CN100524335C

CN100524335C - 以循环移位方式实现的多址接入、防碰撞方法

Info

Publication number: CN100524335C
Application number: CNB200610096364XA
Authority: CN
Inventors: 王平; 胡爱群
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: CN1928884A

Abstract

以循环移位方式实现的多址接入、防碰撞方法是一种可以应用于射频识别的射频卡多址接入方案，其实现方法为：射频标签生成一定长度的歌德码(Gold)序列，这个码长是可以由阅读器(Interrogator)命令设置的，可以通过选择码长改变整个碰撞识别的耗时。在对于阅读设备的超高频信号进行二相键控或幅值键控等调制方式进行反射调制传递数据时，采用这个Gold序列信号对标识(Tag)需要发送的数据进行调制发送。接收端将信号解调之后，首先利用Gold序列优良的自相关性能进行相关运算，并根据计算结果进行判决是否存在某个Tag，即进行射频识别。

Description

以循环移位方式实现的多址接入、防碰撞方法

技术领域

本发明是一种可以应用于射频识别的射频卡多址接入方案，属于通讯技术与电子技术中的射频识别技术领域。

背景技术

在射频识别(RFID)技术的发展过程中，防碰撞技术是信号识别与处理的关键技术之一。当在读写器的天线区域中有多个射频卡到达时，它们几乎同时发送信号，产生信道争用，信号互相干扰，即发生了碰撞。这种情况在超市的售货系统中，多个带有标识的商品被同一个读取设备同时读取时很常见。防碰撞技术设计的优劣很大程度上决定了射频识别系统性能。

通常的防碰撞技术利用排队论及抗噪声技术解决碰撞问题，主要是通过规避和检索的算法来实现。采用这类方法虽然能够使得系统的设计简单、成本低且易于修改，但响应时间相对较长，在同时需要被读取的卡的数目比较大时读取过程的实时性难以保证。例如在远距离读取移动通过的集装箱内的所有带有RFID标识物品时，由于物品的数目可能很大，而读取的时间有限，要求必须在货车集装箱通过时间内完成所有物品的标识读取。在这样的情况下，传统的单纯的通过规避或者检索算法的RFID防碰撞方法就不满足要求。此外，也有的系统采用硬件实现采用时分多址接入(TDMA)、频分多址接入(FDMA)等多址识别技术，虽然可以有较小的时延，但是系统复杂性和成本有很大程度的增加。

另一方面，随着在RFID的应用中Tag(射频识别标签)所携带的信息越来越多，阅读器和Tag之间的数据交互量越来越大，RFID的系统使用环境也越来越复杂，RFID系统对无线通讯链路的抗干扰性能和保密性能要求也越来越高。因此，需要一种高效率并且具有良好抗干扰性能、保密性能的多址接入和防碰撞机制。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种以循环移位方式实现的多址接入、防碰撞方法，该方法的复杂度、成本开销保持在允许的范围内，防碰撞性能大大提高，同时，具有码分复用方式信噪比高，抗干扰性强，保密性好、抗多径干扰能力强的优势。

技术方案：本发明的基本思想是：射频标签生成一定长度的歌德码(Gold)序列，这个码长是可以由阅读器(Interrogator)命令设置的，可以通过选择码长改变整个碰撞识别的耗时。在对于阅读设备的超高频信号进行二相键控或幅值键控等调制方式进行反射调制传递数据时，采用这个Gold序列信号对射频识别标签(Tag)需要发送的数据进行调制发送。接收端将信号解调之后，首先利用Gold序列优良的自相关性能进行相关运算，并根据计算结果进行判决是否存在某个Tag，即进行射频识别。

在本文中所有名称的解释为：

Tag：射频识别标签

RFID：射频识别

M序列：一种特定的循环码生成序列，国际上专称“M序列”

Q：M序列生成器中初值的位数

Gold：一种特定的循环码生成序列，国际上专称“Gold码”和“Gold序列”

Interrogator：阅读器

Query：本专利定义的查询命令

QueryReq：本专利定义的重新查询命令

QueryAdjust：本专利定义的查询调整命令

ACK：本专利定义的回应命令

ID：识别号码

RN_Nm：标签端产生的随机整数偏移量

ID_Nm：标签在识别号码中按照从最高位或者最低位开始的选取方法，选取Q

个位，所产生的一个Q位的整数。

本发明的以循环移位方式实现的多址接入、防碰撞方法为：

1)标签上采用了Q位初值的2个2^Q-1位的M序列生成器相加的结构，最终产生2^Q-1位的Gold序列；Q的取值范围，包括4，6，8，10，12，这个Q值，通过阅读器用命令询问’Query’的参数进行选择；

