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关键词： 全息超表面   电磁波调控   射频识别   共形超表面   波束赋形   自加速波束  

摘要： 在无线通信中,天线主要负责将导行波从传输线上辐射到自由空间中,从电路的角度来看其主要充当一个阻抗变换器的角色。近几十年来随着超表面天线技术的发展,越来越多的新体制和高性能天线引入到了无线通信系统中,比如应用于卫星通信中的平面超透镜天线、应用于无线通信系统中的平面反射阵天线、应用于微波成像系统的超材料天线等;这些新体制的天线同样以严格的设计理论为指导,不仅可以实现常规的定向与非定向辐射,还可以实现更多的功能,比如可以产生用于通信的共口径多模态涡旋波束、多波束混合涡旋波束和赋形波束,也可以产生用于传能的无衍射波束、点阵式大规模聚焦波束以及可以避障的自弯曲波束等。因此本文对于超材料天线的发展现状进行了充分的调研,提出了将基于超材料天线的电磁波调控技术应用于无线通信系统,并通过实验说明了超材料天线相较于常规天线的优势所在,本文的主要工作如下: 1.首先介绍了电磁超表面的基本理论、梯度相位超表面的基本调控理论、全息超表面的基本调控理论以及电磁超表面的衍射计算方法,详细地论述了广义斯涅尔定律与梯度相位超表面的内在联系,并且系统的介绍了表面波与漏波理论、正弦阻抗调制理论之间的内在联系以及由此而引出的全息阻抗调制表面理论,并且从波动光学的标量衍射理论为依据,引出了用于计算电磁超表面的矢量角谱衍射理论以及矢量瑞利-索墨菲积分衍射方法,为各向异性全息超表面的电磁波调控方法以及共形超表面调控方法奠定了理论基础。 2.然后针对各向异性全息超表面的近场电磁波调控理论,介绍了工作在10GHz的各向异性阻抗调制单元的建模分析和阻抗提取方法,探究了全息矢量贝塞尔波束的生成方法,设计了工作在10GHz的各向异性全息超表面产生不同无衍射距离的贝塞尔波束,并从能量均一性的角度说明了渐变的锥角对于贝塞尔波束的意义;探究了各向异性全息聚焦波束的聚焦性能,设计了10GHz的各向异性全息超表面产生不同焦点距离的聚焦波束,并从调制深度非均匀的角度探究了全息聚焦波束焦点一致性的问题;然后结合射频识别系统的实际需要,设计了工作在920MHz的用于读写系统的波束控制各向异性多层高效率全息超表面,经过平面近场场型测试以及标签-读写天线的联合测试,所设计的超表面对于多种应用场景展示出了良好的实用性。 3.然后针对各向异性全息超表面的远场调控设计方法,分别从单波束设计、双波束设计以及四波束设计方法进行了探索,设计了工作在10GHz的不同口径的各向异性全息超表面分别产生了单波束辐射、双波束辐射以及四波束辐射,设计了10GHz的各向异性全息超表面产生侧馈单波束、双馈双波束以及四馈四波束辐射;然后研究了基于全息超表面的一体化共形天线设计,设计了10GHz用于产生不同俯仰角线极化高增益波束的各向异性柱面共形全息超表面,并设计仿真了产生圆极化高增益波束的各向异性共形全息超表面的增益与轴比效果;然后加工测试了辐射线极化法向波束的柱面共形全息超表面;随后探索了球面共形全息超表面的设计方法,设计了10GHz的用于产生法向圆极化波束的不同曲率的球面共形各向异性全息超表面,随后设计仿真了球面共形全息超表面产生对称双波束与四波束辐射,仿真结果表明所设计的多波束辐射效果良好波束指向准确。 4.最后针对基于相位恢复理论的电磁波调控方法进行研究,对于基于透射超表面的远场相位恢复电磁调控,通过对于透射单元仿真结果的分析,结合自适应附加算法与远场快速近似计算方法,分别完成了三种方向图的调控,并通过全波仿真的方法验证设计方法的有效性;对于基于全息超表面的近场电磁调控,通过对于各向全息超表面的口径场计算来实现快速理论计算,并结合自适应附加算法进行近场电磁调控,完成了特定形状的平面近场分布的相位恢复计算,并采用理论计算与全波仿真相结合的方法,设计仿真了各向异性全息超表面产生特定的近场分布以验证设计结果的有效性;并研究了轨道可控的自加速贝塞尔波束,通过衍射计算方法进行了超表面产生自加速光束的原理性实验,并采用了全波仿真的方法对于所设计用于产生自加速贝塞尔波束的各向异性全息超表面进行近场分析,验证了方案的可行性以及方法的优越性。

