一种模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法

本发明涉及无线信号和普适计算领域，特别涉及一种模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法。

背景技术：

1、人体活动识别是指通过摄像头、可穿戴设备、无线电设备等手段收集人体活动时所引起环境变化的数据，随后处理所收集的数据进而识别出人体所做的动作。人体活动识别已得到广泛应用，例如在健康与医疗中，用于监测病人的跌倒、监测疾病康复，以及改善个体的健康状况；在娱乐与虚拟现实中完成手势识别、姿势控制和手势交互等，提高了用户与计算设备之间的交互性。总而言之，人体活动识别是智能家居、健康监测、老人看护、虚拟现实、安全与安保等应用场景的技术基础。

2、基于无线电信号的人体活动识别技术近年来得到了飞速发展。无线信号具有获取成本低、分布范围广、设备简单、非穿戴式、不依赖环境光照、不直接以音频、视频形式获取用户隐私、可穿越一定厚度的墙体等优点，被广大研究者应用于人体活动识别领域。

3、但是由于无线电信号可以在空间中自由传播，所以可以被信号源附近所有能收到信号的感知器利用。简单来说，对于一个有无线信号源的密闭环境，感知者不用进入该环境，而利用信道状态探测设备(如usrp)在墙外就能探测关于该环境的信息。比如不法分子可以通过用户家中的无线信号判断房间内是否有人在活动，以决定是否进行盗窃。这是非常严重的隐私泄露问题，它为不法分子提供了关于空间环境的情报，用户必定不想让这样的事情发生。

4、基于无线信号的信道状态信息的人体活动识别系统都利用了信道状态随时间的变化蕴含了物理空间中物体运动信息的特性。那么打乱信道状态的变化规律就能掩盖这些信息，使这些识别系统失效。现有的加扰技术存在一些缺陷，例如在使用无线电干扰器时，被完全干扰的信号会破环数据传输能力；使用额外的无线信号转发器增加无线信号的传播路径从而影响接收端对信道状态的测量，但这需要部署额外的硬件设备使其难以被广泛应用且成本较大；在发射信号中使用单一的加扰模式对无线信号进行加扰，但单一的加扰模式不符合实际生活场景，容易被发现和破解。

5、本发明基于ofdm信号的通信原理，直接在发射信号中模拟环境中有多个人体活动，利用接收端的信道估计和信道均衡机制，在不需要修改接收端的情况下，保留了设备间的数据通信能力。原始信号中所蕴含的环境中的运动物体信息经过发射端的加扰后被掩盖，射端主动模拟的多种人体活动产生的无线信号对感知端有欺骗效果。在发送设备中将多种模式的加扰因子按不同的权重叠加，并在时间维度上使用马尔科夫链决定系统所使用的加扰模式，与现有技术相比极大增强了干扰效果，更容易部署且更不容易被发现和破解。

技术实现思路

1、本发明提出了一种模拟多个人体活动所形成信道状态信息的无线信号加扰方法，针对现有ofdm无线电信号有产生隐私泄露的隐患，对发射信号进行加扰，破环了基于无线信道状态信息的感知系统的感知能力，本发明通过以下技术方案来实现。

2、一种模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，基本步骤包括：

3、步骤1)数据采集：发射端以固定时间间隔发送未被加扰的无线信号，让一名用户在不同时间分别做出不同动作，同时使用通用无线设备采集相应人体活动所导致的无线信号数据；

4、步骤2)数据去噪和分段处理：对于所述采集的无线信号数据，利用多路信号数据的相关性对无线数据进行去噪、分段处理；

5、步骤3)提取线性预测系数；使用线性预测分析格型法提取相应动作的线性预测系数；

6、步骤4)合成模拟数据：在所述线性预测分析算法中用之前提取的相应动作的线性预测系数作为滤波器参数，用白噪声作为激励信号模拟出相应人体活动所导致的信道状态变化，并经过插值、希尔伯特变换得到最终的加扰因子；

7、步骤5)叠加合成的信号：将多种人体活动的信道状态加扰因子按不同的权重叠加可模拟出环境中同时有多种人体活动所导致的信道状态，并在时间维度上使用马尔科夫链决定系统当前模拟的人体活动类型。

8、上述模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述发射端在基带信号的频域形式中，基于将要发送数据包的时刻从使用线性预测分析算法合成的信号中选取一个值去乘以原发送信号；利用接收端的信道估计和信号均衡机制，所述发送端的加扰行为不会影响发送端和接收端之间的数据通信，所述接收端测量到的信道状态因发送端的加扰不能反映环境中真实的物体运动信息。

