【摘要】：近幾年來,隨著技術(shù)的發(fā)展,無線信號不僅當(dāng)作一種通信方式來傳輸數(shù)據(jù),還被廣泛應(yīng)用于無線感知領(lǐng)域。利用無線信號可以對周圍的環(huán)境進行感知,通常包含室內(nèi)定位、行為識別等。無線信號覆蓋范圍內(nèi)的用戶行為會給無線信號的多徑傳播產(chǎn)生影響,導(dǎo)致信號的強度、相位等信息發(fā)生變化。自2009年IEEE 802.11n協(xié)議在物理層增加了信道狀態(tài)信息后,使用Wi-Fi信號進行無線感知的技術(shù)得到了更為深入的研究。使用Wi-Fi信號進行行為識別具有以下優(yōu)點:(1)現(xiàn)代生活中,Wi-Fi已經(jīng)得到普及,幾乎家家戶戶都會安裝無線路由器,公共場所通常會提供免費Wi-Fi供人使用,這使這類技術(shù)具有普適性。(2)無需攜帶運動傳感器設(shè)備,因此不會影響和限制用戶的動作,用戶友好度更高。(3)相比基于攝像頭和光傳感器的方法,在光線不足的情況下也可以使用。本文分析手的運動對無線信號多徑傳播的影響,從理論角度分析基于Wi-Fi信號的手寫識別方案的可行性。為驗證該可行性,本文設(shè)計和實現(xiàn)了WiWrite,一個基于Wi-Fi信號信道狀態(tài)信息的手寫字母識別系統(tǒng)。在設(shè)計和實現(xiàn)WiWrite系統(tǒng)時,本文提出以下兩點創(chuàng)新點:(1)運動區(qū)間檢測與分割。依據(jù)信號的特點,使用短時能量方法對信號進行檢測和分割,分離出每個字母的信號。短時能量方法通常應(yīng)用于語音識別領(lǐng)域,區(qū)分這段語音中是否有聲音信號存在。本文使用該方法,區(qū)分在信號中是否有用戶在進行書寫動作,以及對手寫信號進行分割。(2)穩(wěn)定性特征提取。利用時頻分析技術(shù)對信號進行處理,以獲取穩(wěn)定性特征。直接使用信道狀態(tài)信息波形作為特征受到環(huán)境的影響較大,而采用時頻分析技術(shù)得到的特征較為穩(wěn)定,具有一定的抗干擾能力。本文使用一臺工作在5GHz頻段的無線路由器和一臺裝有Intel 5300無線網(wǎng)卡的筆記本電腦部署了WiWrite原型系統(tǒng),對26個手寫大寫字母進行識別。實驗表明,使用Wi-Fi進行手寫識別具有可行性。本文提出的運動區(qū)間檢測與分割方法效果較好,其檢測與分割正確率可以達到96.7%。經(jīng)過實驗比較,本文提出的特征提取方案識別正確率達到75.5%,具有區(qū)分性和穩(wěn)定性,明顯優(yōu)于基于信道狀態(tài)信息波形的特征,其識別正確率只有51%。性能分析表明,WiWrite系統(tǒng)對每一秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù),平均只需要500毫秒即可處理完成,滿足實時識別要求。
【圖文】：

隨著技術(shù)的進步與發(fā)展，作為通信技術(shù)的無線信號也開始被應(yīng)用到感知領(lǐng)域。在傳播過程中會受到多徑傳播的影響，即信號不僅通過視距傳播，還會經(jīng)過多路徑傳播到達接收設(shè)備。因此如果室內(nèi)環(huán)境發(fā)生了變化，無線信號也會隨之產(chǎn)而提取無線信號中的特征，就可以對環(huán)境變化進行估計。這里的環(huán)境變化通常存在和運動引起的，例如人的走動、做出一些動作等。所以通過對接收信號的推斷出在信號覆蓋范圍內(nèi)的用戶行為。接收信號強度指示 (Received Signal Strength Indicator, RSSI) 是無線設(shè)備的一個，常用于推測設(shè)備間的距離、是否存在遮擋等信息。但隨著正交頻分復(fù)用和多技術(shù)的出現(xiàn)，以及在物理層上增加的細粒度的信道狀態(tài)信息，這種測量可以取精度。接下來，將對相關(guān)的技術(shù)背景進行描述和說明。 信號多徑傳播信號的多徑傳播是指無線信號從發(fā)射端經(jīng)過多條傳播路徑到達接收端的現(xiàn)象徑包括了視距傳播 (Line-of-Sight, LOS) 和非視距傳播 (None-Line-of-Sight, N

LOS 是指無線信號從發(fā)送端到接收端經(jīng)過直接路徑進行傳播，NLOS 是指無線信號從發(fā)送端經(jīng)過反射，散射和折射等現(xiàn)象, 經(jīng)由非直接路徑到達接收端。在理想條件下，只有LOS 存在，而在實際情況下，兩者是同時存在的。如圖2 1所示，，部分信號經(jīng)過了人體和墻面的反射到達筆記本天線，并和經(jīng)過直接路徑傳播的信號疊加在一起。這種多徑傳播會影響到信號的衰減情況，對于 RSSI 來說，通常在室內(nèi)使用的信號衰減模型為對數(shù)距離路徑損耗模型 (Log-distance Path Loss Model)，如公式 2 1所示。其中 表示信號經(jīng)過與發(fā)送天線距離為 的位置的路徑損耗，0表示單位距離0處的路徑損耗， 為信道的衰減系數(shù)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN92

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