基于4G无线通信技术模块在柔性电子标签上的应用研究

曾聪 曾文波 钟建坤

摘  要：本文通过探讨无线通信技术的发展历程，可以清楚地了解到通信技术对社会的贡献非常巨大，特别是对4G技术的特性及优势分析，凸显出了信息设备的庞大数据量与各种业务对先进的移动通信技术的依赖。同时通过对比现有的几种无线通信技术，本文决定采用现有的非常成熟的4G通信技术来对柔性电子标签展开研究。本文简单阐述了无线通信技术在电子标签上应用的基本原理，通过实验数据展现了4G通信技术的重要性。

关键词：电子标签;无线通信技术;4G技术

中图分类号：TN929.5       文献标识码：A 文章编号：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  无线通信技术的发展历程

无线通信技术发展至今，基本可以概括为五个阶段。

第一阶段：早期专用移动通信阶段。最先研究出短波频段专用移动通信系统，其最具代表性的应用是美国底特律市警察使用的车载无线电系统，系统原始版本使用频率是2MHz。这系统由于出现在无线通信技术刚起步的阶段，研究与应用不是很成熟，所以一般都是专用，特点是工作频率较低。

第二阶段：公用移动通信业务开始问世。在这期间公用移动通信业务开始发展。其最具代表性的使用技术是美国贝尔实验室技术，在1946年，利用此技术在圣路易斯城建立了世界上第一个“城市系统”的公用汽车电话网。这个系统采用了三个频道，每个频道之间间隔120KHz，且只是使用单工通信方式。该系统显然是从专用系统升级为公用系统，采用人工接续方式，全网的通信容量较小，但这却是整个无线通信技术的一个进步。

第三阶段：移动通信系统改进与完善的阶段。这最能代表的技术是美国推出的改进型移动电话系统，可以自动选择无线频道，并且还能在公用电话网上实现自动接续。这阶段的贡献是實现了对移动通信系统从人工到自动的改进。

第四阶段：移动通信持续高速发展阶段。1978年底美国贝尔实验室研制出了采用小区制的先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，以此大大提高了系统容量。[1]这阶段的主要特点是蜂窝移动通信网进入实际应用阶段，并在世界各地迅速发展。

第五阶段：移动通信技术进入成熟和快速发展阶段。这一阶段的移动通信技术已发展得非常成熟，可以说是如同快速行驶的列车般发展了。在1995年就出现了第一代移动通信模拟方式，用户的语音以模拟信号方式传输。这一技术的主要代表是美国的AMPS和英国的TACS。

在第一代系统出现不过两年，就立马出现了第二代移动通信采用全球移动通信系统（GSM）、码分多址蜂窝移动通信系统（CDMA）等数字技术，使得手机能够接入互联网。之后就出现了第三代移动通信，此代移动通信能使我们互联，能实现全球范围内无缝隙漫游，能实现用户用手机处理音乐、图像、视频，能够进行网页浏览，而且还能够达到开电话会议的程度，方便了电子商务活动的开展。粗略地看一下移动通信的发展史，我们会发现从20世纪80年代初期的第一代模拟移动通信商用开始，基本上是每10年就会出现新一代移动通信技术，旧一代技术的退幕大概用了15年至20年的时间。目前第一代移动通信系统早已退出历史舞台，占据市场主流的是第二代移动通信系统。但是随着用户对业务的要求越来越高，这必然会促使移动通信系统往互联网和物联网方向发展，这就使得3G技术会越来越成熟，且第四代移动通信技术发展也越快，甚至已经开始出现5G移动通信技术的标准制定了。

2  无线电子标签的概念及其特点

RFID无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签，操作快捷方便，在超市中频繁使用。[2]

以类别上的划分来讲，本文采用的是主动式标签。其自身拥有自供给电源，用来供应内部IC电源以产生对外信号。通常情况下，主动式标签读取距离较长和记忆体容量相对比较大，其可以储存读取器所传送来的一些附加信息。

电子标签的几个优点：

（1）多目标识别。与其他识别方式相比，RFID有最明显的优点：在阅读器的识别范围内，可以同时识别多个Tag目标，这极大地提高了识别效率。

（2）能在恶劣环境中使用。纸张的电子标签如果被弄脏了就会看不到，但RFID电子标签对水、油和药品等物质却有非常强的抗污性。RFID即使处在黑暗或非常脏的环境之中，照样可以读取到我们需要的数据。在恶劣环境中，RFID更能发挥它的优势。

