（通信与信息系统专业论文）射频识别系统标签防碰撞机制研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 射频识别( r f i d ) 技术，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 目标对象以获取相关信息。与接触式识别技术相比，r f i d 具有数据量大、识别速度快、 抗干扰能力强、保密性强、可同时识别多个目标等优点，因此有广泛的适用范围。 r f i d 防碰撞算法是r e i d 中的关键技术之一，本文就是对r e i d 系统的防碰撞算法进 行研究，提出改进方案。 本文从r f i d 技术的通信学基础出发，通过r f i d 系统数据交互过程引出了标签碰撞 问题，并介绍了r f i d 系统标签防碰撞过程中主要采用的两种机制：a l o h a 算法和二进 制树型算法。 首先深入研究了a l o h a 算法，得出了动态帧时隙a l o h a 算法具有比较优越的性能， 并对该算法改进得到了基于标签数目估计法的动态帧时隙a l o h a 算法和基于标签分群法 的动态帧时隙a l o h a 算法，它们分别采用估计未读标签数目和分群的策略以达到获取最 优系统效率的目的。 其次对二进制树型算法深入研究，分析了随机性二进制树型算法和确定性二进制树型 算法后，本论文提出了改进方案，即多进制的分集算法和标签i d 求余分集算法，它们是 利用分集数的增加和标签i d 的唯一性来提高系统r f i d 系统性能。 最后利用m a t l a b 仿真实现了本文所讨论的各种算法，同时论证了所提算法相对于 原有算法的优越性。 关键字：射频识别；防碰撞；a l o h a 算法；二进制树型算法 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 sak i n do fn o n t o u c h i n ga u t o m a t i ci d e n t i f y i n g t e c h n o l o g yt h r o u g hr a d i of r e q u e n c y c o m p a r e d w i t ht h ee a r l yt o u c h e di d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , i th a sm a n ya d v a n t a g e s t h e r e f o r ei tw o r k si nm a n yf i e l d s r f i da n t i c o l l i s i o na l g o r i t h mi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nr f i ds y s t e m t h em a i nt a s ko f t h i st h e s i si ss t u d yo nr f i da n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m i nt h i st h e s i s ，w eb e g i nw i t hc o m m u n i c a t i o nf o u n d a t i o n ，g e tt h et a gc o l l i s i o np r o b l e m t h r o u g hr f i dd a t ae x c h a n g i n gp r o c e s s ，a n di n t r o d u c et h em a i nt w om e c h a n i s m si n r f i d a n t i c o l l i s i o np r o c e s s ：a l o h aa l g o r i t h ma n db i n a r yt r e ea l g o r i t h m f i r s t ，w er e s e a r c ho nt h ea l o h aa l g o r i t h ma n do b t a i nt h ec o n c l u s i o nt h a td y n a m i cf r a m e s l o t t e da l o h aa l g o r i t h m ( d f s a ) p o s s e s sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h e nw ei n t r o d u c et w on e w d f s aa l g o r i t h m s b a s e do nt a ge s t i m a t i o na n dt a gg r o u p i n g t h e yu t i l i z et h em e t h o d so f e s t i m a t i n gu n r e a dt a ga n dg r o u p i n gt og e tt h eb e s ts y s t e me f f i c i e n c y s e c o n d ，w er e