RFID 系統讀寫器與標簽不對稱連接策略創新研究

魏紹蓉，王曉青，金沂，王璐

0 引言

物聯網是結合網絡技術、傳感技術、數據庫技術、中間件等技術，以RFID 系統為基礎，由大量聯網的讀寫器和移動標簽構成一個比因特網更為龐大的網絡[1]。在物聯網中，系統可以自動地、實時地對物體進行識別、定位、追蹤、監控并觸發相應事件。目前，物聯網設計仍然面臨最重要的3個方面的挑戰:(1)如何將低成本、低復雜度的小型智能設備植入物品;(2)如何利用強大的傳感功能和高速傳輸功能從物理世界自動、快速地產生和獲取數據;(3)如何利用網絡服務和數據挖掘技術把底層的原始數據轉化為內容豐富的高層信息。而面對這3 個挑戰，最關鍵的問題首先是：讀寫器和標簽之間的良好、快速、完整的通信。

1 讀寫器與標簽連接技術現狀

1.1 標簽技術

RFID 系統中，目前應用的標簽分為3 類。有源主動標簽（Active tags）：體積大、價格貴，因為使用電池，所以壽命相對短，但因為自己發出信號，所以，識別距離長，識別更準確；無源被動標簽(Passive tags)：體積小、價格便宜、壽命長，但由于無源標簽是通過讀取天線發出的電磁波再在標簽內部產生信號傳輸，所以，識別距離比有源標簽短很多；半有源標簽(semi-active tags)：在進入工作狀態之前一直處于休眠狀態，標簽內部電池電量消耗很少，電池可維持幾年，甚至長達10年。當半有源標簽進入讀寫器的讀寫區域時，在讀寫器發出的射頻信號的激勵下進入工作狀態時，讀寫器與標簽之間交換信息的能量以讀寫器供應的射頻能量為主，通常采用反射調制方式。標簽內部電池的能量并不轉換為射頻能量，它的主要作用，在于彌補標簽所處位置的射頻場強不足時的電路的能耗。

通過比較，無源標簽具有成本低、體積小、無需電池、維護方便的特點。所以在物聯網的構建中，廣泛使用了無源RFID 系統。然而，通過使用發現現有的無源RFID 系統的數據率，只是幾百個Kbps (kilobits per second)，并且標簽之間有嚴重的傳輸沖突問題[2]。

1.2 讀寫器與標簽連接的技術

讀寫器與標簽連接的技術，包括前向連接和反向連接。前向連接：讀寫器到標簽的連接，傳輸數據率最高為160Kbps；反向連接：標簽到讀寫器的連接，傳輸數據率最高為640Kbps。目前，在物聯網的無源RFID 系統中，前向和反向連接普遍使用超高頻技術，并且數據速率相差不大。分析物聯網中讀寫器與標簽的連接，可以發現讀寫器與標簽的結構是極其不對稱的，一個讀寫器可能要面對多個標簽，并且無源RFID 系統對讀寫器和標簽間的距離十分敏感，且容易受到多徑效應和多用戶干擾的影響[2][3]，那么對于物聯網中基于讀寫器與標簽的不對稱結構而言，高性能的具有傳感功能的無源RFID 系統的構建十分重要。

1.3 無源RFID 系統的多層次網絡結構

基于無源RFID 系統的網絡結構目前主要由服務器、讀寫器、傳感標簽構成一個3 層網絡。頂層網絡：服務器和讀寫器之間的通信；中層網絡：讀寫器與讀寫器間的通信；底層網絡：讀寫器和標簽之間的通信。在頂層網絡中，服務器是控制中心，可以通過USB、RS-232、以太網等有線連接，也可以通過ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、GSM/GPRS 等無線技術進行連接，調度一個或多個讀寫器組成的讀寫器簇。服務器存儲及處理讀寫器發送來的數據信息，并且服務器作為外部網絡的網關，可以提供網絡服務。在中層網絡中，解決讀寫器間沖突問題及完成有效的協作機制。在底層網絡中，按照無源RFID 標準來解決或減少標簽間的沖突，同時采集和預處理標簽的傳感信息[4]。

2 讀寫器和標簽不對稱連接策略的創新研究

2.1 讀寫器和標簽間存在極不對稱的傳輸數據量

無源RFID 系統中，讀寫器數目要遠遠少于標簽數目。所以，讀寫器到標簽的前向連接與標簽到讀寫器的反向連接具有極不對稱的傳輸數據量。反向連接要求更高的數據速率，而現有的無源RFID 系統在前向和反向連接上都使用超高頻[5]，并且數據速率相差不大，這樣無法滿足這種不對稱的結構所需要的數據速率要求，使得在某些時候對標簽的識別十分困難。同時，讀寫器和標簽在功能、價格、復雜度及在RFID 系統中所需數目上也存在巨大差異。為了更好地適應無源RFID系統中讀寫器和標簽間這種不對稱的結構導致的極不對稱的傳輸數據量的特點，研究讀寫器與標簽之間的不對稱連接方式，具有一定的創新性意義。

2.2 UWB (Ultra-Wideband)超寬帶技術

UWB (Ultra-Wideband)高速短距離超寬帶通信技術[6]，采用納秒(ns)至皮秒(ps)級的窄脈沖進行數據傳輸，大幅度提高傳送速度。UWB 信號并不采用連續的波形，而是使用相對帶寬大于0.2，脈寬一般小于1 ns的窄脈沖來傳輸數據，所以信號的帶寬很大。在有噪聲干擾的環境下，通信系統的信道容量用香農公式表示為：C=Blog2(1+S/N)(C 為信道容量；B 為信號帶寬；S/N 為信噪比)。根據香農公式可以看出當信道容量不變時，信噪比和信號帶寬可以互換，那么在信噪比不變時，信道容量和帶寬成正比，增加帶寬就是增加信道容量，同時減小對信噪比的要求。

