CN102016634A - 用于在超宽带射频标识系统内的通信的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于在超宽带RFID系统内的通信的方法包括：通过收发设备产生包括至少一个由等时间间隔的脉冲组成的具有周期(Ts)的序列的询问信号、将所述询问信号发送到至少一个RFID标识设备、由所述RFID标识设备产生响应信号并将它发回到所述收发设备，所述方法还包括：按照数字编码序列对所述询问信号进行编码、通过用所述数字编码序列在询问信号的所述脉冲序列的每个周期(Ts)内改变脉冲的极性来产生所述响应信号。一种用于在超宽带RFID系统内的通信的设备包括适合相互通信的收发设备(1，101)和RFID标识设备(11)，所述RFID标识设备(11)包括适合对该RFID标识设备的天线(18)所反射的信号进行调制的反向散射调制器(12)。

Description

用于在超宽带射频标识系统内的通信的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于在超宽带射频标识(RFID)系统内特别是在采用无源或半无源RFID标识设备的那些系统内的通信的方法和装置。
按照本发明的方法和装置可用于采用具有电磁耦合的无源或半无源RFID设备的RFID系统。
背景技术
RFID系统包括一个称为阅读机的收发设备和一个或多个称为标签的各与需标识或定位的物体关联的标识设备。阅读机产生询问信号，由标签接收。响应所接收的询问信号，标签向阅读机发送含有诸如标签所关联的物体的标识符之类的特定信息的响应信号。
可以根据标签所配备的电源类型将标签分成以下三种类型：
有源标签：含有它们自己的电源，为包括成套射频收发器的整个设备供电；
无源标签：没有它们自己的电源，它们从阅读机所发送的信号或者一般说来从周围环境获取能量；以及
半无源标签：含有它们自己的电源，但只为信息处理电路提供能量，而不能为收发器的射频器件供电。
无源和半无源标签不配备收发器，而标签-阅读机的信息传输通常是基于控制天线的负载阻抗的天线调制器。这样，无源和半无源标签为了发送它们的信息是利用对来自阅读机的信号(通常是正弦音，因此为窄带信号)的吸收或反射。具体地说，电磁波入射到标签的天线上，将它的一部分能量给天线的负载，而剩下的能量作为反向散射被反射回来。为了传送标签自己的存储器内含有的信息，标签通过控制天线的阻抗调制(反向散射调制)所反射的功率(反向散射)。
在射频标识系统内通常优选的是无源标签，因为它们可较好地适应所需要的应用、成本低、寿命长、尺寸小。这些商品化了的设备大部分是基于磁耦合(13MHz频带)。近来，已经引进了基于工作在865MHz和2.4GHz频带的窄带电磁耦合的无源设备，作用距离为3-4米左右。
然而，当前的RFID系统具有一些缺点。首先，当前的基于窄带反向散射调制的RFID标签在读/写作用距离上受到很大限制，一般小于3-4m。为了获得这样的作用距离，要求发射功率电平约为2-4W，这就使它们不能用于一些诸如医学应用之类的特殊环境。阅读机可同时访问的标签的最多个数受到低的传输数据率和处在同一区域内的标签之间高的干扰概率的严重限制。一个严重的问题是由于在周围环境内信号的反射造成接收到所发送的信号的几个回波(多径)。如果各个信号回波以破坏性方式相加，就会在覆盖区内形成一些盲区，从而使系统不大可靠。考虑到信号是窄带的，时间分辨率从而空间分辨率就不足以实现以厘米级精度对标签的精确定位。这使RFID标签不能用于定位能力是基本要求的许多应用(例如，物体跟踪)。
此外，还存在一些信息传输安全问题。实际上，考虑到这些设备是无源的，它们不能托管会需要较大有效能量的加密器件，因此数据是可很容易检测的。最后，没有保护当前的系统以抗所存在的干扰(例如，由在同一区域内工作的其他RFID系统或由故意干扰者引起的)。
