号指纹进行匹配时的误差较大，限制了感知精度。4.1.1无线感知信号信道状态信息：信道状态信息CSI是通信链路的信道属性，描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，如信号散射、环境衰弱、距离衰减等信息。CSI可以使通信系统适应当前的信道条件，为高可靠、高速率通信提供保障。以Intel5300网卡为例，其能够获得30个子载波的CSI信息。实际上，在IEEE802.11n协议中，无线信道利用OFDM技术将信道调制成了56个子载波。由于5300网卡自身的限制只能获得30个子载波信息，则CSI信息H可表示为：H=[H1,H2,H3,⋯,H30]CSI是更加细粒度的信息，对环境变化更加敏感，具有更强的感知能力，成为当前Wi-Fi感知研究的主要方向。4.1.2无线感知理论模型无线感知领域主要有两种研究思路：基于接收信号的变化模式，通过机器学习方法训练识别模型，实现行为识别或分类，即基于信号模式的感知基于物理模型或原理，探索无线感知的一般机理，推导特定物理量（如位置、速度、角度等）与接收信号特征间的量化关系，进而基于物理量和信号特征识别人的行为，即基于理论模型的感知基于信号模式的感知方法缺乏对无线感知机理的深层理解，识别模型的性能依赖于信号采集的环境因素，往往随着环境改变而大幅下降。因此，本节重点介绍基于无线感知的理论模型。4.1.2无线感知理论模型多普勒效应模型指物体辐射的波长会因为波源和观测者的相对运动而产生变化如果振源与观察者之间存在着相对运动，那么观察者听到的声音频率将不同于振源频率：在运动的波源前面，波被压缩，波长变短，频率变高（称作蓝移，BlueShift）；在运动的波源后面时，会产生相反的效应，波长变长，频率变低（称作红移，RedShift）。多普勒效应示意图4.1.2无线感知理论模型多普勒效应模型

4.1.2无线感知理论模型菲涅尔区模型涅尔区模型源于光的干涉和衍射研究，揭示了光从光源到观察点的传播规律，其中菲涅尔区是指以收发设备两点为焦点的一系列同心椭圆。传播到第一菲涅尔区的光波与视距路径LoS相位相同，导致在观察点得到叠加增强的信号；传播到第二菲涅尔区的光波因与视距路径LoS相位相反，导致在观察点得到叠加减弱的信号。随着菲涅尔区的奇偶交替，导致在观察点得到增强和减弱的干涉叠加结果。4.1.2无线感知理论模型菲涅尔区模型

菲涅尔区模型示意图菲涅尔区是在收发天线之间，由电磁波的直线路径与反射路径的行程差为nλ/2的反射点形成，以收发天线位置为焦点，以直线路径为轴的椭球面。4.1.3无线感知系统工作模式无线信号由具备发射特定信号能力的设备提供，根据感知目标与感知设备的关系，可将感知系统分为两类设备无关感知系统设备相关感知系统。设备无关感知系统：设备无关感知系统是指设备独立于被感知对象，即被感知对象不需携带任何特定设备，由存在于感知目标周围的感知设备提供作为感知媒介的无线信号。设备相关感知系统：与设备无关感知系统相对，设备相关是指在感知系统工作过程中，感知设备与感知目标直接关联，即感知目标需要携带设备，二者的时空信息具有高度一致性。目录4.1.无线感知基础原理4.2.基于Wi-Fi的智能感知技术

4.2.1

Wi-Fi感知的基本概念和原理

4.2.2Wi-Fi感知关键技术

4.2.3

Wi-Fi感知典型应用4.3.基于RFID的智能感知技术4.4.总结与展望4.5.习题4.2.1Wi-Fi感知的基本概念和原理信号传播全部路径分为静态路径（红色）与动态路径（蓝色）Wi-Fi感知主体：由一个发射器和若干接收器构成的Wi-Fi感知系统信号时变性：基于菲涅尔区模型可知，当物体持续移动并穿过数个菲涅尔区时，接收信号的振幅呈现类似正弦波的变化

