卷积码在超高频RFID通信编码中的应用及性能分析*

王昌志，史志才，吴　飞

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620）

卷积码在超高频RFID通信编码中的应用及性能分析*

王昌志，史志才，吴飞

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620）

针对超高频（UHF）RFID系统中阅读器与电子标签在通信时，由于环境因素干扰导致通信误码率较高的问题，将卷积码应用到UHF RFID通信编码中，以此减少系统的误码率，提高通信的可靠性。详细介绍卷积码在UHF RFID通信纠错编码中的优势，构建UHF RFID通信仿真模型，分析影响系统误码性能的各种因素。仿真结果表明：在UHF RFID通信编码中使用卷积码能够降低系统的误码率，提高通信实时性，且（2，1，7）卷积码较适合应用到UHF RFID通信编码中。

卷积码；超高频RFID；误码率；通信编码；约束长度

0　引 言

射频识别（Radio Frequency Identification，即RFID）技术源于20世纪90年代，是一种非接触式可自动识别的技术。它具有适应环境能力强、处理速度快、可自由读取等优点，被广泛用于物联网各个领域，是21世纪最具有发展潜力的传感器技术之一［1］。

超高频（UHF）RFID工作在860～960 MHz频段范围，相对于日常使用的中高频段具有通信距离更长、传送数据速度更快等优势。但是，UHF RFID系统的总体技术还不够完善，在标签和阅读器通信时仍存在较高的误码率［2］。UHF RFID系统因读写距离远而存在信道衰减、信号多径干扰、多标签碰撞问题，特别是在噪声干扰严重的环境下，标签的识别率比较低，识别速度不够快，影响UHF RFID系统在高速读写场合的实时性和可靠性。为解决上述问题，进一步降低UHF RFID系统的误码率，可采用差错控制的方式对信道进行编码，从而满足UHF RFID系统的指标要求［3］。差错控制编码按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同，分为分组码和卷积码。属于分组码中的循环码（CRC）建立在比较严密的数学方法基础上，容易实现编码和伴随式计算，广泛用于UHF RFID信道编码中［4］。循环码具有较高的检错能力，但其纠错性能较弱。在RFID通信中，当CRC检测到错码时，会要求发送端重发数据，直到接收端收到的数据正常，势必增加了重复通信的时间，影响UHF RFID通信系统的实时性。为此，参考文献［5］对UHF RFID身份识别系统中串、并行CRC电路的优、缺点进行了综合评估，并设计了一种算法简单、运算速度快的并行CRC电路。然而，该方法忽略了环境噪声因素对UHF RFID通信系统性能的影响，系统抗干扰能力较弱。参考文献［6］设计了一种新颖的UHF RFID系统数字基带电路，针对目前循环码纠错能力的不足，在UHF RFID电路中加入了卷积编码和解码模块，实验效果良好。参考文献［7］为提高UHF RFID系统的可靠性，提出一种基于卷积码和CRC码的编译码模块设计方案，并分析了此方案相对于传统RFID编译码模块所具有的优点，但其完全依赖于系统模块设计的直观分析，并未考虑到影响卷积码编码性能的相关因素，缺乏系统的理论和仿真分析，且由于系统同时使用了CRC和卷积码，导致硬件组成较复杂、实用性较差。

针对以上问题，本文将卷积码优越的纠错性能引入到UHF RFID编码中，并从系统通信结构出发，建立了UHF RFID信道编码抗干扰能力的仿真模型，对影响卷积码编码性能的因素进行分析，并通过仿真给出了具体的卷积码编码参数。

1　UHF RFID通信系统结构

典型的RFID射频通信系统主要包括电子标签和阅读器两部分，其中电子标签可以是有源或无源的。当电子标签（无源）进入到阅读器的有效射频信号内时，两者即可按照一定的通信协议自动进行射频通信，获取相关数据信息。RFID系统的基本结构类似于通信系统的基本模型［8］，在一定程度上满足了通信的基本条件，如图1所示。

