一種解決多個讀寫器電磁干擾的有效方法

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(天津科暢慧通信息技術有限公司，天津 300399)

引 言

射頻識別系統(tǒng)包括標簽和讀寫器。射頻識別技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號對目標對象進行射頻識別，并向目標對象獲取相關數(shù)據(jù)。這種識別操作無須人工干預，可應用于各種惡劣環(huán)境，同時射頻識別技術可以對高速運動的物體進行識別，且可同時對多個標簽進行識別，操作起來方便快捷。

現(xiàn)有的射頻識別系統(tǒng)包括：無源射頻識別系統(tǒng)和有源射頻識別系統(tǒng)，兩者的本質(zhì)區(qū)別在于前者的標簽從讀寫器的發(fā)射波形中獲取能量，后者的標簽自身具有能源供應。

在無源射頻識別系統(tǒng)中，射頻識別系統(tǒng)的沖突包括讀寫器信號沖突和標簽信號沖突。針對標簽側沖突，ISO18000-6B/C協(xié)議、國標協(xié)議的防碰撞算法都明確給出了解決標簽的碰撞問題。而讀寫器側的碰撞，由于標簽是無源的，沒有防讀寫器碰撞機制，因此在多讀寫器環(huán)境下同時向同一標簽發(fā)射信號時，標簽無法解碼碰撞的讀寫器信息，造成讀寫器無法識讀到標簽。

1 讀寫器碰撞場景分析

1.1 載波同向

圖1 兩讀寫器載波同向干擾示意圖

如圖1所示，R1和R2是2個相鄰讀寫器，當兩個讀寫器同時工作時，其電磁場存在相互重疊的部分，即A區(qū)域。在此區(qū)域的標簽，存在漏讀的可能。這是因為若讀寫器R1和R2同時工作，在A區(qū)域的標簽因為同時收到R1和R2的射頻信號，這兩個讀寫器的射頻信號相互疊加，使得標簽解調(diào)后的基帶波形因相互疊加而變形，造成標簽側譯碼錯誤。因此標簽無法識別讀寫器的空口指令，造成讀寫器R1和R2均無法識讀該標簽。

另一種可能引起漏讀的情況是：當R1和R2分時發(fā)射電磁波，但處于相同的session中時，R1識讀到重疊區(qū)A的標簽，當R1結束識讀后關閉電磁波，此時R2開啟電磁波，造成標簽無法掉電。因此在讀寫器R1下一輪識讀時，因為標簽時隙計數(shù)器值很大，無法識讀到標簽。同理，讀寫器R2也存在無法識讀到標簽的情況。

1.2 載波相對

圖2 兩讀寫器載波相對干擾示意圖

如圖2所示，讀寫器R3和R4相互朝對方發(fā)射電磁波，此時重疊區(qū)域是B。當R3和R4同時發(fā)射載波時，載波信號會相互疊加。在B區(qū)域內(nèi)的標簽同樣會因為信號相互疊加變形而無法正確譯碼，造成讀寫器R3和R4識讀標簽失敗。

當R3和R4不同時發(fā)射載波，但處于相同的session中時，R3識讀到B區(qū)域的標簽，關閉載波，此時R4發(fā)射載波，由于B區(qū)域內(nèi)標簽沒有掉電，標簽時隙計數(shù)器值很大而無法識讀到該標簽。

2 讀寫器防碰撞方法

傳統(tǒng)解決干擾的方法主要有三種：時分復用(TDMA)、頻分復用(FDMA)、碼分復用(CDMA) 。

TDMA為時分多址技術，其是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙，在滿足定時和同步的條件下，發(fā)送端發(fā)出的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各接收端只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來而不混擾。

FDMA為頻分多址技術，通過把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個等間隔的頻道分配給不同的設備，由于各設備占用不同的頻率，即采用不同的載波頻率，接收時通過濾波器選取特定頻段的信號并抑制無用干擾，從而接收到正確信號。

CDMA為碼分多址技術，其原理是將需傳送的具有一定信號帶寬信息的數(shù)據(jù)用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把帶寬信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。

上述多址機制不能直接應用在射頻識別系統(tǒng)中,這是因為：

① 在FDMA 方式中, 讀寫器使用不同的頻率和射頻標簽通信。由于射頻標簽沒有頻率調(diào)諧電路, 因此射頻標簽不能選擇一個特定的讀寫器與其通信。如果射頻標簽增設頻率調(diào)諧電路功能, 將大大增加射頻標簽的成本, 因此FDMA不適合應用在射頻識別系統(tǒng)中。

