RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)設計

1.RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，RFID技術得以快速發(fā)展，已被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。隨著制造成本的下降和標準化的實現(xiàn)，RFID技術的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趁勢，這也給RFID測試領域帶來了巨大的需求和嚴峻的挑戰(zhàn)。負責制訂RFID標準的兩大主要國際組織ISO和EPCglobal都針對RFID協(xié)議一致性測試及其系統(tǒng)設計發(fā)布了相關的規(guī)范。

1.1RFID協(xié)議一致性測試的相關規(guī)范
RFID協(xié)議一致性測試規(guī)范是隨著RFID協(xié)議標準的發(fā)展而發(fā)展起來的，測試規(guī)范的目的即確定被測單元的特性與協(xié)議標準的規(guī)定一致。ISO和EPCglobal都根據已發(fā)布的RFID協(xié)議標準制訂了對應的測試規(guī)范，用于指導進行規(guī)范、可靠的RFID協(xié)議一致性測試。由于不同RFID協(xié)議的調制參數、編碼方式、防沖突機制、幀結構、指令集等都各不相同，且不同頻段的RFID產品可能具有完全不同的特性，所以每一種協(xié)議都有其對應的一致性測試規(guī)范，如表1-1所示：

表1-1：RFID協(xié)議標準對應的一致性測試規(guī)范
RFID協(xié)議標準中規(guī)定了包括物理層和協(xié)議層在內的各項特性，而一致性測試規(guī)范中則規(guī)定了測試環(huán)境、測試項目和測試預期結果，根據測試規(guī)范列舉的測試項目，通過比較被測單元的實際輸出與預期輸出的異同，來判定被測單元是否與協(xié)議標準的規(guī)定一致。
除此之外，每個國家或地區(qū)還會有特定的RFID產品規(guī)范，會對產品的功率、頻率、帶寬等參數進行限制，該規(guī)范所規(guī)定的各項技術指標也屬于RFID協(xié)議一致性測試的范疇。對于在中國銷售和使用的RFID產品，國家信息產業(yè)部于2007年發(fā)布了“800/900MHz頻段RFID技術應用試行規(guī)定”，以規(guī)范該頻段RFID 產品的應用。

1.2RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)面臨的困難與挑戰(zhàn)
對于大多數已長期應用的無線通訊系統(tǒng)，如GSM等，傳統(tǒng)測試儀器制造商已能夠為其提供綜合測試儀。典型的協(xié)議一致性測試配置包括一臺綜合測試儀和被測設備，其中綜合測試儀作為主單元，被測設備作為從單元，兩者之間通過射頻電纜相連或通過天線經空中傳輸相連，在建立通訊鏈路的基礎上進行參數的設置及測試。RFID技術作為無線通訊的新興領域之一，其協(xié)議一致性測試目前仍然較多的依靠信號發(fā)生器、頻譜儀和示波器等傳統(tǒng)儀器的組合，但由于RFID技術在具有無線通訊所共有的特性之外，又有著其獨有的特殊性，采用傳統(tǒng)儀器的組合很難構建出完善的協(xié)議一致性測試系統(tǒng)。
首先，RFID閱讀器與標簽的測試與傳統(tǒng)設備的測試差異較大，以EPC UHF Class 1 Gen 2標準為例，閱讀器和標簽通訊的時序如圖1-1所示：

圖1-1：EPC UHF Class 1 Gen 2通訊時序
整個實時通訊過程在數毫秒內即全部完成，其中包含了2條指令以及2條應答交互的實時握手操作，即Query（指令）→RN16（應答）→ACK（指令）→PC+EPC+CRC16（應答），其中鏈接時間T1和T2都在微秒量級。根據協(xié)議標準，ACK指令中必須正確包含前一條應答中的16位隨機數，且在規(guī)定的鏈接時間T2之內反饋給標簽，否則通訊將失敗。因此采用預生成信號的方式無法完成實時通訊過程，測試系統(tǒng)必須具有在極短的時間內實時生成信號的能力，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器無法滿足該協(xié)議的時序要求。
其次，RFID協(xié)議一致性測試的關鍵在于測試的完整性，必須根據一致性測試規(guī)范對被測單元進行完整的物理層和協(xié)議層測試。傳統(tǒng)儀器通常只能夠完成對物理層參數的測試，而由于其靈活性的局限無法對協(xié)議層參數進行測試。另一方面，由于測試條件眾多，對于單個參數，如鏈接時間等，需要在不同頻率，不同碼率，不同編碼方式等情況下分別進行測試，這就使得測試點成幾何級數增長。如果采用傳統(tǒng)儀器進行手動測試，完成完整的協(xié)議一致性測試將需要很長的時間，如何提高測試速度也成為了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的課題之一。
再次，RFID協(xié)議標準種類眾多，有適用于近距離通訊的LF、HF頻段標準，還有適用于遠距離通訊的UHF、Microwave頻段標準，各個頻段內的標準還由于工作模式、數據傳輸等的不同而不同。每一種RFID協(xié)議都有自己獨特的測試需求，在ISO和EPCglobal制訂的各個RFID協(xié)議一致性測試規(guī)范中，對一致性測試系統(tǒng)的描述和要求也不盡相同。RFID協(xié)議標準的多樣性為協(xié)議一致性測試系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，如何用一個通用測試平臺來覆蓋所有的RFID協(xié)議標準，可靠的實現(xiàn)RFID協(xié)議一致性測試，是亟需解決的一個問題。
最后，RFID技術本身還在不斷演進，包括ISO和EPCglobal在內的國際組織，以及RFID領域的領先企業(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標準將作為Mode 3對ISO 18000-3標準進行擴展。新協(xié)議的出現(xiàn)，又會帶來新的物理層空中接口規(guī)定和協(xié)議層數據交換標準，因此需要一個靈活可擴展的測試平臺與之相適應，使之不僅能實現(xiàn)對現(xiàn)有RFID協(xié)議的一致性測試，也能快速應對下一代RFID協(xié)議的測試需求。

