RFID 系统读写器与标签不对称连接策略创新研究

魏绍蓉，王晓青，金沂，王璐

0 引言

物联网是结合网络技术、传感技术、数据库技术、中间件等技术，以RFID 系统为基础，由大量联网的读写器和移动标签构成一个比因特网更为庞大的网络[1]。在物联网中，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。目前，物联网设计仍然面临最重要的3个方面的挑战:(1)如何将低成本、低复杂度的小型智能设备植入物品;(2)如何利用强大的传感功能和高速传输功能从物理世界自动、快速地产生和获取数据;(3)如何利用网络服务和数据挖掘技术把底层的原始数据转化为内容丰富的高层信息。而面对这3 个挑战，最关键的问题首先是：读写器和标签之间的良好、快速、完整的通信。

1 读写器与标签连接技术现状

1.1 标签技术

RFID 系统中，目前应用的标签分为3 类。有源主动标签（Active tags）：体积大、价格贵，因为使用电池，所以寿命相对短，但因为自己发出信号，所以，识别距离长，识别更准确；无源被动标签(Passive tags)：体积小、价格便宜、寿命长，但由于无源标签是通过读取天线发出的电磁波再在标签内部产生信号传输，所以，识别距离比有源标签短很多；半有源标签(semi-active tags)：在进入工作状态之前一直处于休眠状态，标签内部电池电量消耗很少，电池可维持几年，甚至长达10年。当半有源标签进入读写器的读写区域时，在读写器发出的射频信号的激励下进入工作状态时，读写器与标签之间交换信息的能量以读写器供应的射频能量为主，通常采用反射调制方式。标签内部电池的能量并不转换为射频能量，它的主要作用，在于弥补标签所处位置的射频场强不足时的电路的能耗。

通过比较，无源标签具有成本低、体积小、无需电池、维护方便的特点。所以在物联网的构建中，广泛使用了无源RFID 系统。然而，通过使用发现现有的无源RFID 系统的数据率，只是几百个Kbps (kilobits per second)，并且标签之间有严重的传输冲突问题[2]。

1.2 读写器与标签连接的技术

读写器与标签连接的技术，包括前向连接和反向连接。前向连接：读写器到标签的连接，传输数据率最高为160Kbps；反向连接：标签到读写器的连接，传输数据率最高为640Kbps。目前，在物联网的无源RFID 系统中，前向和反向连接普遍使用超高频技术，并且数据速率相差不大。分析物联网中读写器与标签的连接，可以发现读写器与标签的结构是极其不对称的，一个读写器可能要面对多个标签，并且无源RFID 系统对读写器和标签间的距离十分敏感，且容易受到多径效应和多用户干扰的影响[2][3]，那么对于物联网中基于读写器与标签的不对称结构而言，高性能的具有传感功能的无源RFID 系统的构建十分重要。

1.3 无源RFID 系统的多层次网络结构

基于无源RFID 系统的网络结构目前主要由服务器、读写器、传感标签构成一个3 层网络。顶层网络：服务器和读写器之间的通信；中层网络：读写器与读写器间的通信；底层网络：读写器和标签之间的通信。在顶层网络中，服务器是控制中心，可以通过USB、RS-232、以太网等有线连接，也可以通过ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、GSM/GPRS 等无线技术进行连接，调度一个或多个读写器组成的读写器簇。服务器存储及处理读写器发送来的数据信息，并且服务器作为外部网络的网关，可以提供网络服务。在中层网络中，解决读写器间冲突问题及完成有效的协作机制。在底层网络中，按照无源RFID 标准来解决或减少标签间的冲突，同时采集和预处理标签的传感信息[4]。

2 读写器和标签不对称连接策略的创新研究

2.1 读写器和标签间存在极不对称的传输数据量

无源RFID 系统中，读写器数目要远远少于标签数目。所以，读写器到标签的前向连接与标签到读写器的反向连接具有极不对称的传输数据量。反向连接要求更高的数据速率，而现有的无源RFID 系统在前向和反向连接上都使用超高频[5]，并且数据速率相差不大，这样无法满足这种不对称的结构所需要的数据速率要求，使得在某些时候对标签的识别十分困难。同时，读写器和标签在功能、价格、复杂度及在RFID 系统中所需数目上也存在巨大差异。为了更好地适应无源RFID系统中读写器和标签间这种不对称的结构导致的极不对称的传输数据量的特点，研究读写器与标签之间的不对称连接方式，具有一定的创新性意义。

2.2 UWB (Ultra-Wideband)超宽带技术

UWB (Ultra-Wideband)高速短距离超宽带通信技术[6]，采用纳秒(ns)至皮秒(ps)级的窄脉冲进行数据传输，大幅度提高传送速度。UWB 信号并不采用连续的波形，而是使用相对带宽大于0.2，脉宽一般小于1 ns的窄脉冲来传输数据，所以信号的带宽很大。在有噪声干扰的环境下，通信系统的信道容量用香农公式表示为：C=Blog2(1+S/N)(C 为信道容量；B 为信号带宽；S/N 为信噪比)。根据香农公式可以看出当信道容量不变时，信噪比和信号带宽可以互换，那么在信噪比不变时，信道容量和带宽成正比，增加带宽就是增加信道容量，同时减小对信噪比的要求。

