码分射频识别支持物联网泛在接入

1 引言

国发（2016）43号文，国务院发布的“十三五”国家科技创新规划，第一篇，第五章，构建有国际竞争力的现代产业技术体系之二项，发展新一代信息技术部分之7款称：“7.物联网。开发物联网架构、信息物理系统感知和控制等基础理论研究，攻克智能硬件（硬件嵌入式智能）、物联网低功耗可信泛在接入等关键技术，构建物联网共性技术创新基础支撑平台，事项智能感知芯片、软件以及终端的产品化。”

按照规划，码分射频识别与“物联网内信息物理系统感知和控制等基础理论研究”密切关联；更可归属于“物联网低功耗可信泛在接入等关键技术”，而“可信泛在接入”的需求正是现行UHFRFID的软肋，却是码分射频识别的强势所在。

2 泛在接入需求

2.1 使用RFID的使能和接入

泛在接入是为了万物互联、万物无所不在。除人类以外万物本无自主通信能力，为能进入物联网互联互通，需要使能（Enable）和接入（Access），使能即赋予不具备通信能力的物体以数据应答的方式参与通信的能力。使能是为了接入，有了接入才能实施通信。物联网需要联结万物，接入需求量无限大，涉及面无限广，要求有可信的泛在接入。传感器使能，配以传感器网接入是二者联合实现物联网使能和接入。

RFID在物联网中的作用是通过贴装电子标签（简称标签），同时实现使能和接入两项功能。传感器也可以与RFID结合，利用RFID实现其对物联网的接入。

如果根据应用领域分类，泛在接入类别可能太多，很多应用大同小异。因此，这里建议按使能对象分布和数据特征分类，以便按特征归并需求提供使能接入，进行系统设计。根据被使能对象的数据特征，可能有低数据率使能接入和高数据率使能接入。根据被使能对象的分布可能有单体分布，分散群体分布，集中群体分布和广域覆盖分布。因此，相应地有个体使能接入、分散群体使能接入、集中群体使能接入、广域覆盖群体使能接入。根据被使能对象的活动性，可能有移动使能接入和固定使能接入。

究竟有多少类型，难于全面罗列。但是，以上概括分类基本适应各类应用需求。

早期的RFID使用高频以下的频段，感应藕合，许可频带很窄，使用个体使能，固定接入，单件读取，低数据速率，不能适应移动接入和群体接入需求。UHF RFID，辐射传播机理，天线波束覆盖区可容纳多个甚至大量待使能对象，而且有足够的频谱资源。因此，具备实现多个甚至大量使能对象与阅读器同时建立通信的条件。现行UHFRFID利用了空间覆盖优势，实现了多标签串行应答接入，移动标签应答接入。但是，苦于现行UHFRFID单信道体制，实际使用带宽很窄，因此可实现的数据传输速率不高。由于存在标签碰撞，按照仲裁协议，任何时候只能有一个标签应答被成功读取，所以只能实现多标签串行接入，本质上依然是个体使能接入。

由于存在阅读器碰撞，实施多阅读器密集应用防碰撞协议，以载波侦听/避免碰撞（Carrier Sense with CollisionAvoidance-CS-CA）为代表，属于多阅读器分时接入，任何时候，只能有一个阅读器接受一个使能标签应答。因此，本质上依然是个体使能接入。

UHFRFID有更宽的天线波束覆盖区，和更宽的许可频谱宽度，潜在着实现更高数据速率使能接入和多标签群体使能接入，甚至实现了广域覆盖群体组网接入条件，实现了各类群体接入，正是物联网泛在接入的需求，能担当此任的系统唯码分射频识别。

2.2 按照使能对象分布的使能接入分类

2.2.1 个体使能接入模式

个体使能接入有两种情况：RFID及其以前的射频识别，基于感应藕合机理，只能是个体接入网络；现行UHFRFID基于单信道体制，尽管采用辐射传播机理，天线覆盖区内同时被激活的标签数是远大于1的群体，但由于单信道体制，当出现两个或多个标签应答时间重叠时，便发生标签碰撞，招致应答失败，因此产生了基于概率性的Aloha和基于确定性的二叉树两类碰撞仲裁算法，这些算法的本质是避开标签同时应答，让多标签按特定规则排序应答，因此属于变群体接入为个体接入的设计。

2.2.2 群体使能接入模式

码分射频识别拥有多个可控参数：扩展频谱序列长度、扩展频谱序列多进制编码、扩展频谱序列分组、蜂窝网小区结构等，变换这些参数，可能构建不同的应用模式，实现不同类型的群体接入。码分射频识别群体接入为正交码分多信道接入。单阅读器应用时，每个单阅读器成为物联网的一个接入网。多阅读器组网应用时，多阅读器构成地域覆盖网，再成为物联网的接入网。

