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综观RFID系统多任务程序
防止数据相互碰撞

【作者: 劉佳炘】2006年10月04日 星期三

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目前的RFID应用,在航空业方面,美国拉斯韦加斯、日本及香港等地的机场,都已开始试行以RFID控管行李或旅客的行踪,不仅提升效率,同时还可达到安全的目的。


但如此众多的行李或旅客之间,读取器该如何清楚分辨每一位旅客或行李的射频条形码?以及读取器在扫描范围内除了要分辨不同的对象外,并且读取器该如何不致于让射频条形码同时传送数据,以造成数据的互相碰撞?



《图一 读取器在读取范围内传送数据流给所有的询问器并同时接收》
《图一 读取器在读取范围内传送数据流给所有的询问器并同时接收》

多任务处理程序—防碰撞机制

RFID系统的机制通常同时在每一个读取器(Reader)可读取范围内(Interrogation zone)包含了许多的传感器(Transponders)。 如系统内包括控制面板(Control Station)、读取器和一些用户(Participant)及传感器,并且粗略分为两大主要的通讯类型。


首先由读取器传送数据给传感器,如(图一)。 其所传送的数据串行由所有的传感器同时接收。 此应用可与数以百计的无线接收机,同时接收由无线广播电台所传送的新闻节目做比较。这种通讯架构即为已知的广播系统(broadcast)。


另一通讯类型包含了在读取器读取范围内透过许多独立传感器传送数据给读取器,这种通讯架构又称为多任务传输(multi-access),如(图二)。


每一个通讯频道皆定义了其带宽,而带宽由通讯频道的最大数据传输率和有效的时间间距所决定。将带宽有效的分给传感器(participants),例如数个传感器在没有相互干扰与碰撞的情形下传送数据给读取器。



《图二 读取器的多任务程序:许多传感器同时传送数据给读取器》
《图二 读取器的多任务程序:许多传感器同时传送数据给读取器》

在感应式RFID系统,读取器仅有在接收器时,才能对于在读取范围内所有的传感器执行有效传输。如同传感器在公共频道中传送数据给读取器一样,最大数据传输率可由传感器和读取器天线的有效带宽获得。


在无线技术中多任务传输的问题已经发现一段不算短的时间了,例如包含卫星新闻和手机电话网络,许多这些应用的用户都尝试着进入单一卫星或基地台。为此目的,为数众多的制造商已开始发展分隔彼此单一用户的讯号。目前有四种不同的多任务程序,如(图三):包括分域多任务(space division multiple access;SDMA)、分频多任务(frequency division multiple access;FDMA)、分时多任务(time division multiple access;TDMA)以及分码多任务(code division multiple access;CDMA),除此之外还有已知的展频技术(spread-spectrum)。然而这些典型程序,如果用户与用户之间未中断数据串行,一旦某带宽溢满,则必须等到通话关系结束才会停止(如电话通讯期间)。


RFID传感器另一种特性为以不等时间长短的间歇,中断散置的短暂周期活动。以非接触式智能卡应用在大众交通运输卡上为例,大众运输卡之读与写的动作必须在读取器的读取范围之内数十个毫秒内完成。随后一段长期间内,可能会没有智能卡进入读取器的读取范围。 然而,此范例并不会导致工程师认为多任务程序无须应用于此。因为一般乘客当通过读取器时,通常拥有二至三张相同类型的非接触式智能卡在皮夹内,会造成读取器的天线对所有的卡片进行读取,因此将会影响读取器增加读取时间而失去方便性,或甚至无法读取卡片造成错误。 此时若使用多任务程序,就有选择正确卡片的能力,并且无需在任何读取延迟的情况下扣除费用,甚至在上一例子中也可完成。此机制在读取器和传感器之间的传输频道有一非常高的突波因素(Burst Factor),或者也可称为封包执行程序(Packet access procedure)。


在RFID系统多任务程序的实际技术中,经常造成一些传感器和读取器之间的延迟。因此必须确实地避免传感器数据(package)和读取器接收器彼此之间数据的碰撞冲突而无法读取。在RFID系统的相关文献中,技术程序(执行协议)协助处理的无干扰多任务程序,一般称为防碰撞系统。


事实上,数据封包以单一传感器传送给读取器,例如以Load modulation的方式,读取器造成的特殊问题几乎会在所有的RFID系统中发生,使得所有的传感器无法在读取器之读取范围内读取,因此,传感器无法在第一时间内检测在读取器读取范围内其他传感器的存在。



《图三 多任务和防碰撞程序的四种基本工作程序》
《图三 多任务和防碰撞程序的四种基本工作程序》

Space Division Multiple Access(SDMA)

