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。其性能逐年持續提高。2020年美國家庭平均有11個聯接設備，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）的傳感和監控解決方案不同，Wi-Fi傳感具有多種優勢。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正在被信道狀態信息（CSI）所取代。

什么是CSI？

信道狀態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。基于Wi-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。在商業和工業應用中，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，并聯接到現有的Wi-Fi網絡設備，如路由器、網狀節點和中繼器。傳感器和網絡設備之間的聯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網狀節點。網狀節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節點內的邊緣本地完成，以節省帶寬，降低云端的CPU利用率，同時也提高檢測延遲。這種模式有多種優勢。一是網狀節點從接收到的信號中捕獲CSI數據，用于網狀節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，每個網狀節點上的軟件還可以控制CSI數據捕獲的發送和接收。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點來實現全屋傳感覆蓋。

圖2、運動檢測用例及通過網狀節點（網絡設備）進行部署

另一個使用情況是通過網狀節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）。除了前面網狀節點模式中的所有優點外，這種模式的另一個相當大的優點是，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。網狀節點（網絡設備）之間的信號與客戶端設備和網狀節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點或Wi-Fi設備。該模式的另一個優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點上捕獲的。網狀節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數據和僅與其他節點關聯的Wi-Fi設備的CSI數據。

圖3、通過網狀節點（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。請閱讀我們的白皮書了解更多關于Wi-Fi傳感如何工作的信息。也請關注我們的下一篇博客，了解使用基于Wi-Fi的傳感方案進行人類活動檢測和識別的情況。

審核編輯：郭婷