無線感知論文閱讀筆記（一）——Wi-Fi雷達：從RSSI到CSI-2014.11

關鍵詞

RSSI、CSI、無線感知

文章概要

介紹了一種利用普通無線設備實現環境感知的技術。通過分析無線信道狀態信息，實現了被動式人員檢測，包括識別人的位置、姿勢、動作以及其他環境特征，可以應用於室內定位、安全監控、針對老人和小孩的家庭醫療監護、新型人機交互方式等。

背景

無線電信號感知環境的原理

在室內環境下，信號發射機產生的無線電波經由直射、反射、散射等多條路徑傳播，在信號接收機處形成多徑疊加信號。多徑疊加信號受其傳播物理空間的影響，攜帶反映環境特征的信息。這里所說的環境是信號傳播的物理空間，既包括人的因素（是否有人以及人的位置、特征、姿勢、動作等），也包括其他外物的因素。

被動式人員檢測

“被動式”在這里指的是被檢測人員不需要攜帶任何電子設備，用以區別傳統無線定位系統通過定位人所攜帶的電子設備來定位人員，這種方式也被稱作設備無關的 (device-free) 或者非侵入式的(non-invasive)。

WIFI感知的優缺點

• 優點：成本低，易用性、普適性。
• 缺點：相對 於專用雷達信號甚至超寬帶信號，Wi-Fi 信號帶寬較窄，時間分辨率低，在信號處理設備上也存在較大差距。

從RSSI到CSI

RSSI:Received Signal Strength Indicator,表示接收信號強度指示。

RSSI的用處

1. 用接收信號強度推斷接收機與發射機的距離或表征接收機的位置特點是傳統無線感知采用的重要方法之一。
2. 由於 RSSI 的強弱在一定程度上反映了信道質量的好壞，眾多無線通信技術如 RFID, FM,GSM, Wi-Fi, ZigBee 等均可在終端設備上獲取 RSSI 信息，以根據當前信道質量調整通信策略。
3. 在無線感知領域，RSSI 的普適性使其廣泛應用於室內無線定位、被動式人員檢測等移動計算應用。理論上，可將 RSSI 代入無線信號傳播模型以估算信號傳播距離，也可把 RSSI 作為特定地點的無線信號特征“指紋”，還能通過 RSSI 的波動推斷是否有人或其他障礙物阻擋無線鏈路。

RSSI的局限性

在室內環境中：

1. RSSI 會因信號多徑傳播引起的小尺度陰影衰落而不再隨傳播距離增加單調遞減，從而限制測距精度。

   陰影衰落：

   1. 由發射機和接收機之間的障礙物造成，這些障礙物通過吸收、反射、散射和繞射等方式衰減信號功率，嚴重時會阻斷信號。

   2. 引起障礙物尺度距離（室外為10m~100m，室內更小）上的功率變化。

2. 多徑傳播也會導致 RSSI 幅度波動，在典型實驗室環境下，一台靜止的接收機在 1 分鍾內接收到的 RSSI 可能出現 5dB 的波動。這種多徑傳播造成的 RSSI 波動也會導致定位時無線信號指紋錯誤匹配。

   

3. 制約 RSSI 穩定性和可靠性的根本因素是 ：RSSI 測量的是信號多徑傳播的疊加效果，並不能逐一區分多條信號傳播路徑。

克服局限性的方法

1. 為刻畫多徑傳播，無線信道通常用信道沖擊響應 (Channel Impulse Response, CIR) 建模。在線性時不變的假設下，CIR 可表示為

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

   其中，\(\alpha_i,\theta_i,\tau_i\)分別為第 i 條路徑的幅度衰減、相位偏移和時間延遲，N 為傳播路徑總數， 為狄克拉脈沖函數。式中的每一項從時域上表示了一條傳播路徑的幅度、相位和時延。

2. 由於多徑傳播在頻域上表現為頻率選擇性衰落，因而也可通過信道頻率響應 (Channel Frequency Response, CFR) 刻畫多徑傳播。CFR 包括幅頻響應和相頻響應。在無限帶寬的條件下，CFR 和 CIR 互為傅里葉變換。

3. 自 2010 年以來，研究人員通過修改固件 [2]，使得在普通 Wi-Fi 設備上也能以信道狀態信息 (Channel State Informa-tion, CSI) 的形式獲取一個采樣版本的 CFR。具體而言，利用兼容 IEEE 802.11a/g/n 的無線網卡即可從每個接收數據包中獲取一組 CSI，每組 CSI 代表一個正交頻分復用 (Orthogonal FrequencyDivision Multiplex, OFDM) 子載波的幅度和相位。

