本文分析了源于物流網(wǎng)的現(xiàn)行特高頻無(wú)源標(biāo)簽RFID標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6的單信道射頻識(shí)別特征,物流網(wǎng)對(duì)無(wú)源標(biāo)簽UHF RFID空中接口的應(yīng)用需求,認(rèn)為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所采用的技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)接入能力、組網(wǎng)能力、通信資源利用等方面不能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。指出發(fā)展碼分射頻識(shí)別是國(guó)際上業(yè)界的共同期待,并介紹了國(guó)外和臺(tái)灣學(xué)者所做的工作,指出了技術(shù)發(fā)展方向。 

　　一個(gè)新的碼分射頻識(shí)別體制是對(duì)現(xiàn)行單信道射頻識(shí)別體制的革新,現(xiàn)行體制的特征分析表明,現(xiàn)行單信道射頻識(shí)別體制難于適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求,出路在于引入特高頻碼分射頻識(shí)別。

　　現(xiàn)行UHF RFID空中接口標(biāo)準(zhǔn)

　　ISO/IEC18000-6為物流網(wǎng)所生

　　ISO/IEC18000標(biāo)準(zhǔn)體系給出的RFID通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

　　虛線框內(nèi)5個(gè)實(shí)體在讀寫(xiě)器和標(biāo)簽內(nèi)部；分別為固定通信管理、媒體適配、載體通信管理和應(yīng)用處理。物流信息提供虛線框外的本地系統(tǒng)和中央系統(tǒng)。

　　中央系統(tǒng)為物流模式總體布局(General Distribution Logistic Model-GDLM)應(yīng)用功能集總的實(shí)體；本地系統(tǒng)是實(shí)時(shí)處理GDLM應(yīng)用的部分職能的本地(路邊)實(shí)體。

圖1　RFID通信參考架構(gòu)

　　相鄰實(shí)體間依次定義的接口中δ為RFID空中接口,α和β為RFID外部接口。

　　可見(jiàn)：ISO/IEC18000 RFID標(biāo)準(zhǔn)是以服務(wù)于物流網(wǎng)為宗旨的系統(tǒng)。其信息最終到達(dá)點(diǎn)是物流中心；ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)δ接口。為唯一與傳播介質(zhì)有關(guān)的接口。

　　ISO/IEC18000-6為單信道射頻識(shí)別系統(tǒng)

　　ISO/IEC18000-6是世界公認(rèn)的現(xiàn)行UHF RFID空中接口標(biāo)準(zhǔn)。其工作場(chǎng)景有三種。

　　單讀寫(xiě)器單標(biāo)簽RFID空中接口(如圖2)：

圖2  單標(biāo)簽單讀寫(xiě)器RFID空中接口

　　單讀寫(xiě)器單標(biāo)簽RFID空中接口由標(biāo)簽,讀寫(xiě)器,以及在讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間實(shí)現(xiàn)空間信號(hào)傳送所必需的傳播媒體組成。讀寫(xiě)器可與計(jì)算機(jī)相聯(lián),計(jì)算機(jī)用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。

　　典型的單讀寫(xiě)器單標(biāo)簽RFID空中接口是單信道射頻識(shí)別系統(tǒng)。低頻和高頻RFID系統(tǒng)通常工作于該場(chǎng)景。

　　單讀寫(xiě)器多標(biāo)簽RFID空中接口(如圖3)：  

圖3   單讀寫(xiě)器多標(biāo)簽RFID空中接口

　　UHF RFID的ISO/IEC18000-6標(biāo)準(zhǔn)允許一臺(tái)讀寫(xiě)器對(duì)多個(gè)標(biāo)簽實(shí)施數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀取。讀寫(xiě)器以廣播方式下達(dá)指令信息,天線波束覆蓋區(qū)內(nèi)的所有標(biāo)簽均可接收,但多標(biāo)簽同時(shí)應(yīng)答即形成標(biāo)簽碰撞,需要通過(guò)碰撞仲裁使標(biāo)簽排序接入依次應(yīng)答。任何時(shí)候每臺(tái)讀寫(xiě)器只能接受所有標(biāo)簽中的一個(gè)應(yīng)答,也就是只建立一條對(duì)話鏈接。事實(shí)上仍然只是一條單信道接入鏈路的射頻識(shí)別系統(tǒng)。

