本文分析了源于物流網的現行特高頻無源標簽RFID標準ISO/IEC18000-6的單信道射頻識別特征,物流網對無源標簽UHF RFID空中接口的應用需求,認為現行標準所采用的技術在網絡接入能力、組網能力、通信資源利用等方面不能適應物聯網的發(fā)展需求。指出發(fā)展碼分射頻識別是國際上業(yè)界的共同期待,并介紹了國外和臺灣學者所做的工作,指出了技術發(fā)展方向。 

　　一個新的碼分射頻識別體制是對現行單信道射頻識別體制的革新,現行體制的特征分析表明,現行單信道射頻識別體制難于適應物聯網的應用需求,出路在于引入特高頻碼分射頻識別。

　　現行UHF RFID空中接口標準

　　ISO/IEC18000-6為物流網所生

　　ISO/IEC18000標準體系給出的RFID通信系統架構如圖1。

　　虛線框內5個實體在讀寫器和標簽內部；分別為固定通信管理、媒體適配、載體通信管理和應用處理。物流信息提供虛線框外的本地系統和中央系統。

　　中央系統為物流模式總體布局(General Distribution Logistic Model-GDLM)應用功能集總的實體；本地系統是實時處理GDLM應用的部分職能的本地(路邊)實體。

圖1　RFID通信參考架構

　　相鄰實體間依次定義的接口中δ為RFID空中接口,α和β為RFID外部接口。

　　可見：ISO/IEC18000 RFID標準是以服務于物流網為宗旨的系統。其信息最終到達點是物流中心；ISO/IEC18000系列標準只針對δ接口。為唯一與傳播介質有關的接口。

　　ISO/IEC18000-6為單信道射頻識別系統

　　ISO/IEC18000-6是世界公認的現行UHF RFID空中接口標準。其工作場景有三種。

　　單讀寫器單標簽RFID空中接口(如圖2)：

圖2  單標簽單讀寫器RFID空中接口

　　單讀寫器單標簽RFID空中接口由標簽,讀寫器,以及在讀寫器與標簽之間實現空間信號傳送所必需的傳播媒體組成。讀寫器可與計算機相聯,計算機用以實現數據存儲和處理。

　　典型的單讀寫器單標簽RFID空中接口是單信道射頻識別系統。低頻和高頻RFID系統通常工作于該場景。

　　單讀寫器多標簽RFID空中接口(如圖3)：  

圖3   單讀寫器多標簽RFID空中接口

　　UHF RFID的ISO/IEC18000-6標準允許一臺讀寫器對多個標簽實施數據寫入和讀取。讀寫器以廣播方式下達指令信息,天線波束覆蓋區(qū)內的所有標簽均可接收,但多標簽同時應答即形成標簽碰撞,需要通過碰撞仲裁使標簽排序接入依次應答。任何時候每臺讀寫器只能接受所有標簽中的一個應答,也就是只建立一條對話鏈接。事實上仍然只是一條單信道接入鏈路的射頻識別系統。

　　多讀寫器多標簽RFID空中接口(如圖4)： 

　　UHF RFID ISO/IEC18000-6允許多個讀寫器與多組標簽在一定地域同時使用,組成一個大系統,多個讀寫器輸出通過中間件連接到傳輸網絡和數據中心。

　　當多讀寫器密集配置時,由于相鄰讀寫器天線波束重疊覆蓋區(qū)讀寫器信號可能互相碰撞,為防止碰撞,需采取碰撞協調措施,常用的方法是時域排序,事實上依然是單信道射頻識別。

　　ISO/IEC18000-6通信協議

　　ISO/IEC18000-6經過十年的發(fā)展,有三個版本,四種型制。即2002年的TypeA、TypeB,2006年的TypeC,和2010年的包括TypeA、TypeB,TypeC并新增TypeD的綜合版本。比較這些版本可以發(fā)現：物理層基本變化不大；主要差異在媒體接入控制的碰撞仲裁算法。