关键词： 射频识别   定位技术   反向散射   天线阵列   标签阵列  

摘要： 工业过程自动化与智能化水平的提高要求对工业产品在生产过程、仓储物流等各环节进行准确的一维定位,使得面向工业场景的室内定位技术成为被广泛关注的热点领域。在众多室内定位技术中,射频识别定位技术因非视距传输、多目标识别定位且在工业场景广泛使用等优势,具有更好的应用前景。然而,射频识别信号的参数中耦合了位置、姿态和环境变量等多种信息,位置和姿态参数分离困难,难以同时且准确的获取移动物品的位置与姿态。 论文对射频识别信号的相位模型与阵列方法进行了深入研究,提出了一种面向工业场景的移动物品位置与姿态获取方案,设计了针对耦合信息的位置与姿态参数分离方法与针对移动物体的位置与姿态获取方案,实现了物体位置和姿态的同时获取。最后,设计了定位原型系统对所提方案进行了验证。具体研究内容包括: (1)针对位置、姿态和环境信息耦合在读写器获取的增益和相位中难以分离的问题,提出了一种位置和姿态参数的分离方法。利用天线阵列与标签阵列分别结合差分测量,从原始参数中分离出了位置造成的参数变化与姿态造成的参数变化,为姿态和位置的同时获取奠定了基础。 (2)针对工业场景中移动物体状态变化迅速导致位置和姿态难以计算的问题,提出了适用于移动物体的位置获取算法与姿态获取算法。位置获取算法将天线阵列获取的相位差转变为距离差,构造双曲线计算移动物体的一维位置;姿态获取算法利用MUSIC算法解算标签阵列相位差中耦合的相对姿态信息,并使用特征点均值法提取物体移动至天线前方时刻的相对姿态作为物体的姿态角。 (3)设计了一种结构简单、适用性强、成本低的原型系统,并对所提方案进行了实验验证。以Impinj R420读写器为核心进行了硬件平台的搭建,使用Impinj LTK库与Visual Studio进行了系统软件平台的搭建。使用丝杠滑轨与电动旋转台搭建了模拟工业场景,对所提出的参数分离方法与移动物体位置姿态获取技术进行了验证。 实验结果表明,所提出的方案在1.2 m米距离,物体姿态角小于70°时,可以实现物体位置和姿态的同时获取,平均定位误差为3.34 cm,平均姿态误差为6.78°。最后,验证了物体运动速度和物体与天线间距对所提方案性能的影响,结果表明物体运动速度对测量性能几乎无影响,但距离的增加会导致测量性能降低。与其他RFID静止物体定位方法2.05cm的误差和静止物体姿态检测3.1°的误差相比,所提方法误差稍高。但是,可以实现同时测量移动物体的位置和姿态,实现生产过程的信息集成。

关键词： Liquids   Sensors   Containers   Estimation   Monitoring   Impedance   Capacitive sensors   Differential minimum response threshold (DMRT)   height estimation   liquid volume   radio frequency identification (RFID) tags  

摘要： For many industrial and healthcare applications, liquid volume, especially residual volume monitoring, is one of the most important problems. Yet, existing technologies mainly rely on specialized sensors, which greatly restricts their universality in other applications. The popularity of radio frequency identification (RFID) provides us with unprecedented opportunities for building wireless and batteryless sensing systems. In this article, we propose a fine-grained residual liquid height estimation scheme with passive RFID tags. With dual-tags attached to the surface of the container, our scheme takes one of them as a sensing tag and the other one as a reference tag. We establish a continuous liquid height estimation model based on the extracted differential minimum response threshold (DMRT) features of the two tags. We implement a prototype system with commercial off-the-shelf (COTS) RFID devices and conduct extensive experiments to evaluate its performance. Experimental results demonstrate that our scheme is immune to location changes and robust against interference (such as walking around people), with an overall accuracy of 95.55%.

