RFID 系統(tǒng)中多讀寫器抗干擾探究

姚嘉鑫

（四川旅游學(xué)院,成都,610100）

0 引言

RFID 系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，但是無論在那種場(chǎng)景下都可能存在多個(gè)識(shí)別標(biāo)簽，需要多個(gè)讀寫器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行掃描和識(shí)別。當(dāng)環(huán)境中的讀寫器數(shù)量較多時(shí)，受無線信道環(huán)境和其他因素限制，不可避免的會(huì)出現(xiàn)干擾問題。如何避免RFID 系統(tǒng)中的干擾，增強(qiáng)RFID 系統(tǒng)的可靠性是多讀寫器應(yīng)用環(huán)境下RFID 系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一。

1 RFID 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的發(fā)展RFID 系統(tǒng)的生產(chǎn)和部署成本得到了降低，而應(yīng)用性能則顯著提升，因而RFID 系統(tǒng)被廣發(fā)應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化以及其他運(yùn)輸與控制管理領(lǐng)域中。目前，RFID的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用功能主要集中在電子物品監(jiān)視、物流控制、定位等領(lǐng)域。

2 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

完整的RFID 系統(tǒng)包含三部分內(nèi)容，分別為用于存儲(chǔ)目標(biāo)對(duì)象相關(guān)信息的識(shí)別標(biāo)簽Tag、用于對(duì)識(shí)別標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫與識(shí)別的讀寫器Reader 以及后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如下圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

（1）RFID 標(biāo)簽。識(shí)別標(biāo)簽被放置在目標(biāo)對(duì)象中，可依照一定的存儲(chǔ)方式和存儲(chǔ)要求在標(biāo)簽內(nèi)集成的存儲(chǔ)芯片中格式化存儲(chǔ)目標(biāo)對(duì)象的相關(guān)信息。標(biāo)簽使用類似于條碼技術(shù)的條碼符號(hào)進(jìn)行信息存儲(chǔ)與信號(hào)收發(fā)。一個(gè)完整的識(shí)別標(biāo)簽由射頻收發(fā)天線和微芯片構(gòu)成。其中射頻收發(fā)天線主要用于進(jìn)行無線通信，而微芯片則集成了編碼、調(diào)制、控制、存儲(chǔ)等功能，能夠依照預(yù)定的格式對(duì)目標(biāo)對(duì)象的唯一識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和存儲(chǔ)。

（2）讀寫器。讀寫器是RFID 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端，主要負(fù)責(zé)對(duì)射頻覆蓋范圍內(nèi)的RFID 標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別和信號(hào)處理。讀寫器會(huì)向其周圍空間發(fā)送射頻信號(hào)，當(dāng)RFID 標(biāo)簽接收到該信號(hào)時(shí)會(huì)被激活，之后讀寫器收發(fā)RFID 標(biāo)簽發(fā)送的相關(guān)信息即可完成對(duì)目標(biāo)對(duì)象的讀寫操作。

（3）后端數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。完備的RFID 系統(tǒng)需要強(qiáng)大的后端數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供相關(guān)的管理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。通過該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、高效地完成RFID 標(biāo)簽的數(shù)據(jù)更新、位置與進(jìn)度查詢以及相關(guān)信息的處理等功能。閱讀器與后端數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)間的協(xié)同合作使得整個(gè)RFID 系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別和便捷化管理。

2.2 RFID 系統(tǒng)工作原理

以被動(dòng)式RFID 標(biāo)簽為例，該標(biāo)簽首先會(huì)依照目標(biāo)對(duì)象的特點(diǎn)進(jìn)行格式化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后被放置在目標(biāo)對(duì)象中，將目標(biāo)對(duì)象接入RFID 系統(tǒng)。當(dāng)需要對(duì)該目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行操作時(shí)，使用相應(yīng)的讀寫器向RFID 標(biāo)簽發(fā)送射頻信號(hào)，該信號(hào)被標(biāo)簽的接收天線接收后會(huì)在標(biāo)簽內(nèi)部生成感應(yīng)電流，激活標(biāo)簽，使其進(jìn)入到工作狀態(tài)。工作狀態(tài)中下的RFID 標(biāo)簽會(huì)向激活其工作的讀寫器發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，該相應(yīng)信號(hào)中包含目標(biāo)對(duì)象的相關(guān)信息，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)、解碼和數(shù)據(jù)提取等功能，即可進(jìn)行下一步的后端數(shù)據(jù)處理操作。

3 多讀寫器環(huán)境下的抗干擾方案設(shè)計(jì)原則

增強(qiáng)多讀寫器環(huán)境下RFID 系統(tǒng)的抗干擾性主要是對(duì)RFID網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，使得系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。

