CN114006799A - 一种面向无源rfid的扩频与宽带感知增强方法及*** - Google Patents

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CN114006799A CN202111277431.9A CN202111277431A CN114006799A CN 114006799 A CN114006799 A CN 114006799A CN 202111277431 A CN202111277431 A CN 202111277431A CN 114006799 A CN114006799 A CN 114006799A
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Abstract

本发明公开了一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法及***，利用正交频分复用技术对RFID连续波进行定制，增加感知信号频率维度的信息；通过对硬件特性、RFID协议、通信参数的优化扩展带宽，提高感知信号的时间分辨率；采用频率优先和时间分辨率优先两种特征提取算法，使得感知特征适用于不同的场景和目标要求。本发明仅需单套RFID设备、兼容RFID协议、符合频谱分配规定，能够提供高粒度(多维度、高速的)感知特征，具有普适化、轻量化、低成本、低开销等特点，具有较好的应用价值、研究前景、发展潜力。

Description

一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法及***
技术领域
本发明属于无线射频识别(RFID)技术领域，具体涉及一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法及***。
背景技术
近十年来，基于无源被动式RFID的感知***，已经在动作识别、材质检测、目标定位等方面得到了国内外科研团队和制造商的高度关注。然而，当前绝大多数RFID感知工作所提取的感知特征是一维的(空间或频率)、低速的(40～200次每秒)度量，例如RFID标签回复信号物理层的相位和强度信息。该类特征无法支持更加细粒度的感知需求，例如，具有细微差异的稀释/假冒/过期食品，非接触式人机交互时用户的快速动作等。
为了提高RFID感知粒度，一个具有代表性的解决方案是，使用多个标签(标签阵列)同时对目标进行感知，从而提高感知特征的空间维度信息；另一个解决方案是，采用跳频通信方式提高感知特征的频率维度信息。
但是，多标签之间的通信冲突以及RFID跳频模式的频率切换延迟，会进一步降低其感知速度，并且使用多个标签会增加成本投入。最新研究提出，在RFID通信过程中，利用额外的设备收发超宽带信号(500～1000MHz)可以大幅提高感知粒度，但此类超宽带设备的成本以及两种信号之间的同步开销仍然较高，难以进行普适化推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法及***，基于单套RFID设备、兼容RFID协议、符合无线频谱分配规定，能够提供高粒度(多维度、高速的)感知特征的新型RFID感知技术。
本发明采用以下技术方案：
一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法，包括以下步骤：
S1、设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，形成重调制的连续波，RFID通信时发射对应重调制的连续波，接收信号中包含多个正交的频率分量，实现兼容于RFID协议的扩频机制；
S2、对通信带宽进行扩展，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大可取值、步骤S1实现的RFID协议扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，当RFID通信满足参数配置，射频信号在变大的带宽范围内含有多个正交的频率分量，实现RFID扩频和宽带传输机制；
S3、根据步骤S2获得的RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过步骤S2扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号的高电平和低电平，高电平对应开状态，低电平对应关状态，提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
具体的，步骤S1中，OFDM符号生成机制如下：
将伪随机二进制序列进行分组，每个分组含有log2n个二进制比特，n为相移键控的阶数；将每个二进制比特分组采用nPSK映射到星座图，得到一个含实部虚部的复数值；对N个串行的复数进行串并转换，得到N个并行的复数；对N个并行的复数执行拟傅里叶变换，得到变换后的N个并行的复数；对变换后的N个并行复数进行并串转换，得到N个串行的复数，作为一个OFDM符号。