近来，业已提出采用以非常低的工作循环传输(即，使用持续时间小于1纳秒的脉冲)为特征的脉冲无线电超宽带(UWB)技术的RFID系统。
UWB信号具有大于20％的相对带宽或大于500MHz的绝对带宽，这为通信和定位应用提供了一些优点。超宽带改善了可靠性。实际上，由于信号含有大量的频谱分量，因此这些频谱分量中至少有些可以通过障碍的概率增大。UWB信号特别耐其他系统产生的干扰，而且在基于接收信号到达时间测量的距离估计中提供特别高的精度。分辨周围环境反射的各个信号分量的可能性，不仅可以减小覆盖区域内的盲区，而且可以通过用Rake接收机收集来自不同分量的能量有益地利用这个可能性，从而增大覆盖区域。
总而言之，由于发射功率电平低(＜1mW，而现行的RFID系统要求2-4W)、定位极精确(在厘米级)甚至在室内环境内也是这样、耐干扰和多径传播(区域覆盖和可靠性较好)、在同一区域内可以同时存在大量设备(多路访问)，因此UWB技术是克服现行窄带RFID技术的缺点的良好候选技术。
近来提出用UWB来实现射频标签(UWB-RFID)，这是低成本和低能耗的设备。迄今为止，所提出的标签都是有源的，包括由电池供电的成套UWB收发器。
US 7,154,396揭示了一种基于反向散射调制的无源或半无源UWB-RFID系统，其中阅读机发送一系列相等的非常短的脉冲，标签通过按照需发送的信息比特改变天线负载状况(匹配负载或开路)反射或不反射这些脉冲。然而，在信号调制和解调过程上并没有提供足够详细的情况。
最近对天线反向散射特性的测量业已表明，标签所反射的信号包括取决于天线物理结构的反向散射分量(称为结构模式)，这个分量的强度不取决于天线负载从而也就不取决于标签的信息数据，导致相对于取决于天线负载的反向散射分量(称为天线模式)完全重叠而且占优势。这个现象使得在US 7,154,396中所提出的解决方案不可用，因为天线对于每个负载状态都反射，因此使得要识别作为标签所发送的信号的代码的反射脉冲极为困难，甚至不可能。如果除了标签天线所反射的信号之外还存在由周围环境或其他标签反射的其他信号分量(杂波)，这种情况就更加糟糕。此外，考虑到国际频谱管理约束条件不允许发射发送功率电平大于-2dBm的UWB信号，如在US7,154,396中所提出的为每个反射脉冲关联一个比特不能保证阅读机接收到足以在有效的作用距离处可靠地检测到信息的能量。
发明内容
本发明的一个方面旨在提供一种能克服上述缺点的用于在超宽带RFID设备内的通信的方法。本发明的另一方面旨在提供一种能实现这样的方法的装置。
按照本发明，所提供的用于在超宽带RFID系统内的通信的方法包括：通过收发设备产生包括至少一个由等时间间隔的脉冲组成的具有周期(Ts)的序列的询问超宽带信号、将所述信号发送到至少一个RFID标识设备、按照存储在所述RFID设备内的信息处理所述询问信号并将它作为响应信号发回到收发设备、通过所述收发设备接收所述响应信号并进一步处理所述响应信号以检测包含在所述响应信号内的所述信息，其特征在于所述方法还包括：
按照确定所述脉冲序列的每个脉冲的极性的数字编码序列对所述询问信号进行编码；
在所述RFID设备内，通过用所述数字编码序列，在询问信号的所述脉冲序列的每个周期(Ts)内通过改变天线负载(反向散射调制)而改变脉冲的极性，产生所述响应信号，使得在同一周期(Ts)内标签所反射的所有脉冲都具有相同的极性。
采用本发明可以使标签与阅读机之间的通信耐在周围环境内的信号反射，并且可以消除响应信号内取决于标签的天线结构的分量的影响。
本发明的另一方面旨在提供一种用于在超宽带RFID设备内的通信的装置，所述装置包括被配置成相互通信的收发设备和RFID标识设备，其特征在于：所述RFID设备包括被配置成对RFID标识设备的天线所反射的信号进行调制的反向散射调制器，所述反向散射调制器包括被设置成与天线并联的第一开关S1、以及与天线并联且与负载阻抗串联的第二开关。