3.1 RFID 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性

RFID 系統(tǒng)具有非常明顯的非對(duì)稱性、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜性和易沖突性等特點(diǎn)。非對(duì)稱性是指RFID 標(biāo)簽的功能相對(duì)單一，不能對(duì)系統(tǒng)環(huán)境中的其他通信行為進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而無法采用移動(dòng)通信中的上行信號(hào)假設(shè)理論，故其通信結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱性；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜性是指RFID 系統(tǒng)中存在多種物體和射頻信號(hào)，這會(huì)使得RFID標(biāo)簽與讀寫器在進(jìn)行通信時(shí)不可避免的會(huì)出現(xiàn)多徑衰減、信號(hào)干擾等現(xiàn)象；易沖突性是指系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)數(shù)量非常多，容易導(dǎo)致識(shí)別失敗等問題。

3.2 RFID 系統(tǒng)在多讀寫器環(huán)境下的干擾分類

對(duì)系統(tǒng)干擾進(jìn)行分類可將其分為讀寫器與讀寫器之間的射頻干擾和讀寫器與識(shí)別標(biāo)簽間的相互干擾。

在讀寫器與讀寫器之間的射頻干擾方面，當(dāng)一個(gè)讀寫器A 進(jìn)入到另一個(gè)讀寫器B 的射頻讀寫范圍時(shí)，其所發(fā)射的射頻信號(hào)會(huì)被讀寫器B 接收，還會(huì)對(duì)讀寫器B 所讀寫的標(biāo)簽反射信號(hào)造成干擾。

在讀寫器與識(shí)別標(biāo)簽之間的射頻干擾方面，若某一識(shí)別標(biāo)簽同時(shí)處于兩個(gè)或多個(gè)讀寫器射頻讀寫范圍時(shí)，同時(shí)讀寫操作很容易會(huì)對(duì)識(shí)別標(biāo)簽的射頻信號(hào)產(chǎn)生干擾，使該射頻信號(hào)出現(xiàn)衰減或失真等，致使讀寫器無法正確讀寫該識(shí)別標(biāo)簽。

3.3 覆蓋原則

基于力學(xué)的覆蓋原則主要依靠節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)系統(tǒng)模型下的虛擬吸引力和排斥力，依照力學(xué)中吸引力和排斥力的特性不斷調(diào)整節(jié)點(diǎn)的位置即可達(dá)到最佳的網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀態(tài)。

基于網(wǎng)格的覆蓋原則是指將RFID 系統(tǒng)覆蓋區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，以每一個(gè)讀寫器的覆蓋范圍為基礎(chǔ)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋率進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整重疊區(qū)域的大小，實(shí)現(xiàn)最小干擾的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

基于計(jì)算機(jī)幾何的覆蓋原則是使用不同形狀的多邊形對(duì)RFID 系統(tǒng)覆蓋區(qū)域進(jìn)行劃分，分別計(jì)算不同劃分結(jié)構(gòu)下RFID 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)覆蓋效果，直至保證整個(gè)系統(tǒng)區(qū)域被覆蓋。

4 多讀寫器環(huán)境下的抗干擾方案

傳統(tǒng)信號(hào)間的相互干擾需要使用多種編碼復(fù)用技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用等，但是在RFID 系統(tǒng)中應(yīng)用這些復(fù)用技術(shù)時(shí)不僅會(huì)極大的增加系統(tǒng)成本，還會(huì)為標(biāo)簽中的電路實(shí)現(xiàn)提出更為苛刻的要求，如碼分復(fù)用方式會(huì)隨著RFID 標(biāo)簽數(shù)量的增加而增加識(shí)別碼的使用；頻分復(fù)用方式會(huì)隨著RFID 標(biāo)簽數(shù)量的增加而使用更多的無線信道。

為提升多讀寫器環(huán)境下的RFID 系統(tǒng)抗干擾性能，可以采用如下協(xié)同工作或系統(tǒng)解決方案。

4.1 Listen before talk 技術(shù)

Listen before talk 技術(shù)，即通信前偵聽技術(shù)，是由RFID系統(tǒng)歐標(biāo)制定組織ETSI 所提出的多讀寫器協(xié)同工作方法，其實(shí)現(xiàn)原理與以太網(wǎng)中的SCMA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理非常相似。具體的，當(dāng)多讀寫器環(huán)境中的某一個(gè)讀寫器需要與其射頻覆蓋范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽進(jìn)行通信時(shí)會(huì)首先對(duì)其無線空間內(nèi)的信道環(huán)境進(jìn)行查詢，確認(rèn)該信道是否處于空閑狀態(tài)，若信道處于空閑狀態(tài)，則認(rèn)為信道可用，該讀寫器可以使用該空閑信道進(jìn)行射頻信號(hào)收發(fā)；若信道處于使用狀態(tài)，則認(rèn)為信道不可用，該讀寫器進(jìn)入等待狀態(tài)，同時(shí)對(duì)信道環(huán)境進(jìn)行繼續(xù)查詢。

