CN102129580B - 基于米勒编码的标签到读写器的数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于米勒编码的标签到读写器的反向链路的数据通信方法，其包括：标签进入读写器的识别范围内被激活并等待读写器的命令，读写器向标签发送查询指令，该标签接收到该指令后产生随机数，判断该随机数是否为0，如果为0，标签向读写器发送帧同步序列和身份识别码；否则标签等待读写器发出的下一轮查询指令；读写器接收到标签发送的包含帧同步序列和身份识别码的数据信号并判断是否同步，如果是则向标签发送基带命令，否则发出下一轮查询指令。

Description

基于米勒编码的标签到读写器的数据通信方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，更具体的，涉及一种应用于射频识别系统的基于米勒编码的标签到读写器的反向链路的数据通信方法。 

背景技术

射频识别(RFID)技术是通过射频方式进行远距离通信以实现识别物品目的的自动识别技术。 

该射频识别技术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，其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品上，该标签通过电磁波发送关于该物品的身份信息给接收装置，按这种工作方式RFID系统可以用来追踪和管理几乎所有物理对象。RFID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。 

RFID系统主要由读写器和射频识别标签组成。在下文中，将射频识别标签简称为标签。读写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，标签接收到该射频信号，从中获得能量而被激活，标签将自身保存的信息发送给读写器，读写器对接收信号进行解调和解码后，将标签的数据信息通过接口与后台控制系统进行数据通信，同时可以执行该控制系统发来的命令，实现不同的功能。 

在RFID标签与读写器通信过程中，同步是一个非常重要的问题，读写器和标签需要步调一致地协调工作，就必须要以实现同步的方法来保证。为了识别一条命令或响应的开始，需要通过一个帧同步码来实现，该帧同步码本身不包含标签的数据信息，但只有通过该帧同步码在收发设备之间建立了同步后才能开始传送数据信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏将直接影响着通信的性能，如果出现同步误差或失去同步就会导致通信性能下降或通信中断。因此，要实现RFID通信系统稳定、快速地通信，需要保证接收和发送之间的同步性，发送帧同步序列是确保标签与读写器同步的关键。 

根据RFID反向链路通信特点，即无源标签主要是从读写器发射的射 频信号获取能量，同时向读写器发射数据信息，即利用反向散射技术来向读写器传送目标信息。在反向链路通信中，主要依据下面几点来确定帧同步序列：1、要求自相关性好，这主要是为了降低通信系统的假同步概率；2、要求直流平衡，这是为了保证接收的灵敏度，提高同步性能；3、要求连续高电平较少，这是因为标签不能长时间地反射射频信号，较少的高电平可以保证标签的工作时间等。 

在国际标准ISO/IEC18000-6C中，当反向链路采用米勒编码时，其建议的帧同步序列在长度为6(米勒编码后为12)的序列中，具有最优的自相关性能。但是该帧同步序列执行通信会造成较高的假同步，其原因是：1、该帧同步序列仅仅包含6位帧同步码，其抗干扰能力弱，由于无源标签反向散射信号的能量较弱，其易受干扰影响；2、该帧同步序列仅仅包含了符合编码规则的代码序列，而没有考虑违例的情况，如果数据信息中出现与同步序列相同的数据，即使不存在干扰也会出现假同步。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明针对米勒编码方案，提出一种新的基于米勒编码的标签到读写器的反向链路的数据通信方法。 

