空間站物資標(biāo)簽高可靠性編碼方案

許成鑫，魏傳鋒，李學(xué)東

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

國(guó)際空間站物資具有種類多、數(shù)量大和信息量大的特點(diǎn)[1]。為了提高航天員的工作效率，國(guó)際空間站上采用了射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)進(jìn)行物資管理[2]。作為RFID技術(shù)的重要組成部分之一，物資電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)了物資的身份信息，只有保證此部分信息的正確性，才能夠保障RFID系統(tǒng)正常運(yùn)行。目前，關(guān)于提高電子標(biāo)簽中信息在傳輸過(guò)程中的可靠性的研究已經(jīng)取得了一些成果[3-7]，在EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，電子標(biāo)簽中信息要有16位的循環(huán)冗余校驗(yàn)[3]。

國(guó)際空間站對(duì)物資電子標(biāo)簽中信息的可靠性要求遠(yuǎn)高于商用RFID系統(tǒng)的要求，而目前文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)的研究成果均集中于對(duì)已有信息源的可靠性進(jìn)行增強(qiáng)，而沒有從信息源本身出發(fā)，通過(guò)改進(jìn)編碼方案來(lái)增強(qiáng)電子標(biāo)簽信息的可靠性。另一方面，隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)簽中存儲(chǔ)空間的不斷增加，增強(qiáng)電子標(biāo)簽可靠性的方法一般都考慮增加所存儲(chǔ)的物資身份信息種類，但是由于物資身份信息種類有限，并且標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息過(guò)多或者存儲(chǔ)一些物資說(shuō)明信息而非物資直接身份標(biāo)識(shí)信息，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時(shí)間延長(zhǎng)和功耗增加。

本文結(jié)合空間站物資管理需求和EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種增強(qiáng)空間站物資電子標(biāo)簽信息可靠性的編碼方案，在電子標(biāo)簽具有相同存儲(chǔ)空間的情況下，利用部分存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)物資基本信息，然后對(duì)這部分信息進(jìn)行糾錯(cuò)編碼。并通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真對(duì)新方案和傳統(tǒng)方案的可靠性進(jìn)行了比較。

1 RFID技術(shù)及糾錯(cuò)碼基礎(chǔ)

1.1 RFID技術(shù)基礎(chǔ)

RFID系統(tǒng)一般由讀寫器、電子標(biāo)簽以及天線組成（如圖1所示）。RFID讀寫器接收到RFID電子標(biāo)簽的信息并解碼后即可獲得物資基本身份信息，然后將該信息送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得物資更加詳細(xì)的信息，最終實(shí)現(xiàn)物資識(shí)別和管理。

圖1 RFID系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of RFID system

圖2展示了普通的RFID電子標(biāo)簽樣式，其中僅包含物資代號(hào)；條形碼和電子標(biāo)簽中的信息相同并互為備份，當(dāng)電子標(biāo)簽中的內(nèi)容無(wú)法正確解讀時(shí)，操作人員通過(guò)手動(dòng)輸入條形碼中的內(nèi)容即可獲得物資的信息。此種標(biāo)簽雖然可以降低對(duì)電子標(biāo)簽存儲(chǔ)容量的要求，但是可靠性不高，標(biāo)簽中的物資身份信息不具備任何自我糾錯(cuò)能力。當(dāng)標(biāo)簽信息傳輸錯(cuò)誤或者硬件損壞導(dǎo)致標(biāo)簽內(nèi)容無(wú)法解讀時(shí)，該標(biāo)簽將無(wú)法正常工作，從而降低系統(tǒng)工作效率，增加了管理人員的時(shí)間開銷。目前，國(guó)際空間站所使用的RFID標(biāo)簽與此形式類似[2]。

圖2 RFID標(biāo)簽示例Fig. 2 Example of RFID tag

1.2 糾錯(cuò)碼基礎(chǔ)

差錯(cuò)控制編碼按照功能用途可分為檢錯(cuò)碼、糾錯(cuò)碼和糾刪碼。這3類碼之間沒有明顯區(qū)分，任何一類碼，按照譯碼方法不同，均可作為檢錯(cuò)碼、糾錯(cuò)碼或糾刪碼來(lái)使用[8]。

