魏紹蓉，王曉青，金沂，王璐

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、中間件等技術(shù)，以RFID 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由大量聯(lián)網(wǎng)的讀寫器和移動(dòng)標(biāo)簽構(gòu)成一個(gè)比因特網(wǎng)更為龐大的網(wǎng)絡(luò)[1]。在物聯(lián)網(wǎng)中，系統(tǒng)可以自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件。目前，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)仍然面臨最重要的3個(gè)方面的挑戰(zhàn):(1)如何將低成本、低復(fù)雜度的小型智能設(shè)備植入物品;(2)如何利用強(qiáng)大的傳感功能和高速傳輸功能從物理世界自動(dòng)、快速地產(chǎn)生和獲取數(shù)據(jù);(3)如何利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)把底層的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為內(nèi)容豐富的高層信息。而面對(duì)這3 個(gè)挑戰(zhàn)，最關(guān)鍵的問題首先是：讀寫器和標(biāo)簽之間的良好、快速、完整的通信。

1 讀寫器與標(biāo)簽連接技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 標(biāo)簽技術(shù)

RFID 系統(tǒng)中，目前應(yīng)用的標(biāo)簽分為3 類。有源主動(dòng)標(biāo)簽（Active tags）：體積大、價(jià)格貴，因?yàn)槭褂秒姵?，所以壽命相?duì)短，但因?yàn)樽约喊l(fā)出信號(hào)，所以，識(shí)別距離長(zhǎng)，識(shí)別更準(zhǔn)確；無(wú)源被動(dòng)標(biāo)簽(Passive tags)：體積小、價(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)，但由于無(wú)源標(biāo)簽是通過讀取天線發(fā)出的電磁波再在標(biāo)簽內(nèi)部產(chǎn)生信號(hào)傳輸，所以，識(shí)別距離比有源標(biāo)簽短很多；半有源標(biāo)簽(semi-active tags)：在進(jìn)入工作狀態(tài)之前一直處于休眠狀態(tài)，標(biāo)簽內(nèi)部電池電量消耗很少，電池可維持幾年，甚至長(zhǎng)達(dá)10年。當(dāng)半有源標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的讀寫區(qū)域時(shí)，在讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)的激勵(lì)下進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，讀寫器與標(biāo)簽之間交換信息的能量以讀寫器供應(yīng)的射頻能量為主，通常采用反射調(diào)制方式。標(biāo)簽內(nèi)部電池的能量并不轉(zhuǎn)換為射頻能量，它的主要作用，在于彌補(bǔ)標(biāo)簽所處位置的射頻場(chǎng)強(qiáng)不足時(shí)的電路的能耗。

通過比較，無(wú)源標(biāo)簽具有成本低、體積小、無(wú)需電池、維護(hù)方便的特點(diǎn)。所以在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建中，廣泛使用了無(wú)源RFID 系統(tǒng)。然而，通過使用發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的無(wú)源RFID 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率，只是幾百個(gè)Kbps (kilobits per second)，并且標(biāo)簽之間有嚴(yán)重的傳輸沖突問題[2]。

1.2 讀寫器與標(biāo)簽連接的技術(shù)

讀寫器與標(biāo)簽連接的技術(shù)，包括前向連接和反向連接。前向連接：讀寫器到標(biāo)簽的連接，傳輸數(shù)據(jù)率最高為160Kbps；反向連接：標(biāo)簽到讀寫器的連接，傳輸數(shù)據(jù)率最高為640Kbps。目前，在物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)源RFID 系統(tǒng)中，前向和反向連接普遍使用超高頻技術(shù)，并且數(shù)據(jù)速率相差不大。分析物聯(lián)網(wǎng)中讀寫器與標(biāo)簽的連接，可以發(fā)現(xiàn)讀寫器與標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)是極其不對(duì)稱的，一個(gè)讀寫器可能要面對(duì)多個(gè)標(biāo)簽，并且無(wú)源RFID 系統(tǒng)對(duì)讀寫器和標(biāo)簽間的距離十分敏感，且容易受到多徑效應(yīng)和多用戶干擾的影響[2][3]，那么對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中基于讀寫器與標(biāo)簽的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)而言，高性能的具有傳感功能的無(wú)源RFID 系統(tǒng)的構(gòu)建十分重要。