关键词： Radiofrequency identification   Estimation   Timing   Optimization   Encoding   Standards   Physical layer   RFID   UHF   frame length optimization   ALOHA   FSA  

摘要： In dense radio frequency identification (RFID) systems, reducing reading times is crucial. For tag anti-collision management, most RFID systems rely on Frame Slotted ALOHA (FSA). The most common method used to reduce the reading time for large tag populations is the optimization of the number of slots per frame. Each slot in real RFID systems has a different duration determined by its type (idle, successful, or colliding). Furthermore, by detecting the strongest transponder, colliding slots can be converted into successful slots, a phenomenon known as the capture effect. The strongest tag reply can also be intention-ally detected by enhancing the reader's capabilities with collision recovery. RFID readers may also be capable of identifying slot types using the physical layer and reducing the colliding slot time because in this case, the reader can immediately terminate the connection as there is no reason to reply with an invalid acknowledge and wait for the time-out. This paper presents an exhaustive analysis of the effect of slot type identification and capture probability on the frame length in the presence of dif-ferent tag cardinality estimation techniques. Additionally, the effect of the new optimized frame length on the total reading time reduction is addressed with different tag encoding schemes. Theoretically, experimental results for FM0 encoding show that our technique achieves a total reading time reduction between 5.5% and 11.3% over methods that do not take into account slot type identification in the frame length optimization. For Miller encoding scheme with M = 2, 4, and 8 the reading time is decreased by 9%, 6%, and 1% respectively. The maximum reading time reductions are achieved at collision recovery prob-abilities values of 0.4 for FM0 and Miller with M = 2 and 0.45 & 0.6 for M = 4, and M = 8, respectively. In case the reader does not have any collision recovery capability and the Schoute algorithm is used to estimate the tag cardinality, the max

关键词： Authentication   Fingerprint recognition   Backscatter   Relays   Physical layer   Radio frequency   Cryptography   backscatter network   RFID   relay attack   replay attack   wireless security  

摘要： Distinguishable physical layer features of radio frequency have the potential to serve as new fingerprints for authentication in backscatter networks. They have a definite advantage that backscatter tags do not have to run resource-intensive operations that commodity tags rarely implement. However, current physical layer authentication schemes impose substantial burdens on both service providers and users. Since physical layer features are highly susceptible to environmental factors, labor-intensive and time-consuming fingerprint library establishment is indispensable to make sufficient statistics for authentication. In this paper, we propose TagDuet, a collision-assisted authentication scheme that adopts an auxiliary tag to RFID systems, a typical type of backscatter networks, without the requirement of fingerprint library establishment. TagDuet places an independent backscatter tag in the proximity of a reader and utilizes the features in intended tag collisions to improve wireless security. Our phase cancellation decoding algorithm accurately decodes the collisions, which leads TagDuet fully compatible with the commodity RFID tags. TagDuet provides freshness, the paramount property to resist replay attacks, and robustness to relay attacks under FCC regulations for frequency hopping. We implement a prototype of TagDuet with commodity tags, evaluate the performance in randomized channels by the auxiliary tag, and demonstrate the resilience against replay and relay attacks.

