专利名称：一种基于空分多址的防冲突射频识别方法
一种基于空分多址的防冲突射频识别方法 技术领域 t本发明属于超高频(UHF) /微波(MF)'射频识别(RFID)技术领域，特别涉及一种 基于空分多址的射频识别方法。
背景技术：
RFID技术作为一项先进的自动识别和数据采集技术，在生产制造、销售流通、公共 安全等领域有着广阔的应用前景。RFID技术以无线通信技术和大规模集成电路技术为核 心，利用射频信号空间传输特性，驱动电子标签电路发射其存储的唯一编码。标签结构 简单，采用集成电路工艺设计，可以做到低成本大批量生产。RFID系统由电子标签、读写器、天线和中间件等四部分构成。 从工作频率上来说，分为低频(9 13. 5MHz)、中高频(13. 56MHz)、超高频 (300MHz~l. 2GHz)和微波(2. 45GHz 5. 8GHz)。从识别距离上来说，分为密耦合(0 ~ lcm)、遥耦合(0 ~ lm)和远距离系统(Mm)。 从能量供应上来说，射频标签分为有源和无源两种。无源射频标签，其自身没有电 源。因此，无源射频标签工作用的所有能量必须从阅读器发出的电磁场中取得。与此相 反，有源的射频标签包含一个电池，为微型芯片的工作提供全部或部分能量。从数据传输技术上来说，分为电感耦合、电磁反向散射耦合及表面声波技术。 随着阅读器识别距离的增大，其辐射区域内的标签数量呈几何倍数增长，发生冲突 的几率也随之成倍增加。对于工作在超高频(UHF)和微波(MF)频段的RFID系统，由 于采用电磁反向散射耦合技术，其识别距离一般较长，因此在其大半径辐射区域内的发 生多标签冲突的机率很大，如何选取合适的防冲突方法是提高RFID系统工作性能的关键 所在。RFID系统中的防冲突问题实质上就是无线通信系统中的多路存取问题。解决多路存 取问题的方法一般有以下几种频分多路(FDMA)、空分多路(SDMA)、码分多路(CDMA) 以及时分多路(TDMA)。对于无源标签，由于其标签结构简单且能量供应低，不适合做 复杂的信号处理运算，因此防冲突的重点应放到读写器上。CDMA方式主要基于扩频通信技术，但由于其通信频带及技术的复杂性，很难在RFID 系统中应用。FDMA是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时提供给用户，要求读写 器针对不同频率要有不同接收通路，成本很高，因此只能在一些特定场合得到应用。TDMA 方式主要是基于AL0HA的方法和基于树形的方法以及一些改进方法，目前应用较为广泛。 但是这些方法只是利用了标签的唯一编码，没有利用标签在空间的分布信息，如标签反射信号的角度，标签的疏密程度以及距离读写器的远近等等，因此其防冲突性能受到很 大限制，吞吐率并不高。专利200610123995. 6中公开了一种RFID阅读器智能天线系统，采用在读写器上使 用相控阵天线作为电子控制的定向天线，使天线的方向图依次对准作用范围内不同的标 签，从而实现依次识别，避免冲突的发生。但由于其波束方向和网络参数都是固定的， 所以灵活性差，时间延迟较长，识别盲区较多，识别效果不理想。发明内容本发明针对现有技术的上述不足，提出一种能够充分利用标签的空间信息，具有高 防冲突性能的射频识别方法。该方法将自适应天线同RFID系统相结合，通过软件无线电 算法控制多波束参数，实现多路同时读取，达到防冲突的目的。本发明采用如下的技术方案一种基于空分多址的防冲突射频识别方法，用于阅读器通过天线阵列识别分布在其识别范围内的多个标签，该方法包括下列步骤首先根据天线阵列的分布特征，计算天 线阵列中各个天线阵元所发射的信号的幅值加权系数，形成多个发射波束方向；再按照所确定的多个发射波束方向，控制天线阵列的各个天线阵元发射射频信号，并对接收到 的各个标签的反射信号进行识别，从而获取标签的空间分布状况；最后根据标签的空间 分布状况，确定不同的防冲突射频识别策略，调整由各个发射波束的波瓣宽度、数量、 方向以及强度，控制天线阵列的各个天线阵元发射射频信号，并对接收到的各个标签回 波信号进行处理，分离出各个波束方向的反馈信号，读取分布在各个波束方向里的一个 或一个以上标签所反射的标识码。