　　四種型制,不存在升級換代的關系。在2010年版本中TypeA、TypeB, TypeC和新增的TypeD,并立共存,選擇使用。

　　雷達思維的“通信參數體系”

　　受雷達模型的影響,盡管ISO/IEC18000系列標準名為“通信參數標準”,但該標準具有明顯的雷達思維特征。視標簽為被探測的目標,標簽對探測信號的響應為后向散射作用。其數值表征為雷達散射截面。此外,還關注波形和時間參數,如讀寫器解調和返回時間、標簽解調和返回時間、標簽響應時間、標簽狀態(tài)存儲時間等。

　　ISO/IEC18000-6物理層

　　射頻參數：

　　ISO/IEC18000-6規(guī)定射頻參數,遵從國家無線電頻譜管理規(guī)定。860-960 MHz頻段,各國政府對射頻參數規(guī)定不同,射頻帶寬在2-5MHz之間,標簽不分頻道,讀寫器按250kHz間隔劃分頻道。

　　調制參數

　　ISO/IEC18000-6標準規(guī)定了兩類射頻調制：窄帶調制和寬帶調制。

　　窄帶射頻調制選擇：有AM,ASK,包括雙邊帶幅度鍵控(DSB-ASK),單邊帶幅度鍵控(SSB-ASK),反轉相位幅度鍵控(PR-ASK)。

　　寬帶調制：標準預留了未被采用的直接序列擴展頻譜參數條款。

　　標準規(guī)定了跳頻擴展頻譜調制(Frequency Hope Spread Spectrum----FHSS)為可選技術。但由于RFID通信時長遠小于跳頻駐留時間,事實上并不能算得上是跳頻擴展頻譜。

　　基帶調制：規(guī)定有FM0和三種Miller(M=2,M=4和M=8)波副載波調制(Sub-carrier Frequency Modulation)調制；和脈沖間隔調制(PIM)。

　　基帶速率：上行信道為26.7-128 kb/s,上行信道最低為5 kb/s,最低為640 kb/s。

　　由上所述可見,ISO/IEC18000-6物理層設計基本屬于上世紀70年代前的無線通信技術。單信道體制,低頻譜利用率5%～8%,低頻譜效率0.001～0.32,為無線通信系統少見。

　　碰撞仲裁

　　ISO/IEC18000-6標準單信道射頻識別體制,采用防碰撞通信協議,把共享一個信道的所有標簽,從無序的隨機碰撞引導到有序地接入,即碰撞仲裁算法。包括Aloha算法,二叉樹搜索算法,載波偵聽-拖延重發(fā)。為了提高接入效率而不斷改進算法,產生了多種版本。

　　改進的Aloha算法是變碰撞后仲裁為碰撞前排序,UHF RFID空中接口應用的改進算法有時隙Aloha算法,幀時隙Aloha算法,固定幀時隙Aloha算法,動態(tài)幀時隙Aloha算法,和帶延遲的幀時隙Aloha算法等。

　　單信道射頻識別總數據速率總是低于額定單用戶接入速率。占用帶寬等于單信道帶寬。

　　單信道射頻識別多讀寫器密集配置又有多讀寫器競爭碰撞。需要進行碰撞協調,例如色波(Color wave)算法為代表的讀寫器防碰撞設計。其設計思路是讓空域配置的多讀寫器在時域上分散, 這將進一步損失傳輸效率。

　　閉環(huán)檢測方法

　　基于雷達后向散射思維,對ISO/IEC18000-6參數的測試需要建立一個閉環(huán)檢測系統。ISO/IEC18047標準給出的檢測框圖如圖5。用于讀寫器調制、讀寫器解調和返回時間、標簽解調和返回時間和標簽后向散射等參數測試。

