（电路与系统专业论文）900m+rfid射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外不包含其他入或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意 作者签名 论文使用授权声明 日期 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保 留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定。 作者签名导师签名日期 9 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口私防碰撞方法的研究 摘要 射频识别( r f i d ) 在当前已经有很广泛的应用，并且低频率的射频识别系统 已经得到足够的开发和了解，而高频的射频识别系统的应用和开发还没能达到足 够的程度。低频率的射频识别系统采用磁场的工作方式，工作距离比较近，无源 应答器获得能量一般采用磁场耦合的方式。而高频率的射频识别系统采用电场的 工作方式，工作距离比较远，无源应答器获得能量只能通过天线接收的方式。从 低频率的射频识别系统研究中得到的很多应用方法和知识无法在高频率射频识 别系统中使用。由于高频率射频识别系统中应答器发送到阅读器的信号传输一般 采用的是反向散射的方式，因此要以反向散射的特点为基础，结合适用有效的射 频信号接口，设计新的适合的防碰撞方法，和有效的通讯协议设计。 由于传统的方式的局限性，以及根据高频率射频识别系统中应答器发送到阅 读器的信号传输一般采用的是反向散射调制的方式。因此根据：1 。采用新的编 码降低高频射频识别系统中硬件设计的困难。2 。采，e ； j 新的编码方式，有利于进 行高频射频识别系统中最常用的反向散射方式。应当根据上面的两点没计更加有 效的射频信号接口。 r f i d 中的防碰撞方法技术是r f i d 通讯协议的基础，现有的防碰撞方法已 经经过了很长时间的发展，但是仍然有改进的余地，特别是在高频射频识别系统 中常用的反向散射调制过程中。 现在的防碰撞方法般可以分成两大类：a l o h a 法和二进制搜索算法。因 此现有的通讯协议也基本都按照这两种基本方法进行扩展而来。这里使用的新方 法和新协议将有机融合这两种方法，可以看到的是，这里使用的t v p ea 方法是 a l o h a 方法，但有机融合了二进制搜索方法的好处，而这里使用的t y p eb 是 二进制搜索方法，但是有机融合了时隙a l o h a 方法的好处。 对于r f i d 系统来说，需要一套完整的通讯协议的系统才能正常的进行工作， 通讯叻、议的基础在于防碰撞方法的使用。在一定的防碰撞方法的基础上，结合具 体的物理接口的使用，已经进行具体化的规定，这样就得到了通讯协议。这里提 出的两种通讯协议是分别按照这里提出的两种防碰撞方法，结合这里提出的物理 接f j 等方面的内容形成的，其中又具体增加了如何进行r f i d 中t a g 的m e m o r y 的读写操作的问题。 本文提出了可用于高频射频识别系统的一种信号接口，两种防碰撞方法，两 种具体的通讯协议。 第2 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 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 n ( r f i d ) i sac o n t a c t l e s sf o r mo fa u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o na n dd a t ac a p t u r e r a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y h a v e b e e n u s e d w i d e l y e s p e c t l yi nl o w f r e q u e n c yr 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 ya r e a o nt h eo t h e rh a n d t h eh i g h f r e q u e n c yr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nh a v e n o tb e e nw e l ld e v e l o p e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er f i dt e c h n o l o g y ，i ti s t i m et or e s e a r c ht h ea r e ao fh i g h - f r e q u e n c y i nt h i s p a p e r ，is u g g e s tam e t h o do fh i g h f r e q u e n c yr f i d t h ep a p e r i n c l u d eam e t h o dt os i g n a ls c h e m eo