RFID 系統(tǒng)中多讀寫器抗干擾探究

姚嘉鑫

（四川旅游學(xué)院,成都,610100）

0 引言

RFID 系統(tǒng)應(yīng)用場景非常廣泛，但是無論在那種場景下都可能存在多個識別標(biāo)簽，需要多個讀寫器對標(biāo)簽進行掃描和識別。當(dāng)環(huán)境中的讀寫器數(shù)量較多時，受無線信道環(huán)境和其他因素限制，不可避免的會出現(xiàn)干擾問題。如何避免RFID 系統(tǒng)中的干擾，增強RFID 系統(tǒng)的可靠性是多讀寫器應(yīng)用環(huán)境下RFID 系統(tǒng)研究的熱點之一。

1 RFID 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的發(fā)展RFID 系統(tǒng)的生產(chǎn)和部署成本得到了降低，而應(yīng)用性能則顯著提升，因而RFID 系統(tǒng)被廣發(fā)應(yīng)用在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化以及其他運輸與控制管理領(lǐng)域中。目前，RFID的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用功能主要集中在電子物品監(jiān)視、物流控制、定位等領(lǐng)域。

2 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

完整的RFID 系統(tǒng)包含三部分內(nèi)容，分別為用于存儲目標(biāo)對象相關(guān)信息的識別標(biāo)簽Tag、用于對識別標(biāo)簽內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)進行讀寫與識別的讀寫器Reader 以及后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如下圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

（1）RFID 標(biāo)簽。識別標(biāo)簽被放置在目標(biāo)對象中，可依照一定的存儲方式和存儲要求在標(biāo)簽內(nèi)集成的存儲芯片中格式化存儲目標(biāo)對象的相關(guān)信息。標(biāo)簽使用類似于條碼技術(shù)的條碼符號進行信息存儲與信號收發(fā)。一個完整的識別標(biāo)簽由射頻收發(fā)天線和微芯片構(gòu)成。其中射頻收發(fā)天線主要用于進行無線通信，而微芯片則集成了編碼、調(diào)制、控制、存儲等功能，能夠依照預(yù)定的格式對目標(biāo)對象的唯一識別數(shù)據(jù)進行編碼和存儲。

（2）讀寫器。讀寫器是RFID 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端，主要負責(zé)對射頻覆蓋范圍內(nèi)的RFID 標(biāo)簽進行識別和信號處理。讀寫器會向其周圍空間發(fā)送射頻信號，當(dāng)RFID 標(biāo)簽接收到該信號時會被激活，之后讀寫器收發(fā)RFID 標(biāo)簽發(fā)送的相關(guān)信息即可完成對目標(biāo)對象的讀寫操作。

（3）后端數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。完備的RFID 系統(tǒng)需要強大的后端數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供相關(guān)的管理和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。通過該系統(tǒng)可以實時、高效地完成RFID 標(biāo)簽的數(shù)據(jù)更新、位置與進度查詢以及相關(guān)信息的處理等功能。閱讀器與后端數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)間的協(xié)同合作使得整個RFID 系統(tǒng)最終實現(xiàn)自動化識別和便捷化管理。

2.2 RFID 系統(tǒng)工作原理

以被動式RFID 標(biāo)簽為例，該標(biāo)簽首先會依照目標(biāo)對象的特點進行格式化數(shù)據(jù)存儲，然后被放置在目標(biāo)對象中，將目標(biāo)對象接入RFID 系統(tǒng)。當(dāng)需要對該目標(biāo)對象進行操作時，使用相應(yīng)的讀寫器向RFID 標(biāo)簽發(fā)送射頻信號，該信號被標(biāo)簽的接收天線接收后會在標(biāo)簽內(nèi)部生成感應(yīng)電流，激活標(biāo)簽，使其進入到工作狀態(tài)。工作狀態(tài)中下的RFID 標(biāo)簽會向激活其工作的讀寫器發(fā)送一個響應(yīng)信號，該相應(yīng)信號中包含目標(biāo)對象的相關(guān)信息，對其進行解調(diào)、解碼和數(shù)據(jù)提取等功能，即可進行下一步的后端數(shù)據(jù)處理操作。

3 多讀寫器環(huán)境下的抗干擾方案設(shè)計原則

增強多讀寫器環(huán)境下RFID 系統(tǒng)的抗干擾性主要是對RFID網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃，使得系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。

