文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.183031
中文引用格式： 曾正，張六，陳俊昌，等. 基于WiFi信號的入侵檢測機(jī)理及實驗研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(3)：92-95，99.
英文引用格式： Zeng Zheng，Zhang Liu，Chen Junchang，et al. Intrusion detection mechanism and experimental study based on WiFi signal[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：92-95，99.
0 引言
入侵檢測方法包括微波、紅外、超聲報警器以及雷達(dá)和視頻監(jiān)控等[1-5]，這些檢測方法原理和性能不同，適用于不同的場所。近年來，由于WiFi基礎(chǔ)設(shè)施的普及，基于WiFi信號的人體行為感知技術(shù)成為研究的熱點[6]。例如，龐娜等人[7]利用CSI進(jìn)行異常用戶活動檢測，周啟臻等人[8]利用CSI相位差實現(xiàn)了人員入侵檢測，DOMENICO S D等人[9]從CSI振幅中提取多普勒頻率在穿墻場景下實現(xiàn)了人數(shù)檢測，Wang Jie等人[10]基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸鈴腃SI中提取特征實現(xiàn)了人員身份識別，MOORE R等人[11]利用RSSI平均值和方差檢測接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的人員入侵。
2018年2月，SOBRON I等人公開了CSI數(shù)據(jù)集EHUCOUNT[12]，WiFi信號檢測機(jī)理及應(yīng)用研究進(jìn)入了新階段。本文的主要工作如下：通過仿真實驗進(jìn)一步驗證了子載波的振幅和相位與人行為的關(guān)聯(lián)；采用奇異值分解提取了CSI數(shù)據(jù)集的特征，并通過支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)對特征進(jìn)行分類，證明6種典型場景下檢測率為93.35%～99.23%；基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network，CNN)得到了6種典型場景下檢測準(zhǔn)確率為89.17%～99.14%；通過研制的專用譜傳感節(jié)點采集WiFi信號，實驗證明檢測準(zhǔn)確率為98%。
1 信道狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)集
1.1 信道狀態(tài)信息
在無線信號傳輸過程中，環(huán)境的變化會使無線信道呈現(xiàn)出差異化的特點。人體活動會影響無線信號的多徑傳輸。一般用信道沖擊響應(yīng)(CIR)對信道的多徑效應(yīng)進(jìn)行描述，信道沖擊響應(yīng)可表示為[12]：
無線信號在開放空間傳輸過程中，如果有人進(jìn)入，那么無線信號多徑傳輸?shù)穆窂骄蜁l(fā)生改變，信道沖擊響應(yīng)隨之改變，因此無法直接獲得信道沖擊響應(yīng)，但是可以獲得信道狀態(tài)信息Hn，通過對信道狀態(tài)信息的測量可以判斷當(dāng)前空間內(nèi)的信道狀態(tài)，從而實現(xiàn)入侵檢測。
1.2 數(shù)據(jù)集CSI數(shù)據(jù)集
2018年，SOBRON I等人公開了CSI數(shù)據(jù)集EHUCOUNT[12]，該數(shù)據(jù)集是在6種不同場景下采集得到的，場景類型見表1。該文通過該數(shù)據(jù)集進(jìn)行了場景內(nèi)活動人數(shù)識別，采用SVM對場景E內(nèi)活動人數(shù)識別的結(jié)果見表2所示[12]。
從表2中可以看出，隨著場景內(nèi)人數(shù)的增加，人數(shù)識別準(zhǔn)確率開始下降，但是場景內(nèi)無人時的識別準(zhǔn)確率高達(dá)99.6%，即在該數(shù)據(jù)集下使用SVM對室內(nèi)入侵檢測是一種很好的方法。
2 CSI數(shù)據(jù)特征及分類識別結(jié)果
2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