附图说明
下面将纯粹通过非限制性实例参照附图对本发明进行说明，在这些附图中：
图1示出了本发明的收发设备的框图；
图2示出了本发明的RFID设备的框图；
图3示出了图2的RFID设备的电原理图；
图4示出了图1的收发设备的一种变型的框图；
图5示出了例示RFID设备的工作模式的表；
图6和7例示了图1的收发设备所发送和接收的信号的一个例子；以及
图8和9例示了图4的收发设备所发送和接收的信号的一个例子。
具体实施方式
在图1中示出了本发明的称为阅读机的收发设备1的结构。收发设备1包括发送部分2和接收部分3，通过开关5被交替地接到为超宽带天线的第一UWB天线4上。发送部分2包括第一数字序列或代码发生器6，第一数字序列可以是二元的cn∈{-1，1}，也可以是三元的cn∈{-1，0，1}。
第一数字序列发生器6驱动脉冲发生器7，脉冲发生器7产生由一系列的脉冲序列组成的具有周期Ts的信号，每个信号由时间间隔为Tf的Ns个等间隔的脉冲组成，因此Ts＝Tf＊Ns。组成脉冲序列的每个脉冲通常具有小于1纳秒的持续时间，而脉冲极性取决于第一数字序列发生器6所产生的数字序列的相应数字。
为了使在阅读机1与所关联的一些称为标签的标识RFID设备之间的通信“耐”在周围环境中的信号反射(即几乎不受这样的反射影响)，有益的是第一序列发生器6所产生的数字序列具有零均值或准零均值，即数字序列由同样个数的正单元“+1”和负单元“-1”组成，或者由个数稍微不同的正单元“+1”和负单元“-1”组成。例如，将序列中正单元的个数表示为N+而将负单元的个数表示为N-，适合在标签与阅读机之间进行“耐扰”通信的数字序列例如可以是其中N+＝N-的序列，或者其中N+＝N-±1的序列。
在图6中，示出了阅读机1所发送的信号的结构的一个实例，其中，在每个周期Ts的脉冲序列内，正极性的脉冲比负极性的脉冲多一个单元，即N+＝N-+1。
在整个标签-阅读机通信期间这个代码序列不断重复。为了避免由于多径而引起的码元间干扰，在室内环境中，通常应该将两个相继的脉冲之间的时间间隔Tf选择为50-100ns量级。
阅读机1所产生的信号被结构如图2的框图所示的标签11接收。标签11包括反向散射调制器12(即，标签11所反射的信号的调制器)、第二数字序列或代码发生器13(类似于阅读机1的第一代码发生器6)、控制单元14、同步单元15，还包括电源单元16、存储单元17和第二超宽带天线18。电源单元16只是在半无源标签内才有，用来为标签11的数字部分供电，而在无源标签内没有电源单元16，使标签11工作所需的能量直接从所接收的信号的电磁场获取或者利用其他能源(太阳源、热源、振动源等)得到。
在图3中示出了反向散射调制器12的电原理图，反向散射调制器12包括与天线18并联的第一开关S1、与天线18并联且与与天线阻抗匹配的负载阻抗Z串联的第二开关S4、与天线18串联的包括第三开关S2和第四开关S3的延迟线19。延迟线19的长度确定了反射标签11所接收的信号的延迟时间τ。为了避免延迟线尺寸过大，适当的是将延迟时间选择成不大于几个纳秒。
标签11对接收到的由阅读机发送的信号的响应取决于反向散射调制器12的开关S1-S4的配置。在开关S1、S2和S4打开的情况下，无论开关S3处在什么位置，标签11所接收的每个脉冲都被反射回阅读机1，没有极性改变和延迟。在开关S1闭合而开关S4打开时，无论开关S2和S3的状态如何，标签11所接收的每个脉冲都被反射回阅读机1，极性反向而没有延迟。
在开关S2闭合而其他开关打开的情况下，标签11所接收的每个脉冲被反射回阅读机1，没有极性反向但延迟了2τ。
在开关S1和S4打开而开关S2和S3闭合时，标签11所接收的每个脉冲被反射回阅读机1，极性反向并且延迟了2τ。
最后，在开关S4闭合而开关S1和S2打开的情况下，无论开关S3处于什么位置，标签都不反射所接收的信号。
