基于CSI的Wi-Fi傳感技術能為智能家居帶來哪些改變？

Wi-Fi是目前使用最普遍的無線通信技術之一。它使用簡單、安裝方便、經濟實惠。其性能逐年持續(xù)提高。2020年美國家庭平均有11個聯(lián)接設備，其中大部分使用Wi-Fi技術。

隨著技術的進步，Wi-Fi不僅是一種提供聯(lián)接和網絡服務的通信技術，也是一種傳感技術，在智能家居和物聯(lián)網應用中，實現了安全保障和家庭關懷服務。

Wi-Fi傳感技術支持運動檢測、人類活動檢測和識別、生命體征檢測等多種功能和應用。

由于Wi-Fi廣泛部署在家居和建筑物中，Wi-Fi傳感是一種先天性的高性價比傳感技術。

現有的Wi-Fi路由器、網狀節(jié)點和客戶端設備之間的信號結點，形成了一個覆蓋整個家居的Wi-Fi傳感網絡，可用于運動檢測和人類活動檢測等應用。不需要額外的傳感器或網關來構建一個單獨的、專門的傳感網絡。

與基于攝像頭或紅外(IR)的傳感和監(jiān)控解決方案不同，Wi-Fi傳感具有多種優(yōu)勢。

它可以在NLOS(非視線)條件下工作，并且支持更大的覆蓋范圍，具有更遠的距離和更廣的角度。

此外，它還能保護用戶的隱私，可以安裝在浴室和臥室等私人區(qū)域。

Wi-Fi傳感從設備之間用于數據通信的普通數據包和信號中收集信息。它既不需要額外或專門的信號，也不會降低網絡性能或用戶體驗。

Wi-Fi工作在2.4 GHz、5 GHz、6 GHz和60 GHz頻段。這三個頻段的Wi-Fi信號的波長從4.2 cm（6 GHz頻段）到12.4 cm（2.4 GHz頻段）。

這樣的信號非常適合通過更復雜的天線、DSP（數字信號處理）、機器學習算法和技術，對人類進行運動檢測、活動檢測和識別，以及呼吸頻率甚至心跳檢測。

過去，Wi-Fi傳感采用的是RSSI（接收信號強度指標）。RSSI是無線環(huán)境中的相對接收信號強度，以任意單位表示。它通常以每個數據包為單位進行測量。在多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中，許多廠商只測量最強天線的RSSI。

安森美半導體的QCS-AX / QSC-AX2產品可測量每根天線的RSSI值。

RSSI是一個粗粒度的參數和一個低分辨率的功能。它在每個數據包中只有一個值。

因此，在Wi-Fi傳感方案中，RSSI正在被信道狀態(tài)信息(CSI)所取代。

什么是CSI？

信道狀態(tài)信息是信道頻率響應(CFR)的采樣版本。它是信道脈沖響應(CIR)的頻域版本。

在QCS-AX和QCS-AX2方案中，CSI可以通過多達8個天線的實時方法，為每個數據包捕獲多達8個空間流和多達160 MHz的信道。

下面的矩陣顯示了一個4x4 MIMO（多輸入多輸出）接收器對來自1x1 SISO（單輸入單輸出）客戶端的80 MHz信號進行CSI捕獲的例子。當客戶端支持MIMO并通過多個天線發(fā)送多個流時，矩陣就變成了三維的。

注：每行代表一個天線；每列代表一個子載波。80 MHz帶寬共234個可用子載波，160 MHz共468個可用子載波

從上面可以很容易地觀察到，CSI是一個非常細粒度和高分辨率的功能。它增加了頻域和空間域的多樣性。

此外，每個CSI都有振幅和相位值，這比RSSI的信息量要大得多，而RSSI只是一個整數，代表每個數據包的信號強度。

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

還需要指出的是，時間序列CSI信息對所有Wi-Fi傳感應用非常關鍵，從運動檢測、活動檢測和識別到生命檢測等。

安森美半導體的QCS-AX和QCS-AX2 Wi-Fi 6芯片組支持高達3毫秒間隔的實時CSI捕獲。將CSI用于Wi-Fi傳感可顯著提高顆粒度、靈敏度、準確性和魯棒性。

