基于4G無線通信技術模塊在柔性電子標簽上的應用研究

曾聰 曾文波 鐘建坤

摘? 要：本文通過探討無線通信技術的發展歷程，可以清楚地了解到通信技術對社會的貢獻非常巨大，特別是對4G技術的特性及優勢分析，凸顯出了信息設備的龐大數據量與各種業務對先進的移動通信技術的依賴。同時通過對比現有的幾種無線通信技術，本文決定采用現有的非常成熟的4G通信技術來對柔性電子標簽展開研究。本文簡單闡述了無線通信技術在電子標簽上應用的基本原理，通過實驗數據展現了4G通信技術的重要性。

關鍵詞：電子標簽;無線通信技術;4G技術

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0063-04

Application Research on Flexible Electronic Tags Based on

4G Wireless Communication Technology Module

ZENG Cong，ZENG Wenbo，ZHONG Jiankun

（Heyuan Ploytechnic，Heyuan? 517000，China）

Abstract：By discussing the development of wireless communication technology，this paper illustrates that the contribution of communication technology to society is very huge. In particular，the analysis of the characteristics and advantages of 4G technology highlights the huge amount of data equipment and the dependence of various services on advanced mobile communication technologies. At the same time，by comparing several existing wireless communication technologies，in this paper，we decided to adopt the very mature 4G communication technology to study the flexible electronic tags. The basic principle of wireless communication technology applied on electronic tags is briefly explained，and the importance of this 4G communication technology is demonstrated through experimental data.

Keywords：electronic tags;wireless communication technology;4G technology

1? 無線通信技術的發展歷程

無線通信技術發展至今，基本可以概括為五個階段。

第一階段：早期專用移動通信階段。最先研究出短波頻段專用移動通信系統，其最具代表性的應用是美國底特律市警察使用的車載無線電系統，系統原始版本使用頻率是2MHz。這系統由于出現在無線通信技術剛起步的階段，研究與應用不是很成熟，所以一般都是專用，特點是工作頻率較低。

第二階段：公用移動通信業務開始問世。在這期間公用移動通信業務開始發展。其最具代表性的使用技術是美國貝爾實驗室技術，在1946年，利用此技術在圣路易斯城建立了世界上第一個“城市系統”的公用汽車電話網。這個系統采用了三個頻道，每個頻道之間間隔120KHz，且只是使用單工通信方式。該系統顯然是從專用系統升級為公用系統，采用人工接續方式，全網的通信容量較小，但這卻是整個無線通信技術的一個進步。

第三階段：移動通信系統改進與完善的階段。這最能代表的技術是美國推出的改進型移動電話系統，可以自動選擇無線頻道，并且還能在公用電話網上實現自動接續。這階段的貢獻是實現了對移動通信系統從人工到自動的改進。

第四階段：移動通信持續高速發展階段。1978年底美國貝爾實驗室研制出了采用小區制的先進移動電話系統（AMPS），建成了蜂窩狀移動通信網，以此大大提高了系統容量。[1]這階段的主要特點是蜂窩移動通信網進入實際應用階段，并在世界各地迅速發展。

第五階段：移動通信技術進入成熟和快速發展階段。這一階段的移動通信技術已發展得非常成熟，可以說是如同快速行駛的列車般發展了。在1995年就出現了第一代移動通信模擬方式，用戶的語音以模擬信號方式傳輸。這一技術的主要代表是美國的AMPS和英國的TACS。

