UHF RFID系統中直接解碼碰撞的新方案

摘要：通過(guò)改造UHF RFID系統中標簽的隨機碼生成器，重新設計隨機碼模式，并為RFID閱讀器添加碰撞解碼系統，改善碰撞時(shí)隙，使相撞的多個(gè)隨機碼可被直接解碼，系統的性能顯著(zhù)提高。在基于GNU無(wú)線(xiàn)電和USRP2的實(shí)驗平臺實(shí)現此方案以驗證其可行性。理論分析和測試平臺的實(shí)驗結果表明，標簽讀取率較傳統方案有顯著(zhù)提高。
關(guān)鍵詞：超高頻射頻識別；碰撞；直接解碼；GNU無(wú)線(xiàn)電和USRP2

0 引言
超高頻射頻識別(UHF RFID)是一種新興的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，它使得微機芯片能夠遠程供電和對標識符及其他信息進(jìn)行操作。RFID是“物聯(lián)網(wǎng)”的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于其應用多樣化已日益普及，如庫存控制和定位。常使用的RFID的標準之一是EPC Globle Class 1 Generation 2(簡(jiǎn)稱(chēng)EPC Globle C1G2)。根據EPC標準，多個(gè)標簽可以在分幀時(shí)隙ALOHA算法下進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)通道。以前的工作主要集中在研究更有效的算法來(lái)找到最佳的幀長(cháng)來(lái)調整系統參數，以提高RFID系統的效率。這些方案的效率都約束于A(yíng)LOHA算法理論吞吐率上限36．8％。
本文提出了一種直接解碼碰撞(Directly Decoding the Collisions縮寫(xiě)為DDC)增加RFID系統吞吐率的實(shí)用設計。其原理是減少固定長(cháng)度隨機碼所攜帶的信息量使得它們能夠同時(shí)傳送。如果有幾個(gè)隨機碼在同一個(gè)時(shí)隙發(fā)生碰撞，此方案能夠達到和只收到一個(gè)隨機碼相同的性能，同時(shí)利用更有效的標簽數估計算法得到相撞標簽的數量。這種設計新的隨機碼模式和能夠解碼碰撞的隨機碼的方案突破了ALOHA算法理論上限的約束。

1 直接解碼方案體
1．1 初始調制
此方案重點(diǎn)在于RFID系統中的FM0基帶和二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)調制。為了通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸隨機碼，標簽映射位映射到基帶碼，然后通過(guò)調制把基帶碼映射到復合信號。

如圖1所示，FM0基帶使用兩個(gè)不同的符號(-1，1)或(1，-1)代表0位，并使用兩個(gè)相同的符號(-1，-1)或(1，1)代表1位?；鶐Ь幋a是獨立于調制方法的?；鶐Ь幋a轉化為模擬信號，BPSK調制中，1映射為余弦載波波形cos(2πfct+0)，-1映射為反余弦載波波形cos(2πfct+π)。其中fc是載波頻率，在UHFRFID系統它通常是915MHZ左右。無(wú)線(xiàn)信號通常表示為離散復數，實(shí)部表示為I，虛部表示為Q。這使得載波相位變化設計簡(jiǎn)化。載波可以由式(1)表示。
Acos(2πfct+[t])=Icos(2πfct)+Qsin(2πfct) (1)
符號θ[t]表示載波相位，在BPSK調制中可取0或θ，符號i表示虛數單位，復數的實(shí)部是I=Acosθ[t]，虛部是Q=Asinθ[t]。I和Q組成一個(gè)復數用來(lái)在兩個(gè)無(wú)線(xiàn)終端之間傳輸和接收。
1．2 標簽端
我們使用θ[t]來(lái)表示在物理層中第t個(gè)傳輸信號，t=1T，2T……，nT和此信號的采樣間隔是T。將信息添加到隨機碼，我們采取了1的位或多個(gè)1要替換一個(gè)或多個(gè)0位的位數。這種替換的基本規則是不改變其他位的波形形狀，例如，在FM0基帶，我們需要把兩個(gè)連續的0更換為兩個(gè)連續的1位。實(shí)驗結果表明，例如曼徹斯特解碼的大部分的數據編碼方法通過(guò)限制使用“1”位可以達到這一要求。最后我們有式(2)來(lái)表示標簽的位串。
x[t]=b[t]+ξ[t] (2)
其中b[t]表示基信號，例如己知首段與尾端的連續位0。這里的重點(diǎn)是，b[t]的數據是已知的。為了攜帶數據，我們加入ξ[t]，這樣，ξ[t]的開(kāi)始位置是信息的關(guān)鍵。如圖1所示，信號電平中1表示為ξ[t]，連續的0表示為b[t]。在一個(gè)典型的UHF RFID系統，標簽傳送一個(gè)隨機碼，這個(gè)隨機碼有已知的開(kāi)頭和結束信號?；盘朾[t]可以編排成任何已知的形式。加權式ξ[t]可以插在b[t]中的任何位置，但也改變不了b[t]的形式。
1．3 閱讀器端
經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)通道后，信號振幅和相位發(fā)生變化，在這里，接收到的信號表示如下：
y[t]=Hx[t]+G[t] (3)
H表示傳輸信號接收信號之間的相位變化和振幅衰減相疊加出的復數，G[t]是隨機噪聲。當閱讀器收到兩個(gè)碰撞的隨機碼，收到信號表示如下：
y[t]=H1x1[t]+H2x2[t]+G[t] (4)
或
y[t]=H1b[t]+H1ξ1[t]+H2b[t]+H2ξ2[t]+G[t] (5)
應當指出，上述公式并不意味著(zhù)這兩個(gè)隨機碼的第n個(gè)取樣是重疊的，我們只是使這個(gè)公式討論起來(lái)更加清晰。這兩個(gè)隨機碼有著(zhù)相同的基信號b[t]，這個(gè)基信號可以通過(guò)推算振幅和相位偏移量相減得到。相減后，我們得到式(6)。
y[t]=H1ξ1[t]+H2ξ2[t]+G[t]H (6)
H的制約條件能夠通過(guò)構建步驟估計出來(lái)，并且可以看成是已知樣本，至于ξ1[t]和ξ2[t]，只要它們所在的兩個(gè)標簽沒(méi)有發(fā)生碰撞，就能夠通過(guò)推算樣本偏移量和振幅來(lái)解碼ξ1[t]和ξ2[t]。
1．3．1 振幅估計
在第一次收到的隨機碼的開(kāi)頭一般都有無(wú)碰撞符。無(wú)碰撞符也是程序開(kāi)始位。我們可以通過(guò)首個(gè)RN的無(wú)碰撞符來(lái)估計振幅。我們收到的是復數y[t]，首次無(wú)碰撞復數的振幅可以表示為：

I1和Q1都可以通過(guò)無(wú)碰撞符精確地推算出來(lái)。第二個(gè)隨機碼的振幅可以從碰撞的尾端數據估計出來(lái)。上面公式是常見(jiàn)案例中的振幅估測的通常形式。碰撞部分的振幅可以用式(8)表示。