本发明的基于空分多址的防冲突射频识别方法，获取标签的空间分布状况后，若判 断每个波束方向上分别包含且仅包含一个标签，则同时接收并恢复出各个波束方向上标 签回波信号上所载的数据，完成多路识别；若判断某个波束方向上没有分布标签，则对 该波束方向置零；若判断标签多且分布紧密，则采用二次辐射波束方向的方法进行射频 识别或者利用自适应算法对发射波束的波瓣宽度、数量、方向以及强度等进行重新调整 后再进行射频识别；若判断在某个波束空间里分布有两个或两个以上的标签，则采用频 分、码分或时分的方法识别该波束方向里分布的标签。本发明具有如下的有益效果(1) 本方法可实现对标签的多路同时读取，在标签密集的情况下，还可同其它防冲 突算法级联使用，可以有效地避免标签冲突的发生。(2) 本方法可在每个波束方向上独立的对该方向范围内的标签进行读取操作，波束 之间没有任何影响，系统吞吐率随波束个数的增加呈几何倍数增长。(3) 智能天线作为一组相关的天线阵元，通过在空间构成一定的几何形状接收信号， 其每个阵元都相当于一个传统的全向天线。这样，由M个阵元所组成的天线阵列所能收集或发射的无线信号能量就是单个全向天线的M倍。因此，在发射功率保持不变的情况 下，阅读器的识别范围可以大幅度提高。或者在识别范围保持不变的情况下，可以将每 个天线阵元的输出功率较少为原來的1/M，实现节能减耗的作用。(4) 波束形成可以用数字方式在基带实现，也可以用模拟的方式在微波和中频实现。 本专利中采用软件无线电和天线阵技术将波束方向调整算法部分集中在基带dsp处理器 中完成，天线阵加权系数的求解调整也是通过基带DSP处理器完成，因此硬件设备简单， 对硬件平台的依赖性降低，对算法的改进功能的扩展提供很好的便利性。(5) 阵列天线利用标签分布信息，还能为标签定位算法提供一个角度信息，因此对 标签定位有很好的支持。
图1均匀线阵基本原理图。 图2接收数字波束形成原理框图。 图3发射数字波束形成原理框图。 图4询问机结构。图5 (a)空间标签分布图标签少且分布均匀。 图5 (b)空间标签分布图标签少但分布不均匀。图5(C)空间标签分布图标签多但分布均匀。 图5(d)空间标签分布图标签多且分布不均匀。图6 二次辐射波束方向图示意图。图7标签少分布均匀情况下的波束图。图8标签少分布不均匀情况下的波束图。图9 (a)标签较多情况下进行第一次扫描的波束图。图9 (b)标签较多情况下进行第二次扫描的波束图。图10在标签较多情况下执行混合防冲突算法的波束图。图11标签多、空间分布复杂情况下的波束图。
具体实施方式
本发明充分利用各个标签的空间信息，将自适应天线同RFID系统相结合，通过软件 无线电算法控制加权系数，将空间划分为多个波束方向。阅读器可以通过发射多波束形 成算法控制天线的多个波束主瓣方向以激活各个方向范围内的标签，然后通过接收多波 束形成算法在后端对接收信号进行处理，分离出各波束方向的反馈信号，并读取唯一标 识码，完成通信过程。针对标签在空间分布的不同情况，还可以采用不同的自适应策略， 以达到提高吞吐率的目的。下面结合基本原理、附图和实施例对本发明做进一步详述。1.多波束形成算法的基本原理(1) 波束形成原理阵列天线包括均匀线阵，圆形阵、面阵等多种阵列结构，下面以均匀线阵为例，说 明波束形成的基本原理，显然该结果亦可推广到其它情况中。假设有yV个天线单元按图1所示进行排列，天线单元间的间距为"，共有^个用户信 号，第历个用户的入射信号为&(0，此信号的入射方向与法线方向的夹角为《,。通过推 导可知，为得到第m个用户的信号，该天线阵列中第n根天线的复加权系数应为-l=(" )"eXp(-其中 , = 2油/《)。" 为第"根天线对第历个用户的幅度失配因子，；^为第历个用户信号的波长。 该波束主瓣半功率点宽度为A- %886^ 。