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使用wi-fi感知连续行为动作的跨域身份认证

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计算机科学 2023年第10期50卷 299-307页

作者：孔浩俞嘉地上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

目前,面向智能物联网场景的用户身份认证方法正蓬勃发展。一些工作利用室内环境中广泛存在的wi-fi信号感知用户的行为动作,并提取用户行为动作中蕴含的个体行为的独特性来实现用户身份认证。然而,用户必须在已知域背景(环境、位置、方向... 详细信息

目前,面向智能物联网场景的用户身份认证方法正蓬勃发展。一些工作利用室内环境中广泛存在的wi-fi信号感知用户的行为动作,并提取用户行为动作中蕴含的个体行为的独特性来实现用户身份认证。然而,用户必须在已知域背景(环境、位置、方向)下执行独立的行为动作,系统才能有效地进行身份认证。为突破现有方法的限制,提出了使用wi-fi信号感知人体连续行为动作的跨域身份认证系统CroAuth,其能够在用户执行连续行为动作时实现跨环境、位置、方向的用户身份认证。为突破执行独立行为动作的限制,提出了基于动态时间规整的连续行为动作分离算法,在用户多样化的连续行为中分离出特定的行为动作序列,以实现有效的行为信息提取。之后,提出了基于孪生神经网络的跨域身份认证方法,提取域无关的个体行为特征,并进一步利用知识蒸馏方法构建小样本学习的跨域身份认证模型,以实现在不同环境、位置和方向下的用户身份认证。实验结果表明,CroAuth能够在用户执行多样化的连续行为动作时,在跨环境、位置、方向的场景下对用户身份进行认证。

关键词： wi-fi感知身份认证连续行为跨域场景孪生神经网络小样本学习

基于wi-fi的射频综合感知平台设计与实现

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基于Wi-Fi的射频综合感知平台设计与实现

作者：任新承西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息化时代的到来,信息技术给人们的生活带来了极大的便利。同时由于无线技术的高速发展以及无线设备的广泛部署,使得基于wi-fi的无线感知技术受到了人们的关注。由于wi-fi感知技术相比于传统的感知技术有着低成本、非接触式、不受... 详细信息

随着信息化时代的到来,信息技术给人们的生活带来了极大的便利。同时由于无线技术的高速发展以及无线设备的广泛部署,使得基于wi-fi的无线感知技术受到了人们的关注。由于wi-fi感知技术相比于传统的感知技术有着低成本、非接触式、不受光照影响、隐私性好等诸多优点,因此成为了新型的研究方向。室内定位技术长久以来都是学术界和工业界的研究热点,具有着重要的研究价值,而wi-fi信号作为一种重要的定位源,也收到了人们的关注。早期的wi-fi感知技术主要是从接收信号的强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)而发展的,但是受限于RSSI本身的粗粒度以及信号波动的不确定性,使得早期wi-fi感知技术的精度和应用场景都十分有限,限制了无线感知技术的发展。直到信道状态信息(Channel State Information,CSI)首次在商用网卡上获得,CSI凭借着其对信号多径传播的刻画能力以及可以反映在子载波尺度上的细粒度信号幅度和相位信息,极大地推动了wi-fi感知技术的发展。CSI提取工具的出现对wi-fi感知技术的研究有着重要的推进作用,从最初仅能从一种型号的网卡上获取CSI,到支持多种网卡,甚至支持若干手机所搭载的网卡,CSI提取工具同样在不断发展。但是现有的CSI提取工具都存在着不足之处,例如一种工具仅支持一种网卡设备,工具功能匮乏以及灵活性欠佳等。这影响了wi-fi感知技术的研究,例如不能对多种类型的网卡设备进行测量,以及不能同时对多个网卡并发进行测量,也不能使用除了CSI提取工具提供的功能,极大限制了研究者们的研究范围。在本文中,设计实现了一个支持多种网卡,支持并发测量且有较强扩展性的wifi感知系统平台,用以解决目前CSI提取工具所存在的问题。在本文中设计实现了将常用的商用网卡作为测量设备的wi-fi射频综合感知平台,可以通过在接收端中解析并获取所有子载波的CSI信息并用于后续处理。在系统实现中对多种网卡底层驱动进行了修改,使其支持了多种类型的网卡设备,在中间平台层设计实现了控制底层硬件以及驱动的功能,并将用户使用接口暴露给了上层插件,在上层插件中通过调用中间平台的接口来实现了最终用户测量的功能,上层插件与底层无关,因此用户可以根据中间平台暴露的接口来对特定的功能进行实现。在wi-fi感知平台中,可以对多种类型的网卡进行信号收发控制,且可以支持多个网卡并发进行测量,用户也可以通过开发定制插件来满足自身的需求。在系统设计完成之后,针对wi-fi感知平台的各项功能进行了测试,测试结果验证了wi-fi感知平台的有效性和稳定性。该系统可以作为wi-fi感知领域中的新型CSI提取工具进行使用,以弥补现有CSI提取工具所具有的若干缺点,具有深远的现实意义。

