伦敦大学学院使用NI USRP和LabVIEW追踪WiFi讯号并被动看穿墙面

伦敦大学学院 (UCL) 的研究采用创新方式，透过深入的努力，有助于解决世界上最急迫的问题。 无论是设计更健康的城市，还是解决全球健康与气候变迁等问题，日常生活的挑战都为 UCL 学生和学者带来了许多灵感。 我们的团队位于 UCL，由电子工程研究员组成，目前正在调查被动式雷达技术，只要使用 WiFi 无线电波形来看穿墙面。

我们的创新研究需要实时的被动式 (非协同式) 无线目标侦测示范系统，可以穿透墙面和障碍物追踪移动的物体/人体。 我们的方式和传统的雷达系统很像，必须侦测无线电波形中的 Doppler 变化，因为这些变化反映了移动的物体。 然而，传统雷达系统会主动传输无线电波，但是我们的被动式系统会仰赖早已充斥在都市航道的现有 WiFi 讯号。 频谱占用与功率放射彻底缺乏，可确保我们的雷达不会被侦测到，所以很适合都市区的军事与安全监控项目。

图 1. 使用创新的雷达系统来监控人质安危

除了公共防御应用之外，我们的被动式侦测还可以用于多种情境，包含群众/交通监控和人机界面。 不同类型的无线讯号可用于不同的情境。 举例来说，我们的系统可以撷取 IEEE 802.11x (b、g、n、ac) 讯号，侦测室内的移动目标以保障安全，例如人质安危。 除此之外，相同的系统也可用来监控行动讯号，例如 Global System for Mobile Communications (GSM) 或 Long-Term Evolution (LTE)，以便侦测移动车辆的方向和速度，接着再据此触发合适的机器反应。

如果要让我们所设计的雷达系统达到最丰富的功能，就必须透过多个通道，确保与多种频带兼容。 这个系统必须具备充裕的弹性，才能搭配几乎各种 WiFi 讯号 (IEEE 802.11 b、g、n、ac)、FM 和行动讯号运作。 这必须仰赖灵活有弹性、可容纳宽带范围的 RF 硬件，以及可轻松设定的讯号处理软件。

除了准确撷取目标物的移动之外，我们还需要至少 2 个接收器通道，以便处理频域，也就是所谓的模糊分析。 其中一个通道会从直接路径到当地的无线讯号传输器 (例如 WiFi 路由器) 锁定至基础无线电讯号，这里的传输器会变成参考通道。 另一个接收器通道会量测参考讯号，因为其反射了移动中的目标，所以是监控通道。 就最简单的层面而言，可以比较参考和监控讯号，以便确认侦测目标的速度和位置。 不过其实这会需要进阶的模糊分析、交叉相关、傅立叶转换、智能型错误侦测等功能。

就我们的研究项目而言，我们顺利打造出双通道示范系统，透过可用的 WiFi (IEEE 802.11x) 讯号来侦测门/墙后的移动物体或人体。我们的系统核心包含了两个 USRP-2921 RF 收发器，可用来接收参考和监控讯号。 USRP 不只满足我们的准确度和频率范围需求，软件定义的特性还能够帮助我们快速反覆设计算法。

就软件而言，我们选择了LabVIEW。 然而，刚开始我们也调查过其他工具，例如 GNU Radio，透过 C++ 来处理资料。 我们的模糊分析包含了深入的矢量计算与视觉化功能，需要复杂的多执行绪操作，因此难以透过传统的文字式语言完成实作。 LabVIEW 本身就是一种多重执行绪的开发工具，当然可以降低我们的程序码复杂度。 再加上其他的 LabVIEW 特性，例如直觉式的图形化程序设计和内建的设计样式，缩短了数周的开发时间。

图 2. 软件架构概述

NI USRP 平台提供多种频带，从 50 MHz 到 5.9 GHz 都有，所以我们的被动式雷达系统可以涵盖大范围的无线讯号，包含 FM、GSM、LTE、IEEE 802.11x、IEEE 802.16，以及数位声音广播 (DAB) 或数位影像广播 (DVB)。 我们在每个频带上使用一个速度为 25 MS/s 的 20 MHz 基频 I/Q 频宽串流，以便搭配 LabVIEW 完成主机为主的处理作业。 够大的频宽可以撷取用于被动式目标侦测示范、最广的通讯讯号。

