基于后向散射和軟件定義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信研究

上海船舶電子設(shè)備研究所 胡必楠

1 研究背景

無線電后向散射技術(shù)，是一種普遍使用在射頻識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)中的一種技術(shù)。在RFID系統(tǒng)當(dāng)中，可以完成標(biāo)簽與閱讀器的識(shí)別，并將其信號(hào)進(jìn)行有效的傳輸。但是在特定的情況下，還要將其附加信息存儲(chǔ)到閱讀器當(dāng)中以此可以形成良好的系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)運(yùn)行中，無線電后向散射通信技術(shù)，有著較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)性，這是由于在標(biāo)簽并不需要具備主動(dòng)發(fā)送無線電信號(hào)的功能，僅僅利用了發(fā)射閱讀器所發(fā)射的無線電信號(hào)即可完成信息的傳輸，并利用控制自身的反射系數(shù)，進(jìn)行反射的調(diào)制。因此，這樣的通信原理，使得可以很好地利用反射系數(shù)的調(diào)節(jié)，讓標(biāo)簽具備著較低的制造成本，同時(shí)功率方面也得到了有效的控制。在當(dāng)下，標(biāo)簽和閱讀器之間的間距較小的系統(tǒng)中，所使用的RFID標(biāo)簽，可以從閱讀器當(dāng)中接收到一定的信號(hào)，并獲得相應(yīng)的功率。因此，這種不需要配置電源的無源信號(hào)，可以利用這種系統(tǒng)方式，能夠得到的最大距離，往往取決于標(biāo)簽是否可以從接收信號(hào)當(dāng)中，得到相應(yīng)的電壓。在對(duì)這種無電源式的RFID技術(shù)而言，已經(jīng)十分的成熟。但是一般類型的系統(tǒng)，其信息通信的范圍十分有限。例如，在房間內(nèi)的供應(yīng)鏈監(jiān)控以及庫(kù)存控制等，一些非傳統(tǒng)應(yīng)用接口的使用下，信號(hào)范圍十分有限。

2 大距離后向散射技術(shù)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)更大傳輸距離，就需要在RFID系統(tǒng)當(dāng)中，將其標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)半無源與電池輔助的設(shè)計(jì)方式。雖然這種標(biāo)簽在設(shè)計(jì)的過程中，配置了一定的電源，但是運(yùn)行的原理與無源標(biāo)簽相同，都是利用基本的后向散射技術(shù)。對(duì)于這種電池的配置而言，僅僅是用于操作標(biāo)簽狀態(tài)機(jī)，以及系統(tǒng)當(dāng)中的后向散射調(diào)制器。因此，對(duì)于這種形式的標(biāo)簽，往往可以很好地在最大范疇程度進(jìn)行信號(hào)的通信。同時(shí)對(duì)于半無緣變遷而言，其最大的通信范圍在于可以很好地利用閱讀器接收機(jī)端的一些信噪比。但是運(yùn)行當(dāng)中也十分依賴系統(tǒng)當(dāng)中的參數(shù)，例如對(duì)于閱讀器發(fā)射的功率電頻、標(biāo)簽的發(fā)射效率以及調(diào)制方案當(dāng)中的信噪比效率。在閱讀器接收機(jī)當(dāng)中的噪聲系數(shù)、無線電傳播環(huán)境以及比特率等，都可以需要得到相應(yīng)的調(diào)節(jié)處理。

3 比特率

在眾多的RFID系統(tǒng)當(dāng)中，為了保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，就需要保障比特率始終保持在較高的區(qū)間。這是由于在設(shè)置的RFID標(biāo)簽當(dāng)中，往往需要1s的時(shí)間，將信號(hào)反射到閱讀器上。但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使得這種運(yùn)行機(jī)制出于需要較大的通信范圍的原因，存在著一定的使用弊端。在遠(yuǎn)距離的通信過程中，可以很好的利用標(biāo)簽與閱讀器之間的較低比特率設(shè)置，可以很好的提升效果。因此，即使是在一些比特率較低的情況下，或者10bps的長(zhǎng)度都可以實(shí)現(xiàn)較高的處理效果。這是由于在傳感器位于固定的位置上，以此可以不間斷的后向散射信號(hào)。在當(dāng)下眾多的應(yīng)用過程中，都需要保障傳感器能夠在特定的時(shí)間間隔，將數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，例如需要對(duì)環(huán)境污染物濃度、溫度、濕度等進(jìn)行觀測(cè)。在當(dāng)下這種監(jiān)控的條件下，使得僅僅需要幾赫茲的效果，就可以實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行效果。