关键词：室内定位 wi-fi感知信道状态信息 CSI工具

面向wi-fi感知的异构802.11协议软件基带研究与实现

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面向Wi-Fi感知的异构802.11协议软件基带研究与实现

作者：吕东涛西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着wi-fi在我们日常生活中不断普及,wi-fi感知技术在无线传感领域引起了人们的普遍关注,相较于其他感知技术,wi-fi感知具有成本低、覆盖全面、非接触式等诸多优点。并且随着IEEE 802.11协议的不断完善,位于物理层的信道状态信息(Channe... 详细信息

随着wi-fi在我们日常生活中不断普及,wi-fi感知技术在无线传感领域引起了人们的普遍关注,相较于其他感知技术,wi-fi感知具有成本低、覆盖全面、非接触式等诸多优点。并且随着IEEE 802.11协议的不断完善,位于物理层的信道状态信息(Channel State Information,CSI)凭借稳定性高、粒度更细等优点取代了传统使用的接收信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)成为了wi-fi感知中的重要元素。但是目前在wi-fi感知中,基带设计都是在软件上实现的,由于CPU的性能有限,不能快速完成帧的检测,导致出现严重的丢包现象,同时网卡不能提供完整的CSI信息,从而严重影响wi-fi感知的精度。随着软件无线电(Software Defined Radio,SDR)平台的发展,由于可以获取更加全面的底层信息,因此在wi-fi感知领域引起了人们的广泛关注,然而目前该平台缺乏公开可用的兼容802.11n及以上协议的基带,使其在wi-fi感知领域大材小用。因此本文主要针对帧检测速度慢、CSI获取不完整、SDR平台协议不兼容等原因影响wi-fi感知精度的问题,研究设计了一种高性能异构的软件基带,主要工作如下:(1)提高帧的检测速度。目前wi-fi帧的解析过程都是在软件上进行的,该过程会涉及到大量的相关计算,计算的复杂度极高,在使用CPU进行处理时,会消耗大量的CPU资源,同时软件处理能力有限,因此会导致帧的检测速度降低,出现严重的丢帧现象。针对该问题,本文使用硬件平台对帧的检测过程进行加速处理,同时降低丢帧现象。(2)获取更加完整的CSI信息。现存的提取CSI的工具都只能提取到HT格式帧的长训练序列部分的CSI信息,而且提取的只有长训练序列中部分子载波上的CSI值,对环境的变化反映不够精确。基于该问题,本论文借助SDR平台,获取了更加完整的CSI信息,包括不同协议下Legacy中的CSI、导频部分的CSI、不同格式帧特定前导中的CSI以及用户发送的数据部分导频信息的CSI,而且是对应的每个子载波上的CSI值。(3)支持802.11a/g/n/ac/ax协议。目前基于SDR平台设计的基带,只能支持到802.11n协议,随着wi-fi协议的不断发展和完善,可以采集到的802.11n及之前更早的协议对应格式的帧会越来越少,使得由于协议的不兼容,无法解析最新格式的帧,导致可用的wi-fi资源更少,造成感知的精度降低。对于该问题,本设计实现了对802.11a/g/n/ac/ax协议下帧的解析,在SDR平台中兼容了最新的协议。(4)设计和实现了完整的基带。本文基于SDR平台对基带的发送端和接收端进行了设计。(5)将设计的软件基带集成到实验室的Pico Scenes平台,使用配置了802.11ax的商用网卡平台以及USRP X310分别以不同的速度、不同带宽发送不同类型的wi-fi帧,利用USRP X310设备和Pico Scenes平台作为接收端采集wi-fi信号并进行解析。实验结果表明,本文所设计的软件基带在不同协议下可以正确的解析出不同类型、不同带宽下的wi-fi帧,同时获取的CSI信息更加完整,丢包率也得到了很大程度的改善;将获取的CSI信息用于wi-fi感知,结果也表明更加完整的CSI信息使wi-fi感知的精度更高。

