（信号与信息处理专业论文）超高频rfid系统仿真和防碰撞算法的研究.pdf

摘要 摘要 射频识别技术是一种采用射频方式实现信息传递以此来识别目标的技术，它 可实现多目标识别、运动目标识别。超高频r f i d 系统具有通信距离远、读写速 度快、信息容量大等特点，在物流、供应链等领域有广阔的发展前景。超高频 r f i d 系统一般由阅读器，标签和数据处理系统三部分组成，其中阅读器是r f i d 系统的核心部分，由控制单元、基带信号处理单元和射频单元构成。 本文在分析i s 0 1 8 0 0 0 6 系列标准的基础上重点对u h f 频段的r f i d 系统的 发送部分和接收部分进行仿真：在r i c i a n 衰落( 莱斯衰落) 和加性高斯白噪声的环 境中，实现了r f i d 系统的收发，得到信噪比和误码率的关系，为实际超高频 r f i d 系统的设计提供了可靠的理论依据。 防冲撞算法是r f i d 阅读器重要研究内容之一，本文重点分析了 i s 0 1 8 0 0 0 6 c 标准中的时隙随机防冲突算法，在s r 算法的基础上提出了改进的 多标签防冲突算法，该方法根据首次识别时标签的冲突情况来估算需要识别的标 签数来设置合理的时隙数，然后结合i s 0 1 8 0 0 0 0 6 b 中标签防冲突的思想来处理 识别过程中发生冲突的标签。这是一种不避让冲突的处理方式，减小了标签间冲 突的概率。然后对标准算法和改进算法进行了仿真与分析，结果表明改进后的算 法在通信次数和标签识别效率方面均优于s r 算法，有效提高了标签识别性能。 关键词：射频识别阅读器i s 0 1 8 0 0 0 6 时隙随机防冲突算法 a b s t r a c t a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi s a l la u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hc a l li d e n t i f ym o t i v ea n dm u l t i p l et a g st h r o u g hr a d i of r e q u e n c yf o r t h ep u r p o s eo fi d e n t i f i c a t i o n u h fr f i ds y s t e mi sb e c o m i n gm o r ew i d e s p r e a di nt h e t r a n s p o r t a t i o nd o m a i n 、l o g i s t i e sm a n a g e m e n td o m a i n a n da n d 8 0o nd u et oi t s a d v a n t a g e ，s u c ha sl o n gr e c o g n i t i o nd i s t a n c e ，f a s tr e a d - w r i t es p e e d u h fr f i ds y s t e m i sc o m p o s e db yr f i dr e a d e r 、t a g sa n dd a t am a n a g e m e n ts y s t e m r e a d e ri st h em o s t i m p o r t a n tp a r to fr f i ds y s t e m ，w h i c hc o m p o s e db yc o n t r o lm o d u l e ，b a s e b a n ds i g n a l m o d u l ea n dr a d i of r e q u e n c ym o d u l e t h ea r c h i t e c t u r eo fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nf r f i d ) i sd e s i g n e da n d s i m u l a t e db a s e do ni s o i e c18 0 0 0 - 6u h fr f i dp r o t o c o l s t h et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e ro fr f i ds y s t e ma r ea c h i e v e da n dt h eb a c k s c a t t e rt e c h n o l o g yi sv e r i f i e di n m u l t i - p a t hf a d i n ga n da w g nc h a n n e l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i g n a l - t o n o i s ea n d b i t e r r o r - r a t i oi sg i v e n ，w h i c ho f f e r sr e f e r e n c e st os y s t e ma p p l i c a t i o