基于近距離無線通信(NFC)系統中數據傳輸技術研究

郭俊俊 江西新明機械有限公司

引言：在科學技術不斷發展的背景下，近距離無線通信系統誕生，使數據傳輸技術得到進一步的優化和創新。其中，防碰撞算法能夠以時隙為單位分發數據包，從而實現防碰撞目標。在本文的研究中，首先對NFC系統的主要結構與編碼技術進行分析，并在位碼優化的基礎上對數據傳輸的防碰撞算法進行研究。

1. NFC系統概述

1.1 主要結構

在NFC系統中，主要結構包括電子標簽、讀寫器、系統高層三部分。其中，電子標簽包括芯片與天線兩個部分，一般在物體上當作目標標識，在標簽的中具有唯一的識別碼，存儲一些特定信息；讀寫器也被稱為發起設備，能夠對電子標簽中的信息進行讀取；系統高層的主要作用在于對數據信息進行實時處理。

在NFC系統中，通過電感耦合的方式對通信雙方射頻信號進行傳輸，該模式中的諧振電路電感耦合能夠完成雙方數據與能量的傳輸。讀寫器中的線圈能夠使其四周充滿磁場，在目標設備通過時，在耦合作用下生成感應電壓，并以其為微型芯片電源展開工作。如若線圈的形狀為圓形，在位置上為水平狀態，則根據電磁感應定量能夠對線圈中的感應電壓進行計算，公式為：

式中，讀寫器線圈的數量為N1，目標設備的圈數為N2，半徑為R1與R2，兩線圈的圓心距為d。

由上述公式能夠看出，感應電壓與線圈的放置位置、大小、結構等具有一定關聯，同時還能夠得出，目標設備中的感應電壓與線圈間的距離存在負相關關系，當二者的距離越遠時，設備中產生的蒲河電壓數值越小；當二者距離越近時，產生的耦合電壓數值越大。因此，在實際工作中，應盡可能的縮短二者間的距離才能夠提高工作質量。

1.2 編碼技術

在NFC系統中應用較為頻繁的編碼類型為改進型Miller編碼與Manchester編碼。其中，前者是在Miller編碼的基礎上優化而成，利用負脈沖的方式使編碼中的各個邊沿被取代，在位周期開始后便開始產生電平交互，便于接收器為節拍的重建，其主要特征為：一是在碼元中間（“1”）或者開始處產生跳變；二是負脈沖的延續時間較短，在數據傳輸過程中能夠確保發起方連續不斷的為目標方提供能量，且較短的負脈沖能夠將能量全部匯集到寬帶當中，使目標設備的接收質量得到顯著提高。后者的電壓跳變可以用碼元“1”與“0”來表示，其中，碼元“1”代表電平由高到低的轉變，而碼元“0”則表示電平由低到高的轉變，該編碼的主要特點如下：一是含位同步時鐘，由于碼元之間出現跳變，因此接收端更容易提取位同步時鐘；而是不具備直流分量，對于一個碼元來說，其中的高低電平各站一般，因此無直流分量。

2. 基于位碼優化的數據傳輸防碰撞算法

2.1 算法的基本思想

在SA算法中，采用幀時隙、動態時隙等方式，對以往隨機算法進行完善，并將動態搜索、回退搜索等方式引入到BTS算法當中，使該算法得以優化。隨著目標數量的不斷增加，BTS算法效率不斷降低，而SA算法的變化趨勢為先上升后降低，因此二者勢必會有一個重合之處，計算公式為：

式中，N代表的是目標數量，E代表兩種算法的重合之處。

通過計算可得N的值不小于7，也就是目標設備的數量范圍在1到6之間，此時BST算法中存在最高效率，且與SA算法相比在效率上占有優勢。隨著目標數值的不斷提高，如若使用上述方式，使每組中目標設備數量降低，則算法效率將得以提升。

2.2 二進制搜索算法

本文基于確定性算法對防碰撞算法進行優化與改進，具體措施為：

（1）由發起端發出一個查詢指令REQUEST，將UID參數設置成全1序列，代表查詢序列號；將BN參數設置為0，代表位碼值。當目標設備接收指令后，采用隨機數發生器生成新的位碼，并將UID與BN參數反饋給發起端；

（2）當發起端接收到BN數值以后，分為三種情況，一種是BN數值為0，這代表著存在目標設備，操作完畢；另一種是BN中只有一位為1，也就是只有唯一的位碼，無碰撞現象，則全部設備都匯集到同個組中，對UID中是否存在碰撞現象進行檢測，如若存在則需要執行BTS算法，如若不存在則操作完畢；還有一種情況是BN中存在多個1，也就是由許多位碼，要想從中識別中最高位，使BNR位置為1，其他為0，則需要生成本組BNR，并將BN中的最高位變為0；

（3）在發起端對命令REQUEST進行發布，將其中全部UID設置為1，使BN與BNR的目標相同，在接受到指令以后迅速反饋，如若信號接收失敗，證明改組內已經不存在目標，這時需要重復上述（2）的操作；

（4）在對某一序列號進行識別后，采用SELECT命令對其狀態進行讀取，并完成數據傳輸，識別下一個設備，直至將全部設備都識別出來。

2.3 防碰撞算法的仿真實現

2.3.1 仿真過程

首先，點擊“start”按鈕，將UID模塊中從0轉變為12組相互獨立的4位二進制數據，并將state模塊設置成“READY”狀態，將統計模式設置為0；其次，通過Initiator將查詢命令REQUEST傳輸出去，UID的數值為1111，BN的數值為0000，將targets反饋的參數接收，從該數據中能夠看出，UID與BN中的數據出現了碰撞情況，也就是碼元之間沒有出現跳變情況。第三，將Initiator傳送到REQUEST當中，借助識別目標使BNR由1000逐漸降低到0001，通過分析碰撞發生后數值的變化情況得出UID的值。

2.3.2 仿真結果

（1）碰撞頻率。在BNBTS算法應用過程中共計產生11次碰撞，BTS算法應用中共計產生21次碰撞。碰撞的頻率越高意味著雙方產生交互的次數越多，時延越長。在本文研究的仿真實驗中，BTS算法產生的碰撞頻率幾乎是BNBTS算法的50%；

（2）查詢次數。根據碰撞頻率能夠對查詢次數進行計算，數值為碰撞頻率與targetss數量之和。在BNBTS算法中，查詢次數為23次，而BTS中為33次，相比來看，BTS算法的查詢次數超過BNBTS算法的30%；

（3）平均通信量。計算方式為傳輸比特數值與1/12的乘積，其中傳輸比特值的計算方式為targets傳輸的比特數與Initiator相加之和。通過計算可知，BNBTS算法的平均通信量為97.33bit，BTS算法為102.67bit。在實施過程中，當target為單一的情況下，也就是碰撞頻率為0、查詢次數為1時，與BTS算法相比，采用BNBTS算法需要加入更多的BN，在平均通信量上超出二倍。由于位碼BN存在明確的分組，碰撞頻率降低，而BTS算法的平均通信量又高于BNBTS算法，因此效果也將更加顯著。

結論：綜上所述，在本文的研究中主要對NFC的主要結構與編碼技術進行分析，并在位碼優化的基礎上對數據傳輸的防碰撞算法進行研究，首先介紹了算法的基本思想，然后在位碼優化的基礎上對二進制搜索算法的應用流程進行分析，最后通過仿真分析的方式，對防碰撞算法進行仿真實現，從碰撞頻率、查詢次數、平均通信量三個角度對仿真結果進行總結。