Wi-Fi信号传播路径示意图目录4.1.无线感知基础原理4.2.基于Wi-Fi的智能感知技术

4.2.1

Wi-Fi感知的基本概念和原理

4.2.2Wi-Fi感知关键技术

4.2.3

Wi-Fi感知典型应用4.3.基于RFID的智能感知技术4.4.总结与展望4.5.习题4.2.2Wi-Fi信号预处理Wi-Fi信号预处理解决了无线感知系统中的噪声干扰问题和设备局限问题，目前主流的处理方法是信号优选与信号增强关键技术信号降噪：利用滤波、离群点检测等方法滤除无线信号中的噪声信号提取：利用不同物体所反射信号特性的差异，从回波信号中提取与感知目标或感知任务相关的成分信号转换：利用无线信号的固有特性，通过一定数学运算对原始信号进行转换，通过构造新的度量标准剔除信号噪声，代表成果包括CSI相位差、CSI商等在实际场景中，噪声干扰和设备局限是影响Wi-Fi无线感知系统性能的重要因素，噪声干扰主要包括环境噪声和软硬件噪声，设备局限主要指Wi-Fi设备时间和空间分辨率较低信号增强：利用多个信号源提高无线感知的时间和空间分辨率，融合得到更加丰富的感知数据，克服普通Wi-Fi设备的能力局限4.2.2信号降噪针对环境噪声，常见处理方法包括滑动平均、低通滤波、中值滤波、小波变换等；针对软硬件误差导致的CSI相位偏移，回归分析是滤除偏移、提升性能的有效方法基于小波变换的Wi-Fi信号降噪示例信号降噪是信号预处理阶段的关键步骤4.2.2信号提取一类方法是基于目标回波成分的时域或频域特性，通过阈值法或滤波法进行信号提取。另一类方法是通过主成分分析、独立成分分析、自相关/互相关等方法剔除与感知目标无关或冗余的信号基于小波变换的Wi-Fi信号提取示例子载波选择也是实现信号提取的有效方法4.2.2信号转换典型方法包括CSI相位差、CSI商等。CSI相位差是指Wi-Fi设备不同接收天线或不同子载波信号之间的相位差值，CSI商则是不同天线所接收信号做除法运算基于CSI商的Wi-Fi信号转换示例(a)第一条接收天线回波信号振幅波动(b)第二条接收天线回波信号振幅波动(c)两条接收天线回波信号振幅商CSI商等信号转换方法能有效剔除信号噪声，解决时变相位偏移等问题4.2.2信号增强利用不同设备、不同载波频率之间的互补增强特性，提高无线感知的时间和空间分辨率，融合得到更加丰富的感知数据，克服普通Wi-Fi设备的能力局限性Wi-Fi可用频段示意图载波融合等信号增强方法有效提高了普通Wi-Fi设备的感知能力4.2.2Wi-Fi信道建模基于IEEE802.11a/g/n协议的Wi-Fi系统通过将多个发射天线上的数据流复用到多个接收天线来增加信道的数据传输容量，这种类型的系统称为多路输入多路输出通信系统Wi-Fi信道多维参数示意图

基于多径信道传播模型可知，量化分析感知目标对Wi-Fi信号的作用模式，是实现无线感知的有效途径当路径长度变化一个波长时，接收端在对应子载波上会产生大小为2π的相位偏移4.2.2Wi-Fi信道参数估计为了获得可用于信道参数估计的CSI数据，需对不同报文进行时间校准，消除相对时延。由于同一Wi-Fi芯片的不同天线完全同步，因此同一设备不同天线的同频子载波具有相同的τ_delay，可通过频域线性拟合予以消除，实现不同报文相对飞行时间对齐

目录4.1.无线感知基础原理4.2.基于Wi-Fi的智能感知技术

4.2.1

Wi-Fi感知的基本概念和原理

4.2.2Wi-Fi感知关键技术

4.2.3

Wi-Fi感知典型应用4.3.基于RFID的智能感知技术4.4.总结与展望4.5.习题4.2.3室内定位——传播模型目前Wi-Fi室内定位方法主要有基于传播模型定位和基于位置指纹定位两类基于信号传播模型的定位原理示意图传播模型法基本原理是将检测到的RSSI信号值转换成为需要定位的终端移动设备和各个AP之间的距离，再利用三个不共线的AP估算当前的位置信息4.2.3路径损耗传播模型利用传播模型方法进行室内定位，由于室内环境变化较多，难以建立准确的传播模型。应用较多的是线性距离路径损耗模型和对数距离路径损耗模型线性距离路径损耗模型其中，L(d)为终端移动设备到发射器距离为d的信号强度，a和l_0均为参数，而且l_0为恒定参数