s e a r c ho nt h eb i n a r yt r e ea l g o r i t h m ，i n t r o d u c i n gm u l t i s p l i t t i n ga l g o r i t h ma n d t a gi d r e m a i n d e ra l g o r i t h m t h et w oa l g o r i t h m su t i l i z et h em e t h o do fi n c r e a s i n gt h es p l i t n u m b e ra n dt a ge x c l u s i v ei dt oi m p r o v er f i ds y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y , w eu s em a t l a bt os i m u l a t et h ea l g o r i t h m st h a td i s c u s s e di nt h i st h e s i s m e a n t i m e w ed e m o n s t r a t et h es u p e r i o r i t yo fi n t r o d u c e da l g o r i t h m s k e yw o r d s ：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 ；a n t i - c o l l i s i o n ；a l o h aa l g o r i t h m ； b i n a r y t r e ea l g o r i t h m 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名 导师签名：至注丝军- 日期：上掣，厂 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1r f i d 概述 第一章绪论 射频识别( 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 ) 即r f i d ，是利用电磁感应或电磁传播方式， 在读写器和标签之间实现非接触的双向数据通信，以提取相关信息送到后台计算机处理系 统完成后续处理，达到目标识别和数据交换目的的一种技术。它最早起源于二次世界大战， 在2 0 世纪8 0 到9 0 年代经历了快速的发展，近几年r f i d 技术已经成为i t 业的热点问题。 1 1 1r f i d 系统组成 最基本的r f i d 系统由三部分川【2 】【3 】组成，如图1 1 所示： ( 标签 图l - lr f i d 系统基本模型川 标签( t a g ) ：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标 识目标对象，同时标签中可以存放关于物体的多种信息； 读写器( r e a d e r ) ：读取( 有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为手持式或固定式， 通过有线或无线的方式和后台系统连接； 后台管理系统：负责处理读写器读取的标签信息，有时可以向读写器发出指令，通过 有线或无线方式与读写器连接。 1 1 2r f i d 工作原理 r f i d 通信的基本工作原理【3 1 为：当标签进入读写器工作区域时，其天线产生感应电流， l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一覃绪论 从而标签获得能量被激活并向读写器发送出电子编码( e p c ) 等信息( 无源标签) ，或者主动发 送某一频率的信号( 有源标签) ：读写器接收到来自标签的载波信号，对接收的信号进行解 调和解码后送至后台计算机主机进行处理；后台计算机系统判断该标签的合法性等信息， 针对不同的设定做出相应的控制和处理，发出指令信号。标签的数据解调部分从接收到的 射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操 作。 其工作过程【4 】如下： 1 ) 当装有电子标签的物体接近微波天线时，读写器受控发出微波查询信号； 2 ) 安装在物体表而的电子标签收到读卡器的查询信号后，根据查询信号中的命令要 求，将标签中的数据信息反射回读写器； 3 ) 读写器接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经读写器内部微处理器处理即可 将电子标签贮存的识别代码等信息分离出来； 4 ) 这些识别信息作为物体的特征数据被传送到控制计算机作进一步处理，从而完成与 物体有关的信息查询、收费、跟踪、统计管理等应用。 1 1 3r f i d 分类 l 、根据标签的供电形式分类 依据标签工作所需能量的供给方式，可以将r f i d 系统分为：有源、无源和半有源系 统【6 】。 有源系统，顾名思义，标签工作能量来自标签内的电池。因此标签工作能量较高，识别 距离比较长，可以达到几十米甚至上百米，但是寿命有限且标签体积比较大，成本比较高， 不适合在恶劣环境下工作。 