特高频码分射频识别（CD-RFID）的需求分析

　　本文分析了源于物流网的现行特高频无源标签RFID标准ISO/IEC18000-6的单信道射频识别特征,物流网对无源标签UHF RFID空中接口的应用需求,认为现行标准所采用的技术在网络接入能力、组网能力、通信资源利用等方面不能适应物联网的发展需求。指出发展码分射频识别是国际上业界的共同期待,并介绍了国外和台湾学者所做的工作,指出了技术发展方向。 

　　一个新的码分射频识别体制是对现行单信道射频识别体制的革新,现行体制的特征分析表明,现行单信道射频识别体制难于适应物联网的应用需求,出路在于引入特高频码分射频识别。

　　现行UHF RFID空中接口标准

　　ISO/IEC18000-6为物流网所生

　　ISO/IEC18000标准体系给出的RFID通信系统架构如图1。

　　虚线框内5个实体在读写器和标签内部；分别为固定通信管理、媒体适配、载体通信管理和应用处理。物流信息提供虚线框外的本地系统和中央系统。

　　中央系统为物流模式总体布局(General Distribution Logistic Model-GDLM)应用功能集总的实体；本地系统是实时处理GDLM应用的部分职能的本地(路边)实体。

图1　RFID通信参考架构

　　相邻实体间依次定义的接口中δ为RFID空中接口,α和β为RFID外部接口。

　　可见：ISO/IEC18000 RFID标准是以服务于物流网为宗旨的系统。其信息最终到达点是物流中心；ISO/IEC18000系列标准只针对δ接口。为唯一与传播介质有关的接口。

　　ISO/IEC18000-6为单信道射频识别系统

　　ISO/IEC18000-6是世界公认的现行UHF RFID空中接口标准。其工作场景有三种。

　　单读写器单标签RFID空中接口(如图2)：

图2  单标签单读写器RFID空中接口

　　单读写器单标签RFID空中接口由标签,读写器,以及在读写器与标签之间实现空间信号传送所必需的传播媒体组成。读写器可与计算机相联,计算机用以实现数据存储和处理。

　　典型的单读写器单标签RFID空中接口是单信道射频识别系统。低频和高频RFID系统通常工作于该场景。

　　单读写器多标签RFID空中接口(如图3)：  

图3   单读写器多标签RFID空中接口

　　UHF RFID的ISO/IEC18000-6标准允许一台读写器对多个标签实施数据写入和读取。读写器以广播方式下达指令信息,天线波束覆盖区内的所有标签均可接收,但多标签同时应答即形成标签碰撞,需要通过碰撞仲裁使标签排序接入依次应答。任何时候每台读写器只能接受所有标签中的一个应答,也就是只建立一条对话链接。事实上仍然只是一条单信道接入链路的射频识别系统。

　　多读写器多标签RFID空中接口(如图4)： 

　　UHF RFID ISO/IEC18000-6允许多个读写器与多组标签在一定地域同时使用,组成一个大系统,多个读写器输出通过中间件连接到传输网络和数据中心。

　　当多读写器密集配置时,由于相邻读写器天线波束重叠覆盖区读写器信号可能互相碰撞,为防止碰撞,需采取碰撞协调措施,常用的方法是时域排序,事实上依然是单信道射频识别。

　　ISO/IEC18000-6通信协议

　　ISO/IEC18000-6经过十年的发展,有三个版本,四种型制。即2002年的TypeA、TypeB,2006年的TypeC,和2010年的包括TypeA、TypeB,TypeC并新增TypeD的综合版本。比较这些版本可以发现：物理层基本变化不大；主要差异在媒体接入控制的碰撞仲裁算法。

　　四种型制,不存在升级换代的关系。在2010年版本中TypeA、TypeB, TypeC和新增的TypeD,并立共存,选择使用。

　　雷达思维的“通信参数体系”

　　受雷达模型的影响,尽管ISO/IEC18000系列标准名为“通信参数标准”,但该标准具有明显的雷达思维特征。视标签为被探测的目标,标签对探测信号的响应为后向散射作用。其数值表征为雷达散射截面。此外,还关注波形和时间参数,如读写器解调和返回时间、标签解调和返回时间、标签响应时间、标签状态存储时间等。

　　ISO/IEC18000-6物理层

　　射频参数：

　　ISO/IEC18000-6规定射频参数,遵从国家无线电频谱管理规定。860-960 MHz频段,各国政府对射频参数规定不同,射频带宽在2-5MHz之间,标签不分频道,读写器按250kHz间隔划分频道。

