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Wi-Fi传感方案中,RSSI正在被信道状态信息(CSI)取代!

Wi-Fi是目前使用最普遍的无线通信技术之一。它使用简单、安装方便、经济实惠。其性能逐年持续提高。2020年美国家庭平均有11个联接设备,其中大部分使用Wi-Fi技术。

随着技术的进步,Wi-Fi不仅是一种提供联接和网络服务的通信技术,也是一种传感技术,在智能家居和物联网应用中,实现了安全保障和家庭关怀服务。

Wi-Fi传感技术支持运动检测、人类活动检测和识别、生命体征检测等多种功能和应用。

由于Wi-Fi广泛部署在家居和建筑物中,Wi-Fi传感是一种先天性的高性价比传感技术。

现有的Wi-Fi路由器、网状节点和客户端设备之间的信号结点,形成了一个覆盖整个家居的Wi-Fi传感网络,可用于运动检测和人类活动检测等应用。不需要额外的传感器或网关来构建一个单独的、专门的传感网络。

与基于摄像头或红外(IR)的传感和监控解决方案不同,Wi-Fi传感具有多种优势。

它可以在NLOS(非视线)条件下工作,并且支持更大的覆盖范围,具有更远的距离和更广的角度。

此外,它还能保护用户的隐私,可以安装在浴室和卧室等私人区域。

Wi-Fi传感从设备之间用于数据通信的普通数据包和信号中收集信息。它既不需要额外或专门的信号,也不会降低网络性能或用户体验。

Wi-Fi工作在2.4 GHz、5 GHz、6 GHz和60 GHz频段。这三个频段的Wi-Fi信号的波长从4.2 cm(6 GHz频段)到12.4 cm(2.4 GHz频段)。

这样的信号非常适合通过更复杂的天线、DSP(数字信号处理)、机器学习算法和技术,对人类进行运动检测、活动检测和识别,以及呼吸频率甚至心跳检测。

过去,Wi-Fi传感采用的是RSSI(接收信号强度指标)。RSSI是无线环境中的相对接收信号强度,以任意单位表示。它通常以每个数据包为单位进行测量。在多输入多输出(MIMO)系统中,许多厂商只测量最强天线的RSSI。

安森美半导体的QCS-AX / QSC-AX2产品可测量每根天线的RSSI值。

RSSI是一个粗粒度的参数和一个低分辨率的功能。它在每个数据包中只有一个值。

因此,在Wi-Fi传感方案中,RSSI正在被信道状态信息(CSI)所取代。

什么是CSI?

信道状态信息是信道频率响应(CFR)的采样版本。它是信道脉冲响应(CIR)的频域版本。

在QCS-AX和QCS-AX2方案中,CSI可以通过多达8个天线的实时方法,为每个数据包捕获多达8个空间流和多达160 MHz的信道。

下面的矩阵显示了一个4x4 MIMO(多输入多输出)接收器对来自1x1 SISO(单输入单输出)客户端的80 MHz信号进行CSI捕获的例子。当客户端支持MIMO并通过多个天线发送多个流时,矩阵就变成了三维的。

注:每行代表一个天线;每列代表一个子载波。80 MHz带宽共234个可用子载波,160 MHz共468个可用子载波

从上面可以很容易地观察到,CSI是一个非常细粒度和高分辨率的功能。它增加了频域和空间域的多样性。

此外,每个CSI都有振幅和相位值,这比RSSI的信息量要大得多,而RSSI只是一个整数,代表每个数据包的信号强度。

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

还需要指出的是,时间序列CSI信息对所有Wi-Fi传感应用非常关键,从运动检测、活动检测和识别到生命检测等。

安森美半导体的QCS-AX和QCS-AX2 Wi-Fi 6芯片组支持高达3毫秒间隔的实时CSI捕获。将CSI用于Wi-Fi传感可显著提高颗粒度、灵敏度、准确性和鲁棒性。


表1、QCS-AX和QCS-AX2方案所支持的CSI功能摘要

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