（3）穿透能力强。标签被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材料包裹，也可以被正确识别。不过若是被铁质金属包裹，信息的传输会比较困难，不容易通讯。

（4）可重复使用。由于RFID为电子数据，可以反复被覆写，特别是主动式标签，只要传送数据过去就可以进行更改。

3  RFID射频识别技术的基本原理

射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。[3]

此射频识别系统有以下几部分组成，分别是计算机、网络、识读器、天线、标签。首先由标签（有源标签）自发输出某一频率的信号，然后通过天线接收到该信号，再将该信号传输到识读器，识读器读取到该信息并进行解码，之后将解码的信息送到计算机系统进行数据处理。

4  无线通信技术下电子标签的各种应用

电子标签实物图如图1所示，其在各行各业上的应用非常广泛，比如：

（1）物流：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储应用，港口应用，快递。

（2）零售：商品的销售数据实时统计，补货，防盗。

（3）制造业：生产数据的实时监控，质量追踪，自动化生产。

（4）服装业：自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道管理。[4]

（5）医疗：医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗。

（6）防伪：贵重物品（烟，酒，药品）的防伪，票证的防伪等。

（7）交通：高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等等。

本文的电子标签主要针对的应用是交通车辆。

（1）ETC高速不停车收费。不停车收费技术特别适用于高速公路或交通繁忙的桥隧道路下采用。将车载电子标签安装在车辆挡风玻璃上，通过收费站ETC车道时，ETC微波天线之间的微波专用短程通讯，利用联网技术使计算机与银行连通，将数据传送给银行后台进行结算处理，从而让我们经过路桥收费站时无需停车且同时能交纳路桥费。

（2）车辆电子标识。目前国内道路上的交通管理应用最广泛的技术是视频识别技术，主要是通过车辆图像和车牌识别截取交通信息，这一技术存在许多缺陷，其获得的信息可能受地形、建筑物、大型汽车及其他障碍物遮挡，或者是天气及夜间照明度不足等因素影响，甚至是有些套牌车辆和故意遮挡号码牌的车辆亦没办法识别。

那么我们在每一台车辆上安装唯一的无线电子标签，则可以解决车辆识别与防伪这一问题。有了无线电子标签，前面所提到的几大影响因素基本可以解决，套牌车辆与遮挡车牌的行为更是无所遁形。

（3）车辆交通的流量信息。我们现在获得的车辆在道路上的流量信息主要依靠线圈车辆检测器、视频车辆检测器和超声波检测器等，其准确性与可靠性都不是很高。无线电子标签识别技术采集道路交通信息，其能够实时且准确地获得车辆在道路上的流量信息，还可以通过此技术采集到每部车辆的附加属性如车型、车辆种类和特殊车辆等信息，也可以获知特定路段或者是特定区域内在道路上的车輛总量和平均速度等信息。此项技术可以为路网运行状况监测，路段上的车流量监测，车辆速度监测，道路上的拥堵程度评估，拥堵预警、异常事件报警和车辆拥堵疏导等提供帮助。

5  目前成熟无线通信技术的优点比较

无线通信系统中有GSM、3G、LTE等。上述技术的主要性能指标如下。

GSM是Global System For Mobile Communications的缩写，它是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，空中接口采用时分多址技术。GSM的主要优势在于用户可以从更高的数字语音质量和低费用的短信之间作出选择。

WCDMA是Wideband Code Division Multiple Access的缩写，它是第三代移动通信系统，采用宽带码分多址技术，是一种3G蜂窝网络。具体的工作方式是直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD），其技术特征有码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz，高速传输以支持多媒体业务。

TD-SCDMA是Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access的缩写，该标准是由中国自己首次提出，而且被ITU和3GPP国际标准组织承认的第三代移动通信标准之一。TD-SCDMA空中接口综合充分利用TDMA、CDMA、FDMA和SDMA这四种技术，能够动态调整最优资源分配。同时在频谱利用率、对业务支持方面具有灵活性等独特优势。

