Applicazioni e limiti dell'imaging WiFi

La tecnologia dell'informazione, comunemente nota come IT, ha fatto progredire molti settori come l'automobile, l'edilizia, il software e la medicina. Gli esperti e gli scienziati dell'IT hanno anche esplorato la fattibilità di una potente tecnologia di imaging nota come Wi-Fi imaging.

La tecnologia di imaging computazionale ha un vasto campo di applicazione nel rilevamento e nell'identificazione degli oggetti. Gli scienziati hanno ideato molte tecniche utilizzando l'imaging tradizionale a microonde, ma non sono riusciti a ottenere risultati produttivi.

Per questo motivo la tecnologia si è evoluta e ha introdotto il Wi-Fi imaging, di cui parleremo in questo post.

Che cos'è l'imaging wireless?

L'imaging wireless è una tecnologia che cattura e trasmette immagini attraverso una rete wireless. Potrebbe sembrare semplice, ma non lo è affatto.

L'imaging wireless è un concetto ampio che riguarda diversi settori, tra cui:

• Automobile
• Casa intelligente o IoT
• Applicazioni industriali

Passeremo in rassegna le applicazioni e i casi d'uso dell'imaging WiFi, ma prima cerchiamo di capire cos'è questa tecnologia.

Introduzione

Il Wi-Fi, o tecnologia Internet senza fili, è stato introdotto nel 1997, quando le persone hanno iniziato a utilizzare i moderni dispositivi di rete. Prima di allora, le fonti di Internet erano le linee telefoniche e altre connessioni via cavo simili.

Dato che la tecnologia era vecchia, gli utenti non hanno mai ottenuto nulla di meglio dall'Internet via cavo, che era lento e pieno di interruzioni di rete. Inoltre, non era affidabile, dato che l'invio di dati da una fonte a una destinazione era un compito rischioso.

Con il passare del tempo, la Wi-Fi Association ha introdotto progressi nella tecnologia wireless e ha aggiornato i dispositivi Wi-Fi, tra cui router, modem, switch e booster.

Questi dispositivi seguono gli standard IEEE WLAN che funzionano con tutti i tipi di stazioni di rete. Lo standard WLAN più comunemente utilizzato nelle connessioni Internet domestiche è 802.11ax.

Sappiamo tutti quanto la tecnologia Wi-Fi sia diventata importante nella nostra vita. Ecco gli usi più comuni del Wi-Fi:

• Comunicazione
• Condivisione dei dati
• Giochi online

Con l'estendersi del Wi-Fi a quasi tutti gli spazi abitativi, gli scienziati hanno scoperto che il Wi-Fi poteva essere utilizzato anche per altre applicazioni. Una delle scoperte è stata quella di migliorare il processo di imaging a microonde utilizzando i segnali Wi-Fi.

Prima di proseguire, cerchiamo di capire alcuni termini tecnici utilizzati in questo articolo.

Dominio della frequenza spaziale

Il dominio spaziale si riferisce all'immagine statica di qualsiasi oggetto, mentre il dominio della frequenza analizza l'immagine con i suoi pixel in movimento. Ciò significa che i ricevitori nell'imaging Wi-Fi catturano le informazioni dell'immagine nel dominio spaziale della frequenza.

Radar WiFi passivo bistatico

Il radar bistatico è un dispositivo utilizzato per misurare la portata di un sistema radar con trasmettitori e ricevitori WiFi separati. Nel sistema radar WiFi bistatico passivo, i ricevitori misurano la differenza di tempo in cui un segnale arriva dai trasmettitori.

Questi ricevitori sono anche responsabili del calcolo del tempo dei segnali WiFi trasmessi e riflessi dal bersaglio reale.

Sistema di imaging a microonde vs. sistema di imaging WiFi

L'imaging a microonde è una tecnologia più vecchia rispetto all'imaging WiFi. Il motivo principale per cui gli scienziati hanno optato per l'aggiornamento tecnologico è che l'imaging a microonde consuma più tempo di elaborazione.

Questa tecnica di imaging ha presentato una scansione meccanica ed elettrica del fascio, che ha dato buoni risultati. Tuttavia, il tempo di acquisizione dei dati in entrambe le tecniche ha rappresentato un inconveniente che ha ritardato l'elaborazione delle immagini nell'imaging a frequenza spaziale.

L'imaging a microonde si è rivelato un'opzione preferibile per il rilevamento e l'identificazione degli oggetti. Anche in questo caso, i campioni scansionati sono stati elaborati con una tecnologia all'avanguardia, ma il problema principale è stato il tempo limitato per la scansione di un raggio su un campo.