顯然，該技術(shù)可有效防止多讀寫器同時(shí)使用同一信道時(shí)所出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象發(fā)生，但是其并沒有提出有效的解決方案來消除讀寫器對(duì)RFID 標(biāo)簽的干擾，因?yàn)槟承┣闆r下信道處于空閑狀態(tài)時(shí)也有可能存在隱藏終端。

4.2 分時(shí)抗干擾解決技術(shù)

針對(duì)讀寫器與標(biāo)簽間的抗干擾實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用時(shí)分復(fù)用技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善。使用該技術(shù)可以獲得較好的抗干擾效果，且抗干擾實(shí)現(xiàn)更為靈活，應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛。

讀寫器與RFID 標(biāo)簽間的相互干擾主要是多個(gè)讀寫器射頻覆蓋范圍相互重疊，同時(shí)對(duì)RFID 標(biāo)簽進(jìn)行讀寫所引起的。在該特征情況下，若能夠?qū)FID 系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，標(biāo)注出其中各讀寫器在空間范圍內(nèi)的位置分布，并對(duì)它們進(jìn)行分組規(guī)劃，然后再使用分時(shí)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行通信，則能夠有效避免讀寫器與RFID 標(biāo)簽間出現(xiàn)干擾問題。

具體地，在讀寫器對(duì)RFID 標(biāo)簽干擾消除方面，對(duì)讀寫器定位完畢后計(jì)算相鄰讀寫器之間的距離，若兩者之間的距離小于讀寫半徑之和，即兩者存在射頻重疊區(qū)域，則將這兩個(gè)讀寫器進(jìn)行分時(shí)處理，讓他們共享同一信道，進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。經(jīng)過上述處理過程可以將RFID 系統(tǒng)區(qū)域范圍內(nèi)的所有讀寫器分為若干個(gè)組，每一組均具有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的時(shí)隙，小組內(nèi)的讀寫器均使用該時(shí)隙進(jìn)行射頻收發(fā)。這樣即可有效避免同組中讀寫器對(duì)RFID 標(biāo)簽的干擾問題。需要注意的是，分組的選取原則應(yīng)該是盡量保證每一組讀寫器在區(qū)域范圍內(nèi)的均勻分布和等數(shù)量分布，這樣可以提升系統(tǒng)工作效率。

4.3 應(yīng)用實(shí)例

假設(shè)一個(gè)規(guī)則的矩形空間，其平面尺寸為 平方米，其中總共部署了40 個(gè)讀寫器，相鄰讀寫器間的距離為4 米，讀寫器的射頻覆蓋范圍為2.5 米，該條件下讀寫器可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的覆蓋。但是不可避免的會(huì)出現(xiàn)射頻覆蓋范圍重疊等問題，若不對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，則必然會(huì)出現(xiàn)干擾問題。此時(shí)將所有讀寫器分為兩組，任一讀寫器與和其相鄰的讀寫器不同組，這樣相鄰讀寫器之間的最小距離由4 米變?yōu)榱?.656 米，此時(shí)為每組讀寫器分配不同的工作時(shí)隙即可避免讀寫器對(duì)標(biāo)簽產(chǎn)生干擾，其分組拓?fù)鋱D如圖2 所示。

5 總結(jié)

RFID 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低，應(yīng)用場(chǎng)景豐富，可充分應(yīng)用無線射頻技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)提升識(shí)別速度和數(shù)據(jù)傳輸速度，是條形碼技術(shù)的替代技術(shù)之一，在未來社會(huì)發(fā)展中必然會(huì)得到廣泛、重點(diǎn)的關(guān)注與應(yīng)用。但是當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)復(fù)雜時(shí)不可避免的會(huì)出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象。研究多讀寫器環(huán)境下的RFID 系統(tǒng)特性，對(duì)讀寫器的放置位置進(jìn)行合理部署，降低系統(tǒng)各讀寫器和RFID 標(biāo)簽間的相互干擾對(duì)提升系統(tǒng)性能，促進(jìn)RFID 系統(tǒng)應(yīng)用具有重要意義。

圖2 讀寫器分組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

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