RFID協(xié)議一致性測試系統設計

1.RFID協(xié)議一致性測試系統發(fā)展現狀
近年來(lái)，RFID技術(shù)得以快速發(fā)展，已被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。隨著(zhù)制造成本的下降和標準化的實(shí)現，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趁勢，這也給RFID測試領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的需求和嚴峻的挑戰。負責制訂RFID標準的兩大主要國際組織ISO和EPCglobal都針對RFID協(xié)議一致性測試及其系統設計發(fā)布了相關(guān)的規范。

1.1RFID協(xié)議一致性測試的相關(guān)規范
RFID協(xié)議一致性測試規范是隨著(zhù)RFID協(xié)議標準的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，測試規范的目的即確定被測單元的特性與協(xié)議標準的規定一致。ISO和EPCglobal都根據已發(fā)布的RFID協(xié)議標準制訂了對應的測試規范，用于指導進(jìn)行規范、可靠的RFID協(xié)議一致性測試。由于不同RFID協(xié)議的調制參數、編碼方式、防沖突機制、幀結構、指令集等都各不相同，且不同頻段的RFID產(chǎn)品可能具有完全不同的特性，所以每一種協(xié)議都有其對應的一致性測試規范，如表1-1所示：

表1-1：RFID協(xié)議標準對應的一致性測試規范
RFID協(xié)議標準中規定了包括物理層和協(xié)議層在內的各項特性，而一致性測試規范中則規定了測試環(huán)境、測試項目和測試預期結果，根據測試規范列舉的測試項目，通過(guò)比較被測單元的實(shí)際輸出與預期輸出的異同，來(lái)判定被測單元是否與協(xié)議標準的規定一致。
除此之外，每個(gè)國家或地區還會(huì )有特定的RFID產(chǎn)品規范，會(huì )對產(chǎn)品的功率、頻率、帶寬等參數進(jìn)行限制，該規范所規定的各項技術(shù)指標也屬于RFID協(xié)議一致性測試的范疇。對于在中國銷(xiāo)售和使用的RFID產(chǎn)品，國家信息產(chǎn)業(yè)部于2007年發(fā)布了“800/900MHz頻段RFID技術(shù)應用試行規定”，以規范該頻段RFID 產(chǎn)品的應用。

1.2RFID協(xié)議一致性測試系統面臨的困難與挑戰
對于大多數已長(cháng)期應用的無(wú)線(xiàn)通訊系統，如GSM等，傳統測試儀器制造商已能夠為其提供綜合測試儀。典型的協(xié)議一致性測試配置包括一臺綜合測試儀和被測設備，其中綜合測試儀作為主單元，被測設備作為從單元，兩者之間通過(guò)射頻電纜相連或通過(guò)天線(xiàn)經(jīng)空中傳輸相連，在建立通訊鏈路的基礎上進(jìn)行參數的設置及測試。RFID技術(shù)作為無(wú)線(xiàn)通訊的新興領(lǐng)域之一，其協(xié)議一致性測試目前仍然較多的依靠信號發(fā)生器、頻譜儀和示波器等傳統儀器的組合，但由于RFID技術(shù)在具有無(wú)線(xiàn)通訊所共有的特性之外，又有著(zhù)其獨有的特殊性，采用傳統儀器的組合很難構建出完善的協(xié)議一致性測試系統。
首先，RFID閱讀器與標簽的測試與傳統設備的測試差異較大，以EPC UHF Class 1 Gen 2標準為例，閱讀器和標簽通訊的時(shí)序如圖1-1所示：