1.3 無(wú)源RFID 系統(tǒng)的多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于無(wú)源RFID 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)目前主要由服務(wù)器、讀寫器、傳感標(biāo)簽構(gòu)成一個(gè)3 層網(wǎng)絡(luò)。頂層網(wǎng)絡(luò)：服務(wù)器和讀寫器之間的通信；中層網(wǎng)絡(luò)：讀寫器與讀寫器間的通信；底層網(wǎng)絡(luò)：讀寫器和標(biāo)簽之間的通信。在頂層網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器是控制中心，可以通過USB、RS-232、以太網(wǎng)等有線連接，也可以通過ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、GSM/GPRS 等無(wú)線技術(shù)進(jìn)行連接，調(diào)度一個(gè)或多個(gè)讀寫器組成的讀寫器簇。服務(wù)器存儲(chǔ)及處理讀寫器發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，并且服務(wù)器作為外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，可以提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在中層網(wǎng)絡(luò)中，解決讀寫器間沖突問題及完成有效的協(xié)作機(jī)制。在底層網(wǎng)絡(luò)中，按照無(wú)源RFID 標(biāo)準(zhǔn)來解決或減少標(biāo)簽間的沖突，同時(shí)采集和預(yù)處理標(biāo)簽的傳感信息[4]。

2 讀寫器和標(biāo)簽不對(duì)稱連接策略的創(chuàng)新研究

2.1 讀寫器和標(biāo)簽間存在極不對(duì)稱的傳輸數(shù)據(jù)量

無(wú)源RFID 系統(tǒng)中，讀寫器數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于標(biāo)簽數(shù)目。所以，讀寫器到標(biāo)簽的前向連接與標(biāo)簽到讀寫器的反向連接具有極不對(duì)稱的傳輸數(shù)據(jù)量。反向連接要求更高的數(shù)據(jù)速率，而現(xiàn)有的無(wú)源RFID 系統(tǒng)在前向和反向連接上都使用超高頻[5]，并且數(shù)據(jù)速率相差不大，這樣無(wú)法滿足這種不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)所需要的數(shù)據(jù)速率要求，使得在某些時(shí)候?qū)?biāo)簽的識(shí)別十分困難。同時(shí)，讀寫器和標(biāo)簽在功能、價(jià)格、復(fù)雜度及在RFID 系統(tǒng)中所需數(shù)目上也存在巨大差異。為了更好地適應(yīng)無(wú)源RFID系統(tǒng)中讀寫器和標(biāo)簽間這種不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的極不對(duì)稱的傳輸數(shù)據(jù)量的特點(diǎn)，研究讀寫器與標(biāo)簽之間的不對(duì)稱連接方式，具有一定的創(chuàng)新性意義。

2.2 UWB (Ultra-Wideband)超寬帶技術(shù)

UWB (Ultra-Wideband)高速短距離超寬帶通信技術(shù)[6]，采用納秒(ns)至皮秒(ps)級(jí)的窄脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大幅度提高傳送速度。UWB 信號(hào)并不采用連續(xù)的波形，而是使用相對(duì)帶寬大于0.2，脈寬一般小于1 ns的窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，所以信號(hào)的帶寬很大。在有噪聲干擾的環(huán)境下，通信系統(tǒng)的信道容量用香農(nóng)公式表示為：C=Blog2(1+S/N)(C 為信道容量；B 為信號(hào)帶寬；S/N 為信噪比)。根據(jù)香農(nóng)公式可以看出當(dāng)信道容量不變時(shí)，信噪比和信號(hào)帶寬可以互換，那么在信噪比不變時(shí)，信道容量和帶寬成正比，增加帶寬就是增加信道容量，同時(shí)減小對(duì)信噪比的要求。

窄脈沖通常用高斯多階微分脈沖、多周期脈沖、升余弦脈沖、脈沖串等，而高斯多階微分脈沖更易產(chǎn)生，而且可以通過選擇合適的階數(shù)使信號(hào)不產(chǎn)生直流分量，并可以較好地向空中輻射能量，所以更為常用。高斯多階微分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為公式（1）

窄脈沖可以占用達(dá)到幾GHz的帶寬，所以數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bPs。因?yàn)槊}沖只有極短的持續(xù)時(shí)間，所以UWB 設(shè)備可以在高速通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)很小的發(fā)射功率，僅有目前的連續(xù)載波系統(tǒng)的幾百分之一。UWB的傳輸距離通常在十米之內(nèi)，它的傳輸速率可以高達(dá)480MbPs，在相同的傳輸距離內(nèi)，其傳輸速率是藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的9 倍，是WiFi 標(biāo)準(zhǔn)的18.5 倍，這樣更適合大量的多媒體信息的傳輸。由此得出結(jié)論：UWB 具有傳輸速率高、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等特性；因?yàn)椴捎梅沁B續(xù)性的窄脈沖，UWB 設(shè)備還具有發(fā)射功率小、耗電量低、定位精確的特性；由于脈沖很短，難以被偵測(cè)，所以具有高安全性的特性。通過分析這些特性，那么UWB 技術(shù)運(yùn)用在無(wú)源RFID 系統(tǒng)中是再合適不過的了。

