基于WiFi的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)

程敬松 徐金鵬 吳亞昕

摘 ?要：隨著IOT以及移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展，越來(lái)越多的智能設(shè)備進(jìn)入人們的日常生活生產(chǎn)中，并且硬件技術(shù)不斷發(fā)展使得高級(jí)人機(jī)交互成為可能，對(duì)于人機(jī)交互技術(shù)在不斷的在現(xiàn)代設(shè)備中被應(yīng)用，人機(jī)交互被越來(lái)越多用戶接受，但是對(duì)于手勢(shì)控制類大部分需要在人體安裝傳感器或者需要昂貴外置設(shè)備而被少量用戶接受，基于csi的非接觸式動(dòng)作捕捉成為研究熱點(diǎn)該技術(shù)的，其基本原理是基于CSI手勢(shì)識(shí)別技術(shù)。本文主要全面回顧了基于CSI手勢(shì)識(shí)別技術(shù)并提出這一領(lǐng)域中面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：WIFI;信道狀態(tài)信息;手勢(shì)識(shí)別

1.引言

隨著IOT以及移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展，越來(lái)越多的智能設(shè)備進(jìn)入人們的日常生活生產(chǎn)中，并且硬件技術(shù)不斷發(fā)展使得高級(jí)人機(jī)交互成為可能，人機(jī)交互技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)備中被應(yīng)用，被越來(lái)越多用戶接受，但是對(duì)于手勢(shì)控制（動(dòng)作捕捉）類大部分需要在人體安裝傳感器或者需要昂貴外置設(shè)備而被少量用戶接受，因此基于csi的非接觸式動(dòng)作捕捉成為研究熱點(diǎn)。本文主要全面回顧了基于CSI手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，將有重要進(jìn)展的CSI手勢(shì)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行比較并總結(jié)出這一領(lǐng)域中面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)。

文章主要包括手勢(shì)識(shí)別的兩種方法：幾何方法和基于指紋方法。幾何方法中包括基于角度方法和基于距離的方法?；诮嵌确椒ǎ和ㄟ^(guò)測(cè)量待測(cè)物體與AP之間的角度通過(guò)幾何方法得到相對(duì)位置從而確定空間位置;基于距離方法通過(guò)一定方法得到待測(cè)物體與AP之間的距離從而確定位置?；谥讣y方法：先訓(xùn)提取空間中各個(gè)位置上特征，建立指紋庫(kù)，再將分類算法/網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)時(shí)信號(hào)從而估計(jì)移動(dòng)端位置。

對(duì)于使用WIFI實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別技術(shù)有粗粒度估計(jì)和細(xì)粒度估計(jì)。對(duì)于粗粒度使用物理層的收的信號(hào)強(qiáng)度指示，其計(jì)算復(fù)雜度低并且位于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送層適用性廣，成本低以及的功和的特點(diǎn)而被使用。然而其測(cè)量值一般不包括天線增益或傳輸系統(tǒng)的損耗參數(shù)結(jié)合其易受干擾的特點(diǎn)盡可做到粒度在1-2m相對(duì)精度的測(cè)距，并不適合細(xì)粒度如動(dòng)作捕捉的測(cè)量。對(duì)于細(xì)粒度估計(jì)：因其可提供一條通信鏈路的信道屬性，反映了信號(hào)在每條傳輸路徑上的衰減因子，各信道子載波相位和幅信息，信道狀態(tài)信息逐漸進(jìn)入進(jìn)入研究人員的視野，并且隨著OFDM系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用，可修改通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)從商用WIFI網(wǎng)卡緩存數(shù)據(jù)中提取出CSI信息。因此研究人員可以更好的描述信號(hào)的傳播路徑。

但CSI研究時(shí)間較短，本文可用于

1.了解現(xiàn)有基于CSI手勢(shì)識(shí)別技術(shù)的常見方法原理

2.為科研人員提供基于CSI的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)的待研究方向

2.文章結(jié)構(gòu)

第一章：引言

第二章：文章結(jié)構(gòu)

第三章：CSI中包含信息以及參數(shù)處理

第三章：基于CSI的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)基本原理

第五章：總結(jié)