　　多讀寫(xiě)器多標(biāo)簽RFID空中接口(如圖4)： 

　　UHF RFID ISO/IEC18000-6允許多個(gè)讀寫(xiě)器與多組標(biāo)簽在一定地域同時(shí)使用,組成一個(gè)大系統(tǒng),多個(gè)讀寫(xiě)器輸出通過(guò)中間件連接到傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心。

　　當(dāng)多讀寫(xiě)器密集配置時(shí),由于相鄰讀寫(xiě)器天線波束重疊覆蓋區(qū)讀寫(xiě)器信號(hào)可能互相碰撞,為防止碰撞,需采取碰撞協(xié)調(diào)措施,常用的方法是時(shí)域排序,事實(shí)上依然是單信道射頻識(shí)別。

　　ISO/IEC18000-6通信協(xié)議

　　ISO/IEC18000-6經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展,有三個(gè)版本,四種型制。即2002年的TypeA、TypeB,2006年的TypeC,和2010年的包括TypeA、TypeB,TypeC并新增TypeD的綜合版本。比較這些版本可以發(fā)現(xiàn)：物理層基本變化不大；主要差異在媒體接入控制的碰撞仲裁算法。

　　四種型制,不存在升級(jí)換代的關(guān)系。在2010年版本中TypeA、TypeB, TypeC和新增的TypeD,并立共存,選擇使用。

　　雷達(dá)思維的“通信參數(shù)體系”

　　受雷達(dá)模型的影響,盡管ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)名為“通信參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)”,但該標(biāo)準(zhǔn)具有明顯的雷達(dá)思維特征。視標(biāo)簽為被探測(cè)的目標(biāo),標(biāo)簽對(duì)探測(cè)信號(hào)的響應(yīng)為后向散射作用。其數(shù)值表征為雷達(dá)散射截面。此外,還關(guān)注波形和時(shí)間參數(shù),如讀寫(xiě)器解調(diào)和返回時(shí)間、標(biāo)簽解調(diào)和返回時(shí)間、標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)間、標(biāo)簽狀態(tài)存儲(chǔ)時(shí)間等。

　　ISO/IEC18000-6物理層

　　射頻參數(shù)：

　　ISO/IEC18000-6規(guī)定射頻參數(shù),遵從國(guó)家無(wú)線電頻譜管理規(guī)定。860-960 MHz頻段,各國(guó)政府對(duì)射頻參數(shù)規(guī)定不同,射頻帶寬在2-5MHz之間,標(biāo)簽不分頻道,讀寫(xiě)器按250kHz間隔劃分頻道。

　　調(diào)制參數(shù)

　　ISO/IEC18000-6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩類射頻調(diào)制：窄帶調(diào)制和寬帶調(diào)制。

　　窄帶射頻調(diào)制選擇：有AM,ASK,包括雙邊帶幅度鍵控(DSB-ASK),單邊帶幅度鍵控(SSB-ASK),反轉(zhuǎn)相位幅度鍵控(PR-ASK)。

　　寬帶調(diào)制：標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留了未被采用的直接序列擴(kuò)展頻譜參數(shù)條款。

　　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了跳頻擴(kuò)展頻譜調(diào)制(Frequency Hope Spread Spectrum----FHSS)為可選技術(shù)。但由于RFID通信時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)小于跳頻駐留時(shí)間,事實(shí)上并不能算得上是跳頻擴(kuò)展頻譜。

　　基帶調(diào)制：規(guī)定有FM0和三種Miller(M=2,M=4和M=8)波副載波調(diào)制(Sub-carrier Frequency Modulation)調(diào)制；和脈沖間隔調(diào)制(PIM)。

　　基帶速率：上行信道為26.7-128 kb/s,上行信道最低為5 kb/s,最低為640 kb/s。

　　由上所述可見(jiàn),ISO/IEC18000-6物理層設(shè)計(jì)基本屬于上世紀(jì)70年代前的無(wú)線通信技術(shù)。單信道體制,低頻譜利用率5%～8%,低頻譜效率0.001～0.32,為無(wú)線通信系統(tǒng)少見(jiàn)。

