Wi-Fi感知：你家的下一個(gè)傳感器未必是傳感器

傳感器是智能家居、ADAS、醫(yī)療健康等多個(gè)領(lǐng)域智能系統(tǒng)的重要組成部分。目前常用的傳感技術(shù)包括攝像頭、紅外傳感器(PIR)、雷達(dá)等。但近幾年，隨著Wi-Fi通信設(shè)備的普及，出現(xiàn)了一種新興的傳感器技術(shù)——Wi-Fi感知。本文將介紹Wi-Fi感知的原理、應(yīng)用，以及優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

Wi-Fi感知的原理

Wi-Fi感知是一種使用Wi-Fi信號(hào)來檢測給定環(huán)境中物體和人的存在、位置和運(yùn)動(dòng)的技術(shù)。通過分析Wi-Fi信號(hào)的反射和衰減，Wi-Fi感知算法可以確定物體和人的位置、存在和運(yùn)動(dòng)，甚至可以穿透墻壁和其他障礙物。要了解Wi-Fi感知的原理，得先了解什么是CSI。

當(dāng)無線信號(hào)在發(fā)射器和接收器之間傳播時(shí)，會(huì)被視線路徑上的物體阻擋、反射，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生變化，包括幅度衰減和相位偏差。通信系統(tǒng)需要根據(jù)這種變化來對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而保證有效可靠的數(shù)據(jù)傳輸，因此就有了CSI。

CSI(Channel State Information)，信道狀態(tài)信息，是一種表征信道變化的參數(shù)。其通過對(duì)每個(gè)子載波信道的頻率響應(yīng)進(jìn)行采樣，來表示信道的幅值和相位信息，一般可表示為：

其中，n表示無線信號(hào)傳輸?shù)牡趎條路徑（由于無線信號(hào)傳輸有多徑效應(yīng)，所以傳輸路徑不止一條），和表示t時(shí)刻在第n條路徑上的信號(hào)衰減和時(shí)延，f表示載波頻率。CSI的幅度和相位收到無線發(fā)射器和接收器的位移、環(huán)境中物體的擺放、和人員活動(dòng)的影響。所以當(dāng)我們測量得到了CSI數(shù)據(jù)，就可以利用對(duì)無線系統(tǒng)建?；蛘邫C(jī)器學(xué)習(xí)的方法，來推斷出環(huán)境的變化和人體的活動(dòng)，包括人員活動(dòng)強(qiáng)度、類型、人員位置等信息。

Wi-Fi感知的應(yīng)用

Wi-Fi感知可以探測到人員的移動(dòng)和行為，具有廣泛的潛在應(yīng)用，包括：

① 室內(nèi)導(dǎo)航：在大型建筑、機(jī)場、購物中心和其他公共空間中，通過Wi-Fi感知，用戶可以接收基于位置的實(shí)時(shí)信息和方向，這可以幫助他們更輕松有效地在環(huán)境中導(dǎo)航。

② 智能家居自動(dòng)化：Wi-Fi感知可使家庭更智能、更高效。例如，Wi-Fi感知可用于在房間無人時(shí)自動(dòng)關(guān)燈，或根據(jù)人的存在來調(diào)節(jié)溫度。

③ 健康監(jiān)測：Wi-Fi感知可用于監(jiān)測老年人和殘疾人的健康和安全。例如，Wi-Fi感知可用于跟蹤老年人的活動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)檢測出異常行為（如跌倒）并報(bào)警。

④ 安防：Wi-Fi感知可用于家庭和公共空間的安全防護(hù)，如家中無人時(shí)，可以利用Wi-Fi感知對(duì)家庭區(qū)域進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到有人侵入時(shí)可報(bào)警。