在实际应用中，可采用幅度加权(又称为加窗)的方法降低副瓣。(2) 数字多波束形成原理若用#组复加权系数『 0 = 0,1,...,菔-1)同时对yV个天线输出信号进行加权处理，即可获得i/个不同指向的窄波束。利用数字波束形成的方法(DBF)即可实现复加权，原 理框图如图2所示。把天线输出信号经下变频器变换成中频信号后，进行A/D采样数字 化，然后送到数字波束形成起的信号处理单元完成对各路信号的复加权处理，最后即形 成所需的多波束信号，其中DBF处理器实际上就是完成了下式的矩阵运算<formula>formula see original document page 6</formula>基于现有的DSP器件水平，图3所示的多波束形成器是完全可以实现的，且硬件组 成简单，具有很高的灵活性和功能扩展性。尤其是对于均匀线阵，其输出即为输入信号 的离散傅氏变换，利用FFT算法可以快速实现。为了提高处理增益，还可以利用带有约束条件的波束形成算法，如"零陷"波束形 成器等，对合成波束输出信号中所含有的其他信号成分以及其他方向上的空间干扰或噪声加以抑制，将天线间的互扰，外界干扰，电路干扰等降到很低。从图3阵列天线发射波束形成的机理来看，根据互易定理，DBF技术同样适用于发射 模式。通过对各天线阵单元的基带信号进行相应的复加权，将之上变频到射频，经天线 阵空间辐射可以在空间形成携带不同数据的多个波束方向。控制这些波束方向，可以使 其指向不同的目标，实现多目标通信。<formula>formula see original document page 6</formula>2、利用多波束形成算法进行多标签防冲突的方法(1) 询问机结构以iso-18000-6的询问机结构为例做如下修整从图4所示询问机结构中可以看出，本专利所提出的方法与已有的防冲突算法位于 基带信号处理中的不同位置，可见其对已有防冲突算法没有任何影响，且完全兼容。因 此根据具体的应用环境，可单独使用本专利所提出的方法，也可将本方法所提供的标签 空间信息同己有算法所提供的时序信息相结合，共同达到防冲突目的。(2) 防冲突算法的基本原理把空间中的标签当作用户信号。在读写器的识别范围内，如果用户信号的个数小于或等于天线阵元数目则可一次将全部标签识读。否则需要采取一定的策略。具体方法为阅读器可以通过发射多波束形成算法控制天线的多个波束主瓣方向，相当于将空间 按照波束划分成若干个子空间，每一个空间里的标签只接收读写器在该方向上发射的电 磁波。该电磁波为该空间中的无源标签提供射频能量，将无源标签唤醒。标签被激活后，根据卡内的o、 l识别数据，以一定频率控制标签发射天线的阻抗， 使其处于"匹配"或"失配"状态(如可令1比特对应匹配状态，o比特对应失配状态)。根据传输线理论，当处于匹配状态时，电磁波能量被标签吸收，而当处于失配状态时， 电磁波能量被反射回去。显然，为了更精确地确定标签的空间信息，需要先进行自适应波束形成算法，形成 最佳波束。因此先使标签发送其识别码，这样读写器的阵列天线可以接收到从标签反射 回来的电磁波，并根据反射波的具体情况可对标签的空间位置、干扰环境等进行分析， 利用自适应多波束算法动态调整波束的波瓣宽度、数量、方向以及强度等参数。根据互 易原理，将接收波束的权用于发射，可得到同样形状的发射波束。在完成自适应波束形 成算法之后，阅读器可以通过发射波束向标签发送指令，使其发送其唯一识别码。然后 通过接收多波束形成算法在后端对接收信号进行处理，分离出各波束方向的反馈信号， 并采用适当的方法，读取各个标签的标识码，完成通信过程。(3)不同的防冲突策略一般的，标签的空间分布大致有四种情况，分别如图5 (a)、图5 (b)、图5 (c)、 图5 (d)所示。对不同情况，可采用不同的自适应策略。①标签较少的情况。这是一种较为简单的情况，可直接利用FFT算法，将空间划分 成若干个等间距波束，使得每一波束内至多只有一个标签。这样，通过基带DSP处理之 后，便可以得到互不干扰的若干个标签信息。