该方法包括如下步骤： 

(1)标签当进入到读写器的识别范围时接收到读写器发送的射频载波而被激活并等待读写器的命令； 

(2)读写器向标签发送查询指令以开始一轮识别，该查询指令包含反向链路的编码方式、数据率、防碰撞参数信息； 

(3)标签的计数器根据接收的查询指令中的防碰撞参数信息产生一个0-15位的二进制随机数，如果该随机数不为0，则等待读写器的下一个指令；如果该随机数为0，则标签将自己的身份识别码进行编码、组帧、调制并以反射散射的形式向读写器发射，其帧格式包括以下三部分： 

a)由多个周期性的方波组成的导频序列，该方波的个数由查询指令中的参数给出； 

b)由8个数据“0101VV11”组成的帧同步序列，其中数据0、1经米勒编码后产生，“V”代表违例数据，由码元“01”表示； 

c)对标签的身份识别码进行米勒编码产生的数据信息序列，数据0 由码元“11”或者“00”表示，数据1由码元“10”或者“01”表示，如果数据0前面的一个数据也是0，则两个数据之间要反相，除此之外，相邻的后一个数据的起始电平与前一个数据的结束电平相同； 

(4)读写器接收到标签的数据信号，对该数据信号进行解调后执行以下步骤： 

e)通过导频序列提取时钟同步信息，对内部的时钟频率进行自校准； 

f)利用预先保存的帧同步序列对接收到的所有序列作移位相关运算，其中该预先保存的帧同步序列也是由8个数据“0101VV11”组成，其中数据0、1经米勒编码后产生，“V”代表违例数据，由码元“01”表示，将运算得到的相关值与预设阈值比较，如果超过该阈值，则代表同步成功； 

g)对数据信息序列进行米勒解码，提取数据信息； 

(5)读写器对提取到的数据信息进行校验，如果校验结果无误，读写器根据后台计算机数据管理系统的指令，发送数据访问指令，标签接收该数据访问指令后将内部存储器中保存的数据信息发送给读写器；如果校验结果表明发生碰撞，则发送冲突分解指令，计数器为0的标签接收到该冲突分解指令后，将计数器设置为最大OxFFFF，等待下一轮的查询指令；计数器不为0的标签将计数器值减1，重复步骤(3)、(4)的过程，直到本轮结束； 

(6)读写器发送新的查询指令，开始新的一轮识别过程，直至成功识别所有标签。 

进一步，所述方波的个数为4或16。 

进一步，码元“1”为一个单位时间长度的高电平，和码元“0”为一个单位时间长度的低电平。 

进一步，所述阈值在最大相关值和次大相关值之间。 

进一步，所述阈值为13。 

使用本发明的实现标签到读写器的数据通信，其帧同步序列由二进制数据0、二进制数据1和二进制违例数据组成，该结构包含了违例的情况，自相关函数具有尖锐的单峰特性，可以达到7.27dB，有效地降低了同步通信时的假同步概率。 

附图说明

图1是使用本发明的通信方法的标签到读写器的通信系统示意图， 

图2是使用本发明的数据通信方法的读写器和标签的结构框图， 

图3a是示意性示出米勒编码原理的脉冲波形图， 

图3b是米勒编码的状态图， 

图4是示出本发明的帧同步序列的示意图， 

图5是示意性示出本发明的帧同步序列的自相关性能的曲线图， 

图6是示出使用本发明的数据通信方法的正确同步概率的曲线图， 

图7是示出使用本发明的数据通信方法的假同步概率的曲线图， 

图8是本发明的标签到读写器的通信流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。 

图1是使用本发明的通信方法的标签到读写器的通信系统示意图，读写器向外发射ACK调制信号，当一个或多个标签进入到读写器的工作范围内时可以接收到读写器发射的信号，根据接收的命令可以返回需要的数据信息；读写器接收到该数据信息后将其传输给计算机数据管理系统。 

图2是使用本发明的数据通信方法的读写器和标签的结构框图，如图所示，读写器包括具有接收和发射功能的射频前端，用于调制和解调的调制解调电路，用于编码和解码的编解码器，用于产生帧同步序列和进行同步检测的同步模块，以及用于对接收数据进行处理、产生基带命令和其它命令或指令的基带控制电路；同样，标签也具有执行相同功能的射频前端、调制解调器、编解码器、同步模块，另外该标签还包括用于将射频载波转化成标签工作所需要的电压的倍压整流电路，用于保存各种数据信息的存储器，和用于执行数据读写操作和产生各种响应命令的微处理器。 

下面结合硬件来详细说明本发明提供的标签到读写器的数据通信方法，该方法如下：(1)标签进入到读写器的识别范围时接收到读写器发送的高电平射频载波，其内部的倍压整流电路将该载波转化成标签工作所需要的电压，此时标签被激活并等待读写器的命令；(2)读写器向标 签发送一个查询指令，开始一轮识别，该指令由基带控制电路产生，其包含了反向链路的编码方式、数据率、防碰撞参数信息；(3)标签接收到该查询指令，根据查询指令的防碰撞参数信息，标签的微处理器利用其内部的一个计数器产生一个0-15位的二进制随机数，如果该随机数不为0，则等待读写器的下一个指令；如果该随机数为0，则标签读取保存在存储器中的身份识别码并对其进行编码、组帧、调制并以反射散射的形式向读写器发射，其帧格式包括以下三部分：由多个周期性的方波组成的导频序列，该方波的个数由查询指令中的参数给出，该方波个数可以为4或16个；b)由8个数据“0101VV11”组成的帧同步序列，其中数据0、1经米勒编码后产生，“V”代表违例数据，由码元“01”表示；c)对标签的身份识别码进行米勒编码产生的数据信息序列，数据0由码元“11”或者“00”表示，数据1由码元“10”或者“0 1”表示，如果数据0前面的一个数据也是0，则两个数据之间要反相，除此之外，相邻的后一个数据的起始电平与前一个数据的结束电平相同；(4)读写器接收到标签的数据信号，调制解调器对该数据信号进行解调，之后同步模块执行以下步骤：e)通过导频序列提取时钟同步信息，对内部的时钟频率进行自校准；f)利用在同步模块中预先保存的帧同步序列对接收到的所有序列作移位相关运算，其中该预先保存的帧同步序列也是由8个数据“0101VV11”组成，其中数据0、1经米勒编码后产生，“V”代表违例数据，由码元“01”表示，将运算得到的相关值与阈值比较，如果超过该阈值，则代表同步成功，否则等待下一轮的查询指令；在同步成功之后，编解码器对数据信息序列进行米勒解码，提取数据信息并传送给基带控制电路；(5)读写器的基带控制电路对接收到的数据信息进行校验，如果校验结果无误，读写器根据后台计算机数据管理系统的指令，发送数据访问指令，标签接收该数据访问指令后将内部存储器中保存的数据信息发送给读写器；如果校验结果表明发生碰撞，则发送冲突分解指令，计数器为0的标签接收到该冲突分解指令后，将计数器设置为最大OxFFFF，等待下一轮的查询指令；计数器不为0的标签收到该冲突分解指令后将计数器值减1，重复步骤(3)、(4)的过程，直到本轮结束；(6)读写器发送新的查询指令，开始新的一轮识别过程，直至成功识别所有标签。 

图3a是示意性示出米勒编码原理的脉冲波形图。如图所示，米勒编码原则为： 

(1)数据0用码元“11”或者“00”表示；数据1用码元“10”或者“01”表示，码元“1”为一个单位时间长度的高电平，码元“0”为一个单位时间长度的低电平，码元“10”即为一个单位时间长度的高电平接一个单位时间长度的低电平，码元“01”即为一个单位时间长度的低电平接一个单位时间长度的高电平，同理，码元“00”为两个连续的单位时间长度的低电平，码元“11”为两个连续的单位时间长度的高电平； 

(2)对于第一位被编码的数据无论为二进制数据1还是0，起始电平都为高电平； 

(3)如果数据0前面的一个数据也是0，则两个数据之间要反相，即前一个数据0如果用码元“11”表示，则后一个数据0用码元“00”表示，反之亦然；除此之外，相邻的后一个数据的起始电平与前一个数据的结束电平相同。 

图3b是米勒编码的状态图，结合图3a，s1表示码元“11”，s2表示码元“10”，s3表示码元“01”，s1表示码元“00”。如图所示，当数据0处在s1状态时，如果下一个数据还为0，则该数据转为s4状态，即由码元“00”表示；如果下一个数据为1，则该数据转为s2状态，即由码元“10”表示。同理，当数据1处在s2状态，如果下一个数据还为1，则该数据转为s3状态，即由码元“01”表示；如果下一个数据为0，则该数据转为s4状态，即由码元“00”表示。由此，从图中可以清楚地看出米勒编码的规则。 

图4是本发明的帧同步序列的示意图，本发明提供的帧同步序列由数据0、数据1和违例数据组成，其结构为“0101VV11”，共8位，其中数据0和数据1根据米勒编码规则产生，“V”表示违例数据，由码元“01”表示。根据米勒编码原理，无论基带命令中的数据0和1如何排列，编码后的序列中的高和低电平都将以连续两个到四个的单位时间长度的形式出现，而本发明的帧同步序列中包含了两个由码元“01”表示的违例数据，这就使得帧同步序列中存在了两组单个单位时间长度的高电平和 低电平，从而在通信时，发生基带命令与帧同步序列完全相同的概率大大降低，即假同步概率大大降低。 

图5是示意性示出本发明的帧同步序列的自相关性能的曲线图，本发明提供的帧同步序列由a_n(n＝1，2，…，N，N为编码后的帧同步序列长度，在本发明中为16)表示，图中的横轴为进行自相关时的偏移量i(负数表示向左移，正数表示向右移)，纵轴为相关值，可以通过下面的公式后的： 

$R\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=1}{\overset{N-i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{a}_{n+i}& i=\mathrm{0,1,2},\·\·\·,N-1\\ R(-i)& i=-N+1,-N+2,\·\·\·,-1\end{array}\right.$

其中，N为编码后的帧同步序列长度，在本发明中为16。自相关性能定义为最大相关值与次大相关值之比(用分贝表示)。本发明提供的帧同步序列的最大相关值为16，次大相关值为3，其自相关性能为7.27dB，明显优于ISO/IEC 18000-6C中的米勒同步码的4.77dB。本发明提供的帧同步序列具有尖锐的单峰特性，在利用移位相关运算进行同步检测过程中，只要帧同步序列的位置没有完全匹配，其相关值超过一个预先设定的阈值的概率就很小，从而进一步降低了系统的假同步概率。在理想状态下，该阈值等于最大相关值。但在实际应用中，考虑到干扰的影响，若将阈值设定为最大相关值，则会造成正确同步概率偏低，因此根据用户需求在通信系统的正确同步概率和假同步概率之间进行折衷选择，选择一个在次大相关值和最大相关值之间的数作为判决阈值，比如该阈值为13，由此实现通信性能的最优化。 

图6是示出使用本发明的数据通信方法的正确同步概率的曲线图，图7是示出使用本发明的数据通信方法的假同步概率的曲线图。这两个曲线图是在高斯白噪声信道模型条件下的仿真结果。在仿真过程中，每个数据帧由相应定义的帧同步序列和信息位组成，其中信息位由64位随机产生的0、1序列经相应编码后组成，重复分析1000000后取平均值。同步检测时，对帧同步序列作相关运算，大于预设阈值则为同步成功，否则发生漏同步。进一步，移动同步序列，对其它位置上的序列进行相关运算，如果大于预设阈值，则发生假同步。判决阈值与编码方式和帧同步序列长度相关。针对米勒编码，主要是仿真分析比较ISO/IEC 18000-6C和本发明提供的帧同步序列。从图6中可以看出，本发明提供的帧 同步序列具有与ISO/IEC 18000-6C几乎相同的正确同步概率。而从图7可以看出，使用本发明提供的帧同步序列的假同步概率要明显低于ISO/IEC 18000-6C采用的帧同步序列。 

图8是本发明的标签到读写器的通信流程图，如图所示：标签进入读写器的识别范围内被激活并等待读写器的命令，读写器向标签发送查询指令，该标签接收到该指令后产生随机数，判断该随机数是否为0，如果为0，标签向读写器发送帧同步序列和身份识别码(该帧同步序列的结构在上面已经详细说明了，这里不再赘述)；否则标签等待读写器发出的下一轮查询指令；读写器接收到标签发送的包含帧同步序列和身份识别码的数据信号并判断是否同步，如果是则向标签发送基带命令，否则发出下一轮查询指令。 

根据上述实验结果，本发明提供的数据通信方法，具有良好的自相关性能，大大降低了假同步概率，无直流失衡问题，可保证接收的灵敏度，连续高电平较少，保证标签的长工作时间等。 

Claims (5)

1.一种基于米勒编码的标签到读写器的反向链路的数据通信方法，其包括：

（1）标签当进入到读写器的识别范围时接收到读写器发送的射频载波而被激活并等待读写器的命令；

（2）读写器向标签发送查询指令以开始一轮识别，该查询指令包含反向链路的编码方式、数据率、防碰撞参数信息；

（3）标签的计数器根据接收的查询指令中的防碰撞参数信息产生一个0-15位的二进制随机数，如果该随机数不为0，则等待读写器的下一个指令；如果该随机数为0，则标签将自己的身份识别码进行编码、组帧、调制并以反射散射的形式向读写器发射，其帧格式包括以下三部分：

a）由多个周期性的方波组成的导频序列，该方波的个数由查询指令中的参数给出；

b）由8个数据“0101VV11”组成的帧同步序列，其中数据0、1经米勒编码后产生，“V”代表违例数据，由码元“01”表示；

c）对标签的身份识别码进行米勒编码产生的数据信息序列，数据0由码元“11”或者“00”表示，数据1由码元“10”或者“01”表示，如果数据0前面的一个数据也是0，则两个数据之间要反相，除此之外，相邻的后一个数据的起始电平与前一个数据的结束电平相同；

（4）读写器接收到标签的数据信号，对该数据信号进行解调后执行以下步骤：

e）通过导频序列提取时钟同步信息，对内部的时钟频率进行自校准；

f）利用预先保存的帧同步序列对接收到的所有序列作移位相关运算，其中该预先保存的帧同步序列也是由8个数据“0101VV11”组成，其中数据0、1经米勒编码后产生，“V”代表违例数据，由码元“01”表示，将运算得到的相关值与预设阈值比较，如果超过该阈值，则代表同步成功，

其中，通过以下公式执行该步骤f）：

$R\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=1}{\overset{N-i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{a}_{n+i}& i=\mathrm{0,1,2},...,N-1\\ R(-i)& i=-N+1,-N+2,...,-1\end{array}\right.$

；

其中，a_n是帧同步序列，n=1,2,...,N，N为编码后的帧同步序列长度，i为进行自相关时的偏移量，R(i)是运算得到的相关值；

g）对数据信息序列进行米勒解码，提取数据信息；

（5）读写器对提取到的数据信息进行校验，如果校验结果无误，读写器根据后台计算机数据管理系统的指令，发送数据访问指令，标签接收该数据访问指令后将内部存储器中保存的数据信息发送给读写器；如果校验结果表明发生碰撞，则发送冲突分解指令，计数器为0的标签接收到该冲突分解指令后，将计数器设置为最大0xFFFF,等待下一轮的查询指令；计数器不为0的标签将计数器值减1，重复步骤（3）、（4）的过程，直到本轮结束；

（6）读写器发送新的查询指令，开始新的一轮识别过程，直至成功识别所有标签。

2.根据权利要求1的方法，其中所述方波的个数为4或16。

3.根据权利要求1的方法，其中码元“1”为一个单位时间长度的高电平，和码元“0”为一个单位时间长度的低电平。

4.根据权利要求1的方法，其中所述阈值在最大相关值和次大相关值之间。

5.根据权利要求4的方法，其中所述阈值为13。

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