空間站物資標(biāo)簽高可靠性編碼方案

許成鑫，魏傳鋒，李學(xué)東

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

國際空間站物資具有種類多、數(shù)量大和信息量大的特點(diǎn)[1]。為了提高航天員的工作效率，國際空間站上采用了射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)進(jìn)行物資管理[2]。作為RFID技術(shù)的重要組成部分之一，物資電子標(biāo)簽中存儲了物資的身份信息，只有保證此部分信息的正確性，才能夠保障RFID系統(tǒng)正常運(yùn)行。目前，關(guān)于提高電子標(biāo)簽中信息在傳輸過程中的可靠性的研究已經(jīng)取得了一些成果[3-7]，在EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，電子標(biāo)簽中信息要有16位的循環(huán)冗余校驗(yàn)[3]。

國際空間站對物資電子標(biāo)簽中信息的可靠性要求遠(yuǎn)高于商用RFID系統(tǒng)的要求，而目前文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)的研究成果均集中于對已有信息源的可靠性進(jìn)行增強(qiáng)，而沒有從信息源本身出發(fā)，通過改進(jìn)編碼方案來增強(qiáng)電子標(biāo)簽信息的可靠性。另一方面，隨著存儲技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)簽中存儲空間的不斷增加，增強(qiáng)電子標(biāo)簽可靠性的方法一般都考慮增加所存儲的物資身份信息種類，但是由于物資身份信息種類有限，并且標(biāo)簽中存儲的信息過多或者存儲一些物資說明信息而非物資直接身份標(biāo)識信息，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時間延長和功耗增加。

本文結(jié)合空間站物資管理需求和EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種增強(qiáng)空間站物資電子標(biāo)簽信息可靠性的編碼方案，在電子標(biāo)簽具有相同存儲空間的情況下，利用部分存儲空間存儲物資基本信息，然后對這部分信息進(jìn)行糾錯編碼。并通過理論分析和數(shù)值仿真對新方案和傳統(tǒng)方案的可靠性進(jìn)行了比較。

1 RFID技術(shù)及糾錯碼基礎(chǔ)

1.1 RFID技術(shù)基礎(chǔ)

RFID系統(tǒng)一般由讀寫器、電子標(biāo)簽以及天線組成（如圖1所示）。RFID讀寫器接收到RFID電子標(biāo)簽的信息并解碼后即可獲得物資基本身份信息，然后將該信息送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得物資更加詳細(xì)的信息，最終實(shí)現(xiàn)物資識別和管理。

圖1 RFID系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of RFID system

圖2展示了普通的RFID電子標(biāo)簽樣式，其中僅包含物資代號；條形碼和電子標(biāo)簽中的信息相同并互為備份，當(dāng)電子標(biāo)簽中的內(nèi)容無法正確解讀時，操作人員通過手動輸入條形碼中的內(nèi)容即可獲得物資的信息。此種標(biāo)簽雖然可以降低對電子標(biāo)簽存儲容量的要求，但是可靠性不高，標(biāo)簽中的物資身份信息不具備任何自我糾錯能力。當(dāng)標(biāo)簽信息傳輸錯誤或者硬件損壞導(dǎo)致標(biāo)簽內(nèi)容無法解讀時，該標(biāo)簽將無法正常工作，從而降低系統(tǒng)工作效率，增加了管理人員的時間開銷。目前，國際空間站所使用的RFID標(biāo)簽與此形式類似[2]。

圖2 RFID標(biāo)簽示例Fig. 2 Example of RFID tag

1.2 糾錯碼基礎(chǔ)

差錯控制編碼按照功能用途可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼。這3類碼之間沒有明顯區(qū)分，任何一類碼，按照譯碼方法不同，均可作為檢錯碼、糾錯碼或糾刪碼來使用[8]。