进一步的，RFID标签回复信号每个开、关状态持续期至少存在一个完整的OFDM符号：
Figure BDA0003329953190000031
其中，B为带宽，μ为标签回复比特标识，M为标签电路状态持续时间内的基带信号采样点数量，fBLF为反向散射链路频率。
具体的，步骤S1中，采取幅值控制线性放大OFDM符号和线性叠加OFDM符号和原始连续波相结合方式发射经调制的连续波s为：
s＝α×sOFDM+sCW
其中，sOFDM为生成的OFDM符号，sCW为RFID原本的连续波，α为线性放大系数。
进一步的，经调制的连续波s各子载波之间满足正交性，具体为：
Figure BDA0003329953190000032
其中，di为第i个子载波cos(iωt)所承载的数据，ω为子载波中心角频率。
具体的，步骤S2中，通过优化方程进行搜索和匹配得到目标带宽B及其他通信参数，然后通过实验观测子载波间隔对感知效果的影响确定子载波个数。
进一步的，通过优化方程进行搜索和匹配确定带宽B如下：
Figure BDA0003329953190000033
其中，Bu为RFID最大允许的带宽，r为天线数模转换率，θRFID为通信参数，N+为正整数。
具体的，步骤S3中，采取最小二乘算法计算接收信号的信道频率响应获取感知特征，针对静态感知目标，分别计算RFID标签回复信号高低电平包含的OFDM符号所有子载波对应的信道频率响应，并计算两者差值作为静态感知特征；针对动态感知目标，计算RFID标签回复信号高电平、或低电平包含的OFDM符号每个子载波对应的信道频率响应，并按时域顺序排列得到动态感知特征，依靠高带宽提升感知特征的时间分辨率。
进一步的，静态感知特征
Figure BDA0003329953190000041
为：
Figure BDA0003329953190000042
其中，
Figure BDA0003329953190000043
是一个N维向量，N是子载波的个数，qON和qOFF分别是RFID标签一次回复EPC信号中高、低电平的个数，
Figure BDA0003329953190000044
和
Figure BDA0003329953190000045
分别为高、低电平中计算得到的信道频率响应；
动态感知特征
Figure BDA0003329953190000046
为：
Figure BDA0003329953190000047
其中，
Figure BDA0003329953190000048
为N×T矩阵，N为子载波个数，T为时域顺序下RFID标签一次回复EPC信号中高、或低电平的个数。
本发明的另一技术方案是，一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强***，包括：
扩频模块，设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，形成重调制的连续波，RFID通信时发射对应重调制的连续波，接收信号中包含多个正交的频率分量，实现兼容于RFID协议的扩频机制；
传输模块，对通信带宽进行扩展，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大可取值、扩频模块的RFID协议扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，RFID通信时若满足参数配置，射频信号在更大的带宽范围内含有多个正交的频率分量，实现RFID扩频和宽带传输机制；
增强模块，根据传输模块实现的RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过增强模块扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号的高电平和低电平，高电平对应开状态，低电平对应关状态，提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法，可以突破现有RFID感知***所提取特征的维度和速率局限性，依托单套RFID设备实现，不需要引入额外的收发设备，兼容RFID协议，不影响RFID正常通信和原本功能，不超出RFID在工业、科学和医学频段(ISMband)中被允许的通信带宽。本发明可以提供多频率(相互独立)、高带宽(高时间分辨率)的感知特征，可适用于非侵入式材质检测、非接触式人机交互、智能制造等实际应用领域。
进一步的，采用正交频分复用技术生成的OFDM符号，可以使射频信号在特定带宽上同时包含多个正交的频率分量，相比传统RFID感知从单一频率上获得信号强度或相位信息进行感知，本发明通过计算信号每个频率分量的信道频率响应，使得感知信号的频率维度信息更加丰富。本发明选择对基于RFID的感知进行增强，因为RFID是一种高度普及、广泛部署、低廉成本的低能耗通信技术，在不影响其正常工作的基础上提供更加强大的(与现有技术相比)感知能力具有很强的实用性。RFID标签回复信号采用开关键控(OOK，On-Off-Key)调制方式，OFDM技术采用相移键控(PSK，Phase Shift Keying)调制方式，两种调制方式相互独立，解调时不存在相互影响，故本发明还给RFID***提供了额外的数据传输的能力。