圖5  ISO/IEC18000-6參數測試系統框圖

　　由讀寫器提供對標簽檢測的信號,經標簽,再返回測試設備由檢測設備觀察測試效果。例如標簽后向散射特性測試,其效果表征為參數雷達散射截面 。

　　閉環(huán)檢測所獲得的檢測結果將是讀寫器與標簽特性的總體效果,很難完全實現一致性檢測所期待的效果。

{$page$}

　　物聯網對UHF RFID空中接口的需求

　　物聯網中的RFID

　　物聯網架構分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成,其主要功能是識別物體,采集信息。網絡層負責傳遞和處理感知層獲取的信息。核心為互聯網。應用層是物聯網和用戶的接口,它與行業(yè)需求結合,實現物聯網的智能應用。EPC給出的物聯網結構如下圖。

圖6　物聯網(IOT)中的RFID

　　RFID為物聯網感知層的基本組成部分,此外還有中間件(Middle Ware)、對象名解析服務器(Object Name Service)、物理標記語言(Physical Mark Language)。

　　物流網與物聯網對RFID接入信息需求,前者猶如溪水之與涓涓細流,后者猶入大海之與江河洪流。接入能力是物聯網發(fā)展的基礎。

　　基于近場通信 (NFC)的RFID接入

　　借助于現有城市數據網或移動通信網實現了13.56MHz無源標簽多信道接入的近場通信(Near Field Communication- NFC)由飛利浦和索尼公司共同研制開發(fā)。是將特殊的RFID芯片智能卡嵌入手機、PDA和掌上電腦等移動終端中,智能卡包含有各種非接觸式智能卡的功能,移動終端具有遠程通信功能。兩相結合實現RFID對網絡接入。

　　基于ZigBee的RFID多鏈路接入

　　ZigBee結合RFID系統設計是把2.45GHz頻段RFID的識別功能,和同頻段的ZigBee的傳輸和組網應用能力結合起來,實現RFID進入Internet的設計。ZigBee結合RFID系統設計有兩種實現方法。其一,ZigBee+RFID；其二,ZigBee與RFID融合。

　　ZigBee+RFID

　　ZigBee+RFID如圖5。RFID和ZigBee都獨立地存在于系統之中。通過ZigBee實現多個讀寫器到網絡的聯接及進入Internet。 

圖7　ZigBee 與RFID相結合系統

　　ZigBee與RFID融合。

　　ZigBee與RFID融合。讓ZigBee終端具有RFID讀寫功能。將RFID標簽和讀寫器分別與ZigBee從站終端設備和主站終端設備統一設計成一體設備。

　　NFC技術實現了13.56MHz頻率無源標簽射頻識別(RFID)接入互聯網問題, ZigBee+RFID解決了2.45GHz頻段有源標簽接入互聯網問題,惟獨860～960MHz無源標簽接入互聯網問題尚未找到有效技術途徑。這正是碼分射頻識別所面對的需求。

　　UHF 無源標簽RFID空中接口期待擴展頻譜碼分接入

　　業(yè)界所期待

　　單信道鏈路接入效率低,各種碰撞仲裁算法都屬于對標簽應答時序管理,不改變單信道接入的本質。變單信道鏈路接入為多信道接入網接入才是出路。如上所述NFC和ZigBee與RFID結合分別實現了高頻無源標簽和2.45GHz有源標簽多信道接入,那末,RFID家族中的特殊重要地位的860～960 MHz無源標簽多信道接入就是早已為業(yè)界所期待的最后的難點。

　　ISO/IEC18000標準制定者期待直接序列擴展頻譜(DSSS)技術,在系列標準的總綱ISO/IEC18000第一部分給出了ISO/IEC18000的一系列參數定義,包括直接序列擴展頻譜占用信道帶寬,擴展頻譜序列,chip率,chip率精度等參數。在每一冊分標準的協議參數部分,凡讀寫器到標簽鏈路和標簽到讀寫器鏈路參數表格中都留下了擴展頻譜序列,chip率,chip率精度等條目。然后加注“不用”。