按對信息元處理方法的不同，通常將差錯控制編碼分為分組碼與非分組形式的碼。本文將以分組碼為例，進(jìn)行編碼可靠性的設(shè)計(jì)和分析。分組碼是把信源輸出的信息序列以k個碼元劃分為一段，通過編碼器把這k個信息元按一定規(guī)則產(chǎn)生r個校驗(yàn)（監(jiān)督）元，輸出長為n=k+r的一個碼組。分組碼用(n,k)表示，n表示碼長。在一種分組碼中，任意兩個碼組之間的距離最小值稱為該分組碼的最小距離，記為d。分組碼最小距離與糾錯能力具有如下關(guān)系。

1）定理1：任一(n,k)分組碼，若要在碼組內(nèi)[8]，

①檢測q個隨機(jī)錯誤，則要求d≥q+1；

②糾正t個隨機(jī)錯誤，則要求d≥2t+1。

2）定理2：二進(jìn)制(n,k)分組碼滿足關(guān)系[7]

二進(jìn)制對稱信道（Binary Symmetric Channel,BSC）經(jīng)常用于糾錯碼簡化分析，其信道模型如圖3所示，圖中e為翻轉(zhuǎn)概率，即碼元受到噪聲等因素影響出現(xiàn)錯誤的概率。

圖3 二進(jìn)制對稱信道模型Fig. 3 Model of binary symmetric channel

2 新方案可靠性分析

2.1 方案簡介

原始電子標(biāo)簽的編碼方案是：在電子標(biāo)簽可用的存儲空間范圍內(nèi)，存儲物資的兩項(xiàng)或者多項(xiàng)唯一性標(biāo)識信息，例如物資的代號和物資名稱等。讀寫器讀取標(biāo)簽中的存儲信息后，首先分析其中一項(xiàng)物資標(biāo)識信息，例如物資的代號，如果能夠在數(shù)據(jù)庫中準(zhǔn)確定位物資，則停止分析其他數(shù)據(jù)；如果第一項(xiàng)標(biāo)識數(shù)據(jù)受損，無法用于識別物資，則再分析第二項(xiàng)標(biāo)識；依此類推，對電子標(biāo)簽中的物資標(biāo)識信息逐項(xiàng)進(jìn)行讀取，直至可以識別物資；如果所有標(biāo)識信息都無法確認(rèn)物資身份，則判定標(biāo)簽失效，采用其他方式進(jìn)行物資信息確認(rèn)。

與原始方案相比，新方案的不同之處在于減少了部分物資標(biāo)識信息，空余出部分存儲空間對每一項(xiàng)物資的標(biāo)識信息進(jìn)行糾錯編碼，然后用剩余的空間存儲校驗(yàn)信息。讀寫器讀取標(biāo)簽中存儲的信息后，首先進(jìn)行糾錯解碼，獲得物資的標(biāo)識信息，如果能夠在數(shù)據(jù)庫中準(zhǔn)確定位物資，則停止分析其他數(shù)據(jù)；如果解碼錯誤，無法用于識別物資，則分析物資第二項(xiàng)標(biāo)識；依此類推，對電子標(biāo)簽中的物資標(biāo)識信息逐項(xiàng)進(jìn)行讀取和糾錯，直至可以識別物資；如果所有標(biāo)識信息都無法確認(rèn)物資身份，則判定標(biāo)簽失效，采用其他方式進(jìn)行物資信息確認(rèn)。

兩種方案在標(biāo)簽中存儲的信息結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電子標(biāo)簽原始方案和新方案的信息結(jié)構(gòu)Fig. 4 Information structure of initial code scheme and new code scheme of electric labels

2.2 方案可靠性理論分析

為了簡化分析過程，同時又不失代表性，本文假設(shè)原始方案中存儲兩項(xiàng)物資標(biāo)識信息，新方案中存儲一項(xiàng)經(jīng)過糾錯編碼的物資標(biāo)識信息；采用BSC

其中：

因?yàn)樵趯?shí)際RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，通過控制手持讀寫設(shè)備與標(biāo)簽的距離以及增加發(fā)射功率，可以保證e足夠小；同時，由于受到RFID存儲芯片的限制并考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜度，RFID系統(tǒng)標(biāo)簽的存儲空間一般不會太大，標(biāo)簽中信息的數(shù)量不會很多。基于上述分析，可以令Me?1，當(dāng)e足夠小時，可以得到