2.2.2.1 码分射频识别单阅读器单群体使能并行接入模式

UHFRFID具有宽达2或5MHz的许可带宽，许可带宽内能容纳多个标签应答数据信道；广阔的辐射覆盖区内可容纳大量标签。码分射频识别可以利用这些条件，通过正交码分支持多标签应答信道并行接入。

2.2.2.2 码分射频识别单阅读器多群体使能分区接入模式

当标签群分散于多个不同空间时，码分射频识别依靠正交码分机理，同一个阅读器配置多天线，面对各自覆盖区，在路径时延差不超过0.5chip范围内，可由一台阅读器多天线实现多覆盖区群体接入。

2.2.2.3 码分射频识别多阅读器地域组网使能接入模式

码分射频识别多阅读器采用正交序列分组配置，可以实现类似移动通信的码分接入（CDMA）蜂窝组网应用，组网结构与序列分组相适应，序列组可重复利用，实现地域覆盖组网接入。

2.2.3 注重使能对象特定参数的使能接入模式

2.2.3.1 注重并行应答标签数系统模式

射频许可带宽为5MHz，采用长度为255位扩展频谱序列族，码分射频识别单阅读器应用可提供最高并行应答标签数最高254个，每个标签应答速率为19.6 kbit/s。每阅读器接收数据速率趋近5Mbit/s。

2.2.3.2 注重应答高速率系统模式

射频许可带宽为5MHz，采用长度为15位扩展频谱序列族，码分射频识别单阅读器应用可提供最多并行应答标签数为14个，每个标签应答速率333Kbit/s。每阅读器接收数据速率趋近5Mbit/s。

2.2.3.3 注重标签低功耗系统模式

码分射频识别单阅读器应用采用15位移位m序列族，2MHzchip率时钟，二进制扩展频谱编码，标签芯片功耗最大的单元为下行链路相关解扩电路，只需5个触发器，4个模二加和为数不多的门电路，可实现最低功耗。

3 支持泛在接入模式构成

3.1 CD-RFID应用模式

3.1.1 单阅读器应用模式

码分射频识别单阅读器应用可构建码分多信道接入网，为单群体（使能标签）通过码分多信道实现对阅读器并行应答。

单阅读器应用是硬件少，标签功耗低的模式，由于码分射频识别的标签应答序列属于同一移位m序列族，无论单覆盖区或多覆盖区均可适用。

码分射频识别单阅读器应用可以按照使能对象特定参数的需求构建不同的系统模式。

3.1.1.1 单阅读器应用注重并行应答信道数模式

当每标签应答数据量不很高而标签量特别大的时候，适用此模式。最大并行应答信道数模式具有如下特点：

●5MHz射频带宽。我国政府规定的840MHz～845MHz、920MHz～925MHz可设计成A、B两个系统。

●255位移位m序列族。存在8对互为镜像的本原多项式，可构建8个独立的系统，再加频段因素，合计可建立16个不同的系统。

●因为下行链路功耗是标签功耗的主要部分，为了降低下行链路功耗，下行链路采用8进制扩展频谱编码。

●上行链路2进制扩展频谱编码。共有255个码分应答信道，理论上可供254个标签同时使能接入，实现并行应答，实际上可同时占用信道数取200个是可以期待的。

●应答响应每信道数据速率：22kbit/s。上行链路总数据速率接近5Mbit/s，频谱效率接近100%。

●单阅读器注重并行应答信道数模式。标签功耗主要组成部分在下行链路的同步提取和应答响应信道相关接收功能块。

●序列生成需要移位寄存器数为8，选择反馈函数最简的本原多项式，反馈模二加数为3；同步捕获需要双稳态触发器1个，模二加数1个，同步提取门1个；8进制序列相关比较需要模二加8个，和可逆计数据8个。

