无源感知网络基础理论与关键技术

Battery-free sensing is an emerging research area. Battery-free Sensing network (BFSN) has the features that: its nodes are powered not by battery but by the energy harvested from their ambient energy sources, and they possess low-power sensing, processing, and communication units so that specific sensing and data delivery tasks are conducted. This project foresightedly investigates the key technology, basic theory, and applications of BFSN and deeply explores the key technology and theory for providing the battery-free nodes with stable radio frequency energy, sensing without battery, internetworking nodes with weak links, and delivering data in BFSN. The main problems studied in this project are as follows: 1) the mechanism of ensuring supply of radio frequency for the battery-free nodes, which provides sufficient and stable energy for the battery-free nodes to conduct sensing, processing, and communication; 2) the sensing technology using the reflected electromagnetic radio waves, which enables accurate sensing the environment without sensing equipment; and 3) the mechanisms of internetworking battery-free nodes and transferring data in BFSN to enable the battery-free nodes to deliver their sensed data to the destination in an efficient, low energy cost, and reliable manner. This project complies with the development strategy of China and it is significant in promoting independent innovation ability and theory of BFSN in China.

无源感知是一个新兴的研究领域，无源感知网络的主要特征是：网络中感知节点自身不携带电池，节点通过能量捕获技术利用来自环境的能源为其供电；感知节点具有低功耗的感知模块、处理模块以及低能耗通信协议，从而具备完成特定的感知和数据传输任务。本课题对无源感知网络的关键技术、基础理论和应用开展前瞻性研究，深入探索无源节点电磁能量平稳供给、无源环境感知、弱联网节点组网和无源感知网络数据传递的关键理论和技术，主攻：(1)无源节点的射频能量保障供给机制，旨在向无源节点提供充足、稳定的能量使其完成所需要的感知、计算和通信任务；(2)基于反射电磁信号的感知技术，以实现无感知设备对环境的精确感知；(3)无源感知网络组网和数据迁移机制，让无源感知节点有效组网并高效、低能耗、可靠地把所感知的数据传递到信宿。本项目符合国家的发展战略，对提升我国在无源感知网络领域的自主创新能力和理论水平具有重要的意义。

无源感知网络中，节点自身不携带电池，通过能量捕获设备获取能量以维持其感知、计算、通信等操作。本课题研究无源感知网络的关键技术、基础理论和应用，主攻无源节点的射频能量保障供给机制、基于反射电磁信号的感知技术、无源感知网络组网和数据传递机制，采用的理论与方法包括概率论、数论、随机建模、最优化理论与方法。..取得的研究成果包括：1）针对反射通信普遍采用双相间空编码（Bi-Phase Space Coding）所导致的发送比特0与比特1的能耗存在巨大差异，项目组利用这一差异设计低能耗码本，设计了基于等长码字码本的能量经济的数据传递方案EEDDS、基于非前缀码本的反射通信CBBC和基于双码本的反射通信DBBC，使得发送方在相同能耗条件下，比目前广泛使用的商用反射通信技术多发送20~70%比特。2）针对基于IEEE 802.15.4标准的无源感知网络，设计了低能耗、高吞吐率、低时延、可靠的数据传递策略，包括时延感知的IPv6数据包传递策略LAID、可靠的IPv6数据包传递方案RIPDS、基于块校验的可靠数据传递方案等，以提高吞吐率、交包率和能效等指标。3）设计并实现了朝向敏感的基于RFID的追踪系统，实现了厘米级的追踪精度，可以精确追踪目标物体朝向的角度变化。4）结合RFID和视觉追踪技术，设计并实现了一个多目标识别和追踪系统，平均目标识别准确率达到98%。5）在射频供能机制方面，提出了无线充电站和移动充电站的最优部署方案，射频能量供给与数据传输协同方案，包括先捕获能量后发送数据、采用混合接收器协调能量供给与信息传输、基于无线能量传输和无线信息传输时间分配联合优化的吞吐量差异最小化方案等，以提高供能效率并提高数据传输吞吐率。..本项目按计划进行，进展顺利，共发表标注本项目资助号的论文60多篇，其中32篇期刊论文和6篇国际会议论文列在本结题报告中，大部分论文发表在国内外重要期刊和会议，包括IEEE Transactions系列期刊、《计算机学报》、《电子学报》等。申请发明专利15项，其中5项已经获得授权。