图1　UHF RFID基本通信系统结构

如图1所示，阅读器需要完成两项任务：一是将预发往标签的命令经调制由天线发射出去；二是对标签反馈的信号进行解密、译码、解调，从中提取有效信息。但是，在有噪声干扰环境下，阅读器和电子标签在传输数据过程中往往发生码元传输错误，从而产生误码率。为了能够尽最大可能纠正错码，需在数据编码时加入差错控制环节。循环码通过在编码序列中增加监督码元，从而具有很强的检错能力，但纠错能力较弱；而卷积码以它在信息码元中特有的编码方式，使其具有优越的纠错性能，适合在UHF RFID通信系统结构中对信道进行差错控制编码［9-10］。

2　卷积码编码理论

卷积码起源于1955年，由Elias提出，常记作（n,k,N），其中N为编码器的约束长度。它将k个信息位编码为n个比特位，码率为η=（k/n）×100%［11］。相对于CRC，卷积码编码后n个码元不仅同码字内的k个信息码元相关，而且还同前面的N-1个码字内的信息码元相关。另外，由于卷积码的纠错能力随着N的增加而增大，而误码率则随着N值的增加呈指数下降。因此，卷积码的纠错能力更优越于循环码。

2.1卷积码编译码分析

设卷积码的待编码信息序列为：

则编码器的输出序列为：

因为每个子码中的前k位即为该时刻待编码的k位信息元，则u（i,j）中有k×k个固定生成序列，如：

为确定每个子码中的n-k个监督元，k×（n-k）个序列需要给定，码字可表示为：

其中，u（i,j）为系统卷积码的生成序列。

这里，卷积码可用生成矩阵表示，即：

其中，Z为延时算子，代表一个时钟周期的延迟；U∞为一个半无限矩阵，包括无限多的行和列。式（5）中，u∞=［u0,u1,u2,…,uN,0,…］称为（n,k,N）卷积码的基本生成矩阵［12］。可以看出，u∞是一个半无限矩阵。

假如基本生成矩阵u∞已经确定，则生成矩阵U∞就能确定。另外，从式（5）知：基本生成矩阵u∞是由前N+1个生成子矩阵u0,u1,u2,…,uN决定的，且每一个生成子矩阵都是一个k×n阶的阵。

当卷积码的生成矩阵U∞已知时，通过H=GU∞运算就能实现数据编码。

Viterbi译码算法是卷积码的一种最佳译码方案［13-14］。这种算法要求卷积码在译码过程中，既要从当前时刻接收的码组中提取相关译码信息，还要从以前或以后各时刻接收的码组中提取相关的译码信息。

以上对卷积码的分析不难看出：卷积码不管是在编码还是在译码过程中，其当前码元的状态和本组的前后码元状态都有信息关联。因此，卷积码表现出了优越的纠错性能。

3　超高频RFID通信体系设计

在无源电子标签RFID通信系统中，为了保证阅读器对电子标签能量的持续供应和电子标签能及时从接收的码元中提取相应的时钟信息，需要在信道编码时对数据提供一级的校验保护，以保证通信的持续可靠性。而在实际的数据传输过程中，由于信道噪声干扰的存在，数据在传输过程中或多或少会发生错误，从而产生误码。因此，此时要求信道编码能够在一定程度上提供码元纠错能力。图2为数据在传输过程中由于通信干扰产生误码的示意图。

图2　UHF RFID数据传输误码示意

根据数据通信原理，由于CRC的编码模块在进行数据纠错时会要求发送端进行数据重发，对于读写距离远且噪声干扰较严重的情况下，数据通信的次数势必会增加，一定程度上影响UHF RFID高速识别的性能，制约UHF RFID应用的可靠性，如机场流水线上行李位置的实时跟踪系统、高速公路的无人自动收费系统等。为此，本文提出用纠、检错性能优越的卷积码代替以往使用的CRC。虽然改进后的系统译码时间有所增加，但是随着硬件电路的不断升级，其处理速度会越来越快，改进后系统的优势也将会更明显。