按對(duì)信息元處理方法的不同，通常將差錯(cuò)控制編碼分為分組碼與非分組形式的碼。本文將以分組碼為例，進(jìn)行編碼可靠性的設(shè)計(jì)和分析。分組碼是把信源輸出的信息序列以k個(gè)碼元?jiǎng)澐譃橐欢危ㄟ^(guò)編碼器把這k個(gè)信息元按一定規(guī)則產(chǎn)生r個(gè)校驗(yàn)（監(jiān)督）元，輸出長(zhǎng)為n=k+r的一個(gè)碼組。分組碼用(n,k)表示，n表示碼長(zhǎng)。在一種分組碼中，任意兩個(gè)碼組之間的距離最小值稱為該分組碼的最小距離，記為d。分組碼最小距離與糾錯(cuò)能力具有如下關(guān)系。

1）定理1：任一(n,k)分組碼，若要在碼組內(nèi)[8]，

①檢測(cè)q個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則要求d≥q+1；

②糾正t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則要求d≥2t+1。

2）定理2：二進(jìn)制(n,k)分組碼滿足關(guān)系[7]

二進(jìn)制對(duì)稱信道（Binary Symmetric Channel,BSC）經(jīng)常用于糾錯(cuò)碼簡(jiǎn)化分析，其信道模型如圖3所示，圖中e為翻轉(zhuǎn)概率，即碼元受到噪聲等因素影響出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。

圖3 二進(jìn)制對(duì)稱信道模型Fig. 3 Model of binary symmetric channel

2 新方案可靠性分析

2.1 方案簡(jiǎn)介

原始電子標(biāo)簽的編碼方案是：在電子標(biāo)簽可用的存儲(chǔ)空間范圍內(nèi)，存儲(chǔ)物資的兩項(xiàng)或者多項(xiàng)唯一性標(biāo)識(shí)信息，例如物資的代號(hào)和物資名稱等。讀寫器讀取標(biāo)簽中的存儲(chǔ)信息后，首先分析其中一項(xiàng)物資標(biāo)識(shí)信息，例如物資的代號(hào)，如果能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)中準(zhǔn)確定位物資，則停止分析其他數(shù)據(jù)；如果第一項(xiàng)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)受損，無(wú)法用于識(shí)別物資，則再分析第二項(xiàng)標(biāo)識(shí)；依此類推，對(duì)電子標(biāo)簽中的物資標(biāo)識(shí)信息逐項(xiàng)進(jìn)行讀取，直至可以識(shí)別物資；如果所有標(biāo)識(shí)信息都無(wú)法確認(rèn)物資身份，則判定標(biāo)簽失效，采用其他方式進(jìn)行物資信息確認(rèn)。

與原始方案相比，新方案的不同之處在于減少了部分物資標(biāo)識(shí)信息，空余出部分存儲(chǔ)空間對(duì)每一項(xiàng)物資的標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，然后用剩余的空間存儲(chǔ)校驗(yàn)信息。讀寫器讀取標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息后，首先進(jìn)行糾錯(cuò)解碼，獲得物資的標(biāo)識(shí)信息，如果能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)中準(zhǔn)確定位物資，則停止分析其他數(shù)據(jù)；如果解碼錯(cuò)誤，無(wú)法用于識(shí)別物資，則分析物資第二項(xiàng)標(biāo)識(shí)；依此類推，對(duì)電子標(biāo)簽中的物資標(biāo)識(shí)信息逐項(xiàng)進(jìn)行讀取和糾錯(cuò)，直至可以識(shí)別物資；如果所有標(biāo)識(shí)信息都無(wú)法確認(rèn)物資身份，則判定標(biāo)簽失效，采用其他方式進(jìn)行物資信息確認(rèn)。

兩種方案在標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電子標(biāo)簽原始方案和新方案的信息結(jié)構(gòu)Fig. 4 Information structure of initial code scheme and new code scheme of electric labels

2.2 方案可靠性理論分析

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，同時(shí)又不失代表性，本文假設(shè)原始方案中存儲(chǔ)兩項(xiàng)物資標(biāo)識(shí)信息，新方案中存儲(chǔ)一項(xiàng)經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)編碼的物資標(biāo)識(shí)信息；采用BSC

其中：

因?yàn)樵趯?shí)際RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，通過(guò)控制手持讀寫設(shè)備與標(biāo)簽的距離以及增加發(fā)射功率，可以保證e足夠??；同時(shí)，由于受到RFID存儲(chǔ)芯片的限制并考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜度，RFID系統(tǒng)標(biāo)簽的存儲(chǔ)空間一般不會(huì)太大，標(biāo)簽中信息的數(shù)量不會(huì)很多?；谏鲜龇治?，可以令Me?1，當(dāng)e足夠小時(shí)，可以得到

