See through Walls with Wi-Fi Authors: Fadel Adib and Dina - PDF document

10/1/15 ¡ See ¡through ¡Walls ¡with ¡Wi-­‑Fi Authors: ¡Fadel ¡Adib ¡and ¡Dina ¡Katabi ¡ Presented ¡by ¡Navaneet ¡Galagali ¡ Overview • Goal: ¡Detect ¡and ¡track ¡moving ¡objects ¡behind ¡a ¡wall ¡or ¡closed ¡door ¡ using ¡Wi-­‑Fi ¡signals ¡ • Primary ¡novelEes ¡of ¡the ¡approach: ¡ o Eliminate ¡“flash ¡effect” ¡by ¡MIMO ¡nulling ¡ o ISAR ¡technique ¡to ¡track ¡moving ¡objects ¡ • ApplicaEons: ¡Law ¡enforcement, ¡surveillance, ¡gaming ¡ 1 ¡

10/1/15 ¡ Wi-­‑Vi ¡(Wi-­‑Fi ¡Vision) • A ¡wireless ¡device ¡consisEng ¡of ¡three ¡USRP ¡N210 ¡radios ¡(two ¡for ¡ transmiXng) ¡connected ¡to ¡an ¡external ¡clock ¡and ¡LP0965 ¡direcEonal ¡ antennas ¡ • Uses ¡Wi-­‑Fi ¡OFDM ¡signals ¡in ¡the ¡ISM ¡band ¡(at ¡2.4 ¡GHz) ¡ • Two ¡modes ¡ o Track ¡moving ¡objects ¡behind ¡a ¡wall ¡ o Gesture-­‑interface ¡for ¡people ¡to ¡communicate ¡messages ¡from ¡behind ¡a ¡wall ¡ Flash ¡Effect 2 ¡

10/1/15 ¡ Flash ¡Effect ¡(con<nued) • AcenuaEon ¡of ¡signal ¡depends ¡on ¡the ¡material ¡of ¡the ¡wall ¡and ¡cross-­‑ secEon ¡of ¡the ¡object ¡ • In ¡actuality, ¡two-­‑way ¡acenuaEon ¡occurs ¡as ¡the ¡signal ¡passes ¡through ¡ the ¡wall ¡twice ¡ ¡ Past ¡work ¡in ¡tracking ¡moving ¡targets • Through-­‑wall ¡radar ¡ • Gesture-­‑based ¡interfaces ¡(Xbox ¡Kinect, ¡Nintendo ¡Wii ¡MoEonPlus) ¡ • Infrared/Thermal ¡Imaging ¡ 3 ¡

10/1/15 ¡ Through-­‑wall ¡radar • Track ¡objects ¡behind ¡the ¡wall ¡via ¡Eme ¡domain ¡or ¡frequency ¡domain ¡ • Require ¡ultra-­‑wide ¡bandwidth ¡(UWB) ¡around ¡2 ¡GHz ¡– ¡not ¡feasible ¡in ¡a ¡ civilian ¡seXng ¡ Through-­‑wall ¡radar ¡(con<nued) • Other ¡narrowband ¡radar ¡systems ¡ignore ¡the ¡flash ¡effect ¡and ¡use ¡ Doppler ¡Shig ¡to ¡detect ¡moving ¡objects ¡– ¡only ¡work ¡in ¡ideal ¡scenarios ¡ (i.e., ¡minimal ¡obstrucEon) ¡ • One ¡acempt ¡using ¡Wi-­‑Fi ¡signals ¡required ¡a ¡transmicer ¡and ¡receiver ¡ inside ¡the ¡room ¡clock ¡synchronized ¡to ¡a ¡receiver ¡outside ¡the ¡room ¡ ¡ 4 ¡

10/1/15 ¡ Gesture-­‑based ¡interfaces • Requires ¡line-­‑of-­‑sight ¡(LoS) ¡acEviEes ¡and ¡uses ¡cameras ¡or ¡sensors ¡ placed ¡on ¡the ¡body ¡ • Xbox ¡Kinect, ¡Nintendo ¡Wii ¡MoEonPlus ¡ Infrared/Thermal ¡Imaging • Capture ¡infrared/thermal ¡energy ¡reflected ¡off ¡object ¡in ¡LoS ¡of ¡sensor ¡ • Cannot ¡see ¡through ¡walls ¡because ¡they ¡have ¡short ¡wavelengths ¡ • Infrared ¡wavelength ¡ ~ ¡10 13 ¡Hz, ¡802.11n ¡ ~ ¡10 9 ¡ 5 ¡

