1物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論IntroductiontoInternetofThings毫米波感知#3BABA6#2C71B62承前啟后前一章介紹了無源感知網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)討論了能量獲取，感知方面的挑戰(zhàn)，通信和組網(wǎng)，最后探討了無源感知網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和未來趨勢(shì)本章我們主要關(guān)注毫米波感知。介紹毫米波感知的具體平臺(tái)，以及信號(hào)調(diào)制與處理的方法。并討論毫米波感知的具體應(yīng)用3本章內(nèi)容5.1毫米波感知平臺(tái)5.2信號(hào)調(diào)制與處理5.3毫米波感知應(yīng)用5.4總結(jié)毫米波感知平臺(tái)與其他無線信號(hào)相比，毫米波具有高頻率和大帶寬的優(yōu)勢(shì)。這意味著其能夠感知的粒度更細(xì)，精度更高4毫米波感知技術(shù)的硬件平臺(tái)主要包括商用毫米波雷達(dá)和支持60GHz的Wi-Fi設(shè)備。得益于極短的波長，毫米波設(shè)備能夠擁有小尺寸的天線陣列TiAWR1642TP-linkTalon7200商用毫米波雷達(dá)商用毫米波雷達(dá)相比于軍用的，其特點(diǎn)是體積小、易集成、成本低、易部署5毫米波雷達(dá)的硬件組成通常包括多個(gè)天線組成的天線陣列，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以及信號(hào)處理模塊使用特定的電磁波和信號(hào)處理技術(shù)，商用毫米波雷達(dá)能夠?qū)ξ矬w的距離、方向和速度進(jìn)行測(cè)量TI

AWR1843毫米波雷達(dá)天線陣列數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與信號(hào)處理模塊TP-LinkAD7200路由器60GHzWi-Fi設(shè)備60GHzWi-Fi設(shè)備遵循IEEE802.11ad、IEEE802.11ay等標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了波束成形(Beamforming)技術(shù)6設(shè)備能夠發(fā)出很窄的波束，達(dá)到定向通信的效果。同時(shí)在感知層面也具有較高的空間分辨率正交頻分復(fù)用（OFDM）的調(diào)制方式也使設(shè)備能夠利用多個(gè)子載波得到更豐富的感知信息家庭中的60GHz

Wi-Fi7本章內(nèi)容5.1毫米波感知平臺(tái)5.2信號(hào)調(diào)制與處理5.3毫米波感知應(yīng)用5.4總結(jié)調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)以毫米波雷達(dá)為例，毫米波雷達(dá)通過連續(xù)發(fā)送和接收FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)信號(hào)對(duì)目標(biāo)的位置、速度和角度進(jìn)行感知8FMCW信號(hào)的特點(diǎn)是：在一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)頻率隨時(shí)間線性變化。在同一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)波形相同，但存在一定的傳播時(shí)延FMCW信號(hào)距離測(cè)量9發(fā)射信號(hào)：接收信號(hào)：混頻得到差拍信號(hào)：通過差拍信號(hào)的頻率與相位測(cè)量距離FMCW信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后回到接收端時(shí)，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間存在一定的頻率差頻率差與物體到雷達(dá)的距離線性相關(guān)，因此可通過頻率差計(jì)算物體到雷達(dá)的距離毫米波感知的理論模型速度測(cè)量10由于收到的反射信號(hào)包含從多個(gè)不同距離處反射的信號(hào)，為得到想要的反射信號(hào)，需對(duì)一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的差拍信號(hào)做Range-FFT操作Range-FFT結(jié)果中每個(gè)距離對(duì)應(yīng)一個(gè)復(fù)數(shù)值，代表該距離處的反射信息。