4 傳感器網(wǎng)絡(luò)

在當(dāng)下的傳感器網(wǎng)絡(luò)上，所采用的后向散射技術(shù)，可以很好地保障每一個(gè)單獨(dú)的傳感器發(fā)射機(jī)，在運(yùn)行的過程中，都能夠提供一個(gè)較低復(fù)雜度的運(yùn)行方式，同時(shí)在系統(tǒng)的運(yùn)行成本方面也十分的可觀。在不同的傳感器上，其發(fā)射機(jī)可以被簡(jiǎn)化成一個(gè)單一的射頻晶體管開關(guān)。因此，可以讓傳感器的制造程度，可以降低到最低的標(biāo)準(zhǔn)上。在運(yùn)行的過程中，往往RF標(biāo)簽與閱讀器之間，距離都十分近，因此就可以在有限的通信范圍內(nèi)，依賴閱讀器與標(biāo)簽之間的連接，使得需要的能量十分有限。其次，在當(dāng)下市場(chǎng)當(dāng)中的大多數(shù)商用閱讀器，都是采用的單站結(jié)構(gòu)類型，因此僅僅讓載波發(fā)射器與接受鏈路，駐留到同一個(gè)盒子當(dāng)中，因此就極大地縮小的傳感器的設(shè)計(jì)體積。同時(shí)，不僅僅可以很好地控制傳感器發(fā)射機(jī)，也使得在傳感器發(fā)射機(jī)在保證在設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在本文的研究過程中，其系統(tǒng)的構(gòu)成上主要由100-200個(gè)之間的超低成本的傳感器構(gòu)成。對(duì)于這些傳感器而言，進(jìn)行科學(xué)合理的布局設(shè)計(jì)。在這樣的系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)于這些超低成本的觀感器調(diào)制與反射，全部由Hub發(fā)射的載波負(fù)責(zé)。因此，對(duì)于每一個(gè)傳感器而言，所需要的實(shí)際比特率都需要得到控制，其傳感器在運(yùn)行的過程中，每一個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)工作，持續(xù)性的傳感器工作，所需要的比特率都會(huì)有著一定的限制性因素。

5.1 無線電鏈路

在本文提出的系統(tǒng)而言，所提出的不同Hub與單個(gè)的傳感之間，其后弦散射通信體系的具體結(jié)構(gòu)方面需要得到有效的處理。

5.2 傳感器的調(diào)制

在不同的傳感器之上，都需要由控制器所生成的具體函數(shù)影響，以此形成一個(gè)預(yù)先確定下來的頻率方波。對(duì)于這種頻率而言，則是一種該傳感器的子載波頻率。其次在不同的傳感器的信息處理上，被調(diào)制到的唯一的子載波之上，因此就讓不同的傳感器可以有著不同的控制信號(hào)。

5.3 Hub接收機(jī)與RF前端

在本文的分析中，所構(gòu)建的Hub接收機(jī)與RF前端，僅僅需要對(duì)其方波進(jìn)行考慮，這樣的方式是為了有效的對(duì)其Hub接收機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。其次，還是為了能夠獲得更高次的諧波。因此，在這樣的設(shè)計(jì)之后，可以很好的形成良好的帶寬設(shè)計(jì)，并計(jì)算出相應(yīng)的基波分量在方波總功率的程度。

在后向散射通信當(dāng)中，其接收機(jī)端基本上采用的都是零差檢測(cè)的方式，因此就可以很好的利用發(fā)射信號(hào)的方式，當(dāng)做零差檢測(cè)的重要參考。而對(duì)于接收機(jī)與RF載波源同時(shí)進(jìn)行定位的時(shí)候，其相位噪聲可以得到有效的抵銷。在本文所提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，其零差接收機(jī)可以很好的起到移除RF載波的效果，以此讓信號(hào)的頻率引導(dǎo)0Hz中心的頻率上。這樣就可以順利的接收到信號(hào)的實(shí)部與虛部。這對(duì)于傳感器而言，其RF零差前端的輸出是實(shí)體信號(hào)。

5.4 傳感器接入

在系統(tǒng)當(dāng)中的傳感器，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，其比特率在與子載波相比較之后，要保持小于其數(shù)量級(jí)的效果。因此，就使得在系統(tǒng)當(dāng)中的每一個(gè)傳感器，其產(chǎn)生的信號(hào)都為窄帶信號(hào)值，同時(shí)在信號(hào)的中心與自身周圍，都存在著唯一的子載波頻率。在這樣的運(yùn)行方式下，就可以很好的讓傳感器可以同時(shí)進(jìn)行工作，并保持在子載波頻率的設(shè)計(jì)范圍當(dāng)中。在設(shè)計(jì)的過程中，系統(tǒng)的載波頻率附近，在接收到后向散射信號(hào)之后，就相應(yīng)的可以很好的保障RF雜波的存在。因此，對(duì)于這種Hub附近的散射，其載波頻率的附近存在著一定的雜波問題。