进一步的，RFID标签回复信号采用开关键控调制方式，即标签电路存在“开”“关”两种状态，若状态切换处于一个完整OFDM符号和线性叠加期间，则会产生较大的信号衰落影响感知特征，故当OFDM符号长度小于“开、关”状态长度的二分之一，可以保证每个“开、关”状态期间一定存在一个完整的OFDM符号，从该OFDM符号中提取的感知特征更鲁棒。
进一步的，直接用生成的OFDM符号替换RFID原本的连续波，会因信号能量不足导致RFID标签无法被激活进行回复；若用经线性放大的OFDM符号替换RFID原本的连续波，当能量满足激活标签回复条件时，会因线性放大系数过大而导致波形嘈杂，读写器无法正确解码标签回复的数据。因此，本发明采取幅值控制(线性放大OFDM符号)和线性叠加(OFDM符号和原始连续波)相结合的方式发射经调制的连续波s，从而既实现了多频率分量的扩频感知，也不影响RFID正常通信，因为，需要与OFDM符号进行叠加的RFID原始连续波提供了足够的激活能量，OFDM符号的线性放大系数主要用以提升感知信号的信噪比，不需要设置的过大。
进一步的，通过计算目标算子载波与接收OFDM信号乘积的内容补充说明设置经调积分，发现可以正确分离每个子载波，故经过重调制的连续波s各波包含的子载波之间依然满足正交性的目的或好处，给出原理分析，相互之间不存干扰和影响，从每个子载波(频率分量)提取的感知特征包含独立的感知信息，证明了本发明提出的扩频感知的有效性。
进一步的，步骤S1实现了对现有RFID***的扩频，但实际中RFID带宽较窄(1～2MHz)，若能充分利用RFID在工业、科学和医学频段(ISM band)中被允许的通信带宽(2～26MHz)，实现RFID扩频宽带传输，本发明所能提取感知特征的频率维度更广、时间分辨率更高，但因带宽的变换直接影响RFID的通信参数，因此需要根据硬件特性和协议进行重新配置。参数配置结果确定了目标带宽和其他基带通信参数，但OFDM符号子载波个数确定的是一个范围，通过实验观测发现，特定带宽下子载波个数增加到某个值之后，对感知带来的增益不再明显，而计算开销不断变大，因此子载波的具体个数还需要根据感知场景和实验经验进行确定。
进一步的，通过优化方程搜索匹配确定目标带宽和基带通信参数，相比通过反复实验进行尝试效率更高，其中，带宽的上限在各国家和地区有明确的参照依据，即工业、科学和医学频段(ISM band)；在该范围内可选带宽由设备硬件特性决定，即信号收发时抽取和插值操作因子D(天线数模转换速率和目标带宽之间的比值)为2的整数次幂时，信号不会因滚降问题影响感知效果；在可选带宽中，RFID基带通信参数至少必须确保协议内每种命令的基带采样点数为正整数，否则RFID无法进行稳定的通信。
进一步的，由于发送信号，即重调制的连续波为已知复数序列，接收信号为RFID设备直接获取，通过自相关可实现符号同步，得到每个完整的OFDM符号，通过最小二乘法，逐个基带采样点计算收发复数序列之间的变化即为信道频率响应，包含了每个频率分量的幅值和相位信息作为初始感知特征。RFID***采用自发自收的通信模式，接收信号不需要做频偏估计和纠正，故信道频率响应的计算更加鲁棒。
进一步的，由于本发明不影响RFID正常通信，标签回复信号的比特序列可以正确获取，因此“高、低”电平，即“开、关”状态期间所包含的完整OFDM可以分别获得并计算信道频率响应。标签回复信号高电平时，标签与感知目标发生耦合效应，同时信号传播经过了感知环境，因此高电平信号包含感知目标和环境信息；标签回复信号低电平时，标签处于非响应状态，信号传播同样经过了感知环境，因此低电平信号仅包含环境信息，针对静态感知目标。因此，针对静态感知目标，计算高低电平信道频率响应的差值作为静态感知特征F_sta可以从感知特征中去除环境影响、保留关于感知目标的信息；针对动态感知目标，仅计算RFID标签回复信号高电平、或低电平包含的OFDM符号的信道频率响应，并按时域顺序排列得到动态感知特征F_dyn，故高带宽提升了感知特征的时间分辨率。本发明提出的是一种平台型技术，感知信号是否承载数据、频率分量(子载波)的数量、实际带宽的设定、特征的计算和优化等，还可以根据实际应用场景和需求做进一步调整或处理。本发明针对单一RFID标签可提供多频率高速感知特征，同时也可适用于多标签(标签阵列)场景，即从空间和频率维度同时增强感知特征。
综上所述，本发明通过调制RFID连续波、扩展通信带宽、提取感知特征，实现了一种面向无源RFID的扩频和宽带感知增强技术，大幅(2个数量级)提升了现有RFID感知***的感知粒度(频率维度、时间分辨率)，可应用于动态和静态两种感知目标，具有较好的应用价值、研究前景、发展潜力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为RFID基本通信过程图；
图3为RFID读写器发射不同连续载波时标签的回复信号图；
图4为积分梳状滤波器引起的信号滚降问题图；
图5为发射原始和经调制连续波时信号的频谱图；
图6为确定带宽下不同子载波数量对感知特征的影响图；