Gli scienziati hanno utilizzato la stessa tecnologia anche per il rilevamento di oggetti, ma non sono riusciti a progredire perché i dispositivi non potevano catturare le basse radiazioni elettromagnetiche generate termicamente dalle persone.

Hanno richiesto un grosso investimento per l'acquisto di un moderno ricevitore e di un'apparecchiatura di elaborazione del segnale con un'elevata sensibilità e un'ampia larghezza di banda.

Sistema di imaging WiFi

L'aggiornamento tecnologico è iniziato con l'uso del Wi-Fi, ma ovviamente sappiamo tutti che il Wi-Fi è onnipresente, il che significa che è disponibile in ogni luogo.

A casa, in ufficio, al ristorante, alla stazione ferroviaria o allo stadio, i vostri dispositivi abilitati al Wi-Fi ricevono segnali wireless. È per questo motivo che gli scienziati hanno sfruttato il Wi-Fi e aggiornato le immagini a microonde.

Gli scienziati hanno anche utilizzato il Wi-Fi per rilevare e classificare gli esseri umani attraverso le immagini delle pareti. Poiché le onde radio possono facilmente penetrare attraverso tende, tessuti e pareti, il Wi-Fi è uno strumento potente per l'imaging di oggetti complessi.

L'elaborazione del segnale è inoltre più produttiva con le radiazioni Wi-Fi a causa della loro opacità alle lunghezze d'onda ottiche e infrarosse.

Per questo motivo, la nuova tecnica utilizza l'imaging tradizionale a microonde con segnali Wi-Fi. I trasmettitori WiFi indipendenti che illuminano questi segnali sono responsabili dell'avvio del processo, mentre il ricevitore cattura le informazioni dell'immagine nel campionamento e nel dominio della frequenza spaziale.

Il nuovo sistema di imaging Wi-Fi utilizza tecniche di radar passivo su radiazioni di terze parti. Il radar passivo utilizza queste radiazioni per:

• Rilevamento
• Tracciamento

Un'altra differenza tra l'imaging a microonde e quello WiFi è che il primo utilizza array di antenne sparse per elaborare le immagini, ma purtroppo misura solo le radiazioni EM generate termicamente molto basse.

La tecnologia aggiornata utilizza invece segnali Wi-Fi che funzionano su normali ricevitori con una frequenza di 25 MHz e un tempo di integrazione di 10 microsecondi. La frequenza e il tempo di integrazione sono migliorati utilizzando i segnali WiFi per l'imaging computazionale.

Pertanto, il metodo proposto nella versione aggiornata del sistema di imaging a microonde può funzionare con apparecchiature a basso costo e dare risultati migliori. Non è necessario investire in ricevitori ad ampia larghezza di banda per utilizzare un array rado.

I ricevitori esistenti possono utilizzare i segnali Wi-Fi in quanto sono disponibili quasi ovunque. Inoltre, solo i componenti del segnale correlati rimangono nel tempo assegnato. Pertanto, questi segnali possono potenziare l'imaging computazionale per scopi di rilevamento e comunicazione.

Perché il Wi-Fi Imaging è un approccio migliore?

L'imaging che utilizza i segnali Wi-Fi è migliore rispetto alle tecnologie precedenti per vari motivi. Ad esempio, l'imaging che utilizza l'elaborazione dei segnali Wi-Fi consiste in un fattore di conservazione della privacy.

Inoltre, non è necessario spendere migliaia di dollari per acquistare ricevitori di fascia alta: le misurazioni della potenza WiFi sono sufficienti per analizzare il rilevamento e la classificazione degli oggetti e per garantire il successo dell'imaging.

Sebbene siano disponibili hardware specializzati per l'imaging, essi richiedono altri componenti aggiuntivi che aumentano significativamente il costo del progetto.

Utilizzando le informazioni di frequenza spaziale campionate, i risultati hanno mostrato la localizzazione di oggetti umani e metallici, dimostrando il successo dell'imaging Wi-Fi con la seguente precisione mediana:

• 26 cm per soggetti umani statici
• 15 cm per oggetti metallici statici

Limitazioni del Wi-Fi Imaging

Senza dubbio, l'imaging a microonde che utilizza i segnali Wi-Fi è una tecnologia potente per localizzare persone e altri oggetti. È possibile individuare facilmente la posizione di un particolare insieme di persone e oggetti. Tuttavia, vi sono alcune limitazioni nell'implementazione dell'imaging Wi-Fi.

Discutiamone.

