UHF RFID系統(tǒng)中直接解碼碰撞的新方案

摘要：通過改造UHF RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽的隨機(jī)碼生成器，重新設(shè)計(jì)隨機(jī)碼模式，并為RFID閱讀器添加碰撞解碼系統(tǒng)，改善碰撞時(shí)隙，使相撞的多個(gè)隨機(jī)碼可被直接解碼，系統(tǒng)的性能顯著提高。在基于GNU無線電和USRP2的實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)此方案以驗(yàn)證其可行性。理論分析和測試平臺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)簽讀取率較傳統(tǒng)方案有顯著提高。
關(guān)鍵詞：超高頻射頻識別；碰撞；直接解碼；GNU無線電和USRP2

0 引言
超高頻射頻識別(UHF RFID)是一種新興的無線技術(shù)，它使得微機(jī)芯片能夠遠(yuǎn)程供電和對標(biāo)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(yīng)用多樣化已日益普及，如庫存控制和定位。常使用的RFID的標(biāo)準(zhǔn)之一是EPC Globle Class 1 Generation 2(簡稱EPC Globle C1G2)。根據(jù)EPC標(biāo)準(zhǔn)，多個(gè)標(biāo)簽可以在分幀時(shí)隙ALOHA算法下進(jìn)行訪問通道。以前的工作主要集中在研究更有效的算法來找到最佳的幀長來調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以提高RFID系統(tǒng)的效率。這些方案的效率都約束于ALOHA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縮寫為DDC)增加RFID系統(tǒng)吞吐率的實(shí)用設(shè)計(jì)。其原理是減少固定長度隨機(jī)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(jī)碼在同一個(gè)時(shí)隙發(fā)生碰撞，此方案能夠達(dá)到和只收到一個(gè)隨機(jī)碼相同的性能，同時(shí)利用更有效的標(biāo)簽數(shù)估計(jì)算法得到相撞標(biāo)簽的數(shù)量。這種設(shè)計(jì)新的隨機(jī)碼模式和能夠解碼碰撞的隨機(jī)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(diào)制
此方案重點(diǎn)在于RFID系統(tǒng)中的FM0基帶和二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)調(diào)制。為了通過無線信道傳輸隨機(jī)碼，標(biāo)簽映射位映射到基帶碼，然后通過調(diào)制把基帶碼映射到復(fù)合信號。

如圖1所示，F(xiàn)M0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。基帶編碼是獨(dú)立于調(diào)制方法的。基帶編碼轉(zhuǎn)化為模擬信號，BPSK調(diào)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(tǒng)它通常是915MHZ左右。無線信號通常表示為離散復(fù)數(shù)，實(shí)部表示為I，虛部表示為Q。這使得載波相位變化設(shè)計(jì)簡化。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(diào)制中可取0或θ，符號i表示虛數(shù)單位，復(fù)數(shù)的實(shí)部是I=Acosθ[t]，虛部是Q=Asinθ[t]。I和Q組成一個(gè)復(fù)數(shù)用來在兩個(gè)無線終端之間傳輸和接收。
1．2 標(biāo)簽端
我們使用θ[t]來表示在物理層中第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(jī)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(shù)。這種替換的基本規(guī)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(xù)的0更換為兩個(gè)連續(xù)的1位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，例如曼徹斯特解碼的大部分的數(shù)據(jù)編碼方法通過限制使用“1”位可以達(dá)到這一要求。最后我們有式(2)來表示標(biāo)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(xù)位0。這里的重點(diǎn)是，b[t]的數(shù)據(jù)是已知的。為了攜帶數(shù)據(jù)，我們加入ξ[t]，這樣，ξ[t]的開始位置是信息的關(guān)鍵。如圖1所示，信號電平中1表示為ξ[t]，連續(xù)的0表示為b[t]。在一個(gè)典型的UHF RFID系統(tǒng)，標(biāo)簽傳送一個(gè)隨機(jī)碼，這個(gè)隨機(jī)碼有已知的開頭和結(jié)束信號。基信號b[t]可以編排成任何已知的形式。加權(quán)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)過無線通道后，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(fù)數(shù)，G[t]是隨機(jī)噪聲。當(dāng)閱讀器收到兩個(gè)碰撞的隨機(jī)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(yīng)當(dāng)指出，上述公式并不意味著這兩個(gè)隨機(jī)碼的第n個(gè)取樣是重疊的，我們只是使這個(gè)公式討論起來更加清晰。這兩個(gè)隨機(jī)碼有著相同的基信號b[t]，這個(gè)基信號可以通過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構(gòu)建步驟估計(jì)出來，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(biāo)簽沒有發(fā)生碰撞，就能夠通過推算樣本偏移量和振幅來解碼ξ1[t]和ξ2[t]。
1．3．1 振幅估計(jì)
在第一次收到的隨機(jī)碼的開頭一般都有無碰撞符。無碰撞符也是程序開始位。我們可以通過首個(gè)RN的無碰撞符來估計(jì)振幅。我們收到的是復(fù)數(shù)y[t]，首次無碰撞復(fù)數(shù)的振幅可以表示為：

I1和Q1都可以通過無碰撞符精確地推算出來。第二個(gè)隨機(jī)碼的振幅可以從碰撞的尾端數(shù)據(jù)估計(jì)出來。上面公式是常見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。