图3中，UHF RFID阅读器系统由Tx和Rx信号调节器、编码和译码模块、控制与接口模块组成。Tx和Rx信号调节器主要实现噪声滤波、AD/DA转换功能。编码和译码模块包括多比特编码器、FM0/米勒译码器和卷积码模块。控制模块实现防撞系统状态控制。接口模块支持读写器和PC机之间的串行通信。

图3　阅读器数字基带的体系结构

系统的工作流程：发送端通过卷积码编码电路对将要发送的数据进行差错控制编码后发送。接收端将接收的数据进行卷积解码后传输到控制电路。由于卷积码具有较强的码元纠错性能，故对于一般性的错码，在卷积码解码端就能对其进行纠正，只有在一定程度上出现连续多个错码且无法对其错误进行纠正时，才会要求数据重发。

4　UHF RFID系统性能仿真

4.1UHF RFID仿真模型

为了验证卷积码在UHF RFID通信编码中的性能优势，本文建立了UHF RFID信道编码抗干扰能力的仿真模型，如图4所示。模型中，用贝努利二进制发生器随机产生的一组数据代表UHF RFID阅读器发出或电子标签反馈的原始数据或命令，用加性高斯白噪声模拟阅读器与电子标签在传递信息时遭受到的复杂环境干扰因素。贝努利二进制信源（模拟阅读器）随机产生的二进制数由CRC/卷积码差错编码后形成调制信号，调制载波（调制方式为幅移键控）后的数据通过高斯白噪声信道传输。接收端（模拟标签）将接收到的数据经过解调、解码和CRC/卷积码校验后，同原始数据进行比较，并输出到示波器上。示波器显示统计出的误码率结果，以此检验UHF RFID通信中的CRC/卷积码的纠错能力。

图4　UHF RFID信道编码抗干扰能力的仿真模型

4.2编码对UHF RFID系统误码率的影响

在UHF RFID数字通信系统中，由于传输距离和噪声干扰等问题的影响，接收端不可避免会产生误码率，此时要求误码率尽可能小，以保证数据传输的可靠性和实时性。

图5给出了不同信道差错概率下，信源发送10 000 bits的CRC、卷积码编码的误码率仿真曲线。

图5　不同编码下的UHF RFID系统误码率

从图5可以直观看出：（2，1，7）卷积码的误码率明显比常用的（7，3）、（7，4）循环码和线性分组码的误码率低，且当通信信道差错概率为0.06时，卷积码的误码率较循环码明显减小了2.561%。另外，当二进制信道差错概率在0.06范围内时，随着二进制均衡信道差错概率的增加，经差错控制后的卷积码编码的误码率明显比分组码增加的较慢。可见，使用卷积码进行差错控制编码可以降低UHF RFID数字通信系统中的误码率，提高系统的可靠性。

4.3码率对卷积码编码性能的影响

卷积码的码率用η表示，η=（k/n）×100%，是衡量卷积码性能的一个重要参数。图6给出了卷积码码率分别为1/2、1/3、1/4条件下，信源发送10 000 bits的卷积码编码的误码率仿真曲线。

图6　不同码率下的卷积码误码率曲线

从图6可以看出：当改变通信的码率后，随着卷积码码率的逐渐降低，通信系统的误码率随之减小。说明在UHF RFID通信系统中，通过减小卷积码的码率可以进一步改善通信性能，减少通信系统的误码率，即通信系统的码率越低，系统的误码性能就越好。此外，图6中码率为1/2时，通信系统的误码性能最好。

4.4约束长度对卷积码性能的影响

约束长度是衡量UHF RFID通信系统中卷积码纠错性能的一个关键参数。图7给出了卷积码约束长度分别为3、5、7、9条件下，信源发送10 000 bits的卷积码编码的误码率仿真曲线。

