无线感知论文速览 | Mobicom 2023 量子WiFi感知 Quantum Wireless Sensing: Principle, Design and Implementation
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无线通信领域的论文速览 | Mobicom 2023 量子WiFi感知技术：原理、设计与实现
Fusang Zhang et al., Beihong Jin et al., Zitong Lan et al., Zhaoxin Chang et al., Daqing Zhang et al., Yuechun Jiao et al., Meng Shi et al., Jie Xiong et al. (eds.). In the Proceedings of the ACM MobiCom’23: Quantum Wireless Sensing: Principle, Design and Implementation (pp. x–x). ACM Press, New York City; from October 2 to 6,Madrid,Spain; pp.xvi+xxxi+xxxix+xix+xxxviii+xxxi+xix+xxxix+xxxi+xix+xxxviii+xxxi+xix+xxxix+xxxi+xix+xxxviii). Available via https://dl.acm.org/days=doi.org/...
摘要
- 最近 years,感知技术领域掀起了大量利用无线信号进行感知的研究热潮。
相比于传统传感器,**采用 WiFi、RFID 和 LoRa 等无线信道实现无接触式感知具有显著优势。
然而,无线信号所承载的信息传递精度仍然相对有限,尤其是在设备功耗方面存在瓶颈。
基于此,本研究提出了一种基于量子探测器的新一代无源式无线传感器架构,相较于传统 RF 探测装置具有显著的技术优势。
具体而言,这种新型探测器完全不含电子组件,运行过程中几乎不会产生热量。
实验表明,基于该探测器构建的系统能够在 2.4 GHz、5 GHz 和 28 GHz 等典型频段上实现优异性能表现,
将 WiFi 信道下的定位精度从毫米级提升到了亚毫米级。
简介
- 无线技术极大地改变了我们的生活状态，并广泛应用于无接触传感领域，衍生出众多实用技术。
- 然而，在无线传感领域存在一个主要缺陷：其精确度相对较低。
- WiFi能够实现厘米级的手势识别功能，但对于亚毫米级的微小运动检测却表现不足。
- 若要提高精确度至微米级别，则需采用频率更高的无线电波；然而这会显著降低其穿透障碍物的能力。
本文探讨了采用量子接收机以...形式接收无线信号, 从而达成更高精度的量子无线传感。
- 量子接收机的工作原理是通过引发原子电子发生能级跃迁来捕获RF信号。
- 例如，在捕获2.4GHz WiFi信号的过程中，可以通过实现铯原子电子从能级6向能级66跃迁。
- 此时该原子被称作龙德原子。
量子接收机相比普通RF接收机有以下优势:
可以显著提升感知精细度十倍以上，并实现从毫米级向亚毫米级的跃迁
一个量子接收机可以接收不同频段的信号,只需调整电子跃迁的能级。
量子接收机每次只接收很窄的频带,大大降低相邻信道的干扰。
量子无线传感系统设计
概述
*量子无线传感与普通RF传感的核心区别在于其采用了量子接收机替代RF接收机。
原理
龙德原子的制备
- 从碱金属原子（例如铯-133 原子基态）中合成龙德原子。
- 通过两束具有不同频率的激光照射外层电子使其跃迁至更高能级（例如从 ^{6}S_{1/2} 至 ^{66}D_{5/2})，从而实现龙德激发态的形成。
使用龙德原子接收RF信号
- 基于能量级跃迁所对应的频率,选取两个能级{l₁}和{l₂},它们之间的跃迁对应频率为{f_c}.
- 随后将原子被激发至能级{l₁},接着用RF信号使电子被激发从{l₁}跃迁至{l₂}.
- 通过测定发射激光光谱中峰值间距Δf,即可得到RF信号强度值{E}.
E = 2\pi\frac{\lambda_p}{\lambda_c}\Delta f
其中\lambda_p,\lambda_c为两激光波长。
使用参考信号提升感知精细度
- 光谱峰值间隔Δf与信号强度E之间的关系并非线性，在较高强度区域中呈现出更大的间距。
- 基于参考信号的方法能够将原子激发至更高强度区域，并由此实现更大的Δf变化幅度，从而提升测量系统的精细度。
目标运动与量子效应的定量关系
- 目标运动导致相位变化\Delta \phi_s,与位移量\Delta d的关系为:
\Delta d = \frac{c\Delta\phi_s}{2\omega_s}
此数学模型构建了被测目标的位移量与量子接收器测得的相位变化值之间的精确关联
时间域波束合成
基于时间域波束合成技术的应用能够显著提升信噪比，并进而使得感知分辨率提升约20%。
评估结果
与普通RF传感相比而言,量子传感不仅能够显著提升WiFi信号感知精度,而且其精度可以从毫米级水平进一步提升至亚毫米级水平,较传统技术实现了质的飞跃
单个量子接收机可以覆盖从兆赫到太赫兹的大频带。
量子接收机仅接收极窄的频带,大大减少相邻信道干扰。
使用2.4GHz WiFi信号捕获扬声器亚毫米级振动,可以“听见”音乐。
使用28GHz毫米波信号感知塑料瓶微米级振动,可以检测人行走。
总结
- 本文首次提出量子无线传感概念，并对其基本理论框架进行详细阐述的同时完成首个量子无线传感系统的研制。
- 实验研究表明量子接收机能够显著提高 wireless signal detection 的精确度, 使得低频信号能够达到更高的灵敏度和精确度, 并拓宽了 wireless sensing 技术的实际应用范围。