Группа ученых из университета штата Юта (США) предложила
новый метод использования беспроводных сетей ближнего радиуса действия. В их
работе описан алгоритм, который по изменению силы сигнала определяет перемещение
объектов между узлами беспроводной сети. Уже сейчас экспериментальная система
из 34 узлов может точно определять местоположение человека в закрытой комнате с
точностью до метра.
Исследователи Джоуи Уилсон (Joey Wilson) и Нил Патвари (Neal
Patwari) разработали систему под названием VBRTI (Variance-Based Radio
Tomographic Imaging – Радиотомографическая съемка на основе отклонений).
Технология обнаружения движущихся объектов основана на анализе сигналов,
передаваемых между точками по протоколу IEEE 802.15.4. Хотя этот протокол
предусматривает передачу сигналов в том же диапазоне, что и Bluetooth, а также
некоторые разновидности Wi-Fi, отличие состоит в малой скорости передачи
данных, небольшом радиусе действия, а главное – высокой защищенности от явления
интерференции. Именно протокол IEEE 802.15.4 стал основой для домашней
автоматики и домашних сетей, таких как ZigBee.
Основной принцип, на котором построена система VBRTI,
исходит из предположения, что весь обмен сигналами между каждыми двумя приемопередатчиками
IEEE 802.15.4 происходит внутри эллипса, а фокусные точки этого эллипса
располагаются на прямой, проведенной между этими устройствами. Нельзя узнать
точную траекторию сигнала при конкретной передаче: каждая траектория находится
в собственных условиях интерференции. Тем не менее, существует теоретическая
возможность узнать, что какой-то объект на пути сигнала перемещается, поскольку
сила сигнала на отдельном подмножестве траекторий будет меняться из-за
изменения условий интерференции.
Сам по себе такой сигнал будет иметь недопустимо низкое
разрешение, однако авторы решили получить информацию о местоположении
движущегося объекта из сети беспроводных устройств. Каждая пара
приемопередатчиков даст свой срез обстановки, поэтому серия таких срезов позволяет
реконструировать гораздо более полную информацию, причем в трехмерной форме.
Расчет местоположения движущихся объектов по изменению
условий интерференции потребовал сложного математического аппарата. Если
описать подход в двух словах, авторы поделили исследуемое помещение на набор
вокселов (voxel – Volume Pixel – пространственный пиксел). Для каждого воксела
ученые рассчитали, какие пары приемопередатчиков будут передавать сигнал через
этот воксел. Далее ученые анализировали соотношение отклонений в сигналах для
всех таких пар по каждому отдельному вокселу. Для любопытных – связь движения с
силой сигнала рассчитывается с помощью метода регуляризации
Тихонова, а для повышения точности съемки при отслеживании движения
используется фильтр
Калмана. Теоретически, в итоге расчетов должна получиться пространственная
карта, где в каждом вокселе указано – есть ли движение в его границах.
Для проверки своих теоретических выкладок авторы построили
стенд – комнату размером примерно 6 на 6 метров. 34 узла IEEE 802.15.4 за стенами комнаты образовали единую сеть с регулярной передачей сигналов. Обработка
сигналов выполнялась на обычном ноутбуке. Каждый раз, когда человек в комнате
двигался, исследователи видели на экране пузырь диаметром около полутора
метров. Система VBRTI отличается от уже существующих систем
для видения «сквозь стены» еще и низкой стоимостью – беспроводное оборудование
дешевеет день ото дня, а нынешние
решения стоят более 100 тысяч долларов США за штуку.
Подробнее о системе дистанционного обнаружения движущихся
объектов в недоступных помещениях VBRTI с помощью серийных беспроводных
приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4 можно прочитать в обзоре на сайте Ars
Technica, в статье на сайте MIT Technology Review,
а также в оригинальной работе Уилсона и Патвари на сайте arxiv.org.
|
