CN101021895A

CN101021895A - 一种提高射频识别系统通信可靠性的方法

Info

Publication number: CN101021895A
Application number: CN 200710064365
Authority: CN
Inventors: 李敏; 张春; 李永明; 王志华
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2007-08-22

Abstract

本发明涉及一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，它包括以下步骤：(1)在标签与读卡器通信的反向链路中，在所述标签中增设一直序扩频电路，在所述读卡器中增设一扩频码与所述直序扩频电路相同的解扩电路；(2)所述标签将要发送的基带数据通过预先设定的扩频码，经所述扩频电路进行直序扩频；(3)将扩频后的基带数据调制到载波上；(4)标签返回信号通过天线反射给所述读卡器；(5)所述读卡器对所述标签反射回的载波进行解调；(6)所述读卡器通过与所述标签一致的扩频码对所述基带信号进行解扩，得到所述标签发送的基带数据。本发明能够提高RFID系统中标签向读卡器反射信号的抗干扰、抗噪声、抗多径衰落和保密性能，可方便地植入到基于任何RFID通讯协议的RFID系统中。

Description

一种提高射频识别系统通信可靠性的方法

技术领域

本发明涉及一种通信领域的射频识别方法，特别是关于一种提高射频识别系统通信可靠性的方法。

背景技术

通信领域的RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术，是利用射频方式进行远距离的通信达到识别物品目的的一种自动化物品识别技术。该技术主要和当今数字化移动商务相适应，可以实现自动识别和远程实时监控及管理，是当代信息技术中的热门技术之一。将RFID标签安装在需要认证的物件上，标签通过电磁波发送关于该物件的身份信息给接收装置，按这种工作方式RFID系统可用来追踪和管理几乎所有物理对象。RFID技术在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪技术等众多领域具有广泛的应用前景。

如图1所示，RFID系统主要由读卡器和标签组成，读卡器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线的工作区域时，标签获得能量被激活，标签将自身携带的信息返回给读卡器，读卡器对接收信号进行解调和解码后，将标签的信息数据通过接口与后台控制计算机进行数据交换，同时可以执行应用系统软件发来的命令，实现不同的功能。

RFID系统按照标签上是否含有数据电源，可分为有源标签RFID系统和无源标签RFID系统两类。无源的射频标签自身没有电源，因此无源射频标签工作用的所有能量必须从读卡器发出的电磁场中取得。与此相反，有源的射频标签包含一个电池，为标签的工作提供全部或部分能量。

在RFID系统的应用中，标签从读卡器发射的电磁场中接收到的信号能量很低，并且随着距离的增大而衰减。从标签返回至读卡器的后向链路的信号能量更低，尤其对于无源标签来说，标签工作的所有能量来自于读卡器发射的电磁场。随着标签到读卡器距离的增大，标签接收到的功率会从几百uW减弱到几uW，反射回读卡器的能量比标签接收到的能量更低，往往不到1uW。因此在远距离的工作条件下，由于噪声、干扰、多径等影响，读卡器难以检测到标签的返回信号或难以解调出正确的数据信息。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，采用本发明方法可以使RFID系统在低信噪比的条件下获得较低的信息差错率，解决读卡器难以检测或难以正确解调标签返回数据的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：1、一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，它包括以下步骤：(1)在标签与读卡器通信的反向链路中，在所述标签中增设一直序扩频电路，在所述读卡器中增设一扩频码与所述直序扩频电路相同的解扩电路；(2)所述标签将要发送的基带数据通过预先设定的扩频码，经所述扩频电路进行直序扩频；(3)将扩频后的基带数据调制到载波上；(4)标签返回信号通过天线反射给所述读卡器；(5)所述读卡器对所述标签反射回的载波进行解调；(6)所述读卡器通过与所述标签一致的扩频码对所述基带信号进行解扩，得到所述标签发送的基带数据。

