理解穿墙无线感知机制：基于模型的视角

近年来，人们对使用 Wi-Fi 信号进行人类活动检测越来越感兴趣。已经开发了大量的基于 Wi-Fi 的传感系统，包括呼吸检测、手势分类、身份识别等。然而，由于实际环境的复杂性，这些系统的可用性和稳健性仍然有限。已经提出了各种开创性方法来解决问题，其中基于模型的方法由于不需要大量数据集进行模型训练而越来越受到关注。现有的模型通常针对视距（LoS）场景开发，不能应用于促进非视距（NLoS）场景（如穿墙传感）中的无线传感系统设计。为了填补这一空白，我们提出了穿墙无线传感模型，旨在表征 Wi-Fi 信号在穿墙场景中的传播规律和传感机制。具体而言，基于收发器之间存在墙时 Wi-Fi 信号会被折射的洞察，我们开发了折射感知的菲涅尔模型，并从理论上证明原始菲涅尔模型可以视为所提出模型的特例。我们发现墙的存在会改变菲涅尔区域的分布，我们称之为菲涅尔区域的“挤压效应”。此外，我们的理论分析表明，“挤压效应”可以帮助提高 Wi-Fi 信号（即空间分辨率）的传感能力。为了验证所提出的模型，我们使用一对收发器实现了一个穿墙呼吸传感系统。在典型的穿墙环境中的大量实验表明，呼吸检测误差低于 0.5 bpm，同时受试者到收发器连线的垂直距离小于 200 cm。据我们所知，这是第一个揭示基于 Wi-Fi 的穿墙场景无线传感机制的理论模型。