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。
