復(fù)雜RF環(huán)境下的RFID測試挑戰(zhàn)

隨著設(shè)備價格的下降及全球市場擴(kuò)大，RFID應(yīng)用正面臨飛速發(fā)展。嵌入式RFID的使用量不斷提高，隨著泛在ID中心(Ubiquitous ID Center)和T引擎論壇(T-Engine Forum)等協(xié)調(diào)性機(jī)構(gòu)的形成，GSM協(xié)會現(xiàn)已支持將基于RFID的近場通信技術(shù)運(yùn)用于手機(jī)中。

RFID的一大挑戰(zhàn)是在復(fù)雜的、甚至苛刻的RF環(huán)境中優(yōu)化吞吐量或數(shù)據(jù)讀取速度。無源RFID標(biāo)簽可以對射頻范圍內(nèi)的任何一個或多個閱讀器做出反應(yīng)。協(xié)議中規(guī)定了這些通信的行為，但在實際的通信過程中,如果沒有適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，則很難對其進(jìn)行測試。此外，在集成到采用蜂窩技術(shù)、WLAN、藍(lán)牙或ZigBee技術(shù)的同一臺設(shè)備中時，也需要運(yùn)行嵌入式RFID系統(tǒng)。最后，必須考慮同一頻段中其它用戶發(fā)出的干擾。

其結(jié)果是，在部署前就有必要仿真復(fù)雜的RF環(huán)境，并分析RFID系統(tǒng)在這些條件下的性能。RFID的脈沖式特點和典型的干擾源令測試任務(wù)變得更富挑戰(zhàn)性。

RFID技術(shù)概述

最簡單的RFID系統(tǒng)由一個標(biāo)簽(可以是無源標(biāo)簽)和一個閱讀器組成。從結(jié)構(gòu)上看，無源標(biāo)簽的讀取與傳統(tǒng)全雙工數(shù)據(jù)鏈路略有不同。與傳統(tǒng)有源數(shù)據(jù)鏈路不同的是，無源標(biāo)簽依賴其收到的RF能量為自身供電。無源標(biāo)簽同樣不會生成自己的傳送載波信號，而是調(diào)制詢問器發(fā)送到標(biāo)簽的部分能量，這一過程稱為反向散射。

通過把標(biāo)簽的天線負(fù)荷從吸收負(fù)荷改變?yōu)榉瓷湄?fù)荷，可以調(diào)制來自詢問器的連續(xù)波 (CW) 信號。這個過程與利用鏡子和陽光向遠(yuǎn)處某人發(fā)送信號的過程非常類似。此外，這樣還消除了標(biāo)簽中對高精度頻率來源和功率密集型發(fā)射機(jī)的需求。由于閱讀器和標(biāo)簽共享相同的頻率，它們必須輪流發(fā)送信息。因此，反向散射把閱讀器和標(biāo)簽之間的通信限定在半雙工系統(tǒng)上。

由于從標(biāo)簽(T)到閱讀器 (R) (表示為T→R)的上行方向從詢問器的CW信號中調(diào)制，因此可以使用擴(kuò)頻技術(shù)，如跳頻。在接收機(jī)零差下變頻中，任何詢問器信號的擴(kuò)展或跳頻會被自動刪除，因為它們共享相同的本振(LO)信號。

當(dāng)存在多個標(biāo)簽、多個閱讀器和干擾時，這個簡單的系統(tǒng)會變得更加復(fù)雜。讓我們看一下來自這些情況下的兩個RFID設(shè)計挑戰(zhàn)。

多個閱讀器和密集模式環(huán)境

無源RFID標(biāo)簽的寬帶特點也給密集的(多個)閱讀器站點帶來了某些挑戰(zhàn)。由于標(biāo)簽閱讀器確定了系統(tǒng)的工作頻率，且標(biāo)簽是對任何閱讀器進(jìn)行應(yīng)答的寬帶設(shè)備，因此標(biāo)簽對某個特定閱讀器的應(yīng)答能力有限。無源標(biāo)簽可能會試圖對所有發(fā)出詢問的閱讀器做出應(yīng)答。

