科研笔记(八) 深度学习及其在 WiFi 人体感知中的应用(下)
论文题目:Deep Learning and Its Applications to WiFi Human Sensing: A Benchmark and A Tutorial
论文作者:Jianfei Yang, Xinyan Chen, Dazhuo Wang, Han Zou, Chris Xiaoxuan Lu, Sumei Sun, Fellow, IEEE and Lihua Xie, Fellow, IEEE
工作单位:新加坡南洋理工大学,英国爱丁堡大学等
发表刊物:arxiv, pp. 1-17,2022
II. PRELIMINARIES OF WIFI SENSING
A. CSI简介
在WiFi通信中,CSI(信道状态信息)反映了无线信号经过衍射、反射和散射后在物理环境中的传播情况,描述了通信链路的信道特性。对于一对发射器和接收器天线,CSI描述了多径相移和每个子载波上的幅值衰减。与RSS(接收信号强度)相比,CSI数据具有更好的传感分辨率,在WiFi信号传播的环境下可视为“WiFi图像”。在WiFi感知中,CSI记录功能由专用工具[1]、[2]实现。CSI估计可表示为:
H i = ∥ H i ∥ e j ∠ H i H_i=\parallel H_i \parallel e^{j\angle H_i} Hi=∥Hi∥ej∠Hi
其中 ∥ H i ∥ \parallel H_i \parallel ∥Hi∥和 ∠ H i \angle H_i ∠Hi分别代表第 i i i个子载波的幅度和相位。
B. CSI工具
CSI工具 | 带宽 | 子载波数量 | 设备 |
---|---|---|---|
Intel 5300 CSI Tool | 20MHz | 30 | Intel 5300 NIC |
Atheros CSI Tool | 20/40MHz | 56/114 | Atheros NIC |
Nexmon CSI Tool | 80MHz | 256 | 智能手机&树莓派 |
C. CSI数据转换和清理
- Q:如何处理CSI数据使其适用于WiFi感知?
- A1:只使用CSI振幅数据作为输入。
- A2:在基于模型的方法中,利用天线之间的CSI相位差异作为输入。
- A3: 使用经过处理的CSI多普勒表示,例如,提出BVP(人体坐标速度剖面)来模拟反映人体运动的多普勒特征[31]。
D.CSI数据对人体的影响
为了将CSI数据与深度学习模型相结合,本文总结了有助于更好地理解深度模型设计的CSI数据属性:
- 子载波维度—空间特征
- 时间维度(连续数据包)----时间特征
- 天线维度—分辨率和信道特征
III. DEEP LEARNING MODELS FOR WIFI SENSING
A.用于WiFi感知的深度学习模型(2017-2022)
B.WiFi感知领域常用深度学习模型的基本原理
C.WiFi感知领域常用深度学习模型的评价
- MLP:参数多,收敛速度慢,计算开销大;
- CNN:卷积层过多(>20),梯度消失问题导致性能下降;
- RNN:反向传播时存在梯度消失问题,无法捕获CSI的长期依赖关系;
- LSTM:克服了Vanilla RNN存在的问题;
- Transformer:参数多,训练成本高,且难以收集大量的带有标签的CSI数据。
IV. LEARNING METHODS FOR DEEP WIFI SENSING MODELS
- 监督学习:传统的深度模型训练依赖于有大量标记数据的监督学习,但数据的收集和标注是现实WiFi感知应用的瓶颈。
- 少样本学习:由于只需要少量样本,因此在实际应用中,少样本学习有助于基于WiFi的手势识别和人体识别。
- 迁移学习:在WiFi感知场景中,由于CSI数据高度依赖于环境,因此跨域场景十分常见。迁移学习被用来解决跨域问题。
- 无监督学习:可以强化模型,获得更好的泛化能力。
- 集成学习:可以提高模型分类性能,但计算开销也会成倍增长。
V. EMPIRICAL STUDIES OF DEEP LEARNING IN WIFI SENSING: A BENCHMARK
A. 实验设置
B. 深度模型评估
C. 学习策略评估
VI. DISCUSSIONS AND SUMMARY
PS:由于论文是发表在axvir上的,文中一些细节难免存在疏漏。比如图2中小标题中提到的三种人类活动,而实际图像涉及到了四种活动,并且上下两行的图像来源也没有给出详细的介绍。
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