相反，无源系统中的标签中没有电池，利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直 流电源为标签内电路供电，因此标签重量轻、体积小，可以制成薄卡。其作用距离相对有 源标签短，一般只有几十厘米到数十米，但寿命长且对工作环境要求不高。 半有源系统则介于两者之间，虽然带有电池，但是电池的能量只激活系统，激活后无 须电池供电，进入无源标签工作模式。 2 、根据工作频率分类 r f i d 系统的工作频率即为读写器发送无线信号时所用的频率，一般可以分为低频、 高频、超高频和微波【7 】。 2 南京邮电大学硕：卜研究生学位论文 第一苹绪论 低频系统主要有1 2 5 k h z 和1 3 4 2 k h z 两种，中频系统频率主要为1 3 5 6 m h z ，高频系统 主要为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。低频系统主要用于短距离、低成本的应 用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需 传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其 天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。 最近，r f i d 开发者又研究出了将低频和高频两个频率集成到一个芯片中，成为双频系 统【4 1 。 3 、根据标签的可读性分类 射频标签内部使用的存储器类型不一样，可以分为可读写卡( r w ) ，一次写入多次读出 卡( w o r m ) 和只读卡g o ) ，只读卡标签内一般只有只读存储器( r o m ) 和随机存储器 ( r a m ) 和缓冲存储器，而可读写卡一般还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器除了 存储数据功能外，还具有在适当条件下允许多次写入数据的功能。 通常来讲，可读写卡成本最高，其次是一次写入多次读出卡，最便宜的是只读卡。 4 、根据r f i d 系统标签和读写器之间的通信工作时序分类 时序指的是读写器和标签的工作次序问题，即是读写器先通信( r t f ，r e a d e rt a l kf i r s t ) 还是标签先通信( t t f ，t a gt a l kf i r s t ) 的方式。一般来说，无源标签一般是1 v r f 方式， t t f 系统通信协议比较简单，防冲撞能力更强，速度更快。 1 2 国内外发展现状 1 2 1r f i d 技术的发展历程 1 9 4 8 年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别r f i d 的理论基 础。在2 0 世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。r f i d 技术的发展可按1 0 年期划分【5 1 如下： 1 9 4 1 - 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的理 论基础； 1 9 5 14 - - 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究； 1 9 6 1 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试； 1 9 7 1 - - - - 1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试也 得到发展，出现了一些最早的r f i d 应用； 3 南京邮电大堂堡主翌壅圭堂篁笙奎 塑二皇堡笙 1 9 8 1 - 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现； 1 9 9 1 - 2 0 0 0 年，r f i d 技术标准化问题得到重视，r f i d 产品得到广泛采用，r f i d 产 品逐渐成为人们生活中的一部分； 2 0 0 1 至今，标准化问题日趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源标签、无 源标签及半无源标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。 r f i d 技术的理论得到丰富和完善。单芯片标签、多标签识读、无线可读可写、无源 标签的远距离识别、适应高速移动物体的r f i d 等技术正在成为现实。 1 2 2r f i d 技术国内外发展状况 自从2 0 0 3 年沃尔玛和美国国防部大力推进r f i d 应用以来，全球r f i d 行业取得了很 快的发展。但总体而言，目前绝大部分r f i d 项目尚处于试验阶段。标准、成本仍是制约 r f i d 发展的关键因素。 标准方面，日前r f i d 尚未形成统一的全球化标准，市场呈现多种标准并存的局面。 从全球范围来看，美国已经在r f i d 标准建立、软硬件技术开发、应用等方面走在世界前 列。欧洲r f i d 标准追随美国主导的e p cg l o b a l 标准，在封闭系统应用方面与美国基本处 于同一阶段。日本提出了u i d 标准，但其应用范围局限在国内。