2)标签在识别号码中按照从最高位或者最低位开始的选取方法，选取Q个位，产生一个Q位的整数，取名为ID_Nm；这个选取方法，可以被阅读器用命令Query修改；即从识别号码的最高位起，选取Q个高位，或者识别号码的最低位起，选取Q个低位，另外，使每个标签产生一个“0，2^Q-1”范围内的随机整数偏移量，取名为RN_Nm，这个随机数与ID_Nm进行模2^Q-1相加，产生的结果作为这个标签的Gold序列生成器中第一个M序列生成器的初值，最终产生与这个标签的Gold序列；标签使用这个Gold序列对自己待发送识别数据进行调制；这个数据内容包括：自己识别号码中除去前面已经取出的Q位的剩余部分，以及前面使用的随机整数偏移量RN_Nm；在扩频调制之前，首先还需要进行密勒调制，目的是使得数据成为利于碰撞的检测的双极性归零码，这个数据被调制并发送给阅读器，然后等待阅读器的回应命令，即ACK；

3)阅读器接受标签的发送的信号并进行相关解调，如果没有发生碰撞，即没有两个以上的标签产生了同样的Gold序列，或者虽然发生了碰撞，但是阅读器仍然分辨识别出了其中一个标签的数据，阅读器就从Gold序列和RN_Nm中，回复出Q位的ID_Nm，继而回复出整个识别号码；

4)在阅读器的工作机制中，阅读器对于所有已经识别的标签逐个发送ACK命令，命令中包含回应标签的识别号码；阅读器接收到与自己识别号码相符的ACK命令的标签就处于待读取状态；

5)阅读器发送Read命令，此时所有处于待读取状态的标签，都采用前面产生的Gold序列，对自己需要传送的所有数据进行调制并发送，发送完之后，这些标签就回到初始状态：

6)阅读器机制中，对于标签所发数据进行解调接收，根据已经识别的标签数目和上一次的接收结果对未识别Tag数目进行判别，对于仍然未识别的标签，阅读器发送“重新查询”即QueryReq，标签接收到QueryReq后，在标签工作机制中便重新产生一个RN_Nm，从而选择一个新的Gold序列；阅读器也可以在其机制中，通过“查询调整”即QueryAdjust命令，迫使所有标签利用所传递的Q参数重新选择新的位数Gold序列生成器；根据剩余的未识别标签数据的多少来调整，Gold码的长度，继而调整数据传递的码长而调整识别的总体时间，回到标签工作机制的初始状态；

7)由于未识别的标签使用新的Gold码对识别数据进行调制并发送，并等待阅读器的Ack命令，这样，直到阅读器收不到新的数据为止，识别过程结束，阅读器回到初始状态；

8)阅读器中，Gold码用一对优选的周期和速率均相同的M序列模二加后得到；采用每次将Gold码发生逻辑的其中一个M序列发生器初始值进行不同的设置来获得不同的Gold码；

9)阅读器将信号解调之后以2倍的Gold序列发送速率进行采样，假设采样分辨率为12位，并将采样值压入一个2×码长×12位的采样数据存储队列；同时，接收端有一个本地Gold序列发生器，产生符合码长的Gold序列；当采样数据存储队列每移入2个采样值，Gold序列发生器将依次生成2^Q-1个待分辨的Gold序列，并分别扩展为2倍码长，各自与采样数据存储队列一一对应的相乘并累加，完成了每个序列与信号相关运算的一个基本单元步骤；当采样信号移入二倍码长个值后，一共可以得到2^Q-1个长度为码长的相关运算结果，与2^Q-1个Gold序列相对应；据此，阅读器进行判决是否存在某个Gold序列所对应的标识端。

有益效果：

1、实现多个RFID射频识别标签(Tag)的同时读取，比传统的基于分时处理的防碰撞机制减少了读取时间，能够实现大量的RFID标识的快速读取。

2、具有码分复用方式信噪比高，抗干扰性强，保密性好、抗多径干扰能力强的优势。

3、可以根据Tag的数目大小调节调制码的长度最终调节识别时间，适合不同的应用场合。

4、由于本发明采用了循环移位的原理产生歌德码序列和进行相关计算，使得读取设备的资源消耗减少，降低了读取设备的成本。

5、采用国内外主流的芯片技术，制造复杂度降低。

附图说明

图1是Tag端工作机制运行状态流程示意图。

图2是阅读器端工作机制运行状态流程示意图。

图3是阅读器实现结构功能示意图。

具体实现方式

整个工作机制时序如图1所示。工作机理分为Tag和阅读器两部分。本发明在Tag上采用了Q位初值的2个2^Q-1位的埃母序列(M序列)生成器相加的结构，最终产生2^Q-1位的Gold序列。为了简化设计，本发明采用了可选的几个Q值包括：4，6，8，10，12。这个Q值，通过阅读器用命令询问(Query)的参数进行选择。为了简便起见，本发明对应一个具体的Q值，按照其中一个M序列生成器的初值将最终产生的2^Q-1个Gold序列排序编号。

