◾️项目来源
国家自然科学基金青年科学基金项目。
◾️项目简介
异常检测作为RFID技术最重要的应用之一，有效解决了如何监测高经济价值物品、危险品以及军用物资等需要全流程监测的问题。随着感知维度的提升，多标记物联网的出现使得传统检测方法已无法满足高时效、高精度、高可靠的检测需求。为此，本项目针对已有方法存在激增的标签规模与扩展性较低的接入机制之间的矛盾，以及检测区域内调度接入依赖于完备节点-信道信息与实际非完美节点-信道信息之间的矛盾，研究和设计基于RFID的多标记无源物联网异常检测理论和方法。
◾️研究内容
RFID标签的调度接入是保证实现高时效、高精度、高可靠检测的关键所在，而调度接入的性能高度依赖节点-信道信息的完备性。然而，传统异常检测方法是基于单标记场景模型设计，接入机制扩展性低；其次，在多标记物联网场景下，未知物品产生的干扰比单标记场景下更大，而传统异常检测方法干扰抑制能力有限；另外，传统异常检测方法忽略了传输信道动态变化，无法应对动态变化下检测性能衰退。综上所述，传统异常检测方法在多标记物联网场景下存在不适配的问题。因此，本项目重点解决由调度接入方式、系统信息和通信环境引起的检测性能下降问题，保证高时效、高精度、高可靠检测的实现。
本项目聚焦于RFID系统中节点信息以及通信环境的完美程度，具体分为完备先验知识和部分先验知识两种情况以及理想信道和非理想信道两种通信环境分别进行研究。首先，在理想信道下刻画了多标记物联网场景下检测问题的数学模型；随后从完备节点信息与部分节点信息两个维度分别研究和设计了检测方法；然后从联合读取器计算复杂度与传输时间开支的角度进一步挖掘检测时效性提升空间，设计了联合计算通信的异常检测方法；最终，研究了非理想信道的检测问题，旨在提升检测的实用性和可靠性。
针对上述研究路线，课题开展以下主要研究内容：
研究内容1：完备先验知识下多标记异常检测方法。
在完备先验知识条件下，本项目考虑全体标签参与接入和部分标签参与接入两种策略。针对第一种策略，由全体标签构成标签全集，建立全集标签与接入时隙的映射关系，以此调度标签接入网络。针对第二种策略，从每个物品上选择一个标签作为检测代表构成了标签子集，再调度子集标签接入网络。
研究内容2：部分先验知识下多标记异常检测方法。
部分先验知识意味着检测区域内存在读取器未知的标签，未知标签同样会响应读取器指令，使得完备先验知识下的检测方法不适用，会改变原有时隙状态，影响检测区域内异常检测的可靠性。本项目利用构建布隆滤波仅需已知标签映射结果的特点，利用子集标签的哈希映射构建布隆滤波器，一方面标记出子集标签，参与后续调度，另一方面还可滤除未知标签，不参与后续调度。
研究内容3：联合计算通信的多标记异常识别方法。
识别不同于检测的仅需按一定概率判断有无异常发生，它需要指出所有发生异常的物品，因此执行时间更长，对时效性的需求更大。然而现有的识别方法仅从传输的角度优化了时效性，忽略了读取器的计算能力，时效性还有进一步提升的空间。因此，本项目扩大了优化范围，从联合计算通信的角度提升识别的时效性。具体而言，根据哈希函数特性，通过合适的哈希种子，使得子集标签和非子集标签通过各自的哈希函数值实现区分，同时也保证子集标签独享接入时隙。
研究内容4：非理想信道下异常检测和识别方法。
信道非理想特性使得无线信号衰减幅度和噪声强度动态变化，以至于接收到的时隙内信号和发送信号表示的比特信息不一致，会降低检测的准确性和识别的可靠性。因此需要进行信道估计，表征当前的信道状态，以便于对检测方法进行优化，满足检测准确性需求，并评估识别的可靠度。然而，RFID标签无法主动感知信道状态，无法像有源标签一样主动发送信号实现对信道的估计。
◾️研究方法
图1展示了本项目研究内容之间的关联：研究内容1首先在完备先验知识条件下建立了多标签标记的异常检测数学模型，以优化接入规模为出发点，提出了全体标签参与接入和部分标签参与接入两种策略，并设计了具体的检测方法；研究内容2基于研究内容1的设计思路，研究了部分先验知识条件下的异常检测方法；研究内容3针对多标签标记的异常识别问题，进一步挖掘RFID网络算力，从仅考虑计算开支的一维设计提升至结合计算开支和通信开支两个维度，研究了联合计算通信的异常识别方法；研究内容4是基于前三项研究内容的泛化形式，研究了非理想信道下异常检测和识别方法。
◾️创新点
本项目核心特色在于为“多标记物联网”的异常检测赋予了“高时效、高精度、高可靠”的能力。面向未来多维感知的需求，现有异常检测技术的低扩展性制约着应用的推广。本项目考虑自顶而下的研究思路，首先提炼出节点接入扩展性、节点信息完备性、信道状况这三个影响多标记物联网检测性能的因素；针对这些因素，研究了理想信道下完备/部分先验知识下的多标记物联网异常检测，并提出了联合计算通信的高效异常检测方法，将优化空间推进至两个维度，随后探究了非理想信道下的异常检测方法，最终提升多标记物联网异常检测适配传输环境的能力。
本项目研究了一种基于RFID应用的泛化异常检测场景，研究立意新、方法新，学术界以及产业界与本课题直接相关的现有研究较少。
◾️预期效益
针对多标记物联网场景下的异常检测问题，提出基于RFID的多标记无源物联网场景下的异常检测方法，填补了该领域的空白，将赋能RFID技术更可靠更广泛的应用，同时促进了物联网技术的发展和进步，为实现强适配、绿色低碳接入贡献了新思路。