在有源RFID 系统中,通信方式是最重要的一个环节,几乎左右了整个系统的性能,下面以2. 4GHz 频段为例,分别从调制方式、通信机制和数据帧结构等三个方面对其进行讨论。

1. 调制方式

因为RFID 的数据量要求不高,一般而言,以每秒20 个标签的阅读能力为限,假定阅读一次每个标签大约需要1000 比特的数据量,那么总共的数据速率为20kb/ s ,属于低数率通信的范畴。因此,传输时不需要使用调制效率很高的方式(如16QAM等) 。另外,鉴于我国在2. 4GHz 频段(即ISM频段) 上对于发射功率的要求,所以选择扩频的方式是最佳的。常见的扩频方式有直接扩谱(DS) 和跳频(FH) 两种,由于同频段中蓝牙使用的是跳频,所以应该选择直接扩谱,在最大程度上保持与蓝牙设备的兼容性。2. 4GHz 频段的带宽为83. 5MHz ,可将其分割成16 个信道,每个信道约占5MHz。那么,假设数据传输信道编码的效率是1/ 2 ,每个信道的处理增益近似可达到125 ,能使信噪比得到很大的改善。为进一步提高传输速率,为今后扩展提供裕量,实际采用的调制方式可以选择O – QP2SK,并且在I 通道和Q 通道上同时传输信息。扩频码可以选用32chip 的PN 码。完全采用上述设计,传输的数据率可达到250kb/ s。

2. 通信机制

在通信机制的设计中需要兼顾两个问题:可靠性高和通信时间短。前者是由其应用的范围所决定的,因为RFID 通常用于门禁、物流和交通收费等应用,其差错率要求在极小的范围内。后者主要是从功耗和检测速度上考虑的,如果通信时间长,势必标签的电池消耗大,将缩短标签的使用寿命;再者,通信时间短也能够提高单位时间内访问标签的数量,增强其实用性。为此,设计如下标签的工作机制,如图2 所示。
RFID2
该工作机制中定义了标签的四种工作状态:休眠态,信道查询态,半休眠态和通信态。
●休眠态:是指除定时器外,标签的所有部件均停止工作。
●信道查询态:是指标签被某事件唤醒后,查询信道上的有效阅读器信号。
●半休眠态:如果与其他标签发生碰撞,暂时休眠一段时间。
●通信态:建立了与阅读器有效的连接,实现数据的传输。

大多数情况下,标签处在休眠状态。此时,标签上几乎所有的部件均停止工作,但定时器正常工作。当其计数到休眠唤醒时间后,将标签唤醒,进入信道查询态。处在信道查询态的标签,查询可能的信道,检测是否存在阅读器发出的有效信号。如果存在,且ID 检测标志为0 ,则在相应的信道上发送申请信号,申请与阅读器通信。当收到阅读器返回的确认信号后,即建立了有效的连接,进入信道查询态。如果在一定的时间内没有收到阅读器的回应,则认为与其他标签发生碰撞,根据一定的算法,休眠一段时间,即进入半休眠状态,等待再次唤醒。由此可见,半休眠态与休眠态之间的差别是两者的唤醒时间间隔不同,前者较短,而后者较长。如果阅读器信号存在,且ID 检测标志为1 ,表示它已经被阅读,立即返回休眠态。如果阅读器信号不存在,则认为在阅读器有效范围之外,立即进入休眠态。当半休眠态的标签被唤醒时,依然进入信道查询态。当标签进入通信态后,按照阅读器所发送的命令,传送所携带的信息供阅读器访问。通信结束后, ID 检测标志将被置起,然后标签进入休眠态。标签按照上述机制,便能够实现一次完整的通信。 检测后,再进入休眠态的标签相应的ID 检测标志是为1的,这将阻止它与阅读器之间通信。这种措施,主要是为了减少一个阅读器对于同一个标签的多次访问,但如果该标志一直不变,将影响其他阅读器对该标签的访问。因此,在休眠一定时间后,必须强行地将ID 检测标志清除。在通信态,如果在一定的时间中无法收到阅读器的合法命令,通信失败,立即返回休眠态。

由于2. 4GHz 频段并非RFID 独占,因此必须考虑与其他短距离无线设备兼容,相应地解决方法有三种:信道的自适应选择、缩短通信时间和重传机制。信道的自适应选择是在信道查询态完成的,阅读器会检测所有的信道,选择噪声最小的信道作为通信信道,也既选择了对其他设备影响最小的信道。缩短通信时间是在信道查询态和通信态中需要注意的,查询态中主要是指链路建立的时间要尽可能地短,通信态中数据传输的时间要短。重传机制是一种无奈之举,可以改进通信态对于通信失败的处理,返回信道查询态,再次试图建立通信。

3.数据的帧格式

在通信时,数据的帧格式如下:
RFID3
前导码是为了让接收机作同步使用,接下来数据部分,包括数据长度,数据负荷和校验数据。对阅读器而言,数据负荷是状态、命令和相应的参数;对标签而言,数据负荷是其存储的信息。阅读器的状态主要表示是否在进行标签数据传输,当阅读器和标签建立起通信,该状态为1 ,反之则为0 ,这样可以在一定程度上减少碰撞。命令包含两大类:读数据命令和编辑数据命令,读数据命令在大多数情况下发送,完成数据查询功能;编辑数据命令仅在一些特定情况下使用,完成标签信息的生成。 在有源RFID 系统中,如何降低标签的功耗是一个关键技术。总结前面内容中相关的部分,大致有以下几点:一,信号的调制方式是O – QPSK且I、Q 通道同时使用,在相同信息的条件下,较二进制传输的传输时间缩短了,减小了功耗;二,采用扩频技术缩短了同步时间;三,半双工的工作方?减少了功耗;四,由于调制方式相对简单,所以相应的电路功耗较小。