除无源物联网外,感知功能如何重构Wi-Fi的未来?
作者 | 物联网智库2022-10-06

自1997年以来,Wi-Fi 一直在不断发展当中,速度、覆盖范围和整体性能都在持续提升。在绝大多数人的认知中,Wi-Fi的功能仅仅是用来连接无线网络,但Wi-Fi作为一种电磁波信号,其实是可以用来反映物体活动情况的。

智次方

现如今,很多消费电子设备早已具备基于蓝牙信号检测的近距离感应,能够通过智能手表给配对好的手机、电脑进行解锁。此前,在智库的文章《还在谈识别?基于RFID的定位、追踪、感知才是未来中,也曾分析过无源RFID正在从识别向感知发展,这些变化都在表明新的需求和趋势已经产生,更多的无线通信技术也都将加入到这个行列当中来,不断提升用户的使用体验。

近期,英特尔公司向外界展示了可以让电脑能够智能待机的Wi-Fi Proximity Sensing(Wi-Fi近距离感知)技术,当用户走到电脑前时,电脑会自动亮屏,出现桌面或者锁屏界面,而当用户离开30秒后,电脑则会再次息屏后进入睡眠状态。

电脑

目前,这项技术仅在英特尔 13 代酷睿平台上可用,包含标准英特尔 Wi-Fi 网络接口芯片,之后英特尔将很快推出启用该技术的驱动程序,届时使用该处理器的大多数设备都能支持这项功能。此外,在处理器上深度集成的 Wi-Fi 网络接口,还需要来自操作系统的额外通信才能激活,但过于老旧的处理器应该很难实现这个功能。

英特尔没有透露该功能是否只会检测人类,是否会检测到宠物。或者,如果你经常在玩游戏时长时间离开电脑,可能不适合开启这个功能。不管怎样,这个功能毕竟是免费的,可减少系统消耗的电力。

重构Wi-Fi现有功能

虽然在无线通信领域中,很多技术都可以用来完成感知的功能,比如蓝牙、RFID,但相比之下,Wi-Fi依然很有吸引力。

当前,几乎在各类室内场景当中都部署了Wi-Fi,而将Wi-Fi应用于感知,仅需在技术层面进行更新,与人工智能等新技术进行融合,便可以重用Wi-Fi的现有功能,以实现安全、远程服务、自动化等各种领域的下一代感知应用,额外的成本投入很低,也不需要任何专用的设备、传感器等。

而使用Wi-Fi进行感知的原理,就在于电磁波经过不同物体时,其反射和折射的特性不同,如相位、信号衰减情况等,即CSI(信道状态信息)不同。如果对不同的CSI进行分析和区分,就可以描述不同的空间特性和进行运动状况的侦测,利用光学中的菲涅尔区的概念,并考虑到电磁波的反射特性和WiFi信号的频率多样性,几种理论结合之后的模型便可以捕获到人体亚波长级别的微小移动,从而可以做到利用WiFi信号感知人体毫米级的行为变动,如:人的移动、老人跌倒、宠物移动等。相比于传统的摄像头视频监控,Wi-Fi 感知可以实现更好地隐私保护,更全面的空间覆盖,而且不会增加Wi-Fi本身的硬件开销。

Wi-Fi

以Aerial Technologies为例,通过和安森美半导体紧密合作,Aerial将AI检测和Wi-Fi集成在一起,利用现有网络来提供各种应用和服务的解决方案。当物体在空间中移动时,会干扰到WiFi信号的传输,Aerial通过使用模型分析这些干扰,就可以感知、识别、分类各种运动并赋予其含义。

Wi-Fi

众所周知,人工智能是面向未来平台的关键,可用于改善人们的生活。在使用人工智能技术以后,可以更有效地保证Wi-Fi感知应用的鲁棒性和适应性,这些AI模型也将学习各种环境下的用户习惯和行为模式,从而为用户提供定制化的服务。

此外,与其他的技术演进路线类似,正在进行的标准化工作也可以进一步改善技术的发展,从而促成下一代Wi-Fi感知应用。例如Aerial Technologies就作为IEEE WiFi感知小组802.11 bf和无线宽带联盟的成员,致力于行业标准化,以推动Wi-Fi感知的CSI标准化,有利于缩短许多感知应用的开发速度。