在第一代系統出現不過兩年，就立馬出現了第二代移動通信采用全球移動通信系統（GSM）、碼分多址蜂窩移動通信系統（CDMA）等數字技術，使得手機能夠接入互聯網。之后就出現了第三代移動通信，此代移動通信能使我們互聯，能實現全球范圍內無縫隙漫游，能實現用戶用手機處理音樂、圖像、視頻，能夠進行網頁瀏覽，而且還能夠達到開電話會議的程度，方便了電子商務活動的開展。粗略地看一下移動通信的發展史，我們會發現從20世紀80年代初期的第一代模擬移動通信商用開始，基本上是每10年就會出現新一代移動通信技術，舊一代技術的退幕大概用了15年至20年的時間。目前第一代移動通信系統早已退出歷史舞臺，占據市場主流的是第二代移動通信系統。但是隨著用戶對業務的要求越來越高，這必然會促使移動通信系統往互聯網和物聯網方向發展，這就使得3G技術會越來越成熟，且第四代移動通信技術發展也越快，甚至已經開始出現5G移動通信技術的標準制定了。

2? 無線電子標簽的概念及其特點

RFID無線射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個電子標簽，操作快捷方便，在超市中頻繁使用。[2]

以類別上的劃分來講，本文采用的是主動式標簽。其自身擁有自供給電源，用來供應內部IC電源以產生對外信號。通常情況下，主動式標簽讀取距離較長和記憶體容量相對比較大，其可以儲存讀取器所傳送來的一些附加信息。

電子標簽的幾個優點：

（1）多目標識別。與其他識別方式相比，RFID有最明顯的優點：在閱讀器的識別范圍內，可以同時識別多個Tag目標，這極大地提高了識別效率。

（2）能在惡劣環境中使用。紙張的電子標簽如果被弄臟了就會看不到，但RFID電子標簽對水、油和藥品等物質卻有非常強的抗污性。RFID即使處在黑暗或非常臟的環境之中，照樣可以讀取到我們需要的數據。在惡劣環境中，RFID更能發揮它的優勢。

（3）穿透能力強。標簽被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材料包裹，也可以被正確識別。不過若是被鐵質金屬包裹，信息的傳輸會比較困難，不容易通訊。

（4）可重復使用。由于RFID為電子數據，可以反復被覆寫，特別是主動式標簽，只要傳送數據過去就可以進行更改。

3? RFID射頻識別技術的基本原理

射頻識別（RFID）是一種無線通信技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸。[3]

此射頻識別系統有以下幾部分組成，分別是計算機、網絡、識讀器、天線、標簽。首先由標簽（有源標簽）自發輸出某一頻率的信號，然后通過天線接收到該信號，再將該信號傳輸到識讀器，識讀器讀取到該信息并進行解碼，之后將解碼的信息送到計算機系統進行數據處理。

4? 無線通信技術下電子標簽的各種應用

電子標簽實物圖如圖1所示，其在各行各業上的應用非常廣泛，比如：

（1）物流：物流過程中的貨物追蹤，信息自動采集，倉儲應用，港口應用，快遞。

（2）零售：商品的銷售數據實時統計，補貨，防盜。

（3）制造業：生產數據的實時監控，質量追蹤，自動化生產。

（4）服裝業：自動化生產，倉儲管理，品牌管理，單品管理，渠道管理。[4]

（5）醫療：醫療器械管理，病人身份識別，嬰兒防盜。

（6）防偽：貴重物品（煙，酒，藥品）的防偽，票證的防偽等。

（7）交通：高速不停車，出租車管理，公交車樞紐管理，鐵路機車識別等等。

本文的電子標簽主要針對的應用是交通車輛。

（1）ETC高速不停車收費。不停車收費技術特別適用于高速公路或交通繁忙的橋隧道路下采用。將車載電子標簽安裝在車輛擋風玻璃上，通過收費站ETC車道時，ETC微波天線之間的微波專用短程通訊，利用聯網技術使計算機與銀行連通，將數據傳送給銀行后臺進行結算處理，從而讓我們經過路橋收費站時無需停車且同時能交納路橋費。

（2）車輛電子標識。目前國內道路上的交通管理應用最廣泛的技術是視頻識別技術，主要是通過車輛圖像和車牌識別截取交通信息，這一技術存在許多缺陷，其獲得的信息可能受地形、建筑物、大型汽車及其他障礙物遮擋，或者是天氣及夜間照明度不足等因素影響，甚至是有些套牌車輛和故意遮擋號碼牌的車輛亦沒辦法識別。