② 在TDMA 方式中, 讀寫器被分配不同的時隙, 以避免讀寫器同時詢問/發(fā)送射頻信號。這就要求讀寫器之間互聯(lián)互通，并且有一定的算法。在移動式網(wǎng)絡中, 沒有干擾的讀寫器因為相互靠近而出現(xiàn)干擾, 需要重新分配時隙。動態(tài)分配時隙降低了RFID 系統(tǒng)識讀速率。

③ 在CDMA方式中，要求電路上有更為復雜的標簽電路, 標簽的使用數(shù)量往往非常大，考慮到成本因素，標簽電路應該盡量簡單, 所以一般不會采用CDMA。

3 系統(tǒng)設計

3.1 設計思想

圖3 讀寫器干擾解決方案示意圖

如圖3所示，讀寫器1連接天線A和天線B，讀寫器2連接天線C和天線D。其中天線A對應車道1，天線B對應車道2，天線C對應車道3，天線D對應車道4，天線B和天線C是不同讀寫器的相鄰天線，存在相互干擾的情況。

為了讓讀寫器1和讀寫器2互不干擾，需要將二者完全分時工作。本文給出了一種設計思想，通過讀寫器的GPIO端口協(xié)調(diào)兩臺相鄰車道的讀寫器分時工作，具體就是用一根線連接讀寫器1和讀寫器2的GPIO端口。這根線起到為兩臺讀寫器通信的作用，代表讀寫器的空閑和工作兩種狀態(tài)，比如低電平表示空閑，高電平表示工作。

每臺讀寫器都在同時工作，但是當工作天線是兩個讀寫器相鄰車道的天線(簡稱碰撞天線)時，就需要判斷另一臺讀寫器碰撞天線的狀態(tài)(空閑或者工作)。若另一臺讀寫器空閑，則可以下發(fā)標簽識讀指令，否則需要等待，直到另一臺讀寫器碰撞天線狀態(tài)為空閑。當然，等待需要有個超時時間，不然就會存在一臺讀寫器一直工作、另一臺讀寫器不工作的情況。超時時間的數(shù)值可以根據(jù)實際應用場景設定。

3.2 設計流程

圖4給出了解決讀寫器相互干擾的具體流程。流程如下：

① 當前讀寫器開啟一輪識讀時，首先判斷當前天線是否是另一臺讀寫器的碰撞天線，若不是，則進入正常的識讀流程。

② 若當前天線是另一臺讀寫器的碰撞天線，需要獲取連接兩臺讀寫器的GPIO電平，這里假設低電平表示另一臺讀寫器處于空閑狀態(tài)，高電平表示另一臺讀寫器處于工作狀態(tài)。

③ 若GPIO電平為低電平，說明另一臺讀寫器的碰撞天線處于空閑態(tài)，需要配置該端口GPIO為高電平，表示當前讀寫器在工作狀態(tài)，同時設置工作超時定時器，以防止當前讀寫器一直工作下去。開始下發(fā)識讀指令，獲取標簽信息。若當前天線識讀完畢或者工作超時，定時器時間到，配置GPIO為低電平，表示當前天線工作完畢，狀態(tài)是空閑態(tài)。

④ 若GPIO電平為高電平，此時說明另一臺讀寫器碰撞天線處于工作態(tài)，需要不斷查詢GPIO電平，直到電平變成低電平，說明另一臺讀寫器碰撞天線停止工作，當前讀寫器可以啟動工作。再重復步驟③。

圖4 讀寫器相互干擾解決方案流程圖

4 實驗結果及分析

實驗環(huán)境框圖如圖2所示，準備兩臺超高頻讀寫器，工作頻率為922 625 MHz，空口協(xié)議采用EPC協(xié)議，前反向速率分別是80 kbps和160 kbps，反向編碼方式是FM0。每臺讀寫器連接一個天線，天線發(fā)射電磁波方向相向。在兩天線電磁場的重疊區(qū)放置一個射頻標簽，分別對比了使用本文第3節(jié)解決方案前后讀寫器的識讀情況，對比數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 讀寫器使用本方案前后識讀次數(shù)對比圖

從表1給出的實驗結果可以看出：使用本方案后，讀寫器1和讀寫器2均能識讀到重疊區(qū)標簽，相比未用本方案的實驗結果，可以看出大大提高了識讀成功率，規(guī)避了標簽漏讀情況，完全解決了讀寫器相互干擾而無法識讀重疊區(qū)標簽的問題。這說明讀寫器輪動工作，相當于先進行沖突檢測，在沒有沖突的情況下，再進行識讀操作，大大提高了識讀成功率。

結 語