●电路单元总计：触发器9个，模二加：12个，逻辑门1个，可逆计数器或隔直—积分电容组：8个（实现方法另作讨论）。

3.1.1.2 单阅读器应用注重应答数据率模式

当每标签应答数据量较高，而标签量不太大的时候，适用此模式。单标签应答高数据率模式具有如下特点：

●5MHz射频带宽。我国政府规定的：840MHz～845MHz、920MHz～925MHz，可设计成A、B两个系统。

●15位移位m序列族。存在1对互为镜像的本原多项式，可构建2个独立的系统，再加频段因素，合计可建立4个同样特性的系统。

●因为下行链路功耗是标签功耗的主要部分，为了降低下行链路功耗，下行链路采用8进制扩展频谱编码。

●上行链路采用2进制扩展频谱编码。每个系统共有15个码分信道，可供14个标签同时并行应答，留下一个序列作同步/激活信道使用。

●每个应答信道数据速率：333Kbit/s。上行链路总数据速率接近5Mbit/s，频谱效率接近100%。

●单阅读器注重并行应答信道数据速率模式。标签功耗主要组成部分在下行链路的同步提取和应答响应信道相关接收功能块。

●序列生成需要移位寄存器数为4，任选一个本原多项式，反馈模二加数为1；同步捕获需要双稳态触发器1个，模二加1个，同步提取门1个；2进制扩展频谱序列相关比较需要模二加2个，和可逆计数器8个。

●电路单元总计：触发器5个，模二加：12个，逻辑门1个，可逆计数器或隔直—积分电容组：8个（实现方法另作讨论）。

3.1.1.3 性能折衷的单阅读器模式

对于应答标签数和标签应答数据速率折衷的应用需求，适合采用此折衷模式。折衷模式的序列长度介于最高标签数与最高应答速率模式中间，适当的选择是31位移位m序列族。有3对互为镜像的本原多项式，加上两个频段，因此可形成12个同性能系统设计。采用2MHz射频带宽，2MHz射频带宽为国际上普遍采用的许可频谱宽度，1.92MHz为国际常用的标签芯片时钟频率，所以设计2MHz射频带宽的CD-RFID系统具有广泛的应用价值。上下行链路均采用2进制扩展频谱编码，同步序列捕获与序列同步，数据时钟同步合而为一，可以做到硬件数较少，功耗较低。单阅读器并行应答标签数为30个，单标签应答数据速率为64Kbit/s。体现标签数与标签应答数据速率的折衷选择。每个应答响应信道数据速率：64Kbit/s。30个并行应答行道，上行链路总数据速率接近2Mbit/s，频谱效率接近100%。序列生成需要移位寄存器数为5，选择反馈函数最简的本原多项式，反馈模二加数为1；同步捕获需要双稳态触发器1个，模二加1个，同步提取门1个；2进制扩展频谱序列相关需要模二加2个，和可逆计数器2个。电路单元总计：触发器6个，模二加：4个，逻辑门1个，可逆计数器或隔直—积分电容组：2个（实现方法另作讨论）。

3.1.1.4 单阅读器应用注重低功耗的模式

当每标签应答数据量不高，而标签量也不大，特别希望低功耗时，适用此模式。低功耗模式具有如下特点：

●2MHz射频带宽。我国政府规定的840MHz～845MHz、920MHz～925MHz，可设计成 A、B 两个系统。

●15位移位m序列族。存在1对互为镜像的本原多项式，可构建2个同性能的系统，再加频段因素，合计可建立4个同性能的系统。

●因为下行链路功耗是标签功耗的主要部分，为了简化电路，下行和上行链路均采用2进制扩展频谱编码。

●上行链路2进制扩展频谱编码。共有14个码分应答信道，可供14个标签同时并行应答，留下一个序列供同步信道使用。

●每个应答信道数据速率：133kbit/s。上行链路总数据速率接近2Mbit/s，对于2MHz射频许可带宽的国家，频谱效率接近100%，对于我国5MHz射频许可带宽的情况，频谱效率接近40%。

●单阅读器低功耗模式。标签功耗主要组成部分在下行链路的同步提取和应答响应信道相关接收功能块。

●序列生成需要移位寄存器数为4，任选一个本原多项式，反馈模二加数为1；同步捕获需要双稳态触发器1个，模二加数1个，同步提取门1个；2进制序列相关比较需要模二加2个，和可逆计数器2个。

●电路单元总计：触发器5个，模二加4个，逻辑门1个，可逆计数器或隔直—积分电容组：2个（实现方法另作讨论）。

3.1.1.5 单阅读器多覆盖区模式

上述3种模式均适用于单阅读器多覆盖区应用，当使能接入对象为分散分布于若干离散的小区时，可利用多天线，分别覆盖各小区，共用一个阅读器，序列无需分组，是同一个覆盖区。

单阅读器多覆盖区应用的条件是覆盖区内所有位置相互波程差时延不超过0.5chip。

3.1.2 阅读器组网模式

抗阅读器碰撞特性保证CD-RFID实现阅读器组网应用。突破UHFRFID组网应用难题，一直是学说界的期待，码分射频识别依靠正交码分接入技术借用移动通信蜂窝结构组网可实现这一理想。由此，物联网从单阅读器接入网接入更进一步推进到多阅读器接入网接入，甚至地域覆盖网络接入，大大扩展了网络泛在接入能力。

