物联网超高频速率自适应技术指南

1物联网超高频速率自适应技术指南本文件给出了物联网环境下速率自适应技术的流程和构建速率映射关系、激活自适应触发器、预测有效节点速率、选择系统最优速率的技术指南。本文件适用于物联网环境下超高频反向散射通信类设备的速率自适应技术。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T29261.3-2012信息技术自动识别和数据采集技术词汇第3部分：射频识别3术语和定义GB/T29261.3-2012界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1反向散射通信反向散射标签调制相同载波频率的响应信号来响应读写器信号或电磁场的信息传输过程。3.2反向散射标签用于物体、物品标识或感知信息的获取，具有信息存储功能、能接收读写器的电磁场调制信号，并返回响应信号的数据载体。[GB/T29261.3-2012，定义05.04.01，有修改]3.3读写器一种用于从反向散射标签获取数据和向反向散射标签写入数据的电子设备。3.4下行链路从读写器到反向散射标签的通信信道。3.5上行链路从反向散射标签到读写器的通信信道。3.6有效节点状态改变（周围产生干扰或反向散射标签发生移动）的反向散射标签。3.7丢包率数据传输过程中丢失的数据包数量与发送的数据包总数之间的比率。23.8反向散射相位读写器接收到反向散射标签信号时，该信号在其周期内的位置。3.9随机森林利用多个决策树对样本进行训练并预测的一种分类器，主要用于速率自适应的模式预测和分类。3.10聚类算法将读写器接收到的信号根据特征相似性进行分组的方法，用于信道状态评估。3.11触发器特定事件发生时自动执行单节点速率优化流程的机制，用于减少速率自适应技术的算法复杂度。3.12同相与正交域信号处理和通信中使用的一个复数平面。3.13接收信号强度指示无线电信号强度的指标，用于表示读写器接收到的反向散射标签响应信号的强弱。4符号和缩略语下列符号和缩略语适用于本文件。IQ域：同相与正交域（In-phaseandQuadratureDomain）RSSI：接收信号强度指示（ReceivedSignalStrengthIndication）CGD：簇聚集度（ClusterGroupingDegree）5速率自适应技术流程超高频反向散射通信过程中的速率自适应技术流程主要包括构建速率映射关系、激活自适应触发器、预测有效节点速率、选择系统最优速率4个阶段，具体流程如图1所示。图1速率自适应技术流程36构建速率映射关系将超高频反向散射通信系统部署在目标环境，使用如下步骤进行速率映射：1）使用控制变量法对常见的环境干扰如标签移动、行人走动、金属遮挡、同频信号干扰等因素进行模拟，改变上行链路速率，记录不同速率模式下的系统接收到丢包率和RSSI下，构建实验数据集；2）确定不同丢包率和RSSI下的最优速率模式，以5种速率模式为例构建如图2所示的速率映射关系。图2速率映射关系7激活自适应触发器使用下述步骤判定是否激活自适应触发器：1）将连续读写器接收到的n个信号其转化为IQ域数据，使用聚类算法将IQ域数据分为L个簇，确定其中一个簇的中心点为M；2）在IQ域上找出同一个簇中距离M点最远的点N，设其距离为d，形成以M为中心、以d为半径的圆；3）设置分级数D（一般取3，可依据环境恶劣程度进行调整），以D=3为，以M为圆心、以r1、r2、r3为半径画圆，如图3所示。其中，r3=d，r1=r2−r1=r3−r2；4）使用式（1）计算CGD式中：xi=Ni−Ni−1maxNi，在IQ域中半径为ri的圆内包含的数据点个数为Nii=1,2,⋯,D，N0=0，D为分级数；---------------5）重复上述步骤计算所有簇的CGD值，计算其均值为CGD。若CGD≤0.7或CGD≥0.85，则激活自---------------48预测有效节点速率θn，计算其均值μn和方差σn，并依据大数定理构建高斯模型n(μn,σn)；2）记该反向散射标签第n+1个相位值为θn+1，若θn+1−μn>ξ即时，则该反向散射标签为有效节点。其中ξ是用户定义的参数，来描述相位与模型的匹配程度；3）读写器每次接收到新的相位值θn+1，都需要对高斯模型进行更新，其更新公式如式（2）式中：α为学习速率，当节点有效时α的最佳值是0.002，否则其值为0.001，μn+1和方差σn+1分别是更新后高斯模型的参数，更新后的高斯模型为n(μn+1,σn+1)；4）实时接收每个有效节点的RSSI和丢包率，为每个节点设计一个随机森林决策树作为子分类器；5）将当前信道指标输入决策树，使用图2中的映射关系预测出适合下个周期传输的最优速率模式；6）将当前指标加入到下一次预测的随机森林训练集中，以保证随机森林训练模型的及时性。9选择系统最优速率对于存在me个有效节点的系统，随机森林预测出的最优速率并不完全相同。当预测的各个节点最优速率不一致时，使用如下步骤选择速率模式，以最大化系统的整体速率：1）将速率模式按照Mode0、Mode1、Mode2、Mode3、Mode4进行排序，按照式（3）计算第i种