那么我們在每一臺車輛上安裝唯一的無線電子標簽，則可以解決車輛識別與防偽這一問題。有了無線電子標簽，前面所提到的幾大影響因素基本可以解決，套牌車輛與遮擋車牌的行為更是無所遁形。

（3）車輛交通的流量信息。我們現在獲得的車輛在道路上的流量信息主要依靠線圈車輛檢測器、視頻車輛檢測器和超聲波檢測器等，其準確性與可靠性都不是很高。無線電子標簽識別技術采集道路交通信息，其能夠實時且準確地獲得車輛在道路上的流量信息，還可以通過此技術采集到每部車輛的附加屬性如車型、車輛種類和特殊車輛等信息，也可以獲知特定路段或者是特定區域內在道路上的車輛總量和平均速度等信息。此項技術可以為路網運行狀況監測，路段上的車流量監測，車輛速度監測，道路上的擁堵程度評估，擁堵預警、異常事件報警和車輛擁堵疏導等提供幫助。

5? 目前成熟無線通信技術的優點比較

無線通信系統中有GSM、3G、LTE等。上述技術的主要性能指標如下。

GSM是Global System For Mobile Communications的縮寫，它是由歐洲電信標準組織ETSI制訂的一個數字移動通信標準，空中接口采用時分多址技術。GSM的主要優勢在于用戶可以從更高的數字語音質量和低費用的短信之間作出選擇。

WCDMA是Wideband Code Division Multiple Access的縮寫，它是第三代移動通信系統，采用寬帶碼分多址技術，是一種3G蜂窩網絡。具體的工作方式是直接序列擴頻碼分多址（DS-CDMA）、頻分雙工（FDD），其技術特征有碼片速率為3.84Mcps，載波帶寬為5MHz，高速傳輸以支持多媒體業務。

TD-SCDMA是Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access的縮寫，該標準是由中國自己首次提出，而且被ITU和3GPP國際標準組織承認的第三代移動通信標準之一。TD-SCDMA空中接口綜合充分利用TDMA、CDMA、FDMA和SDMA這四種技術，能夠動態調整最優資源分配。同時在頻譜利用率、對業務支持方面具有靈活性等獨特優勢。

CDMA2000是Code Division Multiple Access 2000的縮寫，該技術采用了碼分多址技術，空中接口采用的技術包含初代CDMA2000 1X技術和加強版CDMA2000 1X EV-DO技術。同時CDMA2000是CDMA的升級版，具有頻譜利用率高、話音質量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等優勢。

LTE-FDD實質上來說是“準4G”技術，是在3G基礎上進行的升級。LTE使用的技術有OFDM空中接口技術、MIMO、自適應等先進技術，這些技術能夠提高數據率和系統性能，使用扁平化網絡結構和全IP系統架構，如此可以支持更寬的網絡帶寬和多種系統帶寬。TD-LTE同樣可以界定為4G技術，采用的工作方式是時分雙工模式。TD-LTE采用的技術與LTE-FDD有所不同，其采用了一些新技術，比如OFDM、多天線MIMO、64QAM、簡化的狀態以及小區間干擾協調。其同樣采用了全IP扁平的網絡結構、優化的幀結構，實現了更高的帶寬、更大的容量、更高的數據傳輸速率和更低的傳輸時延的效果。[5]

6? 選擇4G通信技術的關鍵技術及優勢

目前移動通信技術以4G的技術為主，3G技術已不能滿足用戶的許多業務要求，5G技術尚處于研發階段，因此4G技術的優勢展露無遺。4G技術是主流，那么我們相應對其關鍵技術要有所研究。以下是4G技術的關鍵技術。

