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北京邮电大学博士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：趟二丝二应： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本 本人签名：鸯堡 导师签名： 黑h 碱唔j 白p 日期型：丝：! ! ： 日期：冽“2 鲨 北京邮电大学博士学位论文 r fid 与无线网络融合关键理论和技术研究 摘要 射频识别技术( r f i d ) 是当前国际研究领域的一个热点，r f i d 有很 广泛的应用范围，比如代替目前几乎在每件商品上都有的条形码。r f i d 技术会深刻地改变人们的生活工作方式，为工业自动化、家庭自动化、 现代物流、农业现代化提供强有力的推动。本论文作者在三年的博士研 究生学习期间，对r f i d 进行了深入细致的研究，选择了r f i d 的三个关 键技术开展研究，包括：r f i d 对无线局域网和无线个人区域网的干扰问 题研究、r f i d 网络跟踪算法的研究和r f i d 新系统体系结构的研究。研 究的成果已经申请了一项p c t 国际专利，并在f c s t2 0 0 6 、w i c o m2 0 0 7 、 i c b n m t2 0 0 7 、c h i n a c o m2 0 0 8 、中国邮电高校学报等e i 检索的国际会 议和期刊上发表了七篇学术论文。研究的主要贡献是：在国内外首次研 究了r f i d 对无线网络( i e e e8 0 2 1 l b 、蓝牙、z i g b e e ) 的干扰问题， 建立了干扰的数学模型并进行了仿真，为进一步开发抗干扰算法提供了 理论基础。首次提出了r f i d 阅读器网络的概念，并设计了基于r f i d 的 网络跟踪算法。在本论文中，还提出了一种全新的r f i d 系统体系结构， 相对于普通的r f i d 系统，新的结构可以大大增加r f i d 阅读器与标签的 读取距离，可以提高多标签环境下阅读器的读取速度，在标签数量很多 时，提高的速度甚至达到一至两个量级。 关键字：射频识别无线局域网蓝牙z i g b e e 跟踪算法 北京邮电大学博士学位论文 i 己e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo ft h e c o n v e r g e n c eb e t w e e ni 己f i da n dw i r e l e s s n e t w o r k a bs t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f t d ) i sah o tr e s e a r c ht o p i ci nr e c e n t y e a r s ，a n di th a sw i d e ra p p l i c a t i o nr a n g e ，f o re x a m p l e ，i 江i dc a nr e p l a c et h e b a r c o d es y s t e mw h i c ha l m o s ti st a g g e do ne v e r yc o m m o d i t y 1 讧i dm a y c h a n g eo u rd a i l yl i f ea n dw o r ks t y l e ，a n dm a yp r o m o t et h ep r o c e s so f i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，h o m ea u t o m a t i o n ，t r a n s p o r t a t i o na n dm o d e m a g r i c u l t u r e t l l i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o ni st h es u m m a r yo ft h ep a s tt h r e ey e a r r e s e a r c hw o r k s ，a n dt h ep h dc a n d i d a t es e l e c t st h ef o l l o w i n gt h r e et o p i c s ： r f i d si n t e r f e r e n c et ow p a na n d 亿a n ( i e ，i e e e8 0 2 1lb ，b l u e t o o t h a n dz i g b e e ) ，at r a c k i n ga l g o r i t h mi ni 心dr e a d e rn e t w o r k s ，a n da h i e r a r c h i c a lr f i ds y s t e ma r c h i t e c t u r e t h er e s e a r c hr e s u l t sa l r e a d yh a v e b e e na p p l i e df o rap c ti n t e m a t i o n a lp a t e n t ，a n da l r e a d