10/1/15 ¡ Wi-­‑Vi’s ¡improvements • NLoS ¡(non-­‑line-­‑of-­‑sight) ¡scenarios ¡ • Signals ¡with ¡longer ¡wavelengths ¡that ¡are ¡able ¡to ¡go ¡through ¡walls ¡ • No ¡sensors ¡on ¡the ¡target ¡or ¡devices ¡inside ¡the ¡room ¡ • Requires ¡a ¡few ¡MHz ¡of ¡bandwidth ¡ • Eliminates ¡the ¡flash ¡effect ¡by ¡MIMO ¡interference ¡nulling ¡ Elimina<ng ¡the ¡flash ¡effect ¡ • IniEal ¡Nulling ¡– ¡standard ¡MIMO ¡nulling ¡ • Power ¡BoosEng ¡– ¡increase ¡transmiced ¡signal ¡power ¡ • IteraEve ¡Nulling ¡– ¡null ¡staEc ¡object ¡reflecEons ¡again ¡ 6 ¡

10/1/15 ¡ Ini<al ¡Nulling • Transmit ¡antennas ¡send ¡a ¡known ¡preamble ¡‘x’ ¡ • Receive ¡antenna ¡receives ¡y 1 ¡= ¡h 1 x ¡and ¡y 2 ¡= ¡h 2 x ¡ • Compute ¡channel ¡esEmates ¡ ​ℎ ↓ 1 ¡and ¡ ​ℎ ↓ 2 ¡ and ¡obtain ¡raEo ¡p ¡= ¡ − ​ℎ ↓ 1 /​ℎ ↓ 2 ¡ • Both ¡transmit ¡antennas ¡transmit ¡concurrently, ¡with ¡perceived ¡ channel: ¡ Power ¡Boos<ng • Signals ¡due ¡to ¡moving ¡objects ¡are ¡not ¡strong ¡enough, ¡so ¡we ¡increase ¡ the ¡transmiced ¡signal ¡power ¡ • Because ¡the ¡channel ¡is ¡already ¡nulled, ¡the ¡increase ¡in ¡power ¡does ¡not ¡ overwhelm ¡the ¡receiver’s ¡ADC ¡(analog ¡to ¡digital ¡converter) ¡ • Overall ¡result ¡is ¡improved ¡SNR ¡(signal ¡to ¡noise ¡raEo) ¡of ¡objects ¡behind ¡ the ¡wall ¡ 7 ¡

10/1/15 ¡ Itera<ve ¡Nulling • Power ¡boosEng ¡causes ¡previously ¡negligible ¡staEc ¡reflecEons ¡to ¡spike ¡ up, ¡so ¡we ¡must ¡null ¡again ¡ • Challenge: ¡Cannot ¡separately ¡esEmate ¡channels ¡from ¡transmit ¡ antennas ¡because ¡only ¡combined ¡channel ¡is ¡received ¡ager ¡iniEal ¡ nulling ¡ • Removing ¡iniEal ¡nulling ¡would ¡saturate ¡the ¡ADC ¡due ¡to ¡the ¡power ¡ boosEng ¡step ¡ • Insight: ¡Errors ¡in ¡channel ¡esEmates ¡are ¡much ¡smaller ¡than ¡channel ¡ esEmates ¡themselves ¡ Itera<ve ¡Nulling ¡(con<nued) • ¡ ¡ ¡Assume ¡and ¡h 2 ¡esEmate ¡is ¡accurate ¡(so ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡) ¡and ¡solve ¡for ¡ ​ℎ ′ ↓ 1 : ¡ ¡ ​ℎ↓𝑠𝑓𝑡 = ​ℎ↓ 1 − ​ℎ ↓ 1 ¡ • Assume ¡the ¡same ¡for ¡h 1 ¡and ¡solve ¡for ¡ ​ℎ ′ ↓ 2 : ¡ • Iterate ¡between ¡steps ¡unEl ¡h 1 ¡and ¡h 2 ¡esEmates ¡converge ¡ 8 ¡

