CN106508105B

CN106508105B - 用于射频识别的读写器到标签的信息传输方法

Info

Publication number: CN106508105B
Application number: CN201010052674.8A
Authority: CN
Inventors: 庄奕琪; 刘伟峰; 高林; 冯敬; 耿力; 宋继伟; 刘文莉; 王文峰; 袁理; 夏娣娜
Original assignee: Xidian University; China Electronics Standardization Institute
Current assignee: Xidian University; China Electronics Standardization Institute
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-12-24

Abstract

本发明提供一种用于射频识别的读写器到标签的信息传输方法，包括：读写器发射连续高电平射频载波；标签接收所述载波后被激活，发送一个身份识别码；读写器接收到该身份识别码后，产生并发送一个帧同步序列；标签接收到该帧同步序列后对其解调并保存到存储器中，并返回一个接收标识符；读写器接收到接收标识符后，根据后台控制***的指令产生并编码基带命令，将帧同步序列产生器产生的帧同步序列和编码后的基带命令调制并发送，其中帧同步序列附在基带命令的前面；标签解调含有数据的载波信号，将解调后的帧同步序列与保存的帧同步序列进行比较，如果相同，在两者之间建立同步通信，同时标签对该基带命令进行解码并根据命令执行下一步操作。

Description

用于射频识别的读写器到标签的信息传输方法

技术领域

本发明涉及一种射频识别通信技术，特别涉及一种用于射频识别的读写器到标签的信息传输方法。

背景技术

通信领域的射频识别(RFID)技术是利用射频方式进行远距离通信以达到识别物品的自动识别技术。该技术和当今数字化移动商务相适应，可以实现自动识别和远程实时监控及管理，是当代信息技术中的热门技术之一。将RFID标签安装在需要认证的物品上，该标签通过电磁波发送关于该物品的身份信息给接收装置，RFID***按这种工作方式可以追踪和管理几乎所有物理对象。RFID在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪技术等众多领域具有广泛的应用前景。

一般的射频识别***由三个部分组成，即RFID标签、读写器以及后台数据管理***。为了简单起见，下文中将RFID标签简称为标签。读写器通过天线发送一定频率的射频信号，当标签进入天线的工作区域时，标签接收到射频信号从而获得能量被激活，在标签和读写器之间建立了通信，标签将自身保存的信息发送给读写器，读写器对接收信号进行解调和解码后，通过接口将标签的信息数据传输给后台数据管理***，同时也可以执行数据管理***发来的命令，执行不同的功能。

RFID***按照标签上是否包含外接电源，可分为具有有源标签的RFID***和具有无源标签的RFID***两类。无源标签自身没有电源，因此无源标签工作所需的所有能量必须从读写器发出的射频载波中获得。与此相反，有源射频标签包含一个电池，为标签的工作提供全部或部分能量。

在无源RFID***中，标签工作所需的能量是从来自读写器发送的载波中提取的，并以反向散射方式工作。目前超高频频段常用的RFID通信协议为IS0-18000-6B/C，其读写器到标签发射的编码方式分别为Manchester编码和PIE编码。

Manchester编码能够提供给标签工作所需的能量，作为等长编码，传输效率比较高。但是编码后的码元序列中高电平占空比各为50％，能量利用率非常低。

PIE编码也能够提供给标签工作所需的能量，但是由于对数据0编码的长度与对数据1编码的长度不一样，解码时需要一个更高频率的采样电路来对编码符号进行采样计数，通过计数值与一个阈值比较，解码出数据0和数据1，这样由于数字基带工作的频率比较高，就会产生比较大的功耗，而且出现误差的概率也比较大。另外，非等长编码也不利于数据传输效率的提高。

因此，标签的能量问题成为无源RFID技术性能提升的一个瓶颈。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于射频识别的读写器到标签的信息传输方法，包括如下步骤：

(1)读写器通过天线向外发射一定长度的连续高电平射频载波；

(2)当标签接收到读写器发送的所述连续高电平射频载波后，从中获得能量而被激活，发送一个身份识别码给读写器；

(3)读写器接收到标签的身份识别码后，产生一个帧同步序列并将其调制到射频载波上，然后发送给该标签；

(4)标签接收到该帧同步序列后对其进行解调并将其保存到存储器中，同时给读写器返回一个表示帧同步序列接收完成的接收标识符；

(5)读写器接收到接收标识符后，根据后台控制***的指令产生基带命令并对其进行编码，将帧同步序列产生器产生的帧同步序列和编码后的基带命令调制到射频载波上，通过天线发送出去，其中帧同步序列附在基带命令的前面，其中该编码方法如下所述：用一个单位时间长度的高电平脉冲表示码元“1”，用一个单位时间长度的低电平脉冲表示码元“0”；用两个码元“10”表示信源数据中的二进制数0；当信源数据中出现单独的二进制数1时，用两个码元“11”表示该二进制数1；当信源数据中出现连续的二进制数1时，用两个码元“11”表示奇数位的二进制数1，用两个码元“01”表示偶数位的二进制数1；

