基于近距离无线通信(NFC)系统中数据传输技术研究

郭俊俊 江西新明机械有限公司

引言：在科学技术不断发展的背景下，近距离无线通信系统诞生，使数据传输技术得到进一步的优化和创新。其中，防碰撞算法能够以时隙为单位分发数据包，从而实现防碰撞目标。在本文的研究中，首先对NFC系统的主要结构与编码技术进行分析，并在位码优化的基础上对数据传输的防碰撞算法进行研究。

1. NFC系统概述

1.1 主要结构

在NFC系统中，主要结构包括电子标签、读写器、系统高层三部分。其中，电子标签包括芯片与天线两个部分，一般在物体上当作目标标识，在标签的中具有唯一的识别码，存储一些特定信息；读写器也被称为发起设备，能够对电子标签中的信息进行读取；系统高层的主要作用在于对数据信息进行实时处理。

在NFC系统中，通过电感耦合的方式对通信双方射频信号进行传输，该模式中的谐振电路电感耦合能够完成双方数据与能量的传输。读写器中的线圈能够使其四周充满磁场，在目标设备通过时，在耦合作用下生成感应电压，并以其为微型芯片电源展开工作。如若线圈的形状为圆形，在位置上为水平状态，则根据电磁感应定量能够对线圈中的感应电压进行计算，公式为：

式中，读写器线圈的数量为N1，目标设备的圈数为N2，半径为R1与R2，两线圈的圆心距为d。

由上述公式能够看出，感应电压与线圈的放置位置、大小、结构等具有一定关联，同时还能够得出，目标设备中的感应电压与线圈间的距离存在负相关关系，当二者的距离越远时，设备中产生的蒲河电压数值越小；当二者距离越近时，产生的耦合电压数值越大。因此，在实际工作中，应尽可能的缩短二者间的距离才能够提高工作质量。

1.2 编码技术

在NFC系统中应用较为频繁的编码类型为改进型Miller编码与Manchester编码。其中，前者是在Miller编码的基础上优化而成，利用负脉冲的方式使编码中的各个边沿被取代，在位周期开始后便开始产生电平交互，便于接收器为节拍的重建，其主要特征为：一是在码元中间（“1”）或者开始处产生跳变；二是负脉冲的延续时间较短，在数据传输过程中能够确保发起方连续不断的为目标方提供能量，且较短的负脉冲能够将能量全部汇集到宽带当中，使目标设备的接收质量得到显著提高。后者的电压跳变可以用码元“1”与“0”来表示，其中，码元“1”代表电平由高到低的转变，而码元“0”则表示电平由低到高的转变，该编码的主要特点如下：一是含位同步时钟，由于码元之间出现跳变，因此接收端更容易提取位同步时钟；而是不具备直流分量，对于一个码元来说，其中的高低电平各站一般，因此无直流分量。

2. 基于位码优化的数据传输防碰撞算法

2.1 算法的基本思想

在SA算法中，采用帧时隙、动态时隙等方式，对以往随机算法进行完善，并将动态搜索、回退搜索等方式引入到BTS算法当中，使该算法得以优化。随着目标数量的不断增加，BTS算法效率不断降低，而SA算法的变化趋势为先上升后降低，因此二者势必会有一个重合之处，计算公式为：

式中，N代表的是目标数量，E代表两种算法的重合之处。

通过计算可得N的值不小于7，也就是目标设备的数量范围在1到6之间，此时BST算法中存在最高效率，且与SA算法相比在效率上占有优势。随着目标数值的不断提高，如若使用上述方式，使每组中目标设备数量降低，则算法效率将得以提升。

2.2 二进制搜索算法

本文基于确定性算法对防碰撞算法进行优化与改进，具体措施为：

（1）由发起端发出一个查询指令REQUEST，将UID参数设置成全1序列，代表查询序列号；将BN参数设置为0，代表位码值。当目标设备接收指令后，采用随机数发生器生成新的位码，并将UID与BN参数反馈给发起端；

（2）当发起端接收到BN数值以后，分为三种情况，一种是BN数值为0，这代表着存在目标设备，操作完毕；另一种是BN中只有一位为1，也就是只有唯一的位码，无碰撞现象，则全部设备都汇集到同个组中，对UID中是否存在碰撞现象进行检测，如若存在则需要执行BTS算法，如若不存在则操作完毕；还有一种情况是BN中存在多个1，也就是由许多位码，要想从中识别中最高位，使BNR位置为1，其他为0，则需要生成本组BNR，并将BN中的最高位变为0；

（3）在发起端对命令REQUEST进行发布，将其中全部UID设置为1，使BN与BNR的目标相同，在接受到指令以后迅速反馈，如若信号接收失败，证明改组内已经不存在目标，这时需要重复上述（2）的操作；

（4）在对某一序列号进行识别后，采用SELECT命令对其状态进行读取，并完成数据传输，识别下一个设备，直至将全部设备都识别出来。

2.3 防碰撞算法的仿真实现

2.3.1 仿真过程

首先，点击“start”按钮，将UID模块中从0转变为12组相互独立的4位二进制数据，并将state模块设置成“READY”状态，将统计模式设置为0；其次，通过Initiator将查询命令REQUEST传输出去，UID的数值为1111，BN的数值为0000，将targets反馈的参数接收，从该数据中能够看出，UID与BN中的数据出现了碰撞情况，也就是码元之间没有出现跳变情况。第三，将Initiator传送到REQUEST当中，借助识别目标使BNR由1000逐渐降低到0001，通过分析碰撞发生后数值的变化情况得出UID的值。

2.3.2 仿真结果

（1）碰撞频率。在BNBTS算法应用过程中共计产生11次碰撞，BTS算法应用中共计产生21次碰撞。碰撞的频率越高意味着双方产生交互的次数越多，时延越长。在本文研究的仿真实验中，BTS算法产生的碰撞频率几乎是BNBTS算法的50%；

（2）查询次数。根据碰撞频率能够对查询次数进行计算，数值为碰撞频率与targetss数量之和。在BNBTS算法中，查询次数为23次，而BTS中为33次，相比来看，BTS算法的查询次数超过BNBTS算法的30%；

（3）平均通信量。计算方式为传输比特数值与1/12的乘积，其中传输比特值的计算方式为targets传输的比特数与Initiator相加之和。通过计算可知，BNBTS算法的平均通信量为97.33bit，BTS算法为102.67bit。在实施过程中，当target为单一的情况下，也就是碰撞频率为0、查询次数为1时，与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。由于位码BN存在明确的分组，碰撞频率降低，而BTS算法的平均通信量又高于BNBTS算法，因此效果也将更加显著。

结论：综上所述，在本文的研究中主要对NFC的主要结构与编码技术进行分析，并在位码优化的基础上对数据传输的防碰撞算法进行研究，首先介绍了算法的基本思想，然后在位码优化的基础上对二进制搜索算法的应用流程进行分析，最后通过仿真分析的方式，对防碰撞算法进行仿真实现，从碰撞频率、查询次数、平均通信量三个角度对仿真结果进行总结。