yh a v eb e e np u b l i s h e d i ns e v e ne ii n d e xp a p e r s t h ep u b l i c a t i o n sa p p e a r e di nf c s t2 0 0 6 ，w i c o r n 2 0 0 7 ，i c b n m 盯2 0 0 7 ，c h i n a c o m2 0 0 8a n dj o u r n a lo fc h i n au n i v e r s i t i e so f p o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d er e s e a r c h i n gt h ei n t e r f e r e n c eo fr f i dt o 门p ：a na n d 吧a ne a r l i e s t i nt h ei n t e r n a t i o n a l p r o p o s e dt h ec o n c e p to fr f i dr e a d e rn e t w o r ka n dt h e a l g o r i t h mo ft r a c k i n g ，p r o p o s e dah i e r a r c h i c a li 心i ds y s t e ma r c h i t e c t u r e w h i c hc a ng r e a t l ye x t e n tt h ew o r k i n gr a n g ea n di m p r o v et h er e a d i n gs p e e d k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) ，w i r e l e s sa r e a n e t w o r k ( w e a n ) ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) ，b l u e t o o t h ， z i g b e e ，t r a c k i n g 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是当前国际上的研究热点， r f i d 应用广泛，将会深刻地改变我们的日常生活。本论文选择r f i d 的关键理论和 技术展开研究，研究领域主要集中在以下三个方面：( 1 ) 在无线通信领域，无线局 域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 和无线个人区域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，w p a n ) 会越来越普及，甚至无处不在。但是，2 4 g h z 频段的r f i d 系统 与2 4 g h zi s m 频段上的i e e e8 0 2 1lb g ，i e e e8 0 2 15 ( b l u e t o o t h , z i g b e e ，8 0 2 15 3 ) 使 用相同的频段，会发生相互干扰，干扰会对r f i d 系统和无线网络的性能产生影响， 使吞吐量下降、分组错误率增加、分组时延增加，由于r f i d 阅读器的发射功率很 大，干扰甚至会使无线网络无法正常工作本论文将深入研究r f i d 对无线局域网 和无线个人区域网的干扰，建立干扰理论数学模型，定量分析干扰对无线系统性能 造成的影响。( 2 ) 在研究r f i d 与无线系统干扰的同时，将r f i d 阅读器( r e a d e r ) 和短距离无线通信技术融合起来，组成r f i d 阅读器的a dh o c 网络，本论文提出了 r f i dr e a d e rn e t w o r k 新网络体系结构，并设计一种基于r f i d 的网络跟踪算法，实 现对贴有r f i d 标签的人员、设备、货物和贵重物品等的跟踪。( 3 ) r f l d 系统是由 阅读器和标签组成，本论文对r f i d 系统的体系结构进行深入研究，提出一种全新的 r f i d 系统体系结构，将阅读器分为主阅读器和从阅读器，使用从阅读器中继，新系 统体系结构可以延伸r f i d 的有效读取距离，并提高对多标签的读取速度。 1 1r f i d 技术概述 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种非接触的自动识别技术， 其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 或雷达反射的传输特性， 实现对物体的自动识别。r f i d 技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的 敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。近年来，随着 大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，r f i d 技术进入商业化应用 阶段。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，r f i d 技术 显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是2 l 世纪的最有发展前途的信息技术之 一。