收集數(shù)據(jù)集時，采樣率為25 sample/s，一個成年人的正常步速約為1 m/s，所以在使用該數(shù)據(jù)集時選擇的數(shù)據(jù)窗口長度為2 s，以確保窗口長度內(nèi)的數(shù)據(jù)可以記錄到人體活動。無線信道狀態(tài)信息的實際采集過程中，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜以及設(shè)備的原因可能會出現(xiàn)隨機(jī)的異常值，為了保證CSI數(shù)據(jù)流對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，排除異常值對訓(xùn)練模型建立和測試的影響，需要對異常值進(jìn)行有效的處理?；?σ準(zhǔn)則進(jìn)行異常值檢測，具體方法是：如果單個子載波樣本值與子載波均值μ的差值在3σ上，則用均值來替換該子載波樣本值，即經(jīng)過異常值處理后的數(shù)據(jù)分布在(μ-3σ，μ+3σ)區(qū)間內(nèi)。
經(jīng)過異常值處理后發(fā)現(xiàn)同一個子載波不同樣本點的數(shù)據(jù)波動過大，這應(yīng)該是由于環(huán)境中不穩(wěn)定的噪聲波動所引起的。為了減弱噪聲波動的影響，提高識別的準(zhǔn)確性，本文利用MATLAB軟件中的smooth函數(shù)作為移動平均濾波器對經(jīng)過異常值剔除的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑。移動平均濾波器是一個低通濾波器，將連續(xù)的CSI數(shù)據(jù)流看成一個長度固定為N的隊列，在一次處理后將隊列第一個數(shù)去除，其余N-1個數(shù)據(jù)依次前移，并將第N+1個CSI數(shù)據(jù)插入，作為新隊列的尾，然后進(jìn)行運算，并將運算結(jié)果作為本次處理的結(jié)果。其計算公式如下：
式中，n為數(shù)據(jù)包序號；N為移動窗口大小，一般為奇數(shù)，N的值決定了移動平均濾波的平滑程度，N的值越大CSI數(shù)據(jù)會越平滑，但是會造成局部細(xì)節(jié)信息的丟失；i為天線序列號。
2.2 特征提取
從能量的角度對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)使用權(quán)重歸一化奇異值分解算法[15]分別對振幅和相位矩陣進(jìn)行特征提取。奇異值分解的目的是提取矩陣重要的特征，可以從含有噪聲的數(shù)據(jù)中提取主要特征。特征提取流程如圖1所示。
權(quán)重歸一化奇異值分解保留原始數(shù)據(jù)中90%的能量，將主要特征從原始數(shù)據(jù)中提取出來，并去除冗余信息。在某個奇異值(例如第r個奇異值)之后，其他奇異值都很小，這意味著數(shù)據(jù)中只有r個重要特征，其余特征都是噪聲或者次要特征，因此在實際使用中通常選擇保留前r個奇異值。本文在使用奇異值分解提取特征后又提取了子載波振幅均值和相位最大奇異值，特征分別如圖2、圖3所示。圖2展示了1個子載波的均值，圖3展示了相位最大奇異值，從圖中可以看出有人和無人時的特征存在明顯區(qū)別，進(jìn)一步證明了前述的入侵檢測機(jī)理。
支持向量機(jī)(SVM)是一種基于統(tǒng)計學(xué)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]。它通過尋求結(jié)構(gòu)化風(fēng)險最小來提高泛化能力并實現(xiàn)經(jīng)驗風(fēng)險和置信范圍的最小化，從而在統(tǒng)計樣本量較少的情況下也能獲得良好統(tǒng)計規(guī)律。SVM是一種二分類模型，其基本模型定義為特征空間上間隔最大的線性分類器，即支持向量機(jī)的學(xué)習(xí)策略是間隔最大化，最終可轉(zhuǎn)換為一個凸二次規(guī)劃問題的求解問題[16]。因此，將提取到的特征送入SVM中進(jìn)行分類識別，流程如圖4所示。
本文還使用CNN自動提取特征進(jìn)行入侵檢測實驗，在VGGNet的基礎(chǔ)上結(jié)合實際情況建立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。VGGNet由多個卷積層、3層全連接層和Softmax輸出層構(gòu)成，所有激活單元都采用ReLU函數(shù)[17]。小卷積核是VGGNet的一個重要特點，整個網(wǎng)絡(luò)都使用大小為3×3的卷積核和2×2的最大池化層，使用3×3的卷積層堆疊在一起來增加深度, 使用最大池化層下采樣，每一次的輸出大小為輸入大小的一半。每一個卷積層獲取到的有用信息隨著尺寸增加而變得粗糙[17]。VGGNet展示了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度與性能之間的關(guān)系，同時具有很強(qiáng)的拓展性，可以遷移到其他數(shù)據(jù)上。
