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有源RFID 的性能及其应用前景
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1 引言
现代社会生活中,对于信息的需求日益增长,例如在货运中对货物相关信息的查询、门禁系统对于进出人员的查询、收费路口对于车辆的查询等。如果采用传统的手工方式,即耗费人力又耗费时间,所以现在越来越多地借助电子技术来完成信息的查询。常见的方法主要是条形码和RFID ,其中RFID是射频识别(Radio Frequency Idenfication) 的简称,它是利用无线电技术在阅读器和电子标签之间建立通信,达到信息查询的目的。尽管条形码广泛应用,但其局限性也显而易见。首先,在阅读器和条形码之间不能有障碍物;其次,条码标签必须清洁无磨损,且条码与阅读器之间必须保持适当的角度;再者,条码标签的内容无法随意修改。相比之下,RFID 的技术优势就更明显了。RFID 不需要光源,能在恶劣的环境下阅读,读取距离远,可同时处理多个标签,而且其信息可以修改。因此,RFID 将比条形码的发展空间更为广阔。
根据实现的方式不同,RFID 可分为两类———有源RFID和无源RFID。无源RFID 的电子标签上不带电池,其工作所需要的全部电源都依靠转换接收到的阅读器发送的电磁波而获得,所以其阅读器的发射功率一般较大。与之相反,有源RFID的电子标签自身具备电池,可提供全部器件工作的电源,因而相应阅读器的发射功率要求不高,而且有效阅读距离也较前者有所增加。本文着重介绍有源RFID ,就其技术特点以及相关应用作深入的分析和详细的介绍。
2 频段的选择
有源RFID 系统的主要性能参数有两个:最大通信距离和无线信号的传播。
众所周知,相同发射功率下,低频电磁波比高频电磁波的传播距离长。电磁波在媒质中传播时的衰减与其波长有直接关系,波长越短衰减越大。例如,信号A 传播10 米后其功率衰减10 % ,那么信号B的频率如果只有它的一半,则传播20米后,功率才衰减10 %。因此,频率在100MHz 以下的应该作为首选。尽管这样,100MHz 在使用上还存在许多实际因素的制约。使用低频的系统,如使用13. 56MHz ,其信息的交互主要依靠电感耦合,但电感耦合的距离非常有限,最多只能达到6 米。当然,可以考虑一些能够支持远距离传输的电感耦合设备,但它们在抗噪方面不够理想。
在复杂环境中,电磁波的传播与它的波长和频率有关。在仓库、车站和码头等地方,RFID 信号在有障碍物时能否有效地传播是非常重要的。更特别的是,这些障碍物大多都是金属的,如汽车和金属架等,电磁波通常无法穿透这些障碍物,只能依靠衍射来绕过它们。衍射的效果与电磁波的波长和障碍物的物理尺寸两者的比例有关系。例如,选用433MHz的频段,其波长大约为1 米,能够较容易地绕过汽车和集装箱等大型的障碍物。如果选用2. 4GHz 的频段,其波长仅为0. 1米左右,相应的衍射能力就有限多了,较使用前者的系统可能会多一些盲点,有效范围也会略微小一些。
尽管从纯理论角度看,100MHz 至1GHz 频段内最适合用于RFID ,具体数据如图1 所示。但RFID 频段的选择还受各国无线管理规定的约束。[1 - 3 ]
●工作时间:无源RFID 的标签没有电源,依靠对阅读器发射信号的反射来实现通信,所以必须连续工作。而有源RFID 是用自身的电池供电,可以支持远距离通信,因而标签和阅读器的通信方式能够比较灵活。有源RFID 数据通信的时间可以控制在10 %左右,当然也可以根据数据的传输速率和系统可靠性等指标的需要灵活调整。
●调制方式:调制方式在不同的频段中具体的要求都不同。例如在2. 4GHz 的频段,大多要求采用扩频通信。这些都会在一定程度上增加标签和整个系统的成本。根据我国在无线频段管理上的相关规定,能够使用的频段在2. 4GHz ,且应该采用扩谱的调制方式,从而达到低功率的要求。
3 通信方式
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。[4 - 7 ]
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。
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,也既是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. 数据帧格式
在通信时,数据的帧格式如下:
4. 低功耗的设计
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,半双工的工作方式,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。
4 应用实例
最近在国内,上海国际港务集团有限公司在其数字化港口建设中,对集装箱电子标签技术尤为重视。在上海市的大力支持下启动了内贸集装箱电子标签示范线建设,其系统架构如图4 所示。在示范线上,智能标签安装在集装箱的箱体表面,天线和读写设备安装在集装箱运行通道和集装箱吊运设备上,读写器可以向电子标签读写集装箱运输中的信息,并通过数据接口用有线传输和天线传输方式与集装箱管理系统进行数据交换,达到集装箱的自动识别和实时管理。
整个示范线的建设将依靠自主的知识产权研制和开发大量的设备和软件,其中包括:集装箱电子标签、道口电子标签读写设备、码头吊运设备上的电子标签读写设备、流动吊运设备上的电子标签读写设备、手持电子标签读写设备、吊运设备操作室的显示控制终端以及支持集装箱电子标签系统的港区无线通信网络、基于集装箱电子标签自动识别系统的集装箱实时信息交换平台、支持集装箱电子标签系统的电子标签中间件平台等大型系统软件。