　　如此安排說明。標準編制者十分看重擴展頻譜技術,為今后條件成熟時加入相關內容留足了發(fā)展空間。歷經十余年,始終不舍棄,可見,標準制定者對DSSS技術期待之甚。

　　多讀寫器應用需要碼分組網

　　在多讀寫器同場使用環(huán)境下,由于單信道應答,存在讀寫器碰撞。為解決讀寫器碰撞,采用了諸如色波法(Color wave),偵聽后發(fā)送(Listen before talk?LBT)和互聯RFID讀寫器碰撞模型(interconnected RFID reader collision model--IRCM)等多種緩解措施,其實都是靠犧牲讀取效率以減少碰撞。

　　適應多讀寫器同場工作環(huán)境,消除讀寫器碰撞而不損傷每個讀寫器讀取效率。若直接序列擴展頻譜有足夠序列資源,可以實現碼分組網.變鏈路接入為正交接入網接入,實現一定地域范圍的全覆蓋建網。

　　充分利用頻譜資源的需求

　　按照通信思維設計數據通信系統,最關注頻譜資源利用。ISO/IEC18000-6的頻譜利用率之低在通信系統中極為少見。在無源標簽RFID系統中提高頻譜利用率的唯一有效和可行的技術途徑是擴展頻譜技術。

　　同時,擴展頻譜還將帶來讀寫器接收靈敏度提高,以彌補系統設備能力不足,對同頻段其它通信系統干擾環(huán)境的改善,以及抗多徑干擾等好處。

　　變閉環(huán)檢測為開環(huán)檢測

基于通信思維,視UHF RFID空中接口為上行和下行兩個獨立而相關聯的通信鏈路.因此可以按照通信思維建立以設備能力為主體的通信參數體系,實現開環(huán)檢測,讀寫器與標簽按照系統設備分別定義參數指標。而不再使用雷達散射截面,也較少關注時間參數。可以使一致性檢測效果更理想。

　　國外和臺灣所做的工作

　　國外研究

　　2009年IEEE Transaction on Automation Science and Engineering Vol.6 No.1發(fā)表了Gustaw Mazurek(波蘭)“應用擴展頻譜發(fā)送的有源RFID系統”的文稿。該文給出了使用16個127位Gold序列,實現碼分信道有源RFID空中接口的應用擴展頻譜技術的計算機仿真結果。

　　臺灣大學研究

　　臺灣大學劉馨勤等曾使用霍夫曼(Huffman)序列與循環(huán)平移的霍夫曼序列作為RFID碼分接入擴展頻譜序列。

　　臺灣元智大學郭芷琮以相互正交格雷互補序列集合用于RFID系統,以碼分接入的方法處理RFID系統標簽信號異步時碰撞的問題。使用相互正交格雷互補序列集合為RFID擴展頻譜序列,給出了模擬結果。

　　發(fā)展方向

　　國外和臺灣的研究說明正交接入序列族的選擇是UHF碼分射頻識別的關鍵課題之一,目前他們所選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兩個鏈路,目前國外和臺灣只做了上行鏈路研究,還不是系統研究。

　　理想的序列族之外需要從單信道接入碰撞管理轉變?yōu)槎嘈诺澜尤刖W接入管理,為此,必需研究UHF RFID空中接口多信道接入的環(huán)境特點,制定合適的系統通信協議。

　　結束語

　　為改變單信道射頻識別接入能力低下,標簽碰撞,讀寫器碰撞對傳輸效率的影響,國外和臺灣學者的努力在上行鏈路,正交接入序列選擇上做了探索,說明企圖利用UHF RFID空中接口頻譜資源,發(fā)展碼分射頻識別是業(yè)界廣泛期待。作者近年所做的工作也是尋找到理想的正交序列族,并從單純的序列族研究擴大到系統解決方案的研究,形成了完整的碼分射頻識別解決方案,本文旨在說明發(fā)展需求,以作為開端。