r f i d 技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片设 计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些国家和 北京邮电大学博士学位论文 国际跨国公司都在加速推动r f i d 技术的研发和应用进程。在过去十年间，共产生 数千项关于r f i d 技术的专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。 r f i d 系统可以分为三部分：标签、阅读器和应用系统。按照能量供给方式的 不同，r f i d 标签分为有源( a c d v e ) 、无源( p a s s i v e ) 和半有源三种；按照工作频率的 不同，r f i d 标签可以分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波频段( m w ) 标签。目前国际上r f i d 应用以l f 和h f 标签产品为主；u h f 标签开始规模生产， 由于其具有可远距离识别和低成本的优势，有望在未来五年内成为主流；m w 标签 在部分国家已经得到应用。目前r f i d 标签天线制造以蚀n 冲压天线为主，其材料 一般为铝或铜，随着新型导电油墨的开发，印刷天线的优势越来越突出。r f i d 标 签封装以低温倒装键合工艺为主，也出现了流体自装配、振动装配等新的标签封装 工艺。 r f i d 阅读器产品类型较多，部分先进产品可以实现多协议兼容。阅读器通过 无线接口和标签交换数据，同时通过串口或以太网接口与应用系统交换数据。读写 器包括固定和手持移动两种。在应用系统集成和数据管理平台等方面，某些国际组 织提出基于r f l d 的应用体系架构，各大软件厂商也在其产品中提供了支持r f i d 的服务及解决方案，相关的测试和应用推广工作正在进行中。中国在r f i d 应用架 构、公共服务体系、中间件、系统集成以及信息融合和测试工作等方面取得了初步 成果，建立国家r f i d 测试中心已经被列入科技发展规划。 r f i d 技术有广泛的用途，可以替代条形码，已经应用于铁路车号识别、身份 证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等 多个领域。和传统条形码识别技术相比，r f i d 有以下优势： ( 1 ) 快速扫描：条形码一次只能有一个条形码受到扫描；r f i d 读写器可同时识别 数个r f i d 标签。 ( 2 ) 体积小型化、形状多样化：r f i d 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需 为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，r f i d 标签更可往小型 化与多样形态发展，以应用于不同产品。 厂 ( 3 ) 抗污染能力和耐久性：传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但r f i d 对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外 包装纸箱上，所以特别容易受到折损；r f i d 卷标是将数据存在芯片中，因此可以 免受污损。 ( 4 ) 可重复使用：现今的条形码印刷上去之后就无法更改，r f i d 标签则可以重复 地新增、修改、删除r f i d 卷标内储存的数据，方便信息的更新。 北京邮电大学博士学位论文 ( 5 ) 穿透性和无屏障阅读：在被覆盖的情况下，r f i d 能够穿透纸张、木材和塑料 等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离 而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。 ( 6 ) 数据的记忆容量大：一维条形码的容量是5 0 b ，二维条形码最大的容量可储存 2 至3 0 0 0 字符，r f i d 最大的容量则有数m b 。随着存储器的发展，数据容量也有 不断扩大的趋势。 ( 7 ) 安全性：由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其 内容不易被伪造及篡改。 1 2r f i d 与无线网络的干扰理论研究 r f i d 可以运行在2 4g i - l zi s m 频段，由于该频段是公共频段，很多无线系统也 运行在该频段上，包括无线局域网i e e e8 0 2 1l b 、i e e e8 0 2 1 l g 、无线个人区域网 i e e e8 0 2 1 5 1 ( 蓝牙) 、i e e e8 0 2 1 5 3 、i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e o ) 等等，甚至普通家 用的微波炉也使用该频段。这些设备运行在同一个频段上，当设备被安放在同一个 地点时，必然会发生相互干扰。干扰的一个很简单的例子是，当厨房中用微波炉给 食品加热时，家用的无线局域网8 0 2 1 l b 就无法正常工作，计算机不能接入网络， 因为微波炉发出的电磁波与无线局域网所用的无线载波在相同频段，微波炉对无线 局域网造成了干扰。