專利名稱：一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法
技術領域：
本發明涉及一種通信領域的射頻識別方法，特別是關于一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法。
背景技術：
通信領域的RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術，是利用射頻方式進行遠距離的通信達到識別物品目的的一種自動化物品識別技術。該技術主要和當今數字化移動商務相適應，可以實現自動識別和遠程實時監控及管理，是當代信息技術中的熱門技術之一。將RFID標簽安裝在需要認證的物件上，標簽通過電磁波發送關于該物件的身份信息給接收裝置，按這種工作方式RFID系統可用來追蹤和管理幾乎所有物理對象。RFID技術在工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理、防偽技術等眾多領域具有廣泛的應用前景。
如圖1所示，RFID系統主要由讀卡器和標簽組成，讀卡器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當標簽進入發射天線的工作區域時，標簽獲得能量被激活，標簽將自身攜帶的信息返回給讀卡器，讀卡器對接收信號進行解調和解碼后，將標簽的信息數據通過接口與后臺控制計算機進行數據交換，同時可以執行應用系統軟件發來的命令，實現不同的功能。
RFID系統按照標簽上是否含有數據電源，可分為有源標簽RFID系統和無源標簽RFID系統兩類。無源的射頻標簽自身沒有電源，因此無源射頻標簽工作用的所有能量必須從讀卡器發出的電磁場中取得。與此相反，有源的射頻標簽包含一個電池，為標簽的工作提供全部或部分能量。
在RFID系統的應用中，標簽從讀卡器發射的電磁場中接收到的信號能量很低，并且隨著距離的增大而衰減。從標簽返回至讀卡器的后向鏈路的信號能量更低，尤其對于無源標簽來說，標簽工作的所有能量來自于讀卡器發射的電磁場。隨著標簽到讀卡器距離的增大，標簽接收到的功率會從幾百uW減弱到幾uW，反射回讀卡器的能量比標簽接收到的能量更低，往往不到1uW。因此在遠距離的工作條件下，由于噪聲、干擾、多徑等影響，讀卡器難以檢測到標簽的返回信號或難以解調出正確的數據信息。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，采用本發明方法可以使RFID系統在低信噪比的條件下獲得較低的信息差錯率，解決讀卡器難以檢測或難以正確解調標簽返回數據的問題。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案1、一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，它包括以下步驟(1)在標簽與讀卡器通信的反向鏈路中，在所述標簽中增設一直序擴頻電路，在所述讀卡器中增設一擴頻碼與所述直序擴頻電路相同的解擴電路；(2)所述標簽將要發送的基帶數據通過預先設定的擴頻碼，經所述擴頻電路進行直序擴頻；(3)將擴頻后的基帶數據調制到載波上；(4)標簽返回信號通過天線反射給所述讀卡器；(5)所述讀卡器對所述標簽反射回的載波進行解調；(6)所述讀卡器通過與所述標簽一致的擴頻碼對所述基帶信號進行解擴，得到所述標簽發送的基帶數據。
在所述步驟(2)之后，先對擴頻后的所述基帶數據進行副載波調制后，再進入步驟(3)；同時在步驟(5)之后，先通過副載波解調后，再進入步驟(6)。
所述擴頻碼是基于RFID系統使用的m序列。
所述標簽與讀卡器采用基于ASK的通信協議進行調制與解調。
所述標簽與讀卡器采用基于PSK的通信協議進行調制與解調。
本發明由于采用以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由于對從標簽返回的數據加入了擴頻處理，而信道中的噪聲不帶有擴頻因子，讀卡器接收的噪聲信號在解擴時能量被擴散，在接收端就得到了信噪比的增益，因此使RFID系統抗噪聲性能得到有效提高，可以在很小的信噪比情況下進行通信，甚至可在信號比噪聲低得多的條件下實現可靠通信。2、本發明對射頻識別信道的解擴過程是與多徑傳播信號的直接路徑同步的，因此既使反射路徑中包含有相同的擴頻因子，也同樣會被抑制掉，從而使本發明具有較高的抗多徑衰落性能。3、普通未采用本發明的RFID系統不知道擴展基帶信號的擴頻碼，因此他們無法解碼出正確的標簽數據；另外，標簽擴頻發送端對要傳送的信息進行了頻譜擴展，使信號功率密度降低，近似于噪聲性能，從而使信號具有低幅度、隱蔽性好等優點，提高了通信保密性能。4、采用副載波調制方法的本發明系統可以進一步降低射頻識別系統的通信誤碼率，適用于對通信可靠性要求更高的系統。本發明方法可方便地植入基于任何RFID通訊協議的RFID系統中。