在图5中示出了总结上面所说明的标签11的不同信号反射配置的表。第一列列出了标签11的标为0至4的状态X，中间这列列出了开关S1至S4的配置，其中符号0表示开关打开，符号1表示开关闭合，而符号x表示开关位置无关紧要，打开或闭合都可以。在第三列中示出了由标签11反射回的信号，其中只示出了受标签调制的天线模式分量，而天线结构模式分量不受标签影响。
标签11的状态X每隔时间间隔Tf按照第二数字序列发生器13所产生的数字序列改变，这个数字序列与阅读机1的第一数字序列发生器6所产生的数字序列相同。此外，标签11的状态每隔信号的周期Ts按照标签要发送到阅读机的信息比特改变，也就是说，每个周期Ts所关联的是一个与一个正单元或一个负单元相应的信息比特。需发送的信息比特序列被存储在标签11的存储单元17内。控制单元14从存储单元17内检索出这个信息比特序列后将它与第二序列发生器13所产生的数字序列组合，以确定标签11在每个时间间隔Tf和在每个周期Ts的状态。
使用如图3所例示的反向散射调制器，以下不同模式的对标签11所反射的信号的调制都是可行的：
所谓的2-PAM型调制(二元脉冲幅度调制)；
所谓的2-PPM型调制(二元脉冲位置调制)；
通-断型调制。
必须注意的是，2-PAM和通-断调制可以用没有延迟线19的反向散射调制器实现，这种反向散射调制器只有开关S1、S4和负载阻抗Z。
按照本发明，对标签11所反射的信号的调制通过在脉冲序列的每个周期Ts内按照阅读机的同样编码序列使脉冲极性反向实现，因此在同一周期Ts内的所有脉冲具有同样的极性。这种极性反向只影响反射信号的天线模式分量而不影响结构模式分量。
根据标签所采用的调制方案，在每个周期Ts内的脉冲的极性、位置或出现取决于需发送的信息比特。作为一个例子，在考虑2-PAM调制方案的特定情况下，信号调制包括：在需发送的信息比特是一个负单元时，使在每个周期Ts内的所有脉冲的极性都反向；而在需发送的信息比特与一个正单元相应时，使在每个周期Ts内的所有脉冲的极性都保持不变。
阅读机1的接收部分3接收到的信号除了已提到的标签11所反射的信号的天线模式和结构模式分量之外还有未受这样的极性反向影响的被周围环境反射的所有的分量(杂波)。
阅读机1的接收部分3包括与接收脉冲匹配的用来使信噪比最大的滤波器8、采样器9、累积单元10和门限检测器10a。累积单元10将在周期Ts内所有所接收的持续时间Tf的信号部分予以相加。由于标签11所导致的极性反向，组成反射信号的天线模式分量的那些脉冲被加在一起，得到强度为单个脉冲的天线模式分量的强度的Ns倍的信号，而结构模式和杂波分量即使在各单个脉冲内占优势，但由于所用的代码数字序列的零均值或准零均值特性，也被消除掉或大大减小。
这样，由于大大减小了接收信号内的结构模式和杂波分量的影响，检测器10a就能以低的误差概率很容易对标签11所反射的经编码的信号即信号的天线模式分量进行检测。
在图6和7中，分别示出了阅读机1所发射的信号和标签11所反射的在被阅读机1时的信号的结构的一个例子，其中，天线模式分量以实线示出，而结构模式和杂波分量以虚线示出。如可以注意到的那样，在阅读机1所接收的信号的每个在一个周期Ts内的脉冲序列内，所有的天线模式分量都具有相同的极性，而结构模式和杂波分量具有交替相反的极性，这样，这些天线模式分量由检测器10a相加，而那些结构模式和杂波分量给出为零或准零的和。
在图4中示出了另一个可选用的阅读机101的框图，阅读机101包括发送部分102和接收部分103。发送部分102仅包括脉冲发生器107，而接收部分103包括与所接收的脉冲匹配的用来使信噪比最大的滤波器108、采样器109、第一数字二元cn∈{-1，1}或三元cn∈{-1，0，1}序列发生器106、将阅读机所接收的信号与这样的数字序列相乘的乘法器112、累积单元110和门限检测器111。