关键词： DFSA   RFID   区块链   访问控制   溯源  

摘要： 当前,农产品溯源已经成为食品安全管理中不可或缺的重要手段。可靠的溯源系统对于提高食品安全、保障消费者权益、建立品牌信任度和价值、促进产业升级和创新发挥了重要推动作用。目前针对水产品的溯源系统比之传统农产品溯源还有相当大的欠缺,如射频识别技术落后、物联网访问控制存在单点故障问题、溯源平台安全性不足等。针对以上问题,本研究设计了一个改进的DFSA(Dynamic Frame Slotted ALOHA)标签防碰撞算法,提出了一种基于区块链的分层访问控制架构,实现了一个基于Hyperledger Fabric平台的溯源系统,主要工作成果如下:(1)针对射频识别在密集场景下标签识别效率低的问题,提出了一种基于改进的K-Means聚类算法的射频识别标签DFSA防碰撞算法。该方案通过标签预分组设计,减少算法识别标签所需的时间。通过最大最小距离和欧式距离得到新的质心,优化了基于K-Means的DFSA算法,提高了在标签识别阶段的识别效率和准确度。仿真结果显示,在密集RFID部署场景中,本文提出的算法在识别准确度及总识别时长上都具有明显的优势。(2)针对传统物联网访问控制机制中存在的单点故障的问题,提出了一种基于区块链的分层访问控制架构,并分别研究了域间和域内访问控制的过程。本文所提出的三层访问控制架构分别为本地边缘区块链、聚合集群区块链和全国存储区块链,通过身份验证和授权来保护物联网系统。Hyperledger Caliper的性能评估结果显示,该架构在吞吐量和延迟方面优于现有的框架,并有效地增强了物联网系统的安全性和可扩展性。(3)针对当前水产品溯源系统安全性较低的问题,设计并实现了一个基于Hyperledger Fabric平台进行了水产品溯源系统。该溯源平台分为原料生产、农户养殖、加工存储、物流运输和销售分销系统等环节,构建了安全可信的溯源系统,满足了消费者对水产品溯源的要求,保障了消费者的合法权益。

关键词： 管理系统   物联网   畜牧产业链   UML   RFID  

摘要： 随着数字化转型,我国畜牧产业稳定发展,畜牧产业的供给能力不断提升,在对人们的膳食生活进行改善的同时,也推动着社会经济的发展。随着我国社会主要矛盾转变为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分,人们对于饮食的关注度也从吃的饱转向吃的好、吃的健康,更加注重食物对于自身营养的补充和提升上,而畜产品作为一种高营养的食品,自然就更加受到人们的欢迎。但是,畜牧产业中频频爆出的食品安全事件和重大动物瘟疫事件,使得人们对于畜牧产业变得更加关注。然而,在畜牧产业的发展过程中,过于重视在规模化、产业化和标准化的发展,使得畜牧产业中信息化的发展水平不够,导致整个畜牧产业链的现代化、智慧化发展受阻。此前,国内外学者围绕畜牧产业链展开了积极的探索,已有的研究大多聚集在产业链利益分配、产业链模式优化、产业扶贫等方面来升级和完善畜牧产业链,尽管这些研究成果具有丰富的价值,但也在一定程度上存在局限性。畜牧产业链做为从畜牧养殖、畜产品加工、运输和畜产品消费所有环节相互衔接构成的产业结构,很难具备其他行业较好的资源条件,而在畜牧产业链中的部分生产环节,其他公司却很少参与。比如,在畜产品加工环节中,畜禽动物的检疫和分割,物流公司就很少参与其中。但是,在畜产品的运输的过程中又要完成信息的对接工作,在这其中信息扮演着重要的角色,起到了承上启下的作用。因此,本文首先从物联网技术在畜牧产业链中的应用研究概念出发,根据文献查阅和实地调取的方法,发掘物联网技术应用到畜牧产业链管理的客观需求。其次,对物联网技术在畜牧产业链中各个环节所起到的作用进行了详细说明,包括:RFID技术在畜禽养殖信息管理、畜禽个体标记、防疫、加工、畜产品运输、畜产品信息对接和畜产品溯源等方面的具体作用;无线传感网络在养殖环境监测、运输车厢温度监控、车辆实时定位和畜产品仓储管理等方面的作用等,并形成了系统各个环节的用例图。然后,在基于客观需求分析基础之上,设计出了一款基于物联网技术的畜牧产业链管理系统,管理系统的功能包括:养殖环境监测、个体信息管理、加工信息采集、物流运输定位、畜产品库存管理和溯源等具体功能。最后,提出了从人才队伍、物资资金、基础设施和组织创新四个方面保障畜牧产业链管理系统推广应用的建议。

关键词： Coils   Radiofrequency identification   Magnetic fields   Solenoids   Fluids   Antennas   Reliability   Angular orientations   microtag detection   multiple tubular coils   radio frequency identification (RFID)   solenoid coil  

摘要： Directionality problem caused by the rolling of microtag with flowing fluid seriously affects the reliability of an oilwell downhole radio frequency identification (RFID) system. In this article, we propose a novel RFID reader antenna structure using multiple tubular coils for reduced orientation sensitivity. The conventional solenoid coil and saddle-coil pairs are combined to overcome the respective defects of the two coils and develop their advantages to form a complementary structure at the same time. Then, a series of coil parameters are designed in detail to provide strong magnetic field distribution both in the x-axis, y-axis, and z-axis directions. To verify the design, the proposed multiple tubular coils have been fabricated and measured. Experimental results demonstrate more potential than the conventional solenoid coil for microtag detection in different angular orientations, which is very important to improve the reliability and applicability of the current oilwell downhole RFID system.

