RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)，RFID技術(shù)得以快速發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。隨著制造成本的下降和標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應(yīng)用將是不可逆轉(zhuǎn)的趁勢(shì)，這也給RFID測(cè)試領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的需求和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。負(fù)責(zé)制訂RFID標(biāo)準(zhǔn)的兩大主要國(guó)際組織ISO和EPCglobal都針對(duì)RFID協(xié)議一致性測(cè)試及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)布了相關(guān)的規(guī)范。

1.1RFID協(xié)議一致性測(cè)試的相關(guān)規(guī)范
RFID協(xié)議一致性測(cè)試規(guī)范是隨著RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，測(cè)試規(guī)范的目的即確定被測(cè)單元的特性與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定一致。ISO和EPCglobal都根據(jù)已發(fā)布的RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制訂了對(duì)應(yīng)的測(cè)試規(guī)范，用于指導(dǎo)進(jìn)行規(guī)范、可靠的RFID協(xié)議一致性測(cè)試。由于不同RFID協(xié)議的調(diào)制參數(shù)、編碼方式、防沖突機(jī)制、幀結(jié)構(gòu)、指令集等都各不相同，且不同頻段的RFID產(chǎn)品可能具有完全不同的特性，所以每一種協(xié)議都有其對(duì)應(yīng)的一致性測(cè)試規(guī)范，如表1-1所示：

表1-1：RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的一致性測(cè)試規(guī)范
RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了包括物理層和協(xié)議層在內(nèi)的各項(xiàng)特性，而一致性測(cè)試規(guī)范中則規(guī)定了測(cè)試環(huán)境、測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試預(yù)期結(jié)果，根據(jù)測(cè)試規(guī)范列舉的測(cè)試項(xiàng)目，通過(guò)比較被測(cè)單元的實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的異同，來(lái)判定被測(cè)單元是否與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定一致。
除此之外，每個(gè)國(guó)家或地區(qū)還會(huì)有特定的RFID產(chǎn)品規(guī)范，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的功率、頻率、帶寬等參數(shù)進(jìn)行限制，該規(guī)范所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也屬于RFID協(xié)議一致性測(cè)試的范疇。對(duì)于在中國(guó)銷售和使用的RFID產(chǎn)品，國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)部于2007年發(fā)布了“800/900MHz頻段RFID技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定”，以規(guī)范該頻段RFID 產(chǎn)品的應(yīng)用。

1.2RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)面臨的困難與挑戰(zhàn)
對(duì)于大多數(shù)已長(zhǎng)期應(yīng)用的無(wú)線通訊系統(tǒng)，如GSM等，傳統(tǒng)測(cè)試儀器制造商已能夠?yàn)槠涮峁┚C合測(cè)試儀。典型的協(xié)議一致性測(cè)試配置包括一臺(tái)綜合測(cè)試儀和被測(cè)設(shè)備，其中綜合測(cè)試儀作為主單元，被測(cè)設(shè)備作為從單元，兩者之間通過(guò)射頻電纜相連或通過(guò)天線經(jīng)空中傳輸相連，在建立通訊鏈路的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置及測(cè)試。RFID技術(shù)作為無(wú)線通訊的新興領(lǐng)域之一，其協(xié)議一致性測(cè)試目前仍然較多的依靠信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀和示波器等傳統(tǒng)儀器的組合，但由于RFID技術(shù)在具有無(wú)線通訊所共有的特性之外，又有著其獨(dú)有的特殊性，采用傳統(tǒng)儀器的組合很難構(gòu)建出完善的協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)。
首先，RFID閱讀器與標(biāo)簽的測(cè)試與傳統(tǒng)設(shè)備的測(cè)試差異較大，以EPC UHF Class 1 Gen 2標(biāo)準(zhǔn)為例，閱讀器和標(biāo)簽通訊的時(shí)序如圖1-1所示：