在所述步骤(2)之后，先对扩频后的所述基带数据进行副载波调制后，再进入步骤(3)；同时在步骤(5)之后，先通过副载波解调后，再进入步骤(6)。

所述扩频码是基于RFID系统使用的m序列。

所述标签与读卡器采用基于ASK的通信协议进行调制与解调。

所述标签与读卡器采用基于PSK的通信协议进行调制与解调。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于对从标签返回的数据加入了扩频处理，而信道中的噪声不带有扩频因子，读卡器接收的噪声信号在解扩时能量被扩散，在接收端就得到了信噪比的增益，因此使RFID系统抗噪声性能得到有效提高，可以在很小的信噪比情况下进行通信，甚至可在信号比噪声低得多的条件下实现可靠通信。2、本发明对射频识别信道的解扩过程是与多径传播信号的直接路径同步的，因此既使反射路径中包含有相同的扩频因子，也同样会被抑制掉，从而使本发明具有较高的抗多径衰落性能。3、普通未采用本发明的RFID系统不知道扩展基带信号的扩频码，因此他们无法解码出正确的标签数据；另外，标签扩频发送端对要传送的信息进行了频谱扩展，使信号功率密度降低，近似于噪声性能，从而使信号具有低幅度、隐蔽性好等优点，提高了通信保密性能。4、采用副载波调制方法的本发明系统可以进一步降低射频识别系统的通信误码率，适用于对通信可靠性要求更高的系统。本发明方法可方便地植入基于任何RFID通讯协议的RFID系统中。

附图说明

图1是普通RFID系统的通信框图

图2是本发明的提高通信可靠性的RFID系统的通信框图

图3是本发明的实施例一的RFID系统的通信框图

图4是本发明的实施例二的RFID系统的通信框图

图5是普通RFID系统与本发明方法的RFID系统的通信误码率比较

图6是采用不同阶数扩频码的RFID系统的通信误码率曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

首先介绍本发明的工作原理：

根据Shannon(香农)定理，对于连续信道，如果信道带宽为W且受到加性白噪声干扰(又称高斯信道)，则其信道容量C的理论公式为：C＝Wlog₂(1+S/N)。式中，C为信道容量(bit/s，即信道能达到的最大传输能力)，W为信道带宽，N为噪声功率，S为信号功率。

令C是希望具有的信道容量，即要求的信息，将其转换成以e为底的对数C/W＝1.44log_e(1+S/N)。对于干扰环境中的典型情况，S/N＜＜1，对上式用幂级数展开，略去高次项得：C/W＝1.44S/N。

在高斯信道中，如果要保持信道容量C不变，当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以增加系统传输带宽W，即带宽W和信噪比S/N是可以互换的。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要增加信号的带宽，仍然可以保证可靠的通信质量。同样，对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩展频谱技术正是利用这一原理，用高速率的扩频编码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。

科捷尔尼弗在其潜在抗干扰理论中得到如下关于信息与差错概率公式P_e≈f(E/N₀)。该式表明：差错概率P_e是信号能量与噪声功率谱密度N₀之比的函数。设信号频谱宽度为W，信息持续时间为T，信号功率为S＝E/T，噪声功率为N＝WN₀，信息带宽为ΔF＝1/T，则有P_e＝f(S·T·W/N)＝f((S/N)·(W/ΔF))。

由上式可知：差错概率P_e是信噪比S/N和信号带宽与信息带宽比W/ΔF二者乘积的函数。即对于传输具有一定的带宽ΔF和信噪比S/N的信息来说，增加带宽可以降低差错概率。

本发明提出的提高射频识别系统通信可靠性的方法，涉及射频识别系统从RFID标签(Tag)到读卡器(Reader)通信的反向链路，该方法包括以下步骤：

1、标签对要发送的基带数据通过预先设定的扩频码进行直序扩频；

2、将扩频后的基带数据调制到载波上；

3、标签返回信号通过天线反射给读卡器；

4、读卡器对标签反射回的载波进行解调；

5、读卡器通过与标签一致的扩频码对基带数据进行解扩。

通过以上对通信方法实现过程的描述可知，标签与读卡器之间的数据需要进行扩频和解扩，因此需要在RFID系统中增设以下硬件单元(如图2所示)：在标签中增设一直序扩频电路，以实现标签在对读卡器发送数据时实际发送的是经该电路直序扩频后的数据。同时在读卡器中增设一解扩电路，该解扩电路的扩频码与标签中的相同，以实现读卡器在接收标签发送的数据时，利用相同的扩频码对所接收的数据进行解扩。为配合扩频数据的通信，标签可以采用两种调制方法，读卡器采用相应的解调方法：第一种方法是对扩频后的基带信号直接进行数据调制；第二种方法是对扩频后的基带信号进行副载波调制后再进行数据调制，这样可以获得更高的通信可靠性。

现列举具体实施例详细说明本发明的步骤：

实施例一：

基于RFID系统使用m序列作为扩频码，根据不同的性能要求可选用不同位数的m序列，该序列及其初始状态在标签和读卡器中必须一致。例如选用6位的m序列时，扩频增益为127倍，即系统的输出信噪比和输入信噪比的比值为127倍。如图3所示，本实施例对扩频后的基带信号直接进行数据调制，具体包括以下步骤：

