基于CDMA的RFID讀寫器關(guān)鍵技術(shù)分析

杜平

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

RFID系統(tǒng)以其讀寫速度快、讀寫距離遠、無接觸式、高可靠性等特點越來越廣泛地應(yīng)用于零售業(yè)、倉庫管理、藥品管理、物流管理、高速公路收費等行業(yè)，是物聯(lián)網(wǎng)中一個重要組成部分[1]。隨著RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對其性能的要求也越來越高，標(biāo)簽之間的防沖突成為研究的熱點和關(guān)鍵。

美國的Caro Mutti和Caristian Floerkeneire用Gold序列和Kasami碼構(gòu)建CDMA與Aloha結(jié)合的標(biāo)簽應(yīng)用方案。Gustaw Mazurek在文章《Active RFID System With Spread-Spectrum Transmission》中采用了16個127位的Gold序列進行碼分信道研究[4]；2011年德國Andress Loefler等人用CDMA與時隙Aloha結(jié)合實現(xiàn)半無源電子標(biāo)簽的仿真；臺灣大學(xué)的劉馨勤等使用霍夫曼序列作為分?jǐn)U展頻譜的序列。由此可見國內(nèi)外學(xué)者在碼分RFID體制上有著不同的研究和探索。

將類似于CDMA蜂窩通信技術(shù)應(yīng)用到UHF RFID空中接口，在通信思想的基礎(chǔ)上實現(xiàn)正交碼分接入與擴展頻譜一體化，構(gòu)建碼分射頻識別系統(tǒng)，實現(xiàn)多信道標(biāo)簽信息同時接入，將增強讀取效率，緩解沖突的壓力[2]，提高的頻譜利用率和抗干擾能力[3]。

2 基于M序列的CDMA擴頻方法

將傳統(tǒng)的RFID接入方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈诺勒唤尤耄筊FID空中接口的接入能力大為增強，不再成為系統(tǒng)功能的瓶頸。CDMA通過擴頻技術(shù)，利用不同的正交序列實現(xiàn)多址方式，使多個標(biāo)簽的信息同時進行傳輸，將待傳信息與擴頻碼序列相乘來實現(xiàn)擴頻。每一個正交的擴頻序列提供一個信道標(biāo)簽，標(biāo)簽在每個讀取信令流程中隨機選擇唯一的正交序列，同時讀寫器也預(yù)存了此序列，以從接收的混合信號恢復(fù)出原數(shù)據(jù)。有多少個正交擴頻序列，就允許多少個標(biāo)簽在一個載波上同時通信，其空中接口的信令流程如圖1所示。多信道接入與傳統(tǒng)的單信道射頻識別相比，減小了沖突率，降低了通信協(xié)議中碰撞仲裁的壓力，從一定程度上緩解了標(biāo)簽應(yīng)答碰撞的問題。

2.1 M序列作為正交序列

基于CDMA的RFID系統(tǒng)抗干擾能力和容量由正交擴頻碼決定，因此擴頻碼決定了系統(tǒng)的性能甚至系統(tǒng)是否可用。由于移位M序列容易產(chǎn)生、序列個數(shù)多、自相關(guān)性好等特點，在擴頻通信中最早獲得廣泛地應(yīng)用[5-6]。M序列的正交特性為多信道并行應(yīng)答提供有力支撐，同時偽隨機特性實現(xiàn)了擴展頻譜的應(yīng)用。

2.2 M序列的生成

移位M序列是在線性移位寄存器的基礎(chǔ)上，加上異或反饋電路構(gòu)成的。一個n級線性反饋移位寄存器序列由n級寄存器和一組線性反饋邏輯電路組成。在RFID系統(tǒng)中兼顧信道數(shù)量和傳輸速率，采用的M序列不宜過長，如15位、31位都是很好的選擇。下面以31位M序列為例，介紹其生成方法。選取本原多項式G(x)=x5+x2+1，其生成電路如圖2所示：該電路可以產(chǎn)生總共31個正交序列，因此可以構(gòu)建31個正交信道[8]，其中一個正交序列是1010010000101011101100011111001。在讀寫器的發(fā)送指令之后，標(biāo)簽從M序列發(fā)生器中隨機選擇一個M序列構(gòu)建正交應(yīng)答信道。

圖1 多信道接入的RFID信令流程

圖2 15位M序列生成器

2.3 移位M序列的相關(guān)性

同一本原多項式產(chǎn)生的M序列族具有各態(tài)歷經(jīng)性和均衡性。在一個周期中，一個n級的M序列歷經(jīng)2n-1個狀態(tài)，其中每個序列“1”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多1個。

M序列的互相關(guān)性是指相同周期兩個不同的M序列一致的程度，其互相關(guān)值越接近于零，即互相關(guān)性越弱，反之互相關(guān)性較強。碼分多址RFID系統(tǒng)采用的是同一本原多項式的M序列。其相關(guān)函數(shù)為：