3.1 RFID 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性

RFID 系統(tǒng)具有非常明顯的非對稱性、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜性和易沖突性等特點。非對稱性是指RFID 標(biāo)簽的功能相對單一，不能對系統(tǒng)環(huán)境中的其他通信行為進行檢測，進而無法采用移動通信中的上行信號假設(shè)理論，故其通信結(jié)構(gòu)具有非對稱性；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜性是指RFID 系統(tǒng)中存在多種物體和射頻信號，這會使得RFID標(biāo)簽與讀寫器在進行通信時不可避免的會出現(xiàn)多徑衰減、信號干擾等現(xiàn)象；易沖突性是指系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的信號數(shù)量非常多，容易導(dǎo)致識別失敗等問題。

3.2 RFID 系統(tǒng)在多讀寫器環(huán)境下的干擾分類

對系統(tǒng)干擾進行分類可將其分為讀寫器與讀寫器之間的射頻干擾和讀寫器與識別標(biāo)簽間的相互干擾。

在讀寫器與讀寫器之間的射頻干擾方面，當(dāng)一個讀寫器A 進入到另一個讀寫器B 的射頻讀寫范圍時，其所發(fā)射的射頻信號會被讀寫器B 接收，還會對讀寫器B 所讀寫的標(biāo)簽反射信號造成干擾。

在讀寫器與識別標(biāo)簽之間的射頻干擾方面，若某一識別標(biāo)簽同時處于兩個或多個讀寫器射頻讀寫范圍時，同時讀寫操作很容易會對識別標(biāo)簽的射頻信號產(chǎn)生干擾，使該射頻信號出現(xiàn)衰減或失真等，致使讀寫器無法正確讀寫該識別標(biāo)簽。

3.3 覆蓋原則

基于力學(xué)的覆蓋原則主要依靠節(jié)點的移動性為每一個節(jié)點賦予一個系統(tǒng)模型下的虛擬吸引力和排斥力，依照力學(xué)中吸引力和排斥力的特性不斷調(diào)整節(jié)點的位置即可達到最佳的網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀態(tài)。

基于網(wǎng)格的覆蓋原則是指將RFID 系統(tǒng)覆蓋區(qū)域進行網(wǎng)格化處理，以每一個讀寫器的覆蓋范圍為基礎(chǔ)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋率進行計算，調(diào)整重疊區(qū)域的大小，實現(xiàn)最小干擾的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

基于計算機幾何的覆蓋原則是使用不同形狀的多邊形對RFID 系統(tǒng)覆蓋區(qū)域進行劃分，分別計算不同劃分結(jié)構(gòu)下RFID 系統(tǒng)節(jié)點覆蓋效果，直至保證整個系統(tǒng)區(qū)域被覆蓋。

4 多讀寫器環(huán)境下的抗干擾方案

傳統(tǒng)信號間的相互干擾需要使用多種編碼復(fù)用技術(shù)，如時分復(fù)用、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用等，但是在RFID 系統(tǒng)中應(yīng)用這些復(fù)用技術(shù)時不僅會極大的增加系統(tǒng)成本，還會為標(biāo)簽中的電路實現(xiàn)提出更為苛刻的要求，如碼分復(fù)用方式會隨著RFID 標(biāo)簽數(shù)量的增加而增加識別碼的使用；頻分復(fù)用方式會隨著RFID 標(biāo)簽數(shù)量的增加而使用更多的無線信道。

為提升多讀寫器環(huán)境下的RFID 系統(tǒng)抗干擾性能，可以采用如下協(xié)同工作或系統(tǒng)解決方案。

4.1 Listen before talk 技術(shù)

Listen before talk 技術(shù)，即通信前偵聽技術(shù)，是由RFID系統(tǒng)歐標(biāo)制定組織ETSI 所提出的多讀寫器協(xié)同工作方法，其實現(xiàn)原理與以太網(wǎng)中的SCMA 技術(shù)實現(xiàn)原理非常相似。具體的，當(dāng)多讀寫器環(huán)境中的某一個讀寫器需要與其射頻覆蓋范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽進行通信時會首先對其無線空間內(nèi)的信道環(huán)境進行查詢，確認該信道是否處于空閑狀態(tài)，若信道處于空閑狀態(tài)，則認為信道可用，該讀寫器可以使用該空閑信道進行射頻信號收發(fā)；若信道處于使用狀態(tài)，則認為信道不可用，該讀寫器進入等待狀態(tài)，同時對信道環(huán)境進行繼續(xù)查詢。