韩国政府对r f i d 给予了 高度重视，但至今没有提出明确的标准。在我国，科技部、信息产业部联合1 4 个部委制 订的中国r f i d 技术政策白皮书i s 及关于发布8 0 0 9 0 0 m h z 频段射频识别( r f i d ) 技术应用试行规定的通知【9 】，使我国的r f i d 产业的发展更加明朗，但产业整体发展水 平滞后和实际应用缺乏，仍在很大程度上制约着我国r f i d 标准的制订与实施。 应用领域方面，我国r f i d 主要应用于物流、医疗、货物和危险品追踪管理监控、民 航行李和包裹管理、强制性检验产品、证件防伪、不停车收费、电子门票等领域。另外， 在汽车防盗物品跟踪等各方面也在不断开拓新的应用。 。从产业链的角度【io 】来看，r f i d 产业链包括：芯片、标签、天线、读写器、中间件、 系统集成以及实施咨询等环节。其中r f i d 芯片全球范围内仍然由飞利浦、西门子、s t 、 t i 等传统半导体厂商所垄断。荷兰皇家飞利浦电子是该领域的龙头老大，其r f i d 标签累 计出货量已经超过了1 0 亿。国内的复旦微电子、大唐微电子等半导体厂商虽然己进军这 一领域，但目前仅局限于第二代身份证、智能卡等业务。标签、天线、读写器等环节，总 体而言也是a l i e n ，i n t e r m e c ，s y m b o l 等国外厂商的天下，国内只有为数不多的几家厂商在进 行相关研究。中间件、系统集成方面，i b m ，h p 、微软、s a p ，s y b a s e ，s u n 等国际巨头 4 堕室邮皇塑主堕壅圭兰垡丝茎 至二童笪鱼 _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - _ ，- _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ i - - _ _ _ _ - _ _ - l - _ - i i _ - _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。一一一 已经抢占了有利位置，国内像用友之类的e r p 企业也开始涉足这一领域，但研发进度和投 资力度显然与上述几家国外厂商无法同日而语。总之，中国目前还没有形成完善的r f i d 产业链，市场上绝大部分产品都是代理国外的。 2 0 0 8 年，r f i d 的实际应用将进入我们所熟悉的环境，包括体育赛事、玩具以及食品 安全领域。闹得沸沸扬扬的污染食物和危险玩具回收事件将推动人们坚定地采用r f i d ， 借助它人们可以直接追踪到问题产品的源头，停止可能产生危害的产品的生产。同时我们 将看到r f i d 越来越多地集成到移动设备和消费电子产品中，为消费者和企业用户提供更 新、更方便的服务。这种工艺上的结合将催生出多功能移动设备，让用户可以管理话音呼 叫、电子邮件、短消息、多媒体、所在位置信息、个人账目，以及许多其他日常生活中的 内容。 1 3 本论文的研究背景和组织结构 1 3 1 论文研究背景 r f i d 标签防碰撞算法是r f i d 的核心技术，也是制约其发展的重要因素。随着r f i d 技术的不断发展，应用领域的不断地扩大，无论从识别率、识别时间还是从识别效率方面 对防碰撞算法的性能要求也越来越高。特别是在国家颁布了8 0 0 9 0 0 m h z 频段射频识别 ( r f i d ) 技术应用试行规定的通知后，各个机构和国内外学者都对超高频r f i d 防碰撞算 法的研究倾注了大量的心血，也取得了一定的进展，分别提出了动态帧时隙a l o h a 算法、 确定性二进制树型算法和随机性二进制树型算法等适合于r f i d 系统的防碰撞算法。本论 文正是在此基础上，继续对r f i d 防碰撞算法进行深入研究，希望能对r f i d 技术的发展 做出自己的贡献。 1 3 2 论文组织结构 本论文在对r f i d 系统及其基本的通信学原理进行简单介绍的基础上，对防碰撞算法 进行深入研究，特别是对a l o h a 和二进制树型这两种防碰撞机制进行分析和改进，实现 了防碰撞性能的优化。具体章节的安排如下： 第一章绪论。介绍了r f i d 系统的基本概念、工作原理及分类，并对r f i d 技术在国 内外的发展历程及现阶段的发展状况进行总结。 第二章r f i d 数据传输原理。介绍了r f i d 数据传输过程中所需的关键技术：数据编 气 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 码方法、数据调制方式、校验方法及双工方式。 第三章r f i d 标签碰撞及防碰撞机制。概括地介绍了r f i d 系统的防碰撞问题，叙述 了r f i d 系统中读写器与标签的三种通信方式，从而引出了r f i d 系统的标签碰撞问题， 之后介绍r f i d 系统标签防碰撞过程中主要采用的两种机制：a l o h a 算法和二进制树型 算法，并对它们做了对比，最后总结了现有的r f i d 标准中对防碰撞算法的设定。 第四章a l o h a 算法分析和改进。这一章重点分析了a l o h a 算法。