3.CSI中包含信息以及參數(shù)處理

正交分頻符用（OFDM）技術(shù)將無(wú)線信道分成若干彼此正交的子信道。將子數(shù)據(jù)流調(diào)制到正交子信道中傳輸，每個(gè)子數(shù)據(jù)流成為子載波。其在頻域范圍內(nèi)將一新到劃分為若干通信子信道，這些信道之間彼此線性正交經(jīng)過(guò)子載波調(diào)制將低速數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流劃分成子數(shù)據(jù)流經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換后成為告訴子載波在傳輸介質(zhì)中傳輸數(shù)據(jù)，接受時(shí)為發(fā)送逆過(guò)程。

通過(guò)OFDM調(diào)制后的子載波向空間中發(fā)射射頻信號(hào)，在傳播過(guò)程中經(jīng)多徑疊加后在接收端接收信號(hào)能量強(qiáng)度不同（表現(xiàn)在頻率和振幅等指標(biāo)）

4.基于CSI的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)方法

4.1使用幾何方法的基于CSI識(shí)別技術(shù)

4.1.1 基于角度方法

通過(guò)角度測(cè)量技術(shù)可以很好地應(yīng)用于CSI識(shí)別?？赏ㄟ^(guò)在WIFI設(shè)備的CSI數(shù)據(jù)中的時(shí)間戳信息，從而確定待測(cè)物體所在方位【1】（ARMA譜分析、最大似然法、熵譜分析法和特征分解法，特征分解法主要有MUSIC算法【2】）、ESPRIT算法WSF算法等等識(shí)別方法一下簡(jiǎn)要介紹AOA和TDOA方法原理

4.1.1.1 ?AOA 基本原理（MUSIC算法）

AOA識(shí)別方法，主要測(cè)量待測(cè)物體和發(fā)射/接收端之間的角度，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為三角問(wèn)題來(lái)解決。

2013年，Xiong J等。【1】實(shí)現(xiàn)了用于CSI室內(nèi)識(shí)別的ArrayTrack硬件平臺(tái)。，識(shí)別精度為30-50厘米。2013年，Gjengset等【3】提出了Phaser system，平均定位識(shí)別誤差小于1 m。2019年，郝占軍等【4】通過(guò)優(yōu)化MUSIC算法（Dropper-MUSIC方法）獲得多普勒頻移使用并改進(jìn)三遍識(shí)別質(zhì)心算法。以上文章說(shuō)明一定程度上由于射頻天線數(shù)量的限制以及外界因素的不缺定性從而對(duì)多徑效應(yīng)的影響使得CSI的相位信息的有效性降低，但在不同環(huán)境中仍需大量訓(xùn)練才可得到高準(zhǔn)確度的CSI數(shù)據(jù)，因此在估計(jì)AOA問(wèn)題上仍任重而道遠(yuǎn)。

基于CSI的AOA估計(jì)主要利用AP上每個(gè)天線接收到的信號(hào)的相位差之間的明確關(guān)系。通過(guò)增加天線的數(shù)量，可以減輕多徑效應(yīng)的影響。但是，當(dāng)前的商用Wi-Fi通常沒(méi)有配置更多的天線，并且所利用的CSI相位信息的有效性將直接影響識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.1.2 基于范圍方法

該方法將預(yù)處理的CSI數(shù)據(jù)提取空間特征計(jì)算待測(cè)物體距離，可首先測(cè)距（可用方法：信號(hào)線性損耗隨距離關(guān)系計(jì)算方法，對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型【4】，衰減因子模型和MK模型【5】）

4.1.2.1 ?信號(hào)線性損耗隨距離關(guān)系計(jì)算方法

其中，M 是雙曲線上一點(diǎn)，F(xiàn)1和F2分別是雙曲線的兩個(gè)焦點(diǎn)，2a 是兩焦點(diǎn)之間的距離。那么，根據(jù)公式（2-2）可以得出：未知節(jié)點(diǎn) M 就在以兩個(gè)已知節(jié)點(diǎn) A，B 的位置為焦點(diǎn)，距離差是 2a 的雙曲線上。同樣的，根據(jù)另外一個(gè)已知節(jié)點(diǎn) C，同樣可以在確定2條雙曲線，就這樣，兩個(gè)雙曲線的交點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn) M 的位置。