因此

當(dāng)t=0時(shí)，

此時(shí)，新方案與原始方案原理相同，而新方案僅有一項(xiàng)物資身份標(biāo)識(shí)信息，故原始方案的性能要優(yōu)于新方案的性能。

當(dāng)t=1時(shí)，

因?yàn)椋?/p>

當(dāng)t≥2時(shí)，

因?yàn)椋琺1和m2均為大于0的整數(shù)，所以P1的最小值為

由上述分析可知，在存儲(chǔ)空間相同的條件下，采用合適的糾錯(cuò)碼，滿足條件t＞logMe e2-1時(shí)，新方案的可靠性要優(yōu)于原始方案。上述分析過(guò)程可以進(jìn)行擴(kuò)展，用于分析在電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)多項(xiàng)物資標(biāo)識(shí)信息的情況。

3 方案可靠性仿真比較

本節(jié)通過(guò)數(shù)值仿真的形式，對(duì)原始方案和新方案的性能進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

下面分析當(dāng)e固定、t變化時(shí)，兩種方案的性能。仿真過(guò)程中令e=0.001，M=100，則Me=0.1＜1，m1=50，按照定理 2，d≤50，則t＜24，即當(dāng)碼長(zhǎng)為100 bit，信息位為50 bit時(shí)，存在能夠糾正不少于24 bit的糾錯(cuò)碼，從而確保了新方案的切實(shí)可行。按照上述理論分析，當(dāng)t＞6時(shí)，新方案的性能要優(yōu)于原始方案的性能。圖5給出了隨著t的變化，原始方案和新方案實(shí)際無(wú)法識(shí)別概率和分析得到的近似數(shù)值。由圖5可以看出，原始方案的實(shí)際值與近似值幾乎重合，新方案的實(shí)際值小于近似值，與分析結(jié)果吻合。仿真結(jié)果表明，原始方案的無(wú)法識(shí)別概率為10-3量級(jí)，而新方案當(dāng)t=6時(shí)的無(wú)法識(shí)別概率為10-5量級(jí)。因此當(dāng)t＞6時(shí)，新方案的性能優(yōu)于原始方案的性能，與理論分析相吻合。按照實(shí)際無(wú)法識(shí)別概率比較，當(dāng)t=3時(shí)，新方案的無(wú)法識(shí)別概率已經(jīng)低于原始方案。說(shuō)明，在上述仿真條件下，選用滿足條件的糾錯(cuò)碼，新方案的可靠性要高于原始方案。

圖5 原始方案和新方案的無(wú)法識(shí)別概率Fig. 5 Probabilities of identification failure of initial scheme and new scheme

基于上述仿真條件，假設(shè)航天員在軌共需要掃描105次標(biāo)簽，每次掃描標(biāo)簽操作，從準(zhǔn)備到數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)法讀取的時(shí)間為30 s，同時(shí)令t=6，按照概率計(jì)算，則原始方案需要重新掃描約100次，而新方案只需要重新掃描約 1次，比原始方案少掃描99次，共節(jié)省工作時(shí)間約 50 min。而國(guó)際空間站在軌運(yùn)行時(shí)間久，每次上行補(bǔ)給物資數(shù)量數(shù)以千計(jì)，再加上在軌物資的定期盤點(diǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)等工作，航天員需要掃描標(biāo)簽的次數(shù)將超出假設(shè)次數(shù)；同時(shí)，在軌操作難度大還將導(dǎo)致航天員完成一次標(biāo)簽掃描操作花費(fèi)的時(shí)間延長(zhǎng)。因此，新方案與原始方案相比將大大節(jié)省航天員在軌物資管理時(shí)間，同時(shí)減少設(shè)備損耗和功率消耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的編碼形式，提出一種適用于空間站物資管理的新編碼方式。該方案對(duì)物資基本信息進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，以系統(tǒng)復(fù)雜度小幅增加為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽信息可靠性的較大提高，降低了因?yàn)闃?biāo)簽失效而使航天員無(wú)法正常管理物資的概率，從而節(jié)省了物資管理的時(shí)間。另外，標(biāo)簽信息可靠性增強(qiáng)后，也可以減少多次讀取標(biāo)簽信息所導(dǎo)致的功率損耗，從而節(jié)省能源。理論分析與仿真結(jié)果吻合，證明了該方案能夠降低無(wú)法識(shí)別概率，提高系統(tǒng)可靠性。

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