基于CSI的室内监控系统(2)

2019-08-30 21:50

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源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。这对硬件的要求也很高。

1.2.3超声波室内监控

此原理是人体的移动会干扰到超声波的传递,通过此原理可以设置超声波报警器,精密的探测是否有入侵者移动干扰到超声波的传递,但这种探测很可能产生误报,同时也受到硬件的限制,有一定的局限性。

1.3无线感知研究现状

这种检测方法通过接受带有环境信息的无线电波,对无线电波进行分析,看其携带的信息是否有异常,即和指纹数据库中存储的无线电波状态进行比对,发现有相似的即认为有入侵者进入到无线电波覆盖范围内的空间中,我们这里对指纹数据库的建立是采集各个室内各个空间内有人时的无线电波状态量。采用这种方式便不易造成误判,应为小动物或风吹草动造成多路叠加的无线电波状态量就不易和指纹数据库中的采集因人造成多路叠加的无线电波的状态量进行匹配,而且通过这种方式进行检测,所需的硬件配置便是大多数家庭中就有的wifi路由器和带有无线网卡的电脑,这种室内监控系统便可以在普通家庭中普及开来,局限性很小。

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要实现此检测技术,我们首先要面对的是如何处理这些带有环境信息的无线电波,也就是如何对无线电波进行分析,在这里我们找到了两种具有代表性的方法,即RSSI和CSI。

1.3.1 RSSI

RSSI即Received Signal Strength Indication,也就是接收的信号强度指示,这种方法是通过对接受到无线电波的强弱对无线电波在传播过程中所遇到的各种环境因素进行解析的方法。

用接收信号强度推断接收机与发射机的距离或表征接收机的位置特点是传统无线感知采用的重要方法之一。举个例子,如果手机接收到的Wi-Fi 信号较弱,可能是由于手机距离无线路由器较远;而如果手机接收到的Wi-Fi 信号强度骤降,很可能是因为手机进入了某些特定的封闭空间如电梯等。而RSSI是利用接收信号强度进行无线室内定位的具有代表性的方法之一,在本文中,我们仅对其分析无线电波的方法进行叙述和利用。

为了获取信号的特征,在RSSI的具体实现中做了如下处理:在104us内进行基带IQ功率积分得到RSSI的瞬时值,即RSSI(瞬时)=sum(I^2+Q^2);然后在约1秒内对8192个RSSI的瞬时值进行平均得到RSSI的平均值,即RSSI(平均)=sum(RSSI(瞬时))/8192,同时给出1秒内RSSI瞬时值的最大值和RSSI瞬时值大于某一门限时的比率(RSSI瞬时值大于某一门限的个数/8192)。

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RSSI的缺点就是它在室内只能分析多路径叠加后的信号,而不能逐一区分多条信号的传播路径,因而在室内,RSSI可能会因为采集到多路叠加的信号后信号强度变强,而不是因为距离变近使得信号变强,这样一来碰到多路叠加的信号,RSSI可能不会随着传播距离的增加而减小,反而还可能增大,这种情况对RSSI的精度造成了很大的局限性,在很多情况下很可能造成误判。

1.3.2 CSI

CSI即Channel State Information,也就是信道状态信息,它是正交频分复用(OFDM)下的子载波,在每个子载波上均有不同的幅度和相位信息,因此可以利用CSI提供不同子载波详细的幅度和相位信息。

之前讲过,RSSI分析无线电波精确度不高是因为RSSI不能逐一区分多条信号传播路径,使得多条信号叠加对RSSI反应的正确结果产生影响,要想得到对多路叠加信号的精确分析,我们可以采用信道冲击响应(Channel Impulse Response, CIR)建模,在线性时不变的假设下,CIR 可表示为:

n

h τ = ???????????????(???????)

i=1

其中????,????和????分别为第i条路径的幅度衰减、相位偏移和时间延迟,N 为传播路径总数,δ为狄克拉脉冲函数。式中的每

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一项从时域上表示了一条传播路径的幅度、相位和时延。由于多径传播在频域上表现为频率选择性衰落,因而也可通过信道频率响应(Channel Frequency Response, CFR) 刻画多径传播。CFR 包括幅频响应和相频响应。在无限带宽的条件下,CFR 和CIR 互为傅里叶变换。

因此对多路叠加的信号进行精确的分析便是要求我们精确的将CFR测量到,但CFR是一个连续的值,要将其精确的测量到难度较大,所以我们的测量只能是尽可能多的采集Wi-Fi 带宽内的CFR 的K个离散采样值,而这时我们就能用到CSI,利用现成的网卡以及微调过的驱动程序,可以以CSI的形式输出WiFi带宽范围内CFR的一个采样版本

H=[H ??1 ,H ??2 ,…,H ???? ,…,H ???? ]Ti∈[0,30];

每个CSI刻画了一个子载波的幅度和相位信息

H ???? = ?? ???? ????sin|∠ H ???? |

其中,H ???? 为中心频率????的子载波的CSI, ∠ H ???? 代表相位,CSI在幅度和相位上刻画了无线链路更细粒度的时间和频谱结构。 相较于RSSI而言,CSI的优点便很明确,CSI从一定程度上刻画了多路径传播,一方面,CSI 可以同时测量多个子载波的频率响应,而非全部子载波叠加的总体幅度响应,从而更加精细地刻画频率选择性信道。另一方面,CSI 既可测量每个子载波的幅度,还可测量每个子载波的相位信息。CSI 将单值的RSSI 扩展至频域,并且附加了相位信息,从频域上为无线感知提供了更

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为丰富、细粒度的信道状态信息。因此我们可以认为CSI是RSSI的升级版。

1.4本文主要工作

无线感知的核心目标是根据信道状态信息(幅度,相位)对目标空间的无线环境状态及其瞬时变化展开环境感知度量并据此进行人体的识别,可以识别出室内是否有人。

根据上述对RSSI和CSI的介绍和性能分析,相对于精确性差的RSSI来说,CSI不仅有较高的精确度,还可以从幅度和相位两方面更加细致的反应信道状态信息,从而可以提升对环境的感知能力,因此我们毫无疑问地选择CSI作为分析无线电波的方法。

围绕这个目标,本文分为两部分:第一部分基于信道状态信息的无线动作感知指纹库;第二部分是以无线感知为核心的人体匹配算法。

第二章指纹数据库建立

上文我们可以通过CSI做到对接收到的无线电波的状态量进行刻画,得到接收的无线电波状态量之后,我们并不能知道在这个状态量下是否有入侵者在室内移动,这个状态量只是对当前环境的一种表征,具体这是怎样一种环境,我们并不能从状态量上直接看出,状态量只是较为唯一的表示当前环境状态的量,我们要做的只是将我们自己所观察到的环境同目前采集到的状态

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