(6)标签对接收到含有帧同步序列和基带命令的载波信号进行解调，将解调后的帧同步序列与存储器中保存的帧同步序列进行比较，如果两个序列相同，则标签发送一个表示同步建立的同步建立标识符给读写器，在两者之间建立同步通信，同时标签对该基带命令进行解码并根据命令执行下一步操作。

进一步，如果两个序列不相同，所述标签发送一个表示同步错误的同步错误标识符给读写器，该读写器接收到所述同步错误标识符后重新产生一个帧同步序列并发给标签，该标签和读写器之间执行所述步骤4-6直到建立了同步通信。

进一步，所述连续高电平射频载波不包含任何数据信息，其长度最少为8个编码周期。

进一步，所述帧同步序列为“1010V1”，其中V表示违例。

在RFID***的读写器到标签的链路中使用本发明提供的信息传输方法，与使用Manchester编码的和PIE编码执行信息传输相比，能够给标签提供更多的能量，误码率更低。

另外，经过实验验证，本发明的信息传输方法的传输效率与Manchester编码相当，高于PIE编码。

附图说明：

图1是用于射频识别的读写器和标签的通信***示意图；

图2是使用本发明的通信方法的读写器和标签的结构框图；

图3是本发明提供的编码方法的示意图；

图4是根据本发明的编码方法对数据编码的实例图；

图5是根据本发明的用于射频识别的读写器到标签的通信方法的流程图；

图6是使用Manchester、PIE和本发明的三种编码方法的高电平占空比示意图；

图7是使用Manchester、PIE和本发明的三种编码方法的误码率对比示意图。

具体实施方式：

下面将参考附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1为用于射频识别的读写器和标签的通信***示意图，读写器向外发射ACK调制信号，当一个或多个标签进入到读写器的工作范围内时可以接收到读写器发射的射频信号，根据接收的命令可以返回所需要的数据信息；读写器接收到该数据信息后将其传输给计算机数据管理***。

图2是使用本发明的通信方法的读写器和标签的结构框图，如图所示读写器包括具有接收和发射功能的天线，起调制和解调作用的调制解调器，用于编码种解码的编解码器，用于产生帧同步序列的帧同步序列产生器，以及用于产生基带命令和其它命令的读写控制器；同样，标签也具有天线、调制解调器、编解码器，另外该标签还包括用于将射频载波转化成标签工作所需要的电压的倍压整流电路，用于保存各种数据信息的存储器，和用于执行数据读写操作和产生各种标志代码的数据控制器。

本发明提供的读写器到标签的通信过程为：(1)读写器通过天线向外发射一定长度的连续高电平射频载波，该载波不包含任何数据信息，该长度最少为8个编码周期；(2)标签接收到该射频载波后，其内部的倍压整流电路将该射频载波转化成标签工作所需要的电压，此时标签被激活并产生一个0-15位的二进制随机数，如果该随机数为0，则标签直接将表示该标签身份的身份识别码发射出去，如果该随机数不为0，则标签自动对该随机数进行减1操作，直到该随机数变为0时再将该身份识别码发射出去；如果有两个或两个以上的标签产生的随机数同时为0，此时发生碰撞，即读写器同时接收到两个或两个以上的身份识别码，该读写器发送重新产生随机数的命令给相应的多个标签而不执行下一步操作；(3)读写器接收到标签的身份识别码后，由帧同步序列产生器产生一个帧同步序列并将其传送给调制解调器，将其调制到射频载波上，然后发送给标签，其中该帧同步序列可以采用任何已知的结构，只要其能够实现接收方和发射方之间建立同步通信即可，例如帧同步序列产生器可以根据6C协议产生帧同步序列“1010V1”，其中V表示违例；(4)标签接收到该帧同步序列后对其进行解调并将其保存到存储器中，同时给读写器返回一个表示帧同步序列接收完成的接收标识符；(5)读写器接收到接收标识符后，根据后台控制***的指令产生基带命令并对其进行编码，将帧同步序列产生器产生的帧同步序列和编码后的基带命令调制到射频载波上，通过天线发送出去，其中帧同步序列附在基带命令的前面，其中该编码方法如下所述：用一个单位时间长度的高电平脉冲表示码元“1”，用一个单位时间长度的低电平脉冲表示码元“0”；用两个码元“10”表示信源数据中的二进制数0；当信源数据中出现单独的二进制数1时，用两个码元“11”表示该二进制数1；当信源数据中出现连续的二进制数1时，用两个码元“11”表示奇数位的二进制数1，用两个码元“01”表示偶数位的二进制数1；即对于连续的二进制数1，第一位的二进制数1用两个码元“11”来表示，第二位的二进制数1用两个码元“01”来表示，第三位的二进制数1用两个码元“11”来表示，第四位的二进制数1用两个码元“01”来表示，……，以此类推。换句话说，用一个单位时间长度的高电平脉冲和一个单位时间长度的低电平脉冲表示二进制数0，用两个单位时间长度的高电平脉冲表示奇数位的二进制数1，用一个单位时间长度的低电平脉冲和一个单位时间长度的高电平脉冲表示偶数位的二进制数1；(6)标签对接收到含有帧同步序列和基带命令的射频载波信号进行解调，将解调后的帧同步序列与存储器中保存的帧同步序列进行比较，如果两个序列相同，则标签发送一个表示同步建立的同步建立标识符给读写器，由此在两者之间建立同步通信，同时标签对该基带命令进行解码，得到所需要的基带命令内容，根据该命令执行下一步操作；否则，标签发送一个表示同步错误的同步错误标识符给读写器；(7)如果读写器接收到该同步错误标识符，则重新执行所述步骤3-6直到建立了同步通信。

