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。