fi n t e r r o g a t o ra n dt a g ，w h i c hi ss u i tf o r t a g sb a c k s c a t t e rt r a n s m i t t e ds i g n a l s t h ep a p e ra l s oi n c l u d et w om e t h o do f a n t i c o l l i s i o ns c h e m e w h i c ha r er e s p e c t i v e l yo r i g i n e df r o ms l o t t e da l o h a m e t h o d sa n db i n a r yt r e et r a v e r s a lm e t h o d st h ea n t i c o l l i s i o ns c h e m eo fl h i s p a p e rh a sa d v e n t a g e s t h ep a p e ra l s og i v et w ot r a n s m i s s i o np r o t o c o lo f w h o l er f i ds y s t e m w h i c hi sc o m ef r o mt h es i g n a ls c h e m ea n da n t i c o l l i s i o n s c h e m eo ft h i sp a p e n 第3 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物埋接口和防碰撞方法的研究 1 前言 1 1 背景 自动设备识别技术是目前国际上发展很快的一项新技术，a u t o m a t i c e q u i p m e n ti d e n t i f i c a t i o n ，简称a e i 。用于实现人们对各类物体或设备( 人 员、物品) 在不同状态( 移动、静止或恶劣环境) 下的自动识别和管理。 无线电技术在自动识别领域应用中更具体的技术名称为射频识别， r a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ，简称为r f i d 。射频识别系统的组成一般至 少包括两个部分： ( 1 ) 应答器：t a a 。 ( 2 )阅读器：r e a d e r 。 应答器中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，应答器附着在待 识别物体的表面。阅读器又称为读出装置，可无接触地读取并识别应答器中所保 存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。进一步通过计算机及计算机网络 实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。 射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大类；根据 应答器内是否装有电池为其供电，又可将其分为有源系统和无源系统两大类：从 应答器内保存的信息注入的方式可将其为分集成电路固化式、现场有线改写式和 现场无线改写式三大类；根据读取应答器数据的技术实现手段，可将其分为广播 发射式、倍频式和反射调制式三大类。 低频系统一般指其工作频率小于3 0 m h z ，典型的工作频率有：1 2 5 k h z 、 2 2 5 k h z 、13 _ 5 6 m 。高频系统一般指其工作频率大于4 0 0 m h z ，典型的工作频段 有：9 1 5 m h z 、2 4 5 0 m h z 、5 8 0 0 m h z 等。高频系统在这些频段上也有众多的国 际标准予以支持。高频系统的基本特点是应答器及阅读器成本均较高、应答器内 保存的数据量较大、阅读距离较远( 可达几米至十几米) ，适应物体高速运动性 能好、外形一般为卡状、阅读天线及应答器天线均有较强的方向性。 有源应答器内装有电池，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池的寿 命有限( 3 - 1 0 年) ；无源应答器内无电池，它接收到阅读器( 读出装置) 发出的 微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护。相 比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。集成固化 式应答器内的信息一般在集成电路生产时即将信息以r o m 工艺模式注入，其保 存的信息是一成不变的；现场有线改写式应答器一般将应答器保存的信息写入其 第4 页菸1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 内部的e 2 存贮区中改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程中必须为其供 电；现场无线改写式应答器一般适用于有源类应答器，具有特定的改写指令，应 答器内保存的信息也位于其中的e 2 存贮区。一般情况下改写应答器数据所需时 间远大于读取应答器数据所需时间。