此外，阅读机101还包括将发送部分102和接收部分103交替地连接到超宽带天线104上的开关105。阅读机101的功能与上面所说明的阅读机1的功能相当。第一代码序列发生器106被设置在接收部分103内而不是在发送部分内，而发送部分102的脉冲发生器107被配置成发送具有相同极性的脉冲序列。标签的功能保持不变。按照这个方案，接收到的信号的由结构模式和杂波引起的干扰分量没有极性反向，而信号的有用分量，即载有信息的天线模式分量，在标签11内受到极性按照代码序列cn反向的影响。标签11所反射的脉冲这样的极性反向在阅读机的接收部分内通过用乘法器112将所接收的信号样值乘以第一数字序列发生器106所产生的与标签11所用的相同的代码序列得到补偿。相乘后，所得到的结果与使用采用图1所例示的方案的阅读机1所得到的相同。
在图8和9中，分别示出了阅读机101所发射的信号和标签11所反射的在被阅读机101接收时的信号的结构的一个例子，其中，天线模式分量以实线示出，而结构模式和杂波分量以虚线示出。
如可以注意到的那样，在阅读机101所接收的信号的每个在一个周期Ts内的脉冲序列内，所有的天线模式分量都具有交替相反的极性，而结构模式和杂波分量具有相同的极性，这样，在通过乘法器112将所接收的信号样值乘以第一数字序列发生器106所产生的代码序列cn后，在每个周期Ts内的所有的天线模式分量都具有相同的极性，从而被检测器111相加在一起，而那些结构模式和杂波分量具有交替相反的极性，从而给出零或准零的和。
本发明在RFID系统内的标签-阅读机通信方面有若干优点，诸如信号穿过障碍的能力强、平均发送功率低、抗由于信号在周围环境内的反射和由于存在其他RFID系统的信号而引起的干扰的能力强；由于只有在知道在阅读机内和在标签内所用的确切数字序列时才能对信号解码，因此传输安全性高；空间和时间分辨率高，例如通过给不同的标签指配不同的数字序列，可以同时管理大量的标签；通过给不同的系统指配不同的数字序列，在同一区域内可以同时存在若干个RFID系统。

Claims (20)

1.一种用于在超宽带射频标识RFID系统内的通信的方法，所述方法包括：通过收发设备(1)产生包括至少一个由等时间间隔的脉冲组成的具有周期(Ts)的序列的询问超宽带信号、将所述信号发送到至少一个RFID标识设备(11)、按照存储在所述RFID设备(11)内的信息处理所述询问信号并将它作为响应信号发回到收发设备(1)、通过所述收发设备(1)接收所述响应信号并进一步处理所述响应信号以检测包含在所述响应信号内的所述信息，其特征在于所述方法还包括：
按照确定所述脉冲序列中每个脉冲的极性的数字编码序列对所述询问信号进行编码；
在所述RFID标识设备(11)内，通过用所述数字编码序列，在询问信号的所述脉冲序列的每个周期(Ts)内通过改变天线负载(反向散射调制)而改变脉冲的极性，产生所述响应信号，使得在同一周期(Ts)内的所有反射的脉冲都具有相同的极性。
2.一种用于在超宽带RFID系统内的通信的方法，所述方法包括：通过收发设备(101)产生包括至少一个由等时间间隔的脉冲组成的具有周期(Ts)的序列的询问超宽带信号、将所述信号发送到至少一个RFID标识设备(11)、按照存储在所述RFID设备(11)内的信息处理所述询问信号并将它作为响应信号发回到收发设备(101)、通过所述收发设备(101)接收所述响应信号并进一步处理所述响应信号以检测包含在所述响应信号内的所述信息，其特征在于所述方法还包括：
产生所述脉冲序列，使得该序列中所有脉冲都具有相同的极性；
在所述RFID标识设备(11)内，通过按照数字编码序列和按照存储在所述RFID设备内的确定所述脉冲序列中每个脉冲的极性的信息对所述询问信号进行编码，以改变天线负载状况的方式产生所述响应信号；