同样，r f i d 发射功率也很大，也必然会对附近的无线网络造 成干扰，本论文中前三章是关于r f i d 对无线局域网和无线个人区域网的干扰问题。 下面先对无线个人区域网和无线局域网进行简要说明。 1 2 1 无线局域网 通信网络随着互联网的飞速发展，从传统的有线网络发展到了无线网络，作为 无线网络之一的无线局域网w l a n ( w h l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) ，满足了人们实 现移动互联网的梦想。w l a n 是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网 络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介， 提供传统有线局域网l a n ( l o c a l a r e a n e t w o r k ) 的功能，能够使用户真正实现随时、 随地、随意的宽带网络接入。w l a n 开始是作为有线局域网络地延伸而存在的，各 团体、企事业单位广泛地采用了w l a n 技术来构建其办公网络。但随着应用的进一 步发展，w l a n 正逐渐从传统意义上的局域网技术发展成为”公共无线局域网竹，成 为国际互联网i n t e m e t 宽带接入手段。w l a n 具有易安装、易扩展、易管理、易维 北京邮电大学博士学位论文 护、高移动性、保密性强、抗干扰等特点。由于w l a n 是基于计算机网络与无线通 信技术，在计算机网络结构中，逻辑链路控制( l l c ) 层及其之上的应用层对不同 的物理层的要求可以是相同的，也可以是不同的，因此，w l a n 标准主要是针对物 理层( p h y ) 和媒质访问控制层( m a c ) ，涉及到所使用的无线频率范围、空中接口通 信协议等技术规范与技术标准。 w l a n 的标准有美国的i e e e8 0 2 1 1 系列和欧盟的e t s ih i p e r l a n 系列，其中 i e e e8 0 2 1 l 是目前w l a n 标准的主流。i e e e8 0 2 1 1 系列包括i e e e8 0 2 1 l 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 l b 、i e e e8 0 2 1 l g 、i e e e8 0 2 1 l i e f h 等，最新的i e e e8 0 2 1 l n 可以将物理层传输速度提高到5 0 0 m b p s 。其中i e e e8 0 2 1 i b 、i e e e8 0 2 1 l g 和i e e e 8 0 2 1 l n 使用了2 4 g h z 的i s m ( 工业、科学、医学) 免许可证频段。 1 2 1 1l e e e8 0 2 1 1 b 1 9 9 9 年9 月i e e e8 0 2 1 l b 被正式批准，该标准规定w l a n 工作频段在2 4 _ 2 4 8 3 5 g h z ，数据传输速率可以达到ll m b p s ，传输距离控制在1 0 0 米。该标准是对i e e e 8 0 2 儿的一个补充，采用补偿编码键控( c c k ) 调制方式，采用点对点模式( a dh o c ) 和基本模式( i n f r a s t r u c t u r e - b a s e d ) 。在m a c 层，采用c s m a c a 多址接入方式，还可 以采用r t s c t s 机制来多址接入，这种机制可以解决隐藏终端问题。在数据传输速 率方面可以根据实际情况在1 lm b p s 、5 5m b p s 、2m b p s 、lm b p s 的不同速率间自 动切换，它改变了w l a n 设计状况，扩大了w l a n 的应用领域。i e e e8 0 2 1 1 b 已 成为当前主流的w l a n 标准，被多数厂商所采用，所推出的产品广泛应用于办公室、 家庭、宾馆、车站、机场等众多场合。 1 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 9 i e e e8 0 2 1 l g 认证标准，该标准提出拥有i e e e8 0 2 1 l a 的传输速率，安全性较 i e e e 8 0 2 1 l b 增强，采用2 种调制方式，含i e e e8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 与 i e e e 8 0 2 1 l b 中采用的c c k ，做到与i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 l b 兼容。虽然i e e e 8 0 2 1 l a 较适用于企业，但w l a n 运营商为了兼顾现有i e e e8 0 2 1 1 b 设备投资，选 用i e e e8 0 2 1 l g 的可能性极大。 1 2 2 无线个人区域网 随着计算机网络和全球移动通信技术的发展，便携的数字处理设备已经成为人 北京邮电大学博士学位论文 们日常生活和办公的必需品，这些设备包括笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 、计 算机外设、移动电话、寻呼机和家用电子产品等。