Back-End Design of a Collision-Resistive RFID System through High-Level Modeling Approach基于高层次建模方法的 RFID 后端设计

Yohei FUKUMIZU, Makoto NAGATA, and Kazuo TAKIIEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E89–C, NO.11 NOVEMBER 2006

摘要：本文设计了一个高度防碰撞的 RFID 系统，为了保证一个读卡器和成千上万个标签成功进行通信，其使用基于TH-CDMA 的防碰撞算法。考虑到高层次的建模技术 (high-level modeling techniques) 、硬件仿真 (hardware-based emulation) 和软件仿真 (software-based simulation) 技术的不断发展，本文主要研究 RFID 系统的后端设计 (back-end design) 。本文提出了一个可以对拥有 1000 个标签的 RFID 系统进行碰撞评测的快速仿真原型 (rapid-prototyping simulation system) ，同时本文还对防碰撞算法中很重要的后端数字信号处理 (back-end digital signal processing) 设计参数进行了探讨。最后，应答器的防碰撞电路 --- 后端数字集成电路将使用得出的优化参数进行设计。

名词解释： IDER (ID error rate) ： ID 错误率 NEID (number of erroneous IDs) ：错误 ID 数 TH-CMDA ： Time hopping CDMA PRSG (pseudo-random sequence generator) ：

伪随机序列发生器

1. Introduction 本文报道了一个应用高级层次建模技术的 RFI

D 系统后端设计，虽然各种为 RFID 前端通讯功能 (communication front-end functionality) 而设计的模拟电路已经被广泛报道，但是为高速多路通信 (highly multiplexed communication)而设计的后端信号处理 (back-end signal processing) 方法却没有被人提出。本文提出的目的就是应用一种高层次的建模方法 (high-level modeling approach) 为后端设计打下方法论 (back-end design methodology) 基础。

2. RFID 系统概况 (Overview of RFID System)

2.1 概况 (Overview) RFID 系统包括应答机和读卡器，如图一所示：

2.2 下行通信 (Downlink Communication) (a) 能量传输 (Power Transmission) (b) 同步化处理 (Synchronization) 2.3 上行通信 (Uplink Communication) (a) 通频带调制 (Passband Modulation) 大多数的 RFID 系统，应答机靠背向散射 ASK 调制将 ID 信

号传送出去，其他用于传送载波信号的调制方法有：相移键控 (phase-shift keying(PSK)) 、频移键控 (frequency-shift keying (FSK)) 等。

(b)TH-CDMA 多路复用 ( TH-CDMA Multiplexing) TH-CDMA 通信包括直接扩频码分多址接入 (direct-sequence c

ode division multiple access (DSCDMA)) 和时分多址接入技术(time division multiple accesse (TDMA)) ，它不仅可以减少扩频编码的长度，还可以减小电路的面积。

3. RFID 连接信道的模型 (Modeling of RFID Link Channels)

3.1 Description Levels 本节将讨论三种模型设计，分别用不同的方法

进行描述：第一种设计是用 SPICE/MATLAB进行描述的应答机和读卡器之间的物理接口模型 (physical interaction model) ；第二种设计是基于 FPGA 的模拟系统；第三种设计是使用客户软件建立了一个高级的通信模型。

3.2 电路级 (Circuit-Level Description)

首先，本文使用 SPICE 电路仿真器对物理接口的通频带调制进行仿真。用 SPICE 描述的虚拟电路如图二 (a) 所示，接收信号的波形如图二 (b) 所示：

为了验证读卡器的通频带解调，本文在一个信道上对通频带通讯进行了仿真验证，同时还用 MATLAB 的数学仿真器 (MATLAB mathematical simulator) 在信道中加入了噪声干扰。仿真器如图三 (a) 所示，波形如图三 (b) 所示：

3.3 行为级 (Behavioral Modeling for Hardware Emulation)

为了验证读卡器和标签之间基于 TH-CDMA 的多路通信结果，本文在 FPGA 上搭建了模拟平台，如图四所示：

本文使用两种随机数字发生机制 (random-number generation mechanisms)来选择 TH-CMDA的通信信道：一种是各信道是完全独立的，所有信道都是预定义好的，和随机数产生器没有关系；第二种是利用伪随机序列发生器来产生信道号，伪随机发生器的初始值是标签的 ID 号；还有一种它也是利用伪随机序列发生器来产生信道号，但是伪随机序列发生器每次重传其初始值都是使用不同的 ID 号。

模拟的结果如图四 (b) 所示，从图中可以看出在理想的信道数目，没有任何噪声干扰的情况下第一种方法是的仿真结果是很好的，但是考虑在有噪声的环境中，使用方法二和方法三选择信道可以有效的减小 ID 错误识别率。

3.4 高级软件模型 (High-Level Modeling for Software Simulation)