图7为本发明与现有RFID感知技术在液体识别任务中的精度对比图；
图8为本发明与现有RFID感知技术在手势识别任务中的精度对比图；
图9为本发明两种感知特征计算的时间开销图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法，利用正交频分复用技术对RFID连续波进行定制，增加感知信号频率维度的信息；通过对硬件特性、RFID协议、通信参数的优化扩展带宽，提高感知信号的时间分辨率；采用频率优先和时间分辨率优先两种特征提取算法，使得感知特征适用于不同的场景和目标要求。本发明仅需单套RFID设备、兼容RFID协议、符合频谱分配规定，具有普适化、轻量化、低成本、低开销等特点，具有较好的应用价值、研究前景、发展潜力。
请参阅图1，本发明一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法，包括以下步骤：
S1、频率复用：针对某特定的通信带宽，结合RFID协议和正交频分复用技术，设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，实现兼容于RFID协议的扩频机制；
正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM，)将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
RFID的每一个通信过程主要包括读写器QUERY命令、标签RN16回复、读写器ACK命令、标签EPC回复，如图2所示。每个通信过程在单一频率上运行，现有RFID感知***所提取的信号相位、强度信息也为单一频率下的感知特征。
RFID协议定义的连续波(CW，Continuous Wave)是一种未经调制的恒定幅值的基带信号，发射后用于激活RFID标签，实验发现，RFID标签回复信号仅依赖于读写器发射的连续波频率，对连续波的波形并不敏感，即无论读写器发射的连续波为恒定值或随机序列，只要频率符合要求，标签均会回复信号，如图3所示。因此，本发明利用正交频分复用技术对RFID连续波进行调制，使得标签回复信号中包含多个正交的频率分量(子载波)，可用于在一次RFID通信过程中提取不同频率下的感知特征。
具体的，OFDM符号的生成过程包括随机序列生成、星座图映射、串并转换、逆傅里叶变换、并串转换：将伪随机二进制序列进行分组，每个分组含有log2n个二进制比特，其中n为相移键控(PSK)的阶数；将每个二进制比特分组采用nPSK映射到星座图，得到一个复数值(含实部虚部)；对N个串行的复数进行串并转换，得到N个并行的复数；对N个并行的复数执行拟傅里叶变换，得到变换后的N个并行的复数；对变换后的N个并行复数进行并串转换，得到N个串行的复数，称为一个OFDM符号。
上述OFDM符号的长度N(子载波个数上限)值由RFID协议限制。RFID标签回复信号采用开关键控调制方式，即标签电路存在“开”“关”两种状态，若状态切换处于一个完整OFDM符号期间，则会产生较大的信号衰落影响感知特征。RFID协议规定，标签电路状态持续时间内的基带信号采样点数量M与带宽B、反向散射链路频率fBLF、数据比特决定：
M＝B/(μ×fBLF) (1)
其中，当标签回复数据为比特“1”时μ＝1，当标签回复数据为比特“0”时μ＝2。
若将一个OFDM符号的长度
Figure BDA0003329953190000121
则保证RFID标签回复信号每个“开”“关”状态持续期至少存在一个完整的OFDM符号：
Figure BDA0003329953190000122
进一步的，直接用多个OFDM符号替换RFID原本的连续波，会因信号能量不足导致RFID标签无法被激活进行回复；若用多个经线性放大的OFDM符号替换RFID原本的连续波，会因波形过于嘈杂，读写器无法正确解码标签回复的数据。因此，本发明采取幅值控制(线性放大OFDM符号)和线性叠加(OFDM符号和原始连续波)相结合的方式发射经调制的连续波：
s＝α×sOFDM+sCW (3)
其中，s为实际发射的经调制的连续波，sOFDM为生成的OFDM符号，sCW为RFID原本的连续波，α为线性放大系数(α＞1)。并且，本发明提出的上述RFID连续波调制方式，依然满足发射信号各子载波之间的正交性：
Figure BDA0003329953190000123
其中，di为第i个子载波cos(iωt)所承载的数据(复数)，ω为子载波中心角频率，发射信号中的不同子载波之间乘积的积分依然为零(正交性)。
进一步的，因为本发明所设计的OFDM符号均相同，每一个OFDM符号都可以作为后/前一个符号的循环前/后缀，因此不需要在一个OFDM符号内部***额外的循环前/后缀。同时，由于中心子载波受直流偏移(晶振泄露)的影响，本发明中中心子载波不用于感知。
S2、带宽扩展：当通信带宽需要进一步扩展时，根据RFID硬件特性、协议要求和工业、科学和医学频段(ISM band)，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大值可取值、步骤S1扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，从而实现RFID扩频和宽带传输机制；