它们都具有较强的处理能力和较 大的存储空间，从而形成了个人操作空间( p o s ) 。但是目前这些设备之间的信息交 换大都还依赖于电缆的连接，使用非常不方便，人们越来越需要一种无线技术将个 人操作空间内的这些设备连接起来，真正实现设备之间可移动的、自动的互联，这 就是无线个人网络( w p a n ) 技术，一种短距离、低功率的无线通信技术。 i e e e 8 0 2 1 5 是一个关于无线个人网络( w p a n ) 的技术标准，它以b l u e t o o t h 作为w p a n 的基础，由i e e e8 0 2 1 5 工作组负责制定，目前由四个分标准组成。i e e e 8 0 2 1 5 工作组成立于1 9 9 8 年3 月，起初叫无线个人网络( 删) 研究组，1 9 9 9 年5 月变为i e e e8 0 2 1 5 - - w p a nt 作组。目前i e e e8 0 2 1 5 工作组下设五个任务组， 其中t g i 负责制定i e e e8 0 2 1 5 1 ，处理基于蓝牙的速率为i m b i v s 的w p a n 标准； t g 2 负责制定i e e e8 0 2 1 5 2 ，处理在公用i s m 频段内无线设备的共存问题；t g 3 负责制定i e e e8 0 2 1 5 3 ，这个任务组的目标在于开发高于2 0 m b i t ，s 速率的多媒体和 数字图像应用；t g 3 a 负责研究高于1 1 0 m b i t s 速率的多媒体和数字图像的传输，主 要是采用u w b 技术：t g 4 负责制定i e e e8 0 2 1 5 4 ，这个任务组研究低于2 0 0 k b i v s 数据传输率的超低成本、超低功耗的w p a n 应用。 1 2 2 1 蓝牙技术 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离 ( 一般是1 0 m 之内) 无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连 接。蓝牙技术的定位是在现代通信网络的最后l o 米，将其与掌上电脑和其他移动计 算技术相互融合，从而以很低的成本，使移动终端随时随地实现无线接入互联网。 蓝牙设备的工作频段是2 4 g h z 的i s m 频段，频道采用2 3 个或7 9 个，频道间隔均 为i m h z ，采用时分双工( t d d ) 方式。调制方式为b t = 0 5 的g f s k ，调制指数为 0 2 8 - 0 3 5 。蓝牙的无线发射机采用f m 调制方式，从而能降低设备的复杂性。采用 跳频技术，对应单时隙包，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳，秒；对于多时隙包，跳频速 率有所降低；但在建链时则提高为3 2 0 0 跳秒。使用这样高的调频速率，蓝牙系统 具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能优越。蓝牙使用时分多址( t d m a ) 的调制技术，数据传输率为1 m b s ，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0 。6 2 5us 。 系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，可支持一个异步数据通 道，3 个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。蓝牙技术 的应用范围相当广泛，可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如p c 、拨 北京邮电大学博士学位论文 号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，蓝 牙的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以进 行互连接，从而实现各类设备之间随时随地进行通信。蓝牙协议是一个以爱立信、 m m 、i n t e l 、诺基亚与东芝( t o s h i b a ) 为主的特别兴趣组织( s i g ) 制定的短 距离无线通信协议。该协议推出后很快就得到了全球5 0 0 多家大小企业的支持。 1 2 2 2z i g b e e 技术 z i g b e e 不仅只是i e e e8 0 2 1 5 4 的名字。i e e e 仅处理m a c 层和物理层协议， 因此z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年 8 月，2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司 以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们加盟“z i g b e e 联盟一，以研究 名为“z i g b e e ”的下一代无线通信标准。z i g b e e 技术的主要特点包括以下几个部分： 1 数据传输速率低：只有2 0 k 字节秒到2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用。