从图7曲线中可以发现：当卷积码的码率一定时，若约束长度N发生改变，通信系统的误码率也随之发生改变。增加卷积码的约束长度N，可明显降低系统的误码率。图7中的（2，1，9）卷积误码率最低，但是过多增加卷积码的约束长度，将导致译码设备的复杂性增加。因此，对于码率为1/2的卷积码，约束长度一般选取为3～9。

图7　不同约束长度下卷积码的误码率曲线

考虑到卷积码的回溯长度对卷积码误码率的影响，当卷积码的回溯长度达到35左右时，误码率基本趋于稳定，故选取卷积码的回溯长度时，一般取回溯长度为5N，其中N为卷积码的约束长度［15］。

从以上分析中可以得出以下结论：在通信系统中，卷积码的编码纠错性能明显优于循环码，且卷积码的码率越低，系统误码性能越好；约束长度越大，系统误码率越低，但会增加系统的复杂性。因此，权衡通信系统的可靠性和复杂性，最终选择码率为1/2、约束长度为7的（2，1，7）卷积码应用到UHF RFID通信编码中。

5　结 语

UHF RFID通信系统受环境干扰因素的影响，使得阅读器和电子标签在通信过程中易出现误码率，为此将卷积码引入到UHF RFID通信编码中。仿真结果证实，与传统的循环码通信编码相比，该方法在复杂的环境因素干扰下仍可保持较低的误码率，可以确保RFID通信数据的可靠性。另外，本文深入分析了卷积码的码率和约束长度对卷积码性能的影响，对UHF RFID通信编码中卷积码的参数选择提供了依据，以期进一步促进UHF RFID通信编码技术的发展。

［1］ DENG L，HONG W，FENG B，et al.Alumina Ceramic Slot Antenna for UHF RFID Tag Embedded in Vehicles［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2016，58（05）:1150-1154.

［2］ Maichalernnukul K，Zheng F，Kaiser T.BER Analysis of Space-time Coded RFID System in Nakagami-m Fading Channels［J］.Electronics Letters，2014，50（05）:405-406.

［3］ 胡圣波，司兵，李黔蜀等.射频识别系统的可靠性及计算模型［J］.信息与控制，2012，41（05）:571-577. HU Sheng-bo，SI Bing，LI Qian-shu，et al.Reliability of RFID Systems and Its Computational Models［J］. Information and Control，2012，41（05）:571-577.

［4］ SHI Z C，XIA Y X，ZHANG Y，et al.A CRC-Based Lightweight Authentication Protocol for EPC Global Class-1 Gen-2 Tags［C］.Proceedings of the 14th International Conference on Algorithms and Architectures for Parallel Processing，2014:632-643.

［5］ 阳璞琼，何怡刚，谭阳红等.超高频RFID系统CRC电路设计［J］.电路与系统学报，2009，14（02）:18-21. YANG Pu-qiong，HE Yi-gang，TAN Yang-hong，et al.Design of Ultra High Frequency CRC System［J］.Circuit RFID Journal of Circuits and Systems，2009，14（02）:18-21.

［6］ 阳璞琼.超高频RFID系统编解码与校验问题的研究［D］.长沙:湖南大学，2009. YANG Pu-qiong.Study on Code-decode and Data Verification Problem in UHF RFID System［D］.Changsha: Hunan University，2009.

［7］ 赵晶，尹新，何怡刚等.一种超高频RFID系统的编译码模块设计［J］.计算机测量与控制，2009，17（04）:767-769. ZHAO Jing，YIN Xin，HE Yi-gang，et al.Design of Decoding and Encoding Module for UHF RFID［J］.Computer Measurement & Control，2009，17（04）:767-769.

［8］ 周亮，柳超，董颖辉等.甚低频十三塔天线电气性能的研究［J］.通信技术，2013，46（09）:9-11. ZHOU Liang，LIU Chao，DONG Ying-hui，et al.Electrical Performance of Thirteen Tower VLF Antenna［J］. Communications Technology，2013，46（09）:9-11.