這個(gè)反射信號(hào)為對(duì)連續(xù)多個(gè)信號(hào)周期的反射信號(hào)進(jìn)行Doppler-FFT操作，利用反射信號(hào)的相位-距離轉(zhuǎn)化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體速度的估計(jì)毫米波感知的理論模型方向測(cè)量11利用多根天線能夠區(qū)分不同方向的多個(gè)物體對(duì)一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)多根天線的反射信號(hào)進(jìn)行Angle-FFT操作，利用不同反射信號(hào)的時(shí)延以及天線間的空間位置，對(duì)物體所在方向角度進(jìn)行估計(jì)天線個(gè)數(shù)越多，空間分辨率越高為實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率，常使用波束成形技術(shù)，能夠增加雷達(dá)對(duì)某個(gè)方向的接收增益毫米波方向測(cè)量的理論模型12本章內(nèi)容5.1毫米波感知平臺(tái)5.2信號(hào)調(diào)制與處理5.3毫米波感知應(yīng)用5.4總結(jié)工業(yè)測(cè)振13工業(yè)場(chǎng)景中物體振動(dòng)只有微米級(jí)別，使其他無線信號(hào)無法感知如此細(xì)微的變化傳統(tǒng)的基于嵌入式傳感器的測(cè)振方案，往往面臨部署困難、成本偏高、不易維護(hù)等難題利用毫米波雷達(dá)對(duì)距離的高分辨能力，可以對(duì)微小振動(dòng)進(jìn)行精確的恢復(fù)，最終能夠成功從反射信號(hào)中恢復(fù)出微米級(jí)的振動(dòng)工業(yè)場(chǎng)景中的微米級(jí)振幅感知語音識(shí)別14麥克風(fēng)收到的聲音信號(hào)包含著環(huán)境中豐富的噪聲，不能提供高質(zhì)量的原始聲音信號(hào)同時(shí)，基于聲音信號(hào)的聲音識(shí)別與認(rèn)證一直深受重放攻擊（replayattack）等攻擊手段的困擾利用毫米波對(duì)用戶的喉部振動(dòng)進(jìn)行感知，根據(jù)喉部振動(dòng)信息直接得到用戶發(fā)聲的信號(hào)特征甚至能夠重構(gòu)出用戶的發(fā)聲。在抵御重放攻擊的同時(shí)，也能去除環(huán)境噪聲對(duì)語音認(rèn)證系統(tǒng)的干擾毫米波語音識(shí)別模型手勢(shì)識(shí)別15通過觀察不同手勢(shì)對(duì)反射信號(hào)帶來的影響，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，將反射信號(hào)映射到對(duì)應(yīng)的手勢(shì)，完成手勢(shì)識(shí)別與光學(xué)成像的手勢(shì)識(shí)別方式相比，毫米波感知所需處理的數(shù)據(jù)較少，可以在計(jì)算能力相對(duì)有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上使用。同時(shí)，毫米波信號(hào)具有一定的穿透力，即使受到輕微的遮擋，也能很好地完成手勢(shì)識(shí)別的工作毫米波手勢(shì)識(shí)別示意圖環(huán)境感知16利用新型材料能改變毫米波信號(hào)頻率的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別、環(huán)境感知如鐵磁墨水打印出的不同圖案會(huì)導(dǎo)致毫米波信號(hào)頻率改變。將標(biāo)簽的形狀與信號(hào)的頻率一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了基于紙張的毫米波可掃描標(biāo)簽系統(tǒng)，具有超低成本、環(huán)境友好、無須供能和支持并發(fā)處理等優(yōu)勢(shì)4種不同的標(biāo)簽?zāi)Ｊ?7本章內(nèi)容5.1毫米波感知平臺(tái)5.2信號(hào)調(diào)制與處理5.3毫米波感知應(yīng)用5.4總結(jié)18發(fā)展與展望毫米波感知應(yīng)用前景廣闊作為具有更精細(xì)感知能力的新型無線信號(hào)，毫米波能夠?qū)崿F(xiàn)如微小粒度的位移感知以及復(fù)雜環(huán)境中的精細(xì)感知等應(yīng)用未來發(fā)展仍存挑戰(zhàn)毫米波信號(hào)由于高頻率導(dǎo)致的快速衰減特性使它并不適用于遠(yuǎn)距離感知在實(shí)際應(yīng)用中還需要結(jié)合需求和環(huán)境條件選擇合適的技術(shù)以完成感知任