基于后向散射和软件定义的无线传感器网络通信研究

上海船舶电子设备研究所 胡必楠

1 研究背景

无线电后向散射技术，是一种普遍使用在射频识别系统当中的一种技术。在RFID系统当中，可以完成标签与阅读器的识别，并将其信号进行有效的传输。但是在特定的情况下，还要将其附加信息存储到阅读器当中以此可以形成良好的系统。在这样的系统运行中，无线电后向散射通信技术，有着较强的技术优势性，这是由于在标签并不需要具备主动发送无线电信号的功能，仅仅利用了发射阅读器所发射的无线电信号即可完成信息的传输，并利用控制自身的反射系数，进行反射的调制。因此，这样的通信原理，使得可以很好地利用反射系数的调节，让标签具备着较低的制造成本，同时功率方面也得到了有效的控制。在当下，标签和阅读器之间的间距较小的系统中，所使用的RFID标签，可以从阅读器当中接收到一定的信号，并获得相应的功率。因此，这种不需要配置电源的无源信号，可以利用这种系统方式，能够得到的最大距离，往往取决于标签是否可以从接收信号当中，得到相应的电压。在对这种无电源式的RFID技术而言，已经十分的成熟。但是一般类型的系统，其信息通信的范围十分有限。例如，在房间内的供应链监控以及库存控制等，一些非传统应用接口的使用下，信号范围十分有限。

2 大距离后向散射技术

为了能够实现更大传输距离，就需要在RFID系统当中，将其标签实现半无源与电池辅助的设计方式。虽然这种标签在设计的过程中，配置了一定的电源，但是运行的原理与无源标签相同，都是利用基本的后向散射技术。对于这种电池的配置而言，仅仅是用于操作标签状态机，以及系统当中的后向散射调制器。因此，对于这种形式的标签，往往可以很好地在最大范畴程度进行信号的通信。同时对于半无缘变迁而言，其最大的通信范围在于可以很好地利用阅读器接收机端的一些信噪比。但是运行当中也十分依赖系统当中的参数，例如对于阅读器发射的功率电频、标签的发射效率以及调制方案当中的信噪比效率。在阅读器接收机当中的噪声系数、无线电传播环境以及比特率等，都可以需要得到相应的调节处理。

3 比特率

在众多的RFID系统当中，为了保障系统的正常运行，就需要保障比特率始终保持在较高的区间。这是由于在设置的RFID标签当中，往往需要1s的时间，将信号反射到阅读器上。但是在无线传感器网络当中，使得这种运行机制出于需要较大的通信范围的原因，存在着一定的使用弊端。在远距离的通信过程中，可以很好的利用标签与阅读器之间的较低比特率设置，可以很好的提升效果。因此，即使是在一些比特率较低的情况下，或者10bps的长度都可以实现较高的处理效果。这是由于在传感器位于固定的位置上，以此可以不间断的后向散射信号。在当下众多的应用过程中，都需要保障传感器能够在特定的时间间隔，将数据进行观测，例如需要对环境污染物浓度、温度、湿度等进行观测。在当下这种监控的条件下，使得仅仅需要几赫兹的效果，就可以实现良好的运行效果。

4 传感器网络

在当下的传感器网络上，所采用的后向散射技术，可以很好地保障每一个单独的传感器发射机，在运行的过程中，都能够提供一个较低复杂度的运行方式，同时在系统的运行成本方面也十分的可观。在不同的传感器上，其发射机可以被简化成一个单一的射频晶体管开关。因此，可以让传感器的制造程度，可以降低到最低的标准上。在运行的过程中，往往RF标签与阅读器之间，距离都十分近，因此就可以在有限的通信范围内，依赖阅读器与标签之间的连接，使得需要的能量十分有限。其次，在当下市场当中的大多数商用阅读器，都是采用的单站结构类型，因此仅仅让载波发射器与接受链路，驻留到同一个盒子当中，因此就极大地缩小的传感器的设计体积。同时，不仅仅可以很好地控制传感器发射机，也使得在传感器发射机在保证在设计的过程中，对整个网络体系结构都进行了简化处理。

5 系统体系结构

在本文的研究过程中，其系统的构成上主要由100-200个之间的超低成本的传感器构成。对于这些传感器而言，进行科学合理的布局设计。在这样的系统当中，对于这些超低成本的观感器调制与反射，全部由Hub发射的载波负责。因此，对于每一个传感器而言，所需要的实际比特率都需要得到控制，其传感器在运行的过程中，每一个传感器的监测工作，持续性的传感器工作，所需要的比特率都会有着一定的限制性因素。