在上述过程中，读写器发射的基带命令以及其它各种命令都是由读写控制器产生的，例如重新产生随机数的命令；而标签发射的身份识别码和其它各种标志代码(即各种标识符)都是由数据控制器产生的，例如同步建立标识符。

图3是本发明提供的编码方法的示意图，其编码原则为：用一个单位时间长度的高电平脉冲表示码元“1”，用一个单位时间长度的低电平脉冲表示码元“0”；用两个码元“10”表示信源数据中的二进制数0；当信源数据中有一个单独的二进制数1时，用两个码元“11”表示该二进制数1；当信源数据中有多个连续的二进制数1时，用两个码元“11”表示奇数位的二进制数1，用两个码元“01”表示偶数位的二进制数1；即对于多个连续的二进制数1，第一位的二进制数1用两个码元“11”来表示，第二位的二进制数1用两个码元“01”来表示，第三位的二进制数1用两个码元“11”来表示，第四位的二进制数1用两个码元“01”来表示，……，以此类推。换句话说，用一个单位时间长度的高电平脉冲和一个单位时间长度的低电平脉冲表示二进制数0，用两个单位时间长度的高电平脉冲表示奇数位的二进制数1，用一个单位时间长度的低电平脉冲和一个单位时间长度的高电平脉冲表示偶数位的二进制数1。

根据本发明的编码方法编码的二进制数0和1如图3所示，其中Dperiod为码元周期，HLW为单位时间长度的高电平脉冲，其表示码元“1”，LLW为单位时间长度的低电平脉冲，其表示码元“0”。码元“01”表示低电平在前高电平在后；“10”表示高电平在前低电平在后，码元“11”表示两个高电平。

图4是根据本发明的编码方法对数据编码的实例图，图中示出了对二进制数据0010100100000100和0110010111100101执行的编码图形。

图5是根据本发明的用于射频识别的读写器到标签的通信方法的流程图，该通信过程的基本步骤如下所述：

步骤1：读写器通过天线向外发射一定长度的连续高电平射频载波，该载波不包含任何数据信息。

步骤2：当标签接收到读写器发送的所述连续高电平射频载波后，从中获得能量而被激活，发送一个身份识别码给读写器。

步骤3：读写器接收到标签的身份识别码后，产生一个帧同步序列并将其调制到射频载波上，然后发送给该标签。

步骤4：标签接收到该帧同步序列后对其进行解调并将其保存到存储器中，同时给读写器返回一个接收标识符。

步骤5：读写器接收到接收标识符后，根据后台控制***的指令产生基带命令并对其进行编码，将帧同步序列产生器产生的帧同步序列和编码后的基带命令调制到射频载波上，通过天线发送出去，其中帧同步序列附在基带命令的前面；该具体编码方法在上面部分已经做了详细介绍，这里不再赘述。

步骤6：标签对接收到含有帧同步序列和基带命令的射频载波信号进行解调，将解调后的帧同步序列与存储器中保存的帧同步序列进行比较，如果两个序列相同，则标签发送一个同步建立标识符给读写器，由此在两者之间建立同步通信，同时标签对该基带命令进行解码，得到所需要的基带命令内容，根据该命令执行下一步操作；否则，标签发送一个同步错误标识符给读写器。