2 功 耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了充 电或者频繁更换电池的麻烦。这也是z i g b e e 的支持者所一直引以为豪的独特优势。 3 成本低：因为z i g , b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且z i g b e e 协议免收专利费。4 网络容量大f 每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就 是说，每个z i g b e e 设备可以与另外2 5 4 台设备相连接。5 时延短：通常时延都在 1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。6 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密 算法采用a e s 1 2 8 ，同时可以灵活确定其安全属性。7 有效范围小：有效覆盖范围 1 0 - 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上 能够覆盖普通的家庭或办公室环境。8 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z 、 8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。 e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都基于d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直接序列扩频) ， 使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传 输速率。2 4 g h z 波段为全球统一的无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推 广和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层通过采用高阶调制技术能够提供2 5 0 k b s 的 传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更 加省电。8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段的 引入避免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 的传输速率为 2 0 k b s ，9 1 6 m h z 是4 0 k b s 。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降 北京邮电大学博士学位论文 低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖 给定的区域。 1 2 3r f i d 与无线网络的干扰 r f i d 系统利用电磁信号在r f i d 阅读器与r f i d 标签之间传输数据，r f i d 可 以广泛应用与物流、工业自动化、家庭自动化、军事等部门，为了适应不同的应用 场景，r f i d 系统使用了多种的无线电频段，低频( l f ) ，高频( h f ) 和微波频段( m m ， 每个频段上的电磁信号有不同的特性，可以满足各种应用的要求。这些频段主要包 括9 1 3 5k h z 、6 7 8m h z 、1 3 5 6m i - i z 、2 7 1 2 5m i - i z 、4 0 6 8 0 z 、4 3 3 9 2 0m h z 、 8 6 9m h z 、9 1 5m h z 、2 4 5g h z 、5 8g h z 和2 4 1 2 5g h z 等等。其中，u h f 的r f i d 系统使用的是2 4 2 4 8 3 5g h z 的i s m 的频段。 由于可以在无电缆线约束的情况下灵活自由地接入网络或设备互联，集成了无 线通信模块的电子产品越来越多，包括笔记本电脑、p d a 、手机、数码产品等等。 无线传感器网络，a dh o c 网络，无线局域网、无线个人区域网的出现，使无线网络 越来越普及，甚至无处不在。在无线通信中，频谱和功率是两个制约因素，无线通 信所使用的无线电频率是稀缺资源，而且变的越来越拥挤。在目前的无线电频率的 管理体系下，无线电频率被划分为两种；需要使用许可证的频段和不需要许可证的 免费使用的频段( 不包括感知无线电c o g n i t i v er a d i o 所采用的模式) 。表格1 是美 国f c c 划分的免许可的频段，包括i s m 和n i l 两个主要的频段。 表1 f c c 划分的免许可证频段 i s mb a n di ( c o r d l e s sp h o n e s ，i gw e a n s ) 9 0 2 9 2 8m h z i s mb a n di i ( b l u e t o o t k , w p a n ，i e e e8 0 2 1l b gw l a n s )2 4 2 ，4 8 3 5g h z i s mb a n di i i ( w i r e l e s sp b x )5 7 2 5 5 8 5g h z n i lb a n di ( i n d o o rs y s t e m s ，i e e e8 0 2 1la 。