CDMA2000是Code Division Multiple Access 2000的缩写，该技术采用了码分多址技术，空中接口采用的技术包含初代CDMA2000 1X技术和加强版CDMA2000 1X EV-DO技术。同时CDMA2000是CDMA的升级版，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等优势。

LTE-FDD实质上来说是“准4G”技术，是在3G基础上进行的升级。LTE使用的技术有OFDM空中接口技术、MIMO、自适应等先进技术，这些技术能够提高数据率和系统性能，使用扁平化网络结构和全IP系统架构，如此可以支持更宽的网络带宽和多种系统带宽。TD-LTE同样可以界定为4G技术，采用的工作方式是时分双工模式。TD-LTE采用的技术与LTE-FDD有所不同，其采用了一些新技术，比如OFDM、多天线MIMO、64QAM、简化的状态以及小区间干扰协调。其同样采用了全IP扁平的网络结构、优化的帧结构，实现了更高的带宽、更大的容量、更高的数据传输速率和更低的传输时延的效果。[5]

6  选择4G通信技术的关键技术及优势

目前移动通信技术以4G的技术为主，3G技术已不能满足用户的许多业务要求，5G技术尚处于研发阶段，因此4G技术的优势展露无遗。4G技术是主流，那么我们相应对其关键技术要有所研究。以下是4G技术的关键技术。

6.1  正交频分复用技术（OFDM）

OFDM技术其实是多载波调制的一种，其原理是：将信道分成若干正交子信道，把高速串行数据信号转换成低速并行子数据信号，子数据信号被调制在这若干正交子信道上传输。正交信号可以通过接收端采用相关解调技术分开，由于采用了正交信道，这样减少了子信道之间的相互干扰。采用了OFDM技术进行传输，可以提高频谱的利用率，使信号的抗衰能力得到增强，码间干扰被降低，同时提高了数据的传输速度。

6.2  软件无线电技术（SDR）

软件无线电技术的核心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。[6]

6.3  多输入多输出技术（MIMO）

多输入多输出指的是无线网信号通过多天线进行同步收发，以提升数据传输效率。传统的通信架构一般采用SISO（单输入单输出）模式，只有一个发射天线和一个接收天线。

MIMO技术使用已有多年，其已经在Wi-Fi舞台上发挥了自己的优势，如在802.11n中已经获得了广泛商业应用。通过在无线连接终端中采用多天线，基于多径分集，802.11n可大大提高信号的质量和可靠性，并增加50%或更多的吞吐量。MIMO技术也是改善蜂窝覆盖的重要方法。在4G网络的带宽成为一个主流的时代，MIMO就成为移动运营商满足其容量需求的重要手段，MIMO也将成为移动服务基础设施部署的标配。

6.4  基于IP的核心网

4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝链接。核心网具有开放的结构，各种空中接口可以接入核心网;无论无线接入采用何种方式和协议，这IP核心网都能提供端到端的IP业务;且4G通信系统中将主要采用全分组方式IPv6技术取代IPv4，使其拥有巨大的地址空间，支持无状态和有状态两种地址自动配置方式，更具有移动性这些优点。

6.5  多用户检测技术

我们都知道传统的CDMA接收机中用户的数据接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下，所使用的扩频码不能正交，如此使多个用户之间的数据产生相互干扰同时也限制系统容量的提高。不过我们有一种技术可以解决此问题，它就是多用户检测技术，多用户检测技术解决问题的思路是把所有用户的信号都当作有用信号，不存在所谓的干扰信号。这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延迟等各自独有的不同信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。

6.6  智能天线技术（SA）

随着社会的不断发展，信息交流需求量也在的急剧增加。特别是个人移动通信的迅速普及，那么频谱可用带宽资源就会越来越少。而且智能天线技术目前也比较成熟，一般其阵元排列方式有直线型、圆环型、平面型等几种类型，其中等间距天线阵最为常见。以下是对智能天线的基本原理阐述。

首先我们需建立信号模型，设等间距线天线阵的阵元个数为L，阵元间距为d，以第一个阵元为参考阵元，信号设s（t）的入射方向为天线阵法线方向的夹角为θ。s（t）到达第i个阵元与到达参考阵元的时间差为：

