RFID 系统中多读写器抗干扰探究

2014-01-03姚嘉鑫

电子测试 2014年7期

姚嘉鑫

（四川旅游学院,成都,610100）

0 引言

RFID 系统应用场景非常广泛，但是无论在那种场景下都可能存在多个识别标签，需要多个读写器对标签进行扫描和识别。当环境中的读写器数量较多时，受无线信道环境和其他因素限制，不可避免的会出现干扰问题。如何避免RFID 系统中的干扰，增强RFID 系统的可靠性是多读写器应用环境下RFID 系统研究的热点之一。

1 RFID 系统应用现状

随着信息技术的发展RFID 系统的生产和部署成本得到了降低，而应用性能则显著提升，因而RFID 系统被广发应用在工业自动化、商业自动化以及其他运输与控制管理领域中。目前，RFID的应用领域和应用功能主要集中在电子物品监视、物流控制、定位等领域。

2 RFID 系统结构及其工作原理

2.1 RFID 系统结构

完整的RFID 系统包含三部分内容，分别为用于存储目标对象相关信息的识别标签Tag、用于对识别标签内存储的数据进行读写与识别的读写器Reader 以及后台数据处理系统。具体结构如下图1 所示。

图1 RFID 系统的结构示意图

（1）RFID 标签。识别标签被放置在目标对象中，可依照一定的存储方式和存储要求在标签内集成的存储芯片中格式化存储目标对象的相关信息。标签使用类似于条码技术的条码符号进行信息存储与信号收发。一个完整的识别标签由射频收发天线和微芯片构成。其中射频收发天线主要用于进行无线通信，而微芯片则集成了编码、调制、控制、存储等功能，能够依照预定的格式对目标对象的唯一识别数据进行编码和存储。

（2）读写器。读写器是RFID 系统中的数据采集终端，主要负责对射频覆盖范围内的RFID 标签进行识别和信号处理。读写器会向其周围空间发送射频信号，当RFID 标签接收到该信号时会被激活，之后读写器收发RFID 标签发送的相关信息即可完成对目标对象的读写操作。

（3）后端数据库系统。完备的RFID 系统需要强大的后端数据库系统提供相关的管理和数据存储服务。通过该系统可以实时、高效地完成RFID 标签的数据更新、位置与进度查询以及相关信息的处理等功能。阅读器与后端数据库管理系统间的协同合作使得整个RFID 系统最终实现自动化识别和便捷化管理。

2.2 RFID 系统工作原理

以被动式RFID 标签为例，该标签首先会依照目标对象的特点进行格式化数据存储，然后被放置在目标对象中，将目标对象接入RFID 系统。当需要对该目标对象进行操作时，使用相应的读写器向RFID 标签发送射频信号，该信号被标签的接收天线接收后会在标签内部生成感应电流，激活标签，使其进入到工作状态。工作状态中下的RFID 标签会向激活其工作的读写器发送一个响应信号，该相应信号中包含目标对象的相关信息，对其进行解调、解码和数据提取等功能，即可进行下一步的后端数据处理操作。

3 多读写器环境下的抗干扰方案设计原则

增强多读写器环境下RFID 系统的抗干扰性主要是对RFID网络进行规划，使得系统处于最优状态。

3.1 RFID 系统网络结构特性

RFID 系统具有非常明显的非对称性、网络环境复杂性和易冲突性等特点。非对称性是指RFID 标签的功能相对单一，不能对系统环境中的其他通信行为进行检测，进而无法采用移动通信中的上行信号假设理论，故其通信结构具有非对称性；网络环境复杂性是指RFID 系统中存在多种物体和射频信号，这会使得RFID标签与读写器在进行通信时不可避免的会出现多径衰减、信号干扰等现象；易冲突性是指系统区域内的信号数量非常多，容易导致识别失败等问题。

3.2 RFID 系统在多读写器环境下的干扰分类

对系统干扰进行分类可将其分为读写器与读写器之间的射频干扰和读写器与识别标签间的相互干扰。

在读写器与读写器之间的射频干扰方面，当一个读写器A 进入到另一个读写器B 的射频读写范围时，其所发射的射频信号会被读写器B 接收，还会对读写器B 所读写的标签反射信号造成干扰。

在读写器与识别标签之间的射频干扰方面，若某一识别标签同时处于两个或多个读写器射频读写范围时，同时读写操作很容易会对识别标签的射频信号产生干扰，使该射频信号出现衰减或失真等，致使读写器无法正确读写该识别标签。

