WiFi傳感技術(shù)的信道狀態(tài)信息

Wi-Fi是目前使用最普遍的無線通信技術(shù)之一。它使用簡單、安裝方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。其性能逐年持續(xù)提高。2020年美國家庭平均有11個(gè)聯(lián)接設(shè)備，其中大部分使用Wi-Fi技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，Wi-Fi不僅是一種提供聯(lián)接和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通信技術(shù)，也是一種傳感技術(shù)，在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了安全保障和家庭關(guān)懷服務(wù)。Wi-Fi傳感技術(shù)支持運(yùn)動檢測、人類活動檢測和識別、生命體征檢測等多種功能和應(yīng)用。

由于Wi-Fi廣泛部署在家居和建筑物中，Wi-Fi傳感是一種先天性的高性價(jià)比傳感技術(shù)?，F(xiàn)有的Wi-Fi路由器、網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)和客戶端設(shè)備之間的信號結(jié)點(diǎn)，形成了一個(gè)覆蓋整個(gè)家居的Wi-Fi傳感網(wǎng)絡(luò)，可用于運(yùn)動檢測和人類活動檢測等應(yīng)用。不需要額外的傳感器或網(wǎng)關(guān)來構(gòu)建一個(gè)單獨(dú)的、專門的傳感網(wǎng)絡(luò)。

與基于攝像頭或紅外（IR）的傳感和監(jiān)控解決方案不同，Wi-Fi傳感具有多種優(yōu)勢。它可以在NLOS（非視線）條件下工作，并且支持更大的覆蓋范圍，具有更遠(yuǎn)的距離和更廣的角度。此外，它還能保護(hù)用戶的隱私，可以安裝在浴室和臥室等私人區(qū)域。

Wi-Fi傳感從設(shè)備之間用于數(shù)據(jù)通信的普通數(shù)據(jù)包和信號中收集信息。它既不需要額外或?qū)ｉT的信號，也不會降低網(wǎng)絡(luò)性能或用戶體驗(yàn)。

Wi-Fi工作在2.4 GHz、5 GHz、6 GHz和60 GHz頻段。這三個(gè)頻段的Wi-Fi信號的波長從4.2 cm（6 GHz頻段）到12.4 cm（2.4 GHz頻段）。這樣的信號非常適合通過更復(fù)雜的天線、DSP（數(shù)字信號處理）、機(jī)器學(xué)習(xí)算法和技術(shù)，對人類進(jìn)行運(yùn)動檢測、活動檢測和識別，以及呼吸頻率甚至心跳檢測。

過去，Wi-Fi傳感采用的是RSSI（接收信號強(qiáng)度指標(biāo)）。 RSSI是無線環(huán)境中的相對接收信號強(qiáng)度，以任意單位表示。它通常以每個(gè)數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行測量。在多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)中，許多廠商只測量最強(qiáng)天線的RSSI。安森美半導(dǎo)體的QCS-AX / QSC-AX2產(chǎn)品可測量每根天線的RSSI值。RSSI是一個(gè)粗粒度的參數(shù)和一個(gè)低分辨率的功能。它在每個(gè)數(shù)據(jù)包中只有一個(gè)值。因此，在Wi-Fi傳感方案中，RSSI正在被信道狀態(tài)信息（CSI）所取代。

什么是CSI？

信道狀態(tài)信息是信道頻率響應(yīng)（CFR）的采樣版本。它是信道脈沖響應(yīng)（CIR）的頻域版本。在QCS-AX和QCS-AX2方案中，CSI可以通過多達(dá)8個(gè)天線的實(shí)時(shí)方法，為每個(gè)數(shù)據(jù)包捕獲多達(dá)8個(gè)空間流和多達(dá)160 MHz的信道。下面的矩陣顯示了一個(gè)4x4 MIMO（多輸入多輸出）接收器對來自1x1 SISO（單輸入單輸出）客戶端的80 MHz信號進(jìn)行CSI捕獲的例子。當(dāng)客戶端支持MIMO并通過多個(gè)天線發(fā)送多個(gè)流時(shí)，矩陣就變成了三維的。

注：每行代表一個(gè)天線；每列代表一個(gè)子載波。80 MHz帶寬共234個(gè)可用子載波，160 MHz共468個(gè)可用子載波

從上面可以很容易地觀察到，CSI是一個(gè)非常細(xì)粒度和高分辨率的功能。它增加了頻域和空間域的多樣性。此外，每個(gè)CSI都有振幅和相位值，這比RSSI的信息量要大得多，而RSSI只是一個(gè)整數(shù)，代表每個(gè)數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度。

Figure 1， Example of CSI amplitude and phase of a packet from a 20MHz client

還需要指出的是，時(shí)間序列CSI信息對所有Wi-Fi傳感應(yīng)用非常關(guān)鍵，從運(yùn)動檢測、活動檢測和識別到生命檢測等。安森美半導(dǎo)體的QCS-AX和QCS-AX2 Wi-Fi 6芯片組支持高達(dá)3毫秒間隔的實(shí)時(shí)CSI捕獲。將CSI用于Wi-Fi傳感可顯著提高顆粒度、靈敏度、準(zhǔn)確性和魯棒性。