通常，改写所需时间为秒级，阅读a , l - i 刮为毫 秒级。 反射调制式射频识别系统实现起来要解决同频收发问题。系统工作时，阅读 器发出微波查询( 能量) 信号，应答器( 无源) 将部分接收到的微波查询能量信 号整流为直流电供应答器内的电路工作，另部分微波能量信号被应答器内保存 的数据信息调制( a s k ) 后反射回阅读器。阅读器接收到反射回的幅度调制信号 后，从中解出应答器所保存的标识性数据信息。系统工作过程中，阅读器发出微 波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的。反射回的信号强度较发射信 号要弱得多。 射频识别( r f i d ) 在当前已经有很广泛的应用，并且低频率的射频识别系统 已经得到足够的开发和了解，而高频的射频识别系统的应用和开发还没能达到足 够的程度。低频率的射频识别系统采用磁场的工作方式，工作距离比较近无源 应答器获得能量一般采用磁场耦合的方式。而高频率的射频识别系统采用电场的 工作方式，工作距离比较远，无源应答器获得能量只能通过天线接收的方式。从 低频率的射频识别系统研究中得到的很多应用方法和知识无法在高频率射频识 别系统中使用。由于高频率射频识别系统中应答器发送到阅读器的信号传输一般 采用的是反向散射的方式，因此要以反向散射的特点为基础，结合适用有效的射 频信号接口，设计新的适合的防碰撞方法，和有效的通讯协议设计。 1 2 环境描述 下图是一个阅读器和r f i d 应答器之间的数据传输。一个或多个的询问信号 从阅读器发送至应答器，有一个或多个的应答信号从应答器发送至阅读器。这里 讨论的就是阅读器和应答器之间的通过何种信号进行传输的问题。 阅读器和应答器之间的通讯是通过无线传输。当接收到阅读器发出的信号 后，应答器通过反射和吸收部分的信号来产生应答信号。这种技术目前通常指的 是反向散射调制。应答器可以使用各种各样的方法来实现反向散射调制。在这些 方法不是这里要介绍的。这里关心的是采用何种形式的信号。 这里主要讨沧的是频率比较高的情况下。 图1 是环境描述。 第5 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 图1 ：环境描述 1 3 范围 应答器 t a glj 1 忑习 t a g2 医习 t a g3 f 这里r f 工作频率应当： 4 0 0 m h z ，典型的工作频段有：9 1 5 m h z 、 2 4 5 0 m h z 、5 8 0 0 m h z 。 1 4 内容简介 1 4 1 物理接口 在过去的射频识别系统采用的射频接口方面，主要采用的是：1 。用诸如 m a n c h e s t e r ，p i e ，反相不归0 ( n r z ) ，反相归0 ( r z ) ，米勒( m i l l e r ) ，p w m ， p p m 等等编码方式进行信号第一次低频的编码。2 。用高频信号对第一次的编码 进行a m 调制。 经过这两步之后才产生真正要发送的信号。 这样的方法在过去的射频识别系统中得到了很多的应用。然而这样的方法在 高频射频识别系统中就有些局限：这些编码方法( 指在步骤1 中的编码方法) 都 强调在一个b i t 位长度内的信号的幅度的变化，都强调一个b l l 发送结束后立即 开始发送下一个b i f ，这样对信号的同步要求就很高。而在实际的高频射频识别 系统中，对信号的接收( 特别是应答器) 就会要求比较高，这对应答器和阅读器 的硬件要求就会提高，这使应答器的设计变得困难。 此外，从低频率的射频识别系统研究中得到的很多应用方法和知识无法在高 第6 页共t 2 5 页 围圉 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通汛物理接口和防碰撞方法的研究 频率射频识别系统中使用。在低频率的射频识别系统中，应答器和阅读器通过电 磁耦台进行通讯联系，应答器和阅读器进行发送信号的方式在物理上近似，这样 采用的应答器专阅读器信号传输的通讯方式近似等同于阅读器专应答器信号传 输的通讯方式。而在高频率射频识别系统中，阅读器应答器的信号传输采用天 线广播的方式，而阅读器专应答器的信号传输一般采用的是反向散射调制的方 式。 由于传统的方式的局限性，以及根据高频率射频识别系统中应答器发送到阅 读器的信号传输一般采用的是反向散射调制的方式。因此根据：1 。采用新的编 码降低高频射频识别系统中硬件设计的困难。2 。采用新的编码方式，有利于进 行高频射频识别系统中最常用的反向散射方式。应当根据上面的两点设计更加有 效的射频信号接口。 1 4 2 防碰撞方法 r f i d 中的防碰撞方法技术是r f i d 通讯协议的基础，现有的防碰撞方法已 经经过了很长时间的发展，但是仍然有改进的余地，特别是在高频射频识别系统 中常用的反向散射调制过程中。 现在的防碰撞方法一般可以分成两大类：a l o h a 法和二进制搜索算法。因 此现有的通讯协议也基本都按照这两种基本方法进行扩展而来。 对于现有的a l o h a 法来说，主要采用的是时隙a l o h a 法和动态时隙 a l o h a 法，a l o h a 方法本质上是一种概率性的方法，确认出一个应答器所需 要的时间并不一定，只是在非常高的概率内可以确认出一个应答器。