基于RFID與無線傳感融合網絡關鍵技術的研究

代紅英 張仁永

摘要：考慮到一般無線傳感應用中上下行數據傳輸的非對稱性，以及信息傳輸與識別/定位功能融合的業務是未來信息服務的主流發展趨勢，因此，作者旨在前期對非相干混沌調制以及超寬帶研究的基礎上，研究基于非相干混沌超寬帶的RFID/無線傳感融合網絡的關鍵技術，即在下行鏈路采用UHF RFID實現傳感節點的識別以及對傳感節點的射頻無線充電，上行采用結構簡化的非相干混沌超寬帶實現信息的采集。

關鍵詞：非相干混沌調制;UHF;RFID

中圖分類號：TP212.9;TN929.5?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）10-0085-02

信息與通信技術在生活與生產中的廣泛應用，加速推動了人與人、人與物和物與物之間的普遍連接，面向個人生活的連接無處不在，面向生產領域的工業互聯網開始萌芽，不同產業之間的融合加速，新的產業類型呼之欲出。物聯網正是這種普遍連接與互聯網在工業領域應用的體現，作為物聯網的重要組成部分，無線傳感器網絡（WSN： Wireless Sensor Network）和射頻識別（RFID： Radio Frequency Identification）技術已廣泛應用于環境監測、健康醫療、智能建筑、倉儲物流等領域。

無線傳感器網絡是一類能量受限的網絡，網絡中節點所攜帶的能量決定了網絡的生存時間。高效地使用有限的能量，依賴于降低節點電路與通信協議中的開銷和能量消耗。因此，需要一系列的低功耗技術支持無線傳感器網絡的設計，如低功耗的物理層傳輸技術和媒介訪問控制（MAC）等。

針對能量受限的無線傳感器網絡，設計雙頻帶的RFID/無線傳感融合網絡，以窄帶的UHF RFID信號用于對傳感節點的識別和射頻能量傳輸（RF energy transfer），以非相干的混沌超寬帶用于上行鏈路的高速數據采集。研究射頻能量傳輸條件下，RFID讀寫器發射天線波束成型算法和時隙調度算法，以及傳感節點的接入與休眠/喚醒機制，預期獲得高能量效率的RFID/無線傳感融合網絡傳輸策略。

1?RFID/無線傳感融合網絡環境下射頻能量與信息同時傳輸的資源分配機制

1.1讀寫器多天線的傳輸能量波束成型算法。在該雙頻帶配置中，UHF RFID鏈路采用上、下行時分復用，因此利用信道的互易性，研究不完備信道信息（CSI）情況下，讀寫器多天線的傳輸能量波束成型（Energy Beamforming）算法。

1.2網絡中傳感節點收集能量的分布特性。給定發射功率和時隙分配策略，運用隨機幾何方法，分析波束成型算法、節點位置以及信道特性與節點所收集能量之間的關系，建立節點收集能量的分布模型。

1.3給定讀寫器能量約束下的UHF RFID鏈路資源聯合優化。基于節點能量分布模型，分析節點數據傳輸需求與節點能量之間的關系，進而聯合優化UHF RFID鏈路下行射頻能量傳輸時隙和上、下行信息傳輸時隙的分配。

2?高能量效率的上行物理層傳輸策略

2.1基于軟輸出編碼調制系統的設計。分析非相干混沌調制在AWGN和密集多徑衰落信道（超寬帶信道）下的信道容量，為該調制下的信道編碼碼率選取，碼型設計提供理論支撐，并完成基于軟輸出的編碼調制系統設計。

2.2超寬帶上行鏈路的自適應機制。假定讀寫器接收機可對超寬帶上行鏈路的信道特性進行估計，利用UHF RFID鏈路下行反饋部分信道信息到傳感節點，研究有限、過時信道信息下，超寬帶上行鏈路的自適應策略。

2.3建立單位比特所需發射功率和信號處理電路能耗的統一功耗模型。給定傳輸可靠性（BER）條件下，研究單位比特功耗與節點位置之間的關系，建立基于節點位置的能量效率優化方法。

2.4超寬帶壓縮采樣接收算法。分析RFID鏈路對UWB鏈路性能的影響，研究在RFID信號作為窄帶干擾下，壓縮采樣觀測矩陣的選取，分析窄帶干擾對壓縮采樣恢復算法和接收機同步的影響，從而設計合理的信號檢測和接收同步算法。

3?RFID/無線傳感融合網絡MAC層的研究

3.1基于時分多址（TDMA）接入機制，研究與節點射頻收集能量分布相適應的上行超寬帶接入策略，設計時變的數據幀結構和節點休眠/喚醒策略。

3.2基于隨機多址機制，研究與節點RF收集能量分布相適應的上行超寬帶接入策略和節點休眠/喚醒機制，探討節點公平與系統吞吐量最大化之間的折中。

3.3分析功率控制、編碼調制選擇對鏈路信號干擾噪聲比（SINR）以及MAC層丟包率的影響，研究MAC層的重傳機制。

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