远程RFID 技术探讨

刘彩利

（西安外事学院 陕西 西安 710077）

RFID 是一种非接触的自动识别技术。随着无线网络技术的不断发展，使得RFID 技术在国内外得到了广泛的应用。现在IBM 公司提出的智慧地球和中国的物联网技术的发展，又极大促进了RFID 功能。因此，RFID 技术架起了数字世界和物理世界之间的桥梁，为物联网的发展奠定了基础。RFID虽然得到了巨大的发展，但对于远程的RFID 还是存在着传输距离、防碰撞算法等一些问题。本文通过对RFID 的相关概念和技术进行分析，使人们更加全面的了解RFID，促使RFID 技术有更好的发展和应用。

1 远程RFID 原理

1.1 远程RFID 的组成

在探讨远程RFID 的原理之前，我们必须先要研究一下RFID 的组成。RFID 的系统包括以下3个部分：电子标签（TAG）、读写器（Reader）和计算机及其应用软件。电子标签主要由内置天线和电路芯片组成的，功能是与射频天线之间完成通信；读写器主要由天线、控制单元、射频收发前段和通信接口这四个部分组成的，主要功能是读取或写入电子标签的信息；计算机和应用软件的功能则是通过读写器的通信接口而连接外部计的算机，或者是连接上位机主系统，从而实现数据的交换。RFID 系统组成如图1 所示。

图1 RFID 模块读写器系统构成简化示意图Fig.1 RFID reader module system structure simplified schematic diagram

1.2 远程RFID 的工作原理

读写器（Reader）与电子标签（TAG）组成了应答器（Transponder），其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder 电路将内部的数据送出，此时Reader 便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。工作原理如图2 所示。

图2 远程RFID 系统工作原理图Fig.2 Remote RFID system working principle diagram

2 远程RFID 系统的特点

目前无源远距离远程RFID 系统有两种工作频段UHF和2.45 GHz。无源超高频系统的读写距离可以长达十米以上，比2.45 GHz 系统要远很多，因此已经成为了远程识别系统的主流部分。其优点主要有以下几点：

1）实时性：可以实时响应，自动读出ID 号，得到其信息；

2）防伪性：形成的微波标示是不可伪造、更改和不可复制的；

3）联网性：通过计算机的网络对物流进行监控；

4）准确性：读出信息的准确率非常高，可以高达99.99%；

5）低成本：使用时，只需要数元；

6）可靠性：适应恶劣环境条件，如：多尘、潮湿等；

7）寿命长：使用时不需要电池，只需无源卡，并且终身免维修；

由于远程RFID 系统采用的是无线传输模式，无线环境又极其复杂，因此有很多因素都会影响远程RFID 系统读写距离，主要有如下几方面：

1）影响射频卡读写距离的因素是读写器的RF 输出功率、反射的能量和射频卡的功耗、读写器的接收的能量和接收灵敏度；

2）影响上述指标的是射频卡天线的有效接收和反射截面积，读写器的接收天线有效面积；

3）在视场范围同样的条件下，当频率升高时，无源RFID系统的作用距离就会减小。

3 远程RFID 关键性技术

远程RFID 系统采用的一种无线传输方式，在传递信息时是通过电磁波来发送和接收的。电磁波以天线为圆心，向周围空间发射。发射过程中当电磁波遇到不同目标时，电磁波能量的一部分被目标吸收，而另一部分会向各个方向，以不同的强度散射开。反射能量的一部分最终返回发射天线。采用反向散射调制的能量传输方式主要标签到阅读器的能量传输和存在于阅读器到标签的能量传输这两个方向上。

1）阅读器到标签的能量传输

当距离阅读器的距离为R 的电子标签处的功率密度为公式（1）：

式中，PTX为读写器的发射功率，GTX为发射天线的增益，R 是标签到读写器天线之间的距离，EIRP为天线的有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积。

当电子标签与发射天线两部分的状态最佳，同时极化方向匹配时，电子标签吸收的最大功率就会与阅读器发射信号的功率的密度S 成正比，如公式（2）：

式中，Ae为电子标签的有效面积如公式（3）：

GTag为电子标签的天线增益，如公式（4）：

无源RFID 系统的电子标签是通过电磁场供电，因此标签有很大的功耗，当读写的距离越短时，其性能就会越差。电子标签的工作电压决定了RFID 电子标签能否正常的工作，同时也决定了无源RFID 系统的识别距离。但随着集成电路工艺的不断发展，射频电子标签芯片的功耗也在来断的降低。目前，比较典型的低功耗电子标签，其标签本身的功耗可以低至数十微瓦到数微瓦，这种标签的工作电压为1.2 V 左右。这种无线电发射功率受到限制，但无源电子标签的识别距离可以过到10 m 以上。