6.1? 正交頻分復用技術（OFDM）

OFDM技術其實是多載波調制的一種，其原理是：將信道分成若干正交子信道，把高速串行數據信號轉換成低速并行子數據信號，子數據信號被調制在這若干正交子信道上傳輸。正交信號可以通過接收端采用相關解調技術分開，由于采用了正交信道，這樣減少了子信道之間的相互干擾。采用了OFDM技術進行傳輸，可以提高頻譜的利用率，使信號的抗衰能力得到增強，碼間干擾被降低，同時提高了數據的傳輸速度。

6.2? 軟件無線電技術（SDR）

軟件無線電技術的核心思想是構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等各種功能用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統。[6]

6.3? 多輸入多輸出技術（MIMO）

多輸入多輸出指的是無線網信號通過多天線進行同步收發，以提升數據傳輸效率。傳統的通信架構一般采用SISO（單輸入單輸出）模式，只有一個發射天線和一個接收天線。

MIMO技術使用已有多年，其已經在Wi-Fi舞臺上發揮了自己的優勢，如在802.11n中已經獲得了廣泛商業應用。通過在無線連接終端中采用多天線，基于多徑分集，802.11n可大大提高信號的質量和可靠性，并增加50%或更多的吞吐量。MIMO技術也是改善蜂窩覆蓋的重要方法。在4G網絡的帶寬成為一個主流的時代，MIMO就成為移動運營商滿足其容量需求的重要手段，MIMO也將成為移動服務基礎設施部署的標配。

6.4? 基于IP的核心網

4G移動通信系統的核心網是一個基于全IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫鏈接。核心網具有開放的結構，各種空中接口可以接入核心網;無論無線接入采用何種方式和協議，這IP核心網都能提供端到端的IP業務;且4G通信系統中將主要采用全分組方式IPv6技術取代IPv4，使其擁有巨大的地址空間，支持無狀態和有狀態兩種地址自動配置方式，更具有移動性這些優點。

6.5? 多用戶檢測技術

我們都知道傳統的CDMA接收機中用戶的數據接收是相互獨立進行的。在多徑衰落環境下，所使用的擴頻碼不能正交，如此使多個用戶之間的數據產生相互干擾同時也限制系統容量的提高。不過我們有一種技術可以解決此問題，它就是多用戶檢測技術，多用戶檢測技術解決問題的思路是把所有用戶的信號都當作有用信號，不存在所謂的干擾信號。這樣就可以充分利用各用戶信號的用戶碼、幅度、定時和延遲等各自獨有的不同信息，從而大幅度地降低多徑多址干擾。

6.6? 智能天線技術（SA）

隨著社會的不斷發展，信息交流需求量也在的急劇增加。特別是個人移動通信的迅速普及，那么頻譜可用帶寬資源就會越來越少。而且智能天線技術目前也比較成熟，一般其陣元排列方式有直線型、圓環型、平面型等幾種類型，其中等間距天線陣最為常見。以下是對智能天線的基本原理闡述。

首先我們需建立信號模型，設等間距線天線陣的陣元個數為L，陣元間距為d，以第一個陣元為參考陣元，信號設s（t）的入射方向為天線陣法線方向的夾角為θ。s（t）到達第i個陣元與到達參考陣元的時間差為：

τi（θ）=（i-1）sinθ

其中：c為光速。

信號s（t）在天線陣上的感應的信號用向量表示為：

x（t）=[x1（t），x2（t），…，xL（t）]τ=a（θ）x1（t）

其中：a（θ）=

陣列輸出信號用y（t）可表示為：

y（t）=wτx（t）

其中：w為選取加權向量，可使我們需要的方向上的信號得到最佳合并，而其他方向上的干擾和信號則被抑制。

從其基本原理闡述中，我們就可以知道在無線基站使用全向收發智能天線時，通過滿足某種準則的算法去調節各陣元信號的加權幅度和相位，從而調節天線陣列的方向圖形狀，以達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。

