一種微波頻段有源RFID系統設計

4. RFID 系統的關鍵技術

完整的RFID 系統的關鍵技術有數據傳輸方法，數據傳輸的完整性，數據傳輸的安全性，安全與隱私，反碰撞算法。RFID 系統的信息安全是極為重要的部分，它涉及通信的安全保密、存儲數據的安全及工作狀態的控制三個方面。通信的安全就是要保證信息交換過程數據的機密性、完整性、有效性和真實性。數據的完整性，可通過校驗和糾錯的方法實現，而數據的機密性和有效性是通過對消息鑒權來實現的。

在讀寫器與電子標簽進行射頻通信的過程中，存在許多干擾數據通信的因素，其中最主要的兩個因素是信道噪聲和多卡操作(即有多張卡在讀寫器的天線感應范圍內)引起的數據干擾。因此，需要采用信道編碼和訪問控制技術，以保證讀寫器和電子標簽之間數據傳輸的完整、可靠和快速。為了提高系統的抗噪聲能力，就需要采用信道編碼技術，對可能或已經出現的差錯進行控制，RFID 標簽應能予以防范以下攻擊:非法訪問和修改TAG 信息，用特殊設備假冒和欺騙系統，竊聽無線電通信并重放數據。

5. 標簽的防碰撞設計

射頻識別讀寫器是通過無線射頻信號與電子標簽進行通信、數據交換的，其工作模式一般是單頻率點、半雙工。要同時與多張電子標簽進行通信，必然會發生信道爭奪、數據干擾、通信沖撞等問題。在射頻識別系統工作時，讀寫器與電子標簽之間的無線通信沖撞問題，一般可分為以下兩大類:1)讀寫器之間的沖撞2)電子標簽之間的沖撞。在讀寫器的作用范圍內存在多張電子標簽，它們同時對讀寫器做出響應、同時發送數據，就會出現通信沖撞，數據相互干擾(沖撞)。有時也有可能多個電子標簽處在多個讀寫器的工作范圍之內，它們之間的數據通信也會引起數據干擾[16]。為了防止這些沖撞的發生，射頻識別系統需要設置一定的相關指令，解決沖撞問題，這些指令被稱為防沖撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系統中解決這種多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），頻分多址（FDMA)，碼分多址法（CDMA），時分多址法（TDMA）。但對RFID 系統來說空分多址的天線系統非常復雜、實施費用相當高。頻分多址讀寫器的費用相當高，碼分多址法則由于通信頻帶及其技術復雜性等，很難在RFID 系統中應用[6]。時分多址法是把整個可供使用的信道容量按時間分配給多個用戶的技術。對射頻識別系統而言，TDMA 分為標簽驅動法和閱讀器驅動法。標簽驅動法主要代表性的算法是ALOHA 算法。閱讀器驅動需要準確的同步進而無錯誤的檢測出碰撞位。它再劃分為“輪詢法和二進制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二進搜索算法的改進。

ALOHA 算法是采取“標簽先發言”的方式，即標簽一進入閱讀器作用區域就自動向閱讀器發送其自身的信息，對同一個標簽來說它的發送數據幀的時間也是隨機的。如果在標簽信息發送過程中有其它標簽也在發送數據，那么發生信號重疊從而導致部分沖突或者完全沖突，閱讀器檢測信號判斷有無沖突，一旦發生沖突，閱讀器發送命令讓標簽停止發送，標簽隨機延遲一段時間再發送，則因為延遲的隨機數不同，避開了沖突。如果沒有沖突，閱讀器發送一個應答信號給標簽，標簽從此轉入休眠狀態，不再響應讀寫器的查詢請求。直到識別過程結束。ALOHA 算法的示意圖如圖6 所示。

ALOHA 算法應用于實時性不高的場合，實現起來比較容易。對標簽的要求不高。經過模擬可知用ALOHA 算法可以在很短時間內識別幾十張標簽。本文用VC++仿真了一種改進型的ALOHA 算法(Grouping ALOHA)。可提高ALOHA 算法的識別效率。ALOHA 算法能高效快速的識別標簽但是隨著標簽數量的增加其識別效率將會急速惡化。因此我們可以先將待識別的標簽隨機的分成不同的組中。依次對每個組中的標簽進行ALOHA 算法識別。這期間其他各組的標簽不響應讀寫器的查詢請求。待該組識別時間結束，進入下一組的識別。至到所有的組結束識別，如果還有標簽未被識別則再次進行分組識別。至到所有標簽被識別出來。

下面是ALOHA 和Grouping ALOHA 仿真的一些結果。從表1 和圖8、圖9，中可以看出采用了Grouping ALOHA 后。識別的時間減小了并且發生碰撞的次數也大幅減小。對于有很多標簽的場合Grouping ALOHA 比起ALOHA 有明顯的優勢。

表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比較

6．總結

本文介紹了一種以低功耗射頻收發芯片CC2430 為核心，可工作于2。4GHz 的國際通用ISM 頻段的有源RFID 系統。帶片上系統（SOC）的芯片使系統簡化，增強了無線通信的數據安全性和可靠性，同時使得開發變的簡單，降低了成本，在室外標簽和讀寫器的識別距離可達80 米，如果有良好的天線匹配設計或者外加功放可進一步提高工作距離。本設計中的防碰撞算法加入到標簽與配套設計的讀寫器中即可實現系統在體積小，功耗低，可靠性高要求較高的環境當中。