τi（θ）=（i-1）sinθ

其中：c为光速。

信号s（t）在天线阵上的感应的信号用向量表示为：

x（t）=[x1（t），x2（t），…，xL（t）]τ=a（θ）x1（t）

其中：a（θ）=

阵列输出信号用y（t）可表示为：

y（t）=wτx（t）

其中：w为选取加权向量，可使我们需要的方向上的信号得到最佳合并，而其他方向上的干扰和信号则被抑制。

从其基本原理阐述中，我们就可以知道在无线基站使用全向收發智能天线时，通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，以达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。

那么我们可以描述一下4G移动通信技术的优势。

（1）传输速率。第一代移动通信技术只是模拟通信信号，只提供语音服务;第二代移动通信技术是数字式移动通信系统，传输速率也仅仅为9.6b/s，最理想状态也只达到32Kb/s;第三代移动通信技术数据传输速率达到2Mb/s;第四代移动通信技术数据传输速率可达10Mb/s～20Mb/s，理想速率可达100Mb/s。

（2）技术标准。4G通信技术必然要抛弃3G技术标准不统一这个弊端，建立统一标准，从而实现全球无缝漫游。

（3）互联和兼容性。4G之前的通信技术不是基于IP地址结构，致使各类标准间互联性差。4G移动通信技术则基于IPv6的网络，能更好地支持各项移动业务，地址空间将更大，信息安全性将更可靠;IPv6网络能支持多种异构的宽带无线网络之间的整合，更易于多种系统和服务的兼容。

（4）网络频谱效率。3G使用的频率是1.8GHz～2.5 GHz，其频谱效率可达到2bps/Hz。而4G使用的频率是2GHz～8GHz，其频谱效率可达到5bps/Hz。从这频谱效率对比就可知4G比3G更能自适应地进行频率资源分配，达到满足日益增长的手机用户数量目的。

（5）覆盖范围。我们都知道移动通信都使用蜂窝式大区制覆盖地区信息，通信覆盖区域之间会进行无缝连接与漫游。由于3G技术没有统一标准，这样会造成区域之间连接和漫游存在一系列技术问题。而4G是建立了统一标准的技术，可完美解决这一问题。4G技术还可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，再扩展到各个地区。

（6）成本。4G技术的先进性确保了系统和基础设施投资的大大减少，而且在通信费用上，4G比3G更具有低价优势。

7  结  论

社会的发展，科技的进步，使得我们这个世界的信息量越来越庞大。而且人们日益增长的物质文化需要也要求通信业务种类能满足各种市场需求，信息时代的生活需求变得越来越丰富，且向智能化方向发展，这些所有的传输技术就有赖于先进的移动通信技术。在目前阶段，4G移动通信技术完全能够满足这些市场需求。然而通信的更高需求使得4G移动通信技术的不足逐渐显现出来，那5G移动通信技术的发展变得越来越迫切了，好消息是5G移动通信技术的标准正在逐步确定，且在部分地方已开始试用。相信未来的信息世界会更加豐富多彩，中国的经济发展更能在这先进的移动通信技术的助力下取得优异成果，国力能鼎立世界强国之列。

参考文献：

[1] 吴功宜，吴英.物联网工程导论 [M].北京：机械工业出版社，2012.

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

[3] 百度百科.射频识别技术 [EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/射频识别技术/9524139？fr=aladdin，2019-05-24.

[4] 单平安.RFID应用于NB代工企业仓库管理的方案研究 [J].东方企业文化，2012（4）：21+32.

[5] 杜少凤，韩玉楠，杨岩岩，等.智能交通系统的无线通信技术探讨 [J].现代电信科技，2014，44（7）：68-73.

[6] 桑怀胜，李峥嵘.智能天线的原理、自适应波束形成算法的研究进展与应用 [J].国防科技大学学报，2001（6）：83-89.

作者简介：曾聪（1986.10-），男，汉族，广东河源人，电子与通信工程讲师，硕士，研究方向：电子与通信工程、网络工程;曾文波（1983.07-），男，汉族，广东河源人，高级工程师，硕士，研究方向：物联网技术与应用、嵌入式技术与应用;钟建坤（1973.02-），男，汉族，广东梅州人，计算机科学与技术副教授，硕士，研究方向：计算机系统仿真、计算机系统工程、软件工程或网络工程。