那么我們可以描述一下4G移動通信技術的優勢。

（1）傳輸速率。第一代移動通信技術只是模擬通信信號，只提供語音服務;第二代移動通信技術是數字式移動通信系統，傳輸速率也僅僅為9.6b/s，最理想狀態也只達到32Kb/s;第三代移動通信技術數據傳輸速率達到2Mb/s;第四代移動通信技術數據傳輸速率可達10Mb/s～20Mb/s，理想速率可達100Mb/s。

（2）技術標準。4G通信技術必然要拋棄3G技術標準不統一這個弊端，建立統一標準，從而實現全球無縫漫游。

（3）互聯和兼容性。4G之前的通信技術不是基于IP地址結構，致使各類標準間互聯性差。4G移動通信技術則基于IPv6的網絡，能更好地支持各項移動業務，地址空間將更大，信息安全性將更可靠;IPv6網絡能支持多種異構的寬帶無線網絡之間的整合，更易于多種系統和服務的兼容。

（4）網絡頻譜效率。3G使用的頻率是1.8GHz～2.5 GHz，其頻譜效率可達到2bps/Hz。而4G使用的頻率是2GHz～8GHz，其頻譜效率可達到5bps/Hz。從這頻譜效率對比就可知4G比3G更能自適應地進行頻率資源分配，達到滿足日益增長的手機用戶數量目的。

（5）覆蓋范圍。我們都知道移動通信都使用蜂窩式大區制覆蓋地區信息，通信覆蓋區域之間會進行無縫連接與漫游。由于3G技術沒有統一標準，這樣會造成區域之間連接和漫游存在一系列技術問題。而4G是建立了統一標準的技術，可完美解決這一問題。4G技術還可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，再擴展到各個地區。

（6）成本。4G技術的先進性確保了系統和基礎設施投資的大大減少，而且在通信費用上，4G比3G更具有低價優勢。

7? 結? 論

社會的發展，科技的進步，使得我們這個世界的信息量越來越龐大。而且人們日益增長的物質文化需要也要求通信業務種類能滿足各種市場需求，信息時代的生活需求變得越來越豐富，且向智能化方向發展，這些所有的傳輸技術就有賴于先進的移動通信技術。在目前階段，4G移動通信技術完全能夠滿足這些市場需求。然而通信的更高需求使得4G移動通信技術的不足逐漸顯現出來，那5G移動通信技術的發展變得越來越迫切了，好消息是5G移動通信技術的標準正在逐步確定，且在部分地方已開始試用。相信未來的信息世界會更加豐富多彩，中國的經濟發展更能在這先進的移動通信技術的助力下取得優異成果，國力能鼎立世界強國之列。

參考文獻：

[1] 吳功宜，吳英.物聯網工程導論 [M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 百度百科.電子標簽 [EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/電子標簽/6976650？fr=aladdin，2019-05-24.

[3] 百度百科.射頻識別技術 [EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/射頻識別技術/9524139？fr=aladdin，2019-05-24.

[4] 單平安.RFID應用于NB代工企業倉庫管理的方案研究 [J].東方企業文化，2012（4）：21+32.

[5] 杜少鳳，韓玉楠，楊巖巖，等.智能交通系統的無線通信技術探討 [J].現代電信科技，2014，44（7）：68-73.

[6] 桑懷勝，李崢嶸.智能天線的原理、自適應波束形成算法的研究進展與應用 [J].國防科技大學學報，2001（6）：83-89.

作者簡介：曾聰（1986.10-），男，漢族，廣東河源人，電子與通信工程講師，碩士，研究方向：電子與通信工程、網絡工程;曾文波（1983.07-），男，漢族，廣東河源人，高級工程師，碩士，研究方向：物聯網技術與應用、嵌入式技術與應用;鐘建坤（1973.02-），男，漢族，廣東梅州人，計算機科學與技術副教授，碩士，研究方向：計算機系統仿真、計算機系統工程、軟件工程或網絡工程。