ni ns c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l ed e s i g no fr f i ds y s t e m t h es t u d yo ft h em u l t i - t a ga n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h mi sv e r yi m p o r t a n tf o rr f i d r e a d e r t h i s p a p e ra n a l y s e d t h es l o tr a n d o ma n t i c o l l i s i o n a l g o r i t h m ( s r ) o f i s o18 0 0 0 - 6 cp r o t o c o la n dp r e s e n t e da l li m p r o v e da l g o r i t h mo fi t t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mi sp r o p o s e dw i t l lt a ge s t i m a t i o na n dt h em u l t i - t a ga n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h mo f i s o18 0 0 0 6 b t h i s a l g o r i t h md o e s n tp a r r yt h e c o l l i d e dw h i c hc a nr e d u c et h e p r o b a b i l i t yo fm u l t i - t a gc o l l i s i o n t h er e s u l t so fo u re x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h m , c o m p a r e dw i t l lt h es ra l g o r i t h m ，h a sl e s sc o m m u n i c a t i o nt i m e s a n db e t t e ri d e n t i f i c a t o ne f f i c i e n c y s ot h ei m p r o v e da l g o r i t h mi saf e a s i b l ea n d e f f i c i e n ts o l u t i o nt oi d e n t i f y i n gt a g s k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n e yi d e n t i f i e a t i o n ( r f i d ) ；r e a d e r ；i s 0 1 8 0 0 0 6 ： s l o tr a n d o ma n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m ( s r ) ； i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 日期：年月日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：日期：年月日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 射频识别技术( r f d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是一种新兴的自动 识别技术。它利用射频信号通过电磁传播方式实现信息传递并通过所传递的信息 来识别目标的技术，可实现多目标识别、运动目标识别i l j 。 r f i d 系统一般由阅读器，标签和数据处理系统三部分组成。其中阅读器是 读写电子标签信息的设备，是实现r f i d 系统功能的核心部分。在实际应用中， 通常将电子标签放置在待识别物体的表面，通过阅读器读取并识别电子标签中所 保存的数据，从而达到自动识别个体的目的。r fi d 技术可用来跟踪和管理现实生 活中几乎所有的物理对象，通过与数据库，通信网络的联合，人们可以把现实生 活的物体转变到网络中，以此可以对它们进行监视、跟踪和管理。在工业自动化、 商业自动化、交通运输控制管理、防伪及军事等众多领域都有广泛的应用【2 】。 ( 1 ) 交通运输管理方面：高速公路自动收费系统是射频识别技术很成功的应用， 它充分体现了非接触识别的优势。在车辆通过收费站的同时就完成缴费，解决了车 辆排队交费的问题，避免了车辆的拥堵，提高了交通运输效率和车辆收费计算效率。 ( 2 ) 物流管理方面：r f i d 技术在物流管理的销售、存储、运输和配送等环 节都发挥着关键的作用，只需将记录物品信息的电子标签贴在物品上，借助射频 识别技术就可以实时准确的掌握物品的位置，数量等各种信息，可以有效地补充 货源，准确对物品进行库存盘点，清楚地掌握运输途中货物的状态，加快物品的 配送速度。