　　碰撞仲裁

　　ISO/IEC18000-6標(biāo)準(zhǔn)單信道射頻識(shí)別體制,采用防碰撞通信協(xié)議,把共享一個(gè)信道的所有標(biāo)簽,從無(wú)序的隨機(jī)碰撞引導(dǎo)到有序地接入,即碰撞仲裁算法。包括Aloha算法,二叉樹(shù)搜索算法,載波偵聽(tīng)-拖延重發(fā)。為了提高接入效率而不斷改進(jìn)算法,產(chǎn)生了多種版本。

　　改進(jìn)的Aloha算法是變碰撞后仲裁為碰撞前排序,UHF RFID空中接口應(yīng)用的改進(jìn)算法有時(shí)隙Aloha算法,幀時(shí)隙Aloha算法,固定幀時(shí)隙Aloha算法,動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙Aloha算法,和帶延遲的幀時(shí)隙Aloha算法等。

　　單信道射頻識(shí)別總數(shù)據(jù)速率總是低于額定單用戶接入速率。占用帶寬等于單信道帶寬。

　　單信道射頻識(shí)別多讀寫(xiě)器密集配置又有多讀寫(xiě)器競(jìng)爭(zhēng)碰撞。需要進(jìn)行碰撞協(xié)調(diào),例如色波(Color wave)算法為代表的讀寫(xiě)器防碰撞設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)思路是讓空域配置的多讀寫(xiě)器在時(shí)域上分散, 這將進(jìn)一步損失傳輸效率。

　　閉環(huán)檢測(cè)方法

　　基于雷達(dá)后向散射思維,對(duì)ISO/IEC18000-6參數(shù)的測(cè)試需要建立一個(gè)閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。ISO/IEC18047標(biāo)準(zhǔn)給出的檢測(cè)框圖如圖5。用于讀寫(xiě)器調(diào)制、讀寫(xiě)器解調(diào)和返回時(shí)間、標(biāo)簽解調(diào)和返回時(shí)間和標(biāo)簽后向散射等參數(shù)測(cè)試。

圖5  ISO/IEC18000-6參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)框圖

　　由讀寫(xiě)器提供對(duì)標(biāo)簽檢測(cè)的信號(hào),經(jīng)標(biāo)簽,再返回測(cè)試設(shè)備由檢測(cè)設(shè)備觀察測(cè)試效果。例如標(biāo)簽后向散射特性測(cè)試,其效果表征為參數(shù)雷達(dá)散射截面 。

　　閉環(huán)檢測(cè)所獲得的檢測(cè)結(jié)果將是讀寫(xiě)器與標(biāo)簽特性的總體效果,很難完全實(shí)現(xiàn)一致性檢測(cè)所期待的效果。

{$page$}

　　物聯(lián)網(wǎng)對(duì)UHF RFID空中接口的需求

　　物聯(lián)網(wǎng)中的RFID

　　物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,其主要功能是識(shí)別物體,采集信息。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。核心為互聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口,它與行業(yè)需求結(jié)合,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。EPC給出的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如下圖。

圖6　物聯(lián)網(wǎng)(IOT)中的RFID

　　RFID為物聯(lián)網(wǎng)感知層的基本組成部分,此外還有中間件(Middle Ware)、對(duì)象名解析服務(wù)器(Object Name Service)、物理標(biāo)記語(yǔ)言(Physical Mark Language)。

　　物流網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)對(duì)RFID接入信息需求,前者猶如溪水之與涓涓細(xì)流,后者猶入大海之與江河洪流。接入能力是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。

　　基于近場(chǎng)通信 (NFC)的RFID接入

　　借助于現(xiàn)有城市數(shù)據(jù)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了13.56MHz無(wú)源標(biāo)簽多信道接入的近場(chǎng)通信(Near Field Communication- NFC)由飛利浦和索尼公司共同研制開(kāi)發(fā)。是將特殊的RFID芯片智能卡嵌入手機(jī)、PDA和掌上電腦等移動(dòng)終端中,智能卡包含有各種非接觸式智能卡的功能,移動(dòng)終端具有遠(yuǎn)程通信功能。兩相結(jié)合實(shí)現(xiàn)RFID對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入。