［9］ 刘菁.卷积码和循环码识别技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2010. LIU jing.Research on Recognition of Convolutional Code and Cyclic Code［D］.Xi’an:Xidian University，2010.

［10］ 姜春强，唐震宇，甘明.一种低复杂度双二元卷积Turbo码译码算法［J］.电讯技术，2016，56（04）:412-415. JIANG Chun-qiang，TANG Zhen-yu，GAN Ming.A Lowcomplexity Decoding Algorithm for Double Binary Convolutional Turbo Codes［J］.Telecommunication Engineeri ng，2016，56（04）:412-415.

［11］ 彭万权，张承畅，冯文江等.卷积码基于逃逸机制的次优译码［J］.电子学报，2014，42（04）:828-832.PENG Wan-quan，ZHANG Cheng-chang，FENG Wenjiang，et al. Suboptimum Decoding of Convolutional Codes Basedon Escape Mechanism［J］.Chinese Journal of Electroni cs，2014，42（04）:828-832.

［12］ 卜起荣.关于RFID系统数据格式与校验问题的研究［D］.西安:西北大学，2004. BO Qi-rong.The Research of Data Format and Checkout Problem of RFID system［D］.Xi’an:Northwest University，2004.

［13］ 李晓瑞，张毅，徐伯庆.卷积码的Systerm View实现［J］.仪器仪表学，2005，28（08）:488-490. LI Xiao-rui，ZHANG Yi，XU Bo-qing.The Implementation of Convolution Code in Systerm View［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2005，28（08）:488-490.

［14］ 黄肖玲，杨华龙.大约束度卷积码快速译码方法的研究［J］.通信学报，2010，31（03）:57-64. HUANG Xiao-ling，YANG Hua-long.Research of Fast Decoding for Longer Constraint Length Convolutional Codes［J］.Journal on Communications，2010，31（03）:57-64.

［15］ 王宏俊，杜长斌，杨自恒等.基于（2，1，7）卷积码实现低误码率通信的DSP设计［J］.电子器件，2014，37（01）: 97-102. WANG Hong-jun，DU Chang-bin，YANG Zi-heng，et al.DSP Design Based on the（2，1，7） Convolutional Code to Achieve Low Error Rate Communication［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2014，37（01）:97-102.

王昌志（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式与射频识别应用；

史志才（1964—），男，博士，教授，主要研究方向为网络与信息安全、嵌入式技术及应用；

吴 飞（1968—），男，博士，教授，主要研究方向为计算机并行处理和绿色计算。

Application of Convolutional Code in UHF RFID Communication Coding

WANG Chang-zhi， SHI Zhi-cai， WU Fei
（School of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

For the problem that the RFID reader and tag of had high BER in the communication due to environmental interference factors， the convolution code was applied to UHF RFID communication coding in this paper to improve the bit error rate of the system and improve the communication reliability. The structure of UHF RFID communication system and the advantage of convolutional code in error correcting coding were presented in detail. Furthermore， the simulation model of anti-interference ability based on the UHF RFID channel coding was constructed， and various factors were analyzed in depth， which affected the performance of convolutional codes. The simulation results show that compared with the cyclic codes， convolutional codes can be used to reduce the bit error rate and improve the real-time performance of the communication system in UHF RFID communication coding， and the （2，1，7） convolutional codes are more suitable for UHF RFID communication coding.

convolutional code； UHF RFID； bit error rate（BER）； communication coding； constraint length

National Natural Science Foundation of China（No.61272097）；The Shanghai Municipal Committee of Science and Technology Project（No.13510501400）

TN911.22

A

1002-0802（2016）-10-1402-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.10.026

2016-06-21；

2016-09-18

data:2016-06-21；Revised data:2016-09-18

国家自然科学基金资助项目（No.61272097）；上海市科学技术委员会资助项目（No.13510501400）