1)基带数字信号采用NRZ编码，将标签的数据信息送至扩频模块，通过6位的m序列进行直序扩频，扩频增益为127倍；

2)扩频后的基带信号送至反向调制模块，可根据通信协议进行ASK或PSK调制，将数字信号调制到载波上；

3)标签返回信号通过天线反射给读卡器，通过无线信道时叠加了噪声和干扰信号；

4)读卡器接收到标签返回的信号，对其进行ASK或PSK解调；

5)读卡器通过与标签一致的6位m序列对数据进行解扩，得到NRZ编码形式的信号，同时噪声和干扰信号在解扩时能量被扩散，系统的信噪比提高。

实施例二：

实施例二基于的RFID系统使用m序列作为扩频码，根据不同的性能要求可选用不同位数的m序列，该序列及其初始状态在标签和读卡器中必须一致。如选用6位的m序列时，扩频增益为127倍，即系统的输出信噪比和输入信噪比的比值为127倍。如图4所示，本实施例对扩频后的基带信号进行副载波调制后再进行数据调制，进一步提高RFID系统的通信可靠性，具体包括以下步骤：

1)基带数字信号采用NRZ编码将标签的数据信息送至扩频模块，通过6位的m序列进行直序扩频，扩频增益为127倍；

2)扩频后的基带信号经过频率为基带信号频率4倍的副载波信号调制，扩频增益提高至127×4倍；

3)副载波调制后的基带信号送至反向数据调制模块，根据通信协议进行ASK或PSK调制将数字信号调制到载波上；

4)标签返回信号通过天线反射给读卡器，通过无线信道时叠加了噪声和干扰信号；

5)读卡器接收到标签返回的信号，对其进行ASK或PSK解调；

6)解调后的基带数据通过副载波解调模块，得到m序列扩频后的信号，同时噪声和干扰信号被初步扩散；

7)读卡器通过与标签一致的6位m序列对数据进行解扩，得到NRZ编码形式的信号，同时噪声和干扰信号在解扩时能量进一步被扩散，系统的信噪比进一步提高。

如图5、图6所示，是以上实施例在MATLAB环境下得出的仿真结果。如图5所示，是以m序列的阶数N＝6为例，对本文提出的实施例与传统的RFID系统的误码率进行了比较。仿真条件为高斯白噪声信道，加入了相位噪声强度为-100dBc/Hz的相位噪声，多径效应因子(即发送端和接收端之间的视距传播路径的能量与发射路径的能量之比)为2的多径干扰。从仿真结果来看，在同样的信道和噪声干扰条件下，本发明实施例一、实施例二的误码率均远低于标准的RFID系统，并且采用副载波调制方法的扩频系统(实施例二)的误码率低于一般扩频系统(实施例一)的误码率。对于本发明提出的扩频系统实施例一，由图6的仿真结果可知，随着m序列阶数的增加，系统的误码率也随之降低。

Claims

1、一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，它包括以下步骤：

(1)在标签与读卡器通信的反向链路中，在所述标签中增设一直序扩频电路，在所述读卡器中增设一扩频码与所述直序扩频电路相同的解扩电路；

(2)所述标签将要发送的基带数据通过预先设定的扩频码，经所述扩频电路进行直序扩频；

(3)将扩频后的基带数据调制到载波上；

(4)标签返回信号通过天线反射给所述读卡器；

(5)所述读卡器对所述标签反射回的载波进行解调；

(6)所述读卡器通过与所述标签一致的扩频码对所述基带信号进行解扩，得到所述标签发送的基带数据。

2、如权利要求1所述的一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，其特征在于：在步骤(2)之后，先对扩频后的所述基带数据进行副载波调制后，再进入步骤(3)；同时在步骤(5)之后，先通过副载波解调后，再进入步骤(6)。

3、如权利要求1所述的一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，其特征在于：所述扩频码是基于RFID系统使用的m序列。

4、如权利要求2所述的一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，其特征在于：所述扩频码是基于RFID系统使用的m序列。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，其特征在于：所述标签与读卡器采用基于ASK的通信协议进行调制与解调。

6、如权利要求1或2或3或4所述的一种提高射频识别系统通信可靠性的方法，其特征在于：所述标签与读卡器采用基于PSK的通信协议进行调制与解调。