許多RFID系統(tǒng)將被運(yùn)用到多個閱讀器或密集模式環(huán)境中，以下是一些定義：

·單閱讀器環(huán)境：環(huán)境中只有一個閱讀器工作;

·多個閱讀器環(huán)境：同時工作的閱讀器數(shù)量低于提供的通道數(shù)量;

·密集閱讀器模式：挑戰(zhàn)最大的環(huán)境，其中閱讀器數(shù)量超過通道數(shù)量。

閱讀器和標(biāo)簽干擾可能發(fā)生在工作環(huán)境內(nèi)部，在這個區(qū)域內(nèi)，閱讀器的RF信號衰減低于90 dBc (輻射范圍大約相當(dāng)于方圓1千米的自由空間)。因此，在密集模式環(huán)境中，不管是出于設(shè)計還是由于相鄰的RFID閱讀器，許多閱讀器都將會停止工作。

對于一個擁有多個固定閱讀器和精確頻譜規(guī)劃的倉庫應(yīng)用環(huán)境，在1千米范圍以內(nèi)來自相鄰設(shè)備的干擾可能會達(dá)到最小。然而，由于缺少對安全的緩和距離的控制，移動RFID設(shè)備所面對的將是一個密集模式閱讀器環(huán)境。在這種情況下，找出現(xiàn)有或之后RFID系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中可能存在哪些信號，并了解閱讀器和標(biāo)簽在存在干擾時的行為變得非常關(guān)鍵。

針對這種環(huán)境，已通過認(rèn)證用于密集環(huán)境的ISO18000-6C 閱讀器通常會切換到米勒調(diào)制副載波(MMS) 編碼。這種精心設(shè)計的編碼技術(shù)在每個比特位下提供了更多的跳變，因而在有噪聲時更容易解碼，但對同一標(biāo)簽反向散射鏈路頻率(BLF)來說速度較慢。共有三種不同的MMS方案可供選擇，即Miller-2、Miller-4和Miller-8，其中的數(shù)字指明了多少個BLF周期定義一個數(shù)據(jù)符號。例如，在使用40 kHz的最慢BLF時，Miller-8的數(shù)據(jù)速率是BLF/8 = 5 kbit/s。在這種慢的速率下，傳送一個96位EPC和16位錯誤校驗將需要22.4ms，對應(yīng)每秒讀取不到45個標(biāo)簽(當(dāng)包括一些命令字節(jié)時，如前向鏈路命令，那么能夠讀取的標(biāo)簽數(shù)量會進(jìn)一步下降)。出于吞吐量原因，人們不希望以這么低的速率傳送信號，另外某些法規(guī)(如美國FCC Part 15)規(guī)定，根據(jù)信號20dB的帶寬，在10s或20s的周期內(nèi)，只允許在某個頻率上持續(xù)工作平均約400ms。這種法規(guī)要求標(biāo)簽閱讀器在400ms后空出通道，跳到一個其他的頻率，即使在原有頻率上的閱讀還沒有完成。

根據(jù)ISO18000-7規(guī)范工作的閱讀器和標(biāo)簽采取不同的方法。它們使用更長的RF傳輸及更低的傳送速率，提高了信號的抗干擾能力。對采用同等商用版本ISO 18185的集裝箱應(yīng)用，這要求最大傳輸周期提高到60s，同時在傳輸之間保持10s的最低靜默周期(FCC part 15.240)。在這么慢的傳送速率下，可能要用兩分鐘才能傳送識別集裝箱所有貨物所需的整個128kB數(shù)據(jù)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)使用的標(biāo)簽是有源標(biāo)簽，也就是說它們帶有機(jī)載電源，一般輻射功率要高于無源標(biāo)簽。