表1、QCS-AX和QCS-AX2方案所支持的CSI功能摘要

Wi-Fi運動檢測

運動檢測是使用基于CSI的Wi-Fi傳感最有用的應用之一?；赪i-Fi的運動檢測方案在運營商和消費者領域被許多一線家庭Wi-Fi網關、路由器和網狀網絡廠商部署。

在商業(yè)和工業(yè)應用中，它也有越來越大的吸引力。這些方案都提供了易于使用的運動檢測功能和不同級別的定位能力。

不同的廠商可能有不同的技術和算法來識別運動檢測。由于其技術和業(yè)務重點不同，它們的用例也可能有所不同。

安森美半導體與多家供應商合作，以應對不同的市場和應用。QCS-AX和QCS-AX2系列芯片組提供了這些廠商不同實現所需的所有功能。

安森美半導體還與這些廠商密切合作，通過運營商、零售或工業(yè)渠道支持不同的用例和部署模式。

其中一個用例是通過Wi-Fi運動傳感器實現的。

就像部署傳統(tǒng)的運動傳感器一樣，在家庭周圍安裝多個這樣的傳感器，并聯(lián)接到現有的Wi-Fi網絡設備，如路由器、網狀節(jié)點和中繼器。

傳感器和網絡設備之間的聯(lián)接和信號構成了運動檢測的傳感網絡。Wi-Fi運動檢測傳感器從Wi-Fi網絡設備接收到的Wi-Fi信號中捕獲CSI數據，如果傳感器之間支持內部網狀結構，則從其他傳感器中捕獲CSI數據。

在這種模式下，由于傳感器的計算能力有限，CSI數據處理和Wi-Fi運動檢測算法通常在云端完成。由于傳感器也會消耗Wi-Fi網絡的通話時間，在某些情況下可能會影響網絡性能。

另一個用例是通過一些Wi-Fi運動檢測方案提供商提供的Wi-Fi網狀節(jié)點。

網狀節(jié)點之間的信號形成一個天然的網狀傳感網絡。網狀網絡內的所有網絡設備包括網關、路由器和中繼器，都支持CSI捕獲。CSI數據處理和運動檢測算法通常在云端完成。

在一些廠商的解決方案中，CSI數據的預處理可能會在Mesh節(jié)點內的邊緣本地完成，以節(jié)省帶寬，降低云端的CPU利用率，同時也提高檢測延遲。這種模式有多種優(yōu)勢。

一是網狀節(jié)點從接收到的信號中捕獲CSI數據，用于網狀節(jié)點和客戶端之間的正常通信，因此不需要額外的Wi-Fi通話時間或帶寬來實現運動檢測功能。

此外，網狀節(jié)點通常支持高階MIMO，有利于運動檢測的覆蓋范圍和魯棒性。

最后，每個網狀節(jié)點上的軟件還可以控制CSI數據捕獲的發(fā)送和接收。

因此，可以生成定制的數據包或信號，以產生更高分辨率的運動檢測結果，并支持高精度的定位功能。在這種模式下，可能需要更多的網格節(jié)點來實現全屋傳感覆蓋。

圖2、運動檢測用例及通過網狀節(jié)點（網絡設備）進行部署

另一個使用情況是通過網狀節(jié)點和任何現有的支持OFDM的Wi-Fi設備(不包括舊的只支持802.11b的設備，因為它們不支持正交頻分復用)。

除了前面網狀節(jié)點模式中的所有優(yōu)點外，這種模式的另一個相當大的優(yōu)點是，所有現有的Wi-Fi客戶端設備，如Wi-Fi攝像頭、智能燈具和打印機等，都成為運動檢測傳感器。

網狀節(jié)點(網絡設備)之間的信號與客戶端設備和網狀節(jié)點之間的信號一起構成了一個更加密集的傳感網絡。

因此，傳感網絡的覆蓋范圍更加全面，往往能夠提供全屋覆蓋，而無需安裝額外的網狀節(jié)點或Wi-Fi設備。

該模式的另一個優(yōu)點是不需要更改軟件或硬件即可使Wi-Fi客戶端設備具有Wi-Fi運動檢測傳感器。

在這種模式下，CSI數據仍然是在網狀節(jié)點上捕獲的。網狀節(jié)點不僅捕獲相關客戶端設備的CSI數據，還可以嗅探模式捕獲其他網絡設備的CSI數據和僅與其他節(jié)點關聯(lián)的Wi-Fi設備的CSI數據。

圖3、通過網狀節(jié)點(網絡設備)和現有安裝的客戶端設備進行運動檢測的用例和部署情況

安森美半導體一直與支持上述許多用例的多家供應商合作。QCS-AX和QCS-AX2 Wi-Fi 6方案支持這些模式所需的所有CSI捕獲功能。