Smart Home Sensing via Wi-Fi

Wi-Fi是目前使用最普遍的无线通信技术之一。它使用简单、安装方便、经济实惠。其性能逐年持续提高。2020年美国家庭平均有11个联接设备，其中大部分使用Wi-Fi技术。随着技术的进步，Wi-Fi不仅是一种提供联接和网络服务的通信技术，也是一种传感技术，在智能家居和物联网应用中，实现了安全保障和家庭关怀服务。Wi-Fi传感技术支持运动检测、人类活动检测和识别、生命体征检测等多种功能和应用。

由于Wi-Fi广泛部署在家居和建筑物中，Wi-Fi传感是一种先天性的高性价比传感技术。现有的Wi-Fi路由器、网状节点和客户端设备之间的信号结点，形成了一个覆盖整个家居的Wi-Fi传感网络，可用于运动检测和人类活动检测等应用。不需要额外的传感器或网关来构建一个单独的、专门的传感网络。

与基于摄像头或红外（IR）的传感和监控解决方案不同，Wi-Fi传感具有多种优势。它可以在NLOS(非视线)条件下工作，并且支持更大的覆盖范围，具有更远的距离和更广的角度。此外，它还能保护用户的隐私，可以安装在浴室和卧室等私人区域。

Wi-Fi传感从设备之间用于数据通信的普通数据包和信号中收集信息。它既不需要额外或专门的信号，也不会降低网络性能或用户体验。

Wi-Fi工作在2.4 GHz、5 GHz、6 GHz和60 GHz频段。这三个频段的Wi-Fi信号的波长从4.2 cm（6 GHz频段）到12.4 cm（2.4 GHz频段）。这样的信号非常适合通过更复杂的天线、DSP（数字信号处理）、机器学习算法和技术，对人类进行运动检测、活动检测和识别，以及呼吸频率甚至心跳检测。

过去，Wi-Fi传感采用的是RSSI（接收信号强度指标）。 RSSI是无线环境中的相对接收信号强度，以任意单位表示。它通常以每个数据包为单位进行测量。在多输入多输出(MIMO)系统中，许多厂商只测量最强天线的RSSI。安森美半导体的QCS-AX / QSC-AX2产品可测量每根天线的RSSI值。RSSI是一个粗粒度的参数和一个低分辨率的功能。它在每个数据包中只有一个值。因此，在Wi-Fi传感方案中，RSSI正在被信道状态信息（CSI）所取代。

什么是CSI？

信道状态信息是信道频率响应（CFR）的采样版本。它是信道脉冲响应（CIR）的频域版本。在QCS-AX和QCS-AX2方案中，CSI可以通过多达8个天线的实时方法，为每个数据包捕获多达8个空间流和多达160 MHz的信道。下面的矩阵显示了一个4x4 MIMO（多输入多输出）接收器对来自1x1 SISO（单输入单输出）客户端的80 MHz信号进行CSI捕获的例子。当客户端支持MIMO并通过多个天线发送多个流时，矩阵就变成了三维的。

 

注：每行代表一个天线；每列代表一个子载波。80 MHz带宽共234个可用子载波，160 MHz共468个可用子载波

从上面可以很容易地观察到，CSI是一个非常细粒度和高分辨率的功能。它增加了频域和空间域的多样性。此外，每个CSI都有振幅和相位值，这比RSSI的信息量要大得多，而RSSI只是一个整数，代表每个数据包的信号强度。

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

还需要指出的是，时间序列CSI信息对所有Wi-Fi传感应用非常关键，从运动检测、活动检测和识别到生命检测等。安森美半导体的QCS-AX和QCS-AX2 Wi-Fi 6芯片组支持高达3毫秒间隔的实时CSI捕获。将CSI用于Wi-Fi传感可显著提高颗粒度、灵敏度、准确性和鲁棒性。