2.RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)概述
目前應用于RFID協(xié)議一致性測試的系統(tǒng)主要有以下幾種構架方式，即：成功/失敗模式、監(jiān)聽模式、激勵/響應模式、實時仿真模式，依次覆蓋了從簡單到復雜不同層次的一致性測試需求。本節(jié)中我們將對比不同構架的特點及其局限性，并引入軟件無線電等關鍵技術，結合各種測試構架來應對RFID協(xié)議一致性測試中面臨的困難與挑戰(zhàn)。

2.1RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的構架方式
1.成功/失敗模式
最簡單的RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)采用一個參考閱讀器與被測標簽之間進行通訊，得出通訊成功或失敗的結果，以此判定被測標簽的特性，或反之采用參考標簽判定被測閱讀器的特性。成功/失敗模式如圖2-1所示：

圖2-1：成功/失敗模式
該測試模式的特點是系統(tǒng)構成簡單，測試時間極短，適合于生產線等對測試速度要求很高的測試場合。但其缺點在于測試項目少，測試結果簡單，僅能提供被測單元是否正常工作的信息，對于判定被測單元的協(xié)議一致性來說是遠遠不夠的。另外，當遇到測試結果為失敗時，由于無法分析失敗的原因，不能夠對被測單元的改進提供有用的信息。
2.監(jiān)聽模式
嚴格來說，成功/失敗模式并未真正構成RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)，該模式更多的只作為一種輔助的測試手段。針對成功/失敗模式的不足，我們可以在它的基礎上增加頻譜儀和示波器等儀器，構成監(jiān)聽模式。進一步的，我們可以采用矢量信號分析儀等高級信號分析儀器替代頻譜儀和示波器，以獲得更加強大的信號分析能力。在該測試模式中，當參考單元和被測單元之間進行數據交換時，我們可以通過第三方儀器對通訊的信號進行采集和分析。監(jiān)聽模式如圖2-2所示：

圖2-2：監(jiān)聽模式
該測試模式能夠實現(xiàn)的協(xié)議一致性測試功能主要取決于兩個要素，首先是矢量信號分析儀。RFID協(xié)議一致性測試，要求矢量信號分析儀不僅具有傳統(tǒng)的時域和頻域分析功能，還需要具有針對RFID協(xié)議的解調和解碼功能，才能獲得通訊過程中的數據。同時，矢量信號分析儀還需要具備適合于RFID信號的同步觸發(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信號都是間斷的瞬時信號，具有射頻功率開啟標志著通訊開始的共同特征，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閱讀器和標簽之間的通訊速率很快，受限于矢量信號分析儀的操作和信號處理速度，監(jiān)聽模式下無法實現(xiàn)對信號的實時分析，而只能采用實時采集，離線分析的方式，因此矢量信號分析儀的信號存儲能力就顯得至關重要了。
監(jiān)聽模式在彌補了成功/失敗模式的不足的同時，也存在著同樣的局限性，即該測試模式的另一個要素，參考單元（閱讀器或標簽）。在RFID協(xié)議標準中，對于大多數參數的規(guī)定，都采用了靈活組合的方式，即閱讀器和標簽都可以在寬泛的范圍內進行操作，如不同的調制參數、編碼方式、數據速率、強制的和可選的指令集等。需要說明的是，協(xié)議標準規(guī)定閱讀器和標簽并不需要同時支持所有的參數組合方式，而由于研發(fā)和生產成本等因素的制約，實際的RFID產品也無法支持所有的參數組合方式。
參考單元的選擇很大程度上決定了該測試模式的效果，但尋找一個包含了所有功能的“完美”參考單元幾乎是不現(xiàn)實的。退一步來看，即使找到了“完美”參考單元，對于完成RFID協(xié)議一致性測試來說還是不夠的，因為在協(xié)議一致性測試中，不僅需要測試協(xié)議規(guī)定的正確通訊流程，還需要執(zhí)行非正常流程來測試被測單元在特定條件下的反應。
受參考單元功能限制的影響，監(jiān)聽模式很難實現(xiàn)全面的協(xié)議一致性測試，但對于協(xié)議一致性測試來說，測試的完整性卻又是必須保證的。因此，監(jiān)聽模式只適合于基本的物理層測試，如不依賴于標簽應答的閱讀器射頻參數等。