RFID***在世界不同国家和地区被分配了2～26MHz不同范围的带宽(频谱资源)，但实际生活中的RFID***运行时，每一个完整的通信过程仅占用1～2MHz的带宽，存在带宽资源浪费，并且，用低带宽信号进行感知时感知的时间分辨率较低(感知的时间分辨率等于带宽的倒数)。
具体的，本发明通过提高基带采样率的方式提高信号频带带宽。提高感知信号的带宽可以获取更大范围内不同频率下的感知特征，提高利用单个RFID标签感知的频率维度信息，当引入更多标签时，感知空间和频率维度的信息可以同时得到提高。另一方面，利用大带宽信号进行感知，感知的时间分辨率更高，可以更准确地捕捉快速移动的目标。
根据工业、科学和医学频段(ISM band)，RFID最大允许的带宽Bu＝26MHz，但由于RFID设备的硬件特性，其带宽B的设定不能简单地选取上限。其中，硬件特性对带宽设定的限制主要来源于积分梳状滤波器，信号收发时抽取(decimate)和插值(interpolate)操作因子D(天线数模转换率r与基带采样率之间的比值，即
Figure BDA0003329953190000141
)应当设计为2的整数次幂，否则信号中心频率附近会产生较大滚降，从而影响感知效果。如图4所示，当因子D为奇数时，感知信号的中心频率附近受滚降影响产生了明显的畸变；当因子D为偶数时，滚降产生的影响相对较小；当因子D为2的整数次幂(2i,i为整数)时，滚降影响消失。
同时，带宽B的设定也会影响RFID协议和通信参数θRFID的配置，θRFID主要包括fBLF、TRcal、Tari等，它们共同决定了RFID各类命令(“QUERY”“RN16”“ACK”“EPC”等)的基带信号采样点数量L(B，θRFID)。为了保证基带信号的处理并建立稳定的RFID通信链路，其采样点数必须为正整数。综上所述，带宽B的设定需要通过优化方程进行搜索和匹配：
Figure BDA0003329953190000142
当得到目标带宽B之后，可以计算OFDM符号中包含子载波的数量上限，而具体的子载波个数需要通过实验观测子载波间隔对感知效果的影响确定。如图6所示，本发明设定带宽B＝25MHz，实验了20,50,100,150和200个子载波情况下，蒸馏水、硫化钠溶液的感知特征平均差异性，发现当带宽B增加到一定程度时，感知特征的差异性不再有明显提高。因此，考虑降低实际应用中的计算开销，选取一个适中的带宽更加有效。
进一步的，如果仅提高基带采样率而不对RFID原本的连续波进行调制，发射信号频带带宽依然集中在中心频率(约1MHz)，因此需要配合步骤S1中的连续载波调制，如图5所示。
S3、特征提取：根据步骤S2提出的RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号进行收发，在接收端从标签回复信号的“高、低”电平，即“开、关”状态提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标等不同感知场景，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，从而实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
频域接收信号Y(f)通过频域发射信号X(f)、信道频率响应H(f)和信道噪声E进行表示：
Y(f)＝H(f)·X(f)+E (6)
其中，f为子载波频率，接收信号直接由硬件获取，发射信号用作感知目的为已知量，故接收信号的符号同步采用自相关函数实现，得到每个完整的OFDM符号后，采取最小二乘算法计算信道频率响应，并针对不同感知场景和目标，对信号频率响应进行进一步处理得到宽带多频率分量感知特征。
具体的，因为本发明所提出的技术不影响RFID正常通信，因此标签回复信号高低电平(电路“开”“关”状态)可以直接由RFID设备获取。标签回复信号高电平时，信号与感知目标发生耦合效应，同时信号传播经过了感知环境，因此高电平信号包含感知目标和环境信息；标签回复信号低电平时，标签处于非响应状态，信号传播同样经过了感知环境，因此低电平信号仅包含环境信息。
针对静态感知目标，分别计算RFID标签回复信号高低电平包含的OFDM符号所有子载波对应的信道频率响应，并计算两者差值作为静态感知特征
Figure BDA0003329953190000151
Figure BDA0003329953190000152
其中，
Figure BDA0003329953190000153
是一个N维向量，N是子载波的个数，qON和qOFF分别是RFID标签一次回复EPC信号中高、低电平的个数，
Figure BDA0003329953190000154
和
Figure BDA0003329953190000155
分别为高、低电平中计算得到的信道频率响应。计算差值的目的在于从感知特征中去除环境影响、保留关于感知目标的信息。