总之使用r f i d 技术可以追踪物品在整个供应链中的流向，为货物的 各宗管理和监控提供了方便，快捷，准确的自动化技术手段。 ( 3 ) 产品加工控制方面：主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上，通过 r f i d 技术可以对生产线上产品的实时情况进行自动控制、监视、记录和跟踪， 减少由人为原因而造成的错误，提高生产效率。 ( 4 ) 电子商品监视方面：电子商品防窃系统( e l e c t r o n i ca r t i c l e s u r v e i l l a n c e ，e a s ) 是一种应用r f i d 技术防止商品被盗的装置，它一般 广泛应用于商店、图书馆、数据中心等场合，当不经过允许取走装e a s 标 第l 章绪论 签的物品时，e a s 系统就会发出警告，有效地防止了商品的丢失。 r f i d 技术在众多领域都有着广泛的使用，同时我们注意到在很多场合下阅 读器都需要对多个标签物体进行识别，但是当多个标签同时向阅读器发送信息就 会造成标签间的冲突，从而阅读器就不能正确的识别标签返回的信息。因此，开 发出小型化、低功耗具有自主知识产权的超高频r f i d 读写器核心模块以及有效 的多标签防冲突算法是超高频r f i d 系统研究的重要内容。 1 2 国内外发展现状 射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。随着基于射频 识别技术的电子产品标签( e p c 标签) 的产生，互联网和e p c 射频识别技术正 孕育着一次突破机遇。为满足对单个产品的标识和高效识别，国内外许多科研机 构开展了以互联网和射频识别为核心技术的全球“物联网的研究，并且已经取 得了一定的成绩。国外射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交 通运输控制管理等众多领域。 在阅读器研发方面，国外1 2 5 l ( i z 的低频段和1 3 5 6 m h z 的高频段的读写器 系统相对比较成熟。在超高频和更高的频段，读写器的研发工作正在快速进行中， 各种标准的读卡设备不断涌现。传统的条形码阅读器厂商s y m b o lt e c h n o l o g i e s 等是该领域技术的领头羊，n o k i a 也正在研发具有阅读r f i d 能力的移动终端并 已生产出样机。西门子公司已经接近完成固定式读取器的样机测试，这种读写器 符合e p c g l o b a l 以及i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准，可工作在8 6 5 8 6 8 m h z ，9 0 2 9 2 8 m h z 两个频段，也有其他类型读取器正在向小型化、多协议、多频段的方向发展。 国内在低频( l f ) 、高频( h f ) 频段读写器的研发方面技术比较成熟，已经 基本掌握了读写器的核心技术，取得了较大的进展，与国外的差距不大。如基于 i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 4 3 协议的近中距离读写器产品和电子标签产品已经系列化、 多样化，并在金卡工程、金融卡网络及第二代身份证等项目得到广泛应用。国内 多家企业已推出了r f i d 标签读写器产品系列产品，例如上海华申智能标识有限 公司已推出普通型和防爆型的手持式、联机式r f i d 读写器，深圳普诺玛公司已 推出了高频系列读写器、近中远距离检测天线等产品。 但是在超高频r f i d 技术方面，我国还处于初级发展阶段，与国外r f i d 芯 片设计方面有一定的差距，超高频段芯片的生产基本都被国外厂商垄断，市场上 2 第1 章绪论 可以供应e p c c l a s s l g e n 2 芯片的厂家主要有恩智浦半导体( n x p ) 、t m p i n j 、 s y m b o lt e c h n o l o g i e s 、德州仪器( t 1 ) 、a l i e nt e c h n o l o g y 。相对于国外大公司， 国内在超高频段读写器设计方面比较著名的公司如复旦微电子，深圳先施科技以 及远望谷等公司都在致力于早日推出中国具有自主产权的超高频r f i d 芯片。 r f i d 读写器种类主要有桌面式读写器、便携式读写器、固定式读写器等几 类，国际上超高频读写器主流品牌和厂家如表1 1 。 