射频拉远RFID读写器系统及光纤射频拉远的方法与流程

本发明涉及射频识别(RFID)领域，特别是涉及一种采用光纤进行射频拉远的分体式RFID读写器系统。本发明还涉及一种道路交通领域的光纤射频拉远的方法。
背景技术：
：目前，在道路交通领域内的电子车牌(汽车电子标识)、ETC(不停车收费)、多义性路径识别、城市自由流等项目中，路侧的RFID读写器都是挂在架子上(龙门架或L型杆)，这些读写器的信号传输(RS485/RS422、网口等)都是通过铜线连接到路侧机箱内或岗亭内。在有些天线单元和射频单元分离式应用架构中，射频单元还通过馈线(也是铜线)传输信号到天线单元。在解决信号传输的问题上，读写器采用铜线存在以下问题：(1)铜线价格贵；(2)铜线传输信号衰减大；(3)传输距离近，只能实现本地拉远，不能实现远距离拉远；(4)数字信号在铜线上传输速率低；(5)组网麻烦、不能灵活扩展，尤其是网络中增加不同频点或不同应用的设备情况下；或组网中某个中间链路断开导致很多读写器无法上传数据；(6)产品维护麻烦，尤其是架子上的设备维修，比如：更换PSAM(销售点终端安全存取模块)卡；软件代码升级；(7)铜线耗电大、不环保；(8)铜线传输的电信号容易受到电磁干扰、可靠性差。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种射频拉远RFID读写器系统，能够有效避免道路交通环境下的电磁干扰，提高通讯信号质量，且成本低；为此，本发明还要提供一种光纤射频拉远的方法。为解决上述技术问题，本发明的射频拉远RFID读写器系统，包括：一个RFID控制器，设置在道路地面上，用于通过带有CPRI(通用公共无线电接口)协议的光口控制道路上射频拉远网络内的所有RFID读写器；多个RFID读写器，分布于道路架子上，通过接收所述RFID控制器的命令和时钟，读写RFID空口的标签数据，然后通过光纤网络逐级透传，最后上报到RFID控制器；光纤，用于连接多个站点多个应用的各个RFID读写器以及RFID控制器；将RFID控制器和多个RFID读写器组成链形网或环型网或星型网；所述RFID控制器和RFID读写器内分别设有CPRI协议模块，用于进行光纤点对点或组网通讯。所述CPRI协议模块，采用RFID控制器和RFID读写器内的FPGA(现场可编程门阵列)实现。每个应用内的局部RFID读写器还可以组成二级网络。所述CPRI协议模块，采用RFID控制器和RFID读写器内的FPGA实现。时钟同步系统在射频拉远通道中提取时钟，使得所有RFID读写器的时间和RFID控制器保持一致。这样，上报的标签数据带有时间标志，可以进行汽车经过特定道路的时间管理。所述多个RFID读写器的设备ID管理，包括：所述RFID控制器分配、管理和下发各个RFID读写器的设备ID，通过射频拉远的光口依次透传下发各个RFID读写器的设备ID。下发时，每经过一个节点，ID的最高2位增加1；每经过同一站点内的不同应用，ID的中间2位自动加1；每经过同一个应用内的不同RFID读写器，ID的最低2位增加1。本发明的光纤射频拉远的方法，是采用如下技术方案实现的：将RFID控制器设置在道路地面，通过光纤发出控制信号；将RFID读写器部署在道路架子上，通过光纤接收RFID控制器命令，并上传IQ数据(两路正交数据：In-phase同相、Quadrature正交)；所述RFID控制器和RFID读写器通过光纤内运行的CPRI协议进行通讯；所述RFID控制器和RFID读写器通过光纤进行一级组网和二级组网；所述RFID控制器通过网络依次下发分配各个RFID读写器的设备ID(身份标识号码)。本发明通过在RFID读写器增加光口、具备CPRI接口协议功能，并将各个RFID读写器依次级联，最后与RFID控制器的光口连接，组成环形网或链形网(也可扩展到星型网)，使RFID控制器对外的信号接口只需要光 纤连接，而不需要各种铜线连接，节约了大量工程线缆的成本，在目前“光进铜退”的大趋势下，完全符合环保、节约的理念。