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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

384期2024年05月號

出版日期:2024/05/15

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Wi-Fi 感測技術演進史

撰文/達芙(Meg Duff) 翻譯/連育德

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。

經過10年的默默無聞,Wi-Fi感測技術再精進,開始用於追蹤人體行動。

10年前某日,帕瓦里(Neal Patwari)躺在醫院病床,身邊裝設了20個無線收發器,他小心翼翼地調整呼吸頻率,胸膛一起一落,電磁波也跟著波動。如今已是華盛頓大學聖路易斯分校教授的帕瓦里,當下證實了電磁波起伏能夠顯示他的呼吸模式。

過了幾年,麻省理工學院的研究人員成立一家新創企業,希望使用Wi-Fi訊號偵測跌倒,協助銀髮族在家獨立生活。2015年,他們將原型機帶進白宮橢圓辦公室,一名研究人員為了示範,還在歐巴馬總統面前假裝跌倒。歐巴馬看完,認為這項發明「很酷」。

倘若有技術使路由器在提供網路的同時,又能偵測人體活動,豈不蘊藏龐大潛力?「它有如環境感測的當紅炸子雞。」健康感測新創企業Xandar Kardian執行長楊山(Sam Yang;音譯)說,有一陣子「投資人絡繹不絕」。

時間快轉近10年,市面上仍舊不見能夠追蹤呼吸或偵測跌倒的商用Wi-Fi設備。2022年,照明公司Sengled發表一款號稱可做到兩者的Wi-Fi燈泡,但至今尚未正式推出。那家在歐巴馬面前示範的新創企業,目前則是使用其他無線電波。有家名為Asleep的呼吸監測器新創企業,原本要使用Wi-Fi感測技術,但後來改採麥克風。帕瓦里亦成立公司生產Wi-Fi呼吸監測器,但他說:「我們被Google打得慘兮兮。」

以Wi-Fi感測技術監測個人健康指標,光芒通常比不上超寬頻雷達等其他技術,但至今尚未消聲匿跡,而是在領導網路供應商、智慧家庭企業與晶片大廠的助陣下,悄悄走進數百萬個家庭。Wi-Fi無所不在,因此仍是受到青睞的技術平台,尤其目前網路技術愈來愈強大。隨著運算法日益精良與晶片設計逐漸標準化,Wi-Fi技術不久可望默默監測我們日常的一舉一動,有的用途讓人驚豔,有的令人憂心。

它可以追蹤呼吸,可以偵測跌倒,也可以讓建築更聰明,追蹤人的所在地而提高能源使用效率。但有正面就有反面,它也可能淪為為非作歹的工具。有人在你家外頭,就可能知道你是否在家或在做什麼。不管是基於什麼動機想暗中追蹤別人的一舉一動,很多情況都可能透過Wi-Fi感測技術達成。此外,這項技術解讀的是電磁波物理特性,而非電磁波所傳輸的加密數據,因此形成新的隱私風險,然而相關預防措施還在研發當中。


Google的Nest Hub內建「睡眠感應」功能,能夠針對睡眠位置最靠近的人,追蹤他的呼吸、打呼與咳嗽,但使用的不是Wi-Fi感測技術,而是雷達晶片。除了這個差異,Google的技術原理跟帕瓦里大同小異,都是先使用電磁波感測細微動作,再借重人工智慧解讀資訊。最大的差別在於波長;波長愈短,頻寬愈大,因此準確度愈高,反觀波長愈長,感測的距離可以更遠。多數Wi-Fi設備的波長為2到5吋,覆蓋範圍大。相較之下,Google的雷達晶片只能釋放5公釐波長,但能提供更多細節。想要做到接近雷達的程度,Wi-Fi感測技術必須研究多個裝置的電磁波如何互動,屆時將可結合細節與距離,不需要特殊雷達晶片或穿戴式裝置。倘若Wi-Fi成為燈泡等智慧型裝置的預設技術 (現在已經有人開始推動),這些裝置將會監測我們的行動。此外,隨著Wi-Fi感測技術持續精進,智慧型裝置的監測內容也會愈來愈細節。

