基于后向散射和軟件定義的無線傳感器網絡通信研究

上海船舶電子設備研究所 胡必楠

1 研究背景

無線電后向散射技術，是一種普遍使用在射頻識別系統當中的一種技術。在RFID系統當中，可以完成標簽與閱讀器的識別，并將其信號進行有效的傳輸。但是在特定的情況下，還要將其附加信息存儲到閱讀器當中以此可以形成良好的系統。在這樣的系統運行中，無線電后向散射通信技術，有著較強的技術優勢性，這是由于在標簽并不需要具備主動發送無線電信號的功能，僅僅利用了發射閱讀器所發射的無線電信號即可完成信息的傳輸，并利用控制自身的反射系數，進行反射的調制。因此，這樣的通信原理，使得可以很好地利用反射系數的調節，讓標簽具備著較低的制造成本，同時功率方面也得到了有效的控制。在當下，標簽和閱讀器之間的間距較小的系統中，所使用的RFID標簽，可以從閱讀器當中接收到一定的信號，并獲得相應的功率。因此，這種不需要配置電源的無源信號，可以利用這種系統方式，能夠得到的最大距離，往往取決于標簽是否可以從接收信號當中，得到相應的電壓。在對這種無電源式的RFID技術而言，已經十分的成熟。但是一般類型的系統，其信息通信的范圍十分有限。例如，在房間內的供應鏈監控以及庫存控制等，一些非傳統應用接口的使用下，信號范圍十分有限。

2 大距離后向散射技術

為了能夠實現更大傳輸距離，就需要在RFID系統當中，將其標簽實現半無源與電池輔助的設計方式。雖然這種標簽在設計的過程中，配置了一定的電源，但是運行的原理與無源標簽相同，都是利用基本的后向散射技術。對于這種電池的配置而言，僅僅是用于操作標簽狀態機，以及系統當中的后向散射調制器。因此，對于這種形式的標簽，往往可以很好地在最大范疇程度進行信號的通信。同時對于半無緣變遷而言，其最大的通信范圍在于可以很好地利用閱讀器接收機端的一些信噪比。但是運行當中也十分依賴系統當中的參數，例如對于閱讀器發射的功率電頻、標簽的發射效率以及調制方案當中的信噪比效率。在閱讀器接收機當中的噪聲系數、無線電傳播環境以及比特率等，都可以需要得到相應的調節處理。

3 比特率

在眾多的RFID系統當中，為了保障系統的正常運行，就需要保障比特率始終保持在較高的區間。這是由于在設置的RFID標簽當中，往往需要1s的時間，將信號反射到閱讀器上。但是在無線傳感器網絡當中，使得這種運行機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。在遠距離的通信過程中，可以很好的利用標簽與閱讀器之間的較低比特率設置，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的長度都可以實現較高的處理效果。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。在當下眾多的應用過程中，都需要保障傳感器能夠在特定的時間間隔，將數據進行觀測，例如需要對環境污染物濃度、溫度、濕度等進行觀測。在當下這種監控的條件下，使得僅僅需要幾赫茲的效果，就可以實現良好的運行效果。

4 傳感器網絡

在當下的傳感器網絡上，所采用的后向散射技術，可以很好地保障每一個單獨的傳感器發射機，在運行的過程中，都能夠提供一個較低復雜度的運行方式，同時在系統的運行成本方面也十分的可觀。在不同的傳感器上，其發射機可以被簡化成一個單一的射頻晶體管開關。因此，可以讓傳感器的制造程度，可以降低到最低的標準上。在運行的過程中，往往RF標簽與閱讀器之間，距離都十分近，因此就可以在有限的通信范圍內，依賴閱讀器與標簽之間的連接，使得需要的能量十分有限。其次，在當下市場當中的大多數商用閱讀器，都是采用的單站結構類型，因此僅僅讓載波發射器與接受鏈路，駐留到同一個盒子當中，因此就極大地縮小的傳感器的設計體積。同時，不僅僅可以很好地控制傳感器發射機，也使得在傳感器發射機在保證在設計的過程中，對整個網絡體系結構都進行了簡化處理。

5 系統體系結構

在本文的研究過程中，其系統的構成上主要由100-200個之間的超低成本的傳感器構成。對于這些傳感器而言，進行科學合理的布局設計。在這樣的系統當中，對于這些超低成本的觀感器調制與反射，全部由Hub發射的載波負責。因此，對于每一個傳感器而言，所需要的實際比特率都需要得到控制，其傳感器在運行的過程中，每一個傳感器的監測工作，持續性的傳感器工作，所需要的比特率都會有著一定的限制性因素。