   子載波及解碼：

   1. 子載波：在[0,2π]的時長內，采用最易懂的幅度調制方式傳送信號：sin(t)傳送信號a，因此發送a·sin(t)，sin(2t)傳送信號b，因此發送b·sin(2t)。其中，sin(t)和sin(2t)的用處是用來承載信號，是收發端預先規定好的信息，在本文中一律稱為子載波；調制在子載波上的幅度信號a和b，才是需要發送的信息。因此在信道中傳送的信號為a·sin(t)+b·sin(2t)。在接收端，分別對接收到的信號作關於sin(t)和sin(2t)的積分檢測，就可以得到a和b了。

   2. 解碼方式：

      1. 接收信號乘sin(t)，積分解碼出a信號。【如前文所述，傳送b信號的sin(2t)項，在積分后為0】
      2. 接收信號乘sin(2t)，積分解碼出b信號。【如前文所述，傳送a信號的sin(t)項，在積分后為0】

4. 通過修改固件的方式 ，普通 Wi-Fi 設備可以獲得 30 個正交頻分復用子載波上的 CFR 采樣。如果能夠使用商用軟件無線電設備 (software-defined radio)，可以獲得更精確的 CSI 信息，提取全部 56 個正交頻分復用子載波上的均勻 CFR 采樣。

RSSI與CSI對比

1. 與 RSSI 相比，CSI 在一定程度上刻畫了多徑傳播。因此，CSI 可以暫時看作是 RSSI 的升級版本。

2. CSI 可從一個數據包中同時測量多個子載波的頻率響應，而非全部子載波疊加的總體幅度響應，從而更加精細地刻畫頻率選擇性信道。

3. CSI 既可測量每個子載波的幅度，還可測量每個子載波的相位信息。CSI 將單值的 RSSI 擴展至頻域，並且附加了相位信息，從頻域上為無線感知提供了更為豐富、細粒度的信道狀態信息。

4. 由於 CIR 與 CFR 互為傅里葉變換，CSI 使得普通 Wi-Fi 設備在一定程度上能夠從時域上粗略地區分傳播路徑，從而為基於視距路徑的應用提供了更准確的視距能量估計值。

   視距通信：

   通常來說，我們將無線通信系統的傳播條件分成視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種環境，在視距條件下，無線信號無遮擋地在發送端與接收端之間進行直線傳播，這要求在第一菲涅爾區內不存在對無線電波造成遮擋的物體，如果不滿足這一條件，信號強度就會產生明顯下降，而這種利用以視距傳播的無線電波進行信息傳輸的通信就是視距通信。

5. 

6. 與專用儀器相比，由於 CSI 對無線信道的測量精度受限於 Wi-Fi 協議的工作帶寬，利用當前的 IEEE 802.11n 協議還無法逐一區分每條傳播路徑。

CSI應用

1. 定位：根據特定位置的信號特征指紋。

2. 測距：根據信號傳播模型計算出移動終端與Wi-Fi 接入點之間的距離，再通過三邊定位方法確定位置。

3. 被動式人員檢測：利用單發射機 - 接收機鏈路。

   具體應用——入侵者檢測：利用 CSI 提供的頻率分集(frequency diversity) 和多天線提供的空間分集 (spatial diversity)，在不同的多徑傳播環境下選擇高敏度的子載波組合以及來自非視距路徑方向的信號，提升被動式人員檢測的靈敏度並擴大檢測范圍。

4. 實現人體動作、手勢、呼吸等微小運動以及日常活動進行識別。

   具體應用——唇語識別：要求更加細粒度的感知。

5. 無線通信：發射機與接收機之間信號視距傳播路徑是否存在，對

   通信質量有着明顯的影響。若視距路徑存在，則可以采取提高碼率等措施來相應地提高效率，反之則可以降低碼率以增加可靠性。

   1. 判斷視距路徑是否存在：基於 CSI 提取時域和頻域信號的統計特征，結合接收機的移動性，利用視距和非視距路徑的穩定性差異判斷視距路徑是否存在。
   2. 實現更准確地估計信道質量以實時調整傳輸速率。
   3. 利用 CSI 將傳輸信息按重要性映射至不同質量的子載波上根據細粒度的信道狀態調整前向糾錯編解碼策略以提供不同等級的糾錯能力。
   4. 通信加密：CSI 反映了發射機與接收機之間信道的固有物理特征。根據信道互異性，該特征是發射機與接收機所共有的信息，是第三方不能直接獲得或監聽的。因此，CSI 可以作為通信雙方密鑰生成和協商的共有基礎信息。