1、Tag端工作状态机制

所有接收到Query的Tag，进行如下动作，如图2所示。

(1)由于在实际的应用中，在同一批应用的Tag的ID中，存在一些位的重复概率远远大于其余的位，本发明在ID中按照一定的选取方法，选取Q个bit，产生一个Q比特(bit)的整数，记为(ID_Nm)。为了达到灵活通用的目的，这个选取方法，可以被阅读器用命令Query修改。如：从识别号码(ID)的最高位(MSB)起，选取Q个高位bit，或者ID的最低位(LSB)起，选取Q个低位bit。

另外，本发明使每个Tag产生一个从0到2^Q-1(0，2^Q-1)范围内的随机整数偏移量，记为RN_Nm，这个随机数与ID_Nm进行模2^Q-1相加，产生的结果作为这个Tag的Gold序列生成器中第一个M序列生成器的初值，最终产生与这个Tag的Gold序列。

(2)Tag使用这个Gold序列对自己待发送识别数据进行调制。这个数据内容包括：自己ID中除去前面已经取出的Q位的剩余部分，以及前面使用的随机整数偏移量RN_Nm。当然，在扩频调制之前，首先还需要进行密勒调制(miller调制)，目的是使得数据成为双极性归零码，这利于碰撞的检测。这个数据被调制并发送给阅读器，然后等待阅读器的回应(ACK)命令。

(3)然后，Tag从初始状态转移到等待识别回应状态。

2、阅读器的工作状态机制

阅读器的工作状态机制也是循环的过程：

(1)阅读器接受Tag的发送的信号并进行相关解调，此时，如果没有发生碰撞，即没有两个以上的Tag产生了同样的Gold序列，或者虽然发生了碰撞，但是阅读器仍然分辨识别出了其中一个Tag的数据，阅读器就能够从Gold序列和RN_Nm中，回复出Q位的ID_Nm，继而回复出整个ID。

(2)阅读器对于所有已经识别的Tag逐个发送ACK命令，命令中包含回应Tag的ID。接收到与自己ID相符的ACK命令的Tag就处于待读取状态。

(3)Interrogator发送Read命令，此时所有处于待读取状态的Tag，都采用前面产生的Gold序列，对自己需要传送的所有数据进行调制并发送，发送完之后，这些Tag就回到初始状态。

(4)对于仍然未识别的Tag，Interrogator发送QueryReq或者QueryAdjust命令。Tag接收到QueryReq后，便重新产生一个RN_Nm，从而选择一个新的Gold序列。Interrogator也可以通过QueryAdjust命令，迫使所有Tag利用所传递的Q参数重新选择新的位数Gold序列生成器。本发明可以利用这个功能，根据剩余的未识别Tag数据的多少来调整，Gold码的长度，继而调整数据传递的码长而调整识别的总体时间。

由于未识别的Tag使用新的Gold码对识别数据进行调制并发送，并等待Interrogator的Ack命令。这样，又回到系统的第二步。直到Interrogator收不到新的数据为止，识别过程结束。

3、阅读器端接收机结构

读取设备Interrogator端包含发射天线与接收天线、放大、下变频解调、A/D采样、移位存储队列(长度由Gold序列码长决定)、Gold码发生逻辑和移位累加(相关运算)逻辑单元，如图2所示。

阅读器中，Gold码用一对优选的周期和速率均相同的M序列模二加后得到。M序列发生器的级数相同。如果两个M序列相对相移不同，所得到的是不同的Gold码序列。对n级M序列，共有(2^n-1)个不同相位，所以通过模二加后可得到个(2^n-1)Gold码序列，这些码序列的周期均为(2^n-1)。这里，采用每次将Gold码发生逻辑的其中一个M序列发生器初始值进行不同的设置来获得不同的Gold码。