帕瓦里說:「Wi-Fi解析度一開始很低。」在原本準確度只有2公尺的情況下,2個人坐在一起聊天,可能被解讀成1個人。研究人員過去10年間不斷研究,希望從商用路由器的長波長擠出更多資訊。更重要的是,研究人員正在使用人工智慧,分析所謂的「通道狀態資訊」(Channel State Information),亦即描述電磁波散射或衰減的後設資料,因此可供研究的素材多出很多。16年前,「我們能夠明確偵測到有人走過。」帕瓦里說:「但現在可以得出步態資訊,也就是某個人走路的模式。」不過,儘管Wi-Fi感測技術的資訊愈來愈精細,細節仍舊不太可靠。「訊號還不夠乾淨。」楊山說。

人工智慧促進Wi-Fi感測技術改善的同時,也助攻雷達技術。10年前,Wi-Fi感測技術的潛在應用面讓人充滿期待,如今有些用途透過短波長的商用雷達裝置已經做得到。
以醫院與長照機構為客戶的雷達公司Inspiren,在病床上方架設雷達與攝影機,整合兩者數據來偵測跌倒,不僅可以通報醫護人員,也能找出虛弱病患最可能跌倒的時刻,例如下床時。楊山的感測器公司銷售美國食藥局(FDA)核准的醫療器材,能夠從醫院病床或監獄牢房上方偵測心跳,不需搭配穿戴式裝置。有些裝置已經應用於肯塔基州監獄,旨在避免受刑人用藥過量等醫療緊急狀況。

另一種用途相對讓人不寒而慄:隔牆監視。2009年,帕瓦里因為他的發明能夠偵測另一個房間的動作,被新聞報導冠上「穿牆偷窺的Wi-Fi訊號」的標題。2023年1月,新聞再度出現類似報導,這次是卡內基美隆大學(Carnegie Mellon)研究人員使用DensePose人工智慧引擎,從Wi-Fi訊號生成人體形狀,但準確度還有待改善。能夠隔牆感測人體的雷達技術行之有年,特警小組(SWAT)、邊境巡邏隊、搜救小組與軍隊都會用到。

然而,美國公民自由聯盟(ACLU)的技術專家吉爾莫(Daniel Kahn Gillmor)認為,國家單位如果使用Wi-Fi感測技術,可能產生潛在的隱私權問題,對社運分子尤其不利。「我們有許多執法過當的案例,」他說:「倘若執法機關拿到這類資訊來擾民,等於這個技術的後設資料又遭到濫用。」

Wi-Fi感測技術正在取代其他動態偵測工具,也可能讓一些現行的雷達應用面更加普及,但可靠性常常會打折。吉爾莫說,在這兩種情況下,企業有可能使用這項技術監測消費者、員工與工會組織者;跟蹤者或家暴者可能騷擾受害者;其他不肖分子可能犯下各式各樣的罪行。民眾目前無從知道自己是否遭監測,更增添風險。「法律面與技術面要設好防禦措施。」吉爾莫說。

Wi-Fi感測技術也可能催生出新的監測型態。相較於雷射波長只有幾公釐,Wi-Fi因波長較長,覆蓋範圍比雷達更大。正如麻省理工學院團隊在2015年的示範一樣,Wi-Fi最終也可能在住家偵測跌倒,而不必侷限於醫院。但Google的Nest只從床頭櫃、而不是家中每顆燈泡偵測呼吸,是有其設計原因的。在現實世界中,運算法很難分析情境資訊。在病房偵測到跌倒,應該是真的有人跌倒,但如果奶奶在家中跌倒,資訊看起來就像有小孩從沙發跳下來,因此專家正在研究如何判別使用者的身分。除了偵測跌倒之外,類似工具也能讓一家人度假時察覺家中是否遭竊。用於其他設定與情境,也能偵測家中青少年是否在宵禁時間後才回家、社運份子是否集會,或被某些訂有肛交法的國家拿來偵測同性性行為。