圖1是普通RFID系統的通信框2是本發明的提高通信可靠性的RFID系統的通信框3是本發明的實施例一的RFID系統的通信框4是本發明的實施例二的RFID系統的通信框5是普通RFID系統與本發明方法的RFID系統的通信誤碼率比較圖6是采用不同階數擴頻碼的RFID系統的通信誤碼率曲線具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細描述。
首先介紹本發明的工作原理根據Shannon(香農)定理，對于連續信道，如果信道帶寬為W且受到加性白噪聲干擾(又稱高斯信道)，則其信道容量C的理論公式為C＝Wlog2(1+S/N)。式中，C為信道容量(bit/s，即信道能達到的最大傳輸能力)，W為信道帶寬，N為噪聲功率，S為信號功率。
令C是希望具有的信道容量，即要求的信息，將其轉換成以e為底的對數C/W＝1.44loge(1+S/N)。對于干擾環境中的典型情況，S/N＜＜1，對上式用冪級數展開，略去高次項得C/W＝1.44S/N。
在高斯信道中，如果要保持信道容量C不變，當傳輸系統的信號噪聲功率比S/N下降時，可以增加系統傳輸帶寬W，即帶寬W和信噪比S/N是可以互換的。甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要增加信號的帶寬，仍然可以保證可靠的通信質量。同樣，對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術正是利用這一原理，用高速率的擴頻編碼來達到擴展待傳輸的數字信息帶寬的目的。
科捷爾尼弗在其潛在抗干擾理論中得到如下關于信息與差錯概率公式Pe≈f(E/N0)。該式表明差錯概率Pe是信號能量與噪聲功率譜密度N0之比的函數。設信號頻譜寬度為W，信息持續時間為T，信號功率為S＝E/T，噪聲功率為N＝WN0，信息帶寬為ΔF＝1/T，則有Pe＝f(S·T·W/N)＝f((S/N)·(W/ΔF))。
由上式可知差錯概率Pe是信噪比S/N和信號帶寬與信息帶寬比W/ΔF二者乘積的函數。即對于傳輸具有一定的帶寬ΔF和信噪比S/N的信息來說，增加帶寬可以降低差錯概率。
本發明提出的提高射頻識別系統通信可靠性的方法，涉及射頻識別系統從RFID標簽(Tag)到讀卡器(Reader)通信的反向鏈路，該方法包括以下步驟1、標簽對要發送的基帶數據通過預先設定的擴頻碼進行直序擴頻；2、將擴頻后的基帶數據調制到載波上；3、標簽返回信號通過天線反射給讀卡器；
4、讀卡器對標簽反射回的載波進行解調；5、讀卡器通過與標簽一致的擴頻碼對基帶數據進行解擴。
通過以上對通信方法實現過程的描述可知，標簽與讀卡器之間的數據需要進行擴頻和解擴，因此需要在RFID系統中增設以下硬件單元(如圖2所示)在標簽中增設一直序擴頻電路，以實現標簽在對讀卡器發送數據時實際發送的是經該電路直序擴頻后的數據。同時在讀卡器中增設一解擴電路，該解擴電路的擴頻碼與標簽中的相同，以實現讀卡器在接收標簽發送的數據時，利用相同的擴頻碼對所接收的數據進行解擴。為配合擴頻數據的通信，標簽可以采用兩種調制方法，讀卡器采用相應的解調方法第一種方法是對擴頻后的基帶信號直接進行數據調制；第二種方法是對擴頻后的基帶信號進行副載波調制后再進行數據調制，這樣可以獲得更高的通信可靠性。
現列舉具體實施例詳細說明本發明的步驟實施例一基于RFID系統使用m序列作為擴頻碼，根據不同的性能要求可選用不同位數的m序列，該序列及其初始狀態在標簽和讀卡器中必須一致。例如選用6位的m序列時，擴頻增益為127倍，即系統的輸出信噪比和輸入信噪比的比值為127倍。如圖3所示，本實施例對擴頻后的基帶信號直接進行數據調制，具體包括以下步驟1)基帶數字信號采用NRZ編碼，將標簽的數據信息送至擴頻模塊，通過6位的m序列進行直序擴頻，擴頻增益為127倍；2)擴頻后的基帶信號送至反向調制模塊，可根據通信協議進行ASK或PSK調制，將數字信號調制到載波上；3)標簽返回信號通過天線反射給讀卡器，通過無線信道時疊加了噪聲和干擾信號；4)讀卡器接收到標簽返回的信號，對其進行ASK或PSK解調；5)讀卡器通過與標簽一致的6位m序列對數據進行解擴，得到NRZ編碼形式的信號，同時噪聲和干擾信號在解擴時能量被擴散，系統的信噪比提高。
