面向全双工的新型多天线RFID读卡器的自干扰抵消关键技术研究

The booming growth in emerging industries such as intelligent storage, smart logistics and no-checkout supermarket has created higher tag throughput demand on future radio frequency identification (RFID) systems. This project aims to improve the communication efficiency of the multi-antenna RFID system via introducing the full-duplex technology, and considers to solve the potential self-interference cancellation (SIC) problem it brings. To this end, we first explore the optimal hardware structure of full-duplex RFID reader that suits potential future applications, and propose accurate mathematical models to describe the SIC problem in full-duplex RFID systems. We next generalize the SIC problem as a system identification task with the noncircular input signal and the impulsively noncircular observation noise. Enlightened by recent advances in full second order statistics of complex signals, we set out to establish complex adaptive filtering methods that can withstand impulsively noncircular interference. Finally, we analyze potential impairments in a practical full-duplex RFID reader and investigate model-fitting SIC algorithms with the guidance of the theoretical performance bound derived for complex adaptive filtering methods in such scenarios.

当前智慧仓储、智能物流和无人超市等新产业模式的爆发要求未来的RFID系统必须具备高速率、大吞吐量的标签识别能力。本课题拟利用全双工技术所带来的通信效率增益，研究面向全双工的新型多天线RFID读卡器的自干扰抵消关键技术。研究工作包括：(1) 分析面向全双工的多天线RFID读卡器可能的应用场景，讨论读卡器的硬件结构，提出其中自干扰抵消问题的数学模型。(2) 将全双工RFID读卡器的自干扰问题提炼为存在非圆输入信号和非圆脉冲噪声的宽线性系统辨识问题，以复数的完备二阶统计理论为指导，建立抗非圆脉冲噪声的复数自适应滤波理论。(3) 分析全双工RFID读卡器在实际中可能受影响的非理想性因素，以抗非圆脉冲噪声的复数自适应滤波算法的理论最优界为指导，探索匹配系统模型的鲁棒的自干扰抵消算法。

近年来物联网在智慧物流等领域的快速发展对反向散射通信系统提出了高速率、大吞吐量的标签识别能力要求。本项目利用了全双工技术所带来的通信效率增益，探索多天线RFID系统的自干扰抵消关键技术，主要研究了以下内容：（1）将全双工多天线RFID系统中的多个标签反射信号建模为高维信号空间并重新对其排列，实现快速估计冲突标签的数量以满足实时干扰消除的需求；（2）提出了包括Tensor LMS、PU-ACLMS、ACLMK在内的一系列适用于全双工多天线RFID读卡器的自适应滤波算法及相应的性能分析方法，这些算法在消除非圆脉冲噪声的干扰时充分利用了自干扰信号的完备二阶统计特性；（3）将多天线RFID系统中干扰抵消算法的性能分析问题等价转换为非等功率条件下输入为实数信号时WLMMSE-MIMO接收机的性能分析问题，给出了线性以及非线性检测器输出信干噪比的概率分布密度函数闭式解，以及相应的中断概率、误码率等系统指标；（4）扩展研究了非圆脉冲干扰影响下发射机线性最优波束赋形问题，提出了WL MVDR波束形成器的完备二阶性能分析方法。项目的研究成果发表在IEEE TSP，IEEE TVT，Elsevier SP等国际权威期刊上，并申请和授权了多项中国和美国发明专利，为全双工多天线RFID系统在物联网中的应用提供了重要的理论依据和设计参考。