CN100480710C - 通信系统中用于源设备同步的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种通信方法，该方法包括以下步骤：激活多个信号源，以及向该多个信号源发送同步事件，使该多个信号源同时发送数据，以响应该同步事件。

Description

通信系统中用于源设备同步的方法与装置
相关申请
本发明涉及如下美国申请，它们与本申请共同属于Motorola，Inc.：
由Kuffner等在2001年10月17日提交的编号为No.09/982,279的申请，题为＂Co1lision Mitigation Methods used in a CommunicationSystem＂(代理人案号：CM01969G)；
由Kuffner等在2003年3月11日提交的编号为No.10/385,549的申请，题为“Method and Apparatus for Electronic Item Identification ina Communication System”(代理人案号：CM05697G)；
由Kuffner等在2003年3月11日提交的编号为No.10/385,886的申请，题为＂Method and Apparatus for Adaptive Processing Gain forMultiple Source Devices in a Communication System＂(代理人案号：CM05698G)。
技术领域
本发明主要涉及通信系统中使用的同步方法。
背景技术
多用户系统中的许多应用都需要快速、高效和可靠的数据通信方法。当接收机需要快速读取(来自多个源的)多个数据段时，就产生了对这种方法的需求。这种技术的一个具体应用是多物品电子识别。
电子识别产业对于许多商业和军事应用，包括实时物品跟踪与库存来说是重要的。这种用途能在很多场合极大地提高工作效率，这些场合实际上包括那些涉及制造、仓储、发行和零售的场合。快速高效地执行准确的实时库存跟踪的能力可在许多方面极大地减少浪费，包括但不限于，放错物品位置，存货过多或过少，和物品失窃。
目前，电子识别产业主要依靠(基于光线的)手工扫描来识别多个物品，这里，给每个物品分配产品代码。美国零售业目前广泛采用了通用产品代码(UPC)系统。然而，手工扫描物品极为耗时，且非常容易出现人为差错。
从而，需要提供一种方法，用于快速、高效和可靠地从多个源向接收机传输数据。更具体地，需要在RFID系统中，对所有可能的工作场合尽可能快地读取那些数据。为了使数据通信吞吐量最大，RFID系统可采用非常高的符号速率，该符号速率可高到RF载频的可感知的几分之一。在这些情况下，必须保持可靠的系统运行。在一些低载频系统中，可采用每符号两个RF周期来达到所需吞吐量。这种较高的相对符号速率系统对定时误差几乎没有留下余量(特别是对那些依靠良好符号同步的系统)，从而突出了高精度同步方法与装置的必要性。
附图简介
现参考仅作为示例的附图说明本发明，图中相同的引用号表示相同的元件，其中：
图1说明根据本发明的多个源设备与单个目的设备通信的高层视图；
图2根据本发明说明如何在运行中转换存储于标签上的数据，并用其确定通信信道；
图3说明根据本发明的用于对标签上存储的数据进行加扰的过程；
图4说明根据本发明的读取器中执行的多个标签通信和反向加扰(解扰方法)的高层系统视图；
图5说明根据本发明的高层系统和伴随的波形；
图6说明根据本发明的标签高层模型的天线节点波形；
图7说明根据本发明的标签的高层框图；
图8根据本发明说明表示标签传输条件的基本流程图；
图9根据本发明说明表示标签传输条件的的详细流程图；
图10说明在根据本发明的典型实施例中，在读取器与各种标签间采用电容耦合的应用；
图11说明根据本发明的基于标签上存储的数据，生成标签在其上进行通信的信道的方法；
图12说明根据本发明的简化的标签电路功能框图，突出了通路相关性和调制方法；
图13说明根据本发明的读取器框图的详细视图；
图14说明根据本发明的用于Walsh编码信号的快速变换方法示例；
图15说明根据本发明的用于快速相关伪噪声序列的读取器接收机信号处理示例；
图16说明根据本发明的读取器信号处理的简化功能框图；
图17说明根据本发明的一个存在冲突的示例波形；
图18说明根据本发明的几个不存在冲突的示例波形；
图19说明根据本发明的用于读取器工作的基本流程图；
图20说明根据本发明的采用前向冲突消除技术的读取器信号处理详细流程图；
图21说明根据本发明的未采用冲突消除技术的库存清点示例；
图22说明根据本发明的在不采用冲突消除技术时库存算法的示例流程图；
图23说明根据本发明的采用前向冲突消除技术的库存清点算法示例；
图24说明根据本发明的采用双向冲突消除技术的库存清点算法示例；
图25说明根据本发明的读取器发射波形和相应的标签加电瞬时波形；
图26说明根据本发明的采用第二整流器的标签时钟同步电路实施例；
图27说明根据本发明的采用第二整流器的标签时钟同步电路的波形；
图28说明根据本发明的从一组相位中选取所需时钟相位的标签时钟同步电路的替换实施例。
具体实施方式
所述系统提供改良的通信方法，该方法允许多个源设备快速高效地向目的设备发送信息。所述通信系统采用多种技术组合以获得高于现有技术的性能。为了在系统的一个实施例中获得所需吞吐量，源设备以非常高的符号速率与载波频率比进行通信，特别是在低载频时(例如125kHz)，然而所述方法也可应用于较高频率的系统。通常，所述技术对高(绝对)符号速率系统甚至更为重要。高速高吞吐量通信链路需要高符号速率(或高码片速率扩频)系统，其中，需要快速地从一个(或多个)位置向另一位置传送大量数据。
所述系统提供了替代UPC的装置，同时增加了额外的特性与优点，例如无需(基于光线的)手工扫描，和极大地提高了扫描(或物品识别)速度。本发明还提供对大量物品的快速同时识别，这在许多场合中非常有用，例如管理货架上的存货等。通常，当以实时或接近实时的方式执行时，对这类信息的管理更有价值。本发明允许使用非常高的符号速率与载波比，或高的绝对符号速率，提高吞吐量并由此降低清点一定数量物品所需的时间。
本发明的优选实施例通常采用单向通信(从源设备至目的设备)，以简化源设备上的电路，源设备无需使用数据接收机。
从源设备发送至目的设备的信息通常为二进制电子产品编码(“EPC”)或识别(“ID”)信息的形式，但并不以任何方式限制信息形式。发送其它诸如电子遥测(或其它任何测得或分配的数据)形式的信息也是可能的。事实上，任何表示为二进制(或其它)数字格式的信息均可通过所述系统发送。
如图1所示，信息通常从一组源设备110，120，130向单个目的设备100发送；本发明的优选实施例采用从源设备110，120，130同时向目的设备100发送信息。由于根据示例的环境，本发明有众多应用，因而在讨论中为了阐述的方便将一些术语与其它术语互换使用。从而应当注意，在下面的讨论中互换使用下列术语，但不失其通用性：源设备，无线电发射机，用户，物品，标签等；还应当注意，在下面的讨论中互换使用下列术语，而不失其通用性：目标设备，系统控制器，应答机，读取器，接收机等。
本发明使用的通信系统可包含多种不同通信方式140，包括但不限于光通信，射频(RF)通信，有线(接触式)通信，声波通信，电容式耦合的通信，或电感式耦合的通信。本发明的优选实施例在标签110，120，130和读取器100间采用电容式耦合的通信链路，然而并不限制使用其它形式的通信链路。
本发明的下列说明分为几个背景部分(I-II)，描述本系统的许多重要方面，其后各部分(III-V)提供本发明的详细说明。系统的优选实施例采用下述所有关键技术，但其它实施例可仅采用所述技术的一个子集。
I.数据的加扰与解扰
如图2所示，在所述系统中，由标签110发送至读取器100的数据200可为多种形式，这些数据包括但不限于下述测量的或其它用户定义的数据。在本发明的优选实施例中，发送的数据200包含至少一个识别数据序列。例如，数据200可包含至少一个具有96比特识别数据的EPC，如在David L.Brock所著的“The Electronic ProductCode，”MIT-Auto ID Center，January 2001中所述。EPC 200用来通过保留头203，对象类204，供应商代码205和序列号206这些字段，在系统中唯一标识每个标签(或物品)110。例如，96比特的信息可提供极多的唯一ID(296～8 x 1028；作为表示此数字的巨大，地球的质量为6 x 1027克)。
在优选实施例中，标签110上存储的数据200还附加有额外的信息202，例如用户信息，差错检验或校验信息(如前向纠错(FEC)，循环冗余校验(CRC)等)，和其它保留位。注意，额外信息(如差错检验或校验数据)可附加在下述数据加扰过程之前或之后，然而希望，如果在数据加扰后附加额外信息，数据仍具有均匀随机的性质。
本领域的技术人员知道，在标签110，120，130上还可预定和存储有多种不同其它形式的信息(例如，可编程的时间戳，其它用户个人识别号(PIN)，测量数据，环境数据等)。注意，在所述系统中，对于标签110，120，130上存储的数据数量和类型没有限制。
标签的所有功能通常用低复杂度(即低成本)电路实现。为了使标签110上的电路保持简单，也为了提高系统中信道选择过程的性能(如下详述)，非常希望在存储到标签110上之前，对原始ID数据200进行加扰。这通常在标签上存储数据操作230之前，通过随机化或加扰过程211完成。
通常在系统中统一应用这种加扰算法211，以确保在加扰220后，EPC数据200表现出所需的统计(即均匀且随机的)特性。可替换地，在其它实施例中，可应用其它加扰，加密，或数字分配算法，以有效地产生加扰的数据220。为了实现额外的信息保密，每个供应商可选地应用预加密210。
图3说明根据所述系统优选实施例的系统示例，该系统用于将加扰后的数据220嵌入到标签110中。图3中，以常用方式从EPC管理者310，如制造商，获得原始EPC 200。然后将EPC 200输入到加扰器330中，其执行加扰算法并输出加扰后的数据(S_EPC)220。接着，RF标签编程器/写入器350将加扰后的数据220，S_EPC，嵌入到标签110中。这样，加扰后的数据220，其为原始数据200修改后的版本，就位于标签110中。
图4说明用于从许多个RF标签设备110，120，130同时读取电子识别数据200的高层框图。本示例说明在通常的库存清点期间，如何读取与位于货架上产品关联的标签。在操作中，读取器100同时激活一组标签110，120，130。这些激活的标签110，120，130然后继续进行多通路传输算法，该算法采用加扰后的数据220作为信道选择的基础(在下面的第III部分中详述)。