分域多任务的相关技术可在空间分隔的区域中重复利用带宽资源。其主要功能是为了减少单一读取器的读取范围,但为了补偿其读取范围,却带来了矩阵形式的大量读取器和天线。 如此一来,便提供了另一覆盖范围。此结果使得邻近读取器的带宽可被重复利用,因此该程序便可成功地应用在长距离马拉松比赛里。在比赛中会侦查每一位跑者的比赛时间是否符合传感器的时间。实际应用时,一些读取器天线会被置入格子边(Tartan mat)。当参赛跑者带着自己的传感器穿越时,跑者的传感器会覆盖少数天线的读取范围。由于跑者在空间上的分布, 大量的传感器可同步读取全部设备布置。而另一功能可在读取器上使用电子式控制指向天线, 指向电波可直接定点指向传感器。因有许多不同传感器在读取器读取范围内能以不同的角度位置传送数据。相位数组天线利用如电子式控制指向型天线,并由这些天线构成极化天线,由于天线尺寸的关系,因此SDMA于RFID应用时仅在频率850MH以上(一般为2.45GHz)。 每一个极化组件在某一个独立相位位置下被驱动。天线指向图是由不同方向上的极化组件, 相异迭加单独波形所得,在某些方向上每个相位极化天线的单独场可迭加,而此机制会导致场的振幅改变。在其他方向全部或部份波形会相互抵消。为了确定方向,个别的组件提供了可调整的HF电压,和由相位修改器所控制的可变相位。为了定位传感器,空间周围的读取器必须使用指向天线扫描传感器,直到传感器被读取器的搜寻讯号(Search light)所检测,如(图四)。


而SDMA技术的缺点是其复杂的天线系统造成价格过高。因此,此种防碰撞程序仅针对少数应用。



《图四 适合SDMA的电子式控制指向天线,方向波均指向各种不同的询问器》
《图四 适合SDMA的电子式控制指向天线,方向波均指向各种不同的询问器》

Frequency Domain Multiple Access(FDMA)

分频多任务技术可在不同载波频率分成数个传送频道,并同时传送给每一位用户。在RFID系统中,传感器可自由地调整不和谐的传输频率,功率供给传感器和传输控制讯号(例如广播)会发生在最适合读取器的频率f。传感器响应其中一个有效响应频率f-f,如(图五)。因此,传感器可用在完全不同的频率范围传送及接收数据,例如读取器至传感器的下行(downlink)频率为135KHz,传感器至读取器的上行(uplink)数个频道皆在433~435MHz范围内。


另一选择为Load modulated RFID系统或Backscatter系统,其由传感器至读取器使用各种独立子载波频率传送数据。FDMA程序的缺点为读取器价格高,因读取器为一接收器,此接收器必须提供每一个接收频道。此防碰撞程序仍限制在少数特殊应用上。



《图五 在FDMA程序中,由询问器至读取器使用数个频率传送数据》
《图五 在FDMA程序中,由询问器至读取器使用数个频率传送数据》

Time Domain Multiple Access (TDMA)

分时多任务技术为全部的有效带宽被用户依时间顺序分割。TDMA程序应用十分广泛,尤其在数字行动通讯系统领域上。在RFID系统中,TDMA程序显然是最大的防碰撞程序类别。接着将分别讨论传感器驱动和讯问器驱动(Interrogator-driven)程序之差异,如(图六)。


因读取器无法控制数据的传送,传感器驱动程序为异步功能,因此需要区分关闭(switched-off)和无开关(non-switched)程序,并以是否关闭传感器来决定以上两种程序,而后以读取器成功传送数据后的讯号决定关闭传感器。



《图六 时域防碰撞程序的分级根据Hawkes(1997)》
《图六 时域防碰撞程序的分级根据Hawkes(1997)》

传感器驱动程序执行速度非常慢并且毫无弹性。许多应用使用由读取器控制的程序如Master(讯问器驱动),此程序视为同步工作,因所有传感器皆由读取器同时控制及检查。在读取器的读取范围内,需由一群传感器里选出一个别传感器,利用特定算法展开所选之传感器与读取器之间的通讯(验证、读取和写入数据)。只有在传送关系终止时,才会进一步选择下一个传感器。每一次开始时,只有一个传送关系,而每个传感器可在快速连续工作下操作。讯问器驱动程序为所知的时间多任务程序。


讯问器驱动程序又再细分成轮询(polling)和二进制搜寻(binary search)程序。这两种程序都以传感器为唯一的序号确认身份。


而轮询(polling)程序需要所有传感器名单的序号,此序号可能只发生过一次传送讯息的动作。所有的序号皆由读取器个别讯问,直到一个传感器响应确认序号讯息。以上的程序会花些时间完成,主要原因与所有可能的传感器数目有关,并且在区域内仅少数传感器符合此动作。


二进制搜寻(Binary Search)程序则相当有弹性,因此程序运用在许多领域上。二进制搜寻为在一群传感器里挑选出某一个传感器,而此传感器传送多组序号给读取器时,刻意造成传送时的数据碰撞。此机制是依据来自读取器的要求命令(Request Command)。若此程序成功执行,读取器便有能力使用适合的讯号编码系统,判断确切的碰撞位位置。


(作者Rohde & Schwarz罗德史瓦兹系统应用部系统应用工程师)


<参考数据:


[1]Abramson, Norman (n.d.) Multiple access in wireless digital networks, ALOHA Networks Inc., San Francisco, CA, http://www.alhanet.com/ sama/ samatppr.html


[2]Mansukhani, Arun(1996) Wireless Digital Modulation, Applied Microwave & Wireless, November/December. >


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