5 结论
有源RFID 具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大,可靠性高和兼容性好等特点,与无源RFID 相比,在技术上的优势非常明显。正因为如此,它被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。希望RFID 能够成为一个契机,让我国在现代物流等若干领域缩短与世界先进国家的差距。
参考文献:
[1]李锦涛等,射频识别(RFID) 技术及其应用,中国科学院计算技术研究所内部刊物—信息技术快报[J] ,2004 年第11期。
[2]Steve Hodges etc. , Demystifying RFID: Principles & Practicali2 ties , White Paper , Auto2id centre Institute for Manufacturing[D] . University of Cambridge , October 1 , 2003.
[3]Hao Min etc. , RFID in China , White Paper[D] . Auto2id center Fudan University , Department of microelectronics , October 1 ,2003.
[4]Sanjay Sarma etc. , On the Future of RFID Tags and Protocols ,Technical Report [ Z] . Auto2id center Massachusetts Institute of Technology , June 1 , 2003.
[5]Vince Stanford , Pervasive Computing Goes the Last Hundred Feet with RFID [ J ] . Systems pervasive computing , April2June 2003 (Vol. 2 , No. 2) , pp. 9 - 14
[6]Roy Want , Enabling Ubiquitous Sensing with RFID[J ] . Comput2 er ,April 2004(Vol. 37 , No. 4) , pp. 84286
[7] P. R. Foste , R. A. Burberry , Antenna problems in RFID system[J] . IEEE Colloquium on RFID Technology , pp. 3/ 1 - 3/ 5 , 25 Oct. 1999
现代社会生活中,对于信息的需求日益增长,例如在货运中对货物相关信息的查询、门禁系统对于进出人员的查询、收费路口对于车辆的查询等。如果采用传统的手工方式,即耗费人力又耗费时间,所以现在越来越多地借助电子技术来完成信息的查询。常见的方法主要是条形码和RFID ,其中RFID是射频识别(Radio Frequency Idenfication) 的简称,它是利用无线电技术在阅读器和电子标签之间建立通信,达到信息查询的目的。尽管条形码广泛应用,但其局限性也显而易见。首先,在阅读器和条形码之间不能有障碍物;其次,条码标签必须清洁无磨损,且条码与阅读器之间必须保持适当的角度;再者,条码标签的内容无法随意修改。相比之下,RFID 的技术优势就更明显了。RFID 不需要光源,能在恶劣的环境下阅读,读取距离远,可同时处理多个标签,而且其信息可以修改。因此,RFID 将比条形码的发展空间更为广阔。
根据实现的方式不同,RFID 可分为两类———有源RFID和无源RFID。无源RFID 的电子标签上不带电池,其工作所需要的全部电源都依靠转换接收到的阅读器发送的电磁波而获得,所以其阅读器的发射功率一般较大。与之相反,有源RFID的电子标签自身具备电池,可提供全部器件工作的电源,因而相应阅读器的发射功率要求不高,而且有效阅读距离也较前者有所增加。本文着重介绍有源RFID ,就其技术特点以及相关应用作深入的分析和详细的介绍。
2 频段的选择
有源RFID 系统的主要性能参数有两个:最大通信距离和无线信号的传播。
众所周知,相同发射功率下,低频电磁波比高频电磁波的传播距离长。电磁波在媒质中传播时的衰减与其波长有直接关系,波长越短衰减越大。例如,信号A 传播10 米后其功率衰减10 % ,那么信号B的频率如果只有它的一半,则传播20米后,功率才衰减10 %。因此,频率在100MHz 以下的应该作为首选。尽管这样,100MHz 在使用上还存在许多实际因素的制约。使用低频的系统,如使用13. 56MHz ,其信息的交互主要依靠电感耦合,但电感耦合的距离非常有限,最多只能达到6 米。当然,可以考虑一些能够支持远距离传输的电感耦合设备,但它们在抗噪方面不够理想。
在复杂环境中,电磁波的传播与它的波长和频率有关。在仓库、车站和码头等地方,RFID 信号在有障碍物时能否有效地传播是非常重要的。更特别的是,这些障碍物大多都是金属的,如汽车和金属架等,电磁波通常无法穿透这些障碍物,只能依靠衍射来绕过它们。衍射的效果与电磁波的波长和障碍物的物理尺寸两者的比例有关系。例如,选用433MHz的频段,其波长大约为1 米,能够较容易地绕过汽车和集装箱等大型的障碍物。如果选用2. 4GHz 的频段,其波长仅为0. 1米左右,相应的衍射能力就有限多了,较使用前者的系统可能会多一些盲点,有效范围也会略微小一些。