圖1-1：EPC UHF Class 1 Gen 2通訊時(shí)序
整個(gè)實(shí)時(shí)通訊過(guò)程在數(shù)毫秒內(nèi)即全部完成，其中包含了2條指令以及2條應(yīng)答交互的實(shí)時(shí)握手操作，即Query（指令）→RN16（應(yīng)答）→ACK（指令）→PC+EPC+CRC16（應(yīng)答），其中鏈接時(shí)間T1和T2都在微秒量級(jí)。根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ACK指令中必須正確包含前一條應(yīng)答中的16位隨機(jī)數(shù)，且在規(guī)定的鏈接時(shí)間T2之內(nèi)反饋給標(biāo)簽，否則通訊將失敗。因此采用預(yù)生成信號(hào)的方式無(wú)法完成實(shí)時(shí)通訊過(guò)程，測(cè)試系統(tǒng)必須具有在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)生成信號(hào)的能力，傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器無(wú)法滿足該協(xié)議的時(shí)序要求。
其次，RFID協(xié)議一致性測(cè)試的關(guān)鍵在于測(cè)試的完整性，必須根據(jù)一致性測(cè)試規(guī)范對(duì)被測(cè)單元進(jìn)行完整的物理層和協(xié)議層測(cè)試。傳統(tǒng)儀器通常只能夠完成對(duì)物理層參數(shù)的測(cè)試，而由于其靈活性的局限無(wú)法對(duì)協(xié)議層參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。另一方面，由于測(cè)試條件眾多，對(duì)于單個(gè)參數(shù)，如鏈接時(shí)間等，需要在不同頻率，不同碼率，不同編碼方式等情況下分別進(jìn)行測(cè)試，這就使得測(cè)試點(diǎn)成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。如果采用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試，完成完整的協(xié)議一致性測(cè)試將需要很長(zhǎng)的時(shí)間，如何提高測(cè)試速度也成為了RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)的課題之一。
再次，RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)種類眾多，有適用于近距離通訊的LF、HF頻段標(biāo)準(zhǔn)，還有適用于遠(yuǎn)距離通訊的UHF、Microwave頻段標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)頻段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)還由于工作模式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊牟煌煌?。每一種RFID協(xié)議都有自己獨(dú)特的測(cè)試需求，在ISO和EPCglobal制訂的各個(gè)RFID協(xié)議一致性測(cè)試規(guī)范中，對(duì)一致性測(cè)試系統(tǒng)的描述和要求也不盡相同。RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的多樣性為協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，如何用一個(gè)通用測(cè)試平臺(tái)來(lái)覆蓋所有的RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可靠的實(shí)現(xiàn)RFID協(xié)議一致性測(cè)試，是亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。
最后，RFID技術(shù)本身還在不斷演進(jìn)，包括ISO和EPCglobal在內(nèi)的國(guó)際組織，以及RFID領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，還在不斷的完善現(xiàn)有協(xié)議，發(fā)展新協(xié)議，如即將發(fā)布的EPC HF Class 1 Gen 2標(biāo)準(zhǔn)將作為Mode 3對(duì)ISO 18000-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展。新協(xié)議的出現(xiàn)，又會(huì)帶來(lái)新的物理層空中接口規(guī)定和協(xié)議層數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，因此需要一個(gè)靈活可擴(kuò)展的測(cè)試平臺(tái)與之相適應(yīng)，使之不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有RFID協(xié)議的一致性測(cè)試，也能快速應(yīng)對(duì)下一代RFID協(xié)議的測(cè)試需求。

2.RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)概述
目前應(yīng)用于RFID協(xié)議一致性測(cè)試的系統(tǒng)主要有以下幾種構(gòu)架方式，即：成功/失敗模式、監(jiān)聽(tīng)模式、激勵(lì)/響應(yīng)模式、實(shí)時(shí)仿真模式，依次覆蓋了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜不同層次的一致性測(cè)試需求。本節(jié)中我們將對(duì)比不同構(gòu)架的特點(diǎn)及其局限性，并引入軟件無(wú)線電等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合各種測(cè)試構(gòu)架來(lái)應(yīng)對(duì)RFID協(xié)議一致性測(cè)試中面臨的困難與挑戰(zhàn)。

2.1RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架方式
1.成功/失敗模式
最簡(jiǎn)單的RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)采用一個(gè)參考閱讀器與被測(cè)標(biāo)簽之間進(jìn)行通訊，得出通訊成功或失敗的結(jié)果，以此判定被測(cè)標(biāo)簽的特性，或反之采用參考標(biāo)簽判定被測(cè)閱讀器的特性。成功/失敗模式如圖2-1所示：