5.1 无线电链路

在本文提出的系统而言，所提出的不同Hub与单个的传感之间，其后弦散射通信体系的具体结构方面需要得到有效的处理。

5.2 传感器的调制

在不同的传感器之上，都需要由控制器所生成的具体函数影响，以此形成一个预先确定下来的频率方波。对于这种频率而言，则是一种该传感器的子载波频率。其次在不同的传感器的信息处理上，被调制到的唯一的子载波之上，因此就让不同的传感器可以有着不同的控制信号。

5.3 Hub接收机与RF前端

在本文的分析中，所构建的Hub接收机与RF前端，仅仅需要对其方波进行考虑，这样的方式是为了有效的对其Hub接收机的设计进行简化处理。其次，还是为了能够获得更高次的谐波。因此，在这样的设计之后，可以很好的形成良好的带宽设计，并计算出相应的基波分量在方波总功率的程度。

在后向散射通信当中，其接收机端基本上采用的都是零差检测的方式，因此就可以很好的利用发射信号的方式，当做零差检测的重要参考。而对于接收机与RF载波源同时进行定位的时候，其相位噪声可以得到有效的抵销。在本文所提出的系统设计方式，其零差接收机可以很好的起到移除RF载波的效果，以此让信号的频率引导0Hz中心的频率上。这样就可以顺利的接收到信号的实部与虚部。这对于传感器而言，其RF零差前端的输出是实体信号。

5.4 传感器接入

在系统当中的传感器，在实际的运行过程中，其比特率在与子载波相比较之后，要保持小于其数量级的效果。因此，就使得在系统当中的每一个传感器，其产生的信号都为窄带信号值，同时在信号的中心与自身周围，都存在着唯一的子载波频率。在这样的运行方式下，就可以很好的让传感器可以同时进行工作，并保持在子载波频率的设计范围当中。在设计的过程中，系统的载波频率附近，在接收到后向散射信号之后，就相应的可以很好的保障RF杂波的存在。因此，对于这种Hub附近的散射，其载波频率的附近存在着一定的杂波问题。

在本文的系统分析中，其全部传感器都在运行的过程中，不同于传统类型的RFID系统。在传统类型的系统中，其运行过程中，基本上都是让阅读器在特定的时间内，访问标签当中的一个唯一的子集。这样的运行方式下，单个标签可以在阅读器的有效范围内完成处理，因此可以形成收费的情况。而在标签上还配置了信号接收机，这样就可以相对独立的完成信号处理，便于基于防碰撞的算法方式，进行信号的分组处理。其次，在本文的传感器接入方案设计上，往往是基于不同的有限带宽，以及让不同的传感器在不同的子载波频率上，可以较为灵活的进行数据方面的处理。

往往在实际的使用过程中，还需要考虑到传感器连续调制值，一旦出现无法基带滤波的机制，就会使得在相邻的两个子载波频率传感器，出现相互干扰的问题。因此，在这样的问题解决过程中，主要是受到子载波频率传感器的距离问题，以此让其信号功率时刻保持着一个可靠的差别。

5.5 系统原型实现

（1）Hub

在对其RF载波频率的设计中，可以将其控制在900-930MHz的范围之间，并将其发射功率设定为5mW的标准。在天线放射的部分信号方面，也可以很好的当做机震荡器进行使用，以此可以很好地用于零差接受与下变频。

（2）传感器

在传感器的设计过程中，主要是基于驱动低功率的RF开关下的低功耗为空气进行构成。因此，在对于这种为控制器时钟而言，是一种主要由大量低成本的晶体所构成。在每一个传感器的特定子载波频率方卖弄，都是基于软件锁所形成结构，因此就很好地便于MSK调制处理。

在不同的传感器当中，都是由电池辅助，同时半主动的进行工作。这种电池在运行的过程中，由于仅仅的限于开关的单个晶体管，因此就可以实现子载波调制工作。但是，在运行中没有对信号起到调节与处理的作用。在不同的传感器功率设计上，需要能够考虑到通信所需要的设计功率，以此就可以在后向散射无线电的操作过程中，进行检测特定的参数电子设备进行供电。而在当下的实验过程中，所设计的特定传感器实物图当中，包含着连接到晶体管上的蝴蝶结天线，同时也是一个基于较低成本的微控制器的系统构成。

总结：综上所述，对于这种系统的设计而言，本文所阐述的后向散射和软件定义的无线传感器网络通信，可以很好的发挥出信息通信的效率性，因此极大地满足了信息传输的设计需求，同时也十分有效地控制了制造的成本，最大程度上保障系统运行过程中的可靠性。其次，还使得在信息传输的过程中，可以避免受到外界环境的干扰，成为一种信息传输稳定、系统造成成本经济性较高的设计方式。但是在一些运行的问题上，还要在未来进行深入的研究与分析。