针对动态感知目标，仅计算RFID标签回复信号高电平、或低电平包含的OFDM符号每个子载波对应的信道频率响应，并按时域顺序排列得到动态感知特征
Figure BDA0003329953190000161
Figure BDA0003329953190000162
其中，
Figure BDA0003329953190000163
为N×T矩阵，N为子载波个数，T为时域顺序下RFID标签一次回复EPC信号中高、或低电平的个数。
动态感知特征
Figure BDA0003329953190000164
从时间维度计算，故高带宽提升了感知特征的时间分辨率。
进一步的，RFID***采用自发自收的通信模式，接收信号不需要做频偏估计和纠正，故感知特征更加鲁棒。
进一步的，RFID标签回复信号采用开关键控(OOK，On-Off-Key)调制方式，OFDM技术采用相移键控(PSK，Phase Shift Keying)调制方式，两种调制方式相互独立，解调时不存在相互影响，故本发明还给RFID***提供了额外的数据传输的能力。
上述获得的两种感知特征，是高维的(频率维度)、高速的(时间分辨率)的感知特征，具有更加细粒度的感知能力，能够在较宽频率范围内获得感知目标特征，能够更加准确地捕捉高速移动的感知目标特征。同时，也可适用于多标签(标签阵列)场景，即从空间、频率维度以及时间分辨方面同时增强感知特征。
本发明提出的是一种平台型技术，感知信号是否承载数据、频率分量(子载波)的数量、实际带宽的设定、特征的计算和优化等，还可以根据实际应用场景和需求做进一步调整或处理。
本发明再一个实施例中，提供一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强***，该***能够用于实现上述面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法，具体的，该面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法***包括扩频模块、传输模块以及增强模块。
其中，扩频模块，结合RFID协议和正交频分复用技术，设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，形成重调制的连续波，RFID通信时若发射对应重调制的连续波，接收信号中包含多个正交的频率分量，实现兼容于RFID协议的扩频机制；
传输模块，对通信带宽进行扩展，根据RFID硬件特性、协议要求和工业、科学和医学频段(ISM band)，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大值可取值、扩频模块的RFID协议扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，RFID通信时若满足参数配置，射频信号在变大的带宽范围内含有多个正交的频率分量，实现RFID扩频和宽带传输机制；
增强模块，根据传输模块实现的RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过增强模块扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号的高电平和低电平，高电平对应开状态，低电平对应关状态，提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法的操作，包括：
结合RFID协议和正交频分复用技术，设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，形成重调制的连续波，RFID通信时若发射对应重调制的连续波，接收信号中包含多个正交的频率分量，实现兼容于RFID协议的扩频机制；对通信带宽进行扩展，根据RFID硬件特性、协议要求和工业、科学和医学频段(ISMband)，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大值可取值、RFID协议扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，RFID通信时若满足参数配置，射频信号在变大的带宽范围内含有多个正交的频率分量，实现RFID扩频和宽带传输机制；根据RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号的高电平和低电平，高电平对应开状态，低电平对应关状态，提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作***。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