　　基于ZigBee的RFID多鏈路接入

　　ZigBee結(jié)合RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)是把2.45GHz頻段RFID的識(shí)別功能,和同頻段的ZigBee的傳輸和組網(wǎng)應(yīng)用能力結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)RFID進(jìn)入Internet的設(shè)計(jì)。ZigBee結(jié)合RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩種實(shí)現(xiàn)方法。其一,ZigBee+RFID；其二,ZigBee與RFID融合。

　　ZigBee+RFID

　　ZigBee+RFID如圖5。RFID和ZigBee都獨(dú)立地存在于系統(tǒng)之中。通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)多個(gè)讀寫(xiě)器到網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接及進(jìn)入Internet。 

圖7　ZigBee 與RFID相結(jié)合系統(tǒng)

　　ZigBee與RFID融合。

　　ZigBee與RFID融合。讓ZigBee終端具有RFID讀寫(xiě)功能。將RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器分別與ZigBee從站終端設(shè)備和主站終端設(shè)備統(tǒng)一設(shè)計(jì)成一體設(shè)備。

　　NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了13.56MHz頻率無(wú)源標(biāo)簽射頻識(shí)別(RFID)接入互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題, ZigBee+RFID解決了2.45GHz頻段有源標(biāo)簽接入互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題,惟獨(dú)860～960MHz無(wú)源標(biāo)簽接入互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題尚未找到有效技術(shù)途徑。這正是碼分射頻識(shí)別所面對(duì)的需求。

　　UHF 無(wú)源標(biāo)簽RFID空中接口期待擴(kuò)展頻譜碼分接入

　　業(yè)界所期待

　　單信道鏈路接入效率低,各種碰撞仲裁算法都屬于對(duì)標(biāo)簽應(yīng)答時(shí)序管理,不改變單信道接入的本質(zhì)。變單信道鏈路接入為多信道接入網(wǎng)接入才是出路。如上所述NFC和ZigBee與RFID結(jié)合分別實(shí)現(xiàn)了高頻無(wú)源標(biāo)簽和2.45GHz有源標(biāo)簽多信道接入,那末,RFID家族中的特殊重要地位的860～960 MHz無(wú)源標(biāo)簽多信道接入就是早已為業(yè)界所期待的最后的難點(diǎn)。

　　ISO/IEC18000標(biāo)準(zhǔn)制定者期待直接序列擴(kuò)展頻譜(DSSS)技術(shù),在系列標(biāo)準(zhǔn)的總綱ISO/IEC18000第一部分給出了ISO/IEC18000的一系列參數(shù)定義,包括直接序列擴(kuò)展頻譜占用信道帶寬,擴(kuò)展頻譜序列,chip率,chip率精度等參數(shù)。在每一冊(cè)分標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議參數(shù)部分,凡讀寫(xiě)器到標(biāo)簽鏈路和標(biāo)簽到讀寫(xiě)器鏈路參數(shù)表格中都留下了擴(kuò)展頻譜序列,chip率,chip率精度等條目。然后加注“不用”。

　　如此安排說(shuō)明。標(biāo)準(zhǔn)編制者十分看重?cái)U(kuò)展頻譜技術(shù),為今后條件成熟時(shí)加入相關(guān)內(nèi)容留足了發(fā)展空間。歷經(jīng)十余年,始終不舍棄,可見(jiàn),標(biāo)準(zhǔn)制定者對(duì)DSSS技術(shù)期待之甚。

　　多讀寫(xiě)器應(yīng)用需要碼分組網(wǎng)

　　在多讀寫(xiě)器同場(chǎng)使用環(huán)境下,由于單信道應(yīng)答,存在讀寫(xiě)器碰撞。為解決讀寫(xiě)器碰撞,采用了諸如色波法(Color wave),偵聽(tīng)后發(fā)送(Listen before talk?LBT)和互聯(lián)RFID讀寫(xiě)器碰撞模型(interconnected RFID reader collision model--IRCM)等多種緩解措施,其實(shí)都是靠犧牲讀取效率以減少碰撞。