表1 1 超高频读写器主要供应商 t a b l a l - lt h em a i nc o m p a n i e sp r o d u c i n gu h fr f i dr e a d e r 厂商 产品形式天线嵌入式系统 战哩吣钓 固定式 4 怒y 髓 a l i e nt e c h n o l o g y 固定式 4n o a l i e nt e c h n o l o g ) r 固定式 4y 髓 a l i e nt e c h n o l o g y 固定式 4n o a w d 固定式 1 2y e s i n t e r m e ct e c h n o l o g i 髑固定式 4y e s i n t e r m e ct e c h n o l o g i e s叉车连接 1 ( i n t e r n a l ) n o i n t e r m e ct e c h n o l o g i e s 手持式1 ( i n t e r n a l ) n o o m r o n固定式8y e s p s i o nt e k l o g i x 手持式 1 ( i n t e r n a l ) y e s s a m s y s 固定式 4n o s a m s y s咖打印机接口模块 l n o s y m b o lt e c h n o l o g i e s 固定式 4 n o s y m b o lt e c h n o l o g i e s 手持式 4n o w jc o m m u n i c a t i o n s 固定式 4y 懿 w jc o m m u n i c a t i o n s 固定式 ln o 1 3 研究目的和意义 超高频( u h f ) 频段的r f i d 系统具有阅读距离远、读写速度快、尺寸小等优 点，更适合未来物流、供应链等领域的应用，也为实现“物联网 提供了可能， 在今后超高频r f i d 产品将是r f i d 领域内的主流产品。我国在超高频r f i d 技 术方面还处于发展初级阶段，因此，超高频r f i d 系统的发展是当前r f i d 系统 发展的重点，2 0 0 6 年国家科技部启用一亿二千万资金支持“射频识别( i 江i d ) 第1 章绪论 技术与应用 8 6 3 计划重大研究项目，也是为了推动我国射频识别系统，特别是 超高频系统的研究、开发及应用。 小型化、低功耗、具有自主知识产权的超高频r f i d 读写器的核心单元模块、 超高频电子标签芯片的设计以及有效的多标签识别防冲突算法等内容是超高频 r f i d 应用技术重要部分，也是国家“射频识别( r f d ) 技术与应用”8 6 3 计划重 大研究项目中的主要内容，这方面的研究成果可以进一步完善和充实r f i d 技术标 准，促进整个r f i d 应用产业的发展，特别是在物流、供应链等应用领域，为尽快 取得一系列具有自主知识产权、并达到国际先进水平的r f i d 关键技术，建立起我 国r f i d 技术自主创新体系，提高国内企业的竞争力和经济效益都具有重要的意义。 1 4 论文主要工作和结构安排 本文的工作主要有两个部分，一部分是基于m a t l a b s i m u l i n k 平台对超高频 r f i d 系统进行了链路级仿真，另一部分总结了现有的防碰撞算法，重点研究了 i s 0 1 8 0 0 0 6 c 中的时隙随机( s r ) 防碰撞算法，在此基础上进行了改进，并从理 论上论证了改进方法的有效性。本文共分六大章和结论部分。论文组织结构如下： 第1 章阐述了r f i d 的基本概念，r f i d 技术所涉及的应用领域以及r f i d 读 写器的国内外技术发展现状等；介绍了本课题的研究背景和意义，本文的主要工 作及论文章节安排。 第2 章分析了超高频r f i d 系统的结构组成、基本工作原理和相关技术标准， 特别对三种超高频r f i d 通信标准i s 0 1 8 0 0 0 6 a b c 进行了对比和分析。 第3 章基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台在i s 0 1 8 0 0 0 6 的基础上对超高频r f i d 系统进行了链路级仿真，得到了发送信号和接收信号的波形以及信噪比和误码率 之间的关系曲线，并对仿真结果进行分析。 第4 章总结了现有的多标签防碰撞算法，重点对i s 0 1 8 0 0 0 - 6 c 中的时隙随机 ( s r ) 防冲突算法进行了研究分析并对其操作过程进行了举例说明。 第5 章在i s 0 1 8 0 0 0 6 c 时隙随机防冲突算法的基础上结合i s 0 1 8 0 0 0 6 b 非 基于位操作的二进制搜索法的思想提出了一种改进的标签防冲突方案，并对该方 案进行仿真实验与理论分析。 第6 章结论部分总结全文，并指出下一步研究工作的重点。 4 第2 章超高频r f i d 系统及相关通信协议分析 第2 章超高频r f i d 系统及相关通信协议分析 超高频r f i d 系统可对电子标签进行远距离识别并且可同时识别多个标签， 在今后物流、供应链领域的会得到非常广泛的应用，因此对超高频r f i d 阅读器 的系统结构、工作原理以及相关超高频r f i d 通信协议进行分析是研究开发超高 频r f i d 系统的基础。 2 1r f i d 系统结构 r f i d 系统是一个典型的通信系统，一般由阅读器，标签和数据处理系统三 部分组成，系统结构如图2 1 所示。 ”。一， 读写器模块 茅蘸 控制单元 i a d d ae q 编码解码降 d 基带放大k l 基带调理i - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 图2 - 1 超高频r f i d 系统构成 f i n g e r 2 1t h es y s t e mo f u h fr f i d l 、电子标签 r f i d 电子标签中一般保存有约定格式的编码数据，用以标识标签所附着的 物体，其可以分为无源标签和有源标签两种。 