射頻識別系統(tǒng)中數(shù)字處理核心模塊的研究

0 引言

　　射頻識別(RFID,radio frequency identification)技術(shù)是一種自動識別技術(shù),從20世紀90年代開始逐步走向商業(yè)應(yīng)用.與其他傳統(tǒng)識別系統(tǒng)相比,射頻識別系統(tǒng)具有非接觸式識別的優(yōu)點,在完成識別工作時無須人工干預(yù),可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,操作快捷方便.射頻卡可以反復(fù)使用,且不易損壞,特別適用于各類管理系統(tǒng)的信息自動化采集。

　　射頻識別系統(tǒng)至少應(yīng)包括讀寫器和射頻卡(或稱電子標(biāo)簽)2部分.讀寫器和射頻卡之間通過無線收發(fā)模塊及天線(或感應(yīng)線圈)實現(xiàn)無線雙向通信，讀寫器通過天線以電磁場的形式向外發(fā)射能量,處于該電磁場中的(無源)射頻卡接收到電磁場能量后被激活并向讀寫器發(fā)送信息數(shù)據(jù),讀寫器對收到的數(shù)據(jù)進行校驗、解碼、編碼等一系列操作之后,通過接口模塊與計算機實現(xiàn)信息交互。

　　RFID技術(shù)在生產(chǎn)、零售、物流、交通等多領(lǐng)域潛在的巨大應(yīng)用前景,近幾年尤其是2003年以后引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注.很多知名公司如SAP、微軟、IBM等紛紛投入到RFID專用軟硬件的研發(fā)中,這使得RFID技術(shù)在國外進展迅速并開始走向商用.國內(nèi)在RFID技術(shù)研發(fā)上相對滯后很多且大都處于研發(fā)起步階段,倍受國外RFID技術(shù)專利和標(biāo)準(zhǔn)壁壘的限制,因此,盡早制定標(biāo)準(zhǔn)以及加大力度研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)與產(chǎn)品在目前顯得尤為重要。

　　目前,RFID技術(shù)研究的重點集中于頻率干擾、多卡識別干擾、信息數(shù)據(jù)安全、識別距離以及運動物體對識別的影響等問題上.數(shù)字處理核心模塊作為讀寫器的核心部分,與這些核心問題的解決息息相關(guān),也是決定技術(shù)成果的知識產(chǎn)權(quán)歸屬的重要因素。因此,獨立自主地研究和設(shè)計數(shù)字處理核心模塊,包括防碰撞算法和數(shù)據(jù)加密糾錯等關(guān)鍵技術(shù)的研究,具有很重要的現(xiàn)實意義。

　　1 隨機推遲防碰撞算法

　　針對RFID系統(tǒng)的多卡識別干擾,隨機推遲防碰撞(anti-collision)算法可以使讀寫器同時對處于天線識別區(qū)域內(nèi)的多個射頻卡進行多卡識別.該算法采用硬件方式或軟件方式,或者二者相結(jié)合的方式應(yīng)用于讀寫器的數(shù)字處理核心模塊中.采用軟件方式來實現(xiàn)防碰撞,使系統(tǒng)簡化且易于修改,但在以單片機為主體的數(shù)字處理模塊中,由于響應(yīng)時間相對較長而使應(yīng)用場合受限,而在以高速DSP為主體的字處理模塊中,這種受限度將會有所降低。

　　算法概述:RFID系統(tǒng)工作時,即使有多個射頻卡同時在識別區(qū)域內(nèi),在某一時間片內(nèi)也只能有1個射頻卡和讀寫器通信,若定義信道占用率R(T0)為T0時長內(nèi)平均占用信道的射頻卡數(shù)量,則(RT0)≤1(T0為不發(fā)生碰撞時完成1次通信的時長).當(dāng)碰撞發(fā)生時,對于n>1個同時申請信道的射頻卡,算法提供信道的分配規(guī)則,并使信道占用率滿足

620)this.style.width=620;" border="0" />

其中t0、t1是n個射頻卡完成通信的時間段.

　　該算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示.
620)this.style.width=620;" border="0" />

圖1防碰撞算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　狀態(tài)S1讀寫器查詢信道,確認是否有射頻卡進入,如果有則進入狀態(tài)S2。
　　狀態(tài)S2:如有n(n≥1)個射頻卡到達則分別申請占用信道。
　　狀態(tài)S3:讀寫器收到申請后判斷是否有碰撞發(fā)生。
　　狀態(tài)S4:n=1不發(fā)生碰撞,射頻卡占用信道至通信結(jié)束。
　　狀態(tài)S5:n>1發(fā)生碰撞,讀寫器發(fā)給射頻卡延時命令。
　　狀態(tài)S6:射頻卡按照算法延時等待后回到S2狀態(tài),重新申請信道。
　　狀態(tài)S7:當(dāng)射頻卡的輸入負載G大于某極限值時,碰撞次數(shù)急劇增加,系統(tǒng)吞吐量降低,進入不穩(wěn)定狀態(tài).系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)避免超載狀態(tài)S7。

