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Wi-Fi传感——Wi-Fi的下一个重大应用

Taj Manku and Oleksiy Kravets, Cognitive Systems

当Wi-Fi能量在家庭中传播时，它会反射到物体上，在空间和物体中传播时会有所衰减。在静态环境中，这种能量分布是静止的，在Wi-Fi信号传输过程中不会发生变化。然而，当人在环境中移动时，能量分布的频谱会发生变化。图1说明了这一概念。在图中所示的家庭中，客户端设备的Wi-Fi能量辐射到空中，接入点（AP）可观察到由于人的移动而导致的Wi-Fi频谱变化。

图1 接入点Wi-Fi传感示意图。

什么是Wi-Fi传感，它是如何工作的？

Wi-Fi传感的原理是对Wi-Fi频谱中因人的移动而随时间变化的干扰进行测量和分类。测量这些干扰的传感机器学习软件通常包含在Wi-Fi AP中。Wi-Fi客户端以标准Wi-Fi通信数据帧的形式辐射电磁波进行感测。客户端以探测频率（sounding rate）将信号传回接入点，探测频率可以调整为较慢或较快。然而，探测频率的可调节范围是有限的。如果速率太慢，会错过一些运动，而速率太快则会影响Wi-Fi数据速率，因为AP内的传感软件会消耗更多的CPU。为实现良好的传感性能，最佳探测频率约为10赫兹或间隔100毫秒。更高的探测频率可以改善移动探测的延迟，但代价是降低Wi-Fi网络的数据通信性能，因此是不可取的。

图2 从客户端设备到AP的信号传播示例。

以Wi-Fi客户端向无线接入点发送探测数据包为例，部分辐射将通过墙壁反射到达接入点，如图2所示的蓝线；另一部分直接到达无线接入点，如图2所示的黄线。为简单起见，仅考虑频率ω处Wi-Fi频谱的一小部分，通常为单个正交频分复用（OFDM）子载波。AP接收到的频谱(S_AP)与时间的函数关系为：

其中：

a₁(t)=AP接收到的射线1的振幅

a₂(t)=AP接收到的射线2的振幅

Δt=射线2与射线1相比的时间延迟，因为射线2到达AP的时间更长。

t=时间。

S_AP也可表示为具有等式1所定义的幅度A(t)的复指数。当没有运动且所有物体都静止时，发送到AP的数据保持不变，因此从一个探测包到下一个探测包，ΔA=0。然而，如果有人在移动，ΔA就不会为零。a₁(t)和a₂(t)的变化源于人在环境中的移动，导致整体反射和吸收水平的变化。因此，可以通过观察ΔA来检测运动。Wi-Fi是一种宽带信号，但如果使用傅里叶级数将频谱分解成小的频率片，也可以应用相同的原理。利用更大的带宽可提高对个人移动所产生变化的灵敏度。值得注意的是，典型的Wi-Fi带宽为20MHz、40MHz、80MHz、160MHz。

假设带宽为20MHz，随着人的移动，频谱会发生变化。例如，初始频谱类似于图3a所示的迹线，但当有人移动时，频谱会转变为图3b所示的迹线。图3c显示了这两个轨迹之间的差异。此外，在Wi-Fi 5中，可以同时使用2.4GHz和5.8GHz。随着Wi-Fi 6的出现，还引入了6GHz频段，进一步提高了灵敏度。要过滤掉不代表人的运动的环境现象，如吊扇、Wi-Fi干扰和宠物，就需要了解ΔA中出现的模式，以便能够相应地去除它们。使用多个客户端设备探测AP就形成Wi-Fi传感网络，通过三角测量实现运动定位。例如，如果一个人走近Wi-Fi智能音箱，其就会被定位到Wi-Fi智能音箱所在的位置。