关键词： wi-fi感知 OFDM FPGA IEEE802.11协议软件无线电 CSI获取

H-Count：一种基于wi-fi感知的人数统计方案

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H-Count：一种基于Wi-Fi感知的人数统计方案

作者：赵捷西安电子科技大学

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随着全球城市化进程的加快,具有钢筋混凝土结构的复杂建筑群越来越密集,各种高层建筑物层出不穷,而传统的基于环境传感器和视觉传感器的人数统计方案因为建筑物中的混凝土结构墙体以及其它障碍物的阻挡,常常出现人数统计结果不准确的问... 详细信息

随着全球城市化进程的加快,具有钢筋混凝土结构的复杂建筑群越来越密集,各种高层建筑物层出不穷,而传统的基于环境传感器和视觉传感器的人数统计方案因为建筑物中的混凝土结构墙体以及其它障碍物的阻挡,常常出现人数统计结果不准确的问题,如果在此类建筑物中出现恐怖袭击或者重大灾难,不准确的情报则会严重影响反恐行动的部署和执行,降低人质营救行动的成功率,同时也不利于开展抢险救援行动。wi-fi作为一种便利的无线数据传输系统,在全球已经实现了普及,而且基本实现了学校、医院、政府部门、办公楼等密集建筑群的全局覆盖。利用wi-fi感知技术,能够通过信道状态信息感知wi-fi覆盖区域内的人员数量信息,为面对复杂建筑群时传统侦察手段效率不高、探测结果不准等问题提供了一种切实可行的解决方案。本文对现有的基于wi-fi的人数统计方案进行了深入地研究和分析,发现了已有的基于wi-fi感知的人数统计方案存在识别准确率低、可识别人数少、人数分辨率低、可识别场景有限等问题。为了解决上述问题,本文设计并实现了一种基于wi-fi感知的人数统计方案H-Count,采用了多种技术手段,实现了对处于不同实验环境和不同实验场景中人员的数量统计功能,有效地解决了已有方案存在的不足之处。在基于wi-fi感知的人数统计方案H-Count中,主要分为数据采集、数据预处理和分类器三部分。本文使用一台搭载Intel 5300网卡的NUC和一台家用无线路由器,对不同实验环境中不同实验场景下的CSI信息进行采集,然后使用汉佩尔滤波和DWT小波变换等手段对CSI数据进行预处理,减少环境噪声对结果的影响,接着利用LSTM构造分类器网络,使用CSI训练数据集对分类器模型进行训练,最后使用CSI验证数据集对得到的分类器模型的实际效果进行验证。实验结果表明H-Count方案在不同的实验环境和实验场景下均能保持较高的识别准确率。本课题还研究了超参数、实验场景、实验人数和实验环境对实验结果的影响,通过分析得出了最佳的参数设置和对实验结果造成影响的原因。最后对比了H-Count和现有的基于wi-fi感知的人数统计方案之间的性能差异,证明了H-Count算法相较于已有方案在硬件需求、识别准确率和人数分类准确率这三个方面的显著优势。总而言之,H-Count提高了现有的基于wi-fi感知的人数统计方案的性能,可以为反恐行动、人质营救、抢险救援等行动提供可靠的信息支撑,达到提高行动成功率,起到谋定而后动的作用。

关键词： wi-fi感知信道状态信息人数统计长短期记忆神经网络

wiCare:一种非接触式的老人如厕跌倒监测模型

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计算机科学 2024年第S1期51卷 751-758页

作者：段鹏松刁宪广张大龙曹仰杰刘广怡孔金生郑州大学网络空间安全学院郑州450002 解放军战略支援部队信息大学郑州450001

老人在卫生间内的跌倒行为存在因救助及时性差而导致严重危害的风险,因此高效快捷的如厕跌倒监测研究具有重要意义。针对当前基于wi-fi感知的跌倒监测方法中存在的受噪声影响大而特征提取不充分、监测精度有限的问题,提出了一种基于多... 详细信息