實施例二實施例二基于的RFID系統使用m序列作為擴頻碼，根據不同的性能要求可選用不同位數的m序列，該序列及其初始狀態在標簽和讀卡器中必須一致。如選用6位的m序列時，擴頻增益為127倍，即系統的輸出信噪比和輸入信噪比的比值為127倍。如圖4所示，本實施例對擴頻后的基帶信號進行副載波調制后再進行數據調制，進一步提高RFID系統的通信可靠性，具體包括以下步驟1)基帶數字信號采用NRZ編碼將標簽的數據信息送至擴頻模塊，通過6位的m序列進行直序擴頻，擴頻增益為127倍；2)擴頻后的基帶信號經過頻率為基帶信號頻率4倍的副載波信號調制，擴頻增益提高至127×4倍；3)副載波調制后的基帶信號送至反向數據調制模塊，根據通信協議進行ASK或PSK調制將數字信號調制到載波上；4)標簽返回信號通過天線反射給讀卡器，通過無線信道時疊加了噪聲和干擾信號；5)讀卡器接收到標簽返回的信號，對其進行ASK或PSK解調；6)解調后的基帶數據通過副載波解調模塊，得到m序列擴頻后的信號，同時噪聲和干擾信號被初步擴散；7)讀卡器通過與標簽一致的6位m序列對數據進行解擴，得到NRZ編碼形式的信號，同時噪聲和干擾信號在解擴時能量進一步被擴散，系統的信噪比進一步提高。
如圖5、圖6所示，是以上實施例在MATLAB環境下得出的仿真結果。如圖5所示，是以m序列的階數N＝6為例，對本文提出的實施例與傳統的RFID系統的誤碼率進行了比較。仿真條件為高斯白噪聲信道，加入了相位噪聲強度為-100dBc/Hz的相位噪聲，多徑效應因子(即發送端和接收端之間的視距傳播路徑的能量與發射路徑的能量之比)為2的多徑干擾。從仿真結果來看，在同樣的信道和噪聲干擾條件下，本發明實施例一、實施例二的誤碼率均遠低于標準的RFID系統，并且采用副載波調制方法的擴頻系統(實施例二)的誤碼率低于一般擴頻系統(實施例一)的誤碼率。對于本發明提出的擴頻系統實施例一，由圖6的仿真結果可知，隨著m序列階數的增加，系統的誤碼率也隨之降低。
權利要求
1.一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，它包括以下步驟(1)在標簽與讀卡器通信的反向鏈路中，在所述標簽中增設一直序擴頻電路，在所述讀卡器中增設一擴頻碼與所述直序擴頻電路相同的解擴電路；(2)所述標簽將要發送的基帶數據通過預先設定的擴頻碼，經所述擴頻電路進行直序擴頻；(3)將擴頻后的基帶數據調制到載波上；(4)標簽返回信號通過天線反射給所述讀卡器；(5)所述讀卡器對所述標簽反射回的載波進行解調；(6)所述讀卡器通過與所述標簽一致的擴頻碼對所述基帶信號進行解擴，得到所述標簽發送的基帶數據。
2.如權利要求1所述的一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，其特征在于在步驟(2)之后，先對擴頻后的所述基帶數據進行副載波調制后，再進入步驟(3)；同時在步驟(5)之后，先通過副載波解調后，再進入步驟(6)。
3.如權利要求1所述的一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，其特征在于所述擴頻碼是基于RFID系統使用的m序列。
4.如權利要求2所述的一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，其特征在于所述擴頻碼是基于RFID系統使用的m序列。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，其特征在于所述標簽與讀卡器采用基于ASK的通信協議進行調制與解調。
6.如權利要求1或2或3或4所述的一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，其特征在于所述標簽與讀卡器采用基于PSK的通信協議進行調制與解調。
全文摘要
本發明涉及一種提高射頻識別系統通信可靠性的方法，它包括以下步驟(1)在標簽與讀卡器通信的反向鏈路中，在所述標簽中增設一直序擴頻電路，在所述讀卡器中增設一擴頻碼與所述直序擴頻電路相同的解擴電路；(2)所述標簽將要發送的基帶數據通過預先設定的擴頻碼，經所述擴頻電路進行直序擴頻；(3)將擴頻后的基帶數據調制到載波上；(4)標簽返回信號通過天線反射給所述讀卡器；(5)所述讀卡器對所述標簽反射回的載波進行解調；(6)所述讀卡器通過與所述標簽一致的擴頻碼對所述基帶信號進行解擴，得到所述標簽發送的基帶數據。本發明能夠提高RFID系統中標簽向讀卡器反射信號的抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落和保密性能，可方便地植入到基于任何RFID通訊協議的RFID系統中。
文檔編號G06K7/00GK101021895SQ20071006436
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者李敏, 張春, 李永明, 王志華 申請人:清華大學