关键词： 频分复用   超高频RFID   谐波抑制算法   数字电路  

摘要： 随着物联网技术的飞速发展,射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术作为物联网领域的核心技术,凭借其能够快速准确识别多个目标的优势,已被广泛应用于各种场景,以满足不同的需求。目前市场中使用较为广泛的物联网终端仍然是EPC Gen2类型RFID标签,其上行链路多址接入方式采用时分复用技术,单个读写器吞吐率受限于上行链路通信速率,多个读写器之间可以通过频分复用的方式共存。随着物联网设备和应用的不断增加,对单个RFID读写器的终端容量和覆盖范围提出了更高的要求,频分复用技术是实现该要求的重要技术途径。基于以上研究背景,本文系统分析了单读写器场景下的频分复用UHF RFID系统的组成部分、工作原理、基带信号结构及特性等。在参考现有的研究成果的基础上,研究了频分复用超高频(Ultra-High Frequency,UHF)RFID读写器基带信号处理算法,设计并实现了频分复用UHF RFID读写器基带信号处理数字电路,可进行基带发送信号处理以及多信道信号的并行接收处理,为日后高吞吐率的频分复用UHF RFID系统研制提供了参考与借鉴。本文的主要工作及成果如下:1、分析并归纳了目前UHF RFID技术的研究背景以及国内外研究现状,并基于目前UHF RFID领域的现有成果,系统地阐述了单读写器场景下的频分复用UHF RFID系统的组成及工作原理、基带信号结构及特性。2、对频分复用UHF RFID读写器基带信号处理方法进行了研究,推导分析了谐波干扰抑制的原理,提出了适用于频分复用UHF RFID读写器的谐波干扰抑制算法,并在Matlab中搭建了仿真环境,仿真结果显示谐波干扰抑制效果可达到12d B以上。3、利用硬件描述语言(VHDL/Verilog)完成了读写器基带信号处理数字电路的设计与实现,制定了信号处理各模块的设计方案,同时给出了相应的参数,并对关键电路进行了行为仿真。4、利用基于XC7Z020芯片的基带电路板和射频前端电路板搭建测试平台,完成了频分复用UHF RFID读写器基带信号处理性能测试,可完成基带信号发送以及四信道信号的接收,且谐波干扰抑制效果可达到10 d B以上。

关键词： Radio frequency identification (RFID)  

摘要： Currently, the inspection and verification of vehicle-related information are done by police inspectors using camera-based systems or manually. Though integrating video technology is more advantageous than manual operation, they do not perform accurately due to bad weather or driving styles. This paper presents the design of a compact, durable, battery-free, UHF RFID tag with enough memory to carry necessary information for automatic identification of traffic law enforcement applications. The vehicle owner can also be alerted when the tag is detected due to the visual indication facility. This tag’s novel feature includes adapting a modified T-match structure to match the highly capacitive impedance of the chosen RFID sensor chip, i.e., Farsens Rocky100. In contrast to existing designs, the proposed tag contains no extra lumped components that necessitate an external impedance matching circuit. Instead, the input impedance was matched using an advanced T-match topology and by optimizing the antenna’s geometrical features. Simulations were done in Ansys HFSS (High-Frequency Structure Simulator) whereas the dimensions of all the printed elements were fine-tuned using parametric optimization. The tag was fabricated on a low-cost FR4 substrate and measured. The tag with an overall size of 110 × 25 × 2.4 mm3 can be detected by a conventional UHF RFID reader within a range of about 0.2 m–1 m. Due to the loop configuration, the tag exhibits a confined detection range while operating well within short ranges. © 2023, Electromagnetics Academy. All rights reserved.