首先对基本的 a l o h a 算法和扩展a l o h a 算法进行性能参数的推导，然后以i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p ec 标准中的防碰撞算法为例对a l o h a 算法进行具体分析，得到其算法流程，最后提出自己 对现有a l o h a 算法的改进意见，并进行m a t l a b 仿真来论证各种算法的优劣。 第五章二进制树型算法分析和改进。这一章重点分析了二进制树型算法。首先对随 机性二进制算法和确定性二进制算法进行性能参数的推导，然后以i s o i e c18 0 0 0 6 r y p eb 标准中的防碰撞算法为例对二进制树型算法进行具体分析，得到其算法流程，最后提出自 己对现有二进制树型算法的改进意见，并进行m a t l a b 仿真来论证各种算法的优劣。 第六章结束语。总结本论文所作的工作并提出下一步的研究方向。 6 2 1 引言 第二章r f i d 数据传输原理 在射频识别系统中，要完成识别就必须在电子标签和读写器之间完成相关数字信息 的交换，而这种数字信息正是通信领域的数字信号。因此，为了深入地了解与认识射频识 别系统的通信实质，本章研究r f i d 系统的通信学基础，揭示r f i d 系统的通信实质。图2 1 中的方框图说明了一个数字通信系统。类似的，对射频识别系统来说阅读器和应答器之间 的数据传输需要三个主要的功能块。按从读写器到标签的数据传输方向，它们是读写器中 的信号编码( 信号处理) 和调制器( 载波回路) ，传输介质( 通路) ，以及标签中的解调器( 载波回 路) 和信号译码( 信号处理) 。 噪声 发送器 接收器 i 息源 - | 信号处理h 载波i 口l 路l - i 信道i i- i 信号处理h 载波回路f il 接收 图2 1数字通信系统中的信号和数据涮乃1 信号编码系统的作用是使要传输的信息和它的信号表示尽可能最佳地与传输通道的 性能相匹配。这样的处理包括对信息提供某种程序的保护，以防止信息受干扰或相碰撞， 以及对某些信号特性的蓄意改变。 调制是改变高频载波的信号处理，使其振幅，频率或相位，与调制的基带信号相关。 传输介质把信息传输一段预定的距离。在射频识别系统中唯一采用的传输介质是磁场 ( 电感耦合) 和电磁波( 微波) 。 。 解调是一种另外的调制过程，用以再生基带信号。因为不仅在标签中，而且在读写器 中也有信息源输入，并在两个方向上交替传输信息，所以都有调制器和解码器。 信号解码的任务是从接收信号中恢复原来的信息，并识别和标识出传输错误。 2 2 编码方式 射频识别系统中，基带数据编码可以采用不同形式的代码来表示1 或0 。常用的编码方 式有：n i 辽( 反向不归零制) 编码、曼彻斯特( m a j l c h e s t e r ) 编码、单极归零制编码( u n i p o l a ri 氇) 、 差分双向编码( f m o ) 、米勒( m i l l e r ) 编码、差分编码和脉冲一间歇( p i e ) 编码【1 1 【1 1 1 ，如下所示： 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二覃r f i d 数据传输原理 1 n r z 编码高电平表示二进制1 ，“低”电平表示二进s i l o 。在f s k 或p s k 调制中几乎 仅仅使m n r z 编码【1 1 。 厂几 l0lloo lo 图2 2n r z 编码 2 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：在半个比特周期时的负边沿表示二进制1 ，半个比特周 期中的正边沿表示二进制o 。曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制时经常用于从标签到 读写器的数据传输。 lol1oo1o 图2 3曼彻斯特编码 3 单极归零制编码：在第一个半比特周期中的“高”电平表示二进制l ，而持续整个比特 周期的“低”电平表示二进制o 。 7仃仃仃 lo11oo1o 图2 4 单极归零制编码 4 差分双向( f m o ) 编码：在半比特周期中的任意的边沿表示二进制o ，而没有边沿就是 二进制1 。此外，在每- - l l 特周期开始时，电平要反相。 。7 绍仃绍绍尼 10 11oo1o 图2 5差分双向编码 5 米勒( m i l l e r ) 编码：在半比特周期内的任意边沿表示二进制l ，而经过下一个比特周期 中不变的电平表示- - 进n o 。一连串的0 在比特周期丌始时产生电平交变。 1 0l1oo1 0 图2 - 6 米勒( m i l l e r ) 编码 8 南京邮电大学硕士婴窒圭兰垡垒奎 兰三皇坚! 里鍪塑堡塑堕堡 - - _ - _ _ _ - i _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ ，一 一一 6 变型米勒编码：是对米勒编码的变型，每个边沿都为“负”脉冲所取代。这种方法在 电感藕合的射频识别系统中用于从读写器到标签的数据传输，由于很短的脉冲持续时间 f 础“，就可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续供给标签能量。 n 厂 厂 厂 厂 图2 7变型米勒编码 7 差分编码：在差分编码时，每个要传输的二进制1 将引起信号电平的改变。而在二进 制o 时，信号电平保持不变。 