光纤传输速率快(本发明中采用2.5Gbps)，可以将道路龙门架上面的RFID读写器的一些功能通过光纤转移到地面设备实现，大大增强了设备的可维护性，大大减少了出现问题就封锁道路、进行龙门架上架维护的难度和成本。同时，采用光纤进行射频拉远，可以避免铜线电信号传输容易受到电磁干扰、误码率高的问题。光纤组网灵活、扩容方便。RFID读写器通过多个光口可以进行数据透传，可以环形组网冗余保护、可以链形组网、也可以星型组网，还可以进行二级组网；组网灵活，可以随时增加和减少RFID读写器，方便工程部署。而且，通过二级组网的方式，可以在同一个站点、不增加网络情况下，进行应用扩展，通过二级组网进行同一站点多个应用的扩展。附图说明下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：图1是传统的RFID读写器原理框图；图2是射频拉远的RFID读写系统结构框图；图3是射频拉远点对点应用的结构框图；图4是射频拉远组网应用的结构框图；图5是射频拉远二级组网的结构框图；图6是射频拉远多应用组网的结构框图；图7是射频拉远在同一个站点组网的结构框图；图8是射频拉远读写器内部CPRI模块的结构框图；图9是射频拉远CPRI通道中IQ数据通道映射图；图10是射频拉远CPRI通道中控制命令通道的结构框图；图11是射频拉远系统时钟同步的原理框图；图12是射频拉远RFID读写器的设备ID处理结构的原理框图；图13是射频拉远多个RFID读写器的设备ID分配示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。所述RFID读写器设备本身具有至少1个光口，每个光口具备接收、发送的双向数据传输功能。该光口采用CPRI协议进行信号传输。所述RFID控制器设备本身具有至少1个光口，每个光口具备接收、发送的双向数据传输功能。该光口采用CPRI协议进行信号传输。所述RFID读写器有1个光口、进行点对点通讯情况下，RFID控制器和RFID读写器之间通过一对光口传输信号，具备接收、发送的双向数据传输功能。此时RFID控制器只需要1个光口、RFID读写器也只需要1个光口。所述RFID读写器有2个光口、进行组网情况下，第1至第N个RFID读写器分别通过各自的两个光口依次连接，形成具有两个链路端部接口的读写器链路；如果两个所述链路最终都接入RFID控制器，此时，RFID读写器和控制器分别最少具备2个光口，组网形成环形网；如果两个所述链路中只有一个链路最终接入RFID控制器，此时，RFID控制器具有1个光口即 可，组网形成链形网。所述RFID读写器有3个光口，第一光口(OPT_1)和第二光口(OPT_2)进行一级组网(环型组网或链形组网)、第三光口(OPT_3)和本站点的其它RFID读写器进行二级组网的情况下，第1至第N个站点的第一RFID读写器通过第三光口连接本站点的其它RFID读写器，形成链形网。本站点除了第一RFID读写器外，其余RFID读写器的第二光口不用。每个光口具备接收、发送的双向数据传输功能，并采用CPRI协议进行信号传输；第一光口和第二光口进行一级组网，即环型组网或链形组网，第三光口和本站点的其它RFID读写器进行二级组网的情况下，在所述RFID控制器开始的环型组网的网络中(一级网络)，通过把两个链路端部接口分别连接至RFID控制器的第一光口和第二光口，使所述RFID读写器链路连接到所述RFID控制器，形成环形网。其中，RFID控制器经由所述第一光口，向一级组网中每个RFID读写器发送下行数据或信令；并经由RFID控制器的第一光口和第二光口分别接收所述RFID读写器链路中的每个RFID读写器发送的上行数据，并选用质量最佳的所述上行数据。另外，通过在RFID读写器的两个光口中设置数据透传路径实现数据和信令的透传。其中，每个RFID读写器按以下步骤处理从所述两个光口接收下行数据：选用所述第一下行数据和第二下行数据中延迟最小、质量最佳的下行数据；其中，每个RFID读写器还接收和处理来自所述RFID控制器的两个 光口的数据中的时钟标志信息，具体为：从对应于所述RFID控制器的第一光口输出的数据中提取第一时钟和第一时钟标志信息；从对应于所述RFID控制器的第二光口输出的数据中提取第二时钟和第二时钟标志信息；根据第一时钟标志信息和第二时钟标志信息，判断时钟优先级，并选用第一时钟和第二时钟中优先级最高的时钟。