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RFID系統(tǒng)的可標(biāo)記無源感知和識別的問題和挑戰(zhàn)
發(fā)布時間：2021-06-09從馬克·維瑟(MarkWeiser)在1991年提出“Ubiquitous Computing”(普適計算)理念開始，人們就一直致力于實現(xiàn)廣泛的“人-機-物”互聯(lián)，希望以最自然的方式提供服務(wù)，對泛在計算環(huán)境進行充分感知逐漸成為一項基本訴求。無源感知作為近年來的一項新興技術(shù)，以其特有的感知機理和方法，逐漸成為泛在感知計算領(lǐng)域的核心支撐技術(shù)。與傳統(tǒng)的有源感知相比，無源感知主要依賴于從環(huán)境中獲取的能量完成計算、感知與通信，無需電源對終端節(jié)點持續(xù)供電，因此，它在續(xù)航、部署、維護等方面擁有傳統(tǒng)有源感知無法匹及的潛在優(yōu)勢。然而，當(dāng)前大多數(shù)無源感知技術(shù)是基于未標(biāo)記的反射信號進行感知，無法區(qū)分多個反射信號的具體來源，因此，無法對同時存在的多個感知對象進行有效區(qū)分，導(dǎo)致應(yīng)用范疇受到限制。
射頻識別(Radio Frequency IDentification，RFID)技術(shù)的出現(xiàn)為實現(xiàn)“可標(biāo)記”的無源感知提供了新的機遇。RFID系統(tǒng)基于反向散射(backscatter)機制來實現(xiàn)RFID閱讀器與標(biāo)簽之間的通信。在反向散射過程中，閱讀器天線發(fā)射的連續(xù)波信號被RFID標(biāo)簽調(diào)制并反射，從而使閱讀器有效地識別標(biāo)簽信號。一方面，RFID標(biāo)簽反向散射的信號非常微弱，極易受到各種環(huán)境因素的干擾，包括傳輸環(huán)境中的多徑效應(yīng)、干擾對象的能量吸收等。因此，表征傳輸環(huán)境因素的信息會天然地包含在RFID標(biāo)簽的反向散射信號中。基于這一特性，RFID技術(shù)的功能逐漸實現(xiàn)了由“識別”到“感知”的蛻變。另一方面，RFID的可標(biāo)識特性能夠有效區(qū)分反向散射信號的來源，從而保證了無源感知機制的“可標(biāo)記性”。如下圖所示，利用反向散射通信機制的環(huán)境敏感特性，RFID系統(tǒng)可以基于標(biāo)簽反射信號中攜帶的環(huán)境因素的動態(tài)特征對指定對象進行感知，例如肢體行為識別、呼吸及心跳監(jiān)測等。
RFID可標(biāo)記無源感知技術(shù)
面臨的問題與挑戰(zhàn)
憑借著與生俱來的“識別基因”和反向散射特性賦予的“感知能力”，RFID的出現(xiàn)為可標(biāo)記無源感知提供了新的可能性。但事實上，對于RFID系統(tǒng)基于反向散射通信的無源感知這種全新感知模式，其中的感知機理和方法都尚未明確。從感知環(huán)境中獲取的射頻信號所蘊含的各項感知特征(如信號強度、相位變化、多普勒頻移等)與不同的感知狀態(tài)(如空間位置、動作行為、生命體征等)之間的變化關(guān)系和敏感程度，還有待進一步探索。具體來說，基于RFID的無源感知主要存在以下亟待解決的挑戰(zhàn)性問題：
1. 跨域感知缺乏理論模型支持：RFID系統(tǒng)利用反向散射信號在信號域的特征來對其他感知域的狀態(tài)進行推理，實現(xiàn)跨域感知。然而，目前還缺乏一套有效的理論感知模型，來刻畫多個感知域和射頻信號在時間、空間、頻率等信號域的潛在關(guān)聯(lián)性，無法通過量化的方式來度量相關(guān)特征參量之間的數(shù)理關(guān)系，因此無法有效指導(dǎo)跨域感知。
2. 感知信號易受多種因素干擾：面向真實復(fù)雜環(huán)境中普遍存在的動態(tài)性、復(fù)雜性和不可控性，從無源感知RFID系統(tǒng)中獲取的射頻感知信號容易受到環(huán)境中多種因素的干擾，如能量吸收、多徑反射等，導(dǎo)致相關(guān)信號特征被湮沒在周圍的環(huán)境噪聲和干擾中，直接影響無源感知系統(tǒng)的感知性能，這對提升無源感知機制的泛化能力提出了挑戰(zhàn)。
3. 綁定/非綁定感知欠缺方法論指導(dǎo)：在RFID無源感知過程中，一個或多個RFID標(biāo)簽往往以接觸或者非接觸的方式來對感知對象實現(xiàn)“綁定式感知”或者“非綁定式感知”。然而，對于綁定式感知和非綁定式感知的核心內(nèi)容如感知模型、部署結(jié)構(gòu)、感知方法、協(xié)同方式等，仍然缺乏一套成熟完善的方法論來進行指導(dǎo)。
綜上所述，如何在面向不同感知環(huán)境及不同感知對象的條件下確保RFID感知機制的“泛化能力”，提升實際的感知性能，已經(jīng)成為當(dāng)前無源感知領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。