Dimensione dell'oggetto

La tecnologia di imaging Wi-Fi proposta si basa sulle dimensioni dell'oggetto. Il sistema di imaging localizza oggetti di grandi dimensioni, ad esempio:

• Divano
• Tavoli
• Grandi finestre

Senza dubbio, gli oggetti di grandi dimensioni sono facili da individuare e localizzare grazie alle loro dimensioni chiare da analizzare. Sia che si utilizzi la tecnologia 2D o 3D, gli algoritmi di elaborazione delle immagini identificano facilmente gli oggetti di grandi dimensioni senza spendere molto tempo.

Quando si prepara un sistema per l'elaborazione delle immagini, bisogna prima fargli apprendere gli oggetti come campioni. Questo processo si chiama apprendimento automatico, uno dei domini più comuni dell'intelligenza artificiale (IA).

L'apprendimento automatico è il passo fondamentale di qualsiasi tipo di imaging. Per costruire la tecnologia senza alimentare il sistema prima dell'imaging, è necessario acquistare potenti apparecchiature AI che analizzano l'oggetto come gli esseri umani. Ma spendere troppi soldi solo per la convenienza non è saggio perché l'apprendimento automatico è facile da implementare.

Pertanto, è necessario alimentare il sistema con i campioni degli oggetti in modo che la cattura dei segnali WiFi trasmessi possa dare risultati migliori rispetto ai ricevitori utilizzati per il rilevamento radar tradizionale e l'imaging a microonde.

Materiale

Anche il materiale dell'oggetto è importante quando si utilizza l'imaging Wi-Fi per il rilevamento e la localizzazione. Ad esempio, il sistema proposto fornisce risultati promettenti se l'oggetto ha superfici riflettenti.

Ad esempio, le superfici metalliche si sono sempre dimostrate oggetti migliori, anche per le frequenze ottiche o infrarosse.

Anche in questo caso vale lo stesso principio: un oggetto di grandi dimensioni, con una superficie riflettente, è più facile da fotografare rispetto a piccoli oggetti metallici. Perché?

Sebbene un oggetto lucido rifletta bene i segnali WiFi, le sue dimensioni ridotte rendono l'area della sezione trasversale congestionata per le radiazioni in entrata. Di conseguenza, i molteplici segnali WiFi trasmessi non riescono a immaginare correttamente l'oggetto.

Un altro problema legato alle dimensioni dell'oggetto è che quando le dimensioni diventano proporzionali alla lunghezza d'onda dei segnali WiFi, l'interazione tra le due entità si riduce.

Come risolvere la limitazione della dimensione alla frequenza?

Un sistema di imaging Wi-Fi richiede una differenza significativa tra le dimensioni dell'oggetto e la lunghezza d'onda dei segnali WiFi presenti: se le dimensioni dell'oggetto sono grandi, la lunghezza d'onda dei segnali WiFi deve essere minore e viceversa.

Per ridurre la lunghezza d'onda dei segnali WiFi è necessario trasmettere una frequenza più alta, ad esempio 5 GHz. Tuttavia, non è ancora stato dimostrato concretamente che i segnali WiFi a bassa frequenza nei sistemi di imaging interferometrico passivo funzionino con gli oggetti più piccoli.

Ciò è dovuto all'area trasversale più piccola, che non consente ai componenti del segnale correlato di rimanere intatti attraverso l'imaging della parete.

Alcuni degli oggetti più piccoli che sono stati campionati durante gli esperimenti multipli sono stati:

• Moneta
• Chiavi
• Spilla di sicurezza

Oltre all'utilizzo di apparecchiature diverse, si sta valutando la possibilità di modificare la gamma di frequenze per rilevare oggetti con risoluzione spaziale minore.

Risoluzione dell'immagine

La risoluzione delle immagini è una caratteristica essenziale della tecnologia proposta e dipende dai due fattori seguenti:

• Lunghezza d'onda del segnale Wi-Fi
• Lunghezza dell'array di antenne

È possibile aumentare la risoluzione di imaging mantenendo costante la lunghezza d'onda del segnale e aumentando la lunghezza del campo di antenne.

Durante l'esperimento, gli scienziati hanno cercato di migliorare la risoluzione dell'immagine aumentando la frequenza a 5 GHz, che riduce la lunghezza d'onda, ma non hanno modificato la lunghezza d'onda di elaborazione del segnale e la lunghezza dell'array di antenne.

Di conseguenza, gli scienziati non hanno osservato alcun miglioramento nella risoluzione delle immagini. Un'altra scoperta fondamentale è che il numero di antenne non ha importanza nel processo di imaging.

Se si colloca l'antenna nella posizione giusta, è possibile ottenere risultati produttivi con una sola coppia di antenne. Perché?