圖2-1：成功/失敗模式
該測(cè)試模式的特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間極短，適合于生產(chǎn)線等對(duì)測(cè)試速度要求很高的測(cè)試場(chǎng)合。但其缺點(diǎn)在于測(cè)試項(xiàng)目少，測(cè)試結(jié)果簡(jiǎn)單，僅能提供被測(cè)單元是否正常工作的信息，對(duì)于判定被測(cè)單元的協(xié)議一致性來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。另外，當(dāng)遇到測(cè)試結(jié)果為失敗時(shí)，由于無(wú)法分析失敗的原因，不能夠?qū)Ρ粶y(cè)單元的改進(jìn)提供有用的信息。
2.監(jiān)聽(tīng)模式
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，成功/失敗模式并未真正構(gòu)成RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)，該模式更多的只作為一種輔助的測(cè)試手段。針對(duì)成功/失敗模式的不足，我們可以在它的基礎(chǔ)上增加頻譜儀和示波器等儀器，構(gòu)成監(jiān)聽(tīng)模式。進(jìn)一步的，我們可以采用矢量信號(hào)分析儀等高級(jí)信號(hào)分析儀器替代頻譜儀和示波器，以獲得更加強(qiáng)大的信號(hào)分析能力。在該測(cè)試模式中，當(dāng)參考單元和被測(cè)單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，我們可以通過(guò)第三方儀器對(duì)通訊的信號(hào)進(jìn)行采集和分析。監(jiān)聽(tīng)模式如圖2-2所示：

圖2-2：監(jiān)聽(tīng)模式
該測(cè)試模式能夠?qū)崿F(xiàn)的協(xié)議一致性測(cè)試功能主要取決于兩個(gè)要素，首先是矢量信號(hào)分析儀。RFID協(xié)議一致性測(cè)試，要求矢量信號(hào)分析儀不僅具有傳統(tǒng)的時(shí)域和頻域分析功能，還需要具有針對(duì)RFID協(xié)議的解調(diào)和解碼功能，才能獲得通訊過(guò)程中的數(shù)據(jù)。同時(shí)，矢量信號(hào)分析儀還需要具備適合于RFID信號(hào)的同步觸發(fā)采集功能，如射頻功率觸發(fā)或頻譜模板觸發(fā)。由于幾乎所有RFID信號(hào)都是間斷的瞬時(shí)信號(hào)，具有射頻功率開(kāi)啟標(biāo)志著通訊開(kāi)始的共同特征，射頻功率觸發(fā)已成為最常用的觸發(fā)采集方式。除此之外，由于RFID閱讀器和標(biāo)簽之間的通訊速率很快，受限于矢量信號(hào)分析儀的操作和信號(hào)處理速度，監(jiān)聽(tīng)模式下無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)分析，而只能采用實(shí)時(shí)采集，離線分析的方式，因此矢量信號(hào)分析儀的信號(hào)存儲(chǔ)能力就顯得至關(guān)重要了。
監(jiān)聽(tīng)模式在彌補(bǔ)了成功/失敗模式的不足的同時(shí)，也存在著同樣的局限性，即該測(cè)試模式的另一個(gè)要素，參考單元（閱讀器或標(biāo)簽）。在RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于大多數(shù)參數(shù)的規(guī)定，都采用了靈活組合的方式，即閱讀器和標(biāo)簽都可以在寬泛的范圍內(nèi)進(jìn)行操作，如不同的調(diào)制參數(shù)、編碼方式、數(shù)據(jù)速率、強(qiáng)制的和可選的指令集等。需要說(shuō)明的是，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定閱讀器和標(biāo)簽并不需要同時(shí)支持所有的參數(shù)組合方式，而由于研發(fā)和生產(chǎn)成本等因素的制約，實(shí)際的RFID產(chǎn)品也無(wú)法支持所有的參數(shù)組合方式。
參考單元的選擇很大程度上決定了該測(cè)試模式的效果，但尋找一個(gè)包含了所有功能的“完美”參考單元幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。退一步來(lái)看，即使找到了“完美”參考單元，對(duì)于完成RFID協(xié)議一致性測(cè)試來(lái)說(shuō)還是不夠的，因?yàn)樵趨f(xié)議一致性測(cè)試中，不僅需要測(cè)試協(xié)議規(guī)定的正確通訊流程，還需要執(zhí)行非正常流程來(lái)測(cè)試被測(cè)單元在特定條件下的反應(yīng)。
受參考單元功能限制的影響，監(jiān)聽(tīng)模式很難實(shí)現(xiàn)全面的協(xié)議一致性測(cè)試，但對(duì)于協(xié)議一致性測(cè)試來(lái)說(shuō)，測(cè)試的完整性卻又是必須保證的。因此，監(jiān)聽(tīng)模式只適合于基本的物理層測(cè)試，如不依賴于標(biāo)簽應(yīng)答的閱讀器射頻參數(shù)等。