基于RFID与无线传感融合网络关键技术的研究

代红英 张仁永

摘要：考虑到一般无线传感应用中上下行数据传输的非对称性，以及信息传输与识别/定位功能融合的业务是未来信息服务的主流发展趋势，因此，作者旨在前期对非相干混沌调制以及超宽带研究的基础上，研究基于非相干混沌超宽带的RFID/无线传感融合网络的关键技术，即在下行链路采用UHF RFID实现传感节点的识别以及对传感节点的射频无线充电，上行采用结构简化的非相干混沌超宽带实现信息的采集。

关键词：非相干混沌调制;UHF;RFID

中图分类号：TP212.9;TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）10-0085-02

信息与通信技术在生活与生产中的广泛应用，加速推动了人与人、人与物和物与物之间的普遍连接，面向个人生活的连接无处不在，面向生产领域的工业互联网开始萌芽，不同产业之间的融合加速，新的产业类型呼之欲出。物联网正是这种普遍连接与互联网在工业领域应用的体现，作为物联网的重要组成部分，无线传感器网络（WSN： Wireless Sensor Network）和射频识别（RFID： Radio Frequency Identification）技术已广泛应用于环境监测、健康医疗、智能建筑、仓储物流等领域。

无线传感器网络是一类能量受限的网络，网络中节点所携带的能量决定了网络的生存时间。高效地使用有限的能量，依赖于降低节点电路与通信协议中的开销和能量消耗。因此，需要一系列的低功耗技术支持无线传感器网络的设计，如低功耗的物理层传输技术和媒介访问控制（MAC）等。

针对能量受限的无线传感器网络，设计双频带的RFID/无线传感融合网络，以窄带的UHF RFID信号用于对传感节点的识别和射频能量传输（RF energy transfer），以非相干的混沌超宽带用于上行链路的高速数据采集。研究射频能量传输条件下，RFID读写器发射天线波束成型算法和时隙调度算法，以及传感节点的接入与休眠/唤醒机制，预期获得高能量效率的RFID/无线传感融合网络传输策略。

1 RFID/无线传感融合网络环境下射频能量与信息同时传输的资源分配机制

1.1读写器多天线的传输能量波束成型算法。在该双频带配置中，UHF RFID链路采用上、下行时分复用，因此利用信道的互易性，研究不完备信道信息（CSI）情况下，读写器多天线的传输能量波束成型（Energy Beamforming）算法。

1.2网络中传感节点收集能量的分布特性。给定发射功率和时隙分配策略，运用随机几何方法，分析波束成型算法、节点位置以及信道特性与节点所收集能量之间的关系，建立节点收集能量的分布模型。

1.3给定读写器能量约束下的UHF RFID链路资源联合优化。基于节点能量分布模型，分析节点数据传输需求与节点能量之间的关系，进而联合优化UHF RFID链路下行射频能量传输时隙和上、下行信息传输时隙的分配。

2 高能量效率的上行物理层传输策略

2.1基于软输出编码调制系统的设计。分析非相干混沌调制在AWGN和密集多径衰落信道（超宽带信道）下的信道容量，为该调制下的信道编码码率选取，码型设计提供理论支撑，并完成基于软输出的编码调制系统设计。

2.2超宽带上行链路的自适应机制。假定读写器接收机可对超宽带上行链路的信道特性进行估计，利用UHF RFID链路下行反馈部分信道信息到传感节点，研究有限、过时信道信息下，超宽带上行链路的自适应策略。

2.3建立单位比特所需发射功率和信号处理电路能耗的统一功耗模型。给定传输可靠性（BER）条件下，研究单位比特功耗与节点位置之间的关系，建立基于节点位置的能量效率优化方法。

2.4超宽带压缩采样接收算法。分析RFID链路对UWB链路性能的影响，研究在RFID信号作为窄带干扰下，压缩采样观测矩阵的选取，分析窄带干扰对压缩采样恢复算法和接收机同步的影响，从而设计合理的信号检测和接收同步算法。

3 RFID/无线传感融合网络MAC层的研究

3.1基于时分多址（TDMA）接入機制，研究与节点射频收集能量分布相适应的上行超宽带接入策略，设计时变的数据帧结构和节点休眠/唤醒策略。

3.2基于随机多址机制，研究与节点RF收集能量分布相适应的上行超宽带接入策略和节点休眠/唤醒机制，探讨节点公平与系统吞吐量最大化之间的折中。

3.3分析功率控制、编码调制选择对链路信号干扰噪声比（SINR）以及MAC层丢包率的影响，研究MAC层的重传机制。

参考文献：

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