例如，在多通路算法的第一路，至少S_EPC1(其嵌入在标签110中)的一部分用于选择信道A 240，至少S_EPC2(其嵌入在标签120中)的一部分用于选择信道B 240，至少S_EPCn(其嵌入在标签130中)的一部分用于选择信道C 240。应当注意，信道A，B和C或其任意组合，可以相同或不同。读取器100继续进行其解调算法，并最终获得货架上标签110，120，130的S_EPC 220。这些S_EPC 220被送往解扰器460，其执行解扰算法，以获得标签110，120，130的原始EPC数据200。对应于每个标签的EPC数据200随即保持在读取器100中，或以库存报告的形式回传至原始EPC管理者310(即制造商)。本领域的技术人知道，解扰操作可在其它地点进行，例如远程计算机或在线服务器。图4系统中的冲突得到最小化，因为标签110，120，130在多通路传输算法的每一路中，使用EPC数据200加扰后的版本的至少一部分来选择信道，而不是高度结构化的EPC数据200。加扰后的数据220非常接近均匀分布的数据，从而具有类似EPC数据200的产品间的冲突得到最小化。关于多通路传输算法和信道选择的更多信息，可参加下面的第III部分；关于冲突和冲突避免的更多信息，可参加下面的第V部分。
除了同步信息(和可能的扩频增益调整)外，在标签110需要选择信道用来传输(如下所述)前，在标签110和读取器100间不交换任何信息。因而，所述系统中的加扰和解扰方法必须是自指的(self-referential)；也就是说，用于加扰EPC 200或解扰S_EPC 220的唯一信息就是数据本身。
所述系统需要使用的加扰方法具有某些关键特性。一种重要的特性是加扰方法将通常的数据序列(例如EPC数据序列)与表现出均匀随机分布特性的结果对应起来。在优选实施例中，加扰方法具有两个主要特性：
1.给定两个用k进制数字表示的一般EPC 200，这里，k为预定整数(例如，在一般的EPC 200对中，许多但并不是所有k进制数字相同)，对应于这些EPC 200的加扰后的S_EPC 220有n个连续k进制数字(标签110用其确定信道方案)匹配的概率约为1/kn；以及
2.给定两个用k进制数字表示的一般EPC 200，这里，k为预定整数(例如，在一般的EPC 200对中，许多但并不是所有k进制数字相同)，它们加扰后的输出有n个连续k进制数字(标签110用其确定信道方案)匹配，其后的m个k进制数字((标签110用其确定后面的信道方案))匹配的概率约为1/km。
在用二进制表示EPC 200的示例中，这些特性与强烈的雪崩特性有关，因而每个输出比特和每个输入比特有关，且改变一个输入比特，平均会改变一半的输出比特。
除了上述加扰过程，数据200还可在应用统一加扰算法之前或之后(例如，在对标签110进行编程前)进行加密210，以进一步保证数据安全。在本领域中有各种公知的加密算法(例如，AES，数据加密标准，国际数据加密算法等)可在此任务中使用。额外的安全级别的可用性对于高度保密的应用(例如那些标签中包含敏感的医疗或财务数据的应用)是重要的。
II.上电启动方法
在优选实施例精神内的标签110的框图如图7所示。对于电容式耦合的系统，天线701为一对传导电极(例如，电容式板材)，但通常可为任何从电磁场向电路耦合能量的方法。由读取器100产生的RF载波信号中的交流(“AC”)功率耦合至被动启动的标签110，并在功率转换器703中整流，其直流输出(“DC”)用于为标签110供电，并作为标签能量监视器704，它可进一步启动通信(它的元件将在下面更详细地讨论)。称标签为被动启动，是因为标签没有本地电源。状态控制器705作用于标签数据220和通信信道选择模块240，以产生发送信息，在信道调制器708的控制下将其应用至发送元件702(例如本领域所公知的负载调制元件)。同步通常在能量监视器704中进行，其可用于对来自所有源设备通信的时间对齐，如在第III部分中的进一步说明。
标签100上存储的数据220通常存储在低复杂度(即低成本)电路中，其响应来自读取器100的查询。在多通路算法中，每个标签110，120，130通常在激活并传输其信息前等待第一预定条件得到满足。通常对标签110，120，130设定同样的第一预定条件，但在其它实施例中，可随机选择或分配第一预定条件。图8示出了显示标签传输条件的基本流程图示例。注意，在该流程图中，可通过多种措施满足第二预定条件(例如，当第一预定条件不再满足或当第二预定条件满足时)。
在优选实施例中，读取器100通过载波信号远程启动标签110，120，130，并同步系统。当标签110接收到的瞬时功率电平超过预定阈值时(通常由703和704确定)，第一预定条件得到满足。图9表示该动作的流程图，其中，T1与T2代表第一与第二功率电平阈值。通常，如果第一预定条件T1得到满足，标签仅响应同步事件，即使在T1不满足，而标签也有足够功率运行并同步的情况下也是如此，同步事件一般为载波中预定持续时间的间隙。如果在同步脉冲或间隙(即停止传输载波信号)发生后(例如，由于标签在功率场中的移动或一些其它耦合条件的改变造成)，T1得到满足，标签也不会通信，直到从读取器接收到下一个同步事件。尽管通常只有多通路算法的第一通路需要同步，但这并不是一个限制，在多通路算法后面的通路中也可发生额外的同步事件。在本发明的一些应用中，希望在每一传输通路的起始处，同步所有激活的传输标签(例如在标签采用本地振荡器作为符号时钟源的情况，其中，对文中所述扩频系统，符号时钟为码片时钟)。一般通过利用脉宽调制技术向标签发送同步事件，在这样情况下，可同时向标签传递其它信息(除同步信息外)。例如，同步事件还可用于同时通告其它事件，例如调整系统中的可用信道数，如Kuffner等在2003年3月11日提交的编号为no.10/385,886的申请，题为＂Method and Apparatus for Adaptive Processing Gain for MultipleSource Devices in a Communication System＂(代理人案号CM05698G)中公开，或作为进一步主动数量管理方法的启动范围调整(即预定条件)。除了同步标签传输外，可利用脉冲宽度调制技术向所有激活标签通告提高或降低它们的启动范围。由于多源通信系统信道化依靠源间的近似同步，因而同步发送源是重要的。
注意，本领域的技术人员可采用使用其它预定传输条件的实现方式而不脱离所述系统的精神。一旦标签110接收到同步和功率(来自被动标签的远程读取器100，或主动标签的自启动)，标签100不断监测接收到的信号强度以确定其是否保持在允许传输的预定条件内。标签还可接收上述的读取器信令(如额外的同步或自适应脉冲或间隙)。一旦标签110开始对其数据进行调制与传输250，它就被完全激活。注意，在本实施例中，多个标签110，120，130在给定时刻通常被完全激活。
组中被完全激活的标签将在多个通路中继续发送它们的信息(如下详述)，直到满足第二预定条件，此时它们将停止发送数据。当标签110收到的功率，由标签能量监视器704观察，降至低于第一预定阈值之下或超过第二预定阈值时，优选实施例中的第二预定传输条件得到满足，第二预定阈值通常被设置为高于第一预定阈值。
按照这种方式，第一与第二预定传输条件形成了接收功率电平范围(即窗口)，在此窗口内，可完全激活各组标签。在所述系统的优选实施例中，启动范围通常为约3dB宽，这意味着标签110，120，130将在1—2倍(相对于一些归一化的接收功率电平)的范围内响应功率。注意，该功率窗通常会导致标签的传输落入成比例变窄的功率窗内，这有助于缓解影响一些通信系统的常见的远近效应问题(例如，在采样非正交扩频码的扩频系统中)。
在优选实施例中，系统中的所有标签110，120，130通常分配有相同的启动范围，然而其它的实现方式也是可能的，例如那些采用可编程的(例如，预分配的，但可能是不同的)或随机启动条件的实现方式。当向不同的制造商分配不同的启动范围电平时可出现这样的一个示例，这可在不同制造商的产品间提供一定间隔(或区别)。
然而在所述系统的其它实施例中，可能存在具有双向通信能力(超出基本同步)的标签，在这种情况下，第一与第二预定传输条件可由一些其它信令信息构成。在当预定传输条件为随机的情况下，它们可在标签110上随机地确定，自适应地由读取器确定，或在对标签110进行编程的期间确定。再次注意，不脱离本系统的精神的这些传输控制的其它实现方式(例如，通过标签的双向通信)也是可能的。
在图10所示的示例实施例中，读取器100，其由控制器1001在总公司控制，通过传输介质1003与安装在货架1005上的天线1004相连。不同物理尺寸的对象1020，1021，1022具有位于包装不同部分的标签110，120，130，并导致与读取器100关联的天线1004和与标签110，120，130关联的天线701间耦合的差异，还会导致标签电子设备1012接收到不同的功率电平。由于读取器天线1004与系统中不同标签110，120，130间耦合特性的不同，不同的标签对于给定的读取器天线激励电平(即读取器发射功率电平)可接收到不同的功率电平(由范围界线1030与1031表示)。这种效果可用来在优选实施例中粗略地减少标签的数量，因为有可能各种标签110，120，130在不同的读取器发射功率下，并由此在不同时间开始发送。然而要注意，在所述系统的优选实施例中，多个标签110，120，130仍将在特定的功率电平下同时传输。例如，在库存中有1000个物品(标签)需要识别，且读取器100要逐步遍历10个不同的可能功率电平，在每个功率电平下激活大约由100个标签构成的组(在极高或极低的电平下可能激活很少的标签)。在本系统的其它实施例中，来自多个标签的传输仅需要同步(尽管不一定是同时的)，例如在时隙(信道化)系统中，用户选择特定的时隙(相对于公共参考源)，以在其上传输。注意在一个实施例中，读取器100将从最低的发射功率电平开始，逐步遍历所有可能的发射功率电平。这样，由于标签110，120，130的特定启动范围，读取器100可有效地控制每组标签何时开始和结束传输。这方面是重要的，因为读取器100可确定何时已经唯一识别处于特定启动范围内(例如，1030和1031间)的所有标签110，120，130，此时它可进入到下一个功率电平(例如，1031之上)或终止识别过程。
在另一实施例中，读取器100可“学习”或记住给定库存分布的预计功率电平，通过将优先权给予那些有激活记录的功率电平，实现它的功率扫描。当读取器100进入某个功率电平，没有标签被激活时，读取器检测到这种状态(通常是通过短时能量或调制检测装置)，并迅速进入下一个功率电平，这样使总的标签读取时间最小，如下所述。在其它应用中，读取器可通告标签调整它们的启动范围(即缩窄或加宽启动窗)，以使传输系统的整体效率达到最优。
III.信道选择与传输方法
所有多源(或多用户)通信方法都采用一定类型的信道化方法，如本发明那样。在所述系统中，可能使用多种信道化方法和技术中的任何一个。通常，采用的信道化方法可分为两类：正交信道化方法和准正交信道化方法。本发明依靠这样的事实，系统运行(例如，可用信道数)可在给定激活标签数量和通信信道条件下得到优化。
正交通信信道的优点是在线性系统中，所选信道上的通信(完全)不干扰其它信道上的通信(即不同信道间在符号时间上的互相关定义为零)。准正交信道近似正交(例如，不同信道的互相值关接近零)，并通常在直接序列码分多址(DS-CDMA)系统中使用，其中通常给每个用户分配不同的扩频码。
本领域中所公知的是，不同相位(即时间偏移)的最大长度线性反馈移位寄存器(“LFSR”)序列(即m-序列)具有低的互相关特性(即准正交)。两个未对齐的序列的互相关值定义为-1/N(归一化)，这里，N为LFSR伪噪声(“PN”)序列长度。相同基数不同码字相位的m-序列经常用于码分多址系统中以信道化不同的用户。PN序列中的每个符号或比特通常称为“码片”，如本领域所公知。
