RFID 的无源感知机制

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伴随着物联网、工业互联网以及工业 4.0 等智能化概念的提出,新型的计算模式与感知技术被充分应用于生产生活中。而在这些技术中,RFID技术作为条形码以及二维码的替代产物,已经成为物联网应用的核心支撑技术之一,在学术界与工业界得到了广泛关注。 如图1所示,RFID标签由于无源传输、远距离通信以及唯一标识等特点,替代条形码, 被广泛部署在日常物体之上,应用于物流管理、目标检测、安全访问控制等一系列智能化应用中,为人们的生活与工作提供更加便捷的智能化体验。

RF  射频  RFID

图 1 基于 RFID 的感知演进历程

在众多智能化应用中,智能感知是连接计算机世界与物理世界的关键桥梁,是其他智能应用的重要基石。 如图1所示,传统的智能感知往往使用专用传感器对特定的感知目标进行测量,实现精准的物理世界感知。例如,智能手机与智能手环等利用灵敏度与准确度较高的专用运动感知模块进行运动感知。而随着智能设备的广泛使用,基于泛在智能设备、以非接触方式进行的无源感知逐渐受到关注,成为学术界的一大研究热点。例如,声音感知只需麦克风与扬声器即可完成感知 ; WiFi 等日常环境中广泛部署的无线设备,为用户提供了多维度的感知信息 ; 可见光感知则能够利用环境中广泛部署的可见光源进行用户行为识别。

无源感知网络,是指节点自身不配备或不是主要依赖自身的电源设备供电,而是通过从环境中获取能量支撑其计算、感知和通信与组网。而在无源感知研究中,RFID 由于标签的可标记性, 完美地解决了传统无源感知技术无法区分多目标的问题; 同时,标签价格低廉使得可以通过在日常物体上广泛部署标签进行泛在感知,成为感知万物的一种有效方式。 如图 1 所示,基于RFID的无源感知技术实现了RFID从“识别”到“感知”的蜕变,是可标记无源感知中的典型技术,成为近年来无源感知的一个热门研究领域。

一般而言, 实现这样的无源感知应用需要在感知渠道、感知方法、感知范畴以及感知应用这 4 个层面分别满足: (1) 感知渠道信号稳定, (2) 感知 方法部署可行, (3) 感知范畴目标准确, (4) 感知应用场景普适。 首先, 感知渠道是指感知所使用的信号特征来源, 在 实际环境中无线信号容易受到各种环境噪音的干扰, 选取合适稳定的感知渠道能够为鲁棒的感知应用提供最重要 的基础保障; 其次, 感知方法是指感知所采取的信号模型以及场景部署等, 对于不同的感知应用需求, 构建合理有 效的感知方法,部署切实可行的感知设备, 是感知应用能够实际使用的关键; 再次, 感知范畴是指感知方法所对应的算法目标, 确定真实有效的感知范畴,并实现准确鲁棒的目标感知是智能感知技术中的核心问题; 最后,感知应用是指感知技术在实际生活中的应用场景,通常需要感知应用具有一定的泛化性, 能够解决一类的应用场景。综上所述,挖掘出泛化的应用需求,并进行准确的感知,是基于RFID无源感知研究的最终目的。这4个层面紧密相关,且相互影响: 感知推理模型决定了设备的部署方式与感知渠道; 感知应用的需求决定了感知范畴的选取; 同时,感知应用的场景限制了感知方法中设备部署的可行性; 感知范畴的准确性依赖于感知方法的选择等。因此,在实际感知研究中,这4个层面是相互关联、相互依存。在设计感知应用时需要结合多种因素考虑,从而实现更加可靠的感知应用。

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图 2 基于 RFID 的无源感知机遇与挑战

图 2 中, 感知渠道主要指感知所用的信号特征。就RFID技术而言,标签的信号特征与距离、角度等信道参数具有稳定的函数关系,标签信号特征与信道参数间的高敏感度与强关联性为基于 RFID 的无源感知提供了机遇。但一方面,多种行为变化对特定信号特征均有影响 (如呼吸和心跳会同时影响标签信号),造成多种特征难以区分; 另一方面, RFID的随机读取方式造成信号采样不稳定,采样干扰难去除。

感知方法主要指感知过程使用感知渠道的具体方式,包括不同感知设备的部署方式、感知技术的工作原理等等。就RFID技术而言,RFID标签适合灵活的多标签部署,且多个标签间信号具有较强的关联性,为RFID感知提供了机遇; 但一方面,多个标签信号特征同时受多种行为影响,难以统一区分; 另一方面,真实环境中的噪音信号以及多标签间的相互干扰十分复杂,难以通过统一模型进行量化去除。

感知范畴主要指感知工作在技术层面所最终需要实现的感知目标。就RFID技术言,RFID 的信号特征与标签位置、多径反射等环境因素敏感度高与关联性强,为多种范畴的目标感知提供了机遇。 但依然存在诸多挑战,一方面,感知范畴内的多种目标状态变化会对同一种信号特征产生影响, 难以有效区分; 另一方面,标签的随机读取带来不稳定的标签读取, 这为实时的连续行为感知带来巨大挑战。

感知应用主要指感知工作在应用层面所适用的具体场景。就RFID技术而言,无源标签的通用性为实际应用提供了成本低廉、部署灵活、改造方便等优势,为感知应用带来了机遇。 但感知应用场景中也存在一些挑战,在真实复杂环境下的RFID应用极易受到多种环境噪音影响,真实环境下的无线噪音难以被有效量化削减。

总体来说, 基于 RFID 的无源感知与其他感知技术相比, 在感知渠道方面, 无源的标签通讯带来了更多的信号干扰与感知挑战, 同时便捷的标签部署也提供了“万物皆可知”的感知机遇; 在感知方法方面, 标签和天线的灵活部署与定制化调整, 提供了更多的感知场景与针对性的感知解决方案; 在感知范畴方面, 绑定式与非绑定式感知都能利用广泛部署的 RFID 标签进行目标感知, 提升了感知的灵活性; 在感知应用方面, 物联网时代 RFID 标签的广泛部署为更丰富的感知应用提供了设备基础, 为众多潜在的应用提供保障。

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