圖1-1：EPC UHF Class 1 Gen 2通訊時(shí)序
整個(gè)實(shí)時(shí)通訊過(guò)程在數毫秒內即全部完成，其中包含了2條指令以及2條應答交互的實(shí)時(shí)握手操作，即Query（指令）→RN16（應答）→ACK（指令）→PC+EPC+CRC16（應答），其中鏈接時(shí)間T1和T2都在微秒量級。根據協(xié)議標準，ACK指令中必須正確包含前一條應答中的16位隨機數，且在規定的鏈接時(shí)間T2之內反饋給標簽，否則通訊將失敗。因此采用預生成信號的方式無(wú)法完成實(shí)時(shí)通訊過(guò)程，測試系統必須具有在極短的時(shí)間內實(shí)時(shí)生成信號的能力，傳統的信號發(fā)生器無(wú)法滿(mǎn)足該協(xié)議的時(shí)序要求。
其次，RFID協(xié)議一致性測試的關(guān)鍵在于測試的完整性，必須根據一致性測試規范對被測單元進(jìn)行完整的物理層和協(xié)議層測試。傳統儀器通常只能夠完成對物理層參數的測試，而由于其靈活性的局限無(wú)法對協(xié)議層參數進(jìn)行測試。另一方面，由于測試條件眾多，對于單個(gè)參數，如鏈接時(shí)間等，需要在不同頻率，不同碼率，不同編碼方式等情況下分別進(jìn)行測試，這就使得測試點(diǎn)成幾何級數增長(cháng)。如果采用傳統儀器進(jìn)行手動(dòng)測試，完成完整的協(xié)議一致性測試將需要很長(cháng)的時(shí)間，如何提高測試速度也成為了RFID協(xié)議一致性測試系統的課題之一。
再次，RFID協(xié)議標準種類(lèi)眾多，有適用于近距離通訊的LF、HF頻段標準，還有適用于遠距離通訊的UHF、Microwave頻段標準，各個(gè)頻段內的標準還由于工作模式、數據傳輸等的不同而不同。每一種RFID協(xié)議都有自己獨特的測試需求，在ISO和EPCglobal制訂的各個(gè)RFID協(xié)議一致性測試規范中，對一致性測試系統的描述和要求也不盡相同。RFID協(xié)議標準的多樣性為協(xié)議一致性測試系統帶來(lái)了巨大的挑戰，如何用一個(gè)通用測試平臺來(lái)覆蓋所有的RFID協(xié)議標準，可靠的實(shí)現RFID協(xié)議一致性測試，是亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。
最后，RFID技術(shù)本身還在不斷演進(jìn)，包括ISO和EPCglobal在內的國際組織，以及RFID領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，還在不斷的完善現有協(xié)議，發(fā)展新協(xié)議，如即將發(fā)布的EPC HF Class 1 Gen 2標準將作為Mode 3對ISO 18000-3標準進(jìn)行擴展。新協(xié)議的出現，又會(huì )帶來(lái)新的物理層空中接口規定和協(xié)議層數據交換標準，因此需要一個(gè)靈活可擴展的測試平臺與之相適應，使之不僅能實(shí)現對現有RFID協(xié)議的一致性測試，也能快速應對下一代RFID協(xié)議的測試需求。

2.RFID協(xié)議一致性測試系統概述
目前應用于RFID協(xié)議一致性測試的系統主要有以下幾種構架方式，即：成功/失敗模式、監聽(tīng)模式、激勵/響應模式、實(shí)時(shí)仿真模式，依次覆蓋了從簡(jiǎn)單到復雜不同層次的一致性測試需求。本節中我們將對比不同構架的特點(diǎn)及其局限性，并引入軟件無(wú)線(xiàn)電等關(guān)鍵技術(shù)，結合各種測試構架來(lái)應對RFID協(xié)議一致性測試中面臨的困難與挑戰。

2.1RFID協(xié)議一致性測試系統的構架方式
1.成功/失敗模式
最簡(jiǎn)單的RFID協(xié)議一致性測試系統采用一個(gè)參考閱讀器與被測標簽之間進(jìn)行通訊，得出通訊成功或失敗的結果，以此判定被測標簽的特性，或反之采用參考標簽判定被測閱讀器的特性。成功/失敗模式如圖2-1所示：