在 .NET Framework 1.1平台下仿真系统 ( 用 C# 编写 ) 的抓图如图五所示：

这个系统的结构如图六所示，它包括三个类：应答器类、信道类和读卡器类。每个类里面的函数都考虑了实际情况，比如加入噪声干扰等；

3.4.1 应答机类 (Transponder Class). 每个应答机类都是一个对象，它实现的功能包括随

机指定 ID ，利用嵌入机制选择 TH-CDMA 信道，将经过 CDMA 调制的信号传输给信道类。

3.4.2 信道类 (Channel Class) 信道类从应答机类那里接收输出信号，然后通过伪

信道将它们发送出去。 3.4.3 读卡器类 (Reader Class) 读卡器类对接收到的基于 TH-CDMA格式的信号进

行解调， CRC 错误检测，利用相关器对多路信号进行解扩。

3.4.4 系统仿真演示 (Demonstration of System Operation)

系统的操作演示如图七 (a) 所示，仿真过程的截图如图七 (b)所示。从过程窗口中我们可以看到三种状态： (1) 、成功读取的 ID 号 ; (2) 、不能解扩的相关器 ; (3) 、 CRC 错误检测。

从状态窗口可以看出应答机和读卡器之间无法通讯主要是由什么错误引起的。例如，图七 (b)显示， 80%的应答机都可以成功和读卡器通信， 18%的应答机因为阈值误差和 CRC检测错误而无法和读卡器进行通信。

4. 分析设计 1000+标签 RFID 的多路连接 (Analysis and Design of 1, 000+ Multiple RFID Link)

4.1 Overview N=s×c ：为 TH-CDMA 最大的允许连接数，其中 s 、

c 分别为 TDMA 和 CDMA 的编码长度。 X ：错误重传次数 所以传输一个 ID 号所需的时间为：

lID ： ID 号编码长度 lCRC ： CRC 编码长度 T ：单位码元的传输时间

4.2 干扰对 RFID 系统的影响 ( Effects of Field Disturbance on RFID Links)

4.2.1 噪声环境中的信道碰撞 (Channel Collision in Noise Environment) 不同的噪声干扰对信道的影响如图九所示： 从图可以看出，当信道噪声干扰增大时，标签的 ID识别错误率 (IDER)变小了。

4.2.2 读卡器同时识别能力 (Capacity of Simultaneous Recognition)

Reader=1 ， Tags=2000 ， SNR=20dB 。 通信信道 (communication channels (s × c)) = 4,

096, 8, 192, 16, 384, 和 32, 768 ； 错误重传 (re-transmissions)= 9, 4, 2 和 1 ； 传输时间 Tt = 400 ms

结合公式： 从图中可以看出，当 s × c=4096 ，重传 =9 时， IDER 最小，

而 s × c=32,768 ，重传 =1 时， IDER 最大；所以为了减小 IDER ，我们可以增加重传的次数而不是增加信道数。

4.2.3 自动调整阈值的相关器 (Adjusting Thresholds among Correlators)

读卡器中的相关器使用阈值 (thresholds) 对接收到的信息进行解复 (demultiplex) ，使用不同的阈值，信噪比和 ID 错误率之间的关系仿真结果如图十一所示：

从图中可以看出 ID 错误识别率与阈值有非常紧密的联系，随着阈值降低，信噪比增大，系统的表现越来越好， IDER 快速减小。

但是另外一方面随着阈值的降低，也有其不好的一面，比如 CRC检测错误率和标签错误检测总数 (NEID)都在增加，如图十二所示：

4.2.4 分布式的 TDMA/CDMA信道 (Channel Distribution of TDMA and CDMA)

IDER/NEID与 TDMA/CDMA 的关系如图十三所示：

从图中可以看出，随着 CDMA信道的增加， IDER明显下降，但是这也导致了读卡器的设计难度的增加，同时还会引起应答机操作的不稳定性。对于应答机，等待 TDMA 时隙，电容充电，这样的操作过程是不可避免的，所以本文就考虑减少CDMA 信道，因此本文给出的最优平衡参数是 CDMA 信道 =64 ， TDMA 信道 =64.

4.3 Back-End Design for Robust RFID Links

RFID 系统的后端设计参数集如表一所述：

根据表一参数集所设计的应答机如图十四所示： 其中数字后端设计部分包括 (1) ID 号存储空间 (ROM f

or ID storage) ； (2) 伪随机序列发生器 (PRSG for channel assignment) ； (3)CDMA 调制器 (a CDMA modulator) ； (4) TDMA 时隙控制器 (a TDMA slot controller) ； (5) CRC 编码器 (a CRC encoder) 。

5. Conclusion

本文利用高层次建模方法，为高度防碰撞 RFID 系统提出了一个后端设计方法。新建的快速原型模拟器 (built rapid-prototype simulator)可以在各种干扰情况下评估多应答器 RFID 系统的鲁棒性。重传机制不单可以有效的减小应答器错误识别率，还可以提高系统容量。此外，我们也证实了动态调整阈值 (thresholding adjustment) 可以有效的提高系统防碰撞性能。