[论文解读] Electromagnetic Models for Passive Detection and Localization of Multiple Bodies

Vittorio Rampa, Gian Guido Gentili+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 63被引用 20

一句话总结

本文提出了一种新颖的物理-统计电磁（EM）模型，用于利用接收信号强度（RSS）测量实现对多个静止人体的无源、无设备定位（DFL）。该模型基于标量衍射理论和广义刃口衍射理论，能够预测由于多个目标的位置、尺寸、方向以及微小运动所引起的RSS波动，其在仿真和使用IEEE 802.15.4设备的真实实验中，均优于线性叠加模型，显著提升了预测精度。

ABSTRACT

The paper proposes a multi-body electromagnetic (EM) model for the quantitative evaluation of the influence of multiple human bodies in the surroundings of a radio link. Modeling of human-induced fading is the key element for the development of real-time Device-Free (or passive) Localization (DFL) and body occupancy tracking systems based on the processing of the Received Signal Strength (RSS) data recorded by radio-frequency devices. The proposed physical-statistical model, is able to relate the RSS measurements to the position, size, orientation, and random movements of people located in the link area. This novel EM model is thus instrumental for crowd sensing, occupancy estimation and people counting applications for indoor and outdoor scenarios. The paper presents the complete framework for the generic N-body scenario where the proposed EM model is based on the knife-edge approach that is generalized here for multiple targets. The EM-equivalent size of each target is then optimized to reproduce the body-induced alterations of the free space radio propagation. The predicted results are then compared against the full EM simulations obtained with a commercially available simulator. Finally, experiments are carried out to confirm the validity the proposed model using IEEE 802.15.4-compliant industrial radio devices.

研究动机与目标

• 开发一种具有物理基础且可扩展的电磁模型，用于预测射频链路中多个静止人体引起的RSS变化。
• 克服线性叠加模型的局限性，后者忽略了多个目标之间的相互作用。
• 实现在室内和室外环境中高精度、实时的无设备定位（DFL）与人员占用状态跟踪。
• 为使用现成RF设备进行人群感知、人数统计和人体存在监测提供可验证的框架。
• 将单体和双体模型推广至具有分析严谨性的任意N体场景。

提出的方法

• 利用标量衍射理论，将多个目标引起的电磁场扰动建模为衍射和多径分量。
• 应用刃口近似，将每个三维人体表示为二维吸收表面，从而实现解析处理。
• 通过递归包含衍射项，推导出N体场景下全局附加衰减的完整解析表达式。
• 引入目标特定参数：位置、尺寸、方向以及相对于标称位置的微小随机运动。
• 优化每个目标的EM等效尺寸，使其与全波仿真中观测到的自由空间传播损耗相匹配。
• 将模型与全波电磁仿真（FEKO）及IEEE 802.15.4兼容设备的实际RSS测量结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在射频链路中对多个静止人体引起的电磁场扰动进行解析建模？
• RQ2 多个目标之间的相互衍射效应在多大程度上降低了线性叠加模型的精度？
• RQ3 基于标量衍射的物理-统计模型能否准确预测多个运动人体引起的RSS变化？
• RQ4 该模型的预测精度与全波仿真和真实测量结果相比如何？
• RQ5 在多目标场景中，影响RSS预测精度的主要误差来源是什么？

主要发现

• 所提出的多体模型（MBM）在与使用IEEE 802.15.4设备的真实测量对比时，平均RSS预测误差约为4 dB。
• 概率多体模型（PMBM）的平均误差较高，约为6 dB，主要源于人体运动引起的随机波动。
• 该模型成功捕捉了人体尺寸、位置、方向以及微小随机运动对RSS变化的综合影响。
• 当一个或两个目标靠近发射机或接收机时，模型与测量结果的差异最大，原因在于阴影效应增强和信号损耗增加。
• 该模型优于线性叠加模型，尤其在目标间相互衍射项不可忽略的配置中表现更优。
• 通过与全波电磁仿真（FEKO）的对比，验证了该模型的有效性，无论在静态还是动态场景中均表现出高度一致性。