尽管从纯理论角度看,100MHz 至1GHz 频段内最适合用于RFID ,具体数据如图1 所示。但RFID 频段的选择还受各国无线管理规定的约束。[1 - 3 ]
●工作时间:无源RFID 的标签没有电源,依靠对阅读器发射信号的反射来实现通信,所以必须连续工作。而有源RFID 是用自身的电池供电,可以支持远距离通信,因而标签和阅读器的通信方式能够比较灵活。有源RFID 数据通信的时间可以控制在10 %左右,当然也可以根据数据的传输速率和系统可靠性等指标的需要灵活调整。
●调制方式:调制方式在不同的频段中具体的要求都不同。例如在2. 4GHz 的频段,大多要求采用扩频通信。这些都会在一定程度上增加标签和整个系统的成本。根据我国在无线频段管理上的相关规定,能够使用的频段在2. 4GHz ,且应该采用扩谱的调制方式,从而达到低功率的要求。
3 通信方式
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。[4 - 7 ]
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。
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,也既是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. 数据帧格式
在通信时,数据的帧格式如下:
4. 低功耗的设计
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,半双工的工作方式,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。
4 应用实例
最近在国内,上海国际港务集团有限公司在其数字化港口建设中,对集装箱电子标签技术尤为重视。在上海市的大力支持下启动了内贸集装箱电子标签示范线建设,其系统架构如图4 所示。在示范线上,智能标签安装在集装箱的箱体表面,天线和读写设备安装在集装箱运行通道和集装箱吊运设备上,读写器可以向电子标签读写集装箱运输中的信息,并通过数据接口用有线传输和天线传输方式与集装箱管理系统进行数据交换,达到集装箱的自动识别和实时管理。
整个示范线的建设将依靠自主的知识产权研制和开发大量的设备和软件,其中包括:集装箱电子标签、道口电子标签读写设备、码头吊运设备上的电子标签读写设备、流动吊运设备上的电子标签读写设备、手持电子标签读写设备、吊运设备操作室的显示控制终端以及支持集装箱电子标签系统的港区无线通信网络、基于集装箱电子标签自动识别系统的集装箱实时信息交换平台、支持集装箱电子标签系统的电子标签中间件平台等大型系统软件。
5 结论
有源RFID 具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大,可靠性高和兼容性好等特点,与无源RFID 相比,在技术上的优势非常明显。正因为如此,它被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。希望RFID 能够成为一个契机,让我国在现代物流等若干领域缩短与世界先进国家的差距。
参考文献:
[1]李锦涛等,射频识别(RFID) 技术及其应用,中国科学院计算技术研究所内部刊物—信息技术快报[J] ,2004 年第11期。
[2]Steve Hodges etc. , Demystifying RFID: Principles & Practicali2 ties , White Paper , Auto2id centre Institute for Manufacturing[D] . University of Cambridge , October 1 , 2003.
[3]Hao Min etc. , RFID in China , White Paper[D] . Auto2id center Fudan University , Department of microelectronics , October 1 ,2003.
[4]Sanjay Sarma etc. , On the Future of RFID Tags and Protocols ,Technical Report [ Z] . Auto2id center Massachusetts Institute of Technology , June 1 , 2003.
[5]Vince Stanford , Pervasive Computing Goes the Last Hundred Feet with RFID [ J ] . Systems pervasive computing , April2June 2003 (Vol. 2 , No. 2) , pp. 9 - 14
[6]Roy Want , Enabling Ubiquitous Sensing with RFID[J ] . Comput2 er ,April 2004(Vol. 37 , No. 4) , pp. 84286
[7] P. R. Foste , R. A. Burberry , Antenna problems in RFID system[J] . IEEE Colloquium on RFID Technology , pp. 3/ 1 - 3/ 5 , 25 Oct. 1999
