近日，计算机网络领域的顶级学术会议ACM MobiCom 2024在美国华盛顿特区顺利召开，电信学院王巍教授团队博士生董慧鑫在现场做了最新研究工作“GPSense: Passive Sensing with Pervasive GPS Signals”的报告。我院王巍教授团队一年级博士生王宁也在现场向与会学者实时演示了基于GNSS信号的呼吸感知技术及其感知效果。
*基于GNSS信号的实时呼吸感知系统演示视频
该论文合作者还包括美国马赛诸萨州大学阿默斯特的博士生崔敏浩（共同一作），指导老师有微软亚洲研究院的邱锂力教授、熊杰教授和华中科技大学电信学院王巍教授（通讯作者）。
在该论文中，王巍教授团队详细介绍了近期研究设计的一种利用环境中的GNSS卫星信号感知周围人员活动的泛在无线感知技术，可实现对周围人员的动作感知，轨迹追踪乃至细粒度的呼吸感知。
无线感知技术是近年来有潜力成为改造人类生产、生活方式的颠覆性技术之一。该技术极大延伸了人类感官，激发了我们对其未来应用的无尽想象。在智慧农业，智慧城市、工业与健康监测领域都有着丰富的应用。然而，现有无线感知技术需要预先部署好相应的基础设施（如WiFi AP， LoRa网关等），但地表上很大一部分区域没有预先部署好的基础设置，甚至不具备相应的基础设置的部署条件，极大地限制了无线感知技术的应用。针对这一问题，我院王巍教授团队提出了基于GNSS信号的泛在无线感知技术。利用广泛覆盖的GNSS信号（全球覆盖），实现更为普适、泛在的无线感知。
图1 利用GNSS信号实现泛在无线感知示例
（一）消除卫星运动等因素对信号的影响，提取周围人员走动对信号带来的相对变化；
（二）基于卫星信号远场辐射特征，借鉴几何光学的衍射和反射特征，构建只与入射方向有关，与卫星、接收机位置无关的轻量级感知模型。
（三）分析同一动作对不同入射方向卫星信号的反射与衍射影响，联合多卫星信号进行细粒度的动作及人员感知。
图2 示例-挥舞左右手对不同方位角方向卫星信号幅度相位影响
图3 示例-挥手/抬腿等动作对不同俯仰角方向卫星信号幅度相位影响
王巍教授团队分别在三种常见的GNSS接收器上实现了GPSense系统，在使用GPSense技术对八种典型的动作进行了分类识别，平均识别准确率均在94%以上。
图4 典型动作识别准确率
图5 不同GNSS接收机感知性能分析
此外，王巍教授团队也分析了基于GPSense系统实现被动人员追踪的可行性及性能。在户外固定好GNSS接收天线后，若存在感知目标在附近活动，可以根据不同方位角、俯仰角的卫星信号受扰动情况及先后顺序，推算出目标的距离以及运动轨迹，在2米范围内，对目标的轨迹追踪准确度高达分米级。
图6 基于GNSS信号的目标轨迹追踪性能分析
利用多颗卫星还可以通过对细粒度的胸部运动进行感知进而实现呼吸检测。通过对受测目标胸部反射的多颗卫星信号变化进行融合结算，可实现细粒度的呼吸检测，检测误差低于0.6次每分钟。
更多关于不同天气、环境、设备及人员干扰等因素对感知性能的影响详见论文原文。
该论文介绍了王巍教授团队提出的首个基于卫星全球定位系统（GNSS）信号的无线传感系统。通过根据商用全球导航卫星系统接收器报告的测量结果重建信号，王巍教授团队使全球导航卫星系统信号的传感成为可能。根据全球导航卫星系统信号的独特属性，即极长的传输距离，建立了两种传感模型。王巍教授团队进一步提出了分布式传感的概念，以融合来自多颗卫星的全球导航卫星系统信号，从而提高传感性能。该团队在商用全球导航卫星系统接收器上实施并评估了 GPSense。相信他们所提出的新传感模式能够激发利用不同卫星空间分布特征的传感应用。
论文地址：
https://metaiot.group/publication/paper/mobicom24-GPSense.pdf
团队负责人：王巍
团队主页：https://metaiot.group/
联系方式：weiwangw@hust.edu.cn
（图文来源于王巍教授团队公众号MetaloT）