一个专用加长PN码的示例为，在序列中(根据码字相位在序列中的不同位置)具有人工插入(即不是由正常的LFSR操作产生)的二进制零，因而在每个信道上的相同时间偏移处出现时间对齐的(即同步的)人工插入的零，这导致不同码字相位的相同m-序列间的互相关值为零。注意，本发明的优选实施例采用这些专用加长m-序列(其生成方法见图11)以在同步系统中获得正交码字信道。作为采用扩频技术的附带好处，可获得抗干扰能力(也称为处理增益或扩频增益)，如通信领域所公知。应用这些技术对于恶劣的电磁环境是重要的，如工厂环境。
保持正交性的需要，特别是在具有多用户的系统中，凸现了对准确定时同步的需要。具体地，对于使用正交扩频编码(例如，专用加长m-序列，沃尔什(Walsh)编码等)的扩频RFID系统，精确的码片级定时同步极为重要。在理想的无噪声系统，调制脉冲为矩形且完美地时间对齐，码片周期中的任何采样时刻就已足够。然而，一旦引入接收机滤波，特别是引入旨在限制噪声带宽和最大化SNR的接收机滤波，采样定时范围，其上的脉冲有些偏离理想的采样电平，开始收缩甚至完全消失。偏离理想电平是由通常称为符号间干扰(ISI)的线性失真造成的，如本领域所公知，差错的数量取决于在所讨论的符号采样时刻附近之前的数据符号，在一些情况下，也取决于随后的数据符号。
由滤波造成的在采样点周围形成的失真通常和正在与其进行相关的PN码是非正交的。失真作为噪声成分在相关器的输出端出现。在通常的通信系统中，这种失真与信号强度成比例，因为它由信号引起，其具有信号电平5％至10％的RMS值。在这种情况下，ISI失真将信噪比限制为20至26dB，即使在非常强的信号状态。这比诸如TDMA的单独占用信道方法的足够SNR还要高，除非采用更高阶的星座图(例如，16QAM或更高)。
然而，在CDMA扩频通信系统，所有用户在相同频率同时出现。当存在很多用户时，来自每个用户的非正交线性失真将累积至一个总体的噪声电平，其在比例上比单个用户导致的噪声更恶劣。所讨论的用户不仅受到其自身的ISI(通常与其码字非正交)，还受到其它用户产生的ISI(通常也与其码字非正交)，这是因为所有波形同时出现。通常，由于用户间的时间同步错误会破坏扩频码的正交性。例如，如果有100个并发用户，都具有相同的信号电平，且它们都具有由线性失真造成的26dB的SNR，那么每个信号看到的总体失真为那些100个失真波形之和，即大于20dB，这使得每个信号有6dB的SNR。如果一些信号电平不同，那么信号较弱的标签将看到更差些的SNR，且信号较强的标签将看到更好些的SNR。
上面的讨论仍假定精确的波形时间对齐。如果波形在时间上没有对齐，它们的ISI通常高于几个百分点，且它们对复合信号造成的失真(噪声)会更差。如果标签仅依靠加电或超过阈值信息来同步它们的通信，就会出现几种极大降低性能的情况。有两种可能性不能正确同步标签，在随后的段落中将更详细的说明这两种可能性。在一种情况下，标签在不同时间受不同效果的影响超过它们第一预定条件的加电阈值，例如耦合的差异和标签上阈值电路的公差。这种效果可导致两个或更多时间未对齐的载波周期，尽管这可通过保持相对较窄的功率窗在很大程度上消除。在符号速率远远低于载波频率的系统中，这些效果不产生明显的定时误差。然而，在符号速率为载波频率可感知的几分之一或具有很大的绝对速率时，定时不对齐就非常明显，在一些极端情况下甚至会妨碍通信。这些效果带来的定时不确定性可视为加电模糊性。
在另一种情况下，标签可物理方向不同，且它们的参考帧不确定。例如，在电容式耦合的系统中，如果一个标签相对于另一个上下颠倒，那么向其加电的电场极性和提供定时的载波过零检测为反相载波的一半。同样，在符号速率远远低于载波频率的系统中，这不产生明显的定时误差。然而，在符号速率为载波频率可感知的几分之一的系统中，这是明显的(尽管较少)定时误差的另一来源。这种定时不对齐的诱因称为方向模糊性。注意，其它耦合方式，如电感式耦合或电磁式耦合，也易受同样效果的影响。例如，在电感式系统中，如果电感平面与磁场反向，那么感应电压根据下式携带相反的符号，
emf = - N · dΦ dt
这里，emf为感应电压，N为电感线圈匝数，Φ为关联的磁通量，对其关于时间t求微分。在这种情况下，如果翻转电感平面，那么关联的磁通量具有相反的符号且感应emf也是如此。
图5通过示出系统图和连接至相同读取器的两个标签的波形展示了加电模糊性，这两个标签具有不同的耦合值且具有不同的阈值公差。501为读取器设备，与天线502连接。近处连接的标签1(503)和远处连接的标签2(504)通过由505表示的场线连接。读取器载波波形507根据发射机滤波器的瞬时响应较快产生。然而，标签1和标签2将具有较慢产生的DC波形，因为DC侧旁路电容器在每个RF周期只能累积有限的可用感应电荷。对于强耦合的标签，在标签天线上可感应更多的电荷，以在每个周期泵入到DC侧旁路电容器，因而它出现地较快。弱耦合的标签在它们的极板上具有较少的感应电荷，因此需要较长的时间对相同的旁路电容器进行充电，本质上是因为由于流过整流器的电流较少，造成整流器具有较大的动态源阻抗。这些不同的电荷注入导致两个不同的充电波形：510(对于标签1)和515(对于标签2)。
此外，标签还具有不是根据耦合差异排列的元件公差。这些公差将影响用于确定是否满足“开启”条件的阈值。这些公差将为标签识别出其被开启的时刻进一步增加不确定性，如波形520(标签1启动)和521(标签2启动)中所示。
图6通过显示如何在正常的和翻转的(在方向意义上)的标签上处理由读取器功率造成的相同电场，展示了方向不确定性。标签电极601，602浸入在电场603中，且在电路节点604与605间具有感应电压。该电压施加在整流器606上，其通过能量消耗元件607(代表标签上所有吸入功率的模拟与数字电路)和能量存储元件608加载到DC侧，其中能量存储元件为旁路或波纹电容器。标签的本地地为609，且为标签上所有电路的公共返回点。
对于所示的方向，施加的电场由波形610表示。时钟信号可从天线连接604或605恢复。611为节点604与地609间的电压波形。612为节点605与地609间的电压波形。在这两种情况下，由于整流器的结构，波形将不会降至本地地之下多于一个二极管压降(对于给定的注入电流电平)613。如从波形中看到的，两个电极电压的上升沿相差180°。
现在如果在场中翻转标签的方向(或等效地，翻转所加电场的极性)，如614，并测量相同的波形，那么对节点604的结果示于615，对节点605的结果示于616。注意，从604提取的时钟上升沿与上一方向的604时钟信号相位相差180°。对从605提取的时钟也是如此。对于125kHz的载波系统，180°的相移对应4μsec的差别，这样，即使同样耦合，且方向竖直(不一定在同样的绝对的意义上)的每一物品，会有4μsec的失同步。
本发明涉及消除上述模糊性问题的方法。其也适用于标签时钟与载波频率是本地产生(在标签上)的情况。通过在读取器发射机波形中插入预定持续时间的，定时一致的(相对于载波过零)同步间隙并在标签电子仪器上放置两个(或多个)电路实现(在下文中详述)中的一个，可解决加电模糊性和方向模糊性。读取器的通告方法仅为本发明的一个实现方式，本领域的技术人员明白还有其它向标签通告同步事件的方法。该特定实现方式采用开关键控(OOK)的形式或脉宽调制(PWM)向标签通告同步事件。
在读取器的预定相位处开始插入间隙，持续一个预定的时长，并在读取器信号的预定相位处结束，向标签提供绝对参考，用其调整它们本身。(间隙的时长并不重要，如果它不是很长的话，因为在此期间标签通过存储的电荷运行。)如图25所示。在优选实施例中，读取器波形2500具有间隙2501，其在过零点2502，2503处的上升边缘起始和终止。直到使得标签的旁路电容器完全充满电荷时才插入该间隙。标签DC侧波形2504示出了典型的充电瞬间。如果旁路电容器没有完全充电，这是因为初始瞬间没有稳定下来，或因为在间隙时间内消耗了一些电荷(由于标签在RF关闭期间，只靠消耗在电容器上存储的电荷维持工作)，从而标签上间隙结束的上升时刻会拖得更久。但是如果电容器完全充电，那么不需要时间来对电容器进行重新充电，且DC波形实际上遵循读取器波形。在间隙期间，不可避免地要从电容器消耗一些电荷，因为一些电路在此期间确实需要运行(特别是同步电路)，但电荷量与正常的标签运行相比是很小的。这样的结果是在2505表示的时间内有少量的减少。然而，由于这种运行吸入电流保持为最小，所以下降量小，且确保瞬间2506不是难以接收的。
如果时钟从节点604和节点605提取，那么两个时钟相位可供标签从中选择。如果标签知道间隙后的第一个边缘将为上升边缘，那么标签选择具有第一边缘为上升边缘的时钟。这消除了标签中存在的任何相位不确定性，这些标签依靠收到的或恢复的载波波形作为它们的时钟。可替换地，604与605间的波形差可使用第二个快速的(例如，非DC侧滤波的)整流器进行全波整流，然后使整流后的波形通过二分频电路，以将原始频率恢复至正确的相位。另一方面，检测到同步事件的结束使标签能够开始传输数据，如果满足预定条件的话。在下文中将进一步详述这两个实施例。
图26示出了使用全波整流器的实施例。电极2601与2602作为天线，出现在这些节点上的信号差被送至快速整流器2607。全波整流后的波形出现在负载2608上。缓冲2609将整流器与作为定时器的斜坡发生器隔离。斜坡发生器包含充电元件2610，在此实施例中为p—沟道MOSFET，其对斜坡电容器2611快速充电。该电容器通过元件2612放电，该实施例中为一大值电阻器，用于设置放电时间常量。当该斜坡降至由电阻分压器确定的阈值之下时，比较器跳变输出2615触发触发器2616。该触发器的输出2619通过RC网络2617反馈至清零端，RC网络使输出2619成为一个单步(one-shot)的短脉冲，其持续时间由时间常量确定。OR门电路2618提供重置通路，以在第一次加电时初始化触发器。单步的输出清除二分频结构的触发器2620的(模糊)状态，因此，当间隙结束且2620开始再次反转时，触发器输出2621提供已知的时钟相位，适当参考该相位获得所需的方向。模块2603与2607为整流器电路，具有与图6中模块606类似的形式。元件2604为等效的负载元件，代表其余模拟与数字标签电路的阻抗(可用其为这些电路的功率消耗建模)。元件2605表示标签上的电源旁路电容器。标签的本地地为2606，且为标签上所有电路的公共返回点。注意，所有上述电路仅形成一个本发明的可能实施例。本领域的技术人员知道存在很多不脱离本发明精神的可能的同步电路形式。
该电路的的波形示于图27。2701为具有间隙2702的读取器发射波形。注意，间隙开始和结束于过零点的上升边沿。2705为快速整流器2607的输出，也为2610处的波形。2707为斜坡发生器的输出，且2708为阈值2613。2710为比较器输出2615，且2711为单步输出2619，其用于清零二分频触发器2620。2712为2620的输出，且为最终的，正确定相的时钟，其用于随后所有的定时。
图28示出了标签电路的替换实施例，该实施例比前一个实施例多使用一个触发器和多个门电路，但没有第二整流器。与图26中相同的元件被同样标号。缓冲来自每个电极的时钟，并用其驱动定时器组2625，2630和锁存器2803，2804。这些锁存器中的任何一个的上升边沿设置该锁存器。单时隙输出在间隙前，通过OR门电路2805，2806清零从初始化突发对这些锁存器进行清零。当第一个上升沿及时出现时(其也为真实的第一个上升沿，因为读取器在间隙之后发射一个上升沿)，该触发器首先锁存，且其设置端输出通过OR门施加到另一触发器的清零端输入，因此，阻止不正确脉冲的上升沿锁存它的触发器。任一触发器(2808，2809)的输出可用于控制复用器2807，其将正确的时钟相位2810发送至其余电路。