CD-RFID接入网接入有两类追求，最大抗阅读器碰撞，和最低标签功耗。由此形成两种码分射频识别模式。

3.1.2.1 大量阅读器地域组网模式

在适应我国频谱规定，取5MHz许可带宽，下行链路仍然用8进制扩展频谱编码下，码分射频识别抗阅读器碰撞系统设计有以下考虑：

●序列长度选择

扩展频谱增益是系统抗碰撞增益的重要组成部分，但是过高的扩展频谱增益需要更长的扩展频谱序列，因此增大了标签相关接收单元功耗。折衷选择是使用63位移位m序列族，

●序列数确定

码分射频识别采用同序列族分组序列配置，因此每小区序列数与小区数的乘积等于序列族的总序列数。为增大系统抗阅读器碰撞增益，需加大同序列组配置小区空间距离，因此选择7小区制。若选用63位序列族，则每小区有8个码分信道。每个7小区单元仍然保有56个正交码分信道，小区间标签应答序列全部相互正交，以提供最好的抗标签碰撞能力。

●每应答信道数据速率

每应答信道79kbit/s，每小区应答数据率：635 kbit/s，7小区单元总数据速率：4.44Mbit/s。系统频谱效率：89%。

●小区制组网具有可扩展性

码分射频识别借用蜂窝移动通信组网原理，按照使用需求，可扩展到所有需要覆盖的全地域，接入应答数据量可以累加。

3.1.2.2 小规模阅读器网模式

2MHz射频带宽为过国际普遍采用的许可频谱宽度，1.92MHz为国际常用的标签芯片时钟频率，所以设计2MHz射频带宽的CD-RFID系统具有广泛的应用价值。2MHzCD-RFID系统适合选用长度为15位的移位m序列族作为扩展频谱和正交接入序列族，上、下行链路同取2进制扩展频谱序列编码，因此序列生成，同步提取简单，可以构成最低功耗应用模式。采用蜂窝移动通信3小区组网方式，每小区配置4个码分信道，一个3小区单元12个正交码分信道，具有适当的抗阅读器碰撞能力，各阅读器运行中互不干扰。每应答信道数据速率：133kbit/s，每小区应答数据率：533kbit/s，一个3小区单元总数据速率：1.6Mbit/s。系统频谱效率：80%。由于组网应用中每个阅读器有各自的序列组，同属一个移位m序列族，各序列组之间移位等价，仅初始状态有差异，所以不同阅读器天线波束覆盖区的标签需要按阅读器代码设定初始状态，因此同步捕获与本地序列生成器不能共用硬件，于是下行链路扩展频谱序列相关接收硬件数比单阅读器应用有所增加。标签单元电路数总计：触发器9个，模二加：4个，逻辑门1个，可逆计数器或隔直—积分电容组：2个。在组网应用系统中.标签接收单元所用硬件单元数最少，因此具有最低功耗。

3.1.2.3 三小区高应答速率组网模式

为获得最高应答数据速率，采用我国频谱规定，5MHz许可带宽。用长度为15位的移位m序列族作为扩展频谱和正交接入序列族，下行链路取8进制扩展频谱序列编码。序列生成，同步提取简单，由于组网阅读器应答响应序列互为移位等价序列组，阅读器序列组初始状态不同，扩展频谱序列相关器不能与同步序列生成共用本地序列产生器，和8进制扩展频谱序列相关器相对复杂，标签芯片功耗有所增大。

采用蜂窝移动通信3小区组网方式，每小区配置4个码分信道，一个3小区单元12个正交码分信道，具有适当的抗阅读器碰撞能力，各阅读器运行中互不干扰。每应答信道数据速率：333kbit/s，每小区应答数据率：1.333Mbit/s，3小区单元总数据速率：4Mbit/s。系统频谱效率：80%。标签单元电路数总计：触发器：9个，模二加：13个，与门3个，或门1个，可逆计数器或隔直—积分电容组：8个。

4 结束语

物联网的构成，简而言之，包括接入、网络和应用3部分。网络是借用互联网和各种现成的异构网，应用有赖于接入，而越来越多的是群体使能接入需求，HF RFID及其以前的系统只能个体使能接入，现行UHF RFID也不能解决群体使能接入问题，唯有码分射频能够以多种系统模式应对不同的接入，适应物联网的泛在接入需求。