10/1/15 ¡ Final ¡points ¡on ¡MIMO ¡nulling • Can ¡be ¡performed ¡when ¡objects ¡are ¡moving ¡behind ¡the ¡wall ¡or ¡in ¡ front ¡of ¡the ¡wall ¡(as ¡long ¡as ¡they ¡are ¡moving ¡out ¡of ¡the ¡view ¡of ¡the ¡ direcEonal ¡antennas) ¡ • Algorithm ¡provides ¡a ¡42 ¡dB ¡mean ¡reducEon ¡in ¡power, ¡which ¡removes ¡ the ¡flash ¡effect ¡from ¡solid ¡wood ¡doors, ¡6’’ ¡hollow ¡walls, ¡and ¡most ¡ indoor ¡concrete ¡walls ¡ Tracking ¡Mo<on ¡in ¡prior ¡work • Past ¡systems ¡used ¡an ¡antenna ¡array ¡ • Tracking ¡the ¡AoA ¡in ¡Eme ¡tracks ¡movement ¡of ¡the ¡object ¡ 9 ¡

10/1/15 ¡ Tracking ¡Mo<on ¡in ¡prior ¡work • Large ¡antenna ¡array ¡is ¡needed ¡to ¡obtain ¡ a ¡narrow ¡beam ¡and ¡good ¡resoluEon ¡ • Increasing ¡length ¡of ¡the ¡antenna ¡ decreases ¡its ¡footprint ¡ • Each ¡receive ¡antenna ¡would ¡need ¡ corresponding ¡transmit ¡antennas ¡for ¡ MIMO ¡nulling, ¡making ¡it ¡even ¡bulkier ¡ hcp://www.crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/mw.htm ¡ ¡ Tracking ¡Mo<on ¡using ¡ISAR • Treats ¡the ¡movement ¡of ¡the ¡target ¡as ¡an ¡ antenna ¡array ¡ • Target ¡takes ¡AoA ¡of ¡signal ¡as ¡target ¡moves ¡ • Time ¡samples ¡received ¡by ¡Wi-­‑Vi ¡correspond ¡ to ¡spaEal ¡locaEons ¡of ¡the ¡moving ¡target ¡ • A ¡technique ¡used ¡in ¡mapping ¡the ¡surfaces ¡ of ¡planets ¡ 10 ¡

10/1/15 ¡ ISAR ¡(Inverse ¡Synthe<c ¡Aperture ¡Radar) • y[n] ¡: ¡Signal ¡sample ¡received ¡by ¡Wi-­‑Vi ¡at ¡Eme ¡ n ¡ • 𝜄 ¡: ¡Angle ¡between ¡the ¡line ¡from ¡human ¡to ¡ Wi-­‑Vi ¡and ¡the ¡normal ¡to ¡the ¡moEon ¡ • A[ 𝜄 , ¡n] ¡: ¡A ¡funcEon ¡that ¡measures ¡the ¡signal ¡ along ¡the ¡spaEal ¡direcEon ¡ 𝜄 ¡ at ¡Eme ¡n ¡ ISAR ¡(con<nued) • h[n] ¡: ¡Received ¡samples ¡as ¡a ¡ funcEon ¡of ¡Eme ¡= ¡n ¡ • h[n] ¡= ¡y[n]/x[n] ¡ • Antenna ¡array ¡of ¡size ¡w ¡uses ¡ consecuEve ¡channel ¡ measurements ¡h[n]…h[n+w] ¡ 11 ¡

10/1/15 ¡ ISAR ¡(con<nued) • 𝜇 ¡– ¡wavelength, ¡ Δ ¡– ¡spaEal ¡separaEon ¡between ¡successive ¡antennas ¡ in ¡the ¡array ¡ • The ¡value ¡of ¡ 𝜄 ¡that ¡causes ¡highest ¡value ¡of ¡A[ 𝜄 , ¡n] ¡is ¡the ¡direcEon ¡of ¡ target ¡movement ¡ ISAR ¡(con<nued) • Δ ¡= ¡vT ¡(distance ¡= ¡velocity ¡* ¡Eme), ¡ approximaEng ¡v ¡= ¡1 ¡m/s ¡(walking ¡speed) ¡ in ¡Wi-­‑Vi ¡ • Errors ¡in ¡value ¡of ¡‘v’ ¡overesEmate ¡or ¡ underesEmate ¡the ¡direcEon ¡of ¡the ¡target ¡ • With ¡errors, ¡Wi-­‑Vi ¡is ¡able ¡to ¡track ¡relaEve ¡ movement ¡of ¡the ¡target, ¡but ¡cannot ¡ pinpoint ¡exact ¡locaEon ¡ 12 ¡