一旦标签具有它们可用的系统时钟的公共相位(优选实施例中的读取器载波)，如图26和/或图28中公开的电路所提供的，它们将脱离绝对参考边沿运行，并将因此具有同步定时。通常，一旦确定公共系统时钟相位，标签将从系统时钟导出符号或码片时钟，一般通过用整数比分频降低时钟，为它们的传输安排时间。可以设想其它的同步实现方式。例如，在载波频率远远高于符号时钟的情况下，高频分频器可消耗惊人数量的电流。在这种情况下，采用本地(位于标签上)产生的自由运行但可同步的符号时钟更为有效。此时，本地符号时钟(例如，本领域公知的RC振荡器)可基于同步事件的一些特性，如间隙结束，在给定起始相位(初始条件)处启动。
前面段落详述了被动启动标签系统，其中，读取器信号不但提供定时，而且为标签提供电源。其它实施例或应用需要自启动的标签(例如，通过本地电池)。这种标签不需要读取器的存在来提供电源，这样，同步事件可为出现载波脉冲，而不是中断载波脉冲。还可设想两个载波间隙可由一个载波短突发分隔，这里，载波短突发的特性作为同步事件。
回到上述被动启动系统，所述系统中的标签110，120，130利用多通路传输算法发送它们的数据。多通路传输算法在确定标签110，120，130的总读取时间方面非常重要，且包括几个不同方面。算法所使用的基本思想是每个标签110，120，130在每个算法通路中选择特定的(优选地，为均匀随机的)通信信道。
在所述系统的优选实施例中，信道选择240通常直接基于标签110上存储的数据220。优选实施例中，标签110一般在所选信道上发送其信息(即识别信息)，直到算法的下一通路，此时它将选择新的信道并重复该过程。在本发明的优选实施例中，假设标签的传输经过粗略同步(通过第一预定传输条件)。
每个标签进行的信道选择基于预定信息(即通常的实施例中在标签编程230时确定，实际数据由标签采集；或可能在设计标签本身时确定)。在本发明的优选实施例中，每个标签110的信道选择直接由标签110上(如下所述)存储的识别数据220确定(通过算法的方式)。还要注意，在其它实施例中，上述预定信息可包括伪随机产生的数字，这些数字不是直接基于标签110上存储的数据，只要在读取器接收机中，序列可由某种方式导出。
如上第I部分中的详细说明，良好系统性能的关键是，所述系统的优选实施例在将数据存储230到标签110上前，需要预随机化(即加扰)211数据200的至少一部分(例如，EPC，CRC等)。由于标签110实际上使用存储的数据220，或其一部分(例如，221，222)，以在多通路算法的每个通路中选择240通信信道，对于最佳整体系统性能，数据220表现为均匀随机是至关重要的。这可通过上面第I部分中说明的低复杂度反向加扰算法211实现。
具体地，如图12所示，优选实施例中的多个传输通路中的每一个通路的信道选择过程240通过采用预加扰的(即随机化且存储的)数据220的预定子集(例如，221，222，223，224)来执行，以在每个通路中选择通信信道240。诸如转向器或复用装置1240的信道选择器1220选择信道。在每个随后的算法通路中，通常采用标签110上存储的数据的新子集221，222，223，224(即产生的新随机数)进行信道选择，确保在多通路传输算法中随机的和独立的选择信道。
注意，标签110可在每个通路中传输数据220的全部(如优选实施例中)，或只传输数据的一部分(即，通常为足够在下一通路中标签采用的用于确定信道的数据)。通常，用于算法每一通路中信道选择的数据的221，222，223，224部分是数据220唯一的和相邻的部分，优选地，被预随机化，但是这些条件不是必须的。用于多通路传输算法各通路的特定信道选择被称为“信道选择方案”。
例如，在每个标签上存储128比特预加扰识别数据220的系统中，可利用唯一且连续的8比特部分在16(即128/8)个算法通路中的每一个通路的256(即28)个信道中选择一个。从而，每个标签的第一个随机化数据字节(例如221)为每个标签在算法第一通路上选择240通信信道，每个标签的第二个(希望为不相同的)随机化数据字节为在算法第二通路上传输选择240信道，依次类推。这样的多传输通路处理一直持续到用尽标签上存储的所有数据(例如，本例中为完成第16个通路；在图2中，对应于224)，或者读取器100通告标签停止传输(通常是，在标签中110，由704(1210)检测到满足第二预定条件)。一旦数据用尽，整个过程可选地重复，但是标签通常将选择相同的(确定的)信道。再次注意，希望为每个标签的每个算法通路随机选择随机的和唯一确定的信道，以随机化不可避免出现的冲突(详见下面的第五部分)。
当然，本领域的的技术人员知道，在每个通路中，数据的其它部分(例如，非相邻的或非完全唯一的)也可用于直接或间接地选择通信信道。这样，就有可能在信道选择重复前无限扩大算法通路的最大数量。一些传输通路之后，可修改信道选择方案(或信道选择算法)，从而在以后的信道选择1220中采用相同数据220的不同子集(为了在发生任一模式的重复前扩展唯一的信道选择)。例如，多通路传输算法的16个通路之后，标签可移位信道选择数据(即预定数据)n比特(这里，n＝1...8，对于上例)，以为随后的算法通路实现新的信道选择。这样，有可能无限扩大唯一信道选择的数量，然而增加了标签电路的复杂性。
但是信道选择的其它实施例也可采用某个类型的映射(通常为1对1查询表，或者代数或逻辑)函数，以从标签上存储的或编程的(通常为有限的)数据确定信道选择。信道选择过程的唯一关键特性是，一旦知道了标签数据信息的一部分，就可在读取器100中计算信道选择。
由于信道资源有限(即多通路通信算法每一通路中，用户只有有限的信道数可供选择)，所以在这些发送标签中，冲突不可避免。冲突定义为在特定算法通路中，两个或多个标签选择在相同的信道上进行通信。在正常的系统运行中，可以预料到这种情况。例如，对于25个标签在64个信道上进行通信的典型情况，每个通路至少一次冲突的概率为99.6％，这个结果基于此事实，即对于M个标签在N个信道上通信，没有冲突的概率的表达式为(对于M<N)：
Pr { no collision } = N ! ( N - M ) ! &CenterDot; 1 N M
在后面的第V部分—冲突消除方法—中讨论了几个冲突标签传输及其对策的数字示例。
在许多情况下，系统中存在的(在特定启动电平上的)标签数量甚至可超过可用信道数(特别是在优选实施例算法中靠前的通路上，或设置如下的少量的可用信道数)。在本发明中，当利用正交信道化方法时，完全可允许这种情况。注意，此时会认为通常的DS-CDMA系统(采用准正交信道化码)过载，且不能进行可靠的通信(特别是不知道关于进一步的标签传输特性时)。重要的是，在所述系统中，可通过冲突消除技术有效地进一步降低激活的标签数量，这将在后面的第V部分中详细说明。
同样重要的是，所述系统的优选实施例利用多通路传输算法每通路的可变信道数(通常由221，222，...224确定)，以提高整体系统性能(例如，总读取时间，系统总容量，可靠性等)。换言之，多通路传输算法其中一路的可用信道数可不同于多通路传输算法中另一路的可用信道数。在现在的讨论中，每算法通路(即每单位时间)的可变信道数也被称为动态信道方案，因为可用信道数随时间动态改变。实现动态信道方案实际上优化了一个或多个期望标签数量的总传输时间(或总读取时间)
注意，算法每通路的传输时间通常与该算法通路的可用信道数成比例(不考虑所采用的信道化方法)。多通路传输算法总的传输时间(TTX)可表示为
T TX = 1 R &Sigma; i = 1 L N i * B i
其中，L为成功传输数据所需的传输通路数，R为传输(信号或信道符号)速率，Bi为每通路传输的数据符号个数，Ni为算法第i通路的可用信道数(或扩频增益)。注意，在所述系统的一个实施例中，L可等于16个通路(允许)，Bi固定为128比特，R等于62.5kHz，且具体的Ni值在上例中给出，然而这仅为本系统的一个特定实施例。其它许多信号速率和数据格式也是可能的，如同许多不同载波频率用于传输信息。记得每通路的可用信道数(Ni)通常取决于用于在每个通路(ni)中选择通信信道的比特数，如下(如240中所示)：
N i = 2 n i
在本系统的优选实施例中，Ni代表扩频增益和每通路的可用码字数，且R为以码片每秒为单位的信号速率。注意，在给定传输信道中，并不需要利用所有可能的信道，但希望所有信道对数据传输来说是可用的。应用高级冲突消除技术(在下面的第V部分中说明)可极大地降低标签110，120，130所需的传输通路数(L)。通常，在所述系统的其它实施例中，对于上面方程中的任何值都没有限制。
由于在上面示出的优选实施例中，每通路的传输时间取决于每通路的信道数(和符号速率)，因而，对于少量的标签，通过在多通路传输算法较靠前的通路中使用少量信道，可提高系统的总读取(即获取)时间性能(因为对于少量标签的情况，对系统增加更多的信道几乎不能带来额外的好处)。可在算法后面的通路中增加信道数(可能在多个步骤中)，以适应系统中存在大量标签的情况，或通信信道数很少，且读取器100不使用更复杂的信号处理(例如高级冲突消除)技术的情况，这种技术参见下面的第V部分。增加扩频增益可增加系统抗其他噪声或干扰源的能力，这还会增加系统的鲁棒性(允许系统在各种通信信道条件下顺利运行)。
这样，存在少量标签的系统通常不会遭受具有大量(靠前的)信道选择的系统的较长传输时间，同时，存在大量标签的系统也不会明显受创(因为由于初期的少量可用信道数使得多通路算法靠前的信道通常也会花费相当少的时间)。还有，在靠后的算法通路中增加信道数确保具有大量标签的系统可在有限的算法通路中顺利地获取数据(因而增加系统稳定性)。
例如，所述系统的优选实施例利用128比特的数据220，在第一与第二算法通路中有32个信道，在第三与第四算法通路中有64个信道，在第五至第八通路中有128个信道，在后面的8个通路中有1024个信道。再次注意，在该实施例的每个通路中，利用数据220的唯一子集直接选择1220通信信道1260，在数据唯一的、非重叠的数据部分用尽前，再次导致了总共16个算法通路。系统的其它实施例使用可变的每传输算法通路信道数，该数量在预定数量通路后改变。例如，在上面的示例中，多通路传输算法的头16个通路可使用从32至256间的任何可用信道(即5—8比特的信道选择数据)，而接下来的16个通路可使用从256—4096间的任何可用信道(即8—12比特的信道选择数据)。这样，实际上可无限制扩展动态信道方案(即每算法通路的可用信道数)。还要再次注意，最大通路数可通过使用数据的重叠或交织部分来扩展，以推导信道选择算法。在本系统的特定实施例中，每通路实际选择的可用信道数(也称为一个动态信道方案)还取决于(除了系统中存在的期望标签数外)读取器100中采用的期望的或主要的信号处理算法类型(例如冲突消除算法类型)。