在所述RFID控制器开始的链形组网的网络中(一级网络)，通过把RFID控制器的第一光口连接第1站点的第一RFID读写器的第一光口、然后第1站点第一RFID读写器的第二光口连接下一个站点的第一RFID读写器的第一光口...，依次类推，最后一个站点的第一RFID读写器的第二光口空着，以备扩展站点时使用。其中，所述RFID控制器经由所述第一光口，向一级组网中每个RFID读写器发送下行数据或信令；并经由RFID控制器的第一光口接收所述RFID读写器链路中的每个RFID读写器发送的上行数据。在RFID读写器用了3个以上光口的组网中，每个站点的多个RFID读写器局部组成二级网络，二级网络都是链形网络。通过把每个站点的第一RFID读写器的第三光口连接第二RFID读写器的第一光口、第二RFID读写器的第三光口连接第三RFID读写器的第一光口、...，依次类推，最后一个RFID读写器的第三光口空着，以备扩展时使用。本站点的第一RFID读写器的第二光口连接下一个站点、其余RFID读写器的第二光口空着不用。在所述RFID控制器和RFID读写器都用一个光口进行点对点连接的场合，RFID控制器通过CPRI协议直接控制单个RFID读写器。所述RFID读写器具备1个或多个光口；内部电路板具备射频功能，包括：自干扰消除控制功能、PLL(锁相环)功能、射频专用芯片功能、驻波保护和温度保护功能、前向DAC(数模转换)和调制度等功能、反向ADC(模数转换)和解调器等功能、天线开关切换、PA驱动、环形器和耦合器。所述RFID控制器具备1个或多个光口；内部电路板具备数字基带功能，包括：RFID空中接口协议MAC(媒体访问控制)层功能、基带信号发送通道的滤波和编码等、基带信号接收通道的滤波和解码等和读写器的控制与状态检测，以及读写器的级联管理。所述RFID读写器是射频单元，通过CPRI接口(光口)进行数据传输。CPRI接口包括数据通道、信令通道、时钟通道。其中：数据通道用来传输上行AD(模数转换)数据和下行DA(数模转换)数据(都是IQ数据)；信令通道，用于RFID控制器给RFID读写器发送各种命令；时钟信道，用于RFID读写器根据收到的数据进行时钟同步。所述RFID读写器通过CPRI接口可以将发送端的时钟恢复出来，实现系统时钟同步；同步后，射频拉远的两端设备的时钟就同步了。具体时钟同步的系统框图如图11所示。CPRI的数据流如图8所示。FPGA除了可以将发送端的时钟恢复出来，实现系统时钟同步，同时还可以提供IQ数据通道、信令接口[MII(介质无关接口)或HDLC(高级数据链路控制)]，并能够与高速串行接口模块PCS(物理编码子层)无缝连接。其中，IQ数据可以通过数据接口直接传输，HDLC、用户自定义数据和链路状态都有专门的通道。以太网通道有三种选 择：串行模式、MII匹配速率模式和MII固定速率模式，本发明采用MII匹配速率模式，为RFID读写器直接提供MII接口，实现与RFID控制器的以太网通信。RFID读写器采用CPRI的IQ数据通道传输AD和DA数据，采样速率都是30.72Msps(每秒采样百万次)，DA数据为2路14bit(比特)，AD数据为2路14bit。由于RFID读写器基带的前向信号最大速率是640Kbps(根据不同的射频应用，支持40k、80k、160k、256k、320k、512k、640k等)，反向最大速率是640Kbps(千比特每秒)，所以前反向最大采样率选用3.84Msps进行传输，该速率也是CPRI基本帧的帧频。ADC/DAC采样速率和基带信号传输速率的不同，意味着在给CPRI模块映射数据之前需要对IQ数据进行上、下采样，采样倍数为6倍。表1基带IQ信号容量速率位数通道容量下行3.84Msps14*216上行3.84Msps14*216CPRI协议规定，在线速率2.5Gbps(千兆比特每秒)时，基本帧包含16字节数据，其中第1个字节是特殊信号，其余的15个字节传输IQ数据，具体的CPRI基带IQ数据映射如图12所示。