RFID系統的可標記無源感知和識別的問題和挑戰

可標記無源感知和識別

從馬克·維瑟（MarkWeiser）在1991年提出“Ubiquitous Computing”（普適計算）理念開始，人們就一直致力於實現廣泛的“人-機-物”互聯，希望以最自然的方式提供服務，對泛在計算環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，以其特有的感知機理和方法，逐漸成為泛在感知計算領域的核心支撐技術。與傳統的有源感知相比，無源感知主要依賴於從環境中獲取的能量完成計算、感知與通訊，無需電源對終端節點持續供電，因此，它在續航、部署、維護等方面擁有傳統有源感知無法匹及的潛在優勢。然而，當前大多數無源感知技術是基於未標記的反射訊號進行感知，無法區分多個反射訊號的具體來源，因此，無法對同時存在的多個感知物件進行有效區分，導致應用範疇受到限制。

射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術的出現為實現“可標記”的無源感知提供了新的機遇。RFID系統基於反向散射（backscatter）機制來實現RFID閱讀器與標籤之間的通訊。在反向散射過程中，閱讀器天線發射的連續波訊號被RFID標籤調製並反射，從而使閱讀器有效地識別標籤訊號。一方面，RFID標籤反向散射的訊號非常微弱，極易受到各種環境因素的干擾，包括傳輸環境中的多徑效應、干擾物件的能量吸收等。因此，表徵傳輸環境因素的資訊會天然地包含在RFID標籤的反向散射訊號中。基於這一特性，RFID技術的功能逐漸實現了由“識別”到“感知”的蛻變。另一方面，RFID的可標識特效能夠有效區分反向散射訊號的來源，從而保證了無源感知機制的“可標記性”。如下圖所示，利用反向散射通訊機制的環境敏感特性，RFID系統可以基於標籤反射訊號中攜帶的環境因素的動態特徵對指定物件進行感知，例如肢體行為識別、呼吸及心跳監測等。

RFID可標記無源感知技術

面臨的問題與挑戰

憑藉著與生俱來的“識別基因”和反向散射特性賦予的“感知能力”，RFID的出現為可標記無源感知提供了新的可能性。但事實上，對於RFID系統基於反向散射通訊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。從感知環境中獲取的射頻訊號所蘊含的各項感知特徵（如訊號強度、相位變化、多普勒頻移等）與不同的感知狀態（如空間位置、動作行為、生命體徵等）之間的變化關係和敏感程度，還有待進一步探索。具體來說，基於RFID的無源感知主要存在以下亟待解決的挑戰性問題：

1。 跨域感知缺乏理論模型支援：RFID系統利用反向散射訊號在訊號域的特徵來對其他感知域的狀態進行推理，實現跨域感知。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訊號在時間、空間、頻率等訊號域的潛在關聯性，無法透過量化的方式來度量相關特徵參量之間的數理關係，因此無法有效指導跨域感知。

2。 感知訊號易受多種因素干擾：面向真實複雜環境中普遍存在的動態性、複雜性和不可控性，從無源感知RFID系統中獲取的射頻感知訊號容易受到環境中多種因素的干擾，如能量吸收、多徑反射等，導致相關訊號特徵被湮沒在周圍的環境噪聲和干擾中，直接影響無源感知系統的感知效能，這對提升無源感知機制的泛化能力提出了挑戰。

3。 繫結/非繫結感知欠缺方法論指導：在RFID無源感知過程中，一個或多個RFID標籤往往以接觸或者非接觸的方式來對感知物件實現“繫結式感知”或者“非繫結式感知”。然而，對於繫結式感知和非繫結式感知的核心內容如感知模型、部署結構、感知方法、協同方式等，仍然缺乏一套成熟完善的方法論來進行指導。

綜上所述，如何在面向不同感知環境及不同感知物件的條件下確保RFID感知機制的“泛化能力”，提升實際的感知效能，已經成為當前無源感知領域的重要科學問題。