具体地，在所述系统的优选实施例中，使用随机信道选择在多通路传输算法每一路中选择具体的扩频码(或1220中的编码信道)。更具体地，在优选实施例中，标签110上存储或编程的数据220的各部分直接用于指定长度为N的专用加长m-序列(这里，N等于特定算法通路中的信道数，如上所述)。注意，为了不失一般性，扩频码也可为复数值。该过程被图示于图11中。通常可通过应用PN发生器(LFSR)状态的掩码函数(masking function)(即AND-XOR化简网络1100)获得PN序列的不同相位，该函数有效地执行两个或多个m-序列的模2相加，以产生相同m-序列的第三个码字相位。从而，在每个算法通路中，所有标签110，120，130使用相同基底的LFSR(m-序列)发生器，在优选实施例中，起始于相同的发生器初始状态，从而将所有标签110，120，130的传输同步至已知基底的初始发生器状态。这些方面对于快速有效地在读取器100中解调很重要，如下面地第五部分中所述。注意，基底LFSR序列发生器长度(即本原多项式)通常在每个算法通路动态改变，如上所述。
在优选实施例中，通过在第一个码片(即PN比特)时间强制输出零，通常使传统的m-序列发生器通常成为专用加长PN序列发生器，确保在给定序列周期上不同标签序列的互相关为零。注意，在其他实施例中，可使用其他类型的正交函数发生器(如沃尔什或哈达玛函数)来代替LFSR PN发生器，然而这些码字不具备所需的抗干扰能力。然后通过传统装置1230(例如，在数字实现中为XOR门，或在模拟实现中为乘法器，如本领域技术人员所公知)用生成的扩频码1260对标签110上存储的数据220进行扩频。激活的标签的扩频数据信号然后在给定通信信道上发送(以总体方式)。
注意，标签可使用多种调制类型来发送它们的数据(例如，幅度调制，相位调制，频率调制，或其组合)。本系统的优选实施例通过发送元件702采用来自负载调制(load modulation)的幅移键控(“ASK”)形式，但其它调制类型和实现也是可能的(例如，差分正交相移键控，正交幅度调制，脉冲编码调制，脉冲幅度调制，脉冲位置调制等)。使用不同载波频率传输标签信息是可能的，从数十千赫兹到几千兆赫兹(例如，125kHz，13MHz，900MHz，2.4GHz)。所述系统也可能使用各种数据编码与映射技术。编码技术的示例包括但不限于，归零(RZ)，不归零(NRZ)，曼彻斯特，和差分编码，这些编码方法在本领域公知。注意，不失一般性，本发明可能使用不同编码，调制，译码与信令类型，如本领域技术人员所公知。一些译码技术的示例包括CRC码，卷积码，分组码等，这些方法在本领域内公知。
优选实施例中的标签110，120，130也可通过发送元件702直接调制读取器100提供的载波；从而，它们不需要本地振荡器(但在所述系统的范围内，可能使用本地产生的载波，并不以任何方式限制其应用)。在所述系统的优选实施例中，功率转换器703对来自读取器100的载波信号进行整流，因而读取器100可远程启动标签110上的电路。注意，使用主动启动标签也是可能的，并不以任何方式限制本发明的使用。系统的基本目标是使标签110的复杂度最小，通过使用优选实施例中的所述技术，标签110上的电路可保持最简洁。
IV.快速解调方法
读取器负责执行许多重要的信号处理步骤。如图13所示，读取器通过用发射电平控制1320和放大器1330初始化信号源1310的输出来启动对标签110，120，130的读取过程，并以最低电平发射功率。在优选实施例中，读取器100然后在此电平开始发射连续的波形。一旦读取器100在特定功率电平上发射时，它通常侦听(通过耦合器件1340和天线1345)从标签110，120，130返回的任何信号。这种主动检测可采用调制或能量检测测量的形式，例如在每个可能的通信信道中检测信号电平或信号波动。希望使该检测与特征描述周期变得尽量短，因此如果在一特定功率电平没有标签激活的话，那么读取器100可迅速进入下一个功率电平(通常以递增的方式)。如果在特定发射功率电平上检测到信号，则读取器100可开始完整的解调过程1390(可能采用冲突消除算法，如下面的第五部分所述)。注意，不失一般性，在其它实施例中，读取器100也可发出已调载波信号，同步脉冲，或非对称载波波形。读取器100可在硬件或软件结构，或其一些组合中执行信号处理。通常的实施例包括一些选择性1365，放大1370，模数转换1375，DC获取与增益控制功能1380。
通常，在某些实施例中，读取器100还执行主动或被动的载波信号抑制1360，干扰或噪声抵消(对于系统中来自多个源的任何形式的干扰，除了来自所需标签外)。
如上所述，本发明的优选实施例在标签110，120，130中采用扩频调制。从而，必须在读取器100中首先反向应用每一可能的扩频码(或每一复扩频码的复共轭)，来解扩接收到的数据，如本领域所公知。
更具体地，因为所述系统的优选实施例在标签110中使用专用加长m-序列作为扩频序列，所以在读取器解调过程1390中可使用快速有效的解调(即解扩和信道化)技术。这些技术显著降低了读取器解调过程1390所需的处理功率，这导致更快的读取时间和读取器100更低成本的实现。实际的处理节余将取决于多通路系统每一通路的信道数，且可表示为一个因子(F)的形式，该因子等于每符号传统的解扩运算次数和改良的解扩运算(使用接收序列重排序和快速哈达玛变换(FHT)的组合)次数之比：
F = 1 L &Sigma; i = 1 L ( N i ) 2 N i * log N i = 1 L &Sigma; lpasses N i log N i
这里，L等于成功解调源数据所需的通路数，且Ni(再次)等于第i通路的信道数。该因子直接表示了读取器解调过程1390中的处理节余(通常以百万次运算每秒(MOPS)或百万条指令每秒(MIPS)为单位表示)。从而，在此示例中，在最好的情况下(没有冲突消除，如下所述)，优选实施例中的读取器100可使用具有五十七分之一处理能力(例如，10MOPS与570MOPS)的处理器1390。
记得专用加长m-序列(示于图11的方框1120)为传统PN序列的正交扩展，其与正交沃尔什编码(示于图14的方框1420)有些类似；也就是，两组序列在序列中具有相同个数的1和0(即它们权重相等)。这两种类型的序列(即长度为Ni的专用加长m-序列与沃尔什序列)通过使用一个专用重排列函数联系起来。该专用重排列函数可直接从在图15中的读取器接收机模块1520中用于生成基m-序列的本原多项式(如在标签序列发生器1110中所示)导出。序列重排列函数1510用于在接收器件1375接收到数据样本时，直接重排列这些数据样本(或元素)，如下详述。接收器件1375可为模数转换器，模拟采样与保持器件，寄存器，或任何其它接收信号的数据。注意，单个信号序列重排列1510函数应用于复合接收信号，其由来自多个不同标签110，120，130的发射信号构成，这些发射信号使用多个码信道(或110中的码字相位)。
一旦复合接收信号(包括多个m-序列码字相位)在诸如存储缓冲1530的存储介质中重排列，它就与一组有效沃尔什序列中的序列相似，并采用诸如快速哈达玛变换(FHT)的快速变换技术，迅速地(同时)对标签110所有数据信道的数据进行解扩。FHT用于将数据序列与完整的沃尔什编码组(并行)快速相关，如本领域所公知。对于快速相关方法，可使用任何与FHT相关的变换(例如，快速沃尔什变换，沃尔什-哈达玛变换，递归沃尔什变换等)，并不脱离所述系统的精神。还要注意，所述的所有处理技术可在模拟或数字信号处理域内执行。
注意，传统的FHT算法(例如，方框1410中所示)已经公知，且它们的基本核心运算(方框1410，称为“蝶形”)示于图14中，基数为2的FHT蝶形运算与基数为2的FFT运算类似，但仅包括将数据元素乘以+1或—1(等效地，对数据进行相加或者相减)。还示出了8×8FHT的格形结构1410。FHT的每个输出被称为FHT BIN或FHT编码信道。当完成时，N-点FHT可高效地与所有可能的长为N的正交沃尔什序列相关。在优选系统中，可等效于与长为N的序列的所有可能码字相位相关。由于FHT为一种快速变换，因此对于一个N-点正交序列，可显示出对传统相关的处理节余(类似于上面表示的因子F)等于(N2/N log N)。通过使用所述快速相关技术可实现同样的节余。
准确的接收数据专用重排列函数1520可通过观察标签斐波纳契LFSR(Fibonacci LFSR)(示于1110，或其等效物)在正常运行期间循环遍历的状态确定(可参考下例)。LFSR逐步遍历的状态直接对应于专用重排列函数，或对应于在及时(线性地)接收到数据时，必须在接收数据存储缓冲中(1530或其它存储介质)存储的进来的(扩频)接收数据采样的间接地址。可替换地，可将地址序列(1520中)存储在存储介质中(例如，随机访问存储器，只读存储器，硬盘驱动器等)，而不是在接收机中主动产生。注意，这些序列对系统使用的每一基底扩频码(即本原多项式)只需产生一次。这样，可对接收到的m-序列(或m-序列之和)的元素进行重排列，使得它们准确地表示沃尔什序列中的元素(或更具体地，哈达玛矩阵中的各行)。从而，现在可使用传统的快速(哈达玛)变换(相关)方法(在1540中)，高效地并行解扩接收到的数据。注意，可在存储器中缓冲双倍的数据序列，以适应任何处理延迟。
表现信号能量的FHT的输出索引(或收集器)与用于标签110，120，130中AND-XOR化简网络1100的掩码值1130直接对应(当用二进制表示时)。例如，信道选择码1130(图11所示的“c0—c4”)(发射机过程)直接对应于图15中FHT模块1540的主动输出1550(接收机过程)。记得在标签110中应用掩码值1130以选择特定编码信道(或码字相位)。这也示于图7中，这里，掩码710从标签数据240得到，以输入至信道选择240。也就是说，二进制掩码值1130(和FHT BIN索引)直接对应于标签110上存储的数据221，222，223，224，在特定通路中用该掩码选择信道(对于标签数据如何与信道选择相关的补充示例，可参见图17与图18的标识符1710，1820，1830和1840)。在优选实施例中，在多通路算法每通路的持续时间内，每个标签110将在固定信道1260上发送其数据220。每个FHT BIN上的输出信号电平直接对应于解扩后每个编码信道1260(例如，每个码字相位)上的信号电平。从而，高效地将复合接收信号在FHT的输出端信道化为其组成分量。
如下进一步讨论，在接收数据序列的信道选择部分中，每个激活FHT BIN输出端的数据信号1550可通过将其与二进制FHT索引值匹配进行校验(由于两个序列对于有效数据应该匹配)。此技术额外提供了一种粗略的差错检验形式，并针对多通路传输算法的第二通路示于图18中。注意，部分222上的用于选择第二通路信道的数据序列1820，1830，1840为FHT BIN号的二进制等效。
通过图15显示的重排列和FHT技术的结合，在优选实施例中，解调器能够快速解调(即解扩)所有可能的编码信道(即码字相位)。注意，在接收机中解调每个接收符号周期内的N个信道通常需要进行N-点FHT(其对应于每一潜在的数据信号和符号所需的解信道化和解扩运算)。还要注意，本发射机的其它实现方式可使用沃尔什编码用于信道化功能，在此情况下，FHT BIN将直接对应于沃尔什编码信道索引(且无需重排列过程)。然而这种系统与优选实施例相比，不能提供同样好的抗干扰能力，因为沃尔什信道化码为周期性的，且与周期性的干扰源高度相关。本系统的优选实施例采用专用加长m-序列作为信道化功能，还采用上述解调技术。还要注意，在所述系统中，不一定非要使用所述快速相关算法(即可使用通用的或传统的相关/解扩技术)，然而这种实现方式的实现成本(例如，电路面积和电流消耗)将会较高。