Gli array di antenne catturano le radiazioni dell'oggetto da osservare. L'utilizzo di più posizioni delle antenne aumenta senza dubbio la probabilità di ottenere una risoluzione ottimale delle immagini, ma è una questione di tecnologia efficiente dal punto di vista dei costi.

Inoltre, le aziende stanno realizzando antenne a basso costo per la tecnologia di imaging Wi-Fi per aumentarne la portata e l'efficienza.

Quindi, è possibile immaginare l'oggetto con misure di potenza solo WiFi se si mantiene costante la lunghezza dell'array di antenne. La modifica della gamma di frequenze in ingresso potrebbe anche influire sulla risoluzione dell'imaging.

Orientamento agli oggetti

L'orientamento dell'oggetto è un altro vincolo della tecnologia proposta. Il sistema di imaging WiFi richiede che l'oggetto si trovi nella traiettoria della radiazione trasmessa. Si sa già che le onde EM creano un campo e viaggiano a ritmo. Quel campo diventa una tendenza per le onde successive.

Se si posiziona un oggetto in quel campo con l'orientamento in posizione di deflessione, non si otterranno risultati veritieri. È quindi importante mantenere l'orientamento dell'oggetto all'interno del pattern della radiazione trasmessa.

Inoltre, potete affrontare questo problema nei seguenti modi:

• Impostare la posizione delle antenne in modo ottimizzato.
• Scegliete le antenne che hanno un modello di radiazione migliore.

È importante conoscere l'asse orizzontale e verticale del modello per ottenere un risultato utile nelle due dimensioni di frequenza spaziale.

Applicazioni del Wi-Fi Imaging

Diverse applicazioni di imaging Wi-Fi vengono utilizzate per scopi commerciali e industriali, ad esempio.

Monitoraggio dell'inventario

Per la gestione dell'inventario, centri commerciali e centri commerciali hanno utilizzato carrelli che utilizzano sensori radar. Questi carrelli controllati dal radar non necessitano di alcun tag sensore perché ogni carrello funziona con un ID speciale.

Il database raggruppa i carrelli in diverse squadre e il supervisore assegna a ciascuna squadra un compito.

Questi carrelli sono in grado di gestire in modo efficiente l'inventario dei magazzini. Inoltre, i clienti possono anche prendere questi carrelli all'interno dei locali del centro commerciale e godersi lo shopping con un sistema di acquisto senza contanti.

Case intelligenti

La tecnologia di imaging Wi-Fi esegue il rilevamento radar tradizionale per identificare oggetti di grandi dimensioni, tra cui:

• Porte
• Finestre
• Frigorifero

È possibile installare antenne e sensori necessari per controllare gli oggetti di grandi dimensioni presenti in casa. Ad esempio, le frequenze spaziali misurate dall'array di antenne possono verificare i segnali di comunicazione esistenti e notificare lo stato dell'oggetto.

Inoltre, è possibile programmare l'intero sistema utilizzando la coerenza spaziale media reciproca e le direzioni orizzontale e verticale per controllare il movimento dell'oggetto mediante l'elaborazione del segnale Wi-Fi.

Il vincolo principale di questa applicazione è avere una rete stabile, perché i sistemi di imaging passivo hanno bisogno di segnali WiFi per analizzare le dimensioni dell'oggetto.

Domande frequenti

Che cos'è un Doppler WiFi?

WiFi Doppler è una tecnologia di rilevamento che utilizza un solo dispositivo WiFi per rilevare la posizione e il movimento di un oggetto. Non sono necessari più dispositivi WiFIi per ottenere risultati con WiFi Doppler.

Il WiFi può vedere attraverso i muri?

Sì. È possibile utilizzare i segnali Wi-Fi per vedere attraverso i muri.

Come si fa a far penetrare il WiFi in un muro?

1. Potenziate il WiFi interno utilizzando i range extender Wi-Fi.
2. Implementare una rete mesh.

I segnali WiFi multipli trasmessi l'uno attraverso l'altro. Come?

I segnali WiFi di solito si intersecano se i router lavorano sullo stesso canale.

I segnali WiFi possono produrre risultati attraverso l'imaging delle pareti?

Sì, perché il WiFi utilizza onde radio che possono penetrare attraverso i muri.

Conclusione

L'imaging Wi-Fi si sta diffondendo nel settore dell'elaborazione delle immagini grazie alla sua disponibilità in quasi tutti gli spazi residenziali, commerciali e industriali. Pertanto, l'utilizzo dell'imaging Wi-Fi per rilevare la posizione e il movimento di un oggetto sarà la prossima grande tecnologia a beneficio dell'uomo.