窄脈沖通常用高斯多階微分脈沖、多周期脈沖、升余弦脈沖、脈沖串等，而高斯多階微分脈沖更易產生，而且可以通過選擇合適的階數使信號不產生直流分量，并可以較好地向空中輻射能量，所以更為常用。高斯多階微分的數學表達式為公式（1）

窄脈沖可以占用達到幾GHz的帶寬，所以數據傳輸速率可以達到幾百MbPs。因為脈沖只有極短的持續時間，所以UWB 設備可以在高速通信的同時實現很小的發射功率，僅有目前的連續載波系統的幾百分之一。UWB的傳輸距離通常在十米之內，它的傳輸速率可以高達480MbPs，在相同的傳輸距離內，其傳輸速率是藍牙標準的9 倍，是WiFi 標準的18.5 倍，這樣更適合大量的多媒體信息的傳輸。由此得出結論：UWB 具有傳輸速率高、成本低、抗干擾能力強等特性；因為采用非連續性的窄脈沖，UWB 設備還具有發射功率小、耗電量低、定位精確的特性；由于脈沖很短，難以被偵測，所以具有高安全性的特性。通過分析這些特性，那么UWB 技術運用在無源RFID 系統中是再合適不過的了。

UWB 系統常用的脈沖調制方式有二進制移相鍵控BPSK(Binary-Phase-Shift-Keying)、開 關 鍵 控OOK(On-Off-Keying)、脈沖位置調制 PPM(Pulse-Position-Modulation)等。對這幾種調制方式進行比較：BPSK 調制方式的優點是加入高斯白噪聲及衰減信道后誤碼率是最低的，缺點是BPSK 調制方式有最高的電路實現復雜度，而OOK 和PPM 調制方式的電路結構實現較簡單，更適合應用于無源標簽。但是，OOK 調制方式易受多用戶的干擾，并且不具備多址的潛力，這樣就不能完成讀寫器與標簽不對稱連接。PPM 調制方式是利用脈沖出現的位置相對于標準位置的偏移量來表示一個特定符號，而為了可以支持多用戶的同時訪問，通常將PPM 調制方式與時跳TH (Time Hopping)相結合形成TH-PPM 時跳脈沖相位調制，由此可以極大地減少了標簽間的沖突。

2.3 TH-PPM （Time Hopping Pulse Position Modulation）時跳脈沖相位調制

TH-PPM（Time Hopping Pulse Position Modulation）是時跳和脈沖調制相結合的調制方式。TH-PPM 用PN 碼選擇傳輸碼元的時隙，而PN 碼一個周期有2N-1 個跳時，也就是說PN 碼在一個周期內有2N-1 個狀態，那么傳輸一個符號就需要2N-1 個時隙。

TH-PPM 信號為公式（2）：

如果一個二進制信源，在周期為2N-1的PN 碼進行跳時，首先根據PN 碼生成器狀態ci，選擇傳輸PN 碼的時隙空間偏移ciTc；當符號為“0”時，脈沖的位置在時隙內無偏移；當符號為“1”時，脈沖的位置在時隙內偏移為ai△，那么要求ai△＜ciTc(當ci≠0)，脈沖在位空間的總偏移量就為ciTc+ai△。TH-PPM 調制解調系統中每個標簽都采用各自特定的跳時碼，讀寫器只有知道該標簽的跳時碼才能解調信號。所以如果發生標簽沖突現象，只有當新到達讀寫器的標簽信號與讀寫器當前接收的標簽信號跳時碼相同才可能發生，而這種情況出現的概率幾乎為零。由此得出結論：利用TH-PPM 可以顯著減少標簽沖突的概率，并且TH-PPM調制方式電路簡單，成本低、功耗小，非常適用于無源 RFID系統。

經過以上分析驗證，在無源RFID 系統中，前向連接仍然使用現有的超高頻技術，而反向連接使用超寬帶TH-PPM技術。這種不對稱的連接方式有以下幾個優勢：超寬帶THPPM 技術的數據傳輸速率是10Mbps，解決了反向連接數據量大的問題；由于連接結構是不對稱的，前向連接和反向連接不再有頻率干擾問題，并且前向連接與反向連接在時間上部分重疊，同時也避免了讀寫器到讀寫器的干擾，加速了標簽的識別過程；超寬帶TH-PPM 技術不易被偵聽，所以信息的保密性和安全性得以提高；超寬帶TH-PPM 技術還具有毫米級的定位精度。

3 結論

為解決讀寫器和標簽之間的良好、快速、完整的通信問題，對UWB 技術及TH-PPM 調制方式性質進行分析，提出一種適應RFID系統中讀寫器與標簽不對稱結構及不對稱數據傳輸量特點的不對稱的連接技術，即：前向連接依然使用超高頻技術，而反向連接應用超寬帶TH-PPM 技術。由此解決不對稱的結構導致的傳輸數據量不對稱的問題，同時也有效地防止了標簽間及讀寫器間的干擾問題，并加速標簽識別過程，提高了定位精度。這種讀寫器與標簽間的不對稱的連接技術，對物聯網的構建及長遠發展有重要意義。

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