UWB 系統(tǒng)常用的脈沖調(diào)制方式有二進(jìn)制移相鍵控BPSK(Binary-Phase-Shift-Keying)、開 關(guān) 鍵 控OOK(On-Off-Keying)、脈沖位置調(diào)制 PPM(Pulse-Position-Modulation)等。對(duì)這幾種調(diào)制方式進(jìn)行比較：BPSK 調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是加入高斯白噪聲及衰減信道后誤碼率是最低的，缺點(diǎn)是BPSK 調(diào)制方式有最高的電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，而OOK 和PPM 調(diào)制方式的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，更適合應(yīng)用于無(wú)源標(biāo)簽。但是，OOK 調(diào)制方式易受多用戶的干擾，并且不具備多址的潛力，這樣就不能完成讀寫器與標(biāo)簽不對(duì)稱連接。PPM 調(diào)制方式是利用脈沖出現(xiàn)的位置相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置的偏移量來表示一個(gè)特定符號(hào)，而為了可以支持多用戶的同時(shí)訪問，通常將PPM 調(diào)制方式與時(shí)跳TH (Time Hopping)相結(jié)合形成TH-PPM 時(shí)跳脈沖相位調(diào)制，由此可以極大地減少了標(biāo)簽間的沖突。

2.3 TH-PPM （Time Hopping Pulse Position Modulation）時(shí)跳脈沖相位調(diào)制

TH-PPM（Time Hopping Pulse Position Modulation）是時(shí)跳和脈沖調(diào)制相結(jié)合的調(diào)制方式。TH-PPM 用PN 碼選擇傳輸碼元的時(shí)隙，而PN 碼一個(gè)周期有2N-1 個(gè)跳時(shí)，也就是說PN 碼在一個(gè)周期內(nèi)有2N-1 個(gè)狀態(tài)，那么傳輸一個(gè)符號(hào)就需要2N-1 個(gè)時(shí)隙。

TH-PPM 信號(hào)為公式（2）：

如果一個(gè)二進(jìn)制信源，在周期為2N-1的PN 碼進(jìn)行跳時(shí)，首先根據(jù)PN 碼生成器狀態(tài)ci，選擇傳輸PN 碼的時(shí)隙空間偏移ciTc；當(dāng)符號(hào)為“0”時(shí)，脈沖的位置在時(shí)隙內(nèi)無(wú)偏移；當(dāng)符號(hào)為“1”時(shí)，脈沖的位置在時(shí)隙內(nèi)偏移為ai△，那么要求ai△＜ciTc(當(dāng)ci≠0)，脈沖在位空間的總偏移量就為ciTc+ai△。TH-PPM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中每個(gè)標(biāo)簽都采用各自特定的跳時(shí)碼，讀寫器只有知道該標(biāo)簽的跳時(shí)碼才能解調(diào)信號(hào)。所以如果發(fā)生標(biāo)簽沖突現(xiàn)象，只有當(dāng)新到達(dá)讀寫器的標(biāo)簽信號(hào)與讀寫器當(dāng)前接收的標(biāo)簽信號(hào)跳時(shí)碼相同才可能發(fā)生，而這種情況出現(xiàn)的概率幾乎為零。由此得出結(jié)論：利用TH-PPM 可以顯著減少標(biāo)簽沖突的概率，并且TH-PPM調(diào)制方式電路簡(jiǎn)單，成本低、功耗小，非常適用于無(wú)源 RFID系統(tǒng)。

經(jīng)過以上分析驗(yàn)證，在無(wú)源RFID 系統(tǒng)中，前向連接仍然使用現(xiàn)有的超高頻技術(shù)，而反向連接使用超寬帶TH-PPM技術(shù)。這種不對(duì)稱的連接方式有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：超寬帶THPPM 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率是10Mbps，解決了反向連接數(shù)據(jù)量大的問題；由于連接結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的，前向連接和反向連接不再有頻率干擾問題，并且前向連接與反向連接在時(shí)間上部分重疊，同時(shí)也避免了讀寫器到讀寫器的干擾，加速了標(biāo)簽的識(shí)別過程；超寬帶TH-PPM 技術(shù)不易被偵聽，所以信息的保密性和安全性得以提高；超寬帶TH-PPM 技術(shù)還具有毫米級(jí)的定位精度。

3 結(jié)論

為解決讀寫器和標(biāo)簽之間的良好、快速、完整的通信問題，對(duì)UWB 技術(shù)及TH-PPM 調(diào)制方式性質(zhì)進(jìn)行分析，提出一種適應(yīng)RFID系統(tǒng)中讀寫器與標(biāo)簽不對(duì)稱結(jié)構(gòu)及不對(duì)稱數(shù)據(jù)傳輸量特點(diǎn)的不對(duì)稱的連接技術(shù)，即：前向連接依然使用超高頻技術(shù)，而反向連接應(yīng)用超寬帶TH-PPM 技術(shù)。由此解決不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的傳輸數(shù)據(jù)量不對(duì)稱的問題，同時(shí)也有效地防止了標(biāo)簽間及讀寫器間的干擾問題，并加速標(biāo)簽識(shí)別過程，提高了定位精度。這種讀寫器與標(biāo)簽間的不對(duì)稱的連接技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建及長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有重要意義。

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