當然,安全監視器與褓姆監視器已經能夠輕鬆監測個人。「別忘了,從監視器得到的情境資訊很豐富。」Wi-Fi感測公司認知系統(Cognitive Systems)執行長曼庫(Taj Manku)說:「你可以看到對方的臉,看得出他是在開合跳、在運動,還是在做壞事。」

但吉爾莫說,就算現行裝置已經做得到Wi-Fi感測技術的一些效果,但不代表風險就會降低。「這項技術會讓隱私蕩然無存。」

暫且不管Wi-Fi能否打敗其他感測技術,如果能整合兩種裝置,最終可能有相輔相成的效果。現階段而言,商用供應商正在善用Wi-Fi的覆蓋範圍優勢,聚焦在住家防盜系統,但還著眼於一個領域,把Wi-Fi感測技術視為最佳解方。Wi-Fi感測公司起源無線(Origin Wireless)執行長梅德(Spence Maid)說:「我討厭這麼說,但我想知道媽媽還活著嗎?」

一年半前,96歲的艾蜜莉(Emily Nikolich)獨居在紐澤西州的一處公寓,每天會從平板收到幾個孫子的照片,還能觀看5個曾孫的情況,從新生兒到4歲娃娃都有。但同時,68歲的兒子保羅(Paul Nikolich)也在監視她。

2021年,保羅在媽媽的許可下,在她家中裝了起源無線公司的Wi-Fi感測設備,稱為Hex Home,共有5個會發光的小圓盤插在家中各處,能夠定位出媽媽的地點。他秀出應用程式讓我看;這項技術並不是追蹤艾蜜莉本身,而是偵測接近每個圓盤的動作,但艾蜜莉畢竟獨居,所以跟追蹤她沒兩樣。保羅可以輕易看到她每天的路徑,下床、吃早午餐、到浴室等。

保羅說,即使自己去旅行無法打電話,也能知道媽媽安然無恙,「可以鬆一口氣」。正因為如此,艾蜜莉去年搬到養老院時,保羅也把感測器帶過去。Hex已經知道艾蜜莉的日常作息,如果察覺異常狀況(例如整天躺在床上),就會通報保羅。他到目前還沒有收到這樣的通知。「我們很幸運,她的狀況很好。」他說。

實務上,Wi-Fi感測技術的細節準確度仍舊不佳,但擅長注意是否有人存在,中間隔了牆壁或家具都不是問題,曼庫說準確度 「達百分之百」。有鑑於此,Wi-Fi感測技術很適合能源管理(燈泡公司WiZ以這項技術關閉空房間的燈),也適合降低居家防盜系統的誤報情況。老年人口較多的地方也能受惠於這項技術。梅德以日本為例,說:「日本的郵差會敲門,確保住戶是否安在。」沖繩有家公司正在使用起源無線的技術,開發能夠證實住戶安在的服務。

曼庫估計,至少有3千萬個家庭已經在使用某種形式的Wi-Fi感測技術。威訊(Verizon)的新款Fios路由器當中,有一款內建起源無線公司的「人體偵測」功能。已連結網路的固定式智慧裝置如燈泡、插頭、揚聲器或Google Nest等,可以立即變成感測器。其他網路服務商正在研發類似產品,例如認知系統公司(Cognitive Systems)與160多家網路服務供應商合作,更在今年1月宣布,旗下技術即將內建於許多廉價的智慧插頭,在亞馬遜網站都買得到,透過現有的Google、Apple、Amazon Alexa智慧家庭應用程式,就能使用Wi-Fi感測技術。

發展到最後,接受筆者採訪的Wi-Fi感測公司都希望更上一層樓,不僅服務住家與小企業,還要普及到規模更大的辦公大樓或店面。曼庫說,Wi-Fi感測技術有助於消防人員找到受困民眾,不怕濃煙造成視線不佳;智慧空調能為加班員工維持空調運作;企業有了員工使用空間的數據,更能在疫後時期做出裁員決定;客流量數據讓店家知道該上架哪些貨品。但為了在複雜情境派上用場,Wi-Fi要能精準計算多人的人數與所在地點。