步骤7：如果读写器接收到同步错误标识符，则重新执行所述步骤3-6直到建立了同步通信。

在上面的描述中，重点介绍了读写器到标签的信息传输过程，没有详细介绍标签到读写器的传输过程，这是因为可以使用任何已知的传输方法和编码方法来实现标签到读写器的信息传输，例如，标签发送信息给读写器时，处于标签自身的处理能力的考虑，通常使用简单的米勒编码方法进行信息传输。

图6是使用Manchester、PIE和本发明的三种编码方法的高电平占空比示意图。

编码后的码元序列所携带的能量大小主要由高电平占空比来决定，码元序列中的高电平占空比越大，则该码元序列携带的能量就越多，也就能够给标签提供更多的能量。因此，只需要计算出使用本发明的编码方法、Manchester方法和PIE方法对数据进行编码后的码元序列的占空比，就可以分析出哪种信息传输方法能够给标签提供更多的能量。

为了方便后面的计算，假设信号源发送二进制数据0和二进制数据1(下面简称为数据0和数据1)的概率是一样的，而发送连续数据1的概率和单独数据1的概率也一样，高和低电平占总电平的比率分别记为P_h和P_l。

很容易地知道根据Manchester编码的码元序列的高电平占空比为P_h＝0.5。

建立PIE编码模型，用两个连续的单位时间长度的高电平接一个单位时间长度的低电平来表示数据1，即用三个码元“110”来表示数据1；用一个单位时间长度的高电平接一个单位时间长度的低电平来表示数据0，即用两个码元“10”来表示数据0。则根据PIE编码的码元序列的高电平占空比为：P_h＝0.5*0.5+0.5*0.667＝0.584。

而用本发明的编码方法对数据进行编码，发送单独数据1时，因为该数据1是用两个码元“11”表示，所以码元序列的高电平占空比为：

P_h＝0.5*0.5+0.5*1＝0.75

发送多个连续的数据1时，因为用两个码元“11”表示奇数位的数据1，用两个码元“01”表示偶数位的数据1，所以码元序列的高电平占空比为：

P_h＝0.5*0.5+0.5*1+0.5*0.5*0.5＝0.625

对上述两种情况的高电平占空比取平均值：

P_h＝0.5*0.75+0.5*0.625＝0.6875

如图6所示，用本发明的编码方法进行编码，码元序列的高电平占空比最大，能够给标签提供最多的能量。

另外，通过蒙特卡洛方法，将本发明的编码方法、Manchester编码方法和PIE编码方法应用于无源RFID***中进行分析，在MATLAB软件下进行时域分析仿真，比较它们的峰值功率、平均功率大小。

表1给出了三种编码方法提供的能量

编码方式	平均功率(dBm)	峰值功率(dBm)
			Manchester编码方法	0.587	1.415
PIE编码方法	0.608	1.415
			本发明的编码方法	0.619	1.415

从表1中可以看出，上述三种编码方法的峰值功率都一样，但本发明的编码方法的平均功率最大，PIE编码方法次之，Manchester编码方法最小。因此，本发明的信息传输方法能够提供给标签最多的能量。提供的能量越高，读写器识别标签的工作范围就越大，而且读写器和标签之间通信的抗干扰能力越强。

误码率是衡量数据在规定时间内传输精确性的指标。误码率可以反映一种编码方法的优劣，衡量它在不同信噪比和信道条件下的性能。

通过蒙特卡洛方法，将本发明的编码方法、Manchester编码方法和PIE编码方法应用于无源RFID***中进行分析，在MATLAB软件下进行误码性能仿真，比较它们的误码率大小。

如图7所示，在通信过程中，使用本发明的编码方法进行通信的误码率最低，使用Manchester编码方法进行通信的次之，使用PIE编码方法进行通信的最高。

总之，本发明的用于射频识别的读写器到标签的信息传输方法不仅改善了标签端正常工作所需的能量供应问题，增大了读写器与标签间的识别距离，其误码率也非常低。

尽管本发明以具体实施例的方式介绍了本发明的信息传输方法，但是本领域的技术人员都知道，也可以使用其它通信步骤来实现读写器到标签的信息传输过程。包含本发明的编码方法的任何通信或信息传输方法都将落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于射频识别的读写器到标签的信息传输方法，包括：

2.根据权利要求1的方法，其中如果两个序列不相同，所述标签发送一个表示同步错误的同步错误标识符给读写器，该读写器接收到所述同步错误标识符后重新产生一个帧同步序列并发给标签，该标签和读写器之间执行所述步骤4-6直到建立了同步通信。

3.根据权利要求1的方法，其中所述连续高电平射频载波不包含任何数据信息，其长度最少为8个编码周期。

4.根据权利要求1的方法，其中所述帧同步序列为“1010V1”，其中V表示违例。