在本文的系統(tǒng)分析中，其全部傳感器都在運(yùn)行的過程中，不同于傳統(tǒng)類型的RFID系統(tǒng)。在傳統(tǒng)類型的系統(tǒng)中，其運(yùn)行過程中，基本上都是讓閱讀器在特定的時(shí)間內(nèi)，訪問標(biāo)簽當(dāng)中的一個(gè)唯一的子集。這樣的運(yùn)行方式下，單個(gè)標(biāo)簽可以在閱讀器的有效范圍內(nèi)完成處理，因此可以形成收費(fèi)的情況。而在標(biāo)簽上還配置了信號(hào)接收機(jī)，這樣就可以相對(duì)獨(dú)立的完成信號(hào)處理，便于基于防碰撞的算法方式，進(jìn)行信號(hào)的分組處理。其次，在本文的傳感器接入方案設(shè)計(jì)上，往往是基于不同的有限帶寬，以及讓不同的傳感器在不同的子載波頻率上，可以較為靈活的進(jìn)行數(shù)據(jù)方面的處理。

往往在實(shí)際的使用過程中，還需要考慮到傳感器連續(xù)調(diào)制值，一旦出現(xiàn)無法基帶濾波的機(jī)制，就會(huì)使得在相鄰的兩個(gè)子載波頻率傳感器，出現(xiàn)相互干擾的問題。因此，在這樣的問題解決過程中，主要是受到子載波頻率傳感器的距離問題，以此讓其信號(hào)功率時(shí)刻保持著一個(gè)可靠的差別。

5.5 系統(tǒng)原型實(shí)現(xiàn)

（1）Hub

在對(duì)其RF載波頻率的設(shè)計(jì)中，可以將其控制在900-930MHz的范圍之間，并將其發(fā)射功率設(shè)定為5mW的標(biāo)準(zhǔn)。在天線放射的部分信號(hào)方面，也可以很好的當(dāng)做機(jī)震蕩器進(jìn)行使用，以此可以很好地用于零差接受與下變頻。

（2）傳感器

在傳感器的設(shè)計(jì)過程中，主要是基于驅(qū)動(dòng)低功率的RF開關(guān)下的低功耗為空氣進(jìn)行構(gòu)成。因此，在對(duì)于這種為控制器時(shí)鐘而言，是一種主要由大量低成本的晶體所構(gòu)成。在每一個(gè)傳感器的特定子載波頻率方賣弄，都是基于軟件鎖所形成結(jié)構(gòu)，因此就很好地便于MSK調(diào)制處理。

在不同的傳感器當(dāng)中，都是由電池輔助，同時(shí)半主動(dòng)的進(jìn)行工作。這種電池在運(yùn)行的過程中，由于僅僅的限于開關(guān)的單個(gè)晶體管，因此就可以實(shí)現(xiàn)子載波調(diào)制工作。但是，在運(yùn)行中沒有對(duì)信號(hào)起到調(diào)節(jié)與處理的作用。在不同的傳感器功率設(shè)計(jì)上，需要能夠考慮到通信所需要的設(shè)計(jì)功率，以此就可以在后向散射無線電的操作過程中，進(jìn)行檢測(cè)特定的參數(shù)電子設(shè)備進(jìn)行供電。而在當(dāng)下的實(shí)驗(yàn)過程中，所設(shè)計(jì)的特定傳感器實(shí)物圖當(dāng)中，包含著連接到晶體管上的蝴蝶結(jié)天線，同時(shí)也是一個(gè)基于較低成本的微控制器的系統(tǒng)構(gòu)成。

總結(jié)：綜上所述，對(duì)于這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，本文所闡述的后向散射和軟件定義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，可以很好的發(fā)揮出信息通信的效率性，因此極大地滿足了信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)需求，同時(shí)也十分有效地控制了制造的成本，最大程度上保障系統(tǒng)運(yùn)行過程中的可靠性。其次，還使得在信息傳輸?shù)倪^程中，可以避免受到外界環(huán)境的干擾，成為一種信息傳輸穩(wěn)定、系統(tǒng)造成成本經(jīng)濟(jì)性較高的設(shè)計(jì)方式。但是在一些運(yùn)行的問題上，還要在未來進(jìn)行深入的研究與分析。