为了便于映射，IQ数据全部用14bit传输。由于共有16通道的容量，只连接一个RFID读写器时，仅使用其中的一个通道。另外，映射表中(参见表2)为每一个通路预留2个bit，用于高速GPIO(通用输入/输出)控制，放在第15字节。16通道中，每4个通道是一组，一共有4组。每组4 通道(A、B、C、D)的IQ映射表如下：表2四个通道IQ数据映射表1234567…1415AI0AI4AI8AI12BI2BI6BI10…DI10AIO0AQ0AQ4AQ8AQ12BQ2BQ6BQ10…DQ10AIO1AI1AI5AI9AI13BI3BI7BI11…DI11BIO0AQ1AQ5AQ9AQ13BQ3BQ7BQ11…DQ11BIO1AI2AI6AI10BI0BI4BI8BI12…DI12CIO0AQ2AQ6AQ10BQ0BQ4BQ8BQ12…DQ12CIO1AI3AI7AI11BI1BI5BI9BI13…DI13DIO0AQ3AQ7AQ11BQ1BQ5BQ9BQ13…DQ13DIO1CPRI提供MII以太网接口，从FPGA出来后的MII接口连到CPU，这样网口PHY(物理层)功能就在FPGA内部实现了。一些控制信息可以通过MII网口直接传送，MII控制信息再映射到CPRI通道内。具体的CPRI协议功能内部MII部分参考图10。CPRI除了能提供MII以太网通道外，还能提供一个480Kbps的HDLC通道，为射频拉远提供另外一种控制通道，在RFID读写器级联的条件下，能够传输控制信息。HDLC的数据帧以0x7E为帧头和帧尾，当检测到非0x7E数据后，逻辑将串行数据写入一个FIFO(先进先出)中，直到检测到帧尾0x7E信号，同时触发中断告诉CPU读取数据。发送过程则由CPU控制，将数据写入FIFO后告诉FPGA启动发送。参见图1所示，传统的RFID读写器内部至少集成了控制单元、射频单元，有的RFID读写器内部还集成了天线单元。结合图2所示，所述采用光纤进行射频拉远的RFID读写器系统，包括：RFID控制器、RFID读写器和光纤(射频拉远)；通过光纤射频拉远技术将RFID读写器系统的控制单元和射频单元分离。所述的RFID控制器就是分离 出来的控制单元，RFID读写器里面只保留了射频单元(天线单元可选)。图3是典型的一个RFID控制器连接一个RFID读写器的点对点射频拉远应用实施例(一个光口的点对点连接)，可用于某种应用的站点，比如电子车牌应用。所述的RFID控制器放在路侧的地面，所述的RFID读写器放在道路的架子上；该RFID读写器具有1～4个天线接口ANT1～ANT4。RFID控制器和RFID读写器分别至少包括1个光口，以便通过CPRI协议进行通讯。图4是典型的一个RFID控制器连接多个RFID读写器的链形组网应用实施例(两个光口组网的级联)，可用于某种应用的站点，比如电子车牌应用。所述的RFID控制器放在路侧的地面，所述的RFID读写器放在道路的架子上；RFID控制器至少具有1个光口，RFID读写器至少具有2个光口。所述的站点可以有多个，每个站点上可以有多个RFID读写器。每个RFID读写器依次通过2个光口进行级联，形成链型网。图5是典型的一个控制器连接多个站点(一级组网)、每个站点有二级组网的应用实施例(三个光口组网的级联)，可用于某种应用的站点，比如电子车牌应用。所述的RFID控制器放在路侧的地面，所述的RFID读写器放在道路的架子上；RFID控制器至少具有1个光口(环型组网情况下至少2个光口)，RFID读写器至少具有3个光口。所述的站点可以有多个，每个站点上可以有多个RFID读写器，每个站点的01号读写器作为对外接口、通过第一光口和第二光口参与一级组网、通过第三光口参与二级组网。一个站点只有一个二级组网。本站点其余RFID读写器通过第一光口和第三光 口依次级联进行二级组网(链型网)。RFID读写器具有1～4个天线接口ANT1～ANT4。图6(同一站点有多种应用的级联)和图7是典型的一个RFID控制器连接多个站点(一级组网)、每个站点有多个应用(参与一级组网)、每个应用有二级组网的实施例。