无源电子标签不带电池，要靠外界提供能量才能正常工作。在读写器的射频 区域范围之外时，标签处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器 发出的射频能量中提取其工作所需的电能。 有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分 地转换为标签与读写器通信所需的射频能量。 2 、数据处理系统 在射频识别系统的应用中，数据处理系统也就是对阅读器进行指令控制的后 台计算机，它用于存储和管理标签相关信息，它可以与计算机网络相连，以实现 r f i d 系统通信和数据传输。数据处理系统可以通过r s 2 3 2 接口与阅读器进行通 信能够向阅读器发送命令，并且也能接收阅读器返回的信息。 5 六一谓一最 放一解一髟 | | i 竺蛳 波一制一滋 竺竺黻 第2 章超高频r f i d 系统及相关通信协议分析 3 、阅读器 本文所研究的阅读器是基于i s 0 1 8 0 0 0 6 标准的超高频r f i d 阅读器，它是 r f i d 系统的核心部分，从构成上可以分作三个部分，即射频单元，数字基带单 元和控制单元。 射频单元：分为发送电路和接收电路两部分。发送部分主要对基带信号进行 调制发射及发送载波，为电子标签提供能量：接受部分主要对天线接收来的射频 信号进行解调，以送往基带单元进行处理。 数字基带单元：基带数字信号处理主要包括基带信号的编、解码、数据的校 验和基带信号的滤波。r f i d 阅读器基带部分位于读写器控制单元和射频单元之 间，结构上实现了两者之间的连接，功能上则实现了控制单元和射频单元之间数 据的传输。在硬件实现上以f p g a 为核心，选定配置芯片，实现与阅读器控制单 元( t i 公司的1 6 位高速d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ) 和射频单元的通信。 控制单元：采用t i 公司的1 6 位高速d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 作为核心 处理器，主要实现阅读器与后台计算机的通信和控制阅读器与标签的通信过程。 阅读器与后台计算机进行通信：接受计算机发来的指令并对此指令按照阅读 器和计算机的接口进行协议解析；把根据计算机指令操作后的结果反馈回来。 控制阅读器与标签的通信过程：根据后台计算机发来的指令按照r f i d 标准 对标签进行各种操作，并接收标签返回的数据信息。主要完成对标签的识别和读 写功能，即对标签的选择( s e l e t e ) 盘存( i n v e n t o r y ) 和访i b ( a c c e s s ) 。主要操作包 括对发送数据的整合和加密；对接收数据的解密，c r c 校验和判断以及标签的 防碰撞算法的实现。 4 、超高频r f i d 阅读器基本工作流程 阅读器基本工作流程如下：r f i d 控制单元根据后台计算机发来的操作命令 启动应用程序，将相应的操作命令发送给数字基带单元进行编码，形成的基带信 号进行脉冲成形，然后混频器将送来的基带信号进行a s k 调制，经过滤波，放 大后送往天线进行发射；电子标签接收到读写器发来的信号，获得能量后被激活， 开始执行阅读器的命令，并将返回的信号以反向散射调制的方式发送给阅读器。 阅读器天线将接收信号进行带通滤波，放大后进行解调得到基带信号，对信号进 行低通滤波放大，a d 采样后由d s p 进行处理，将得到标签数据传送到计算机。 5 、反向散射原理 超高频r f i d 系统中标签采用反向散射的调制方式，它是无源电子标签将数 6 第2 章超高频r f i d 系统及相关通信协议分析 据发送到阅读器时所采用的方式。阅读器不断发送射频信号为电子标签供电，即 使在标签向阅读器发送信息时，阅读器也要同时发送射频载波为标签供电，标签 将接收到阅读器发送的未调制载波信号的一部分转换成直流电压供给标签内部 芯片能量，另一部分标签将要发送的信号加载在这载波上反射给阅读器。 i s 0 1 8 0 0 0 6 协议中，标签可以通过要发送的数据来控制电子标签的阻抗实现幅 度或相位调制( 类似a s k 或p s k 方式) 。 2 2r f i d 系统频段划分和相关国际标准 r f i d 系统依据工作频率的不同可以分为低频、中高频及超高频系统。低频 系统一般工作在1 0 0 - - 5 0 0 k h z ，多用于近距离、低成本的应用中，如多数的门 禁控制、动物监管、货物跟踪；中高频系统工作在3 m 3 0 m h z 左右，其中1 3 5 6 m h z 的频率多用于门禁控制和需传送大量数据的场合；超高频系统则可达 8 6 0 - - 9 6 0 m h z 甚至2 4 5 g h z 的微波波段，主要应用于需要较长的读写距离和较 高的读写速度的场合，如集装箱自动识别、高速公路收费系统等。 目前国际上主要有三大r f i d 技术标准体系：美国的e p cg l o b a l 标准体系， 其前身是美国麻省理工学院( m 兀) 的a u t o i d 中心制定的标准、日本的泛在d 中心( u b i q u i t o u si dc e n t e r ) 标准体系和国际标准化组织i s o i e c 标准体系。 