一種多徑超高頻射頻識別工作機制的設(shè)計

一種多徑超高頻射頻識別工作機制的設(shè)計

1時分多址接入在高頻識別技術(shù)中，防碰撞技術(shù)是信號識別和處理的中心技術(shù)之一。當(dāng)在讀寫器的天線區(qū)域中有多個Tag到達(dá)時,它們幾乎同時發(fā)送信號,產(chǎn)生信道爭用,信號互相干擾,,即發(fā)生了碰撞。在高速移動這樣的場合,防碰撞技術(shù)設(shè)計的優(yōu)劣很大程度上決定了射頻識別過程的耗時性能,從而在有限的系統(tǒng)作用范圍限制下制約了系統(tǒng)的識別成功率。通常的防碰撞技術(shù)有如下幾種。頻分多址接入(FDMA):特點是各個標(biāo)簽(Tag)采用不同的載波頻率向閱讀器(Reader)傳遞信號。這種方式要求Reader和Tag能夠以一定的機制更換載波頻率,大大增加了Reader和Tag雙發(fā)的實現(xiàn)復(fù)雜度,同時也要求整個系統(tǒng)的覆蓋更大的帶寬。時分多址接入(TDMA):特點是整個識別過程分成若干個時隙(slot),每個Tag在不同的時隙中向Reader傳遞信號。這種方式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)相對簡潔,成本較低。具體的實現(xiàn)方式上,有動態(tài)時隙ALOHA法、二進(jìn)制搜索算法等。其中,占主流地位的是二進(jìn)制檢索碰撞規(guī)避機制,其思路是,通過定義Reader與多個Tag之間一組規(guī)定的指令序列,通過多次比較,不斷篩選出一個Tag,在無碰撞的情況下完成這個Tag與Reader之間的數(shù)據(jù)通訊。對于少量的Tag的防碰撞識別而言,二進(jìn)制檢索具有較短的識別時間,但是在應(yīng)用中隨著標(biāo)簽數(shù)量的擴大,性能將急劇惡化。在同時需要被讀取的卡的數(shù)目比較大時,例如在遠(yuǎn)距離讀取移動通過的集裝箱內(nèi)的所有帶有RFID標(biāo)識物品時,讀取過程的實時性難以保證。解決這個問題的另外一個方法是采用碼分多址接入(CDMA)的機制,即各個Tag采用不同的調(diào)制碼來對所發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,從而在Reader端利用碼的自相關(guān)特性對不同Tag所發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào),從而達(dá)到防碰撞的目的。采用這種方法除了解決碰撞問題之外的原因還在于:隨著在RFID的應(yīng)用中Tag所攜帶的信息越來越多,閱讀器和Tag之間的數(shù)據(jù)交互量越來越大,RFID的系統(tǒng)使用環(huán)境也越來越復(fù)雜,RFID系統(tǒng)對無線通訊鏈路的抗干擾性能和保密性能要求也越來越高。而碼分復(fù)用的方式,因擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬,而接收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴,單位頻帶內(nèi)的功率很小,信噪比很高,抗干擾性強,保密性好,同時可以在接收端從多徑信號中提取和分離出最強的有用信號而抗多徑干擾?；谌缟显?本文對射頻識別的工作機制進(jìn)行了研究,提出了一種利用簡化的碼分復(fù)用的射頻識別通訊和防碰撞方法,并進(jìn)行了仿真和試驗。2模型設(shè)計過程該機制設(shè)計的基本思想是:各個Tag按照一定的條件隨機地產(chǎn)生各自的調(diào)制碼(此處采用了Gold序列作為調(diào)制碼),在Tag與Reader進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時,Tag向Reader傳遞的數(shù)據(jù)須經(jīng)過各自產(chǎn)生的Gold序列調(diào)制后發(fā)送。接收端(Reader)將信號解調(diào)之后,利用Gold序列優(yōu)良的自相關(guān)性能進(jìn)行相關(guān)運算,根據(jù)計算結(jié)果能夠進(jìn)行判決是否存在某個等待識別的Tag,再進(jìn)行下一步的射頻識別數(shù)據(jù)通訊。整個一輪的射頻識別過程分為枚舉和數(shù)據(jù)讀取兩部分。前一個階段內(nèi),即枚舉階段,Tag產(chǎn)生Gold序列以及一個此輪識別使用的臨時ID號,并在Reader發(fā)出識別要求(Query命令)的情況下,將此臨時ID號經(jīng)過Gold序列調(diào)制后向Reader發(fā)送。Reader根據(jù)接收信號中解調(diào)出得到的各個臨時ID號對不同的Tag進(jìn)行分別的響應(yīng),并啟動第二個階段。