　　計算機模擬實驗和實際應(yīng)用結(jié)果表明,該算法可以保證在發(fā)生碰撞時,系統(tǒng)迅速地將多個射頻卡識別出來,達到了實用化程度。下面對該算法的平均響應(yīng)時間和系統(tǒng)吞吐量進行數(shù)學(xué)分析。

　　很多情況下,電子標(biāo)簽任意2次到達的時間間隔Δt服從指數(shù)分布，其概率密度為

620)this.style.width=620;" border="0" />

其中λ為泊松過程的到達率.假設(shè)TA為防碰撞算法時長,TS為系統(tǒng)響應(yīng)選中的射頻卡時長,則T0=TA+TS.當(dāng)TA時長內(nèi)的某一時刻有n個標(biāo)簽同時申請占用信道,由泊松分布知其概率為

620)this.style.width=620;" border="0" />

n>1時發(fā)生碰撞,令發(fā)生碰撞后所有爭用信道的射頻卡自行產(chǎn)生推遲時長kTA,其中k為射頻卡時延隨機因子,它是[0,K]內(nèi)均勻分布的隨機數(shù),K為讀寫器設(shè)計給定的時限,k、K均為正整數(shù).產(chǎn)生k的概率為
620)this.style.width=620;" border="0" />

　射頻卡等待kTA時長后,再次申請占用信道.各個射頻卡產(chǎn)生的隨機數(shù)k不同,因此避開了碰撞.當(dāng)K很大時,且射頻卡的到達率不高的情況下,就可以近似滿足泊松到達的條件，假設(shè)輸入負載G為T0時長內(nèi)射頻卡的平均到達次數(shù);吞吐量S為T0時長內(nèi)射頻卡成功完成通信的平均次數(shù).在穩(wěn)定的狀態(tài)下,如果通信成功,吞吐量S與輸入負載G的關(guān)系滿足

620)this.style.width=620;" border="0" />

其中Pc表示到達的射頻卡中能夠成功完成通信的概率
620)this.style.width=620;" border="0" />

由式(1)、(5)和(6)可得

620)this.style.width=620;" border="0" />

當(dāng)G=(1+TA/T0)-1時,得到S的極大值

620)this.style.width=620;" border="0" />

　當(dāng)G≤(1+TA/T0)-1時,吞吐量隨G的增大而上升,系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),否則吞吐量隨G的增大而急劇下降，系統(tǒng)在碰撞后將要根據(jù)算法產(chǎn)生時延因子k,由于0≤k≤K,碰撞后可能產(chǎn)生的時延在0到KTA之間.假設(shè)每個射頻卡平均重發(fā)Nr次,則平均響應(yīng)時間為

620)this.style.width=620;" border="0" />

平均重發(fā)次數(shù)Nr與K有關(guān),但當(dāng)K很大時,Nr近似與K無關(guān),則

620)this.style.width=620;" border="0" />

由上述的關(guān)系式可以得到平均響應(yīng)時間τ和吞吐量S之間的關(guān)系曲線如圖2所示.由圖可見,S增大時,τ也增大。但當(dāng)S過大時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差.
　　圖2平均響應(yīng)時間和吞吐量的關(guān)系曲線

620)this.style.width=620;" border="0" />

2 數(shù)據(jù)加密糾錯技術(shù)

　　本文根據(jù)射頻識別通信系統(tǒng)AM調(diào)制抗噪聲性能不強、數(shù)據(jù)量小、信道特性速率要求不高且發(fā)射功率受限等信道特性,提出了一種高效、實用的集加密糾錯功能于一體的算法。

　　1)加密算法
　　設(shè)G是任意(n,k,2t+1)線形分組碼的k×n階生成矩陣,其中n為碼長;k為信息組(明文)長;2t+1為碼的最小距離.在GF(2)上找一個n×n階置換矩陣P,設(shè)M是長為K的二進制明文,則加密算法描述為
　　Ek(M)=(MG+Z)P=MGP+ZP=C
　　式中,“+”為模2加,Z為二進制偽隨機序列,G、P、Z由密鑰決定,它們都是加密的,只有收、發(fā)雙方已知.P為置換矩陣,因此也是一個滿秩矩陣,存在逆陣P-1.

　　2)解密算法
　　當(dāng)密文通過有擾信道傳輸?shù)竭_接收端后,由于信道干擾,密文C成為R=C+E,E是信道錯誤圖樣,接收端收到R后,其解密算法如下:
　　①右乘P-1并模2加Z序列D1(R)=RP-1+Z=CP-1+EP-1+Z=MG+EP-1
　?、谧g碼
　　D2(MG+EP-1)=M
　　3)算法說明
　　把信道錯誤圖樣A=(an-1an-2.a1a0)∈Vn(F2)中非零元素的個數(shù)稱為向量A的Hamming權(quán)重,記為

