一種微波頻段有源RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4. RFID 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

完整的RFID 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)據(jù)傳輸方法，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕瑪?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，安全與隱私，反碰撞算法。RFID 系統(tǒng)的信息安全是極為重要的部分，它涉及通信的安全保密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全及工作狀態(tài)的控制三個(gè)方面。通信的安全就是要保證信息交換過(guò)程數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、有效性和真實(shí)性。數(shù)據(jù)的完整性，可通過(guò)校驗(yàn)和糾錯(cuò)的方法實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)的機(jī)密性和有效性是通過(guò)對(duì)消息鑒權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在讀寫器與電子標(biāo)簽進(jìn)行射頻通信的過(guò)程中，存在許多干擾數(shù)據(jù)通信的因素，其中最主要的兩個(gè)因素是信道噪聲和多卡操作(即有多張卡在讀寫器的天線感應(yīng)范圍內(nèi))引起的數(shù)據(jù)干擾。因此，需要采用信道編碼和訪問(wèn)控制技術(shù)，以保證讀寫器和電子標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾⒖煽亢涂焖?。為了提高系統(tǒng)的抗噪聲能力，就需要采用信道編碼技術(shù)，對(duì)可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行控制，RFID 標(biāo)簽應(yīng)能予以防范以下攻擊:非法訪問(wèn)和修改TAG 信息，用特殊設(shè)備假冒和欺騙系統(tǒng)，竊聽(tīng)無(wú)線電通信并重放數(shù)據(jù)。

5. 標(biāo)簽的防碰撞設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別讀寫器是通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換的，其工作模式一般是單頻率點(diǎn)、半雙工。要同時(shí)與多張電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，必然會(huì)發(fā)生信道爭(zhēng)奪、數(shù)據(jù)干擾、通信沖撞等問(wèn)題。在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作時(shí)，讀寫器與電子標(biāo)簽之間的無(wú)線通信沖撞問(wèn)題，一般可分為以下兩大類:1)讀寫器之間的沖撞2)電子標(biāo)簽之間的沖撞。在讀寫器的作用范圍內(nèi)存在多張電子標(biāo)簽，它們同時(shí)對(duì)讀寫器做出響應(yīng)、同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)通信沖撞，數(shù)據(jù)相互干擾(沖撞)。有時(shí)也有可能多個(gè)電子標(biāo)簽處在多個(gè)讀寫器的工作范圍之內(nèi)，它們之間的數(shù)據(jù)通信也會(huì)引起數(shù)據(jù)干擾[16]。為了防止這些沖撞的發(fā)生，射頻識(shí)別系統(tǒng)需要設(shè)置一定的相關(guān)指令，解決沖撞問(wèn)題，這些指令被稱為防沖撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系統(tǒng)中解決這種多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），頻分多址（FDMA)，碼分多址法（CDMA），時(shí)分多址法（TDMA）。但對(duì)RFID 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)空分多址的天線系統(tǒng)非常復(fù)雜、實(shí)施費(fèi)用相當(dāng)高。頻分多址讀寫器的費(fèi)用相當(dāng)高，碼分多址法則由于通信頻帶及其技術(shù)復(fù)雜性等，很難在RFID 系統(tǒng)中應(yīng)用[6]。時(shí)分多址法是把整個(gè)可供使用的信道容量按時(shí)間分配給多個(gè)用戶的技術(shù)。對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)而言，TDMA 分為標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法和閱讀器驅(qū)動(dòng)法。標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法主要代表性的算法是ALOHA 算法。閱讀器驅(qū)動(dòng)需要準(zhǔn)確的同步進(jìn)而無(wú)錯(cuò)誤的檢測(cè)出碰撞位。它再劃分為“輪詢法和二進(jìn)制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二進(jìn)搜索算法的改進(jìn)。

ALOHA 算法是采取“標(biāo)簽先發(fā)言”的方式，即標(biāo)簽一進(jìn)入閱讀器作用區(qū)域就自動(dòng)向閱讀器發(fā)送其自身的信息，對(duì)同一個(gè)標(biāo)簽來(lái)說(shuō)它的發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時(shí)間也是隨機(jī)的。如果在標(biāo)簽信息發(fā)送過(guò)程中有其它標(biāo)簽也在發(fā)送數(shù)據(jù)，那么發(fā)生信號(hào)重疊從而導(dǎo)致部分沖突或者完全沖突，閱讀器檢測(cè)信號(hào)判斷有無(wú)沖突，一旦發(fā)生沖突，閱讀器發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，標(biāo)簽隨機(jī)延遲一段時(shí)間再發(fā)送，則因?yàn)檠舆t的隨機(jī)數(shù)不同，避開(kāi)了沖突。如果沒(méi)有沖突，閱讀器發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給標(biāo)簽，標(biāo)簽從此轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，不再響應(yīng)讀寫器的查詢請(qǐng)求。直到識(shí)別過(guò)程結(jié)束。ALOHA 算法的示意圖如圖6 所示。

ALOHA 算法應(yīng)用于實(shí)時(shí)性不高的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。對(duì)標(biāo)簽的要求不高。經(jīng)過(guò)模擬可知用ALOHA 算法可以在很短時(shí)間內(nèi)識(shí)別幾十張標(biāo)簽。本文用VC++仿真了一種改進(jìn)型的ALOHA 算法(Grouping ALOHA)?？商岣逜LOHA 算法的識(shí)別效率。ALOHA 算法能高效快速的識(shí)別標(biāo)簽但是隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加其識(shí)別效率將會(huì)急速惡化。因此我們可以先將待識(shí)別的標(biāo)簽隨機(jī)的分成不同的組中。依次對(duì)每個(gè)組中的標(biāo)簽進(jìn)行ALOHA 算法識(shí)別。這期間其他各組的標(biāo)簽不響應(yīng)讀寫器的查詢請(qǐng)求。待該組識(shí)別時(shí)間結(jié)束，進(jìn)入下一組的識(shí)別。至到所有的組結(jié)束識(shí)別，如果還有標(biāo)簽未被識(shí)別則再次進(jìn)行分組識(shí)別。至到所有標(biāo)簽被識(shí)別出來(lái)。

下面是ALOHA 和Grouping ALOHA 仿真的一些結(jié)果。從表1 和圖8、圖9，中可以看出采用了Grouping ALOHA 后。識(shí)別的時(shí)間減小了并且發(fā)生碰撞的次數(shù)也大幅減小。對(duì)于有很多標(biāo)簽的場(chǎng)合Grouping ALOHA 比起ALOHA 有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比較

6．總結(jié)

本文介紹了一種以低功耗射頻收發(fā)芯片CC2430 為核心，可工作于2。4GHz 的國(guó)際通用ISM 頻段的有源RFID 系統(tǒng)。帶片上系統(tǒng)（SOC）的芯片使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，增強(qiáng)了無(wú)線通信的數(shù)據(jù)安全性和可靠性，同時(shí)使得開(kāi)發(fā)變的簡(jiǎn)單，降低了成本，在室外標(biāo)簽和讀寫器的識(shí)別距離可達(dá)80 米，如果有良好的天線匹配設(shè)計(jì)或者外加功放可進(jìn)一步提高工作距離。本設(shè)計(jì)中的防碰撞算法加入到標(biāo)簽與配套設(shè)計(jì)的讀寫器中即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在體積小，功耗低，可靠性高要求較高的環(huán)境當(dāng)中。