不同工作频率的r f i d 系统，所采用的国际标准也有不同： e p c 标准根据工作的频段可以分为e p cc l a s s0 、e p cc l a s s1 、e p cc l a s s2 、 e p cc l a s s3 、e p cc l a s s4 五个标准，c l a s s0 、c l a s s1 、c l a s s2 标签都是无源标 签，c l a s s3 标签是半无源标签，而c l a s s4 标签是有源标签。 i s o 标准又分为i s 0 1 0 5 3 6 、i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 3 ( a 、鳓、i s 0 1 8 0 0 0 ( 1 、2 、3 、 4 、5 、6 ) 协议，这些协议规定了r f i d 空中接口参数，频率范围包括1 3 5 k h z ， 1 3 5 6 m h z ，4 3 3 9 m h z ，8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ，2 4 5 g h z 等目前主要采用的频段。 日本u i d 标准使用u c o d e 编码，代码为1 2 8 位，采用的频段主要为2 4 5 g h z 和1 3 5 6 m h z ，支持者主要是本国厂商。 在r f i d 系统标准中应用最多的标准是：e p cc l a s s1 、i s 0 1 4 4 4 3 ( a 、b ) 、 i s 0 1 5 6 9 3 和i s 0 1 8 0 0 0 6 。这些标准都由物理特性( 括工作频率、调制方式、发送 和接收功率) 和通信协议( 包括初始化、防碰撞算法和传输协议) 构成。 超高频及微波频段的r f i d 系统由于具有数据传输速率高、传输距离远等特 7 第2 章超高频r f i d 系统及相关通信协议分析 点更适合未来、特别是在商业供应链中的应用。目前超高频( u h f ) 及以上频段 r f i d 通信协议主要有i s o 组织制订的i s 0 18 0 0 0 6 a m ( 采用8 6 0 m - - 9 6 0 m h z 频段) 标准、日本的u i d ( u b i q u i t o u si d ，泛在i d ) r f l d 标准( 采用2 4 5 g h z 频 段) 和e p c g l o b a l 组织制订的c l a s s l g e n 2 r f i d 标准。在这几个超高频r f i d 标 准中，c l a s s l g e i l 2 i 江d 标准一方面吸收了i s o1 8 0 0 0 6a b 等r f i d 标准成果， 另一方面根据第一代e p c 标准产品在市场应用中的反馈，进行了技术改进，性 能比第一代r f i d 标准有了显著提耐1 2 1 。其性能提高主要体现为兼容全球r f i d 频谱、具有良好的安全性和隐私保护、拥有更快的标签阅读速度。值得注意的是 e p cc l a s s l g e n 2r f i d 标准已于2 0 0 6 年正式成为i s 0 1 8 0 0 0 6 c 标准。 表2 1 三种超高频r f i d 通信标准比较 t a b l a l lt h em a i nc o m p a n i e sp r o d u c i n gu h fr f i dr e a d e r i s o l 8 0 0 0 - 6 al s o l 8 0 0 0 6 bi s o l 8 0 0 0 6 c 工作频段 8 6 0 9 3 0 m h z8 6 0 9 6 0 m h z 传输速率 3 3 k b p s1 0 k b p s 或4 0 k b p s2 6 7 l 【b p 譬一1 2 8 k b p s 阅读器 调制方式a s k 调制a s k 调制 d s b a s ks s b a s k 到标签 深度3 0 深度1 1 或9 9 p r a s k 数据编码p 匝编码m a n c h e s t e r 编码 p 压编码 标签到传输速率3 3 k b p s4 0 k b p s4 0 k 删k b p s 阅读器 调制方式反向散射调制 数据编码 f m o 编码刚o 编码f m 0 或m i l l e r 编码 标签u i d 6 4 b i t s6 4 b i t s16 b i t s - - - 4 9 6 b i t s 防碰撞算法a l o h a 算法二进制搜索时隙随机( s r ) 防碰撞算法 通信方式 半双工 这三种超高频r f i d 标准的主要不同之处总结如下： 前向链路编码：t y p e a 和t y p e c 一样，选择p i e 编码，而t y p e b 选择了 m a n c h e s t e r 编码。 数据传输率：t y p e a 的数据率为3 3 k b p s ，b 和c 的数据率都是可变的。t y p e b 的数据率为1 0 k b p s 或4 0 k b p s ，t y p e c 是从2 6 7 k b p s 一1 2 8 k b p s 也就是说t y p e c 在此范围内可以任意选择传输速率，这样留给用户的选择余地更大。