对数距离路径损耗模型其中P_L(d)为无线信号传播距离为d时的路径损耗RSSI在距离信号发射节点距离d处的接收节点接收到的信号强度，信号发射器的发射功率为P_t，

4.2.3室内定位——位置指纹基于传播模型的方法往往需要额外部署硬件设备，并预先知道AP的位置坐标信息。与之相比，位置指纹法不需额外硬件设备且成本较低基于位置指纹法的定位原理示意图“位置指纹”是指定位环境中所有的参考点与各个AP信号强度之间存在着一个唯一对应的映射关系，即每一个参考点有着唯一的Wi-Fi信号强度向量，就像人的指纹一样独一无二离线训练阶段的主要目的是建立一个能够全面表达目标区域各个位置Wi-Fi信号RSSI特征的位置指纹数据库在线定位阶段的目的是通过指纹匹配算法得到移动终端设备的最终位置信息，4.2.3动静检测日常行为活动感知是智能无线感知工作的重要组成部分，有着重要的现实意义。基于Wi-Fi的行为活动识别包括动静检测、动作识别、手势识别、步态识别等工作静止和移动状态信号振幅波动示意图动静检测基于人员在空间中移动时，Wi-Fi回波信号振幅会出现类似正弦的波动的实验现象；由于不同接收天线的位置存在差异，所以不同天线上回波信号的振幅波形之间有时间延迟FreeSense系统框架示意图4.2.3动作识别基于Wi-Fi的感知系统一般通过建立信号变化与动作模式之间的对应关系实现动作识别基于Wi-Fi的动作识别感知一般认为信号变化与动作模式之间有一一对应关系，然而实际场景中信号变化往往是杂乱的不同动作所对应原始CSI信号和CSI时频图示例(a)CSI原始信号-走路(b)CSI原始信号-摔倒(c)CSI时频图-走路(d)CSI时频图-摔倒CARM系统CARM系统的核心思想是基于多普勒频移建立CSI变化与人体各部位运动速度之间的对应关系模型CARM系统首先将多径分为静态路径和动态路径4.2.3手势识别手势识别是人机交互的重要手段，传统的识别方法包括计算机视觉、红外识别、专用传感器等。相比而言，基于视觉的方法易受光照条件限制，红外识别系统部署复杂、携带不方便，因而基于无线感知的手势识别具有广阔应用前景基于Wi-Fi感知系统实现手势识别的关键在于如何精准地刻画和区分由细微动作所导致的信号波动WiFinger系统架构WiFinger系统WiFinger系统的基本思想是用户完成某一手势时会以一种独特的方式和方向移动手指，从而产生独特的CSI时序信号WiFinger系统包括预处理阶段、特征提取阶段和手势识别阶段4.2.3健康感知北京大学张大庆教授团队基于菲涅耳区模型，在接收信号波形和人体呼吸行为之间建立了精确的关联关系，呼吸引起的接收信号波形仅为一个类似正弦信号完整周期的部分片段基于Wi-Fi的健康感知工作主要聚焦呼吸、心跳等生命体征基于Wi-Fi菲涅尔区模型的呼吸感知Wi-Fi菲涅尔区模型呼吸信号的波形应由四个小片段组成：一个吸气波形、一条暂停直线、一个呼气波形、一条暂停直线在每个菲涅尔区中，微小位移的最佳检测位置位于菲涅尔区中间，最差位置则位于菲涅尔区边界Wi-Fi不同子载波的频率多样性在外侧菲涅尔区表现出显著的互补性目录4.1.无线感知基础原理4.2.基于Wi-Fi的智能感知技术4.3.基于RFID的智能感知技术