圖2-1：成功/失敗模式
該測試模式的特點(diǎn)是系統構成簡(jiǎn)單，測試時(shí)間極短，適合于生產(chǎn)線(xiàn)等對測試速度要求很高的測試場(chǎng)合。但其缺點(diǎn)在于測試項目少，測試結果簡(jiǎn)單，僅能提供被測單元是否正常工作的信息，對于判定被測單元的協(xié)議一致性來(lái)說(shuō)是遠遠不夠的。另外，當遇到測試結果為失敗時(shí)，由于無(wú)法分析失敗的原因，不能夠對被測單元的改進(jìn)提供有用的信息。
2.監聽(tīng)模式
嚴格來(lái)說(shuō)，成功/失敗模式并未真正構成RFID協(xié)議一致性測試系統，該模式更多的只作為一種輔助的測試手段。針對成功/失敗模式的不足，我們可以在它的基礎上增加頻譜儀和示波器等儀器，構成監聽(tīng)模式。進(jìn)一步的，我們可以采用矢量信號分析儀等高級信號分析儀器替代頻譜儀和示波器，以獲得更加強大的信號分析能力。在該測試模式中，當參考單元和被測單元之間進(jìn)行數據交換時(shí)，我們可以通過(guò)第三方儀器對通訊的信號進(jìn)行采集和分析。監聽(tīng)模式如圖2-2所示：

圖2-2：監聽(tīng)模式
該測試模式能夠實(shí)現的協(xié)議一致性測試功能主要取決于兩個(gè)要素，首先是矢量信號分析儀。RFID協(xié)議一致性測試，要求矢量信號分析儀不僅具有傳統的時(shí)域和頻域分析功能，還需要具有針對RFID協(xié)議的解調和解碼功能，才能獲得通訊過(guò)程中的數據。同時(shí)，矢量信號分析儀還需要具備適合于RFID信號的同步觸發(fā)采集功能，如射頻功率觸發(fā)或頻譜模板觸發(fā)。由于幾乎所有RFID信號都是間斷的瞬時(shí)信號，具有射頻功率開(kāi)啟標志著(zhù)通訊開(kāi)始的共同特征，射頻功率觸發(fā)已成為最常用的觸發(fā)采集方式。除此之外，由于RFID閱讀器和標簽之間的通訊速率很快，受限于矢量信號分析儀的操作和信號處理速度，監聽(tīng)模式下無(wú)法實(shí)現對信號的實(shí)時(shí)分析，而只能采用實(shí)時(shí)采集，離線(xiàn)分析的方式，因此矢量信號分析儀的信號存儲能力就顯得至關(guān)重要了。
監聽(tīng)模式在彌補了成功/失敗模式的不足的同時(shí)，也存在著(zhù)同樣的局限性，即該測試模式的另一個(gè)要素，參考單元（閱讀器或標簽）。在RFID協(xié)議標準中，對于大多數參數的規定，都采用了靈活組合的方式，即閱讀器和標簽都可以在寬泛的范圍內進(jìn)行操作，如不同的調制參數、編碼方式、數據速率、強制的和可選的指令集等。需要說(shuō)明的是，協(xié)議標準規定閱讀器和標簽并不需要同時(shí)支持所有的參數組合方式，而由于研發(fā)和生產(chǎn)成本等因素的制約，實(shí)際的RFID產(chǎn)品也無(wú)法支持所有的參數組合方式。
參考單元的選擇很大程度上決定了該測試模式的效果，但尋找一個(gè)包含了所有功能的“完美”參考單元幾乎是不現實(shí)的。退一步來(lái)看，即使找到了“完美”參考單元，對于完成RFID協(xié)議一致性測試來(lái)說(shuō)還是不夠的，因為在協(xié)議一致性測試中，不僅需要測試協(xié)議規定的正確通訊流程，還需要執行非正常流程來(lái)測試被測單元在特定條件下的反應。
受參考單元功能限制的影響，監聽(tīng)模式很難實(shí)現全面的協(xié)議一致性測試，但對于協(xié)議一致性測試來(lái)說(shuō)，測試的完整性卻又是必須保證的。因此，監聽(tīng)模式只適合于基本的物理層測試，如不依賴(lài)于標簽應答的閱讀器射頻參數等。