调制深度最 第2 章超高频r f i d 系统及相关通信协议分析 高都为1 0 0 ，最低分别为2 7 、1 8 、3 0 。调制深度越深，传输速率越高， 抗干扰能力也越强。 防碰撞算法：t y p e a 使用的是a l o h a 算法，t y p e b 使用的是非基于位的二 进制树算法，t y p e c 则采用了随机时隙a l o h a ( s r ) 算法，属于动态帧时隙 a l o h a 算法。t y p e a 和t y p e c 虽然使用的防碰撞算法都属于a l o h a 算法，但 是t y p e a 规定最大帧长为2 5 6 ，当标签数量较多时，标签的碰撞率会增加，t y p e c 的最大时隙数可以达到2 1 5 ，一般不受标签数量的限制，这种算法较为有效，但 也较为复杂。 本文所研究的超高频r f i d 系统是基于i s 0 1 8 0 0 0 6 协议，因此这里重点对 三种超高频r f i d 标准i s 0 1 8 0 0 0 6 a b c 进行对比和分析是后续工作的基础。 2 3 本章小结 本章对超高频r f i d 的系统结构、各功能模块以及工作原理的进行了分析， 并对i s 0 1 8 0 0 0 6 t y p e a b c 三种超高频r f i d 通信标准进行了简要介绍和对比， 这是后续基于i s 0 18 0 0 0 6 协议对超高频r f i d 系统进行研究的基础。 9 第3 章超高频r f i d 系统链路层仿真研究 第3 章超高频r f i d 系统链路层仿真 本文为了验证超高频r f i d 系统方案设计的可行性，能够对以后的系统设计 提供更多的理论指导，因此基于m a t l a b s i m u l i n k 平台完成了对超高频r f i d 系统 链路层的仿真工作。 3 1r f i d 系统仿真平台简介 在超高频r f d 系统的设计中，为了验证其系统性能参数，需要建立仿真平 台对系统进行评估，本文根据i s 0 1 8 0 0 0 6 标准，基于m a t l a b s i m u l i n k 平台对超 高频i 心m 系统数据链路层进行仿真。m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y 的简称) ， 是一种科学计算软件，以矩阵形式处理数据。它提供了大量的内置函数，被广泛 应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。 s i l i l u l i n k 是m a t l a b 提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的一个 软件包。它有很多功能模块，也可以根据用户的要求编写代码以创建新的s i m u l i n k 功能模块，可以很方便地对系统进行可视化建模并可以在仿真过程中随时观察仿 真结果，同时s i i n u l i n k 的存储模块、仿真数据可以方便地以各种形式保存在工 作区或文件中，供用户在仿真结束之后对数据进行分析和处理。它仿真范围广泛， 可以对线性和非线性系统、连续和离散时间系统、连续和离散混合系统进行仿真。 超高频r f i d 系统仿真可以通过3 个步骤进行，即系统仿真建模，系统仿真 实验和仿真结果分析【_ 7 1 。 仿真建模是依据实际r f i d 通信系统建立数学模型的过程，它是整个仿真过 程中的关键步骤，仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性，不因为仿真 模型的简单而忽略许多关于实际系统的细节，从而影响仿真结果的真实性和可靠 性；也不因为仿真模型的过于复杂而花费过多的仿真时间，从而使仿真结果的分 析变得复杂。 仿真实验是一个或多个针对仿真模型的测试。在仿真实验过程中，通常需要 多次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真系统在这个过程中表现出 来的性能。应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初始 值，仿真运行实际上是计算机的计算过程，其花费的时间由仿真的复杂度确定。 系统仿真分析是一个仿真流程的最后一个步骤。在仿真分析过程中，已经获 1 0 第3 章超高频r f i d 系统链路层仿真研究 得了足够多的关于系统性能的信息，对于这些原始数据，一般还需要经过数值分 析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，图形是最简单的说明工具，它具有很 强的直观性，便于分析和比较。 3 2r f i d 通信系统不同层次仿真模型 为了清楚说明通信系统特别是数字通信系统，常常对系统进行分层次描述即 分为网络层，链路层次和电路实现层次【5 1 。本文主要基于m a t l a b s i m u l i n k 平台对 超高频r f i d 系统的链路层进行建模和仿真。 网络层次模型中信息流量控制和分配成为研究和设计的主要目标，而不关心 通信信号具体的处理和传输过程。传输协议的设计，优化和验证是网络层次模型 分析和仿真的主要工作。 