一般的 a l o h a 方法中，应答器在自己选定的时隙回答自己的全部t a gs i g n a t u r e ( 不一 定是应答器的识别码) 。阅读器如果没有发现冲突，要将这个s i g n a t u r e 原封不 动的返回给应答器，并且阅读器对未发生冲突的应答器进行操作后，这个应答器 才退出进行选择时隙回答的状态：如果发现冲突，阅读器要跳过这个时隙进入下 一个时隙。对于发生了冲突的应答器，这些应答器要保存在可以进行回答的状态 里，等待下一个选择回答的时隙。传统的时隙a l o h a 方法相当于只对未发生冲 突的应答器进行确认，每次只让未发生冲突的应答器退出回答轮次，这样依靠每 个轮次应答器个数的减少来最终使每个应答器都得到单独在一个时隙内进行回 答的机会。 对于现有的a l o h a 法来说，在对时间同步的要求上，这种办法在发生冲突 的时候只需要能判断出有无冲突就可以，对同步的要求要低一些，在理想情况下 的效率没有使用二进制搜索算法高，但是在实际应用中，由于要求比较低，完成 第7 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 a l o h a 算法比较方便。对于目前常用的时隙a l o h a 法而言，好处是，所有应 答器都在时隙内发送数据，因此有无冲突几乎可以一眼看出，可以保证很少误码。 坏处就是理想情况下的效率比二进制搜索算法要低。 对于现有的二进制搜索算法来说，在理想情况下，经过一段确定时间的搜索， 是一定能够确认出一个应答器的，因此二进制搜索算法不是一个概率性的方法。 一般的二迸制搜索方法中，阅读器要每次接收应答器发出的应答器识别码( t a g i d ) ，并且根据这些识别码和这些识别码反映出的发生冲突的b i l 位置决定一个识 别码范围，并且将这个识别码范围发送出去，在这个识别码范围内的应答器才能 进行回答。这样的好处是可以层层筛选应答器直到发现一个完整的没有冲突的应 答器识f ：l j i5 - 5 。但是这样的方法对应答器时钟同步和应答器开始进行回答的起始时 间的同步要求非常高，因此非常容易产生错误。 在对同步的要求上，二进制搜索方法对同步的要求比较高，要求能判断出冲 突发生在哪一位，因此在同步上的要求要高一些，完成二进制搜索方法要比较难 一些。对于目前的二进制搜索方法而言，在理想情况下的效率非常高，但是在实 际的使用中。阅读器要分辨出应答器发出的所有信号，并且要判断两个或者两个 以上的应答器发出的信号到底是在哪一个b i f 上发生了冲突，这对应答器而言， 对应答器的时钟，对应答器发送信号的起始时间都有很高的要求。因此这是实现 二进制搜索算法必须要解决的问题。 这里使用的新方法和新协议将有机融合这两种方法，可以看到的是，这里使 用的t y p ea 方法是a l o h a 方法，但有机融合了二进制搜索方法的好处，而这 里使用的t y p eb 是二进制搜索方法，但是有机融合了时隙a l o h a 方法的好处。 1 4 3 通讯协议 对于r f i d 系统来说，需要一套完整的通讯协议的系统才能正常的进行工作， 通讯协议的基础在于防碰撞方法的使用。在一定的防碰撞方法的基础上，结合具 体的物理接口的使用，已经进行具体化的规定，这样就得到了通讯协议。 这里提出的两种通讯协议是分别按照这里提出的两种防碰撞方法，结合这里 提出的物理接口等方面的内容形成的，其中又具体增加了如何进行r f i d 中t a g 的m e m o r y 的读写操作的问题。 第8 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 2 通讯物理接口 这里提供了一种用于高频射频识别系统采用的射频信号接口，主要描述了从 阅读器到应答器和从应答器到阅读器的射频信号的各种物理接i q 。 这里提供的射频信号的接口，适合高频率的射频识别系统采用，考虑了高频 射频识别系统中常用的反向散射调制方式，在此为基础上改进的通讯协议和防碰 撞方法可以提高效率。 这种方法可以使整个系统以近似即问即答的方式进行工作，虽然这还是一种 半双工的方法，但是由于充分利用了反向散射的特点，这使整个系统的效率接近 于全双工方式。 2 1 信号接口 图2 是典型的描述概念的示意图。 当a m 调制深度5 0 情况下，上面是阅读器专应答器传送信号，下面是应 答器专阅读器在阅读器专应答器传送信号上进行反向散射传输信号。 图2 ：信号接i z 概念示意图 上面的部分：阅读器专应答器传送信号 下面的部分：应答器专阅读器在阅读器专应答器传送信号上进行反向散射传 输信号。 阅读器应答器发送由a m ( a s k ) 调制的信号，其中a s k 调制深度高的那 部分的时间长度( c o m m a n dw i n d o w ) 将表达阅读器专应答器信号的不同逻辑 值。a s k 调制深度低的那部分将作为回答窗口( r e s p o n s ew i n d o w ) ，应答器在 第9 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和舫碰撞方法的研充 r e s p o n s ew i n d o w 上进行应答器专阅读器的反向散射调制。 调制深度为：a - b a + b ，a 是原始幅度，b 是经过调制后的幅度。 