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室内无线感知简介


无线电信号不仅可用于传输数据,还可以用来感知环境。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的多径叠加信号携带反映环境特征的信息。将无线电用于环境感知并不新奇。典型的应用包括用于探测空间中飞行器的雷达系统和基于UWB的室内雷达系统。相对于专用雷达信号甚至UWB信号,WiFi在普适性上具有巨大优势,但是WiFi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。亟需研发基于WiFi的环境感知理论与技术,在普通商用WiFi设备上实现高精度的环境感知。WiFi和雷达都不是新鲜事物,但二者结合在一起还是首次,在移动计算领域碰撞出创新的火花。

WiFi环境感知技术应用广泛。在涉密区域监控、灾难应急响应、重要物品保护等安全攸关应用中,需要及时发现未携带任何无线通信设备的人员(工作人员或入侵者)在敏感区域的出现和活动。除了安全保卫方面,被动式人员检测还可广泛应用于各种普适计算的应用中,提供更好的基于用户位置的服务。例如,博物馆中参观者接近某个展品时自动播放展品说明,超市统计近期最受关注的商品,或者电梯及车厢中统计乘客数量等。除此之外,WiFi环境感知技术还可应用于检测人体姿势、手势、呼吸等细粒度的姿态或者微小的运动。

自2010年开始,本研究方向获得包括MIT、University of Washington、Stanford University、Duke University、香港科技大学、西安交通大学、清华大学等国内外学术界的关注,在ACM SIGCOMM、ACM MobiCom、IEEE INFOCOM、IEEE ICNP、IEEE Trans. on Mobile Computing、IEEE Trans on Parallel and Distributed Systems等计算机网络和移动计算领域著名学术会议和期刊上发表了多篇论文,奠定了初步基础。详情请见《WiFi雷达:从RSSI到CSI》(发表于《中国计算机学会通讯》2014年11月刊)。

室内定位

WiFi信道状态信息可替代RSSI,并克服RSSI粒度粗和时间稳定性差的缺点。将其用于传统的基于模型或者指纹的定位方法,可获得更精确的测距结果和更丰富的指纹信息,并将定位精度推进到亚米级。

视距路径识别

发射机与接收机之间是否存在信号视距传播路径,对通信质量有着显著影响。利用信号幅度和相位两方面的信息在普通WiFi设备上实现基于信道响应的视距路径识别,识别正确率可超过90%。

人员感知

在被动式人员发现中,人员可以不携带任何电子设备,无线感知系统通过分析人员对环境中WiFi信号的影响检测人员是否出现、确定人员位置及识别不同的用户行为。

动作识别

WiFi信道状态信息具有一定程度的多径分辨能力,能够察觉视距或非视距路径上信号的微弱波动,可提高感知灵敏度,扩大感知区域,增强感知可靠性,实现人体动作、手势、甚至呼吸等微小运动的识别。

视频展示


Widance,CHI'17,人体活动识别
WiFiRadar,基于信道状态信息的无线感知平台
PADS,ICPADS'14,室内人员检测
WiDar & WiDar2.0,MobiHoc'17 & MobiSys'18,被动式室内定位

系统平台及数据


综合实验平台

  • “WiFi雷达”实验平台包括微型工控机、TNS-CSI Tool、Visual CSI软件等。如有需要,我们将在微型工控机上预安装TNS-CSI Tool、Visual CSI等用于CSI实验的软件,并适当设定硬件配置,方便使用者快速进行CSI相关实验。“WiFi雷达”可用于大专院校的教学和科研工作,使用学校包括清华大学、南京邮电大学、哈尔滨工程大学等。
  • (1) 微型工控机:体积小,易于移动,方便在各种场景下进行CSI实验。
  • (2) TNS-CSI Tool:获取WiFi信道状态信息。
  • (3) Visual CSI:实时显示无线信道状态信息(振幅与相位),并能同步存储观测数据,方便使用者观察和分析环境变化对信道状态的影响。

了解更多

实时监测系统

  • WiSH(Wireless Sensing of Human Detection)是一款基于Linux 802.11n CSI Tool”实现的实时监测系统。它可以全天无间断的运行在小结点上。监测到的环境数据可以通过网页进行远程查看。
  • WiSH利用了CSI时域和频域的自相关系数这些简单却有效的特性对移动物体进行判断,算法具有轻量、运算速度快等优点。为了降低不确定的环境干扰引起的误报,WiSH采用了一个鲁棒性良好的事件过滤器对干扰事件进行过滤排除。

实验数据样例

  • 本站提供部分实验项目(如WiDar、WiDar2.0等)的数据样例,供研究者参考使用。数据样例均通过WiSH采集得到。

WiDar数据下载 WiDar2.0数据下载

成果展示


多所高校及研究院所采用

西安电子科技大学,天津大学,南京邮电大学,解放军理工大学等

10余篇高水平论文

ACM CHI, IEEE INFOCOM等会议及IEEE JSAC, IEEE TWC等期刊

2 最佳论文(提名)奖

ACM CHI 2017最佳论文提名奖,IEEE ICPADS最佳论文提名奖

论文发表


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