作为一个示例，对于在标签发射机中使用长为16(N＝16，n＝4)的专用加长PN序列的系统，由二进制信道选择值1130(ni)‘0001’(1)表示的序列1260将为‘0111101011001000’，而由二进制信道选择(掩码)值1130‘1001’(9)表示的序列1260将为‘0010110010001111’(这是具有前导0的专用加长同底数m-序列的不同时移或码字相位)。图11示出了23阶本原多项式的标签PN产生和掩码电路的示例(当用标准八进制记号表示时)。假设两个标签在通信信道上独立地发送这些序列。读取器接收机使用专用重排列函数1520和FHT处理(如图15所示)分离这两个信号。发送PN序列所必须使用的专用接收数据采样重排列与等效的专用加长PN发生器将循环遍历的各状态相同，即在本示例中为{0，15，7，11，5，10，13，6，3，9，4，2，1，8，12，14，与1120中所示相同}。通过复制标签110中使用的m-序列发生器1110，并观察PN发生器状态，或者简单地在存储器中存储所需的重排列序列，可在读取器100中产生该序列。利用重排列序列将进来的接收数据样本流用间接寻址的方式存储在存储器中。例如，到达读取器的第一个有效A/D采样(以扩频或码片速率最优采样)存储于存储介质1530的存储缓冲位置0(对所有专用加长码字都是如此)，第二个采用存储于存储位置15，第三个在位置7，等等。一旦接收到N个采样(本示例中为16)，可对存储缓存1530中新的重排列数据进行正常的FHT处理1540。重排列函数将把上面的‘0001’PN码转变为序列‘0101010101010101’(与沃尔什码字1相同)，并把‘1001’PN码转变为序列‘0101010110101010’(与沃尔什码字9相同)。FHT 1540将指示在输出1550的收集器1(对应于信道码字1)和收集器9(对应于信道码字9)中存在信号能量(例如，标签正在发射)。从而，通过观察FHT为每个发射符号输出的收集器1和收集器9，可检测到标签的其余数据。
注意，通过假设在接收机中标签110发送的第一码片(或符号)为二进制0(其等效于信道上有一个+1归一化信号值)，即使实际上没有发送这样的信号，也可将上述技术用于传统的(即非专用加长的)m-序列。从而，存储介质1530中的第一个缓冲位置被初始化为一个+1值，然后处理正常进行(即重排列1510和FHT 1540)。这样，对传统序列的多个编码信道(或码字相位)可非常快地执行相关操作。通过记录向序列插入的额外码片(例如，除上述第一个码片外)的位置，也可适应通用加长PN序列。
上述快速相关技术(即特定接收序列重排列1510和FHT 1540)可应用于任何使用PN序列的通信系统，这些PN序列可通过AND-XOR化简网络1100产生(不论它们是否为那类网络产生)。许多流行的通信系统采用这些类型的PN序列，或从传统m-序列的组合产生的PN序列(例如，本领域所公知的Gold码)。这些系统的示例为IS-95，IS-2000，3GPP CDMA蜂窝系统，和GPS CDMA定位系统。上面的快速相关技术在这些系统中同样有效。
无论何种情况(不考虑所使用的信道化技术)，必须在接收机前端1610滤波和放大复合接收信号，然后在读取器100中信道化(或解信道化)1620，如图16所示。接着为了信号与冲突检测的目的(通常在1630中)，通常要单独处理每个信道(但也可能同时)。例如，在使用沃尔什码代替所述m-序列的系统的另一实施例中，仍然使用FHT运算同时解调所有的不同数据信道，如上所述。本系统的其它实施例可采用许多(并行的或时间共享的)传统解扩器(代替1540，1620)，以进行解信道化和解扩过程。解扩器通常由乘法器构成，其后跟有积分和清除函数，如本领域所公知。
在本通信系统的另一示例中，其它实施例可采用正交时隙作为信道(例如在时隙ALOHA系统中)，在这种情况下，来自不同标签的信号将在它们到达时(在不同的时间点)被解调。应该注意，所选信道化方法并不改变读取器100使用的冲突消除算法的主要类型，如下进一步说明。
还要注意，在本发明的许多实施例中，解调过程通常为多次迭代过程，因为所有标签通常不可能在多通路传输算法的第一通路成功发送它们的信号。从而，读取器100波形保持加电状态(在同样的功率电平上)并且不断地解调进来的数据，直到成功接收来自各标签的所有数据(还使用下述方法)。另外，当在读取器100中使用高级冲突消除技术1630时(如下详述)，多通路算法的每一通路需要多次解调迭代(例如，FHT)。还要注意，多通路算法后面的通路可要求解调器适应新的信道数，如上面讨论的动态信道方案。
V.冲突消除方法
如上面提到的，在本(和任何)通信系统中，只有有限数目的信道供标签110，120，130用于与读取器100通信。由于有限的通信信道数，和多个标签间未经组织的信道方案(即有效使用的随机分配)，所以在所述系统中将不可避免地出现标签的传输冲突。冲突定义为，两个或多个标签选择在相同的信道上和相同的时间(即在多通路传输算法的特定通路期间)进行通信的情况或事件。应当记得，因为标签上存储的数据非常接近均匀随机数据，所以分配为高效随机的，如本文档第I部分所示。
在所述系统中，读取器100有可能使用，也有可能不使用冲突消除技术，这取决于读取器100的期望复杂度。例如，低成本接收机可以不使用任何冲突消除技术，而较高成本(较高处理能力版)的接收机可使用高级冲突消除技术。
下面的讨论首先假设不采用特定的冲突消除技术，然后考察了采用冲突消除技术的情况。注意，不论读取器100中是否使用了冲突消除，标签110，120，130通常发射相同的模式。每个读取器(例如，110)对系统中存在的其它标签(例如，120，130)在效果上是“盲”的。在接收机中进行下面的额外步骤，以进一步执行解调过程。
通常，读取器100在给定通信通路中(顺序地或同时地)循环遍历每个可能的解扩通信信道，并在其上寻找信号活动或信号能量。所述发明的读取器接收机应该还能够检测每个可用信道上的冲突，如下详述。在每个信道上发生所有的信号描述，并通常在完成解扩后执行，以降低实现复杂度(然而有可能在解扩前进行等效的运算，不失一般性)。注意，在本系统的优选实施例中，对接收到的信号进行同步采样(在优化采样点)，然而，其它的方法(包括确定过采样和后采样的最佳采样时间)是可能的。
接收机的优选实施例采用复杂度降低的方法在每一信道上估计信号能量。具体地，在本发明中，该方法考察每一信道的最佳采样解扩器输出信号累积的(求和的)绝对值。如果给定信道的累积绝对值超过预定阈值，就认为在该特定信道上存在信号。可将预定阈值设置为可编程的或自适应的(基于读取器接收机的其它条件)。该方法相对于传统能量估计(平方和)方法的优势在于，其不需要高代价的乘法运算来确定信号的存在。
具体地，在本系统的一个特定实施例中，通过从信道中减去任一平均信号电平(即dc值，如在1380中)，以获得归一化的信号，并考察其余(归一化的)信号的绝对值，如上所述，可检测到来自标签的低偏差ASK信号的存在。注意，还可应用自动增益控制(也在1380中)来进一步归一化信号电平。
一旦在特定信道上检测到信号，读取器100通常必须检测在该信道是否已经发生冲突。这可通过在一定时间范围内考察归一化信号电平绝对值的方差来实现。如果信号绝对值的方差超过一定的(不同的)阈值，就认为在该特定信道上已经发生了冲突(由发生冲突的不同标签ID数据的二进制值造成—参见图17)；否则，认为在该信道上存在单个信号(如图18中)。在其上存在单个信号的信道也称为“信号占用的”信号。本领域的技术人员还知道，可采用对这些测量值和指示标记的滤波或平均，以提高它们的可靠性(例如，以提高估计值的SNR)。从而，对这些测量观察的时间段越长(且用于随后的滤波)，估计值将越准确和越可靠(即更高的处理增益)。
如同所提到的，读取器接收机通过考察每个信道上归一化信号的方差，可检测每个信道上的冲突。归一化信号的方差可被视为误差信号，并且代表与理想信号的偏差。在优选实施例中，再次执行复杂度降低的方法用于确定信号冲突。具体地，是在每个信道上累积归一化(可能为经dc校正的)误差信号的绝对值。如果累积的绝对误差信号超过第二预定(然而可能为自适应确定的)阈值，就认为在该信道上已经发生了冲突。从上述复杂度降低的信号存在性计算的结果可部分地确定归一化误差信号。具体地，可将归一化误差信号设置为等于最佳采样解扩器输出减去绝对平均信号电平的差的绝对值(由上面累积绝对值计算的比例确定)。可在解扩器输出的所有比特上对该值求和，以提供额外的噪声平均(为了提高估计值的SNR)。该方法对传统方差估计方法(采样减去均值的差的平方和)的优势还在于，它不需要高代价的乘法运算来确定信号冲突的存在。
本领域的技术人员知道有很多方法可用来检测信号的存在和冲突的存在，它们根据调制与信号类型变化。可由另外的方法检测冲突，例如标准的差错检验(如，CRC)方法，然而这些方法不是在所有情况下都可以正确地检测冲突(由于失效)。还要注意，无论信道上是否发生冲突，都可用标准纠错方法纠正传输差错并提高信号估计的精度。再次注意，这些信号特性测量通常在给定通路的所有可用的(可能的)通信信道上进行(可用信道数随多通路算法的通路号变化，如上所述)。
从而，读取器100通常描述每通路所有(和每个)可能通信信道上是否存在任何信号，和在存在信号的每个信道上是否已经发生冲突。记得冲突通常定义为在多通路算法的同一通路上，两个或更多标签使用相同的通信信道。当在给定信道上发生冲突时，如果不使用冲突消除算法，该信道上的数据通常要丢失。如果在给定信道上存在信号，且没有检测到冲突，通常即可认为该(给定)信道上的特定信号被成功接收，且读取器100通常知道该特定标签的全部数据序列。
注意，有些实施例可进行检错或纠错(或一些其他类型的信号完整性方法)，以确保数据有效和正确接收。还要注意，如果发送了标签信道选择数据，读取器100还可检查标签110是否确实在期望的通信信道上通信(作为另一种部分数据的检错形式，这部分数据用于确定上述信道-参见图18，其中，第二通路的信道选择数据222必须与信道选择匹配，如1820，1830，1840所示)。
一旦已知(且可能确认)来自标签110的信号，该信号可从信号群体的剩余部分中忽略，或消除(如下所述)。如果有效地将来自特定标签的信号从信号群体中消除或减去(通过下述的各种可能算法)，那么可实现一种形式的冲突消除算法。按照这种方式，可消除除来自已知(已识别的)标签的信号，从而从系统中消除不想要的“干扰”。这有效地释放了宝贵的通信资源。从效果上看，整个系统为自组织网络，其中，在读取器接收中完成所有组织活动，而不是在发射机本身。注意，消除信号对于从冲突消除获得好处并不是必须的。
图19示出了当使用冲突消除技术时，读取器工作的基本流程图。在这种情况下，读取器100在进入多通路传输算法的下一通路前，要尽量解决尽可能多的冲突(如数据中的差错)(例如，在优选实施例中通过将读取器发射功率保持恒定)。
如上所述，读取器100通常将保持在给定功率电平，直到获得对于已识别所有激活标签的一定置信水平(或概率)。
如果信号没有主动从信号群体(或复合接收信号)中消除或减去，那么可认为没有发生冲突消除。在这种情况下，有可能在读取器100中使用各种算法来顺利获取(或解调)来自标签的全部数据。这种情况的基本思路是等待每个标签在多通路源设备传输算法的至少一个通路中选择唯一的(也就是说，单用户占用的)通信信道。这种技术通常为读取器100中可用的复杂性最低的识别方法，然而它也是最慢的(即需要最长的总传输时间来发送一段信息)。