窄脉冲通常用高斯多阶微分脉冲、多周期脉冲、升余弦脉冲、脉冲串等，而高斯多阶微分脉冲更易产生，而且可以通过选择合适的阶数使信号不产生直流分量，并可以较好地向空中辐射能量，所以更为常用。高斯多阶微分的数学表达式为公式（1）

窄脉冲可以占用达到几GHz的带宽，所以数据传输速率可以达到几百MbPs。因为脉冲只有极短的持续时间，所以UWB 设备可以在高速通信的同时实现很小的发射功率，仅有目前的连续载波系统的几百分之一。UWB的传输距离通常在十米之内，它的传输速率可以高达480MbPs，在相同的传输距离内，其传输速率是蓝牙标准的9 倍，是WiFi 标准的18.5 倍，这样更适合大量的多媒体信息的传输。由此得出结论：UWB 具有传输速率高、成本低、抗干扰能力强等特性；因为采用非连续性的窄脉冲，UWB 设备还具有发射功率小、耗电量低、定位精确的特性；由于脉冲很短，难以被侦测，所以具有高安全性的特性。通过分析这些特性，那么UWB 技术运用在无源RFID 系统中是再合适不过的了。

UWB 系统常用的脉冲调制方式有二进制移相键控BPSK(Binary-Phase-Shift-Keying)、开 关 键 控OOK(On-Off-Keying)、脉冲位置调制 PPM(Pulse-Position-Modulation)等。对这几种调制方式进行比较：BPSK 调制方式的优点是加入高斯白噪声及衰减信道后误码率是最低的，缺点是BPSK 调制方式有最高的电路实现复杂度，而OOK 和PPM 调制方式的电路结构实现较简单，更适合应用于无源标签。但是，OOK 调制方式易受多用户的干扰，并且不具备多址的潜力，这样就不能完成读写器与标签不对称连接。PPM 调制方式是利用脉冲出现的位置相对于标准位置的偏移量来表示一个特定符号，而为了可以支持多用户的同时访问，通常将PPM 调制方式与时跳TH (Time Hopping)相结合形成TH-PPM 时跳脉冲相位调制，由此可以极大地减少了标签间的冲突。

2.3 TH-PPM （Time Hopping Pulse Position Modulation）时跳脉冲相位调制

TH-PPM（Time Hopping Pulse Position Modulation）是时跳和脉冲调制相结合的调制方式。TH-PPM 用PN 码选择传输码元的时隙，而PN 码一个周期有2N-1 个跳时，也就是说PN 码在一个周期内有2N-1 个状态，那么传输一个符号就需要2N-1 个时隙。

TH-PPM 信号为公式（2）：

如果一个二进制信源，在周期为2N-1的PN 码进行跳时，首先根据PN 码生成器状态ci，选择传输PN 码的时隙空间偏移ciTc；当符号为“0”时，脉冲的位置在时隙内无偏移；当符号为“1”时，脉冲的位置在时隙内偏移为ai△，那么要求ai△＜ciTc(当ci≠0)，脉冲在位空间的总偏移量就为ciTc+ai△。TH-PPM 调制解调系统中每个标签都采用各自特定的跳时码，读写器只有知道该标签的跳时码才能解调信号。所以如果发生标签冲突现象，只有当新到达读写器的标签信号与读写器当前接收的标签信号跳时码相同才可能发生，而这种情况出现的概率几乎为零。由此得出结论：利用TH-PPM 可以显著减少标签冲突的概率，并且TH-PPM调制方式电路简单，成本低、功耗小，非常适用于无源 RFID系统。

经过以上分析验证，在无源RFID 系统中，前向连接仍然使用现有的超高频技术，而反向连接使用超宽带TH-PPM技术。这种不对称的连接方式有以下几个优势：超宽带THPPM 技术的数据传输速率是10Mbps，解决了反向连接数据量大的问题；由于连接结构是不对称的，前向连接和反向连接不再有频率干扰问题，并且前向连接与反向连接在时间上部分重叠，同时也避免了读写器到读写器的干扰，加速了标签的识别过程；超宽带TH-PPM 技术不易被侦听，所以信息的保密性和安全性得以提高；超宽带TH-PPM 技术还具有毫米级的定位精度。

3 结论

为解决读写器和标签之间的良好、快速、完整的通信问题，对UWB 技术及TH-PPM 调制方式性质进行分析，提出一种适应RFID系统中读写器与标签不对称结构及不对称数据传输量特点的不对称的连接技术，即：前向连接依然使用超高频技术，而反向连接应用超宽带TH-PPM 技术。由此解决不对称的结构导致的传输数据量不对称的问题，同时也有效地防止了标签间及读写器间的干扰问题，并加速标签识别过程，提高了定位精度。这种读写器与标签间的不对称的连接技术，对物联网的构建及长远发展有重要意义。

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