3.3 覆盖原则

基于力学的覆盖原则主要依靠节点的移动性为每一个节点赋予一个系统模型下的虚拟吸引力和排斥力，依照力学中吸引力和排斥力的特性不断调整节点的位置即可达到最佳的网络覆盖状态。

基于网格的覆盖原则是指将RFID 系统覆盖区域进行网格化处理，以每一个读写器的覆盖范围为基础对网络覆盖率进行计算，调整重叠区域的大小，实现最小干扰的网络覆盖。

基于计算机几何的覆盖原则是使用不同形状的多边形对RFID 系统覆盖区域进行划分，分别计算不同划分结构下RFID 系统节点覆盖效果，直至保证整个系统区域被覆盖。

4 多读写器环境下的抗干扰方案

传统信号间的相互干扰需要使用多种编码复用技术，如时分复用、码分复用、频分复用等，但是在RFID 系统中应用这些复用技术时不仅会极大的增加系统成本，还会为标签中的电路实现提出更为苛刻的要求，如码分复用方式会随着RFID 标签数量的增加而增加识别码的使用；频分复用方式会随着RFID 标签数量的增加而使用更多的无线信道。

为提升多读写器环境下的RFID 系统抗干扰性能，可以采用如下协同工作或系统解决方案。

4.1 Listen before talk 技术

Listen before talk 技术，即通信前侦听技术，是由RFID系统欧标制定组织ETSI 所提出的多读写器协同工作方法，其实现原理与以太网中的SCMA 技术实现原理非常相似。具体的，当多读写器环境中的某一个读写器需要与其射频覆盖范围内的RFID标签进行通信时会首先对其无线空间内的信道环境进行查询，确认该信道是否处于空闲状态，若信道处于空闲状态，则认为信道可用，该读写器可以使用该空闲信道进行射频信号收发；若信道处于使用状态，则认为信道不可用，该读写器进入等待状态，同时对信道环境进行继续查询。

显然，该技术可有效防止多读写器同时使用同一信道时所出现相互干扰现象发生，但是其并没有提出有效的解决方案来消除读写器对RFID 标签的干扰，因为某些情况下信道处于空闲状态时也有可能存在隐藏终端。

4.2 分时抗干扰解决技术

针对读写器与标签间的抗干扰实现，可以应用时分复用技术对系统进行改进和完善。使用该技术可以获得较好的抗干扰效果，且抗干扰实现更为灵活，应用场景更为广泛。

读写器与RFID 标签间的相互干扰主要是多个读写器射频覆盖范围相互重叠，同时对RFID 标签进行读写所引起的。在该特征情况下，若能够将RFID 系统进行网格化处理，标注出其中各读写器在空间范围内的位置分布，并对它们进行分组规划，然后再使用分时相关技术进行通信，则能够有效避免读写器与RFID 标签间出现干扰问题。

具体地，在读写器对RFID 标签干扰消除方面，对读写器定位完毕后计算相邻读写器之间的距离，若两者之间的距离小于读写半径之和，即两者存在射频重叠区域，则将这两个读写器进行分时处理，让他们共享同一信道，进行时分复用。经过上述处理过程可以将RFID 系统区域范围内的所有读写器分为若干个组，每一组均具有一个相对独立的时隙，小组内的读写器均使用该时隙进行射频收发。这样即可有效避免同组中读写器对RFID 标签的干扰问题。需要注意的是，分组的选取原则应该是尽量保证每一组读写器在区域范围内的均匀分布和等数量分布，这样可以提升系统工作效率。

4.3 应用实例

假设一个规则的矩形空间，其平面尺寸为平方米，其中总共部署了40 个读写器，相邻读写器间的距离为4 米，读写器的射频覆盖范围为2.5 米，该条件下读写器可实现对整个仓库的覆盖。但是不可避免的会出现射频覆盖范围重叠等问题，若不对系统结构进行优化，则必然会出现干扰问题。此时将所有读写器分为两组，任一读写器与和其相邻的读写器不同组，这样相邻读写器之间的最小距离由4 米变为了5.656 米，此时为每组读写器分配不同的工作时隙即可避免读写器对标签产生干扰，其分组拓扑图如图2 所示。

5 总结

RFID 系统实现成本相对较低，应用场景丰富，可充分应用无线射频技术的性能优势提升识别速度和数据传输速度，是条形码技术的替代技术之一，在未来社会发展中必然会得到广泛、重点的关注与应用。但是当应用场景相对复杂时不可避免的会出现相互干扰现象。研究多读写器环境下的RFID 系统特性，对读写器的放置位置进行合理部署，降低系统各读写器和RFID 标签间的相互干扰对提升系统性能，促进RFID 系统应用具有重要意义。