在第二個階段,即數(shù)據(jù)讀取階段內(nèi),在枚舉階段得到相應(yīng)的Tag,在得到Reader讀取要求(Read命令)下,將數(shù)據(jù)經(jīng)過Gold序列調(diào)制后向Reader發(fā)送。在整個識別過程中,存在著不同的Tag隨機的選取生成相同的Gold序列的可能性,因而導(dǎo)致碰撞的發(fā)生。在此輪射頻識別過程中,由于碰撞原因沒有被Reader解調(diào)識別的Tag,將進(jìn)入下一輪的識別過程,即在Query命令作用下,再次選取產(chǎn)生新的Gold序列和臨時ID并爭取識別。另外,由于在待識別Tag數(shù)目不同的情況下,Gold序列的長度對射頻識別的耗時是有影響的。當(dāng)Tag數(shù)目大,而Gold序列過短時,將導(dǎo)致大量Tag選擇相同的Gold序列從而發(fā)生碰撞,造成射頻識別的輪數(shù)增加;而當(dāng)Tag數(shù)目小,而Gold序列過長時,又可能因為Gold序列的長度造成整個識別時間的增加。所以,本文制定了Reader根據(jù)已經(jīng)得到的Tag識別數(shù)目,推斷當(dāng)前未識別的Tag數(shù)目,并采用命令(QueryAdjust)動態(tài)地修改Tag產(chǎn)生的Gold序列長度的機制,對整個射頻識別的耗時過程進(jìn)行優(yōu)化。本文在Tag上采用了Q位初值的2個2^Q-1位的M序列生成器相加的結(jié)構(gòu),最終產(chǎn)生2^Q-1位的Gold序列。為了簡化設(shè)計,本文采用了可選的幾個Q值,如:4,6,8,10,12等。這個Q值,通過Reader用命令Query的參數(shù)進(jìn)行選擇。為了簡便起見,本文對應(yīng)一個具體的Q值,按照其中一個M序列生成器的初值將最終產(chǎn)生的2^Q-1個Gold序列排序編號。下面本文分別簡述Tag端與Reader端的工作機制。2.1多q位編碼的選擇方法所有接收到Query的Tag,進(jìn)行如下動作,如圖1所示。(1)由于在實際的應(yīng)用中,在同一批應(yīng)用的Tag的ID中,存在一些位的重復(fù)概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余的位。所以本文在ID中按照一定的選取方法,選取Q個bit,產(chǎn)生一個Qbit的整數(shù)ID_Nm。為了達(dá)到靈活通用的目的,這個選取方法,可以被Reader用命令Query修改。如:從ID的MSB起,選取Q個高位bit,或者從ID的LSB起,選取Q個低位bit。另外,使每個Tag產(chǎn)生一個(0,2^Q-1)范圍內(nèi)的隨機整數(shù)偏移量RN_Nm,這個隨機數(shù)與ID_Nm進(jìn)行模2^Q-1相加,產(chǎn)生的結(jié)果作為這個Tag的Gold序列生成器中第一個M序列生成器的初值,最終產(chǎn)生與這個Tag的Gold序列。(2)Tag使用這個Gold序列對自己待發(fā)送識別數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。這個數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:自己ID中除去前面已經(jīng)取出的Q位的剩余部分,以及前面使用的隨機整數(shù)偏移量RN_Nm。當(dāng)然,在擴頻調(diào)制之前,首先還需要進(jìn)行miller調(diào)制,目的是使得數(shù)據(jù)成為雙極性歸零碼,這利于碰撞的檢測。這個數(shù)據(jù)被調(diào)制并發(fā)送給Reader,然后等待Reader的ACK回應(yīng)命令。(3)然后,Tag從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到等待識別回應(yīng)狀態(tài)。2.2dnm的運行Reader的工作狀態(tài)機制也是循環(huán)的過程,如圖2所示。(1)Reader接受Tag的發(fā)送信號并進(jìn)行相關(guān)解調(diào),此時,如果沒有發(fā)生碰撞,即沒有兩個以上的Tag產(chǎn)生了同樣的Gold序列,或者雖然發(fā)生了碰撞,但是Reader仍然分辨識別出其中一個Tag的數(shù)據(jù),Reader就能夠從Gold序列和RN_Nm中,回復(fù)出Q位的ID_Nm,繼而回復(fù)出整個ID。(2)Reader對于所有已經(jīng)識別的Tag逐個發(fā)送ACK命令,命令中包含回應(yīng)Tag的ID。接收到與自己ID相符的ACK命令的Tag就處于待讀取狀態(tài)。(3)Reader發(fā)送Read命令,此時所有處于待讀取狀態(tài)的Tag,都采用前面產(chǎn)生的Gold序列,對自己需要傳送的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送,發(fā)送完之后,這些Tag就回到初始狀態(tài)。