应答器专阅读器回发在阔读器专应答器发送的信号上进行反向散射调制的 信号，反向散射调制发生在r e s p o n s ew i n d o w ，也就是阅读器专应答器发送的 信号上a s k 调制深度低的那部分。 2 1 1 阅读器的传输信号 这里采用的是a m ( 振幅调制) 的方法。 2 1 1 1 阅读器传输信号编码的方法 c o m m a n dw i n d o w ； 口r e s p o n s ew i n d o w 阅读器通过振幅调制( a m 调制) 的方法来进行发送信号。这种信号是通过 载波信号振幅的强弱来表示的，阅读器通过在指定的时间内对载波的振幅进行变 化来传送数据。这里发送的信号是由c o m m a n dw i n d o w 和r e s p o n s ew i n d o w 两个部分组成的信号。 c o m m a n dw i n d o w 代表的是信号的逻辑值。r e s p o n s ew i n d o w 对阅读器而 言不代表任何阅读器发送的逻辑信号。只是用来提供给应答器射频信号以提供能 源( 对于无源应答器) 和用来使应答器在这个r e s p o n s ew i n d o w 的信号基础上 进行反向散射调制的。对于阅读器专应答器的信号而言，主要关注的是 c o m m a n dw i n d o w ，因为c o m m a n dw i n d o w 代表的是逻辑值，对r e s p o n s e w i n d o w ，只要提供一个时间长度足够的调制深度小的信号以供应答器进行反向 散射调制就可以了。 c o m m a n dw i n d o w ： 在c o m m a n dw i n d o w 部分中，要通过简单的办法来表达阅读器要发送的逻 辑值，因此对编码的方式要有所注意。具体如下： 阅读器通过对载波的a m 调制的调制深度在两个高低不同的值之间变动来传 送信号。这两4 、值表示成一个v h 和一个v i ，由于在实际中，对于不带电源的应 答器而言，需要从电磁信号中获得能量。因此，可以采用o 9 0 。 整个信号的形式是：v h + v i + v h ，前面的v h - ) v l 的跳变表示信号的开始。 后面的v l 和v h 分别就是c o m m a n dw i n d o w 和r e s p o n s ew i n d o w 。v l 信号延 续的时间，也就是c o m m a n dw i n d o w 将表达出信号代表的逻辑值。 r e s p o n s ew i n d o w ： 第1 0 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接1 ：3 和防碰撞方法的 ! f 究 其中v h 信号是用来提供给应答器以进行反向散射调制的。这部分就是 r e s p o n s ew i n d o w ，用来让应答器进行反向散射调制。 应答器可以使用分时采样的方法对阅读器发送的信号模型进行解码。对于一 个具体的阅读器信号，利用调制深度由低到高的一瞬间作为信号的起始计时点， 在一般情况下，应答器接收的信号经过解调后，调制深度低的部分就成了应答器 接收的高电平信号，调制深度高的部分就成了应答器接收的低电平信号。应答器 接收到v h 专v i 的信号下降沿后启动一个时钟，当时钟计时到一定时刻a ，b ， c 的时候检测信号的振幅，直到检测到信号又恢复到v h i g h 。这样，给定几个a ， b ，c 的预制值的话，应答器就可以判断阅读器的信号的v i 的时间长度( 也就 是c o m m a n dw i n d o w 的时间长度) 并且以此进行解码了。 由于应用环境的不同，为了改善通讯质量也可以改变v l 的时间长度。这都 是由实际的要求而定的。图3 是一个典型阅读器传输信号信号的表达方法：这里 有：c o m m a n dw i n d o w = t l o w 。r e s p o n s ew i n d o w = t h i g h 。 图3 ：一个典型阅读器传输信号信号表达方法 第1 1 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 图4 ：经过a m 调制后就是阅读器真正发送使用的信号。 为了让每个信号都标准，取这里的t ( v l o w ) + t ( v h i g h ) 为一个定值。这个值就 是位长。这里对t ( v h i g h ) 的时间长度也有一定的要求，这是因为要留下一定部分 的高振幅部分作为应答器进行反向散射调制使用。因此要给t ( v h i g h ) 留t 足够的 长度。 2 1 1 。2 具体使用的阅读器传输信号编码 不同的时间检测点数量可以得到不同的编码容量，但是过多检测点会造成应 答器检测电路的增加，以及时间效率的降低，因此对于编码容量来说，应该采用 够用就可以的原则。图5 - - 图8 是一种编码方法，分别代表了s i g n a l a ，s i g n a l b ，s i g n a l c ，s i g n a l c 。 图5 ：s i g n a l a 图6 ：s i g n a l b 第1 2 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接i q 和防碰撞方法的研究 e 。