全新标准助力Wi-Fi感知

早在2019年时,Linksys公司推出的网状路由就已经支持运动侦测功能,而此后Plume和Origun Wireless等公司也陆续了推出具有基本感知功能的类似产品。不过,这些产品的感知功能都是靠各自的软硬件而非标准来实现,不同公司的产品之间没有互操作性,也难以在长期形成规模效应。

在此背景下,IEEE 802.11小组正在计划的全新WiFi标准802.11 bf,该标准由WiFi联盟与IEEE 802.11小组携手制定,旨在将无线设备转变为传感器,通过计算人和物体在物理空间中信号受到的干扰和反射等影响来收集有关人和物体的数据,已有的 Wi-Fi 设备将成为用于确定特定区域内人和物体位置和网络交互的一部分。目前,802.11 bf还在提案阶段,形成正式标准可能要到2024年,新产品上市则可能要到2025年。

具体来说,802.11 bf标准协议由两部分组成:首先,物体在空间内运动时信号会被阻隔,设备利用信号强度的空间变化就可以判断是否有物体正在运动,利用1GHz~7.125GHz的低频电磁波就可以感知到空间内的运动;其次,使用45GHz以上的高频电子波来感知运动的距离。一旦完成802.11 bf标准的制定,未来的运动感知将会成为标准功能,路由器等产品将可以利用Wi-Fi信号的波动来感知运动,不需要消费者额外购买传感器,不同品牌的网络设备也可以互相组网形成更大的侦测范围,无线网络也会发挥出更大的作用。例如,未来的Wi-Fi将可以用来进行摔倒检测,如果检测到摔倒就自动发出报警提示,甚至还可以用来监测呼吸频率,因为人正常的呼吸也会改变射频特性

当然,该协议也面临着很多挑战,其中最典型的就是802.11 bf协议需要更高的带宽来支持,这就需要Wi-Fi 6这样的协议广泛使用才有可能做到,不过到目前为止,发布于2019年的Wi-Fi 6可以算基本普及,公司和家庭里使用的路由器大多已经支持Wi-Fi 6,再配合着千兆光宽带,Wi-Fi感知的前提已经基本具备。另外,802.11 bf协议还必须在确保路由器等设备在支持感知功能的同时不会影响正常的网络使用,毕竟用户对Wi-Fi最重要的要求还是网络速度和质量。

对于WiFi覆盖较差的区域,可以部署更多的节点以形成网状传感网络,而且网格节点现在也支持更高阶的MIMO,同样有益于提升感知的鲁棒性。此外,在路由器或网关中使用的基于4x4、5x5、8x8 MIMO的方案还可以帮助克服影响Wi-Fi的噪声和障碍物,以提供最大的覆盖范围。

Wi-Fi感知也可以脑洞大开

基于反向散射机制和传输环境中的多径效应、干扰对象的能量吸收等因素,RFID系统便可以基于标签反射信号中携带的环境因素的动态特征对指定对象进行感知,例如肢体行为识别、呼吸及心跳监测等。同样,当在家中部署WiFi信号发射器和接收器之后,就可以对人的连续行为进行感知,相比于使用摄像头,还避免了隐私相关的困扰。

Wi-Fi

不仅如此,智能家居也不再需要手动或者语音操控,如空调就可以通过Wi-Fi感知到的房间人数和位置,实时调控风速、强度、方向等,实现更加无感的使用体验。类似的感知功能和无感监测还能够应用到更多的场景当中,如:运动检测、步态识别、饮食管理、生命体征监测、位置追踪等,而且家用WiFi还可以做到24小时的全天候监测,不用额外部署传感器。

就像很多技术的发展一样,未来的现实大都来自于曾经的想象,相信这些Wi-Fi感知的应用也都将变成被广泛使用的基本功能,让用户在“无感”的情况下获得更好的使用体验。

参考资料:

1.《英特尔 13 代酷睿支持 Wi-Fi Sensing 技术,电脑可在用户走近时启动》,IT之家

2.《WiFi感知将会对日常生活造成什么影响》,安森美半导体

3.《802.11bf标准将为路由带来运动侦测 利用信号波动探查动态事物》,蓝点网


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