nr l 1o1 1oo10 图2 8差分编码 8 脉冲一间隔编码( p i e ) ：对脉冲一间隔编码来说，在下一脉冲前的暂停持续时间f 表 示二进制1 ，而下一脉冲前的暂停持续时间2 f 则表示二进制0 。 l 厂厂 n 厂l 厂ln 厂 厂 几厂_ 开始 同步1o11o01o 图2 9脉冲- 间隔编码 这种编码方法在电感耦合的射频识别系统中用于从读写器到标签的数据传输。由于很 短的脉冲转换时间就可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续供给标签能量。 在为射频识别系统选择一种合适的信号编码系统时，应当注意不同的边缘条件。最重 要的是调制后的信号频谱以及对传输故障的敏感度。此外，对无源标签( 标签的能源取自 读写器的高频场) 来说，不允许由于信号编码与调制方法的不适当组合而中断能量供应。 2 3 调制方式 调制就是用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，这些参量随基带信号的变化而 变化。未经过调制的电磁波被称作载波，调制的载波可以分为两大类：用正弦信号作为载波 和用脉冲或一组数字信号作为载波。调制在通信系统中具有十分重要的作用，通过调制不 仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位黄上，将调制信号转换成合适 信道传输或便于信道多路复用的已调信号。而且调制对系统的传输有效性和传输的可靠性 有很大的影响，调制的方式往往决定了一个通信系统的性能。数字信号一般调制方法有三 q 妻室坚皇奎堂堡主笙壅竺堂垡堡壅 笙三里垦! ! 里鳖堡堡笪堕型 种：对载波振幅调制称为振幅键控( a s k a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) ，对载波频率调制称为频移 键控( f s k - f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) ，对载波相位调制称为相移键控( p s k - p h a s es h i f tk e y i n g ) 的数字调制法【1 2 1 。其他调制方法基本都是从这三种调制方法中引申出的。 2 3 1 振幅键控 在振幅键控时，载波振荡的振幅按二进制编码信号在两种状态甜。和“之间切换，五。可 以取五。n 0 2 n 的n 3 1 ，如图2 1 0 所示。 计算载波信号的键控和非键控的振幅之间的算术平均值为 u “。：! 譬粤 ( 2 1 )m2 。z 1 ) 定义振幅键控的调制度所为振幅变化五。与五。之比，即 聊：拿：鸳生：箕拿( 2 - 2 ) i j j i il lji 磊脚 u 0 46p 、 甜脚 r1ro yyyyyy yy m = 0 5 图2 1 0 a s k 调制时，载波的振幅按二进制编码信号在两种状态之间切换 _ 馓字信 卜一高频倍 图2 - 1 1 m = 1 时的a s k 调制 在朋= l 的振幅键控( a s k ) 时，载波振荡振幅在载波振幅之值2 五。和0 之间进行切换 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章r f i d 数据传输腺理 ( 通一断键控) ，在模拟信号( 正弦形振荡) 振幅调制时，这将与m = 1 的调制度相应【j j 。 i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 定义的读写器到标签的数据传输采用的就是m = 1 的a s k 调制法。 调幅信号是数字信号中出现最早、也是最简单的一种调制技术。在i 江i d 系统中通常采 用这种调制技术以达到系统简单、降低成本的目的。 2 3 2 频移键控 2 f s k 是载波振荡频率用二进制编码信号在两种频率石和以之间切换。 把两种特定的频率z 和 的算术平均值定义为载波频率z w 。载波频率与特定频率之 间的差被称作频差。 如= 华( 2 - 3 ) 高频 图2 1 2 2 f s k 调制 从时间函数的观点来看，可以把2 f s k 信号看作是z 和厶的两种振幅键控信号的组合。 因此，2 f s k 信号的频谱可由两种振幅键控振荡的频谱叠加得出。在射频识别系统中用基 带编码，产生了非对称的频移键控： fit(2-4) f 一 一 在这种情况下，相对于中心频率的频谱也是不对称分布的。 2 3 3 相移键控 相移键控，是将编码信号的二迸制状态“0 ”和“1 ”转变成载波振荡相对基准相位的相应 相位状态，对2 p s k 来说，是在相位状态0 。和1 8 0 。之间切换。 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章r f i d 数据传输原理 从数学的角度来看，在0 。和1 8 0 。之间的相位切换与载波振荡被“1 ”和“一1 ”相乘是一样 的。 2 3 4 连续相位移频键控 一鞴 2 献删器m 高频信号j 图2 1 32 p s f 调制器 连续相位调制( c p m ) 这一大类调制的前身是n m 。f s k 基础上附加相位连续这一约束条 件而形成的，即所谓m c p f s k ，f s k 的恒包络特性可使其对非线性效应不敏感，而相位连 续这一约束则又可以克服一般f s k 调制方式相位跳变导致的能量扩散这一重要缺陷。