老人在卫生间内的跌倒行为存在因救助及时性差而导致严重危害的风险,因此高效快捷的如厕跌倒监测研究具有重要意义。针对当前基于wi-fi感知的跌倒监测方法中存在的受噪声影响大而特征提取不充分、监测精度有限的问题,提出了一种基于多级离散小波变换和软阈值处理的信号降噪算法,及一种融合卷积神经网络、双向长短期记忆网络及自注意力机制的非接触式如厕跌倒监测模型wiCare。首先,从原始CSI数据中提取振幅作为基础数据;其次,使用多级离散小波变换和软阈值处理进行感知数据降噪;然后,将感知数据进行多维重构,以更准确地表征跌倒行为特征;最后,利用wiCare提取感知数据中的有效特征,进而实现卫生间如厕跌倒行为监测功能。实验结果表明,wiCare在居家卫生间环境下对跌倒行为监测的准确率为99.41%,与其他同类模型相比,wiCare的识别准确率高,模型复杂度低,且泛化能力更强。

关键词： wi-fi感知如厕跌倒监测离散小波变换软阈值处理深度学习

基于wi-fi无线感知技术的猪呼吸频率监测

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农业工程学报 2019年第24期35卷 183-190页

作者：逯玉兰李广郝玉胜林强甘肃农业大学信息科学技术学院兰州730070 甘肃农业大学林学院兰州730070 西北民族大学数学与计算机科学学院兰州730030

监测和及时发现猪呼吸异常是养猪产业管理中的重要课题。为了克服人工监测方式效率低下、穿戴式设备监测方法成本较高且容易引起猪应激反应的缺点,该文提出了一种基于wi-fi网络信道状态信息的非接触式猪呼吸率监测方案。首先,利用wi-fi... 详细信息

监测和及时发现猪呼吸异常是养猪产业管理中的重要课题。为了克服人工监测方式效率低下、穿戴式设备监测方法成本较高且容易引起猪应激反应的缺点,该文提出了一种基于wi-fi网络信道状态信息的非接触式猪呼吸率监测方案。首先,利用wi-fi网络设备及其开源驱动程序捕获CSI序列信号并提出异常载波过滤算法用于滤除通信过程中的异常载波;其次,设计载波周期性水平量化指标并以此评估载波周期性水平;第三,通过SmoothingSplines方法平滑载波曲线并基于载波序列自相关函数估计载波周期和频率,筛选出载波周期性水平大于22且频率位于闭区间[0.127 Hz,1.25 Hz]的反映猪只呼吸行为的载波;第四,对符合条件的载波频率进行加权平均求得猪只呼吸率。以人工统计猪只每分钟的呼吸次数作为真实情况,通过对9头仔猪,5头育肥种猪,3头怀孕母猪以及3头因患病引起腹式呼吸的病猪进行对比试验,该文提出的方法能够准确计算出猪的呼吸率,平均相对误差为1.398%。研究结果为应用wi-fi无线感知技术监控动物呼吸率提供参考。

关键词：无损检测畜牧业动物呼吸监测信道状态信息 wi-fi感知

基于wi-fi Sensing的无感检测技术

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科技创新与应用 2024年第12期14卷 1-5页

作者：车忠辉车晨畅解仲坤中兴通讯股份有限公司西安710075 中国人民大学明理书院数学学院北京100872

随着智能家居的推广普及,对于移动物体的行为感知成为热点技术。相比于传统的信息检测技术,新型的基于wi-fi信号的设备无关被动入侵检测,能够在无需用户做任何干预也不影响人员隐私安全的情况下实现对于行为的检测判断,这和使用摄像头... 详细信息

随着智能家居的推广普及,对于移动物体的行为感知成为热点技术。相比于传统的信息检测技术,新型的基于wi-fi信号的设备无关被动入侵检测,能够在无需用户做任何干预也不影响人员隐私安全的情况下实现对于行为的检测判断,这和使用摄像头或红外检测形成显著差异,成为研究热点。该文基于wi-fi芯片平台采集物理层信道状态信息,构建与移动载体信息相关的检测模型,结合大数据分析和智能算法,给出相关的实现方案,并基于实验验证实现从无线信道中捕捉波形特征,验证方案的有效性,结合结果分析也为后续精度的进一步提升提供改进方向。