阅读器将信号解调之后以2倍的Gold序列发送速率进行采样，采样分辨率为12bit，并将采样值压入一个2×码长×12bit的采样数据存储队列。同时，接收端有一个本地Gold序列发生器，产生符合码长的Gold序列。当采样数据存储队列每移入2个采样值，Gold序列发生器将依次生成N个(待分辨的)Gold序列，并分别扩展为2倍码长，各自与采样数据存储队列一一对应的相乘并累加，这就完成了每个序列与信号相关运算的一个基本单元步骤。当采样信号移入二倍码长个值后，一共可以得到N个长度为码长的相关运算结果，与N个Gold序列相对应。

据此，阅读器进行判决是否存在某个Gold序列所对应的标识端。

Claims

1.一种以循环移位方式实现的多址接入、防碰撞方法，其特征在于实现方法为：

1)标签上采用了Q位初值的2个2^Q-1位的M序列生成器相加的结构，最终产生2^Q-1位的歌德码序列；Q的取值范围包括“4，6，8，10，12”，这个Q值，通过阅读器用命令询问查询命令的参数进行选择；

2)标签在识别号码中按照从最高位或者最低位开始的选取方法，选取Q个位，产生一个Q位的整数；这个选取方法，可以被阅读器用查询命令修改；即从识别号码的最高位起，选取Q个高位，或者识别号码的最低位起，选取Q个低位，另外，使每个标签产生一个“0，2^Q-1”范围内的随机整数偏移量，，这个随机数与一个Q位的整数进行模2^Q-1相加，产生的结果作为这个标签的歌德码序列生成器中第一个M序列生成器的初值，最终产生与这个标签的歌德码序列；标签使用这个歌德码序列对自己待发送识别数据进行调制；这个数据内容包括：自己识别号码中除去前面已经取出的Q位的剩余部分，以及前面使用的随机整数偏移量；在扩频调制之前，首先还需要进行密勒调制，目的是使得数据成为利于碰撞的检测的双极性归零码，这个数据被调制并发送给阅读器，然后等待阅读器的回应命令，即回应命令；

3)阅读器接受标签的发送的信号并进行相关解调，如果没有发生碰撞，即没有两个以上的标签产生了同样的歌德码序列，或者虽然发生了碰撞，但是阅读器仍然分辨识别出了其中一个标签的数据，阅读器就从歌德码序列和随机整数偏移量中，回复出一个Q位的整数，继而回复出整个识别号码；

4)在阅读器的工作机制中，阅读器对于所有已经识别的标签逐个发送回应命令，命令中包含回应标签的识别号码；阅读器接收到与自己识别号码相符的回应命令的标签就处于待读取状态；

5)阅读器发送读命令，此时所有处于待读取状态的标签，都采用前面产生的歌德码序列，对自己需要传送的所有数据进行调制并发送，发送完之后，这些标签就回到初始状态；

6)阅读器机制中，对于标签所发数据进行解调接收，根据已经识别的标签数目和上一次的接收结果对未识别标识数目进行判别，对于仍然未识别的标签，阅读器发送“重新查询”即重新查询命令，标签接收到重新查询命令后，在标签工作机制中便重新产生一个随机整数偏移量，从而选择一个新的歌德码序列；阅读器也可以在其机制中，通过“查询调整”即查询调整命令，迫使所有标签利用所传递的Q参数重新选择新的位数歌德码序列生成器；根据剩余的未识别标签数据的多少来调整，歌德码的长度，继而调整数据传递的码长而调整识别的总体时间，回到标签工作机制的初始状态；

7)由于未识别的标签使用新的歌德码对识别数据进行调制并发送，并等待阅读器的回应命令，这样，直到阅读器收不到新的数据为止，识别过程结束，阅读器回到初始状态；

8)阅读器中，歌德码用一对优选的周期和速率均相同的M序列模二加后得到；采用每次将歌德码发生逻辑的其中一个M序列发生器初始值进行不同的设置来获得不同的歌德码；

9)阅读器将信号解调之后以2倍的歌德码序列发送速率进行采样，假设采样分辨率为12位，并将采样值压入一个2×码长×12位的采样数据存储队列；同时，接收端有一个本地歌德码序列发生器，产生符合码长的歌德码序列；当采样数据存储队列每移入2个采样值，歌德码序列发生器将依次生成2^Q-1个待分辨的歌德码序列，并分别扩展为2倍码长，各自与采样数据存储队列一一对应的相乘并累加，完成了每个序列与信号相关运算的一个基本单元步骤；当采样信号移入二倍码长个值后，一共可以得到2^Q-1个长度为码长的相关运算结果，与2^Q-1个歌德码序列相对应；据此，阅读器进行判决是否存在某个歌德码序列所对应的标识端。