显然， c p f s k 的这一特点对r f i d 系统有着两个特别的意义：( 1 ) f s k 是在一定的振幅变化基础上可 以进行调制，这样作为发信放大器，可以利用具有c 类饱和特性的装置。c 类放大器具有即 使不用高的直流电源也可以得到高频输出的特性，因此常用于使用电池的便携式无线装 置；( 2 ) c p f s k 调制方式和般的调制方式相比调制后信号的谱宽变窄，便于频率的有效利 用。 2 c p f s k 信号可用下述一般形式表示： s ( ，) = 其传输信息包含于相位变化中： 蚍口) = 2 z t h 口，q ( t - i t ) 其中，e ，为符号能量，z 为载波中心频率，h 为调制指数，口，= 1 。 1 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章r f i d 数据传输原理 2 3 5 副载波调制 在无线电技术中，广泛地应用着一个调制的副载波：例如在v h f 无线电广播中，频率 为3 8 k h z 的立体声副载波随同基带声音通道一起传输。基带只包含单声道信号。为获得两 个声音通道“l ”和“r 所需的差分信号“l r ，可调立体声副载波以“无声地”传播，副载波的 使用呈现为多电平调制。 就射频识别系统而言，用副载波的调制法主要用在频率范围为1 3 5 6 m h z 的电感耦合 系统中，而且是从标签到读写器的数据传输。电感耦合的射频识别系统的负载调制有着与 读写器天线上的高频电压的振幅键控( a s k ) 调制相似的效果，代替在基带编码的信号节 拍中对负载电阻的切换，用基带编码的数据信号首先调制低频率的副载波，可以选择振幅 键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 或相移键控( p s k ) 作为对副载波调制的方法。副载波频 率本身通常是通过对操作频率的二进制分频产生的，对1 3 5 6 m h z 的系统来说，大多使用 的副载波频率为8 4 7 k h z 、4 2 4 k h z 或2 1 2 k h z 。己调的副载波信号则用于切换负载电阻。 2 4 校验方法 使用r f i d 技术传输数据时，很容易遇到干扰，导致传输的数据发生改变。因此在设计 通信系统时，首先应从合理地选择调制技术、解调方法以及发射功率等方面考虑。若仍难 达到要求则需要考虑采用差错控制措施。 在通信系统中，常用的差错控制方法有：检错重发法、前向纠错法和反馈校验澍1 1 】。对 于r f i d 系统，信息码元序列是一种随机序列，接收端无法预知也无法识别其中有无错码。 为了解决这个问题，常常采用在发送端的信息、码元中增加一些纠错码元，这些纠错码元 和信息、码元之间有一定的关系，使接收端可以利用这些关系由信道解码器来发现或纠正 可能存在的错误码元。 在信息码元中加入监督码元被称为差错控制编码或纠错编码，不同的编码方法有着不 同的检错或纠错能力。在射频识别系统中常用的检错纠错编码是校验和法，最常用的校验 和法是奇偶校验、纵向冗余校n ( l r c ) 法和循环冗余码校验( c r c ) n 。 2 4 1 奇偶校验 奇偶校验是一种最简单而且广泛应用的校验方法，在国际标准i s o10 3 7 4 集装箱识别中 就采用了这种校验方法，并被北美、欧洲及我国火车车辆识别中得以广泛应用。奇偶校验 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 的特点是简单，但纠错能力差。 第二章r f i d 数据传输原理 2 4 2l r c 校验 l r c 校验的基本方法是将数据块的所有数据字节递推经x o r 选通后即可产生x o r 校 验和。字节1 用字节2 经x o r 门选通结果，再用字节3 经x o r 门选通，如此等等。在数据传 输时，把纵向冗余码校验值l r c 附在数据中一起传输，在接收端中就可对传输错误进行简 单地校核。l r c 校验算法简单，可快速计算出l r c 值。 旦l r c 并不很可靠，多个错误可能 相互抵消。 2 4 3c r c 校验 c r c 校验和是用所谓的生成多项式去除一个多项式( 数据字节) 求得，c r c 值为相除后 之余项。其生成多项式一般为x 54 - x 2 + 1 或者x 1 6 4 - x 1 24 - x 54 - 1 。 当一个数据块被传输时，在标签内计算数据的c r c 值，并将此值附在数据块后一起传 输；在读写器中计算接收数据的c r c 值，其结果应该为零，否则在传输过程中出现了传输 错误。用零校验可以很容易地分析c r c 校验和，并避免代价很高的校验和比较过程。c r c 校验的最大优点是识别错误的可靠性高，即使有多重错误，也只需要少量的操作就可识别， 其缺点是不能纠正错误。国际标准i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p ea 和t y p eb 都是采用c r c 校验方 法。 2 5 数据传输方式 r f i d 系统的工作方式主要有全双工、半双工和时序方式三种方法。 全双工通信( f d x ) 指可以在两个方向同时进行。当设备在一条线路上发送数据时，也 可以接收到其它数据。在全双工法中，数据在标签和读写器之间的双向传输是同时进行的。 半双工通信( h d x ) 指可以在两个方向上进行，但不能同时进行转输，必须轮流进行。 