顯然，該技術(shù)可有效防止多讀寫器同時使用同一信道時所出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象發(fā)生，但是其并沒有提出有效的解決方案來消除讀寫器對RFID 標(biāo)簽的干擾，因為某些情況下信道處于空閑狀態(tài)時也有可能存在隱藏終端。

4.2 分時抗干擾解決技術(shù)

針對讀寫器與標(biāo)簽間的抗干擾實現(xiàn)，可以應(yīng)用時分復(fù)用技術(shù)對系統(tǒng)進行改進和完善。使用該技術(shù)可以獲得較好的抗干擾效果，且抗干擾實現(xiàn)更為靈活，應(yīng)用場景更為廣泛。

讀寫器與RFID 標(biāo)簽間的相互干擾主要是多個讀寫器射頻覆蓋范圍相互重疊，同時對RFID 標(biāo)簽進行讀寫所引起的。在該特征情況下，若能夠?qū)FID 系統(tǒng)進行網(wǎng)格化處理，標(biāo)注出其中各讀寫器在空間范圍內(nèi)的位置分布，并對它們進行分組規(guī)劃，然后再使用分時相關(guān)技術(shù)進行通信，則能夠有效避免讀寫器與RFID 標(biāo)簽間出現(xiàn)干擾問題。

具體地，在讀寫器對RFID 標(biāo)簽干擾消除方面，對讀寫器定位完畢后計算相鄰讀寫器之間的距離，若兩者之間的距離小于讀寫半徑之和，即兩者存在射頻重疊區(qū)域，則將這兩個讀寫器進行分時處理，讓他們共享同一信道，進行時分復(fù)用。經(jīng)過上述處理過程可以將RFID 系統(tǒng)區(qū)域范圍內(nèi)的所有讀寫器分為若干個組，每一組均具有一個相對獨立的時隙，小組內(nèi)的讀寫器均使用該時隙進行射頻收發(fā)。這樣即可有效避免同組中讀寫器對RFID 標(biāo)簽的干擾問題。需要注意的是，分組的選取原則應(yīng)該是盡量保證每一組讀寫器在區(qū)域范圍內(nèi)的均勻分布和等數(shù)量分布，這樣可以提升系統(tǒng)工作效率。

4.3 應(yīng)用實例

假設(shè)一個規(guī)則的矩形空間，其平面尺寸為 平方米，其中總共部署了40 個讀寫器，相鄰讀寫器間的距離為4 米，讀寫器的射頻覆蓋范圍為2.5 米，該條件下讀寫器可實現(xiàn)對整個倉庫的覆蓋。但是不可避免的會出現(xiàn)射頻覆蓋范圍重疊等問題，若不對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，則必然會出現(xiàn)干擾問題。此時將所有讀寫器分為兩組，任一讀寫器與和其相鄰的讀寫器不同組，這樣相鄰讀寫器之間的最小距離由4 米變?yōu)榱?.656 米，此時為每組讀寫器分配不同的工作時隙即可避免讀寫器對標(biāo)簽產(chǎn)生干擾，其分組拓撲圖如圖2 所示。

5 總結(jié)

RFID 系統(tǒng)實現(xiàn)成本相對較低，應(yīng)用場景豐富，可充分應(yīng)用無線射頻技術(shù)的性能優(yōu)勢提升識別速度和數(shù)據(jù)傳輸速度，是條形碼技術(shù)的替代技術(shù)之一，在未來社會發(fā)展中必然會得到廣泛、重點的關(guān)注與應(yīng)用。但是當(dāng)應(yīng)用場景相對復(fù)雜時不可避免的會出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象。研究多讀寫器環(huán)境下的RFID 系統(tǒng)特性，對讀寫器的放置位置進行合理部署，降低系統(tǒng)各讀寫器和RFID 標(biāo)簽間的相互干擾對提升系統(tǒng)性能，促進RFID 系統(tǒng)應(yīng)用具有重要意義。

圖2 讀寫器分組網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

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