(4)對于仍然未識別的Tag,Reader發(fā)送QueryReq或者QueryAdjust命令。Tag接收到QueryReq后,便重新產(chǎn)生一個RN_Nm,從而選擇一個新的Gold序列。Reader也可以通過QueryAdjust命令,迫使所有Tag利用所傳遞的Q參數(shù)重新選擇新的位數(shù)Gold序列生成器。本文可以利用這個功能,根據(jù)剩余的未識別Tag數(shù)據(jù)的多少來調(diào)整,Gold碼的長度,繼而調(diào)整數(shù)據(jù)傳遞的碼長而調(diào)整識別的總體時間。由于未識別的Tag使用新的Gold碼對識別數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送,并等待Reader的Ack命令。這樣,又回到系統(tǒng)的第2步。直到Reader收不到新的數(shù)據(jù)為止,識別過程結(jié)束。3相同m序列的采樣讀取設(shè)備Reader端包含發(fā)射天線與接收天線、放大、下變頻解調(diào)、A/D采樣、移位存儲隊列(長度由Gold序列碼長決定)、Gold碼發(fā)生邏輯和移位累加(相關(guān)運算)邏輯單元。Reader中,Gold碼用一對優(yōu)選的周期和速率均相同的M序列模2加后得到。Reader將信號解調(diào)之后以2倍的Gold序列發(fā)送速率進(jìn)行采樣,(假設(shè)采樣分辨率為12bit)并將采樣值壓入一個2×碼長×12bit的采樣數(shù)據(jù)存儲隊列。同時,接收端有一個本地Gold序列發(fā)生器,產(chǎn)生符合碼長的Gold序列。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)存儲隊列每移入2個采樣值,Gold序列發(fā)生器將依次生成N個(待分辨的)Gold序列,并分別擴展為2倍碼長,各自與采樣數(shù)據(jù)存儲隊列一一對應(yīng)的相乘并累加,這就完成了每個序列與信號相關(guān)運算的一個基本單元步驟。當(dāng)采樣信號移入2倍碼長個值后,一共可以得到N個長度為1024的相關(guān)運算結(jié)果,與N個Gold序列相對應(yīng)。據(jù)此,Reader進(jìn)行判決是否存在某個Gold序列所對應(yīng)的標(biāo)識端。4實驗結(jié)果和分析仿真試驗中,分別采用256~4096范圍內(nèi)幾種碼長的Gold序列,以及同時處在Reader范圍內(nèi)Tag數(shù)目由1增加到1900的各種情況。試驗結(jié)果的碰撞次數(shù)和識別耗時數(shù)據(jù)如表1所示。其中,識別耗時用比率表示,即識別單位長度的TagID需要的耗費的識別比特數(shù)目。在圖中,列出了采用二進(jìn)制搜索實現(xiàn)的識別過程耗時,作為對比。仿真試驗中,作為對比的二進(jìn)制搜索機制耗時比的期望模型如式(1)所示:式(1)中,N表示待識別的標(biāo)簽數(shù)量,T(N)表示標(biāo)簽數(shù)量為N情況下的期望耗時比。仿真試驗結(jié)果如表1所示。其中(1)碼長256bit;(2)碼長512bit;(3)碼長1024bit;(4)碼長2048bit;(5)碼長4096bit(6)采用二進(jìn)制搜索方式實現(xiàn)。表1表明:在同時待識別的Tag數(shù)目較少的情況下,采用小的碼長可以節(jié)約耗時,而在Tag數(shù)目較多的情況下,采用較大的碼長可以減少碰撞次數(shù)而節(jié)約耗時。在Tag數(shù)目為1500~1900左右的情況下,采用1024bit的Gold序列比較合適。本文的機制允許Reader對于Tag的碼長進(jìn)行設(shè)置,就是基于這種考慮,能夠比較靈活地適應(yīng)當(dāng)前存在的Tag數(shù)目。當(dāng)然,長的碼長意味著更好的擴頻性能和更復(fù)雜的閱讀器結(jié)構(gòu)。仿真實驗也表明,在Tag數(shù)量很小的情況下(數(shù)目小于50),采用二進(jìn)制搜索機制具有較高的效率。但是,當(dāng)Tag數(shù)目增加時,該機制的耗時比快速的增大。所以,可以得出結(jié)論,二進(jìn)制機制適應(yīng)于標(biāo)簽數(shù)目較小的場合,而本文中提出的機制適應(yīng)于大量標(biāo)簽需要同時分辨的情況。此外,值得一提的是,不同的碼長在Tag數(shù)目不同的情況下,在噪聲的干擾作用下系統(tǒng)的單次判別的漏檢率有所不同,長的碼長在Tag數(shù)目較多時擁有較高的一次判別率。如圖3顯示了存在噪聲時,Tag數(shù)目為15,20和25時,碼長為1024bit的Gold調(diào)制時的一次漏檢率。當(dāng)然,這可以用多次判別來彌補短碼長的這一不足,但是意味著更多的碰撞識別和