在通信网络层次之下的链路层次模型一般由信源，调制器编码器滤波器放大 器传输信道解码器解调器信宿构成。在链路层次上研究和考察的对象是信号的传 输过程，信号处理的算法对传输质量指标的影响。调制方法的有效性，传输的可 靠性，传输容量分析，传输错误率分析是链路层次模型分析和仿真的主要任务。 对于数字通信系统，仿真评估的系统指标通常是比特错误率，传输速率等。仿真 模型中的模块如调制解调器，编解码器，滤波器，放大器以及传输信道等作为功 能性描述，通过对输入输出信号波形的仿真，来验证链路设计是否满足由网络层 次仿真仿真所要求的链路质量指标。通信网络层次的仿真软件主要有o p n e t 和 n s ，s y s t e m v i e w ，m a t l a b s i m u l i n k 作为方便而通用的数值计算和系统仿真平台在 通信系统链路层次仿真建模中有重要的应用。 对链路层次模型中元素的具体化就是电路实现层次的模型。电路层次的仿真 器主要是用来设计和验证电路系统是否达到了链路层次系统所要求的功能指标， 仿真软件主要有a d s ，m u i t i l s i m 等。 3 3 超高频r f id 系统链路层建模 本文主要基于m a t l a b s i m u l i n k 平台在i s o i e c l 8 0 0 0 6 协议的基础上对 9 1 5 m h z 的超高频r f i d 系统的发送部分和接收部分进行链路层的建模和仿真。 r f i d 系统一般由阅读器，标签和数据处理系统三部分组成。其中阅读器是 r f i d 系统的核心部分，它从结构上可以分作三个部分：射频单元，数字基带单 第3 章超高频r f i d 系统链路层仿真研究 元和控制单元【8 】。超高频r f i d 阅读器的结构如图3 1 所示，本文主要根据此结 构对系统进行发送部分和接收部分的s i m u l i n k 建模仿真。 图3 - 1 u h fr f i d 阅读器框架结构 f i g u e r 3 - 1s 仃u c t m eo ft h eu h fr e a d e r 阅读器工作流程主要分为发送部分和接收部分( m a f l a b s i m u l i n k 仿真也是基 于这两部分进行的) ，工作流程如下所示：微处理器根据计算机发来的操作命令 进行曼彻斯特编码，形成基带信号送到升余弦滤波器进行脉冲成形，然后混频器 将送来的基带信号进行a s k 调制，信号经过带通滤波器滤波，再经过功率放大 器放大后送往天线进行发射；电子标签接收到读写器发来的信号，获得能量后被 激活读写器将收到标签发来的反向散射调制的信号进行带通滤波，放大后分为两 路信号分别送入两路正交的本振信号进行混频，得到基带信号，对信号进行低通 滤波，放大处理，a d 采样后，由d s p 处理，得到标签信息，并传送到计算机。 3 3 1 超高频i 江i d 系统发送部分建模 在i s o i e c l 8 0 0 0 6 标准中，从阅读器到标签的数据传输可以有多种调制方 式，这里采用比较简单的a s k 调制，允许两种不同调制系数的调制。一种为调 制系数为9 9 的载波调制，基带速率对应4 0 k b p s ；一种调制系数为11 的载波 调制，基带速率对应l o k b p s 。图3 2 为m a t l a b s i m u l i n k 仿真的发送部分的框图： s i n e 怕v o 图3 - 2 超高频1 d 阅读器发送部分仿真框图 f i g u e r 3 2s i m u l a t i o no ft h et r a n s m i t t e r 1 2 第3 章超高频r f i d 系统链路层仿真研究 ( 1 ) 前向链路编码 阅读器发送的基带信号采用m a n c h e s t e r 编码方式，对每个二进制代码分别 利用两个具有2 个不同相位的新码去取代恻，这种编码方式既能提供足够的定时 分量，又不含直流分量，编码规则如图3 3 所示： ：1 ：0 ：1 ：1 ：0 ：0 ：1 ： l 丌u u q j l i iii i i o 曼彻斯特编码 图3 - 3 曼彻斯特编码 f i g u e r 3 3m a n c h e s t e re n c o d i n g 由于曼彻斯特n r z 码的脉冲宽度是极性n r z 码的一半，因此它所需要的传 输带宽是极性n r z 码的两倍，功率谱密度如3 4 图所示： n嘲li 朋 强 图3 4 功率谱密度( 正频率部分，r 为传输的比特率) f i g u e r 3 - 4p o w e rs p - t f b md e n s i t yo fm a n c h e s t e rc o d e ( 2 ) 升余弦脉冲成形滤波器 当矩形脉冲通过带限信道时，脉冲就会在时域中扩展，这样每个符号的脉冲 将干扰相邻的脉冲从而引起码间干扰，脉冲成形滤波器可以减小码间干扰，抑制 带外频谱，对发射基带信号进行波形整形。升余弦滤波器的传递函数表示式如公 式( 3 1 ) 所示： x ( 厂) = 乃 私。怿铡) 。俳寄 寄 r 叫 就绪 仲裁 应答 确认 开放 保护 杀死 图4 1 阅读器操作和标签状态 f i g u r e4 l i n t e r r o g a t o r t a go p e r