這兩種技術(shù)都意味著測試解決方案必需在相對較長的時間周期內(nèi)收集與脈沖式信號有關(guān)的詳細(xì)的RF數(shù)據(jù)。

密集模式環(huán)境測試解決方案

可以使用任意波形發(fā)生器(AWG)仿真密集模式環(huán)境?，F(xiàn)代AWG可以通過編程直接生成在HF頻段和UHF頻段的RFID信號，進(jìn)而使用一臺儀器仿真各種信號，如多個閱讀器或多個標(biāo)簽，從而降低必須配置多臺信號發(fā)生器所引起的時間和成本。

分析設(shè)備通常需要非常深的存儲器，才能捕獲這些冗長的交互。一般來說，標(biāo)簽閱讀器會嘗試多個查詢，可能會命令標(biāo)簽降低鏈路頻率，以檢驗標(biāo)簽是否像某些實現(xiàn)方案要求的那樣空出通道。實時頻譜儀(RTSA)能夠分析這類事件。

RTSA可以直接檢驗ISO18000-7的60s傳輸周期和10s靜默周期，在這一應(yīng)用中的存儲深度超過100s，能全面分析錯誤條件。

此外，還可以使用多次采集來分析跳頻和突發(fā)RFID信號。在這種模式下，RTSA能被設(shè)置為捕獲那些用戶自定義時間周期內(nèi)任何時候發(fā)生跳頻和相關(guān)觸發(fā)的數(shù)據(jù)。結(jié)合了超高幀速率(超過48,000frame/s)，可以全面捕獲、分析和解調(diào)跳頻RFID信號。

一旦捕獲了信號，設(shè)備可以采用相應(yīng)的方式分析信號，幫助工程師了解閱讀器和標(biāo)簽在當(dāng)前RF環(huán)境中的性能是否達(dá)到預(yù)期的水平，以及如果沒有，為什么沒有。測量位時間、CW時間及閱讀器和標(biāo)簽之間的響應(yīng)時間(稱為周轉(zhuǎn)時間)能提供重要信息，幫助了解閱讀器和標(biāo)簽的交互和吞吐量。針對頻率事件檢查幅度毛刺有助于確定錯誤的根本原因。例如如果某個位沒有正確解碼，那么它是FSK調(diào)制錯誤引起的還是ASK 調(diào)制錯誤引起的?把各個域中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，有助于回答這類問題。

現(xiàn)代RTSA可以把頻域、時域、符號域和其它域中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，全面迅速地分析復(fù)雜的RF環(huán)境和物理層交互。對于自動改變數(shù)據(jù)速率的ISO18000-6C (EPC GEN2)信號，這些儀器可以自動檢測符號速率，突出顯示前置碼，更輕松地完成分析任務(wù)。

監(jiān)測RFID同頻道干擾

RFID收發(fā)機(jī)必須遵守“產(chǎn)生干擾有關(guān)的”本地法規(guī)，設(shè)計提供最優(yōu)的抗干擾能力。例如，新加坡和歐洲分配的頻譜是2MHz，而北美則變成了26MHz，這使得世界各地采用的調(diào)制方案和避免沖突的技術(shù)有所不同。

有兩種方法可以避免沖突，降低自我干擾，即跳頻技術(shù)(FH)和先聽后說(LBT)/RFID閱讀器同步技術(shù)。美國根據(jù)FCC 47 CFG Ch. 1 Part 15采用跳頻技術(shù)，大部分歐洲國家則根據(jù)ETSI EN 302 208-1采用LBT或同步技術(shù)。

在實際環(huán)境中，有效地分析RFID信號可能是一項復(fù)雜的任務(wù)。在一個突發(fā)干擾源于多閱讀器、多標(biāo)簽響應(yīng)、甚至Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙和類似短程RF通信等其它RF服務(wù)的環(huán)境中，這些信號也具有突發(fā)特點。