所述的RFID控制器放在路侧的地面，所述的RFID读写器放在道路的架子上；RFID控制器至少具有1个光口(环型组网情况下至少2个光口)，RFID读写器至少具有3个光口。所述的站点可以有多个，每个站点上可以有多个RFID读写器，每个站点的每个应用相当于子站点，每个应用的01号RFID读写器作为对外接口、通过第一光口和第二光口参与一级组网、通过第三光口参与每个应用的二级组网。一个站点有多个二级组网。每个应用的其余RFID读写器通过第一光口和第三光口依次级联进行二级组网(链型网)。在本发明中，一级组网的网络不需要特殊的限定，可以采用链形网、也可以采用环型网，甚至于RFID控制器有多个光口的情况下，也可以采用星型网络；只要各个光口采用CPRI协议即可。图6中上端部分表示X站点应用一，比如电子车牌应用，下端部分表示X站点应用二，比如自由流应用。RFID读写器具有1～4个天线接口ANT1～ANT4。图7中的双箭头连线表示光纤。图8是RFID读写器内部CPRI接口处理的框图。CPRI接口出来是在FPGA芯片内部处理的，然后转换成IQ数据(给射频单元的DAC、ADC)、控制命令(HDLC或MII接口)、时钟信号等。其中，IQ数据通道映射如图9所示；控制命令选用MII接口，如图10所示；时钟信号处理如图12所示。图9是IQ数据通道的映射示意图，其中Y＝0时有4个数据通道，其IQ数据映射表参考表2；Y＝1、Y＝2、Y＝3时的数据通道和Y＝0时类似，只不过增加了4*3＝12个IQ数据通道。图9中，A、B、C、D、E、F、G、H表示8个bit，分别是bit0～bit7。W表示字，共有16个字，其中第0个字是控制字。Y表示每个字里面的byte(字节)数，Y＝0表示每个字里面的第0个byte。Controlword表示控制字。Chip表示码片速率。Time表示时间。Z表示嵌套数。X表示嵌套里的基本帧数。图10是MII接口的控制命令的通道示意图，可以在FPGA里面设定MII的速率，然后参考以太网通用的MII接口协议进行应用。图11是系统时钟同步的原理框图。上一级节点的时钟通过FPGA的CPRI接口传输到下一级读写器的FPGA，然后接收端的FPGA从CPRI通道中恢复出来61.44MHz的参考时钟、给本设备的时钟锁相环REFI端输入。本设备的时钟锁相环锁出来30.72MHz、61.44MHz等多路时钟，分别输出给FPGA、DAC、ADC等射频单元使用的芯片，这些芯片有了时钟后，工作时就能保持和上一节点的时钟同步。在多个RFID读写器级联的情况下，依次类推，就能保证各个RFID读写器的时钟一直同步下去，直至最后一个RFID读写器终结。图11中，TCXO表示温度补偿晶振，REFI表示参考时钟输入。OSCin表示晶振输入，VCXO表示压控晶振，CPout表示充电泵输出电压，DCI表示数据时钟输入，DACCLK表示DAC(数模转换)芯片的时钟输入。在多个站点或多个应用或多个RFID读写器进行级联组网的情况下，本发明提出采用软件配置的方式下发读写器编号，读写器编号的数据结构参 照图12和图13，每个读写器的ID数据结构记录本读写器的编号。读写器编号的源头是从RFID控制器发出的，初始索引值为010101；其中，最低2位表示固定站点固定应用的某个RFID读写器，理论上最多支持255个RFID读写器。读写器编号下发过程中，每经过1个同一应用内部的RFID读写器，ID(编号)自动加1；中间2位表示固定站点的某个应用，理论上每个站点最多支持255个应用。ID下发过程中，每经过1个同一个站点内部的应用，ID自动加1。最高2位表示某个站点，理论上最多支持255个站点级联。ID下发过程中，每经过1个站点，ID自动加1。实际使用过程中，由于光口的速率限制，最多支持的RFID读写器个数、最多支持的应用数量、最多支持的站点数量都可能少于255个。图13中，MM、NN、XX、YY、ZZ都是用字母来代替不确定的2位数字。本发明施工成本低、信号传输距离远，组网灵活方便、交通环境下抗电磁干扰能力强，具有冗余保护，通讯信号质量好。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3