基于RFID的情境感知关键技术研究

【摘要】：情境感知服务旨在对普适环境中的情境参数自适应地进行感知、获取、处理和反馈,使计算设备感测情境,适应情境,提供最灵活的计算服务,实现一种人与计算机、环境的自然交互。其中,准确实时地获取位置及身份信息是情境感知服务系统的基础和保障。而采用不同的信息获取技术将直接影响整个系统的体系结构及相关功能实现。目前,在众多无线技术中,只有RFID技术能够在对用户及实体进行身份识别的基础上,同时兼顾位置信息获取,因此是情境感知服务系统对“情境”信息获取的首选技术。 在RFID识别过程中,当多个标签同时对阅读器应答时,会发生多标签冲突,这将会造成能量及带宽的巨大浪费,并导致识别时间大大增加。因此,有效的防冲突算法是保证RFID系统高效识别的关键。而在位置信息获取方面,鉴于RFID技术的应用领域非常广泛,不同的应用环境,尤其是需要自主定位、移动定位及实时追踪等特殊应用场合,对系统成本、定位精度、定位时间的要求均会有所不同,因此,针对不同应用背景构建相应的RFID定位方案是一项十分复杂的研究课题。 本文针对情境感知服务系统中情境信息获取的相关关键技术——RFID防冲突算法及定位算法进行了深入研究,主要创新点如下: 突破已有基于时分多址防冲突算法的瓶颈,将智能天线概念引入RFID系统中。通过对均匀线阵和平面阵列输入矢量及波束形成原理进行深入分析,给出了适用于RFID系统的数字多波束形成算法。在此基础之上,提出了一种基于均匀线阵的标签防冲突算法。该算法充分考虑标签的空间分布特性,将空间划分成多个波束方向,使处于不同波束内的标签可以被分配相同的时隙和频率而彼此不会发生冲突,并提出二次波束形成策略,以有效解决波束间重叠区域的阅读器冲突问题。同时,不同波束可采用不同的内部防冲突算法,以灵活适应实际情况需求。理论和仿真实验表明,该算法实现了对大量密集分布标签的快速准确识别,大幅提高了识别效率并显著减少了系统通信量。此外,还将平面阵列应用于RFID系统中,对三维空间下的多标签问题提出了解决方案,实现了真正意义上的空分多址的防冲突概念。 针对现有RFID定位系统中大面积铺设阅读器造成成本昂贵的问题,提出大范围铺设无源标签网络对持有阅读器的待定目标进行实时定位的思想,最大限度的降低系统成本。根据无源标签信号稳定性不高的特点,提出了一种基于接近策略的RFID多跳邻域定位算法。该算法仅通过判断标签是否在阅读器的识别范围内进行定位,避免了增加额外设备,在减低阅读器成本的同时保证系统具有鲁棒性。文中对影响算法性能的主要因素从理论上进行了详细分析,并通过仿真实验及实际测试对系统构建及参数选择进行了深入研究。研究表明,该定位系统在静止条件或移动环境下均具有较高的定位精度,且不易受环境、障碍物等因素的干扰。 将多普勒频移这一物理量引入RFID定位算法中,对移动阅读器接收信号特性进行了详细分析,给出了由阅读器同标签之间相对移动所引起的多普勒频移随时间的变化特性。根据参数设定不同,将该频移划分成不同形式,并针对每种形式提出了相应的频移估计方法,以满足移动RFID系统复杂度低、计算量小及需要实时处理的特性。在此基础之上,提出了一种基于瞬时频率估计的移动RFID定位算法。该算法针对不同的应用环境分别提出了不同的系统构架和算法模型,在对瞬时频率进行实时估计的基础之上,通过挖掘多普勒频移、速度、位置之间的关系,得到了移动目标位置及速度的实时估计值,为移动目标定位研究开辟了新的研究思路。