在半双工法中，从标签到读写器的数据传输与从读写器至标签的数据传输是交替进行的。 如果从读写器到数据载体的数据传输和能量传输与从应答器的数据传输时间上是交 叉进行的，这就是时序法( s e q ) 。 半双工和全双工通信方式的共同点是【3 】：从读写器到标签的能量传输是连续的，与数据 传输的方向无关。而与此相反，在时序系统的情况下，从读写器到标签的能量传输总是在 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章r f i d 数据传输原理 限定的时间间隔内进行的，从标签到读写器的数据传输是在标签的能量供应间歇时进行的 ( 如图2 1 4 所示) 。 方式 全双 能量的传送 工 ( f d 下行 了厂 、i x ) 上行7 j7 1 1 半双 能量的传送 工 ( h d 下行 只只 x ) 上行目f 时序 能量的传送二 二 二 ( s e 下行 口口 q ) 甘日、口 上行 图2 1 4全双工、半双工和时序方式过程说明 在图中，读写器到标签的数据传输称作下传，而标签到读写器的数据传输称作上传。 在无源的射频识别系统中要求读写器能给标签提供持续的能量，并且协议要求读写器到标 签和标签到读写器的通讯是分别有间隔的成对传输通信，因此无源r f i d 系统采用的是半双 工系统( h d x ) 的通信方式。 2 6 本章小结 本章内容是r f i d 技术的通信学基础，介绍了r f i d 数据传输过程中需要用到的各种技 术，首先介绍了r f i d 系统中数据编码方法，然后介绍r f i d 系统中的数据调制方式，并 简单说明了各种调制方式在r f i d 系统中的应用情况，之后介绍了r f i d 系统的数据在传 输过程中使用的校验方法，最后说明了r f i d 系统的双工方式。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章r f i d 标签碰撞及防碰撞机制 3 1 引言 第三章r f i d 标签碰撞及防碰撞机制 在r f i d 系统中，存在着两种基本的通信：从读写器到标签的通信和从标签到读写器的 通信。射频识别的一个优点就是多个目标识别。在射频识别系统工作时，在读写器作用范 围内，可能会有多个标签同时存在。在多个读写器与多标签的射频识别系统中，存在着两 种形式的碰撞方式，一种是同一标签同时收到不同读写器发出的命令，另一种是一个读写 器同时收到多个不同标签返回的数据。在很多情况下。读写器阅读区可能会有多个标签存 在，面对读写器发出的命令，每个标签都会响应，所以会产生标签响应重叠的现象。r f i d 系统会采用一定的策略或算法来避免碰撞现象的发生，控制标签的响应信息逐个通过射频 信道被读写器接收。防碰撞问题的研究主要解决两个问题：一是如何避免或减少同一读写器 范围内各个标签之间的碰撞问题。二是避免或减少各个读写器之间的干扰碰撞问题。本论 文着重讨论第一个问题，即标签防碰撞问题。 3 2 碰撞问题的产生 射频识别系统中一般存在有三种不同通信形式1 】【2 】。第一种是c 无线广播式，即在一个 读写器的阅读范围内存在多个标签，读写器发出的数据流同时被多个标签接收。这可以同 数百个无线电广播接收机同时接收一个发送信息类似，而信息是由一个无线电广播发射机 发射的，如图3 1 所示。 图3 1无线广播示意图 第二种是在读写器的作用范围有多个标签同时传输数据给读写器，这种通信形式称为 多路存取通信，如图3 2 所示。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章r f i d 标签碰撞及防碰撞机制 图3 2多路存取示意图 第三种是多个读写器同时给多个标签发送数据。现在射频识别系统中这种情况很少遇 到，常常遇到多路存取这种通信方式。 为了解决多路存取过程中的标签碰撞问题，必须在标签识别过程中引入防碰撞机制来 使读写器快速有效地识别标签。防碰撞技术设计的优劣很大程度上决定了r f i d 系统性能的 优劣。 3 3 无线通信系统中的多址接入方法 在无线通信技术中，通信碰撞的问题是长久以来存在的问题，但同时也研究出许多相 应的解决方法。基本上有四种不同的方法【1 】：空分多路法、频分多路法、码分多路法和时分 多路法，如图3 3 所示。 多路存取防碰撞法 i 空分多路法时分多路法频分多路法码分多路法 l ( s d m a ) ( t d m a )( f d m a )( c d m a ) 图3 3 四种不同的多路存取防碰撞方法 下面分别介绍这四种方法。 3 3 1 空分多路法 空分多路法是在分离的空间范围内进行多个目标识别的技术，如图3 4 所示。 一种方式是将读头和天线的作用距离按空间区域进行划分，把多个读写器和天线旋转 在这个阵列中。这样，当标签进入不同的读写器范围时，就可以从空间上将电子标签区别 开来。其实现的另外一种方式可以在读写器上利用一个相控阵天线，并使天线的方向对准 某个标签，所以不同标签可以根据其在读写器作用范围内的角度位置丌来空分多路方法的 1 7 南京邮电大学硕士研究生兰堡垒茎 笙三空堕! 里堡筌壁堡垒堕壁塑型! 盟 _ - _ - - _ - - _ _ - i - _ _ - _ _ - _ _ _ - - - _ - _ - - l _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - i