CN1677973A - 在rfid和远程传感器系统中数据传输的方法 - Google Patents

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Abstract

用于在一个具有至少一个阅读装置及多个位于该阅读装置的电磁场中的应答器或远程传感器的RFID及远程传感器系统中传输数据的方法，在该方法中在有效数据的从一个应答器或传感器至该阅读装置的返回连接传输的开始，借助于子符号传输由多部分组成的、用于该返回连接的传输参数、例如被包含在返回连接首部数据中的调制参考值，并且这里这些子符号具有一个时间上的持续，其特征在于，各个子符号的所述的时间上的持续被改变，以从多个不同的数据传输模式中选择一个数据传输模式。通过使用根据本发明的方法，不同返回连接传输机制的结合成为可能，其中它们互相兼容，并且此外在电路和控制技术方面很容易被实现。

Description

在RFID和远程传感器系统中数据传输的方法
技术领域
本发明涉及用于在射频识别系统(RFID系统)和远程传感器系统中传输数据的方法，这些系统具有至少一个阅读装置及多个位于阅读装置的电磁场中的应答器或远程传感器，在该方法中，在有效数据的从应答器或传感器至阅读装置的返回连接传输的开始时，由多部分组成的、包含用于返回连接的传输参数、如调制参考值的返回连接首部数据(Rückverbindung-Kopfdaten)被传输。
背景技术
近年来，自动识别方法-也被称为Auto-ID-在许多业务领域中，在购置及配送供应中，在商业及生产与物流系统中得到了很大的传播。在此情况下Auto-ID的目标是广泛地提供关于个人、动物、物体及货物的信息。
作为这种Auto-ID系统的一个例子是现在广为传播的芯片卡，其中通过机械-电接触由一个阅读装置对硅存储芯片供给能量、读出数据及必要时亦重新编程。在此情况下检测装置通常被称为阅读装置，这与仅可以由它读出数据还是也新写入数据无关。
在RFID系统中数据载体-应答器-的能量供给不仅可通过电接触而且也可通过使用射频范围( radio  frequency：RF)中的电磁场无接触地来实现。
RFID系统由两个基本部分组成的，即：应答器或在远程传感器系统情况下的传感器，就是具有耦合元件、如作为发送及接收装置的偶极天线的一个专用的集成电路(IC)；及阅读装置(也可是：基站)，它典型地具有一个高频模块(发送器-接收器)并也具有一个耦合元件。阅读装置对通常不具有自己的电源的应答器或传感器供给能量及时钟脉冲。数据既可从阅读装置向应答器传送(前向连接，forward link)也可在相反的方向上(返回连接，return link)传输。
这种借助UHF及微波范围中的电磁波工作的RFID系统，其作用距离明显超过1米。在此情况下主要地采用一种根据其物理工作方式被称为反向散射原理的反射方法，在其过程中由阅读装置到达应答器的能量的一部分被反射(rückgestrahlt；即所谓的Backscattering)及由此在必要时被调制，以用于数据传输：IC通过耦合元件接收到一个高频载波，该载波被IC通过合适的调制及反向散射装置部分地向阅读装置反向传输。
在前述的、基于反向散射的RFID和远程传感器系统中，通常将返回连接在功率平衡方面非常薄弱视为不利，这首先是由于不但在前向连接而且在返回连接中的自由空间衰减。因此特别在规划这种系统时要注意能达到高信噪比( signal-to- noiseratio：SNR)并由此可达到小的误码率。
一个可能的附加方案是使用所谓的“同步返回连接”，其中阅读装置在确定的时间间隔中发送同步标记(凹口标记信号)，这些同步标记确定了在返回连接中的位长。其中通常要求电路技术的更多花费，例如使用专用的处理器、如数字信号处理器(DSP)，这些花费对这些系统的价格产生不利影响。一系列已知的系统，例如在Palomar工程范围中开发的系统(Friedrich，U.，Annala，A.：Palomar-a European answer for passive UHFRFID-applications.RFID Innovations 2001会议，伦敦)，基于同步返回连接。
此外，在同步返回连接的应用中，由于不利的能量平衡而对在邻近的其它阅读装置的干扰影响被认为是不利的。其中，在发射机和接收机之间的差别可以很容易地达到100dB，即在接收机处只到达大约-70dBm的水平。若附加地在附近有其它的发射或调制的阅读装置(产生凹口标记信号)，这种环境特别会产生干扰。
由ISO标准18000-6 FDIS还公知了带有异步返回连接的系统，在这些系统中，应答器或传感器传输一个“自由的”数据流，而不受由阅读装置发射的同步标记的影响。在UHF RFID系统中，这种异步连接机制可以比所提及的同步连接机制更价廉地实现，因为例如可以替代DSP而使用普通的处理器。然而，与同步解决方案相比，其中的SNR值较差，不过当反射的影响—主要是在近区中，所谓的多径传播效应—小的时侯，这可以接受。
异步方法在包括多个在一个共同的作用范围内的阅读装置的RFID或远程传感器系统中的应用中具有一些优点，因为噪声大小可以通过异步操作被抑制。然而在只有少量阅读装置或由于其它原因只有不显著的干扰的情况下，优选同步返回连接。
异步连接的另外一个固有的缺点是，在应答器芯片上的相应的时基(Zeitbasen)必须非常精确，或者需要相应的长的同步字符行(Synchronisations-Zeichenketten)。
在已知的方法中，特别不利的是，这些方法分别规定一个唯一的连接机制(参见ISO 18000-6；Palomar)。一种可能的补救方法是，可以在已知的解决方案的指令系统的相应的扩展中设计起决定作用的指令以及参数组。然而，在这些方案中，会导致显著提高的解码开销，这将对系统的工作效率产生负面影响。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种避免前述的缺点的、如开始提及的类型的方法，使得不同的连接机制的结合成为可能，其中这些机制应该互相兼容，并且此外在电路技术和控制技术上应该容易实现，这特别在应答器或传感器方面具有意义，以便相应降低在芯片生产和芯片装置中的成本。
本发明任务在开始提及类型的方法中这样来解决，即返回连接首部数据的单个的子符号的、相对的时间上的持续为了由多种不同的数据传输模式中选择一种数据传输模式而被改变。
以这种方法，在一个根据标准现有的数据结构中，一个时间信息的简单传输使得待使用的传输模式的(预)选择成为可能，其中所述的时间信息不是通过载波提供的，而是通过载波的调制给出，该调制引起一个凹口标记信号。这个信号又可以简单地被检测到。在阅读装置(基站)方面，为此只需发射一个窄带的载波，这又使在近场的反射/多径传播效应受到限制(与在异步传输中的对SNR值的正面影响相联系；见上文)并且允许对应答器接收到的信号的简单求值。最后的特点是使得所要使用的阅读装置在技术实现上成本低。
在根据本发明的一个专门的、特别优选的构型的范围中考虑：或者一个同步的或者一个异步的数据传输模式被选择。在此优选的是，将返回连接首部数据的两个彼此相继的子符号的时间上的持续进行比较，以选择数据传输模式。
在2002年2月1日的ISO建议(ISO-Submission)ISO 18000-6M3中定义了，在由阅读装置向应答器或传感器的数据传输中，在前向连接的最后的EOT符号( end- of- transmission)之后跟着由多部分组成的返回连接首部数据，即所谓的return link header，这些数据特别由四个子符号构成，并且对于返回连接用于调制参考值的传输。这些单个的子符号通过凹口标记信号(场隙、调制下降(Modulationsdips))来确定。应答器或传感器的真正的有效数据紧接在第四个子符号后。
下表给出了根据ISO 18000-6在返回连接首部数据中强制的和可选的特性和规定的概要：
在子符号中的功能 注释
1.子符号，NRZ调制“1” 可由阅读装置使用，用于匹配返回连接的波特率
2.子符号，控制单元(定时参考值) 3phaseX控制FM0控制防碰撞控制符号
3.子符号，控制单元 定义是否应答器UID的CRC值是返回连接的部分
在第三子符号中的调制“1” 调制方式取决于所允许的这些M.类型。若仅支持NRZI，则M.为“1”，否则M.通过第二子符号控制
4.在(同步)返回连接中用于EOT检测的代表时间参考值的子符号 调制如“0”
表：(根据ISO 18000-6)返回连接首部数据的强制的和可选的特性和规定。
上述的CRC数据的位置和长度通常取决于在前向连接和返回连接中实际上的UID机制( unique  identification)。因为该机制面向应用地变化很大，所以根据ISO 18000-6，在表中所包含的第三子字符的功能未被规定，根据本发明它可以用于根据待使用的返回连接的类型作出选择：根据本发明的方法的一种特别优选的构型因而这样设置，即专门为了选择一个异步的数据传输模式，时间上较迟的子符号-此处为返回连接首部数据的、功能“自由”的第三子符号-相对于标准长度这样地改变，例如被缩短，使得其时间上的持续与在时间上较早的第二子符号的时间上的持续不同。
有利的是，在被改变的、较迟的子符号的接收时，附加地改变应答器或传感器的一个存储器元件的状态，使得被改变的符号(在它的特性中作为控制信号)的接收和异步数据传输模式的使能(Freigabe)持续地被指明。
根据本发明的方法附加地还提供了用于纠错的可能性：第四子符号在同步情况下表示EOT信号的最小长度。这样例如通过确定最小(时间的)EOT阈值就可以根据本发明地确定，在第二(有用数据)位到达前在异步数据流中不允许出现凹口标记信号。可是如果第三子符号被应答器或传感器错误地接收或被阅读装置错误地传输，或者说：应答器或传感器认为自己处于异步模式中，而阅读装置从同步返回连接出发，这样在相应于最小EOT阈值的时间逝去之前，在根据本发明的范围内的应答器或传感器接收到阅读装置的一个同步信号(凹口标记信号)，即应答器或传感器在其有效数据传输的一个符号当中接收到一个凹口标记信号。对于这种情况，即在其中阅读装置在时间间隔中发送凹口标记信号，用于通过应答器或传感器的数据传输的同步，根据本发明的方法的一种进一步构型中考虑，应答器或传感器在其向阅读装置传输有用信号期间接收到一个凹口标记信号时，返回到同步模式。这样以前在其状态中被改变的、例如被置位的存储单元以有利的方式附加地又被复位。
附图说明
本发明的另外的特点和优点在以下借助附图的实施例的描述中说明。图中示出：
图1  在一个概要示图中示出了一个RFID-/传感器系统，其中可应用根据本发明的方法；
图2  概要示出了根据ISO 18000-6的返回连接首部数据的定义；
图3a  概要示出了在使用根据本发明的方法时在同步返回连接中的返回连接首部数据及后继的有效数据；
图3b  概要示出了在异步返回连接中的返回连接首部数据及后继的有用数据；
图4  示出了考虑到根据图3a、b的变换的反向首部数据的流程图。
具体实施方式
图1示出了一个RFID系统1，它带有与一个合适的发送及接收装置2’、例如一个偶极天线相连的阅读装置2，以及多个应答器3.1-3.4，它们共同位于阅读装置2的一个响应范围A内。虽然在下面的描述中通常只提及应答器，根据本发明的方法同样可以在远程传感器系统或在混合的传感器—应答器系统中使用。
在此情况下，由阅读装置2或发送装置2发送的数据流D被所有的应答器3.1-3.4同时地接收。由阅读装置2向应答器3.1-3.4的数据传输在下面被称为前向连接(forward link)。应答器3.1-3.4通过返回连接(return link)R至少对来自阅读装置2的一个封闭的数据传输作出应答，其中来自阅读装置2与数据D一起到达应答器3.1-3.4的能量的一部分被反射(rückgestrahlt；即所谓的Backscattering)及在此情况下为了从应答器3.1-3.4向阅读装置2的数据传输该能量部分必要时被调制。在使用有全双工功能的系统1的情况下，已在前向连接期间也可进行向阅读装置2的数据传输。
返回连接首部数据在返回连接的真正的有效数据之前，这些首部数据确定了返回连接R的传输参数。图2在上半部分首先概要示出了根据ISO 18000-6 M3，第50页的返回连接首部数据(return link header：RLH)的基本结构；下半部分示出了一个待传输的逻辑信号“level2send”。
RLH具有四个子符号TS1-TS4，它们通过凹口标记信号Ni，i＝1，...，5的时间序列来确定。在图2中的箭头t示出凹口标记信号序列的时序。在此可以看出在图2的左边范围有前向连接的一个最后的EOT符号(end-of-transmission)，并且在右边部分同样有返回连接R的一个第一有效数据区ND。
第一子符号TS1的时间上的持续T1用于基本的时间匹配(主计时调整)，它由于大的被覆盖的在1kbit/s至80kbit/s之间的波特率范围因而是必须的，以便一方面在慢的协议中将活动性向下设置(省电)，并且另一方面控制调制切换的准确性；第二子符号TS2的时间上的持续T2是对向阅读装置2(图1)的返回连接数据传输的调制的计时参考值(Zeitgebungs-Referenz)。根据ISO 18000-6自由的第三子符号TS3根据本发明用作“开关”，用于在返回连接R中在同步或异步数据传输之间切换，如下面将进一步详细描述的一样。子符号TS4是对于在返回连接中的EOF检测( end- of- frame)的参考时间，例如用于为同步连接指明一个数据块的末端。
图3a、b分别示出了从应答器至阅读装置的返回连接R的起始的片断。可以看出的是，分别具有其时间上的持续T1-T4的各个首部数据RLH的子符号TS1-TS4以及在首部数据RLH后继的有效数据ND、ND’。在一个同步的、被凹口标记信号触发的返回连接R(图3a)和一个异步的、自由的(free running)返回连接R(图3b)之间的切换通过在首部数据RLH的第二子符号TS2和第三子符号TS3之间的时间关系实现，其中根据本发明，返回连接首部数据的单个子符号的相对时间上的持续被改变，用于从多个不同的数据传输模式中选择一个数据传输模式：当第二子符号TS2的持续T2比第三子符号TS3的持续T3短时，选择同步传输模式(图3a)；在相反情况下(图3b)则异步传输模式被选择。根据本发明方法，返回连接首部数据的两个彼此相继的子符号的时间的持续也相应地被比较。如上所述，因为第二子符号TS2包含关于在返回连接R中的信号调制的重要的计时信息，所以在任何情况下该子符号都不改变，并且为了异步数据传输模式的选择，仅仅是时间上较迟的第三子符号TS3相对于在图3a中所示的标准长度这样被缩短，使得其时间上的持续T3比时间上较早的第二子符号TS2的时间上的持续T2更短，即T2＞T3。
由于第三子符号TS3的标准长度T3＞T2(见图3a)，根据本发明按照标准，预设置了一个同步返回连接R。但若应答器接收到一个T3＜T2的第三子符号TS3，则应答器的一个未被示出的存储单元被置位用于将异步传输模式“使能”，即该存储单元经历一个状态改变。
在异步返回连接模式中，应答器一次将其数据传输给阅读装置(存储地址的所谓自动递减，或者减至存储器末端或者减至一个块边界(32bit)或页边界(128bit))，然后保持静默，等待一个新的凹口标记信号，该信号被解释为一个新的前向连接的开始，并且同时引起上述的存储单元的复位，这样根据标准的同步模式又被预先选择。一个通常存在的超时控制电路在异步模式中被转换至不工作状态。
图4示出了返回连接首部数据RLH的一个流程图(图4的上半部分至虚线)。在步骤1中在首部数据RLH的开始之后(凹口标记信号N1、N2；第一子符号TS1的接收；参见图2、3a、3b)，首先在步骤S2中应答器的一个内部时钟(clock)被切换至工作方式“慢”。时钟或时钟系统被以第一子符号TS1来设置，其方式是在UHF应用中应答器的通常存在的振荡器的频率或者被进一步分频或进行振荡器频率的倍频。这根据第一时间测定(T1)来进行。接着应答器在步骤(环)S3中在时间T2期间等待下一个凹口标记信号N3(图2)。时间T2被确定并且在下一个步骤S4中被存储；同时内部时钟被设置(如上所述)。之后应答器在步骤5中在时间T3期间等待下一个凹口标记信号N4(图2)。
两个时间T2、T3在接下来的步骤S6中被比较：进行如下的询问S6，是否T3＞T2，如根据标准假定的那样(图3a)，即是否通过同步返回连接被发送。若询问S6的回答为真(j)，则调制参考时间被设置(步骤S7)，接着在时间T4期间等待首部数据RLH的最后的凹口标记信号N5(步骤S8)以及在步骤S9中设置EOT时间并开始进行数据调制。在虚线下的步骤S10象征性地表示了同步返回连接R直到接收一个EOT符号。
若在步骤S6中的询问的回答是否定的(n)，则应答器等待随后的凹口标记信号N5(步骤S8’)并且在步骤S9’中开始一个异步数据调制。在虚线下的步骤S10’象征性地表示了异步返回连接R直到接收一个确定的结束条件。
根据本发明给出了模式选择的反向兼容性。这在图4中通过在异步返回连接S10’与在同步返回连接S10之间的箭头表示。若第三子符号TS3错误地被应答器接收或错误地被阅读装置传输，则根据前述，在一个最小的EOT时间阈值到达之前，相关的应答器从阅读装置接收到一个同步信号(凹口标记标记)。这样上述的表明一个活动的异步传输模式的存储单元可以被复位，而这不会影响到在首部数据RLH的传输之后的第一有效数据位ND(参见图3a、b)的传输。若特别是由于第三子符号TS3的错误地缩短，在事实上的同步返回连接数据传输中在时间间隔内，阅读装置发送凹口标记信号Ni，用于通过应答器的数据传输的同步，并且应答器在其向阅读装置传输有效数据期间接收到一个这种凹口标记信号Ni，则根据本发明，应答器返回至同步模式。
上述的被详细的描述的、根据本发明的方法在RFID或远程传感器系统中的应用中具有重要的优点，这些系统包括在一个共同作用范围内的多个阅读装置：在这样的系统中，噪声大小通过切换至异步工作方式而被抑制，由此使得返回连接的质量得到改善。在只有少量阅读装置或由于其它原因只有不显著的干扰的情况下，优选同步返回连接。由于根据本发明的、在两种连接机制之间的可切换性，这成为可能。
根据本发明的方法的另一个优点表现在当多个应答器或传感器在场内时，与(待被调用的)防碰撞程序的连接中：为了将应答器从待机状态或关机状态切换至活动状态，通常执行所谓的“唤醒命令”，对于该命令应答器必须在一个确定的时间窗内作出响应。在所谓的时间窗内出现一个EOF符号时，在此自动开始防碰撞程序。在根据本发明所涉及的同步/异步裁决之后，用于防碰撞的指令序列现在这样被加快，即每次在被选择的同步或异步返回连接之后使用一个相应的、预先确定的防碰撞程序，例如在异步传输情况下使用Aloha(一种应答器控制的、随机的TDMA方法； time  domain  multiple  access-时分复用；s.Finkenzeller所著的RFID-Handbuch，第三版，210页ff.)。
               参考标号表
1                    RFID系统
2                    阅读装置
2’                                       发送及接收装置
3.1-3.4              应答器
A                    作用范围，场
D                    数据流
EOT                  结束符号
j                    肯定回答的询问
n                    否定回答的询问
Ni                   凹口标记信号
ND，ND’                            有用信号(位)
R                    返回连接
RLH                  返回连接首部数据
S1-S10               方法步骤
t                    时间
T1-T4                持续
TS1-TS4              子符号

Claims (7)

1.用于在一个具有至少一个阅读装置及多个位于该阅读装置的电磁场中的应答器或远程传感器的RFID及远程传感器系统中传输数据的方法，在该方法中在有效数据的从一个应答器或传感器至该阅读装置的返回连接传输的开始，借助于子符号传输由多部分组成的、用于该返回连接的传输参数、例如被包含在返回连接首部数据中的调制参考值，并且这里这些子符号具有一个时间上的持续，
其特征在于，各个子符号的所述的时间上的持续被改变，以从多个不同的数据传输模式中选择一个数据传输模式。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：或者一个同步的或者一个异步的数据传输模式被选择。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：为了所述数据传输模式的选择，对这些返回连接首部数据的两个彼此相继的子符号的时间上的持续进行比较。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于：为了选择一个异步数据传输模式，在时间上较迟的子符号相对于一个标准长度这样被改变，即其时间上的持续与在时间上较早的子符号的时间上的持续不同。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于：在接收到一个被改变的、较迟的子符号时，该应答器或传感器的一个存储单元的状态被改变，以将该异步数据传输模式使能。
6.根据权利要求4或5的方法，其特征在于：在同步返回连接数据传输中，该阅读装置在时间间隔内发送凹口标记信号，用于通过该应答器或传感器的数据传输的同步，并且该应答器或传感器在其向该阅读装置传输有效数据期间在接收到一个凹口标记信号时、特别是在该较迟的子符号错误地改变的情况下，返回到该同步模式。
7.根据权利要求5和6的方法，其特征在于：在向该阅读装置传输有效数据期间在接收到一个凹口标记信号时，该存储单元被复位。
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