结合RFID协议和正交频分复用技术，设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，形成重调制的连续波，RFID通信时若发射对应重调制的连续波，接收信号中包含多个正交的频率分量，实现兼容于RFID协议的扩频机制；对通信带宽进行扩展，根据RFID硬件特性、协议要求和工业、科学和医学频段(ISMband)，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大值可取值、RFID协议扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，RFID通信时若满足参数配置，射频信号在变大的带宽范围内含有多个正交的频率分量，实现RFID扩频和宽带传输机制；根据RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号的高电平和低电平，高电平对应开状态，低电平对应关状态，提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以液体识别为例，针对18种日常生活中常见的液体进行了实验，其中包括几组相似类型的液体，如可口可乐-百事可乐-雪碧、啤酒-白酒、脱脂-全脂牛奶等。对于每种液体，将其装入一个相同的200毫升塑料容器中，RFID标签贴附在容器外表面，并在容器表面与标签之间夹入一层1毫米厚度的塑料泡沫，以确保标签的正常通信，读写器天线到标签(容器与液体)之间的距离为50厘米。RFID通信遵循EPC Gen2协议，利用USRP X310运行读写器，带宽设定为25MHz，中心频率设置为915MHz，标签型号为Alien 9640，两个Laird S9028 PCL天线作为收发装置，其增益为8dBi。分类器采用随机森林而不使用更加复杂的神经网络，主要为了体现本发明所提供感知特征本身的高效性。
请参阅图7，在液体识别应用场景中，与三种现有RFID感知***的分类精度作对比。其中，PAR-PHA利用一对标签，获取单频率下标签回复信号相位信息，仅能实现57.5％的分类精度；PAR-HOP利用一对标签，采取跳频(8种频率)的方式获取标签回复信号的相位信息，能够达到87.9％的分类精度；ARY-HOP利用8个标签组成的阵列，采取跳频(8种频率)的方式获取标签回复信号的相位信息及强度信息，能够达到94.6％的分类精度。本发明利用单个标签，采取频率复用(150个子载波)、带宽扩展(25MHz)、特征提取(信道频率响应
Figure BDA0003329953190000211
)的方式达到了98.2％的分类精度。
以手势识别为例，针对6种常见的人机交互手势(顺/逆时针旋转手、左/右摆手、握拳/张开手掌)，邀请5名在校生为志愿者进行实验，共计收集1200条实验数据。硬件设置与上述液体识别实施例相同。
请参阅图8，在手势识别应用场景中，与三种现有RFID感知***的分类精度作对比。其中，PAR-PHA利用一对标签，获取单频率下标签回复信号相位信息，能实现77.3％的分类精度；PAR-HOP利用一对标签，采取跳频(8种频率)的方式获取标签回复信号的相位信息，仅能够达到74.8％的分类精度；ARY-PHA利用8个标签组成的阵列，获取单频率下标签回复信号相位和强度信息，能够达到92.9％的分类精度。本发明利用单个标签，采取频率复用(150个子载波)、带宽扩展(25MHz)、特征提取(信道频率响应
Figure BDA0003329953190000212
)的方式达到了97.5％的分类精度。
请参阅图9，本发明所提出两种感知特征
Figure BDA0003329953190000213
随带宽变化所需的计算时间开销分别为3.8～29.8ms和2.2～18.3ms，计算时间包括所有信号处理和特征计算开销，即从原始接收信号到感知特征的全过程耗时。
综上所述，本发明一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法及***，能够突破现有RFID感知***，在特征维度和时间分辨率方面存在的局限性。本发明仅需单套RFID设备、兼容RFID协议、符合频谱分配规定，能够提供高粒度(多维度、高速的)感知特征，可适用于非侵入式材质检测、非接触式人机交互、智能制造等实际应用领域，具有普适化、轻量化、低成本、低开销等特点，具有较好的应用价值、研究前景、发展潜力。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，形成重调制的连续波，RFID通信时发射对应重调制的连续波，接收信号中包含多个正交的频率分量，实现兼容于RFID协议的扩频机制；
S2、对通信带宽进行扩展，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大可取值、步骤S1实现的RFID协议扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，当RFID通信满足参数配置，射频信号在变大的带宽范围内含有多个正交的频率分量，实现RFID扩频和宽带传输机制；
S3、根据步骤S2获得的RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过步骤S2扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号的高电平和低电平，高电平对应开状态，低电平对应关状态，提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，OFDM符号生成机制如下：