= ：d 7 图6 ：s i g n a l c 幽8 ：s i g n a l 。d 这里采用了s i g n a la ，b ，c ，d 的编码方法。在实际使用中，可以使用v h i g h 比较长的s i g n a la ，s i g n a lb 作为阅读器的r e a d e rb i t o 或者b i f 1 。，而把s i g n a l c 或者s i g n a ld 作为阅读器命令信号使用。 根据实际的需要这里还可以增加第5 个检测点f 甚至第6 个检测点g ，但是 这两个检测点并不是用来作为信号编码使用的。f ，g 的作用是：当b ，c ，d ，e 都为0 时，进行f ，g 的检测，如果f ，g 点也为0 ，那么把这个信号作为一个r e s e t 信号。t 5 ，t 6 的取值应当由实际情况来决定。 这里使用的s i g n a la ，b ，c ，d ，这里为了方便分别作为r e a d e rb i t 一0 ，r e a d e r b 刖以及r e a d e rb i t c o m m a n d 和r e a d e rb i t s y s t e m7 使用。 2 1 2 应答器的传输信号 2 。1 2 1 应答器传输信号编码的方法 应答器使用在r e s p o n s ew i n d o w 上反向散射调制的方式发送数据。应答器 和阅读器不同的是，应答器的编码不需要很多的数据信息容量，只要能包含b i t o 第1 3 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i o 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 和b i t 1 的信息就可以了。 对于应答器而言，在接到阅读器信号后，要根据阅读器在c o m m a n d w i n d o w 部分里面表达的逻辑值( 0 ? 1 ? c o m m a n d ? ) 来决定进行不同的进程， 以及如何进行不同的回答。对于应答器专阅读器的回答，就要在r e s p o n s e w i n d o w 上进行反向散射调制了。 2 1 2 2 推荐使用的应答器传输信号编码 在实际的操作上采用的是反向散射回不同频率的信号来代表不同的b i f 。实际 就是，应答器在阅读器的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上回发频率f 1 利频率f 2 的信息，f 1 和f 2 分别代表b i t 一0 和b i i 1 。 阅读器是判断接收到的应答器发出的信号的值。是通过特定点上对信号采样 来判断的。 应答器在阅读器s i g n a l a 的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上进行反向散射 调制。应答器专阅读器的信号可以看图9 和图1 0 。 图9 ：应答器在阅读器s i g n a l a 1 的v h i g h ( r e s p o n s e w i n d o w ) 上反向散射调制1 。 1 一 蛔一t l o w d - 一小 反向散射调制 、 ：一，一 一 ， l l 图1 0 ：应答器在阅读器s i g n a l a 的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上反向散射调制2 图9 和图1 0 的区别在于他们在r e s p o n s ew i n d o w 的不同h , n 点开始进行 反向散射调制。这对于阅读器而言并不重要，只要这个开始进行反向散射调制的 第1 4 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 时间点在阅读器的检测点之前就可以了。 阅读器专应答器：s i g n a l a 应答器阅读器：频率f 1 。 卜寄：裂刊扣一8 。e 。s p o 。n 。s 8 叫 图1 1 ：应答器在阅读器s i g n a l a 的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上反向散射调制频率f 1 。 阅读器专应答器：s i g n a l a 应答器阅读器：频率f 2 。 卜譬罴? 刊卜一8 e s p o n s 8 叫 图1 2 ：应答器在阅读器s i g n a l a 的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上反向散射调制频率f 2 。 e 二= = = 二二j t a l l 。1 。1 。1 _ 7 、l r墨竺竺型爿 ；l l j l l ，i _ _ l - abcd e m e t b e g i n t at bt ct dt e n d 图1 3 ：应答器在阅读器s i g n a l b 的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上反向散射调制。 阅读器应咎器：s i g n a l b 应答器专阅读器：频率f 1 。 第1 5 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 图1 4 ：应答器在阅读器s i g n a l b 的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上反向散射调制频率f l 。 