如果若干方向上没有标签，这样会造成空 间上的波束资源浪费。因此，应对现有算法进行改进，对实现目标不同采用不同的改进 策略。当根据反射波发现有若干个波束方向上没有标签信息时，如果希望提高抗干扰能力， 则可以设计权值，使之在需要信号方向得到最大相应，而在干扰方向产生零点。只要需要信号方向和干扰方向的总和小于天线的阵元数目即可。或者如果希望增加识别范围(距 离)，可以只在有标签的方向形成波束，即縮小波束形成的总体范围，从而达到增加每 个波束上发射功率的目的，以提高识别距离。② 标签较多的情况。如果需要方向数目大于天线的阵元数目，则用上述方法无法进 行识别，这时可以采用二次或多次全向辐射波束的方法，即将标签分群，不同时段对不 同群进行识别。图6是一个二次辐射波束的方向图示意图。实线围成的方向区域是第一 次全方向扫面的方向图。虚线围成的区域是第二次方向图全方向扫描的区域。阴影部分 是对第一次扫丢失方向的弥补。这样讲所有标签按照所处方向的不同分成两组，实线部 分包括的是第一组标签，虚线部分包括是的是第二组标签。在第一时段对第一组标签进 行识读，处理完毕之后，再调整波束方向，对第二组标签进行识读。③ 对标签较多的情况，还可以同原有算法相结合。在不增加波束数目的情况下，很 有可能在一个波束方向上出现多个标签，此时防冲突的实现可以同其他的防冲突算法协 助完成。本专利是采用空间分离的方法同时跟不同波束方向的标签通信，因此在不同的 波束方向上还可以采用其它防冲突算法，且所采用的防冲突算法可以任意选择，不同波 束方向上的标签可以共用一个频段或者一个时隙而不会造成冲突。已有的防冲突算法都 有各自的适用情况，因此根据不同的实际情况，可以在不同波束方向上根据标签分布信 息选择更适合的防冲突算法。这也是采用软件无线电技术的灵活性之所在。④ 标签较多且空间分布密度未知的情况，这是最复杂的一种情况，需要将上述策略 结合使用，在利用自适应算法合理选择波束数目、方向、波瓣宽度等参数的基础上，还 需要根据实际情况，同已有防冲突算法相结合，共同实现标签的识别。⑤ 上述方法均只考虑二维情况，即只根据标签的入射方位角将平面划分成不同波方 向束。如果利用面阵天线等一些智能天线，还可得到标签信号的仰角信息，则可以在仰 角和方位角两个方向上同时形成波束，并利用二维FFT等算法，实现对三维空间的划分。◎当在阅读器可读范围内标签数目不定或位置不定时，可以采用自适应算法，对波 束的数量、方向、形状等进行动态调整。此外，由于本算法相对于原有算法的识别速度 成倍数提高(同天线阵元数目成正比)，因此对于相对变化不大的动态系统完全可以忽 略其变化， 一次性识别。下面结合对本发明的实施例进行描述。(1) 总体参数设置载波频率选择为900Mhz，加载多波束形成设备，实现空分多址防冲突。 多波束成形的多天线系统采用8天线的天线阵列。则同时最多产生8个指向的波束 方向。其具体的波束方向可根据标签分布情况而定，下面给出具体的实施办法。(2) 情况l标签少分布均匀如图7所示虚线围起的范围为波束形成算法所形成的8路波束方向。标签均匀散 布在0°、 45°、 90°、 135°、 180°、 225°、 270°、 315。几个波束方向中。因此可以同时启动这几个方向上的标签。同时接收并恢复出几个波束方向上标签回波信号上所载的数 据。完成同时多路识别的操作。(3) 情况2标签少分布不均匀如图8所示，标签很少且分布不均匀，通过第一轮全扫描后发现有此分布特点。则 通过自适应波束成形算法，调整各天线的系数，同时生成扫描后的几个波束，其方向分 别为45°、 180°、 270°、 315°。可见这样可用少数的几个波束完成对此种空间分布标签的通信。(4) 情况3标签较多，两次多波束扫描空间分布标签较多，且比较紧密，则可先用图9(a)的波束方向0。、 45°、 90°、 135°、 180°、 225°、 270°、 315°进行扫描，完成局部标签的识别。然后将图9 (a)的波束方向顺时针调整2^5°，形成如图9 (b)的方向图，再对此方向图中所有的标签进行识别。