使用CNN的入侵檢測模型如圖5所示，首先場景內(nèi)一個窗口長度的CSI數(shù)據(jù)被采集到，在CSI實際采集過程中，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜以及設(shè)備的原因，可能會出現(xiàn)隨機(jī)的異常值，為了保證CSI數(shù)據(jù)流對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，本實驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)被送入CNN網(wǎng)絡(luò)中自動提取特征。在CNN中數(shù)據(jù)經(jīng)過不同卷積核局部感知后進(jìn)入池化層下采樣，輸出多個特征面，組成同一個特征面的神經(jīng)元與上一輸入層的相同區(qū)域相連，權(quán)值共享，但不同輸出特征面的神經(jīng)元權(quán)值不共享[17]，部分神經(jīng)元隨機(jī)關(guān)閉，用于減少出現(xiàn)過擬合的情況。數(shù)據(jù)經(jīng)過多個卷積層后到全連接層，通過分類識別得到最終的輸出結(jié)果，判別場景內(nèi)是否有人。
2.3 仿真實驗結(jié)果
對數(shù)據(jù)集中6種場景使用SVM和CNN分別進(jìn)行入侵檢測，得到的實驗結(jié)果如表3所示。
從表3中可以看出，通過SVM在6種典型場景下進(jìn)行入侵檢測仿真實驗，場景A和場景E的入侵檢測準(zhǔn)確率高達(dá)99%，場景B、C、F的入侵檢測準(zhǔn)確率在98%左右，場景D的準(zhǔn)確率也達(dá)到93.35%，使用CNN自動提取特征進(jìn)行入侵檢測在場景D的情況下識別準(zhǔn)確率高于使用SVM的方法。實驗結(jié)果表明上述入侵檢測方法是有效的。
3 基于WiFi信道的入侵檢測實驗
為了進(jìn)一步驗證上述入侵檢測方法，在實驗室中通過部署譜傳感節(jié)點采集WiFi信號，兩臺譜傳感節(jié)點組成一條收發(fā)鏈路，即一臺發(fā)送設(shè)備，一臺接收設(shè)備，實驗志愿者在實驗室內(nèi)隨機(jī)走動，模擬室內(nèi)入侵情況發(fā)生。用上述實驗中提出的SVM和CNN模型進(jìn)行入侵檢測實驗。
本實驗提取了振幅奇異值、相位奇異值、振幅均值、振幅方差、振幅頻偏、振幅峰度、振幅四分位距、多普勒均值、多普勒方差、能量的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等特征，部分特征提取結(jié)果如圖6所示，圖6(a)展示了1個載波的振幅均值，圖6(b)展示了相位最大奇異值。實際場景入侵檢測結(jié)果如表4所示，進(jìn)一步證明了上述方法的可行性。
4 結(jié)論
本文針對入侵檢測問題，使用權(quán)重歸一化奇異值分解方法提取CSI中的奇異值特征以及其他特征，在給定數(shù)據(jù)集上通過SVM對特征進(jìn)行分類，得到6種典型場景下檢測率為93.35%～99.23%，通過CNN自動提取特征得到了6種典型場景下檢測率為89.17%～99.14%；在實際場景中通過研制的專用譜傳感節(jié)點在有人和無人情況下分別采集WiFi信號。采用仿真實驗中的SVM和CNN模型，得到的識別準(zhǔn)確率分別為98.99%和98.33%。實驗證明本文使用的入侵檢測方法是可行的。
本文提出的方法僅在數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)和實驗室采集的數(shù)據(jù)中進(jìn)行驗證，可能不適合其他室外場景。此外，本文使用的權(quán)重歸一化奇異值分解方法提取出的奇異值個數(shù)不同，在本實驗中僅使用了最大奇異值作為特征，可能會損失部分有效信息。如何更有效地利用CSI信息，并推動其實際應(yīng)用是下一步研究工作的重點。
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作者信息:
曾 正1，張 六1，陳俊昌2，黃 銘1，楊晶晶1
（1.云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明650091；2.國家無線電監(jiān)測中心云南省無線電監(jiān)測站，云南 昆明650031）