关键词： wi-fi感知信道状态信息入侵检测大数据处理检测模型

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兼容wi-fi感知的自适应波束形成研究

移动通信 2023年第10期47卷 99-104页

作者：张宁上海诺基亚贝尔软件有限公司上海200127

为了优化wi-fi自适应波束形成器的性能以提高感知精度,首先阐述最小均方误差和最小二乘准则下的两类自适应波束形成算法,并通过仿真实验分析应用这两类算法的波束形成器在不同阵元数线性阵列的收敛速度和不同信干噪比对算法迭代次数的... 详细信息

为了优化wi-fi自适应波束形成器的性能以提高感知精度,首先阐述最小均方误差和最小二乘准则下的两类自适应波束形成算法,并通过仿真实验分析应用这两类算法的波束形成器在不同阵元数线性阵列的收敛速度和不同信干噪比对算法迭代次数的影响。并针对wi-fi感知的时变无线环境,提出RLS-NLMS联合自适应算法权衡波束形成器的收敛速度与跟踪性能,仿真实验结果证明该算法切实可行。

关键词：自适应波束形成 wi-fi感知 LMS算法 RLS算法

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wi-fi信号下的室内情景感知技术研究

Wi-Fi信号下的室内情景感知技术研究

作者：乔志强西北师范大学

学位级别：硕士

随着信息技术的快速更新迭代,物联网迎来了全新的AIOT（Artificial Intelligence＆Internet of Things）时代,情景感知作为智慧生活中人机交互的关键技术已然走入人们的日常生活。该技术通过对情景信息的采集与分析,使计算设备对感知空... 详细信息

随着信息技术的快速更新迭代,物联网迎来了全新的AIOT（Artificial Intelligence＆Internet of Things）时代,情景感知作为智慧生活中人机交互的关键技术已然走入人们的日常生活。该技术通过对情景信息的采集与分析,使计算设备对感知空间中的环境与人员信息具有智能感知能力。由于wi-fi设备的普适性与其本身伴随全天候、非接触特性,wi-fi已成为情景感知的主要工具之一。传统基于wi-fi感知工作大多利用识别粒度较粗的RSSI（Received Signal Strength Indicator）实现。本文提取无线传输物理层中的信道状态信息（Channel State Information,CSI）代替RSSI,实现识别粒度更细和分辨率更高的情景感知。本论文重点围绕情景感知中人员行为和人员身份的感知识别,主要研究工作与贡献如下:（1）提出基于多普勒频移与行为能量的动作识别方法（wi-Do）。该方法通过商用wi-fi设备采集CSI原始数据,利用离散小波变换和主成分分析降噪与降维。根据行为与CSI之间的映射关系得到时空特征与能量特征,以此表征人员活动,基于注意力机制使用门控循环单元（Gate Recurrent Unit,GRU）网络实现分类识别。根据动作发生的不同部位,将感知区域划分为三种,分别为头部活动,手臂活动以及腿部活动,三种区域内对动作的识别准确率分别达到87.65%、91.83%、94.45%。通过大量实验验证,证明了所提方法对情景感知中人员动作识别的有效性与可行性。（2）提出基于混合高斯模型下的隐马尔可夫室内步态识别方法（wi-Know）。步态信息包含在步行动作之中又区别于步行,是粒度更细的信息。通过采集室内人员步行CSI,经Hampel滤波剔除原始CSI中的离群值与异常点,过滤无关行走行为的高频信号,提取均值比、均方根值、峰值系数、自相关系数四种数值作为步态特征建立观测序列,构建基于高斯混合的隐马尔科夫模型（Hidden Markov Model,HMM）,实现步态识别从而分辨身份。多种环境下实验表明,wi-Kown对单个人员步态的平均识别率为92.71%,同时具有优秀的环境迁移性与鲁棒性。（3）提出基于CSI增强特征的全向动作感知方法（wi-GARE）。利用天线共轭乘积解决相位偏移,引入二维菲尼尔区实现方向估测。结合傅里叶能量分割连续动作,根据周期性行为本身特点叠加信号,提升特征质量。提出基于自编码器的自动特征提取方法,结合手动提取的方向角与多普勒频移丰富了 CSI的特征内容。实验证明,人员在室内的动作能在1～3个周期内被识别,提高wi-fi信号感知准确度的同时拓宽了 wi-fi的感知范围到6米。

关键词： wi-fi感知信道状态信息情景感知活动行为感知身份识别感知增强