　　適應(yīng)多讀寫(xiě)器同場(chǎng)工作環(huán)境,消除讀寫(xiě)器碰撞而不損傷每個(gè)讀寫(xiě)器讀取效率。若直接序列擴(kuò)展頻譜有足夠序列資源,可以實(shí)現(xiàn)碼分組網(wǎng).變鏈路接入為正交接入網(wǎng)接入,實(shí)現(xiàn)一定地域范圍的全覆蓋建網(wǎng)。

　　充分利用頻譜資源的需求

　　按照通信思維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),最關(guān)注頻譜資源利用。ISO/IEC18000-6的頻譜利用率之低在通信系統(tǒng)中極為少見(jiàn)。在無(wú)源標(biāo)簽RFID系統(tǒng)中提高頻譜利用率的唯一有效和可行的技術(shù)途徑是擴(kuò)展頻譜技術(shù)。

　　同時(shí),擴(kuò)展頻譜還將帶來(lái)讀寫(xiě)器接收靈敏度提高,以彌補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)備能力不足,對(duì)同頻段其它通信系統(tǒng)干擾環(huán)境的改善,以及抗多徑干擾等好處。

　　變閉環(huán)檢測(cè)為開(kāi)環(huán)檢測(cè)

基于通信思維,視UHF RFID空中接口為上行和下行兩個(gè)獨(dú)立而相關(guān)聯(lián)的通信鏈路.因此可以按照通信思維建立以設(shè)備能力為主體的通信參數(shù)體系,實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)檢測(cè),讀寫(xiě)器與標(biāo)簽按照系統(tǒng)設(shè)備分別定義參數(shù)指標(biāo)。而不再使用雷達(dá)散射截面,也較少關(guān)注時(shí)間參數(shù)?？梢允挂恢滦詸z測(cè)效果更理想。

　　國(guó)外和臺(tái)灣所做的工作

　　國(guó)外研究

　　2009年IEEE Transaction on Automation Science and Engineering Vol.6 No.1發(fā)表了Gustaw Mazurek(波蘭)“應(yīng)用擴(kuò)展頻譜發(fā)送的有源RFID系統(tǒng)”的文稿。該文給出了使用16個(gè)127位Gold序列,實(shí)現(xiàn)碼分信道有源RFID空中接口的應(yīng)用擴(kuò)展頻譜技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。

　　臺(tái)灣大學(xué)研究

　　臺(tái)灣大學(xué)劉馨勤等曾使用霍夫曼(Huffman)序列與循環(huán)平移的霍夫曼序列作為RFID碼分接入擴(kuò)展頻譜序列。

　　臺(tái)灣元智大學(xué)郭芷琮以相互正交格雷互補(bǔ)序列集合用于RFID系統(tǒng),以碼分接入的方法處理RFID系統(tǒng)標(biāo)簽信號(hào)異步時(shí)碰撞的問(wèn)題。使用相互正交格雷互補(bǔ)序列集合為RFID擴(kuò)展頻譜序列,給出了模擬結(jié)果。

　　發(fā)展方向

　　國(guó)外和臺(tái)灣的研究說(shuō)明正交接入序列族的選擇是UHF碼分射頻識(shí)別的關(guān)鍵課題之一,目前他們所選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兩個(gè)鏈路,目前國(guó)外和臺(tái)灣只做了上行鏈路研究,還不是系統(tǒng)研究。

　　理想的序列族之外需要從單信道接入碰撞管理轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈诺澜尤刖W(wǎng)接入管理,為此,必需研究UHF RFID空中接口多信道接入的環(huán)境特點(diǎn),制定合適的系統(tǒng)通信協(xié)議。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　為改變單信道射頻識(shí)別接入能力低下,標(biāo)簽碰撞,讀寫(xiě)器碰撞對(duì)傳輸效率的影響,國(guó)外和臺(tái)灣學(xué)者的努力在上行鏈路,正交接入序列選擇上做了探索,說(shuō)明企圖利用UHF RFID空中接口頻譜資源,發(fā)展碼分射頻識(shí)別是業(yè)界廣泛期待。作者近年所做的工作也是尋找到理想的正交序列族,并從單純的序列族研究擴(kuò)大到系統(tǒng)解決方案的研究,形成了完整的碼分射頻識(shí)別解決方案,本文旨在說(shuō)明發(fā)展需求,以作為開(kāi)端。