9、上述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述发射端在频域对信号进行加扰是指发送端在基带处理流程中，完成星座映射后进行逆傅里叶变换之前，在数据进行串并转换的过程中使用复数乘法对信号进行加扰。

10、上述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤1)中通用无线设备包括支持wifi、5g nr、长期演进、蓝牙、通信技术的无线设备，所述无线信号数据包括接收信号强度指示与/或信道状态指示。

11、上述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤2)对无线数据的去噪处理是指对多路天线信号进行相除运算，以消除部分由接收设备产生的噪声；所述对无线数据的分段处理是指将完成去噪之后的无线数据按一定时间间隔分为一段一段，每段数据对应一种或多种特定的人体活动。

12、上述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述多路天线信号是指正交频分复用中不同子载波上的测量数据，与/或不同发射/接收天线的测量数据，与/或不同设备之间的测量数据。

13、上述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤3)提取线性预测系数是指对所接收数字信号的绝对值，使用线性预测分析格型法提取实数形式的线性预测系数。

14、上述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤4)合成模拟数据是指使用线性预测算法，以使用格型法提取的线性预测系数为系数，以实数信号白噪声作为激励信号合成出表示人体活动的实数信号；然后使用希尔伯特变换将所述实数信号转换到复数形式，并将多种人体活动对应的复数形式信号按不同权重进行叠加。

15、本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：

16、本发明针对现有无线通信设备会导致隐私泄露的问题，提出通过在发射端对无线信号进行加扰，即在发射信号中模拟环境中有多个人体活动所产生的信号，利用接收端的信道估计和信道均衡机制，在不需要修改接收端的情况下，保留了通信设备之间的数据通信能力。原始的无线信号所蕴含的环境中运动物体信息被掩盖，且发射端主动模拟的多种人体活动产生的信号对感知端有欺骗效果。

技术特征：

1.一种模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，基本步骤包括：

2.根据权利要求1所述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述发射端在基带信号的频域形式中，基于将要发送数据包的时刻从使用线性预测分析算法合成的信号中选取一个值去乘以原发送信号；利用接收端的信道估计和信号均衡机制，所述发送端的加扰行为不会影响发送端和接收端之间的数据通信，所述接收端测量到的信道状态因发送端的加扰不能反映环境中真实的物体运动信息。

3.根据权利要求1或2所述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述发射端在频域对信号进行加扰是指发送端在基带处理流程中，完成星座映射后进行逆傅里叶变换之前，在数据进行串并转换的过程中使用复数乘法对信号进行加扰。

4.根据权利要求1所述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤1)中通用无线设备包括支持wifi、5g nr、长期演进、蓝牙、通信技术的无线设备，所述无线信号数据包括接收信号强度指示与/或信道状态指示。

5.根据权利要求1所述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤2)对无线数据的去噪处理是指对多路天线信号进行相除运算，以消除部分由接收设备产生的噪声；所述对无线数据的分段处理是指将完成去噪之后的无线数据按一定时间间隔分为一段一段，每段数据对应一种或多种特定的人体活动。

6.根据权利要求1或5所述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述多路天线信号是指正交频分复用中不同子载波上的测量数据，与/或不同发射/接收天线的测量数据，与/或不同设备之间的测量数据。

7.根据权利要求1所述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤3)提取线性预测系数是指对所接收数字信号的绝对值，使用线性预测分析格型法提取实数形式的线性预测系数。

8.根据权利要求1所述的模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，其特征在于，所述步骤4)合成模拟数据是指使用线性预测算法，以使用格型法提取的线性预测系数为系数，以实数信号白噪声作为激励信号合成出表示人体活动的实数信号；然后使用希尔伯特变换将所述实数信号转换到复数形式，并将多种人体活动对应的复数形式信号按不同权重进行叠加。

技术总结
本发明公开了一种模拟多个人体活动所致信道状态的无线信号加扰方法，包括：发射端发送未被干扰的无线信号同时使用无线设备采集无线数据；对无线数据进行去噪和分段处理；使用线性预测分析格型法提取线性预测系数；用白噪声模拟出相应人体活动所导致的信道状态变化并经过插值、希尔伯特变换得到最终的加扰因子；将多种人体活动的信道状态加扰因子按不同的权重叠加模拟出人体活动所导致的信道状态并在时间维度上使用马尔科夫链决定系统当前模拟的人体活动类型。本发明利用线性预测器随机生成多种人体运动模板，同时在不干扰现有数据通信的条件下以权重叠加方式利用多种运动模板模拟产生不同的运动场景，达到对无线感知信号进行有目的加扰的目标。

技术研发人员：邓枭,王炜
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15