一种微波频段有源RFID系统设计

4. RFID 系统的关键技术

完整的RFID 系统的关键技术有数据传输方法，数据传输的完整性，数据传输的安全性，安全与隐私，反碰撞算法。RFID 系统的信息安全是极为重要的部分，它涉及通信的安全保密、存储数据的安全及工作状态的控制三个方面。通信的安全就是要保证信息交换过程数据的机密性、完整性、有效性和真实性。数据的完整性，可通过校验和纠错的方法实现，而数据的机密性和有效性是通过对消息鉴权来实现的。

在读写器与电子标签进行射频通信的过程中，存在许多干扰数据通信的因素，其中最主要的两个因素是信道噪声和多卡操作(即有多张卡在读写器的天线感应范围内)引起的数据干扰。因此，需要采用信道编码和访问控制技术，以保证读写器和电子标签之间数据传输的完整、可靠和快速。为了提高系统的抗噪声能力，就需要采用信道编码技术，对可能或已经出现的差错进行控制，RFID 标签应能予以防范以下攻击:非法访问和修改TAG 信息，用特殊设备假冒和欺骗系统，窃听无线电通信并重放数据。

5. 标签的防碰撞设计

射频识别读写器是通过无线射频信号与电子标签进行通信、数据交换的，其工作模式一般是单频率点、半双工。要同时与多张电子标签进行通信，必然会发生信道争夺、数据干扰、通信冲撞等问题。在射频识别系统工作时，读写器与电子标签之间的无线通信冲撞问题，一般可分为以下两大类:1)读写器之间的冲撞2)电子标签之间的冲撞。在读写器的作用范围内存在多张电子标签，它们同时对读写器做出响应、同时发送数据，就会出现通信冲撞，数据相互干扰(冲撞)。有时也有可能多个电子标签处在多个读写器的工作范围之内，它们之间的数据通信也会引起数据干扰[16]。为了防止这些冲撞的发生，射频识别系统需要设置一定的相关指令，解决冲撞问题，这些指令被称为防冲撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系统中解决这种多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），频分多址（FDMA)，码分多址法（CDMA），时分多址法（TDMA）。但对RFID 系统来说空分多址的天线系统非常复杂、实施费用相当高。频分多址读写器的费用相当高，码分多址法则由于通信频带及其技术复杂性等，很难在RFID 系统中应用[6]。时分多址法是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户的技术。对射频识别系统而言，TDMA 分为标签驱动法和阅读器驱动法。标签驱动法主要代表性的算法是ALOHA 算法。阅读器驱动需要准确的同步进而无错误的检测出碰撞位。它再划分为“轮询法和二进制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二进搜索算法的改进。

ALOHA 算法是采取“标签先发言”的方式，即标签一进入阅读器作用区域就自动向阅读器发送其自身的信息，对同一个标签来说它的发送数据帧的时间也是随机的。如果在标签信息发送过程中有其它标签也在发送数据，那么发生信号重叠从而导致部分冲突或者完全冲突，阅读器检测信号判断有无冲突，一旦发生冲突，阅读器发送命令让标签停止发送，标签随机延迟一段时间再发送，则因为延迟的随机数不同，避开了冲突。如果没有冲突，阅读器发送一个应答信号给标签，标签从此转入休眠状态，不再响应读写器的查询请求。直到识别过程结束。ALOHA 算法的示意图如图6 所示。

ALOHA 算法应用于实时性不高的场合，实现起来比较容易。对标签的要求不高。经过模拟可知用ALOHA 算法可以在很短时间内识别几十张标签。本文用VC++仿真了一种改进型的ALOHA 算法(Grouping ALOHA)。可提高ALOHA 算法的识别效率。ALOHA 算法能高效快速的识别标签但是随着标签数量的增加其识别效率将会急速恶化。因此我们可以先将待识别的标签随机的分成不同的组中。依次对每个组中的标签进行ALOHA 算法识别。这期间其他各组的标签不响应读写器的查询请求。待该组识别时间结束，进入下一组的识别。至到所有的组结束识别，如果还有标签未被识别则再次进行分组识别。至到所有标签被识别出来。

下面是ALOHA 和Grouping ALOHA 仿真的一些结果。从表1 和图8、图9，中可以看出采用了Grouping ALOHA 后。识别的时间减小了并且发生碰撞的次数也大幅减小。对于有很多标签的场合Grouping ALOHA 比起ALOHA 有明显的优势。

表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比较

6．总结

本文介绍了一种以低功耗射频收发芯片CC2430 为核心，可工作于2。4GHz 的国际通用ISM 频段的有源RFID 系统。带片上系统（SOC）的芯片使系统简化，增强了无线通信的数据安全性和可靠性，同时使得开发变的简单，降低了成本，在室外标签和读写器的识别距离可达80 米，如果有良好的天线匹配设计或者外加功放可进一步提高工作距离。本设计中的防碰撞算法加入到标签与配套设计的读写器中即可实现系统在体积小，功耗低，可靠性高要求较高的环境当中。