因此

當(dāng)t=0時，

此時，新方案與原始方案原理相同，而新方案僅有一項(xiàng)物資身份標(biāo)識信息，故原始方案的性能要優(yōu)于新方案的性能。

當(dāng)t=1時，

因?yàn)椋?/p>

當(dāng)t≥2時，

因?yàn)椋琺1和m2均為大于0的整數(shù)，所以P1的最小值為

由上述分析可知，在存儲空間相同的條件下，采用合適的糾錯碼，滿足條件t＞logMe e2-1時，新方案的可靠性要優(yōu)于原始方案。上述分析過程可以進(jìn)行擴(kuò)展，用于分析在電子標(biāo)簽中存儲多項(xiàng)物資標(biāo)識信息的情況。

3 方案可靠性仿真比較

本節(jié)通過數(shù)值仿真的形式，對原始方案和新方案的性能進(jìn)行比較，同時對理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

下面分析當(dāng)e固定、t變化時，兩種方案的性能。仿真過程中令e=0.001，M=100，則Me=0.1＜1，m1=50，按照定理 2，d≤50，則t＜24，即當(dāng)碼長為100 bit，信息位為50 bit時，存在能夠糾正不少于24 bit的糾錯碼，從而確保了新方案的切實(shí)可行。按照上述理論分析，當(dāng)t＞6時，新方案的性能要優(yōu)于原始方案的性能。圖5給出了隨著t的變化，原始方案和新方案實(shí)際無法識別概率和分析得到的近似數(shù)值。由圖5可以看出，原始方案的實(shí)際值與近似值幾乎重合，新方案的實(shí)際值小于近似值，與分析結(jié)果吻合。仿真結(jié)果表明，原始方案的無法識別概率為10-3量級，而新方案當(dāng)t=6時的無法識別概率為10-5量級。因此當(dāng)t＞6時，新方案的性能優(yōu)于原始方案的性能，與理論分析相吻合。按照實(shí)際無法識別概率比較，當(dāng)t=3時，新方案的無法識別概率已經(jīng)低于原始方案。說明，在上述仿真條件下，選用滿足條件的糾錯碼，新方案的可靠性要高于原始方案。

圖5 原始方案和新方案的無法識別概率Fig. 5 Probabilities of identification failure of initial scheme and new scheme

基于上述仿真條件，假設(shè)航天員在軌共需要掃描105次標(biāo)簽，每次掃描標(biāo)簽操作，從準(zhǔn)備到數(shù)據(jù)確認(rèn)無法讀取的時間為30 s，同時令t=6，按照概率計(jì)算，則原始方案需要重新掃描約100次，而新方案只需要重新掃描約 1次，比原始方案少掃描99次，共節(jié)省工作時間約 50 min。而國際空間站在軌運(yùn)行時間久，每次上行補(bǔ)給物資數(shù)量數(shù)以千計(jì)，再加上在軌物資的定期盤點(diǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)等工作，航天員需要掃描標(biāo)簽的次數(shù)將超出假設(shè)次數(shù)；同時，在軌操作難度大還將導(dǎo)致航天員完成一次標(biāo)簽掃描操作花費(fèi)的時間延長。因此，新方案與原始方案相比將大大節(jié)省航天員在軌物資管理時間，同時減少設(shè)備損耗和功率消耗。

4 結(jié)束語

本文研究了RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的編碼形式，提出一種適用于空間站物資管理的新編碼方式。該方案對物資基本信息進(jìn)行糾錯編碼，以系統(tǒng)復(fù)雜度小幅增加為代價，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽信息可靠性的較大提高，降低了因?yàn)闃?biāo)簽失效而使航天員無法正常管理物資的概率，從而節(jié)省了物資管理的時間。另外，標(biāo)簽信息可靠性增強(qiáng)后，也可以減少多次讀取標(biāo)簽信息所導(dǎo)致的功率損耗，從而節(jié)省能源。理論分析與仿真結(jié)果吻合，證明了該方案能夠降低無法識別概率，提高系統(tǒng)可靠性。

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