佛羅里達州立大學(Florida State University)研究人員楊杰的目標更大,但方向略有不同。他先針對一群人計算人數與定位,再個別追蹤。「5年前,研究方向大多集中在個人。」他說:「我們現在鎖定多人,比方說一家人。」近期研究的重點放在,如何使用步行模式或呼吸頻率,在多人情境中進一步判斷個人身分。楊杰在其2023年的論文中指出,在新環境中也有可能再次判斷出個人身分。但這項研究如果要落實在現實生活,即使只是用來判斷幾名家庭成員或員工的身分,研究人員不但需要更進階的人工智慧,還要有更好的硬體設備。

而身為人子的保羅正是這方面的專家。

過去22年來,保羅在電機電子工程師學會( Institute of Electrical and Electronics Engineers;IEEE)擔任802 LAN/MAN標準委員會(802 LAN/MAN Standards Committee)主席,這個委員會雖然默默無名卻影響力十足,負責擬定Wi-Fi與乙太網路相容性的技術標準。

2019年,保羅赴華府參加IEEE餐會,同桌對面坐著創辦起源無線公司、近期擔任IEEE總裁的劉國瑞,正在與另一位來賓討論Wi-Fi感測技術,吸引了保羅的注意。自「統一資源定址器」(URL,亦即「網址」)發明以來,網路的有線和無線一直是他思考的主要方向,但這頓飯突然讓他看到不同的領域。「我很興奮。」保羅說。

他和劉國瑞聊了起來,表示願意支持成立Wi-Fi感測技術的小組委員會。於是2020年有了WLAN感測802.11bf任務小組(802.11bf Task Group for WLAN Sensing),由華為與高通(Qualcomm)等企業的專家組成,致力於為晶片廠擬定產業標準,旨在降低Wi-Fi感測的技術門檻。其中一個關鍵在於,新標準一旦上路,Wi-Fi感測運算法所使用的通道狀態資訊將更加一致,不會像目前一樣需要大量限定與除錯。楊杰說,新標準於2025年推出後,「每個Wi-Fi裝置將可輕易與切實做好訊號量測。」光是這點就可望帶動更多Wi-Fi感測產品上市。劉國瑞認為「會有爆炸性的成長」。

除了一直以來的目標如偵測跌倒、心律、呼吸等,該小組委員會放眼長期,認為潛在應用面還包括在住家或店家計算人數與找人、偵測小孩是否被留在車子後座、判斷手勢等。

IEEE另有3個小組委員會可能有助於達成這些目標。第一個是802.11be,亦即更廣為人知的Wi-Fi 7。Wi-Fi 7預訂今年推出,將開啟額外無線電頻段,供新型Wi-Fi裝置使用,因此將有更多通道狀態資訊讓運算法分析。Wi-Fi 7亦可加強支援每個Wi-Fi裝置的微型天線,有助於運算法更精準定位。楊杰說,有了Wi-Fi 7,「感測能力可望增加10倍。」

預計幾年後登場的Wi-Fi 8標準,可能帶動細節與準確度再一次大躍進。楊杰說,如果搭配更進階的運算法,每台路由器的Wi-Fi 8可以讓感測器不只追蹤幾個人而已,而是高達10到20人。路由器再彼此分享資訊,因此可以針對走過擁擠室內空間(如機場)的個人進行計算與追蹤。

最後一個是普及度較低的WiGig,這項技術標準已經讓Wi-Fi裝置能在雷達晶片的公釐波空間運作,Google Nest即是一例。倘若這項標準更加普及,可能讓Wi-Fi感測任務小組鎖定的其他應用面更具商業價值,這些用途包括辨識已知人臉或人體、辨識司機是否昏昏欲睡、建立室內物品的3D地圖、偵測打噴嚏強度(畢竟,任務小組的成立時間是在疫情爆發的2020年)。

IEEE目前在隱私與資安領域並未有所著墨,至少並未直接進行。參與Wi-Fi感測技術任務小組的IEEE會士區子廉,亦是起源無線公司副總裁,他說現階段的目標在於「至少完成感測量測」。他指出,委員會確實討論到隱私權與資安議題,「有幾個成員提出疑慮,我本人也是。」但他們的結論是,這些顧慮的確有待解決,但超過委員會的職權範圍。

