[发明专利]一种基于CSI信号稀疏表示的室内入侵检测方法

权利要求书

1.一种基于CSI信号稀疏表示的室内入侵检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在室内环境中布置1个发射天线和M个等间距分布的接收天线线阵，设定大小为T的时间窗口记录这M个天线线阵上的T次快拍CSI数据，连续记录t个时间窗口；

步骤2：对每个窗口的每次单快拍CSI数据进行数学分解，并通过信号稀疏表示的方法定义入射信号的过完备字典D；

步骤3：运用松弛算法分别求解每个时间窗口的T次快拍CSI数据在过完备字典D下的最优稀疏表示，得到最优稀疏表示下的稀疏系数，提取每次快拍的稀疏系数所对应的信号到达角作为信号的特征信息，最终在一个时间窗口内得到T个信号到达角；

步骤4：计算每个时间窗口内T个信号到达角的最大幅度，并设置阈值μ，比较前后相邻两个大小为T的时间窗口的最大幅度与阈值的大小关系，对每个窗口时间段的室内安全指数ISIN进行评估；

步骤5：根据每个窗口时间段的室内安全指数ISIN大小对每个窗口时间段内的室内环境是否存在入侵行为进行判别；

步骤1中第t个大小为T的时间窗口所记录的CSI数据为T×M维的CSI矩阵其中，CSI_t为第t个时间窗口下T次快拍的CSI数据，H_g为第g次的单快拍CSI数据，g＝1,2,…,T，h_T,M为第T次单快拍时第M条天线接收到的CSI数据；

所述第g次的单快拍CSI数据H_g为1×M维的CSI矩阵H_g＝(h_g,1,…,h_g,M)，其中，h_g,M为第g次单快拍时第M条天线接收到的CSI数据；

所述步骤2的具体方法为：

步骤2.1：对每个窗口的每次单快拍CSI数据进行数学分解；

设定发射天线发射K个远场窄带信号入射到M个接收天线组成的全方向阵列、阵元间距为d的理想均匀线阵上，则第g次单快拍时第M个阵元接收到的CSI数据h_g,M如下公式所示：

其中，s_g,M为第g次单快拍时第M条接收天线上接收的无噪声的入射信号信道状态，n_g,M为第g次单快拍时第M条天线上的环境噪声，θ_i为第i个入射信号的入射角，i＝1,2,…,K，λ为入射信号波长，j为复数单位；

在式(1)中，h_g,M,d,λ,K为已知参数，s_g,M,θ_i,n_g,M为未知参数，则接收天线线阵上第t个时间窗口第g次单快拍CSI数据H_g分解为如下公式所示：

H_g＝S_gA(θ)+N_g (2)

其中，S_g＝[s_g,1,s_g,2,…,s_g,K]为第g次单快拍的1×K维的入射信号信道状态矩阵，A(θ)＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_K)]^T为K×M维的导向矢量矩阵，为1×M维的阵列流型矩阵，Ν_g＝[n_g，1,n_g，2,…,n_g,M]为第g次单快拍的1×M维的噪声矢量；

步骤2.2：定义1×E维的入射信号的过完备字典D＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_E)]，其中，θ_E表示K个远场窄带信号的可能入射方向，E表示可能入射方向数，且EK；

所述步骤3的具体方法为：

步骤3.1：将每次单快拍CSI数据在过完备字典D下进行稀疏表示；

第g次单快拍CSI数据H_g在过完备字典D下进行稀疏表示，如下公式所示:

H_g＝DX_g+N_g (3)

其中，X_g为第g次单快拍的E×1维的稀疏系数，X_g中有K个非零系数对应于K个入射信号的角度信息；

步骤3.2：运用松弛算法，用l₁范数对信道稀疏性进行约束，并设定其目标函数，求得目标函数的全局最优解即为稀疏系数；

第g次单快拍时对信道稀疏性进行约束的目标函数如下公式所示：

其中，β表示用于均衡稀疏性和噪声误差的正则化参数，求得该目标函数的全局最优解即为第g次单快拍的稀疏系数X_g；

步骤3.3：选取每次单快拍的稀疏系数中非零系数所对应的幅值最大值作为该次单快拍时入射信号的最佳到达角，即入射信号的特征信息，则最终在一个大小为T的时间窗口内通过T次单快拍共得到T个信号到达角；

所述步骤4的具体方法为：

步骤4.1：计算每个时间窗口内T个信号到达角的最大幅度；

一个时间窗口内T个信号到达角的最大幅度为该时间窗口内信号到达角的最大值和最小值的差值，如下公式所示：

R_t＝doa_t,max-doa_t,min (5)

其中，R_t为第t个大小为T的时间窗口内T个信号到达角的最大幅度，doa_t,max、doa_t,min分别为第t个大小为T的时间窗口内最大和最小的信号到达角值；

步骤4.2：设置安全阈值μ，评估第t个窗口时间段的室内安全指数ISIN_t；

当t＝1时，如果R₁≤μ，ISIN₁为100；如果R₁μ，ISIN₁为50；

当t1时，如果R_t≤μ，ISIN_t为100；如果R_tμ且R_t-1μ，ISIN_t为0；否则ISIN_t为50；其中，R_t-1为R_t前一个大小为T的时间窗口内T个信号到达角的最大幅度；

所述步骤5的具体方法为：

根据室内安全指数ISIN，将室内安全分为安全、预警和危险三种情况；当ISIN_t为100时，则第t个窗口时间段内室内环境处于安全状态，无入侵行为发生；当ISIN_t为0时，第t个窗口时间段内室内环境处于危险状态，有入侵行为的发生；当ISIN_t为50时，第t个窗口时间段内室内环境处于预警状态。