其中p為序列長度，xi、xi+j為兩個不同相位的碼元，取值為0和1，φ(0)=1，φ(1)=-1，從式中可以看出它的相關(guān)性取決于相同碼元和不同碼元的個數(shù)的差值。根據(jù)移位相加特性和均衡性可知，任意兩個序列按位求異或后所得序列仍是M序列，而異或后的結(jié)果中“0”和“1”的個數(shù)差為1個。因此它的互相關(guān)性是隨著序列長度的增加，它自相關(guān)性就越來越接近于白噪聲的自相關(guān)性。Matlab中分析得到M序列的相關(guān)性如圖3所示，其中31位M序列采用的是序列1010010000101011101100011111001，15位M序列采用的是110101111000100。

圖3 M序列的相關(guān)特性

圖4 讀寫器對多信道標(biāo)簽數(shù)據(jù)解擴

上圖中的M序列分別在周期點31處和15處顯示出了其自相關(guān)性[7]，其自相關(guān)性良好，其它點反映的是其互相關(guān)性，其互相關(guān)性較弱。對比31位和15位可以看出序列長度越長，其優(yōu)勢越明顯。兼顧信道數(shù)量和傳輸速率兩方面的因素，15位和31位都能夠滿足要求。

3 M序列解擴處理

多個標(biāo)簽在應(yīng)答讀寫器時需先經(jīng)過同步。讀寫器端接收的是多個標(biāo)簽混合的數(shù)據(jù)。解碼時將數(shù)據(jù)采樣后與所有信道的M序列進行相關(guān)運算而解擴（如圖4所示）。M序列族的選取在協(xié)議中已經(jīng)約定好，讀寫器將此序列族進行了預(yù)存。標(biāo)簽數(shù)據(jù)需要經(jīng)過n次相關(guān)計算，n為設(shè)定的所有信道數(shù)量[9]（如圖3所示）。如果某個信道有標(biāo)簽應(yīng)答時，相關(guān)運算結(jié)果數(shù)值比較大[10]，解擴成功。反之此信道沒有標(biāo)簽應(yīng)答時，該信道的序列與標(biāo)簽數(shù)據(jù)相關(guān)性非常低，此時的相關(guān)值不能達到預(yù)先設(shè)定的閾值。

3.1 同步信號捕獲

標(biāo)簽回應(yīng)讀寫器的信息是在讀寫器發(fā)送命令結(jié)束后75 μs。讀寫器在命令結(jié)束后75 μs前后一段時間內(nèi)進行標(biāo)簽數(shù)據(jù)同步信號捕獲，取70 μs~80 μs作為搜索區(qū)間較為合理。對其進行相關(guān)計算，并在區(qū)間結(jié)束時找出相關(guān)峰。如果最大值大于判決門限，那么定位成功，相關(guān)峰出現(xiàn)的位置就是標(biāo)簽應(yīng)答數(shù)據(jù)的起始。因為相關(guān)峰可能出現(xiàn)在這個區(qū)間任意位置，相關(guān)峰的確定必須設(shè)在區(qū)間結(jié)束時。比如區(qū)間結(jié)束時經(jīng)比較相關(guān)峰出現(xiàn)在72 μs，這時應(yīng)答數(shù)據(jù)應(yīng)從72 μs開始解擴，而72 μs～80 μs的數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失，因此需要將此區(qū)間的應(yīng)答信息預(yù)存。

3.2 并行加法器實現(xiàn)解擴

讀寫器將接收到的擴頻數(shù)據(jù)存儲移位寄存器中，并在每個時鐘信號到來時進行更新。本地M序列碼元為“0”時，取值“1”與標(biāo)簽數(shù)據(jù)對應(yīng)碼元相乘；本地M序列碼元為“1”時，取值“-1”與標(biāo)簽數(shù)據(jù)對應(yīng)碼元相乘。采用并行加法器實現(xiàn)此算法，各碼元的取值設(shè)置為加法器的系數(shù)，如圖5所示。將求和結(jié)果送入門限判決器進行判決，如果超過了設(shè)定閾值，就表明此數(shù)據(jù)為該M序列擴頻的信道數(shù)據(jù)。如果未超過設(shè)定門限，則表明此數(shù)據(jù)不是該信道數(shù)據(jù)。

圖5 讀寫器并行解擴

4 讀寫器設(shè)計方案

讀寫器的設(shè)計采用ARM和FPGA共同完成數(shù)字信號處理及實現(xiàn)協(xié)議，并控制模擬部分。模擬部分主要完成頻率合成、功率控制、多路天線，載波抵消、數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，總體設(shè)計如圖6所示：

圖6 讀寫器設(shè)計方案

5 結(jié)論

將碼分多址復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到RFID系統(tǒng)中，因為其擴頻特性提高了抗干擾能力，由于正交特性使多個標(biāo)簽同時接入，從而提高了讀取效率。移位M序列族良好的正交特性和靈活性等特點支撐了本方案的實現(xiàn)。此技術(shù)如果能夠得到推動和應(yīng)用，將在很大程度上緩解傳統(tǒng)RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽沖突問題，為傳統(tǒng)RFID發(fā)展帶來了新的研究方向。在實際行業(yè)應(yīng)用中，由于該技術(shù)目前還處于驗證階段，并行應(yīng)答標(biāo)簽的同步問題仍需要合理的解決方案，才可進一步推動行業(yè)的發(fā)展。