4.3.1

RFID技术基本概念与感知原理

4.3.2RFID感知关键技术与应用4.4.总结与展望4.5.习题4.3.1RFID技术简介射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID）是自动识别技术的一种，其通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，阅读器利用无线射频方式对电子标签进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一RFID系统构成典型的RFID系统一般由阅读器、电子标签和应用系统三个部分组成RFID标签-阅读器感应原理RFID系统一般可以分成两类，即电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统RFID系统工作原理示意RFID工作原理是电子标签进入天线磁场后发送标签信号，阅读器读取解码4.3.1RFID感知原理RFID阅读器与标签通信过程中，通过会对标签信号进行测量，能够得到反向散射信号的接收信号强度、相位等参数信号参数接收信号强度：RFID系统中RSSI为阅读器天线接收到反射信号的功率信号相位：阅读器接收到的反射信号与发射信号之间的相位差多普勒频移：由于阅读器和标签间的相对运动而引起的阅读器接收信号在频率上的偏移RFID感知是通过解析回波信号的参数变化实现对目标的感知4.3.1RFID感知系统工作模式RFID感知系统依据工作模式可分为设备无关和设备相关两类两种工作模式感知系统的差异性主要体现在有效信号类型不同设备无关RFID感知系统信号传播示意图设备相关RFID感知系统信号传播示意图无需将电子标签与感知目标绑定，而是将标签视为一个单独的通信设备主要通过分离提取叠加信号中的反射路径信号实现目标感知需要将电子标签与感知目标进行绑定排除反射路径信号干扰，提取叠加信号中的直射路径信号并从中分析感知目标相关信息成为主要挑战目录4.1.无线感知基础原理4.2.基于Wi-Fi的智能感知技术4.3.基于RFID的智能感知技术

4.3.1

RFID技术基本概念与感知原理

4.3.2RFID感知关键技术与应用4.4.总结与展望4.5.习题4.3.2基于RFID定位技术基于RFID的定位是指利用已知位置的读写器/电子标签对未知位置的感知目标进行定位的技术。依据定位原理不同，相关技术可分为测距和非测距两类TOA定位原理定位算法以信号到达时间估计为基础，参考节点之间的距离信息实现定位任务实际定位应用环境通常存在多径传播效应，多采用基于多径信号中的视距路径进行时延估计，对接收信号的处理分为基于本地模版信号匹配滤波的相干检测和基于能量检测的非相干检测两种基于带宽扩充方法实现RFID高精度定位检测ToA定位算法TOA估计示意图带宽扩充原理示意图4.3.2非测距RFID定位技术非测距定位是指通过预先搜集目标场景的信息，然后将实时获取的目标信息与场景信息进行匹配，基于匹配结果对目标进行位置估计。典型实现方式包括指纹定位法和参考标签法空心圆表示锚节点（例如位置已经的RFID阅读器），实心圆表示定位目标（如贴敷电子标签的人或物体）RFID系统通过在场景空间中布置若干锚节点（如位置已知的阅读器）并周期地向周围发出信号，当位置未知节点（即定位目标）接收到来自不同锚节点的位置信息后，即通过计算锚节点所组成多边形的质心确定自身位置质心法的定位精度直接取决于锚节点的密度参考标签法质心定位算法原理示意图建立在接受信号强度指示RSSI之上的质心权重算法，消除邻近位置环境因素对参考标签和待测标签信号传播的共同干扰4.3.2基于RFID的活动识别技术基于RFID技术的设备无关活动识别同样是利用人体活动会对RFID信号产生影响这一物理现象，通过提取受影响信号的特征便可识别用户活动，一般分为设备相关与设备无关两类ShopSense系统框架示意图基于RFID的设备相关活动识别需要为感知目标贴敷电子标签。RF-Ware系统动作识别原理示意图人体在RFID标签上“投影”示意图4.3.2设备无关活动识别设备相关活动识别通常会给感知目标带来不便，因此如何实现设备无关的非干预活动识别成为近年无线感知领域的研究热点，重点介绍人体活动识别系统TagFreeTagFree工作原理示意图RFID感知系统一般将多径信号视为无用干扰信息。TagFree将多径信号看做有用信息，并利用其实现细粒度活动识别参考标签法TagFree通过分析多径信号从多个标签中收集大量角度信息作为光谱帧，在预处理的基础上提取关键特征，然后利用深度学习发掘活动模式TagFree采用带有长期短期记忆（LSTM）单元的递归神经网络捕捉大量频谱序列中蕴含的变化模式，最终实现高精度活动识别目录4.1.无线感知基础原理4.2.基于Wi-Fi的智能感知技术4.3.基于RFID的智能感知技术4.4.总结与展望4.4.1常见无线感知对比4.4.2无线感知研究挑战和发展趋势4.5.习题4.4.1常见无线感知对比本节主要从感知精度、感知范围、多目标支持、系统成本、适用场景等方面对Wi-Fi感知、RFID感知、毫米波感知、超声波感知等进行对比分析感知方式感知精度感知范围多目标支持系统成本适用场景Wi-Fi（2.4GHz）厘米级>10米差低居家、办公等RFID（900MHz）厘米级<10米差低商店、仓库等毫米波（77GHz）亚毫米级>100米