一种基于菲涅尔区的免穿戴呼吸检测模型

利用无线信号进行呼吸检测已被证明具备可行性，但仍存在一些不足之处，如实验设置需要较大的

近些年，利用WIFI 信号进行呼吸检测已经取得了很多研究成果[1] [2] [3] [4]，但普遍缺乏有效的理论指导，实验结果的稳定性和再现性难以提高。

最近，在视距范围(line of sight, LOS)环境下基于信道状态信息(Channel State Information, CSI)的相关研究工作中引入了菲涅尔区理论， 标志着基于WIFI 信号的呼吸检测相关研究工作正由基于模式逐渐过渡为基于模型的阶段[5]。基于CSI 的菲涅尔区理论目前已被用于室内定位[6]、移动方向侦测[7]和呼吸检测[8]等方面，实践证明该理论的确有利于指导模型设计和实验分析，有效提高了实验的稳定性和再现性。

文献[8]通过菲涅尔区理论详细论证了基于WIFI 信号的呼吸检测原理，并对双人模式下呼吸检测进行了探索，尽管文中已建立了相对完善的呼吸检测模型，但其所述模型依旧存在一些不足之处：模型在应用时，需计算以决定天线如何放置；实验空间需求大；多人模式下解决方案的前提条件过于苛刻，要求多人的呼吸频率各不相同等等。

此外， 智能健康设备有着广泛的市场前景， 无线信号具有检测范围广、光线条件零敏感度、高隐私保护性、免穿戴等特点，十分符合呼吸频率检测这一特殊场景的种种要求。

因此，有必要进一步完善基于菲涅尔区的呼吸检测模型。

本文通过对菲涅尔区特征的进一步分析，并结合不同增益规格下天线的电磁场辐射形态特征，提出了一种基于WIFI 信号的呼吸检测模型，简称WI-BD 模型。本文后续内容为：第2 节介绍基础理论；第3 节介绍实验设定和理论分析；第4 节介绍WI-BD 模型及单目标验证；第5 节为全文总结。

2. 模型的理论准备 2.1. 菲涅尔区模型 信号在LOS 环境中传播过程中可能会发生反射、衍射和散射等三种现象，但在文献[9]中，作者通过模型和实验，证明反射是主要因素，可以忽略衍射和散射带来的影响。

在LOS 环境中，由于反射现象是主因，可得信号传播模型如图1 所示，其中，点A 表示发射天线Tx 的位置，点B 表示接收天线Rx 的位置，点M 表示信号反射点。信号从天线Tx 发出，经路径D1 和路径D2 到达接收天线Rx，将路径D1 称为直射路径，以1L 表示其长度；将路径D2 称为反射路径。

三维空间中每个点都可作为反射源，反射与直射路径长度相差整数倍半波长的反射点可构成多个曲