a n s ) 5 1 5 5 2 5g h z n i ib a n dl i ( s h o r to u t d o o ra n dc a m p u sa p p l i c a t i o n s )5 2 5 5 3 5g h z n i ib a n di i i ( l o n go u t d o o ra n dp o i n t p o i i l tl i n k s ) 5 7 2 5 5 8 2 5g h z 频段的占用费用非常昂贵，在欧洲，3 g 的频段拍卖价格达到上千亿美元，美国 的p c s 频段拍卖价格也达到数百亿美元。由于2 4g h zi s m 频段可以免费使用，并 且在全球都可以获得该频段，无线通信标准中有很多使用了2 4g h zi s m 频段，包 括i e e e8 0 2 1i b ，i e e e8 0 2 1lg ，i e e e8 0 2 15 1 ( b l u e t o o t h ) ，i e e e8 0 2 15 3 和i e e e 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 等等。表格2 中简单总结和比较了这几种无线通信技术的特性，主 北京邮电大学博士学位论文 要包括物理层和m a c 层。 表2 几种无线通信技术参数比较 2 4g h zi s m 频段，q p s r d c c k 和 d b p s k 调制，c s m a c a 多址接入。直接序 i e e e8 0 2 1 l b 列扩频( d s s s ) ，覆盖距离1 0 0 米，l ，2 ，5 5 ， l l m b p s l 四种传输速率，发射功率蔓j 1 0 0 m w 2 4 g h zi s m 频段，d s s s 。c c k 和o f d m i e e e8 0 2 1l g 调制，物理层可以从i m b p s 到5 4 m b p s 多种数 率，向后兼容i e e e8 0 2 1 l b 2 4g h zi s m 频段，2 - g m s k 调制，16 0 0 跳每秒快速跳频扩频( f h s s ) ， f h c d m t d d 多址接入，覆盖范围有两 i e e e8 0 2 15 1 ( b l u e t o o t h ) 种：1 0 0 米( 发射功率为l o o m w ) ，1 0 米( i m w ) ， 物理层传输数率为i m b p s ，7 9 个i m h z 的信 道 2 4 g h zi s m 频段，物理层数据速率为 ll ，2 2 ，3 3 ，4 4 ，5 5 m b p s 。对应的调制分别 正e e8 0 2 1 5 3 为q p s k , d q p s k , 16 - q a m ，3 2 - q a m 和 6 4 - q a m ， 8 6 8m h z ( 欧洲) ，9 1 5m h z ( 北美) ，2 a g h zi s m 频段，b p s k 和o - q p s k 调制， i e e e8 0 2 15 4 ( z i g b e e ) c s m a c a 多址接入，直接序列扩频 ( d s s s ) ，覆盖范围1 0 一1 0 0 米，三种物理 层传输速率：2 0k b p s ，4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 从分析可以看到，u h fr f i d 和i e e e8 0 2 1i b g , i e e e8 0 2 1 5 1 3 4 ( b l u e t o o t h , z i 加e e ) 都使用了2 4 - 2 4 8 3 5g h z 的频段，当这些设备在同一个地方使用的时候，必 然会产生干扰。r f i d 与无线设备之间，不同的无线设备之间都可能产生干扰。 1 2 4 国内外的研究进展 学术界对无线设备之间的干扰问题作了比较深入的研究，已经有不少论文发表。 在论文【l 】中，作者对无线个人区域网w p a n 和无线局域网w l a n 之间的干扰问题 北京邮电大学博士学位论文 作了概括性的阐述，建立了复杂的数学模型研究两个系统的干扰。在论文【2 】和 3 】 中，作者分析了无线局域网i e e e8 0 2 1 l b 和蓝牙之间的干扰，理论分析干扰对性能 影响的同时，建立了仿真模块进行仿真比较。在论文 4 】和【5 】中，作者分析了蓝牙网 络自干扰问题，蓝牙与无线局域网之间的干扰问题，研究了影响干扰大小的因素。 在论文【6 】和【7 】中，作者分析了在z i g b e e 干扰下，无线局域网i e e e8 0 2 1 l b 的性能， 推导出了计算误分组率的公式。在论文 8 】中，研究了无线局域网对z i g b e e 网络造成 的干扰，并以误分组率作为衡量性雒的指标。在论文【9 】和【l o 】中，研究了蓝牙和 z i g b e e 网络相邻运行时所产生的干扰。同时，i e e e 专门成立了i e e e8 0 2 1 5 2 工作 组来研究w l a n 与w p ! a n 的干扰问题，并且发布了i e e e8 0 2 1 5 2 标准，该标准对 无线个人区域网和无线局域网的干扰进行了深入分析，建立了物理层和m a c 层的 干扰理论数学模型，在o p n e t 和c 下开发了仿真模块，并提出了近l o 种抗干扰的 算法。 