在不使用冲突消除技术的情况下，读取器100采用的一种复杂性最低的算法为简单地使标签110，120，130发送多通路通信算法中的最大通路数。最大通路数通常在标签上存储的数据的唯一部分用尽时确定(如上所述)。
如上所述，读取器100可通过控制第一与第二预定传输条件来直接控制标签在其上传输的通路数。在本发明的优选实施例中，读取器发射功率保持恒定，以在完全激活的标签中持续发射，然而，其他第一与第二预定传输条件是可能的，以控制标签的发射组。最大通路数通常由特定信道选择算法确定，但部分受限于数据长度(以比特为单位)与数据的信道选择各部分之和(比特为单位)的商，数据的信道选择部分用于完全唯一的(非重叠的)信道选择。因而，在上面每通路具有128比特数据，和8比特信道ID选择数据的给定示例中，多通路算法中最多具有16个(即128/8)通信通路(在非重叠信道选择开始再次重复前)。从而，若在优选实施例中给定信道(如，PN)符号速率，那么可确定最大询问时间，且若给定所需传输通路数(如上面的方程所示)，那么在所有情况下，总获取(或读取)时间是固定的。
不使用冲突消除技术的其他算法(在许多情况下更复杂)也是可能的。其中一个可供选择的方法是让标签110，120，130在有限的通路数上(少于最大数)发射，从而可获得对于接收到的数据(或清点的标签库存)为正确的给定置信水平。这通常由在系统中(或在每一启动电平上)存在的期望源设备(或标签)数，和所需的置信水平(即在系统中成功识别物品或标签的概率)确定。例如，采用上述示例给出的动态信道方案，仿真(通过1000次实验)已表明平均需要7.73个传输通路来标识50个标签，然而，在1000次实验中，最多需要10个通路来唯一标识标签。因此，读取器100可对10个通路在给定功率电平上保持加电，以对所有(大约)50个标签成功地在唯一信道上发送它们的数据具有合理的置信水平。读取器100将再次仅需能够确定在信道上何时仅有一个标签110，以接收其ID数据。这将带来极大的总获取时间节余，因为仅进行10个通路，而不是上例中给出的16个信道的绝对最大值。可对给定数量的标签应用进一步的仿真，统计的或概率的分析，以确定其它置信水平或通路数。注意，在一些应用中，读取器100可在第一次清点库存时使用最大通路数，然后基于系统中存在的期望标签数调整通路数。
可替换地，读取器100使用的算法可记录每个标签的期望冲突位置(即信道)(一旦成功接收标签数据或其ID信息)，并估计系统中还剩多少个标签要识别。从而，读取器100能够比上述技术更早地停止询问(一旦它确定在系统中不可能存在其他标签)。换言之，所需的传输通路数在接收期间由读取器100自适应地估计，而不是如上所述基于期望的标签数预先计算，如上所述。该技术在下例和图22中进一步说明。
读取器100的更高级的实施例可使用多种形式的冲突消除算法中的任何一个。冲突消除算法通常减小给定通信信道上冲突的影响。理想地，它们消除特定信道上冲突的影响。在所述系统中，可通过(至少是概念上地)重新生成已知的信号并从总信号群体(或复合接收信号)中减去该已知信号来实现完全消除冲突影响的效果。已知信号可被视为对其他(未知)信号的干扰，从而所述技术也称为干扰抵消技术。注意，这种干扰信号相减可发生在解调过程的任何阶段(例如，它可以码片速率发生，或在优选实施例中发生在解扩之后)。本发明的优选实施例在解扩之后执行冲突消除，以降低实现复杂性。
通常来讲，存在不同复杂度的一系列冲突消除技术，且它们通常比不使用冲突消除技术的实现方式更为复杂(例如，需要更高的处理能力，更多的存储器和硬件)。然而，这些技术通常会带来短得多的总标签获取(读取)时间，并且能够极大地提高系统容量。再次假设，信道为准静态的，且系统对最佳系统性能来说是相对线性的。
通常，当使用冲突消除技术时，对于多通路算法的给定通路，已知的(即成功确定的)信号越多，系统中似乎存在的标签就越少，由于在优选实施例中，标签110上存储的数据直接确定了信道选择(或者，否则读取器100已经知道它)。一旦读取器100成功接收到数据(通常发生在标签110在另外的已占用信道上发射时)，它就知道了标签110对多通路通信算法每一通路将要做的所有信道选择。从而，读取器100然后可预测标签110在未来(和过去)传输中将要使用的信道，如上。注意，通常在正常的信号检测过程期间，在读取器100中测量(和低通滤波)来自标签110的观测信号电平，因此可获得给定(非冲突的)标签的实际信号强度的可靠估计。可使用该信息来有效地重现已知信号，并精确地将其从全部接收信号中减去，因而在其他传输通路中消除其影响。
具体地，可通过在一个或多个传输通路的一些部分上进行平均，以确定每个成功接收的标签信号的平均信号电平(且可能为相位)。记得当标签在单独占用的信道上传输时，它将被成功接收，在这种情况下，其数据可通过传统方法成功解调。此外，为了简化本系统优选实施例中的处理，计算平均累积绝对值(如在上述的信号检测步骤中)。每个信道上(解扩后)的绝对信号电平平均值(可能经过dc校正)表示该标签的期望信号电平(即接收信号强度)。对于使用复杂数据路径的接收机(例如那些在RF耦合的系统中的接收机)，还可在传输通路的一些部分上平均信号相位。
如果信道为准静态的，或在兴趣区间上稳定(通常用于短的读取周期)，可假设干扰标签的信号电平稳定；从而，可从复合接收信号中消除或减去它的本地产生形式。由于来自成功接收的标签的信号不再需要或不再有用(一旦已经确定其数据)，可将其消除以释放通信信道供其他未知标签在上面通信。已知标签的数据信号可通过将其解调数据符号或比特序列与平均期望信号电平相乘来重现。减去该信号可发生在解扩之后；否则，如果在解扩前减去该信号，就得再次应用特定的扩频序列(从计算复杂性的角度看，根本不希望这样)。注意，在多通路传输算法的每一通路中改变信道需要知道标签的信号，在相减过程中也需要考虑它。还要注意，可用信道数和扩频码对于多通路算法的每一通路会改变。
一种相对简单的冲突消除形式是从多通路算法的后面通路中减去已知信号(相对于时间为向前的方向)。从而，该冲突消除形式通常称为前向冲突消除。图20示出了读取器使用前向冲突消除技术处理的示例流程图，其中，处理以顺序方式进行(例如，每次一个信道)，以便于简化对处理过程的理解。该过程通常包括确定标签110，120，130中哪些已经成功发送它们的ID数据(如上面接收机算法所述)，还包括保持数据结构，其包含针对多通路算法每一通路的已知的(标签的)信号选择和估计信号电平。一旦已知标签的ID数据和标签发射信号的信号电平，就可将该标签从包含该标签的任何后面的冲突中消除。再次注意，可在逐渐增加的时长上对信号进行测量和滤波，以获得干扰信号电平的逐渐增加的精确度。从而，在本发明的一个实施例中，一旦估计出标签信号(以一定的精确级别确定)，就在多通路传输算法的后面各通路中，将其从合适的(预定的)信道中减去，去除该(已知的)标签信号对其他用户发射信号的任何干扰。该技术是可行的，可能是由于每个标签信道选择的确定性造成，其通常基于标签110上存储的数据。
这里，准静态信道的假设变得重要，因为通常假设测得的信道电平和可能的相位对随后的所有通路，或至少对当前的传输通路保持恒定。通常，可以对每一传输通路更新信号电平估计，以考虑缓慢变化的信道条件。注意，只需存储已知的标签信号信息(通常包含在数据结构或列表中)和来自当前传输通路(或突发)的复合接收信号，以执行本算法(而不是像下述算法那样将所有的接收突发存储在存储器中)。通常，该类型的前向冲突消除算法能够比不采用任何冲突消除的方法带来极大的(2—4倍)总读取时间改善。
另一种更高级的冲突消除形式包括将已知信号从多通路算法后面的和前面的通路中减去。这是可能的，因为一旦识别出来自标签110的数据，即可确定标签在前面通路上占用的信道，并使其对前面的任何冲突的影响无效。这种冲突消除算法通常称为双向冲突消除技术。双向冲突消除在计算上更为复杂(且需要更多的存储器来存储以前的通信通路)，但带来极大降低的总读取时间(大约比不采用任何冲突消除的方法降低了一个数量级)。
通常来说，该方法需要存储包含每个通信通路中的已知信道选择和估计信号电平的数据结构(如上例)以供识别标签。然而，由于从以前的传输通路中减去信号(除了前向冲突消除算法中的当前通路外)，可化解额外的冲突。例如，如果分解了来自多通路通信算法第三通路的数据(即成功接收)，可导致在算法前面的通路(例如，第二通路)中，来自另一用户的数据成为可分解的，接下来可释放另一用户，该用户以前在前面的(例如，第一通路)或后面的通路(例如，第三通路)中发生冲突。每次分解来自新用户的数据后，就从所有传输通路(达到并包含当前通路)中减去其重构信号，并再次估计被单独占用的和发生冲突的信道数(对于所有可能的通信信道与通路)。这样，读取器100可循环遍历所有可用传输通路(达到并包括当前通路)。然后，读取器100将进入下一功率电平并继续使用双向冲突消除算法。在后面的传输通路中，其作用非常强大，允许分解许多标签信号，远远超过可用通信信道数。
注意，由于扩频增益可根据用户指示动态改变(每通路)，因此在从复合接收信号中减去信号前，有必要针对特定扩频因子重新归一化信号。还要注意，可用任何(时间)顺序执行双向干扰抵消的递归通路。
一旦接收到标签的所有数据，读取器100可通过上述方法(例如，检错与纠错)检查数据的完整性。优选地，在任何信号抵消发生前进行。传统的数据解调技术根据在标签发射机中使用的调制方式进行。读取器100还可后处理数据，其通常包括诸如解扰，解密，分类，和冗余项去除的功能(它们可在比本发明优选实施例中一个启动范围更大的范围内启动。)。注意，这些功能中的一些或全部可在集中地点发生，从而为多个读取器或天线提供服务。
一旦完成一个使用冲突消除技术的完整读取循环(即识别出所有激活标签)，就知道系统中每个信号的干扰特性。具体地讲，知道(或估计出)多通路传输算法每一通路的信号幅度与相位，和知道系统中存在的激活标签的数据序列。实际上，知道了每个标签信号的全部信息。已知完整的读取循环要占用‘L’个传输通路，可将其与总处理(读取)时间关联起来，这取决于信号速率和数据负载大小，如上面方程所说明。
系统操作示例
也许通过示例可最好地表达这些算法的操作。这些示例将详述一个简化的、假设的标签系统，其在每个通路上随机选取信道。图21，23，24为系统的状态图，用于解释示例，显示每个标签在传输算法的每一通路中，选择在哪个信道上通信。该示例中的状态为实际实验的固定输出，该实验使用随机数发生器来选择信道。物理信道(例如，码字相位等)的类型此时不相关。由于如上面第一部分所述的本发明的数据加扰部分，这可提供准确的整体系统模型。
在图21，23，24中详述的示例假设标签数量为8，且还假设每通路的信道数固定为8，标签从中选取信道以进行通信。从而，在优选实施例中，每一标签3比特的ID信息用于从8个信道中选择一个，每一传输通路中，每个标签110将用其发送信息。下面为了方便，用八进制数字随机生成并重复标签ID的头30个比特。
标签1：0033 0436 07...
标签2：1106 2551 65...
标签3：4767 4416 41...
标签4：2044 6111 36...
标签5：6072 3355 74...
标签6：1476 5432 40...
标签7：5443 3675 34...
标签8：2135 5115 64...