620)this.style.width=620;" border="0" />

由以上解密算法可知,如果信道所產(chǎn)生的錯誤圖樣E的權(quán)重W(E)≤t,則W(EP-1)≤t,此時譯碼器正確譯碼,接收端得到正確的發(fā)送明文M.若錯誤圖樣E的權(quán)量W(E)>t,則W(EP-1)>t,此時譯碼器不能正確譯碼.若W(E)≤d-1(d為碼的最小距離),則譯碼器能檢測到并報告錯誤信息,提示發(fā)送端重發(fā)。

　　由加密算法可以看出，該加密、糾錯技術(shù)既有序列密碼的偽隨機密鑰序列,又有不太大的分組加密算法，因此，它是將序列密碼體制與分組密碼體制相結(jié)合的密碼體制，并且系統(tǒng)本身還具有較強的糾、檢錯能力。數(shù)據(jù)在信道中傳輸時,由于干擾的存在,不可避免地會產(chǎn)生隨機錯誤和突發(fā)錯誤。作為差錯控制用的糾錯碼,若要求同時糾正這2種錯誤,效果一般不理想。為此，可將它與交錯碼結(jié)合起來,利用交錯碼把長的突發(fā)錯誤分散開，離散成隨機錯誤，最后按隨機錯誤用線形分組碼予以糾正，即按上述基本算法進行加密糾錯編碼后,再進行交錯編碼，這種算法可以適用于各種信道,既能糾隨機錯誤,又能糾突發(fā)錯誤。

　　根據(jù)以上的算法理念,設(shè)計了可傳輸?shù)募用芘c糾錯相結(jié)合的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示
620)this.style.width=620;" border="0" />

圖3加密與糾錯相結(jié)合的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3 讀寫器數(shù)字處理核心模塊的研究與設(shè)計

　　數(shù)字處理核心模塊主要負責(zé)完成基帶信號處理并與主機進行通信.它主要由數(shù)字信號處理模塊、編碼模塊、解碼模塊以及與主機通信的接口模塊4部分組成.數(shù)字信號處理模塊把從主機接收來的指令進行重新組合,裝配成編碼模塊能夠識別的指令,發(fā)送給編碼模塊;當(dāng)射頻卡響應(yīng)指令返回數(shù)據(jù)時,數(shù)字信號處理模塊把從解碼模塊接收到的數(shù)據(jù)進行組合,并進行CRC校驗.若檢驗結(jié)果錯誤,則把錯誤信息報告主機,并請求或等待重發(fā)指令;若校驗結(jié)果正確,則對數(shù)據(jù)進行一系列的處理操作,并與主機進行信息交互,報告相應(yīng)的正確信息或等待主機進行下一步的操作指令。

　　數(shù)字處理核心模塊對整個讀寫器系統(tǒng)是最為重要的一環(huán),它在很大程度上決定著整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣,鑒于這個原因以及需求復(fù)雜度上升的需要,有必要突破原先數(shù)字處理部分由單片機和可編程邏輯器件(CPLD)組成的設(shè)計方案,轉(zhuǎn)而用具有高運算能力和高拓展性能的DSP芯片和CPLD來提升讀寫器的性能,這樣不僅可以使RFID讀寫系統(tǒng)具備更高的運算處理能力以及更可靠的數(shù)據(jù)安全性能,而且可以提高系統(tǒng)的防碰撞性能并可同時識別更多的射頻卡。

　　為確保所研制的RFID識別系統(tǒng)的性能逐步提升并保持較為先進的國內(nèi)水平,確立下一步以數(shù)字處理核心模塊的研究作為重點,研究和開發(fā)以DSP為主體的射頻識別讀寫器(13.56MHz),擬定如下新一代研發(fā)計劃。
　　①采用DSP芯片替代單片機,完成單片機的工作,并配合CPLD芯片實現(xiàn)防碰撞算法。
　　②使用一片CPLD代替原有的2個CPLD,完成編碼、解碼和差錯控制工作。
　?、坜饤壴娐吩O(shè)計采用的元器件的插裝工藝,利用表貼技術(shù)開發(fā)RFID核心模塊,以提高整個系統(tǒng)的組裝密度，縮小產(chǎn)品體積，減輕重量，提高系統(tǒng)的可靠性和抗振能力。
　?、軆?yōu)化讀寫器性能,在不增大發(fā)射功率的前提下,增加讀寫距離。

　　圖4是目前正在研發(fā)的新一代射頻識別系統(tǒng)數(shù)字處理核心模塊原理框圖。

620)this.style.width=620;" border="0" />

圖4RFID系統(tǒng)數(shù)字處理核心模塊原理框圖

　　4 結(jié)束語

　　作為取得自主知識產(chǎn)權(quán)的重要因素，數(shù)字處理核心模塊化的研究和設(shè)計是RFID技術(shù)應(yīng)用研究的重心所在，圍繞這個重心，本文討論了在防碰撞算法、數(shù)據(jù)加密糾錯技術(shù)以及模塊化研發(fā)上取得的突破,應(yīng)用結(jié)果表明，這些關(guān)鍵技術(shù)完全可以滿足應(yīng)用，且對RFID系統(tǒng)研發(fā)具有重要的借鑒意義。