　　调制参数

　　ISO/IEC18000-6标准规定了两类射频调制：窄带调制和宽带调制。

　　窄带射频调制选择：有AM,ASK,包括双边带幅度键控(DSB-ASK),单边带幅度键控(SSB-ASK),反转相位幅度键控(PR-ASK)。

　　宽带调制：标准预留了未被采用的直接序列扩展频谱参数条款。

　　标准规定了跳频扩展频谱调制(Frequency Hope Spread Spectrum----FHSS)为可选技术。但由于RFID通信时长远小于跳频驻留时间,事实上并不能算得上是跳频扩展频谱。

　　基带调制：规定有FM0和三种Miller(M=2,M=4和M=8)波副载波调制(Sub-carrier Frequency Modulation)调制；和脉冲间隔调制(PIM)。

　　基带速率：上行信道为26.7-128 kb/s,上行信道最低为5 kb/s,最低为640 kb/s。

　　由上所述可见,ISO/IEC18000-6物理层设计基本属于上世纪70年代前的无线通信技术。单信道体制,低频谱利用率5%～8%,低频谱效率0.001～0.32,为无线通信系统少见。

　　碰撞仲裁

　　ISO/IEC18000-6标准单信道射频识别体制,采用防碰撞通信协议,把共享一个信道的所有标签,从无序的随机碰撞引导到有序地接入,即碰撞仲裁算法。包括Aloha算法,二叉树搜索算法,载波侦听-拖延重发。为了提高接入效率而不断改进算法,产生了多种版本。

　　改进的Aloha算法是变碰撞后仲裁为碰撞前排序,UHF RFID空中接口应用的改进算法有时隙Aloha算法,帧时隙Aloha算法,固定帧时隙Aloha算法,动态帧时隙Aloha算法,和带延迟的帧时隙Aloha算法等。

　　单信道射频识别总数据速率总是低于额定单用户接入速率。占用带宽等于单信道带宽。

　　单信道射频识别多读写器密集配置又有多读写器竞争碰撞。需要进行碰撞协调,例如色波(Color wave)算法为代表的读写器防碰撞设计。其设计思路是让空域配置的多读写器在时域上分散, 这将进一步损失传输效率。

　　闭环检测方法

　　基于雷达后向散射思维,对ISO/IEC18000-6参数的测试需要建立一个闭环检测系统。ISO/IEC18047标准给出的检测框图如图5。用于读写器调制、读写器解调和返回时间、标签解调和返回时间和标签后向散射等参数测试。

图5  ISO/IEC18000-6参数测试系统框图

　　由读写器提供对标签检测的信号,经标签,再返回测试设备由检测设备观察测试效果。例如标签后向散射特性测试,其效果表征为参数雷达散射截面 。

　　闭环检测所获得的检测结果将是读写器与标签特性的总体效果,很难完全实现一致性检测所期待的效果。

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　　物联网对UHF RFID空中接口的需求

　　物联网中的RFID

　　物联网架构分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成,其主要功能是识别物体,采集信息。网络层负责传递和处理感知层获取的信息。核心为互联网。应用层是物联网和用户的接口,它与行业需求结合,实现物联网的智能应用。EPC给出的物联网结构如下图。

图6　物联网(IOT)中的RFID

　　RFID为物联网感知层的基本组成部分,此外还有中间件(Middle Ware)、对象名解析服务器(Object Name Service)、物理标记语言(Physical Mark Language)。

　　物流网与物联网对RFID接入信息需求,前者犹如溪水之与涓涓细流,后者犹入大海之与江河洪流。接入能力是物联网发展的基础。

　　基于近场通信 (NFC)的RFID接入

　　借助于现有城市数据网或移动通信网实现了13.56MHz无源标签多信道接入的近场通信(Near Field Communication- NFC)由飞利浦和索尼公司共同研制开发。是将特殊的RFID芯片智能卡嵌入手机、PDA和掌上电脑等移动终端中,智能卡包含有各种非接触式智能卡的功能,移动终端具有远程通信功能。两相结合实现RFID对网络接入。

　　基于ZigBee的RFID多链路接入

　　ZigBee结合RFID系统设计是把2.45GHz频段RFID的识别功能,和同频段的ZigBee的传输和组网应用能力结合起来,实现RFID进入Internet的设计。ZigBee结合RFID系统设计有两种实现方法。其一,ZigBee+RFID；其二,ZigBee与RFID融合。

　　ZigBee+RFID

　　ZigBee+RFID如图5。RFID和ZigBee都独立地存在于系统之中。通过ZigBee实现多个读写器到网络的联接及进入Internet。 

图7　ZigBee 与RFID相结合系统

　　ZigBee与RFID融合。

　　ZigBee与RFID融合。让ZigBee终端具有RFID读写功能。将RFID标签和读写器分别与ZigBee从站终端设备和主站终端设备统一设计成一体设备。

　　NFC技术实现了13.56MHz频率无源标签射频识别(RFID)接入互联网问题, ZigBee+RFID解决了2.45GHz频段有源标签接入互联网问题,惟独860～960MHz无源标签接入互联网问题尚未找到有效技术途径。这正是码分射频识别所面对的需求。