使用Wi-Fi訊號傳輸數據時,在電磁波往返的資訊可以經過加密,讓駭客無法解讀。但電磁波還是存在,無法以同樣的方式加密。

「就算數據加密了,」帕瓦里說:「如果有人坐在你家外頭,還是可以得知家庭成員的行進路線,甚至走動的人是誰。」只要有時間、技巧和正確的設備,有心人士還可能觀察你打鍵盤、讀你的唇語,或是竊聽聲波;再加上不錯的人工智慧,他可能有能力解讀這些資訊。「畢竟,現行技術最厲害的部分就是用來隔牆偵測。」他說。
現在只要有Wi-Fi的地方,牆壁也變得單薄。但楊杰證實說,目前能夠進行這類窺視的人,只有研究人員與能夠複製研究結果的機構組織,包括各國政府。「這個情況可能已經發生。」他說:「我不知道是否有人實際在用這種方式監測,但我確定我們有能力做到。」

正因如此,10幾年前企圖使用Wi-Fi訊號得到位置資訊的帕瓦里,如今反其道而行。他近期完成一項由美國陸軍研究辦公室(U.S. Army Research Office)資助的計畫,負責擬定策略,將噪音與誤報帶入通道狀態資訊,讓未經授權的裝置更難監測。歐盟近期資助一項稱為CSI-MURDER的計畫,以混淆通道狀態資訊為目標。防止竊聽的理由有很多,帕瓦里舉例,美國陸軍可能「要確保在基地提供Wi-Fi,但不希望音訊被外面的人竊聽。」

全球已有多國政府在監視公民,美國與中國名列其中,兩者皆是Wi-Fi感測研究的重鎮。這也構成另一項風險;儘管最敏感的Wi-Fi感測資料通常儲存在本機端,但情報單位可以輕易親自監測這些數據(視情況甚至不需搜查令或傳票),還可能取得任何傳送到雲端的報告。儘管如此,對許多美國民眾來說,一般使用者造成的隱私風險比政府單位更大。吉爾莫指出,市面上已經有用來偵測人體存在的工具,可能更不利家暴受害者。「如果跟蹤者願意遵守威訊的服務條款,當然值得高興,但對這我打個問號。」他補充說。

在美國家庭幫傭聯盟(National Domestic Workers Alliance)主持社會創新實驗室的帕拉夏(Palak Shah)說,她想像得到Wi-Fi感測的好處。「工資偷竊」(wage theft;指雇主以不當名目扣減勞工薪資)在我們這個產業是常見問題。」她說。有工具能夠協助褓姆、清潔員或照護人員證實人在雇主家中,有助於保障工資支付,但她說:「通常的情況是,這些裝置本來對勞動者是福音,最後卻變成對付他們的工具」,而且「勞資存在固有的權力關係,很難打破。」

在美國家庭幫傭聯盟的協助下,有幾州已經通過相關法案,依法不得在浴室「進行監測或錄製」。相較之下,Wi-Fi感測技術因為不會顯示裸體,經常被人宣稱能夠「保護隱私」,但吉爾莫說:「就因為它不是人類天生的感測模式,並不代表它沒有侵略性。」

從某方面來看,Wi-Fi感測技術比攝影機更值得堪憂,因為它能夠完全藏於無形。知道該怎麼找的話,褓姆監視器並不難找到,但如果你不是路由器的主人,除非主人告訴你,就無從得知自己是否被智慧型燈泡監測。要解決這個問題,可以規定附有標籤與揭露資訊,或者借重更多技術方案,但這些目前都不存在。

我請教劉國瑞,對於正在因應這些新議題的議員,他有何建議。他指出,這個問題已經有位參議員提出。「這項技術有助於改變全世界,提升生活品質,包括老人照護、安全、能源管理等各個領域。」他說:「儘管如此,我們的社會必須要畫出一條紅線。紅線畫在哪裡,不是我的工作所能決定的,若一旦畫了線,就不能逾越。」

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