标签1将在通路#1期间选择信道0，在通路#2期间选择信道0，在通路#3期间为信道3，等等。标签2将在通路#1期间选择信道1，在通路#2期间选择信道1，在通路#3期间为信道0，等等。从该列表可看出，对于通路#1，其从第一个八进制位选择信道，标签1为信道0的唯一占用者，标签3为信道4的唯一占用者，标签5为信道6的唯一占用者，标签7为信道5的唯一占用者。由于在这些信道上没有冲突，可成功识别完整的标签1，3，5，7；标签1，3，5，7在没有冲突的信道上发送它们的全部ID。然而，在通路#1上，标签2与6在信道1上冲突，标签4与8在信道2上冲突。这些标签不能被成功识别，并且需要分解后面的通路。观察到冲突存在的读取器100将功率保持在当前水平，并允许所有标签从对于通路#2的第二个八进制位选取它们的信道。应当注意，在传输过程的任何阶段，所有标签都不知道它们是否已经成功发送了它们的ID信息。只有读取器拥有该信息；在完成了全部读取过程时，它将通过消除传输条件(例如，降低功率)来通告标签。
在通路#2中，没有卷入冲突的唯一标签是标签3。由于已在通路#1中识别该标签，所以读取器100不会获取任何新信息。仍然不能识别在通路#1中发生冲突的标签。从统计上来讲，对于8个标签和8个信道，至少发生一次冲突的概率为1-8！/88＝99.76％。该结果来源于一种更为一般的情况，即上面给出的在N个信道上M个标签间不发生冲突的概率：
Pr { no collision } = N ! ( N - M ) ! &CenterDot; 1 N M
和P{冲突}＝1-P{无冲突}的事实。在算法中，每一路至少发生一次冲突的概率将相同。对于该标签与信道的组合，在100,000次实验上进行平均，每通路8个信道中有2.7498个未被占用，这些信道中的3.1386个包含单个标签，1.5737个信道包含2个标签，0.4482个信道包含3个标签，0.0796个信道包含4个标签，0.0093个信道包含5个标签，7.2 x 10-4个信道包含6个标签，4 x 10-5个信道包含7个标签，在一个信道上有8个标签的情况没有记录。
无冲突消除示例
若不采用冲突消除，标签必须将其自身全部显示于信道中，以便于被识别。如果允许实验进行足够次数，将发生这种情况。然而，如果仅使用标签ID 220的少量比特信息，在实验开始重复前只能运行少量次数。例如，如果标签ID为96比特长，每通路使用3比特选取信道(8中选1)，那么32次实验后，该过程将重复。由于每通路上至少发生一次碰撞的概率高(这种情形为99.76％)，所以在实验中，每个通路上标签ID可隐藏在冲突中的概率小而有限。这并不意味着标签的ID 220与别的标签的ID完全相同(唯一标签ID和对加扰标签ID的唯一与可逆映射的假设不允许这种情况)。它所能意味的是当在少量比特上考察时，标签的ID 220与至少一个其他标签的ID相同，这些比特用于定义该通路上的信道空间。这引出了库存或物品不确定性的概念，这里，仅以某种程度的置信水平知道标签的库存。
对于图21中的示例实验，每个标签需要8次实验，以出现在没有冲突的信道上。如同已经提及的，标签1，3，5，和7在通路#1上识别，标签2在通路#3上出现，标签4和8在通路#4上识别，且标签6直到通路#8才出现。标签6是一个唯一的标签如何隐藏在冲突中的很好示例，即使它具有唯一的ID。如果该实验仅进行到通路#7(即如果这些ID仅为21比特长)，将不能识别标签6。
在通路#1中，识别4个标签。还识别出两次冲突，表明至少有4个其他标签(因为至少需要两个标签产生一个冲突，至少需要4个标签产生两次冲突)。因此，在第一通路之后，读取器100可确定至少有4个已知标签和至少4个未知标签，或至少有总共8个标签。
在通路#2中，仅有一个以前已知的标签占用唯一的(未使用的)信道。由于读取器100知道标签1，3，5，和7的完整ID，所以它知道这些物品在下一个和后面所有通路中将占用什么信道。读取器100知道标签1和5将去往信道0，标签7将去往信道4。读取器100由此预计在信道0上会发生冲突，但是也存在未知标签占用信道0的可能性(在本例中，为标签4)。信道0表明有两个已知的标签和一个或多个潜在的未知标签。读取器100预计信道1上不会有冲突(由于预计没有已知标签将选择该信道)。这里的冲突表示至少有两个以上，或可能为更多的标签。信道4上的冲突，这里仅预计到标签7，表明还有至少一个其它未知标签。从而，通路#2产生了4个以前知道的标签，和至少3个(明确地)未知标签。这比第一通路定义的集合小，其具有4个已知标签和至少4个未知标签，因此，读取器100在第二通路中没有收集到新的信息。
在第三通路中，在信道0上识别标签2。标签1为预计去往信道3的唯一标签，因此其上的冲突表明至少有一个未知标签。标签7为预计去往信道4的唯一标签，因此其上的冲突表明至少有两个未知标签(信道3上的未知标签和信道4上的未知标签)。标签3再次由其本身识别。标签5为预计去往信道7的唯一标签。其上的冲突表明至少有三个未知标签(将信道3，4和7上的未知标签计算在内)。连同目前的五个未知标签一起，这些再次表明至少有8个标签。
通路#4识别新标签4和8。标签3，5和7出现在没有冲突的信道上。预记标签1和2在信道6上发生冲突，但也许有额外的标签。这产生了7个已知标签，和从前面的实验中，至少一个未知标签。
通路#5没有识别新的标签。没有预计到信道5上的冲突，再次表明有7个已知标签和至少一个未知标签。从通路#6和通路#7可得到类似的解释。
在通路#8中，识别出标签6。预计所有其他冲突。现有8个已识别的标签，这是从前面通路预计出的最少数量。然而，还可能有标签隐藏在冲突中。例如，可能有标签选择信道1，0，4，6，3，1，1，5，且该标签将被其它冲突隐藏。标签具有该特定ID的概率为1/88或6 x 10-8。
还可能有标签也以概率6 x 10-8选择例如2，4，4，6，5，4，5，6的信道。总之，通路#1有两次冲突，通路#2有三次冲突，通路#3有三次冲突，通路#4有一次冲突，通路#5有两次冲突，通路#6有两次冲突，通路#7有三次冲突，且通路#8有三次冲突，有2 x 3 x 3 x 1 x2 x 2 x 3 x 3＝648个可能的隐藏ID，每个的概率为6 x 10-8，有一个额外隐藏的标签的概率为648/88＝38.6 x 10-6(38.6ppm)。有两个额外隐藏的标签的概率甚至更小，为648·647/816＝1.5 x 10-9。通过解扰数据并且确定，例如，当其它所有物品为杂货物品时，隐藏标签与轮胎或其他未预计的物品相关联，可进一步提高库存置信水平。
可通过使实验在基于冲突信息，识别出最少的预计标签数(本例中为8)后继续进行来降低隐藏标签的概率。通过计算每通路的冲突数，和知道基于每通路信道数的隐藏标签的概率，读取器100可继续运行通路，直到它满足一定的置信水平或用尽唯一的信道模式(耗尽ID)。假设每通路有6481/8＝2.246次冲突，两个附加通路之后(总共10个通路)，一个隐藏标签的概率就降至3.04 x 10-6。再有两个附加通路之后(总共12个通路)，一个隐藏标签的概率就降至240 x 10-9。每个附加通路将单个隐藏标签的概率以几何级数降低6481/8/8＝.281倍。
显示包含于上述没有干扰去除方法中的步骤的流程图示于图22。在起始2210处，用零明确ID(positive ID)和零未知数(unknown)初始化系统，它们一起对应于总共零个物品。第一通路2220的分析2230之后，记录明确ID(例如，通路#1中的物品1，3，5，和7)，并将其加入2240明确ID列表。还记录通路中的冲突数2250(例如，通路#1中的两个冲突)。如果预计有冲突2260，那么在可显示以后通路中的可能未知数，但没有明确的未知数。如果预计没有冲突2270，那么向未知列表增加两个未知数。然后估计2280总物品数为确实识别的物品与导致冲突记录的未知数之和。假设明确ID不等于估计的总物品，那么将未知总数重置为零2295，且初始化另一通路2220。当明确ID数等于前面识别的ID的最大数与未知数之和，且满足预定置信水平2296时，最终退出该循环2290。
到目前为止，对信道与接收信号电平的时间变换没有做任何假设。不论信道为静态或动态的，都可应用“无冲突消除方法”。对于静态信道条件的情况，其中，返回信号具有一致的功率电平和相位，读取器100通过接收信号电平的形式可获得更多的信息。如果现在假设，除了知道已知的标签在以后的通路上将选择什么信道外，还知道其信号电平，那么可确定在预计的冲突中是否存在额外的隐藏标签。例如，通路#2期间，信道0上的冲突包含两个已知标签和一个未知标签。如果还知道已知标签的信号电平，那么可将冲突的信号总电平与单个信号电平进行比较，以确定在冲突中是否隐藏有额外的未知标签。这种假设条件允许读取器100在独立识别所有标签后(此例中为8个通路)终止其查询，同时确信没有隐藏的标签，因为考虑了所有冲突。
从而，在清点库存时，对于已识别的标签信号电平的了解可提供更高的置信水平。然而，信号电平信息对于获取时间的提高不仅是在分别出现所有已知标签后终止查询。在下一部分中讨论这一点。
前向冲突消除示例
当识别出单个标签时，读取器100就知道了其对于所有后面通路的信道选择。如果还知道该标签的信号电平和相位，那么可剔除该标签对冲突的影响。实际上可从后面的冲突中消除来自该标签的信号，从而有效地将其从群体中消除。考虑图23中示出的实验。在通路#1中明确识别出标签1，3，5，和7。假设也确定了它们的信号电平和相位。
在通路#2中，知道标签1和5在信道0上发送它们的数据。利用它们已知的信号电平，可将它们减去，仅留下现在可识别的标签4。类似地，预计标签7将在通路#2的信道4上发送其数据，通过抵消掉该标签，仅留下待识别的标签6。在信道1上仍有一个未解决的冲突，因此算法需要至少一个其他的通路。
在通路#3中，标签2显示其自身并被识别。预计标签1在信道3上发送其数据，因此将其减去，仅留下现在可识别的标签8。所有其他冲突只包含已知的标签，因此通过算法的三个通路，就以高度置信水平完成了标签的清点，而不是像图21中无冲突消除那样需要八个或更多的通路(根据所需的置信水平)。
对于相干的静态信道，能够以高精度知道已识别标签的信号强度。考虑加长PN信道的情况。对于该实验，标签将选择8码片长的加长PN序列的不同码字相位。对于标签的每一比特，该8码片长的PN序列将按照原样或取反发送，这取决于特定ID比特的检测。在读取器100，接收机中的相关器实际上在每比特8个码片上平均信号电平。这将在ID中的全部(即128)比特上进行，若在8 x 128＝1024个采样上进行平均，会有10log(1024)＝30dB的信噪比平均增益。对于更多的实际情况，其中，有更多的预计标签，和更多的可用信道(>32)，增益会增加。对于32个信道和128比特，产生36dB信噪比增益。
双向冲突消除示例
如果读取器100存储以前通路的波形采样，甚至能在清点时获得更大的性能提高。通过存储的波形，可再次访问以前的通路，并将其视为后面的通路，通过其可抵消以前的冲突。这是因为一旦识别出标签，就不仅知道所有后面的活动，也将知道所有以前的信道选择和信号电平。
考虑图24中的示例，在通路#1中，识别标签1，3，5和7的比特模式和信号电平与相位。和采用前向冲突消除一样，在通路#2中可识别标签4，因为可从信道0上的冲突中消除标签1和5的影响。类似地，从信道4上的冲突中消除标签7的影响使得识别标签6。在通路#2与应用前向冲突消除后，知道了标签1，3，4，5，6和7。
在应用前向冲突消除后，可重新访问通路#1的结果，而不是需要第三通路。通过在通路#2中识别的标签4，可将其从第一通路存储结果的信道2中消除，以提取标签8。通过在通路#2中识别的标签6，可将其从第一通路存储结果的信道1中消除，以提取标签2。在这种情况下，仅需要两个通路来成功识别全部八个标签。当涉及大量信道和标签时，前向与双向冲突消除的优势会变的极为明显。
由此，详细说明了使用多通路传输算法的单向通信系统(优选地使用扩频技术)，其中，多通路传输算法可提高很好的性能(例如，读取时间与容量)。冲突消除技术，动态信道方案，和启动范围的结合可进一步提高系统性能。所述通信系统具有许多应用，并不限于文中详述的优选实施例和实际示例。本发明还可应用于双向通信设备，主动启动用户设备，和网络设备，而不脱离其本质特性(如下面权利要求所述)。
本发明可能以其他特定形式实现而不脱离其精神或本质特性。应将对所述实施例所有方面的说明视为说明性的，而不是限定性的。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，而不是由前面的说明。在与权利要求等价的方法和范围内的所有改变都将包含在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种通信方法，包括以下步骤：
激活多个信号源；
向所述多个信号源发送同步事件，使所述多个信号源利用相同调制技术同时发送数据，以响应所述同步事件；以及
解调从所述多个信号源发送的数据。
2.如权利要求1的方法，其中，所述同步事件为预定持续时间的载波信号的传输消失和预定持续时间的载波信号的出现之一，其中，使用脉宽调制执行发送所述同步事件的步骤。
3.如权利要求2的方法，其中，所述同步事件开始与终止于载波信号的预定相位。
4.如权利要求1的方法，其中，所述多个信号源根据多通路传输算法发送数据，该算法至少有一个传输通路。
5.如权利要求2的方法，其中，所述脉宽调制向所述多个信号源传递除所述同步事件外的信息，且其中所述同步事件还引起所述多个信号源改变它们的启动范围。
6.如权利要求1的方法，其中，所述多个信号源使用至少一个本地产生的符号时钟同时发送，其中，所述本地产生的符号时钟基于所述同步事件和由载波导出的符号时钟，起始于一个预定相位。
7.一种通信系统，包括：
多个源设备，每个都适用于发送数据；以及
至少一个目标设备，适用于激活所述多个源设备，并向所述多个源设备发送同步事件，使所述多个源设备利用相同调制技术同时发送数据以响应所述同步事件，以及解调从所述多个源设备发送的数据。
8.如权利要求7的系统，其中，所述多个源设备还适用于根据多通路传输算法发送数据，该多通路传输算法具有至少一个传输通路。
9.如权利要求7的系统，其中，所述至少一个目标设备还适用于使用脉宽调制发送所述同步事件。
10.如权利要求7的系统，其中，所述多个源设备适用于使用至少一个本地产生的符号时钟同时发送数据，其中，所述本地产生的符号时钟基于所述同步事件和由载波导出的符号时钟，起始于一个预定相位。
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