表1、QCS-AX和QCS-AX2方案所支持的CSI功能摘要

Wi-Fi運(yùn)動檢測

運(yùn)動檢測是使用基于CSI的Wi-Fi傳感最有用的應(yīng)用之一。基于Wi-Fi的運(yùn)動檢測方案在運(yùn)營商和消費(fèi)者領(lǐng)域被許多一線家庭Wi-Fi網(wǎng)關(guān)、路由器和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)廠商部署。在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中，它也有越來越大的吸引力。這些方案都提供了易于使用的運(yùn)動檢測功能和不同級別的定位能力。不同的廠商可能有不同的技術(shù)和算法來識別運(yùn)動檢測。由于其技術(shù)和業(yè)務(wù)重點(diǎn)不同，它們的用例也可能有所不同。安森美半導(dǎo)體與多家供應(yīng)商合作，以應(yīng)對不同的市場和應(yīng)用。QCS-AX和QCS-AX2系列芯片組提供了這些廠商不同實(shí)現(xiàn)所需的所有功能。安森美半導(dǎo)體還與這些廠商密切合作，通過運(yùn)營商、零售或工業(yè)渠道支持不同的用例和部署模式。

其中一個(gè)用例是通過Wi-Fi運(yùn)動傳感器實(shí)現(xiàn)的。就像部署傳統(tǒng)的運(yùn)動傳感器一樣，在家庭周圍安裝多個(gè)這樣的傳感器，并聯(lián)接到現(xiàn)有的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如路由器、網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)和中繼器。傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的聯(lián)接和信號構(gòu)成了運(yùn)動檢測的傳感網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi運(yùn)動檢測傳感器從Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收到的Wi-Fi信號中捕獲CSI數(shù)據(jù)，如果傳感器之間支持內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則從其他傳感器中捕獲CSI數(shù)據(jù)。在這種模式下，由于傳感器的計(jì)算能力有限，CSI數(shù)據(jù)處理和Wi-Fi運(yùn)動檢測算法通常在云端完成。由于傳感器也會消耗Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的通話時(shí)間，在某些情況下可能會影響網(wǎng)絡(luò)性能。

另一個(gè)用例是通過一些Wi-Fi運(yùn)動檢測方案提供商提供的Wi-Fi網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)之間的信號形成一個(gè)天然的網(wǎng)狀傳感網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括網(wǎng)關(guān)、路由器和中繼器，都支持CSI捕獲。CSI數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動檢測算法通常在云端完成。在一些廠商的解決方案中，CSI數(shù)據(jù)的預(yù)處理可能會在Mesh節(jié)點(diǎn)內(nèi)的邊緣本地完成，以節(jié)省帶寬，降低云端的CPU利用率，同時(shí)也提高檢測延遲。這種模式有多種優(yōu)勢。一是網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)從接收到的信號中捕獲CSI數(shù)據(jù)，用于網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)和客戶端之間的正常通信，因此不需要額外的Wi-Fi通話時(shí)間或帶寬來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動檢測功能。此外，網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)通常支持高階MIMO，有利于運(yùn)動檢測的覆蓋范圍和魯棒性。最后，每個(gè)網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)上的軟件還可以控制CSI數(shù)據(jù)捕獲的發(fā)送和接收。因此，可以生成定制的數(shù)據(jù)包或信號，以產(chǎn)生更高分辨率的運(yùn)動檢測結(jié)果，并支持高精度的定位功能。在這種模式下，可能需要更多的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)全屋傳感覆蓋。

圖2、運(yùn)動檢測用例及通過網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）進(jìn)行部署

另一個(gè)使用情況是通過網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)和任何現(xiàn)有的支持OFDM的Wi-Fi設(shè)備（不包括舊的只支持802.11b的設(shè)備，因?yàn)樗鼈儾恢С终活l分復(fù)用）。除了前面網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)模式中的所有優(yōu)點(diǎn)外，這種模式的另一個(gè)相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)是，所有現(xiàn)有的Wi-Fi客戶端設(shè)備，如Wi-Fi攝像頭、智能燈具和打印機(jī)等，都成為運(yùn)動檢測傳感器。網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）之間的信號與客戶端設(shè)備和網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)之間的信號一起構(gòu)成了一個(gè)更加密集的傳感網(wǎng)絡(luò)。因此，傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍更加全面，往往能夠提供全屋覆蓋，而無需安裝額外的網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)或Wi-Fi設(shè)備。該模式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要更改軟件或硬件即可使Wi-Fi客戶端設(shè)備具有Wi-Fi運(yùn)動檢測傳感器。在這種模式下，CSI數(shù)據(jù)仍然是在網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)上捕獲的。網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)不僅捕獲相關(guān)客戶端設(shè)備的CSI數(shù)據(jù)，還可以嗅探模式捕獲其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的CSI數(shù)據(jù)和僅與其他節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的Wi-Fi設(shè)備的CSI數(shù)據(jù)。

圖3、通過網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）和現(xiàn)有安裝的客戶端設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動檢測的用例和部署情況

安森美半導(dǎo)體一直與支持上述許多用例的多家供應(yīng)商合作。QCS-AX和QCS-AX2 Wi-Fi 6方案支持這些模式所需的所有CSI捕獲功能。請閱讀我們的白皮書了解更多關(guān)于Wi-Fi傳感如何工作的信息。也請關(guān)注我們的下一篇博客，了解使用基于Wi-Fi的傳感方案進(jìn)行人類活動檢測和識別的情況。

審核編輯：郭婷