　　UHF 无源标签RFID空中接口期待扩展频谱码分接入

　　业界所期待

　　单信道链路接入效率低,各种碰撞仲裁算法都属于对标签应答时序管理,不改变单信道接入的本质。变单信道链路接入为多信道接入网接入才是出路。如上所述NFC和ZigBee与RFID结合分别实现了高频无源标签和2.45GHz有源标签多信道接入,那末,RFID家族中的特殊重要地位的860～960 MHz无源标签多信道接入就是早已为业界所期待的最后的难点。

　　ISO/IEC18000标准制定者期待直接序列扩展频谱(DSSS)技术,在系列标准的总纲ISO/IEC18000第一部分给出了ISO/IEC18000的一系列参数定义,包括直接序列扩展频谱占用信道带宽,扩展频谱序列,chip率,chip率精度等参数。在每一册分标准的协议参数部分,凡读写器到标签链路和标签到读写器链路参数表格中都留下了扩展频谱序列,chip率,chip率精度等条目。然后加注“不用”。

　　如此安排说明。标准编制者十分看重扩展频谱技术,为今后条件成熟时加入相关内容留足了发展空间。历经十余年,始终不舍弃,可见,标准制定者对DSSS技术期待之甚。

　　多读写器应用需要码分组网

　　在多读写器同场使用环境下,由于单信道应答,存在读写器碰撞。为解决读写器碰撞,采用了诸如色波法(Color wave),侦听后发送(Listen before talk?LBT)和互联RFID读写器碰撞模型(interconnected RFID reader collision model--IRCM)等多种缓解措施,其实都是靠牺牲读取效率以减少碰撞。

　　适应多读写器同场工作环境,消除读写器碰撞而不损伤每个读写器读取效率。若直接序列扩展频谱有足够序列资源,可以实现码分组网.变链路接入为正交接入网接入,实现一定地域范围的全覆盖建网。

　　充分利用频谱资源的需求

　　按照通信思维设计数据通信系统,最关注频谱资源利用。ISO/IEC18000-6的频谱利用率之低在通信系统中极为少见。在无源标签RFID系统中提高频谱利用率的唯一有效和可行的技术途径是扩展频谱技术。

　　同时,扩展频谱还将带来读写器接收灵敏度提高,以弥补系统设备能力不足,对同频段其它通信系统干扰环境的改善,以及抗多径干扰等好处。

　　变闭环检测为开环检测

基于通信思维,视UHF RFID空中接口为上行和下行两个独立而相关联的通信链路.因此可以按照通信思维建立以设备能力为主体的通信参数体系,实现开环检测,读写器与标签按照系统设备分别定义参数指标。而不再使用雷达散射截面,也较少关注时间参数。可以使一致性检测效果更理想。

　　国外和台湾所做的工作

　　国外研究

　　2009年IEEE Transaction on Automation Science and Engineering Vol.6 No.1发表了Gustaw Mazurek(波兰)“应用扩展频谱发送的有源RFID系统”的文稿。该文给出了使用16个127位Gold序列,实现码分信道有源RFID空中接口的应用扩展频谱技术的计算机仿真结果。

　　台湾大学研究

　　台湾大学刘馨勤等曾使用霍夫曼(Huffman)序列与循环平移的霍夫曼序列作为RFID码分接入扩展频谱序列。

　　台湾元智大学郭芷琮以相互正交格雷互补序列集合用于RFID系统,以码分接入的方法处理RFID系统标签信号异步时碰撞的问题。使用相互正交格雷互补序列集合为RFID扩展频谱序列,给出了模拟结果。

　　发展方向

　　国外和台湾的研究说明正交接入序列族的选择是UHF码分射频识别的关键课题之一,目前他们所选的序列族仍然不是理想的序列族。

　　UHF RFID空中接口包含上行和下行两个链路,目前国外和台湾只做了上行链路研究,还不是系统研究。

　　理想的序列族之外需要从单信道接入碰撞管理转变为多信道接入网接入管理,为此,必需研究UHF RFID空中接口多信道接入的环境特点,制定合适的系统通信协议。

　　结束语

　　为改变单信道射频识别接入能力低下,标签碰撞,读写器碰撞对传输效率的影响,国外和台湾学者的努力在上行链路,正交接入序列选择上做了探索,说明企图利用UHF RFID空中接口频谱资源,发展码分射频识别是业界广泛期待。作者近年所做的工作也是寻找到理想的正交序列族,并从单纯的序列族研究扩大到系统解决方案的研究,形成了完整的码分射频识别解决方案,本文旨在说明发展需求,以作为开端。