2）电子标签到阅读器的能量传输

电子标签返回的能量取决于它的雷达散射截面面积，并和其成正比，它是目标反射电磁波能力的测度。散射面积是主要取决于两个参数，其一是本身的物体特性如目标的大小、材料、表面结构和材料，其二是反射电磁波的特性，比如电磁波的极化方向和波长等。电子标签在空间的某个位置接收到阅读器发射的电磁波后，将其中的一部分吸收用于提供自身工作的能量，而另外一部分被反射回去，电子标签反射电磁波的能量如公式（5）：

返回阅读器的功率密度为公式（6）：

接收天线的有效面积为公式（7）：

式中，GRX为天线的增益。

可以得出，阅读器接收的标签反射信号的总功率为公式（8）：

根据以上计算可知，天线方向图和增益G 的要求与系统的频率选择无关，而读写器天线的“视场”大小的要求，取决于目标的速度和运动范围，与系统的频率选择无关。对接收机和标签的灵敏度的要求和频率也是无关，所以当频率增高，作用距离就会变小。如果保持同样的作用距离，那么UHF系统的基站发射功率P 比2.45 GHZ 系统低7 倍，5.8 GHz 系统需要高40 倍。

4 远程RFID 系统的冲突问题

远距离无源RFID 系统具有作用距离远且视场范围大的特点，但同时也容易出现一个多机或多卡的现象，从而导致系统读写多标签出现冲突。所以有必要采取一些好的防冲突地区的技术。多卡冲突仲裁就是在同一时间只能有一个卡响应，这就需要用读写器命令进行控制。仲裁的方法主要有两种：Binary 和Aloha。

4.1 Binary 多卡冲突仲裁

Binary 多卡冲突仲裁，主要是通过采用状态机的方式来实现多卡读写仲裁机制，其中主要有4 种状态，如图3 所示。

其中的状态解释如下：

Power-OFF 状态：指的是识别卡处于关机状态，即读写器此时不能被激活识别卡；

Ready 状态：当识别卡第一次被读写器激活时，识别卡就会处于Ready 状态；

ID 状态：如果识别卡试图传送识别信息给读写器时，识别卡就会处于ID 状态；

Data_Exchange 状态：如果读写器识别并被选中识别卡时，识别卡就会处于Data_Exchange 状态。

为了支持仲裁冲突，识别卡上有两个硬件电路：8bit 计数器Counter 和1bit 随即数发生器（只有两个可能的值：0 和1）。当所有的或一部分读写器射频电磁场上的识别卡参与冲突仲裁时，读写器上的Group_Unselect 和Group_Select 命令就会运行冲突仲裁算法。

4.2 Aloha 算法

ALOHA 协议是一种防碰撞的冲突仲裁算法。如果在随机的时间间隔中有多个标签发送数据包，并且这个数据包发生了碰撞，那么标签就会等待一个随机的时间，然后再次发送数据。这种算法吞吐率低，适用于只读标签的应用场景。于是就出现了时隙Aloha 算法。

时隙Aloha 算法改善了Aloha 算法的吞吐率。它采用读写器控制的随机TDMA 方法。这种方法是将信道分为很多个时隙，并且让每一个时隙就刚好能传送一个分组。而时隙的长度能过系统的时钟进行控制，每个控制单元要与此时钟同步。在RFID 系统中，标签只能在其规定的同步时隙内传输数据包。与Aloha 算法相比，提高了吞吐率，为了善在多标签环境下的性能，随后又提出了动态时隙Aloha 算法。

动态时隙Aloha 算法，是一种可以动态调整时隙数量的算法。如果读写器在等待的状态中的循环时隙段中发送了请求命令，就会有1～2个时隙给可能存在的标签使用。当但多个标签在两个时隙内发生了碰撞，那么就要通过请求命令增加时隙数量，以供标签使用，直到发现一个唯一的标签为止。对于Aloha 算法、时隙Aloha 算法还是动态时隙Aloha 算法，其标签发送数据都是随机的，因此不能保证整个系统的可靠性，且信道的利用率较低。

图3 多卡读写仲裁状态机Fig.3 CARDS，speaking，reading and writing more than the state machine

关于Binary 多卡冲突仲裁方法和Aloha 算法都有其优缺点。而Binary 信道利用率可高达43%，识别率较高，也不存在错误判决问题，但其因时延长，而安全性较差。Aloha 算法实现简单，但其信道利用率最大为36%，出存在一些错误判断问题，所以不适合应用于大量标签的场合。在设计系统时要根据系统的应用场合选择合适的防碰撞算法。

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