基于LTE的无源人体动作识别的研究

发布时间：2020-09-26 17:47

　　在以普适计算为代表的新型互联网技术中,基于无线网络的无源人体动作识别技术已经成为了一个非常热门的研究课题。然而,现有的基于无线网络的人体动作识别的研究工作在感知范围、部署成本和稳定性等方面还存在一定的缺陷。商业蜂窝网络基站的超密集部署使得LTE无线信号基本达到了广域覆盖,本文设计实现的系统SpiderMon首次实现了利用LTE信号作为感知信号来进行大范围、低部署成本和稳定的无源人体动作识别。我们基于通用软件无线电外设来实现SpiderMon系统,该系统能够通过被动地侦听商业蜂窝基站发送的LTE信号并根据信道频率响应的微小变化来捕捉周围的人体运动,因此我们无需部署信号发送端。我们提出了一种两阶段的相位偏移估计方法来估计载波频率偏移和采样频率偏移引起的相位偏移,并通过频率补偿的方式来减小采集到的信号中的相位噪声。我们通过采用多线程编程技术以及使用因特尔数学核心函数库等多种手段来加速信号的处理,通过实际测试发现,SpiderMon处理一帧时长为1ms的LTE信号所需的时间仅为0.39ms。因此,普通工作站通过运行我们实现的SpiderMon可以实现实时连续地采集和处理LTE基带信号。我们通过可行性分析实验验证了基于LTE信号可以测量出监控目标的运动距离和运动速度等细粒度参数。随后,我们结合人体动作的频谱图分析了人体动作在时域和频域两个维度上的特征,以及不同动作之间这些特征的差异性。最后,SpiderMon利用短时傅里叶变换提取得到人体动作的频谱特征,并利用支持向量机技术来训练人体动作分类模型,然后使用该分类模型进行人体动作的识别。本文的主要创新点是在基于无线网络的动作识别领域中,本文首次提出了利用LTE信号作为感知信号来实现无源人体动作识别。我们实施了大量的实验来评估SpiderMon进行人体动作识别时所表现的性能。实验结果表明,与现有的基于Wi-Fi信号的动作识别系统的感知范围一般不超过5m相比,SpiderMon的感知范围不低于20m。在监控目标与接收天线相距20m的条件下,系统对6种人体动作的平均识别率达到了91.23%。在有墙壁遮挡的情况下,系统对5m以外的人体动作的平均识别率依旧达到了89.69%。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

动作识别,应用场,人机交互方式,示例

型人机交互方式（Ｈｕｍａｎ邋Ｃｏｍｐｕｔｅｒ丨ｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ＨＣＩ）ｍ、敏感区域入侵者检测⑶、人逡逑体步态识别｜４１、以非接触式地隔空操控家用电器为代表的智能家居、基于动作捕逡逑捉的游戏娱乐以及面向独居老人的健康看护等。如图１－１所示，基于动作识别技逡逑术，用户可以通过手势动作来实现对小屏幕的智能手表的非接触式操控。正因如逡逑此，动作识别吸引了众多科研工作者的研究兴趣，促使他们在该领域的理论基础逡逑和应用深度的探索过程中做出了许多有益的尝试ｔ逡逑图１－１基于动作识别的新型人机交互方式应用场累示例１：１逡逑传统的动作识别系统？般是基于摄像头Ｉ５６！、丨丨；？达ｎ和＂ｊ？穿戴传感器ｉ＊．９ｉ实观逡逑的。然而，基于摄像头的动作识别系统，其局限性在于动作识别的准确率受光照逡逑的影响很大，并且要求摄像头与用户之间不存在遮挡物。此外，这种系统还天然逡逑的存在泄露用户隐私的缺陷；基ｆ低成本的６０ＧＨｚ雷达的动作识别系统的感知逡逑范围通常只奋儿丨－庳米，而军用雷达因造价及其他Ｗ尜eA然尤法适用于Ｕ常屮活：逡逑基ｒ＂丨穿戴传感器的动作ｉ只别系统山于需要川户佩戴传感器，通常丨丨：用户觉得侦逡逑用起来比较麻烦《逡逑无线网络技水的飞速发展，促成／互联网技术的＋断革新。在以普适计算力逡逑代表的新型互联Ｍ技术屮

幅度变化,子载波,信号,无线电信号

放大器和ＧＰＳ标准时钟来提高传输信号的质量，所以这些参考信号具有高度稳逡逑定的幅值和相位。由于人体能够反射电磁波，所以人体的运动会对这种高度稳定逡逑的ＣＲＳ产生干扰，如图１－２所示，当周围有人行走时，信号接收端采集到的ＣＲＳ逡逑的信道频率响应（Ｃｈａｎｎｅｌ邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋Ｒｅｓｐｏｎｓｅ，邋ＣＦＲ）将会发生明显变化，图１－２展逡逑示了邋ＣＦＲ幅度的变化情况。有关ＣＦＲ的概念将在本文第二章进行介绍。正如本逡逑文第二章ＬＴＥ基础部分所述，现有的商用４Ｇ蜂窝网络基站可以在２００条子载波逡逑上连续不断地传输ＣＲＳ，因此通过信号接收端采集来自基站的广播信号，我们可逡逑以提取出足够详细的数据用于分析信号接收端附近的人体活动。可见，４Ｇ蜂窝逡逑网络在给用户提供高速的上网体验的同时，也为基于ＬＴＥ的人体活动感知提供逡逑了可能。逡逑基于无线网络的动作识别系统的核心要素是作为感知媒介的无线电信号，而逡逑无线电信号的特征对于系统的性能有着至关重要的影响。前面己经提到过，现有逡逑的基于无线网络的动作识别解决方案所使用的Ｗｉ－ＦＫ超声波音频等无线电信号逡逑存在无法满足远距感知识别的缺陷

监控目标,应用场,中国移动,信号接收

逡逑识别。其应用场景如图１－３所示。我们设计并实现了邋ＳｐＫｌｅｒＭｏｎ系统，该系统能逡逑够利用商业蜂窝基站传输的ＬＴＥ信号进行人体活动的监测，因此我们无需部署逡逑信号发送端。因为信号接收端附近的人体运动会导致信号接收端附近的多径发生逡逑动态变化，从而导致接收端的信号发生波动。所以同蜘蛛在捕猎时仅需要感知蛛逡逑网上的微小振动类似，ＳｐｉｄｅｒＭｏｎ在执行监测任务时通过被动地侦听ＬＴＥ信号，逡逑然后计算出信道频率响应（ＣＦＲ），就能够通过感知信号接收端采集到的ＬＴＥ信号逡逑中ＣＦＲ的微小变化来捕捉周围的人体运动。逡逑在实现ＳｐｉｄｅｒＭｏｎ的过程中，为了通过频率补偿来减小因信号收发端时钟不逡逑同步导致的接收端采集到的信号中的相位噪声，我们提出了一种两阶段的载波频逡逑率偏移（ＣＦＯ）和采样频率偏移（ＳＦＯ）的估计方法。为了将目标运动与背景干扰分逡逑离开来，我们使用栅格天线来限制反射信号的入射角度。为了实现连续实时的监逡逑控

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