在所述收发设备(101)内，通过用所述数字编码序列在该响应信号的所述脉冲序列的每个周期(Ts)内修改脉冲的极性，对所述响应信号进行解码，使得在同一周期(Ts)内的所有脉冲都具有相同的极性。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述数字序列是二元cn∈{-1，1}或三元cn∈{-1，0，1}数字序列。
4.按照权利要求3所述的方法，其中，所述数字序列是和为零或准零的数字序列。
5.按照权利要求4所述的方法，其中，在所述数字序列的每个周期(Ts)内正单元的个数(N+)等于负单元的个数(N-)。
6.按照权利要求4所述的方法，其中，在所述数字序列的每个周期(Ts)内正单元的个数(N+)与负单元的个数(N-)相差一个单元。
7.按照权利要求1或当引用权利要求1时的权利要求3至6中任一项所述的方法，所述方法还包括将在响应信号的每个周期(Ts)内的脉冲加在一起。
8.按照权利要求2或当引用权利要求2时的权利要求3至6中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述解码后将在响应信号的每个周期(Ts)内的脉冲加在一起。
9.按照以上任一权利要求所述的方法，其中，在所述脉冲序列内的每个脉冲的持续时间小于1纳秒。
10.按照以上任一权利要求所述的方法，其中，所述脉冲序列中的两个相继脉冲之间的时间间隔(Tf)不小于50纳秒。
11.按照以上任一权利要求所述的方法，其中，所述脉冲序列中的两个相继脉冲之间的时间间隔(Tf)大于100纳秒。
12.一种用于在超宽带RFID系统内的通信的装置，所述装置包括适合相互通信的收发设备(1；101)和RFID标识设备(11)，其特征在于：所述RFID标识设备(11)包括适合对由所述收发设备(1；101)产生并由RFID标识设备(11)的天线(18)反射回的信号进行调制的反向散射调制器(12)，所述反向散射调制器(12)包括被设置成与天线(18)并联的第一开关(S1)、以及也与天线(18)并联且与负载阻抗(Z)串联的第二开关(S4)。
13.按照权利要求12所述的装置，其中，所述反向散射调制器(12)还包括被设置成与天线(18)串联的延迟线(19)，该延迟线(19)包括第三开关(S2)和第四开关(S3)。
14.按照权利要求12或13所述的装置，其中，所述收发设备(1)包括发送部分(2)和接收部分(3)，所述发送部分(2)包括与脉冲发生器(7)操作上关联的第一数字序列发生器(6)。
15.按照权利要求12或13所述的装置，其中，所述收发设备(101)包括发送部分(102)和接收部分(103)，所述发送部分(102)包括脉冲发生器(107)，而所述接收部分(103)包括与乘法器关联的第一数字序列发生器(106)，所述乘法器适合将所述接收部分(103)所接收的信号与所述数字序列相乘。
16.按照权利要求14或15所述的装置，其中，所述第一数字序列发生器(6；106)产生二元cn∈{-1，1}或三元cn∈{-1，0，1}数字序列。
17.按照权利要求14至16中任一项所述的装置，其中，所述接收部分(3；103)包括匹配滤波器(8；108)、采样器(9；109)、累积单元(10；110)、门限检测器(10a；111)、天线(4；104)和开关(5；105)，该开关(5；105)用来将所述天线(4；104)交替地连接到所述发送部分(2；102)和所述接收部分(3；103)。
18.按照权利要求12至17中任一项所述的装置，其中，所述RFID标识设备包括第二数字序列发生器(13)、控制单元(14)、同步单元(15)和存储单元(17)。
19.按照权利要求18所述的装置，其中，所述第二数字序列发生器(13)产生与所述第一数字序列发生器(6；106)所产生的数字序列相同的数字序列。
20.按照权利要求18或19所述的装置，其中，所述RFID标识设备还包括电源单元(16)。
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