⑤ 零售分析：Wi-Fi感知器可以為商店提供有關(guān)消費(fèi)者行為和偏好的數(shù)據(jù)。例如，可以用Wi-Fi感知來跟蹤購物者的移動(dòng)和活動(dòng)，并確定商店的哪些區(qū)域最受歡迎，這可以幫助零售商優(yōu)化運(yùn)營，改善顧客的購物體驗(yàn)。

在2022年中國移動(dòng)智慧家庭中心就基于Wi-Fi感知的能力推出了敬老寬帶服務(wù)，利用Wi-Fi智能感知產(chǎn)品和中國移動(dòng)寬帶組網(wǎng)產(chǎn)品的融合，形成了一套完整的居家安全寬帶網(wǎng)絡(luò)解決方案，能有效地探測家中老年人的活動(dòng)狀態(tài)，對(duì)老年人的長時(shí)間不活動(dòng)、生活習(xí)慣異常等情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，并能夠及時(shí)告知家人，保障獨(dú)居老人的安全。

Wi-Fi感知的優(yōu)勢

目前傳感手段眾多，Wi-Fi感知有著其獨(dú)特的好處。以上述敬老寬帶服務(wù)為例，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

①隱私保護(hù)：不同于攝像頭等光學(xué)傳感器利用圖像和視頻對(duì)人體活動(dòng)進(jìn)行探測的方式，Wi-Fi感知利用Wi-Fi設(shè)備間的信道狀態(tài)信息進(jìn)行感知，不采集圖像，不存在侵犯隱私的風(fēng)險(xiǎn)，因此可以用在一些比較敏感的場景，如浴室、臥室等。

② 成本較低：對(duì)于同樣具有隱私保護(hù)特性的毫米波雷達(dá)、紅外熱成像等人體活動(dòng)探測手段，都需要集成專用的探測器件，設(shè)備價(jià)格昂貴，一般都在千元左右；但Wi-Fi感知設(shè)備其利用兩個(gè)Wi-Fi設(shè)備間（一般為STA和AP）的信道狀態(tài)進(jìn)行感知，無需專用探測設(shè)備，成本更低，更有利于大規(guī)模部署。

Wi-Fi感知的挑戰(zhàn)

盡管Wi-Fi感知有很多好處，但要實(shí)現(xiàn)其全部潛力，還需要解決一些挑戰(zhàn)，主要包括：

①干擾：Wi-Fi感知信號(hào)會(huì)受到其他Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)以及其他電磁干擾源的干擾。這可能會(huì)影響Wi-Fi感知的準(zhǔn)確性和可靠性；

② 場景復(fù)雜性：不論是家庭還是公共區(qū)域，都是非常復(fù)雜的場景，其環(huán)境布置、人員活動(dòng)的類型、強(qiáng)度等都可能有較大的變化，所以如何能讓W(xué)i-Fi感知適用于大部分場景，也是需要努力的方向。

總體而言，雖然目前Wi-Fi感知需要克服一些挑戰(zhàn)，如干擾、復(fù)雜性等，但我們能看到在學(xué)術(shù)界越來越多的研究團(tuán)隊(duì)開始在Wi-Fi感知領(lǐng)域進(jìn)行研究，產(chǎn)業(yè)界各個(gè)廠商也開始為Wi-Fi感知開始布局，IEEE也將在2024年發(fā)布針對(duì)Wi-Fi感知的新標(biāo)準(zhǔn)。所以我們?nèi)匀豢梢韵嘈臰i-Fi感知是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，它很有可能改變?nèi)藗兣c環(huán)境互動(dòng)的方式。

參考文獻(xiàn)

[1] Tan S, Ren Y, Yang J, etal. Commodity WiFi Sensing in 10 Years: Status, Challenges, and Opportunities[J]. IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, 2022(3164569).

[2] Ma, Yongsen, Gang Zhou, and Shuangquan Wang. "WiFi sensing with channel state information: A survey." ACM Computing Surveys (CSUR) 52.3 (2019): 1-36.

作者：潘曉宇

單位：中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心

來源：移動(dòng)Labs