将伪随机二进制序列进行分组，每个分组含有log2n个二进制比特，n为相移键控的阶数；将每个二进制比特分组采用nPSK映射到星座图，得到一个含实部虚部的复数值；对N个串行的复数进行串并转换，得到N个并行的复数；对N个并行的复数执行拟傅里叶变换，得到变换后的N个并行的复数；对变换后的N个并行复数进行并串转换，得到N个串行的复数，作为一个OFDM符号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，RFID标签回复信号每个开、关状态持续期至少存在一个完整的OFDM符号：
Figure FDA0003329953180000021
其中，B为带宽，μ为标签回复比特标识，M为标签电路状态持续时间内的基带信号采样点数量，fBLF为反向散射链路频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，采取幅值控制线性放大OFDM符号和线性叠加OFDM符号和原始连续波相结合方式发射经调制的连续波s为：
S＝α×SOFDM+SCW
其中，SOFDM为生成的OFDM符号，SCW为RFID原本的连续波，α为线性放大系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，经调制的连续波s各子载波之间满足正交性，具体为：
Figure FDA0003329953180000022
其中，di为第i个子载波cos(iωt)所承载的数据，ω为子载波中心角频率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，通过优化方程进行搜索和匹配得到目标带宽B及其他通信参数，然后通过实验观测子载波间隔对感知效果的影响确定子载波个数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过优化方程进行搜索和匹配确定带宽B如下：
Figure FDA0003329953180000031
其中，Bu为RFID最大允许的带宽，r为天线数模转换率，θRFID为通信参数，N+为正整数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，采取最小二乘算法计算接收信号的信道频率响应获取感知特征，针对静态感知目标，分别计算RFID标签回复信号高低电平包含的OFDM符号所有子载波对应的信道频率响应，并计算两者差值作为静态感知特征；针对动态感知目标，计算RFID标签回复信号高电平、或低电平包含的OFDM符号每个子载波对应的信道频率响应，并按时域顺序排列得到动态感知特征，依靠高带宽提升感知特征的时间分辨率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，静态感知特征
Figure FDA0003329953180000032
为：
Figure FDA0003329953180000033
其中，
Figure FDA0003329953180000034
是一个N维向量，N是子载波的个数，qON和qOFF分别是RFID标签一次回复EPC信号中高、低电平的个数，
Figure FDA0003329953180000035
和
Figure FDA0003329953180000036
分别为高、低电平中计算得到的信道频率响应；
动态感知特征
Figure FDA0003329953180000037
为：
Figure FDA0003329953180000038
其中，
Figure FDA0003329953180000039
为N×T矩阵，N为子载波个数，T为时域顺序下RFID标签一次回复EPC信号中高、或低电平的个数。
10.一种面向无源RFID的扩频与宽带感知增强***，其特征在于，包括：
扩频模块，设计OFDM符号的生成机制，对生成的OFDM符号进行幅值控制并与RFID连续波进行线性叠加，形成重调制的连续波，RFID通信时发射对应重调制的连续波，接收信号中包含多个正交的频率分量，实现兼容于RFID协议的扩频机制；
传输模块，对通信带宽进行扩展，通过优化算法重新对RFID通信参数进行配置，包括带宽最大可取值、扩频模块的RFID协议扩频机制中OFDM符号长度的范围、RFID其他基带通信参数，RFID通信时若满足参数配置，射频信号在变大的带宽范围内含有多个正交的频率分量，实现RFID扩频和宽带传输机制；
增强模块，根据传输模块实现的RFID扩频和宽带传输机制，利用RFID设备对经过增强模块扩频的宽带信号进行收发，在接收端从标签回复信号的高电平和低电平，高电平对应开状态，低电平对应关状态，提取OFDM符号并计算信道频率响应，针对静态和动态目标，对信道频率响应采取频率优先和分辨率优先的特征计算方式，实现频率维度和时间分辨率维度的感知增强。
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