图3 (a) A_ω(t) vs. ω at time t, (b) A_ω(t+Δt) vs. ω at time t+Δt, (c) ΔA_ω vs. ω。

自2019年底以来，802.11小组一直在讨论增强Wi-Fi传感的功能。一个负责定义802.11标准修正案的工作组于2020年底成立，并于2023年初完成了初稿。这些动议标准将与Wi-Fi 6和Wi-Fi 7标准保持一致。该修正案定义了有利于AP和客户端传感应用的组件。然而，由于Wi-Fi的主要用途是通信，传感应用将需要共享相同的频谱。这一约束将限制最高探测频率。

将毫米波集成到标准中将需要采用其他的运动检测技术。这些技术可能类似于标准雷达系统中使用的技术。这些技术具有高效检测和跟踪运动的能力。

Wi-Fi传感的应用

由于Wi-Fi传感可检测运动并定位运动源，因此其明显的应用领域是家庭安防。Wi-Fi传感可能是最高效的家庭安防解决方案，因为它可以通过无线软件更新提供给客户的Wi-Fi AP。一旦在AP上安装了Wi-Fi传感软件，它就会将客户的Wi-Fi连接设备变成运动传感器。这将形成一个运动传感网络，将运动源定位到最近的设备位置。由于不依赖于单一数据点，因此误检的发生率降到了最低。相反，该系统的设计目的是在运动源穿过家中不同设备时对其进行跟踪。

除了家庭安全之外，Wi-Fi传感还能让您了解家中发生的事情。例如，它可以知道您的孩子何时放学回家，或者当您度假时遛狗人何时到家。有了Wi-Fi传感技术，自然就有了一定程度的隐私保护，因为与摄像头相比，收集到的背景信息更少。摄像头捕捉的背景信息较多，可能会造成干扰，而Wi-Fi传感仅关注运动，干扰较少，提供的细节也较少。

Wi-Fi传感技术还为老年护理市场带来了巨大商机，随着越来越多的老年人选择独立养老而不是住进养老院，老年护理市场也在不断增长。全球65岁及以上人口超过6.5亿，据广泛报道，市场价值超过800亿美元。这项技术可以帮助家庭监护他们的亲人，提供以下有价值的信息：

•       活动水平

•       睡眠模式

•       夜醒次数

•       生命活动

•       模式分析。

Wi-Fi传感的其他应用，如能源管理和家庭自动化，依赖于检测是否存在运动。Wi-Fi传感网络可用于调节供暖或制冷系统，或根据需要开关照明等设备。

Wi-Fi传感的部署

随着配备Wi-Fi的家庭数量不断攀升，宽带用户对网络速度的要求也越来越高。他们追求更高的可访问性、成本节约和价值提升。通信只是Wi-Fi的第一个用途，现在Wi-Fi传感为互联网服务提供商（ISP）提供了创新的运动检测系统，为各种应用提供了便利、隐私保护和安心。截至目前，已有超过800万个家庭安装了Wi-Fi传感系统，多达3000万个Wi-Fi客户端可成为移动传感器。随着这一部署的成功，支持Wi-Fi传感的设备数量正在迅速增加。有了Wi-Fi传感技术，消费者可以获得标准互联网连接以外的实实在在的好处。一旦集成到ISP的AP中，Wi-Fi传感将为未来的服务和向新的垂直领域扩展打开大门。

Cognitive Systems公司的Wi-Fi传感解决方案WiFi Motion™是互联网服务提供商利用现有基础设施进入新市场的低风险方式，如家庭安防、老年人护理、能源管理、网络健康管理等。作为纯软件解决方案，WiFi Motion在部署时不需要任何额外的硬件，互联网服务提供商可以在不增加额外费用的情况下不断推出基于运动的新服务。因此，WiFi Motion具有很强的可扩展性，使其成为全球互联网服务提供商具有吸引力的长期战略路线图的优先事项。随着Wi-Fi技术的改进、标准的发展和Wi-Fi传感市场的扩大，WiFi Motion将成为未来家庭的标准功能。