(5) 情况4标签较多，混合防冲突算法如图IO所示，在0°、 180°、 315。此三个方向发生了波束内冲突。此种情况我们可以采用空分多址加动态时隙的混合防冲突算法来做到标签识别。给发生冲突的这几个标 签方向发送冲突信息，则标签做动态时间延迟，标签1延迟tl,标签2延迟t2,延迟小的 标签被先识别，延迟大的标签在其后识别。不同波束方向的标签识别过程互不干扰，因 此不同方向的时延可以是相同的。 *(6) 情况5标签多，空间分布复杂如图11所示，空间分布比较复杂，其特点是有波束方向冲突，也有分布紧密，有 的波束方向还没有标签。鉴于这种情况我们可以将前面几种方法混合起来完成标签识别， 其解决方案可以有很多种，可根据具体情况具体选择。一种方案先用自适应算法，产生固定方向波束0。、 45°、 135°、 180°、 270°、 315°， 用同波束方向混合防冲突算法完成冲突方向0。、 135°、 180°、 315。标签的识别。45°、 270° 可直接识别。识别后将识别的标签做最大延迟(失活一段时间)。然后再做一次全扫描， 将剩下标签的分布估计出来，然后再用自适应算法生成固定波束方向。
权利要求
1.一种基于空分多址的防冲突射频识别方法，用于阅读器通过天线阵列识别分布在其识别范围内的多个标签，该方法包括下列步骤首先根据天线阵列的分布特征，计算天线阵列中各个天线阵元所发射的信号的幅值加权系数，形成多个发射波束方向；再按照所确定的多个发射波束方向，控制天线阵列的各个天线阵元发射射频信号，并对接收到的各个标签的反射信号进行识别，从而获取标签的空间分布状况；最后根据标签的空间分布状况，确定不同的防冲突射频识别策略，调整由各个发射波束的波瓣宽度、数量、方向以及强度，控制天线阵列的各个天线阵元发射射频信号，并对接收到的各个标签回波信号进行处理，分离出各个波束方向的反馈信号，读取分布在各个波束方向里的一个或一个以上标签所反射的标识码。
2. 根据权利要求1所述的基于空分多址的防冲突射频识别方法，其特征在于，获取标签 的空间分布状况后，若判断每个波束方向上分别包含且仅包含一个标签，则同时接收 并恢复出各个波束方向上标签回波信号上所载的数据，完成多路识别。
3. 根据权利要求1所述的基于空分多址的防冲突射频识别方法，其特征在于，获取标签 的空间分布状况后，若判断某个波束方向上没有分布标签，则对该波束方向置零。
4. 根据权利要求1所述的基于空分多址的防冲突射频识别方法，其特征在于，获取标签 的空间分布状况后，若判断标签多且分布紧密，则采用二次辐射波束方向的方法进行 射频识别或者利用自适应算法对发射波束的波瓣宽度、数量、方向以及强度等进行重 新调整之后再进行射频识别。
5. 根据权利要求1至4任意一项所述的基于空分多址的防冲突射频识别方法，其特征在 于，获取标签的空间分布状况后，若判断在某个波束空间里分布有两个或两个以上的 标签，则采用频分、码分或时分的方法识别该波束方向里分布的标签。
全文摘要
本发明属于射频识别技术领域，涉及一种基于空分多址的射频识别方法，该方法包括下列步骤首先根据天线阵列的分布特征，形成多个发射波束方向；再按照所确定的多个发射波束方向，控制天线阵列的各个天线阵元发射射频信号，并对接收到的各个标签的反射信号进行识别，从而获取标签的空间分布状况；最后根据标签的空间分布状况，确定不同的防冲突射频识别策略，调整由各个发射波束的波瓣宽度、数量、方向以及强度，控制天线阵列的各个天线阵元发射射频信号，并对接收到的各个标签回波信号进行处理。本方法可实现对标签的多路同时读取，还可同其它防冲突算法级联使用，有效避免标签冲突发生。
文档编号G06K7/00GK101271510SQ20081005236
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月4日 优先权日2008年3月4日
发明者于洁潇, 刘开华, 格 闫, 黄翔东 申请人:天津大学