UHF RFID系統(tǒng)中直接解碼碰撞的新方案

　　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?；鶐Ь幋a是獨(dú)立于調(diào)制方法的?；鶐Ь幋a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。

　　1.3.2 頻率和相位偏移估計(jì)

　　假設(shè)一個(gè)載波是cos(2πfct+θ[t])，從標(biāo)簽傳送到接收器，由于振蕩器等硬件原因，總是有一些頻率和相位上的偏移量，偏移量或誤差表示如下：

　　y[t]=Acos(2π(fc+ferr)t+θ[t])+G[t] (9)

　　通常情況下，接收方要估算頻率誤差，然后通過如科斯塔斯環(huán)等機(jī)制行進(jìn)補(bǔ)償。頻率是相位的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，所以，相偏移量估算包括頻率誤差。我們使用線性回歸來估算無碰撞符的相位偏移量，碰撞區(qū)域的相偏移量估算公式如下：

　　θerr[t+T]=θerr+α*T (10)

　　通過預(yù)測值與實(shí)際值的百分比差異計(jì)算出的相誤差結(jié)果顯示在圖2中。

　　它表明了我們可以預(yù)測出碰撞符的相位，甚至一些已知編碼的相位。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)信噪比級別為8±1dB和16±1dB。

　　1.4 信號重建

　　信號的采樣點(diǎn)位置是隨機(jī)的，會產(chǎn)生樣本偏移量。在閱讀器端，我們構(gòu)建每個(gè)編碼有N個(gè)樣本的隨機(jī)碼波，而不用去估算樣本偏移量。為了獲取接收到的隨機(jī)碼的副本，我們假設(shè)每個(gè)編碼的有n個(gè)采樣點(diǎn)，我們找到N/n個(gè)可能匹配的最好的一個(gè)?，F(xiàn)在，我們通過無碰撞位的第一個(gè)隨機(jī)碼得到了振幅和相位，可以通過已知編碼位和最佳匹配數(shù)型來重建此隨機(jī)碼。我們不能確定位1開始的位置，就不可以減去原隨機(jī)碼。在數(shù)據(jù)字段中我們把原始11位替換成連續(xù)的00位。對于第一個(gè)隨機(jī)碼，我們完全知道減法運(yùn)算后剩下的什么，但不是知道它的位置。第二個(gè)隨機(jī)碼做以上相同的操作，最后得到了兩種己知的編碼。

　　第一個(gè)隨機(jī)碼余下的編碼很大幾率與第二個(gè)隨機(jī)數(shù)的開頭相沖突，通過相關(guān)的測算可以找到第二個(gè)隨機(jī)數(shù)的開始端。在重建第二個(gè)隨機(jī)碼標(biāo)識和忽略這些信號都會產(chǎn)生相位跟蹤誤差。由于BPSK的內(nèi)在特性，無碰撞樣本的虛數(shù)部分為零，利用此特性，可以在跟蹤相誤差的時(shí)候找出無用的編碼并忽略掉。

　　1.5 獲取隨機(jī)碼

　　兩個(gè)隨機(jī)碼的余下的編碼位很可能在時(shí)域上同一位置發(fā)生沖突，我們通過確定的初始位置和改變這兩個(gè)隨機(jī)數(shù)的時(shí)域來解決這個(gè)問題。由于這兩個(gè)隨機(jī)數(shù)的取樣點(diǎn)距仍可計(jì)算，所以即使兩個(gè)1，0位是完全重疊，我們也可以對它們進(jìn)行解碼。與此同時(shí)，如果沒有初始編碼但噪聲等級超過閾值，我們將刪除整個(gè)碰撞。

　　2 實(shí)驗(yàn)

　　使甩GNU無線電和USRP2的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行方案的性能測試。此試驗(yàn)中使用了1個(gè)閱讀器和8個(gè)標(biāo)簽。雖然實(shí)際應(yīng)用中需要成百上千個(gè)標(biāo)簽，但是由于可以調(diào)整幀長來匹配標(biāo)簽數(shù)，所以此實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論同大規(guī)模系統(tǒng)得出的結(jié)論是一樣的。如圖3、圖4所示，圖中“one”表示解碼碰撞的兩個(gè)隨機(jī)碼中至少有一個(gè)是對的，“both”表示碰撞的兩個(gè)隨機(jī)碼都被成功解碼。

　　圖5表示的是3個(gè)隨機(jī)碼(K=3)碰撞的相似實(shí)驗(yàn)，解碼過程是一個(gè)迭代過程，由于碰撞的隨機(jī)碼向其它發(fā)送更多的信號噪聲，3個(gè)碰撞隨機(jī)碼的解碼率相比于2個(gè)的要相對低些。圖中曲線表明，此方案能在3個(gè)隨機(jī)碼碰撞情況下很好地解碼。

　　3 結(jié)論

　　本文通過設(shè)計(jì)新的隨機(jī)碼模式來減少固定長度隨機(jī)碼所攜帶的信息量使得它們能夠同時(shí)傳送。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明此方案較傳統(tǒng)的方案，標(biāo)簽讀取率有很大的提高。