但是，到目前为止，在国内外公开发表的文献里，没有任何一篇关于r f i d 与 无线系统干扰问题的文章出现。虽然无线系统之间的干扰已经被深入广泛地研究， 但r f i d 对无线系统的干扰问题研究还是空白，所以本论文的作者在深入分析各种 无线系统之间干扰的已有研究成果后，继续对r f i d 的干扰作了深入研究，主要包 括三个方面：r f i d 对无线局域网i e e e8 0 2 1l b 的干扰、r f i d 对蓝牙的干扰、r f i d 对z i g b e e 的干扰。在研究中，作者从物理层和m a c 层的角度，建立了全新的干扰 数学模型，并且在o p n e t 和m a t l a b 环境下进行了仿真将仿真结果和理论分析 进行比较。对r f i d 和无线局域网、蓝牙、z i g b e e 的研究，都是在前人没有的基础 上作的创新工作研究结果已经发表在w i c o m2 7 、c h i l 丝g o l n 、中国邮电高校学 报等e i 检索的国际会议和杂志上。 1 3r f i d 网络跟踪算法 本论文作者提出了一种设想：将密集分布的大量r f i d 阅读器( 比如在会展中 心安装的大量阅读器) 中内嵌短距离无线通信模块，如i e e e8 0 2 1 i b 、蓝牙或z i g b 等等，以无线的方式将r f i d 阅读器组成a dh o c 网络，r f i d 阅读器收集到的标签 信息可以通过这个无线网络传送到后台处理系统。这种新的网络结构避免了每个 r f i d 阅读器都要通过电缆接入到计算机的方式，整个网络仅需要一个计算机控制 终端，相对于每个r f i d 阅读器都要连接一个计算机的系统，大大降低了系统的复 杂度和成本，缩短了布设系统所需的时间，并可以产生很多新的应用。作者把这个 新的网络结构命名为r f i d 阅读器网络。同时，在本论文中，提出了一种r f i d 阅 北京邮电大学博士学位论文 读器网络的跟踪算法，可以实现对在布设有r f i d 阅读器网络的环境中对贴有标签 的人员和物品的跟踪。 本论文中提出的r f i d 阅读器网络和跟踪算法，在国内外均是首次，没有在公 开发表的文献在见到相同的概念。目前，无线传感器网络中有不少跟踪算法，但是 基于r f i d 的跟踪算法在本论文之前没有见到公开发表。 本论文在分析了r f i d 设备与无线系统干扰后，结合r f i d 阅读器与z i g b e e 、 蓝牙、无线局域网等无线通信技术，提出一种称为r f i dr e a d e rn e t w o r k 的体系结 构。并在这个新的网络里，设计出基于r f i d 的跟踪( t r a c k i n g ) 算法，我们把这种 算法称为虚路由跟踪算法( v i r t u a lr o u t et r a c k i n g ，v r t ) 。v 】疆算法是用于跟踪在 r f i d 阅读器网络里移动的贴有r f i d 标签的人员或物品，r f i d 阅读器网络被定义 为多个密集分布的r f i d 阅读器，用短距离无线通信技术z i g b e e 等等相互连接起来 组成一个a dh o c 自组织网络。比如在一个大型的展览馆中，将分布在馆中的r f i d 读写器用无线链路连接起来，组成一个r f i d 阅读器网络，使用v r t 跟踪算法，就 可以跟踪在展览馆中移动的贴有标签的人员和物品。v r t 算法是专门设计来用固定 的读写器来对移动的标签进行跟踪，对于用固定的标签对移动的读写器进行跟踪的 场景并不适合。在由移动和固定的读写器组成的网络中，v r t 算法依然可以使用， 仅仅需要忽略移动的r f i d 读写器，使用剩下的固定的读写器进行计算就可以了。 v r t 算法通过从r f i dr e a d e rn e t w o r k 中选择一些相邻的r f i d 读写器来构成所定 义的“虚路由”来实现跟踪，并且，把r f i d 阅读器的识别号码，r f i d 标签的身份 标志号码，以及r f i d 标签触发r f i d 阅读器的时间组成一个所定义的“跟踪向量? ( t r a c k i n gv e c t o r ) 。 v r t 算法的理论基础很简单：由于r f i d 系统的读取距离很短，远小于连接r f i d 阅读器的无线通信技术的覆盖半径。r f i d 标签分为有源和无源的，不管是哪一种， r f i d 标签都不是由电池直接供电的，而是通过电耦合或磁耦合，由r f i d 阅读器向 它供应能量，所以r f i d 系统的有效读写距离很小，即使是有源的r f i d 标签，所 带的电池也只是对内部电路进行供电，信号的传输也是通过r f i d 读写器发射的电 磁波发射来进行，跟雷达的原理类似。所以，r f i d 的有效距离从几毫米到几米， 比较短距离无线通信技术十几米，甚至上百米来说，是很小的。当一个r f i d 标签 被r f i d 阅读器感知到的时候，r f l d 标签肯定在这个读写器的读写范围以内，这个 时候，r f i d 标签与阅读器的距离一定小于阅读器的最大读写距离，设阅读器与标 签的距离为，即 厂r 胁r 北京邮电大学博士学位论文 v r t 算法采用读到标签的阅读器的地理位置来表示标签的位置，因为厂本身很小， 所以误差也很小。在一个比较大的r f i d