[发明专利]一种基于WiFi信号的微小行为感知方法

说明书

本发明涉及一种利用WiFi对微小行为进行检测的方法。本发明涉及到的微小行为指的是变化幅度低于10cm的行为。对微小行为的检测包括以下步骤，(1)微小行为建模：对菲涅尔区传播理论进行研究，在菲涅尔区理论的基础上建立微小行为模型；(2)数据预处理：先读取CSI数据，提取CSI矩阵。后进行预处理，得到规律的微小行为信号；(3)子载波选择：由于频率的差异，不同子载波对微小行为变化的敏感度不同，不同子载波会存在振幅上的差异，计算出每个子载波的方差，用方差来量化子载波振幅大小(4)微小行为的估计：通过以上步骤对CSI数据进行滤波并选择出对微小运动敏感的子载波后，可得到较为规律的微小行为波形，可通过该波形对微小行为进行估计。

技术领域

本发明属于WiFi检测领域,具体涉及—种通过WiFi数据建立模型实现对微小行为进行感知的方法。

背景技术

WLAN基础技术：在IEEE802.11常见技术标准协议中，主要的工作频段为 2.4GHz和5GHz。2.4GHz中心频率被划分为14个频段，当无线电磁波波动较大时，接收 器可以找到波动位置并通过相关处理可以得初始信号。5GHz信号能量大且穿透能力 强，由于频段频率较高，在传播过程中能量损失较多。因此，本项基于WiFi信号 感知的研究，采用5GHz频段进行信号采集。WLAN是我们常用的数据传输系统，在 802.11n标准协议中使用正交频分复用技术及多输入输出技术，这正是WLAN的 关键技术，与MAC层和PHY层结合可以使无线通信质量提高。正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)，相对于单载波而言，是 一种多载波传输系统。可以有效的克服码间串扰等问题。经过OFDM的信号转换及调 制，通过快速傅里叶变换进行时域到频域的转化，得到CSI信号。研究OFDM技术可 以减小带宽内干扰，增加对环境的敏感度，对研究CSI信号具有重要意义。多输入多 输出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)原理是使用多根发射天线与接收天线来实 现达到扩容的需求。MIMO技术能够提高信道的传输速率和可靠性，在通信容量与 覆盖范围方面都具有优势。使用多根天线传输数据，可以在不增加额外传输功 率的条件下使得信道容量增加，从而降低了处理的复杂度。

在早期的基于WiFi信号的人体微小行为监测方法中，一般使用接收信号强度 RSS来进行特征提取。RSS是对WiFi物理信号进行直接采样，得到未经解调信号的原 始信息，如幅度、相位等。发射信号沿着多路径传播到接收机，RSS是不同路径分量 的叠加，表示接收机的接收功率(dB)：

RSS＝log₂(‖V‖²)

其中，V表示通过多径分量的相位与振幅得到的信号电压。信号强度在一般情况下为负值，会受到遮挡、多径效应和路径衰落三个因素的影响，其中多径效应引 起的空间和时间的变化，会大大限制了RSS的感知能力。即使在固定路径上 检测，信号强度也会有很大的波动，不能完成如人体微小行为特征监测这种细粒 度的感知任务。RSS信息可应用与室内定位、侦测目标对象移动等领域。而信道状态 信息CSI属于物理层，相比于RSS是一种更细粒度、敏感度更高的无线信道技术，在 每个子载波上描述从发送端到接收端的传播方式。CSI采用OFDM技术，可以减 弱多径效应、提高传输效率。每条天线上都有相应CSI值与每一个子载波对应， 细粒度CSI可以为多个OFDM子载波提供相位和振幅信息，不同子载波对环境变化的 感知具有不同敏感度。例如，发射端具有R根天线，接收端具有T根天线，子载波个 数为M，每个数据采集包可以解析出R×T×M的CSI矩阵，该矩阵表示了当前传输路 径的完整信道状态信息。CSI可以表示出传输过程中产生的时延、相位偏移及幅度衰 弱等变化。假设发送端信号为x，接收端信号为y，那么有

y＝Hx+n

其中n为噪声向量，H为信道矩阵，噪声可以表示为n～cN(0,S)，则可以估计出信道状态信息(CSI)是对H信道矩阵的估计。对于一个子载波，CSI的形式如 下：

h＝he^jsinθ