阅读器应答器：s i g n a l b 应答器- - 阅读器：频率f 2 。 图1 5 ：应答器在阅读器s i g n a l 的v h i g h ( r e s p o n s ew i n d o w ) 上反向散射调制频率f 2 。 我们在这里设定阅读器s i g n a l c 和s i g n a l d 时规定的v h i g h 时间比较短，为 提高效率，因此这里约定应答器对阅读器s i g n a l c 和s i g n a l d 不进行反向散射， 因此s i g n a l c 和s i g n a l d 的r e s p o n s ew i n d o w 只是用于凑足位长的。 前面已经提到的是：这里使用的s i g n a la ，b ，c ，d ，这里为了方便分别作 为r e a d e rb i t 0 ，r e a d e rb i t 1 以及r e a d e rb i t 。c o m m a n d 和r e a d e r b i t s y s t e m 使用。因此应答器回发的b i t 只在r e a d e rb i t 一0 和r e a d e rb i t 1 上进 行。 第1 6 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和舫碰撞方法的研究 2 。2 通信信号接口 2 5 1 从阅读器到应答器的通信 2 2 1 1 调制 使用r f 工作场的a s k 调制来进行阅读器专应答器之间的通信，调制深度 可以选择从0 - 1 0 0 之间的调制深度。这里的典型可选调制深度为： o ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，9 0 ，1 0 0 这里设调制深度是n 。 这里约定调制深度可调范围为：n 。9 0 一n + 1 1 0 之间。 这里调制的上升，下降沿应该是单调的。应符合图1 6 的规定。 图1 6 是阅读器专应答器调制信号波形。 图1 6 ：阅读器应答器调制信号波形。 6 n 根据不同的位长决定，最多可取位长的2 ， 或者t l o w 的1 0 l t t 根据不同的位长决定，最多可取位长的2 ， 或者t l o w 的1 0 第1 7 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和舫碰撞方法的研究 2 2 1 2 位的表示和编码 这里位的表示要通过调制深度高的那部分的时间长度t i o w ( c o m m a n d w i n d o w ) ，不同的时间长度代表不同的逻辑值。而对这个时间长度的不同的规定， 不同的频率有不同的标准。参看图3 或者图1 7 ，这是一个典型阅读器传输信号 信号表达方法。 图1 7 ：一个典型阅读器传输信号信号表达方法 在这里，对于每一种使用，都需要设定一个时间标准，这里的时间标准就是 我们这里看到的t a ，t b ，t c ，t d 。当t l o w ( 也就是c o m m a n dw i n d o w ) = t a ， t b ，t c ，t d 的时候，分别代表不同的逻辑值或者不同的逻辑组合。 这里t a t b t c l ，t m 是应答器工作频率f m 的时间周期) 。因此列t 。圳和t a l l 等 t , r 日j 长度的选取要与应答器工作频率为标准，而不同的n 的选取也对t 。l 。d 和t a i i 等时间长度的选取有关系。 对于应答器的工作频率来说，可以有多个不同的选择，可以采用从阅读器专 应答器载波信号进行分频，可以采用阅读器宁应答器时间基准校正，因此不同种 类的应答器可以有不同的应答器工作频率的选择。而且相同的应答器工作频率可 能有不同的t p e r i 。d 和t a | | 。 2 2 1 3 数据速率 阅读器专应答器在初始化和防冲突判断期间：传输速率和选取的t a l l 有关， 不同的t a l l 代表不同的数据速率，而t a i l 和应答器时钟的选择有一定的关系。这 里的t a l l 的选择，以及数据速率的选择应根据实际情况决定。 2 2 2 应答器专阅读器的通信 2 2 。2 1 数据速率 由于采用在阅读器专应答器数据b t 上的反向散射润制方法：阅读器专应答 器发送1 b 1 的数据，则应答器专阅读器就反向散射回一个b i t 的数据。因此应答 器阅读器的数据速率和阅读器专应答器数据速率一致。 2 2 2 2 反向散射调制 应答器在阅读器专应答器发送信号的a s k 调制深度低的那部分( r e s p o n s e w i n d o w ) 上进行反向散射调制，这种反向散射调制采用不同的频率代表逻辑值。0 和n 对这里频率的选择，可以为f m 的n 和m 分频，这是也要以应答器工作频 率为基础：在应答器工作频率f m 上进行f 1 采用f m 2 分频，f 2 采用f m3 分频， 或者f 1 采用f m 3 分频，f 2 采用f m4 分频，或者f 1 采用f m4 分频，f 2 采用f m5 第1 9 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 分频，或者f 1 采用f m5 分频，f 2 采用f m6 分频，这些都可以考虑。 