表1、QCS-AX和QCS-AX2方案所支持的CSI功能摘要

Wi-Fi运动检测

运动检测是使用基于CSI的Wi-Fi传感最有用的应用之一。基于Wi-Fi的运动检测方案在运营商和消费者领域被许多一线家庭Wi-Fi网关、路由器和网状网络厂商部署。在商业和工业应用中，它也有越来越大的吸引力。这些方案都提供了易于使用的运动检测功能和不同级别的定位能力。不同的厂商可能有不同的技术和算法来识别运动检测。由于其技术和业务重点不同，它们的用例也可能有所不同。安森美半导体与多家供应商合作，以应对不同的市场和应用。QCS-AX和QCS-AX2系列芯片组提供了这些厂商不同实现所需的所有功能。安森美半导体还与这些厂商密切合作，通过运营商、零售或工业渠道支持不同的用例和部署模式。

其中一个用例是通过Wi-Fi运动传感器实现的。就像部署传统的运动传感器一样，在家庭周围安装多个这样的传感器，并联接到现有的Wi-Fi网络设备，如路由器、网状节点和中继器。传感器和网络设备之间的联接和信号构成了运动检测的传感网络。Wi-Fi运动检测传感器从Wi-Fi网络设备接收到的Wi-Fi信号中捕获CSI数据，如果传感器之间支持内部网状结构，则从其他传感器中捕获CSI数据。在这种模式下，由于传感器的计算能力有限，CSI数据处理和Wi-Fi运动检测算法通常在云端完成。由于传感器也会消耗Wi-Fi网络的通话时间，在某些情况下可能会影响网络性能。

另一个用例是通过一些Wi-Fi运动检测方案提供商提供的Wi-Fi网状节点。网状节点之间的信号形成一个天然的网状传感网络。网状网络内的所有网络设备包括网关、路由器和中继器，都支持CSI捕获。CSI数据处理和运动检测算法通常在云端完成。在一些厂商的解决方案中，CSI数据的预处理可能会在Mesh节点内的边缘本地完成，以节省带宽，降低云端的CPU利用率，同时也提高检测延迟。这种模式有多种优势。一是网状节点从接收到的信号中捕获CSI数据，用于网状节点和客户端之间的正常通信，因此不需要额外的Wi-Fi通话时间或带宽来实现运动检测功能。此外，网状节点通常支持高阶MIMO，有利于运动检测的覆盖范围和鲁棒性。最后，每个网状节点上的软件还可以控制CSI数据捕获的发送和接收。因此，可以生成定制的数据包或信号，以产生更高分辨率的运动检测结果，并支持高精度的定位功能。在这种模式下，可能需要更多的网格节点来实现全屋传感覆盖。

图2、运动检测用例及通过网状节点（网络设备）进行部署

另一个使用情况是通过网状节点和任何现有的支持OFDM的Wi-Fi设备(不包括旧的只支持802.11b的设备，因为它们不支持正交频分复用)。除了前面网状节点模式中的所有优点外，这种模式的另一个相当大的优点是，所有现有的Wi-Fi客户端设备，如Wi-Fi摄像头、智能灯具和打印机等，都成为运动检测传感器。网状节点(网络设备)之间的信号与客户端设备和网状节点之间的信号一起构成了一个更加密集的传感网络。因此，传感网络的覆盖范围更加全面，往往能够提供全屋覆盖，而无需安装额外的网状节点或Wi-Fi设备。该模式的另一个优点是不需要更改软件或硬件即可使Wi-Fi客户端设备具有Wi-Fi运动检测传感器。在这种模式下，CSI数据仍然是在网状节点上捕获的。网状节点不仅捕获相关客户端设备的CSI数据，还可以嗅探模式捕获其他网络设备的CSI数据和仅与其他节点关联的Wi-Fi设备的CSI数据。

图3、通过网状节点(网络设备)和现有安装的客户端设备进行运动检测的用例和部署情况

安森美半导体一直与支持上述许多用例的多家供应商合作。QCS-AX和QCS-AX2 Wi-Fi 6方案支持这些模式所需的所有CSI捕获功能。请阅读我们的白皮书了解更多关于Wi-Fi传感如何工作的信息。也请关注我们的下一篇博客，了解使用基于Wi-Fi的传感方案进行人类活动检测和识别的情况。

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