5.1 無線電鏈路

在本文提出的系統而言，所提出的不同Hub與單個的傳感之間，其后弦散射通信體系的具體結構方面需要得到有效的處理。

5.2 傳感器的調制

在不同的傳感器之上，都需要由控制器所生成的具體函數影響，以此形成一個預先確定下來的頻率方波。對于這種頻率而言，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。

5.3 Hub接收機與RF前端

在本文的分析中，所構建的Hub接收機與RF前端，僅僅需要對其方波進行考慮，這樣的方式是為了有效的對其Hub接收機的設計進行簡化處理。其次，還是為了能夠獲得更高次的諧波。因此，在這樣的設計之后，可以很好的形成良好的帶寬設計，并計算出相應的基波分量在方波總功率的程度。

在后向散射通信當中，其接收機端基本上采用的都是零差檢測的方式，因此就可以很好的利用發射信號的方式，當做零差檢測的重要參考。而對于接收機與RF載波源同時進行定位的時候，其相位噪聲可以得到有效的抵銷。在本文所提出的系統設計方式，其零差接收機可以很好的起到移除RF載波的效果，以此讓信號的頻率引導0Hz中心的頻率上。這樣就可以順利的接收到信號的實部與虛部。這對于傳感器而言，其RF零差前端的輸出是實體信號。

5.4 傳感器接入

在系統當中的傳感器，在實際的運行過程中，其比特率在與子載波相比較之后，要保持小于其數量級的效果。因此，就使得在系統當中的每一個傳感器，其產生的信號都為窄帶信號值，同時在信號的中心與自身周圍，都存在著唯一的子載波頻率。在這樣的運行方式下，就可以很好的讓傳感器可以同時進行工作，并保持在子載波頻率的設計范圍當中。在設計的過程中，系統的載波頻率附近，在接收到后向散射信號之后，就相應的可以很好的保障RF雜波的存在。因此，對于這種Hub附近的散射，其載波頻率的附近存在著一定的雜波問題。

在本文的系統分析中，其全部傳感器都在運行的過程中，不同于傳統類型的RFID系統。在傳統類型的系統中，其運行過程中，基本上都是讓閱讀器在特定的時間內，訪問標簽當中的一個唯一的子集。這樣的運行方式下，單個標簽可以在閱讀器的有效范圍內完成處理，因此可以形成收費的情況。而在標簽上還配置了信號接收機，這樣就可以相對獨立的完成信號處理，便于基于防碰撞的算法方式，進行信號的分組處理。其次，在本文的傳感器接入方案設計上，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，可以較為靈活的進行數據方面的處理。

往往在實際的使用過程中，還需要考慮到傳感器連續調制值，一旦出現無法基帶濾波的機制，就會使得在相鄰的兩個子載波頻率傳感器，出現相互干擾的問題。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，以此讓其信號功率時刻保持著一個可靠的差別。

5.5 系統原型實現

（1）Hub

在對其RF載波頻率的設計中，可以將其控制在900-930MHz的范圍之間，并將其發射功率設定為5mW的標準。在天線放射的部分信號方面，也可以很好的當做機震蕩器進行使用，以此可以很好地用于零差接受與下變頻。

（2）傳感器

在傳感器的設計過程中，主要是基于驅動低功率的RF開關下的低功耗為空氣進行構成。因此，在對于這種為控制器時鐘而言，是一種主要由大量低成本的晶體所構成。在每一個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構，因此就很好地便于MSK調制處理。

在不同的傳感器當中，都是由電池輔助，同時半主動的進行工作。這種電池在運行的過程中，由于僅僅的限于開關的單個晶體管，因此就可以實現子載波調制工作。但是，在運行中沒有對信號起到調節與處理的作用。在不同的傳感器功率設計上，需要能夠考慮到通信所需要的設計功率，以此就可以在后向散射無線電的操作過程中，進行檢測特定的參數電子設備進行供電。而在當下的實驗過程中，所設計的特定傳感器實物圖當中，包含著連接到晶體管上的蝴蝶結天線，同時也是一個基于較低成本的微控制器的系統構成。

總結：綜上所述，對于這種系統的設計而言，本文所闡述的后向散射和軟件定義的無線傳感器網絡通信，可以很好的發揮出信息通信的效率性，因此極大地滿足了信息傳輸的設計需求，同時也十分有效地控制了制造的成本，最大程度上保障系統運行過程中的可靠性。其次，還使得在信息傳輸的過程中，可以避免受到外界環境的干擾，成為一種信息傳輸穩定、系統造成成本經濟性較高的設計方式。但是在一些運行的問題上，還要在未來進行深入的研究與分析。