这种反向散射调制的幅度，深度等等具体的细节，应根据不同的反向散射的 能力进行调节。 2 2 2 3 位的表示和编码 两个频率f 1 和f 2 ，分别代表不同的逻辑值o 和1 。 在整个工程中，一股是2 ，4 等2 的n 次方的分频最方便，但是这里由于要 避免信号的误读等等情况，不推荐采用这样方式。从数学的角度而言，采用互质 的分频数能很大限度上避免误读，而且最好是采用相邻的整数来进行分频。从实 际的角度来看，用2 ，3 分频在实现上应该是最方便的。 2 3 效果： 有益效果是：是按照高频射频识别系统的特点设计的射频信号接口，在此为 基础上改进的通讯协议和防碰撞方法可以提高效率。 这种方法可以使整个系统以近似即问即答的方式进行工作，虽然这还是一种 半双工的方法，但是由于充分利用了反向散射的特点，这使整个系统的效率接近 于全双工方式。 第2 0 页共1 2 5 页 9 0 0 mr f i d 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 3 防碰撞方法 这里提供了两种新的用于射频识别系统使用的防碰撞方法。 这里提供的防碰撞方法，适合所有频率的射频识别系统，并且非常适合高频 率的射频识别系统采用，是具体着重考虑了高频射频识别系统中常用的反向散射 调制方式，可以提高效率。 这两种防碰撞方法，第一种是基于动态时隙a l o h a 方法，并结合了一般二 进制搜索算法的排除方法而形成的，比一般的动态时隙a l o h a 方法提高了效 率。 对于这里采用的改进的动态时隙a l o h a 方法而言，如果没有发生冲突，那 么使用的方法和传统的时隙a l o h a 方法一致，就足在确认后并进行了读写操作 后让这个应答器进入休眠状态，如果发生了冲突，和传统的时隙a l o h a 方法不 同的是，这里会采用二进制搜索方法中采用的排除的办法，就是让其他没有进行 回答的应答器进入等待状态( 在等待状态的应答器得到一个启动的命令后可以再 次进入允许回答的状态) ，此时能够进行回答的应答器只剩下刚刚发生冲突的几 个应答器，然后在对这些发生了冲突的应答器再次进行a l o h a 方法。这样下去 直到得到所有的应答器。 第二种是基于动态二进制搜索算法，结合了时隙方法而形成的，非常适合现 在高频射频识别系统中常用的反向散射调制的特点。 在这里采用的第二种方法中，采用了动态二进制搜索方法，由于这种方法的 特点，也可以称为动态二进制时隙方法。这里的关键就是，阅读器每次发出的信 号包括两个部分，第一个部分代表一个b i t 的阅读器信号逻辑值，第二个部分是 用来让应答器进行反向散射的。应答器在第二个部分上可以进行反向散射回一个 叭的信号。这相当于提供了一个时隙。当这里设定应答器每次只能回答b i t 0 或者b t 1 的时候，有无冲突，冲突发生在哪一位，几乎可以立刻看出来，这相 当于结合了时隙a l o h a 法的好处。 3 1 防碰撞方法t y p e a 3 1 1 防碰撞方法t y p ea 简介 防碰撞方法t y p ea 是一种基于a l o h a 方法的防碰撞方法。 这里的前提是： 第2 1 贞共1 2 5 页 9 0 0 mr f i o 射频识别系统中通讯物理接口和防碰撞方法的研究 每一个应答器都有唯一的一个身份辨认号码( t a gi d ) ，而且所有应答器的 身份识别号码都是等长的。 这里每次询问的都是应答器的t a gs i g n a t u r e ，这个t a gs i g n a t u r e 是一个m b i t 的二迸制数，位数有多长由制造者自行决定。 这里描述的r e s p o n s ew i n d o w 和第2 章中的r e s p o n s e w i n d o w 是两回事。 注意：这里描述协议时采用的t a gs i g n a t u r e 是一个由应答器的随机数发生 器产生的规定位数的二进制随机数，当然也可以用t a gi d 的一部分来代替。这 里对此不加描述。 阅读器发送的信号包括：c o m m a n d 命令信号，以及r e a d e rs i g n a l a ，b 一般信号。命令信号是用来进行发布命令，一般信号就是一般意义上的b i l 0 和 b i t 1 ，这里为了不失一般性，采用r e a d e rs i g n a l a 坪r e a d e rs i g n a l b 来表示。 阅读器信号要提供r e s p o n s ew i n d o w ，用来让应答器进行反向散射调制的回 答。这里的r e s p o n s ew i n d o w 可以采用一般常用的整段的r e s p o n s ew i n d o w ， 也就是在这个w i n d o w 里可以发送很多b i t ，比如采用r e a d e rc o m m a n d 之后跟 随一段很氏的不调制信号，作为r e s p o n s ew i n d o w ；也可以采用将r e s p o n s e w i n d o w 分成若干段，每一段小w i n d o w 只能发送一个应答器b i t ，比如采用每个 阅读器发送信号包括两个部分：第一个部分代表阅读器信号