除了宽带带范围之外，USRP 还有另一个好处，就是有个专属的连接埠，可用于菊链串联并同步化进阶的多重输入/输出 (MIMO) 系统。 如果日后研究必须扩充雷达系统，此功能可说是相当实用。

如需设定 USRP，LabVIEW 提供一个 API 可让我们快速开启、设定并启动接收器的工作阶段；还可以设定中央频率、IQ 取样率、通道增益、样本长度等参数；也可接收空中的资料。 API 提供复杂的双/半精度浮点资料，可根据不同的处理准确度和速度需求加以调整。 完成撷取之后，就可使用 LabVIEW 的数学与讯号处理工具，把模糊处理套用至 IQ 资料。

我们透过 USRP 和 LabVIEW，迅速建置并测试被动式无线侦测示范系统。 我们透过 LabVIEW 内建的函式，即可在单一区块中有效实作一系列的矢量操作，例如阵列子集、索引阵列、阵列重新定型和分析。 除了数学函式之外，我们也可以使用内建的 LabVIEW 讯号处理函式，执行量身打造的快速傅立叶转换，缩短运算和程序设计的时间。

完成时频模糊分析之后，我们针对处理过的讯号套用了一个可以随着环境灵活变动的临界值，藉此判断所侦测到的结果是否是目标本身，或者只是假警报。

我们使用两个侦测情境来示范系统设计的功能。 第一个情境是使用 15 dBm 的常见 WiFi 存取点 (AP) 所提供的 WiFi 讯号发射，侦测一个行人。 就实验设定而言，25 公分厚的砖墙会区分行人和 WiFi AP vs. 参考和监控天线 (图 3)。 USRP 会把参考和监控讯号数字化，并且透过 LabVIEW 处理这两种讯号。

第二个情境是使用相同的实验环境，穿透墙面侦测人体动作。 两个情境的差别在于人体目标动作的类型和强度。 如要侦测情境二的小动作，必须针对更长的整合时间和更低的侦测临界值，使用不同的软件处理参数。

图 3. 穿透墙面侦测动作的实验设定

图 4 显示了情境一的侦测结果，有个人正在来回走动。 LabVIEW 前面板显示了实时的 Doppler 表面结果 (左上方)、确定的目标 (中上方)、目标范围槽的频谱 (右上方)、显示 60 分钟侦测历史的Doppler 纪录 (左下方)，以及目标强度的索引纪录 (右下方)。 临界值会套用至目标强度索引，只要侦测讯号超过特定准位，系统就会把目前的侦测状况当成有效的目标。 Doppler 纪录图 (左下方) 清楚显示了 Doppler 正/负转换，对应至向前/向后的行走方向。

图 4. 穿透墙面侦测行人 (情境一)

图 5 显示了小型人体动作的侦测结果，也就是某人从蹲姿改成站姿。 在此情况下，系统可以辨识小型干扰所造成、低于 1 Hz 的 Doppler 差异。 每个间歇性波形都代表一个侦测到的蹲姿-站姿动作周期，Doppler 正转换代表部分人体正在接近监控天线。 因此我们改良了雷达系统，藉此侦测甚至更小的动作，例如手势。

图 5. 穿透墙面侦测人体动作 (情境二)

透过 USRP 架构雷达系统取得的实验结果确切地证实了穿墙被动式 WiFi 感测的概念。 此外，由于 NI 解决方案具有高灵敏度，我们还可以侦测远比当初设想还小的动作。

如果要快速制作原型，以便完成无线讯号的传输、接收与处理作业，LabVIEW 和 NI USRP 都是相当理想的选择。 宽带带和现成的讯号处理函式库有助于加快程序码开发和实验速度。

对于创新被动式雷达方案的未来使用方式，我们感到非常兴奋，例如公共安全 (劫机或人质安危)、eHealth (老年人监控系统) 和全新的人机界面 (可用于工业和娱乐)。

除了可以确实验证概念之外，我们的示范被动式侦测系统可做为高度互动的教学平台，适用于工程学生，也可做为未来被动式侦测算法开发的测试台。

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要是能提供文件就更好了

请问小编这个原文出处是哪里啊?

小编可以提供源文件吗?

小编，请问能够把该报道对应的paper给我发一下吗（题目也行）? 谢谢！yajunzhang369@163.com