其中一種最優(yōu)秀的監(jiān)測技術(shù)是稱為DPX的RTSA數(shù)字熒光技術(shù)。這種技術(shù)采用非?？斓膸俾?，同時用顏色表明信號密度或駐留時間，以獨特的方式查看復(fù)雜環(huán)境中的脈沖式RF信號。

圖6展現(xiàn)了一個仿真的復(fù)雜RF環(huán)境，通過將大量的標(biāo)簽放在閱讀器的閱讀范圍內(nèi)形成。在監(jiān)測閱讀器跳頻輸出短短30秒后，我們可以看到大量的信息。讓我們更仔細(xì)地看一下這個彩色顯示畫面。

紅色信號一直存在，在本例中，它代表著噪底及接近顯示畫面底部的多個干擾信號。綠色信號(在本例中主要是突發(fā)干擾) 可能在50%的時間中存在，藍(lán)色信號是偶發(fā)信號，右下角的信號密度標(biāo)度表明了這一點。

藍(lán)色信號主要是RFID信號，是閱讀器與一套標(biāo)簽之間的通信信號。在本例中，調(diào)制類型采用幅移鍵控(ASK)，高度較高的窄藍(lán)色脈沖是“1”，較低的窄藍(lán)色脈沖是“0”。DPX可以查看傳統(tǒng)掃頻分析儀看不到的信號。

在這個屏幕截圖中，閱讀器在多個頻率上成功運(yùn)行，沒有被干擾。首先，我們看到的(主要呈)藍(lán)色RFID脈沖只發(fā)生在干凈的頻率上，就可以說明這一點。其次，通過查看主要呈藍(lán)色的RFID脈沖上的其它顏色，我們可以確定RFID成功交易的擴(kuò)展駐留時間。同時我們可以看到在那些沒有干擾或者信噪比比較好的頻率上，閱讀器才能進(jìn)行成功的巡檢。這清楚地表明，在干擾最低的環(huán)境中，標(biāo)簽讀取成功的概率會提高。

在進(jìn)行頻率規(guī)劃，把每個閱讀器限定在某條通道(或多條通道)時，可以使用DPX保證調(diào)制邊帶的電平不會在并放閱讀器使用的通道中產(chǎn)生干擾。注意圖6中心的閱讀器和標(biāo)簽信號擁有寬頻譜展寬，駐留時間要長于其它通道。較亮的信號邊緣表明信號密度較高，因此駐留時間較長。這可能會導(dǎo)致鄰道讀取失敗，應(yīng)采取措施，保證閱讀器中的濾波功能足以抗擊這種干擾。

總結(jié)

隨著設(shè)備價格下跌和全球市場擴(kuò)大，RFID應(yīng)用也進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致了RFID設(shè)備迅猛增長。由于固有的特點，RFID信號面臨著復(fù)雜的、甚至苛刻的RF環(huán)境。此外，RFID信號的脈沖式特點使得其很難使用傳統(tǒng)頻譜分析儀進(jìn)行分析。AWG和RTSA可以高效地仿真和分析多個閱讀器、密集模式環(huán)境和常見干擾信號。可以使用這種技術(shù)，在苛刻的環(huán)境中保證可靠的RFID通信和吞吐量。

參考文獻(xiàn)

[1] RFID implant opens doors[J]. Next Nature

[2] Hendry A.Oxer on hardware hacking and the meaning of (Second) Life[N].computerworld，14/02/2008

[3] RSA6100A Datasheet[R/OL]. http://www2.tek.com/cnweb/products/spectrum_analyzers/rsa6100a/

[4] RFID Reference Model[R/OL]. http://www.rfid-in-action.eu/public/results/rfid-reference-model

[5] Parker L.TDS3GV Communications Module[R/OL]. http://www.es.trs-rentelco.com/Model/TEK_TDS3GV.aspx